草甸黑土团聚体稳定性对耕作与炭基肥施用的响应

张 迪，姜佰文，梁世鹏，吕思琪，许欣桐

草甸黑土团聚体稳定性对耕作与炭基肥施用的响应

张 迪，姜佰文※，梁世鹏，吕思琪，许欣桐

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

为了阐明东北草甸黑土典型区域短期耕作深度及炭基肥料施入对土壤团聚体稳定性影响，2016－2018年连续3 a翻耕秸秆全量还田玉米地上，设置深耕（DCF）与旋耕(SCF)，配施有机肥(M)和生物炭(C)，共6个处理：DCF、DCF+M、DCF+B、SCF、SCF+M、SCF+B。利用干湿筛法获得土壤团聚体6个粒级组，分析了平均重量直径（mean weight diameter，MWD）、水稳性团聚体比例（water-stable aggregate，WSA）、团聚体破坏度（percentage of aggregate destruction，PAD）、水稳性团聚体几何直径（geometric mean diameter，GMD）以及土壤团聚体有机碳组成和游离结晶态铁铝氧化物（FeDCB和AlDCB）、无定性态铁铝氧化物（Feoxa和Aloxa）。结果表明，耕作方式和施肥显著影响土壤团聚体组成，影响程度表现为旋耕＞深耕，增施有机肥＞常规施肥＞增施生物炭。不同形态铁铝氧化物质量分数在0.10～2.45 g/kg之间，游离结晶态铁铝氧化物含量显著高于无定形态铁铝氧化物含量。除FeDCB外，DCF处理铁铝氧化物含量均高于DCF+B处理，SCF处理Aloxa含量显著高于SCF+M、SCF+B处理19.35%和12.12%；Feoxa和Aloxa与>0.25 mm团聚体、WSA相关性大于其他影响因素，Feoxa对变异解释贡献率为61.3%。土壤有机碳含量与<0.25 mm团聚体负相关，而与>0.25 mm团聚体成正相关，其贡献率为33.0%。AlDCB、Aloxa及>0.25 mm团聚体的形成呈正相关关系，二者总贡献率为9.3%；铁铝氧化物及有机碳改变共同解释74.9%土壤团聚体稳定性和粒级分布，铁铝氧化物单独贡献率为7.9%，有机碳组分单独贡献率为9.2%；综上所述，短期耕作与炭基肥料施入对土壤结构稳定性影响显著，SCF+M是比较理想的耕作模式，在草甸黑土改良中具有一定应用价值。

肥料；土壤；有机质；耕作；土壤团聚体；稳定性；铁铝氧化物

0 引 言

草甸黑土表土疏松、底土黏重以及近年来人为集约化不合理耕作导致种植结构单一导致土壤微生物多样性下降、水土流失加剧、土壤有机质下降、黑土耕层变薄、土壤养分库容偏低、土壤酸化现象日趋严重。因此改良东北草甸黑土结构提升其可持续利用性是我们当前急需解决的问题。土壤团聚体形成与动态变化及团聚体稳定性等是土壤结构研究的主要内容[1]。作为土壤结构的基本单元，土壤团聚体稳定性与土壤理化性质以及生物学性质息息相关，团聚体含量与其粒级分布不仅能够影响作物生长发育和最终产量，而且还对土壤结构改良和农业可持续利用等方面有着重要影响[2-3]。耕作与施肥是改善土壤结构的2个重要方式。近年来，也有许多关于耕作与施肥方式对土壤团聚体以及土壤结构影响的研究。田慎重等[4]基于9 a旋耕-深松定位试验研究表明长期耕作转变为旋耕-深松秸秆还田显著提高土壤表层大团聚体比例，显著提高土壤团聚体稳定性。Abid等[5]探究了免耕、传统耕作对土壤紧实度和土壤团聚体稳定性的影响，结果表明，深耕减小了土壤的紧实度，增加了土壤微团聚体形成，促进了土壤碳氮的累积。Yilmaz等[6]研究认为，施用有机肥显著增加了土壤的团聚化作用，可在一定程度上抵消耕作对团聚体的破坏作用，减缓团聚体的周转。因此，减少耕作及施用有机肥等可以提高农田土壤团聚体的稳定性已被一些试验证实[7-9]；此外，相关研究也表明，增施生物炭可增加黑土和黄壤有机碳含量及土壤大团聚体比例及平均重量直径[10-12]。Sun等[13]研究表明增施生物碳可增加黏土土壤团聚体稳定性并增加土壤孔隙度。李丛蕾等[14]研究表明，施用生物质炭与过氧化钙能有效改善旱地红壤团聚体稳定性及提高有机碳含量，且配施效果优于单施。目前国内外对土壤团聚体研究主要针对单一施肥水平、施肥措施、不同耕作模式和不同耕作年限土壤，分析其各粒级组分含量以及土壤有机质组分对土壤团聚体转化以及稳定性的影响[15-19]，然而针对不同耕作方式以及炭基肥料施入的交互作用对东北草甸黑土区土壤团聚体稳定机制影响相关研究仍较少。针对这一问题，本文探讨了东北草甸黑土典型区域耕作深度及炭基肥料交互作用对土壤团聚体稳定性的影响。确定科学合理耕作及施肥方式，以期为东北黑土区草甸黑土保护持续利用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地点与材料

