李昊昱 孟兆良 庞党伟 陈 金 侯永坤 崔海兴 金 敏王振林,* 李 勇,*

1山东农业大学农学院 / 作物生物学国家重点实验室； 2山东农业大学生命科学学院, 山东泰安271018

农田土壤碳库约占陆地土壤碳库的 8%～10%,对农艺管理措施响应敏感[1], 促进农田土壤固碳对土质提升与作物增产有重要意义[2]。土壤团聚体的团聚作用被认为是有机碳固定的核心机制[3], 其稳定性与有机碳的长期固存密切相关[4]。秸秆还田是农田碳输入和驱动团聚体周转的重要因素[5]。因此,研究秸秆还田对土壤团聚体及有机碳的影响对农田土壤固碳意义重大。

合理的秸秆还田能够改善土壤结构, 提高有机质含量, 促进大团聚体形成, 利于作物增产[6]。秸秆双季还田配施适量氮肥能够有效降低土壤容重, 增加总孔隙度, 是改良砂姜黑土的有效措施[7]； Zhao等[8]认为双季全量还田能够显著改善土壤结构, 提高土壤有机碳含量及周年产量, 单季还田则能够维持土壤有机碳初始水平； 在莱阳潮土区, 麦玉双季还田处理下作物籽粒品质优于小麦单季还田[9]； 同时, 许菁等[10]发现, 深松+秸秆还田能够显著增强小麦玉米光合能力, 提高单季和周年产量。然而, 也有研究表明秸秆还田对土壤团聚体和作物产量产生负面影响[11]。因此, 秸秆还田的效应与特定生态区、还田量、耕作方式及施氮量等配套农艺措施密切相关。

随着作物单产的提高以及秸秆综合利用技术的发展, 选择适宜的周年秸秆还田模式对于兼顾土质提升和秸秆资源的充分利用有重要意义。前人对黄淮海东部地区小麦玉米周年生产中秸秆还田技术的研究多集中于双季秸秆还田； 单季秸秆还田对土壤肥力、作物生产的影响仍需深入。此外, 大部分研究侧重于秸秆还田对耕层(0～20 cm)土壤结构和养分的影响, 较少关注更深层土壤碳库变化； 同时, 研究与该区常用耕作方式相结合的周年还田模式更具有现实推广意义。本试验分析不同周年秸秆还田模式对土壤容重、团聚体组成与稳定性、团聚体有机碳含量、土壤固碳能力以及小麦-玉米周年产量的影响, 旨在为现有耕作制度下提升土壤生产潜力和优化配套区域秸秆还田模式提供理论依据与技术支撑。

表1 试验设计Table 1 Experiment design

1 材料与方法

1.1 试验点概况

山东农业大学试验站(山东泰安, 36°09′N,117°09′E)属于温带半湿润大陆性气候, 年平均气温13℃, 年平均降雨量 697 mm, 是典型的冬小麦-夏玉米一年两熟区。试验开始前耕层(0～20 cm)土壤含有机质14.37 g kg-1、全氮1.24 g kg-1、速效磷9.60 mg kg-1、速效钾85.30 mg kg-1、硝态氮12.79 mg kg-1、铵态氮6.06 mg kg-1, pH 8.06。

1.2 试验材料与设计

定位试验中设置双季秸秆不还田(NS)、夏玉米季秸秆还田(SS)、冬小麦季秸秆还田(WS)、双季秸秆还田(DS) 4个处理。采取随机区组设计, 3次重复,小区面积为9 m × 3 m = 27 m2。田间操作见表1。

供试冬小麦品种为济麦 22, 种植密度为2.25×106株 hm-2, 行距 25 cm。于 2016年 10月 9日、2017年10月8日播种(按照种植密度×130%播种), 三叶期查苗、定苗(根据种植密度要求, 每平方米留苗225株, 去弱留强)。各处理施肥量均为纯氮225 kg hm-2, 耕地时施入 50%氮肥(尿素)、105 kg hm-2P2O5(过磷酸钙)和105 kg hm-2K2O (氯化钾),其余氮肥于拔节期开沟追施。供试夏玉米品种为郑单 958, 种植密度为 6.75×104株 hm-2。于 2017年 6月11日、2018年6月9日播种, 各处理施肥量均为纯氮180 kg hm-2、120 kg hm-2P2O5(过磷酸钙)和96 kg hm-2K2O (氯化钾), 50%氮肥和全部磷、钾肥于播种前施入, 其余氮肥于大喇叭口期追施。耕作方式为冬小麦季旋耕(10～12 cm), 夏玉米季免耕。其他管理措施同高产田。还田秸秆均为上季作物残茬(表 2)。

