秸秆还田量对川中丘陵冬小麦-夏玉米轮作体系土壤物理特性的影响

马胜兰, 况福虹, 林洪羽, 崔俊芳, 唐家良, 朱波, 蒲全波

秸秆还田量对川中丘陵冬小麦-夏玉米轮作体系土壤物理特性的影响

马胜兰1,2, 况福虹1, 林洪羽1,2, 崔俊芳1, 唐家良1, 朱波1, 蒲全波3

1中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；2中国科学院大学，北京 100049；3南充市农业科学院，四川南充 637000

【】探明秸秆还田量对农田土壤物理特征的影响，为川中丘陵紫色土区建立“提升土壤质量、高效利用秸秆”的种植业副产物利用模式，同时为秸秆资源化利用提供科学依据。【】基于田间长期定位试验（2006—至今），采用原位监测和计算机断层微扫描技术（CT）相结合的方法，研究秸秆还田量（无秸秆还田（RMW0）、秸秆30%还田（RMW30）、秸秆50%还田（RMW50）和秸秆100% 还田（RMW100））差异对冬小麦-夏玉米轮作体系耕层土壤物理特征的影响。【】（1）秸秆还田可明显改善土壤透气、持水和导水性能，随秸秆还田量增加改善效果明显增加。RMW30、RMW50和RMW100处理较RMW0处理土壤容重分别显著降低15.2%、11.7%和17.9%，土壤孔隙度则分别显著增加18.4%、13.7%和21.3%。另外，RMW100处理饱和导水率高达1.62 mm·min-1，导水性能优于其他处理。（2）秸秆还田促进已有孔隙发育成更大孔隙，且孔隙均匀性和孔隙间连通性明显改善，RMW100和RMW50处理对土壤大孔隙组成的改善优于RMW30和RMW0处理。RMW100处理平均孔隙直径趋大，孔隙间连通性最优。RMW50处理孔隙均匀性明显提高，大小孔隙配比较其他处理更合理。（3）与无秸秆还田处理相比，秸秆还田后＞2 mm团聚体数量显著增加，0.25—2 mm团聚体数量显著减少，秸秆还田有利于形成土壤水稳性大团聚体，促进中团聚体向大团聚体转变，RMW50和RMW100处理改善效果均显著优于RMW30处理。（4）土壤容重、＞0.25 mm团聚体和大孔隙特征是反映石灰性紫色土区耕层土壤物理特征的主要指标，第一主成分和第二主成分对土壤物理性质的解释度分别为57.8%和23.6%。RMW50与RMW100处理土壤物理特征接近，与RMW0和RMW30处理在PC1和PC2轴上出现明显离散。【】川中丘陵紫色土区在产量无显著差异的基础上，不同秸秆还田量对耕层土壤物理性质的影响存在差异，秸秆50%和100%还田效果无显著差异，但显著优于秸秆30%还田和不还田处理，宜因地制宜进行还田量选择。

