秸稈還田方式對砂姜黑土有機碳組分和孔隙結構的影響

丁天宇 ，郭自春 ，錢泳其 ，王玥凱 ，黃先金 ，張中彬 ，彭新華

（1. 中國科學院南京土壤研究所土壤與農業可持續發展國家重點實驗室，南京 210008；2. 中國科學院大學現代農業科學學院，北京 100049）

0 引言

土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）是土壤肥力的核心，也是評價土壤質量的重要指標，在農業生產中起著重要作用[1]。SOC 通常劃分成顆粒態有機碳（particulate organic carbon，POC）和礦物結合態有機碳（mineral-associated organic carbon，MAOC）兩部分[2]。POC 是由未分解或半分解的植物殘體和部分微生物分解產物組成的一種混合物[3]，具有比重?。ㄐ∮?.85 g/cm3）、顆粒大（53～2 000 μm）、C/N 比高（10～40）、周轉快（幾年至幾十年）、易被微生物分解的特征，是土壤有機質最活躍的組分。POC 對土地利用方式或管理措施變化的響應比SOC 和MAOC 更加敏感[4]，其微小的變化將會對大氣CO2濃度產生顯著影響，此外，POC 具有明顯改善土壤結構的作用[5]。

秸稈是POC 的主要來源，不同還田方式對POC 的含量影響存在差異。嚴昌榮等[6]發現，與旋耕還田相比，免耕覆蓋還田使褐土0～5、＞5～10 cm 土層POC 含量均提高了15%；姬強等[7]報道了免耕還田較旋耕還田，使褐土＞10～20 cm 土層POC 含量顯著提高了16.1%，0～10、＞10～30 cm 土層POC 含量則無顯著性差異；崔思遠[8]研究發現與旋耕還田相比，深翻還田使水稻土0～5 cm 土層POC 含量減少了9.1%，使＞10～20 cm 土層POC 增加了6.2%。因此，不同秸稈還田方式影響土壤中POC 含量和分布，但在不同土壤類型、耕作方式和氣候等條件下，秸稈還田量及分解轉化過程存在差異，對POC 的影響結果并不一致。

不同秸稈還田方式也會對土壤孔隙結構特征產生不同的影響。錢泳其等[9]發現與旋耕還田相比，免耕還田使砂姜黑土0～20 cm 土層內，＞60 μm 孔隙度降低了65.8%，深翻還田則提高了23.4%；邱琛等[10]發現與旋耕還田相比，深翻還田使黑土0～15 cm 土層＜500、＞500～1 000 和＞1 000 μm 的孔隙度分別降低了14.2%、47.6%、23.9%。由于不同耕作方式對于土壤的擾動方式不同，而當秸稈還至不同深度后，其對孔隙結構的改善程度會存在顯著差異[11]。然而，上述研究多集中在0～20 cm 土層，有關＞20～40 cm 土層內孔隙結構變化特征鮮有報道。

