秸稈還田與淺埋滴灌對玉米耕層土壤水穩(wěn)性團聚體及其碳含量的影響

張明偉，楊恒山，邰繼承，范秀艷，葛選良，張雨珊，徐曉

（內蒙古民族大學農(nóng)學院/內蒙古自治區(qū)飼用作物工程技術研究中心，內蒙古 通遼 028043）

西遼河平原是我國為數(shù)不多的井灌玉米產(chǎn)區(qū)，傳統(tǒng)畦灌灌溉方式沿用至今，由于玉米種植區(qū)長期大水大肥、重用輕養(yǎng)，農(nóng)田土壤有機碳活性和周轉能力下降顯著，土壤結構逐年惡化，耕地地力衰退明顯。秸稈還田不僅為農(nóng)田土壤提供有機物質，增加土壤養(yǎng)分含量，而且可顯著改善土壤結構，提高土壤的團聚性、結構性和有機碳活性，改善土壤肥力狀況。不同灌溉方式對土壤擾動性以及秸稈腐解速率的影響不同，進而影響土壤養(yǎng)分含量以及物理性狀，因此，探明秸稈還田與淺埋滴灌對土壤團聚體質量分布及其有機碳固存特征的影響，對西遼河平原灌區(qū)耕地地力提升具有重要意義。土壤有機碳的固存是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、土壤肥力更新的重要過程之一，其主要來源于作物殘體、土壤微生物殘體及其衍生物。秸稈還田可為土壤微生物提供能源物質，增加微生物數(shù)量以及活性，提高秸稈中有機質的分解速率，增加土壤中養(yǎng)分含量。唐鵬飛等的研究表明，與秸稈不還田相比，秸稈還田5、10、15、20 a 土壤有機碳含量提高了42.45%、47.88%、33.40%和63.38%。土壤團聚體是形成良好土壤結構的物質基礎，其分散和聚集與土壤有機碳的累積和礦化同時進行。李艷等的研究表明，秸稈還田可提高黑土中≥0.25 mm 粒徑團聚體數(shù)量，1～2 mm 粒級團聚體有機碳含量比其他粒級平均高出14.50%，在不施肥條件下，秸稈還田后土壤有機碳含量可提高5.50%；還有研究表明，秸稈還田利于＞0.25 mm 粒徑土壤團聚體數(shù)量的增加，從而有效降低大團聚體中所包含的微團聚體碳降解。大團聚體秸稈來源碳含量顯著高于微團聚體秸稈來源碳的含量，可從大團聚體中向微團聚體中轉移，有機碳在微團聚體中降解較慢，從而維持土壤中較高有機碳含量。不同灌溉方式對土壤水穩(wěn)性團聚體以及有機碳含量的影響不同，趙英等的研究表明，微噴灌灌溉下土壤中粒徑＞0.25 mm 的水穩(wěn)性大團聚體含量顯著高于地面灌溉；朱建彬等的研究表明，與溝灌相比，滴灌顯著提高1.001～2.000 mm 團聚體含量，顯著降低0.251～1.000、＜0.053 mm 團聚體含量；還有研究表明，滴灌在干濕交替的周期性變化過程中，若“濕”的時間相對較長，一方面土壤呼吸強度會大幅下降，從而降低有機碳的礦化速度，另一方面會削弱干濕交替下黏土礦物收縮和膨脹，降低土壤部分團聚體碎裂概率，有效避免團聚體中不易分解的有機碳因團聚體的碎裂而被微生物分解，從而保持較高的土壤有機碳含量。

