董建新，宋文靜，叢萍，李玉義，逄煥成，鄭學(xué)博，王毅，王婧，況帥，徐艷麗

旋耕配合秸稈顆粒還田對土壤物理特性的影響

董建新1，2，宋文靜2，叢萍1，2，李玉義1，逄煥成1，鄭學(xué)博2，王毅3，王婧1，況帥2，徐艷麗2

1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，山東青島 266101；3山東濰坊煙草有限公司，山東濰坊 261205

【】針對黃淮煙區(qū)植煙田由于化肥投入較高、耕作頻繁造成的土壤板結(jié)、通透性降低、水穩(wěn)性團聚體數(shù)量下降等土壤物理性質(zhì)惡化的問題，探討通過秸稈顆粒還田與耕作方式改善土壤物理性狀的可行性。采用3年田間定位試驗，以旋耕+不施秸稈顆粒（RG0）為對照，設(shè)置3種秸稈顆粒用量（G1：2 250 kg·hm-2、G2：4 500 kg·hm-2、G3：6 750 kg·hm-2）與2種耕作方式（旋耕：R、深翻：T）的交互處理，分析不同處理對土壤容重、田間持水量、土壤孔隙度、土壤團聚體穩(wěn)定性的影響。（1）與RG0相比，3年間RG處理易顯著降低0—20 cm土層土壤容重，降幅6.7%—16.5%，而TG處理易顯著降低20—40 cm土層土壤容重，降幅3.0%—9.8%，秸稈顆粒高量還田降低比率最高。（2）RG處理提升0—20 cm土層田間持水量的效果顯著，其中RG3較RG0提升14.9%（2017年）；增加秸稈顆粒用量提升20—40 cm土層田間持水量顯著，其中RG3較RG0提升18.0%（2018年）。（3）RG3與TG3處理顯著提高0—20 cm與20—40 cm土層土壤總孔隙度，最高達17.9%與14.6%（2017年），但僅RG2與RG3處理顯著提高20—40 cm土層土壤毛管孔隙度。（4）RG處理在還田后期對0—20 cm土層土壤團聚體穩(wěn)定性的提升作用顯著；＞2 mm、＜0.106 mm、0.5—1 mm、0.106—0.25 mm與1—2 mm粒級團聚體是影響0—20 cm土層土壤物理性狀的主要因子（Exp＞66%），而0.5—1 mm與0.106—0.25 mm粒級團聚體是影響20—40 cm土層土壤物理性狀的主要因子（Exp＞48%）。秸稈顆粒用量6 750 kg·hm-2配合旋耕處理可同時降低0—20和20—40 cm土層的土壤容重，提升持水性能與土壤團聚體穩(wěn)定性，且聚類分析也表明該處理促使土壤物理特性居于一類水平，是能有效改善當?shù)責熖锿寥牢锢斫Y(jié)構(gòu)的可行措施。