砂姜黑土是中國典型的中低產田土壤類型之一，雖然土體顏色黑，但SOC 含量偏低（＜ 1.5%），腐殖化程度高，質量差[12]。耕層容重高，其范圍一般在1.22～1.65 g/cm3[13]。通過區域采樣分析，發現SOC 和容重是限制其作物產量的關鍵障礙因子[13]?；幢逼皆毡閷嵭卸←?夏玉米輪作制度，具有豐富的秸稈資源。在過量施用化學肥料和有機肥投入嚴重不足的條件下，秸稈作為一種重要的外源有機物料，還田后不僅能有效增加土壤有機碳含量，同時能夠顯著降低土壤容重[14]。目前，砂姜黑土區還田的方式主要有：免耕覆蓋還田、淺旋耕還田、深耕翻埋還田。不同耕作方式對土壤的擾動方式不同，因而對有機碳組分和孔隙結構特征的影響存在較大差異。此外，以往的研究多集中在耕層，對于亞耕層的研究報道還缺乏系統比較。因此，本研究利用砂姜黑土連續6 a 耕作還田定位試驗，探究不同秸稈還田方式（免耕還田、旋耕還田、深翻還田）對砂姜黑土不同土層（0～10、＞10～20、＞20～40 cm）有機碳組分和孔隙結構的影響，以期為砂姜黑土區中低產田改良和秸稈資源綜合利用提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗位于安徽懷遠龍亢農場（33°32′N，115°59′E），該地區屬于暖溫帶半濕潤季風氣候，年均氣溫14.8 ℃，年均降水量912 mm。土壤類型為河湖相石灰性沉積物發育的砂姜黑土，含砂粒8.0%、粉粒54.1%、黏粒37.9%，在美國土壤系統分類中屬于變性土。試驗開始前，耕層土壤容重為1.35 g/cm3，有機碳11.5 g/kg，全氮1.29 g/kg，全磷0.39 g/kg，全鉀7.91 g/kg，堿解氮146 mg/kg，有效磷18.9 mg/kg，速效鉀162 mg/kg，pH 值為7.24。

1.2 試驗設計與田間管理

試驗地自2015 年實行冬小麥-夏玉米輪作制度，小麥（6 月）和玉米（10 月）收獲后全量粉碎還田。試驗采用單因素隨機區組設計，共設置免耕還田（NTS），旋耕還田（RTS）和深翻還田（DPS）3 個處理，3 次重復，共9 個小區，小區面積為80 m2（10 m×8 m）。

如圖1 所示，免耕還田（NTS）：全年不耕作，玉米和小麥收獲后秸稈粉碎覆蓋在土壤表層，采用中國農業大學研制的免耕播種機一次性完成播種和鎮壓作業。旋耕還田（RTS）：玉米收獲后秸稈粉碎還田，采用1GKN-200H 型旋耕機旋耕2 遍，作業深度15 cm；小麥收獲后秸稈粉碎覆蓋還田并進行免耕播種。深翻還田（DPS）：玉米收獲后秸稈粉碎還田，采用1 LFT-435 型翻轉犁進行25～30 cm 深翻作業，并淺旋10 cm 以打碎大土塊；小麥收獲后秸稈粉碎覆蓋還田并進行免耕播種。試驗地施用的化肥為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，每季基肥施用量N 為 100 kg/hm2、P2O5為60 kg/hm2、K2O 為90 kg/hm2，小麥、玉米拔節期各追施N 為 110 kg/hm2。

圖1 不同秸稈還田方式作業原理及施用的農機具Fig.1 Operating principle of different straw return methods and agricultural machinery

1.3 樣品采集

在2021 年9 月下旬玉米收獲時采集土壤樣品。樣品采集方法：玉米收獲后利用PVC 環刀（內徑5 cm、高5 cm）隨機采集3 個土層（0～10、＞10～20 和＞20～40 cm）原狀土樣，用保鮮膜包裹（防止水分蒸發）帶回實驗室。原狀環刀樣品先置于超純水中充分飽和，再置于壓力膜儀中，在33 kPa 水吸力（田間持水量）下達到水分平衡后取出進行CT 掃描。在原狀土附近采集混合土樣帶回實驗室，風干后用于測定SOC 及其組分。同時每個小區采用體積為100 cm3的環刀分層采集原狀土壤帶回實驗室，采用烘干法測定土壤容重。

1.4 CT 掃描與圖像處理

利用顯微CT（Phoenix Nanotom，Germany）掃描原狀土柱樣品，掃描電壓為100 kV，電流為90 μA，曝光時間為1.25 s，每個土柱在樣品臺勻速旋轉 360°，在此過程中共采集2 303 幅圖，圖像分辨率為25 μm。利用Datos | x2 Rec 軟件進行圖像重建，得到2 303 張8 位灰度圖像，存儲為tiff 格式。