秸稈還田條件下滴灌可促進秸稈腐解，增加土壤有機碳含量，從而使土壤中水穩(wěn)性團聚體數(shù)量、穩(wěn)定性以及有機碳含量保持較高水平。淺埋滴灌是在膜下滴灌基礎上研發(fā)的新型滴灌節(jié)水技術，以淺埋覆土替代地膜，有效解決了膜下滴灌的殘膜對農(nóng)田環(huán)境污染的問題，近年來在內蒙古、遼寧等地逐步應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。淺埋滴灌由于地表以覆土代替覆膜，土壤水、熱變化規(guī)律與膜下滴灌等模式有較大差異，秸稈還田與淺埋滴灌灌溉模式相結合必然會對土壤水穩(wěn)性團聚體數(shù)量、穩(wěn)定性、固碳能力及土壤三相比產(chǎn)生不同的影響。本研究通過分析玉米田耕層0～20 cm 土層水穩(wěn)性團聚體質量分布、穩(wěn)定性及其有機碳固持變化特征，探明秸稈還田、淺埋滴灌及其互作對玉米田耕層土壤水穩(wěn)性團聚體及有機碳含量的影響，為西遼河平原灌區(qū)耕地地力提升提供理論基礎和技術支撐，為土壤養(yǎng)分循環(huán)及調控提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在通遼國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)（44°13'N，123°28'E）進行，平均海拔167 m，溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫7.1 ℃，年均降雨量342 mm，無霜期149 d，全年日照2 891.7 h。

1.2 試驗材料

試驗地土壤為灰色草甸半水成土，供試地塊試驗開展前0～20 cm 耕層養(yǎng)分含量本底值如下：有機質含量15.42 g·kg，速效氮含量51.71 mg·kg，速效鉀含量113.19 mg·kg，速效磷含量27.43 mg·kg；相關研究指標本底值見表1。試驗所用基肥為磷酸二銨和硫酸鉀（N、PO、KO 的比例為18∶46∶50），追肥為尿素（N=46%），還田秸稈為玉米秸稈，灌溉水為抽取的地下水，供試玉米品種為農(nóng)華101。

表1 試驗開展前試驗地0～20 cm土壤相關研究指標本底值Table 1 Background values of soil-related research indicators in 0～20 cm soil layer before experiment

1.3 試驗設計

試驗為2 a定位試驗，采用裂區(qū)設計，以秸稈還田為主處理，設置秸稈還田（S）和秸稈離田（S）；副處理為灌溉方式，設置傳統(tǒng)畦灌（F）和淺埋滴灌（D），即共有S+F、S+D、S+F、S+D 4 個處理，各處理3 次重復，共12個小區(qū)，小區(qū)面積720 m（100 m×7.2 m）。秸稈還田方式為秋季玉米收獲后秸稈二次粉碎全量深翻還田，秸稈粉碎長度＜10 cm，深翻深度25～35 cm。各處理采用播種-施肥-鋪帶一體機播種，深度為3～5 cm，大小壟（小壟行距40 cm，大壟行距80 cm）種植，種植密度為7.5 萬株·hm。淺埋滴灌采用內鑲片式滴灌管，滴頭相距20 cm，滴頭流量為2.7 L·h，滴灌管淺埋于小壟中間距地表3～5 cm 處；傳統(tǒng)畦灌各處理播種前將鋪管裝置抬起，只進行常規(guī)施肥、播種。各處理均隨播種基施磷酸二銨195 kghm、硫酸鉀90 kghm，深度與播種深度一致，調整出肥口使基肥與種子保持10 cm 距離以防燒苗。淺埋滴灌處理分別在拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期按3∶6∶1 比例結合灌溉追施尿素450 kg·hm，單獨配18 L 壓差式施肥罐和水表，每次施肥前先滴清水約60 min，然后打開施肥閥，施肥完畢后繼續(xù)滴清水至相應灌水量；傳統(tǒng)畦灌處理于拔節(jié)期一次性追施尿素450 kg·hm，人工在距玉米5～10 cm 處開溝撒施，于畦頭出水口安裝水表以控制畦灌灌水量。2019 年5 月1 日播種，10 月1 日收獲，2020 年5 月2 日播種，10 月4 日收獲，灌溉量及灌溉頻次、施肥量根據(jù)當?shù)赜衩壮Ｒ?guī)生產(chǎn)實際確定，灌溉方案見表2。

表2 不同生育期灌溉頻次及灌溉量Table 2 Irrigation frequency and irrigation quantity at different growth stages

