薄國棟，張繼光，申國明*，于會泳，高 林，孫弋媛，王 毅，周顯升，張 揚，劉 明

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院煙草研究所，農(nóng)業(yè)部煙草生物學與加工重點實驗室，中國農(nóng)業(yè)科學院青島煙草資源與環(huán)境野外科學觀測試驗站，青島 266100；2.中國農(nóng)業(yè)科學院研究生院，北京 100081；3.山東濰坊煙草有限公司，山東 濰坊 261000；4.山東中煙工業(yè)有限責任公司，濟南 250100）

近年來隨著化肥的大量施用及有機肥配比的降低，導致了黃淮煙田出現(xiàn)土壤板結(jié)、結(jié)構(gòu)性差等一系列土壤質(zhì)量問題。秸稈作為常見的有機物料，合理還田能夠起到提高土壤有機質(zhì)含量，改善土壤理化性狀的作用。白和平等[1]研究表明，秸稈還田能夠使麥田土壤有機質(zhì)增加0.29 g/kg，張鵬等[2]的研究結(jié)果認為土壤中有機碳含量隨著谷子及玉米秸稈還田量的增加而增加。劉玉濤等[3]的研究也表明，小麥秸稈還田能夠提高土壤中有機碳的含量。孫星等[4]研究表明，秸稈與化肥的配施處理與單施化肥相比較，能顯著提高烏柵土和紅壤性水稻土的有機質(zhì)含量及品質(zhì)，是培肥土壤的有效途徑。此外，秸稈還田配施化肥也能夠有效降低土壤容重，改善土壤物理狀況[5]。也有研究表明，秸稈還田全膜雙壟溝播玉米技術，使耕層的土壤養(yǎng)分上升，土壤容重下降[6]，可見，作物秸稈還田具有提升土壤有機質(zhì)含量，改善土壤物理結(jié)構(gòu)，達到逐步提高耕地質(zhì)量的良好效果。

土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單位[7]，主要是由植物根系、菌絲以及土壤微生物的分泌物通過一定的物理作用以及化學作用膠結(jié)而成[8]。土壤團聚體按照顆粒大小分為大團聚體（＞0.25 mm）和微團聚體（＜0.25 mm）[9]，大團聚體豐富是土壤良好結(jié)構(gòu)特征的表現(xiàn)，其與土壤肥力之間存在一定的正比例關系，良好的團聚體結(jié)構(gòu)是土壤肥力的物質(zhì)基礎，能夠保證和協(xié)調(diào)土壤中水、肥、氣、熱供應能力。Van Bavel[10]和Gardener[11]分別提出了平均重量直徑（MWD）以及幾何平均數(shù)（GMD）作為土壤分布狀況以及穩(wěn)定性的指標，并且MWD與GMD值越大，土壤的分布狀況與穩(wěn)定性越好。與此同時，分形維數(shù)也是團聚體數(shù)量組成以及質(zhì)地均一性的綜合性指標[12-13]，被廣泛應用于評價農(nóng)業(yè)管理措施對水穩(wěn)性團聚體分布的影響。

本文通過開展玉米秸稈和小麥秸稈不同用量的還田試驗，研究其對土壤有機質(zhì)與土壤團聚體特征的影響及兩者之間的關系，以期為黃淮煙區(qū)篩選最佳的秸稈還田模式，最終為退化煙田土壤改良提供理論和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點為山東省諸城市百尺河鄉(xiāng)大順河村（36°9′N，119°32′E），該區(qū)為溫帶季風性氣候，年平均降水量700 mm左右，多年平均無霜期191 d，平均日照時數(shù)為2578.6 h。

1.2 試驗設計

本試驗為 2009—2012年在煙田開展秸稈定位試驗。試驗分為7個處理，分別為玉米秸稈還田1500 kg/hm2（M1）、4500 kg/hm2（M2）、7500 kg/hm2（M3），小麥秸稈還田 1500 kg/hm2（W1），4500 kg/hm2（W2），7500 kg/hm2（W3），對照（CK）。試驗采取田間隨機區(qū)組設計，重復3次。秸稈在每年3月份土地翻耕前，粉碎后撒施于土壤表面，然后翻耕耙勻，其他肥料的施用均為施煙草專用肥 750 kg/hm2，硫酸鉀225 kg/hm2，腐熟豆餅300 kg/hm2。試驗開始前土壤的基本性狀為 pH 6.04，全氮 0.7 g/kg，全磷5.3 g/kg，全鉀18.7 g/kg，堿解氮55.29 mg/kg，有效磷32.45 mg/kg，速效鉀213.3 mg/kg。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品采集與處理 于2012年10月煙葉采收完成后，在每個小區(qū)，采用“S型”采樣法分別采集0～20 cm的耕層混合農(nóng)化樣以及原狀土樣，將耕層農(nóng)化土樣放入塑料袋中，將原狀土放入塑料飯盒中，并盡量減少在采集以及運輸?shù)倪^程中對原狀土的破壞。帶回實驗室后，耕層農(nóng)化樣風干、過篩后備用；原狀土樣在室內(nèi)沿自然結(jié)構(gòu)（自然脆弱帶）輕輕掰成直徑約1 cm的小土塊，同時除去植物殘體、小石塊以及蚯蚓等動物，并風干備用。

