添加玉米秸稈對(duì)旱作土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳含量的影響

王碧勝，于維水，武雪萍，高麗麗,2，李景,3，李生平，宋霄君，劉彩彩,4，李倩,5，梁國(guó)鵬，蔡典雄，張繼宗

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；3河北地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院，石家莊 050031；4山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，山西臨汾 041004；5首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048）

0 引言

【研究意義】土壤團(tuán)聚體是土壤的基本結(jié)構(gòu)單元[1］，其分布和穩(wěn)定性是土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)。土壤有機(jī)碳作為土壤質(zhì)量的核心要素，決定著土壤肥力[2-3］。土壤團(tuán)聚體和有機(jī)碳之間通常有著密切的聯(lián)系，一方面團(tuán)聚體的包被作用可以使其內(nèi)部的有機(jī)碳得到物理保護(hù)而免受微生物的分解，增加土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性[4］；另一方面土壤有機(jī)碳是重要的膠結(jié)物質(zhì)，能夠增強(qiáng)土粒的團(tuán)聚性、促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成[5-7］。秸稈還田不僅能夠使數(shù)量巨大的秸稈能源得到充分利用[8-9］，而且能夠有效增加土壤有機(jī)碳含量[10-13］、提高土壤肥力和保持土壤水分[14］。此外，秸稈還田對(duì)土壤團(tuán)聚體形成也具有促進(jìn)作用[15-16］，改善土壤結(jié)構(gòu)。中國(guó)北方的旱作農(nóng)業(yè)大約占全國(guó)耕地面積55%，此區(qū)域土壤干旱和水土流失嚴(yán)重，傳統(tǒng)耕作頻繁的翻耕和秸稈移除導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞和土壤肥力下降，是限制該地區(qū)作物產(chǎn)量的主要因素[17］。因此，研究秸稈還田對(duì)旱作農(nóng)田土壤團(tuán)聚體形成及有機(jī)碳分布的影響，對(duì)于旱作農(nóng)田土壤管理措施的選擇具有重要的實(shí)踐意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前關(guān)于秸稈還田對(duì)土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳的影響已備受關(guān)注。王秀娟等[8］研究表明秸稈還田能夠提高0—20 cm土層＞2 mm團(tuán)聚體含量以及0.25—1 mm和＜0.25 mm粒級(jí)中的有機(jī)碳含量。劉哲等[18］研究表明，在培養(yǎng)15 d、60 d和120 d時(shí)添加秸稈均能顯著提高土壤＞2 000 μm 團(tuán)聚體含量。謝檸檜等[19］通過研究玉米根、莖、葉在土壤中的分配，得知在180 d的培養(yǎng)期內(nèi)各添加物處理有機(jī)碳含量均顯著高于未添加處理。上述研究表明，秸稈對(duì)團(tuán)聚體及其有機(jī)碳有重要影響，通過短期室內(nèi)培養(yǎng)研究其變化規(guī)律是可行的。【本研究切入點(diǎn)】不同土壤類型和氣候環(huán)境常常影響秸稈還田對(duì)土壤團(tuán)聚體及有機(jī)碳的作用效果[20-21］，北方旱地具有多風(fēng)少雨的特殊氣候[17］，自20世紀(jì)80年代引入保護(hù)性耕作以來[22］，秸稈還田得到普遍推廣。關(guān)于秸稈對(duì)團(tuán)聚體影響的研究多是在施肥[2-3,7,10］和耕作[5,16］條件下開展，導(dǎo)致秸稈還田對(duì)北方旱作農(nóng)田土壤團(tuán)聚體和有機(jī)碳的影響尚不清楚；關(guān)于添加秸稈對(duì)長(zhǎng)期傳統(tǒng)耕作的土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳變化的研究更少見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文采用室內(nèi)培養(yǎng)方法，通過對(duì)比長(zhǎng)期傳統(tǒng)耕作（每年耕作兩次，秸稈移除）和免耕處理（不耕作，秸稈覆蓋）土壤在添加玉米秸稈后團(tuán)聚體組成、穩(wěn)定性以及各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳分布的變化，明確添加秸稈對(duì)旱地不同耕作處理土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳的影響，為北方旱作農(nóng)田篩選合理農(nóng)田管理方式提供科學(xué)依據(jù)，為深入研究旱作農(nóng)田土壤團(tuán)聚體固碳機(jī)制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山西省壽陽縣宗艾村（東經(jīng) 112°—113°，北緯 37°—38°），海拔 1 066—1 159 m，年平均氣溫7.4℃，近20年的平均降雨量為461.8 mm，年均蒸發(fā)量約為1 700—1 800 mm，屬中緯度暖溫帶半濕潤(rùn)偏旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，受季風(fēng)影響，平均風(fēng)速可達(dá)3.9 m·s-1，冬春季最大風(fēng)力可達(dá)8級(jí)以上。四季分明、季節(jié)溫差大，無霜期為130 d左右。一年一作春玉米播種面積占糧食播種面積的50%以上。試驗(yàn)地點(diǎn)選在地勢(shì)較平緩的褐土上，質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，屬于全年無灌溉雨養(yǎng)地。2003年時(shí)0—20 cm土層基礎(chǔ)養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì) 25.7 g·kg-1，全氮 1.04 g·kg-1，速效氮（NH4++NO3-）54.0 mg·kg-1，速效磷 7.3 mg·kg-1，速效鉀 84.0 mg·kg-1，pH 7.87。

