王越，況福虹，馬勝蘭，王艷強(qiáng)，李蘭，唐家良，朱波

（1.中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130）

川中丘陵紫色土區(qū)是四川乃至長(zhǎng)江上游最重要也是最有潛力的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)。石灰性紫色土的風(fēng)化成土作用和養(yǎng)分循環(huán)速度快，磷鉀及部分微量元素含量豐富，但有機(jī)質(zhì)和全氮含量低，土層淺薄，結(jié)構(gòu)水穩(wěn)性弱，土壤富含母質(zhì)碎屑，容蓄水量少，滲透率低，其下為透水性差的基巖，因而由地表徑流和壤中流引起的土壤坡面侵蝕嚴(yán)重，這些土壤特征不利于該區(qū)的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。作物秸稈富含有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀及微量元素，還田后可有效補(bǔ)充土壤養(yǎng)分并增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，減少因化肥過量引起的土壤酸化、板結(jié)和硝酸鹽淋洗等問題，同時(shí)有利于促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，增強(qiáng)土壤保水保肥性能，并提高作物產(chǎn)量。因此，秸稈還田是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)有效的減緩水土流失和促進(jìn)農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物循環(huán)利用的主要方式。

秸稈焚燒時(shí)的高溫一定程度上有利于滅殺秸稈和土壤中的病菌，且該方法操作簡(jiǎn)單，適合川中丘陵區(qū)機(jī)械化程度低且勞動(dòng)力不足的情況，曾是區(qū)內(nèi)農(nóng)戶首選的秸稈還田方式。由于秸稈焚燒排放大量溫室氣體及氣溶膠顆粒，易引發(fā)霧霾，威脅交通安全及人身健康，四川省陸續(xù)出臺(tái)了相關(guān)文件禁止秸稈焚燒。隨著小型機(jī)械在四川丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)應(yīng)用上的逐漸推廣，秸稈粉碎還田更大比例的取代了焚燒還田。然而，農(nóng)戶在選擇秸稈還田方式時(shí)更看重操作便捷程度和對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)本身的影響，并不會(huì)過多考慮還田方式對(duì)土壤和環(huán)境的長(zhǎng)期影響，因此區(qū)內(nèi)秸稈禁燒有屢禁不止和反彈的趨勢(shì)。由于不同秸稈還田方式下的秸稈處理方法不同，可能對(duì)土壤孔隙和有機(jī)碳產(chǎn)生不同影響。土壤有機(jī)碳是土壤有機(jī)質(zhì)水平的化學(xué)度量，與土壤肥力水平有密切關(guān)系。土壤孔隙尤其是控制優(yōu)先流的大孔隙特征直接影響水分及養(yǎng)分在土壤中的運(yùn)移特征，進(jìn)而影響土壤保水保肥能力，與土壤養(yǎng)分固持及抗侵蝕有密切關(guān)系，因此土壤孔隙分布情況和變化與土壤有機(jī)碳濃度和儲(chǔ)量存在密切關(guān)系。目前，國際上對(duì)大孔隙沒有統(tǒng)一定義，多依照孔隙功能、孔隙中的水狀態(tài)、毛管勢(shì)情況等劃分。CT掃描技術(shù)能在基本不擾動(dòng)土壤原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上獲取土壤大孔隙構(gòu)成和分布特征，可以更真實(shí)地描述土壤原有孔隙特征，因此廣大學(xué)者也將CT掃描能識(shí)別的孔隙定義為大孔隙。