秸稈顆粒；土壤耕作；土壤物理性質(zhì)；團聚體穩(wěn)定性

0 引言

【研究意義】良好的土壤結(jié)構(gòu)是土體內(nèi)水、肥、氣、熱正常運行的重要保障，是促進作物良好生長的必要條件[1]。然而當前我國黃淮煙區(qū)耕層土壤容重增加、通透性變差、土壤團聚體穩(wěn)定性降低等逐步成為作物高產(chǎn)高效的重要限制因素[2]。研究表明，連續(xù)施用化肥及不合理的耕作是造成煙田土壤結(jié)構(gòu)性變差的重要原因，連續(xù)施用化肥20年可造成＞0.25 mm水穩(wěn)性大團聚體含量顯著減少，團聚體破壞率提高9.38%—16.56%，平均重量直徑減少0.15—0.18 mm[3]；不合理的耕作可使土壤緊實度在作物耗水高峰期超過4 000 kPa，嚴重影響作物生長[4]?？梢姡叫杼綄みm宜的施肥方式以保障土壤良好的物理性狀。【前人研究進展】秸稈還田措施兼具改土培肥與廢棄物資源利用的雙重優(yōu)點，具有極大的推廣應(yīng)用價值。國內(nèi)外研究表明，秸稈全量還田可使土壤容重降低6.2%— 9.9%，土壤含水量提高7.8%—22.9%[5]，也能提高土壤大團聚體（＞0.25 mm）和小團聚體（0.25—0.053 mm）含量[6]；且隨著投入量的增加，土壤1 mm大孔隙的飽和導(dǎo)水率及有效孔隙率顯著增加[7]，土壤蓄水量顯著提高，土壤緊實度顯著降低[8]。此外，耕作措施也能顯著改變土壤物理結(jié)構(gòu)[9]，翻耕30 cm較常規(guī)耕作可提高0—40 cm耕層田間持水量及土壤孔隙度12.67%與5.94%，降低土壤容重6.90%[10]；深耕40 cm與30 cm無顯著差異，但二者較翻耕20 cm能顯著提高總孔隙度與毛管孔隙度，降低土壤容重[11]；但也有研究表明，22—24 cm深度的耕作就能夠顯著破壞土壤微結(jié)構(gòu)，降低水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量[12]，故部分學(xué)者將少免耕與秸稈還田相配合來促進耕層土壤團聚體穩(wěn)定性的增加[13]。可見，秸稈還田與耕作措施可對土壤物理結(jié)構(gòu)造成顯著影響，然而如何將二者合理配合以改善植煙土壤物理結(jié)構(gòu)尚不明確?！颈狙芯壳腥朦c】將秸稈進行粉碎、擠壓、造粒從而制成秸稈顆粒，可作為新型秸稈還田材料應(yīng)用于農(nóng)田生產(chǎn)，與常規(guī)秸稈直接還田相比具有施用方便、養(yǎng)分釋放率高[14]、快速增加土壤有機質(zhì)[15]等優(yōu)點。在黃淮海地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，當秸稈顆粒與粉碎秸稈均以6 000 kg·hm-2施入淺耕層時，秸稈顆粒處理可使冬小麥生長季的土壤有機質(zhì)水平高于粉碎秸稈8.5%[16]；當秸稈顆粒以不同的用量埋至40 cm土層時，對土壤有機質(zhì)含量的提升幅度隨秸稈用量而增加[15]。然而，秸稈顆粒對于土壤物理結(jié)構(gòu)的影響未有報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本試驗設(shè)置2 250、4 500和6 750 kg·hm-23種用量的秸稈顆粒肥施用水平，結(jié)合旋耕與翻埋兩種耕作方式，研究秸稈顆粒配合不同耕作方式對土壤物理性狀的影響效應(yīng)：（1）研究不同秸稈顆粒用量、不同耕作方式對植煙土壤物理性狀及團聚體結(jié)構(gòu)的影響；（2）篩選出能夠改善當?shù)刂矡熗寥牢锢斫Y(jié)構(gòu)的較優(yōu)秸稈顆粒施用方式。以期為農(nóng)田土壤物理結(jié)構(gòu)的改良提供指導(dǎo)，并推動作物秸稈的資源化利用。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于2016—2018年在山東省諸城市賈悅鎮(zhèn)（119°06′E，36°01′N）開展田間試驗，當?shù)睾０胃叨?30 m，氣候類型為溫帶季風氣候，年均日照時數(shù)2 578.4 h，年均氣溫12.3℃，年均降水量773 mm，無霜期232 d。試驗地采用烤煙-冬閑的種植模式，耕作方式以旋耕為主，土壤類型為褐土，土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土（國際制：砂粒12.51%，粉粒44.65%，黏粒42.84%）。土壤基礎(chǔ)理化性狀見表1。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗設(shè)置G1：2 250 kg·hm-2、G2：4 500 kg·hm-2和G3：6 750 kg·hm-23種秸稈顆粒用量，以及隔年深翻（T）與連年旋耕（R）2種耕作模式，以常規(guī)旋耕+不施秸稈為對照（RG0），共計7個處理（表2），每個處理3次重復(fù)，隨機區(qū)組設(shè)計，每個小區(qū)72 m2。秸稈顆粒僅在深翻年份（2016年與2018年）施入，以保證深翻時混入下層土壤。該秸稈顆粒肥為課題組研制，采用當季玉米秸稈（含碳42.69%，氮1.15%，磷0.10%，鉀0.98%），在王婧等[14]粉碎—擠壓—造粒方法的基礎(chǔ)上添加化肥和秸稈促腐菌劑，每t添加NH4+-N 5.5 kg、NO3--N 2.0 kg、P2O57.5 kg、K2O 6.0 kg和促腐菌劑3 kg。TG處理組是利用秸稈掩埋翻耕犁將秸稈顆粒深翻入土內(nèi)，以1004 型拖拉機為牽引動力（功率73.5 kw），耕深約35 cm；RG處理為每年常規(guī)旋耕，耕深15 cm，使秸稈顆粒與0—15 cm土壤混合。而后常規(guī)起壟并施用化肥，化肥施用總量為N 76.95 kg·hm-2、P2O576.95 kg·hm-2和K2O 193.50 kg·hm-2，其包括單獨投入的化肥量以及秸稈顆粒制造過程中所添加的化肥量，單施的化肥于起壟時條施。供試作物為NC55品種烤煙，每年5月上旬移栽，田間栽煙4行，株距0.5 m，行距1.2 m，每小區(qū)（72 m2）栽煙120株。

表1 供試土壤基礎(chǔ)理化性狀

表2 試驗設(shè)計表

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤表觀物理性狀的測定與計算 土壤容重（bulk density，BD，g·cm-3）于烤煙成熟期運用環(huán)刀法在田間測定。土壤容重降低比率以試驗組土壤容重較RG0的降低幅度來表示。

田間持水量（field water capacity，F(xiàn)WC，%）于烤煙成熟期運用環(huán)刀法取田間土樣測定田間持水量。田間持水量上升比率以試驗組田間持水量較RG0的上升幅度表示。

