耕作与秸秆还田方式对碳氮在土壤团聚体中分布的影响*

张玉铭, 胡春胜**, 陈素英, 王玉英, 李晓欣,董文旭, 刘秀萍, 裴 林, 张 惠

(1.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/河北省土壤生态学重点实验室/中国科学院农业水资源重点实验室石家庄 050022; 2.河北省中医药科学院 石家庄 050051; 3.石家庄市栾城区农业技术推广中心 石家庄 051430)

土壤团聚体是土壤结构的基本单元, 是土壤有机碳氮赋存与固持的载体, 其形成及稳定性与土壤有机碳氮密切相关, 对土壤肥力的培育与发挥具有至关重要的作用, 是评价土壤质量的重要指标之一[1-2]。作为土壤养分的储存库和各种土壤微生物的生境,土壤团聚体的数量和大小的分布及其稳定性影响着土壤质量, 良好的土壤结构和稳定的团聚体利于提高土壤孔隙度、改良土壤肥力和降低土壤可蚀性。土壤碳氮是土壤质量和功能的核心, 是土壤肥力的重要物质基础[3-4]。土壤团聚体的形成和有机碳氮含量的提高是两个互相促进的过程: 一方面, 土壤有机碳氮作为土壤团聚体形成的胶结物质, 对土壤团聚体稳定性具有显著影响[5]; 另一方面, 稳定的团聚体能够对赋存于其中的有机碳氮形成有效的保护, 土壤团聚体的物理保护或物理化学保护导致有机碳氮与生物的空间隔绝, 使之避免受到土壤微生物的降解, 是土壤有机碳氮固持的重要机制。

通常大团聚体(>0.25 mm)能够储存更多的有机碳, 但是容易被破坏, 形成微团聚体(<0.25 mm), 微团聚体对有机碳具有较强的物理保护作用, 被认为是碳吸存的主要场所。研究表明, 团聚体中有机碳和全氮含量随粒径减小而增加, 由于粒径越小, 比表面积越大, 表面吸附能力越高, 致使团聚体中碳氮含量随粒径减小而增加。≤0.25 mm团聚体中有机碳主要以稳定的腐殖质碳占优势, 由于其不断积累而总有机碳含量升高; 大团聚体中有机碳则主要以易分解矿化的活性有机碳占优势, 由于活性有机碳分解、矿化而总有机碳含量不断降低, 从而致使<0.25 mm团聚体有机碳含量最高。大团聚体中的有机碳更年轻、更容易矿化; 微团聚体中有机碳大多以高度腐殖化的惰性组分存在。土壤团聚体稳定与更新周转受到耕作与秸秆还田方式的驱动[6-7]。不同的耕作方式及秸秆还田方式可显著影响土壤团聚体数量、稳定性等团聚体特征, 从而对土壤团聚状况及有机碳氮固持产生显著影响。土壤耕作会降低水稳定性大团聚体的含量和有机碳库储量[8], 大量研究表明,≥0.25 mm团聚体对耕作措施敏感, 翻耕破坏土壤大团聚体, 致使团聚体中有机碳暴露, 不仅增加了有机质的输出, 还加剧了土壤温室气体排放。而秸秆还田能增加土壤团聚化过程, 可在一定程度上减少耕作活动对团聚体的破坏作用, 提高土壤大团聚体含量[9], 有效改善土壤团粒结构, 保持团聚体稳定性, 加速土壤中大团聚体上有机碳氮的累积。因此, 提升大团聚体中有机碳和氮含量不仅可以提升土壤肥力水平, 亦可以提升土壤固碳氮能力, 进而减少土壤二氧化碳、氧化亚氮和甲烷的输出, 减少农业生产对环境带来的负面影响。

