秸稈還田方式對鹽堿土壤微觀結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的影響

張曼玉，楊海昌，張鳳華，羅艷琴，于善超，孫 靜，曹 政

（石河子大學(xué)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子 832003）

0 引 言

新疆地區(qū)水資源匱乏、鹽堿程度大，鹽堿地面積已達(dá)9 910 萬hm2，占全國鹽堿土總面積的1/3，是我國鹽堿地面積較大、鹽堿類型最多的地區(qū)之一[1]。鹽堿地的治理在新疆地區(qū)是一個(gè)長久措施，有利于新疆農(nóng)業(yè)耕地的可持續(xù)發(fā)展[2]。

在治理鹽堿土的科學(xué)研究中，作物秸稈易獲取、低成本，并且可以改善土壤內(nèi)部環(huán)境，緩解鹽脅迫對作物的影響[3]。因此，秸稈作為改良鹽堿土的潛在材料受到越來越多的關(guān)注。不同秸稈還田方式不同降鹽效果存在差異。李磊[4]等研究指出，秸稈還田量為0.6、1.2 萬kg/hm2時(shí)，土壤容重、含鹽量、pH 值、土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體、土壤緊實(shí)度以及酶活性均存在較大的差異，當(dāng)還田1.2 萬kg/hm2時(shí)，抑鹽效果及產(chǎn)量效果較突出。在還田量相同的條件下，張金珠[5]等對秸稈表層覆蓋和30 cm 深層覆蓋進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)秸稈表層覆蓋利于耕層土壤根系生長，而深層覆蓋更利于30 cm 以下土層作物根系的發(fā)育。王學(xué)成[6]等在以上研究的基礎(chǔ)上，對秸稈10、20、30 cm覆蓋深度還田時(shí)進(jìn)行研究，得到秸稈覆蓋深度為30 cm 的還田方式，更有利于土壤耕層脫鹽，促進(jìn)作物生長。相比秸稈覆蓋還田，秸稈翻壓還田與土壤接觸面積更大，分解更快，但對于秸稈覆蓋與秸稈翻壓還田對鹽堿土的改良差異需要進(jìn)一步研究。上述研究多為秸稈還田對鹽堿土的理化性質(zhì)的影響，較少涉及土壤微觀結(jié)構(gòu)方面。土壤微觀結(jié)構(gòu)變化可為鹽堿土的修復(fù)和開發(fā)提供參考。袁莉民[7]等在對土壤團(tuán)聚體微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)土壤蜂窩狀結(jié)構(gòu)、菌絲體的增多，可以改善土壤的保水性能。前人研究[8,9]表明，鹽堿土的改良措施影響其土壤微觀結(jié)構(gòu)，可以更有效阻止深層土壤鹽分向上移動(dòng)，改變土壤中水分的移動(dòng)通道，增強(qiáng)土壤蓄水能力。因此，本研究采用棉花秸稈和油菜秸稈分別進(jìn)行覆蓋和翻壓還田，比較了覆蓋和翻壓還田兩種還田方式對土壤理化性質(zhì)的影響，并結(jié)合掃描電鏡試驗(yàn)，分析秸稈不同還田方式對鹽堿土微觀結(jié)構(gòu)的影響，為新疆秸稈還田技術(shù)提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐，為秸稈還田提供微觀尺度上的認(rèn)識。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于新疆石河子市北泉鎮(zhèn)（44°95′E，85°99′N）。該地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，氣候干燥，年平均氣溫為25.6 ℃，年均降雨量為192.3 mm。日照充足，年日照時(shí)數(shù)為2 721～2 818 h，平均高溫天氣出現(xiàn)在7-8月。

依據(jù)土壤鹽漬化分級標(biāo)準(zhǔn)[5]，研究區(qū)土壤為鹽土，土壤含水量為16.11%，土壤為石灰性土壤，土壤鹽分呈現(xiàn)表聚型。試驗(yàn)區(qū)0～20 cm土層基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤基礎(chǔ)性質(zhì)Tab.1 Basic properties of soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

新疆農(nóng)作物種類繁多，其中包括棉花、玉米、小麥、油菜和水稻等。本研究通過田間試驗(yàn)，選取2種秸稈分別進(jìn)行秸稈覆蓋和翻壓還田處理。試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，分別為棉花秸稈覆蓋還田（F1）、油菜秸稈覆蓋還田（F2）、棉花秸稈翻壓還田（H1）、油菜秸稈翻壓還田（H2）、不還田處理（CK）。小區(qū)田間布置采取完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)，共15 個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積均為30 m2，小區(qū)之間留有50 cm 作為保護(hù)行。