土壤總孔隙度（soil total porosity，%）=×100 （1）

式中，BD為土壤容重（g·cm-3）；為土壤比重（通常為2.65 g·cm-3）。

土壤毛管孔隙度（soil capillary porosity，%）=FWC×BD （2）

式中，F(xiàn)WC為田間持水量（%）；BD為土壤容重（g·cm-3）。

以上指標測定方法及計算均參考《土壤物理性質(zhì)測定法》[17]。

1.3.2 土壤團聚體特征的測定與計算 在烤煙成熟期進行土壤團聚體的采集，用環(huán)刀取土樣的同時分別采集0—20、20—40 cm的原狀土裝入硬質(zhì)塑料盒內(nèi)（17 cm×11 cm×6 cm），避免在運輸過程中受到擠壓，以保持土壤原有結(jié)構(gòu)。裝盒之前將石塊以及植株殘體等挑揀出，將盒裝土帶回實驗室風干備用。取100 g風干土樣置于套篩（孔徑依次為2、1、0.5、0.25、0.106 mm）頂部，以30次/min手工上下振蕩5 min，測定各孔徑篩子上土樣重量，計算＞2 mm、1—2 mm、0.5—1 mm、0.25—0.5 mm、0.106— 0.25 mm與＜0.106 mm的團聚體含量占比、＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量（0.25）、平均重量直徑（mean weight diameter，）、幾何平均直徑（geometric mean diameter，）以及分形維數(shù)（）[18-19]，計算公式如下：

分形維數(shù)根據(jù)公式（6）進行計算：

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016對試驗數(shù)據(jù)進行整理，運用SAS 9.4軟件中的單因素方差分析（one-way ANOVA）比較不同處理間的差異（LSD，=0.05），采用雙因素方差分析（two-way ANOVA）耕作方式與秸稈顆粒用量的交互作用，采用聚類分析法對不同的秸稈顆粒處理進行排序。采用Canoco 5.0軟件對土壤團聚體特征與表觀物理性狀的相互關(guān)系進行冗余分析（redundancy analysis, RDA）。

2 結(jié)果

2.1 不同處理對植煙土壤容重的降低作用

對于0—20 cm土層（表3），2016年各處理間土壤容重水平無顯著差異；2017年，除TG1外，各處理較RG0顯著降低土壤容重8.48%—16.47%（＜0.05），且TG處理下土壤容重降低比率隨秸稈顆粒用量的增加而升高，其中RG3處理的降低水平最顯著；2018年，各處理顯著降低土壤容重6.70%—11.35%（＜0.05），以RG3的降低水平最為顯著。相同秸稈顆粒用量、不同耕作方式比較發(fā)現(xiàn)，旋耕處理較翻埋處理更大幅度地降低了0—20 cm土層土壤容重，其中2017年RG3顯著低于TG3 8.73%（＜0.05）。從年際間變化看，試驗第2、3年土壤容重較第1年有顯著降低，其中RG3降低比率最高，達14.8%。

對于20—40 cm土層，2016年，除RG2外，各處理土壤容重較RG0顯著降低3.03%—6.05%（＜0.05），以TG1的降低比率最大；2017年，除TG1外，各處理顯著降低土壤容重5.64%—8.56%（＜0.05），且TG處理下土壤容重呈梯度性顯著差異，表現(xiàn)為TG3＜TG2＜TG1；2018年，各處理顯著降低土壤容重3.47%—9.84%（＜0.05），其中TG3的降低程度最顯著。相同秸稈顆粒用量、不同耕作方式比較發(fā)現(xiàn)，3年間，TG處理較RG處理大幅降低20—40 cm土壤容重，但旋耕處理在一定程度上也能降低20—40 cm土壤容重。

雙因素方差分析表明（表4），耕作方式在2016年與2017年是影響0—20 cm土層土壤容重的顯著或極顯著因素，秸稈用量及二者的交互作用在2017年是影響0—20 cm土層的極顯著因素。耕作方式在2016年與2018年是影響20—40 cm土層土壤容重的顯著或極顯著因素，秸稈顆粒用量以及二者的相互作用在2017年是影響20—40 cm土層的極顯著因素?？梢?，試驗期間耕作方式是引起土壤容重變化的主導(dǎo)因素。

2.2 不同處理對植煙土壤田間持水量的提升作用

對于0—20 cm土層，2016年RG1、RG2與RG3處理的田間持水量顯著高于RG0 7.28%—11.65%（＜0.05），處理間無顯著差異；2017年，僅RG1、RG2與RG3處理的田間持水量顯著高于RG0 7.72%— 14.86%（＜0.05），以RG3處理提高的最大；2018年，僅TG2與RG3處理的田間持水量較RG0顯著提高7.43%（＜0.05）與11.83%（＜0.05）（表5）。相同秸稈用量、不同耕作方式相比較，旋耕處理下的田間持水量平均水平高于深翻處理，表明秸稈顆粒配合旋耕更利于0—20 cm田間持水量的增加。從年際間變化來看，2016、2017與2018年田間持水量變化范圍分別為20.73%—23.14%、18.84%— 22.01%、19.24%—21.52%，不同年份間變化不大，然而第2、3年秸稈顆粒處理較RG0的增幅要高于第1年，表明秸稈顆粒還田1年后對田間持水量的提升效果更顯著。

