桓臺縣冬小麥和夏玉米秸稈長期還田的生態效益分析

張 鑫,李菁園,孟凡喬,*,吳文良,李洪波,胡正江

1 河北農業大學資源與環境科學學院,保定 071000 2 中國農業大學資源與環境學院農田土壤污染防控與修復北京市重點實驗室,北京 100193 3 山東省桓臺縣農業局,淄博 256400

中國作為世界農業大國,自20世紀80年代以來,隨著農業集約化生產的逐步推廣,每年產生大量的作物秸稈[1],研究表明我國2015年農作物秸稈產量達到了約9.3億t[2]。秸稈處理已經成為諸多國家(如英國、墨西哥)所面臨的巨大挑戰[3]。在中國,20世紀90年代以來秸稈處理的主要方式是就地焚燒,而隨著秸稈禁燒政策的實施,秸稈還田逐漸成為中國乃至其他國家最簡單和直接的處理和利用方式[4- 5]。

國內外大量研究發現,在各種農田管理措施中,作物秸稈作為外源有機碳,還田后能增加土壤有機碳(soil organic carbon,SOC)含量[4],促進土壤微生物對有機質的分解和腐殖化,補給土壤養分[6],改善和維持土壤結構穩定[7],增加土壤持水量[8],降低農田養分淋失[9- 10]。長期秸稈還田不僅能提高作物產量,還能維持土壤養分含量的穩定[11]。也有學者認為,秸稈還田會增加雜草和蟲害發生率及播種難度[12],增加土壤微生物對土壤O2和養分的消耗,可能增加反硝化細菌活性而增加N2O排放,還能降低作物根系對土壤養分的吸收和利用,降低氮素利用效率[13]。因此,對區域長期秸稈還田的農學和生態環境效應研究,可以為農業生產措施的制定提供科學依據。

華北平原是我國冬小麥和夏玉米的主要種植區域,也是作物秸稈的主要來源。80年代以來,高產品種的引入、化肥和灌溉水的過量投入以及頻繁耕作等措施推進了該地區的農業集約化過程[14],提高了糧食產量,使得桓臺縣成為了江北地區第一個噸糧縣[15],全縣冬小麥和夏玉米秸稈年產量達到了16 Mg/hm2。雖然Liao, 等[15]的研究表明該地區長期秸稈還田會增加土壤SOC含量,但目前為止并沒有對該地區秸稈還田的生態效應進行系統全面的評價。我們對桓臺縣30多年以來,作物秸稈還田的演變及其對作物生產和土壤性狀的影響進行系統分析,旨在為我國諸多集約化農業地區乃至其他國家秸稈資源進行合理利用和決策提供技術和管理支持。

1 研究區概況

本研究對象為山東省桓臺縣(東經117°50′—118°10′,北緯36°54′—37°04′)(圖1)。該地區地形屬山前洪積平原和黃淮海平原的疊錯地帶,屬典型的平原地區。桓臺縣地屬暖溫帶大陸季風氣候區,四季分明、氣候溫和、陽光資源豐富、降水不均、冬春干旱、夏季多雨。年平均氣溫12.5℃,年平均降水量540.7 mm,年日照時數2833 h,年無霜期平均為198d[15- 16]。自20世紀80年代以來,桓臺縣主要的作物種植制度為冬小麥(TriticumaestivumL.)-夏玉米(ZeamaysL.)輪作,一年兩熟,冬小麥與每年10月中旬播種并于次年6月上旬收獲,夏玉米于每年6月中下旬播種并同年10月上旬收獲。隨著化肥、農藥和灌溉水量的持續增加以作物品種和種植方式的不斷優化,該地區糧食產量快速提升,1990年成為長江以北全國第一個噸糧縣,其糧食生產在山東省乃至全國占有重要的地位。2016年全縣冬小麥和夏玉米總產分別為19.2萬噸(8.2 Mg/hm2)和18.4萬噸(7.98.2 Mg/hm2)(2017年淄博市統計年鑒)[17]。全縣土壤類型包括潮土和褐土,土壤質地以壤土為主。

圖1 研究區圖Fig.1 Map of study area

2 研究方法

2.1 第二次全國土壤普查

第二次土壤普查(the Second National Soil Survey)是在全國范圍內于1981—1983年開展的土壤普查工作,桓臺縣在1982年8月—1983年8月進行,歷時一年完成[18]。該次土壤有機質測試采用重鉻酸鉀容量法,主要普查結果匯編于《桓臺縣土壤志》中。本研究采用其中258個樣點的表層土壤,其有機質數據作為桓臺縣1982年土壤碳庫的基線數據。