本試驗(yàn)開始于2003年并一直保持相同處理，試驗(yàn)設(shè)傳統(tǒng)耕作（CT）和免耕（NT）2種耕作處理，具體操作為：傳統(tǒng)耕作（CT），秋收后秸稈移出，秋季耕翻，春季播前撒施化肥并春耕；免耕（NT），秋收后將秸稈順行推倒免耕覆蓋，春季免耕，順行開5 cm深小槽，點(diǎn)播玉米種子，在兩播種點(diǎn)之間穴施化肥。種植作物為春玉米，一年一作，供試玉米品種為當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)品種。處理小區(qū)面積為5 m×5 m=25 m2，重復(fù)3次，每年不同耕作處理N、P2O5施肥量分別為 105 kg·hm-2。

1.2 供試材料

2016年秋季收獲后，采集0—20 cm土層樣品，通過環(huán)刀法獲取原狀土樣，通過土鉆采集3樣點(diǎn)土壤混合均勻獲取混合土樣。采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，在通風(fēng)陰涼處自然風(fēng)干后沿土塊天然斷裂面輕輕掰開，將大的植物殘?bào)w和石子砂礫去除，原狀土樣通過6 mm篩子，用于測(cè)定初始土樣水穩(wěn)性團(tuán)聚體；混合土樣全部通過2 mm篩子，用于培養(yǎng)試驗(yàn)。2016年CT和NT處理土壤養(yǎng)分含量分別為：有機(jī)質(zhì)27.3 g·kg-1和35.6 g·kg-1，全氮 1.05 g·kg-1和 1.55 g·kg-1，速效磷 12.0 mg·kg-1和 46.3 mg·kg-1，速效鉀 106.0 mg·kg-1和 173.0 mg·kg-1，pH 8.12和 7.76。供試秸稈為大田試驗(yàn)傳統(tǒng)耕作處理下玉米秸稈，取地上部分，在60℃烘干，粉碎過2 mm篩，秸稈有機(jī)碳含量為424.3 g·kg-1，全氮18.7 g·kg-1。

1.3 培養(yǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)置 4個(gè)處理，即傳統(tǒng)耕作土壤不加秸稈（CT）、免耕土壤不加秸稈（NT）、傳統(tǒng)耕作土壤加秸稈（CTS）和免耕土壤加秸稈（NTS），每個(gè)處理15次重復(fù)。將過2 mm篩的土樣60 g和3 g玉米秸稈（5%烘干土的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)[23］）混勻后裝入500 mL的玻璃廣口瓶中，加入蒸餾水至土壤最大持水量的70%，用中間帶透氣濾紙的塑料膜封閉瓶口，在 25℃恒溫培養(yǎng)箱中通氣培養(yǎng)，每周稱重保持土壤水分。培養(yǎng)周期為180 d，分別于培養(yǎng)后第15天、30天、60天、90天、180天取各處理3個(gè)重復(fù)樣品進(jìn)行試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定；第0天數(shù)據(jù)采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)開始前土壤測(cè)定，因此CT和CTS、NT和NTS分別相同。

1.4 測(cè)試方法

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體：稱取50.00 g風(fēng)干土平鋪于2 mm篩子上，室溫下用蒸餾水浸潤(rùn) 5 min，手動(dòng)上下振動(dòng)篩子，幅度為3 cm，震動(dòng)2 min，共50次。震動(dòng)完畢后用蒸餾水將篩子上的土樣洗入鋁盒。按照上述方法將土樣依次通過0.25 mm和0.053 mm篩，分別獲得＞2 000 μm、2 000—250 μm、250—53 μm 和＜53 μm四部分團(tuán)聚體。