秸秆还田；紫色土；冬小麦-夏玉米轮作；土壤团聚体；土壤孔隙

0 引言

【研究意义】土壤物理特征直接影响土壤水肥气热状况和植物吸收水分和养分的环境，是农业生产中制定合理耕作管理措施的重要依据[1]。良好的土壤物理特征对促进作物生长发育、提高产量和形成优良品质具有重要作用[2]。近年来，人类对土地资源掠夺式开发导致各种土壤问题，尤其在母质松软易受侵蚀，保水保肥能力较差的紫色土区[3]。该区耕地保育形势严峻，保持和改善农田土壤状况势在必行[4]。【前人研究进展】秸秆作为种植业的主要副产物，资源量大且循环利用成本较低。秸秆还田是在保障粮食安全的前提下，对环境有利且操作简便的土壤改良措施[5]。大量研究表明秸秆还田可降低土壤容重、提高土壤孔隙度和田间持水量、缓解水分损失[6]，可减轻土壤被压实和团聚体破碎的可能性[7]，在保水蓄肥、调节土壤结构和保障土壤健康方面发挥着重要作用。但其效果取决于秸秆质量、还田方式和数量[5-7]。目前关于秸秆还田量对土壤物理性质影响的研究已很多，但结论有差异。江恒[8]研究表明与部分还田相比，秸秆全量还田操作简便且易被大众所接受，对土壤容重和孔隙度改善作用较好，但张久明等[9]则在土壤肥沃的嫩江平原发现，秸秆全量还田增加了土壤负担，对土壤物理改善产生负面影响。王永栋等[10]和孟庆英等[7]分别在陇中旱作区和辽宁半干旱区的研究均表明，中等量秸秆（7 000—9 000 kg·hm-2）还田对土壤团聚体稳定性和有机碳的促进效果最好。韩新忠等[11]在江淮平原的研究表明，低秸秆量（3 000 kg·hm-2）还田，作物增产显著且土壤养分明显提高。可见由于土壤和气候等因素差异，适合不同区域的秸秆还田量不一致。同时，实践过程中还田量过大或过小，均不利于稳定土壤结构，易造成土壤跑墒和水肥遗漏等问题，因此筛选适合特定区域土壤特征的秸秆还田量非常重要[8-10]。【本研究切入点】川中丘陵紫色土区农作物秸秆年均收集量约3 630万吨，约占全国秸秆收集总量的4%[12]。但由于丘陵区地形破碎，土层浅薄，农业机械化程度低，丢弃秸秆现象严重，不仅浪费资源，也给周边环境带来巨大压力[13-14]，而该区相关研究未能明确合理的秸秆还田量[14-15]。因此，如何筛选合理的秸秆还田量、高效利用秸秆，克服川中丘陵地区秸秆资源利用率低、污染严重等弊端，成为区内亟需解决的问题。【拟解决的关键问题】本研究基于长期秸秆还田田间定位试验，探讨不同秸秆还田量对川中丘陵区石灰性紫色土物理性质的影响，以期为该区筛选适宜秸秆还田量，建立以“提升土壤质量、高效利用秸秆”为核心的种植业副产物循环利用模式，为秸秆资源化利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究依托中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站（105°27¢E，31°16¢N）进行（图1-a）。该试验站地处川中丘陵区北部的盐亭县林山乡，嘉陵江一级支流涪江支流的弥江和湍江的分水岭上[16]。研究区属于典型丘陵区，低山、丘陵和平坝分别占总面积的40.2%、36.4%和23.4%，以中深丘为主，海拔400—600 m，地势由南向北逐渐升高[17]。该区处于春夏旱区与东部伏旱区的交错地带，属中亚热带湿润季风气候[18]。多年平均降雨量826 mm，年内分布不均，夏秋季占85%，可达600—750 mm，冬春季占15%，仅100—150 mm。多年年平均气温16.6℃，最热月7—8月，平均气温26.5℃，最冷月12月至次年1月，平均气温6.0℃（图2）。

区内以侏罗系蓬莱镇组紫色砂页岩发育而成的石灰性紫色土和水稻土为主，自然肥力较高，适于农业耕作，但土层浅薄（平均土层厚度为20—45 cm），母质松软易受侵蚀，保水保肥能力较差[19]。土壤中砂粒和粉粒所占比例较大，粗颗粒较多，透水性良好[20]，土壤大孔隙和裂隙丰富，土壤团粒稳定性较差，颗粒分散，在降雨集中的夏秋季水土流失严重，可使用秸秆还田改善[21]。

1.2 试验设计

试验在盐亭站土壤要素辅助观测长期样地进行（图1-b）。样地于2005年建成，并进行匀地、布设处理和预备试验。试验开始时，样地耕层土壤平均容重为1.4—1.6 g·cm-3，砂粒、粉粒和黏粒平均含量分别为25.1%、44.7%和21.5%，平均洗失量8.7%，总孔隙度38%—52%，田间持水量（w/w）28%—39%。样地建成后，设置8个处理，本研究选择其中不同秸秆还田量的处理：秸秆不还田（RMW0）、秸秆30%还田（RMW30）、秸秆50%还田（RMW50）和秸秆100%还田（RMW100）4个处理进行研究，秸秆还田量比例为质量百分比，由于试验小区秸秆产量具有边际效应，实际还田量根据站内大田常规种植样地当季秸秆干物质产量平均值计算，试验站区内小麦和玉米多年平均秸秆产量范围分别为（5 889±437）和（6 247±272）kg·hm-2（表1）。该还田量比例与川中丘陵地区传统及小型机械收获方式基本契合：RMW0代表传统人工收获模式，农民使用镰刀齐根收获并移除全部地上部秸秆；RMW30代表丘陵区小型机械低留茬收获模式，约有70%秸秆被移除，30%秸秆留在地里；RMW50代表小型机械和手工收获的高留茬模式，约有50%秸秆被移除；RMW100代表收获农学产量的收获方式，所有秸秆不移除。

