秸秆还田方式对盐碱土壤微观结构和理化性质的影响

张曼玉，杨海昌，张凤华，罗艳琴，于善超，孙 静，曹 政

（石河子大学新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832003）

新疆地区水资源匮乏、盐碱程度大，盐碱地面积已达9 910 万hm2，占全国盐碱土总面积的1/3，是我国盐碱地面积较大、盐碱类型最多的地区之一[1]。盐碱地的治理在新疆地区是一个长久措施，有利于新疆农业耕地的可持续发展[2]。

在治理盐碱土的科学研究中，作物秸秆易获取、低成本，并且可以改善土壤内部环境，缓解盐胁迫对作物的影响[3]。因此，秸秆作为改良盐碱土的潜在材料受到越来越多的关注。不同秸秆还田方式不同降盐效果存在差异。李磊[4]等研究指出，秸秆还田量为0.6、1.2 万kg/hm2时，土壤容重、含盐量、pH 值、土壤水稳性团聚体、土壤紧实度以及酶活性均存在较大的差异，当还田1.2 万kg/hm2时，抑盐效果及产量效果较突出。在还田量相同的条件下，张金珠[5]等对秸秆表层覆盖和30 cm 深层覆盖进行研究，结果发现秸秆表层覆盖利于耕层土壤根系生长，而深层覆盖更利于30 cm 以下土层作物根系的发育。王学成[6]等在以上研究的基础上，对秸秆10、20、30 cm覆盖深度还田时进行研究，得到秸秆覆盖深度为30 cm 的还田方式，更有利于土壤耕层脱盐，促进作物生长。相比秸秆覆盖还田，秸秆翻压还田与土壤接触面积更大，分解更快，但对于秸秆覆盖与秸秆翻压还田对盐碱土的改良差异需要进一步研究。上述研究多为秸秆还田对盐碱土的理化性质的影响，较少涉及土壤微观结构方面。土壤微观结构变化可为盐碱土的修复和开发提供参考。袁莉民[7]等在对土壤团聚体微观结构进行研究时，发现土壤蜂窝状结构、菌丝体的增多，可以改善土壤的保水性能。前人研究[8,9]表明，盐碱土的改良措施影响其土壤微观结构，可以更有效阻止深层土壤盐分向上移动，改变土壤中水分的移动通道，增强土壤蓄水能力。因此，本研究采用棉花秸秆和油菜秸秆分别进行覆盖和翻压还田，比较了覆盖和翻压还田两种还田方式对土壤理化性质的影响，并结合扫描电镜试验，分析秸秆不同还田方式对盐碱土微观结构的影响，为新疆秸秆还田技术提供理论依据与技术支撑，为秸秆还田提供微观尺度上的认识。

1.1 研究区概况

本研究区位于新疆石河子市北泉镇（44°95′E，85°99′N）。该地区属于温带大陆性气候，气候干燥，年平均气温为25.6 ℃，年均降雨量为192.3 mm。日照充足，年日照时数为2 721～2 818 h，平均高温天气出现在7-8月。

依据土壤盐渍化分级标准[5]，研究区土壤为盐土，土壤含水量为16.11%，土壤为石灰性土壤，土壤盐分呈现表聚型。试验区0～20 cm土层基础理化性质见表1。

表1 土壤基础性质Tab.1 Basic properties of soil

1.2 试验设计及方法

1.2.1 试验设计

新疆农作物种类繁多，其中包括棉花、玉米、小麦、油菜和水稻等。本研究通过田间试验，选取2种秸秆分别进行秸秆覆盖和翻压还田处理。试验共设5个处理，分别为棉花秸秆覆盖还田（F1）、油菜秸秆覆盖还田（F2）、棉花秸秆翻压还田（H1）、油菜秸秆翻压还田（H2）、不还田处理（CK）。小区田间布置采取完全随机区组设计，每个处理设置3 个重复，共15 个小区，小区面积均为30 m2，小区之间留有50 cm 作为保护行。

