不同秸秆还田量对土壤团聚体及有机碳含量的影响

摘要：为探究不同秸秆还田量以及秸秆还田年限对土壤团聚体组成、稳定性以及碳库变化特征的影响，利用长期定位试验站的4个处理，秸秆全量还田（1XG）、秸秆1/2量还田（1/2XG）、秸秆1/3量还田（1/3XG）和根茬还田处理（CK），对团聚体稳定性以及各级团聚体有机碳含量进行连续3年的动态监测。结果表明，与CK相比，秸秆还田能够提高土壤中gt;0.25 mm粒级团聚体的含量，其中秸秆全量还田效果最好。随着秸秆还田年限的增加，lt;0.053 mm粒级团聚体含量呈增加趋势。秸秆还田能够显著提高团聚体平均重量直径，对增强团聚体稳定性起到一定作用。秸秆还田提高了土壤团聚体有机碳含量，其中秸秆全量还田效果最好，各处理gt;0.25 mm粒级团聚体有机碳含量均最高，表明秸秆还田后有机碳优先固存在大团聚体中，gt;0.25 mm粒级团聚体的有机碳贡献率最高，为60.90%～82.09%，lt;0.053 mm粒级团聚体最低，为2.39%～6.28%。综上，秸秆还田能够促进土壤团聚体的形成，提高土壤团聚体有机碳的含量，其中秸秆全量还田的固碳效果最好。研究结果为确定合理的秸秆还田量提供数据支持，为提升和改善黑土区土壤肥力提供理论依据。

关键词：秸秆还田量；水稳性团聚体；团聚体有机碳；有机碳贡献率

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0342

中图分类号：S158.5

文献标志码：A

文章编号：1008‑0864（2025）01‑0193‑08

东北黑土是世界“四大黑土地”之一。在东北寒冷的气候条件下，植被冬季凋落，微生物活性受抑制，凋落物无法快速分解，从而逐渐积累成一层厚厚的腐殖质，最终形成肥沃的黑土层。黑土因具有肥力高、营养结构全面等优点，十分适宜耕种。据统计，截至2021年，东北黑土区粮食产量连续12年居全国首位，被誉为“中华大粮仓”，其中玉米播种面积占全国播种面积的31.6%，秸秆资源丰富[1]。现如今，黑土肥力降低、土壤结构被破坏等问题频发，对粮食安全造成巨大影响，因此提升东北黑土区土壤质量成为一项重要任务。土壤团聚体在改善土壤物理性质方面具有重要作用[2]，不仅影响土壤中水分的运移，还影响着土壤中养分的固定与运输[3]，是农业生态系统可持续管理的关键[4]。土壤有机碳是评价土壤质量的重要指标，对调控土壤理化性质具有重要作用[5]。土壤有机碳可作为土壤团聚体形成的重要胶结物质，维持和提高土壤团聚体的稳定性。研究表明，秸秆还田有利于提高土壤有机碳含量、促进土壤养分循环，是培肥土壤、提高耕地综合生产能力的沃土措施[6-8]。Zhang等[9]通过为期5年的试验发现，秸秆还田能减少lt;0.25 mm粒级团聚体比例，增加gt;0.25 mm 粒级团聚体的比例。Liao 等[10] 研究发现，土壤碳主要存在于gt;0.053 mm 粒级的团聚体中，lt;0.053 mm 粒级土壤团聚体土壤碳含量较低，说明秸秆还田可以通过提高土壤水稳性大团聚体的比例间接影响土壤有机碳的含量。黄璐等[11]通过对黄土旱塬麦田土壤研究发现，秸秆还田能够促进土壤水稳性微团聚体向水稳性大团聚体转化，团聚体稳定性提高，且秸秆还田增加了土壤及团聚体的有机碳含量，有机碳含量随着秸秆还田量的增加而增加。高洪军等[12]研究表明，13 500 kg·hm-2秸秆还田量可以显著提高各级团聚体有机碳含量，与秸秆不还田相比，提升幅度为2.3%～22.7%。因此，大力推广秸秆还田技术对我国农业可持续发展、保护农田生态环境、保障粮食安全具有重要意义。本研究通过连续9 年的不同秸秆还田量试验，探讨不同秸秆还田量以及秸秆还田年限对土壤团聚体组成及有机碳含量的影响，分析团聚体稳定性以及各级团聚体有机碳含量的变化状况，进而阐明秸秆还田后各级团聚体有机碳含量与团聚体稳定性的关系，为提升和改善黑土区土壤肥力提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验始于2012年，采用玉米连种，秸秆秋季机械粉碎旋耕还田。试验站坐落在黑龙江省嫩江中储粮北方公司科技园区（49°33′35″N、125°27′5″E）。试验区土壤类型为黑土，属中温带大陆性季风气候，年均气温0.8～-1.4 ℃，年均降水量450 mm，无霜期115 d，有效积温2 150 ℃。0—20 cm耕层土壤有机质含量 45.9 g·kg-1，全氮含量2.5 g·kg-1，全磷含量2.0 g·kg-1，全钾含量22.7 g·kg-1，碱解氮含量211.9 mg·kg-1，速效磷含量78.6 mg·kg-1，速效钾含量226.7 mg·kg-1。