a：地理位置Location of the study area；b：小区分布图Plots subdivision map

图2 研究区2005—2019年月平均温度和月降雨量分布

表1 2008—2019年作物产量与秸秆产量

小写字母代表处理间差异显著性（＜0.05）Lowercase letters represent significant differences among treatments (＜0.05)

秸秆还田使用各小区自身产出秸秆，收获时测定各小区秸秆含水量并将小区秸秆收集称重并依据比例还田。当季作物收获后，将秸秆铡断为10—15 cm小段，均匀撒施于对应小区地表后翻耕，夏玉米季用前茬小麦秸秆还田，冬小麦季采用前茬玉米秸秆还田。样地于2006年开始进行长期观测，持续至今，作物种植方式为冬小麦-夏玉米轮作。每个处理随机设置3个平行，完全随机分布，试验小区面积为50 m2（长10 m×宽5 m）。样地管理与当地大田种植管理保持一致。冬小麦和夏玉米种植前用旋耕机翻地，耕作深度15—20 cm，冬小麦季在翻耕后一次性撒施基肥，夏玉米季在播种期穴施基肥，拔节期撒施追肥，氮肥基肥和追肥比例3﹕2，磷肥和钾肥作为基肥在小麦季一次性施用，夏玉米季不使用磷肥和钾肥作基肥。翻耕、施肥和播种同步进行。冬小麦和夏玉米季氮肥施用量分别为130和150 kg N·hm-2，其中冬小麦季氮肥为化肥氮，夏玉米季氮肥为化肥氮+秸秆氮。冬小麦季施用磷钾肥分别为72 kg P2O5·hm-2和36 kg K2O·hm-2。肥料类型：氮肥基肥为碳酸氢铵（纯N 17%），追肥为尿素（纯N 46.7%），磷肥为过磷酸钙（含P2O512%），钾肥为氯化钾（含K2O 60%）。冬小麦每年10月下旬播种，次年5月中旬收获，生长期约200 d；夏玉米每年5月下旬播种，9月中旬收获，生长期约110 d。从多年作物产量发现，RMW50和RMW100处理冬小麦多年平均产量无显著差异，约3 750 kg·hm-2，但显著高于RMW30处理；多年玉米平均产量随秸秆还田量增加呈上升趋势，但处理间产量无显著差异。

1.3 样品采集与测定

2019年夏玉米收获前，利用SC-900 土壤紧实度仪对土壤剖面（0—45 cm）紧实度进行原位测定。用直径4 cm，高5 cm的PVC管采集土层深度为3—8 cm的原状土，使用计算机断层扫描技术对PVC管内原状土柱进行扫描（扫描仪：Phoenix Nanotom S micro-CT scanner，电压为100 kV，电流100 μA，时间间隔1 250 ms，分辨率25 μm），获取土壤中＞25 μm大孔隙结构特征。采集0—15 cm土层环刀样，测定土壤容重、饱和含水量和饱和导水率[22]，同时使用土钻在小区内按反“S”型采集8—10钻表层土，混合为一个土样，风干后用吸管法测定土壤颗粒组成[22]。为不破坏土壤结构，用平铲采集各小区耕层土样，每个小区随机采集5个点混合为一个土样，使用湿筛法测定各粒级土壤团聚体含量[22]。

