长期地表秸秆覆盖对果园土壤理化性状及有机碳积累的影响

胡燕芳 章明奎

摘要：為了解南方低丘果园地表长期覆盖秸秆对土壤质量的影响，在浙江中部选择立地条件与种植时间相同的2个相邻柑橘园（分别为覆盖秸秆种植6年的果园和常规种植的果园），采集0～10 cm、10～20 cm、20～ 30 cm的分层土样，对土壤理化性质进行综合分析，研讨了长期地表秸秆覆盖对柑橘园红壤质量的影响。结果表明，地表长期覆盖秸秆可显著降低0～10 cm、10～20 cm土壤的容重，增加土壤的保水能力和水稳定性团聚体数量，明显增加0～10 cm、10～20 cm土壤有机质的积累、活性有机质的数量和速效钾及中微量元素的水平，增加土壤微生物数量和酶活性，同时可降低土壤的酸度和防止表土砂化。与对照相比，秸秆覆盖土壤的轻组、粗颗粒、细颗粒有机碳对土壤总有机碳的贡献均有明显的增加。秸秆覆盖对20～30 cm土层的影响较小。研究认为，柑橘园地表进行覆盖秸秆具明显的生态效应，可有效防止水土流失，改善园地土壤理化性质，增强园地土壤养分供应能力，可以作为低丘柑橘园的水保措施和培肥技术进行应用。

关键词：低丘果园；秸秆覆盖；土壤质量；有机碳积累；团聚体；酶活性

中图分类号：S571.1，S38文献标志码：A论文编号：cjas20190400005

Long-term Straw Mulching： Effects on Soil Physical and Chemical Properties and Organic Carbon Accumulation in Orchards

Hu Yanfang1， Zhang Mingkui2

（1Kecheng District Soil-Fertilizer and Rural Energy Technology Extension Station of Quzhou City， Quzhou 324000， Zhejiang， China；2College of Environmental and Resource Sciences， Zhejiang University， Hangzhou 310058， Zhejiang， China）

Abstract： To understand the effects of long-term straw mulching on soil quality in low hilly orchards in southern China， 2 adjacent orchards with the same site condition and planting time were selected in central Zhejiang （orchard with straw mulching for 6 years and orchard with conventional planting， respectively）. We collected soil samples of 0-10 cm， 10-20 cm and 20-30 cm from the two orchards， and comprehensively analyzed the physical and chemical properties of soil samples， and discussed the effects of long-term straw mulching on the soil quality. The results showed that： long-term straw mulching could significantly reduce the soil bulk density of 0-10 cm and 10-20 cm， and increase the soil water-holding capacity and the water-stable aggregates’content； could significantly increase the accumulation of organic matter， the amount of active organic matter， available potassium and medium and trace elements， as well as the number of soil microorganisms and enzyme activities； meanwhile， long-term straw mulching could reduce the soil acidity and prevent the sanding of topsoil； compared with the control， the contribution of light， coarse and fine particulate organic carbon to total organic carbon in soil with straw mulching increased significantly； the straw mulching had little influence on 20-30 cm soil layer. In conclusion， the straw mulching has obvious ecological effects on citrus orchards， which can effectively prevent soil erosion， improve the physical and chemical properties of soil， and enhance the nutrient supply capacity of soil. It can be used as a water conservation measure to improve the soil fertility in low hilly citrus orchards.

Keywords： Low Hilly Orchard； Straw Mulching； Soil Quality； Organic Carbon Accumulation； Aggregate； Enzyme Activity

0引言

农地（包括果园）地表覆盖在中国已有悠久的应用历史，主要是为了稳温保墒、免耕灭草，同时控制与降低水土流失。根据覆盖材料的不同，农地可采用地膜、园艺地布、生草和秸秆等覆盖[1-3]，从生物、经济以及环境等因素考虑，不同覆盖形式各有其优缺点。地膜覆盖透光率高、质轻耐久、能增温保水、增产早熟，但其通透性差、容易被风撕裂，并且因难以自然降解，容易造成环境污染[4-5]。园艺地布覆盖透气、透水、稳固性好，具有一次铺设多年受益，能较好控制杂草、保湿、防止水土流失及提高土壤养分利用等优点[3]，但这一方法需较高的投资。生草覆盖可实现适地适草，改善生态环境[6]，提高土壤肥力水平，但种草易争肥争水、感染病虫。秸秆覆盖利用农业副产品——秸秆进行覆盖，资源丰富，具有培肥土壤、防止水土流失和促进作物增产的优点，并具有适用性广的特点，在各地均可应用[7-10]。

