绿洲农田土壤团聚体组成及有机碳和全氮分布对秸秆还田方式的响应

殷 文，郭 瑶，陈桂平，冯福学，赵 财，于爱忠，樊志龙，胡发龙，柴 强

(1. 甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070；2. 甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)

土壤结构通过影响作物生长所需水分、养分及土壤中的物质交换、微生物区系活动、作物根系分布等过程而影响作物生长发育[1-2]。土壤团粒结构的形成及稳定性是土壤结构研究的核心内容，在很大程度上反映了土壤结构的水力学稳定性与抗蚀性[3-4]。优化耕作措施[5]、秸秆还田方式[6]、施肥制度[7]等土壤改良措施均影响土壤团聚体的组成及其稳定性。因此，研究不同秸秆还田及耕作方式对土壤团聚体组成、分布及稳定性的影响对于评价土壤生态效益及可持续利用具有重要意义。土壤有机碳和全氮在碳、氮循环中发挥着重要作用，并且在很大程度上影响土壤团聚体的形成及稳定性，也是增强土壤供肥、保肥能力以及对耕作缓冲性能的重要决定因素，与土壤团聚体形成密切相关[8-9]。已有研究证实，翻耕易破坏土壤团聚体，导致团聚体中有机质暴露，增加土壤有机质输出，加剧温室气体排放[10]。因此，通过优化耕作措施提高土壤团聚体中有机碳和氮素含量，可培肥地力、减少农田温室气体排放，对建立可持续农业生产模式具有重要指导价值。甘肃河西绿洲灌区作物栽培长期采用铧式犁翻耕等传统深翻耕措施[11]，对耕层土壤过度扰动，大量土壤团聚体结构被破坏，冬春裸露休闲，加剧水分无效蒸发，另外，作物秸秆还田技术体系尚未完善，秸秆移除减少了土壤有机质含量，可耕地质量日趋下降，在西北季风的强劲作用下，农田土壤风蚀问题突出，成为制约该地区农业生态环境建设的因素之一[12]。目前，秸秆还田是开展农业秸秆资源再利用、实现生态农业的最重要途径，在华东地区及雨养农业区已得到了大范围推广和应用[13-14]。诸多学者针对秸秆还田对土壤团聚体形成与稳定性的影响机理开展了研究，认为秸秆还田结合免耕措施能显著提高土壤水稳性团聚体含量及其稳定性[15]；促进大团聚体形成，提高土壤大团聚体中有机碳的氧化稳定性及全氮含量[16]。但是，在干旱绿洲农业区，有关秸秆还田对农田土壤团聚体组成、稳定性及土壤团聚体水平碳、氮含量的影响鲜见报道。为此，本研究以优化秸秆还田技术为突破口，在不同秸秆还田方式下分析干旱灌区农田土壤团聚体组成及有机碳与全氮分布特征，为该区选择更有利于保持土壤结构稳定性及其碳、氮累积的合理耕作措施提供理论依据，以期为该地区农田生态环境建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在甘肃农业大学武威农技中心绿洲农业科研教学基地进行(37°30′N，103°5′E)。试验区位于河西走廊东端，属寒温带干旱气候区，年平均气温7.2℃，日照时数2 945 h。试区年平均降雨量约150 mm，主要集中在7-9月，年蒸发量超过2 000 mm，是典型的绿洲灌溉农业区。土壤以荒漠灌淤土为主，粉沙壤质，土层深厚。耕层(0～30 cm)全氮及有机质含量分别为0.94 g·kg-1与11.7 g·kg-1，土壤容重为1.44 g·cm-3。试区耕作以传统翻耕为主，基于秸秆还田下的土壤理化特性研究相对薄弱，秸秆还田技术尚未成熟、推广面积小，冬春裸露休闲，水分蒸发强烈，耕地质量日益恶化。

1.2 试验设计

本研究于2009年布设预备试验，为后茬玉米创建不同的秸秆还田方式，即2009与2011年种植小麦，小麦收获时实施不同秸秆还田方式；2010与2012年种植玉米，玉米收获后秸秆移出农田，并于秋季翻耕，形成“小麦-玉米”轮作模式(表1)。本文主要涉及2012年度玉米农田土壤团聚体组成和有机碳、全氮的系统测定及分析数据。玉米播种日期2012年4月20日，收获日期为2012年10月2日。供试玉米(ZeamaysL.)品种为武科2号。