1.4 数据计算与处理

CT扫描方法是通过扫描仪发出X射线束，对原状土柱多方向和多层次进行扫描。然后通过计算X射线穿透目标物前后的强度变化，将扫描结果转换为图像，再将图片进行二值化，鉴别和定量原状土柱中土壤孔隙参数。本研究使用CT-Program 软件将CT扫描投影图像转换为切片图像。然后利用岩心孔隙网络模型分析系统软件对图片进行增强、降噪和二（多）值化处理（目标物质灰度值255标记，其余物质灰度值0标记）。最后用可视化图片重建三维图像，并提取相关参数获取大孔隙信息（图3）。其中，喉道截面积表征连接孔隙的路径截面积，反映水分和养分运移路径；平均孔喉比是平均孔隙直径与平均喉道直径（连接孔隙的路径的平均直径）的比值，比值越接近1，表示孔隙连通路径越均匀；平均配位数表征孔隙间连通路径数量。

已知大孔隙的体积和表面积时，土壤大孔隙的三维形状因子可用公式（1）计算：

式中，表示土体中目标大孔隙的三维形状因子；表示土体中目标大孔隙的体积（μm3）；表示土体中目标大孔隙的表面积（μm2）。越接近1，说明目标物的形状越接近于圆形。

图3 土壤大孔隙微观三维结构构建

Fig. 3 Construction of microscopic 3D structure of soil macropores

本文使用单因素方差分析（One-Way ANOVA）检验不同秸秆还田量下土壤物理特征的差异性，并用最小显著差异法（LSD）对结果进行多重比较，采用秩相关和Pearson相关分析数据相关性。文中使用Office 2016、SPSS 22.0、Origin 9.0、R语言和Canoco5等软件对数据进行计算、统计分析及作图。

2 结果

2.1 秸秆还田量对土壤透气、持水和导水性能的影响

秸秆还田可明显改善耕层土壤透气性，随秸秆还田量增加，改善效果明显（表2）。RMW30、RMW50和RMW100处理土壤容重分别较RMW0显著降低15.2%、11.7%和17.9%，土壤总孔隙度分别显著增加18.4%、13.7%和21.3%。处理间饱和含水量无显著差异，但随秸秆还田量增加，RMW100处理饱和导水率（1.62 mm·min-1）显著增加，导水速度优于其他处理。

本研究按照美国制土壤质地分类标准，将土壤颗粒分为砾石（＞2 mm）、砂粒（0.05—2.0 mm）、粉粒（0.002—0.05 mm）和黏粒（＜0.002 mm）4个粒级[23-25]。与试验初期土壤颗粒组成相比，经15年秸秆还田，各处理各粒径颗粒的变化幅度为（2%—6%）（表2），可见15年秸秆还田对耕层土壤颗粒组成影响不明显。随秸秆还田量增加，土壤砂粒含量有上升趋势，黏粒含量呈减少趋势，秸秆还田一定程度加速土壤颗粒粗化。

本研究将水稳性团聚体分为大团聚体（＞2 mm）、中团聚体（0.25—2 mm）、黏粉粒团聚体（0.053—0.25 mm）和微团聚体（＜0.053 mm）进行研究[26-27]。各处理耕层土壤均以0.25—2 mm粒级土壤团聚体为主（36%—51%），＞2 mm粒级团聚体数量次之（18%—28%），黏粉粒团聚体和微团聚体所占比例较小（表2）。与RMW0处理相比，秸秆还田后＞2 mm团聚体数量显著增加，0.25—2 mm团聚体数量呈显著减少，说明秸秆还田有利于土壤水稳性大团聚体形成和促进中团聚体向大团聚体转变，RMW50和RMW100处理改善效果明显。多数研究表明＞0.25 mm水稳性团聚体含量是评价土壤结构的重要指标[28]。虽然3个秸秆还田处理中＞0.25 mm水稳性团聚体含量无显著差异，但RMW50处理＞0.25 mm水稳性团聚体含量（71.5%）高于其他处理，说明该处理在改善区域土壤结构方面可能发挥更明显作用。

土壤紧实度随土层加深逐渐增加，在20 cm附近出现明显拐点，与旋耕机工作深度有关（约13—18 cm）（图4-a）。0—20 cm土层土壤紧实度RMW30＜RMW100＜RMW0＜RMW50处理，RMW0处理20—30 cm土层紧实度显著高于其他处理。30 cm以下各处理土壤紧实度较均匀，多年秸秆旋耕还田对深层土壤紧实度影响较小。RMW30与RMW100处理的土壤含水量随土层深度加深而降低，RMW50和RMW100处理表层土壤含水量最高，随土层加深先降低，后又略升高（图4-b）。

