秸秆还田对植烟土壤有机质及团聚体特征的影响

薄国栋，张继光，申国明*，于会泳，高 林，孙弋媛，王 毅，周显升，张 扬，刘 明

（1.中国农业科学院烟草研究所，农业部烟草生物学与加工重点实验室，中国农业科学院青岛烟草资源与环境野外科学观测试验站，青岛 266100；2.中国农业科学院研究生院，北京 100081；3.山东潍坊烟草有限公司，山东 潍坊 261000；4.山东中烟工业有限责任公司，济南 250100）

近年来随着化肥的大量施用及有机肥配比的降低，导致了黄淮烟田出现土壤板结、结构性差等一系列土壤质量问题。秸秆作为常见的有机物料，合理还田能够起到提高土壤有机质含量，改善土壤理化性状的作用。白和平等[1]研究表明，秸秆还田能够使麦田土壤有机质增加0.29 g/kg，张鹏等[2]的研究结果认为土壤中有机碳含量随着谷子及玉米秸秆还田量的增加而增加。刘玉涛等[3]的研究也表明，小麦秸秆还田能够提高土壤中有机碳的含量。孙星等[4]研究表明，秸秆与化肥的配施处理与单施化肥相比较，能显著提高乌栅土和红壤性水稻土的有机质含量及品质，是培肥土壤的有效途径。此外，秸秆还田配施化肥也能够有效降低土壤容重，改善土壤物理状况[5]。也有研究表明，秸秆还田全膜双垄沟播玉米技术，使耕层的土壤养分上升，土壤容重下降[6]，可见，作物秸秆还田具有提升土壤有机质含量，改善土壤物理结构，达到逐步提高耕地质量的良好效果。

土壤团聚体作为土壤结构的基本单位[7]，主要是由植物根系、菌丝以及土壤微生物的分泌物通过一定的物理作用以及化学作用胶结而成[8]。土壤团聚体按照颗粒大小分为大团聚体（＞0.25 mm）和微团聚体（＜0.25 mm）[9]，大团聚体丰富是土壤良好结构特征的表现，其与土壤肥力之间存在一定的正比例关系，良好的团聚体结构是土壤肥力的物质基础，能够保证和协调土壤中水、肥、气、热供应能力。Van Bavel[10]和Gardener[11]分别提出了平均重量直径（MWD）以及几何平均数（GMD）作为土壤分布状况以及稳定性的指标，并且MWD与GMD值越大，土壤的分布状况与稳定性越好。与此同时，分形维数也是团聚体数量组成以及质地均一性的综合性指标[12-13]，被广泛应用于评价农业管理措施对水稳性团聚体分布的影响。

本文通过开展玉米秸秆和小麦秸秆不同用量的还田试验，研究其对土壤有机质与土壤团聚体特征的影响及两者之间的关系，以期为黄淮烟区筛选最佳的秸秆还田模式，最终为退化烟田土壤改良提供理论和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点为山东省诸城市百尺河乡大顺河村（36°9′N，119°32′E），该区为温带季风性气候，年平均降水量700 mm左右，多年平均无霜期191 d，平均日照时数为2578.6 h。

1.2 试验设计

本试验为 2009—2012年在烟田开展秸秆定位试验。试验分为7个处理，分别为玉米秸秆还田1500 kg/hm2（M1）、4500 kg/hm2（M2）、7500 kg/hm2（M3），小麦秸秆还田 1500 kg/hm2（W1），4500 kg/hm2（W2），7500 kg/hm2（W3），对照（CK）。试验采取田间随机区组设计，重复3次。秸秆在每年3月份土地翻耕前，粉碎后撒施于土壤表面，然后翻耕耙匀，其他肥料的施用均为施烟草专用肥 750 kg/hm2，硫酸钾225 kg/hm2，腐熟豆饼300 kg/hm2。试验开始前土壤的基本性状为 pH 6.04，全氮 0.7 g/kg，全磷5.3 g/kg，全钾18.7 g/kg，碱解氮55.29 mg/kg，有效磷32.45 mg/kg，速效钾213.3 mg/kg。

