長期秸稈還田對典型砂姜黑土脹縮特性的影響機制

王擎運，陳 景，楊遠照，柴如山，葉新新，郜紅建，馬東豪，張佳寶，周云鵬

長期秸稈還田對典型砂姜黑土脹縮特性的影響機制

王擎運1,2，陳 景1，楊遠照1，柴如山1，葉新新1，郜紅建1※，馬東豪2，張佳寶2，周云鵬1

（1. 安徽農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點實驗室，合肥 230036；2. 中國科學院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，南京 210008）

易于脹縮是砂姜黑土最典型的屬性障礙因子之一。該文依托長期定位試驗（2007―2017年）研究了秸稈還田對砂姜黑土收縮的影響機制。田間試驗設(shè)置5個處理：不施肥（CK）、常規(guī)氮磷鉀（F），及氮磷鉀配施下的玉米秸稈還田（MSF）、小麥秸稈還田（WSF）和小麥-玉米雙季秸稈還田(WMSF)。結(jié)果顯示土壤容重（soil bulk density，SBD）呈現(xiàn)WMSF

土壤；秸稈；還田；砂姜黑土；土壤收縮特性

0 引 言

濕脹、干縮是土壤最基本的屬性特征之一。土壤脹縮嚴重的農(nóng)田極易發(fā)生旱、澇災(zāi)害，造成養(yǎng)分大量流失，且對作物生理產(chǎn)生較為明顯的傷害，是限制區(qū)域農(nóng)田基礎(chǔ)地力提升的重要屬性障礙因子之一[1-6]。

土壤脹縮性能與黏土礦物類型、含量，陽離子交換量（cation exchange capacity，CEC）等因素均有很大關(guān)系[1,3,7]。蒙脫石與伊利石、高嶺石等相比更易于造成土壤的脹縮[3]。在土壤黏土礦物種類相似的情況下，土壤脹縮性與黏粒含量和CEC呈正向相關(guān)[1-2,8]。土壤脹縮性同樣與有機質(zhì)有很大關(guān)系，但相互間的影響機制較為復(fù)雜。有研究認為土壤收縮強度與有機質(zhì)含量呈正相關(guān)，但也有研究認為在土壤有機質(zhì)含量較高的情況下土壤保水能力較強，土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易發(fā)生收縮行為[9-11]。

中國砂姜黑土面積約400萬hm2，主要分布于安徽、河南、山東、湖北等地[6,12]。由于該類型土壤黏粒含量較高（>35%），且以2:1型的蒙脫石為主，具有典型濕脹、干縮特征，嚴重制約了農(nóng)田質(zhì)量提升與作物產(chǎn)量的穩(wěn)定，是該區(qū)域面積最大的中低產(chǎn)田土壤[1,4,6]。針對砂姜黑土屬性障礙因子的消減除需加強水分管理外，亦可通過田間施用粉煤灰、生物碳等改性材料，但這和以秸稈還田的方式增施有機肥相比經(jīng)濟成本較高，且難以大面積推廣[4,6]。有研究認為長期秸稈還田可有效提高土壤有機質(zhì)含量，改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，提升土壤水養(yǎng)庫容，但對土壤脹縮屬性特征影響的研究卻相對較少，相關(guān)機制并不明確[13-15]。

基于以上認識，本研究依托皖北典型砂姜黑土區(qū)長期（2007―2017年）定位試驗，研究不同秸稈還田模式下土壤收縮規(guī)律及其與水分特征變化、有機質(zhì)累積等之間的協(xié)同關(guān)系，用于探明長期秸稈還田對典型砂姜黑土易于脹縮的屬性障礙因子消減機理。研究結(jié)果可為該類型土壤改良和地力的提升提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 田間試驗設(shè)計

田間試驗設(shè)置于農(nóng)業(yè)部華東地區(qū)作物栽培科學觀測實驗站（116°56′ E，33°16′ N；安徽蒙城）。年平均氣溫15 ℃，年均降雨量850 mm，分布不均且主要集中于夏季。土壤類型為典型砂姜黑土。采用小麥、玉米一年兩熟，輪作制。