表2 秸秆还田量对耕层土壤颗粒组成和水稳性团聚体的影响

小写字母代表处理间差异显著性（＜0.05） Lowercase letters represent significant differences among treatments (＜0.05)

图4 秸秆还田量对土壤剖面紧实度和含水量的影响

2.2 秸秆还田量对土壤大孔隙特征的影响

秸秆还田有利于促进已有孔隙发育成更大直径孔隙（表3）。与不还田处理相比，秸秆还田后＜500 μm孔隙数量占总孔隙数量的比例减少，＞500 μm孔隙数量比例增加。RMW100处理增加最明显，大孔隙度和大孔隙占比是RMW30和RMW50处理的1.7—2.4倍，RMW100处理的大孔隙比例显著增加。4个处理中100—500、500—1 000和＞1 000 μm的孔隙体积分配比分别约为1﹕1﹕12、1﹕1﹕6、1﹕3﹕4和1﹕2﹕28，孔隙体积均以＞1 000 μm孔隙为主，RMW50处理大小孔隙体积分配更均匀，RMW100处理孔隙直径趋大。由原状土柱三维复原和截面图可直观看出，RMW0和RMW30处理耕层土壤土柱大孔隙分布不均匀，截面部分粗大孔隙明显。耕层土壤大孔隙在土柱上分布表现为RMW50处理的孔隙分配均匀，RMW100处理孔隙更密集，有明显可见的特大孔隙（图5）。

与RMW0处理相比，RMW30处理的平均孔喉比、孔隙形状因子和配位数均无明显改变，土壤孔隙连通性与均匀性无显著差异。RMW50处理平均孔喉比显著提高，孔隙均匀性明显提高，但喉道截面积和平均配位数低于其他处理，说明该处理连接孔隙的路径截面积较小、孔隙的连通路径较少，孔隙间连通性大大降低。RMW100处理平均孔喉比（0.34）和平均配位数（0.88）最高，孔隙间均匀性和连通性最好。随秸秆还田量增加，耕层土壤孔隙间连通性提高，规则的孔隙有利于水分在土壤中传输、保存和作物吸收利用，4个处理的孔隙形状因子无显著差异。

表3 秸秆还田量对耕层土壤大孔隙特征的影响

黄色为土壤孔隙，土柱中白色为土壤，截面图中灰色为土壤

2.3 土壤物理特征之间的耦合关系

由图6-a可见，秸秆还田量与土壤饱和导水率、土壤砂粒含量呈显著正相关，与黏粒含量呈负相关，说明长期秸秆还田促使土壤颗粒粗化。秸秆还田量与＞500 μm孔隙数量和平均孔喉比呈显著正相关，说明长期秸秆还田有利于促进孔隙向更大直径孔隙发育和提高孔隙间连通性。综上，长期秸秆还田后易改变土壤颗粒的排列组合，影响土壤中大小孔隙分布和连通，进而影响土壤中水分养分移动。

由图6-b可见，秸秆还田量与大团聚体数量呈显著正相关，与中团聚体数量呈显著负相关，表明随秸秆还田量增加，中等土壤团粒趋于聚集为大土壤团粒。大团聚体数量与25—100 μm孔隙数量呈极显著负相关关系，而与500—1 000和＞1 000 μm孔隙数量极显著正相关，大团聚体数量增加有利于形成结构大孔隙。土壤孔隙数量受中小团聚体的影响较小，中团聚体和黏粉粒团聚体与土壤孔隙数量均无显著相关性。平均吼道截面积和孔隙配位数与微团聚体数量呈极显著正相关，相关系数为0.77和0.97，说明微团聚体数量对孔隙的连通性影响较大。

2.4 秸秆还田量对土壤物理性质影响的主成分分析

秸秆还田量对土壤物理性质影响的主成分分析结果显示（表4和图7），2个主成分累积贡献率为81.42%，可以表达原始数据提供物理信息的81.42%。第一主成分（PC1）对土壤物理性质的贡献率为57.80%，容重、大、中土壤团聚体载荷分别为0.693、-0.649和-0.693，说明第一主成分是土壤容重和＞0.25 mm团聚体的综合反映；第二主成分（PC2）的贡献率为23.62%，砂粒、粉粒和＞1 000 μm载荷特征值分别为-0.817、-0.826和-0.674，说明第二主成分主要反映土壤大孔隙和粗颗粒信息，随秸秆还田量变化，评估土壤物理特性的主要指标有所变化。