1.3 试验方法

1.3.1 样品采集与处理 于2012年10月烟叶采收完成后，在每个小区，采用“S型”采样法分别采集0～20 cm的耕层混合农化样以及原状土样，将耕层农化土样放入塑料袋中，将原状土放入塑料饭盒中，并尽量减少在采集以及运输的过程中对原状土的破坏。带回实验室后，耕层农化样风干、过筛后备用；原状土样在室内沿自然结构（自然脆弱带）轻轻掰成直径约1 cm的小土块，同时除去植物残体、小石块以及蚯蚓等动物，并风干备用。

1.3.2 测定方法 土壤有机质采用常规的重铬酸钾容量法测定，土壤团聚体测定采用周虎[14]方法并略作修改进行测定。

1.3.3 数据处理 土壤团聚体的平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、分形维数采用以下公式进行：

式中，Wi为i粒级团聚体重量所占的比例，MT为供试土壤的总的重量，为某级团聚体平均直径；为粒径小于 xi的团聚体的重量；MT为团聚体总重量；xmax为团聚体的最大粒径，D为分形维数。

采用Microsoft Excel 2007进行数据以及图表处理；采用SAS 9.2软件进行统计分析，显著性水平设为α=0.05。

2 结 果

2.1 土壤有机质含量

从图 1可以看出，不同用量的秸秆还田，除M1对土壤有机质无明显提高外，与CK相比，M2、M3、W1、W2、W3等各处理的土壤有机质分别增加了11.8%、17.6%、5.2%、6.3%、12.6%。相同用量的玉米秸秆与小麦秸秆还田相比，玉米秸秆对土壤有机质的增加量大于小麦秸秆。因此，玉米及小麦秸秆还田能够有效的增加土壤有机质，特别在秸秆还田量大于1500 kg/hm2时，玉米秸秆提高土壤有机质含量的效果要优于小麦秸秆。

图1 不同用量秸秆还田对土壤有机质影响Fig.1 The effect of straw returning rates on organic matter

2.2 土壤团聚体特征

2.2.1 团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD） 通过干筛法可以获得原状土壤中团聚体的总体数量。从表1可以看出，干筛法测得，不同秸秆还田处理间MWD以及GMD的大小顺序分别是：M3＞M2＞M1＞CK，W3＞W2＞W1＞CK。通过以上数据分析可以看出，MWD及GMD均随秸秆还田量的增加而增加。秸秆还田提高了土壤团聚体的团聚度及稳定性，而且玉米秸秆还田相对于小麦秸秆还田处理，更能提高土壤团聚体稳定性。

湿筛法获得的团聚体是土壤中的水稳性团聚体，水稳性团聚体在保持土壤结构的稳定性方面具有重要贡献，且＞0.25 mm水稳定性团聚体的含量与土壤肥力成正比。通过表1湿筛法分析结果可以看出，高量秸秆还田处理的M3及W3与中低量秸秆还田处理（CK、M1、M2、W1、W3）相比，土壤团聚体的MWD以及GMD均有一定程度提高，而且＞0.25 mm 水稳定性团聚体含量随着秸秆还田量增加而增加。可见，高量秸秆还田更能够有效提高土壤水稳定性团聚体的团聚能力，增加土壤团聚体的稳定性。

表1 不同用量秸秆还田对土壤团聚体特征的影响Table1 The effect of straw returning rates on characteristics of soil aggregates

2.2.2 土壤团聚体分形维数 从图2干筛法测得的团聚体分形维数可以看出，随着玉米及小麦秸秆还田量的增加，团聚体分形维数呈逐渐降低的趋势，施用等量的玉米秸秆与小麦秸秆还田相比，除了M1的团聚体分形维数大于W1处理外，其他处理等量玉米秸秆还田的分形维数均低于小麦秸秆还田处理，玉米秸秆相对于小麦秸秆更能够有效保持土壤团聚体数量组成及均一性。

图2 不同用量秸秆还田对土壤分形维数的影响Fig.2 The effect of straw returning rates on fractal dimension

通过图2湿筛法的结果可以看出，玉米与小麦秸秆还田的团聚体分形维数具有相类似的规律，团聚体分形维数先随秸秆还田量的增加而增加，然后降低。与高量秸秆还田（W3、M3）处理相比，中低量（W1、W2、M1、M2）秸秆还田处理并没有有效改善水稳定性团聚体数量组成及均一性。

