秸秆还田与长期连作棉田土壤水稳性团聚体特征

曹晶晶，魏飞，马芳霞，刘军，黄金花，刘建国

（石河子大学农学院，新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子832003）

秸秆还田与长期连作棉田土壤水稳性团聚体特征

曹晶晶，魏飞，马芳霞，刘军，黄金花，刘建国

（石河子大学农学院，新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子832003）

以棉花长期连作定点试验田为研究对象，研究秸秆还田对长期棉花连作土壤水稳性团聚体及有机碳分布的影响。试验设长期连作5、10、20 a和30 a的秸秆还田小区及长期棉花连作5、10 a和20 a无秸秆还田小区，共计7个处理，每个处理3个重复。结果显示：无秸秆还田条件下，随着连作年限的增加，土壤1～0.25mm水稳性团聚体含量和团聚体中有机碳含量逐渐降低，＜0.053mm水稳性团聚体含量逐渐增加；而秸秆还田可以显著提高长期连作棉田土壤中1～0.25mm水稳性团聚体含量、团聚体平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）值及团聚体中有机碳含量；秸秆还田条件下随着连作年限的增加，土壤1～0.25 mm水稳性团聚体含量逐渐增加，＜0.053 mm水稳性团聚体含量逐渐降低，且对0～30 cm耕作层土壤影响较大；与无秸秆还田相比，秸秆还田长期连作棉田，随着连作年限的增加，团聚体分形维数（D）逐渐降低，而无秸秆还田分形维数（D）逐渐增加，团聚体分形维数表现为随土层加深而增大，最后在20～30 cm处趋于稳定。说明秸秆还田显著提高长期连作棉田水稳性团聚体的稳定性，对改善土壤结构、提升土壤的肥力具有积极作用，能够缓解长期连作对土壤物理性状产生的不利影响。

秸秆还田；长期连作；棉田；水稳性团聚体；团聚体稳定性

Keywords：straw returning；long-term continuous cropping；cotton；water stable aggregate；stability of aggregate

土壤团聚体是评价土壤肥力和土壤质量的重要指标，其分布和稳定性直接影响了土壤的孔隙性、持水性、通透性和抗侵蚀性，从而影响农作物的生长［1］。团聚体的稳定性分为机械稳定性、水稳性和生物学稳定性。研究表明，土壤团聚体与有机碳是相互依存的，团聚体是有机碳存在的场所，有机碳是团聚体存在的胶结物质［2］。Oades等试验研究表明，各个级别的团聚体中有机质含量影响着团聚体的稳定性，在水稳性团聚体形成过程中，有机胶结物质起着重要的作用［3］。土壤团聚体的形成、分布、作用功能及有机碳的分布不仅受土壤种类的影响，同时也受耕作方式、施肥、秸秆还田、种植模式等因素的影响［2］。

长期连作会导致作物减产、土壤理化性状变差等［4］连作障碍问题，而秸秆还田增加土壤中有机胶结物质的含量，改善土壤结构，增加土壤养分含量，秸秆还田还显著影响了土壤水稳性团聚体的数量及稳定性［5－6］。新疆棉区存在传统有机肥源不足、农田养分主要靠施用化肥、发展绿肥又受到水资源的制约等问题，秸秆还田作为培肥地力的重要措施之一，对土壤肥力、团聚体的形成、土壤孔隙度的增加具有很大的促进作用。近年来关于秸秆还田及长期连作对土壤环境的影响已有报道，但大多集中于土壤腐殖质组分、微生物量、土壤理化性状、有机碳组分等［7－9］方面，但关于秸秆还田对长期连作棉田土壤水稳性团聚体的研究却少有报道。因此，研究秸秆还田对长期连作棉田土壤水稳性团聚体特征具有十分重要的意义。