华北平原是我国重要的粮食主产区之一, 耕地面积占全国耕地总面积的1/4, 主要种植模式是小麦(Triticum aestivum)-玉米(Zea mays)轮作, 全国76%的小麦和29%的玉米产自该区域。由于长期实行秸秆全量还田与土壤浅旋耕耕作, 土壤耕层变浅、犁底层加厚、养分表聚等一系列土壤质量问题凸显[10-11], 已成为制约本区域粮食持续高产、稳产的现实问题[12]。近年来, 农业生产中广泛采用深耕/松等耕作方式来打破犁底层, 加大秸秆还田深度, 改善土壤结构、恢复耕层深度[13-15], 对耕作层进行重构, 降低土壤亚表层容重, 提高亚表层土壤碳氮含量, 促进作物的高产稳产。虽然目前深耕/松及秸秆还田措施下对土壤物理性质、有机碳氮含量及作物生产力等方面影响的研究多见报道[16-17], 但现有研究较少涉及改变耕作与秸秆还田方式后土壤团聚体特征及其关联碳氮库的对比研究。因此, 本研究基于中国科学院栾城农业生态系统试验站转变耕作与秸秆还田方式定位试验, 通过对比长期秸秆旋耕还田及旋耕转变为秸秆深耕还田与深埋还田的土壤团聚体分布、稳定性及其碳氮库变化, 探讨转变耕作方式和秸秆还田方式对土壤团聚体碳氮库的影响, 对进一步了解耕作方式变化后的土壤团聚体特征及土壤碳氮库周转具有重要意义, 为改革耕作制度、优化秸秆还田方式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于中国科学院栾城农业生态系统试验站(114°40′E, 37°50′N, 平均海拔50.1 m)。该站位于华北太行山前平原中部, 属中国东部暖温带半湿润季风气候, 年平均气温12.2 ℃, 降雨主要集中在7、8、9月, 雨热同期, 无霜期200 d左右。供试土壤类型为潮褐土。种植制度为冬小麦-夏玉米轮作制。

1.2 试验设计

试验始于2016年10月小麦播种, 本试验设置5个处理, 每个处理3次重复。(1)小麦、玉米两季秸秆全部移出, 土壤旋耕(对照1, RT)。以下各处理秸秆全部还田, 小麦-玉米轮作期间, 小麦秸秆全部覆盖还田, 玉米秸秆粉碎后根据试验处理采取不同的还田方式, 具体为: (2)旋耕还田(对照2, SR), 玉米秸秆粉碎后利用旋耕犁旋耕2遍, 将秸秆还田至0～15 cm土层。(3)深耕还田(SP), 玉米秸秆粉碎后利用深耕犁将秸秆翻耕至0～20 cm土层。(4)秸秆集中深混埋至0～40 cm土层(SID, 简称“秸秆深混埋”), 以120 cm为一幅宽, 划分为40 cm−40 cm−40 cm 3部分, 将120 cm幅宽内的玉米秸秆全部集中到第1个40 cm幅宽处深埋在0～40 cm土层, 即该处理的秸秆还田量相当于常规还田量的3倍; 秸秆还田的40 cm幅宽处不播种小麦, 无秸秆的其他两个40 cm幅宽处旋耕后播种小麦, 播量相当于120 cm幅宽的播量, 即在80 cm播幅上进行小麦密播, 避免了秸秆旋耕还田造成的小麦播种质量差的问题; 第2年和第3年秸秆还田位置依次移至第2个和第3个40 cm条带, 3年为一轮回。该还田方式实现了秸秆增量错位集中深还, 避免了年年进行土壤的深翻耕, 配套种植方式, 可提高小麦播种质量和出苗率。(5)秸秆集中深埋至30～40 cm土层(SBD, 简称“秸秆深埋”), 本处理秸秆还田模式与作物种植方式基本与处理3相似, 只是秸秆还田深度有所不同, 本处理将秸秆集中深埋至30～40 cm土层; 2个秸秆深还处理的供试土壤均采自秸秆还田条带。各处理肥料施用量相同, 为: 每年施用400 kg(N)∙hm−2、120 kg(P2O5)∙hm−2、75 kg(K2O)∙hm−2.。磷钾肥全部用于小麦底肥。氮肥小麦、玉米季各占1/2。

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 样品采集

2018年9月玉米收获后, 在每个试验小区按照S型5点取样法在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm各土层采集原状土样约2 kg, 自然风干后去除粗根和小石块, 将大土块按自然纹理剥离为1 cm3左右的小土块作为待测样品。

1.3.2 机械稳定性团聚体测定

采用干筛法[18]测定。称取上述待测土样200 g,放入孔径2 mm的土筛中, 套筛由上到下孔径依次为2 mm、1 mm、0.25 mm和0.053 mm, 底层安放底盒,以收取粒径<0.053 mm的土壤, 套筛顶部有筛盖。装好土壤后, 用振荡式筛分仪在最大功率下振荡10 min,从上部依次取筛, 将各级网筛的土样分别收集称重,得到粒径>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm、0.053～0.25 mm和<0.053 mm的机械稳定性团聚体质量。