2.3 土壤有机质与土壤团聚体特征的关系

从表2土壤有机质与土壤团聚体特征的回归方程可以看出，土壤有机质与干筛测得的 MWD及GMD均呈极显著正相关（r2=0.94，0.94），土壤有机质与干筛测得分形维数呈极显著负相关（r2=-0.92），与湿筛法测得＞0.25 mm团聚体含量以及GMD有显著正相关（r2=0.81，0.76）。土壤有机质与土壤团聚体之间具有紧密联系，可以通过秸秆还田来增加土壤有机质含量，进而对土壤结构进行有效改良。

表2 土壤团聚体特征与土壤有机质含量的关系Table2 The relation between characteristics of soil aggregates and the content of soil organic matter

3 讨 论

土壤有机质是评价土壤肥力质量的重要指标之一，不仅与多种土壤养分相关，而且对土壤持水供水能力、孔隙度和团聚体等物理性质具有重要影响[15]。本研究结果表明，秸秆还田能够增加土壤有机质含量，这与罗宜宾[16]的研究的结果一致。而且随着秸秆还田量的增加土壤有机质也随之增加，由于秸秆本身绝大部分是有机成分，其中纤维素、半纤维素及蛋白质复合体较难被微生物分解，残留在土壤中形成有机质，另一方面秸秆还田还利用更新土壤腐殖质，维持土壤有机质平衡和提升有机质的质量。

从不同用量秸秆还田对土壤团聚体 MWD及GMD的影响可以看出，干筛测得土壤团聚体MWD及GMD与对照相比，均有不同程度的提高，分形维数随着秸秆还田量的增加而减少，吴承祯等[17]认为，土壤团聚体的结构性越好、稳定性越高，那么它的分形维数越小。许多研究表明，土壤团聚体稳定性取决于土壤特性，特别是作为团聚体主要胶结剂的土壤有机质含量[18-21]。通过干筛测得土壤团聚体MWD及GMD与土壤有机质之间达到了极显著正相关。湿筛法所测得土壤团聚体MWD值与干筛法稍有不同，土壤有机质与湿筛法测得MWD没有达到显著正相关，但与GMD达到了显著性相关。这一方面可能是土壤侵蚀及耕作倾向于破坏水稳定性大团聚体其内部包裹的轻质、细颗粒物质易被地表水流迁移流失，导致侵蚀部位有机质减少，有机质与团聚体不是简单的正相关关系[22]，另一方面因为GMD比MWD更为准确，能更好的反映团聚体分布的变化情况[23]。此外干筛与湿筛两种方法分别反映的是原状土壤团聚体和水稳性团聚体的特征，方法的不同也可能引起数据结果有差异[14]。等量玉米秸秆较小麦秸秆在提高土壤有机质及土壤团聚体特征方面效果好，这是由于玉米秸秆本身含有有机质多于小麦秸秆，还田后对土壤有机质的增加效果优于小麦秸秆所致。本研究结果显示，随着玉米及小麦两种秸秆还田量的增加，土壤有机质的含量及团聚体稳定性得到一定程度的提高和改善。但本研究仅是3年定位试验的结果，后期工作还需要继续开展长期定位试验，并结合其他肥力指标来综合确定合理的秸秆还田量，并进一步探讨秸秆对土壤团聚体稳定性的影响机制。

4 结 论

1）随玉米及小麦秸秆还田量增加，烟田土壤有机质含量呈不同程度增加。2）不同用量秸秆还田对土壤团聚体特征有明显的影响，在高量秸秆还田时，MWD（干筛）、GMD（干筛）及＞0.25 mm水稳定性团聚体含量最高，分形维数最小，说明在高量秸秆还田对改良烟田土壤结构的效果好。3）土壤有机质与干筛测得MWD、GMD及分形维数呈极显著正相关，与湿筛测得＞0.25 mm团聚体含量及GMD呈显著性相关，说明通过增加土壤有机质能够改良土壤团聚体。4）在0～7500 kg/hm2用量秸秆还田时，等量玉米秸秆还田较小麦秸秆增加烟田有机质及改良土壤结构方面效果好。

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