土壤有機(jī)碳測(cè)定采用干樣燃燒法，所用儀器為元素分析儀（Vario MAX122 C/N，Elementar Analysensysteme GmbH，Hanau, Germany），測(cè)定前土樣經(jīng) 1 mol·L-1鹽酸處理，去除無機(jī)碳。

1.5 計(jì)算方法

利用各粒級(jí)團(tuán)聚體數(shù)據(jù)，計(jì)算平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、＞0.25 mm團(tuán)聚體百分比（R0.25）。

式中，Xi為第i級(jí)團(tuán)聚體平均直徑（mm），Mi為第i級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量（g），Mt為團(tuán)聚體總質(zhì)量（g），Mr＞0.25為直徑大于0.25 mm團(tuán)聚體質(zhì)量（g）。

團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率（W）：

式中，W為團(tuán)聚體中有機(jī)碳對(duì)土壤中有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率（%），OCi為第i級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量g C·kg-1aggregate），SOC為土壤中有機(jī)碳含量（g C·kg-1soil）。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2007和SAS9.2進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，采用一般線性模型進(jìn)行方差分析，最小顯著極差法（LSD法）進(jìn)行多重比較，顯著性水平P＜0.05。數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（n=3）。

2 結(jié)果

2.1 添加秸稈對(duì)不同耕作處理土壤團(tuán)聚體的影響

添加秸稈對(duì)不同耕作處理土壤團(tuán)聚體有較大影響（圖1），不加秸稈處理（CT和NT）團(tuán)聚體主要分布在250—53 μm級(jí)別，占全部團(tuán)聚體的52%—66%，顯著高于其他團(tuán)聚體；添加秸稈處理（CTS和NTS）顯著提高土壤大團(tuán)聚體（＞250 μm）含量，2 000—250 μm團(tuán)聚體所占比例最高，達(dá)41%—50%。在整個(gè)培養(yǎng)時(shí)期內(nèi)，CTS較CT提高2 000—250 μm團(tuán)聚體含量230%—306%，降低250—53 μm和＜53 μm團(tuán)聚體分別為31%—37%和40%—65%；NTS較NT提高2 000—250 μm團(tuán)聚體含量92%—134%，降低250—53 μm和＜53 μm團(tuán)聚體分別為28%—36%和30%—42%，由此可知，添加秸稈對(duì)于傳統(tǒng)耕作處理土壤團(tuán)聚體含量的影響更大。此外，CTS和NTS各級(jí)團(tuán)聚體含量?jī)H在個(gè)別培養(yǎng)時(shí)期差異顯著，其他培養(yǎng)時(shí)間兩處理間無顯著差異，說明添加秸稈可減小傳統(tǒng)耕作與免耕土壤之間團(tuán)聚體含量的差異。

與培養(yǎng)0 d時(shí)團(tuán)聚體含量相比，添加秸稈條件下CTS處理增加＞2 000 μm團(tuán)聚體含量，而NTS處理減少＞2 000 μm團(tuán)聚體含量，其他級(jí)別團(tuán)聚體變化趨勢(shì)一致，即增加 2000—250 μm 團(tuán)聚體含量，減少250—53 μm 和＜53 μm 團(tuán)聚體含量。

圖1 培養(yǎng)期間土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成Fig. 1 The proportion of soil water-stable aggregate composition in each phase

2.2 添加秸稈對(duì)不同耕作處理土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）以及＞0.25 mm團(tuán)聚體百分比R0.25是評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。從表 1可知，不加秸稈時(shí)，在整個(gè)培養(yǎng)階段 NT處理 MWD、GMD、R0.25均顯著高于CT（P＜0.05），培養(yǎng)到180 d時(shí)，NT處理MWD、GMD、R0.25分別比CT提高50%、43%和92%，說明免耕處理能增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。添加秸稈后，CTS和NTS均顯著提高M(jìn)WD、GMD、R0.25值，培養(yǎng)至180 d時(shí)CTS較CT分別提高133%、130%和235%，NTS較NT分別提高72%、83%和96%，由此可知，添加秸稈對(duì)于傳統(tǒng)耕作土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的改善作用更大。在各培養(yǎng)時(shí)期，CTS的MWD、GMD、R0.25值與NTS非常接近，并且顯著高于NT，說明添加秸稈可提高傳統(tǒng)耕作土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性并縮小甚至掩蓋由于耕作處理不同造成的差異。與培養(yǎng)0 d時(shí)相比，添加秸稈同樣顯著提高M(jìn)WD、GMD、R0.25值，說明在培養(yǎng)時(shí)期內(nèi)團(tuán)聚體主要保持在較大團(tuán)聚體級(jí)別。

