秸秆添加对潮土团聚体及有机碳分布和稳定性的影响

刘 哲，孙增慧，张瑞庆*

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075；3.国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710075；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075)

【研究意义】土壤团聚体是一种优良的土壤结构体，土壤团聚状况和土壤有机碳含量可作为评价土壤结构与肥力的综合指标，并且在土壤功能维持中发挥着诸多重要作用，如影响土壤侵蚀能力、土壤水分保持、土壤养分保持和转化、土壤孔隙通透性以及根系的穿透和发育等[1-2]。土壤团聚体和有机碳之间关系密切，土壤有机碳是土壤团聚体形成过程中的重要胶结物质，对形成不同数量和大小粒径分布的团聚体有着重要作用，同时团聚体形成过程和有机碳固持间的相互影响对于提高土壤碳固持能力又具有重要意义，因而研究二者之间的相互作用有利于揭示有机碳的物理保护机制[3]。而不同粒径大小的团聚体在转换、分解、保持土壤有机碳(SOC)方面发挥的作用不同，土壤质量的差异不只与团聚体自身的大小粒级有关，并且还与它们在土壤中的分配比例相关，其中团聚体有机碳含量微观表征着土壤有机碳的矿化速率和平衡状态[4-5]。国内外学者把土壤团聚体的水稳定性及不同粒级团聚体有机碳的含量作为评估土壤基本理化性质及抗侵蚀能力的关键指标，认为了解团聚体有机碳含量的变化及运移规律对土壤结构及质量的变化有着重要的意义，因此研究土壤团聚体结构稳定性、团聚体有机碳变化特征和运移规律，对促进潮土质量提升和碳固持能力的作用具有重要价值[6-8]。【前人研究进展】秸秆施入土壤后可以培肥土壤，增加土壤有机质含量，同时又可促进秸秆营养元素在土壤中的再循环，秸秆腐解以后产生的有机胶结物质对土壤团聚体的形成也会产生一定的促进作用，加强土粒间的粘结力、改善土壤团聚体结构[9-11]。国外已经大面积的采用季节性休闲或保护性耕作的方式对耕地进行保育，来保障农业的可持续发展，在我国粮食需求呈增长趋势和生态环境保护的大背景下，以秸秆还田或覆盖为辅助措施的保护性耕作体系在我国越来越受到重视[11-12]。张鹏等研究表明，秸秆还田可以显著的提高黄绵土水稳性大团聚体含量，增加土壤结构稳定性，为黄绵土结构特性及理化性状的改善提供了理论参考[13]；关松等通过对黑土不同粒级水稳性团聚体稳定性的研究表明，秸秆还田促进了黑土水稳性大团聚体含量和土壤稳定性的提高，增加了土壤水稳性团聚体有机碳含量，提高了水稳性大团聚体有机碳储量[14]。随着保护性耕作技术的大面积推进使用，秸秆还田措施显著提高了土壤水稳性团聚体的比例和结构稳定性。同时，还有利于0～20 cm耕层有机碳在土壤中的固持，对减缓温室效应具有重要的意义[15-16]。【本研究切入点】河南省面积最大的耕作土壤类型是潮土，面积达到了387 万公顷，占全省总耕地面积的43.2 %，具有砂粒含量高、黏粒含量低、有机碳含量低、结构性差和肥力差等特点[17]。然而在潮土不受扰动的情况下，添加秸秆对潮土不同培养时期团聚体稳定性及团聚体有机碳分布及相对数量变化规律的研究不足，关于揭示秸秆添加如何有效的改善潮土结构和固碳潜力机理的研究内容较少。【拟解决的关键问题】为此本研究采用室内模拟培养对照试验，探究水稻秸秆粉碎处理添加入潮土后，不同培养周期下潮土水稳性团聚体含量和结构稳定性的变化，研究水稻秸秆腐解过程中土壤有机碳在不同大小粒级水稳性团聚体中的运移状况，以期为潮土肥力提升、团聚体结构改善和碳库管理提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试潮土样品采自河南省封丘县中国科学院封丘农业生态长期定位实验站(35°00′N，114°24′E)。实验站当地的主要气候类型为半干旱半湿润的暖温带大陆性季风气候，多年平均的降雨量为605 mm，降雨时间主要集中在每年7-9 月。土壤类型主要以含碳酸钙含量比较高2∶1型黏土矿物为主的典型潮土。试验布置前测得耕层的土壤基础理化指标如下：pH 8.68，黏粒(<0.002 mm)含量为23 %，粉粒(0.02～0.002 mm)含量为32 %，土壤质地类型为沙壤土，有机碳含量为5.38 g·kg-1，全N含量为0.44 g·kg-1，种植制度为小麦-玉米轮作的一年两熟制。

