稻麦轮作区秸秆还田对水稻土结构的影响

房　焕　李　奕　周　虎　颜晓元　彭新华

(1.中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室， 南京 210008; 2.中国科学院大学， 北京 100049; 3.东北农业大学资源与环境学院， 哈尔滨 150030)

0　引言

土壤结构控制着土壤中水、气运动和养分的释放与保持，对作物的生长具有重要作用[1]。近年来，我国水稻种植区普遍进行秸秆还田。大量研究表明秸秆还田有助于改善土壤结构。YAO等[2]发现稻田秸秆还田能够增加耕层有机碳含量，并改善干湿交替过程中土壤的恢复力。武际等[3]发现水旱轮作条件下秸秆还田能够降低表层土壤的容重，提高表层土壤的含水率、有机碳和养分含量。然而，也有一些研究表明秸秆还田在不同情况下对土壤结构的影响不同。例如安婉丽等[4]报道秸秆还田对早稻田的团聚体分布及稳定性没有显著影响，但显著提高了晚稻田的团聚体稳定性及大团聚体的数量。张翰林等[5]研究发现稻麦轮作制度下土壤结构与秸秆还田的年限有关，随着秸秆还田时间的增加，秸秆还田对土壤结构的影响才显现出来。总体而言，稻麦轮作区秸秆还田对水稻土结构的影响尚不明确。

以往对土壤结构的研究主要集中在团聚体及其稳定性方面，而对土壤内部孔隙结构的直接研究较少[6]。近年来X射线计算机断层扫描(CT)技术快速发展，可以通过CT扫描和图像处理技术快速分析土壤内部形态和三维孔隙结构[7]。本研究基于长江中下游稻麦轮作区长期定位秸秆还田试验，利用X射线CT扫描等技术，研究稻麦轮作下秸秆还田对水稻土结构的影响，以期为该区域采取合理的秸秆还田措施提供依据。

1　材料与方法

1.1　试验区概况

长期定位试验田位于中国科学院常熟生态试验站(31°32′93″ N, 120°41′88″ E)。土壤为黄土状母质发育的黄泥土，属潴育型水稻土。土壤砂粒、粉粒和粘粒比例分别为29.8%、39.1%和31.1%。种植制度为小麦-水稻轮作。试验始于1990年，设置4个处理：①秸秆不还田不施肥(CK)。②秸秆不还田施氮磷钾肥(NPK)。③半量秸秆还田加氮磷钾肥(NPKS1)，秸秆施用量为每季干重2 250 kg/hm2。④全量秸秆还田加氮磷钾肥(NPKS2)，秸秆施用量为每季干重4 500 kg/hm2。每个处理3个重复，随机区组排列。小区大小为4 m×5 m。氮、磷、钾肥分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾。氮肥施用量为每季180 kg/hm2，在水稻季，40%作基肥，40%分蘖期施用，20%抽穗期施用；在小麦季，40%作基肥，40%拔节期施用，20%抽穗期施用。磷肥和钾肥每季的施用量分别为75 kg/hm2P2O5和150 kg/hm2K2O，均在小麦和水稻种植前作为基肥。

1.2　样品采集与处理

于2015年7月水稻分蘖期采集土壤样品。在每个小区内用PVC环刀(高3 cm、直径3 cm)随机采集3个表层(0～5 cm)原状土样，用保鲜膜包裹防止水分蒸发。并在原状土采集点附近采集混合土壤样品(0～10 cm)，混合后放在铝盒中带回实验室。原状土置于压力膜仪中，保持33 kPa，平衡后进行CT扫描。混合土壤样品在20℃下风干，在含水率达到塑限含水率时，将土样掰成小于10 mm的团聚体。风干土样一部分用于土壤团聚体分析，一部分过筛用于土壤理化性质测定。