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤水穩(wěn)性團聚體測定

于試驗年份玉米完熟期在每個試驗小區(qū)按照S形五點取樣法取0～20 cm 土層農(nóng)化混合土樣，將土壤樣品中礫石、侵入體及粗有機體揀除，并在風干后沿自然斷裂面掰成10 mm大小的土塊，用土壤團粒結構分析儀（TPF-100）濕篩法進行不同粒徑團聚體分離，濕篩時稱取100 g 風干土，置于5 mm 土篩上，蒸餾水浸泡10 min，然后將土樣依次通過5、3、2、1、0.5、0.25 mm 的套篩。通過上下移動篩子3 cm 來分離團聚體，重復50 次（2 min 內），將留在每個篩子上面的土壤沖洗到鋁盒中，在105 ℃溫度下烘干稱質量后留存測定有機碳含量。

1.4.2 有機碳含量測定

采用重鉻酸鉀法測定土樣和不同粒徑水穩(wěn)性團聚體有機碳含量。

1.4.3 土壤三相比的測定

五女山位于桓仁滿族自治縣桓仁鎮(zhèn)北側8公里處，相傳有五女屯兵其上，因此得名。這里曾是高句麗民族開國都城，作為高句麗王城之一被列入《世界遺產(chǎn)名錄》。

于試驗年份玉米吐絲期和完熟期采用S 形五點取樣法，用環(huán)刀取0～20 cm 土層原狀土，用DIK -1601土壤三相測量儀分析土壤三相比。

1.5 相關參數(shù)計算

式中：X為粒徑團聚體的平均直徑，mm；W為X相對應的粒徑團聚體占總質量的百分含量，%；M為大于0.25 mm粒級團聚體質量，g；M為團聚體總質量，g。

團聚體有機碳富集系數(shù)=

式中：為土壤三相結構距離；為廣義土壤結構指數(shù)；為固相體積百分比，%；為液相體積百分比，%；為氣相體積百分比，%。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

采用Microsoft Excel 2016 進行數(shù)據(jù)處理并制表，使用SPSS 19.0（ANOVA）進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和多重比較（Duncan法）。

2 結果分析

2.1 秸稈還田與灌溉方式對耕層土壤水穩(wěn)性團聚體質量分數(shù)的影響

由表3 可知，在S處理下，2019 年土壤0.5～0.25 mm 粒徑D 處理顯著高于F 處理，2020 年5～3、1～0.5 mm 粒徑D 處理顯著高于F 處理；S處理下，2019 年土壤5～3、3～2、1～0.5 mm 粒徑D 處理顯著高于F 處理，2020 年除5～3、3～2 mm 粒徑，其他粒徑D 處理均顯著高于F 處理；F 灌溉方式下，2019 和2020 年各粒徑質量分數(shù)均表現(xiàn)為S處理顯著高于S處理；D 灌溉方式下，2019 年除5～3、3～2 mm 粒徑外，其他粒徑均表現(xiàn)為S處理顯著高于S處理，2020年各粒徑均表現(xiàn)為S處理顯著高于S處理；同一處理不同年度間，除S+F處理、S+D 處理5～3 mm 粒徑和S+F 處理0.5～0.25 mm 粒徑質量分數(shù)2020 年低于2019 年外，各處理各粒級2020 年均高于2019 年。秸稈還田對2019 年2～0.25 mm 粒徑團聚體質量分數(shù)的影響達極顯著水平，對2020 年各粒徑質量分數(shù)的影響均達極顯著水平；灌溉方式對2019 年除2～1 mm 粒徑外各粒徑的影響均達顯著水平，對2020 年1～0.5 mm 粒徑影響達極顯著水平，5～3、2～1 mm 和0.5～0.25 mm 粒徑影響達顯著水平；秸稈還田與灌溉方式的互作效應對2019 年3～1 mm粒徑的影響達顯著水平，1～0.25 mm粒徑影響達極顯著水平，對2020年5～3、1～0.5 mm粒徑影響達極顯著水平，3～1、0.5～0.25 mm粒徑的影響達顯著水平。

表3 秸稈還田與灌溉方式對土壤水穩(wěn)性團聚體質量分數(shù)的影響（%）Table 3 Effects of straw returning and irrigation methods on mass fraction of soil water stable aggregates（%）

