秸秆还田与轮耕对双季稻土壤物理特性及碳氮含量的影响

熊 瑞，张 玮，钟康裕，周文涛，欧 茜，王泓睿，龙 攀，徐 莹，傅志强

（1.湖南农业大学 农学院，湖南 长沙 410128；
2.作物生理与分子生物学教育部重点实验室，湖南 长沙 410128）

耕地是保障国家粮食安全的基础。据第2次全国土地调查数据，我国耕地面积和质量均呈现下降趋势，严守1.2亿hm2耕地红线和提高耕地质量对国家粮食安全战略意义重大[1]。长期以来，秸秆还田作为重要的土壤培肥措施，可减少因秸秆焚烧所带来的大气污染问题，还能提高土壤有机质含量、改善土壤结构和提升土壤肥力[2]。中国南方双季稻地区秸秆资源丰富，秸秆中含有大量的有机碳和氮、磷、钾等营养元素[3]。秸秆还田是一项重要的耕作管理模式。合理的耕作管理模式具有增产增效、改善土壤结构和提高土壤肥力的作用[4]。南方双季稻区以双季稻旋耕为主，并且习惯将秸秆移出农田。长期旋耕容易导致土壤板结、耕层变薄，同时秸秆离田减少了土壤有机物的来源，引起土壤质量退化[5]。

秸秆还田与轮耕结合的模式对土壤结构和肥力存在显著影响。土壤容重、孔隙度影响土壤的水、肥、气、热，间接影响土壤有机碳与全氮的含量。研究表明，秸秆还田可以提高土壤有机碳含量、增加土壤大团聚体数量、改善土壤结构、提升土壤养分含量和防止土壤侵蚀[3，6]。双季稻轮耕方式显著影响土壤的结构与质量。前人研究发现，深耕可以提高作物产量，但长期连续深耕会破坏土壤结构，造成土壤有机碳流失；
免耕可以减少耕作对土壤结构的破坏，但长期免耕会造成土壤表层压实、病虫害加重，不利于农作物的根系生长和对养分的吸收[7‐8]。相关研究表明，秸秆还田结合周年轮耕的模式有利于提高土壤团聚体稳定性、土壤养分含量及作物产量[9‐11]。

目前，关于南方双季稻区周年内轮耕对土壤物理特性及碳氮含量影响的研究较少[12]，其对土壤容重、团聚体稳定性及碳氮变化的影响不够明确。鉴于此，拟基于湖南省浏阳市双季稻区5 a 长期定位试验，研究秸秆还田与双季轮耕模式对土壤容重和团聚体的影响，探讨土壤各粒径团聚体有机碳和全氮的分布特征，分析秸秆还田结合轮耕对土壤结构及土壤有机碳和全氮含量的影响，为南方双季稻区土壤改良提供理论依据。

1.1 试验地概况

试验地位于湖南省浏阳市沿溪镇湖南农业大学教学实习基地（28°18′16″N、113°49′52″E），该地属亚热带季风湿润气候，为典型的双季稻区。水热资源丰富，供试土壤为红黄泥。年均气温17 ℃，年均日照1 516.70 h，年均降雨量1 680 mm，无霜期266 d。试验前，该田块种植模式为双季稻+冬闲，秸秆不还田，早、晚稻均使用旋耕机旋耕。试验前0～20 cm 土层理化性状：土壤容重1.23 g/cm3、有机质28.12 g/kg、全 氮1.26 g/kg、全 钾5.86 g/kg、全 磷0.52 g/k、速效钾96.74 mg/kg、有效磷62.02 mg/kg、碱解氮153.71 mg/kg，土壤pH 值6.56。2021 年日累积降雨量与日平均温度如图1所示。

图1 2021年日累积降雨量与日平均气温Fig.1 Cumulative daily rainfall and daily mean temperature in 2021

