沟埋秸秆还田改善两种稻麦轮作稻田土壤的土壤物理质量和作物生物量

《Land Degradation & Development》：Ditch-Buried Straw Return Improves Soil Physical Quality and Crop Biomass in Two Rice–Wheat Paddy Soil Systems

　　

沟埋秸秆还田（DB）是一种结合深耕与秸秆还田的创新实践。本研究旨在评估与旋耕（rotary tillage, RT）相比，DB对土壤物理质量的影响，并确定稻麦轮作系统中砂壤土和粘壤土稻田中作物生长的关键限制因素。研究人员在两个稻田土壤中进行了田间试验。采用土壤物理性质和一个综合指标——最小限制水分范围（least limiting water range, LLWR）来评估土壤物理质量。与RT相比，DB降低了土壤容重（ρ_b）和土壤穿透阻力（penetration resistance, PR），提高了土壤有机碳含量（SOC）、土壤入渗速率（K_v）和有效含水量（available water content, AWC）。结合土壤持水、土壤通气性和机械阻抗的耦合变化，DB在两种稻田土壤中均具有比RT更大的LLWR。砂壤土表现出较好的物理质量，其大孔隙度（macroporosity, P_MAC）>5%、空气容量（air capacity, AC）>10%和AWC>15%，而粘壤土则表现出更高的ρ_b和更差的AWC。粘壤土中小麦的生长受益于改善的土壤通气性和透水性。而在砂壤土中，小麦和水稻受益于表层土壤中ρ_b的轻微增加和SOC的降低，这可能归因于将多余秸秆从表层土壤埋入底层土壤。这些发现表明，DB是一种促进稻麦轮作系统中作物生长的有效实践。缓解土壤紧实度和减少土壤表面秸秆残留物积累可能分别是促进粘壤土和砂壤土中作物生长的潜在策略。

**论文解读：沟埋秸秆还田对稻麦轮作系统土壤物理质量与作物生物量的影响**

**研究背景与问题**

长江中下游平原是中国重要的粮食产区，广泛采用稻麦轮作系统。然而，长期旋耕（rotary tillage, RT）导致耕层变浅、犁底层增厚，土壤结构退化。水旱轮作中频繁的干湿交替加剧了土壤紧实和收缩，限制了根系生长。砂壤土和粘壤土是区域内两种主要土壤类型，分别面临养分淋溶和通气透水性差的问题。因此，亟需探索合理的土壤管理措施，以改善土壤物理质量并促进作物高产。为此，研究人员提出了一种结合深耕与秸秆集中深埋的创新实践——沟埋秸秆还田（ditch-buried straw return, DB），旨在通过空间轮换深翻，打破犁底层并提升深层土壤碳固存。

**研究内容与结论**

研究人员在江苏南通（砂壤土，2008年始）和南京白马（粘壤土，2021年始）两个长期定位试验点，设置了水稻-小麦轮作下的DB与旋耕（RT）对比试验。通过测定土壤容重（ρ_b）、穿透阻力（penetration resistance, PR）、饱和导水率（K_s）、原位入渗速率（K_v）、土壤水分特征曲线（SWRC）、土壤收缩曲线（SSC）及最小限制水分范围（least limiting water range, LLWR）等指标，全面评估了DB对土壤物理质量的影响。结果表明，DB显著降低了0–30 cm土层的ρ_b和PR，提高了土壤有机碳含量（SOC）、K_v和有效含水量（AWC），并扩大了LLWR。砂壤土表现出更优的物理质量（大孔隙度>5%、空气容量>10%、AWC>15%），而粘壤土则因ρ_b过高、AWC不足而限制作物生长。粘壤土中小麦生物量的提升主要得益于土壤通气性和透水性的改善；砂壤土中，水稻和小麦生物量的增加则与表层土壤ρ_b的轻微升高和SOC的降低相关，这源于DB将表层多余秸秆埋入深层，改善了种子-土壤接触和养分利用效率。该研究发表于《Land Degradation》，表明DB是稻麦轮作系统中提升土壤物理质量和作物生产力的有效策略，针对不同质地土壤，缓解紧实（粘壤土）和减少表面秸秆积累（砂壤土）是关键管理方向。

**关键技术方法**

主要关键技术方法包括：在两个长期定位试验点（南通砂壤土，2008年始；白马粘壤土，2021年始）设置随机区组田间试验，比较DB与RT处理。采用环刀采集0–10、10–20、20–30 cm原状土样，测定土壤容重（ρ_b）、穿透阻力（PR；SC-900锥形贯入仪，澳大利亚）、饱和导水率（K_s；定水头法）和原位入渗速率（K_v；双环入渗法）。通过沙箱和陶瓷板脱水法获取土壤水分特征曲线（SWRC），并采用van Genuchten方程拟合；利用微贯入仪测定不同基质势下的PR，建立传递函数以计算最小限制水分范围（LLWR）。同时，测定土壤收缩曲线（SSC）和线性膨胀系数（COLE）。土壤有机碳（SOC）采用重铬酸钾氧化法测定。

