秸稈還田方式對低丘橘園土壤碳庫與蓄水能力的影響

黃 越，商小蘭，徐 星，郭水榮，章明奎

（1杭州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，杭州 310020；2桐廬豐陽家庭農(nóng)場，浙江桐廬 311500；3浙江大學環(huán)境與資源學院，杭州 310058）

0 引言

低丘紅壤地區(qū)自然條件優(yōu)越，氣溫高、雨量豐沛、光照足、適宜性廣，生產(chǎn)潛力大，是中國南方地區(qū)柑橘生產(chǎn)的重要基地。但紅壤酸性強、有機碳低，氮、磷、鉀等養(yǎng)分不足，季節(jié)性干旱明顯，加之低丘橘園建園初期的地面平整和表土與底土混合，加劇了土壤養(yǎng)分的缺乏，瘠、酸、板、旱成了影響柑橘生長和產(chǎn)量的重要原因之一。因此，提高土壤有機質(zhì)含量和蓄水能力是低丘紅壤橘園改良的重要內(nèi)容。土壤有機碳是土壤的重要組成部分[1-2]，是土壤養(yǎng)分循環(huán)和供應(yīng)的核心[3-4]，是重要的土壤肥力指標[5-7]。不同形態(tài)的有機碳對土壤肥力的貢獻有所差異，其中的土壤活性有機碳組分如易氧化有機碳、微生物量碳、可溶性有機碳等雖在土壤有機碳中所占比例較低，但其對土壤養(yǎng)分的循環(huán)和貢獻尤為重要[8-11]。土壤蓄水能力與土壤容重、結(jié)構(gòu)等物理性狀有關(guān)，后者也受土壤有機碳水平的影響[12]。柑橘是多年生深根作物，與一般糧食作物和蔬菜作物主要受表層土壤性狀影響不同，深層土壤的性狀可對柑桔生長產(chǎn)生顯著的影響，因此，橘園土壤的改良既要考慮表層土壤，也要考慮深層土壤。

秸稈是農(nóng)地氮、磷、鉀素和有機碳的主要來源，科學的秸稈還田方式不僅能夠為作物生長提供必需的營養(yǎng)元素[13-14]，還能增加土壤有機碳含量[15]，提高土壤酶活性，改善土壤質(zhì)量，實現(xiàn)養(yǎng)分循環(huán)利用[16-18]。低丘紅壤橘園因本身缺乏有機物料，利用周圍農(nóng)田產(chǎn)生的作物秸稈進行培肥是許多紅壤地區(qū)橘園有機物輸入的主要途徑。目前中國的秸稈還田方式主要有淺層還田、深層還田、覆蓋還田及地表拋撒等[19]。不同的秸稈還田方式對土壤干擾的深度和程度不同，且因秸稈所處環(huán)境不同其在土壤中的變化過程也有所差異[19-21]。一些研究表明[21-22]，將粉碎的作物秸稈深施于一定深度的土壤之中，可增加土壤孔隙，提高土壤水分的滲入速度和蓄水能力，增加地下土壤水庫，緩解降水與農(nóng)作物需水時期不同步造成的季節(jié)性干旱問題。以往的研究多關(guān)注秸稈原地還田的效果，對秸稈異地還田（把秸稈用于其他農(nóng)地）的效果研究較少。為深入理解秸稈不同異地還田方式對南方地區(qū)低丘柑桔土壤的改良效果，本試驗比較研究了秸稈深施、淺施、地表覆蓋對土壤碳庫及水分變化的影響，以期為低丘橘園選擇合理的秸稈還田方式提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018—2020 年在浙西某低丘紅壤橘園內(nèi)進行。試驗橘園海拔約45 m 左右；試驗前園齡為4年，土壤為紅壤土類、紅壤亞類、黃筋泥土屬，土壤質(zhì)地為粘土。該地區(qū)年平均氣溫17.6℃，年平均降雨量為1450 mm，屬于亞熱帶濕潤氣候。供試土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗前0～20 cm土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

