摘要:[目的]探究不同土壤改良剂对整治烟田土壤(黄壤)团聚体组成的影响,旨在为快速改善烟田土壤物理性质提供依据。 [方法]设计常规施肥基础上分别配施石灰、玉米秸秆、玉米秸秆炭、石灰+玉米秸秆、石灰+玉米秸秆炭的田间试验,测定土壤水稳定性团聚体粒径分布、土壤团聚体质量、水稳定性土壤团聚体的贡献率等指标。 [结果]常规施肥条件下施用石灰或再配施玉米秸秆有利于减少水稳定性团聚体中较小粒径组分的质量分数,玉米秸秆较玉米秸秆炭更适于配施石灰以降低水稳定性大团聚体中小粒径组分的质量分数。 在常规施肥条件下,玉米秸秆较玉米秸秆炭更适于配施石灰以提高土壤团聚体阻碍水的破坏作用的能力。 与常规施肥(对照)相比,石灰+玉米秸秆处理水稳定性团聚体的平均质量直径和几何平均直径分别显著提高 37% ~57%和 33% ~111%,团聚体分形维数分别降低 1.1%和 0.8%,显著改善了烟田土壤水稳定性团聚体的粒径分布及其稳定性。 石灰、玉米秸秆和玉米秸秆炭等对土壤水稳定性团聚体指标的贡献率表明,石灰在玉米秸秆还田快速整治烟田土壤团聚体组成中起主要作用。 [结论]常规施肥条件下配施 22.5 t·hm -2石灰和 15 t·hm -2玉米秸秆能够在短期内促进烟田土壤形成较大粒径团聚体,协调土壤团聚体粒径组分并提高团聚体稳定性,达到改良整治烟田土壤物理性质的效果。
关键词:石灰;玉米秸秆;玉米秸秆炭;土壤团聚体;整治烟田
土壤团聚体是土壤结构的基本单位,其数量和品质对土壤的理化性状和综合肥力均具有重要意义。 良好的土壤团聚体有利于协调土壤的水、肥、气、热,改善土壤养分的供应能力,对改善作物根系生长环境有积极作用[1] 。
土地平整是农田改良的重要措施,在西南黄壤烟区普遍推行。 农田整治降低了农业生产成本,增加收益,但同时可能导致土壤团聚体破坏,表现为较大粒径组分比例降低而小粒径组分大幅升高[2] 。 例如,遵义地区整治烟田中,小于 0.25 mm 粒径的水稳定性土壤团聚体占 50%以上,显著高于鄢广奎[3]对黄壤土壤团聚体研究的结果。 因此,如何快速降低土壤中小于 0.25 mm 团聚体组分的数量,改善黄壤团聚体组分比例,已成为亟待解决的问题。
针对土壤团聚体的改良措施研究,投入外源有机碳和施用石灰是普遍接受的两种土壤改良措施。 Long 等[4]田间试验结果表明:秸秆等外源有机物可通过释放多糖作为微生物生长的基质来促进潮土团聚体结构的形成,2.7 t·hm -2的外源秸秆碳使大团聚体比例提高 14%,微团聚体比例提高 3%,平均质量直径提高 20%, 但土壤团聚体的快速改良受到秸秆作用时间的限制[5] 。 将秸秆等生物质材料制成炭基肥料是外源有机碳投入的另一种形式。 生物质炭可以改善土壤的物理性质(如土壤团粒结构),土壤通气性、保水性增强[6] ,能够提高团聚体组分和稳定性[7] 。 而 Du 等[8]则认为,与秸秆直接还田相比,低量 4.5 t·hm -2和高量 9.0 t·hm -2玉米秸秆炭的施用均未对土壤团聚体结构的稳定性造成显著影响。 Aye 等[9] 研究发现,农田土壤施用一定量的石灰能够矫正酸性土壤的酸度,也能够改善酸性土壤结构并增强土壤团聚体稳定性;Muñoz 等[10] 与 Six 等[11]报道,1 t·hm -2的石灰连续施用 13 年,能够降低土壤酸性并协调团聚体组分。 此外,施用石灰还能够减少土壤结皮的形成,通过增加土壤持水能力、团聚体稳定性和渗透性等方式提高土壤团聚体的稳定性[12] 。然而,秸秆、炭化秸秆对黄壤整治烟田土壤(黄壤)团聚体综合效应的影响尚不清楚。
本研究在常规施肥条件下,探究配施石灰以及玉米秸秆、玉米秸秆炭两种还田方式对烟田整治黄壤团聚体的影响,旨在为优化利用玉米秸秆还田,快速改善土壤团聚体提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验地位于贵州省遵义市市坪乡,土壤类型为典型酸性黄壤,有机质含量 25.1 g·kg -1 ,全氮含量 1.53 g·kg -1 ,全磷含量 1.02 g·kg -1 ,全钾含量 40.24 g·kg -1 ,碱解氮含量 86.5 mg·kg -1 ,速效磷含量 18.3 mg·kg -1 ,速效钾含量 258.8 mg·kg -1 ,土壤 pH5.1,容重 1.1 g·cm -3 。 土壤水稳定性团聚体方面,粒径小于 0.25 mm 的团聚体组分比例最高,达 77.61%;粒径介于 0.5~0.25 mm 的组分比例为 13.81%;其余组分之和小于 10%。
