秸稈還田對(duì)麥粱兩熟農(nóng)田土壤團(tuán)聚體特征的短期效應(yīng)

孫隆祥, 陳夢(mèng)妮, 薛建福, 崔福柱, 郝建平, 郭秀卿, 杜天慶, 崔江輝, 張倍寧

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 山西 太谷 030801)

近年來，土壤結(jié)構(gòu)退化表現(xiàn)為土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性下降及粒徑比例失調(diào)，由此引起的耕地侵蝕問題已受到全球公眾的日益關(guān)注[1-2]。土壤團(tuán)聚體由土壤理化生綜合作用形成，是農(nóng)田土壤的養(yǎng)分庫和微生物生境，其粒徑分布和穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[3]。不同粒級(jí)團(tuán)聚體在土壤水分、肥力及氣體循環(huán)過程中表現(xiàn)不同，一般粒徑>0.25 mm的團(tuán)聚體是土壤最佳團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體，其數(shù)量與土壤肥力狀況緊密相關(guān)[4]。同時(shí)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量和分布狀況反映了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗侵蝕能力[5]。然而，大量的農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)農(nóng)田土壤團(tuán)聚體粒級(jí)分布和穩(wěn)定性影響不同[6]，秸稈還田措施作為農(nóng)業(yè)活動(dòng)之一，可以有效增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤穩(wěn)定性[7]。因此，深入探討秸稈還田措施對(duì)農(nóng)田土壤團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定的影響成為農(nóng)田土壤防治的重要研究內(nèi)容。

秸稈還田措施能夠有效增加土壤團(tuán)粒膠結(jié)劑，其積累量與土壤0.25～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量顯著相關(guān)[8]。對(duì)此，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)秸稈還田對(duì)土壤團(tuán)聚體粒徑及穩(wěn)定機(jī)理開展了大量研究，結(jié)果表明秸稈還田恢復(fù)有機(jī)質(zhì)的同時(shí)能促使土壤耕層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[9-10]，但學(xué)者主要基于稻麥、麥玉等系統(tǒng)[11-12]，研究不同秸稈還田量對(duì)土壤生物群落[13]、有機(jī)碳庫[14]、土壤質(zhì)量[15]、酶活性[16]及作物產(chǎn)量[17]等方面的影響，但針對(duì)麥粱兩熟農(nóng)田系統(tǒng)，不同秸稈還田量對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響尚鮮有報(bào)道。

高粱是山西省重要的雜糧作物，年均種植面積約6.67萬hm2，占全國高粱種植面積的1/10[18]，其種植優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)型，對(duì)山西省農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)民增收具有重要意義[19]。山西省中部地區(qū)傳統(tǒng)種植系統(tǒng)多為一年一熟或兩年三熟制，隨著“晉雜30”的成功選育，使得麥粱一年兩熟制成為了一種可能[20]。以往研究多側(cè)重于常規(guī)種植系統(tǒng)(稻麥和麥玉系統(tǒng))下土壤理化生特性及其團(tuán)聚體變化進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，鮮有文章針對(duì)麥粱種植系統(tǒng)農(nóng)田土壤團(tuán)聚體粒徑分布及穩(wěn)定性對(duì)秸稈還田量的響應(yīng)開展研究。因此，本文以土壤團(tuán)聚體分布和穩(wěn)定性參數(shù)——>0.25 mm團(tuán)聚體含量(R0.25)、平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、土壤團(tuán)聚體破壞率(PAD)、不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)(ELT)及分形維數(shù)(D)等為考察指標(biāo)[21]，以期為麥粱兩熟農(nóng)田土壤改良及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于山西省晉中市太谷縣北洸村山西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新園區(qū)(37°42′N，112°55′E)，隸屬黃土高原地貌類型。平均海拔811 m，年平均溫度9.4℃，年降雨量479.6 mm，降水主要集中于6—8月份。全年太陽日照時(shí)數(shù)平均為2 530.8 h，輻射總量為4 976.8～5 530.6 MJ/m2，年平均無霜期151 d，年平均潛在蒸發(fā)量為1 718.4 mm。試驗(yàn)田土壤為褐土，土層深厚，其耕層土壤(0—30 cm)初始理化性狀見表1。