為了解秸稈還田方式對(duì)川中丘陵紫色土地區(qū)旱地耕層土壤孔隙和有機(jī)碳的影響，本研究從區(qū)域農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)利用的角度出發(fā)，針對(duì)石灰性紫色土有機(jī)質(zhì)含量較低、土層淺薄、抗侵蝕能力弱等問題，通過長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，結(jié)合CT掃描技術(shù)，分析川中丘陵區(qū)秸稈粉碎還田及焚燒還田對(duì)耕層土壤孔隙特征及有機(jī)碳的影響，旨在為當(dāng)?shù)亟斩捬h(huán)利用對(duì)土壤的影響方面的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為探明適合川中丘陵紫色土地區(qū)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的秸稈還田方式提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)站（105°27'E，31°16'N）位于四川盆地中部偏北的鹽亭縣林山鄉(xiāng)，區(qū)內(nèi)以中深丘陵地貌為主，地勢(shì)北高南低，海拔400～600 m，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，春早夏熱秋雨冬暖，2005—2020年平均降水量934 mm，平均氣溫16.6℃，平均無霜期294 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地為川中丘陵區(qū)耕種熟化旱地，于2005年建成并設(shè)置處理，2006年開始進(jìn)行長(zhǎng)期定位觀測(cè)，持續(xù)至今。試驗(yàn)選擇冬小麥-夏玉米輪作體系中秸稈不還田（RMW）、秸稈粉碎還田（RMW）和秸稈焚燒還田（RMW）3個(gè)處理進(jìn)行研究，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)平行，單個(gè)小區(qū)面積為5 m×10 m。供試土壤為石灰性紫色土，長(zhǎng)期定位試驗(yàn)開始前，對(duì)該樣地背景和基本理化性質(zhì)進(jìn)行調(diào)查和取樣分析，樣地耕層土壤平均容重、土壤總孔隙度和pH值分別為（1.58±0.02）g·cm、（40.27±0.91）%和8.38±0.17；耕層土壤砂粒、粉粒、黏粒和洗失量分別為（24.49±4.01）%、（45.03±1.21）%、（21.73±3.99）%和（8.76±0.88）%，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量分別為（10.31±1.30）、（0.71±0.13）、（0.70±0.06）g·kg和（22.48±0.75）g·kg，堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為（52.61±9.24）、（2.82±1.33）mg·kg和（83.37±22.62）mg·kg。RMW和RMW處理秸稈還田量為大田常規(guī)種植模式（區(qū)域內(nèi)為冬小麥-夏玉米輪作體系，施肥和農(nóng)業(yè)管理措施與試驗(yàn)樣地一致）平均秸稈產(chǎn)量的50%。秸稈粉碎還田處理在當(dāng)季作物種植前，將前茬作物秸稈截成10～15 cm小段，均勻撒在小區(qū)地表；秸稈焚燒還田處理將小區(qū)內(nèi)作物秸稈就地晾干焚燒，然后將焚燒產(chǎn)物在小區(qū)地表均勻扒散；對(duì)所有小區(qū)旋耕整地，耕作深度為15～20 cm。

冬小麥于每年10月下旬播種，次年5月中旬收獲，種植前翻地，所有肥料用作基肥（與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶種植習(xí)慣保持一致），小麥種植當(dāng)日一次性撒施并播種，然后翻耕覆蓋肥料和種子，冬小麥季化肥氮（以N計(jì)）、磷（以PO計(jì)）、鉀（以KO計(jì)）水平分別為130、72 kg·hm和36 kg·hm；夏玉米于每年5月下旬播種，9月中旬收獲，種植前翻地，施肥分為兩次，播種期穴施基肥，拔節(jié)期撒施追肥，氮肥的基肥和追肥比例為3∶2，磷、鉀肥在基肥期一次性施用，夏玉米季氮（化肥氮+秸稈氮，以N計(jì)）、磷（以PO計(jì)）、鉀（以KO計(jì)）肥水平分別為150、72 kg·hm和36 kg·hm。試驗(yàn)基肥均使用碳酸氫銨（含N量17%），追肥使用尿素（含N量46.7%），磷肥為過磷酸鈣（含PO量12%），鉀肥為氯化鉀（含KO量60%）。冬小麥種植季使用前茬夏玉米秸稈還田，秸稈粉碎還田輸入氮量約（30.2±8.9）kg·hm，夏玉米種植季使用前茬冬小麥秸稈還田，秸稈粉碎還田輸入氮量約（9.0±2.0）kg·hm。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

