不同秸稈還田量對土壤團聚體及有機碳含量的影響

摘要：為探究不同秸稈還田量以及秸稈還田年限對土壤團聚體組成、穩(wěn)定性以及碳庫變化特征的影響，利用長期定位試驗站的4個處理，秸稈全量還田（1XG）、秸稈1/2量還田（1/2XG）、秸稈1/3量還田（1/3XG）和根茬還田處理（CK），對團聚體穩(wěn)定性以及各級團聚體有機碳含量進行連續(xù)3年的動態(tài)監(jiān)測。結果表明，與CK相比，秸稈還田能夠提高土壤中gt;0.25 mm粒級團聚體的含量，其中秸稈全量還田效果最好。隨著秸稈還田年限的增加，lt;0.053 mm粒級團聚體含量呈增加趨勢。秸稈還田能夠顯著提高團聚體平均重量直徑，對增強團聚體穩(wěn)定性起到一定作用。秸稈還田提高了土壤團聚體有機碳含量，其中秸稈全量還田效果最好，各處理gt;0.25 mm粒級團聚體有機碳含量均最高，表明秸稈還田后有機碳優(yōu)先固存在大團聚體中，gt;0.25 mm粒級團聚體的有機碳貢獻率最高，為60.90%～82.09%，lt;0.053 mm粒級團聚體最低，為2.39%～6.28%。綜上，秸稈還田能夠促進土壤團聚體的形成，提高土壤團聚體有機碳的含量，其中秸稈全量還田的固碳效果最好。研究結果為確定合理的秸稈還田量提供數(shù)據(jù)支持，為提升和改善黑土區(qū)土壤肥力提供理論依據(jù)。

關鍵詞：秸稈還田量；水穩(wěn)性團聚體；團聚體有機碳；有機碳貢獻率

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0342

中圖分類號：S158.5

文獻標志碼：A

文章編號：1008?0864（2025）01?0193?08

東北黑土是世界“四大黑土地”之一。在東北寒冷的氣候條件下，植被冬季凋落，微生物活性受抑制，凋落物無法快速分解，從而逐漸積累成一層厚厚的腐殖質，最終形成肥沃的黑土層。黑土因具有肥力高、營養(yǎng)結構全面等優(yōu)點，十分適宜耕種。據(jù)統(tǒng)計，截至2021年，東北黑土區(qū)糧食產(chǎn)量連續(xù)12年居全國首位，被譽為“中華大糧倉”，其中玉米播種面積占全國播種面積的31.6%，秸稈資源豐富[1]?，F(xiàn)如今，黑土肥力降低、土壤結構被破壞等問題頻發(fā)，對糧食安全造成巨大影響，因此提升東北黑土區(qū)土壤質量成為一項重要任務。土壤團聚體在改善土壤物理性質方面具有重要作用[2]，不僅影響土壤中水分的運移，還影響著土壤中養(yǎng)分的固定與運輸[3]，是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理的關鍵[4]。土壤有機碳是評價土壤質量的重要指標，對調控土壤理化性質具有重要作用[5]。土壤有機碳可作為土壤團聚體形成的重要膠結物質，維持和提高土壤團聚體的穩(wěn)定性。研究表明，秸稈還田有利于提高土壤有機碳含量、促進土壤養(yǎng)分循環(huán)，是培肥土壤、提高耕地綜合生產(chǎn)能力的沃土措施[6-8]。Zhang等[9]通過為期5年的試驗發(fā)現(xiàn)，秸稈還田能減少lt;0.25 mm粒級團聚體比例，增加gt;0.25 mm 粒級團聚體的比例。Liao 等[10] 研究發(fā)現(xiàn)，土壤碳主要存在于gt;0.053 mm 粒級的團聚體中，lt;0.053 mm 粒級土壤團聚體土壤碳含量較低，說明秸稈還田可以通過提高土壤水穩(wěn)性大團聚體的比例間接影響土壤有機碳的含量。黃璐等[11]通過對黃土旱塬麥田土壤研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田能夠促進土壤水穩(wěn)性微團聚體向水穩(wěn)性大團聚體轉化，團聚體穩(wěn)定性提高，且秸稈還田增加了土壤及團聚體的有機碳含量，有機碳含量隨著秸稈還田量的增加而增加。高洪軍等[12]研究表明，13 500 kg·hm-2秸稈還田量可以顯著提高各級團聚體有機碳含量，與秸稈不還田相比，提升幅度為2.3%～22.7%。因此，大力推廣秸稈還田技術對我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、保護農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、保障糧食安全具有重要意義。本研究通過連續(xù)9 年的不同秸稈還田量試驗，探討不同秸稈還田量以及秸稈還田年限對土壤團聚體組成及有機碳含量的影響，分析團聚體穩(wěn)定性以及各級團聚體有機碳含量的變化狀況，進而闡明秸稈還田后各級團聚體有機碳含量與團聚體穩(wěn)定性的關系，為提升和改善黑土區(qū)土壤肥力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗始于2012年，采用玉米連種，秸稈秋季機械粉碎旋耕還田。試驗站坐落在黑龍江省嫩江中儲糧北方公司科技園區(qū)（49°33′35″N、125°27′5″E）。試驗區(qū)土壤類型為黑土，屬中溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫0.8～-1.4 ℃，年均降水量450 mm，無霜期115 d，有效積溫2 150 ℃。0—20 cm耕層土壤有機質含量 45.9 g·kg-1，全氮含量2.5 g·kg-1，全磷含量2.0 g·kg-1，全鉀含量22.7 g·kg-1，堿解氮含量211.9 mg·kg-1，速效磷含量78.6 mg·kg-1，速效鉀含量226.7 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