表1 試驗(yàn)地耕層土壤基本理化性狀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年10月進(jìn)行，采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置秸稈不還田(CK)、半量還田(HR)和全量還田(WR)3個(gè)處理，3次重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為200 m2(10.0 m×20.0 m)，壟寬65 cm，具體秸稈處理方式見表2。供試冬小麥品種為“長6878”，于當(dāng)年10月25日種植，基本苗為300～350萬株/hm2，行距為20 cm，2016年6月20日收獲，年產(chǎn)秸稈量為7 500 kg/hm2；夏高粱品種為“晉雜30”，于2016年6月26日機(jī)播種植，基本苗為13～14萬株/hm2，行距為40 cm，2016年10月20日收獲，年產(chǎn)秸稈量為8 500 kg/hm2。為了更好地控制肥料因素對(duì)試驗(yàn)的影響，本試驗(yàn)各作物播種前均施用750 kg/hm2奧磷丹復(fù)合肥(N≥17%；P2O5≥17%；K2O≥17%)作為基肥，且作物拔節(jié)期追施尿素(N≥46.4%)，施肥量為150 kg/hm2。所有試驗(yàn)田的田間管理與常規(guī)無異，均進(jìn)行漫灌式澆水和人工控制病蟲草害。秸稈還田處理均為前茬作物秸稈，均進(jìn)行切割粉碎為5 cm長度。其中，高粱收獲后，試驗(yàn)田進(jìn)行翻耕+旋耕處理；小麥?zhǔn)斋@后，試驗(yàn)田僅進(jìn)行旋耕處理。

表2 田間試驗(yàn)處理描述

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品采集與分析 土壤樣品于2016年10月夏高粱收獲時(shí)采集，用“五點(diǎn)取樣法”分別采集0—10 cm，10—20 cm和20—30 cm共3個(gè)層次的原狀土樣，沿其自然裂縫將大塊剝離為直徑1 cm左右，在采集和運(yùn)輸過程中盡量減少對(duì)土樣的擾動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)風(fēng)干后剔除有機(jī)殘?bào)w及石塊，按其原狀土樣比例取混合土樣200 g用于土壤團(tuán)聚體的測定。

土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體(干篩法)[22]：取200 g混合土樣置于套篩(孔徑依次為10，7，5，3，2，1，0.5 和0.25 mm)頂部，進(jìn)行震蕩篩分，測定各孔徑篩分后土樣重量。

水穩(wěn)性團(tuán)聚體(濕篩法)[22]：按照干篩后土壤各粒級(jí)重量比稱取50 g混合土樣，將其置于1 L量筒內(nèi)，沿量筒邊緣緩慢加入去離子水至飽和狀，靜置10 min后，再次加入去離子水至1 L刻度線處，上下震蕩10次，將其轉(zhuǎn)移至放置于水桶中的套篩(孔徑依次為5，3，2，1，0.5，0.25 mm)頂部，將套篩在水中慢慢提起后迅速放下，重復(fù)震蕩10次，將各孔徑篩分后土樣分別置于鋁盒中烘干(50℃)稱重。將>0.25 mm的團(tuán)聚體稱為大團(tuán)聚體，<0.25 mm的團(tuán)聚體稱為微團(tuán)聚體。

1.3.2 計(jì)算方法 利用干濕篩后各粒級(jí)團(tuán)聚體數(shù)據(jù)，計(jì)算大團(tuán)聚體含量比例(R0.25)、平均重量直徑(MWD)、平均幾何直徑(GWD)、土壤團(tuán)聚體破壞率(PAD)和不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)(ELT)表征團(tuán)聚體穩(wěn)定性[23]，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：DR0.25為>0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量(%)；WR0.25為>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(%)。

(5)

式中：WT為供試土壤總重量(g)；W0.25為水穩(wěn)性團(tuán)聚體重量(g)。

分形維數(shù)(D)的計(jì)算采用楊培嶺等[24]推導(dǎo)的公式：

(6)

1.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Sigmaplot 12.0軟件進(jìn)行繪圖。不同處理間土壤團(tuán)聚體各指標(biāo)采用最小顯著差法(LSD)進(jìn)行多重比較(p<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成

不同秸稈還田量處理下0—30 cm土層<0.25 mm粒級(jí)機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量隨著秸稈還田量的增加而顯著增加(p<0.05)(表3)。相比CK處理，WR處理0—10 cm土層<0.25，0.25～0.5，0.5～1，1～2 mm粒級(jí)機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量分別顯著增加了911.2%，969.1%，298.2%和15.1%(p<0.05)。10—20 cm土層，各處理7～10，5～7，3～5，2～3，1～2，0.5～1 mm粒級(jí)機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量差異不顯著。CK處理20—30 cm土層1～2 mm粒級(jí)機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量較HR和WR處理分別顯著降低了12.3%和22.6%(p<0.05)。WR處理相比CK和HR有效地降低了0—30 cm土層>10 mm粒級(jí)機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量。