玉米秸秆取自 2013 年当地夏玉米,经自然风干后切割成 3 ~ 5 cm 段。 玉米秸秆的有机碳含量 458.2 g·kg -1 、全氮含量 14.3 g·kg -1 、碳氮比 67.7,pH6.4。 取一部分段状玉米秸秆在田间阴燃炭化,控制炭化温度在 500 ℃ 左右,并持续炭化 1.5 h,冷却后制成玉米秸秆炭,其有机碳含量、全氮含量、碳氮比和 pH 值分别为 291.1 g·kg -1 、11.9 g·kg -1 、24.5 和 10.2。 所用石灰(水与石灰的质量比为 5 ∶1) pH 值为 13.0。
1.2 田间试验
试验在烤烟生产常规施肥的基础上配施不同种类和用量的土壤改良剂,共设 6 个处理,T1 ~ T6,各个处理物料投入量见表 1。 表1 中 T3 与 T5 处理、T4 与 T6 处理玉米秸秆的施用量相同。 每个处理重复 3 次,田间排列采用随机区组。 试验中以全部的磷肥、2 / 3 的氮肥和 3 / 5 的钾肥做基肥,剩余氮肥、钾肥均做追肥。 石灰在烤烟移栽前 3 周撒施并翻犁入土,玉米秸秆和玉米秸秆炭于烤烟移栽前 1 周沟施并起垄。 烤烟于 2014 年 4 月下旬移栽完成,9 月 20 日完成烤烟采收,期间的田间管理按照标准的农艺操作进行。
1.3 测定项目与方法
采用 5 点混合取样法,采集烤烟移栽后 120 d 各试验小区垄体原状表土(0 ~ 20 cm)混合样品 2 kg,将土样自然风干至土壤含水量为 20%,挑去肉眼可见的细根和石块后置于硬质纸盒中运回实验室,运输过程中应避免剧烈震动。 采用四分法从土样中分选 1 kg 待测样品,用喷雾器将其中粒径大于 10 mm 的土块润湿,并轻轻掰碎,重新风干后进行干筛、湿筛操作。 干筛,即用孔径分别为 5、3、2、1、0.5 和 0.25 mm 筛子进行筛分待测样品;湿筛为按干筛后各粒级团聚体质量分数配成 50.00 g 样品置于土壤团聚体分析仪 (XY-100)的套筛上,套筛由上至下孔径依次为 5、2、1、0.5 和 0.25 mm,在土样充分浸润后,以每分钟上下振动 30 次、振幅 3 cm 振动 30 min。 振动结束后,取出套筛,收集各层筛中的残留团聚体,并在 60 ℃ 烘箱中烘干至恒质量并称量,得到水稳定性团聚体的粒径分布[13] 。
1.4 数据处理与分析
采用 Excel 2013 软件处理数据,采用 Sigmaplot 10.2 绘图。 采用 SAS 9.1 软件进行数据方差分析,并用 Duncan′s 测验法进行差异显著性分析。
2 结果与分析
2.1 不同土壤改良剂对土壤水稳定性团聚体粒径分布的影响
从图 1 可知:T1 处理的整治烟田土壤 10~5 mm、5~ 3 mm、3 ~ 2 mm 和 2 ~ 1 mm 粒径范围内的水稳定性团聚体质量分数均小于 10%,1 ~ 0.5 mm 和 0.5 ~ 0.25 mm 粒径范围内的水稳定性团聚体质量分数为 10% ~20%,小于 0.25 mm 粒径的团聚体组分质量分数最高,达 57.6%。 以 T1 处理为对照,T2、T5 处理中5~3 mm、3~2 mm、2~1 mm 粒径范围内的水稳定性团聚体质量分数显著增加,0.5 ~ 0.25 mm 和小于 0.25 mm 粒径范围内的水稳定性团聚体质量分数则显著降低。 这表明常规施肥条件下施用石灰或再配施玉米秸秆有利于减少水稳定性团聚体中较小粒径组分的质量分数;在 T3、T4 处理中,分别有 4、5 个粒径组分的质量分数与 T1 处理相比无差异,对土壤水稳定性团聚体整体的影响规律并不显著;T6 处理中小于 0.25 mm 粒径范围内的水稳定性团聚体质量分数显著高于 T5 处理,表明常规施肥条件下,玉米秸秆较玉米秸秆炭更适于配施石灰以降低水稳定性大团聚体中小粒径组分的质量分数。