秸稈還田試驗于2018 年11 月20 日進行，采用田間微區(qū)方式開展。微區(qū)面積4 m2（相當于1 棵柑橘樹）；試驗共設(shè)對照（不施用秸稈）、覆蓋還田、淺層還田、深層還田和全層還田等5個處理（表2），每個處理3次重復，隨機排列。還田秸稈為水稻秸稈，除對照處理(CK)外秸稈用量均為8 kg/微區(qū)。覆蓋還田(MR)：水稻秸稈直接均勻覆蓋在地表，試驗過程中不對土壤進行翻耕和地表清理；淺層還田(SR)：將粉碎后的秸稈（粉碎長度約為5～10 cm）與0～20 cm 土層均勻混合，翻耕深度20 cm；深層還田處理(DR)：先將0～20 cm 土層移出，將粉碎后的秸稈與20～40 cm 土層均勻混合，再將0～20 cm 土層填回；整體翻耕深度40 cm；全層還田(SR+DR)：將粉碎后的秸稈與0～40 cm土層均勻混合，翻耕深度40 cm。為了避免對柑橘樹主根產(chǎn)生影響，所有秸稈處理試驗均在柑橘樹樹冠滴水線外圍進行。各處理其他管理措施（包括施肥）相同，按當?shù)爻Ｒ?guī)管理。

表2 還田方式對土壤pH和物理性狀的影響

1.3 采樣分析

分別于2019年11月和2020年11月分2次進行采樣觀察。采樣按小區(qū)進行，在每一小區(qū)挖掘面積約0.5 m2、深0.5 m左右的土坑，按0～10、10～20、20～40 cm等3 個深度采集土壤樣品，除去雜質(zhì)后裝入無菌自封袋密封帶回實驗室。一部分新鮮土樣在4℃保存，用于測定土壤微生物量碳和水溶性有機碳；另一部分土壤樣品自然風干研磨過2 mm篩，用于測定有機碳組分、土壤酶活性和速效養(yǎng)分。在田間采樣時，同時用容重圈取樣、烘干法測定各土層的容重和土壤含水率。為避免第二次采樣與第一次采樣位置重疊，2019年11月第一次采樣后，對采樣位置做好標記；2020 年11 月采樣在各小區(qū)內(nèi)的其他位置采集。

采集土樣的分析項目包括pH、水穩(wěn)定性團聚體、有機碳、易氧化有機碳、水溶性有機碳、微生物生物量碳及脲酶、中性磷酸酶、蛋白酶、蔗糖酶、過氧化氫酶等酶的活性及堿解氮、有效磷、速效鉀。土壤pH用電位法測定；土壤水穩(wěn)定性團聚體用濕篩法測定；土壤有機碳用重鉻酸鉀氧化法測定；土壤中易氧化有機碳采用0.333 mol/L 高錳酸鉀氧化法測定[23]；土壤微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-硫酸鉀提取法測定[24]，提取液中碳用Shimadzu TOC自動分析儀測定；土壤水溶性有機碳采用去離子水浸提（水土比為5:1，25℃下浸提30 min，高速離心后過0.45μm濾膜抽濾），提取液中的有機碳采用TOC儀測定。土壤蔗糖轉(zhuǎn)化酶、過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶和脫氫酶用常規(guī)方法測定[25]，其中，蔗糖轉(zhuǎn)化酶用3,5-二硝基水楊酸比色法，過氧化氫酶用滴定法；脲酶用奈氏比色法；脫氫酶用氯化三苯基四氮唑(TTC)法；中性磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法。土壤堿解氮、有效磷、速效鉀用常規(guī)方法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

分析數(shù)據(jù)采用Excel 2010和軟件SPSS12.0處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 對土壤pH和物理性狀的影響