本研究于2020年10月8日進(jìn)行秸稈還田，秸稈翻壓還田深度為0～20 cm，秸稈覆蓋還田將秸稈平鋪土壤表面。其中H1 處理和F1 處理均還田22 kg，H2 處理和F2 處理均還田30 kg。于次年3月份開始采樣，每隔15 d進(jìn)行一次采樣，共取樣5次，采樣深度為0～20 cm。

1.2.2 試驗(yàn)方法

土壤電導(dǎo)率：土水比1∶5震蕩，利用BEC-6500電導(dǎo)率儀測定；土壤含水量采用烘干法；土壤孔隙幾何形狀：場發(fā)射掃描電子顯微鏡；土壤團(tuán)聚體采用干篩法；土壤有機(jī)質(zhì)：重鉻酸鉀-滴定法[10]。

電鏡的供試土樣的制備如下[9]：去除土壤中水分，將干燥好的土樣斷開，舍去表面多余的顆粒，選取較平整的斷面為檢測面；用導(dǎo)電膠粘至工作臺，并用離子濺射鍍膜儀對土樣進(jìn)行鍍金；放入樣品室進(jìn)行檢測。電鏡掃描倍數(shù)選擇500倍和5 000倍。

土壤團(tuán)聚體測定：將采回的原狀土沿著自然結(jié)構(gòu)面輕輕用手掰成直徑約為1 cm 的小土塊，去除植物殘?bào)w過5 mm 篩，風(fēng)干備用。取300 g 土塊放置套篩最上層，套篩孔徑分別為0.053、0.250、2.000 mm，由振篩機(jī)進(jìn)行篩分，篩分時(shí)間為20 min，篩分結(jié)束后，從上至下依次取土并稱重。。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用Excel 2017和Origin 2017軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖表繪制。利用SPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同還田方式下土壤水鹽含量變化

圖1和圖2分別為秸稈不同還田方式下土壤含水量、電導(dǎo)率含量變化。由圖可知，隨還田時(shí)間的增加，各處理土壤含水量呈逐漸增加的趨勢，而CK 含水量在75 d 內(nèi)保持基本穩(wěn)定。在還田第75 d 時(shí)，H1、H2、F1 和F2 處理相比CK 含水量分別增加8.93%、7.85%、7.93%和7.27%。土壤鹽分以水為載體，秸稈還田下，各處理土壤電導(dǎo)率均隨時(shí)間呈現(xiàn)下降趨勢，且還田處理土壤電導(dǎo)率自第15 d 起均顯著低于CK。在第75 d，H1、H2、F1 和F2 處理較CK 分別降低5.30%、3.89%、3.64%和5.03%?？傮w來看，秸稈翻壓還田處理75 d 后脫鹽效果和土壤保水能力均優(yōu)于秸稈覆蓋還田。

圖1 不同還田方式下土壤含水量變化Fig.1 Changes of soil water content under different measures of returning to the field

圖2 不同還田方式下土壤電導(dǎo)率變化Fig.2 Changes of soil conductivity under different measures of returning to the field

2.2 不同還田方式下土壤耕層（0～20 cm）不同粒徑土壤團(tuán)聚體的分布

如圖3所示，CK 處理下土壤粒徑主要由大于2 mm 的團(tuán)聚體組成，占團(tuán)聚體組成比例的55%。其次是0.053～0.250 mm的團(tuán)聚體，而0.25～2 mm 與小于0.053 mm 占比最小，總占比約為6.16%。與CK 相比，H1、H2 處理均顯著增加0.25～2.00 mm 團(tuán)聚體比例，增幅分別為3.71%和4.60%；而小于0.053 mm 的團(tuán)聚體則相反，其降幅分別為0.21%和0.29%。F1、F2處理大于2 mm 的團(tuán)聚體含量分別顯著增加9.13%和8.34%，0.053～0.25 mm的團(tuán)聚體含量分別顯著減少9.98%和8.98%。

圖3 不同還田方式下團(tuán)聚體不同粒徑分布Fig.3 Different particle size distributions of aggregates under different returning methods

為了進(jìn)一步說明不同還田方式下對土壤微團(tuán)聚體各粒徑分布的影響，對小于0.25 mm 的土壤微團(tuán)聚體的分布情況進(jìn)行探討。圖4為不同處理小于0.25 mm 的土壤微團(tuán)聚體組成，由圖4可知，相比CK，各處理均降低土壤小于0.25 mm團(tuán)聚體粒徑占比，其中，H1處理降低趨勢最顯著，為12.8%。

圖4 不同還田方式下小于0.25 mm的土壤微團(tuán)聚體分布Fig.4 Distribution of soil microaggregates ＜0.25 mm under different returning methods