本研究從2006年開始取樣，每年夏玉米收獲前用土鉆按照反S型采集8～10鉆耕作層土壤，混合為1個(gè)土樣，土樣風(fēng)干研磨過篩。有機(jī)碳濃度用重鉻酸鉀-外加熱法（2016年前）及元素分析儀（2016年至今，Vario EL cube，德國Elementar）測(cè)定，所有土壤樣品（含標(biāo)樣）上機(jī)前均用稀鹽酸（鹽酸和水體積比為1∶9）進(jìn)行前處理，以去除無機(jī)碳干擾。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)石灰性紫色土總有機(jī)碳測(cè)定方法對(duì)比結(jié)果見表1，兩種方法數(shù)據(jù)結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)值2倍標(biāo)準(zhǔn)誤差范圍內(nèi)，測(cè)試結(jié)果具有可比性。本研究用2006年和2020年夏玉米收獲期土壤結(jié)果對(duì)比耕層土壤有機(jī)碳經(jīng)過15 a差異還田后的整體變化。夏玉米收獲前，用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重及總孔隙度，同時(shí)使用直徑4 cm、高5 cm的PVC管采集原狀土柱，利用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（Phoenix Nanotom Smicro-CT scanner）掃描原狀土柱測(cè)定土壤大孔隙特征參數(shù)，掃描參數(shù)設(shè)置如下：電壓100 kV，電流100μA，時(shí)間間隔1 250 ms，分辨率25 μm，每個(gè)原狀土柱采集2 000幅掃描圖像。

表1 不同方法測(cè)定土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（ASA-10）有機(jī)碳含量結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of the results of different methods for determining the organic carbon content of soil standard samples（ASA-10）

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

本研究使用CT-Program軟件將掃描投影信號(hào)轉(zhuǎn)換為灰度圖像，利用巖心孔隙網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)灰度圖像進(jìn)行增強(qiáng)、降噪及二值化處理（目標(biāo)物質(zhì)灰度值255標(biāo)記，其余物質(zhì)灰度值0標(biāo)記），然后進(jìn)行3D影像重建并提取大孔隙數(shù)量、體積、形態(tài)及連通性等特征參數(shù)。

本研究根據(jù)CT掃描儀的分辨率將＞25μm的孔隙定義為大孔隙，基于孔隙等效直徑的掃描結(jié)果，3個(gè)處理識(shí)別出的孔隙直徑均＞100μm，即當(dāng)量孔徑為25～100μm的孔隙數(shù)量為0，因此將大孔隙劃分為100～500、500～1 000μm和＞1 000μm3個(gè)部分進(jìn)行分析。

孔隙形態(tài)由孔隙形狀因子、喉道形狀因子及喉道截面積共同表征。形狀因子表征孔隙/喉道近圓度，其值越大表示孔隙/喉道形狀越接近圓形，越有利于水分和溶質(zhì)在土壤中運(yùn)移，相反則利于水分和養(yǎng)分固持。喉道是孔隙與孔隙之間相對(duì)狹窄的部位，喉道截面積越大越利于水分和溶質(zhì)的運(yùn)移。

孔隙連通性主要由孔隙配位數(shù)表征，指連接每一個(gè)孔隙的喉道數(shù)量，通常以統(tǒng)計(jì)結(jié)果的平均值表示，其值越大表示孔隙間的連通性越好，越利于氣體擴(kuò)散及物質(zhì)交換。

本研究中的相關(guān)公式如下：

不同處理不同當(dāng)量孔徑孔隙大孔隙度：

式中：M為不同處理不同當(dāng)量孔徑孔隙大孔隙度，%；V為該處理該當(dāng)量孔徑孔隙體積，μm；V為該處理大孔隙體積，μm；M表示該處理大孔隙度，%。

耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量：

式中：為耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，kg；為土層厚度，m；為試驗(yàn)小區(qū)面積，m；為耕層土壤容重，g·cm；為耕層土壤有機(jī)碳濃度，g·kg。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2016軟件整理分析，使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA）和秩相關(guān)分析（Spearman相關(guān)分析），并用最小顯著差異法（LSD）對(duì)結(jié)果進(jìn)行多重比較，采用Origin 2018軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田方式對(duì)耕層土壤孔隙的影響

2.1.1 秸稈還田方式對(duì)耕層土壤容重、總孔隙度和大孔隙度的影響

長(zhǎng)期秸稈還田有利于降低耕層土壤容重，提高土壤總孔隙度（表2）。RMW和RMW耕層土壤容重較RMW分別低11.7%和20.0%，土壤總孔隙度分別高14.1%和24.5%。RMW和RMW耕層土壤總孔隙度和土壤容重?zé)o顯著差異，但二者大孔隙度表現(xiàn)不同：RMW和RMW耕層土壤大孔隙度分別是RMW的0.5倍和1.4倍，RMW耕層土壤大孔隙度是RMW的2.7倍。RMW耕層土壤總孔隙度較RMW增加、大孔隙度降低，說明RMW耕層土壤總孔隙度增加主要依靠當(dāng)量孔徑＜25μm孔隙的增加，即長(zhǎng)期秸稈粉碎還田有利于促進(jìn)耕層土壤當(dāng)量孔徑＜25μm的孔隙發(fā)育。