1.3 样品采集

1.3.1 土壤容重样品采集 于2017年9月25日和2018年9月20日采集土壤容重样品, 从各小区随机选取 5个点, 采用环刀法每 10 cm一层, 测定0～40 cm土层容重。

1.3.2 土壤团聚体样品采集 于 2017年9月25日和2018年9月20日从各小区随机选取5个点, 使用分离式土壤原状土取样器(AWS-ETC-300E, 美国)采集具有代表性的原状耕层土壤(避免外力挤压, 以保持原来的结构状态), 分 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 4个层次。运回室内(运输时避免震动和翻倒), 沿土壤的自然结构轻轻拨开, 将原状土剥成小土块, 防止外力作用而变形, 去除秸秆、根系残体与小石块, 于通风处自然风干。

1.3.3 土壤样品采集 于 2017年 9月 25日和2018年9月20日从各小区随机选取5个点, 分别用土钻采集 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm土层土壤, 充分混合后, 经风干, 磨碎, 过 60目筛,测定土壤有机碳含量。

1.4 样品分析及方法

1.4.1 土壤团聚体分析 采用改进的湿筛法测定土壤团聚体含量, 取各处理 50.0 g土样, 用于湿筛的分析, 采用土壤团聚体分析仪(TTF-100, 浙江舜龙), 一次可同时分析4个土样, 套筛孔径依次为5、2、1、0.5和0.25 mm。将土样倒入套筛中, 在水中稳定10 min, 然后按20次 min-1的频率上下振动3 min (上下筛动时套筛不能露出水面)。筛分结束后,将留在筛子上的各级团聚体用去离子水流通过漏斗分别洗入铝盒, 澄清后倒去上清液, 40℃烘干至恒重, 在空气中平衡2 h后称量。磨碎过60目筛, 测定各粒级土壤团聚体有机碳含量。

1.4.2 土壤有机碳含量测定 采用重铬酸钾-外加热法测定土壤有机碳含量。

1.4.3 产量相关性状测定 冬小麦成熟期在各小区内选取长势均匀一致的区域, 收获 2.0 m×6行(共计3 m2, 不包括边行), 采用QKT-320A型小型种子脱粒机(河南省卫辉市种子机械制造厂)脱粒, 风干后调整含水量至12%测定籽粒产量。夏玉米成熟期在每个小区去除边行后, 随机收获双行玉米中的连续30穗,人工脱粒, 风干后调整含水量至14%测定籽粒产量。1.4.4 样品分析与计算公式

(1) 土壤不同粒级团聚体的质量百分比：

式中,wi代表第i级团聚体的质量分数(%)；Wi代表第i级团聚体的风干质量(g)。

(2) 土壤大团聚体数量：

式中,R0.25代表大团聚体(＞0.25 mm)数量(%),Wi＞0.25代表＞0.25 mm团聚体的重量。

(3) 平均重量直径(MWD)：

式中,xi为第i级团聚体的平均直径(mm),wi为第i级团聚体的质量比例(%)。

(4) 土壤有机碳储量：

式中, SCS代表土壤有机碳储量(t C hm-2)； SOC代表土壤有机碳含量(g kg-1)； SBD代表土壤容重(g cm-3)；H代表土层深度(cm)。

(5) 土壤不同粒级团聚体的固碳能力：

式中, CPCi代表第i级土壤团聚体固碳能力； SSACi代表第i级团聚体中土壤有机碳含量(g kg-1)；wi代表第i级团聚体的质量分数(%)。

1.5 统计分析

对2018年样品进行分析, 采用Microsoft Excel 2016整理数据, 用DPS 7.05进行统计方差分析, 用LSD 法进行多重比较, 采用 SigmaPlot 12.5绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤容重与团聚体分布

在0～40 cm土层中, 随土层加深, 容重增加, 大团聚体质量比例减少(表3)。与秸秆不还田相比, 各秸秆还田处理均不同程度降低了0～30 cm各土层的土壤容重, SS、WS和DS处理分别平均降低4.8%、2.7%和 6.1%； 大团聚体质量比例平均分别提高12.8%、15.0%和 12.9%, 说明秸秆还田能够有效地改善土壤结构。3种还田模式中, DS处理对容重的降低效果最显著。

