房　煥　李　奕　周　虎　顏曉元　彭新華

(1.中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210008; 2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049; 3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0　引言

土壤結(jié)構(gòu)控制著土壤中水、氣運(yùn)動和養(yǎng)分的釋放與保持，對作物的生長具有重要作用[1]。近年來，我國水稻種植區(qū)普遍進(jìn)行秸稈還田。大量研究表明秸稈還田有助于改善土壤結(jié)構(gòu)。YAO等[2]發(fā)現(xiàn)稻田秸稈還田能夠增加耕層有機(jī)碳含量，并改善干濕交替過程中土壤的恢復(fù)力。武際等[3]發(fā)現(xiàn)水旱輪作條件下秸稈還田能夠降低表層土壤的容重，提高表層土壤的含水率、有機(jī)碳和養(yǎng)分含量。然而，也有一些研究表明秸稈還田在不同情況下對土壤結(jié)構(gòu)的影響不同。例如安婉麗等[4]報(bào)道秸稈還田對早稻田的團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性沒有顯著影響，但顯著提高了晚稻田的團(tuán)聚體穩(wěn)定性及大團(tuán)聚體的數(shù)量。張翰林等[5]研究發(fā)現(xiàn)稻麥輪作制度下土壤結(jié)構(gòu)與秸稈還田的年限有關(guān)，隨著秸稈還田時(shí)間的增加，秸稈還田對土壤結(jié)構(gòu)的影響才顯現(xiàn)出來?？傮w而言，稻麥輪作區(qū)秸稈還田對水稻土結(jié)構(gòu)的影響尚不明確。

以往對土壤結(jié)構(gòu)的研究主要集中在團(tuán)聚體及其穩(wěn)定性方面，而對土壤內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的直接研究較少[6]。近年來X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)技術(shù)快速發(fā)展，可以通過CT掃描和圖像處理技術(shù)快速分析土壤內(nèi)部形態(tài)和三維孔隙結(jié)構(gòu)[7]。本研究基于長江中下游稻麥輪作區(qū)長期定位秸稈還田試驗(yàn)，利用X射線CT掃描等技術(shù)，研究稻麥輪作下秸稈還田對水稻土結(jié)構(gòu)的影響，以期為該區(qū)域采取合理的秸稈還田措施提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)區(qū)概況

長期定位試驗(yàn)田位于中國科學(xué)院常熟生態(tài)試驗(yàn)站(31°32′93″ N, 120°41′88″ E)。土壤為黃土狀母質(zhì)發(fā)育的黃泥土，屬潴育型水稻土。土壤砂粒、粉粒和粘粒比例分別為29.8%、39.1%和31.1%。種植制度為小麥-水稻輪作。試驗(yàn)始于1990年，設(shè)置4個(gè)處理：①秸稈不還田不施肥(CK)。②秸稈不還田施氮磷鉀肥(NPK)。③半量秸稈還田加氮磷鉀肥(NPKS1)，秸稈施用量為每季干重2 250 kg/hm2。④全量秸稈還田加氮磷鉀肥(NPKS2)，秸稈施用量為每季干重4 500 kg/hm2。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)大小為4 m×5 m。氮、磷、鉀肥分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。氮肥施用量為每季180 kg/hm2，在水稻季，40%作基肥，40%分蘗期施用，20%抽穗期施用；在小麥季，40%作基肥，40%拔節(jié)期施用，20%抽穗期施用。磷肥和鉀肥每季的施用量分別為75 kg/hm2P2O5和150 kg/hm2K2O，均在小麥和水稻種植前作為基肥。

1.2　樣品采集與處理

于2015年7月水稻分蘗期采集土壤樣品。在每個(gè)小區(qū)內(nèi)用PVC環(huán)刀(高3 cm、直徑3 cm)隨機(jī)采集3個(gè)表層(0～5 cm)原狀土樣，用保鮮膜包裹防止水分蒸發(fā)。并在原狀土采集點(diǎn)附近采集混合土壤樣品(0～10 cm)，混合后放在鋁盒中帶回實(shí)驗(yàn)室。原狀土置于壓力膜儀中，保持33 kPa，平衡后進(jìn)行CT掃描?；旌贤寥罉悠吩?0℃下風(fēng)干，在含水率達(dá)到塑限含水率時(shí)，將土樣掰成小于10 mm的團(tuán)聚體。風(fēng)干土樣一部分用于土壤團(tuán)聚體分析，一部分過篩用于土壤理化性質(zhì)測定。