1.3.3 水稳性团聚体测定

采用湿筛法[19]测定。按照干筛后的土壤团聚体分布比例, 称取50 g相当于烘干土的风干土样, 平铺于套筛最大孔径的土筛上, 套筛孔径同干筛法。调整桶内水面高度, 使筛子移动到最高位置时最上一层筛子中的土样淹没在水面之下。先在水面下浸泡5 min, 然后以上下3 cm的振幅、25次∙min−1的振荡频率振荡2 min, 将每个筛子上的水稳性团聚体分别冲洗入已称重的三角瓶内(<0.053 mm的团聚体静置48 h后再收集), 65 ℃烘干、称重; 之后再向每个瓶中加入10 mol∙L−1的六偏磷酸钠10 mL振荡45 min,分散后分别过相应孔径的筛子, 收集各级筛子上的残留物, 65 ℃烘干, 再次称重。通过换算即得到孔径>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm、0.053～0.25 mm和<0.053 mm的水稳性团聚体质量。

1.3.4 土壤全氮和有机碳测定

采用元素分析仪(vario MACRO cube; Elementar,Germany)测定土壤全土和不同粒级团聚体的全氮含量; 采用重铬酸钾氧化法测定全土和不同粒级团聚体的有机碳含量。

1.4 相关指标计算与数据统计分析方法

1.4.1 相关指标计算

利用干筛法和湿筛法所得到的各粒级团聚数据,计算各粒级团聚体含量、粒径>0.25 mm团聚体含量、团聚体平均重量直径、团聚体破坏率、团聚体稳定率和团聚体养分贡献率, 计算公式如下[3,7-9]:

式中: WSAi为i粒级机械稳定性或水稳性团聚体质量百分含量(%),Wi为各粒级机械稳定性或水稳性团聚体重量(g),WT为供试土壤总重量(g),R0.25为粒径>0.25 mm团 聚 体含量(%),Mr>0.25、Mwr>0.25和MDr>0.25分别为粒径>0.25 mm团聚体、水稳性和机械稳定性团聚体重量(g),MT为 团聚体的总重量(g), M WD为团聚体重量直径(mm),n为粒径分组的组数,Xi为某一级别粒径组分的平均直径(mm), P AD为团聚体破坏率(%), DR0.25和 WR0.25分别为粒径>0.25 mm机械稳定性和水稳性团聚体质量百分含量(%), WSAR为团聚体稳定率(%), C Ri为i粒级团聚体养分在土壤中的贡献率(%),Ci为i粒级团聚体中养分含量(g∙kg−1),CT为土壤养分含量(g∙kg−1)。

1.4.2 数据统计分析

采用Microsoft Excel 2013软件处理数据及绘图,采用SPSS17.0进行不同处理间差异显著性分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 耕作与秸秆还田方式对土壤机械稳定性团聚体分布特征的影响

图1给出了不同秸秆还田方式下土壤机械稳定性团聚体组成。结果表明, 各处理不同粒级团聚体分布趋势一致, 均以>0.25 mm粒级的团聚体为主, 占总土重的76.6%～88.3%。其中, >2 mm的大团聚体占总土重的35.7%～53.7%, 0.25 mm～2 mm的小团聚体30.2%～44.8%; 粒径小于0.25 mm的微团聚体与粉粒和黏粒在土壤中所占比例很小, 仅为12.7%～23.6%。土壤结构主要取决于>0.25 mm的团聚体含量, 其含量越多, 说明土壤团聚性越好, 团聚体越稳定。改变秸秆旋耕还田(SR处理)为深层还田可以提高>0.25 mm粒级的团聚体含量, 以秸秆深混埋(SID处理)的>0.25 mm粒径团聚体含量最高, 其次为秸秆深埋(SBD处理)和秸秆深耕还田(SP处理)。>0.25 mm粒级团聚体含量秸秆深混埋处理较传统秸秆旋耕还田(对照)增加8.4% (0～10 cm土层)、8.0% (10～20 cm土层)、5.1% (20～30 cm土层)和9.8% (30～40 cm土层), 秸秆深埋较对照增加1.3% (0～10 cm土层)、4.3% (10～20 cm土层)、1.0% (20～30 cm土层)和3.2% (30～40 cm土层), 秸秆深耕还田较对照增加2.3% (0～10 cm土层)、2.5% (10～20 cm土层)、1.0%(20～30 cm土层)和−2.7% (30～40 cm土层)。秸秆深耕还田只是将秸秆还田至0～20 cm土层, 对亚耕层土壤(20～40 cm)无扰动, 但其耕作过程中形成的犁底层较旋耕偏下, 这有可能是造成30～40 cm土层SP处理>0.25 mm粒径团聚体含量低于SR处理的原因之一。

