秸秆还田方式对低丘橘园土壤碳库与蓄水能力的影响

黄 越，商小兰，徐 星，郭水荣，章明奎

（1杭州市农业技术推广中心，杭州 310020；2桐庐丰阳家庭农场，浙江桐庐 311500；3浙江大学环境与资源学院，杭州 310058）

0 引言

低丘红壤地区自然条件优越，气温高、雨量丰沛、光照足、适宜性广，生产潜力大，是中国南方地区柑橘生产的重要基地。但红壤酸性强、有机碳低，氮、磷、钾等养分不足，季节性干旱明显，加之低丘橘园建园初期的地面平整和表土与底土混合，加剧了土壤养分的缺乏，瘠、酸、板、旱成了影响柑橘生长和产量的重要原因之一。因此，提高土壤有机质含量和蓄水能力是低丘红壤橘园改良的重要内容。土壤有机碳是土壤的重要组成部分[1-2]，是土壤养分循环和供应的核心[3-4]，是重要的土壤肥力指标[5-7]。不同形态的有机碳对土壤肥力的贡献有所差异，其中的土壤活性有机碳组分如易氧化有机碳、微生物量碳、可溶性有机碳等虽在土壤有机碳中所占比例较低，但其对土壤养分的循环和贡献尤为重要[8-11]。土壤蓄水能力与土壤容重、结构等物理性状有关，后者也受土壤有机碳水平的影响[12]。柑橘是多年生深根作物，与一般粮食作物和蔬菜作物主要受表层土壤性状影响不同，深层土壤的性状可对柑桔生长产生显著的影响，因此，橘园土壤的改良既要考虑表层土壤，也要考虑深层土壤。

秸秆是农地氮、磷、钾素和有机碳的主要来源，科学的秸秆还田方式不仅能够为作物生长提供必需的营养元素[13-14]，还能增加土壤有机碳含量[15]，提高土壤酶活性，改善土壤质量，实现养分循环利用[16-18]。低丘红壤橘园因本身缺乏有机物料，利用周围农田产生的作物秸秆进行培肥是许多红壤地区橘园有机物输入的主要途径。目前中国的秸秆还田方式主要有浅层还田、深层还田、覆盖还田及地表抛撒等[19]。不同的秸秆还田方式对土壤干扰的深度和程度不同，且因秸秆所处环境不同其在土壤中的变化过程也有所差异[19-21]。一些研究表明[21-22]，将粉碎的作物秸秆深施于一定深度的土壤之中，可增加土壤孔隙，提高土壤水分的渗入速度和蓄水能力，增加地下土壤水库，缓解降水与农作物需水时期不同步造成的季节性干旱问题。以往的研究多关注秸秆原地还田的效果，对秸秆异地还田（把秸秆用于其他农地）的效果研究较少。为深入理解秸秆不同异地还田方式对南方地区低丘柑桔土壤的改良效果，本试验比较研究了秸秆深施、浅施、地表覆盖对土壤碳库及水分变化的影响，以期为低丘橘园选择合理的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

试验于2018—2020 年在浙西某低丘红壤橘园内进行。试验橘园海拔约45 m 左右；试验前园龄为4年，土壤为红壤土类、红壤亚类、黄筋泥土属，土壤质地为粘土。该地区年平均气温17.6℃，年平均降雨量为1450 mm，属于亚热带湿润气候。供试土壤基本理化性质如表1所示。

表1 试验前0～20 cm土壤理化性质

1.2 试验设计

秸秆还田试验于2018 年11 月20 日进行，采用田间微区方式开展。微区面积4 m2（相当于1 棵柑橘树）；试验共设对照（不施用秸秆）、覆盖还田、浅层还田、深层还田和全层还田等5个处理（表2），每个处理3次重复，随机排列。还田秸秆为水稻秸秆，除对照处理(CK)外秸秆用量均为8 kg/微区。覆盖还田(MR)：水稻秸秆直接均匀覆盖在地表，试验过程中不对土壤进行翻耕和地表清理；浅层还田(SR)：将粉碎后的秸秆（粉碎长度约为5～10 cm）与0～20 cm 土层均匀混合，翻耕深度20 cm；深层还田处理(DR)：先将0～20 cm 土层移出，将粉碎后的秸秆与20～40 cm 土层均匀混合，再将0～20 cm 土层填回；整体翻耕深度40 cm；全层还田(SR+DR)：将粉碎后的秸秆与0～40 cm土层均匀混合，翻耕深度40 cm。为了避免对柑橘树主根产生影响，所有秸秆处理试验均在柑橘树树冠滴水线外围进行。各处理其他管理措施（包括施肥）相同，按当地常规管理。

