绿肥、稻草还田对植烟土壤团聚体组成及有机质分布的影响

严红星，田 飞，刘建国，刘勇军，彭曙光，靳志丽，罗建新*

1.湖南农业大学，长沙市芙蓉区农大路1号 410128

2.湖南省烟草公司，长沙市天心区芙蓉南路一段628号 410007

3.中国烟草中南农业试验站永州基地，湖南省永州市冷水滩区珍珠路909号 425000

由于土地利用集约化程度的提高和化肥的大量施用，导致了土壤板结、肥力下降等环境恶化问题，最明显的特征是土壤有机质含量减少和团聚体稳定性降低［1］。团聚体和有机质是保持土壤结构和肥力的基础［2］，外源有机物料还田能够起到增加土壤有机质含量，提高土壤团聚体稳定性和改善土壤理化性状的作用。有研究表明［3-7］，绿肥翻压和秸秆还田后土壤中有机质含量明显提高，保肥能力增强。有机物料和化肥配施能显著提高水稻土的有机质含量和品质，有效降低土壤容重，是培肥地力的有效途径［8］。土壤团聚体是土壤最基本的结构单元，是土壤中养分转化的场所［9-10］。Van Bavel［11］和 Gardner［12］提出了以平均质量直径（Mean weight diameter, MWD）和几何平均直径（Geometric mean diameter, GMD）作为评价土壤团聚体分布状况及稳定性的指标，MWD 与GMD 值越大，团聚体分布状况与稳定性越好；分形维数（Fractal dimension, D）是反映土壤团聚体数量组成及质地均一性的综合性指标［13-14］，土壤有机质在团聚体中的分布与变化是土壤中重要的物理化学性质之一［15］。研究表明［16-18］，有机物料还田能显著提高土壤大团聚体（＞0.250 mm）的数量和比例，显著提高 MWD 和 GMD 值，降低 D 值，进而影响团聚体分布并提高其稳定性，而单施化肥对大团聚体的形成有抑制作用。稻草还田能提高大团聚体数量和有机质含量，影响有机质分布，优化土壤的理化性状［19］。不少学者在有机物料还田对提升和改良土壤肥力方面进行了大量研究［20-23］，但对不同种类有机物料在湖南烟区还田的研究应用则少见报道。为此，在湘南湘西的典型烟区进行了绿肥、稻草还田对植烟土壤团聚体组成及有机质分布的影响试验，以期为烟田土壤改良提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验基本情况

试验于2015—2017年在湘南蓝山县土市乡三广村、江华县白芒营镇新社湾村和湘西凤凰县千工坪乡通板村、花垣县道二乡科技园进行。供试土壤为石灰岩母质发育的水稻土（湘南，烟-稻轮作制）和旱地贫瘠土壤（湘西，一年一熟制）。试验田近3年没有安排过肥料试验，交通便利，排灌方便，土质、肥力具有代表性。供试烟草品种为云烟87，还田物料为鲜油菜、干稻草（当地晚稻稻草）、鲜箭舌豌豆和鲜黑麦草，氮、磷、钾和干物质含量见表1。施用肥料为烟草专用基肥、专用追肥、提苗肥和硫酸钾，由当地烟草公司提供，按照当地烤烟标准化生产技术方案进行田间管理。

表1 绿肥和稻草中氮、磷、钾和干物质含量Tab.1 Contents of nitrogen, phosphorus, potassium and dry matter in green manure and rice straw

1.2 试验设计

采用定位试验，在等养分基础上设置3 个处理，3 次重复，共9 个小区，田间小区随机区组排列。湘南分别为对照（化肥）、稻草还田（干稻草3 750 kg/hm2）、油菜还田（鲜油菜 22 500 kg/hm2）；湘西分别为对照（化肥）、箭舌豌豆还田（22 500 kg/hm2）、黑麦草还田（22 500 kg/hm2）。

稻草还田方法：在烤烟移栽前30 d，将干稻草切为长10～15 cm 的碎段，均匀抛撒在田中，并在稻草上均匀撒施秸秆腐熟剂2.5 ～3.0 kg/667 m2，之后灌水浸泡10 ～15 d。待浸泡的稻草软化后，用旋耕机将稻草打碎。用耕翻机将稻草连同根茬一起翻耕入土，翻耕深度为15～20 cm。

油菜还田方法：在烤烟移栽前30 d 用机械或手工将油菜打（砍）碎并翻压，一般埋入土壤中深度为15～20 cm，随即进行耙地和镇压，以加速油菜的腐解。

箭舌豌豆或黑麦草种植与还田方法：先将土壤翻耕、耙平，四周开好围沟，9月下旬采取撒播播种。3月下旬，即烤烟移栽前30 d 左右结合土地翻耕或起垄时进行翻压鲜箭舌豌豆或黑麦草22 500 kg/hm2。若翻压前产量过大，则将过多的箭舌豌豆或黑麦草割掉一部分并移出，异地还田；小区内产量不足的部分实施异地补充。先用机械或手工将其打碎，然后撒在地面或施入沟中，再进行翻耕，一般埋入土壤中深度为15～20 cm。