试验设4种耕作及秸秆还田处理，3次重复，田间裂区排列，不同年度种植作物种类及处理方式见表1。

表1 不同年度种植作物种类及处理构成

玉米播种密度为82 500株·hm-2，小区面积10 m×4.8 m=48 m2。传统耕作前茬小麦低茬收获后深翻耕(翻耕深度为30 cm)，免耕秸秆还田(高茬收割立茬免耕、高茬收割等量秸秆覆盖免耕)小麦高茬收割后免耕。所有小区试验实施年份撒施底肥，然后机械旋耕后耙耱、人工覆膜穴播点种玉米。施肥、灌溉制度与地方高产田一致，即总施N量为450 kg·hm-2，按基肥∶大喇叭口期追肥∶灌浆期追肥=3∶6∶1分施；纯P2O5225 kg·hm-2，全作基肥。各处理冬灌水均为1 200 m3·hm-2，生育期内玉米拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期、开花期、灌浆期分别补灌900、750、900、750、750 m3·hm-2。

1.3 测定指标和计算方法

1.3.1 土壤团聚体组成 2012年10月2日玉米收获后在田间取耕层0～30 cm土壤样品，每10 cm为一层，3次重复。3个重复取样小区再分别取3个点的样品作为该取样小区的待测样品。田间采用“五点法”运用环刀取原状土样，带回室内自然风干，沿其固有的裂缝将大块土壤轻轻剥成直径10～20 mm的小土块，剔除其中石块、根系后自然风干，用于土壤水稳性团聚体及土壤有机碳和全氮的测定。

土壤团聚体采用湿筛法进行测定，将样品放置于孔径自上而下为2、1、0.5、0.25 mm和0.106 mm的各级套筛之上，先用水缓慢湿润后，再放入水中；在整个套筛处于最下端时，最顶层筛的上边缘保持低于水面，竖直上下振荡5 min；收集各级筛层团聚体并分别转移至铝盒当中，由于> 2 mm和0.25～2 mm水稳性大团聚体中含有较多的根系与砂砾，在烘干前将其仔细剔除，然后烘干称重，计算得到各级团聚体的质量百分比。

1.3.2 土壤团聚体平均重量直径(MWD) 计算方法如下[17]：

(1)

1.3.3 有机碳、全氮测定 将全土与各级别团聚体土样磨碎过100目筛，利用重铬酸钾-外加热法和凯氏法分别测定全土和各级别团聚体中有机碳、全氮含量[18]。

1.3.4 养分贡献率计算 利用公式(2)计算各级别土壤团聚体有机碳、全氮在土壤中的贡献率[19]：

团聚体的贡献率(%)=[该级团聚体养分含量

×该级团聚体含量/

土壤养分含量]×100%

(2)

1.4 数据统计

数据采用Microsoft Excel 2003整理并作图，利用SPSS 17.0软件进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田方式下土壤水稳性团聚体组成及稳定指数分析

2.1.1 土壤水稳性团聚体组成 按照大团聚体(≥0.25 mm)和微团聚体(<0.25 mm)分类，各处理大团聚体组分质量随着土层的加深而降低，但微团聚体含量则相反(图1)。各处理各土层质量优势团聚体(含量≥0.25 mm团聚体)变幅为49.9%～66.4%，其中免耕秸秆还田处理(NTSS、NTS)≥0.25 mm 团聚体组分质量相对较高，0～10 cm土层，NTSS、NTS比传统翻耕(CT)分别高5.4%、12.5%，翻耕秸秆还田(TIS)比CT高7.3%。10～20 cm土层，NTSS、NTS分别比CT高13.3%、14.1%，分别比TIS高13.1%、13.9%，但NTSS与NTS间无显著性差异。20～30 cm土层，NTSS、NTS比CT分别高11.1%、19.2%，比TIS分别高15.0%、23.5%，总体表现为NTS的提高幅度较大。以上结果说明25～30 cm免耕秸秆覆盖有利于水稳性团聚体的形成。

图1 不同秸秆还田方式下不同深度农田土壤团聚体组成Fig.1 Effects of straw retention patterns on composition of soil aggregates in different soil depths

2.1.2 土壤团聚体平均重量直径(MWD) 免耕秸秆还田明显提高了农田0～10 cm与20～30 cm土层土壤团聚体平均重量直径(MWD) (表1)。0～10 cm土层，与传统耕作(CT)相比，秸秆立茬免耕(NTSS)与秸秆覆盖免耕(NTS)处理的MWD分别高6.7%、11.6%，以NTS的提高作用较大，比秸秆翻压还田(TIS)高7.5%，但TIS与CT间无明显差异。20～30 cm土层NTSS、NTS的土壤团聚体MWD比CT分别提高7.6%、8.1%，比TIS分别提高12.6%、13.2%。10～20 cm土层各处理MWD差异不显著。