表1 不同培養(yǎng)時(shí)期土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性Table 1 Soil aggregate stability under different incubation periods

2.3 添加秸稈對(duì)不同耕作處理土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響

在整個(gè)培養(yǎng)期，各處理2 000—250 μm團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量最高，達(dá)43.7—130.0 g·kg-1，顯著高于其他級(jí)別團(tuán)聚體（圖2）。不加秸稈時(shí)，NT處理2 000—250 μm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著低于 CT，降低幅度達(dá)29%—40%；250—53 μm和＜53 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量 NT處理顯著高于 CT處理，提高幅度分別為25%—31%和 9%—20%。與不加秸稈處理相比，添加秸稈提高了＞2 000 μm、250—53 μm 和＜53 μm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。培養(yǎng)到180 d時(shí)，CTS處理250—53 μm和＜53 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別為26.4 g·kg-1和18.5 g·kg-1，較CT提高39%和30%；NTS處理250—53 μm和＜53 μm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別為 31.2 g·kg-1和20.1 g·kg-1，較NT分別提高30%和25%。添加秸稈同時(shí)顯著降低了2 000—250 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，CTS和NTS分別較CT和NT降低有機(jī)碳51%和28%，CTS和NTS之間無顯著差異。綜上，添加秸稈對(duì)傳統(tǒng)耕作土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響程度大于免耕土壤。

與培養(yǎng) 0 d時(shí)相比，CTS增加＞2 000 μm 和250—53 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，減少2 000—250 μm和＜53 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量；NTS處理＞2 000 μm、2 000—250 μm和＜53 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳基本保持不變，250—53 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著增加。

圖2 培養(yǎng)期間各級(jí)別團(tuán)聚體有機(jī)碳含量Fig. 2 Soil organic carbon content in aggregate

2.4 不同耕作處理團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率

不加秸稈時(shí)，CT和NT處理團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率以2 000—250 μm和250—53 μm團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率最高（圖3）。添加秸稈后2 000—250 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率最高，CTS和NTS分別高達(dá)49%—61%和 50%—60%，顯著高于其他級(jí)別團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。CTS和NTS處理顯著提高＞2 000 μm和2 000—250 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，同時(shí)顯著降低250—53 μm和＜53 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。培養(yǎng)至180 d時(shí)，CTS較CT提高2 000—250 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率32%，分別降低250—53 μm和＜53 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率34%和51%；NTS較NT提高2 000—250 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率16%，分別降低250—53 μm和＜53 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率26%和36%。綜上，添加秸稈對(duì)傳統(tǒng)耕作處理團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率影響更明顯。與培養(yǎng)0 d時(shí)相比，CTS處理＞2 000 μm和2 000—250 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率處于增加水平，而250—53 μm和＜53 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳處于減少水平；NTS處理2 000—250 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率處于增加水平，其他團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率均處于減少水平。

表2所示為各培養(yǎng)時(shí)期土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率、團(tuán)聚體質(zhì)量百分比、團(tuán)聚體有機(jī)碳濃度與培養(yǎng) 0 d時(shí)對(duì)應(yīng)指標(biāo)的變化量。團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率變化與團(tuán)聚體質(zhì)量百分比變化規(guī)律一致，團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率隨團(tuán)聚體質(zhì)量百分比增加而增加。另外，由團(tuán)聚體質(zhì)量百分比和團(tuán)聚體有機(jī)碳濃度的變化幅度可知，團(tuán)聚體質(zhì)量百分比變化幅度高于團(tuán)聚體有機(jī)碳濃度變化幅度。因此，從添加秸稈促進(jìn)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存角度考慮，添加秸稈對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響強(qiáng)于對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳濃度的影響。

3 討論

3.1 添加秸稈促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體形成

圖3 團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率Fig. 3 Contributing rates of organic carbon in aggregate to soil organic carbon