湘南试验各处理的氮肥用量（包括有机氮和无机氮）相同，均为 144 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O 为 1.0∶0.8∶2.8，绿肥和稻草还田处理扣除相应还田绿肥和稻草带入土壤的氮；湘西试验各处理的总氮用量为 105 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O 为 1.00∶1.28∶3.11，扣除相应还田箭舌豌豆和黑麦草带入土壤中的氮。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 样品采集与处理

湘南试验于晚稻收获后、湘西试验于烟叶采收完成后，在每小区采用“S ”形采样法分别采集0～20 cm 的耕层混合土样以及原状土样。将耕层土样放入塑料袋；将原状土样放入塑料盒中，并尽量减少在采集以及运输过程中对原状土的破坏。带回实验室后，将土样风干、过筛后备用；原状土样在室内沿自然结构轻轻掰成直径约1 cm 的小土块，同时除去植物残体、小石块后，风干备用。

1.3.2 测定方法

采用重铬酸钾容量法［24］测定土壤有机质含量（质量分数），采用周虎等［13］的方法测定土壤团聚体指标。

1.3.3 数据处理

土壤团聚体的平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、分形维数（D）、土壤团聚体中有机质分布的计算方法［18,25］：

式中：Wdi为 i 粒级团聚体的质量；Wi为 i 粒级团聚体所占的比例。

式中：xi为i 粒级团聚体直径。

式中：全土为未经粒径分离的土样；全土有机质为土壤有机质。

采用Microsoft Excel 2007 软件进行数据的统计处理，用DPS7.05 软件、新复极差法对数据进行组间差异的显著性比较。

2 结果与讨论

2.1 绿肥、稻草还田对土壤有机质含量的影响

有机质是植物生长过程中重要的矿物质营养来源，也是评价土壤肥力的重要指标，其含量的大小和动态变化对土壤结构和土壤生产力有直接影响［25］。图 1 表明，4 种物料还田后的土壤的有机质含量较CK 均有所提高，稻草、油菜还田处理较CK分别提高2.80%和3.24%，箭舌豌豆、黑麦草还田处理较CK 分别提高0.84%和0.48%，但两个试验区的还田处理与CK 间有机质含量差异均不显著，可能是因为还田年限较短，有机质含量的变化对有机物料还田的响应缓慢所致。有机物料富含养分，还田腐解后释放出大量有机碳，有利于土壤有机质的积累，因此不同有机物料还田均能提高土壤有机质含量，但由于有机物料种类和状态不同，在土壤中分解过程存在差异，因此还田后土壤有机质含量的提高幅度也不同。有研究认为［5,26-27］，油菜较稻草、箭舌豌豆较黑麦草C/N 小，腐殖化系数低，在土壤中较易腐解，可向土壤输入更多的有机碳，更有利于提高土壤的有机质含量，与本试验结果基本一致。

图1 绿肥、稻草还田处理土壤的有机质含量比较Fig.1 Comparison of soil organic matter content between green manure and rice straw returning

2.2 绿肥、稻草还田对土壤团聚体组成的影响

土壤团聚体数量和大小分布直接影响着土壤品质，团聚体特征是反映土壤结构稳定性和抗侵蚀能力的重要指标［5］，一般粒径大于0.250 mm 的团聚体称为大团聚体，相对于其他粒径的团聚体大团聚体更能充分体现土壤团聚体的稳定性，其含量越高，土壤品质越好［28］。有研究表明［29-30］，土壤中＞0.250 mm 水稳性团聚体比例与土壤肥力成正比，且MWD、GMD 和D 均能反映土壤团聚体的稳定性。表2 表明，在湘南试验区，稻草、油菜还田处理与CK 相比，＞0.250 mm 水稳性团聚体比例分别提高4.81%、7.41%，MWD 和GMD 大小均表现为油菜＞稻草＞CK，稻草、油菜还田处理的D 值较CK 分别下降3.28%和4.92%，不同处理4 个特征指标统计中仅油菜还田与CK 差异显著。可见，湘南试验区油菜还田能显著提高水稳性团聚体的团聚力，改善团聚体数量组成和均一性，稻草还田也在一定程度上改善团聚体特性，但油菜还田效果优于稻草还田，这可能是油菜比稻草提供到土壤中的有机碳多，增强了团聚体的胶结力，有利于促进大团聚体的形成。在湘西试验区，箭舌豌豆、黑麦草还田处理与CK 相比，＞0.250 mm 水稳性团聚体比例分别提高2.70%和12.57%，MWD 和GMD 大小均表现为黑麦草还田＞箭舌豌豆还田＞CK，箭舌豌豆、黑麦草还田处理的D 值较CK 分别下降0.35%和1.06%，不同处理4 个指标间仅黑麦草还田与CK 差异显著。可见，湘西试验区绿肥还田均能有效改善土壤团聚体特性，但黑麦草还田效果显著好于箭舌豌豆。这可能是由于黑麦草富含纤维素和木质素，有利于土壤团粒结构的形成，与邓小华等［31］的研究结果一致。