表3 2016—2018年不同處理下植煙土壤容重及容重降低比率

小寫字母代表同一土層不同處理間進行差異比較，差異分析在＜0.05的顯著性水平。下同

Lowercase letters represent differences between treatments in the same soil layer at level of 0.05. The same as below

表4 雙因素方差分析耕作方式與秸稈顆粒用量交互作用對土壤容重的影響

對于20—40 cm土層，2016年各處理較RG0提高田間持水量4.72%—11.74%，其中以RG3提升效果最顯著（＜0.05），TG2次之為8.04%（＜0.05）；2017年，僅TG2與TG3處理的田間持水量顯著高于RG0 16.81%（＜0.05）與15.08%（＜0.05）；2018年，除RG1外，各處理顯著提高田間持水量12.23%— 17.98%（＜0.05），可見，4 500和6 750 kg·hm-2秸稈顆粒還田量配合不同的耕作方式對20—40 cm土層田間持水量的增加有積極效果。從年際間變化看，隨著試驗?zāi)晗薜脑黾咏斩掝w粒處理較RG0的增幅逐漸增大，表明秸稈的腐解以及秸稈的再投入均對田間持水量的提升有積極作用。

雙因素方差分析表明（表6），對于0—20 cm土層，耕作方式是影響2016、2017年田間持水量的顯著與極顯著因素；而對于20—40 cm土層，僅秸稈顆粒用量在2017年是影響田間持水量極顯著因素。

表5 2016—2018年不同處理下植煙土壤田間持水量及其上升比率

表6 雙因素方差分析耕作方式與秸稈顆粒用量交互作用對田間持水量的影響

2.3 對土壤總孔隙度與毛管孔隙度的影響

由圖1可知，2016年，RG處理0—20 cm土層總孔隙度顯著高于TG2與TG3處理，其中RG1處理分別較TG2與TG3處理提高7.70%（＜0.05）與7.23%（＜0.05），但與RG0相比無顯著差異；TG1與TG3處理分別較RG0處理顯著提高20—40 cm土層總孔隙度10.8%（＜0.05）與9.8%（＜0.05）。2017年，除TG1外，各處理均能顯著提高0—20 cm土層總孔隙度，其中RG3與RG1較RG0增幅17.9%（＜0.05）與15.9%（＜0.05），二者亦顯著高于TG2與TG3；除TG1外，各處理均能顯著提高20—40 cm土層總孔隙度，其中以TG3最高，顯著高于RG0 14.6%（＜0.05）。2018年，各處理0—20 cm土層的總孔隙度均顯著高于RG0，其中以RG3的最高；除RG1外，各處理均能顯著增加20—40 cm土層總孔隙度，其中TG處理最為顯著。可見，秸稈還田處理能夠增加土壤總孔隙度，其中旋耕更利于0—20 cm土層總孔隙度的增加，而深翻更利于20—40 cm土層總孔隙度的增加，且隨著試驗?zāi)晗薜难娱L，秸稈顆粒處理較RG0提升土壤總孔隙度的幅度在增加。

從毛管孔隙度變化看，2016年，TG2、TG3與RG1分別較RG0顯著提高0—20 cm土層土壤毛管孔隙度9.8%、7.4%與7.5%（＜0.05）；與RG0相比除TG3外，各處理均能顯著提高20—40 cm土層的土壤毛管孔隙度，其中RG3較RG0增幅最高，達10.7%（＜0.05）。2017年，各處理降低了0—20 cm土層毛管孔隙度，TG1顯著低于RG0 10.7%（＜0.05）；RG2與RG3處理較RG0顯著提升20—40 cm土層的土壤毛管孔隙度7.3%（＜0.05）與7.0%（＜0.05），而TG1與RG1顯著低于RG0 12.8%（＜0.05）與18.3%（＜0.05）。2018年，RG2與RG3處理分別較RG0顯著提高20—40 cm土層毛管孔隙度8.8%（＜0.05）和11.2（＜0.05）。可見，秸稈顆粒處理隨著試驗?zāi)晗薜脑黾幽軌蚪档?—20 cm土層毛管孔隙度，而旋耕處理可有效提升20—40 cm土層的毛管孔隙度，且在秸稈顆粒投入年份（2016年與2018年）的增幅較高。

圖1 2016—2018年0—20 cm與20—40 cm土層土壤總孔隙度與毛管孔隙度的變化

雙因素方差分析表明（表7），對于0—20 cm土層，耕作方式在2016年與2017年是影響土壤總孔隙度的極顯著因素，秸稈用量以及二者的交互作用在2017年與2018年是影響土壤總孔隙度的極顯著或顯著因素。對于20—40 cm土層，耕作方式在各年份均是影響總孔隙度的顯著因素，耕作方式與秸稈顆粒用量的交互作用是影響毛管孔隙度的顯著因素；2017年，耕作方式、秸稈用量及二者交互作用對總孔隙度的影響均達到顯著或極顯著水平，而毛管孔隙度僅受秸稈顆粒用量的極顯著影響；2018年，耕作方式是影響總孔隙度與毛管孔隙度的極顯著因素。