表4 主成分分析中各因子共同度和各指标的特征向量

a：土壤大孔隙特征和颗粒组成间相关关系Correlation analysis between soil large pores characteristics and particle composition；b：土壤大孔隙特征和团聚体间相关关系Correlation analysis between soil large pores characteristics and water stable agglomerates

*表示显著性差异＜0.05（最低显著差异）；**表示显著性差异＜0.01（中等程度显著差异）；***表示显著性差异＜0.001（极显著差异）

*Indicated significant difference＜0.05 (minimum significant difference); ** Indicated significant difference＜0.01 (moderately significant difference); *** Indicated significant difference＜0.001 (maximum significant difference)

图6 秸秆还田条件下土壤物理特征相关性分析

Fig. 6 Correlation analysis of soil physical characteristics under straw returning

图7所示，RMW50与RMW100处理土壤物理特征较接近，并与RMW0和RMW30处理土壤物理特征在PC1和PC2轴上出现离散特征。共同度表示因子对各个变量的解释程度，共同度越大，因子对该变量解释程度越大，共同度低说明在因子中的重要度降低。表4结果显示，土壤容重、孔隙度、＞500 μm的孔隙数量及中团聚体均是影响土壤物理性质的重要因子。

图7 秸秆还田条件下土壤物理特征主成分分析

3 讨论

3.1 秸秆还田量对土壤通气、透水和导水性能的影响

秸秆纤维素含量高、孔隙多，还田后可有效降低土壤容重和土壤紧实度，增加有效孔隙数量，改善土壤孔隙结构[29-30]，进而增强土壤水分传导性能和促进土壤空气与外界交流[31-32]。本研究结果表明，与不还田处理相比，经过15年秸秆还田，秸秆100%还田土壤容重显著下降，土壤孔隙度和饱和导水率显著增加。在易受侵蚀的紫色土区秸秆50%和秸秆100%还田效果优于30%还田，与江恒[8]研究结果较一致，秸秆施入量越大对土壤容重和孔隙度影响越强。但张久明等[9]在嫩江平原区试验表明，玉米秸秆耕层混拌1/2还田和1/3还田较对照处理显著降低土壤容重，增加土壤总孔隙和田间持水量，秸秆全量还田与对照处理无显著差异。尽管大量研究表明秸秆全量还田操作简便且最容易被大众所接受，但在土壤肥沃的嫩江平原区，秸秆全量还田增加了土壤负担，对土壤物理的改善产生负面影响。王秋菊等[33]在黑龙江对草甸土的研究表明，秸秆覆盖还田对土壤物理性质无正向改善，反而降低土壤温度，增加土壤容重和紧实度。关于秸秆还田研究的结果不尽一致，与研究区域气候条件、土壤状况和还田技术有关，因此选择秸秆还田量时宜因地制宜。

本研究结果显示，随秸秆还田量增加，土壤中孔隙直径趋大，土壤已有孔隙向更大孔隙发育，与李江涛等[34]认为长期施用有机肥可显著促进土壤中大孔隙数量的结果一致。秸秆还田后在酶和微生物的作用下，有利于增加土壤有机质含量，存在于土壤有机质中的长链分子能有效束缚和黏结矿物颗粒，加快土壤孔隙结构形成，促进土壤已有孔隙向更大孔隙发育[35-37]。KUNCORO等[38]研究表明，土壤大孔隙是土壤水分运移的优势路径，并对土壤入渗性能和饱和导水率有显著的正向作用，对土壤饱和导水率的解释度较高（79%）。本研究秸秆100%还田后，孔隙均匀性和连通性显著提高，土壤饱和导水率大大提高，导水性能优越，与张琪[39]研究中孔隙连通性与饱和导水率之间呈极显著正相关关系的结果一致。可见，秸秆还田改善土壤孔隙结构，提高土壤通气透水和导水能力，不仅受到土壤大孔隙数量的影响，还与土壤孔隙间连通性密切相关。WATSON等[40]指出超过70%的壤中流发生于大孔隙中，本研究结果显示，随秸秆还田量增加，土壤中孔隙直径趋大，土壤大孔隙增加，壤中流发生概率提高，秸秆还田后一定程度有利于减少川中丘陵区地表径流发生，对紫色土易受侵蚀的情况有利。