表2 绿肥、稻草还田处理土壤的团聚体稳定性比较①Tab.2 Comparison of stability of soil aggregates between green manure and rice straw returning

2.3 绿肥、稻草还田对团聚体有机质含量和分布的影响

团聚体中有机质是反映土壤团聚体结构稳定性和功能的重要指标，增加团聚体有机质，可以提高团聚体的稳定性［32-34］。图2 表明，不同还田处理的湘南、湘西试验区土壤不同粒径的水稳性团聚体中有机质含量变化趋势一致，有机质含量均表现为随粒径的减小先升高后降低，且2.000～0.250 mm 粒径范围内有机质含量最高。湘南试验区土壤中各粒径团聚体有机质含量表现为油菜还田＞稻草还田＞CK，说明稻草、油菜还田均能提高不同粒径团聚体中有机质含量，但不同处理间差异不显著。湘西试验区绿肥还田提高了大团聚体中有机质含量，表现为箭舌豌豆还田＞黑麦草还田＞CK，在小团聚体中绿肥还田处理均小于CK，但不同处理间差异不显著。绿肥、稻草还田后＞0.250 mm团聚体有机质含量增幅大于＜0.250 mm 团聚体有机质含量，可能是因为新添有机物料转化的养分首先富集在小团聚体中，但随着大团聚体的形成，以及大团聚体包含有较大数量的黏粒及强大的表面吸附能力，养分最终在大团聚体中累积，与杨莹莹等［19］的研究结果一致。

图2 绿肥、稻草还田处理土壤的团聚体中有机质含量Fig.2 Organic matter content in aggregates in soils after green manure and rice straw returning

表3 绿肥、稻草还田处理土壤团聚体中有机质分布比较Tab.3 Distribution of organic matter in aggregates in soils after green manure and rice straw returning （%）

有机质在固碳和肥力上发挥着重要作用，因此团聚体中有机质的分布备受关注［35-36］。由表3可知，湘南试验区不同还田处理与CK 相比，＞2.000 mm 团聚体有机质分布有所提高，其中稻草、油菜还田较CK 分别提高24.51%和30.00%，且还田处理与CK 间差异显著，油菜还田处理与CK 差异极显著；＜2.000 mm 团聚体有机质分布均有降低，大小表现为油菜还田＜稻草还田＜CK。说明稻草、油菜还田能提高大粒径团聚体中有机质分布，可能是大团聚体数量的增加及大团聚体中有机质含量提高所致。而湘西与湘南试验区相比较，土质不同、团聚体数量组成存在差异，有机质主要分布在＜2.000 mm 的团聚体中。箭舌豌豆、黑麦草还田较CK 比＞2.000 mm 团聚体有机质分布分别提高14.29%、39.48%，黑麦草还田与CK 差异显著。2.000～0.250 mm 团聚体有机质分布大小表现为黑麦草还田＞箭舌豌豆还田＞CK，但不同处理间差异不显著。＜0.250 mm 团聚体有机质分布大小表现为黑麦草还田＜箭舌豌豆还田＜CK，其中黑麦草还田与CK 相比，＜0.053 mm 团聚体有机质分布显著降低23.77%。说明箭舌豌豆、黑麦草还田均能增加大团聚体中有机质分布，降低小团聚体中有机质分布，黑麦草还田效果显著，可能是黑麦草促进大团聚体数量增加所致。可见，湘南和湘西试验区绿肥、稻草还田后均呈现有机质分布从小团聚体向大团聚体中转移的趋势，尤其是增加了＞2.000 mm 团聚体中的有机质分布，油菜还田效果优于稻草还田，黑麦草还田优于箭舌豌豆还田，与史琼彬等［37］的研究结果相似。

3 结 论

绿肥、稻草还田能在一定程度上提高植烟土壤的有机质含量，提升幅度油菜大于稻草，箭舌豌豆大于黑麦草。统计分析表明，不同处理间有机质含量差异不显著，有机质含量的提高是一个长期的、不断积累的过程。绿肥、稻草还田能提高大团聚体含量，提高MWD 和GMD，有效降低分形维数，对团聚体特征的改善表现为油菜还田优于稻草还田，黑麦草还田优于箭舌豌豆还田。绿肥、稻草还田能提高水稳性团聚体中有机质含量，对大

团聚体中有机质含量的提高幅度大于小团聚体，尤其是＞2.000 mm 团聚体中有机质含量，提高幅度依次为油菜＞稻草、箭舌豌豆＞黑麦草。绿肥、稻草还田后土壤有机质分布均呈现从小团聚体向大团聚体转移的趋势，尤其是提高了＞2.000 mm 团聚体中的有机质分布，还田效果油菜优于稻草，黑麦草优于箭舌豌豆。