本文利用棉花长期连作定位试验，分析秸秆还田及长期连作棉田不同土层的各级别水稳性团聚体的分布状况，以及土壤水稳性团聚体平均重量直径、几何平均直径、分形维数和水稳性团聚体中有机碳分布等指标。研究长期连作棉田水稳性团聚体的分布及有机碳的分布规律，为评价秸秆还田对长期连作棉田土壤结构的影响和新疆棉田土壤培肥制度的建立提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验在石河子大学农学院试验站棉花长期连作定点试验田进行。试验设有长期连作5、10、20 a和30 a的秸秆还田小区，其分别标记为5 a、10 a、20 a和30 a。另设有长期连作5、10 a和20 a无秸秆还田小区，其分别标记为CK5、CK10和CK20共计7个处理，每个处理3个重复。秸秆还田长期连作小区是每年秋季棉花收获后将所有的棉花秸秆用铡刀切成5～8 cm小段还田，即模拟大田生产将棉花秸秆（6 000～7 500 kg·hm－2）全部机械还田，入冬前结合施用化肥翻入耕层，然后冬灌；无秸秆还田长期连作小区是棉花收获后将全部秸秆带出农田，然后施用化肥、翻耕、冬灌。每处理小区1.5 m×1.5 m，不同处理间用厚塑料膜隔开，每处理三次重复。种植的棉花品种为“新陆早46号”，按“30 cm＋60 cm＋30 cm”宽窄行距配置，采用膜下滴灌，4月20日播种，种植密度为每公顷19.8万株，7月8日打顶。全生育期滴灌12次，滴灌总量5 400 m3·hm－2，共施纯氮495 kg·hm－2，30%基施，其余随水滴施，其他管理措施同大田管理。供试的土壤为草甸土。

1.2 土样采集

于2015年棉花播种前分别采集0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm 5个土层剖面原状土样，每处理3个重复。土样采集后放入塑料盒内带回实验室，在运输过程中尽量减少对土样的扰动。然后放于实验室内自然风干并沿着土壤结构的自然剖面掰开，同时防止外力作用而变形。让土样自然风干，备用。

1.3 测试方法

土壤水稳性团聚体百分含量的测定采用湿筛法［10］，湿筛分析在团聚体分析仪上进行，套筛孔径依次为1、0.25、0.053 mm。各处理取100 g土样倒入套筛中，浸润10 min后以30次·min－1（上下筛动时套筛不能露出水面）上下振荡5 min。筛分后，拆开套筛，将留在套筛上的各级团聚体用水洗入铝盒中，待澄清后倒去上清液，烘箱55℃烘干至恒重，各处理3次重复。

1.4 指标计算

（1）不同级别水稳性团聚体的质量百分含量［11］

式中，Wi为某级水稳性团聚体的质量分数（%）；Wwi为该级水稳性团聚体的质量（g）。

（2）平均重量直径（MWD）［12］

式中，MWD为平均重量直径；wi为对应于xi的团聚体的重量百分比；xi为各粒级的平均直径。

（3）几何平均直径（GMD）［12］

式中，GMD为几何平均直径；wi为对应于xi的团聚体的重量百分比；xi为各粒级的平均直径。

（4）分形维数（D）的推导公式［13］：

1.5 数据分析

运用Excel2003及SPSS19.0对实验数据进行统计分析及绘图。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对长期连作棉田0～50 cm土层水稳性团聚体分布的影响