采集2018—2020年土壤樣品。試驗小區(qū)39 m2，種植作物為玉米（品種為德美亞2號），在調節(jié)秸稈碳氮比（C/N）的基礎上，施肥量為N 150 kg·hm-2、P2O5 75 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2。選擇長期定位試驗站4個處理為：①根茬還田（CK）；②秸稈全量還田（1XG），秸稈還田量為該試驗區(qū)往年CK處理產(chǎn)出秸稈平均量9 000 kg·hm-2；③秸稈1/2量還田（1/2XG），秸稈還田量為4 500 kg·hm-2；④秸稈1/3量還田（1/3XG），秸稈還田量為3 000 kg·hm-2。2018—2020年各處理秸稈還田量不變。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品采集

作物收獲后，用5點取樣法采集各小區(qū)0—20 cm土層的田間原狀土壤樣品，剔除植物根系等雜質，混勻并置于室內(nèi)自然風干，一部分用于土壤團聚體分級，一部分用于土壤有機碳的測定。

1.3.2 分析方法

土壤團聚體分級采用濕篩法[13]，稱取原狀土100 g，置于團聚體分析儀（AS200，德國）的套篩（孔徑分別為0.25、0.053 mm）頂層中，振蕩30 min 后取出，于50 ℃下烘干至恒重，測定gt;0.25、0.25～0.053、lt;0.053 mm 粒級團聚體的比例。土壤團聚體平均重量直徑（mean weightdiameter，MWD）采用公式（1）計算。土壤團聚體各粒級有機碳的測定采用重鉻酸鉀容量外加熱法[14]。各粒級團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率（organic carbon contribution rate，CR）采用公式（2）計算。

式中，Xi 為篩子第i 個孔內(nèi)的質量，g；Wi 為第i個篩子篩孔的平均直徑，mm。

式中，am 為各粒級團聚體有機碳含量，g·kg-1；bm 為不同粒級土壤團聚體含量，%；TC為土壤總有機碳含量，g·kg-1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用office 2019對數(shù)據(jù)進行分析處理，采用SPSS 23.0進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同秸稈還田量對土壤團聚體粒級分布的影響

2018—2020 年秸稈還田后土壤水穩(wěn)性團聚體的組成如圖1所示，各處理土壤團聚體粒級分布一致，均以gt;0.25 mm粒級團聚體為優(yōu)勢粒級，其在團聚體含量的占比為58.9%～79.6%。與CK相比，秸稈還田能顯著增加土壤中gt;0.25 mm粒級土壤團聚體含量，其中1XG處理的gt;0.25 mm粒級團聚體含量最高，連續(xù)3 年與CK 達到顯著差異水平。隨施肥年限的增加，各處理gt;0.25 mm粒級土壤團聚體的含量均表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢；0.25～0.053 mm 粒級土壤團聚體含量變化除1/3XG處理降低外，其余處理均呈先升高后降低趨勢，并且秸稈還田后各處理土壤團聚體的百分含量均顯著低于CK；各處理2020年的lt;0.053 mm粒級團聚體含量較2018 年增加16.3%～180.3%，其中，1XG處理的含量最高。以上結果表明，秸稈還田能夠增加土壤gt;0.25 mm粒級團聚體的含量，且隨著秸稈還田年限的增加，lt;0.053 mm粒級的團聚體含量呈增加趨勢。