土壤團(tuán)聚體是衡量土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)而判斷土壤質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體（＞250 μm）形成對(duì)增強(qiáng)土壤固碳能力、減少水土流失及提高土壤肥力有重要作用[8］。本研究通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)得出，長(zhǎng)期進(jìn)行傳統(tǒng)耕作和免耕處理的土壤，在添加秸稈后能明顯改變其土壤團(tuán)聚體構(gòu)成。不加秸稈處理（CT和NT）土壤團(tuán)聚體以250—53 μm級(jí)別為主，占52%—66%；添加秸稈后（CTS和NTS）土壤團(tuán)聚體以2 000—250 μm級(jí)別為主，占41%—50%。添加秸稈使CTS和NTS分別提高 2 000—250 μm 團(tuán)聚體 230%—306%和92%—134%，同時(shí)降低250—53 μm團(tuán)聚體31%—37%和 28%—36%，降低＜53 μm 團(tuán)聚體 40%—65%和30%—42%，這與關(guān)松等[24］、劉哲等[18］的研究結(jié)果一致。關(guān)松、劉哲分別研究了室內(nèi)培養(yǎng)條件下添加玉米、水稻秸稈對(duì)黑土、紅壤團(tuán)聚體組成的作用，結(jié)果表明添加秸稈均能增加土壤＞2 000 μm和2 000—250 μm團(tuán)聚體含量，降低＜250 μm團(tuán)聚體。

表2 團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率（W, %）、團(tuán)聚體質(zhì)量百分比（P, %）及團(tuán)聚體有機(jī)碳濃度（OC, g C·kg-1 aggregate）變化量Table 2 The increment of aggregate organic carbon contribution rate (W, %), aggregates distribution (P, %) and aggregate organic carbon content (OC, g C·kg-1 aggregate) in added straw treatment soil compared with unprocessed soil

由此可見，添加秸稈對(duì)促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體形成具有顯著作用，這主要是因?yàn)榻斩掃M(jìn)入土壤后發(fā)揮的直接和間接作用。直接作用一方面表現(xiàn)為秸稈直接成為大團(tuán)聚體形成的核心，使土壤中的細(xì)小顆粒附著于秸稈上形成大團(tuán)聚體[25］；另一方面秸稈直接提高了土壤有機(jī)碳含量[14］，有機(jī)碳作為土壤團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定的主要膠結(jié)物質(zhì)[18］，有效促進(jìn)其形成。間接作用表現(xiàn)為秸稈作為外源碳添加到土壤中，勢(shì)必會(huì)改變土壤C/N，而微生物自身的 C/N 含量比較低，當(dāng)秸稈 C/N 小于25∶1時(shí)，就能夠提高微生物生物量和活性[26］，尤其促進(jìn)真菌菌絲生長(zhǎng)，纏繞細(xì)小顆粒形成團(tuán)聚體[20,27］，本研究中所用秸稈C/N小于23∶1，極有可能對(duì)微生物生長(zhǎng)產(chǎn)生促進(jìn)作用，進(jìn)而促進(jìn)團(tuán)聚體形成；同時(shí)，秸稈在腐解過程中常常會(huì)產(chǎn)生多種有機(jī)質(zhì)，其中的碳水化合物、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素等可將小團(tuán)聚體膠結(jié)在一起或通過吸附作用形成大團(tuán)聚體[8,16］。

添加秸稈能夠顯著提高平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）以及＞0.25 mm團(tuán)聚體百分比，這些指標(biāo)常用來反映土壤團(tuán)聚體的大小分布狀況，表征土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有一致性，值越大代表團(tuán)聚體越穩(wěn)定[4］。培養(yǎng)至180 d時(shí)，CTS較CT分別提高133%、130%和235%，NTS較NT分別提高53%、75%和87%，說明添加秸稈不僅能夠促進(jìn)大團(tuán)聚體形成，而且能夠增強(qiáng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性。本研究表明，添加秸稈對(duì)傳統(tǒng)耕作土壤團(tuán)聚體的影響大于免耕土壤，這與孫元宏等[20］的研究相似，主要原因是傳統(tǒng)耕作土壤未加秸稈時(shí)大團(tuán)聚體（＞250 μm）含量低，微團(tuán)聚體（＜250 μm）含量較高，而大團(tuán)聚體主要是由細(xì)小微粒包裹在秸稈表面團(tuán)聚而成[25］。