1.2 试验设计

采集2018—2020年土壤样品。试验小区39 m2，种植作物为玉米（品种为德美亚2号），在调节秸秆碳氮比（C/N）的基础上，施肥量为N 150 kg·hm-2、P2O5 75 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2。选择长期定位试验站4个处理为：①根茬还田（CK）；②秸秆全量还田（1XG），秸秆还田量为该试验区往年CK处理产出秸秆平均量9 000 kg·hm-2；③秸秆1/2量还田（1/2XG），秸秆还田量为4 500 kg·hm-2；④秸秆1/3量还田（1/3XG），秸秆还田量为3 000 kg·hm-2。2018—2020年各处理秸秆还田量不变。

1.3 试验方法

1.3.1 样品采集

作物收获后，用5点取样法采集各小区0—20 cm土层的田间原状土壤样品，剔除植物根系等杂质，混匀并置于室内自然风干，一部分用于土壤团聚体分级，一部分用于土壤有机碳的测定。

1.3.2 分析方法

土壤团聚体分级采用湿筛法[13]，称取原状土100 g，置于团聚体分析仪（AS200，德国）的套筛（孔径分别为0.25、0.053 mm）顶层中，振荡30 min 后取出，于50 ℃下烘干至恒重，测定gt;0.25、0.25～0.053、lt;0.053 mm 粒级团聚体的比例。土壤团聚体平均重量直径（mean weightdiameter，MWD）采用公式（1）计算。土壤团聚体各粒级有机碳的测定采用重铬酸钾容量外加热法[14]。各粒级团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率（organic carbon contribution rate，CR）采用公式（2）计算。

式中，Xi 为筛子第i 个孔内的质量，g；Wi 为第i个筛子筛孔的平均直径，mm。

式中，am 为各粒级团聚体有机碳含量，g·kg-1；bm 为不同粒级土壤团聚体含量，%；TC为土壤总有机碳含量，g·kg-1。

1.4 数据处理

采用office 2019对数据进行分析处理，采用SPSS 23.0进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田量对土壤团聚体粒级分布的影响

2018—2020 年秸秆还田后土壤水稳性团聚体的组成如图1所示，各处理土壤团聚体粒级分布一致，均以gt;0.25 mm粒级团聚体为优势粒级，其在团聚体含量的占比为58.9%～79.6%。与CK相比，秸秆还田能显著增加土壤中gt;0.25 mm粒级土壤团聚体含量，其中1XG处理的gt;0.25 mm粒级团聚体含量最高，连续3 年与CK 达到显著差异水平。随施肥年限的增加，各处理gt;0.25 mm粒级土壤团聚体的含量均表现出先降低后升高的趋势；0.25～0.053 mm 粒级土壤团聚体含量变化除1/3XG处理降低外，其余处理均呈先升高后降低趋势，并且秸秆还田后各处理土壤团聚体的百分含量均显著低于CK；各处理2020年的lt;0.053 mm粒级团聚体含量较2018 年增加16.3%～180.3%，其中，1XG处理的含量最高。以上结果表明，秸秆还田能够增加土壤gt;0.25 mm粒级团聚体的含量，且随着秸秆还田年限的增加，lt;0.053 mm粒级的团聚体含量呈增加趋势。