图1 耕作与秸秆还田方式对土壤机械稳定性团聚体组成的影响Fig.1 Effects of tillage and straw returning methods on the composition of soil mechanically stable aggregates

土壤中大团聚体, 特别是>1 mm的大团聚体能合理调节土壤通气与持水、养分释放与保持之间的矛盾, 是植物良好的生长基础。秸秆深层还田的SID和SBD处理分别较传统的秸秆旋耕还田使>1.0 mm大团聚体增加2.9%～25.3%和1.2%～15.1%。由此可见, 通过改进秸秆还田方式可以有效地改善土壤结构, 提高其蓄水保墒保肥能力, 为实现作物的高产稳产奠定基础。

2.2 耕作与秸秆还田方式对水稳定性土壤团聚体分布特征的影响

图2显示了不同耕作与秸秆还田方式下0～40 cm土壤水稳性团聚体分布情况。结果表明, 不同处理间水稳性团聚体含量与干筛法测定的机械稳定性团聚体相比, >1 mm粒径的团聚体含量明显减少, 减少幅度为7.8%～44.0%, 减少幅度越大表明该粒级团聚体水稳定性越差; 比较图2和图1不难看出, 0～10 cm土层, 秸秆深层还田(SID和SBD)两处理减少幅度明显大于SR和SP处理, 而随着土层加深, SR和SP两处理的减少幅度逐渐增加, 并明显大于SID和SBD两处理。这表明, 秸秆旋耕还田和深耕还田提高了表层土壤>1 mm粒径的团聚体水稳定性, 而秸秆深层还田则提高了亚耕层土壤>1 mm粒径的团聚体水稳定性。而对于 0.25～1 mm粒级水稳定性团聚体含量, 与机械稳定性团聚体含量相比则普遍增加,增加幅度为7.2%～36.8%, 这表明在水力作用下部分粒径>1 mm机械稳定性团聚体崩塌进入0.25～1 mm粒径团聚体。不同处理间, 0.25～1 mm粒级团聚体增加的幅度不尽相同, 总体趋势是表层以秸秆深混埋和秸秆深埋增加幅度较大, 而深层土壤以秸秆旋耕还田和秸秆深耕还田增加幅度较大。不同秸秆还田方式对>2 mm粒级的大团聚体和0.25～2 mm的小团聚体的水稳性影响存在较大差异, 秸秆深层还田主要增加10 cm以下土层土壤水稳性大团聚体含量(>2 mm), 而表层主要增加了水稳性小团聚体含量(0.25～2 mm), 由此可见水稳性大团聚体和小团聚体含量的消长受到了秸秆还田方式的影响。0～20 cm土层不同处理间>0.25 mm的水稳性团聚体总含量无明显差异, 而亚耕层土壤(20～40 cm)>0.25 mm的水稳性团聚体总含量以秸秆深还处理(SID和SBD)明显高于SR和SP处理, 这表明短期内秸秆还田方式不同还不足以影响0～20 cm耕层土壤>0.25 mm粒径的团聚体的总含量, 而对于20～40 cm亚耕层土壤, 由于SID和SBD两处理中3倍于常规秸秆量的秸秆集中还至该层, 大量秸秆的引入促进了土壤团聚化进程, 提高了团聚体的水稳定性。

图2 耕作与秸秆还田方式对土壤水稳性团聚体组成的影响Fig.2 Effects of tillage and straw returning methods on soil water-stable aggregate composition