本研究于2020年10月8日进行秸秆还田，秸秆翻压还田深度为0～20 cm，秸秆覆盖还田将秸秆平铺土壤表面。其中H1 处理和F1 处理均还田22 kg，H2 处理和F2 处理均还田30 kg。于次年3月份开始采样，每隔15 d进行一次采样，共取样5次，采样深度为0～20 cm。

1.2.2 试验方法

土壤电导率：土水比1∶5震荡，利用BEC-6500电导率仪测定；
土壤含水量采用烘干法；
土壤孔隙几何形状：场发射扫描电子显微镜；
土壤团聚体采用干筛法；
土壤有机质：重铬酸钾-滴定法[10]。

电镜的供试土样的制备如下[9]：去除土壤中水分，将干燥好的土样断开，舍去表面多余的颗粒，选取较平整的断面为检测面；
用导电胶粘至工作台，并用离子溅射镀膜仪对土样进行镀金；
放入样品室进行检测。电镜扫描倍数选择500倍和5 000倍。

土壤团聚体测定：将采回的原状土沿着自然结构面轻轻用手掰成直径约为1 cm 的小土块，去除植物残体过5 mm 筛，风干备用。取300 g 土块放置套筛最上层，套筛孔径分别为0.053、0.250、2.000 mm，由振筛机进行筛分，筛分时间为20 min，筛分结束后，从上至下依次取土并称重。。

1.3 数据分析

试验数据处理采用Excel 2017和Origin 2017软件进行数据和图表绘制。利用SPSS进行统计分析。

2.1 不同还田方式下土壤水盐含量变化

图1和图2分别为秸秆不同还田方式下土壤含水量、电导率含量变化。由图可知，随还田时间的增加，各处理土壤含水量呈逐渐增加的趋势，而CK 含水量在75 d 内保持基本稳定。在还田第75 d 时，H1、H2、F1 和F2 处理相比CK 含水量分别增加8.93%、7.85%、7.93%和7.27%。土壤盐分以水为载体，秸秆还田下，各处理土壤电导率均随时间呈现下降趋势，且还田处理土壤电导率自第15 d 起均显著低于CK。在第75 d，H1、H2、F1 和F2 处理较CK 分别降低5.30%、3.89%、3.64%和5.03%。总体来看，秸秆翻压还田处理75 d 后脱盐效果和土壤保水能力均优于秸秆覆盖还田。

图1 不同还田方式下土壤含水量变化Fig.1 Changes of soil water content under different measures of returning to the field

图2 不同还田方式下土壤电导率变化Fig.2 Changes of soil conductivity under different measures of returning to the field

2.2 不同还田方式下土壤耕层（0～20 cm）不同粒径土壤团聚体的分布

如图3所示，CK 处理下土壤粒径主要由大于2 mm 的团聚体组成，占团聚体组成比例的55%。其次是0.053～0.250 mm的团聚体，而0.25～2 mm 与小于0.053 mm 占比最小，总占比约为6.16%。与CK 相比，H1、H2 处理均显著增加0.25～2.00 mm 团聚体比例，增幅分别为3.71%和4.60%；
而小于0.053 mm 的团聚体则相反，其降幅分别为0.21%和0.29%。F1、F2处理大于2 mm 的团聚体含量分别显著增加9.13%和8.34%，0.053～0.25 mm的团聚体含量分别显著减少9.98%和8.98%。

图3 不同还田方式下团聚体不同粒径分布Fig.3 Different particle size distributions of aggregates under different returning methods

为了进一步说明不同还田方式下对土壤微团聚体各粒径分布的影响，对小于0.25 mm 的土壤微团聚体的分布情况进行探讨。图4为不同处理小于0.25 mm 的土壤微团聚体组成，由图4可知，相比CK，各处理均降低土壤小于0.25 mm团聚体粒径占比，其中，H1处理降低趋势最显著，为12.8%。