2.4 不同處理對植煙土壤團聚體的影響

2.4.1 不同處理對植煙土壤團聚體分布的影響 土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，其分布狀態(tài)以及穩(wěn)定性是衡量土壤質(zhì)量的重要指標[20]。由圖2可知，2016年，0—20 cm與20—40 cm土層土壤團聚體以0.25—0.5 mm粒級團聚體占比最高，分別為25.1%— 33.1%與24.8%—36.1%，其中TG2與TG3處理居于最高水平，而0.106—0.25 mm粒級占比次之。2017年，土壤團聚體以0.25—0.5 mm與0.5—1 mm粒級占比最高，約為20.3%—32.3%，其中TG2與TG3處理含量較高；另外，RG處理可顯著提高0—20 cm土層＞2 mm與1—2 mm粒級團聚體含量，RG3處理增幅最高，分別為20.9%與19.0%。2018年，0—20 cm與20—40 cm土層均以0.5—1 mm（20.9%— 27.4%）、0.25—0.5 mm（24.4%—33.1%）粒級占比最高，其中TG處理能較RG處理顯著提高0.25—0.5 mm粒級團聚體含量。隨還田時間的增加，＞0.25 mm粒級團聚體含量占比逐漸增加，由0.25—0.5 mm與0.106—0.25 mm占主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)?.25—0.5 mm與0.5—1 mm占主導(dǎo)。

圖2 不同處理下土壤團聚體分布特征

2.4.2 對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響 由表8可見，秸稈顆粒配合不同耕作方式顯著影響了土壤團聚體穩(wěn)定性。0—20 cm土層，2016年各處理較RG0顯著提高0.25值20.5%—31.8%（＜0.05），TG3、TG2、TG1與RG1處理分別顯著提高了與15.7%—23.5%（＜0.05）與23.1%—38.5%（＜0.05），其中TG3的0.25值、與均居于最高水平，但各處理的值并無顯著差異。2017年，除TG1外，各處理均較RG0顯著提高R值、與，以RG3增幅最高，分別為28.3%（＜0.05）、80.3%（＜0.05）與94.6%（＜0.05）；3個指標在相同耕作方式下隨秸稈顆粒用量的增加而增大，相同秸稈顆粒用量下RG處理高于TG處理，且RG處理可顯著降低值。2018年，僅RG1顯著提高0.25值，除TG3外各處理顯著提高與?？梢?，隨著試驗?zāi)晗薜脑黾有幚砀欣谠黾?—20 cm土層團聚體穩(wěn)定性。

20—40 cm土層，2016年，TG2與RG3的0.25值顯著高于RG0 7.2%（＜0.05）與15.9%（＜0.05），僅RG3處理的與顯著高于RG0 21.5%（＜0.05）與25.7%（＜0.05），各處理的值無顯著差異，此外，深翻處理的出現(xiàn)顯著降低現(xiàn)象。2017年，僅RG2處理提高了0.25、與。2018年，RG處理的較相同用量的TG處理顯著增加，其中RG1高于TG1 16.4%（＜0.05），RG3高于TG3 17.9%（＜0.05），但較RG0無顯著差異；RG1處理的顯著高于TG1、TG3與RG0，表明深翻不利于20—40 cm土層團聚體穩(wěn)定性。從年際間變化看，2016與2018年處理間變幅較大，這可能與秸稈顆粒的投入有關(guān)。

2.5 土壤團聚體粒級分布對土壤物理性狀的影響效應(yīng)

土壤團聚體是土壤微結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對土壤物理特性（如土壤容重、水分、孔隙度等）有重要影響。圖3利用冗余分析（RDA）研究了6個土壤團聚體粒級分布對8個土壤物理性狀（容重、田間持水量、總孔隙度、毛管孔隙度、0.25、、與）的影響，結(jié)果表明，對于0—20 cm土層，兩個排序軸解釋了總變異的99.39%，表明兩個排序軸可反映土壤團聚體粒級分布對土壤物理性狀影響的絕大部分信息，＞2 mm、＜0.106 mm、0.5—1 mm、0.106—0.25 mm與1—2 mm粒級團聚體均是影響土壤物理性狀的主要因子。對于20—40 cm土層，兩個排序軸解釋了總變異的91.76%，0.5—1 mm與0.106— 0.25 mm團聚體是影響土壤物理性狀的主要因子。

圖3 0—20與20—40 cm土層土壤物理性狀與土壤團聚體粒級分布的冗余分析

表7 雙因素方差分析耕作方式與秸稈顆粒用量交互作用對土壤總孔隙度和毛管孔隙度的影響

表8 不同秸稈顆粒施用方式下土壤R0.25、MWD、GMD及D的變化

0.25代表＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量，代表平均重量直徑，代表幾何平均直徑，代表分形維數(shù)