田間試驗正式開始于2007年。初始土壤pH值為6.01，有機質(zhì)（SOM）為17.74 g/kg，全氮為0.69 g/kg，堿解氮及速效磷、鉀質(zhì)量分數(shù)分別為46.11、22.00、115.70 mg/kg。田間設(shè)置5種試驗處理：不施肥（CK）、常規(guī)氮磷鉀（F）、小麥秸稈還田+常規(guī)氮磷鉀（WSF）、玉米秸稈還田+常規(guī)氮磷鉀（MSF）、小麥和玉米秸稈雙季還田+常規(guī)氮磷鉀(WMSF)。單個小區(qū)面積為5.4×8.5 m2，設(shè)置3個重復(fù)。作物收獲后，采用秸稈還田機直接粉碎還田。磷、鉀以基肥為主，播種前一次性施入。氮肥施用分基肥和追肥。小麥、玉米季基/追比分別為55%：45%和50%：50%。肥料施用量（表1）同于當?shù)卮筇锍Ｒ?guī)水平。

注：CK為對照；F為常規(guī)氮磷鉀；MSF為玉米秸稈還田+常規(guī)氮磷鉀；WSF為小麥秸稈還田+常規(guī)氮磷鉀；WMSF為小麥和玉米秸稈還田+常規(guī)氮磷鉀，下同。

Note: CK is the control; F is the conventional NPK; MSF is the maize straw returning to field plus conventional NPK; WSF is the wheat straw returning to field plus conventional NPK; WMSF is the wheat and maize straw returning to field plus conventional NPK, the same as below.

2017年5月小麥收獲前，分別采用常規(guī)法和環(huán)刀法采集耕層（0～20 cm）土壤樣品，帶回實驗室備用。常規(guī)方法采集土壤樣品室溫風干后，過2 mm篩，用于土壤基本理化性質(zhì)的測定（表2）。環(huán)刀法采集耕層土壤樣品主要用于土壤容重、田間持水量和土壤收縮特征測定。

1.2 測定方法

土壤基本理化性質(zhì)測定[16]：pH值采用電位計法測定，水土比2.5:1；速效氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用碳酸氫鈉溶液浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用乙酸銨浸提，火焰光度法測定；全氮采用半微量凱氏法測定；全磷采用酸溶-鉬銻抗比色法測定；全鉀采用NaOH 熔融，火焰光度法測定；陽離子交換量采用乙酸銨（1 mol/L）交換法測定；有機質(zhì)采用丘林法測定。土壤容重及田間持水量采用環(huán)刀法（威爾克斯法）測定。

土體收縮特征測定[7,10,17]：環(huán)刀樣品置于沙盤中飽和吸水8 h，將突出環(huán)刀部分削平，確保環(huán)刀內(nèi)土壤體積一致。土體充分吸水飽和后置于105 ℃烘箱內(nèi)，間隔15～60 min取出置于干燥器內(nèi)冷卻后稱質(zhì)量，并采用精確至0.01 mm的數(shù)顯游標卡尺測土體高度和直徑。上述測定數(shù)據(jù)用于線性伸展系數(shù)（coefficient of linear extensibility，COLE），土體收縮率計算，收縮特征曲線繪制和三直線方程的擬合。

土壤線性伸展系數(shù)計算公式為

式中COLE為線性伸展系數(shù)；0、105分別為土體飽和含水及烘干至恒質(zhì)量狀態(tài)下高度/直徑。

土壤收縮率計算公式為

行業(yè)管理是旅游市場保障體系的一項重要內(nèi)容。旅游局、旅游行業(yè)協(xié)會等管理部門應(yīng)建立健全目標責任制，完善旅游行業(yè)領(lǐng)導機制，強化旅游綜合協(xié)調(diào)管理和服務(wù)，認真履行行業(yè)指導、組織協(xié)調(diào)、市場監(jiān)管、政策服務(wù)等職責，強化對旅游行業(yè)的監(jiān)督，促進旅游市場良性發(fā)展。

式中Shrinkage為土壤收縮率，%；0、105分別為土體飽和含水及烘干至恒質(zhì)量狀態(tài)下體積，cm3。

比容積差值計算公式為