2.2 秸稈還田對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

MWD是表征土壤團聚體穩(wěn)定性的重要指標，其值越大表明團聚體的穩(wěn)定性越高。由圖2 可知，與CK相比，秸稈還田可顯著提高土壤團聚體的MWD，但不同的秸稈還田量對土壤團聚體MWD 值的影響具有一定差異，其中1XG 處理連續(xù)3年的MWD最高。隨還田年限的增加，1XG處理的MWD值表現(xiàn)出先下降后平穩(wěn)的趨勢；1/2XG和CK處理的MWD表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢；1/3XG處理的MWD表現(xiàn)出先保持平穩(wěn)后升高的趨勢。以上結果表明，秸稈還田能顯著增加土壤團聚體的MWD值，但受年際間氣候及監(jiān)測的影響，數(shù)據(jù)存在差異。

2.3 秸稈還田對土壤團聚體有機碳含量的影響

由圖3可知，各處理土壤團聚體中有機碳含量表現(xiàn)為gt;0.25 mm粒級最高，在23.12～27.37 g·kg-1；其次為0.25～0.053 mm 粒級，在20.03～24.30 g·kg-1；lt;0.053 mm粒級團聚體有機碳含量最低，在17.49～23.60 g·kg-1，表明秸稈還田后有機碳優(yōu)先固存在大團聚體中。對于gt;0.25 mm粒級的團聚體有機碳含量，2018年各秸稈還田處理均顯著高于CK，其中1XG處理最高；2019年1XG處理團聚體有機碳含量最高，與1/2XG及CK處理顯著差異；2020年1XG和1/2XG處理差異不顯著，但1XG處理顯著高于CK和1/3XG處理。對于0.25～0.053 mm粒級的團聚體有機碳含量，2018年各秸稈還田處理均顯著高于CK；2019年1XG和1/3XG處理顯著高于CK，1/3XG 和1/2XG 處理達到顯著差異水平；2020年各秸稈還田處理與CK均差異不顯著。對于lt;0.053 mm粒級團聚體有機碳含量，2018年CK處理最高，但與1XG 處理差異不顯著，二者與1/2XG 和1/3XG 處理均達到顯著差異水平；2019年1XG和1/3XG處理與CK未達到顯著差異水平，1XG與1/2XG處理差異顯著；2020年各秸稈還田處理均高于CK，且隨著秸稈還田量的增加呈增加趨勢，其中1XG和1/2XG處理與CK達到顯著差異水平。結果表明，各粒級團聚體大小差異能夠影響團聚體有機碳含量，秸稈還田能夠增加團聚體有機碳含量，其中秸稈全量還田效果較好。

2.4 秸稈還田對土壤團聚體有機碳貢獻率的影響

由表1可知，gt;0.25 mm粒級團聚體有機碳貢獻率最高，為60.90%～82.09%；其次為0.25～0.053 mm粒級，為15.53%～33.08%；lt;0.053 mm粒級最低，僅為2.39%～6.28%。與CK相比，秸稈還田后gt;0.25 mm粒級團聚體有機碳貢獻率提高6.79%～26.72%，秸稈還田處理連續(xù)3 年與CK 差異顯著；0.25～0.053 mm粒級和lt;0.053 mm粒級（除2020年）秸稈還田后有機碳貢獻率均顯著低于CK 處理，2020年lt;0.053 mm粒級團聚體有機碳貢獻率顯著高于CK。

隨著秸稈還田年限的增加，gt;0.25 mm粒級團聚體有機碳貢獻率呈先降低后升高的趨勢，其中2018年1XG處理的有機碳貢獻率最高，為82.09%；在0.25～0.053 mm粒級中，各處理有機碳貢獻率則呈先增加后降低的趨勢；lt;0.053 mm粒級中秸稈還田處理有機碳貢獻率呈增加趨勢，CK處理呈降低趨勢。結果表明，秸稈還田能夠影響團聚體有機碳貢獻率，即提高gt;0.25 mm粒級團聚體有機碳貢獻率，隨著秸稈還田年限的增加，gt;0.25 mm粒級團聚體有機碳貢獻率降低，lt;0.053 mm粒級團聚體有機碳貢獻率升高。