1.2 研究方法

采用棋盘法选择6～8个具有代表性的采样点，于2014年10月中旬玉米收获后采集试验站0～20 cm耕作层土样，自然风干剔除根系砂砾等杂质后磨样过2 mm筛子，采用四分法混合均匀后保留足量的待测土样。本试验共采用2种试验处理：分为土壤不添加秸秆(对照组，CK)和土壤添加1 %13C秸秆(试验组，Str)，每个处理共设置3个重复。本研究所采用的秸秆为温室自己栽培的水稻秸秆，水稻成熟后采集地上部分并在60 ℃下烘干，烘干后粉碎处理并过0.25 mm筛子，最后测得秸秆粉末的有机碳含量为396.5 g·kg-1。风干潮土和粉碎秸秆混匀后的具体培养方法见相关文献的介绍[18]，并在15、60、120 d的培养周期时采集各处理土样，用以测定土壤水稳性团聚体组成和土壤团聚体有机碳。

1.3 测定项目及方法

土壤团聚体有机碳含量和土壤黏粉粒含量采用常规的检测方法[19]、土壤水稳性团聚体的分级采用湿筛法测定[20]。水稳性团聚体的稳定性指标几何平均直径(geometric mean diameter，GMD)，土壤不稳定团粒指数(ELT)，平均质量直径(mean weight diameter，MWD)和分形维数D值的详细计算公式见相关的参考文献和下列公式(1)[20-22]：

(1)

土壤水稳性团聚体有机碳贡献率的计算见公式(2)[14]：

(2)

1.4 数据处理与分析

试验数据处理通过Microsoft Excel 2016软件进行，显著性分析使用SPSS22.0软件进行检验，SigmaPlot12.0软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 添加水稻秸秆处理对潮土团聚体数量的影响

添加秸秆处理后潮土水稳性大团聚体(R0.25)含量比对照处理显著增加(P<0.05)，尤其是>2000 μm粒级团聚体含量明显增加，促使水稳性大团聚体占主体(表1)。而未添加秸秆的CK处理下的团聚体分布以水稳性微团聚体为主，>2000 μm粒级水稳性团聚体数量在3.33 %～4.43 %，相比于其他3个粒级水稳性团聚体的含量分布很少，培养60 d的时候，水稳性微团聚百分含量为54.7 %；培养到120 d时，2000～250 μm粒级水稳性大团聚体含量有所增加，但水稳性微团聚体百分含量依然为50.1 %，对照组水稳性团聚体含量仍然以微团聚体为主。

添加秸秆处理后，试验组250～53 μm和<53 μm粒级水稳性微团聚体的分布数量显著减少，试验组>2000 μm粒级水稳性大团聚体分布数量显著增加(P<0.05)，而2000～250 μm粒级水稳性团聚体分布数量变化差异不显著。随着培养时间的延长，水稳性大团聚体(>250 μm)含量逐渐增加。培养到120 d时，>2000 μm、2000～250 μm粒级水稳性团聚体含量分别比对照组增加了595.8 %、1.5 %，250～53 μm、<53 μm粒级水稳性团聚体含量分别比对照组减少了58.9 %、37.2 %，水稳性大团聚体含量达到70.4 %，促使水稳性大团聚体占主体。可以看出秸秆粉碎处理添加到潮土后，有助于潮土水稳性微团聚体向水稳性大团聚体的团聚。

