冀西北旱作春玉米秸秆还田模式对土壤团聚体稳定性的影响

摘要  ［目的］研究冀西北旱作区春玉米秸秆还田对土壤团聚体稳定性的影响，优化适宜旱作区春玉米秸秆还田模式。［方法］采用连续3年田间定位试验，设计秸秆还田翻耕（JF）、秸秆还田旋耕（JX）、秸秆还田大垄轮播（JL）3种还田模式，分析土壤不同粒径团聚体质量比、平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）。［结果］冀西北旱作区春玉米农田土壤以0.25～0.50 mm团聚体占比最高，在26.28%～31.84%，其次为>1.00～2.00 mm团聚体，＜0.25 mm团聚体占比最低。秸秆还田能显著提高＞1.00 mm团聚体比例（P<0.05），增幅顺序为JX>JL>JF，JF、JL、JX处理比CK土壤MWD分别提高了10.59%、12.94%、17.06%，土壤GMD分别提高了15.31%、16.33%、18.37%。秸秆还田后春季土壤团聚体大颗粒占比下降，微颗粒占比升高，稳定性下降。秸秆还田显著提高0～20 cm土层>1.00～2.00 mm团聚体占比，增加土壤团聚体稳定性，提高>20～40 cm土层0.25～0.50 mm和<0.25 mm团聚体占比，降低土壤团聚体稳定性。［结论］秸秆还田模式通过对秸秆的破碎程度、有机碳输入、影响微生物酶活性调节土壤团聚体结构及稳定性，冀西北旱作区春玉米秸秆还田旋耕对土壤团聚体稳定性提高最显著。

关键词  秸秆还田；春玉米；土壤团聚体；稳定性；旱作区

中图分类号  S141.4  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）21-0058-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.21.012

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effect of Spring Maize Straw Returning Model in Northwest Hebei Province on Soil Aggregation Stability

BAI Xue-dong1，2， HE Jiang-peng1，2， ZHAO Hai-chao1，2 et al

（1. Hebei Provincial Key Laboratory of Agricultural Products and Food Quality and Safety Analysis and Testing， Hebei North College，Zhangjiakou，Hebei 075000; 2. Zhangjiakou Key Laboratory of Quality and Safety of Special Agricultural Products， Hebei North College，Zhangjiakou，Hebei 075000）

Abstract  ［Objective］To study the effect of the method of returning maize straw （to the field） on soil aggregation stability in northwest Hebei Province and optimize the suitable mode of spring corn straw returning.［Method］A 3-year fixed-site straw returning experiment was conducted. Three methods of returning straw to the field were set up， including tillage （ploughing， JF）， rotary tillage （JX） and large ridge rotation （JL）， and analyze the aggregate mass ratio， average weight diameter （MWD） as well as geometric mean diameter （GMD）.［Result］The soil of spring corn farmland in the arid region of northwest Hebei Province had the highest proportion of 0.25-0.50 mm aggregates， with a mass ratio between 26.28% and 31.84%， followed by >1.00-2.00 mm aggregates， and the lowest proportion of <0.25 mm aggregates. The proportion of straw agglomeration increased significantly （P<0.05）， and the order of increase was JX> JL> JF. The JF， JL and JX treatments increased by 10.59%， 12.94% and 17.06%， and the soil GMD increased by 15.31%， 16.33% and 18.37%， respectively. After returning straw to the field， the proportion of large particles in soil aggregates decreased in spring， while the proportion of micro particles increased and the stability decreased. Returning straw significantly increased the proportion of >1.00-2.00 mm aggregates in the 0-20 cm soil layer， increased soil aggregate stability， increased the proportion of 0.25-0.50 mm and<0.25 mm aggregates in the >20-40 cm soil layer， then reduced soil aggregate stability. ［Conclusion］The mode of straw returning regulates the structure and stability of soil aggregate through the crushing degree， organic carbon input and the influence of microbial enzyme activity， meanwhile improves the stability of spring maize straw returning in the dry farming area of northwest Hebei Province.

Key words  Straw returning;Spring maize;Soil aggregation;Stability;Dry farming area

基金项目  河北北方学院项目（XJ2023018）；河北省现代农业产业技术体系项目（HBCT2023020202）。

作者简介  白雪冬（1999—），男，河北承德人，硕士研究生，研究方向：农业资源与利用。

*通信作者，副教授，博士，硕士生导师，从事农业生态学研究。

收稿日期  2023-12-15

土壤团聚体是土壤结构的基本单元［1］，是土壤颗粒在自然过程中凝聚胶结而形成的大小不同的多孔结构体［2］，它包括微生物、动植物残体及其分泌物［3］。大量研究表明土壤团聚体优势粒径直径在0.25～2.00 mm［4］，不同粒径的团聚体与土壤有机质组分的保持、养分的供给和微生物活性密切相关［5］，粒级越小的团聚体通过分子间的吸引力和静电作用相互凝结在一起形成的复合黏粒［6］，其土壤稳定性越强。土壤团聚体稳定性指团聚体在受到破坏性压力时能够抵抗分解的潜力［7］，土壤的评价稳定性常用平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）2个指标表示［8］。稳定的土壤团聚体有利于土壤结构改良、气体与水汽循环、养分的利用与贮藏，土壤团聚体可以将土壤有机质包在里面以减缓其被微生物等分解［1］，进而提高土壤养分的供给和保蓄能力，因此土壤团聚体稳定性是土壤肥力研究的热点。