表3 不同秸秆还田模式对0～40 cm土壤容重、团聚体分布及稳定性的影响Table 3 Effect of different straw incorporation model on soil bulk density, soil aggregate proportion, and mean weight diameter in 0-40 cm layers

不同粒级团聚体分布如表3所示, 在0～40 cm各土层中, 1.0～0.5 mm 粒级团聚体质量比例分别为24.5%、26.5%、25.6%和33.7%, 是土壤团聚体的优势粒级； 在 0～10 cm 土层中, 秸秆还田主要通过提高＞5 mm、1.0～0.5 mm粒级团聚体质量比例来提高R0.25, 各处理平均提升100.8%和25.5%； 在10～20和20～30 cm土层中,R0.25的提升主要是由于 5～2 mm (14.7%和64.5%)和1.0～0.5 mm (15.8%和14.6%)粒级团聚体的提升。所有土层中, 均以 DS处理大团聚体提升幅度最大。同时, 与不还田处理相比, 各秸秆还田处理显著降低了0～30 cm各土层微团聚体质量比例, 平均分别降低35.5%、44.7%和31.5%。在30～40 cm各土层中,R0.25以及各团聚体分布处理间差异不显著。平均重量直径(MWD)是评价土壤团聚体稳定性的重要指标, 在0～10 cm、10～20 cm和 20～30 cm土层中, 秸秆还田处理的 MWD值显著高于无秸秆还田处理, 说明秸秆还田提高了土壤团聚体的稳定性。其中, DS处理提升效果最显著。在30～40 cm土层中, 各处理间无显著性差异, 说明秸秆还田对该土层土壤团聚体结构影响较小。

2.2 土壤总有机碳含量和储量

不同秸秆还田模式均显著提高了0～30 cm各土层中有机碳含量(SOC)(图1)。与NS相比, DS提升幅度最大, 增幅为 16.3%～20.8%； 各秸秆还田处理SOC在不同土层表现出不同趋势, 在0～10 cm土层表现为 DS＞SS＞WS＞NS； 而在 10～30 cm 土层中则表现为 DS＞WS＞SS＞NS。30～40 cm 土层中, 各处理间SOC含量无显著性差异。从不同土壤层次来看, 秸秆还田处理下0～10 cm和10～20 cm土层中有机碳含量显著高于20～30 cm和30～40 cm土层, 说明秸秆还田主要促进表层有机碳积累。

不同处理下土壤有机碳储量(SCS)表现为10～20 cm＞0～10 cm＞20～30 cm＞30～40 cm。0～20 cm 土层中SCS占0～40 cm土层SCS的63.6%, 表现出“上富下贫”的规律。与不还田相比, 各秸秆还田处理均显著提高了0～30 cm各土层中有机碳储量, 以DS处理最为显著, 分别提升6.6%、12.5%和14.6%。

2.3 团聚体有机碳含量

由表4可以看出, 0～40 cm各土层中有机碳含量均随团聚体粒级的减小逐渐减少。10～20 cm土层中各粒级团聚体有机碳含量最高, 其他土层依次为0～10 cm、20～30 cm 和 30～40 cm, 与 SOC、SCS 规律表现一致。与秸秆不还田处理相比, 各秸秆还田处理对所有粒级团聚体中有机碳含量均有不同程度的提高； 各处理效果总体表现为DS＞WS＞SS, DS处理下各粒级团聚体 SOC平均分别提高 12.5%、18.2%、16.4%、13.9%、12.4%和10.7%。

图1 不同秸秆还田模式对0～40 cm土壤有机碳含量和储量的影响Fig. 1 Effects of straw incorporation on SOC and SCS in 0-40 cm layers

表4 不同秸秆还田模式对0～40 cm土层中各粒级团聚体关联有机碳含量的影响Table 4 Effect of straw incorporation on aggregate-associated soil organic carbon content in 0-40 cm layers