2.2 潮土添加水稻秸秆对水稳性团聚体稳定性指标的影响

良好的土壤团聚体是水稳性的，水稳性团聚体的数量和分布情况对土壤结构的稳定性有着重要的影响，同时也是衡量土壤抗侵蚀能力的重要指标[23]。与对照组相比，不同培养时期试验组水稳性团聚体的稳定性指标MWD、GMD值显著增加，D、ELT值显著减小(P<0.05)(表2)。试验组到培养结束的时候，相比于对照组MWD、GMD值分别增加了59.4 %、90.3 %，D、ELT值分别比对照组减小13.6 %、40.9 % 。随着培养时间的延长，对照组不同培养时期MWD、GMD、ELT、D值变化差异不明显，而不同培养周期添加秸秆后的试验组稳定性指标间的变化非常明显，培养周期结束时潮土水稳性团聚体稳定性指标值最大。MWD、GMD 、ELT和D值是反映土壤水稳性团聚体稳定性状况的常用指标，MWD、GMD 值越大，ELT、D值越小，表明水稳性团聚体的团粒结构越好，土壤结构越稳定[20,24]。所以潮土随着水稻秸秆的加入，土壤团聚程度和抗侵蚀能力得到一定程度增强。

表1 不同周期下对照组和添加秸秆处理的土壤水稳性团聚体的百分含量

注：小写字母表示相同处理不同粒级团聚体间差异显著性；大写字母表示相同指标不同处理间差异显著性(P<0.05)，下同。

表2 不同处理对潮土水稳性团聚体稳定性指标值的影响

2.3 不同处理下潮土团聚体有机碳含量及有机碳贡献率的变化

2.3.1 添加水稻秸秆处理对潮土水稳性团聚体有机碳分布规律的影响 土壤不同粒级团聚体中的有机碳含量是影响土壤碳固持和肥力状况的重要因素，微观表征着土壤有机碳的矿化速率和平衡状态[23]。添加秸秆处理后，不同培养周期内4种粒级团聚体有机碳含量均显著增加(P<0.05)，但是有机碳在4种不同粒级水稳性团聚体间的大小分布情况存在差异(图1)。其中，对照组中不同粒级团聚体有机碳含量之间差异不明显，有机碳主要分布在>2000 μm、2000～250 μm粒级水稳性微团聚体中，250～53 μm粒级团聚体中有机碳含量最少。

在培养周期内，添加秸秆处理的试验组团聚体有机碳含量分布情况呈现出相同的趋势，4种粒级水稳性团聚体有机碳含量的分布趋势均为250～53 μm > (<53 μm) >(>2000 μm)> 2000～250 μm，随着培养周期的延长，有机碳始终是水稳性微团聚体中的含量高于大团聚体中的含量，且4种粒级水稳性团聚体有机碳含量都呈现出不断减小的趋势(图1)。试验组培养到120 d时，有机碳在>2000 μm、2000～250 μm、250～53 μm、<53 μm粒级水稳性团聚体中的含量比未添加秸秆的对照组分别增多了20.0 %、17.4 %、62.6 %、50.1 %，总体看来，水稳性微团聚有机碳含量的增加幅度明显大于大团聚体的增加幅度，潮土有机碳在微团聚中的分布比例较大，数据显示潮土有机碳在水稳性微团聚体中的积累和分布受秸秆添加过程的影响较大，其变化较为敏感。

2.3.2 潮土不同粒级水稳性团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率 与对照组相比，添加秸秆处理的试验组>2000 μm团聚体有机碳贡献率显著增加(P<0.05)，促使水稳性大团聚体有机碳贡献率逐渐增大，250～53 μm与<53 μm粒级水稳性小团聚体有机碳贡献率逐渐减少(表3)。随着培养时间的延长，虽然试验组有机碳在水稳性微团聚中的含量相对比较高，但是对有机碳贡献率确以>2000 μm 、2000～250 μm粒级团聚体的贡献比较高。培养到120 d时，水稳性大团聚体有机碳贡献率达到66.14 %，比对照组增加了29.4 %，对有机碳贡献率显著减小的是250～53 μm与<53 μm粒级团聚体有机碳(P<0.05)。分析水稳性微团聚有机碳对土壤有机碳贡献份额减少的原因可能是，水稻秸秆添加处理，促进了微生物和酶的活性同时增加了有机胶结物质，有助于水稳性微团聚体不断粘结团聚成为水稳性大团聚体， >2000 μm、2000～250 μm粒级水稳性大团聚体分配比例显著增加，水稳性大团聚体分配比例的提高幅度大于水稳性微团聚体有机碳的增加幅度，而水稳性微团聚体在团聚体整体中分配占比相对较低。