2.2 秸稈還田與灌溉方式對耕層土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的影響

由表4可知，S處理下，2019年D處理與F處理的、、和差異均不顯著，2020 年D 處理的和顯著高于F 處理，D 處理的和與F 處理差異不顯著；S處理下，2019 年除D 處理的顯著高于F 處理外，其他穩(wěn)定性參數(shù)差異均不顯著，2020 年除D 處理的顯著低于F 處理外，其他穩(wěn)定性參數(shù)差異均不顯著；F 灌溉方式下，2019、2020年均為S處理的和與S處理差異不顯著，S處理的顯著高于S處理，S處理的顯著低于S處理；D 灌溉方式下，2019 年除外其他穩(wěn)定性參數(shù)S處理與S處理差異不顯著，2020 年除外其他穩(wěn)定性參數(shù)S處理均顯著高于S處理；同一處理不同年度間，在2020 年均高于2019 年，在2020年 均 低 于2019 年，S+F 處 理 和S+D 處 理和在2020年低于2019年，其他處理2020年均高于2019年。秸稈還田對2019年和影響達顯著水平，對2020 年和影響顯著，對影響達極顯著水平；灌溉方式對2019 年、2020 年和影響達顯著水平；秸稈還田與灌溉方式互作對2019 年影響達顯著水平，對2020 年和的影響達極顯著水平。

表4 秸稈還田與灌溉方式對土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的影響Table 4 Effects of straw returning and irrigation methods on the stability of soil water stable aggregates

2.3 秸稈還田與灌溉方式對耕層土壤有機碳及水穩(wěn)性團聚體有機碳固持特征的影響

表5 秸稈還田與灌溉方式對水穩(wěn)性團聚體有機碳含量的影響（g·kg-1）Table 5 Effects of straw returning and irrigation methods on organic carbon content of water stable aggregates（g·kg-1）

由表6 可知，在S處理下，土壤有機碳含量2019年D 處理顯著高于F 處理，團聚體有機碳富集系數(shù)2019 年5～3 mm 粒徑D 處理顯著高于F 處理；S處理下，土壤有機碳含量D 處理與F 處理差異不顯著，團聚體有機碳富集系數(shù)2019、2020 年2～1 mm 粒徑D 處理顯著高于F 處理；F 灌溉方式下，土壤有機碳含量2019年S處理顯著高于S處理，各粒徑團聚體有機碳富集系數(shù)2019 年S處理與S處理差異不顯著，2020年除0.5～0.25 mm 粒徑外其他粒徑S處理均顯著高于S處理；D灌溉方式下，土壤有機碳含量S處理顯著高于S處理，各粒徑團聚體有機碳富集系數(shù)2019 年S處理與S處理差異不顯著，2020年S處理均顯著高于S處理；同一處理不同年度間，土壤有機碳含量2020年高于2019 年，團聚體有機碳富集系數(shù)除S+F 處理5～3 mm 粒徑2020 年低于2019 年，S+F 處理2～1 mm粒徑和S+D 處理5～3 mm 粒徑2020 年與2019 年相同外，各處理各粒徑團聚體有機碳富集系數(shù)2020 年均高于2019年。秸稈還田對2019年土壤有機碳含量的影響達極顯著水平，對2020 年土壤有機碳含量影響達顯著水平，對2019 年各粒徑團聚體有機碳富集系數(shù)的影響均不顯著，對2020 年5～0.5 mm 粒徑影響達極顯著水平，對0.5～0.25 mm粒徑影響達顯著水平；灌溉方式對2019 年5～3、2～1 mm 粒徑團聚體有機碳富集系數(shù)的影響達顯著水平，對2020 年2～1 mm 粒徑影響達顯著水平；秸稈還田與灌溉方式互作對土壤有機碳含量的影響2019 年達極顯著水平，2020 年達顯著水平，對2019 年2～1 mm 粒徑團聚體有機碳富集系數(shù)影響達顯著水平，對2020 年5～0.5 mm 粒徑團聚體有機碳富集系數(shù)的影響達顯著水平。

表6 土壤有機碳及不同粒徑團聚體有機碳富集系數(shù)Table 6 Enrichment coefficients of soil organic carbon and organic carbon of aggregates with different particle sizes