2.2 不同土壤改良剂对土壤团聚体质量的影响
从图 2 可知:以 T1 处理为对照,T2 处理中 10~5 mm、5 ~ 3 mm、3 ~ 2 mm 的粒径组分以及大团聚体破坏率均显著降低,表明配施石灰有利于阻碍水对土壤团聚体的分散能力;T3、T4 处理间相比,除 3 ~ 2 mm 外,大于 0.25 mm 粒径的团聚体组分破坏率均差异不显著(P>0.05);T5 处理中 5 ~ 3 mm、3 ~ 2 mm、2 ~ 1 mm、1~0.5 mm、0.5~0.25 mm 粒径范围内的团聚体破坏率均低于 T1 处理;而 T6 处理中 1~0.5 mm 粒径范围内的团聚体破坏率均高于 T1,其他粒径范围的团聚体破坏率差异均不显著。 这表明常规施肥条件下,玉米秸秆较玉米秸秆炭更适于配施石灰以提高土壤团聚体阻碍水的破坏作用的能力。
平均质量直径(MMD)和几何平均直径(GMD)作为表征土壤团聚体粒级分布状况的指标,其值越大, 土壤团聚体水稳定性越高,土壤结构状况越好[12,18] 。 从表 2 可知:T4、T5 处理中干筛法测得的 MMD 与 GMD 显著高于 T1 处理;T2、T5 处理中湿筛法测得的 MMD 与 GMD 显著高于 T1 处理。 综合干筛法与湿筛法结果,T5 处理中的 MMD 与 GMD 均显著高于 T1 处理,比 T1 处理分别增加 37% ~ 57%和 33% ~ 111%。这表明常规施肥条件下,配施石灰和玉米秸秆有利于同时提高土壤水稳定性团聚体的 MMD 与 GMD。 T3、 T6 处理的各项指标与 T1 处理均差异不显著。
土壤团粒结构粒径分布的分形维数(D)反映了土壤水稳定性团聚体含量对土壤结构与稳定性的影响趋势,即团粒结构粒径分布的分形维数越小,则土壤结构与稳定性越好,抗蚀能力越强[19] 。 如图 3 所示:干筛法测得各处理土壤团聚体分形维数差异不明显。 湿筛法测得的土壤团聚体分形维数中,T2、T5 处理的分形维数比 T1 处理分别显著降低 1.1%和 0.8%,但 T6 处理的分形维数显著高于 T1 处理,表明常规施肥条件下配施石灰和玉米秸秆有利于提高土壤水稳定性团聚体的抗侵蚀能力。
2.3 不同土壤改良剂对水稳定性土壤团聚体的贡献率分析
从表 3 可见:配施石灰对 PADr>0.25 mm和 D 的贡献率分别为-12.8%和-1.1%,对 MMD 和 GMD 的贡献率分别为 58.3%和 40.4%,表明配施石灰有利于降低大团聚体破坏率和分形维数,提高平均质量直径和几何平均直径,增强土壤团聚体的稳定性并促进土壤形成较大粒径团聚体;玉米秸秆、玉米秸秆炭在 PADr>0.25 mm 、 MMD、D 方面的积极贡献不显著,因此施用后在短时间内均不利于植烟土壤水稳定性团聚体结构的改良; 石灰与玉米秸秆配施产生的交互作用(石灰+玉米秸秆)对 4 项指标的贡献率均为负值,与配施玉米秸秆的贡献率差异不显著;石灰与玉米秸秆炭配施产生的交互作用(石灰+玉米秸秆炭)对 4 项指标贡献率的影响与配施石灰的贡献方向相反,且差异显著。 这表明常规施肥条件下,石灰与玉米秸秆配施所产生的交互效应有利于提高土壤团聚体稳定性,但石灰与玉米秸秆炭配施所产生的交互效应既不利于提高土壤团聚体稳定性也不利于改良团聚体粒径分布。 因此,各物料及其配施对土壤团聚体改良效果由优到劣依次排序为:石灰、石灰+玉米秸秆、玉米秸秆、玉米秸秆炭、石灰+玉米秸秆炭。
3 讨论
3.1 石灰对土壤团聚体组成的影响