表2的2年檢測結(jié)果均表明，秸稈還田及還田方式均可不同程度影響土壤pH 和物理性狀。由于試驗柑橘園土壤pH 較低，秸稈還田可略增加土壤的pH。對于0～10 cm 土層，MR（覆蓋還田）、SR（淺層還田）和SR+DR（全層還田）的土壤pH均顯著高于對照，但DR（深層還田）對土壤pH 無明顯影響；對于10～20 cm 土層，只有SR 和SR+DR 的土壤pH 均顯著高于對照，其他處理對土壤pH無明顯影響；對于20～40 cm土層，只有DR 和SR+DR 的土壤pH 均顯著高于對照，其他處理對土壤pH無明顯影響。以上結(jié)果表明，秸稈對土壤pH 的影響主要限于與秸稈直接作用的土層。秸稈及因施用秸稈的松土措施均可影響不同深度的土壤容重，與對照比較，MR 處理可顯著降低0～10 cm 土層的容重，但其對10～40 cm 土層的容重無明顯影響。SR處理可同時降低0～10 cm 土層和10～20 cm 土層的容重，但對20～40 cm土層的容重無明顯影響；SR處理降低土壤容重的效果明顯大于MR。DR和SR+DR處理可同時降低所有土層的土壤容重，兩者的降低效果較為接近。在降低0～20 cm 土層的容重方面SR 處理優(yōu)于DR和SR+DR處理，但在降低20～40 cm土層的容重方面卻好相反。同時，秸稈的施用和松土也不同程度增加了土壤中水的貯存。采樣時對不同深度水分的實測表明，所有4 種還田方式均不同程度增加土層中含水率，其中0～10 cm土層以MR處理的效果最為明顯；而對于10～20 cm 土層，一般以SR 和20～40 cm 土層最好，其次為DR 處理，MR 處理稍低；而對于20～40 cm土層，一般以DR 處理最好，其次為SR 和20～40 cm 土層，MR處理稍低。

表2的結(jié)果還表明，秸稈還田可顯著增加土壤中>0.25 mm水穩(wěn)定性團聚體的含量，其中，MR、SR和SR+DR 處理的0～10 cm 土層土壤水穩(wěn)定性團聚體均顯著高于對照，SR和SR+DR的10～20 cm土層土壤水穩(wěn)定性團聚體均顯著高于對照，DR和SR+DR的20～40 cm土層土壤水穩(wěn)定性團聚體均顯著高于對照。

用土壤含水率與容重數(shù)據(jù)計算的0～40 cm土層土壤水總貯量的結(jié)果見表3。結(jié)果表明，不同的秸稈還田處理均可增加0～40 cm土層貯水總量，其中，2019年的增幅在4.33%～8.65%之間，增幅由高至低為MR＞SR＞SR+DR＞DR；2020年的增幅在11.25%～15.35%之間，增幅由高至低為SR+DR＞SR＞DR＞MR；其增水效果隨時間增加；且深層土壤的貯水量2020年明顯高于2019年。

表3 還田方式對0～40 cm土層水和有機碳貯量的影響 kg/m2

2.2 對土壤有機碳及其組分的影響

表4的2年檢測結(jié)果表明，秸稈還田后土壤中有機碳、易氧化有機碳、水溶性有機碳和微生物生物量均有不同程度的增加，且不同形態(tài)有機碳的變化趨勢較為一致，但活性有機碳（易氧化有機碳、水溶性有機碳和微生物生物量）變化幅度高于有機碳總量。以下以2020 年觀察數(shù)據(jù)為例說明不同還田方式對土壤有機碳形態(tài)的影響。

表4 不同秸稈還田方式對土壤有機碳及其組分的影響

與對照比較，有機碳在各土層中的變化有所差異。在0～10 cm 土層中，MR、SR、SR+DR 處理的有機碳均高于對照，分別比對照增加3.93%、9.20%和6.77%，而DR處理略有下降；在10～20 cm土層中，只有SR 和SR+DR 處理的有機碳明顯高于對照，分別比對照增加20.44%和13.29%；在20～40 cm 土層中，只有DR 和SR+DR 處理的有機碳明顯高于對照，分別比對照增加84.08%和42.04%，其他處理的變化較小。