2.4 土壤团聚体固碳能力

各土层土壤固碳能力为 10～20 cm≈0～10 cm＞20～30 cm＞30～40 cm (表 5)。与不还田处理相比, 秸秆还田显著提高了0～30 cm各土层土壤总固碳能力,平均分别提升7.2%、8.7%和21.4%。在0～10 cm土层, 秸秆还田主要提高了＞5 mm和1.0～0.5 mm粒级土壤团聚体的固碳能力, 平均分别提高 0.30 g kg-1和0.42 g kg-1； 其中DS处理效果最显著。在10～20 cm土层, 与不还田处理相比, ＞5 mm和5～2 mm粒级团聚体固碳能力显著提高, 平均分别提高 0.24 g kg-1和0.39 g kg-1。在20～30 cm土层, 各秸秆还田处理则主要提高了5～2 mm、2～1 mm和1.0～0.5 mm粒级团聚体固碳能力, 平均分别提高 0.43 g kg-1、0.34 g kg-1和 0.30 g kg-1。但秸秆还田降低了 0～30 cm土层中0.50～0.25 mm和＜0.25 mm粒级团聚体固碳能力, 平均分别降低0.11 g kg-1和0.38 g kg-1。总体来看, DS处理下土壤固碳能力增幅最大, 说明双季秸秆还田最利于土壤有机碳的固定。

2.5 秸秆还田量与SBD、SOC、SCS、MWD和CPC间的关系

作物地上部秸秆还田量(SIR)与 0～30 cm 土壤SOC、SCS、MWD和CPC之间显著正相关(表6), 表明地上部秸秆还田总量是促进SOC和SCS提高、团聚体稳定性和土壤固碳能力增强的主要因素之一, 与0～30 cm土层SBD呈显著负相关, 说明秸秆还田量对降低土壤容重有一定影响。土壤有机碳作为土壤团聚过程中的胶结剂, 其含量影响着土壤团聚体的稳定性。在 0～10 cm、10～20 cm和 20～30 cm土层中, SOC与MWD值呈显著正相关, 说明较高的SOC促进了团聚体稳定性的提高； 同时SOC与SBD呈显著负相关。SCS与SBD相关性不显著, 与SOC显著正相关, 说明SOC是决定SCS的主要因素。SOC、SCS和 MWD均与 0～30 cm土壤 CPC呈显著正相关, 表明土壤固碳能力的提升与有机碳含量、储量的提高和团聚体稳定性的增强密不可分。

表5 不同秸秆还田模式对0～40 cm土层土壤固碳能力的影响Table 5 Effect of straw incorporation on carbon preservation capacity of soil aggregates in 0-40 cm layers

表6 作物地上部还田量与SBD、SOC、SCS、MWD和TCPC之间的相关系数Table 6 Correlation coefficients of SIR with SBD, SOC, SCS, MWD, and TCPC

2.6 冬小麦-夏玉米产量

秸秆还田显著提高了冬小麦、夏玉米的籽粒产量(表 7), 两年规律表现一致, 虽然 2017—2018年小麦产量整体下降, 但秸秆还田对产量的提升作用依然显著。3种还田模式中, 以DS处理增产效果最为显著, 小麦、玉米两年平均每公顷增产 1297.15 kg和 1175.03 kg； 周年总产对秸秆还田响应显著,SS、WS、DS处理两年分别平均增产 4.4%、8.1%和14.3%。SS主要提高了夏玉米产量, WS则主要提高了冬小麦籽粒产量, DS处理下小麦、玉米增产均衡, 说明秸秆还田主要影响当季作物的籽粒产量。

表7 不同秸秆还田模式对冬小麦和夏玉米产量的影响Table 7 Effects of straw incorporation on grain yield of winter wheat and summer maize

3 讨论

3.1 秸秆还田对土壤容重和团聚体分布的影响

土壤容重是土壤重要的物理性质之一, 能够有效调节土壤水肥热状况[12]。多数研究表明, 秸秆还田对降低土壤容重起积极作用[13], 本试验结果与前人研究一致(表3)。究其原因, 可能由于秸秆具有密度低的特点, 还田后对土壤起到一种“稀释作用”,从而降低单位体积土壤的质量[14]。

土壤团聚体是由矿物颗粒和有机物形成的不同尺度的多孔结构单元[15], 良好的土壤结构是作物高产的基础。Foute等[16]研究表明, 大量的秸秆输入是大团聚体比例和团聚体稳定性提高的主要原因。本研究结果表明, 与未还田处理相比, 秸秆还田对土壤团聚体的影响趋势大致相同, 即大团聚体质量比例增加, 微团聚体质量比例减小, 团聚体稳定性增强(表 3)。其中, 双季秸秆还田处理效果最显著, 这与前人研究一致[15,17]。本试验条件下, 在0～30 cm土层, SOC与MWD呈显著正相关(表6)。秸秆腐解产生的有机物质如多糖和有机酸, 不仅为微生物提供更多的生存环境, 同时促进土壤微团聚体、土壤矿物质和粗颗粒有机物胶结为大团聚体, 提高团聚体的稳定性[18]。