表2 还田方式对土壤pH和物理性状的影响

1.3 采样分析

分别于2019年11月和2020年11月分2次进行采样观察。采样按小区进行，在每一小区挖掘面积约0.5 m2、深0.5 m左右的土坑，按0～10、10～20、20～40 cm等3 个深度采集土壤样品，除去杂质后装入无菌自封袋密封带回实验室。一部分新鲜土样在4℃保存，用于测定土壤微生物量碳和水溶性有机碳；另一部分土壤样品自然风干研磨过2 mm筛，用于测定有机碳组分、土壤酶活性和速效养分。在田间采样时，同时用容重圈取样、烘干法测定各土层的容重和土壤含水率。为避免第二次采样与第一次采样位置重叠，2019年11月第一次采样后，对采样位置做好标记；2020 年11 月采样在各小区内的其他位置采集。

采集土样的分析项目包括pH、水稳定性团聚体、有机碳、易氧化有机碳、水溶性有机碳、微生物生物量碳及脲酶、中性磷酸酶、蛋白酶、蔗糖酶、过氧化氢酶等酶的活性及碱解氮、有效磷、速效钾。土壤pH用电位法测定；土壤水稳定性团聚体用湿筛法测定；土壤有机碳用重铬酸钾氧化法测定；土壤中易氧化有机碳采用0.333 mol/L 高锰酸钾氧化法测定[23]；土壤微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-硫酸钾提取法测定[24]，提取液中碳用Shimadzu TOC自动分析仪测定；土壤水溶性有机碳采用去离子水浸提（水土比为5:1，25℃下浸提30 min，高速离心后过0.45µm滤膜抽滤），提取液中的有机碳采用TOC仪测定。土壤蔗糖转化酶、过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶和脱氢酶用常规方法测定[25]，其中，蔗糖转化酶用3,5-二硝基水杨酸比色法，过氧化氢酶用滴定法；脲酶用奈氏比色法；脱氢酶用氯化三苯基四氮唑(TTC)法；中性磷酸酶用磷酸苯二钠比色法。土壤碱解氮、有效磷、速效钾用常规方法测定。

1.4 数据分析

分析数据采用Excel 2010和软件SPSS12.0处理。

2 结果与分析

2.1 对土壤pH和物理性状的影响

表2的2年检测结果均表明，秸秆还田及还田方式均可不同程度影响土壤pH 和物理性状。由于试验柑橘园土壤pH 较低，秸秆还田可略增加土壤的pH。对于0～10 cm 土层，MR（覆盖还田）、SR（浅层还田）和SR+DR（全层还田）的土壤pH均显著高于对照，但DR（深层还田）对土壤pH 无明显影响；对于10～20 cm 土层，只有SR 和SR+DR 的土壤pH 均显著高于对照，其他处理对土壤pH无明显影响；对于20～40 cm土层，只有DR 和SR+DR 的土壤pH 均显著高于对照，其他处理对土壤pH无明显影响。以上结果表明，秸秆对土壤pH 的影响主要限于与秸秆直接作用的土层。秸秆及因施用秸秆的松土措施均可影响不同深度的土壤容重，与对照比较，MR 处理可显著降低0～10 cm 土层的容重，但其对10～40 cm 土层的容重无明显影响。SR处理可同时降低0～10 cm 土层和10～20 cm 土层的容重，但对20～40 cm土层的容重无明显影响；SR处理降低土壤容重的效果明显大于MR。DR和SR+DR处理可同时降低所有土层的土壤容重，两者的降低效果较为接近。在降低0～20 cm 土层的容重方面SR 处理优于DR和SR+DR处理，但在降低20～40 cm土层的容重方面却好相反。同时，秸秆的施用和松土也不同程度增加了土壤中水的贮存。采样时对不同深度水分的实测表明，所有4 种还田方式均不同程度增加土层中含水率，其中0～10 cm土层以MR处理的效果最为明显；而对于10～20 cm 土层，一般以SR 和20～40 cm 土层最好，其次为DR 处理，MR 处理稍低；而对于20～40 cm土层，一般以DR 处理最好，其次为SR 和20～40 cm 土层，MR处理稍低。

表2的结果还表明，秸秆还田可显著增加土壤中>0.25 mm水稳定性团聚体的含量，其中，MR、SR和SR+DR 处理的0～10 cm 土层土壤水稳定性团聚体均显著高于对照，SR和SR+DR的10～20 cm土层土壤水稳定性团聚体均显著高于对照，DR和SR+DR的20～40 cm土层土壤水稳定性团聚体均显著高于对照。