2.2 秸秆还田对土壤团聚体稳定性的影响

MWD是表征土壤团聚体稳定性的重要指标，其值越大表明团聚体的稳定性越高。由图2 可知，与CK相比，秸秆还田可显著提高土壤团聚体的MWD，但不同的秸秆还田量对土壤团聚体MWD 值的影响具有一定差异，其中1XG 处理连续3年的MWD最高。随还田年限的增加，1XG处理的MWD值表现出先下降后平稳的趋势；1/2XG和CK处理的MWD表现出先下降后上升的趋势；1/3XG处理的MWD表现出先保持平稳后升高的趋势。以上结果表明，秸秆还田能显著增加土壤团聚体的MWD值，但受年际间气候及监测的影响，数据存在差异。

2.3 秸秆还田对土壤团聚体有机碳含量的影响

由图3可知，各处理土壤团聚体中有机碳含量表现为gt;0.25 mm粒级最高，在23.12～27.37 g·kg-1；其次为0.25～0.053 mm 粒级，在20.03～24.30 g·kg-1；lt;0.053 mm粒级团聚体有机碳含量最低，在17.49～23.60 g·kg-1，表明秸秆还田后有机碳优先固存在大团聚体中。对于gt;0.25 mm粒级的团聚体有机碳含量，2018年各秸秆还田处理均显著高于CK，其中1XG处理最高；2019年1XG处理团聚体有机碳含量最高，与1/2XG及CK处理显著差异；2020年1XG和1/2XG处理差异不显著，但1XG处理显著高于CK和1/3XG处理。对于0.25～0.053 mm粒级的团聚体有机碳含量，2018年各秸秆还田处理均显著高于CK；2019年1XG和1/3XG处理显著高于CK，1/3XG 和1/2XG 处理达到显著差异水平；2020年各秸秆还田处理与CK均差异不显著。对于lt;0.053 mm粒级团聚体有机碳含量，2018年CK处理最高，但与1XG 处理差异不显著，二者与1/2XG 和1/3XG 处理均达到显著差异水平；2019年1XG和1/3XG处理与CK未达到显著差异水平，1XG与1/2XG处理差异显著；2020年各秸秆还田处理均高于CK，且随着秸秆还田量的增加呈增加趋势，其中1XG和1/2XG处理与CK达到显著差异水平。结果表明，各粒级团聚体大小差异能够影响团聚体有机碳含量，秸秆还田能够增加团聚体有机碳含量，其中秸秆全量还田效果较好。

2.4 秸秆还田对土壤团聚体有机碳贡献率的影响

由表1可知，gt;0.25 mm粒级团聚体有机碳贡献率最高，为60.90%～82.09%；其次为0.25～0.053 mm粒级，为15.53%～33.08%；lt;0.053 mm粒级最低，仅为2.39%～6.28%。与CK相比，秸秆还田后gt;0.25 mm粒级团聚体有机碳贡献率提高6.79%～26.72%，秸秆还田处理连续3 年与CK 差异显著；0.25～0.053 mm粒级和lt;0.053 mm粒级（除2020年）秸秆还田后有机碳贡献率均显著低于CK 处理，2020年lt;0.053 mm粒级团聚体有机碳贡献率显著高于CK。

随着秸秆还田年限的增加，gt;0.25 mm粒级团聚体有机碳贡献率呈先降低后升高的趋势，其中2018年1XG处理的有机碳贡献率最高，为82.09%；在0.25～0.053 mm粒级中，各处理有机碳贡献率则呈先增加后降低的趋势；lt;0.053 mm粒级中秸秆还田处理有机碳贡献率呈增加趋势，CK处理呈降低趋势。结果表明，秸秆还田能够影响团聚体有机碳贡献率，即提高gt;0.25 mm粒级团聚体有机碳贡献率，随着秸秆还田年限的增加，gt;0.25 mm粒级团聚体有机碳贡献率降低，lt;0.053 mm粒级团聚体有机碳贡献率升高。