0.25means ＞0.25 mm water stable aggregate content,means mean weight diameter,means geometric mean diameter,means fractal dimension

2.6 聚類分析評價土壤綜合物理性狀

為觀察各處理對土壤物理性狀及團聚體結(jié)構(gòu)特征的綜合影響效應(yīng)，以3年試驗期間所測得的0—20 cm與20—40 cm土層的上述8個指標結(jié)果為依據(jù)，對7個處理進行系統(tǒng)聚類。圖4表明，對于0—20 cm土層，7個處理可分為5類，其中RG1、RG3、RG2為一類水平，TG1與TG3分居于二、三類水平，TG2居于四類水平，這表明，秸稈顆粒配合旋耕可使土壤物理性狀得到綜合改善，但是分類水平在秸稈顆粒用量發(fā)生分異。對于20—40 cm土層，RG2與RG3居于一類水平，TG1與RG1分居二、三類水平，這表明增加秸稈顆粒用量的旋耕處理使得20—40 cm土層的綜合物理性狀有較好表現(xiàn)。

圖4 各處理的聚類分析

3 討論

3.1 旋耕配合秸稈顆粒還田對土壤物理性狀的影響

不同耕作方式下增加秸稈顆粒用量對0—20 cm與20—40 cm土層的土壤容重、田間持水量、土壤孔隙度的改善有積極影響，其中土壤容重受耕作方式的影響達到顯著或極顯著水平。前人研究也肯定了耕作方式對土壤容重的影響，崔建平等[21]指出，土壤容重隨翻耕深度的增加而下降，但本研究發(fā)現(xiàn)這也因不同土層而異，由于旋耕作業(yè)深度約為15 cm，而深翻作業(yè)深度約40 cm，且深翻將20—40 cm土層的部分土壤翻至淺耕層，故對于0—20 cm土層，旋耕處理對土壤容重的降低幅度更大，而對于20—40 cm土層，深翻的降低幅度更大，這與童文杰等[11]的研究結(jié)論一致。

田間持水量是衡量田間土壤保持水分能力的重要指標，視為對作物有效的土壤水分的上限，對農(nóng)田灌溉和作物水分管理具有十分重要意義[22]。本研究4 500和6 750 kg·hm-2用量的秸稈顆粒處理在3年間均提高了0—20與20—40 cm土層的田間持水量，這表明增加秸稈顆粒用量可提高土壤對水分的保蓄能力，其與秸稈顆粒施入后改變了土壤孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，由于田間持水量即為毛管懸著水最高時的水含量，毛管孔隙借助毛管引力將水分保持在其中，水分在毛管力作用下可以向各個方向運動，能溶解養(yǎng)分，可見，毛管孔隙在土壤有效水的貯存以及運移方面具有重要意義。本研究發(fā)現(xiàn)，尤其是對于20—40 cm土層，4 500和6 750 kg·hm-2秸稈顆粒還田量在2016與2017年的毛管孔隙度均高于2 250 kg·hm-2處理，加之秸稈顆粒本身具有很強的保水性[8,23]，最終使得20—40 cm土層田間持水量升高。李永寧等[24]的研究發(fā)現(xiàn)，在自然植被下的土壤毛管孔隙度以及非毛管孔隙度通常隨土層的加深而降低，然而本研究中20—40 cm土層的毛管孔隙度高于0—20 cm土層，這與自然土層孔隙度的分布不一致，這說明長期頻繁耕作會使得淺耕層（0—20 cm）的毛管孔隙度降低，非毛管孔隙度增大。而土壤總孔隙度通常是指土壤非毛管孔隙與毛管孔隙的總和，非毛管孔隙中以通氣孔隙為主，總孔隙度高而毛管孔隙度低的土壤往往通氣孔隙偏多。本研究中供試土壤的總孔隙度表現(xiàn)為0—20 cm土層高于20—40 cm土層，而毛管孔隙度則相反，表明0—20 cm土層通氣孔度高于20—40 cm，這符合農(nóng)田土壤“上松下實”的土體構(gòu)造[25]。另外，與RG0相比，秸稈顆粒配合不同耕作措施在一定程度上增加0—20 cm土層土壤總孔隙度而降低土壤毛管孔隙度，這是因為秸稈顆粒為直徑約5 mm，長度4—6 cm的短棒狀，還田后易在土體內(nèi)形成大孔隙。

隨著試驗?zāi)晗薜脑黾?，施用秸稈顆粒降低土壤容重、提高田間持水量以及土壤總孔隙度的幅度逐漸增大，這主要有兩方面原因：一是隨著年份的增加，秸稈顆粒在土壤中逐漸腐解，產(chǎn)生的腐殖酸利于良好土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成[26-27]，促進土壤水、肥、氣、熱的協(xié)調(diào)；二是秸稈顆粒由秸稈粉末擠壓制備而成，其容重約為447 g·L-1，顯著低于土壤，且具良好的吸水、保水性[28]，故而2018年再次投入秸稈顆粒后對土壤物理性狀有更大幅度的改善。