2.2 不同秸秆还田方式下土壤有机碳和全氮分布

2.2.1 有机碳与全氮分布 秸秆免耕还田具有提高耕层0～30 cm土层土壤有机碳(SOC)的作用(图2(A))。与传统不留茬翻耕处理CT相比，0～10 cm土层免耕秸别秆还田NTSS、NTS提高SOC分别为8.1%、13.3%，以NTS提高SOC幅度较大，比翻耕秸秆还田TIS高8.2%；10～20 cm土层，NTSS、NTS比CT分别高7.4%、11.4%，NTS比TIS高7.0%；20～30 cm土层，NTSS、NTS比CT分别高7.8%、12.8%，TIS比CT高5.1%，NTS比TIS高7.3%。

同样，秸秆免耕还田具有提高耕层0～30 cm土层土壤全氮(TN)的作用(图2(B))。0～10 cm土层，免耕秸秆还田NTSS、NTS与CT相比提高TN分别为14.6%、17.9%，TIS提高11.5%，以NTS提高TN幅度较大，比翻耕秸秆还田TIS高5.8%；10～20 cm土层，NTSS、NTS比CT分别高14.5%、17.9%，TIS比CT提高6.6%，NTS比TIS高10.6%；20～30 cm土层，NTSS、NTS比CT分别高16.2%、20.5%，TIS比CT高10.2%，NTS比TIS高9.3%。

表1 不同秸秆还田方式下不同深度农田土壤团聚体平均重量直径/mm

注：数据后不同字母表示同一年度中不同处理在0.05水平下差异显著，下同。

Note: Different letters indicate significant differences among the treatments atP=0.05 probability level， the same below..

2.2.2 不同直径团聚体中的有机碳与全氮分布 秸秆还田可提高农田耕层0～30 cm各级别团聚体中有机碳和全氮含量，以免耕秸秆还田NTSS、NTS处理的土壤团聚体有机碳和全氮含量较高(表2)。在各土层中，有机碳和全氮含量在各级别团聚体中的分布呈(<0.25 mm)> (0.25～0.5 mm)>(0.5～1 mm)>(1～2 mm)>(≥2 mm)。各级别团聚体有机碳和全氮含量在土壤剖面中的分布随土层的加深而降低。所有处理各土层各级别团聚体中均有NTS处理的有机碳及全氮含量高于CT。0～10 cm土层，<0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、≥2 mm团聚体条件下，NTS处理的有机碳含量比CT分别高14.5%、12.6%、14.8%、12.7%、12.7%；10～20 cm土层NTS分别比CT高8.7%、8.6%、13.0%、14.4%、12.0%。20～30 cm土层分别比CT高11.2%、10.2%、12.9%、14.4%、14.9%。全氮含量在0～10 cm土层中各粒级团聚体NTS分别比CT高13.9%、14.1%、21.5%、21.0%、18.3%；10～20 cm土层中分别高21.4%、15.2%、18.5%、18.0%、18.1%。20～30 cm土层中分别高19.8%、16.9%、17.6%、27.4%、25.5%。

注：不同字母表示不同处理在P<0.05水平下差异显著。Note: Different letters indicate significant differences among the treatments at P<0.05 probability level.图2 不同秸秆还田方式下不同深度农田土壤有机碳(A)和全氮(B)含量Fig.2 Effects of various straw retention patterns on contentsof organic carbon (A) and total nitrogen (B)in different soil depths

表2不同秸秆还田方式下农田不同深度土壤团聚体有机碳和全氮分布

Table2Effectsofdifferentstrawretentionpatternsondistributionsoforganiccarbonand
totalnitrogeninsoilaggregatesindifferentsoildepths