不同秸稈還田量處理下0—30 cm土層<0.25 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量隨著秸稈還田量的增加而顯著降低(p<0.05)(表4)。在0—10 cm土層，WR處理0.25～0.5，0.5～1，1～2 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量相比CK處理分別顯著增加了104.9%，51.5%和67.2%；>5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體顯著降低了34.1%(p<0.05)。在10—20 cm土層，HR處理>5，3～5，0.5～1 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著高于WR處理，和CK處理不存在顯著性差異(p<0.05)。在20—30 cm土層，WR處理0.25～0.5，0.5～1 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量相比CK處理分別顯著增加了20.4%和34.5%，且>5，3～5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量相比CK處理分別顯著降低了100%和94.1%(p<0.05)。

表3 不同秸稈還田量處理下土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成

注：同一土層同列不同字母表示不同處理在p<0.05水平上的統(tǒng)計(jì)差異,下表同。

表4 不同秸稈還田量處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成

2.2 土壤機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性

不同秸稈還田量處理下土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD，GMD和R0.25隨著土層深度的增加均呈逐漸降低的趨勢(shì)(表5)。WR處理0—10 cm土層機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD，GMD和R0.25均顯著低于HR和CK處理(p<0.05)。秸稈還田處理下10—20 cm土層機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體GMD和R0.25值均顯著低于CK處理，且HR處理下MWD相比CK處理顯著降低了18.6%，WR相比CK處理不存在顯著性差異(p<0.05)。相比CK處理，WR處理20—30 cm土層機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD，GMD和R0.25分別顯著降低了28.3%，31.6%和3.0%(p<0.05)。

不同秸稈還田量處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD，GMD和R0.25隨著土層深度的增加表現(xiàn)為逐漸降低的態(tài)勢(shì)(表6)。0—10 cm土層，WR處理水穩(wěn)性團(tuán)聚體GMD和R0.25較CK處理分別顯著提高了2.9%和65.9%(p<0.05)。秸稈還田處理10—20 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體R0.25含量顯著高于CK處理，且HR處理MWD，GMD和R0.25值均顯著高于WR處理(p<0.05)。20—30 cm土層，各處理水穩(wěn)性團(tuán)聚體GMD無顯著性差異，但WR處理R0.25含量較CK和HR處理分別顯著提高了16.7%和45.5%(p<0.05)。土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD，GMD和R0.25均明顯高于水穩(wěn)性團(tuán)聚體，是水分浸泡下大量的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體分解的結(jié)果。

表5 不同秸稈還田量處理對(duì)土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)的影響

注：MWD#指土壤團(tuán)聚體平均重量直徑；GMD#指土壤團(tuán)聚體平均幾何直徑；R0.25#指土壤中>0.25 mm的團(tuán)聚體數(shù)量，下表同。

表6 不同秸稈還田量處理對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)的影響

2.3 土壤團(tuán)聚體破壞率

不同秸稈還田量處理下土壤團(tuán)聚體破壞率(PAD)和不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)(ELT)結(jié)果相似(圖1)。WR處理0—10 cm土層團(tuán)聚體PAD和ELT較CK處理分別顯著降低了7.2%和4.4%(p<0.05)。10—20 cm土層，各處理土壤團(tuán)聚體PAD，ELT值均表現(xiàn)為HR

2.4 土壤團(tuán)聚體分形特征

不同秸稈還田量處理下土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)(D)隨著土層深度的增加均呈逐漸增大的趨勢(shì)(圖2)。WR處理0—30 cm土層機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體D均高于CK和HR處理，且WR處理0—10，10—20 cm土層機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體D較CK處理分別顯著提高了39.3%和7.9%(p<0.05)。20—30 cm土層，處理間機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體D無顯著性差異(p<0.05)(圖2A)。

WR處理0—10 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體D較CK和HR處理分別顯著降低了0.5%和0.2%(p<0.05)，且在20—30 cm土層，WR處理下水穩(wěn)性團(tuán)聚體D較CK和HR處理分別顯著降低了0.1%和0.3%(p<0.05)。各處理10—20 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體D表現(xiàn)為HR

注：同一土層不同字母表示不同處理在p<0.05水平上的統(tǒng)計(jì)差異,下圖同。

圖1不同秸稈還田量處理下土壤團(tuán)聚體破壞率及不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)