利用Image J 軟件（https://imagej.nih.gov/ij/）進行圖像處理與分析。首先調節圖像亮度和對比度以增強圖像，并應用半徑為2 個像素的高斯濾波器進行濾波，降低圖像噪聲。為降低邊緣效應，選擇圖像的中心區域作為感興趣區域（region of interest,ROI），ROI 為直徑1 770個體素、高1 700 個體素的圓柱體，實際大小為直徑44.3 mm、高42.5 mm。使用“默認”自動閾值進行圖像分割，然后對二值圖像進行分析。

孔隙結構可視化通過軟件VG Studio Max 2022 獲得。利用Image J 軟件計算土壤大孔隙度和孔徑分布、孔隙形態參數（水力半徑、分形維數）和孔隙網絡參數（全局連通性、最大連通網絡孔隙度）[15]。水力半徑定義為土壤大孔隙體積與表面積之比，水力半徑越大，孔隙的導水導氣能力越大[9]。大孔隙度指基于CT 圖像得到的孔隙（＞50 μm）體積占ROI 總體積的百分比，本研究中識別的最小孔徑為50 μm。按照孔徑大小劃分為5 個等級，分別為50～100、＞100～200、＞200～300、＞300～500和＞500 μm?？讖椒植纪ㄟ^Bone J 插件的“Thickness”計算得到。

分形維數是孔隙結構幾何形狀復雜程度的定量參數，隨著孔隙形態復雜程度的增加而增大[16]。最大連通網絡孔隙度是指土壤中最大的相互連通大孔隙網絡的體積占ROI 體積的百分比[16]，利用“Purify”插件得到最大連通網絡孔隙?？紫兜娜诌B通性表示2 個孔隙為同一個孔隙的概率[17]。

式中Γ代表全局連通性，指2 個孔隙為同一個孔隙的概率；n代表孔隙的個數，Vi代表每個孔隙的體積，孔隙的數量和體積利用“Particle analyzer”插件計算。

1.5 有機碳及其組分測定

采用CAMBARDELLA 等[18]提出的方法分離POC和MAOC。具體方法如下：稱取10 g 過2 mm 篩的土樣置于250 ml 錐形瓶中，加入150 ml 0.5%六偏磷酸鈉溶液，在往復式振蕩器上震蕩18 h，轉速為200 r/min。土壤懸液過53 μm 篩，并反復用蒸餾水沖洗。分別收集所有留在篩中的物質（POC）和過濾到篩網下的物質（MAOC），在50 ℃下烘至恒質量，并計算其所占土壤的百分含量。將烘干樣品中的有機碳含量換算為單位質量土壤樣品的POC 和MAOC 含量。采用重鉻酸鉀氧化-外源加熱法測定土壤有機碳含量[19]。

1.6 數據計算與統計分析

土壤總孔隙度（total porosity，φ）計算見式（2）。

式中ρb表示土壤容重，g/cm3；ρs表示土粒密度，值選用2.69 g/cm3[20]。

利用 SPSS 21.0 軟件進行統計分析，采用最小顯著差異法進行多重比較，檢驗各處理間差異；建立POC含量與土壤大孔隙度、全局連通性、最大連通網絡孔隙度、水力半徑之間的線性回歸。采用皮爾森雙變量相關分析分別建立POC、SOC 含量與各孔徑孔隙度之間的相關關系。

2 結果與分析

2.1 不同秸稈還田方式下砂姜黑土SOC 及其組分的含量

由表1 可知，不同秸稈還田方式處理下土壤有機碳（SOC）及其組分（POC、MAOC）在土層中的垂直分布存在差異。隨著深度增加，各處理SOC 及其組分含量呈降低趨勢。在＞10～20、＞20～40 cm 土層中，SOC 含量均表現為深翻還田最高、旋耕還田次之、免耕還田最低。相比于旋耕還田，免耕還田使＞10～20 cm 土層SOC 含量降低了14.1%，使＞20～40 cm 土層SOC 和POC 含量分別降低了23.7%和55.9%（P＜0.05）；與旋耕還田相比，深翻還田處理下＞10～20 cm 土層SOC 含量提高了12.7%，＞20～40 cm 土層SOC、POC 和MAOC含量分別提升了44.1%、116.0%和42.4%（P＜0.05）。