图4 不同还田方式下小于0.25 mm的土壤微团聚体分布Fig.4 Distribution of soil microaggregates ＜0.25 mm under different returning methods

2.3 不同还田方式下土壤有机质含量变化

图5为不同还田措施下土壤有机质含量变化。由图5可以看出，与CK 相比，各处理土壤有机质含量均显著提高且变化趋势相似，随还田时间的增加有机质含量呈逐渐递增的趋势。在还田第75 d，H1、H2、F1 和F2 处理较CK 分别增加了30.90%、29.80%、23.81%和23.49%。其中，H1、H2 处理分别显著高于F1、F2 处理，在还田第75 d，H1、H2 处理较F1、F2 处理有机质含量增加了7.64%和6.78%。可见，秸秆翻压还田（H1、H2处理）相比秸秆覆盖还田（F1、F2处理）更有利于土壤有机质的增加。

图5 不同还田措施下土壤有机质变化Fig.5 Changes of soil organic matter under different measures of returning to the field

2.4 不同还田方式下对土壤微观结构的影响

图6和图7分别为棉花秸秆、油菜秸秆还田下盐碱土微观结构的变化。在500 倍电镜下，可见秸秆翻压还田下（H1、H2处理）较CK土壤颗粒的数量变少，体积变大，秸秆覆盖还田下（F1、F2 处理）土壤颗粒胶结在一起，形成较大粒径的团聚体，相比CK，F1、F2 处理改善效果不显著。5 000 倍电镜下，CK 处理土壤孔隙多为不规则形状，并且有较多细小颗粒填充在土壤孔隙中，土壤表层细小颗粒接触方式多为面与面相接触，颗粒之间胶结在一起使得土壤板结较为严重，这种土壤结构保水性差，不利于水分的移动。秸秆翻压还田相比秸秆覆盖还田更有利于盐碱土微观结构改善。F1、F2 处理土壤孔隙数量有所增加，但分布不均匀，大部分孔隙集中在一侧，土壤颗粒之间直接点接触形式增加，相比CK 处理后的盐碱土板结现象有所减轻，但土体仍较为致密。H1、H2 处理使土壤细小颗粒数量减少，颗粒之间以点连接，孔隙数量增多且分布均匀，部分土壤颗粒结构经改良后由块状结构变为片状结构，土壤孔隙与土壤颗粒结构的改变更加有利于水分和盐分运移。

图6 不同还田方式下团聚体不同粒径分布（棉花秸秆）Fig.6 Different particle size distributions of aggregates under different returning methods (cotton straw)

图7 不同还田方式下团聚体不同粒径分布（油菜秸秆）Fig.7 Different particle size distribution of aggregates under different returning methods (rapese straw)

本研究对电镜图像（5 000 倍）进行二值化分割，对孔隙进行识别划分，得到孔隙的长度、宽度、等效直径、性状系数、周长、面积等一系列孔隙结构参数。其中，平均面积、平均直径以及平均周长为土壤颗粒粒度特征的参数，参数值越小，说明土壤中大部分颗粒较小，颗粒越破碎。由表2可见，在不同还田措施下，相比CK，各处理均有效增加颗粒的平均面积，秸秆翻压处理增加效果优于秸秆覆盖还田；
平均直径参数的变化中，秸秆翻压处理影响效果明显优于覆盖还田；
平均面积、平均直径、平均周长等表征颗粒大小的微结构特征，其中平均面积受还田处理影响变化，此外，平均直径与平均周长特征参数呈正相关的关系，但是与平均面积来看，无相关关系。秸秆翻压还田，加大了秸秆与土壤的接触面，有利于土壤有机质的增加，土壤有机质为土壤提供胶结物质，促进土壤颗粒的胶结，有助于土壤孔隙的形成，覆盖还田处理与翻压还田处理相比，秸秆分解速率较慢，由此可见，秸秆翻压还田更有利于改善盐碱土中颗粒破碎的状况。