圖2不同秸稈還田量處理方式下土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)

2.5 土壤團(tuán)聚體與理化特征間相關(guān)分析

土壤理化特征與團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)間相關(guān)關(guān)系表明(表7)，土壤團(tuán)聚體PAD和ELT兩者主要與土壤容重、全鉀含量存在顯著正相關(guān)，且與土壤孔隙度、充氣孔隙度、毛管孔隙度、毛管含水量、全氮含量、有機(jī)碳呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)。土壤質(zhì)量含水量、體積含水量、速效磷、速效鉀、全鉀分別與機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD，GMD和R0.25呈極顯著正相關(guān)，與參數(shù)D呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)。土壤全氮及有機(jī)碳含量與水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定參數(shù)呈極顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，其余土壤理化特征與MWD，GMD相關(guān)，與R0.25，D則不相關(guān)，兩者呈相反的相關(guān)關(guān)系。

表7 土壤團(tuán)聚體與理化特征間相關(guān)分析

注：**和*分別表示各指標(biāo)在0.01，0.05水平上存在Person相關(guān)性，下表同。

2.6 土壤團(tuán)聚體與作物產(chǎn)量間相關(guān)分析

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)與作物產(chǎn)量相關(guān)分析表明(表8)，0—10 cm土層機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)與產(chǎn)量顯著相關(guān)，且與D顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)。0—20 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體GMD和MWD與作物產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)。在20—30 cm土層，土壤團(tuán)聚體PAD，ELT、機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體R0.25，水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD和D均極顯著正相關(guān)于作物產(chǎn)量(p<0.01)，且機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體D、水穩(wěn)性團(tuán)聚體R0.25與作物產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)。

表8 土壤團(tuán)聚體與作物產(chǎn)量間相關(guān)分析

3 討 論

已有研究表明，在秸稈還田試驗(yàn)中，秸稈還田可以提高土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，增加微生物多樣性和酶活性，提高土壤孔隙度，降低土壤容重和緊實(shí)度，防止土壤因水分和壓力形成大土塊[25]。秸稈還田后，0—30 cm土層>10 mm粒級(jí)機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量顯著低于CK處理。在0—10 cm土層，相比HR和CK處理，WR處理顯著降低了>2 mm粒級(jí)機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量，顯著增加<2 mm粒級(jí)含量(p<0.05)?？赡芤?yàn)楸韺油寥浪州^低，土壤壓力較弱，秸稈的加入亦對(duì)土壤產(chǎn)生疏松作用，保護(hù)小粒徑土壤免于形成大土塊結(jié)構(gòu)。良好的土壤結(jié)構(gòu)狀況不僅要求較多的機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量，還應(yīng)持有一定的穩(wěn)定性，尤其是水穩(wěn)性，才能防止耕作、施肥、灌溉、降雨沖擊等影響下土壤結(jié)構(gòu)迅速破裂惡化[26]。秸稈還田后，0—30 cm土層水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量顯著增加(p<0.05)，與土壤大團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)及有機(jī)質(zhì)變化的胚胎發(fā)育模型相符合[27]。當(dāng)外源有機(jī)殘?bào)w進(jìn)入時(shí)，可促進(jìn)土壤顆粒有機(jī)質(zhì)(POM)的形成，在礦物質(zhì)、微生物分泌物和POM相互作用下形成微團(tuán)聚體核心，繼續(xù)在土壤有機(jī)質(zhì)膠結(jié)作用下，微團(tuán)聚體、礦物質(zhì)和POM結(jié)合形成大團(tuán)聚體，促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體數(shù)量增加[28-29]。此外，WR處理較HR和CK處理顯著增加0—10 cm土層0.5～1，0.25～0.5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。主要因?yàn)橄母吡簧L初期溫高水足，促進(jìn)秸稈腐解，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。一方面，有機(jī)質(zhì)的輸入刺激土壤微生物繁殖及活性，促使分泌物、礦物質(zhì)和POM形成大團(tuán)聚體[5]。另一方面，土壤養(yǎng)分的增加促進(jìn)作物生長和根系代謝產(chǎn)物增加，進(jìn)一步促使大團(tuán)聚體的形成[30]。秸稈還田量越多，有機(jī)質(zhì)輸入越多，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量越多[31]。但小粒級(jí)團(tuán)聚體相比大粒級(jí)團(tuán)聚體，POM相對(duì)更加封閉，團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定[32]。秸稈還田后，有機(jī)質(zhì)富集于表層[33]，0—10 cm土層有機(jī)質(zhì)、微生物數(shù)量及種類較10—30 cm土層多，因此，秸稈還田后0—10 cm土層大團(tuán)聚體含量增加，微團(tuán)聚體減少的現(xiàn)象要比10—30 cm土層顯著(p<0.05)。但眾學(xué)者針對(duì)稻麥系統(tǒng)[34]、棉花連作系統(tǒng)[35]及雙季稻系統(tǒng)[36]研究發(fā)現(xiàn)作物秸稈還田對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體各粒級(jí)分布及含量影響不同，應(yīng)該是作物秸稈的特殊性、種植系統(tǒng)的不同與土壤類型綜合作用的結(jié)果[37]。