由图1可以看出，0～10 cm土层和10～20 cm土层的变化趋势一致，秸秆还田与无秸秆还田，不同处理下0～20 cm土层的水稳性团聚体多集中于1～0.25 mm团聚体，占水稳性团聚体总量的38.0%～65.3%，而＞1mm水稳性团聚体含量最少。同一处理各粒径水稳性团聚体含量由高到底的顺序为：1～0.25mm，＜0.053mm，0.25～0.053mm，＞1mm。各处理＞1 mm及0.25～0.053 mm水稳性团聚体分布较平均，没有表现出明显的规律。秸秆还田处理，1～0.25 mm团聚体随着连作年限的增加呈现逐渐增加的趋势，＜0.053mm水稳性团聚体随着连作年限的增加逐渐降低，而无秸秆还田处理与秸秆还田处理呈现相反的趋势，1～0.25 mm团聚体随着连作年限的增加而下降，＜0.053 mm水稳性团聚体随着连作年限的增加逐渐增加。秸秆还田处理与无秸秆还田处理相比，1～0.25 mm秸秆还田处理团聚体含量明显高于无秸秆还田处理，而＜0.053 mm无秸秆还田处理高于秸秆还田处理，说明秸秆还田有利于土壤中水稳定性微团聚体向较大的水稳定性团聚体转化。

图1 长期连作棉田0～50 cm土层水稳性团聚体分布Fig.1 Soilwater-stable aggregate distribution of long-term continuous cropping cotton field at0～50 cm layer

同一处理下20～30、30～40 cm和40～50 cm土层团聚体含量变化趋势相似，与0～20 cm土层相比1～0.25mm团聚体含量下降，而＜0.053mm团聚体含量上升明显，各土层1～0.25mm团聚体含量分别占总量的65.0%、61.0%、50.0%、46.0%和44.0%，＜0.053 mm团聚体含量分别占总量的16.5%、20.0%、30.4%、33.7%和34.6%（30a为例）。在20～30、30～40 cm和40～50 cm土层秸秆还田处理随着连作年限的增加，1～0.25 mm团聚体含量呈现增长的趋势，而＜0.053 mm和0.25～0.053 mm团聚体呈现下降的趋势。无秸秆还田处理与秸秆还田处理相比，相对应的粒级则呈现相反的变化趋势。同一处理各粒径水稳性团聚体含量由高到低的顺序为：1～0.25 mm，＜0.053 mm，0.25～0.053 mm，＞1 mm。

无论秸秆还田还是无秸秆还田处理，不同土层间1～0.25 mm水稳性团聚体含量差异表现为0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm＞30～40 cm＞40～50 cm。而＜0.053 mm水稳性团聚体含量刚好相反，在0～50 cm范围内，随土层深度增加1～0.25mm水稳性团聚体含量降低。＞1 mm和0.25～0.053 mm土壤水稳性团聚体含量差异不明显。

在0～30 cm耕作层土壤，秸秆还田处理1～0.25mm水稳性团聚体含量显著高于无秸秆还田处理，且随着连作年限的不断增加，其增长幅度逐渐变大。1～0.25mm水稳性团聚体含量在0～10、10～20 cm和20～30 cm土层连作5、10、20 a处理比CK5、CK10、CK20分别增加了11.3%、25.0%、43.8%；8.7%、26.2%、55.3%和2.6%、18.9%、44.1%。40～50 cm土层差异不显著。＜0.053 mm水稳性团聚体含量在0～10、10～20 cm和20～30 cm土层连作5、10、20 a处理比CK5、CK10、CK20分别降低了14.1%、29.4%、40.2%，14.0%、22.6%、35.7%和1.0%、7.4%、16.7%。