2.3 耕作与秸秆还田方式对土壤团聚体稳定性的影响

秸秆还田方式不仅对土壤团聚体分布产生影响,也会导致团聚体稳定性的不同。秸秆深层还田显著提高了耕层土壤机械稳定性团聚体的平均重量直径;而秸秆还田方式对水稳性团聚体平均重量直径的影响趋势则略有不同, 秸秆深层还田显著增加了下层土壤水稳性团聚体平均重量直径, 而表层土壤则表现为秸秆深耕还田>秸秆旋耕还田>秸秆深埋>秸秆深混埋(图3), 究其原因, 秸秆深混埋和秸秆深埋使大量秸秆进入10 cm以下土层, 下层土壤孔隙氧气含量低, 秸秆腐解过程中有机碳氧化形成二氧化碳少,有机碳损失少, 更多地形成胶结物质将微团聚体和黏粒矿物胶结起来, 提高了下层土壤大团聚体的含量及其水稳定性。而对于秸秆旋耕还田和秸秆深耕还田处理, 大部分秸秆仍保留在表层土壤中, 其腐解产物对土壤团聚体起到了胶结作用, 提高了表层土壤大团聚体含量及其水稳性。

图3 耕作与秸秆还田方式对土壤机械稳定性(A)和水稳性(B)团聚体平均重量直径的影响Fig.3 Effect of tillage and straw returning methods on the mean weight diameter of soil mechanically stable (A) and water stable (B) aggregates

将土壤团聚体平均重量直径与>0.25 mm团聚体含量进行线性拟合, 结果显示, 二者之间有极显著正相关关系, 水稳性团聚体平均重量直径与>0.25 mm粒级团聚体含量相关性高于机械稳定性团聚体, 相关系数分别为0.8453和0.7446 (图4)。说明机械稳定性团聚体和水稳性团聚体的平均重量直径主要由>0.25 mm的团聚体所组成。土壤>0.25 mm团聚体的含量越多, 团聚体的平均重量直径越大, 土壤结构也越稳定。

图4 土壤粒径>0.25 mm水稳性(a)和机械稳定性(b)团聚体含量(R0.25)与团聚体平均重量直径(MWD)间的关系Fig.4 Relationship between mean weight diameter of soil aggregates (MWD) and contents of water stable (a) and mechanically stable (b) soil aggregates with >0.25 mm size (R0.25)

团聚体的结构破坏率和团聚体稳定率是反映土壤团聚体结构稳定性的指标, 结构破坏率越小和稳定率越大, 代表土壤团聚体稳定性越高。表1表明,>1 mm的各粒级团聚体的结构破碎率均为正值, 表明这部分水稳性团聚体含量在土壤中所占的比例低于机械稳定性团聚体所占的比例, 亦即经过湿筛会使该粒级的机械稳定性团聚体部分遭到破坏而成为较小粒级团聚体, 换言之, >1 mm的土壤团聚体水稳定性较差。对于0.25～1 mm粒径团聚体而言, 其结构破坏率均为负值, 说明该粒级水稳性团聚体含量在土壤中所占的比例高于机械稳定性团聚体所占的比例, 即湿筛使>1 mm的机械稳定性团聚体崩塌成为粒径0.25～1 mm团聚体或粒级更小的团聚体。从团聚体稳定率不难看出, 0.25～1 mm粒级团聚体稳定性远高于>1 mm的团聚体。秸秆深层还田(SID和SBD处理)显著降低了亚耕层(20～40 cm)土壤>2 mm粒径团聚体的结构破碎率(P<0.05), 提高了亚耕层土壤的大团聚体稳定性。

表1 不同耕作与秸秆还田方式下土壤团聚体的破碎率和稳定率Table 1 Fragmentation rates and stability rates of soil aggregates with different sizes under different tillage and straw returning methods