1.3　CT掃描與圖像處理

利用X射線顯微CT(型號為NanotomS)掃描原狀土樣品，掃描參數(shù)設(shè)置和圖像重建參照文獻(xiàn)[8]方法。重建后生成1 900幅2 283×2 284體元的8位灰度圖像，分辨率為0.016 mm。為了避免采樣過程對樣品邊緣的影響，僅選擇中部的900×900×900體元作為感興趣區(qū)域(Region of interest, ROI)。利用Image J軟件進(jìn)行圖像預(yù)處理，包括增加對比度和中值濾波。由于后續(xù)圖像分析過程中硬件軟件等條件限制，利用Image J軟件將ROI圖像分辨率調(diào)整為0.032 mm，最終ROI為450×450×450體元，實(shí)際大小為14.4 mm×14.4 mm×14.4 mm。趙玥等[9]的研究表明圖像分割時(shí)閾值選擇不理想易導(dǎo)致孔隙連通性失真，克里格法[10]能夠很好解決這個(gè)問題，得到更精確的二值圖像。圖像孔隙度為二值圖像中孔隙所占的比例，孔隙大小分布利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的開運(yùn)算計(jì)算，通過Quantim軟件完成[11]。

1.4　土壤容重、團(tuán)聚體分布、穩(wěn)定性與有機(jī)碳含量

CT掃描后的原狀土在105℃下干燥，計(jì)算土壤容重。團(tuán)聚體穩(wěn)定性采用濕篩法。將小于10 mm的團(tuán)聚體在40℃干燥箱中干燥，取20 g土樣快速濕潤10 min后，放置在套篩上(從上到下順序?yàn)?、1、0.5、0.25、0.05 mm)，振蕩5 min。上下振幅4 cm，頻率為30 r/min。然后將各級團(tuán)聚體全部沖洗至已知質(zhì)量的鋁盒中，小于0.05 mm的團(tuán)聚體則通過沉降獲得。將收集到的各級團(tuán)聚體在40℃干燥箱中干燥，計(jì)算平均質(zhì)量直徑(Mean weight diameter，MWD)

(1)

式中n——篩子的個(gè)數(shù)

ri——第i個(gè)篩子孔徑，mm

mi——第i個(gè)篩子上的團(tuán)聚體質(zhì)量百分比

用來表示團(tuán)聚體穩(wěn)定性。每個(gè)處理3次重復(fù)。

使用碳氮分析儀(Vario MAX型，Elementar公司，德國)測定收集的各級團(tuán)聚體和混合土樣的有機(jī)碳(SOC)含量。

1.5　統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。方差分析采用One-Way ANOVA，并用LSD 法進(jìn)行多重比較，顯著性水平為0.05。

2　結(jié)果與討論

2.1　秸稈還田對水稻土容重和有機(jī)碳(SOC)含量的影響

施用化肥和秸稈還田顯著提高了有機(jī)碳含量(P<0.05)(表1)。與CK相比，NPK處理SOC含量提高了19%；與NPK相比，半量(NPKS1)和全量(NPKS2)秸稈還田處理SOC含量分別提高了9.5%和19.4%。結(jié)果表明，秸稈與氮磷鉀配合施用更利于SOC含量的積累，秸稈還田量與有機(jī)質(zhì)增加量呈正相關(guān)關(guān)系，大量相關(guān)研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。YAO等[2]在對紅壤性水稻土的研究中發(fā)現(xiàn)，在深耕和淺耕方式下，秸稈還田都能顯著提高SOC含量，且全量秸稈還田較部分秸稈還田的提高效果更為顯著。LIU等[12]研究也發(fā)現(xiàn)淹水、水旱輪作以及旱地等不同耕作制度下，秸稈還田均能顯著提高SOC含量。秸稈本身是一個(gè)重要的碳源[13]，因此秸稈還田會直接導(dǎo)致SOC含量的增加。另一方面，農(nóng)作物的秸稈中含有相當(dāng)數(shù)量的植物必需的碳、氮、磷、鉀等元素[14]，進(jìn)而提高農(nóng)作物的地上地下生物量，間接增加了土壤中碳的投入。有研究還表明，秸稈還田增加了土壤中酶的活性，刺激了土壤中微生物的生長和繁殖，能夠提高土壤中活性碳的含量[15]。

表1　長期秸稈還田對土壤有機(jī)碳含量和容重的影響Tab.1　Effect of long-term rice straw incorporation on soil organic carbon content and bulk density

注：同一列中不同小寫字母代表差異顯著(P<0.05)，數(shù)值采用均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示，下同。