1.2 试验设计

试验地以双季稻+冬闲为基础，于2017 年早稻季开始开展长期定位试验。试验采用裂区设计，以秸秆处理方式为主区，分为秸秆还田与秸秆不还田2种方式；
以耕作方式为副区，包括早稻旋耕晚稻翻耕、早稻旋耕晚稻免耕。共4 个处理：秸秆还田+早稻旋耕晚稻翻耕（RTS）、秸秆还田+早稻旋耕晚稻免耕（RNS）、秸秆不还田+早稻旋耕晚稻翻耕（RT）、秸秆不还田+早稻旋耕晚稻免耕（RN）。各处理均采用大区试验，面积为180 m2（15 m×12 m）。各区之间采用田埂隔开，田埂宽0.50 m、高0.30 m，用黑色塑料膜包裹，防止水肥互窜。早晚稻秸秆收割时利用收割机切碎还田，放水泡田后进行耕作处理。旋耕处理使用旋耕机（雷沃M1304-U 拖拉机，潍柴雷沃智慧农业科技股份有限公司）耕作，耕作深度为10～15 cm；
翻耕处理先使用铧式犁耕作后再进行旋耕整理稻田，耕作深度为20～30 cm；
免耕处理先于秧苗移栽前灌水5～8 cm 浸泡5 d，然后直接施肥并进行移栽。2017—2021年秸秆还田量如表1所示。早稻品种为中嘉早17，晚稻品种为泰优390。早稻：3 月20 日浸种催芽，3 月23 日播种，4 月26 日插秧，移栽密度为25.0万穴/hm2，每穴4苗，7月12日收获；
晚稻：6 月23 日浸种催芽，6 月26 日播种，7 月21 日插秧，移栽密度为23.0 万穴/hm2，每穴2 苗，10月19日收获。在全生育时期内，耕作结束后统一施肥。各处理施肥量一致且以大区面积计算肥料施用量。其中，氮肥为尿素（早稻N 120 kg/hm2、晚稻N 150 kg/hm2），施用时基肥∶蘖肥=8∶2；
磷肥为过磷酸钙（早稻P2O560 kg/hm2、晚稻P2O590 kg/hm2），作基肥一次性施入；
钾肥为氯化钾（早、晚稻均为K2O 120 kg/hm2），施用时基肥∶蘖肥=8∶2。早稻和晚稻生长期间的水分管理均为前期灌水浅水分蘖、中期晒田和后期干湿交替，早稻和晚稻病、虫、草害防治按当地常规方式进行管理。

表1 试验田2017—2021年秸秆还田量Tab.1 Amount of straw returning in the experimental field from 2017 to 2021 t/hm2

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 样品采集 2021 年早、晚稻收获后，各大区每60 m2按S 形选取3 个长×宽×高为40 cm×25 cm×25 cm的土坑样点（图2），取0～10 cm、10～20 cm土层土壤测定土壤容重。在不破坏土壤结构的情况下沿土壤切面切下，每个点采集0～10、10～20 cm 原状土0.5 kg，将相同土层样品混合均匀后装入样品盒。土壤取回后立即将其沿断裂面分成1 cm3左右的土块，并挑出砾石、侵入体及植物残根等，放置在阴凉处自然风干后备用。

图2 试验地各处理大区土壤取样点分布情况Fig.2 Distribution of soil sampling points in each treatment area of the test site

1.3.2 水稳性团聚体分级及理化性质测定 土壤容重使用环刀法[13]测定。不同粒径团聚体分级采用X-Y 型土壤团聚体分析仪（北京祥宇伟业仪器设备有限公司）湿筛测定，参照参考文献[14]中的方法并作改进：每个处理称取待测样品3 份（每份50 g）于铝盒中，向铝盒中倒入自来水浸泡土样10 min，浸泡结束后将铝盒中样品倒入土壤套筛（北京祥宇伟业仪器设备有限公司），调整桶内水面高度，使筛子移动到最高位置时上层土筛中的土样淹没在水面之下。以上下3 cm 的振幅、60次/min的振荡频率振荡6 min。振荡结束后，称质量并收集各层粒径筛子 上 的 样 品，分 别 计 算>2、0.25～2、0.053～0.25、<0.053 mm的水稳性团聚体质量。

采用San++连续流动分析仪测定土壤全土和不同粒径团聚体的全氮（TN）含量，采用重铬酸钾外加热法测定全土和不同粒径团聚体的有机碳（SOC）含量[15]。

1.4 指标计算

基于湿筛法获得的各粒径团聚体质量计算各粒径团聚体质量分数、团聚体平均质量直径（Mean weight diameter，MWD）、几何平均直径（Geometric mean weight，GMD）、粒径>0.25 mm 团聚体质量分数、团聚体养分贡献率，其计算公式[16‐17]：