2.4 耕作与秸秆还田方式对土壤全氮及团聚体氮库的影响

土壤耕作与秸秆还田方式对全氮在耕层土壤垂向分布的影响如图5所示。结果表明, 相同耕作措施下, 秸秆还田显著增加了耕层土壤全氮含量, 秸秆还田方式显著影响全氮在耕层土壤的垂向分布。与无秸秆还田旋耕(RT)处理相比, 秸秆旋耕还田显著提高了10～20 cm土壤全氮含量(P<0.05), 秸秆深耕还田处理显著提高了0～10 cm土壤全氮含量(P<0.05); 20～30 cm土层秸秆旋耕和深耕还田处理较无秸秆处理全氮略有增加, 但未达到显著性差异;30～40 cm土层3个处理间全氮含量无差异。这表明秸秆实施旋耕与深翻耕还田只对20 cm以上土层产生了影响。其中, 0～10 cm土层秸秆旋耕还田和深翻耕还田分别比无秸秆还田处理全氮增加14.8%和35.5%, 10～20 cm土层则分别增加63.7%和44.8%。而对于秸秆深混埋与深埋处理, 由于作业方式对0～40 cm土层的土壤扰动较大, 彻底打破了原有耕层土壤垂向布局, 对耕层土壤发生了重构, 在耕层重构过程中秸秆进行了深层还田, 与传统的旋耕和深翻耕相比, 秸秆深混埋和秸秆深埋处理0～20 cm土层全氮显著降低, 而20～40 cm亚耕层土壤全氮增加, 秸秆深埋处理差异达显著水平(P<0.05)。由此, 实现了0～40 cm全耕层氮素垂向的均匀分布, 消除了长期秸秆旋耕还田造成的养分表聚现象(图5)。

图5 耕作与秸秆还田方式对氮素在耕层土壤垂向分布的影响Fig.5 Effects of tillage and straw returning methods on vertical distribution of nitrogen in plough soil layer

从耕作与秸秆还田方式对各粒级土壤团聚体全氮含量来看(表2), 各处理的不同粒级团聚体全氮含量以粒径<0.053 mm的粉黏粒中最高, 其次为粒径>0.25 mm的小团聚体和大团聚体, 微团聚体(0.053～0.25 mm)中氮素含量最低。与无秸秆旋耕处理相比,秸秆旋耕还田与深耕还田显著增加了20 cm以上各粒级团聚体全氮含量(P<0.05), 20 cm以下土层各粒级团聚体全氮含量3个处理间无显著差异。将秸秆进行深混埋和深层填埋, 显著降低了0～10 cm土层各粒级团聚体中全氮含量(P<0.05), 其中, >2 mm大团聚体中降低28.2%和37.6%, 0.25～2 mm小团聚体中降低30.9%和44.8%, 0.053～0.25 mm微团聚体中降低39.0%和50.0%, 粉黏粒中降低42.6%和58.9%, 随着粒径的减小氮素减少幅度呈增加趋势; 在10～20 cm土层, 秸秆深混埋处理各粒级团聚体全氮含量呈增加趋势, 增加幅度为1.5%～10.6%, 均未达到显著水平; 而秸秆深埋处理各粒级团聚体氮素含量仍低于秸秆旋耕处理, 减少幅度为8.5%～32.7%; 在20～30 cm土层, 秸秆实行深层还田的两个处理各粒级团聚体氮素含量均有所增加(除秸秆深混埋处理<0.053 mm降低13.2%), 增加幅度为14.7%～47.0%, 但均未达到显著性差异; 在30～40 cm土层, 由于作业过程中将秸秆集中深埋致该土层, 使各粒级团聚体全氮含量增加, 增加幅度为69.78%～88.9%, 粒径>0.25 mm团聚体中全氮含量增加幅度高于<0.25 mm团聚体, 表明填埋于该层次的秸秆腐解过程中腐殖质将粉黏粒和微团聚体胶结成为小团聚体和大团聚体, 将氮素赋存于粒径>0.25 mm团聚体中。

耕作与秸秆还田方式对土壤团聚体氮素贡献率的影响如表3所示。各处理对土壤团聚体氮素贡献率主要分布在>0.25 mm的团聚体中, <0.25 mm的微团聚体和粉黏粒全氮贡献率均较小。耕作与秸秆还田方式对土壤团聚体氮素贡献率的影响主要发生在0～10 cm土层和30～40 cm土层, 秸秆旋耕与深耕还田主要增加了0～10 cm土层>2 mm团聚体对土壤氮素的贡献率, 而秸秆深层还田则相对增加了该层0.25～1 mm团聚体对土壤氮素的贡献率。而在30～40 cm土层, 秸秆深层还田则主要增加了>2 mm团聚体对土壤氮素的贡献率, 秸秆旋耕和深耕还田相对增加了0.25～1 mm团聚体对土壤氮素的贡献率。随着土壤深度的加深, 0.053～0.25 mm的微团聚体土壤氮素的贡献率呈增加的趋势。这表明秸秆还田和耕作对土壤的扰动深度影响了耕作层土壤氮素在团聚体中的分布及其对土壤氮库的贡献。