3 討論

土壤團聚體和MWD是評價土壤結構及其穩(wěn)定性的重要指標[15?16]，是影響土壤肥力的重要因素。本研究結果表明，秸稈還田能夠提高gt;0.25 mm粒級團聚體含量，其中秸稈全量還田效果最好。這是由于秸稈分解過程中會產(chǎn)生有機膠結物質，且秸稈中含有豐富的木質素能夠促進大團聚體的形成[17]。新添加的植物殘體能夠促進土壤團聚體中顆粒有機質的形成，顆粒有機質被土壤中的黏土礦物以及微生物分泌物包裹形成新的微團聚體核心，在土壤有機質膠結作用下形成大團聚體[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨秸稈還田年限的增加，lt;0.053 mm粒級團聚體所占比例升高。徐英德[19]研究表明，隨著秸稈還田時間的增加，gt;0.25 mm粒級的團聚體含量隨之增加，而0.25～0.053 mm粒級的團聚體含量呈下降趨勢，與本研究結論不一致。原因可能是黑龍江地區(qū)夏季易出現(xiàn)高溫和強降雨天氣，而水分對土壤的沖擊可促使大團聚體破碎，且土壤的干濕交替會影響團聚體的收縮和膨脹，從而提高部分團聚體碎裂概率[20]，使土壤大團聚體更易破碎成微團聚體。本研究土層為0—20 cm，而劉學彤等[21]通過38年長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，長期秸稈還田顯著影響0—10 cm土層團聚體的含量，但對10—20 cm土層團聚體無顯著影響。肖健等[22]認為，不同秸稈還田形態(tài)、秸稈還田方式以及不同的耕作方式都會影響土壤微生物的群落結構和活性，隨秸稈還田時間的增加，某些微生物種類的數(shù)量可能減少，導致團聚體形成過程受到影響。

外源有機物料的施用增強了土壤的固碳能力，秸稈還田處理顯著增加土壤團聚體有機碳含量，秸稈全量還田處理的團聚體有機碳含量最高。這是由于秸稈還田能夠增加土壤中的有機碳含量，為微生物提供足夠的碳源，增加微生物的活性，促進微生物對秸稈的分解轉化，使得團聚體中有機碳含量增加。郝翔翔等[23]通過連續(xù)8年的秸稈還田試驗發(fā)現(xiàn)，土壤團聚體的有機碳含量普遍提高。本研究中，gt;0.25 mm粒級團聚體有機碳含量最高，lt;0.053 mm粒級團聚體有機碳含量最低，與李艷等[24]研究結果相似。包括秸稈還田在內(nèi)的有機物料的施用，不僅能夠豐富土壤碳的來源、提高土壤有機碳含量，還有助于增加土壤大團聚體含量及其穩(wěn)定性，從而提高土壤的固碳能力。

秸稈還田能夠有效改善土壤有機碳的貢獻率，整體來看，秸稈還田能夠顯著提高gt;0.25 mm粒級團聚體的土壤有機碳貢獻率，而0.25～0.053 mm粒級貢獻率顯著低于CK，這是由于秸稈還田后，碳素優(yōu)先固定到大團聚體中[25]，秸稈還田更有利于促進大團聚體中有機碳的轉化。王碧勝等[26]研究顯示，秸稈的添加可以顯著提高2～0.25 mm團聚體有機碳的貢獻率，但隨著培養(yǎng)時間的增加，微團聚體有機碳貢獻率有增加趨勢，與本研究結論相似，即隨著秸稈還田時間的增加，lt;0.053 mm粒級團聚體中有機碳貢獻率升高，可能是由于隨著秸稈的添加，為土壤中微生物提供了充足的碳源，增加了微生物活性以及新陳代謝能力，促進了微生物對有機物質的分解，導致大團聚體中有機碳向微團聚體中轉移，使微團聚體中有機碳貢獻率增加。

綜上所述，秸稈還田能夠提高gt;0.25 mm粒級團聚體含量，其中秸稈全量還田效果最好，隨秸稈還田年限的增加lt;0.053 mm 粒級團聚體含量增加。秸稈還田對提高團聚體平均重量直徑，增強團聚體穩(wěn)定性具有一定促進作用。通過秸稈還田增加農(nóng)田碳投入量，提升了團聚體中有機碳含量，其中gt;0.25 mm粒級團聚體有機碳含量最高，秸稈全量還田效果最好。秸稈還田對土壤團聚體有機碳貢獻率的影響與團聚體粒級有關，gt;0.25 mm粒級團聚體有機碳貢獻率較高，秸稈還田能夠增加其貢獻率，但隨著秸稈還田年限的增加，大團聚體有向微團聚體轉移的趨勢，隨之微團聚體貢獻率升高。

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基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2021YFD1500204）；黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院杰出青年基金項目（2021JCQN004）；黑龍江省省屬科研院所科研業(yè)務費項目（CZKYF2023-1-B006）；國家大豆產(chǎn)業(yè)技術體系建設項目（CARS-04）；黑龍江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術協(xié)同創(chuàng)新體系項目。