近年来的研究表明，农地秸秆覆盖可改善土壤质量，覆盖的秸秆物質在土壤微生物的作用下，可逐渐转变为腐殖质、补充土壤有机质，改良土壤结构、保证作物生长的养分供应；促使土壤疏松、增加土壤通气性，改善作物根系的生长环境[11-14]。据研究，农地秸秆覆盖后，春季土温上升缓慢，有利于避免倒春寒引起的危害；而夏季土温比不覆盖的低，可防止高温对作物的危害；秋季土温下降较为缓慢，有利于作物的生长；冬季土温比不覆盖的高，有利于某些作物的安全越冬。在干旱地区，农地秸秆覆盖明显减少了土壤水分蒸发，可实施免耕作业，有效减少灌溉次数，降低生产费用[2]；而合适的土壤墒情可延长根系活动时间，促进作物生长。覆盖秸秆物质分解产生的矿质元素可积累在表土[15-18]，可增加土壤中的速效养分，有利于提高微量元素的水平。

红壤是中国重要的土壤资源，因地处热带、亚热带地区，热量丰富，为作物高产提供了潜在的光能。但因红壤具高度风化的特点，强酸、低矿质养分和有机质分解迅速及季节性干旱是限制作物高产的主要限制因素[19-21]。除某些地势低平、水资源丰富的区域可通过改为水田达到高产稳产外，多数红壤因坡度较大，主要以种植水果和旱地作物为主，且存在缺乏水、肥、气、热协调和明显的水土流失问题。现代果园经营是一项目综合应用农业、生态、管理的生产实践活动，要求采取减少地表蒸发、减免水土流失和不断提高地力、实现优质高产的农艺措施。因此，如何减弱果园红壤的水土流失，维护和提高土壤质量，是现代果园管理的重要内容。

近年来，中国南方红壤地区有不少果园采用秸秆覆盖，已取得了明显的生态效益，但有关在果园红壤采用秸秆覆盖对土壤质量的长期影响尚缺乏全面评估，有关秸秆覆盖对土壤有机质积累及有机质在土壤团聚体中的分布也知之甚少。为此，本研究在浙江中部选择立地条件与果树种植时间相同的2个相邻果园（分别为覆盖秸秆种植6年的果园和常规种植的果园），采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm的分层土样，通过对土壤理化性质的详细分析，研讨了长期地表秸秆覆盖对果园红壤质量及有机质积累的影响，目的是为科学管理果园提供依据。

1调查区基本情况与方法

1.1调查区基本情况

调查区位于浙江中部衢州市，属亚热带季风气候区，具有四季分明、冬夏长春秋短、光温充足、降雨丰沛而季节分配不均的地带性特征。常年平均气温在16.3～17.3℃，无霜期251～261天，多年平均年降水量为1843 mm。地形为低丘，海拔在50 m左右。

基于田间调查，于2017年选择了立地条件、种植时间及施肥管理相同的2片相邻柑橘园进行采样。该2片柑橘园由同一农户经营，土壤类型为第四纪红土母质发育的黄筋泥（属红壤土类红壤亚类），种植柑橘11年，地表坡度在5—10°之间。其中一片果园已持续6年采用秸秆覆盖种植，秸秆于每年12月至次年1月覆盖至地表，覆盖量以不露土厚度5 cm为标准。在第2年再次覆盖新的秸秆前结合施肥通过翻耕把前一年的秸秆翻压入土下；不进行秸秆覆盖一片果园也在同期作同样的翻耕。该2片果园除其中一片覆盖秸秆外，其他管理措施完全相同。

1.2土样的采集

在2片果园中各选择3个地块，分别采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm的分层土样，每地块分层土样各由同一采样地块的5个分点的相同层次的土样混合而成，即每一类果园各采集3个重复样用于分析。土样于2017年11月秸秆翻压和施肥前采集。为便于文中讨论，以下分别称秸秆覆盖果园和不进行秸秆覆盖果园为“覆盖”和“对照”。采集的土壤样品根据测定项目进行必要的预处理，用于各类土壤性状的分析。