**研究结果**

**3.1 PR与土壤容重在不同耕作措施下的变化**
通过测定0–30 cm土层的ρ_b和PR发现，DB较RT显著降低了粘壤土0–30 cm和砂壤土10–30 cm的ρ_b，并降低了粘壤土10–20 cm和砂壤土15–45 cm的PR。DB将耕层厚度从RT的10–15 cm扩展至20–30 cm，有效打破了犁底层。

**3.2 饱和导水率与原位入渗速率在不同耕作措施下的变化**
通过测定K_s和K_v发现，DB提高了各土层的K_s（除砂壤土0–10 cm外），并显著提升了两种土壤的K_v（粘壤土：RT 0.2 mm min^?1 vs DB 12 mm min^?1；砂壤土：RT 5 mm min^?1 vs DB 8 mm min^?1），表明DB显著改善了土壤透水性。

**3.3 SWRC与土壤孔隙分布在不同耕作措施下的变化**
基于SWRC的VG方程拟合（R²>0.99），DB显著增加了饱和含水量（θ_s）和田间持水量（θ_FC），而对萎蔫点（θ_WP）影响不显著，从而提高了空气容量（AC）和有效含水量（AWC）。在0–10 cm层，砂壤土RT处理因表层秸秆积累导致孔隙度更高，但DB在10–20 cm层显著增加了所有孔径的孔隙度。

**3.4 SSC在不同耕作措施下的变化**
通过SSC拟合发现，DB提高了两种土壤的饱和孔隙比（e_s）和残余孔隙比（e_r），但未改变收缩阶段的相对比例和曲线斜率，表明DB改变了孔隙体积但保持了收缩行为。粘壤土COLE为0.039–0.044（中等收缩），砂壤土COLE为0.014–0.025（弱收缩）。

**3.5 LLWR在不同耕作措施下的变化**
通过建立土壤水分与PR的传递函数，DB通过降低ρ_b扩大了LLWR。在砂壤土中，LLWR上限由θ_FC转为θ_AFP=10%；在粘壤土中，当ρ_b超过1.35 g cm^?3时，LLWR上限由θ_FC转为θ_AFP=10%，下限由θ_WP转为θ_PR=3MPa。DB处理下LLWR更宽，作物生长受水分、通气与机械阻抗的限制更小。

**3.6 SOC在不同耕作措施下的变化**
通过测定SOC发现，DB显著提高了10–20 cm和20–30 cm土层的SOC，而RT处理下SOC随深度递减。DB使深层土壤碳固存增加，表面秸秆减少。

**3.7 地上部生物量与土壤物理性质的关系**
通过Pearson相关性分析，DB较RT提高了水稻生物量（粘壤土+1.9%，砂壤土+21.3%）和小麦生物量（粘壤土+19.8%，砂壤土+36.8%）。粘壤土中小麦生物量与0–30 cm平均K_s和AC正相关，水稻生物量与物理指标无显著相关。砂壤土中水稻和小麦生物量与0–10 cm ρ_b正相关，与0–20 cm SOC和COLE负相关，表明表层秸秆过多抑制了作物生长。

**讨论总结**

研究人员指出，DB通过空间轮换深翻有效打破了犁底层，提高了深层土壤孔隙度和入渗能力，改善了土壤结构。粘壤土因高ρ_b和强收缩性，作物生长更易受机械阻抗限制，而砂壤土因长期RT导致表层秸秆积累过多，抑制了种子萌发和养分利用。DB通过将秸秆埋入深层，减少了表面残留，提升了种子-土壤接触面积和氮素利用效率。此外，LLWR综合评估了水分、通气和强度限制，适用于旱地但需谨慎用于水田。研究强调，DB虽在试验周期和空间异质性上存在局限，但经济可行，具有推广前景。

**研究结论**

本研究对旋耕（RT）和沟埋秸秆还田（DB）管理下两种典型稻田土壤的物理质量进行了综合评价。与RT相比，DB显著降低了土壤容重（ρ_b）和穿透阻力（PR），提高了土壤有机碳含量（SOC）、入渗速率（K_v）和有效含水量（AWC），从而在0–20 cm土层产生了更大的最小限制水分范围（LLWR）。砂壤土表现出良好的土壤物理质量，具有最优的大孔隙度（P_MAC）、空气容量（AC）和AWC，而粘壤土在底层土壤中具有较高的ρ_b和较低的AWC，限制了作物生长。粘壤土中小麦的地上部生物量受良好的土壤通气性（AC）和透水性（K_s）促进，而在砂壤土中，表层土壤的ρ_b和SOC被确定为影响小麦和水稻生长的关键因素。结果表明，DB能有效增强稻麦轮作系统的土壤物理质量并促进作物生长。具体而言，减少粘壤土中的土壤紧实度和降低砂壤土中土壤表面积累的秸秆残留物，可能是提高稻麦轮作系统作物生产力的有效管理策略。