2.3 不同還田方式下土壤有機(jī)質(zhì)含量變化

圖5為不同還田措施下土壤有機(jī)質(zhì)含量變化。由圖5可以看出，與CK 相比，各處理土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著提高且變化趨勢相似，隨還田時(shí)間的增加有機(jī)質(zhì)含量呈逐漸遞增的趨勢。在還田第75 d，H1、H2、F1 和F2 處理較CK 分別增加了30.90%、29.80%、23.81%和23.49%。其中，H1、H2 處理分別顯著高于F1、F2 處理，在還田第75 d，H1、H2 處理較F1、F2 處理有機(jī)質(zhì)含量增加了7.64%和6.78%?？梢?，秸稈翻壓還田（H1、H2處理）相比秸稈覆蓋還田（F1、F2處理）更有利于土壤有機(jī)質(zhì)的增加。

圖5 不同還田措施下土壤有機(jī)質(zhì)變化Fig.5 Changes of soil organic matter under different measures of returning to the field

2.4 不同還田方式下對土壤微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖6和圖7分別為棉花秸稈、油菜秸稈還田下鹽堿土微觀結(jié)構(gòu)的變化。在500 倍電鏡下，可見秸稈翻壓還田下（H1、H2處理）較CK土壤顆粒的數(shù)量變少，體積變大，秸稈覆蓋還田下（F1、F2 處理）土壤顆粒膠結(jié)在一起，形成較大粒徑的團(tuán)聚體，相比CK，F(xiàn)1、F2 處理改善效果不顯著。5 000 倍電鏡下，CK 處理土壤孔隙多為不規(guī)則形狀，并且有較多細(xì)小顆粒填充在土壤孔隙中，土壤表層細(xì)小顆粒接觸方式多為面與面相接觸，顆粒之間膠結(jié)在一起使得土壤板結(jié)較為嚴(yán)重，這種土壤結(jié)構(gòu)保水性差，不利于水分的移動(dòng)。秸稈翻壓還田相比秸稈覆蓋還田更有利于鹽堿土微觀結(jié)構(gòu)改善。F1、F2 處理土壤孔隙數(shù)量有所增加，但分布不均勻，大部分孔隙集中在一側(cè)，土壤顆粒之間直接點(diǎn)接觸形式增加，相比CK 處理后的鹽堿土板結(jié)現(xiàn)象有所減輕，但土體仍較為致密。H1、H2 處理使土壤細(xì)小顆粒數(shù)量減少，顆粒之間以點(diǎn)連接，孔隙數(shù)量增多且分布均勻，部分土壤顆粒結(jié)構(gòu)經(jīng)改良后由塊狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槠瑺罱Y(jié)構(gòu)，土壤孔隙與土壤顆粒結(jié)構(gòu)的改變更加有利于水分和鹽分運(yùn)移。

圖6 不同還田方式下團(tuán)聚體不同粒徑分布（棉花秸稈）Fig.6 Different particle size distributions of aggregates under different returning methods (cotton straw)

圖7 不同還田方式下團(tuán)聚體不同粒徑分布（油菜秸稈）Fig.7 Different particle size distribution of aggregates under different returning methods (rapese straw)

本研究對電鏡圖像（5 000 倍）進(jìn)行二值化分割，對孔隙進(jìn)行識別劃分，得到孔隙的長度、寬度、等效直徑、性狀系數(shù)、周長、面積等一系列孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中，平均面積、平均直徑以及平均周長為土壤顆粒粒度特征的參數(shù)，參數(shù)值越小，說明土壤中大部分顆粒較小，顆粒越破碎。由表2可見，在不同還田措施下，相比CK，各處理均有效增加顆粒的平均面積，秸稈翻壓處理增加效果優(yōu)于秸稈覆蓋還田；平均直徑參數(shù)的變化中，秸稈翻壓處理影響效果明顯優(yōu)于覆蓋還田；平均面積、平均直徑、平均周長等表征顆粒大小的微結(jié)構(gòu)特征，其中平均面積受還田處理影響變化，此外，平均直徑與平均周長特征參數(shù)呈正相關(guān)的關(guān)系，但是與平均面積來看，無相關(guān)關(guān)系。秸稈翻壓還田，加大了秸稈與土壤的接觸面，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的增加，土壤有機(jī)質(zhì)為土壤提供膠結(jié)物質(zhì)，促進(jìn)土壤顆粒的膠結(jié)，有助于土壤孔隙的形成，覆蓋還田處理與翻壓還田處理相比，秸稈分解速率較慢，由此可見，秸稈翻壓還田更有利于改善鹽堿土中顆粒破碎的狀況。