图1 不同培养时期对照组和添加秸秆处理的土壤水稳性团聚体各粒级有机碳含量变化Fig.1 Organic carbon contents of different treatments under different incubation period

(%)

2.4 潮土不同粒级水稳性团聚体有机碳与团聚体稳定性指标间的相关分析

水稳性大团聚体(>250 μm)被认为是土壤结构体中优良结构体，是一种大小孔隙分布均匀的团粒结构，对于协调维持土壤结构的稳定具有重要的作用，研究结构表明含有水稳性大团聚的数量越多，土壤的抗侵蚀能力和维持结构稳定性的能力越强[25]。为了揭示潮土水稳性大团聚体含量与团聚体稳定性指标间的相关关系，对潮土水稳性大团聚体含量(R0.25)与团聚体稳定性指标MWD、GMD之间的相关性进行了线性分析。从图2显示结果可以得出，土壤>250 μm(R0.25)水稳性大团聚体含量与团聚体稳定性指标GMD，MWD间呈极显著正相关关系，MWD与水稳性大团聚体含量(R0.25)之间的相关性为R2=0.9610，P<0.0001；GMD与水稳性大团聚体含量(R0.25)之间的相关性为R2=0.9783，P<0.0001，这说明潮土中水稳性大团聚体(>250 μm)含量越高，土壤团聚体的GMD，MWD值越大，潮土团聚体的水稳性越强，土壤结构越稳定。

3 讨 论

3.1 添加水稻秸秆处理对潮土水稳性团聚体分布情况和稳定性的影响

水稳性团聚体含量是评价衡量土壤结构稳定性和土壤抗侵蚀能力的关键因素。试验结果证实，土壤有机碳含量与水稳性团聚体的数量之间有着紧密的联系，通过人为的增加外源有机物料的施用，有利于提高土壤有机碳的含量，能增加团聚体的团聚性能，明显促进水稳性团聚体的稳定性[26-27]。在本试验中，试验组潮土添加水稻秸秆处理后，由于水稻秸秆腐解过程中产生如多糖、纤维素等多种类型的土壤有机粘结物质，以及因秸秆添加物刺激微生物活性后形成的腐殖质类物质，这些都是土壤团聚体形成的重要胶结剂。通过土壤微生物和酶的共同作用，对水稳性大团聚体的形成及稳定产生了积极的促进作用[28-29]，有助于潮土水稳性微团聚体不断的粘结团聚成为水稳性大团聚体，促使水稳性大团聚体(>250 μm)在潮土中的分布数量显著增加，水稳性微团聚体含量(<250 μm)显著减少(P<0.05)。培养到120 d时，>2000 μm粒级水稳性团聚体含量达到23.2 %，比对照组增加了6倍左右，试验组水稳性大团聚体最终成为优势粒级，含量比例达到70.4 %，比对照组提高了41.1 %。相比于干筛法测定的机械稳定性，湿筛法可以模拟灌溉或者降水过后所形成的泡水或者湿润条件，所以测得的土壤团聚体的水稳性能够更加真实准确的评价土壤结构稳定条件[30]。通过对不同培养时期水稳性团聚体稳定性指标的分析，试验组不同培养时期水稳性团聚体稳定性指标MWD、GMD值都显著大于对照组，分形维数(D)、土壤不稳定团粒指数(ELT)值显著小于对照组(P<0.05)，并且培养到120 d的团聚体稳定性指标值最佳，MWD、GMD和R0.25之间均呈极显著的正相关关系(P<0.001)。这与张赛等、关松等的研究结果相似，张赛和关松分别研究了添加秸秆处理对紫色土和黑土水稳性团聚体的分布和结构稳定性的作用，研究结果显示添加秸秆处理有助于水稳性微团聚体不断的粘结团聚成为水稳性大团聚体(>250 μm)，减少了水稳性微团聚体含量，同时提高了水稳性团聚体的稳定性和抗侵蚀能力[14,31]。

图2 >0.25 mm水稳性团聚体所占比例与团聚体稳定性指标间的相关关系Fig.2 Correlation between the proportion of >0.25 mm stable soil aggregates and aggregate stability