1.3　CT扫描与图像处理

利用X射线显微CT(型号为NanotomS)扫描原状土样品，扫描参数设置和图像重建参照文献[8]方法。重建后生成1 900幅2 283×2 284体元的8位灰度图像，分辨率为0.016 mm。为了避免采样过程对样品边缘的影响，仅选择中部的900×900×900体元作为感兴趣区域(Region of interest, ROI)。利用Image J软件进行图像预处理，包括增加对比度和中值滤波。由于后续图像分析过程中硬件软件等条件限制，利用Image J软件将ROI图像分辨率调整为0.032 mm，最终ROI为450×450×450体元，实际大小为14.4 mm×14.4 mm×14.4 mm。赵玥等[9]的研究表明图像分割时阈值选择不理想易导致孔隙连通性失真，克里格法[10]能够很好解决这个问题，得到更精确的二值图像。图像孔隙度为二值图像中孔隙所占的比例，孔隙大小分布利用数学形态学的开运算计算，通过Quantim软件完成[11]。

1.4　土壤容重、团聚体分布、稳定性与有机碳含量

CT扫描后的原状土在105℃下干燥，计算土壤容重。团聚体稳定性采用湿筛法。将小于10 mm的团聚体在40℃干燥箱中干燥，取20 g土样快速湿润10 min后，放置在套筛上(从上到下顺序为2、1、0.5、0.25、0.05 mm)，振荡5 min。上下振幅4 cm，频率为30 r/min。然后将各级团聚体全部冲洗至已知质量的铝盒中，小于0.05 mm的团聚体则通过沉降获得。将收集到的各级团聚体在40℃干燥箱中干燥，计算平均质量直径(Mean weight diameter，MWD)

(1)

式中n——筛子的个数

ri——第i个筛子孔径，mm

mi——第i个筛子上的团聚体质量百分比

用来表示团聚体稳定性。每个处理3次重复。

使用碳氮分析仪(Vario MAX型，Elementar公司，德国)测定收集的各级团聚体和混合土样的有机碳(SOC)含量。

1.5　统计分析

采用SPSS 19.0对数据进行统计分析。方差分析采用One-Way ANOVA，并用LSD 法进行多重比较，显著性水平为0.05。

2　结果与讨论

2.1　秸秆还田对水稻土容重和有机碳(SOC)含量的影响

施用化肥和秸秆还田显著提高了有机碳含量(P<0.05)(表1)。与CK相比，NPK处理SOC含量提高了19%；与NPK相比，半量(NPKS1)和全量(NPKS2)秸秆还田处理SOC含量分别提高了9.5%和19.4%。结果表明，秸秆与氮磷钾配合施用更利于SOC含量的积累，秸秆还田量与有机质增加量呈正相关关系，大量相关研究也证实了这一点。YAO等[2]在对红壤性水稻土的研究中发现，在深耕和浅耕方式下，秸秆还田都能显著提高SOC含量，且全量秸秆还田较部分秸秆还田的提高效果更为显著。LIU等[12]研究也发现淹水、水旱轮作以及旱地等不同耕作制度下，秸秆还田均能显著提高SOC含量。秸秆本身是一个重要的碳源[13]，因此秸秆还田会直接导致SOC含量的增加。另一方面，农作物的秸秆中含有相当数量的植物必需的碳、氮、磷、钾等元素[14]，进而提高农作物的地上地下生物量，间接增加了土壤中碳的投入。有研究还表明，秸秆还田增加了土壤中酶的活性，刺激了土壤中微生物的生长和繁殖，能够提高土壤中活性碳的含量[15]。

表1　长期秸秆还田对土壤有机碳含量和容重的影响Tab.1　Effect of long-term rice straw incorporation on soil organic carbon content and bulk density