3.2 添加秸稈提高團(tuán)聚體有機(jī)碳含量

添加秸稈有助于提高土壤有機(jī)碳含量[19,28］，研究表明秸稈進(jìn)入土壤后主要轉(zhuǎn)化成土壤團(tuán)聚體中的有機(jī)碳，被隔離保存以限制土壤微生物的分解作用[27］。本研究結(jié)果表明，添加秸稈顯著提高＞2 000 μm、250—53 μm（除15 d）和＜53 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，培養(yǎng)至180 d時(shí)，CTS較CT提高250—53 μm和＜53 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳70%和54%；NTS較NT提高＞2 000 μm、250—53 μm 和＜53 μm 團(tuán)聚體有機(jī)碳 23%、30%和25%。這與劉哲等[18］、顧鑫等[29］的研究結(jié)果一致，他們分別通過培養(yǎng)試驗(yàn)研究添加秸稈對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響，結(jié)果證明，無論是在紅壤還是棕壤中添加秸稈均顯著提高了各級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。主要原因一是由于秸稈作為外源有機(jī)碳直接參與到各級(jí)團(tuán)聚體中，二是秸稈添加后促進(jìn)了土壤微生物的繁殖[28］，二者均為土壤有機(jī)碳主要組成成分[18,27］。另外，從添加秸稈對(duì)不同耕作土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的提升作用來看，添加秸稈對(duì)傳統(tǒng)耕作土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的提升作用更大，這主要受土壤初始有機(jī)碳含量影響，初始有機(jī)碳含量越低，固定外源碳越多[20,30］；另外，免耕土壤黏粒膠體的固碳“位點(diǎn)”多數(shù)已被利用，而傳統(tǒng)耕作土壤黏粒膠體大量的固碳“位點(diǎn)”呈空置狀態(tài)，因此再添加秸稈對(duì)傳統(tǒng)耕作團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響高于免耕。同時(shí)，添加秸稈顯著降低了2 000—250 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，培養(yǎng)至180 d時(shí)，CTS和NTS分別較CT和NT降低了51%和28%，這主要受秸稈對(duì)原有機(jī)碳的激發(fā)效應(yīng)影響。SARKER等[31］研究表明，添加秸稈后大團(tuán)聚體原有有機(jī)碳礦化量顯著高于微團(tuán)聚體，且大團(tuán)聚體固定的新碳含量隨時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)逐漸降低[27］。

3.3 添加秸稈提高大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率

本研究結(jié)果表明，在相同培養(yǎng)時(shí)期內(nèi)添加秸稈顯著提高＞2 000 μm和2 000—250 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率，同時(shí)顯著降低250—53 μm和＜53 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。與未培養(yǎng)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率相比，CTS和NTS均顯著增加2 000—250 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，顯著降低250—53 μm和＜53 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率；但對(duì)于＞2 000 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率二者表現(xiàn)不同：CTS顯著增加而NTS有所降低。王秀娟等[8］的研究也發(fā)現(xiàn)秸稈還田提高了土壤大粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率，同時(shí)降低了＜250 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。這主要是因?yàn)榻斩掃M(jìn)入土壤改變了土壤團(tuán)聚體分布狀況，同時(shí)也引起團(tuán)聚體有機(jī)碳的變化[21］，與未培養(yǎng)土壤相比，添加秸稈顯著提高了＞2 000 μm（CTS）和 2 000—250 μm（CTS 和 NTS）團(tuán)聚體含量及其有機(jī)碳濃度。郝翔翔等[32］在黑土地區(qū)的研究同樣印證了這一點(diǎn)。另外在細(xì)小顆粒團(tuán)聚成大團(tuán)聚體的過程中，也會(huì)導(dǎo)致有機(jī)碳發(fā)生轉(zhuǎn)移，進(jìn)入大團(tuán)聚體，降低微團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量[18］。團(tuán)聚體質(zhì)量百分比變化對(duì)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率變化影響更大，這可能與培養(yǎng)時(shí)間有關(guān)，在短期內(nèi)秸稈能夠迅速被細(xì)小顆粒包裹形成較大團(tuán)聚體，但秸稈經(jīng)過化學(xué)過程最后形成土壤有機(jī)碳需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

4 結(jié)論

添加秸稈使2 000—250 μm級(jí)別團(tuán)聚體成為主體級(jí)別，顯著提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。各處理2 000—250 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高，添加秸稈顯著提高了＞2 000 μm、250—53 μm 和＜53 μm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，同時(shí)顯著提高了＞2 000 μm和2000—250 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率，降低250—53 μm和＜53 μm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。綜上分析得出，添加秸稈對(duì)于土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成及其有機(jī)碳的提升效果顯著，且在傳統(tǒng)耕作處理土壤中的效果優(yōu)于免耕處理土壤。