表1 不同秸稈還田方式下各土層SOC、POC、MAOC 含量和POC、MAOC 占SOC 的比例Table 1 Effects of different straw return methods on the content and proportion of SOC,POC,and MAOC in various soil layers

POC 和MAOC 占SOC 的比例受到土層深度和秸稈還田方式的影響（表1）。3 種還田方式下POC 占比均在0～10 cm 土層中最高，在＞10～20 cm 和＞20～40 cm土層中，POC 占比均為深翻還田處理最高，免耕還田最低。與旋耕還田相比，深翻還田使0～10 cm 土層POC占比降低了22.2%，使＞20～40 cm 土層POC 占比提高了49.6%（P＜0.05）。相較于旋耕還田，免耕還田使＞20～40 cm 土層POC 占比降低了42.6%（P＜0.05）。

2.2 不同秸稈還田方式下砂姜黑土孔隙結構特征

從三維圖像來看（圖2），在表層0～10 cm 內，3種還田方式處理下孔隙度較大，孔隙結構復雜；在＞10～40 cm 土層中，免耕還田和旋耕還田處理的孔隙尺寸較小，分布獨立，且出現大量管狀生物孔隙和不規則孔隙，連接程度較低，最大連通網絡孔隙也隨著深度增加趨于簡單化，其貫通深度減小。與免耕還田、旋耕還田處理相比，深翻還田顯著提高了＞10～20 和＞20～40 cm 土層土壤孔隙度，管狀孔隙較少，最大連通網絡孔隙貫通了整個土層。

圖2 不同秸稈還田方式下各土層土壤孔隙網絡的三維圖像Fig.2 Three-dimensional images of soil pore network under different straw return methods in various soil layers.

整體而言（表2），與旋耕還田相比，深翻還田顯著提高了＞10～20、＞20～40 cm 土層內的大孔隙度（＞50 μm）（P＜0.05），分別增加了3.10 倍和2.74 倍。特別地，相比于旋耕還田，深翻還田使＞10～20、＞20～40 cm 土層內的最大連通網絡的孔隙度分別增加了7.38 倍和7.08 倍。此外，與旋耕還田相比，深翻還田也顯著提高了＞10～20、＞20～40 cm 土層內的全局連通性（P＜0.05）。深翻還田對于孔隙分形維數的影響主要集中在0～10、＞10～20 cm 土層，表明深翻還田增加了這兩個土層土壤孔隙的復雜程度。深翻還田顯著增加了＞20～40 cm 深度土壤大孔隙的水力半徑（P＜0.05），提高了深層土壤水氣運輸能力。

表2 基于CT 圖像獲得的土壤孔隙特征參數Table 2 Soil pore characteristic parameters based on CT images.

就具體孔徑分布情況來看，不同秸稈還田方式下土壤孔徑大小分布存在顯著差異（圖3）。在0～10、＞10～20、＞20～40 cm 土層中，深翻還田處理下＞500 μm 孔隙度分別占大孔隙度（＞50 μm）的39.0%、41.5%、34.2%。與免耕還田、旋耕還田相比，深翻還田顯著提高0～10、＞200～500 μm 的孔隙度（P＜0.05），同時也顯著提高了＞10～20、＞20～40 cm 土層中＞200～500、＞500 μm 的孔隙度（P＜0.05）。與旋耕還田相比，免耕還田僅顯著降低 了＞10～20 cm 土層中50～100 μm 的孔隙度（P＜0.05），其他無顯著性差異。