表2 秸稈還田方式對(duì)耕層土壤容重、總孔隙度和大孔隙度的影響Table 2 Effects of straw returning method on total porosity，bulk density and macroporosity in cultivated layer of soil

2.1.2 秸稈還田方式對(duì)耕層土壤不同當(dāng)量孔徑孔隙數(shù)量及大小的影響

長(zhǎng)期秸稈粉碎還田和焚燒還田時(shí)，耕層土壤大孔隙尤其是當(dāng)量孔徑為100～500μm的大孔隙數(shù)量大幅減少（圖1a）。RMW和RMW大孔隙總數(shù)量較RMW分別少49 198個(gè)和49 117個(gè)，100～500μm孔隙數(shù)量較RMW分別少51 069個(gè)和49 579個(gè)，但RMW和RMW100～500μm孔隙的孔隙度均為0.9%，RMW100～500μm孔隙的孔隙度為0.6%，說明長(zhǎng)期秸稈粉碎還田使耕層土壤100～500μm平均孔隙直徑增大，長(zhǎng)期秸稈焚燒還田耕層土壤100～500μm平均孔隙直徑較秸稈粉碎還田處理小。

RMW500～1 000μm孔隙數(shù)量是RMW的2.5倍，RMW500～1 000μm孔隙數(shù)量和RMW相當(dāng)，RMW500～1 000μm孔隙的孔隙度分別為RMW和RMW的3.3倍和2.6倍，說明長(zhǎng)期秸稈粉碎還田條件下，耕層土壤500～1 000μm孔隙數(shù)量增多、體積增大。

RMW當(dāng)量孔徑＞1 000μm孔隙數(shù)量和RMW相當(dāng)，RMW＞1 000μm孔隙數(shù)量是RMW的1.6倍，RMW、RMW和RMW＞1 000μm孔隙的孔隙度分別為11.6%、3.5%和17.2%（圖1b），說明長(zhǎng)期秸稈焚燒還田有利于增加耕層土壤＞1 000μm孔隙數(shù)量，秸稈粉碎還田條件下耕層土壤＞1 000μm平均孔隙直徑趨小。

圖1 不同處理耕層土壤大孔隙數(shù)量及孔隙度Figure 1 The number and porosity of macropores in cultivated soil under different treatments

2.1.3 秸稈還田方式對(duì)耕層土壤孔隙配比及分布的影響

長(zhǎng)期秸稈粉碎還田和焚燒還田均有助于調(diào)節(jié)耕層土壤不同當(dāng)量孔徑孔隙比例，優(yōu)化耕層土壤大小孔隙配比，且長(zhǎng)期秸稈粉碎還田處理耕層土壤不同當(dāng)量孔徑孔隙數(shù)量占比（不同孔徑孔隙數(shù)量占大孔隙總數(shù)量比例）和體積占比（不同孔徑孔隙體積占大孔隙總體積比例）均較長(zhǎng)期焚燒還田處理合理。不同當(dāng)量孔徑孔隙占比結(jié)果顯示（圖2），3個(gè)處理孔隙數(shù)量均以當(dāng)量孔徑100～500μm孔隙為主，500～1 000μm孔隙數(shù)量次之，＞1 000μm孔隙數(shù)量最少，RMW、RMW和RMW不同孔徑孔隙數(shù)量比（比值順序?yàn)樾】讖降酱罂讖剑┓謩e為109∶2∶1、45∶4∶1和31∶1∶1。體積上3個(gè)處理均以當(dāng)量孔徑＞1 000μm孔隙為主，RMW、RMW和RMW不同孔徑孔隙體積比（比值順序?yàn)樾】讖降酱罂讖剑?∶1∶12、1∶3∶4和1∶1∶25。

圖2 不同處理耕層土壤大孔隙占比Figure 2 Proportion of macropores in cultivated layer of soil under different treatments