3.2 旋耕配合秸稈顆粒還田對土壤團聚體特征的影響

土壤團粒結(jié)構(gòu)體通常是指＞0.25 mm的團聚體，可用其所占比例（0.25）來說明土壤團聚體數(shù)量變化；另外，土壤團聚體平均重量直徑（）、平均幾何直徑（）以及分形維數(shù)（）也是反映土壤團聚體大小及分布狀況的常用指標，與值越大、值越小，表明團聚度越高，團聚體穩(wěn)定性越強[20]。研究土壤團聚體大小分布以及穩(wěn)定性則能較好地反映土壤結(jié)構(gòu)特征[29]。本研究中，不同處理并未改變土壤團聚體粒級分布，均以0.25—1 mm粒級團聚體占比最高，0.25、與3個指標的顯著性水平分異較更明顯，表明此三者對于各處理的敏感度較高，更利于觀察秸稈顆粒施用方式對土壤結(jié)構(gòu)的影響。因而當前對于團聚體特征的研究中，大多數(shù)學(xué)者傾向于用與進行評價[30]，少數(shù)學(xué)者也選擇來評價[31]，可能與其敏感性不同有關(guān)。本研究中深翻處理并未對20—40 cm土層的土壤團聚體穩(wěn)定性產(chǎn)生積極影響。前人研究發(fā)現(xiàn)，耕作使土壤團聚體穩(wěn)定性較開墾前下降[13,32]，而本研究中旋耕處理對20—40 cm土層擾動少，類似于開墾前土壤，而深翻則對0—40 cm土層均有擾動，因此經(jīng)深翻處理的土壤團聚體穩(wěn)定性有所下降，本研究中采用隔年深翻配施秸稈顆粒的耕作模式在一定程度上也降低了年年深翻對土壤的擾動。此外，與不施用秸稈顆粒相比，施用秸稈顆粒的旋耕處理在一定程度上提高了團聚體穩(wěn)定性。這表明秸稈顆粒有促進土壤團聚體穩(wěn)定的效應(yīng)，主要原因在于秸稈腐解后產(chǎn)生的腐殖酸類物質(zhì)是土壤團聚體重要的膠結(jié)物質(zhì)，促進微團聚體向大團聚體團聚，從而增加團聚體穩(wěn)定性[33]。但是不同秸稈顆粒用量間的差異并不顯著，這與先前在黃淮海地區(qū)小麥-玉米輪作系統(tǒng)下不同秸稈顆粒用量差異顯著的結(jié)論[15]不一致。其原因，一是本研究中秸稈顆粒的施用量低（先前施用的秸稈顆粒最低量為6 000 kg·hm-2），秸稈顆粒本身腐解速率快[14]，加之添加了促腐劑更促進了腐殖酸及秸稈養(yǎng)分的快速釋放，使得處理前期效果更顯著；二是秸稈顆粒呈短圓柱狀，極易在耕作時滾動，有可能在土體內(nèi)呈團簇狀不均勻分布[34]，造成了取樣的均勻度不一致。

3.3 土壤團聚體結(jié)構(gòu)對基本物理性狀的影響效應(yīng)及綜合分析

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的重要組成單位，它的數(shù)量以及大小在一定程度上反映土壤供儲養(yǎng)分、持水性、通透性等能力的高低[18]。本研究通過冗余分析發(fā)現(xiàn)，＞2 mm粒級團聚體是極顯著影響0—20 cm土層土壤物理性狀的因子，這是因為土壤大團聚體越多、越穩(wěn)定，越能形成良好的孔隙結(jié)構(gòu)[35]，在降低土壤容重的同時，增強其持水保水能力；而對于20—40 cm土層0.5—1 mm粒級團聚體與是顯著影響因子，表明20—40 cm土層可能受多種粒級團聚體共同作用。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈顆粒配合旋耕處理對各物理性狀有著更積極的影響，20—40 cm土層物理性狀也表現(xiàn)為旋耕優(yōu)于深翻，可能與養(yǎng)分的遷移作用有關(guān)。前人研究表明，受淋溶作用以及人為活動等的影響，生物炭逐漸向下層土壤遷移[36]，5年后其對深層土壤物理結(jié)構(gòu)的影響更強[20]。本研究在3年內(nèi)即表現(xiàn)出對下層土壤的顯著影響，主要因為秸稈顆粒在培養(yǎng)的前60 d為快速腐解期，平均腐解速率達0.068 g·d-1[14]，能夠較快生成腐殖酸，烤煙生長季恰是雨季，腐殖酸易隨水遷移至下層土壤，促進了下層土壤團聚體形成及穩(wěn)定性增加[34]。聚類分析發(fā)現(xiàn)，GR3處理在對0—20與20—40 cm土層的綜合影響效應(yīng)中均居于一類水平，對綜合物理性狀的影響貢獻中排序最前，因此從提高秸稈消納量，降低機具能耗、節(jié)約成本的角度，推薦秸稈顆粒以6 750 kg·hm-2用量配合旋耕來改善當?shù)責熖镂锢硇誀睢Ｖ档弥赋龅氖?，本研究考慮到煙草品質(zhì)以及生產(chǎn)成本，最高選擇6 750 kg·hm-2的秸稈顆粒用量進行試驗，結(jié)果也證明，該最高用量下土壤物理性狀的綜合效應(yīng)表現(xiàn)最好，故今后仍需細化秸稈顆粒用量并結(jié)合烤煙品質(zhì)進行研究，結(jié)合經(jīng)濟效益以及生態(tài)效益評估煙田最佳秸稈顆粒用量。