表3 耕作与秸秆还田方式对土壤团聚体全氮贡献率的影响Table 3 Contribution rates of soil aggregates with different sizes to soil nitrogen under tillage and straw returning methods

2.5 耕作与秸秆还田方式对土壤总有机碳及团聚体有机碳库的影响

图6显示了耕作与秸秆还田方式对土壤有机碳在0～40 cm耕作层垂向分布的影响。结果表明, 不同处理有机碳在耕层土壤中的垂向分布特征与全氮相同。秸秆旋耕还田与深耕还田很难消除养分表聚现象, 土壤有机碳含量以0～10 cm表层最高, 随着深度向下延伸, 有机碳含量逐渐降低; 20 cm以上土层有机碳含量显著高于秸秆深层还田的两个处理, 而20 cm以下的亚耕层土壤有机碳则低于秸秆深层还田处理。对于秸秆深混埋(SID)和深埋(SBD)两个处理, 各层土壤有机碳含量基本趋同。表明秸秆深层还田有效改善了土壤有机碳垂向分布, 消除了养分的层化现象, 对实现全耕层土壤培肥起到了积极作用。

图6 耕作与秸秆还田方式对有机碳在耕层土壤垂向分布的影响Fig.6 Effects of tillage and straw returning methods on vertical distribution of organic carbon in plough soil layer

各粒级水稳性团聚体有机碳含量(表4) 分析结果表明, 随着团聚体粒径增加, 土壤有机碳含量呈增加趋势。耕作与秸秆还田方式对有机碳在土壤团聚体中的分布产生影响, 0～10 cm土层中秸秆深层还田两个处理各粒级团聚体有机碳含量显著低于秸秆旋耕与深耕还田方式(P<0.05); 10～20 cm土层与0～10 cm土层各处理团聚体有机碳含量变化趋势相同, 但各处理间粒径>0.25 mm团聚体有机碳含量无显著性差异; 20～30 cm土层, 秸秆深混埋处理各粒级团聚体有机碳均有增加, 但只有>2 mm大团聚体有机碳含量显著增加(P<0.05), 而秸秆深埋处理除对粉黏粒有机碳含量无显著影响外, 均显著提高了其他各粒级团聚体有机碳含量(P<0.05); 对于30～40 cm土层, 秸秆深层还田的两个处理均显著提高了各粒级团聚体有机碳含量(P<0.05)。这表明由于不同耕作措施下秸秆还田位置存在差异, 致使不同层次土壤有机碳在团聚体中的分布规律亦存在差异。

表4 耕作与秸秆还田方式对土壤团聚体有机碳分布的影响Table 4 Effects of tillage and straw returning methods on organic carbon contents in soil aggregate with different sizes

由于受团聚体有机碳含量和水稳性团聚体构成的双重影响, 各处理土壤团聚体有机碳贡献率主要分布在0.25～1 mm和>2 mm粒级团聚体中, 多数情况下二者贡献率相当, 贡献率变幅分别为29.3%～68.4%和19.3%～59.6%; 其次为1～2 mm粒级团聚体,贡献率变幅为5.2%～26.8%; 再次为0.053～0.25 mm微团聚体, 贡献率变幅为5.8%～18.8%。且微团聚体对土壤有机碳的贡献有随土壤深度的加深而增加的趋势; 粒级<0.053 mm的粉黏粒对土壤有机碳的贡献很微弱, 仅为1.2%～5.0%。秸秆深层还田显著增加了20～40 cm亚耕层土壤粒级>2 mm大团聚体有机碳贡献率, 而降低了<1 mm粒级团聚体有机碳贡献率, 表明秸秆深层还田利于有机碳在大团聚体中的赋存(表5)。

表5 耕作与秸秆还田方式对土壤团聚体有机碳贡献率的影响Table 5 Contribution rates of soil aggregates with different sizes to soil organic carbon %