原狀土柱三維復(fù)原圖和截面圖可直觀展示原狀土壤孔隙位置及孔隙分布狀況（圖3）。RMW原狀土柱中有多處明顯的大孔隙集中分布點(diǎn)，RMW原狀土柱孔隙分布較RMW更均勻但仍能觀察到大孔隙集中分布點(diǎn)，RMW大孔隙均勻分布于土柱各個(gè)部位。可見長(zhǎng)期秸稈粉碎還田和焚燒還田均能有效改善耕層土壤大孔隙集中分布的現(xiàn)象，但長(zhǎng)期秸稈粉碎還田改善效果更好。

圖3 不同處理原狀土柱三維復(fù)原圖及三維截面圖Figure 3 3Drestoration and 3Dcross-section of undisturbed soil column under different treatments

2.1.4 秸稈還田方式對(duì)耕層土壤孔隙形態(tài)、連通性的影響

如表3所示，RMW與RMW的平均孔隙形狀因子較RMW分別低0.11和0.06，平均喉道截面形狀因子均低0.05，平均喉道截面積分別低0.09μm和0.02μm，耕層土壤保水保肥能力為RMW＞RMW＞RMW。平 均 配 位 數(shù) 為RMW＞RMW＞RMW，可見RMW孔隙間連通性略差，RMW耕層土壤大孔隙更利于孔隙間的物質(zhì)交換及氣體擴(kuò)散。

表3 不同處理耕層土壤孔隙形態(tài)及連通性參數(shù)Table 3 Pore morphology and connectivity parameters in cultivated layer of soil under different treatments

2.2 秸稈還田方式對(duì)耕層土壤有機(jī)碳的影響

不同處理耕層土壤有機(jī)碳濃度和儲(chǔ)量變化如圖4所示，試驗(yàn)初期（2006年）各處理耕層土壤有機(jī)碳濃度差異不顯著，耕層土壤有機(jī)碳平均濃度為RMW（5.38 g·kg）＞RMW（5.14 g·kg）＞RMW（4.67 g·kg）。連續(xù)還田15 a后（2020年），RMW和RMW之間耕層土壤有機(jī)碳濃度仍無顯著差異，但二者均顯著低于RMW。RMW、RMW和RMW耕層土壤有機(jī)碳濃度較2006年分別增加16.3%、58.9%和15.6%，只有RMW增長(zhǎng)幅度達(dá)到顯著水平。2020年耕層土壤有機(jī)碳濃度為RMW（7.42 g·kg）＞RMW（6.22 g·kg）＞RMW（5.97 g·kg）。

圖4 秸稈還田方式對(duì)耕層土壤有機(jī)碳濃度及儲(chǔ)量的影響Figure 4 Effects of straw returning method on soil organic carbon concentration and storage in cultivated layer of soil

耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化趨勢(shì)與有機(jī)碳濃度變化趨勢(shì)略有不同。2006年耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為RMW（64.34 kg）＞RMW（61.66 kg）＞RMW（54.46 kg），各處理間耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量無顯著差異。2020年耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為RMW（71.30 kg）＞RMW（64.82 kg）＞RMW（53.98 kg），RMW和RMW耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量無顯著差異，但均顯著高于RMW。RMW2020耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量較2006年增加5.1%，RMW增加30.9%，RMW減少了16.1%。

2.3 土壤孔隙與有機(jī)碳的關(guān)系

有機(jī)碳與孔隙特征間的Spearman相關(guān)系數(shù)見表4。土壤有機(jī)碳濃度與平均孔隙形狀因子和平均喉截道面積、大孔隙總數(shù)量之間存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；不同當(dāng)量孔徑孔隙數(shù)量對(duì)有機(jī)碳濃度影響表現(xiàn)不同，有機(jī)碳濃度與100～500μm孔隙數(shù)量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與500～1 000μm孔隙數(shù)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與＞1 000μm孔隙數(shù)量無顯著相關(guān)關(guān)系；平均配位數(shù)與有機(jī)碳濃度無顯著相關(guān)關(guān)系。

表4 土壤有機(jī)碳與孔隙特征相關(guān)性Table 4 Correlation between soil organic carbon and pore characteristics