注：同一列中不同小写字母代表差异显著(P<0.05)，数值采用均值±标准误差表示，下同。

施用化肥和秸秆还田显著降低了土壤容重(P<0.05)(表1)。与CK相比，NPK处理显著降低了土壤容重(P<0.05)。与NPK相比，NPKS2显著降低了土壤容重(P<0.05)，而NPKS1对容重的影响不显著(P>0.05)。结果表明秸秆还田的量是影响土壤容重的一个重要因素。ZHOU等[8]利用CT扫描方法证实了有机物料的添加能够增加团聚体内部以及团聚体之间的孔隙，从而降低容重。秸秆还田后，秸秆分解会形成孔隙；此外，秸秆还田会增加地下根系和土壤生物的活动，都会促进孔隙的形成，增加土壤孔隙度，降低土壤容重[16]。

2.2　秸秆还田对水稻土水稳性团聚体的影响

不同处理各级水稳性团聚体含量如表2所示。与CK相比，NPK处理0.25～2 mm团聚体含量提高了20.6%；而与NPK处理相比，NPKS2处理大于2 mm团聚体含量提高了45.1%，但是不同处理各级团聚体含量均未达到显著性差异(P>0.05)。CK、NPK、NPKS1和NPKS2处理的MWD分别为0.82、0.83、0.80、1.02 mm，虽然NPKS2处理MWD较其他处理有所提高，但没有达到显著性水平。结果表明，稻麦轮作区秸秆还田对团聚体分布和水稳定性没有产生显著影响。许多研究表明秸秆还田能够提高团聚体的水稳定性[2,17-18]，与本研究结果不一致。ZHANG等[18]的研究表明秸秆还田量是影响土壤结构的一个重要因素，本研究中半量秸秆还田同化肥处理团聚体水稳定性没有差异，而全量秸秆还田下团聚体水稳定性则有所提高，表明秸秆还田量是影响团聚体稳定性效果的重要因素。另外，土壤结构是动态变化的，安婉丽等[4]研究发现秸秆还田对早稻田团聚体稳定性没有显著影响，但显著提高了晚稻田团聚体稳定性。本研究中仅在水稻分蘖期采集了一次样品，为了更准确地评价秸秆还田对土壤结构的影响，今后需要开展团聚体水稳定性的动态研究。

2.3　秸秆还田对水稻土团聚体有机碳分布的影响

经过25 a秸秆还田后，不同处理的团聚体SOC含量呈现相同的趋势，由大到小为NPKS2、NPKS1、NPK、CK(图1)。与CK相比，NPK处理大于2 mm和0.25～2 mm两个级别的团聚体SOC含量分别提高了16.6%和15.8%，而小于0.25 mm的2个粒级则没有显著变化(P>0.05)。与NPK处理相比，NPKS1处理0.05～0.25 mm团聚体SOC含量提高了15.8%，其他粒级没有显著变化(P>0.05)；NPKS2处理0.25～2 mm级别的团聚体的有机碳含量提高20.2%，增加幅度最大。结果表明，秸秆还田措施下，增加的有机碳在大团聚体中积聚得最多。这可能是由于在团聚体周转的过程中，微团聚体(小于0.25 mm)结构相对稳定，有机碳含量变化较小，而在添加的秸秆作用下形成的大团聚体对有机质形成物理保护，容易固持SOC。整体来看，不同处理各粒级团聚体中SOC含量与土壤总SOC含量呈相同的趋势(表1)。秸秆还田能够有效提高土壤SOC含量和各级团聚体SOC含量[19]，而大团聚体SOC含量增加幅度又高于微团聚体。陈晓芬等[20]在对红壤性水稻土的研究中也发现了同样的规律，提出水稳性大团聚体是有机碳的主要载体。JASTROW等[21]利用13C 示踪法也证实了大团聚体比微团聚体含有更多的有机碳。

表2　长期秸秆还田对各级水稳性团聚体比例的影响Tab.2　Effect of long-term rice straw incorporation on water stable aggregate size distribution

图1　长期秸秆还田对各粒级团聚体中有机碳分布的影响Fig.1　Effect of long-term rice straw incorporation on SOC of different aggregate classes

图2　长期秸秆还田对水稻土二维和三维结构的影响Fig.2　Effect of long-term rice straw incorporation on 2D and 3D structures of paddy soil