式中，R0.25为大团聚体比值，Mr>0.25 为粒径>0.25 mm 团聚体质量分数，MT为供试土壤总质量，WT为水稳性团聚体质量分数，Wi为水稳性团聚体各粒径质量，MWD为平均质量直径，GMD为几何平均直径，xi为团聚体各粒径平均直径，CTi为土壤有机碳及全氮贡献率，CN为团聚体全土养分（SOC、TN）含量，Ci为第i级团聚体中养分（SOC、TN）含量。

1.5 数据处理与统计分析

采用Excel 2019 进行数据整理，采用Origin 2021绘图，采用SPSS 23进行双因素方差分析，利用Duncan’s新复极差法进行多重比较。

2.1 秸秆还田与轮耕对双季稻土壤特性影响的方差效应分析

由表2 可知，早稻秸秆还田对土壤团聚体MWD、R0.25、土壤SOC 含量、土壤TN 含量均存在极显著方差效应，耕作模式对土壤R0.25及SOC 含量存在显著方差效应，二者对土壤TN 含量存在显著的交互效应。与耕作模式相比，秸秆还田对早稻土壤的MWD、R0.25、SOC 含量和TN 含量影响更为强烈。晚稻秸秆还田显著或极显著影响土壤MWD、GMD、R0.25、SOC 含量、TN 含量，耕作模式对土壤MWD、GMD、容重、R0.25、SOC 含量影响极显著。耕作与秸秆还田均影响晚稻土壤的MWD、GMD、R0.25、SOC 含量。另外，对于晚稻土壤而言，秸秆还田是影响其TN 含量的主要因素，耕作是影响其容重的主要因素。

表2 秸秆还田与轮耕对双季稻土壤特性及碳、氮影响的方差分析Tab.2 Variance analysis of the effect of straw returning and rotating tillage on soil characteristics，carbon and nitrogen of double cropping rice

2.2 秸秆还田与轮耕对双季稻土壤物理特性的影响

2.2.1 秸秆还田与轮耕对双季稻土壤容重和土壤总孔隙度的影响 由表3 可知，在0～20 cm 土层，相比早稻旋耕晚稻翻耕模式，早稻旋耕晚稻免耕模式的土壤容重总体较大。4 个处理中，0～10 cm 土层早、晚稻RN处理的土壤容重分别显著高于其他3个处理5.17%～12.96%、9.40%～13.27%。同种耕作方式下，秸秆还田较不还田可以明显提高晚稻0～10 cm 土层的土壤总孔隙度，其中，RTS 较RT 提高0.53%，RNS较RN提高8.04%，且后二者差异达到显著水平（P<0.05）。

表3 秸秆还田与轮耕对双季稻土壤容重和总孔隙度的影响Tab.3 Effect of straw returning and rotating tillage on soil physical properties of double cropping rice

2.2.2 秸秆还田与轮耕对双季稻土壤团聚体分布的影响 从早、晚稻土壤团聚体质量分数的分布情况来看，总体上各处理土壤团聚体质量分数以0.25～2 mm 粒径为主（图3）。与秸秆不还田相比，秸秆还田增加了各处理早、晚稻0～20 cm 土层>0.25 mm 团聚体的质量分数，增加幅度为2.49%～12.72%。经过连续多年秸秆还田与轮耕处理，与其他3 个处理相比，RNS 处理增加了早稻0～20 cm土层0.25～2 mm 粒径的团聚体质量分数；
提高了晚稻>2 mm 和0.25～2 mm 粒径的土壤团聚体总量，相应降低了0.053～0.25 mm 和<0.053 mm 粒径的土壤团聚体总量。晚稻RNS 处理>0.25 mm 粒径的土壤团聚体质量分数0～10、10～20 cm 土层分别提高了1.87%～5.55%、2.49%～21.67%。

图3 秸秆还田与轮耕对早稻（a）和晚稻（b）土壤团聚体质量分数的影响Fig.3 Effect of straw returning and rotating tillage on soil aggregate mass fraction of early rice（a）and late rice（b）