表2 不同還田措施下土壤微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Soil microstructure parameters under different measures of returning to the field

3 討 論

3.1 不同還田方式對土壤水分及鹽分變化的影響

秸稈翻壓還田和覆蓋還田均起到保墑和增強(qiáng)土壤水分有效性的作用，但影響過程不同。秸稈覆蓋在土壤表面，減少了土層與地面環(huán)境的直接相互作用，土壤水分的垂直蒸發(fā)減弱，土壤水分利用效率增強(qiáng)[11]。秸稈覆蓋免耕處理對于傳統(tǒng)耕作秸稈覆蓋可增強(qiáng)土壤吸收利用水分的能力，有效水含量高于無覆蓋處理[12]。本研究中，秸稈翻壓還田降鹽保水作用高于秸稈覆蓋還田，主要是由于秸稈翻壓土壤中可以充當(dāng)儲水層[13]，另一方面秸稈翻壓還田改變了土體構(gòu)型，相比秸稈覆蓋還田，土壤孔隙變大，透氣透水性增加，促進(jìn)鹽分向深層土壤淋洗[14]，秸稈翻壓還田切斷了土壤毛管，降低水分蒸發(fā)，阻滯鹽分上行。秸稈還田方式具有差異性，秸稈分解速度因此不同，相比于秸稈覆蓋還田，秸稈翻壓與土壤的接觸面積更大，分解速率更快。而秸稈分解產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)對土壤中的水分有吸附作用，并且大于土壤孔隙的導(dǎo)水作用[15]，因此，秸稈分解速度的快慢也同樣影響土壤的水分保蓄能力。

3.2 對土壤微觀結(jié)構(gòu)的影響

相比覆蓋還田，秸稈翻壓還田有利于土壤團(tuán)聚體的形成。秸稈分解產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)促進(jìn)土壤微團(tuán)聚體向大粒徑的團(tuán)聚體富集和膠結(jié)，減少小于0.25 mm 的土壤微團(tuán)聚體含量。在本研究中不同還田方式分解速率不同，秸稈翻壓還田更有利于減少小于0.25 mm 微團(tuán)聚體的含量和增加0.25～2.00 mm 大粒徑團(tuán)聚體的含量[16]。

土壤的孔隙結(jié)構(gòu)是土壤結(jié)構(gòu)中重要的組成部分，土壤內(nèi)部環(huán)境的變化或者顆粒之間的膠結(jié)都會引起土壤孔隙的重新排列，不同的孔隙結(jié)構(gòu)會影響土壤內(nèi)水分的運(yùn)輸方向及運(yùn)輸速率。秸稈翻壓還田較覆蓋還田能更加有效改善土壤微觀結(jié)構(gòu)，增加了孔隙的復(fù)雜性[17]。將土壤放大500 倍和5 000倍，可以看到經(jīng)過秸稈翻壓還田后鹽堿土孔隙數(shù)量增加且分布均勻，土壤顆粒片狀結(jié)構(gòu)增加，板結(jié)現(xiàn)象有所減輕，此研究結(jié)果與前人研究結(jié)果達(dá)成一致[18]。在對鹽堿土的微觀結(jié)構(gòu)的分析中，土壤顆粒的減少，孔隙度的增加，非毛管孔隙比重的增加均可以緩解土壤的返鹽現(xiàn)象，未經(jīng)治理的鹽堿土顆粒排列緊密，土壤中的孔隙主要由微裂隙構(gòu)成，當(dāng)土壤進(jìn)行灌溉時(shí)，一部分水通過微裂隙溜走，大部分水通過此通道蒸發(fā)，并且土壤孔隙的不連通，不利于土壤水分的下滲[9]。除此之外，秸稈還田措施改變土壤骨架顆粒的接觸方式，由大量的面與面接觸，逐漸增加直接點(diǎn)的接觸方式。顆粒間的連接是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化和平衡的過程，顆粒連接形式對水的敏感程度不同，面與面的接觸形式導(dǎo)致土壤透氣透水性較差，直接點(diǎn)接觸的連接方式更可以有利于上層土壤水分向深層土層運(yùn)移[17]。

4 結(jié) 論

（1）隨著秸稈還田時(shí)間的增加，秸稈翻壓還田較秸稈覆蓋還田有利于降低土壤鹽分、提高土壤含水量。

（2）秸稈翻壓還田相比覆蓋還田顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)土壤大粒徑團(tuán)聚體形成，改善土壤微觀結(jié)構(gòu)。

（3）綜上，在此研究中，新疆地區(qū)秸稈翻壓還田對鹽堿土的改良效果優(yōu)于秸稈覆蓋還田。