2.2 歷年土壤肥力監測數據

歷年桓臺縣土壤肥力監測數據由桓臺縣農業局提供。自1987年開展至今,當地農業局開展配方施肥和土壤肥力監測,即在每年9月夏玉米收獲后對農田耕層土壤(0—20 cm)采樣測試,每6.67—33.33 hm2采集一個混合樣。本研究獲得了其2011年以前的各年pH、有機質和養分監測數據,其中1983—1986年、2000—2001年、2004—2005年因土壤肥力調查工作中斷因而無詳細的數據,另外2010年也無詳細監測數據,這些年份數據按照內插法計算得出。2011年9月在全縣范圍內對農田土壤采樣調查,采用2 km×2 km的尺度均勻布點,每個樣點的土壤由3個采集點的土壤混合而成,采樣層次為0—20 cm土層,本研究采用其中123個樣點作為2011年的土壤數據,各樣點以GPS精確定位并逐年采樣測定,2012—2014年土壤樣品取自于桓臺長期定位實驗區。所采集土壤樣品風干,磨土過0.25 mm篩,封于自封袋中于溫室保存以備測定。土壤樣品中的速效養分均采用常規方法進行測定：堿解氮、速效磷和速效鉀分別采用堿解擴散法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法和乙酸銨浸提-火焰光度法,土壤有機碳和全氮含量用碳氮元素分析儀進行測定(Thermo Flash EA 1112)。

2.3 氣候、化肥與產量數據

1980—2014年的氣象數據(年均氣溫和年均降水量)由桓臺縣氣象局提供；1980—2014年的耕地面積、小麥和玉米籽粒和秸稈產量、化肥投入情況以及秸稈還田比例等數據來自桓臺縣統計年鑒。

2.4 土壤有機碳儲量

1980—2010年的土壤有機質數據按照轉化系數可以直接獲得土壤有機碳含量,即,

QSOC=QSOM/1.724

土壤有機碳儲量按照以下公式計算：

ΔSOC=QSOC×ρ×0.2×104

其中,ΔSOC為0—20 cm土壤有機碳儲量(kg C hm-2),QSOC為0—20 cm土壤有機碳含量(g/kg),ρ為0—20 cm土壤密度(g/cm3),0.2為土壤深度(m),104為轉化系數。

2.5 秸稈養分含量

不同施肥量條件下冬小麥和夏玉米秸稈氮含量通過以下公式計算[19]：

冬小麥秸稈氮與施肥量：

y=-0.48x2+1.91x+4.54

夏玉米秸稈氮與施肥量：

y=-0.22x2+1.21x+5.31

其中,y為氮含量,單位為g/kg；x氮肥施用量,單位為×100 kg N hm-2。小麥和玉米秸稈中的磷含量和鉀含量分別參考《中國農作物主要施肥指南》。

秸稈對養分貢獻率定義為為還田秸稈養分量與還田秸稈和肥料養分總量的比值(秸稈還田養分量/(秸稈還田養分量+施肥養分量))。

2.6 CO2當量的計算

作物施肥后的活性氮損失包括N2O、NH3和氮淋溶三種主要途徑,通過Yan等[20]的研究表明,N2O的直接排放系數為0.5%,而通過對NH3與施氮量之間的擬合關系研究可知[19],NH3與施氮量的關系在冬小麥季和夏玉米季分別為：y=0.11x-2.63(冬小麥)和y=0.16x-8.10(夏玉米),由Cui等[21]的研究發現,氮淋溶與施氮量的關系分別為y=2.7e0.0088x(冬小麥季),y=4.46e0.0094x(夏玉米季),基于以上研究結果和每年施氮量分別計算每年N2O、NH3和氮淋溶損失量。

在100年的尺度下,N2O的增溫效應是CO2的298倍[22],計算公式為：

其中,GWP(Global Warming Potential)(kg CO2-eq hm-2a-1)為N2O的凈溫室效應,28和44分別是N2O中N和N2O的摩爾質量。

間接溫室氣體排放系數：根據Smith等[16]的研究可知,氮、磷、鉀肥的間接溫室氣體排放系數分別為8.3 kg CO2-eq kg-1N, 0.59 kg CO2-eq kg-1P2O5和0.47 kg CO2-eq kg-1K2O。

2.7 數據處理與分析

所有數據的前期處理和作圖均使用Microsoft Excel (2016)進行,所有數據通過SPSS Statics 22.0軟件(SPSS linc.,Chicago,USA)進行相關性分析和多元回歸分析,多重比較采用最小顯著差異法(LSD)檢驗(5%水平)。