秸秆还田是影响土壤团聚体的重要农作措施，因此不同秸秆还田模式对土壤团聚体结构及稳定性的影响存在差异，皇甫呈惠等［8］研究表明小麦玉米秸秆还田可以提升0.25～2.00 mm团聚体占比，并提高土壤MWD 和GMD。周孟椋等［9］研究表明秸秆还田对沙质潮土团聚体稳定性提高了25%以上。闫雷等［10］研究表明秸秆还田免耕可以提高黑土坡耕地耕层团聚体的稳定性，增加各粒级有机质含量。高鸣慧等［11］研究表明秸秆还田可以提高棕壤土团聚体有机质含量。冀西北旱作区土壤受风蚀影响较大，较高的土壤团聚体稳定性有利于提高其抗风蚀能力，采用干筛法分析土壤团聚体可以了解团聚体的力稳性。笔者通过多年玉米秸秆还田定位试验，分析不同秸秆还田模式对土壤团聚体结构及稳定性的影响，为优化旱作区春玉米秸秆还田模式提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  试验地概况

试验于2017—2020年在河北省张家口蔚县西合营镇南大坪村（海拔880 m，114°13′～115°04′E、39°34′～40°10′N）进行，该区域是冀西北典型的旱作春玉米种植区，土壤类型为栗钙土。气候夏季凉爽，平均气温在6.8～7.6 ℃，多年降水量不足400 mm，春秋季大风天较频繁。土壤基本理化性质pH 8.39，容重1.34 g/cm，全氮0.42 g/kg，全磷0.46 g/kg，有机质35.77 g/kg。

1.2  土壤样品采集及分析

试验设置秸秆还田翻耕（JF）、秸秆还田旋耕（JX）和大垄轮播秸秆还田（JL）3种还田模式，以秸秆不还田为对照（CK），共4个处理。

不同还田模式处理如下：①秸秆还田翻耕，玉米收获后全部秸秆（还田量为9 000～10 500 kg/hm2）粉碎（5～6 cm）覆盖地表，播种前进行深翻（深度为20～25 cm）；②秸秆还田旋耕，玉米收获后全部秸秆粉碎覆盖地表，播种前进行浅旋耕（深度为10～12 cm）；③大垄轮播秸秆还田，玉米收获后全部秸秆粉碎还田，采用高起垄（垄高20 cm，垄距60 cm）播种，第2年在上一年垄背开沟起垄种植，依次轮换位置开沟起垄种植，如图1所示。以秸秆不还田作为对照（CK）。每个处理种植0.33 hm2，2017、2018、2019年10月连续还田3年，2018年（品种为郑单958）、2019年（品种为福来818）、2020年（品种为诚信16号）5月初播种，均采用等行距起垄（垄高20 cm）种植，春季随播种施入玉米专用肥750 kg/hm2，垄距60 cm，株距32 cm，株数52 500株/hm2。每个处理分别在2019年10月、2020年5月利用GPS定位，选择3个样方，每个样方4 m2，样方按“S”形采样法采集5点，每个样点采集0～20、>20～40 cm土层土壤。现场混匀，去除土壤中植物残体等杂质，置于塑封袋中带回实验室，置于干燥处阴凉风干。

1.3  测定项目及方法

土壤团聚体不同粒径的分级采用沙维诺夫干筛法［12］，将风干的土壤样品沿着自然裂痕分割为1 cm3左右，取200 g左右土样使其通过5.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm的筛组，得到＞5.00、>2.00～5.00、>1.00～2.00、>0.50～1.00、0.25～0.50、＜0.25 mm 6个粒级的团聚体，称量每个粒级团聚体重量并计算其所占比例。计算公式如下：

团聚体质量分数= 某粒级团聚体质量土壤样品总质量×100%

土壤团聚体稳定性指标用平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）［13］来表示。计算公式如下：

MWD=ni=1wini=1wi

GMD=Exp ni=1wilnni=1wi

式中：n为粒径分组的组数；为粒径的平均直径；wi为粒径团聚体的质量分数。

1.4  数据处理与分析

用Excel 2003软件进行数据分析并作图，采用SPSS 20.0软件对土壤团聚体分布、团聚体稳定性和团聚体有机碳含量进行单因素方差分析（ANOVA），处理间差异显著性分析用Duncan法进行检验（P<0.05）。