2.2.3 秸秆还田与轮耕对双季稻土壤MWD 与GMD 的影响 MWD 和GMD 作为反映团聚体大小分布状况的指标，其大小显著影响土壤团聚体的稳定性。由表4 可知，秸秆还田不同程度地增加了土壤团聚体的MWD 和GMD。同种耕作方式下，早稻秸秆还田使土壤团聚体MWD 增加1.23%～12.34%；
晚稻秸秆还田使土壤团聚体MWD 增加4.12%～9.68%，GMD 增加3.66%～11.60%。表明秸秆还田增加了土壤团聚体稳定性。2种耕作模式相比，早、晚稻0～10 cm 土层，早稻旋耕晚稻翻耕处理的土壤团聚体MWD 与GMD 整体上高于早稻旋耕晚稻免耕处理；
而10～20 cm 土层则表现出相反的趋势。表明早稻旋耕晚稻免耕更有效地提高了深层土壤结构的稳定性，且在晚稻时效果表现得更明显。

表4 秸秆还田与轮耕对双季稻土壤团聚体MWD与GMD的影响Tab.4 Effect of straw returning and rotating tillage on MWD and GMD of double cropping rice soil aggregates mm

2.3 秸秆还田与轮耕对双季稻土壤碳氮含量的影响

秸秆还田显著提高了早、晚稻0～20 cm 土层SOC、TN含量（图4）。同种耕作方式下，早稻秸秆还田使土壤SOC 含量增加9.87%～36.70%，TN 含量增加18.87%～75.47%；
晚稻秸秆还田使SOC 含量增加8.46%～16.09%，TN 含量增加8.96%～81.25%。经过秸秆还田与轮耕处理后，晚稻RNS 处理0～10 cm 土层TN 含量相比其他3 个处理提高了16.00%～81.25%；
0～10 cm 与10～20 cm 土层SOC 含量较其他3 个处理分别提高了5.90%～11.10%、5.76%～19.36%。

图4 秸秆还田与轮耕对双季稻土壤SOC（a）和TN（b）含量的影响Fig.4 Effect of straw returning and rotating tillage on SOC（a）and TN（b）contents in double cropping rice soil

2.4 秸秆还田与轮耕对双季稻土壤不同粒径团聚体SOC和TN贡献率的影响

2.4.1 秸秆还田与轮耕对双季稻土壤不同粒径团聚体SOC 贡献率的影响 如图5 所示，团聚体贡献率受各粒径团聚体质量分数大小与团聚体结合态SOC 密度的影响，总体上早、晚稻不同处理的各粒径土壤团聚体SOC贡献率以0.25～2 mm粒径最大。早稻0～20 cm 土层土壤团聚体SOC贡献率主要集中在0.25～2 mm 粒径团聚体（39.70%～52.29%），晚稻SOC 贡献率主要集中在>2 mm 与0.25～2 mm 2个粒径团聚体（60.10%～76.90%）。秸秆还田与轮耕后，相较于早稻处理，晚稻RTS 处理分别提高了0～10、10～20 cm土层>0.25 mm土壤团聚体SOC贡献率4.14%、7.23%；
RT 处 理 分 别 提 高 了0～10、10～20 cm 土 层>0.25 mm 土 壤 团 聚 体SOC 贡 献 率5.73%、6.88%。秸秆还田与轮耕后，相较于早稻处理，晚稻RNS 处理分别提高了0～10、10～20 cm 土层>0.25 mm 土壤团聚体SOC 贡献率12.77%、15.53%；
RN 处 理 分 别 提 高 了0～10、10～20 cm 土层>0.25 mm土壤团聚体SOC贡献率14.35%、36.67%。

图5 秸秆还田与轮耕对早稻（a）和晚稻（b）土壤团聚体SOC贡献率的影响Fig.5 Effect of straw return and rotating tillage on the SOC contribution of early rice（a）and late rice（b）soil aggregates

2.4.2 秸秆还田与轮耕对双季稻土壤不同粒径团聚体TN 贡献率的影响 如图6所示，早稻不同处理各粒径土壤团聚体TN 贡献率主要集中在0.25～2 mm 粒径，其中0～20 cm 土层土壤0.25～2 mm 粒径团聚体TN 贡献率为34.35%～47.33%。晚稻主要集中在>2 mm 与0.25～2 mm 2 个粒径团聚体（65.32%～80.44%）。秸秆还田与轮耕处理后，相较于早稻处理，晚稻RTS 处理分别提高了0～10、10～20 cm 土层>0.25 mm 土壤团聚体TN 贡献率4.97%、26.27%；
RT 处理分别提高了0～10、10～20 cm 土层>0.25 mm土壤团聚体TN 贡献率16.85%、45.46%；
RNS 处理分别提高了0～10、10～20 cm 土层>0.25 mm 土壤团聚体TN 贡献率50.53%、15.89%；
RN 处理分别提高了0～10、10～20 cm 土层>0.25 mm 土壤团聚体TN 贡献率31.21%、45.96%。