2.4 秸稈還田與灌溉方式對玉米田耕層土壤三相比的影響

農(nóng)田的理想土壤三相比為固相占50%、液相占25%、氣相占25%，此時土壤環(huán)境更利于作物生長。由表7 可知，同一處理吐絲期較完熟期土壤三相比更趨于理想狀態(tài)；同一秸稈還田條件下，吐絲期、完熟期D 處理較F 處理土壤三相比更趨于理想狀態(tài)；同一灌溉方式下，吐絲期、完熟期S處理較S處理土壤三相比更趨于理想狀態(tài)。土壤三相結構越接近理想狀態(tài)，其值越接近0，越接近100，S處理下，除2020 年吐絲期D 處理的顯著低于F 處理外，2019、2020 年各時期D 處理的和與F 處理差異均未達顯著水平；S處理下，除2019 年完熟期D 處理與F 處理差異不顯著外，2019、2020 年各時期D 處理顯著低于F 處理，2019、2020 年各時期D 處理的均顯著高于F 處理；同一灌溉方式下，2019、2020年各時期S處理的均顯著低于S處理，S處理的均顯著高于S處理。同一處理不同年度間，土壤三相比及結構2020 年均優(yōu)于2019 年。秸稈還田對土壤三相比影響顯著，對2020 年各時期和的影響達極顯著水平；灌溉方式對土壤三相比影響顯著，對2019、2020年各時期影響均達顯著水平；秸稈還田與灌溉方式互作對土壤三相比影響顯著，對2019、2020 年吐絲期的影響達極顯著水平，對2020 年完熟期的影響達顯著水平，對2019、2020年各時期影響均達顯著水平。

表7 秸稈還田與灌溉方式對土壤三相比的影響Table 7 Effects of straw returning and irrigation methods on soil three-phase flow

3 討論

3.1 秸稈還田與灌溉方式對土壤不同粒徑水穩(wěn)性團聚體含量的影響

土壤團聚體協(xié)調土壤水、肥、氣、熱效果顯著，其大小、數(shù)量對土壤通氣狀況、土壤肥力、固碳能力和抗蝕能力具有重要影響。本研究結果表明，與試驗開展前相比，秸稈還田、淺埋滴灌處理各粒徑團聚體含量均有所提高，秸稈還田可顯著提高＞0.25 mm 大團聚體總量，淺埋滴灌下粒徑＞0.25 mm 的各粒徑大團聚體含量較傳統(tǒng)畦灌均有所提高，對2～1 mm 粒徑團聚體影響達顯著水平，秸稈還田配合淺埋滴灌種植模式對3～0.5 mm 粒徑團聚體含量提升效果顯著。秸稈腐解可釋放土壤微生物所需營養(yǎng)物質，促進微生物數(shù)量以及活力的提高，土壤微生物利用菌絲物理纏繞以及所產(chǎn)生的分泌物作為膠結物質將土壤中細小微團粒膠結從而形成大團聚體，同時秸稈在微生物的作用下被分解轉化，可形成不同組成和性質的有機質組分，也可作為膠結物質將現(xiàn)存微團聚體膠結成大團聚體。淺埋滴灌的滴滲式補水較為舒緩，可有效減弱水分對土壤的沖擊，降低水分對已有大團聚體的破壞度，且淺埋滴灌灌水少量多次，土壤保持濕潤時間較長，削弱了干濕交替下團聚體的收縮和膨脹，降低了土壤部分團聚體碎裂概率。秸稈還田配合淺埋滴灌種植模式在促進大團聚體形成的同時可保證其穩(wěn)定性，對土壤水穩(wěn)性大團聚體含量的增加具有重要意義。

