长期秸秆还田对典型砂姜黑土胀缩特性的影响机制

王擎运，陈 景，杨远照，柴如山，叶新新，郜红建，马东豪，张佳宝，周云鹏

长期秸秆还田对典型砂姜黑土胀缩特性的影响机制

王擎运1,2，陈 景1，杨远照1，柴如山1，叶新新1，郜红建1※，马东豪2，张佳宝2，周云鹏1

（1. 安徽农业大学资源与环境学院农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室，合肥 230036；2. 中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京 210008）

易于胀缩是砂姜黑土最典型的属性障碍因子之一。该文依托长期定位试验（2007―2017年）研究了秸秆还田对砂姜黑土收缩的影响机制。田间试验设置5个处理：不施肥（CK）、常规氮磷钾（F），及氮磷钾配施下的玉米秸秆还田（MSF）、小麦秸秆还田（WSF）和小麦-玉米双季秸秆还田(WMSF)。结果显示土壤容重（soil bulk density，SBD）呈现WMSF

土壤；秸秆；还田；砂姜黑土；土壤收缩特性

0 引 言

湿胀、干缩是土壤最基本的属性特征之一。土壤胀缩严重的农田极易发生旱、涝灾害，造成养分大量流失，且对作物生理产生较为明显的伤害，是限制区域农田基础地力提升的重要属性障碍因子之一[1-6]。

土壤胀缩性能与黏土矿物类型、含量，阳离子交换量（cation exchange capacity，CEC）等因素均有很大关系[1,3,7]。蒙脱石与伊利石、高岭石等相比更易于造成土壤的胀缩[3]。在土壤黏土矿物种类相似的情况下，土壤胀缩性与黏粒含量和CEC呈正向相关[1-2,8]。土壤胀缩性同样与有机质有很大关系，但相互间的影响机制较为复杂。有研究认为土壤收缩强度与有机质含量呈正相关，但也有研究认为在土壤有机质含量较高的情况下土壤保水能力较强，土体结构稳定，不易发生收缩行为[9-11]。

中国砂姜黑土面积约400万hm2，主要分布于安徽、河南、山东、湖北等地[6,12]。由于该类型土壤黏粒含量较高（>35%），且以2:1型的蒙脱石为主，具有典型湿胀、干缩特征，严重制约了农田质量提升与作物产量的稳定，是该区域面积最大的中低产田土壤[1,4,6]。针对砂姜黑土属性障碍因子的消减除需加强水分管理外，亦可通过田间施用粉煤灰、生物碳等改性材料，但这和以秸秆还田的方式增施有机肥相比经济成本较高，且难以大面积推广[4,6]。有研究认为长期秸秆还田可有效提高土壤有机质含量，改善土壤团粒结构，提升土壤水养库容，但对土壤胀缩属性特征影响的研究却相对较少，相关机制并不明确[13-15]。

基于以上认识，本研究依托皖北典型砂姜黑土区长期（2007―2017年）定位试验，研究不同秸秆还田模式下土壤收缩规律及其与水分特征变化、有机质累积等之间的协同关系，用于探明长期秸秆还田对典型砂姜黑土易于胀缩的属性障碍因子消减机理。研究结果可为该类型土壤改良和地力的提升提供理论依据与技术支持。

1 材料与方法

1.1 田间试验设计

田间试验设置于农业部华东地区作物栽培科学观测实验站（116°56′ E，33°16′ N；安徽蒙城）。年平均气温15 ℃，年均降雨量850 mm，分布不均且主要集中于夏季。土壤类型为典型砂姜黑土。采用小麦、玉米一年两熟，轮作制。

田间试验正式开始于2007年。初始土壤pH值为6.01，有机质（SOM）为17.74 g/kg，全氮为0.69 g/kg，碱解氮及速效磷、钾质量分数分别为46.11、22.00、115.70 mg/kg。田间设置5种试验处理：不施肥（CK）、常规氮磷钾（F）、小麦秸秆还田+常规氮磷钾（WSF）、玉米秸秆还田+常规氮磷钾（MSF）、小麦和玉米秸秆双季还田+常规氮磷钾(WMSF)。单个小区面积为5.4×8.5 m2，设置3个重复。作物收获后，采用秸秆还田机直接粉碎还田。磷、钾以基肥为主，播种前一次性施入。氮肥施用分基肥和追肥。小麦、玉米季基/追比分别为55%：45%和50%：50%。肥料施用量（表1）同于当地大田常规水平。

注：CK为对照；F为常规氮磷钾；MSF为玉米秸秆还田+常规氮磷钾；WSF为小麦秸秆还田+常规氮磷钾；WMSF为小麦和玉米秸秆还田+常规氮磷钾，下同。

Note: CK is the control; F is the conventional NPK; MSF is the maize straw returning to field plus conventional NPK; WSF is the wheat straw returning to field plus conventional NPK; WMSF is the wheat and maize straw returning to field plus conventional NPK, the same as below.

2017年5月小麦收获前，分别采用常规法和环刀法采集耕层（0～20 cm）土壤样品，带回实验室备用。常规方法采集土壤样品室温风干后，过2 mm筛，用于土壤基本理化性质的测定（表2）。环刀法采集耕层土壤样品主要用于土壤容重、田间持水量和土壤收缩特征测定。

1.2 测定方法

土壤基本理化性质测定[16]：pH值采用电位计法测定，水土比2.5:1；速效氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用碳酸氢钠溶液浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾采用乙酸铵浸提，火焰光度法测定；全氮采用半微量凯氏法测定；全磷采用酸溶-钼锑抗比色法测定；全钾采用NaOH 熔融，火焰光度法测定；阳离子交换量采用乙酸铵（1 mol/L）交换法测定；有机质采用丘林法测定。土壤容重及田间持水量采用环刀法（威尔克斯法）测定。

土体收缩特征测定[7,10,17]：环刀样品置于沙盘中饱和吸水8 h，将突出环刀部分削平，确保环刀内土壤体积一致。土体充分吸水饱和后置于105 ℃烘箱内，间隔15～60 min取出置于干燥器内冷却后称质量，并采用精确至0.01 mm的数显游标卡尺测土体高度和直径。上述测定数据用于线性伸展系数（coefficient of linear extensibility，COLE），土体收缩率计算，收缩特征曲线绘制和三直线方程的拟合。

土壤线性伸展系数计算公式为

式中COLE为线性伸展系数；0、105分别为土体饱和含水及烘干至恒质量状态下高度/直径。

土壤收缩率计算公式为

行业管理是旅游市场保障体系的一项重要内容。旅游局、旅游行业协会等管理部门应建立健全目标责任制，完善旅游行业领导机制，强化旅游综合协调管理和服务，认真履行行业指导、组织协调、市场监管、政策服务等职责，强化对旅游行业的监督，促进旅游市场良性发展。

式中Shrinkage为土壤收缩率，%；0、105分别为土体饱和含水及烘干至恒质量状态下体积，cm3。

比容积差值计算公式为