平均重量直徑(MWD)和平均幾何直徑(GMD)可以靈敏地反映土壤團(tuán)聚體的粒徑分布狀況，大團(tuán)聚體百分含量越高，MWD值越大，說明團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚程度越高；團(tuán)聚體越穩(wěn)定，GMD值越大[38]。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田顯著促進(jìn)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體R0.25含量及0—10 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體GMD值的提升，說明秸稈還田使水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及穩(wěn)定性提高。秸稈還田后，土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD，GMD和R0.25含量顯著低于CK處理，這主要是CK處理機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量占據(jù)百分比居高的緣故。結(jié)合上述各粒徑分布研究結(jié)果，由于WR處理顯著提升土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量和小粒徑機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量，所以WR處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體GMD和R0.25含量最高，機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體穩(wěn)定參數(shù)最低。此外，經(jīng)干篩和濕篩處理，土壤團(tuán)聚體MWD，GMD和R0.25變化趨勢(shì)不同，因?yàn)楦珊Y法反映原狀土中非水穩(wěn)性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的總體情況，而濕篩法僅反映水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征，故兩者穩(wěn)定參數(shù)結(jié)果不同，濕篩法更能準(zhǔn)確反映秸稈還田量對(duì)土壤穩(wěn)定性的影響[39]。其中，土壤團(tuán)聚體GMD是以土壤團(tuán)聚體分布服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布為前提，然而眾學(xué)者認(rèn)為團(tuán)聚體分布并非對(duì)數(shù)正態(tài)分布[40]，致使結(jié)果中GMD與MWD表現(xiàn)不同。相關(guān)性結(jié)果表明，土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD，GMD，R0.25與土壤含水量、速效養(yǎng)分和全鉀呈顯著正相關(guān)，與土壤孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，說明秸稈進(jìn)入土壤后，土壤水分及速效養(yǎng)分會(huì)刺激土壤微生物繁殖及多樣性，提升秸稈中有機(jī)質(zhì)返還農(nóng)田的效率，同時(shí)全鉀含有金屬陽離子，亦為大團(tuán)聚體形成條件，能夠有效增加土壤大團(tuán)聚體含量。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定參數(shù)與土壤有機(jī)碳呈正相關(guān)，主要是因?yàn)橥寥浪€(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性與大團(tuán)聚體含量顯著正相關(guān)，而有機(jī)碳中POM則是大團(tuán)聚體形成的主要因子，這一研究結(jié)論在楊如萍[41]、高飛[42]、Osborne[29]等的研究中也得到了證實(shí)。