排除土壤容重和土壤有機(jī)碳濃度交互作用，耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與耕層土壤容重、有機(jī)碳濃度均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。耕層土壤100～500μm孔隙的大孔隙度與土壤容重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤總孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 討論

3.1 秸稈還田方式對(duì)耕層土壤孔隙的影響

本研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期秸稈粉碎還田和焚燒還田條件下，耕層土壤孔隙趨于向更大孔隙發(fā)育，其中100～500μm孔隙數(shù)量減少明顯，這與耿玉輝、DEXTER等的試驗(yàn)結(jié)果一致。兩種還田方式均顯著增加了耕層土壤總孔隙度、降低了土壤容重，這與SASAL等、WUEST、ZHANG等的研究結(jié)果一致。因?yàn)榉鬯榈慕斩捲诟头纸膺^程中，有利于促進(jìn)土壤顆粒細(xì)化，加強(qiáng)土壤微粒團(tuán)聚作用，增加土壤大粒徑微團(tuán)聚體數(shù)量，進(jìn)而增加土壤孔隙度及有機(jī)質(zhì)含量，有機(jī)質(zhì)增加能促進(jìn)微生物活性，微生物菌絲能加強(qiáng)土壤礦物顆粒黏結(jié)，促進(jìn)土壤孔隙向更大孔隙發(fā)育。此外，有機(jī)質(zhì)長(zhǎng)鏈分子能夠束縛礦物顆粒，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體發(fā)育。但是，NEARY等的結(jié)果與本試驗(yàn)相反，即秸稈焚燒增加土壤容重。這主要是因?yàn)楦邷販p少土壤膠結(jié)物，阻礙土壤微粒團(tuán)聚，同時(shí)秸稈焚燒富集的灰分堵塞部分孔隙降低了土壤孔隙度，從而導(dǎo)致土壤容重增加；且秸稈燃燒產(chǎn)生揮發(fā)性氣體覆蓋在土壤顆粒上，增強(qiáng)了土壤疏水性、坡面徑流及土壤侵蝕，破壞土壤結(jié)構(gòu)。KENNARD等發(fā)現(xiàn)火燒會(huì)引起土壤顆粒物的沉降從而導(dǎo)致土壤容重增加。田國成的試驗(yàn)則表明秸稈焚燒對(duì)土壤容重?zé)o顯著影響。試驗(yàn)結(jié)果的差異可能是由于不同地域與環(huán)境條件下秸稈焚燒的溫度、強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和焚燒范圍等差異造成。

張敏等發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度火燒會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，中低強(qiáng)度火燒對(duì)土壤微團(tuán)聚體破壞程度較小。部分學(xué)者的研究也顯示輕度熱作用可改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，增加土壤總孔隙度。秸稈焚燒過程可能產(chǎn)生少量具有大量有機(jī)大分子物質(zhì)以及發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的黑炭，有助于土壤形成大團(tuán)聚體，增加土壤孔隙度及降低容重。秸稈焚燒過程中，土壤溫度短時(shí)上升、水分驟減，易使土壤產(chǎn)生較大的裂隙狀孔隙，這也可能導(dǎo)致土壤孔隙度增加及容重降低。MATAIX等發(fā)現(xiàn)火燒歷史（距最近一次發(fā)生火燒的時(shí)間）越短的土壤疏水性持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，且疏水性的增加會(huì)使土壤濕潤(rùn)延遲，減緩孔隙中因水分侵入導(dǎo)致的氣壓積累及能量釋放，進(jìn)而增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。本試驗(yàn)小區(qū)面積和秸稈量有限，單次秸稈焚燒持續(xù)時(shí)間較短，火焰溫度相對(duì)較低，焚燒對(duì)土壤結(jié)構(gòu)破壞較小。本研究條件下，秸稈每年5月和10月還田，但該區(qū)域強(qiáng)降雨集中在6—9月，5月和10月發(fā)生強(qiáng)降雨的概率較小，秸稈焚燒還田處理因疏水性增加而導(dǎo)致的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性增加可能部分抵消土壤因滲透率降低引起的土壤侵蝕。