3.2 添加秸秆处理对团聚体有机碳分布状况的影响

土壤团聚体的保护机制与土壤有机碳的固定效应间存在密切的关系，土壤有机碳主要被固持于土壤团聚体中。相关的试验研究也揭示了有机碳在不同粒级团聚体中的分布规律存在差异，而且不同粒级团聚体有机碳的稳定性也存在差异[24,33]。本研究结果表明，添加秸秆处理后，不同培养周期有机碳在4种粒级团聚体中的分布数量均显著高于对照组(P<0.05)，水稳性微团聚有机碳含量的提高幅度明显大于大团聚体的提高幅度。试验组到培养时期结束时，有机碳在>2000 μm、2000～250 μm、250～53 μm、<53 μm粒级水稳性团聚体的含量比对照组团聚体有机碳含量分别增加了20.6 %、17.2 %、62.8 %、50.6 %，结果表明，潮土添加秸秆处理后有机碳在各个粒级团聚体累积含量都呈现增大趋势，但是有机碳在水稳性微团聚中的分布比例较大，增加幅度也明显大于大团聚体的增加幅度。分析原因可能是由于添加的是粉碎比较细的水稻秸秆，秸秆腐解能为土壤中的微生物提供丰富的碳源，刺激微生物活性，秸秆粉碎后与土壤结合得更紧密，而且潮土是以碳酸钙含量较高的2∶1型粘土矿物类型为主，可以将外源碳嵌插到比较细小的粘土矿物晶层中，从而有助于潮土水稳性微团聚体有机碳的固持[32-33]。这与尹云锋等的试验成果类似，尹云锋等采用δ13C标记方法模拟研究添加稻草秸秆处理对有机碳在红壤团聚体的分布规律的影响，结果表明培养112 d时后，来自外源有机物料的有机碳主要进入分配在水稳性微团聚体中，有机碳在微团聚体的分配含量显著高于在大团聚体的分配含量[34]。但是由于潮土添加秸秆处理后，促进了微生物和酶的活性同时增加了促使团聚体团聚的有机胶结物质，有助于水稳性微团聚体不断粘结团聚成为水稳性大团聚体，促使水稳性大团聚体在潮土中的分配比例显著增大，结果导致水稳性微团聚体有机碳对潮土有机碳的贡献率小于水稳性大团聚体有机碳，这与张先凤等得出的潮土有机碳积累的贡献主要来源于水稳性大团聚体的结果相一致[35]。Chaney等的研究结果表明，通过人为的增加外源有机物料的施用有助于提高微团聚体的团聚性能，促进水稳性团聚体的稳定性，微团聚体内有机碳的降解过程耗能较大，而且微团聚体受到物理保护作用较大，所以微团聚体中有机碳含量的提高有助于土壤有机碳的持久稳定[36-37]，因此潮土添加水稻秸秆处理可以促进提高有机碳在潮土中的累积量，更多的外源有机物料储存于水稳性微团聚体中，有利于提高土壤有机碳的固持能力。土壤团聚体有机碳的稳定性高对于维持土壤各种养分和土壤有机碳具有重要的意义，因此采取秸秆添加的方式对潮土耕地进行保育，来改善潮土肥力和团聚体结构，从而提高潮土的有机碳稳定性及固持能力。

4 结 论

通过对比分析，潮土添加水稻秸秆处理后，促进了水稳性微团聚体向大团聚体(>250 μm)的团聚，水稳性大团聚体含量达到70.4 %，成为优势粒级，显著提高了潮土水稳性团聚体的MWD、GMD，降低了D、ELT值，MWD、GMD与R0.25之间均呈极显著的正相关关系(P<0.001)，增强了水稳性团聚体的团聚程度，土壤结构和稳定性明显得到改善。采取秸秆添加的方式对耕地进行保育，有利于潮土不同粒级水稳性团聚体有机碳的增加，且对水稳性微团聚有机碳含量的增加幅度大于大团聚体的增加幅度。显著提高了>2000 μm 、2000～250 μm粒级水稳性大团聚体有机碳的贡献率，从而加强了有机碳在潮土中的稳定性及固持能力，改善了潮土肥力和结构的稳定性。