本研究中,T2(常规施肥+石灰)处理的土壤团聚体组成得到明显改善,充分表明了石灰对土壤团聚体的形成具有重要作用,与 Briedis 等[20]和 Fornara 等[21]在酸性土壤中进行的长期研究结果相一致。 石灰是应用最为广泛的酸性农田土壤改良剂之一,其中的主要成分 CaO 与土壤水分作用后,释放的 OH -与酸性土壤中的活性酸 H +以及潜性酸 Al 3+ 、Fe 3+ 发生中和反应,达到调节土壤 pH 值的作用;残留在土壤中的 Ca 2+间接地提高了土壤盐基饱和度[22] 。 同时,酸性土壤中 Ca 2+的加入也降低了 Na + 、K +被土壤颗粒吸附的概率,削弱了 Na + 、K +对土壤颗粒及团聚体间的分散作用,从而为土壤大团聚体的形成提供了良好的契机。同时,Ca 2+本身也具有一定的胶结作用,能够提高微团聚体间的黏结性,促进大粒径团聚体的形成[12] 。 此外,在石灰改良酸性土壤的过程中,土壤 pH 值的提高改善了土壤微生物的生存环境,增强了微生物对外源有机碳的分解作用,从而形成氨基酸、腐殖酸等小分子有机物。 这些小分子有机物对土壤颗粒具有一定的黏结作用,促进土壤团聚体的形成[23] ,这也为有机物料进一步改良土壤团聚体奠定了基础。
3.2 玉米秸秆及其炭化产物对土壤团聚体组成的影响
外源碳的施用可促进土壤中大团聚体( > 0. 25 mm) 的形成,尤其以 1 ~ 2 mm 粒级增加的比例最大[5,24] 。 薄国栋等[25]连续 4 年在山东棕壤上进行的田间试验发现,玉米秸秆连续还田有利于促进土壤团聚体的形成,提高团聚体的稳定性。 本研究中,T3(常规施肥+玉米秸秆)与 T4(常规施肥+玉米秸秆炭)处理对土壤团聚体改良效果与 T1 处理相比差异不显著,但配施玉米秸秆和玉米秸秆炭对土壤团聚体的影响方式存在差异。 原因在于玉米秸秆中含有丰富的木质素、多酚物质,虽然其有利于形成团聚体,但仍需要长期效应[25-26] ;此外,玉米秸秆的归还方式也会影响其还田效果。 本研究中玉米秸秆施用量较大,垄体土壤无法将所有玉米秸秆完全覆盖以形成厌氧高湿环境,导致秸秆外部的蜡质层腐解缓慢。 因此,配施的玉米秸秆无法在短时间内发挥改良土壤团聚体的作用。
本研究中,玉米秸秆经炭化施入土壤后,增加了土壤水稳定性团聚体中小粒径团聚体组分,从而使土壤团聚体组分趋向失衡,与前人在砂姜黑土、水稻土、黑垆土、塿土中的研究结果不一致[27-28] 。 造成该现象的主要原因是玉米秸秆炭对土壤物理性状的改良作用是基于为微生物提供多孔通透的生长环境,促进微生物生长菌丝体或分泌具有胶结作用的代谢产物[29] ,而在整治烟田土壤中,土壤肥力和生物活性均处于较低水平,因此施用玉米秸秆炭对土壤团聚体的改良效果不显著。 此外,有研究认为玉米秸秆炭用量达到 10 t·hm -2 ,甚至用量高达 40~60 t·hm -2时,对土壤团聚体组成的影响会得到明显改善[28,30] ,但由于秸秆炭的产出率较低,大量施用并不利于提高烤烟种植收益。
3.3 石灰与玉米秸秆或玉米秸秆炭配施对土壤团聚体组成的影响
多种物料间的交互效应能够较好地评价组合的适宜性。 在常规施肥条件下,石灰与玉米秸秆炭配施后对土壤团聚体 PADr>0.25 mm 、MMD、GMD、D 所产生的交互效应均为负效应,说明石灰与玉米秸秆炭配施既不利于提高大团聚体的稳定性,也不利于降低小粒径团聚体的比例;石灰与玉米秸秆配施后对土壤团聚体的 MMD 和 GMD 所产生的交互效应为负效应,而对 PADr>0.25 mm和 D 所产生的交互效应为积极效应,说明石灰与玉米秸秆配施能够提高土壤团聚体的稳定性,但不利于提高土壤团聚体的结构。 西南地区水土流失较为严重,对土壤团聚体稳定性的改良应当优先于对其结构的改良。 此外,配施玉米秸秆能够为土壤微生物提供丰富的外源有机碳,与施用石灰(改良土壤 pH 和改善微生物生长环境)形成积极的正效应。 同时,玉米秸秆的快速分解能够提高土壤有机质含量,使土壤团聚体中以钙离子为主的胶结物质逐渐被土壤有机胶结物质替代。 因此,常规施肥条件下将石灰和玉米秸秆配施还田,在短期内能够促进烟田土壤形成较大粒径团聚体,协调土壤团聚体粒径组分,提高土壤团聚体稳定性,达到改良黄壤整治烟田团聚体的效果。——论文作者：朱经伟1,2 ,张云贵2 ,李志宏2 ,冉传贤3 ,张恒1 ,刘青丽2 ,李雪华4 ,石俊雄1∗
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