土层/cmSoil layer处理Treatment有机碳 Organic carbon/(g·kg-1)≥2mm1～2 mm0.5～1 mm0.25～0.5 mm<0.25 mm全氮 Total nitrogen/(g·kg-1)≥2mm1～2mm0.5～1mm0.25～0.5mm<0.25mm0～10NTSS10.55ab10.86ab11.21a11.47ab11.75ab0.97a1.02a1.12ab1.15ab1.21aNTS11.16a11.34a11.84a11.96a12.22a0.99a1.03a1.15a1.20a1.25aTIS10.26bc10.39bc10.85ab11.14ab11.47ab0.95a1.00a1.06b1.12b1.18aCT9.75c10.07c10.31b10.67b10.84b0.87b0.90b0.95c0.99c1.06b10～20NTSS10.26ab10.52ab11.02ab11.23ab11.46a0.94a1.00a1.04ab1.10a1.14abNTS10.69a10.85a11.44a11.74a11.78a0.96a1.00a1.09a1.14a1.18aTIS10.03b10.18b10.54bc10.84bc11.20ab0.87b0.94a0.99b1.00b1.05bcCT9.84b9.99b10.12c10.26c10.52b0.79c0.87b0.92c0.97b1.00c20～30NTSS9.59ab9.86ab10.16ab10.53a10.94ab0.83ab0.89a0.96a1.00b1.14aNTS10.03a10.32a10.64a11.04a11.42a0.86a0.92a0.97a1.10a1.15aTIS9.00b9.69ab10.01ab10.43a10.66bc0.79b0.87a0.92a0.96b1.02bCT9.02b9.36b9.43b9.65b9.94c0.72c0.78b0.83b0.87c0.92c

2.3 不同秸秆还田方式下土壤团聚体有机碳、全氮贡献率

2.3.1 有机碳 免耕秸秆还田可提高各土层各级别优势团聚体(≥0.25 mm)的有机碳贡献率，但降低微团聚体(<0.25 mm)的有机碳贡献率(图3)。各土层均表现为(<0.25 mm)>(0.25～0.5 mm)>(0.5～1 mm)>(1～2 mm)>(≥2 mm)。0～10 cm土层，秸秆免耕还田NTSS、NTS处理优势团聚体有机碳的贡献率与传统不留茬翻耕CT相比分别高5.7%、14.0%，TIS比CT高7.5%，NTS比TIS高6.1%。10～20 cm土层，NTSS、NTS比CT分别高24.6%、26.4%，TIS比CT高7.5%，NTSS、NTS比TIS分别高15.1%、16.8%。20～30 cm 土层中，NTSS、NTS比CT分别高9.7%、17.8%，NTSS、NTS比TIS分别高15.5%、24.2%。即0～30 cm土层均表现出NTS提高土壤优势团聚体有机碳含量的作用最大。

2.3.2 全氮 同样，免耕秸秆还田可提高各土层各级别优势团聚体(≥0.25 mm)的全氮贡献率，但降低微团聚体(<0.25 mm)的全氮贡献率(图4)。0～10 cm土层，NTSS、NTS处理优势团聚体全氮的贡献率与CT相比分别高7.8%、16.5%，TIS比CT高8.5%，NTS比TIS高7.3%。与0～10 cm相似，10～20 cm土层，NTSS、NTS比CT分别高28.6%、29.1%，TIS比CT高13.4%，NTSS、NTS比TIS分别高13.4%、13.8%。20～30 cm 土层中，NTSS、NTS比CT分别高6.2%、17.2%，NTSS、NTS比TIS分别高10.8%、22.3%。即0～30 cm土层均有NTS提高土壤优势团聚体全氮含量的作用最大。

3 讨 论

分析不同级别土壤团聚体组成及其稳定性可反映土壤结构的变化[20]。长期定位试验研究证实，免耕秸秆覆盖有利于土壤团聚体的形成及增加土壤水稳性团聚体含量[5,21]，主要因为：一方面秸秆覆盖配合免耕措施相对于传统无秸秆还田深翻耕减少了机械作业对土壤结构的破坏[22]；另一方面秸秆覆盖明显改善了耕层土壤水分环境和肥力(有机质)状况，促进了团聚体的形成[23]，与传统无秸秆还田深耕相比，明显提高土壤团聚体稳定性[24]，这一研究结果与本研究一致。这对促进绿洲灌区灌溉和降水的入渗有重要意义，进一步说明免耕结合秸秆覆盖可改善耕层土壤结构，利于缓解耕层土壤质量退化。另外，本研究发现直径≥0.25 mm的团聚体随土层的增加而增加，<0.25 mm微团聚体随土层增加而较少，这与黄土高原干旱沟壑区研究结果一致[14]。另有研究表明，免耕可提高水稳性团聚体平均重量直径，且平均重量直径随土层增加而增加，以免耕结合秸秆覆盖提升水稳性团聚体平均重量直径的效果最好[5]。本研究得出相似结果，与传统无秸秆还田深翻耕CT处理，3种秸秆还田处理均可不同程度地增加直径≥0.25 mm团聚体平均重量直径，其中NTS处理(25～30 cm高茬收割等量秸秆覆盖免耕)效果最好，这是因为，第一，传统深翻耕加剧了对耕层土壤结构的扰动，导致土壤团聚体结构重新分布，降低了土壤自身调节作用和恢复过程，从而破坏了土壤团粒结构的稳定性和连续性[25]；第二，小麦收获后，传统不留茬耕作处理土壤翻耕裸露，加之传统深耕结合耙耱的精细耕作措施，导致土壤过度疏松，以致于降雨促进了土壤"结皮"的形成，削弱了土壤与外部环境的水、气交换能力，严重影响了团粒结构的再形成[25-26]；第三，秸秆还田不仅可以缓解暴雨对耕层土体的冲击力，还可增加土壤有机质，从而促进土壤≥0.25 mm团聚体的形成而增加其含量[23,25]。