1.3分析方法

1.3.1土壤肥力指标的测定土壤肥力指标包括容重、pH、交换性酸、阳离子交换量（CEC）、全氮、全磷、有效磷、速效钾、NH4-N、NO3-N、有效钙、有效镁及有效铁、锰、铜、锌、钼、硅，采用常规方法测定[22]。其中，土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3提取；NH4-N、NO3-N采用2 mol/L KCl提取，用纳氏试剂比色法和紫外分光光度法测定；土壤有效硅采用乙酸缓冲液浸提，硅钼蓝比色法测定；有效钙和有效镁采用乙酸铵提取，原子吸收法测定；土壤有效铜、锌、铁、锰采用DTPA提取，原子吸收法测定；土壤有效钼用草酸-草酸铵提取，极谱法测定。土壤团聚体采用湿筛法分离测定。 1.3.2土壤有机质及其分布测定土壤有机质的分布采用湿筛法粒级分组与密度分离相结合的方法进行分析。湿筛法获得的不同粒径（>5 mm， 5～2 mm， 2～ 0.25 mm， 0.25～0.053 mm，<0.053 mm）水稳性团聚体烘干称重后，磨细过0.15 mm筛，采用重铬酸钾—浓硫酸外加热法测定其有机碳含量。另分别称取5.00g烘干后大团聚体（>0.25 mm）和微团聚体（0.25～0.053 mm）的样品进行密度分组[23]，用密度为1.85 g/cm3NaI溶液分离得到游离态轻组（fLF）和重组（HF）；向剩余重组中加入0.5%（w/v）六偏磷酸钠（HMP）溶液，振荡18h，依次通过0.25 mm和0.053 mm的筛子，分别得到粗颗粒有机碳（cPOC；>0.25mm）、细颗粒有机碳（fPOC；0.25～ 0.053 mm）和矿物结合态有机碳（mSOC；<0.053 mm），各组分在40℃下烘干、称重，测定有机碳含量，并计算各有机碳组分质量在土壤中的相对含量。土壤及其各组分有机碳含量采用元素分析仪测定。土壤水溶性有机碳用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提，用Shimadzu TOC自动分析仪测定。土壤中易氧化碳采用袁可能法测定[24]。提取液中可溶性总碳的含量用Shimadzu TOC自动分析仪测定。各粒级团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率采用式（1）计算。

1.3.3土壤微生物和酶活性土壤三大类微生物组成用培养法测定，分别用牛肉膏蛋白胨培养基、高氏1号合成培养基和察贝克培养基作为细菌、放线菌、真菌的培养基质[25]。土壤蔗糖转化酶、磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶及脱氢酶采用常规方法测定[25]，其中，蔗糖转化酶用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，磷酸酶用磷酸苯二钠比色法测定，脲酶用奈氏比色法测定，过氧化氢酶用滴定法测定，脱氢酶用氯化三苯基四氮唑（TTC）法测定。

2结果与分析

2.1土壤容重、水稳定性团聚体和含水率

表1结果表明，与对照比较，覆盖可明显降低0～ 10 cm和10～20 cm土层的容重，但对20～30 cm土层的容重影响不明显。长期秸秆覆盖后，0～10 cm和10～ 20 cm土层的容重分别比对照下降8.06%和5.88%。覆盖果园0～10 cm土层的粘粒含量明显高于对照，前者比后者高19.16%；但覆盖对10～20 cm和20～30 cm土层的粘粒含量影响不明显，表明覆盖可明显降低粘粒的流失。覆盖有利于土壤水分的保持，在采样时测定的土壤含水量结果表明，覆盖区0～10 cm和10～20 cm土层的含水量明显高于对照，前者分别比后者高22.67%和15.46%；但覆盖对20-30 cm土层的含水量影响较小，仅比对照高7.21%。

覆盖可促进土壤水稳定性团聚体的形成（见表2），增加了大粒径的水稳定性团聚体的比例，降低小粒径水稳定性团聚体的含量。覆盖区0～10 cm和10～ 20 cm土层的>0.25 mm水稳定性团聚体含量分别比对照增加了7.32%和6.49%，但覆盖对20～30 cm土层的水稳定性团聚体影响不明显。

2.2土壤酸度、CEC和土壤肥力状况

覆盖区0～10 cm和10～20 cm土层土壤pH值高于对照（表1），前者比后者分别提高0.19和0.08单位，但覆盖区20～30 cm土层土壤的pH值与对照无明显的差异。相对应的土壤交换性酸也是覆盖区低于对照，但3个土层中只有0～10 cm土层的交换性酸在覆盖区与对照区达到显著差异。长期秸秆覆盖后，0～10 cm和10～20 cm土层土壤CEC有一定的提高（表1），覆盖土壤比对照分别高出16.01%和9.41%。