4 結(jié)論

4.1 增加秸稈顆粒用量可顯著改善植煙土壤物理性狀，以高量效果最顯著。旋耕與深翻分別是造成0—20與20—40 cm土層土壤容重降低、田間持水量與土壤孔隙度提升的主要耕作方式。與秸稈顆粒還田量相比，耕作方式是土壤物理性狀分異的主要因素。

4.2 秸稈顆粒配合深翻以及旋耕可不同程度提高0—20 cm土層團聚體穩(wěn)定性。0.5—1 mm與0.106— 0.25 mm粒級團聚體同為0—20與20—40 cm土層土壤物理性狀分異的主要因子，對兩個土層綜合物理性狀變異解釋率分別為＞66%與＞48%。

4.3 聚類分析表明，RG3處理在對0—20與20—40 cm土層物理性狀的綜合排序里均居于一類水平，因此從提高秸稈資源化利用、降低農(nóng)機具耕作成本的角度，推薦秸稈顆粒用量6 750 kg·hm-2配合旋耕，作為改善當?shù)責熖锿寥牢锢斫Y(jié)構(gòu)的可行措施。

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Improving Farmland Soil Physical Properties by Rotary Tillage Combined with High Amount of Granulated Straw

DONG JianXin1, 2, SONG WenJing2, CONG Ping1, 2, LI YuYi1, PANG HuanCheng1, ZHENG XueBo2, WANG Yi3, WANG Jing1, KUANG Shuai2, XU YanLi2

1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;2Tobacco Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Qingdao 266101, Shandong;3Weifang Tobacco Company of Shandong Province, Weifang 261205, Shandong

【】Aiming at the problems of soil physical properties deterioration because of the high input of chemical fertilizer and frequent cultivation, such as soil hardening, permeability reduction and water stable aggregate quantity decrease, the feasibility of improving the above soil physical properties by straw granular fertilizer and cultivation method was discussed.】Three years of field experiments were carried out with rotary tillage + no straw granular fertilizer (RG0) as the control. The three kinds of straw granular fertilizer (G1: 2 250 kg·hm-2, G2: 4 500 kg·hm-2, G3: 6 750 kg·hm-2) and two tillage methods (rotary tillage: R, deep burying: T) were set, and the effects of straw granular fertilizer and tillage methods on soil bulk density, field water holding capacity, soil porosity and soil aggregate stability were studied. 【】The results showed that: (1) Compared with RG0, RG treatment significantly reduced soil bulk density in 0-20 cm soil layer by 6.7%-16.5%, while TG treatment significantly reduced soil bulk density in 20-40 cm soil layer by 3.0%-9.8%. The decrease rate of the high amount of straw granular returning was the highest. (2) RG was more conducive to increase the field water capacity of 0-20 cm soil layer, with RG3 increasing the most significant, up to 14.9%; the amount of straw granule fertilizer significantly affected the field water capacity of 20-40 cm soil layer, and the effect of twice and three times treatment was the most significant. (3) The total porosity of 0-20 cm soil layer was significantly affected by tillage, which was increased up to 17.9% under RG3, while TG3 significantly increased it in 20-40 cm soil layer. RG2 and RG3 could significantly increase the capillary porosity of 20-40 cm soil layer during three years. (4) The stability of soil aggregates in 0-20 cm soil layer was significantly improved under RG treatment in the later stage of returning to the field. What’s more, aggregate size of ＞2 mm, ＜0.106 mm, 0.5-1 mm, 0.106-0.25 mm and 1-2 mm were the important components (Exp＞66%) that affected the physical properties of 0-20 cm soil layer, while 0.5-1 mm and 0.106-0.25 mm particle size aggregates were the important components (Exp＞48%) that affected the physical properties of 20-40 cm soil layer. 【】Treatment of RG3 reduced the soil bulk density, improved the water holding capacity, and promoted the soil aggregates stability of the two soil layers at the same time. Cluster analysis further indicated that the soil physical properties were at the first level treated by RG3. Thus, 6 750 kg·hm-2of straw granular fertilizer combined with rotary tillage was a feasible measure to improve the physical structure of local tobacco field soil effectively, and also provided technical guidance for the utilization of crop straw.

granulated straw; tillage management; soil physical properties; aggregate stability

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.13.009

2020-08-20；

2020-09-28

國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0300804）、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程（ASTIP-TRIC03）、中國煙草總公司山東省公司重點科技項目（201910）

董建新，E-mail：dongjianxin@caas.cn。通信作者逄煥成，E-mail：panghuancheng@caas.cn

（責任編輯 李云霞）