在0～10 cm土層中易氧化有機碳、水溶性有機碳、微生物生物量碳的變化與有機碳相似，DR 處理變化較小，MR、SR、SR+DR處理的以上形態(tài)的有機碳均高于對照，易氧化有機碳含量分別比對照增加4.55%、21.59%和11.36%，水溶性有機碳含量分別比對照增加25.31%、44.44%和24.69%，微生物生物量碳含量分別比對照增加18.95%、34.74%和27.37%；在10～20 cm土層中，除DR處理的易氧化有機碳含量略有下降外，所有秸稈還田處理的易氧化有機碳、水溶性有機碳、微生物生物量碳均有不同程度的增加，MR、SR、SR+DR處理的土壤易氧化有機碳分別比對照增加8.20%、45.90%和27.87%；MR、SR、DR、SR+DR處理土壤水溶性有機碳分別比對照增加12.84%、53.21%、8.26%和36.70%，微生物生物量碳分別比對照增加10.26%、44.87%、5.13%和25.64%。在20～40 cm 土層中，DR 和SR+DR 處理的土壤易氧化有機碳、水溶性有機碳、微生物生物量碳均明顯高于對照，分別比對照增加157.89%和89.47%、159.57%和100.00%、137.50%和62.50%，而MR 和SR 處理的土壤易氧化有機碳、水溶性有機碳、微生物生物量碳變化較小。

用土壤有機碳含量和容重數(shù)據(jù)計算的0～40 cm土層土壤有機碳總貯量的結(jié)果見表3。結(jié)果表明，MR處理因秸稈沒有翻入土壤中，對0～40 cm 土層土壤有機碳總貯量影響較小，其他秸稈還田方式均可不同程度增加有機碳的貯量。其中，SR、DR和SR+DR等3種處理2019 年的有機碳貯量增幅在2.17%～10.91%之間，增幅由高至低為SR+DR＞DR＞SR；2020年的增幅在2.99%～9.57%之間，增幅由高至低為DR＞SR+DR＞SR；增效隨時間略有下降；秸稈深施有助于增加0～40 cm土層土壤有機碳總貯量。

2.3 對土壤酶活性的影響

秸稈以不同方式還田后，不同土層中酶的活性也發(fā)生了變化，但各土層中不同種類酶活性的變化有所差異（表5）。對于0～10 cm 土層，除DR 處理外，其他處理均可明顯增加蔗糖轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶的活性，其中以SR處理的增幅最為顯著；DR和SR+DR處理對脲酶和脫氫酶活性影響較小，但MR和SR處理顯著增加了脲酶和脫氫酶的活性，增幅也是以SR處理最為顯著；與其他酶活性比較，秸稈還田對0～10 cm土層土壤中性磷酸酶活性影響較小，只有SR處理后中性磷酸酶活性有較為顯著的增加。對于20～40 cm 土層，MR 和SR處理對5種酶活性均無影響，但MR和SR處理均顯著增加了5種酶的活性。

表5 不同秸稈還田方式對土壤酶活性的影響

2.4 對土壤速效養(yǎng)分的影響

表6 為秸稈不同方式還田對不同深度土層堿解氮、有效磷和速效鉀的影響。與對照比較，MR處理只增加了0～10 cm土層的堿解氮、有效磷和速效鉀，對其他土地層的速效養(yǎng)分無明顯影響；SR處理同時增加了0～10 cm 土層和10～20 cm 土層的堿解氮、有效磷和速效鉀，但對20～40 cm 土層的速效養(yǎng)分無顯著的影響；DR 處理可顯著增加20～40 cm 土層的堿解氮、有效磷和速效鉀和10～20 cm土層的堿解氮，對其他土層的差異無明顯影響。SR+DR 處理均可同時增加3 個土層的堿解氮、有效磷和速效鉀。