兩種秸稈還田方式均能改善耕層土壤孔隙特征。長(zhǎng)期秸稈粉碎還田處理使耕層土壤孔隙特征更有利于保持水分，但孔隙連通性略差；長(zhǎng)期秸稈焚燒還田處理由于存在較大裂隙，耕層土壤孔隙連通性較好，有利于氣體擴(kuò)散及孔隙間物質(zhì)交換，但可能不利于養(yǎng)分固持。

3.2 秸稈粉碎還田和焚燒還田對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

本研究表明，秸稈還田方式能顯著影響耕層土壤有機(jī)碳變化，秸稈粉碎還田顯著提升了耕層土壤有機(jī)碳濃度及儲(chǔ)量，這與前人研究結(jié)果一致。秸稈焚燒還田耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量降低，有機(jī)碳的濃度略有增長(zhǎng)，但增幅不顯著，與前人結(jié)果略有不同。秸稈施入土壤后部分秸稈碳以微生物殘?bào)w或代謝物形式進(jìn)入土壤各有機(jī)碳庫，同時(shí)可為微生物活動(dòng)提供充足物質(zhì)基礎(chǔ)，促進(jìn)土壤微生物對(duì)土壤原有機(jī)質(zhì)的分解，因此秸稈粉碎還田有利于增加耕層土壤有機(jī)碳含量。秸稈焚燒產(chǎn)生的熱輻射使秸稈中大部分含碳物質(zhì)在進(jìn)入土壤前就被分解損失，同時(shí)造成真菌、細(xì)菌、放線菌等土壤微生物死亡，顯著降低土壤微生物數(shù)量并造成土壤酶失活，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳分解與循環(huán)，因此多數(shù)研究表明秸稈焚燒還田顯著降低耕層土壤有機(jī)碳含量。本研究中秸稈焚燒導(dǎo)致耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量下降和有機(jī)碳濃度升高。這可能是因?yàn)楦麑油寥烙袡C(jī)碳濃度增量較小，而土壤容重降低幅度較大，最終導(dǎo)致耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量下降。耕層土壤有機(jī)碳濃度上升則與還田年限、焚燒火焰強(qiáng)度和溫度、微生物恢復(fù)狀況等因素有關(guān)。

研究表明，短期火燒后土壤有機(jī)碳濃度會(huì)減小，長(zhǎng)期火燒由于灰渣與土壤混合、木炭形成及生物礦化速率降低，而使土壤有機(jī)質(zhì)濃度有所增加，輕度燃燒有利于增加土壤有機(jī)質(zhì)濃度，中高強(qiáng)度的燃燒則會(huì)顯著降低土壤有機(jī)質(zhì)濃度。秸稈焚燒在殺死土壤微生物的同時(shí)也創(chuàng)造了新的利于微生物繁殖的條件，促進(jìn)了殘留微生物的繁殖及新微生物的發(fā)育，一定程度上可以彌補(bǔ)因高溫導(dǎo)致的微生物數(shù)量減少，具體恢復(fù)情況則因焚燒強(qiáng)度、地表植被情況、氣候等不同而有差異，慢的可以長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年，快的幾個(gè)月便能恢復(fù)到與焚燒前相當(dāng)?shù)乃健?/p>

長(zhǎng)期秸稈粉碎還田有利于耕層土壤有機(jī)碳固存，而長(zhǎng)期秸稈焚燒還田不利于耕層土壤有機(jī)碳有效庫容增加，且焚燒方式、焚燒損失、火焰強(qiáng)度及燃燒持續(xù)時(shí)間等因素對(duì)秸稈焚燒還田結(jié)果影響較大，實(shí)際還田效果可能與試驗(yàn)結(jié)果相差較大。