施用化肥和秸稈還田顯著降低了土壤容重(P<0.05)(表1)。與CK相比，NPK處理顯著降低了土壤容重(P<0.05)。與NPK相比，NPKS2顯著降低了土壤容重(P<0.05)，而NPKS1對容重的影響不顯著(P>0.05)。結(jié)果表明秸稈還田的量是影響土壤容重的一個(gè)重要因素。ZHOU等[8]利用CT掃描方法證實(shí)了有機(jī)物料的添加能夠增加團(tuán)聚體內(nèi)部以及團(tuán)聚體之間的孔隙，從而降低容重。秸稈還田后，秸稈分解會形成孔隙；此外，秸稈還田會增加地下根系和土壤生物的活動，都會促進(jìn)孔隙的形成，增加土壤孔隙度，降低土壤容重[16]。

2.2　秸稈還田對水稻土水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

不同處理各級水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量如表2所示。與CK相比，NPK處理0.25～2 mm團(tuán)聚體含量提高了20.6%；而與NPK處理相比，NPKS2處理大于2 mm團(tuán)聚體含量提高了45.1%，但是不同處理各級團(tuán)聚體含量均未達(dá)到顯著性差異(P>0.05)。CK、NPK、NPKS1和NPKS2處理的MWD分別為0.82、0.83、0.80、1.02 mm，雖然NPKS2處理MWD較其他處理有所提高，但沒有達(dá)到顯著性水平。結(jié)果表明，稻麥輪作區(qū)秸稈還田對團(tuán)聚體分布和水穩(wěn)定性沒有產(chǎn)生顯著影響。許多研究表明秸稈還田能夠提高團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性[2,17-18]，與本研究結(jié)果不一致。ZHANG等[18]的研究表明秸稈還田量是影響土壤結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要因素，本研究中半量秸稈還田同化肥處理團(tuán)聚體水穩(wěn)定性沒有差異，而全量秸稈還田下團(tuán)聚體水穩(wěn)定性則有所提高，表明秸稈還田量是影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性效果的重要因素。另外，土壤結(jié)構(gòu)是動態(tài)變化的，安婉麗等[4]研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田對早稻田團(tuán)聚體穩(wěn)定性沒有顯著影響，但顯著提高了晚稻田團(tuán)聚體穩(wěn)定性。本研究中僅在水稻分蘗期采集了一次樣品，為了更準(zhǔn)確地評價(jià)秸稈還田對土壤結(jié)構(gòu)的影響，今后需要開展團(tuán)聚體水穩(wěn)定性的動態(tài)研究。

2.3　秸稈還田對水稻土團(tuán)聚體有機(jī)碳分布的影響

經(jīng)過25 a秸稈還田后，不同處理的團(tuán)聚體SOC含量呈現(xiàn)相同的趨勢，由大到小為NPKS2、NPKS1、NPK、CK(圖1)。與CK相比，NPK處理大于2 mm和0.25～2 mm兩個(gè)級別的團(tuán)聚體SOC含量分別提高了16.6%和15.8%，而小于0.25 mm的2個(gè)粒級則沒有顯著變化(P>0.05)。與NPK處理相比，NPKS1處理0.05～0.25 mm團(tuán)聚體SOC含量提高了15.8%，其他粒級沒有顯著變化(P>0.05)；NPKS2處理0.25～2 mm級別的團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量提高20.2%，增加幅度最大。結(jié)果表明，秸稈還田措施下，增加的有機(jī)碳在大團(tuán)聚體中積聚得最多。這可能是由于在團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)的過程中，微團(tuán)聚體(小于0.25 mm)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，有機(jī)碳含量變化較小，而在添加的秸稈作用下形成的大團(tuán)聚體對有機(jī)質(zhì)形成物理保護(hù)，容易固持SOC。整體來看，不同處理各粒級團(tuán)聚體中SOC含量與土壤總SOC含量呈相同的趨勢(表1)。秸稈還田能夠有效提高土壤SOC含量和各級團(tuán)聚體SOC含量[19]，而大團(tuán)聚體SOC含量增加幅度又高于微團(tuán)聚體。陳曉芬等[20]在對紅壤性水稻土的研究中也發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律，提出水穩(wěn)性大團(tuán)聚體是有機(jī)碳的主要載體。JASTROW等[21]利用13C 示蹤法也證實(shí)了大團(tuán)聚體比微團(tuán)聚體含有更多的有機(jī)碳。

表2　長期秸稈還田對各級水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例的影響Tab.2　Effect of long-term rice straw incorporation on water stable aggregate size distribution

圖1　長期秸稈還田對各粒級團(tuán)聚體中有機(jī)碳分布的影響Fig.1　Effect of long-term rice straw incorporation on SOC of different aggregate classes