表6 不同秸稈還田方式對土壤速效養(yǎng)分的影響 mg/kg

3 結(jié)論

（1）秸稈還田可影響土壤pH、酶活性和堿解氮、有效磷和速效鉀，且主要影響與秸稈直接作用的土層。施用秸稈及因施用秸稈的松土措施均可降低不同深度的土壤容重，增加土壤含水率和>0.25 mm水穩(wěn)定性團聚體的含量。對0～40 cm土層土壤水總貯量的效果由高至低為SR+DR＞SR＞DR＞MR。

（2）秸稈還田后土壤中有機碳、易氧化有機碳、水溶性有機碳和微生物生物量均有不同程度的增加，變化幅度活性有機碳（易氧化有機碳、水溶性有機碳和微生物生物量）高于有機碳總量。對0～40 cm土層土壤有機碳總貯量的增幅由高至低為DR＞SR+DR＞SR，秸稈深施有助于增加0～40 cm土層土壤有機碳總貯量。

（3）秸稈深層還田和全層還田對土壤改良作用的影響范圍大于秸稈淺層還田，特別是在增加深層土壤有機碳和水分的貯存方面秸稈深層還田尤為顯著。可采用秸稈深層還田與地表覆蓋相結(jié)合可全方位改善柑橘園土壤性狀。

4 討論

農(nóng)作物秸稈中含有作物生長所需要的N、P、K 等多種營養(yǎng)元素，是土壤有機質(zhì)的重要來源。秸稈還田不僅能夠為作物生長提供必需的營養(yǎng)元素，還能增加土壤有機質(zhì)含量，改善土壤質(zhì)量[8-9,14]，本研究的結(jié)果也證實了秸稈不同方式還田均可改善柑橘園土壤的性狀。但還田方式不同，其對土壤性狀影響的方式也有一定的差異。當秸稈用于果園地表覆蓋時，其可增加表土最上部分土壤的有機質(zhì)含量，降低土壤容重，提高土壤pH和水穩(wěn)定性團聚體數(shù)量，增強土壤生物活性；但秸稈覆蓋對深層土壤的影響不明顯。試驗結(jié)果也表明，秸稈地表覆蓋可明顯增加表層土壤的含水率，這與地表覆蓋秸稈后，地表粗糙度增加，徑流減少，增加了降水期間土壤水的入滲量，同時減弱了地表蒸發(fā)有關(guān)[26]?？傮w上，秸稈地表覆蓋對地表土壤水分的影響大于深層土壤。當秸稈粉碎翻耕還田時，由于翻耕本身有松土作用，同時由于秸稈與土壤充分混合，這一方面改善了土壤的物理性狀（增加水穩(wěn)定性團聚體、降低容重），同時也明顯增加了土壤中有機質(zhì)和養(yǎng)分的積累，因此，其對土壤的作用強度顯然大于以上的秸稈地表覆蓋，這從土壤有機碳含量及組分、土壤容重、水穩(wěn)定性團聚體和酶活性的變化都得到證實。但秸稈淺翻還田與深翻還田對不同深度土層有機碳和物質(zhì)性狀的影響不同，一般來說，淺翻還田主要影響上層土壤的性狀，但深翻還田不僅可影響深層土壤的性狀，對上層土壤的影響也較為明顯。同時深翻還田更有利于增加有機碳的積累和土壤有機碳庫和水庫的增加，這顯然與深層土壤通氣較弱，秸稈礦化速率較小、有利于有機碳保存及有利于水分向深層土壤遷移有關(guān)。由于果樹根系分布較深，深層土壤性狀對果樹根系伸展、吸收養(yǎng)分有較大的影響，因而改善果園深層土壤性狀非常必要；而不同還田方式對土壤的作用特點不同，因此秸稈深層還田與地表覆蓋相結(jié)合可全方位改善土壤性狀，對于果園建設(shè)前期可考慮以秸稈深層還田為主，后期逐漸采用淺層還田或覆蓋還田。