由表3可知，覆盖对土壤全磷影响不明显，但明显提高了0～10 cm土层土壤全氮、有效磷、速效钾、NH4-N和NO3-N的含量，分别比对照增加14.45%、22.75%、32.48%、52.14%和66.57%；但覆盖对10～20 cm和20～ 30 cm土层全氮、有效磷、速效钾、NH4-N和NO3-N的含量均没有明显的影响。由表4可知，除有效锰外，覆盖可明显增加土壤中有效态中量和微量元素的含量，其中覆盖与对照之间0～10 cm土层土壤有效态中量和微量元素的含量差异达到了显著的水平，10～20 cm土层土壤有效钙、有效硅、有效锌和有效钼含量的差异也达到显著的水平。

2.3土壤酶活性

覆盖明显增加了土壤中可培养的3类微生物的数量（见表5），其中对0～10 cm土层土壤细菌、放线菌的影响达到显著的水平。表5结果还表明，覆盖提高了0～10 cm和10～20 cm土层土壤中脲酶、蔗糖转化酶、过氧化氢酶、磷酸酶和脱氢酶活性，在0～10 cm土层中的5类酶活性的提高量达到显著水平。

2.4土壤有機碳的积累及其在团聚体中的分配

由表6可知，秸秆覆盖可明显提高土壤有机碳总量、易氧化有机碳、微生物生物量碳和水溶性有机碳含量。覆盖区0～10 cm土层土壤有机碳含量明显高于对照，前者比后者有机碳含量提高23.04%。覆盖区10～ 20 cm和20～30 cm土层土壤有机碳含量分别比对照增加14.76%和1.93%，但两者的差异不明显。覆盖区0～ 10 cm和10～20 cm土层土壤易氧化有机碳、微生物生物量碳和水溶性有机碳含量明显高于对照，分别比对照高出29.40%、35.23%、66.67%和27.96%、64.41%、64.71%，对活性有机碳组分（易氧化碳、微生物生物量碳和水溶性碳）的影响大于对有机碳总量的影响，这显然与秸秆覆盖增加了进入土壤有机物质数量有关。

表7为根据团聚体组成与有机质含量计算的各团聚体有机碳积累对土壤有机质的贡献，不同粒径水稳定性团聚体对土壤有机碳贡献率有较大的差异，随粒径的下降而下降。但不同土壤团聚体中有机碳贡献率具有相似的规律，均表现为>5 mm最高，其次为5～ 2 mm和2～0.25 mm，0.25～0.053 mm和<0.053 mm的有机碳贡献率最低。秸秆覆盖明显增加了0～10 cm和10～20 cm土层土壤中>5 mm有机碳的贡献率，相应地2～0.25 mm、0.25～0.053 mm和<0.053 mm各粒径的团聚体对土壤有机碳的贡献率呈现下降的趋势。与对照比较，覆盖的0～10 cm和10～20 cm土层土壤的>5 mm水稳定性团聚体对土壤有机碳的贡献率分别增加了28.25%和15.82%，而0～10 cm土层土壤的5～ 2 mm、2～0.25 mm、0.25～0.053 mm和<0.053 mm的有机碳贡献率分别比对照下降30.63%、27.34%、17.79%和30.04%。

表8可知，在大团聚体（>0.25 mm）内，各有机碳组分的相对含量以矿物结合态有机碳（mSOC）为主，细颗粒有机碳（fPOC）次之，粗颗粒有机碳（cPOC）和轻组（fLF）的含量最低。与对照相比，覆盖的0～10 cm和10～20 cm土层土壤的轻组、粗颗粒、细颗粒有机碳对土壤总有机碳均有明显的增加，分别增加142.72%、57.26%、47.29%和84.49%、148.31%、31.70%，相应地秸秆覆盖的土壤中矿物结合态有机碳的贡献率有所下降。在小团聚体（0.25～0.053 mm）内，各有机碳组分的相对含量也以矿物结合态有机碳（mSOC）为主，细颗粒有机碳（fPOC）次之，轻组（fLF）的含量很低。与对照相比，覆盖的0～10 cm和10～20 cm土层土壤的轻组、细颗粒有机碳对土壤总有机碳的贡献也略有增加，分别增加150.00%、12.28%和50.00%、17.57%，但从绝对量来看，增加较小。同样，覆盖的0～10 cm和10～20 cm土层的土壤中矿物结合态有机碳的贡献率有所下降。这表明秸秆覆盖增加的土壤有机碳主要以活性较高的组分中存在，稳定性较低。