表2 不同还田措施下土壤微观结构参数Tab.2 Soil microstructure parameters under different measures of returning to the field

3.1 不同还田方式对土壤水分及盐分变化的影响

秸秆翻压还田和覆盖还田均起到保墒和增强土壤水分有效性的作用，但影响过程不同。秸秆覆盖在土壤表面，减少了土层与地面环境的直接相互作用，土壤水分的垂直蒸发减弱，土壤水分利用效率增强[11]。秸秆覆盖免耕处理对于传统耕作秸秆覆盖可增强土壤吸收利用水分的能力，有效水含量高于无覆盖处理[12]。本研究中，秸秆翻压还田降盐保水作用高于秸秆覆盖还田，主要是由于秸秆翻压土壤中可以充当储水层[13]，另一方面秸秆翻压还田改变了土体构型，相比秸秆覆盖还田，土壤孔隙变大，透气透水性增加，促进盐分向深层土壤淋洗[14]，秸秆翻压还田切断了土壤毛管，降低水分蒸发，阻滞盐分上行。秸秆还田方式具有差异性，秸秆分解速度因此不同，相比于秸秆覆盖还田，秸秆翻压与土壤的接触面积更大，分解速率更快。而秸秆分解产生的有机物质对土壤中的水分有吸附作用，并且大于土壤孔隙的导水作用[15]，因此，秸秆分解速度的快慢也同样影响土壤的水分保蓄能力。

3.2 对土壤微观结构的影响

相比覆盖还田，秸秆翻压还田有利于土壤团聚体的形成。秸秆分解产生的胶结物质促进土壤微团聚体向大粒径的团聚体富集和胶结，减少小于0.25 mm 的土壤微团聚体含量。在本研究中不同还田方式分解速率不同，秸秆翻压还田更有利于减少小于0.25 mm 微团聚体的含量和增加0.25～2.00 mm 大粒径团聚体的含量[16]。

土壤的孔隙结构是土壤结构中重要的组成部分，土壤内部环境的变化或者颗粒之间的胶结都会引起土壤孔隙的重新排列，不同的孔隙结构会影响土壤内水分的运输方向及运输速率。秸秆翻压还田较覆盖还田能更加有效改善土壤微观结构，增加了孔隙的复杂性[17]。将土壤放大500 倍和5 000倍，可以看到经过秸秆翻压还田后盐碱土孔隙数量增加且分布均匀，土壤颗粒片状结构增加，板结现象有所减轻，此研究结果与前人研究结果达成一致[18]。在对盐碱土的微观结构的分析中，土壤颗粒的减少，孔隙度的增加，非毛管孔隙比重的增加均可以缓解土壤的返盐现象，未经治理的盐碱土颗粒排列紧密，土壤中的孔隙主要由微裂隙构成，当土壤进行灌溉时，一部分水通过微裂隙溜走，大部分水通过此通道蒸发，并且土壤孔隙的不连通，不利于土壤水分的下渗[9]。除此之外，秸秆还田措施改变土壤骨架颗粒的接触方式，由大量的面与面接触，逐渐增加直接点的接触方式。颗粒间的连接是一个动态变化和平衡的过程，颗粒连接形式对水的敏感程度不同，面与面的接触形式导致土壤透气透水性较差，直接点接触的连接方式更可以有利于上层土壤水分向深层土层运移[17]。

（1）随着秸秆还田时间的增加，秸秆翻压还田较秸秆覆盖还田有利于降低土壤盐分、提高土壤含水量。

（2）秸秆翻压还田相比覆盖还田显著增加土壤有机质含量，促进土壤大粒径团聚体形成，改善土壤微观结构。

（3）综上，在此研究中，新疆地区秸秆翻压还田对盐碱土的改良效果优于秸秆覆盖还田。