2.2 秸秆还田对长期连作棉田土壤水稳性团聚体中有机碳的影响

由图2可以看出，长期连作棉田土壤水稳性团聚体中有机碳含量，随着水稳性团聚体级别的减小呈现先减小后增加的趋势；＞1 mm水稳性团聚体中秸秆还田长期连作30 a处理有机碳含量最多，为15.28 g·kg－1；0.25～0.053 mm水稳性团聚体中无秸秆还田长期连作CK20处理有机碳含量最少，为7.57 g·kg－1。无秸秆还田条件下，各个级别土壤团聚体中有机碳含量随着连作年限的增加而减少。秸秆还田长期连作条件下，每个级别水稳性团聚体中有机碳含量随着连作年限的增加呈上升趋势。在所有级别的水稳性团聚体中，秸秆还田处理团聚体中的有机碳含量高于无秸秆还田长期连作棉田，且随着连作年限的增加，增加幅度不断增大，20 a处理达到最大（除30 a以外）。在＞1 mm水稳性团聚体有机碳含量中，连作5、10、20 a处理比CK5、CK10、CK20分别增加了0.26%、22.04%、31.80%；4.60%、23.37%、24.68%；1.78%、17.85%、24.28%；19.02%、29.30%、47.37%（以＞1 mm团聚体有机碳含量为例）。说明秸秆还田能提高长期连作棉田水稳性团聚体中有机碳含量，且＜0.053 mm水稳性团聚体含量增加幅度最大。秸秆还田与无秸秆还田各级水稳性团聚体中有机碳含量由高到低的顺序依次为：＞1mm，＜0.053mm，1～0.25mm，0.25～0.053mm。

2.3 秸秆还田对长期连作棉田土壤水稳性团聚体大小的影响

平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）是评判土壤团聚体稳定性的可靠指标，MWD和GMD值越大则表示团聚体的团聚程度越高，稳定性和抗侵蚀能力越强［14－17］。

由图3可知，随土层深度的增加，土壤水稳定性团聚体MWD趋于减小。秸秆还田处理，随着连作年限的增加，土壤水稳性团聚体的MWD逐渐增大，10～20、20～30 cm土层差异显著。无秸秆还田处理，随着连作年限的增加土壤水稳性团聚体MWD逐渐减小。秸秆还田处理水稳性团聚体MWD高于无秸秆还田处理，30～40、40～50 cm土层差异不显著。这表明长期连作导致土壤水稳性团聚体MWD降低，而秸秆还田提高了长期连作棉田土壤水稳性团聚体的MWD，且随着土层深度的增加，秸秆还田对土壤水稳性团聚体的MWD影响较小。

图2 长期连作棉田土壤水稳性团聚体中有机碳的分布Fig.2 Organic carbon of soilwater-stable aggregates under long-term continuous cropping cotton field

图3 长期连作棉田土壤水稳性团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）Fig.3 Soilwater-stable aggregatemean weight diameter and geometric weight diameter of long-term continuous cropping cotton field

由图3可知，随土层深度的增加，秸秆还田处理及无秸秆还田处理的土壤水稳性团聚体的GMD均呈降低趋势。秸秆还田处理，随连作年限的增加，土壤水稳性团聚体的GMD呈上升趋势。无秸秆还田处理，随着连作年限的增加，土壤水稳性团聚体的GMD呈下降的趋势。秸秆还田处理团聚体的GMD高于无秸秆还田处理。0～10、10～20 cm和20～30 cm土层连作5、10、20 a处理与CK5、CK10、CK20相比分别增加了20.7%、42.9%、68.8%，17.3%、36.2%、73.5%和1.0%、18.1%、41.1%。30～40 cm和40～50 cm土层之间差异不显著。这表明长期连作导致土壤水稳性团聚体的GMD降低，秸秆还田显著提高了长期连作棉田0～30 cm土层的土壤水稳性团聚体GMD和土壤的抗侵蚀能力。

2.4 秸秆还田对长期连作棉田土壤水稳性团聚体分形特征的影响

杨培玲［13］等分析土壤分形特征时得出，分形维数越高，粘粒含量越多，土壤结构越紧实，通透性越差。吴承祯［18］等认为土壤结构越好，分形维数越低，团聚体越稳定。按照分形维数的公式对各处理团聚体分形维数进行数学拟合（R2＞0.89），结果表明（图4），秸秆还田与无秸秆还田长期连作棉田的土壤团聚体分形维数分别在2.61～2.79和2.69～2.81之间。在0～10、10～20、20～30 cm土层，土壤水稳性团聚体分形维数均表现为秸秆还田长期连作棉田显著低于无秸秆还田长期连作棉田。秸秆还田处理随着连作年限的增加，各处理的分形维数减小。无秸秆还田处理随着连作年限的增加，各处理的分形维数增大。说明长期连作增加了土壤水稳性团聚体分形维数，而秸秆还田能降低长期连作棉田的分形维数。秸秆还田与无秸秆还田处理下，团聚体分形维数表现为随土层加深而增大，最后在30 cm处趋于稳定。这表明秸秆还田对长期连作棉田30 cm以下的土壤分形维数影响较小，但30 cm以下的土壤水稳性团聚体的分形维数最大，说明其颗粒最小，水稳性团聚体稳定性最低。