1.3.2 測定方法 土壤有機質(zhì)采用常規(guī)的重鉻酸鉀容量法測定，土壤團聚體測定采用周虎[14]方法并略作修改進行測定。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理 土壤團聚體的平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、分形維數(shù)采用以下公式進行：

式中，Wi為i粒級團聚體重量所占的比例，MT為供試土壤的總的重量，為某級團聚體平均直徑；為粒徑小于 xi的團聚體的重量；MT為團聚體總重量；xmax為團聚體的最大粒徑，D為分形維數(shù)。

采用Microsoft Excel 2007進行數(shù)據(jù)以及圖表處理；采用SAS 9.2軟件進行統(tǒng)計分析，顯著性水平設為α=0.05。

2 結(jié) 果

2.1 土壤有機質(zhì)含量

從圖 1可以看出，不同用量的秸稈還田，除M1對土壤有機質(zhì)無明顯提高外，與CK相比，M2、M3、W1、W2、W3等各處理的土壤有機質(zhì)分別增加了11.8%、17.6%、5.2%、6.3%、12.6%。相同用量的玉米秸稈與小麥秸稈還田相比，玉米秸稈對土壤有機質(zhì)的增加量大于小麥秸稈。因此，玉米及小麥秸稈還田能夠有效的增加土壤有機質(zhì)，特別在秸稈還田量大于1500 kg/hm2時，玉米秸稈提高土壤有機質(zhì)含量的效果要優(yōu)于小麥秸稈。

圖1 不同用量秸稈還田對土壤有機質(zhì)影響Fig.1 The effect of straw returning rates on organic matter

2.2 土壤團聚體特征

2.2.1 團聚體平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD） 通過干篩法可以獲得原狀土壤中團聚體的總體數(shù)量。從表1可以看出，干篩法測得，不同秸稈還田處理間MWD以及GMD的大小順序分別是：M3＞M2＞M1＞CK，W3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1＞CK。通過以上數(shù)據(jù)分析可以看出，MWD及GMD均隨秸稈還田量的增加而增加。秸稈還田提高了土壤團聚體的團聚度及穩(wěn)定性，而且玉米秸稈還田相對于小麥秸稈還田處理，更能提高土壤團聚體穩(wěn)定性。

濕篩法獲得的團聚體是土壤中的水穩(wěn)性團聚體，水穩(wěn)性團聚體在保持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性方面具有重要貢獻，且＞0.25 mm水穩(wěn)定性團聚體的含量與土壤肥力成正比。通過表1濕篩法分析結(jié)果可以看出，高量秸稈還田處理的M3及W3與中低量秸稈還田處理（CK、M1、M2、W1、W3）相比，土壤團聚體的MWD以及GMD均有一定程度提高，而且＞0.25 mm 水穩(wěn)定性團聚體含量隨著秸稈還田量增加而增加?？梢姡吡拷斩掃€田更能夠有效提高土壤水穩(wěn)定性團聚體的團聚能力，增加土壤團聚體的穩(wěn)定性。

表1 不同用量秸稈還田對土壤團聚體特征的影響Table1 The effect of straw returning rates on characteristics of soil aggregates

2.2.2 土壤團聚體分形維數(shù) 從圖2干篩法測得的團聚體分形維數(shù)可以看出，隨著玉米及小麥秸稈還田量的增加，團聚體分形維數(shù)呈逐漸降低的趨勢，施用等量的玉米秸稈與小麥秸稈還田相比，除了M1的團聚體分形維數(shù)大于W1處理外，其他處理等量玉米秸稈還田的分形維數(shù)均低于小麥秸稈還田處理，玉米秸稈相對于小麥秸稈更能夠有效保持土壤團聚體數(shù)量組成及均一性。

圖2 不同用量秸稈還田對土壤分形維數(shù)的影響Fig.2 The effect of straw returning rates on fractal dimension

通過圖2濕篩法的結(jié)果可以看出，玉米與小麥秸稈還田的團聚體分形維數(shù)具有相類似的規(guī)律，團聚體分形維數(shù)先隨秸稈還田量的增加而增加，然后降低。與高量秸稈還田（W3、M3）處理相比，中低量（W1、W2、M1、M2）秸稈還田處理并沒有有效改善水穩(wěn)定性團聚體數(shù)量組成及均一性。