圖3 不同秸稈還田方式下各土層土壤孔隙大小分布Fig.3 Distribution of soil pore sizes in various soil layers under different straw return methods

2.3 砂姜黑土POC 和孔隙結構之間的關系

對POC 含量和土壤孔隙參數進行相關分析（圖4），發現POC 含量隨著大孔隙度（＞50 μm）、全局連通性、最大連通網絡孔隙度以及水力半徑的增加而增加，且均呈現出顯著（P＜0.05）或者極顯著（P＜0.01）的正相關關系。POC 含量與＞200～300、＞300～500 和＞500 μm孔隙度呈顯著正相關（P＜0.05）（表3），SOC 含量與＞100～200、＞200～300、＞300～500 和＞500 μm 孔隙度呈顯著正相關（P＜0.05）；POC 和SOC 含量與50～100 μm 孔隙度呈負相關關系，但是未達顯著水平（P＞0.05）（表3）。

表3 POC 和SOC 與各孔徑孔隙度相關性系數Table 3 The correlation coefficients between POC,SOC and porosity of each pore size

圖4 POC 和土壤孔隙特征之間的關系Fig.4 Relationships between POC and pore characteristics

3 討論

3.1 不同秸稈還田方式對SOC 和POC 的影響

SOC 和POC 含量受秸稈還田方式影響顯著。免耕還田下0～10 cm 土層SOC 和POC 含量與旋耕還田無顯著性差異，說明秸稈為表層土壤有機碳積累提供了豐富的碳源[21]。但是在＞10～40 cm 土層中，免耕還田下SOC 和POC 含量均低于旋耕還田，這是因為在沒有耕作措施的擾動下，表層大量的有機碳和半分解或未分解的作物秸稈無法向下層土壤轉移，主要依靠植物根系腐解作為深層土壤有機碳的補充來源。長期免耕導致犁底層土壤容重大、緊實度高，作物根系生長受阻[22]，根茬碳投入量也會隨之減少。相比于旋耕還田，深翻還田顯著提高了＞10～40 cm 土層的SOC 和POC 含量。一方面，深翻能夠有效打破犁底層，將表層還田的秸稈轉移到深層土壤中，增加了深層土壤秸稈碳投入[10]。另一方面，深翻打破犁底層促進了根系下扎，進而顯著增加了根系碳投入[23]。因此，深翻還田擴充了秸稈容納空間，對于土壤養分供應和作物生長發育具有重要意義[24]。

3.2 不同秸稈還田方式對土壤孔隙結構特征的影響

不同耕作方式對土壤擾動不同，進而對孔隙結構產生較大的差異。旋耕作為當前農業生產中一種常規耕作方式，能夠使土壤疏松、地表平整；但旋耕作業深度較淺，僅為15 cm，且深層土壤受到表層土壤和農機具壓實作用，導致容重增加、大孔隙數量減少[25]。免耕還田以盡量減少對土壤的擾動為基本原則，對改善表層土壤結構具有積極作用。本研究結果發現，0～10 cm 土層主要以＞500 μm 的孔隙為主導，一方面依靠土壤動物的活動和根系下扎形成大孔隙[9,26]，而表層相對適宜的養分和水分條件使作物根系主要集中在土壤表層[27-29]；另一方面，表層秸稈和根系腐解后會促進孔隙網絡形成[30]。然而，長期免耕可能會使＞10～20、＞20～40 cm 土層土壤緊實加劇、耕層變淺，作物根系下扎受阻[29]，導致＞500 μm 的孔隙數量較少。與旋耕還田相比，深翻還田顯著提高了＞10～20、＞20～40 cm 土層土壤大孔隙度（＞50 μm）和孔隙連通性，尤其是＞200 μm 的孔隙度。深翻還田能夠促進大孔隙形成，一方面是因為深翻對相應土層進行翻轉作業，使上下土層的土壤混合，形成了大量孔隙[11]；同時深翻改善深層土壤通氣導水能力，促進秸稈和根茬腐解產生新孔隙，進而增加土壤孔隙度[30]；另一方面可能是因為深翻促進了作物根系向深層土壤生長，根系的穿插和纏繞作用及根系分泌物的膠結作用也能夠促進土壤中大孔隙形成[9]。