用土壤含水率与容重数据计算的0～40 cm土层土壤水总贮量的结果见表3。结果表明，不同的秸秆还田处理均可增加0～40 cm土层贮水总量，其中，2019年的增幅在4.33%～8.65%之间，增幅由高至低为MR＞SR＞SR+DR＞DR；2020年的增幅在11.25%～15.35%之间，增幅由高至低为SR+DR＞SR＞DR＞MR；其增水效果随时间增加；且深层土壤的贮水量2020年明显高于2019年。

表3 还田方式对0～40 cm土层水和有机碳贮量的影响 kg/m2

2.2 对土壤有机碳及其组分的影响

表4的2年检测结果表明，秸秆还田后土壤中有机碳、易氧化有机碳、水溶性有机碳和微生物生物量均有不同程度的增加，且不同形态有机碳的变化趋势较为一致，但活性有机碳（易氧化有机碳、水溶性有机碳和微生物生物量）变化幅度高于有机碳总量。以下以2020 年观察数据为例说明不同还田方式对土壤有机碳形态的影响。

表4 不同秸秆还田方式对土壤有机碳及其组分的影响

与对照比较，有机碳在各土层中的变化有所差异。在0～10 cm 土层中，MR、SR、SR+DR 处理的有机碳均高于对照，分别比对照增加3.93%、9.20%和6.77%，而DR处理略有下降；在10～20 cm土层中，只有SR 和SR+DR 处理的有机碳明显高于对照，分别比对照增加20.44%和13.29%；在20～40 cm 土层中，只有DR 和SR+DR 处理的有机碳明显高于对照，分别比对照增加84.08%和42.04%，其他处理的变化较小。

在0～10 cm土层中易氧化有机碳、水溶性有机碳、微生物生物量碳的变化与有机碳相似，DR 处理变化较小，MR、SR、SR+DR处理的以上形态的有机碳均高于对照，易氧化有机碳含量分别比对照增加4.55%、21.59%和11.36%，水溶性有机碳含量分别比对照增加25.31%、44.44%和24.69%，微生物生物量碳含量分别比对照增加18.95%、34.74%和27.37%；在10～20 cm土层中，除DR处理的易氧化有机碳含量略有下降外，所有秸秆还田处理的易氧化有机碳、水溶性有机碳、微生物生物量碳均有不同程度的增加，MR、SR、SR+DR处理的土壤易氧化有机碳分别比对照增加8.20%、45.90%和27.87%；MR、SR、DR、SR+DR处理土壤水溶性有机碳分别比对照增加12.84%、53.21%、8.26%和36.70%，微生物生物量碳分别比对照增加10.26%、44.87%、5.13%和25.64%。在20～40 cm 土层中，DR 和SR+DR 处理的土壤易氧化有机碳、水溶性有机碳、微生物生物量碳均明显高于对照，分别比对照增加157.89%和89.47%、159.57%和100.00%、137.50%和62.50%，而MR 和SR 处理的土壤易氧化有机碳、水溶性有机碳、微生物生物量碳变化较小。

用土壤有机碳含量和容重数据计算的0～40 cm土层土壤有机碳总贮量的结果见表3。结果表明，MR处理因秸秆没有翻入土壤中，对0～40 cm 土层土壤有机碳总贮量影响较小，其他秸秆还田方式均可不同程度增加有机碳的贮量。其中，SR、DR和SR+DR等3种处理2019 年的有机碳贮量增幅在2.17%～10.91%之间，增幅由高至低为SR+DR＞DR＞SR；2020年的增幅在2.99%～9.57%之间，增幅由高至低为DR＞SR+DR＞SR；增效随时间略有下降；秸秆深施有助于增加0～40 cm土层土壤有机碳总贮量。

2.3 对土壤酶活性的影响

秸秆以不同方式还田后，不同土层中酶的活性也发生了变化，但各土层中不同种类酶活性的变化有所差异（表5）。对于0～10 cm 土层，除DR 处理外，其他处理均可明显增加蔗糖转化酶和过氧化氢酶的活性，其中以SR处理的增幅最为显著；DR和SR+DR处理对脲酶和脱氢酶活性影响较小，但MR和SR处理显著增加了脲酶和脱氢酶的活性，增幅也是以SR处理最为显著；与其他酶活性比较，秸秆还田对0～10 cm土层土壤中性磷酸酶活性影响较小，只有SR处理后中性磷酸酶活性有较为显著的增加。对于20～40 cm 土层，MR 和SR处理对5种酶活性均无影响，但MR和SR处理均显著增加了5种酶的活性。