2.3 土壤有機質(zhì)與土壤團聚體特征的關系

從表2土壤有機質(zhì)與土壤團聚體特征的回歸方程可以看出，土壤有機質(zhì)與干篩測得的 MWD及GMD均呈極顯著正相關（r2=0.94，0.94），土壤有機質(zhì)與干篩測得分形維數(shù)呈極顯著負相關（r2=-0.92），與濕篩法測得＞0.25 mm團聚體含量以及GMD有顯著正相關（r2=0.81，0.76）。土壤有機質(zhì)與土壤團聚體之間具有緊密聯(lián)系，可以通過秸稈還田來增加土壤有機質(zhì)含量，進而對土壤結(jié)構(gòu)進行有效改良。

表2 土壤團聚體特征與土壤有機質(zhì)含量的關系Table2 The relation between characteristics of soil aggregates and the content of soil organic matter

3 討 論

土壤有機質(zhì)是評價土壤肥力質(zhì)量的重要指標之一，不僅與多種土壤養(yǎng)分相關，而且對土壤持水供水能力、孔隙度和團聚體等物理性質(zhì)具有重要影響[15]。本研究結(jié)果表明，秸稈還田能夠增加土壤有機質(zhì)含量，這與羅宜賓[16]的研究的結(jié)果一致。而且隨著秸稈還田量的增加土壤有機質(zhì)也隨之增加，由于秸稈本身絕大部分是有機成分，其中纖維素、半纖維素及蛋白質(zhì)復合體較難被微生物分解，殘留在土壤中形成有機質(zhì)，另一方面秸稈還田還利用更新土壤腐殖質(zhì)，維持土壤有機質(zhì)平衡和提升有機質(zhì)的質(zhì)量。

從不同用量秸稈還田對土壤團聚體 MWD及GMD的影響可以看出，干篩測得土壤團聚體MWD及GMD與對照相比，均有不同程度的提高，分形維數(shù)隨著秸稈還田量的增加而減少，吳承禎等[17]認為，土壤團聚體的結(jié)構(gòu)性越好、穩(wěn)定性越高，那么它的分形維數(shù)越小。許多研究表明，土壤團聚體穩(wěn)定性取決于土壤特性，特別是作為團聚體主要膠結(jié)劑的土壤有機質(zhì)含量[18-21]。通過干篩測得土壤團聚體MWD及GMD與土壤有機質(zhì)之間達到了極顯著正相關。濕篩法所測得土壤團聚體MWD值與干篩法稍有不同，土壤有機質(zhì)與濕篩法測得MWD沒有達到顯著正相關，但與GMD達到了顯著性相關。這一方面可能是土壤侵蝕及耕作傾向于破壞水穩(wěn)定性大團聚體其內(nèi)部包裹的輕質(zhì)、細顆粒物質(zhì)易被地表水流遷移流失，導致侵蝕部位有機質(zhì)減少，有機質(zhì)與團聚體不是簡單的正相關關系[22]，另一方面因為GMD比MWD更為準確，能更好的反映團聚體分布的變化情況[23]。此外干篩與濕篩兩種方法分別反映的是原狀土壤團聚體和水穩(wěn)性團聚體的特征，方法的不同也可能引起數(shù)據(jù)結(jié)果有差異[14]。等量玉米秸稈較小麥秸稈在提高土壤有機質(zhì)及土壤團聚體特征方面效果好，這是由于玉米秸稈本身含有有機質(zhì)多于小麥秸稈，還田后對土壤有機質(zhì)的增加效果優(yōu)于小麥秸稈所致。本研究結(jié)果顯示，隨著玉米及小麥兩種秸稈還田量的增加，土壤有機質(zhì)的含量及團聚體穩(wěn)定性得到一定程度的提高和改善。但本研究僅是3年定位試驗的結(jié)果，后期工作還需要繼續(xù)開展長期定位試驗，并結(jié)合其他肥力指標來綜合確定合理的秸稈還田量，并進一步探討秸稈對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響機制。

4 結(jié) 論

1）隨玉米及小麥秸稈還田量增加，煙田土壤有機質(zhì)含量呈不同程度增加。2）不同用量秸稈還田對土壤團聚體特征有明顯的影響，在高量秸稈還田時，MWD（干篩）、GMD（干篩）及＞0.25 mm水穩(wěn)定性團聚體含量最高，分形維數(shù)最小，說明在高量秸稈還田對改良煙田土壤結(jié)構(gòu)的效果好。3）土壤有機質(zhì)與干篩測得MWD、GMD及分形維數(shù)呈極顯著正相關，與濕篩測得＞0.25 mm團聚體含量及GMD呈顯著性相關，說明通過增加土壤有機質(zhì)能夠改良土壤團聚體。4）在0～7500 kg/hm2用量秸稈還田時，等量玉米秸稈還田較小麥秸稈增加煙田有機質(zhì)及改良土壤結(jié)構(gòu)方面效果好。

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