3 讨论

土壤结构性能与土地利用方式、管理措施密切相关。耕作、种植、施肥、秸秆还田等农业管理措施通过改变土壤属性、内部环境以及生物活性影响着土壤颗粒团聚过程以及团聚体的稳定性[3]。通常粒径>0.25 mm的团聚体被称为土壤团粒结构体, 是土壤中最好的结构体, >0.25 mm粒级团聚体的质量百分比(R0.25)可以衡量土壤结构的优劣, 其含量越高,团聚体稳定性越高(图4), 土壤结构越好[20], 越有利于土壤对水分、养分的转化, 促进植物的生长, 达到改善土壤生产力的目的。本研究结果表明, 耕作方式和秸秆还田方式的改变显著影响了不同土层、不同粒级土壤团聚体的分布比例和稳定性。与秸秆旋耕还田相比, 秸秆深层还田显著增加了亚耕层土壤>2 mm粒级机械稳定性和水稳性团聚体含量, 提高了机械稳定性和水稳性团聚体平均重量直径, 增加了土壤团聚体的稳定性, 降低了土壤结构破坏率, 使<0.25 mm粒级团聚体含量有所降低。主要原因在于秸秆作为新鲜有机残茬归还亚耕层土壤后, 不断释放养分, 提高了土壤中微生物的活性, 促进了土壤中真菌菌丝的生长[20], 微生物分解产生的有机酸、腐殖物质和秸秆中的多糖、木质素等土壤中的有机胶结物质与菌丝发生缠绕, 将土壤小颗粒胶结成微团聚体, 进一步胶结成大团聚体[21]。耕作与秸秆还田方式是影响耕层土壤团聚体分布的主要驱动因素, 随着土层的加深, 秸秆深层还田对土壤团聚体分布的作用力逐渐增强, 促进亚耕层大团聚体形成, 从而改善全耕层土壤结构。因此, 相对于主要作用于 0～15 cm土壤表层的旋耕措施, 耕作与秸秆还田方式转变后促进和改善了下层土壤团聚体的分布状况和稳定性,耕作和秸秆还田在不同程度上驱动了各处理不同土层及粒级间团聚体的更新变化。

土壤耕作和秸秆还田能够显著影响土壤结构和养分周转, 也是土壤团聚体分布及更新周转的主要驱动因素, 在一定条件下, 对农田土壤养分的涵养发挥着重要作用。前人研究表明, 秸秆还田利于大团聚体的形成、增加其有机碳氮含量[3]。本研究亦得到类似结果, 实施秸秆还田显著增加了各团聚体有机碳氮含量。秸秆通过旋耕和深耕还田, 主要补充和增加了20 cm以上土层土壤有机碳氮含量, 而秸秆在实施深层混埋或集中深埋过程中, 对0～40 cm土层土壤进行了重构, 促进全耕层土壤的融合, 有效消除了长期实施秸秆旋耕还田造成的养分过度表聚现象,显著增加了亚耕层土壤各粒级团聚体有机碳氮含量。土壤团聚体中有机碳氮不仅促进了团聚体的形成,也能够显著促进其自身稳定性[15], 而且稳定的团聚体也能够显著提高对有机碳氮的物理保护作用, 促进土壤有机碳氮的有效固持, 从而实现全耕层土壤培育, 促进植物的生长, 达到改善土壤生产力的目的。

4 结论

土壤耕作与秸秆还田方式是影响耕层土壤团聚体组成与碳氮分布特征的重要农业管理措施。改变秸秆旋耕还田为深层还田可以显著提高>0.25 mm粒级团聚体含量和团聚体的平均重量直径, 改善土壤结构。秸秆深层还田显著提升了亚耕层(20～40 cm)土壤>1 mm粒级水稳性团聚体含量, 提高了粒径>2 mm土壤团聚体结构稳定率, 降低了其结构破碎率, 从而提高了亚耕层土壤结构稳定性。

秸秆深层还田措施使0～40 cm土层土壤有效融合, 消除了耕层土壤养分表聚现象, 显著增加了亚耕层土壤有机碳氮含量以及大团聚体对土壤有机碳氮的贡献率, 粒径>2 mm 团聚体有机碳和氮贡献率在20～40 cm土层分别平均为42.2%～44.0%和32.8%～49.9%, 比秸秆旋耕还田处理分别增加48.7%～54.9%和32.8%～101.8%。

综上所述, 华北小麦-玉米轮作农田, 通过实施玉米秸秆深层还田, 可有效改善耕层土壤结构, 提高亚耕层土壤养分固持与供应能力, 实现了全耕层培肥,为作物高产稳产奠定了基础。