3 讨论

土壤团聚体和MWD是评价土壤结构及其稳定性的重要指标[15‑16]，是影响土壤肥力的重要因素。本研究结果表明，秸秆还田能够提高gt;0.25 mm粒级团聚体含量，其中秸秆全量还田效果最好。这是由于秸秆分解过程中会产生有机胶结物质，且秸秆中含有丰富的木质素能够促进大团聚体的形成[17]。新添加的植物残体能够促进土壤团聚体中颗粒有机质的形成，颗粒有机质被土壤中的黏土矿物以及微生物分泌物包裹形成新的微团聚体核心，在土壤有机质胶结作用下形成大团聚体[18]。本研究发现，随秸秆还田年限的增加，lt;0.053 mm粒级团聚体所占比例升高。徐英德[19]研究表明，随着秸秆还田时间的增加，gt;0.25 mm粒级的团聚体含量随之增加，而0.25～0.053 mm粒级的团聚体含量呈下降趋势，与本研究结论不一致。原因可能是黑龙江地区夏季易出现高温和强降雨天气，而水分对土壤的冲击可促使大团聚体破碎，且土壤的干湿交替会影响团聚体的收缩和膨胀，从而提高部分团聚体碎裂概率[20]，使土壤大团聚体更易破碎成微团聚体。本研究土层为0—20 cm，而刘学彤等[21]通过38年长期定位试验发现，长期秸秆还田显著影响0—10 cm土层团聚体的含量，但对10—20 cm土层团聚体无显著影响。肖健等[22]认为，不同秸秆还田形态、秸秆还田方式以及不同的耕作方式都会影响土壤微生物的群落结构和活性，随秸秆还田时间的增加，某些微生物种类的数量可能减少，导致团聚体形成过程受到影响。

外源有机物料的施用增强了土壤的固碳能力，秸秆还田处理显著增加土壤团聚体有机碳含量，秸秆全量还田处理的团聚体有机碳含量最高。这是由于秸秆还田能够增加土壤中的有机碳含量，为微生物提供足够的碳源，增加微生物的活性，促进微生物对秸秆的分解转化，使得团聚体中有机碳含量增加。郝翔翔等[23]通过连续8年的秸秆还田试验发现，土壤团聚体的有机碳含量普遍提高。本研究中，gt;0.25 mm粒级团聚体有机碳含量最高，lt;0.053 mm粒级团聚体有机碳含量最低，与李艳等[24]研究结果相似。包括秸秆还田在内的有机物料的施用，不仅能够丰富土壤碳的来源、提高土壤有机碳含量，还有助于增加土壤大团聚体含量及其稳定性，从而提高土壤的固碳能力。

秸秆还田能够有效改善土壤有机碳的贡献率，整体来看，秸秆还田能够显著提高gt;0.25 mm粒级团聚体的土壤有机碳贡献率，而0.25～0.053 mm粒级贡献率显著低于CK，这是由于秸秆还田后，碳素优先固定到大团聚体中[25]，秸秆还田更有利于促进大团聚体中有机碳的转化。王碧胜等[26]研究显示，秸秆的添加可以显著提高2～0.25 mm团聚体有机碳的贡献率，但随着培养时间的增加，微团聚体有机碳贡献率有增加趋势，与本研究结论相似，即随着秸秆还田时间的增加，lt;0.053 mm粒级团聚体中有机碳贡献率升高，可能是由于随着秸秆的添加，为土壤中微生物提供了充足的碳源，增加了微生物活性以及新陈代谢能力，促进了微生物对有机物质的分解，导致大团聚体中有机碳向微团聚体中转移，使微团聚体中有机碳贡献率增加。

综上所述，秸秆还田能够提高gt;0.25 mm粒级团聚体含量，其中秸秆全量还田效果最好，随秸秆还田年限的增加lt;0.053 mm 粒级团聚体含量增加。秸秆还田对提高团聚体平均重量直径，增强团聚体稳定性具有一定促进作用。通过秸秆还田增加农田碳投入量，提升了团聚体中有机碳含量，其中gt;0.25 mm粒级团聚体有机碳含量最高，秸秆全量还田效果最好。秸秆还田对土壤团聚体有机碳贡献率的影响与团聚体粒级有关，gt;0.25 mm粒级团聚体有机碳贡献率较高，秸秆还田能够增加其贡献率，但随着秸秆还田年限的增加，大团聚体有向微团聚体转移的趋势，随之微团聚体贡献率升高。

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基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFD1500204）；黑龙江省农业科学院杰出青年基金项目（2021JCQN004）；黑龙江省省属科研院所科研业务费项目（CZKYF2023-1-B006）；国家大豆产业技术体系建设项目（CARS-04）；黑龙江省现代农业产业技术协同创新体系项目。