图3 不同秸秆还田方式下玉米农田不同深度土壤团聚体有机碳贡献率Fig.3 Effects of different straw retention patterns on contributing rates of soil organic carbon in soil aggregates under maize field

图4 不同秸秆还田方式下玉米农田不同深度土壤团聚体全氮贡献率Fig.4 Effects of different straw retention patterns on contributing rates of total nitrogen in soil aggregates under maize field

免耕秸秆还田有利于提高土壤有机碳和全氮含量，并且在各土层中有机碳和全氮含量均显著高于传统翻耕处理，且以免耕秸秆覆盖还田处理(NTS)提高土壤有机碳和全氮含量的优势最明显，其有机碳和全氮含量随土层加深而减小，主要是源于作物秸秆等外源有机物大多集中于表层土壤所引起[25,27-28]。本研究得出相似的结果，与传统不留茬处理相比，3种秸秆还田处理NTSS、NTS、TIS处理均可不同程度提高各级别团聚体中有机碳和全氮含量，以NTS 处理的含量最高；各级别团聚体有机碳和全氮含量均随土层加深而减小，与土壤中有机碳和全氮含量变化规律一致。同时，团聚体中有机碳和全氮含量随直径减小而增加，这是因为直径越小，粘结力越大，越利于复粒的形成，导致土壤团聚体中养分含量随直径减小而增加[19,25]，而微团聚体(<0.25 mm)有机碳含量高于优势团聚体(>0.25 mm)，可能因为微团聚体中有机碳以稳定的惰性腐殖质碳为主，因其不断积累而使总有机碳含量较高[29-30]。大团聚体中有机碳主要以易分解、矿化的活性有机碳形式存在[29-30]，因而含量较低。特别是传统深翻耕加剧了耕作和降雨对耕层的扰动，促进了团聚体(尤其是大团聚体)的破坏，导致固持于大团聚体中的有机质暴露，加速了微生物对土壤有机碳、全氮的消耗，从而导致大团聚体中有机碳和全氮含量较低[25,29]。

土壤团聚体组成、稳定性与土壤养分关系密切，有机碳可促进团聚体的形成[29,31]，全氮对土壤团聚体的水稳性有很大促进作用[32]，土壤团聚体含量是引起团聚体养分贡献率变化的主要因素[19,25]。本研究发现，3个土层中，>0.25 mm团聚体养分贡献率随着土层增加而降低，<0.25 mm微团聚体则相反。综上所述，土壤团聚体对耕作措施的反应非常敏感，将秸秆还田与耕作措施配套应用于作物生产，土壤有机质将不断积累，因此，今后研究进一步监测不同年份土壤团聚体及有机碳、全氮分布，将会更加系统地探讨土壤团聚体中有机碳及全氮变化，为农业生产的可持续评价提供理论指导。

4 结 论

与传统无秸秆还田翻耕处理相比，免耕秸秆还田(NTSS, NTS)提高了耕层0～30 cm土层≥0.25 mm 团聚体含量与水稳性，以25～30 cm高茬收割秸秆覆盖免耕处理(NTS)提高效果最明显。NTSS、NTS处理土壤有机碳和全氮含量均高于 CT 处理，在0～10、10～20、20～30 cm土层，有机碳含量分别提高8.1%与13.3%、7.4%与11.4%、7.8%与12.8%；全氮含量分别提高14.6%与17.9%、14.5%与17.9%、16.2%与20.5%，同样，以NTS提高土壤有机碳及全氮比例较大。各直径团聚体中有机碳和全氮含量均随土层深度增加而减小，团聚体中有机碳和全氮含量随直径减小而增加，NTS处理在各土层各直径下均保持较高的土壤有机碳及全氮含量。因此，前茬小麦25～30 cm秸秆覆盖免耕还田是绿洲灌区增强土壤团聚体形成、提高土壤肥力的适宜栽培措施。