3.2 水穩(wěn)性團聚體變化對土壤有機碳含量的影響

土壤有機碳是衡量土壤肥力、改善土壤結構的重要指標，對于促進土壤養(yǎng)分循環(huán)、增加養(yǎng)分有效性有重要作用。研究表明，表層土壤總有機碳含量的增加主要因為大團聚體對有機碳的固持作用，有機碳是團聚體形成的重要膠結劑，能夠提高土粒的團聚性并促進形成團粒結構。羅曉虹等的研究指出，土壤團聚體有機碳與團聚體穩(wěn)定性呈極顯著的正相關關系，有機碳的循環(huán)轉化與團聚體穩(wěn)定性密不可分。李娟等的研究表明，＞0.5 mm 粒徑團聚體中的有機碳對土壤有機碳總量的貢獻率最高，且1～5 mm 粒徑團聚體更利于土壤有機碳的積累；SIX等的研究指出，土壤中有機碳含量與＞0.25 mm 水穩(wěn)定性團聚體含量呈正相關關系，與大團聚體有機碳含量高度相關。本研究中，與試驗開展前相比，秸稈還田、淺埋滴灌處理土壤總有機碳含量以及5～3 mm粒徑有機碳含量均有所提高，秸稈還田與淺埋滴灌互作效應對3～0.5 mm 粒徑有機碳含量的提升及有機碳富集系數(shù)的影響達顯著水平，大團聚體中有機碳對土壤總有機碳含量的提高起主導作用。秸稈還田配合淺埋滴灌種植模式可顯著提高水穩(wěn)性大團聚體含量及穩(wěn)定性，大團聚體是有機碳的儲存場所，可抵抗水分對有機碳的侵蝕，穩(wěn)定的團聚體可有效防止因團聚體破碎而造成的有機碳流失，對有機碳具有保護作用，進而保持土壤中較高的有機碳含量。

3.3 水穩(wěn)性團聚體變化對土壤三相比的影響

土壤三相比是評價土壤對作物適宜性的重要參數(shù)，會影響土壤容重、孔隙度、含水量的高低，旱作農(nóng)業(yè)理想的固、液、氣比例為50∶25∶25，三相之間互相聯(lián)系、互相轉化又互相制約。土壤質量變差的主要原因是土壤團聚體結構較差，從而導致固、液、氣三相比例失調，自然活力和自我調節(jié)能力下降。董建新等分析了秸稈還田下團聚體對土壤容重、孔隙度、含水量的影響，發(fā)現(xiàn)土壤容重多與水穩(wěn)性大團聚體含量呈負相關，與微團聚體含量呈正相關，而土壤含水量則與之相反。本研究發(fā)現(xiàn)，與試驗開展前相比，秸稈還田、淺埋滴灌處理各時期土壤固相比例下降，氣相比例上升，二者互作可顯著提高各時期土壤氣相占比及廣義土壤結構指數(shù)，使土壤三相比更加合理。秸稈還田與淺埋滴灌互作效應提高了水穩(wěn)性大團聚體的含量及穩(wěn)定性，可有效增大孔隙度、降低土壤容重、提高土壤透氣性、提高土壤抗外界干擾的能力，從而保持土壤結構穩(wěn)定。秸稈還田配合淺埋滴灌種植模式能夠提高土壤水穩(wěn)性大團聚體含量及穩(wěn)定性，對優(yōu)化土壤三相比、改善土壤環(huán)境具有重要作用。

4 結論

（1）秸稈還田可顯著提高耕層土壤5～0.25 mm 粒徑的水穩(wěn)性團聚體含量，淺埋滴灌可顯著提高1～0.25 mm 粒徑水穩(wěn)性團聚體含量，二者互作能提高大于0.25 mm粒徑的水穩(wěn)性大團聚體含量及穩(wěn)定性。

（2）秸稈還田可顯著提高各粒徑團聚體有機碳含量、有機碳富集系數(shù)和土壤總有機碳含量，淺埋滴灌對團聚體有機碳富集系數(shù)及土壤總有機碳含量影響不顯著，秸稈還田與淺埋滴灌互作可顯著提高3～0.5 mm 粒徑團聚體中有機碳含量及有機碳富集系數(shù)，從而提高土壤總有機碳含量。

（3）秸稈還田與淺埋滴灌互作可提高水穩(wěn)性大團聚體含量及穩(wěn)定性，優(yōu)化土壤三相比，增加土壤總有機碳含量，促進土壤結構穩(wěn)定。秸稈還田配合淺埋滴灌田間管理模式，可作為改善農(nóng)田土壤性質、提高耕地質量的種植方式。