3.2 秸秆还田量对土壤结构稳定性的影响

土壤团粒是土壤结构稳定性的基础，也是作物高产所必须的土壤条件之一[41]。秸秆还田有利于提高土壤机械稳定性和抗侵蚀能力[42-43]。本研究结果表明，秸秆还田有利于促进水稳性团粒形成，促进土壤微团聚体向中团聚体和大团聚体转化，且秸秆还田量高的处理（RMW50和RMW100）改善效果优于低的处理（RMW30）。一方面秸秆释放的有机物质在微生物作用下能提高土壤胶结作用，有利于形成土壤大团聚体[43-44]；另一方面秸秆分解释放的有机物被矿物颗粒吸附或包被成团聚体内核，增加了土壤团粒结构[45]。

秸秆耕层混拌1/2还田和1/3还田较不还田和全量还田处理在改善土壤团聚体结构表现出优势[32]。辽宁省半干旱地区进行6年秸秆深还田小区定位试验显示，秸秆施用量12 000 kg·hm-2（中等量）有助于土壤大团聚体的形成，形成良好土壤结构[7]。可见，秸秆还田对土壤团聚体的改善效果，并不完全随秸秆还田量的增加而提高，最适秸秆还田量才能达到最佳效果。前人研究还表明秸秆还田促进土壤中＞0.25 mm团聚体的形成，主要集中在耕作层[43]，但是为了更有效地改善犁底层紧实程度，构建肥沃耕层，促进土壤中的水、热、气交换，闫雷等[46]建议将秸秆还田与深耕相结合，可实现短期内增加＞0.25 mm土壤团聚体含量的目标。秸秆深还田作为保护性耕作措施，可有效改善土壤质量，这也为川中丘陵地区秸秆还田提供了新思路。

3.3 秸秆还田条件下土壤物理性质之间的耦合关系

土壤孔隙是颗粒或团聚体在土壤三维空间上垒积状况的反映，既有颗粒间的粒间孔隙，又有团聚体间的结构孔隙[47]。本研究中土壤物理参数的相关性显示，经长期秸秆还田，土壤砂粒含量与大孔隙数量呈显著正相关，前人研究也表明砂粒直径较大和空间排列组合间隙大时，有利于土壤大孔隙形成[48]。土壤黏粒含量与平均喉道截面积和平均配位数呈极显著负相关关系，从孔隙连接通道的角度解释了黏粒含量比例越高，土壤孔隙间连通性越差。王秋菊等[49]研究也表明，黏粒有极强的黏结性，黏粒含量越高，土壤越密实，总孔隙所占体积变小，土壤孔隙间连通性差。本研究中土壤孔隙数量受土壤大团聚体含量影响较大，大团聚体数量增加有利于团聚体间的结构大孔隙形成。孔隙连通性则受土壤中微团聚体含量影响较大。本研究基于主成分分析证实在川中丘陵区，土壤容重、孔隙度、大孔隙数量及大、中团聚体均是影响该区耕层土壤物理性质的重要因子，以上土壤指标对秸秆还田管理实践措施较敏感，可以作为综合反映土壤结构状况的重要指标。CT微扫描结果中的土壤孔隙参数与常规方法测定的土壤物理参数存在较高相关性，与杨永辉等在褐土旱作区长期实验的结果一致[50]。

本研究侧重于评估秸秆还田量对土壤物理特性的影响，未结合土壤化学和生物学指标综合评估，存在一定局限性，下一步可结合相关指标综合评价该区域的土壤健康情况。

4 结论

川中丘陵区秸秆粉碎旋耕还田有利于改善土壤孔隙结构、提高土壤通气、透水和导水性能，并增强土壤机械稳定性和抗侵蚀能力，且不同秸秆还田量对土壤物理特性改善效果存在一定差异。在保证产量稳定的基础上，综合比较秸秆还田量对耕层土壤孔隙和团聚体等物理特征的影响，发现秸秆50%和100%还田效果无显著差异，但显著优于秸秆30%还田和不还田处理。因此在丘陵区实际生产中可使用50% 或100% 秸秆还田量，秸秆粉碎旋耕还田的方式作为保护性耕作可有效改善土壤结构和通气质量，对规模化耕种和促进作物生长具有积极作用。