2.4　秸秆还田对水稻土孔隙结构的影响

图2为不同处理的二维灰度图像(14.4 mm×14.4 mm)、二值图像(14.4 mm×14.4 mm)和三维孔隙结构图像(14.4 mm×14.4 mm×14.4 mm)。其中，灰度图中浅色部分为土壤基质，深色部分为孔隙；二值图像中白色代表孔隙，黑色代表土壤基质。由于分辨率的限制(0.032 mm)，本研究中的图像中获取的孔隙均为大于图像分辨率的孔隙。从二维图像可以观察到CK和NPK处理的孔隙数量少，且孔隙较小。NPKS1处理的孔隙数量相对增多，孔隙的大小有一定增加。NPKS2处理的孔隙度则是显著提高，且孔隙的联通性较好，较大孔隙的比例也大幅度提升。从三维图像来看，CK处理的内部孔隙较少，且多为细长的孔隙；与CK处理相比，NPK的孔隙度有所提高，且孔隙直径有所增大；NPKS1处理可明显看到内部秸秆残留产生的大孔隙以及生物孔隙，NPKS2的孔隙则更多更复杂。由此可见，秸秆还田显著影响了土壤的孔隙结构，秸秆还田量越多，孔隙度增大越显著，孔隙结构越复杂。

定量分析结果同定性观察趋势相一致，CK、NPK、NPKS1和NPKS2处理大孔隙度分别为3.3%、3.7%、4.4%和7.9%。与CK相比，NPK处理没有显著提高土壤的大孔隙度。与单施化肥相比，NPKS1没有显著提高土壤的大孔隙度，NPKS2处理的大孔隙度则提高了113.5%。土壤孔隙大小分布如图3所示，随着当量孔隙直径的增大，4个处理的孔隙度的变化趋势大体一致，均在当量孔径为0.1～0.2 mm时达到峰值，60%以上的孔隙分布在0.032～0.5 mm之间。对于当量孔径小于1.50 mm的各粒级的孔隙度，NPK处理与CK相比没有表现出显著差异；与NPK处理相比，NPKS1没有表现显著差异，而NPKS2处理的孔隙度在各当量孔径范围都有显著提高。当当量孔径大于1.50 mm时，孔隙度从大到小表现为NPKS1、NPKS2、CK、NPK。总体来说，与CK相比，NPK不能提高土壤各粒级孔隙的孔隙度；与NPK相比，NPKS1处理各孔径范围的孔隙度虽然也有所增加，但并没有达到显著水平，而全量NPKS2显著提高了各个孔径范围的孔隙度。全量秸秆还田显著提高了有机碳含量，促进微生物和真菌活动，同时也促进了根系生长，使土壤大孔隙度显著提高[22]。结果表明秸秆还田能够改善土壤的大孔隙结构，但是需要秸秆还田达到一定量时才有显著效果，研究结果与相关研究基本一致[23-24]。

图3　长期秸秆还田对孔隙大小分布的影响Fig.3　Effect of long-term rice straw incorporation on soil pore size distribution

3　结束语

基于25 a的长期定位试验，分析了稻麦轮作模式下秸秆还田对土壤结构的影响。结果表明，稻麦轮作区秸秆还田能够显著提高土壤有机碳含量，降低土壤容重，增大土壤总孔隙度。秸秆还田增加大团聚体含量和水稳定性，但是未达到显著水平。不过，秸秆还田显著提高了各级团聚体中有机碳的含量，尤其是大团聚体中有机碳含量。全量秸秆还田显著增大了土壤的大孔隙度，改善了土壤的孔隙结构，而半量秸秆还田对孔隙结构的影响则不显著，说明秸秆还田量是影响水稻土孔隙结构的一个重要因素，秸秆还田量与孔隙结构之间的定量关系还有待进一步研究。研究结果对农业生产中采取合理的秸秆还田措施具有一定的参考价值。

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