秸秆还田在一定程度上可以降低土壤容重，而免耕会提高土壤容重[17]。本研究结果表明，免耕处理明显提高土壤容重，早稻旋耕减轻了上年晚稻免耕对容重的不利影响。秸秆还田可以增加土壤团粒胶结剂，促进大团聚体的形成，提高团聚体稳定性[19]。本研究中，早、晚稻秸秆还田提高了0～20 cm土层土壤>0.25 mm 团聚体的数量及团聚体的MWD和GMD，从而提高了土壤团聚体稳定性。在秸秆全量还田的前提下，增加了土壤SOC、TN含量，且晚稻秸秆还田效果好于早稻。原因可能在于早稻收获后，秸秆直接粉碎还田，晚稻气温较高，水稻秸秆能快速腐解进入稻田中，增加了土壤养分[20‐21]。晚稻采用与早稻不同的耕作模式后促进了0～20 cm 土层大团聚体的形成，提高了团聚体的MWD与GMD，这与邓巧玲等[22]、杨佳宇等[23]的研究结果一致，稻田轮耕能改善土壤的结构，促进大团聚体的形成。耕作方式由旋耕转变为免耕后减少了对土壤的扰动，促进了大团聚体的形成，提高了土壤团聚体的稳定性[24‐25]；
耕作方式由旋耕转变为翻耕后，提高了土壤孔隙度，促进了微团聚体向大团聚体聚合，提高了大团聚体的数量[26]。

国内外研究发现，秸秆还田与轮耕结合的方式提高了团聚体稳定性及SOC、TN含量[27‐28]。LIU等[29]研究发现，土壤大团聚体是土壤碳库的主要贡献者，占SOC 存量的64.9%～73.1%。本研究中，采用秸秆还田后，提高了0～10 cm 土层大团聚体结合态氮、0～20 cm 土层>0.25 mm 团聚体结合态碳和土壤耕层SOC、TN含量。这是因为秸秆还田为土壤加入了外源有机物，增加了SOC 及土壤其他养分输入，有利于土壤团聚体团粒结构的形成；
更多的SOC、TN与团聚体结合，受到团聚体的固定、保护，从而增加了耕层养分。

采用早稻旋耕与晚稻免耕、翻耕的轮耕方式后，早稻旋耕晚稻免耕提高了大团聚体土壤SOC 与TN 的贡献率，如前所述，秸秆还田为土壤加入了外源有机物，增加了SOC 及土壤其他养分输入，有利于土壤团聚体团粒结构的形成；
免耕减少了对土壤的扰动，有利于提高土壤的稳定性。土壤团聚体作为土壤的基本结构单元，可以对土壤SOC 起到包裹作用，从而避免SOC 被土壤微生物分解，进而可以储存土壤养分。由此可知，大团聚体质量分数越高，对土壤碳氮贡献越高，越有利于土壤碳、氮含量的增加。此外，土壤SOC 作为胶结物质，能促进团聚体团粒形成，改善土壤结构[30]。本研究中，早稻旋耕晚稻免耕的耕作方式提高了土壤0～10 cm 土层TN 含量及0～20 cm 土层SOC 含量。SIX 等[31]研究发现，耕作对土壤的扰动是降低团聚体稳定性、加速SOC 消耗的主要原因。本研究中，采用早稻旋耕晚稻免耕方式，减少了土壤扰动，提高了大团聚体的数量，从而增加了土壤SOC、TN 的固持。早稻采用旋耕的方式，有利于减少晚稻免耕造成的土壤容重升高；
晚稻采用免耕的方式可减少土壤扰动与能源消耗，有利于提高土壤团聚体稳定性与SOC含量。

本研究初步探明了双季稻地区采用秸秆还田与双季轮耕模式对土壤物理特性及碳、氮含量的影响，综合而言，采用秸秆还田早稻旋耕晚稻免耕有利于保持双季稻地区稻田土壤结构稳定，从而实现可持续生产。

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