3.2 秸秆还田对土壤总有机碳的影响

土壤有机碳能够有效地调控土壤的物理、化学和生物过程, 是评价土壤质量的重要指标之一[19]。本试验研究结果表明, 与未还田处理相比, 秸秆还田显著提高了0～30 cm各土层土壤有机碳含量和储量(图 1), 与前人研究一致[17,20]。Stewart等[21]认为,当农田土壤有机碳含量未饱和时, 秸秆还田才能够提高SOC含量。本研究表明, 在黄淮海平原小麦玉米轮作中, 双季秸秆还田处理的SOC和SCS高于单季还田处理高于未还田处理, 说明该区域农田土壤中有机碳含量和储量尚未达到饱和。因此, 秸秆还田仍是黄淮海东部提升地力的有效措施。

农田土壤有机碳主要取决于有机物料输入与输出的平衡[22]。本研究结果表明, 在0～30 cm土层中,秸秆还田量与 SOC呈显著正相关(表 6)。小麦秸秆还田量虽大, 但对SOC的提升作用不如玉米秸秆还田, 其原因可能为冬小麦季播前旋耕使得玉米秸秆与土壤接触紧密, 为土壤微生物提供了附着点和营养源, “刺激”了微生物活性, 加速了玉米秸秆的腐解[23-24]； 而小麦秸秆为免耕覆盖还田, 表层秸秆只能经风化等物理过程初步降解[25], 只有与土壤接触的下层秸秆才能由微生物快速分解, 导致SS处理下0～10 cm土层SOC和SCS高于WS处理。同时, 小麦秸秆的 C/N要高于玉米秸秆, 腐解速率较低[26]。综上所述, 农田土壤有机碳的积累主要取决于秸秆还田量、还田秸秆性质及其腐解速率。

3.3 秸秆还田对土壤团聚体有机碳及固碳能力的影响

有研究表明, 土壤表层有机碳约 90%储存在团聚体中, 团聚体的团聚作用对实现农田土壤固碳具有重要意义[27]。本实验条件下, 土壤团聚体中有机碳含量均随团聚体粒径的增大而增加(表4), 说明大团聚体是有机碳的主要载体[28]。同时, 秸秆还田也提高了团聚体的固碳能力, 尤其是＞5 mm、5～2 mm、1～0.5 mm粒级土壤团聚体(表 5)。秸秆腐解释放的有机碳受土壤大团聚体的物理保护, 并在其中进行化学转化和结构稳定, 进而影响微生物群落和功能的进化与匹配, 最终将有机碳固定在土壤中[29]。团聚体的固碳效应以及大团聚体的形成是有机碳与团聚体共同作用的结果, 二者相辅相成, 共同促使土壤质量良性化发展。三种秸秆还田处理中, 以双季秸秆还田对土壤团聚体稳定性与固碳能力改善效果最显著, 可能是秸秆还田量差异造成的[30]。

3.4 秸秆还田对作物产量的影响

本试验研究结果表明, 与不还田相比, 无论何种还田模式, 两年度小麦-玉米周年产量均得到了提升(表7), 与前人研究结果相符[31]。秸秆还田能够优化土壤结构, 补充和平衡土壤养分, 最终提升作物产量。两种单季还田模式均产生了对还田当季作物明显的增产效应, 其原因可能与秸秆分解特性有关。玉米秸秆主要在越冬期前和拔节后快速腐解[32],伴随着养分的释放, 越冬前秸秆还田有利于培育冬前壮苗, 拔节后秸秆的快速腐解使得土壤水肥供应更加充足, 进而提高小麦产量。在夏玉米生长季, 秸秆还田补充了土壤中的有机质与养分, 从而为籽粒发育提供充足的碳源[33], 达到玉米增产的目的。

4 结论

秸秆还田能够显著提高耕层(0～30 cm)有机碳含量, 优化土壤团聚体组成, 提高团聚体稳定性与固碳能力, 协同提高小麦玉米产量。双季还田模式是当前黄淮海区域土质提升和作物增产的最佳措施；

单季秸秆还田能维持较高的土壤生产力, 同时提供大量秸秆的饲料化、能源化和原料化多元利用。