圖2　長期秸稈還田對水稻土二維和三維結(jié)構(gòu)的影響Fig.2　Effect of long-term rice straw incorporation on 2D and 3D structures of paddy soil

2.4　秸稈還田對水稻土孔隙結(jié)構(gòu)的影響

圖2為不同處理的二維灰度圖像(14.4 mm×14.4 mm)、二值圖像(14.4 mm×14.4 mm)和三維孔隙結(jié)構(gòu)圖像(14.4 mm×14.4 mm×14.4 mm)。其中，灰度圖中淺色部分為土壤基質(zhì)，深色部分為孔隙；二值圖像中白色代表孔隙，黑色代表土壤基質(zhì)。由于分辨率的限制(0.032 mm)，本研究中的圖像中獲取的孔隙均為大于圖像分辨率的孔隙。從二維圖像可以觀察到CK和NPK處理的孔隙數(shù)量少，且孔隙較小。NPKS1處理的孔隙數(shù)量相對增多，孔隙的大小有一定增加。NPKS2處理的孔隙度則是顯著提高，且孔隙的聯(lián)通性較好，較大孔隙的比例也大幅度提升。從三維圖像來看，CK處理的內(nèi)部孔隙較少，且多為細(xì)長的孔隙；與CK處理相比，NPK的孔隙度有所提高，且孔隙直徑有所增大；NPKS1處理可明顯看到內(nèi)部秸稈殘留產(chǎn)生的大孔隙以及生物孔隙，NPKS2的孔隙則更多更復(fù)雜。由此可見，秸稈還田顯著影響了土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，秸稈還田量越多，孔隙度增大越顯著，孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。

定量分析結(jié)果同定性觀察趨勢相一致，CK、NPK、NPKS1和NPKS2處理大孔隙度分別為3.3%、3.7%、4.4%和7.9%。與CK相比，NPK處理沒有顯著提高土壤的大孔隙度。與單施化肥相比，NPKS1沒有顯著提高土壤的大孔隙度，NPKS2處理的大孔隙度則提高了113.5%。土壤孔隙大小分布如圖3所示，隨著當(dāng)量孔隙直徑的增大，4個(gè)處理的孔隙度的變化趨勢大體一致，均在當(dāng)量孔徑為0.1～0.2 mm時(shí)達(dá)到峰值，60%以上的孔隙分布在0.032～0.5 mm之間。對于當(dāng)量孔徑小于1.50 mm的各粒級的孔隙度，NPK處理與CK相比沒有表現(xiàn)出顯著差異；與NPK處理相比，NPKS1沒有表現(xiàn)顯著差異，而NPKS2處理的孔隙度在各當(dāng)量孔徑范圍都有顯著提高。當(dāng)當(dāng)量孔徑大于1.50 mm時(shí)，孔隙度從大到小表現(xiàn)為NPKS1、NPKS2、CK、NPK?？傮w來說，與CK相比，NPK不能提高土壤各粒級孔隙的孔隙度；與NPK相比，NPKS1處理各孔徑范圍的孔隙度雖然也有所增加，但并沒有達(dá)到顯著水平，而全量NPKS2顯著提高了各個(gè)孔徑范圍的孔隙度。全量秸稈還田顯著提高了有機(jī)碳含量，促進(jìn)微生物和真菌活動，同時(shí)也促進(jìn)了根系生長，使土壤大孔隙度顯著提高[22]。結(jié)果表明秸稈還田能夠改善土壤的大孔隙結(jié)構(gòu)，但是需要秸稈還田達(dá)到一定量時(shí)才有顯著效果，研究結(jié)果與相關(guān)研究基本一致[23-24]。

圖3　長期秸稈還田對孔隙大小分布的影響Fig.3　Effect of long-term rice straw incorporation on soil pore size distribution

3　結(jié)束語

基于25 a的長期定位試驗(yàn)，分析了稻麥輪作模式下秸稈還田對土壤結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，稻麥輪作區(qū)秸稈還田能夠顯著提高土壤有機(jī)碳含量，降低土壤容重，增大土壤總孔隙度。秸稈還田增加大團(tuán)聚體含量和水穩(wěn)定性，但是未達(dá)到顯著水平。不過，秸稈還田顯著提高了各級團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量，尤其是大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量。全量秸稈還田顯著增大了土壤的大孔隙度，改善了土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，而半量秸稈還田對孔隙結(jié)構(gòu)的影響則不顯著，說明秸稈還田量是影響水稻土孔隙結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要因素，秸稈還田量與孔隙結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。研究結(jié)果對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中采取合理的秸稈還田措施具有一定的參考價(jià)值。

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