3讨论

果园秸秆覆盖是近年来推行的一种生态高效栽培模式[26-28]。由于在地表覆盖了秸秆，改变了土壤与周围环境之间的能量和物质交换方式。以上分析结果表明，果园秸秆覆盖可以显著提高土壤有机碳的积累，增加土壤活性有机质含量，提高土壤微生物和酶活性，并明显增加土壤全氮积累及速效磷、速效钾水平，增加程度随深度而下降。土壤有机碳与酶活性的增加显然与秸秆覆盖引入的有机物质有关，覆盖于地表的秸秆随着时间的增加可逐渐分解，部分转变为腐殖质从而增加了土壤有机碳；同时，有机物质的分解也促进了微生物的繁殖，从而提高了土壤微生物生物量和各类微生物的数量。朱庆松等[29]的研究表明，覆盖秸秆可使病虫害大发生几率变小。而土壤有机碳的增加在一定程度上促进了土壤团粒结构的形成，降低了土壤容重，有利于土壤水分的渗透，增强了土壤的保水性能；同时，秸秆覆盖避免了土壤与大气直接接触，减弱了太阳光对土壤的直接辐射，显著降低土壤水分的蒸发速度，因此提高了土壤水分的积累。有研究表明[30]，由于地表覆盖物具有保水、蓄水作用，其可保持土壤长期含水量较高，空气湿度也会比裸露地高。有关地表覆盖增加腐殖质积累，改善土壤结构、提高水肥条件、增加抗旱保墒能力也被其他的研究所证实[31-34]。因水稻秸秆含有多种微量元素，因此，随着秸秆的分解，其中的各类中微量元素也逐渐释放，这是长期秸秆覆盖能明显增加表土有效态中微量元素水平的重要原因。吴玉琼的研究也认为[31]，覆盖秸秆有助于多种元素有效性的提高。另外，本研究的结果也表明，秸秆覆盖还可减缓土壤酸化，其原因可能有二个方面：一是秸秆中含有盐基物质，分解产生的盐基可中和土壤酸度；另一方面，秸秆分解产生的腐殖质对土壤酸化有一定的缓冲作用，可减弱土壤的进一步酸化。

采用湿筛法粒级分组与密度分离相结合的方法对各团聚体中有机碳分析表明，秸秆覆盖改善了大团聚体的质量比例，增加的土壤有机质主要集中分布在大粒径的团聚体中，明显提高轻组（fLF）、粗颗粒有机碳（cPOC）和细颗粒有机碳（fPOC）含量，这一结果也被秸秆覆盖增加可氧化的有机碳水平所证实。大团聚体的增加与覆盖秸秆分解产生的大量的多糖代谢物及腐殖物质[35]，后者可加速大团聚体的形成，最终导致大团聚体含量的增加，提高团聚体的稳定性[36]。随着秸秆分解残体进入土壤，土壤中的真菌和其他微生物首先利用易降解的有机碳，粗颗粒有机质（>0.25 mm）与微生物代谢产生的粘液等物质及黏土颗粒包裹在一起形成大团聚体；粗颗粒有机质进一步分解成细颗粒有机质（0.25～0.053 mm），细颗粒有机质与矿质颗粒紧密结合在大团聚体内部形成微团聚体[23]。因此，长期秸秆覆盖首先促进了土壤大团聚体的形成，而大团聚体中有机碳主要来源于新鲜的植物残体，所以本研究中大团聚体具有较高的有机碳含量。Li等[37]的研究也表明，秸秆开始分解过程中有机碳主要积累在大团聚体中，随着时间的推移，大团聚体中的碳不断减少，微团聚体中的碳不断增加。有研究显示，秸秆还田后团聚体内超过50%的细颗粒有机碳来自秸秆残留物，粗颗粒有机碳则随着还田时间的增加而减少[37]。因此可知，柑橘园秸秆覆盖可加速土壤有机碳的周转速率，随着时间的增加，有机碳逐渐由轻组、粗颗粒有机碳和细颗粒有机碳向矿物结合态有机碳转变，最终成为较为稳定的组分，使土壤有机碳的不断积累。

4结论

结果表明，低丘柑橘园覆盖农作物秸秆可以显著改善土壤质量，明显增加0～20 cm土壤有机质的积累，提高活性有机质含量、土壤微生物和酶活性，增加土壤有效态大量、中量和微量元素状况，增加土壤中水稳定性团聚体的含量，降低土壤容重，增加土壤含水量，避免因水土流失引起的土壤砂化。研究认为，柑橘园地表进行覆盖秸秆具良好的综合效应，可以作为低丘柑橘园的水保措施，改善园地土壤理化性质，增强园地土壤养分供应能力。

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