图4 长期连作棉田土壤水稳性团聚体的分形维数Fig.4 Fractal dimension of soilwater-stable aggregates under long-term continuous cropping cotton field

3 讨论

不同级别的团聚体对土壤养分的储备和供应、孔隙分布、持水性和生物活动具有不同的作用［19］。各级别水稳性团聚体的分配比例能较好地反映土壤团聚体的结构状况。刘威等［20］的试验表明秸秆还田和免耕相结合对土壤结构改良效果最好，这一措施可以增加农田表层土壤＞0.25 mm团聚体百分含量，提高团聚体的稳定性，改善土壤的结构。李涵［21］等研究了渭北旱塬区秸秆覆盖还田土壤团聚体的特征，发现秸秆还田能提高土壤总有机碳含量，且能提升0～30 cm土层土壤团聚体的稳定性。本试验中无秸秆还田长期连作棉田，随着连作年限的增加土壤1～0.25 mm水稳性团聚体含量及团聚体MWD、GMD值降低。而秸秆还田提高了长期连作棉田土壤1～0.25 mm水稳性团聚体含量及团聚体的MWD、GMD值。这可能是由于秸秆还田能不断为土壤供给腐殖质及有机质，使土壤中的腐殖质和有机质含量增加，加强了土壤颗粒之间有机质的胶结作用，从而导致土壤中较小团聚体向较大团聚体的转化［1］。秸秆还田使土壤养分丰富，微生物活动频繁，促进土壤较大水稳性团聚体的含量，从而增强土壤团聚体的稳定性，改善土壤的结构［21－22］。张鹏等［23］也认为适量的秸秆还田可以显著提高土壤＞0.25 mm水稳性团聚体含量及团聚体的MWD、GMD值，这与本试验的研究结果基本一致。

无论秸秆还田还是无秸秆还田处理，1～0.25 mm水稳性团聚体及团聚体的MWD、GMD值，随土层的加深而降低。对0～30 cm土层的影响比较显著（图1，图2）。这可能是由于秸秆还田后棉花秸秆位于耕层土壤中，通过长时间的微生物活动及耕作才能到达下层土壤，团聚体是土壤中有机质的主要储存场所，表层土中近90%的土壤有机碳都位于团聚体中［24］。本试验中，0～30 cm土壤中主要以1～0.25mm水稳性团聚体为主，且随着土层的加深1～0.25mm水稳性团聚体含量下降（图1）。黄金花等［8］认为秸秆还田与无秸秆还田长期连作棉田，随着土层深度的增加土壤总有机碳含量逐渐减小。秸秆位于耕层土壤中，能够减小雨水的冲刷面积，缓解外力对土壤结构的破坏。能够有效减少土壤出现“结皮”、“板结”等现象［25］。刘威等［20］认为秸秆还田和免耕会增加农田表层土壤＞0.25 mm水稳性团聚体及团聚体的MWD、GMD值，与本试验结果基本一致。但这与田慎重等［26］的研究结果相反，这可能与土壤耕作方式及农田管理措施的不同有关。

本试验中无秸秆还田长期连作棉田，随着连作年限的增加，各个级别水稳性团聚体中有机碳含量逐渐减小。秸秆还田处理随着连作年限的增加，各个级别水稳性团聚体中有机碳含量逐渐增大。这是由于秸秆还田后，不断向土壤输送有机物质。其中＞1 mm水稳性团聚体中有机碳含量最大，0.25～0.053mm水稳性团聚体中有机碳含量最小，呈现“V”型分布且差异显著（P＜0.05）。这一研究结果与张凤华［27］和王静娅［28］的研究结果基本一致。而与苑亚茹等［29］的研究结果相反，这可能是与土壤的类型及种植的作物有关。