表5 不同秸秆还田方式对土壤酶活性的影响

2.4 对土壤速效养分的影响

表6 为秸秆不同方式还田对不同深度土层碱解氮、有效磷和速效钾的影响。与对照比较，MR处理只增加了0～10 cm土层的碱解氮、有效磷和速效钾，对其他土地层的速效养分无明显影响；SR处理同时增加了0～10 cm 土层和10～20 cm 土层的碱解氮、有效磷和速效钾，但对20～40 cm 土层的速效养分无显著的影响；DR 处理可显著增加20～40 cm 土层的碱解氮、有效磷和速效钾和10～20 cm土层的碱解氮，对其他土层的差异无明显影响。SR+DR 处理均可同时增加3 个土层的碱解氮、有效磷和速效钾。

表6 不同秸秆还田方式对土壤速效养分的影响 mg/kg

3 结论

（1）秸秆还田可影响土壤pH、酶活性和碱解氮、有效磷和速效钾，且主要影响与秸秆直接作用的土层。施用秸秆及因施用秸秆的松土措施均可降低不同深度的土壤容重，增加土壤含水率和>0.25 mm水稳定性团聚体的含量。对0～40 cm土层土壤水总贮量的效果由高至低为SR+DR＞SR＞DR＞MR。

（2）秸秆还田后土壤中有机碳、易氧化有机碳、水溶性有机碳和微生物生物量均有不同程度的增加，变化幅度活性有机碳（易氧化有机碳、水溶性有机碳和微生物生物量）高于有机碳总量。对0～40 cm土层土壤有机碳总贮量的增幅由高至低为DR＞SR+DR＞SR，秸秆深施有助于增加0～40 cm土层土壤有机碳总贮量。

（3）秸秆深层还田和全层还田对土壤改良作用的影响范围大于秸秆浅层还田，特别是在增加深层土壤有机碳和水分的贮存方面秸秆深层还田尤为显著。可采用秸秆深层还田与地表覆盖相结合可全方位改善柑橘园土壤性状。

4 讨论

农作物秸秆中含有作物生长所需要的N、P、K 等多种营养元素，是土壤有机质的重要来源。秸秆还田不仅能够为作物生长提供必需的营养元素，还能增加土壤有机质含量，改善土壤质量[8-9,14]，本研究的结果也证实了秸秆不同方式还田均可改善柑橘园土壤的性状。但还田方式不同，其对土壤性状影响的方式也有一定的差异。当秸秆用于果园地表覆盖时，其可增加表土最上部分土壤的有机质含量，降低土壤容重，提高土壤pH和水稳定性团聚体数量，增强土壤生物活性；但秸秆覆盖对深层土壤的影响不明显。试验结果也表明，秸秆地表覆盖可明显增加表层土壤的含水率，这与地表覆盖秸秆后，地表粗糙度增加，径流减少，增加了降水期间土壤水的入渗量，同时减弱了地表蒸发有关[26]。总体上，秸秆地表覆盖对地表土壤水分的影响大于深层土壤。当秸秆粉碎翻耕还田时，由于翻耕本身有松土作用，同时由于秸秆与土壤充分混合，这一方面改善了土壤的物理性状（增加水稳定性团聚体、降低容重），同时也明显增加了土壤中有机质和养分的积累，因此，其对土壤的作用强度显然大于以上的秸秆地表覆盖，这从土壤有机碳含量及组分、土壤容重、水稳定性团聚体和酶活性的变化都得到证实。但秸秆浅翻还田与深翻还田对不同深度土层有机碳和物质性状的影响不同，一般来说，浅翻还田主要影响上层土壤的性状，但深翻还田不仅可影响深层土壤的性状，对上层土壤的影响也较为明显。同时深翻还田更有利于增加有机碳的积累和土壤有机碳库和水库的增加，这显然与深层土壤通气较弱，秸秆矿化速率较小、有利于有机碳保存及有利于水分向深层土壤迁移有关。由于果树根系分布较深，深层土壤性状对果树根系伸展、吸收养分有较大的影响，因而改善果园深层土壤性状非常必要；而不同还田方式对土壤的作用特点不同，因此秸秆深层还田与地表覆盖相结合可全方位改善土壤性状，对于果园建设前期可考虑以秸秆深层还田为主，后期逐渐采用浅层还田或覆盖还田。