致谢：感谢中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站为本研究提供的试验设施，感谢高美荣、王艳强和张蓉在气象数据收集、样品采集及分析过程中给予的帮助。

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Effects of Straw Incorporation Quantity on Soil Physical Characteristics of Winter Wheat-Summer Maize Rotation System in the Central Hilly Area of Sichuan Basin

MA ShengLan1, 2, KUANG FuHong1, LIN HongYu1, 2, CUI JunFang1, TANG JiaLiang1, ZHU Bo1, PU QuanBo3

1Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041;2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;3Nanchong Academy of Agricultural Sciences, Nanchong 637000, Sichuan

【】The aim of this study was to ascertain the effects of straw returning quantity on the soil physical characteristics and to establish a recycling model for planting by-products, so as to provide a scientific basis for the utilization of straw resources in the central hilly area of Sichuan basin.【】Herein, based on long-term field trials (2006-present) using a combination of in situ monitoring and computed tomography microscanning (CT), the effects of different amounts of straw returned to the field (0 straw returned (RMW0), 30% straw returned (RMW30), 50% straw returned (RMW50), and 100% straw returned (RMW100)) on the physical characteristics at the cultivated soil layer of the winter wheat-summer maize rotation system were examined.【】(1) Straw returned to the field could significantly improve soil permeability, water holding capacity and hydraulic conductivity, and the improving effect increased significantly with the amount of straw returned to the field. Compared with RMW0, soil bulk density under RMW30, RMW50, and RMW100reduced significantly by 15.2%, 11.7%, and 17.9%, respectively; whereas, soil porosity under these treatments were significantly increased by 18.4%, 13.7%, and 21.3%, respectively. In addition, the saturated hydraulic conductivity of RMW100treatment was as high as 1.62 mm·min-1, and the soil hydraulic conductivity was superior to other treatments. (2) Straw returning promoted the development of existing pores into larger ones and significantly improved pore uniformity and connectivity. The RMW100and RMW50treatments improved the macropore composition of the soil better than that under the RMW30and RMW0treatments. The average pore diameter of the RMW100treatment tended to be larger and inter-pore connectivity was optimal. The homogeneity of the pores under the RMW50treatment was significantly improved and the pore size distribution was more appropriate than that under other treatments. (3) Compared with RMW0treatment, the number of ＞2 mm agglomerates increased significantly and the number of 0.25-2 mm agglomerates decreased significantly after straw returned to the field, which was beneficial to the formation of large soil water-stable agglomerates and promoted the transformation of medium to large agglomerates. Both RMW50and RMW100treatments improved significantly better than that under RMW30 treatment.(4) Principal components analysis showed soil bulk density, water-stable aggregate with diameter larger than 0.25 mm and large pore were the main indicators of the physical characteristics of cultivated soils in calcareous purple soils. The first and second principal components explained 57.8% and 23.6% of the physical properties of the soil, respectively. The physical characteristics under RMW50and RMW100treatments were close to each other, and showed significant divergence from the RMW0and RMW30treatments on the PC1 and PC2 axes. 【】On the basis of no significant difference of crop yield in the central hilly area of Sichuan basin, there were differences in the effects of different straw returning quantities on the physical properties of cultivated soil layer, with no significant differences between 50% and 100% straw returning effects, but significantly better than that of 30% and 0 of straw incorporation. The specific straw application rate should be selected according to the local conditions.

straw returning; purple soil; winter wheat-summer maize rotation system; soil aggregate; soil pore characteristics

2022-02-24；

2022-05-09

国家重点研发计划（2018YFD0200700）、四川省科技计划（2018SZDX0027）

马胜兰，E-mail：mashenglan@imde.ac.cn。通信作者况福虹，E-mail：kuangfuh@imde.ac.cn

（责任编辑 李云霞）