3.3 POC 與孔隙結構之間的關系

孔隙結構決定土壤通氣狀況和水分入滲過程，影響微生物活性，間接參與秸稈的分解過程。本研究發現POC 含量與最大連通網絡孔隙度呈顯著正相關（P＜0.05），說明秸稈和根茬及其分解產物的分解轉化很大程度上與土壤大孔隙度（＞50 μm）及孔隙連通性有關。長期免耕還田下＞10～40 cm 最大連通網絡的孔隙度相對較少，存在土壤通氣和滲水不良等現象，不利于植物根系的生長發育，影響到根系的殘留和土壤顆粒有機碳的補充。深翻還田顯著提高了＞10～40 cm 最大連通網絡的孔隙度，有利于作物根系生長，從而留下了較多作物殘體，同時表層部分秸稈翻埋至下層土壤，增加了顆粒有機碳的來源[7]。此外，孔隙的水力半徑越大越有利于POC 的累積，表明大孔隙具有良好的通氣性和導水性，進一步促進秸稈分解轉化為POC。

有研究表明SOC 含量與土壤總孔隙度[31-32]和大孔隙度（＞50 μm）[16]之間存在顯著的正相關關系，可能是由于更大的孔隙度和孔隙連通性為微生物提供適宜條件，有利于氧氣供應和養分運輸，促進秸稈腐解形成更多的SOC。相關分析結果顯示SOC 和POC 含量與＞200～300、＞300～500、＞500 μm 孔隙度呈極顯著（或顯著）正相關關系，表明該部分孔隙結構是影響土壤固碳的重要因素。FUKUMASU[33]等研究發現POC 含量與＞480～720 μm孔隙度呈顯著正相關，這與本研究結果一致，秸稈腐解過程中POC 的分解轉化可能受到孔隙結構的調控作用，同時POC 分解會促進新孔隙的形成。因此，在未來的研究中將進一步探究秸稈腐解過程中顆粒有機碳與孔隙結構的互饋作用。

4 結論

淮北平原以冬小麥夏-玉米輪作制度為主，具有豐富的秸稈資源，秸稈直接還田是主要途徑。經過連續6 a秸稈還田定位試驗，結果發現不同秸稈還田方式對砂姜黑土不同土層有機碳和孔隙結構影響顯著，并得到如下結論：

1）與旋耕還田相比，免耕對土壤的擾動較小，免耕加秸稈覆蓋可增加0～10 cm 土層有機碳的含量和大孔隙數量，但深層土壤不受擾動，外源有機物輸入不足，不利于＞10～40 cm 土層SOC 積累和大孔隙形成；

2）深翻將聚集在表層的秸稈帶入到深層土壤，擴增了秸稈分布空間，提高了深層土壤秸稈碳投入量，顯著促進了＞10～40 cm 土層SOC 累積與土壤孔隙結構改善，其中，土壤大孔隙度（＞50 μm）、孔隙連通性、＞200 μm孔隙度增加顯著（P＜0.05）。

3）相關性分析可知POC 含量與土壤大孔隙度（＞50 μm）、全局連通性、最大連通網絡孔隙度、水力半徑之間呈顯著線性正相關。其中，POC 含量與＞200 μm孔隙度呈顯著正相關（P＜0.05）。

綜上所述，深翻還田能夠促進有效促進深層（＞10～40 cm）土壤有機碳和顆粒有機碳積累以及大孔隙網絡結構的形成，對于砂姜黑土區秸稈資源利用效率和耕地質量協同提升量具有重要作用，可作為該區域適宜的還田方式。