试验始于2016年10月，地点为黑龙江省绥化市北林区太平川镇团结村，地理坐标126°47¢E，46°35¢N，海拔158 m。中温带大陆性季风气候，年平均气温1.3～4.0 ℃，年平均降雨量483 mm，60%降水集中在7－8月，平均活动积温2 400～2 700 ℃，无霜期40～120 d，供试玉米品种为鑫鑫1号，供试土壤类型为草甸黑土。供试肥料：尿素（N：46%），磷酸二铵（N：18%，P2O5：46%），氯化钾（K2O：60%），牛粪腐熟有机肥（风干基，N 1.56%，P 0.38%，K 0.90%），生物炭以玉米秸秆作为原料，使用生物炭炉经400～600 ℃炭化（粒度：2.0～4.8 mm，质量分数67.03 g/kg，pH值 9.83），施肥量如表1所示。土壤测定基本理化性质：碱解氮167.67 mg/kg，速效磷35.19 mg/kg，速效钾145.67 mg/kg，有机质32.10 g/kg，pH值5.90。

1.2 试验设计与样品采集

试验设计：裂区试验，主处理：深耕（DCF）与旋耕（SCF），副处理：有机肥（M）和生物炭（C）。秸秆全量还田，2个因素相互组合共设6个处理（如表1所示）：深耕化肥（DCF）、深耕化肥增施有机肥（DCF+M）、深耕化肥增施生物炭（DCF+B）、旋耕化肥（SCF）、旋耕化肥增施有机肥（SCF+M）、旋耕化肥增施生物炭（SCF+B）。试验始于2016年10月，收获后整地施生物炭和有机肥。次年机械起垄播种施肥。具体耕作与施入作业如下所述：

旋耕处理：10月5日机械收割机收获玉米同时将玉米秸秆粉碎，10月20日利用小型抛肥机进行有机肥和生物炭的抛洒。由于生物炭质轻，易飞散，特取一定量土壤表层土（0～20 cm）与生物炭体积比1:1进行混合后利用抛肥机进行抛洒。10月22日利用意大利马斯琪奥灭茬整地机进行旋耕整地（耕作深度10～15 cm），次年机械春耕起垄小型播种施肥机一次性播种施肥，6～8叶期小追肥机1次追肥，10月玉米机械收获。其他水分及田间管理同当地常规管理。

深耕处理：秋季整地利用德国雷肯五铧翻转犁进行深耕（耕作深度25～30 cm），其他施肥及整地时间及方式与旋耕处理相同。其他水分及田间管理同当地常规管理。

每个处理从0到20 cm的耕层表面随机取样。将所有样品运到实验室，阴干过程中，将它们沿着天然裂纹手工破碎成小块，避免受到机械压力而破碎。去除根茬和小石子后备用。

表1 试验施肥方案以及耕作方式

1.3 土壤团聚体分析方法

非水稳性团聚体采用干筛法获得，将风干原状土分多次置于孔径依次为5、2、1、0.5、0.25 mm的套筛顶部，加盖、摇动套筛，收集各孔径筛子上的团聚体，称质量备用并计算各粒级非水稳定性团聚体含量。

水稳性团聚体采用湿筛法获得，湿筛是根据干筛法求得的各级团聚体百分含量，把风干样品按各粒级比例配比混合成50 g土样，置于依次叠好孔径为5、2、1、0.5、0.25、0.106 mm的套筛上。将筛组置于团粒分析仪的震荡架上，沿桶壁缓慢加入去离子水至水没过土样，浸泡、湿润5 min，以3 cm振幅、25～30次/min的频率竖直震荡10 min，（震荡过程中筛组上缘部分不得超出水面），将套筛从水中缓慢取出，静置，稍干，将各级筛层团聚体用去离子水分别洗入100 mL（或200 mL）烧杯中，60 ℃烘干48 h至恒质量，称取各个粒径的质量（精确至0.01 g），从而获得＞5、2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5、0.106～0.25 mm 6个级别的土壤团聚体。

土壤团聚体相关指标计算如下：

平均重量直径（MWD）

水稳性团聚体（WSA）百分比