3.3 土壤孔隙結(jié)構(gòu)與有機(jī)碳的關(guān)系

本研究結(jié)果表明，有機(jī)碳濃度與大孔隙總數(shù)量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與LIANG等、TOOSI等、張維俊等的研究結(jié)果一致，與100～500μm孔隙數(shù)量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與500～1 000μm孔隙數(shù)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與＞1 000μm孔隙數(shù)量無顯著相關(guān)關(guān)系，這可能與不同當(dāng)量孔徑孔隙中有機(jī)碳保護(hù)機(jī)制不同有關(guān)。KNICKE等發(fā)現(xiàn)活性有機(jī)碳被包裹在難降解的多聚體和腐殖質(zhì)大分子的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，而大多數(shù)易分解有機(jī)物分布在大孔隙中，因此大分子包被作用可能是大孔隙中土壤有機(jī)碳保護(hù)的機(jī)制之一。微團(tuán)聚體（＜250μm）中的孔隙較大團(tuán)聚體（＞250μm）中孔隙小，會(huì)限制微生物的通過，阻礙有機(jī)物與微生物接觸，團(tuán)聚體的分室作用可能是小孔隙中土壤有機(jī)碳的保護(hù)機(jī)制。相同的保護(hù)機(jī)制在不同當(dāng)量孔徑孔隙中表現(xiàn)也會(huì)不同，JASTROW等發(fā)現(xiàn)大團(tuán)聚體能夠固定更多的有機(jī)碳，小團(tuán)聚體中有機(jī)碳少但更長(zhǎng)久穩(wěn)定。

本研究結(jié)果顯示，土壤有機(jī)碳濃度與平均孔隙形狀因子和平均喉截道面積呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明當(dāng)大孔隙特征有利于水分下滲及溶質(zhì)運(yùn)移時(shí)不利于有機(jī)碳積累。但平均配位數(shù)與有機(jī)碳濃度無顯著相關(guān)關(guān)系，說明孔隙間的連通通道數(shù)量對(duì)有機(jī)碳濃度沒有顯著影響。KRAVCHENKO等則發(fā)現(xiàn)與大氣相連的孔隙百分比與有機(jī)碳分解成正相關(guān)關(guān)系，即孔隙通氣性越好越有利于有機(jī)碳分解。這與本研究結(jié)果有一定差異，可能是因?yàn)榭紫哆B通性除了受平均配位數(shù)直接影響外還受土壤孔隙形態(tài)、大小的間接影響，三者相互影響從而導(dǎo)致上述結(jié)果差異。

土壤中不同孔徑的孔隙數(shù)量、孔隙形態(tài)以及孔隙連通性等均會(huì)一定程度影響土壤中液體、氣體及微生物的運(yùn)移和生境，對(duì)土壤中微生物種類、活性及功能產(chǎn)生間接影響，同時(shí)影響微生物主導(dǎo)的有機(jī)碳分解與固定過程。土壤有機(jī)碳分解與固定過程也會(huì)反作用于土壤孔隙，調(diào)節(jié)土壤孔隙的數(shù)量、形態(tài)等。本研究結(jié)果表明，土壤大孔隙數(shù)量越多、孔隙越大、通氣性越好，在一定程度上反而不利于土壤有機(jī)碳的積累，而形狀不規(guī)則的孔隙對(duì)液體流通阻礙較大，有利于增加溶液在土壤中的停留時(shí)間，在一定程度上可能更有利于土壤有機(jī)碳固持。

4 結(jié)論

（1）秸稈粉碎和焚燒還田均有利于增加耕層土壤總孔隙度，同時(shí)一定程度上使耕層土壤孔隙形態(tài)不利于溶液遷移，從而有利于提高土壤保水保肥能力。

（2）秸稈焚燒還田處理使耕層土壤大孔隙度和水分運(yùn)移通道增加，有利于水分下滲形成壤中流，但耕層土壤連通性增強(qiáng)不利于有機(jī)碳積累，同時(shí)有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的CO等氣體更易擴(kuò)散到大氣中造成負(fù)面影響。

（3）秸稈粉碎還田使耕層土壤大孔隙度降低，阻礙土壤優(yōu)先流形成，使土壤水肥保蓄能力較焚燒處理增強(qiáng)。同時(shí)粉碎還田使土壤大小孔隙配比合理且孔隙間物質(zhì)交換及氣體擴(kuò)散適度，有利于增加耕層土壤有機(jī)碳積累。

（4）綜合比較兩種還田方式在保水保肥、抗蝕抗旱及有機(jī)碳固存等方面的差異發(fā)現(xiàn)，秸稈粉碎還田更有利于改善石灰性紫色土耕層土壤的孔隙特征，更適合川中丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。

：感謝中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站為本試驗(yàn)提供試驗(yàn)場(chǎng)地及設(shè)備，感謝姚致遠(yuǎn)博士對(duì)數(shù)據(jù)分析給予的建議，感謝張蓉在樣品分析中提供的指導(dǎo)與幫助。