4 结论

1）秸秆还田对长期连作棉田的1～0.25 mm及＜0.053mm土壤水稳性团聚体的分布产生显著（P＜0.05）影响。而对＞1 mm和0.25～0.053 mm土壤水稳性团聚体分布的影响不显著。土壤团聚体的分形维数（D）与＞1mm、1～0.25mm两种团聚体含量呈极显著的负相关关系（P＜0.01）。

2）秸秆还田后长期连作棉田的WMD、GMD值增加，而分形维数（D）减小，且0～30 cm土层差异显著（P＜0.05）。秸秆还田还显著增加了长期连作棉田水稳性团聚体中有机碳的含量，＞1 mm水稳性团聚体中有机碳含量最大，0.25～0.053 mm水稳性团聚体中有机碳含量最小。

3）研究表明长期连作导致土壤水稳性团聚体的稳定性下降，而秸秆还田提高了长期连作棉田的土壤团聚体的水稳定性，提高土壤的抗侵蚀能力。秸秆还田对改善土壤结构、提升土壤的肥力具有积极作用，能够缓解长期连作对土壤物理性状产生的不利影响。

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Stalk returning and continuous cotton cropping on soilwater stable aggregate

CAO Jing-jing，WEIFei，MA Fang-xia，LIU Jun，HUANG Jing-hua，LIU Jian-guo
（Agriculturɑl College，ShiheziUniversity，Key Lɑborɑtory of Oɑsis Ecology Agriculture of Xinjiɑng Bingtuɑn，Shihezi，Xinjiɑng 832003，Chinɑ）

The objective of the experiment is to study the effectof straw incorporation on water stable aggregate distribution and organic carbon in the continuous cropping cotton field，providing scientific basis for long－term continuous cropping of cotton.This experiment had seven treatments’of continuous cropping plots，four treatments of cotton straw returning.There were three replicates for each treatment，The four treatmentswith cotton straw included four continuous cropping plots，such as5，10，20 and 30 years，the other three treatmentswere 5，10 and 20 years continuous cropping plots.The results showed that under without straw returning，with the year of continuous cropping increasing，the percentage of 1～0.25mm water stable aggregate and water stable aggregate organic carbon were remarkably decreased，the content of＜0.053mm water-stable aggregateswas gradually increased.But straw returning could significantly improved the percentage of1～0.25mm water stable aggregate，aswell asMWD，GMD and water stable aggregate organic carbon of long－term continuous cropping.Besides，with the year of continuous cropping increasing，the percentage of＞0.25 mm water stable aggregatewas remarkably increased，the content of＜0.053 mm water-stable aggregateswas gradually decreased.The largest impactwas detected for the 0～30 cm soil layer.Compared with no straw returning，straw returning and long-term continuous cropping cotton fields，with the time of continuous cropping increasing，fractal dimension（D）was gradually reduced，and aggregates fractal dimension performance increaseswith depth，and finally stabilized at 20～30 cm soil layer.Straw returning significantly improved the stability of water stable aggregates under long－term continuous cropping.Straw returning has a positive effectof improve soil structure and enhance soil fertility，thusmitigating the negative effect of long-term continuous cropping on soil physical properties.

S152.3

：A

1000-7601（2017）01-0026-07

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.05

2016-01-06

国家自然科学基金（31260307）

曹晶晶（1989—），女，新疆塔城人，硕士研究生，研究方向为农田生态环境。E-mail：caojingjing1126＠163.com。

刘建国（1968—），男，山东济宁人，教授，研究方向为农田生态环境与农作制度。E-mail：l－jianguo＠126.com。