土壤團(tuán)聚體破壞率(PAD)、不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)(ELT)和分形維數(shù)(D)能夠敏銳地反映出土壤穩(wěn)定性及黏粒含量，其值越高，土壤黏粒含量越高，結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，也表明退化程度增加[43]。秸稈還田后，0—30 cm土層團(tuán)聚體PAD和ELT顯著降低，且兩者變化趨勢(shì)相似，說明秸稈還田能夠有效提高土壤穩(wěn)定性，防治土壤退化。WR處理在0—10 cm土層團(tuán)聚體PAD和ELT顯著低于CK和HR處理，主要原因是表層土壤水分、溫度、空氣充足，秸稈殘留量高于深層土壤，分解過程對(duì)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體形成所需的POM、微生物含量、酶活性、金屬陽離子含量等膠結(jié)物質(zhì)均有提高。在10—20，20—30 cm土層，HR與WR處理表現(xiàn)不同，因?yàn)榻斩掃€田量隨著耕作方式進(jìn)入深層土壤秸稈量不同，且深層土壤空氣含量不足，秸稈過量將抑制腐解[44]?？赡躓R處理在10—20 cm土層秸稈還田量超出該土層所容納的最大秸稈量，在20—30 cm土層秸稈還田量則在土壤所容納范圍之內(nèi)，因而僅提升20—30 cm土壤穩(wěn)定性。基于干篩法，在0—30 cm土層內(nèi)，各處理的土壤團(tuán)聚體D隨著深度的增加而增大，濕篩法則呈“V”字形趨勢(shì)，這與李娟[43]、李涵[45]等研究結(jié)果不同，可能是因?yàn)檗r(nóng)田利用方式、作物及土壤質(zhì)地不同的緣故。相比0—10 cm土層干篩和濕篩各處理結(jié)果，團(tuán)聚體D變化趨勢(shì)相反，說明秸稈還田的確能夠提升土壤穩(wěn)定性。李娟等[43]研究發(fā)現(xiàn)土壤團(tuán)聚體D與R0.25存在負(fù)線性關(guān)系，及R0.25含量越高，D越低。以上研究結(jié)果顯示秸稈還田可以有效增加<0.25 mm粒級(jí)機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量，同時(shí)秸稈分解過程中產(chǎn)生的膠結(jié)劑可以增加土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量，也說明了WR處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體D最低的原因。土壤容重和全鉀含量均顯著正相關(guān)于土壤團(tuán)聚體PAD，ELT及水穩(wěn)性團(tuán)聚體D，說明改善土壤容重、增加金屬陽離子含量有助于提高土壤穩(wěn)定性。土壤孔隙度、毛管含水量則與土壤團(tuán)聚體PAD，ELT及水穩(wěn)性團(tuán)聚體D呈顯著負(fù)相關(guān)，與機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體D呈顯著正相關(guān)，主要因?yàn)樵摰貐^(qū)農(nóng)田土壤主要以機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體為主，但其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中保水保肥性能差，灌溉后土壤易沉淀板結(jié)，影響土壤通透性；另外，黃土高原區(qū)春季多發(fā)土壤風(fēng)蝕現(xiàn)象亦是因?yàn)檗r(nóng)戶在播種前進(jìn)行鎮(zhèn)壓、耙耱等破壞機(jī)械大團(tuán)聚體的緣故[46]。此外，產(chǎn)量與0—10 cm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體、10—30 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體、20—30 cm團(tuán)聚體PAD，ELT呈顯著相關(guān)性，主要是因?yàn)?—10 cm土壤機(jī)械大團(tuán)聚體能夠有效緩解土壤板結(jié)和雨水對(duì)幼苗根系的沖刷，10—20 cm土層水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量越高，說明土壤養(yǎng)分、微生物、菌絲含量越高，且團(tuán)聚體穩(wěn)定性越高，土壤疏松程度越高，有利于作物生長。

本文基于秸稈還田量對(duì)麥粱兩熟制農(nóng)田土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性短期試驗(yàn)，與秸稈未還田相比，秸稈還田有利于增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[47]，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤大團(tuán)聚體含量及團(tuán)聚體穩(wěn)定性，且秸稈100%還田處理效果優(yōu)于50%還田處理。

4 結(jié) 論

(1) 基于麥粱兩熟制農(nóng)田系統(tǒng)，在短期內(nèi)，秸稈還田措施能夠顯著降低0—30 cm土層>10和<0.25 mm粒級(jí)機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量，增加0.25～2 mm各亞粒級(jí)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量，從而提高土壤團(tuán)聚體R0.25含量。其中，WR處理下土壤機(jī)械及水穩(wěn)性穩(wěn)定性團(tuán)聚體R0.25含量較HR處理分別顯著降低約1.9%～9.5%和16.7%～65.9%(p<0.05)。

(2) 秸稈還田措施能夠降低土壤團(tuán)聚體PAD，ELT及D值，且WR處理較HR處理作用效果更為顯著(p<0.05)。其中，WR處理下0—30 cm土壤團(tuán)聚體PAD及ELT值較CK處理分別顯著降低約1.6%～7.2%和0.7%～4.4%，并隨著土層的加深逐漸減弱。進(jìn)一步分析土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與理化性狀相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定參數(shù)與土壤容重及全鉀含量呈顯著正相關(guān)，且與土壤孔隙度、含水量、全氮和有機(jī)碳含量呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)。

綜合說明麥粱秸稈全還田在短期年限內(nèi)可以增加土壤有機(jī)碳含量，改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)及持水保水能力，提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，促使雜糧和經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量的同步增長。