3 結果與分析

3.1 1980—2014年桓臺縣冬小麥-夏玉米秸稈還田情況

從1980年至2014年,桓臺縣農業逐步向可持續集約化農業方向發展。到1995年,小麥秸稈已全量還田；到2008年,玉米秸稈全量還田(表1、表2)。

表1 1980—2014年間桓臺縣冬小麥季生產通過夏玉米秸稈還田帶入的養分數量和養分貢獻率

表2 1980—2014年間桓臺縣夏玉米季生產通過冬小麥秸稈還田帶入農田養分數量和養分貢獻率

秸稈還田能顯著增加N、P、K養分輸入。在冬小麥季,夏玉米秸稈還田所貢獻的N、P、K量先呈緩慢增加趨勢,自2005年后分別迅速增加并穩定到54.3 kg N hm-2、10.3 kg P hm-2、85.6 kg K hm-2(2014年),且秸稈還田對N、P、K養分的貢獻率分別達到18.5%, 20.1%和62.4%(表1)；在夏玉米季,到2014年,冬小麥秸稈還田所貢獻的N、P、K分別為48.7 kg N hm-2、5.2 kg P hm-2和70.8 kg K hm-2,分別占全部養分來源的20%、11%和57%(表2)。在縣域尺度上,2010—2014年期間小麥和玉米秸稈還田對養分的貢獻量達到了2604 Mg N a-1、417 Mg P a-1(955 Mg P2O5a-1)和4166 Mg K (5020 Mg K2O a-1)。

3.2 秸稈還田對土壤速效養分的影響

從1982年到2014年,桓臺縣土壤養分含量呈增加趨勢(圖2)：其中土壤堿解氮由54.7 mg/kg增至128 mg/kg(增加134.0%),速效磷由10.9 mg/kg增至26 mg/kg(增加138.5%),速效鉀由141.8 mg/kg增至230 mg/kg(增加62.2%)(圖2)。通過多元回歸分析可知,秸稈還田是影響土壤養分含量的主要因素(圖3),尤其是速效氮和速效鉀的含量與秸稈還田呈極顯著相關性。

圖2 1982到2014年桓臺縣土壤速效養分含量變化Fig.2 Soil Available Nutrients in Huantai from 1982 to 2014AvN：堿解氮 Available nitrogen；AvK：速效鉀 Available potassium；AvP：速效磷 Available phosphorus；SOC：有機碳 Soil organic carbon

對土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和秸稈貢獻的氮、磷、鉀進行擬合分析(圖3),線性回歸方程分別為y=0.5214x+41.227 (N；R2=0.66,P<0.01),y=0.9661x+15.236 (P；R2=0.51,P<0.01),y=0.893x+32.336 (K；R2=0.62,P<0.01)。秸稈還田貢獻的養分與土壤養分成顯著正相關。由土壤速效養分和肥料帶入養分之間的擬合分析可知(圖3d—f),氮肥和鉀肥施用量對土壤速效養分影響不相關(P=0.308,P=0.317),磷肥施用量對土壤速效磷達到了極顯著性水平(y=-0.0128x2+2.4414x-88.898,R2=0.50,P<0.01),按照擬合結果可知當磷肥使用量超過95 kg P hm-2時,土壤速效磷含量并不會持續增加。

圖3 秸稈還田以及施肥輸入養分量和土壤速效養分含量的相關關系Fig.3 Influence of straw incorporation and fertilization on soil available nutrients contents

3.3 秸稈還田對糧食產量的貢獻

1980—2014年期間,由于高肥高水投入、頻繁耕作以及高產品種的引入,作物產量迅速增加。通過對糧食產量的影響因子(包括年均溫度、年均降雨量,以及秸稈還田量和氮肥施用量)與作物產量的單因素線性回歸分析見圖4。其中,年均氣溫在這30年間有所增加,它和產量的關系用線性方程表示為y=2.2873x-16.002 (R2=0.35,P<0.01),而降雨量和產量無顯著相關(P=0.117)。20世紀80—90年代氮肥施用量快速增加,90年代末逐漸減少,至2011年其用量約500 kg N hm-2,其與糧食產量呈顯著相關(P<0.01)。此外,秸稈還田在30年集約化農業進程中的影響大大提高,它和產量用方程表示為y=3.8255ln(x)+9.4722 (R2=0.932)。

圖4 糧食產量與自然因素、氮肥使用量及秸稈還田量的相關關系Fig.4 Influence of environmental parameters, N rate and straw incorporation on crop yields

冬小麥和夏玉米產量與影響因素的偏相關分析(表3)則表明,秸稈還田、化肥氮和鉀與作物產量均呈顯著相關,而產量與年均氣溫、降雨和化肥磷并沒有體現出顯著相關關系。

表3 桓臺縣糧食產量與影響因子的偏相關分析

3.4 秸稈還田對土壤有機碳含量的影響

從1982年到2011年,表層土壤(0—20 cm)有機碳含量從7.8 g/kg增至11.3 g/kg,增加了45%(圖2),土壤碳儲量從21.3 Mg C hm-2增加到34.1 Mg C hm-2,增加速率達到了399 kg C hm-2a-1。縣域尺度,SOC儲量(0—20 cm)從534127增加到了853150 Mg(相當于35446 Mg CO2-eq a-1)。從秸稈還田量和土壤有機碳含量的相關分析(圖5)可以看出,秸稈還田量和土壤中有機碳含量呈極顯著相關關系,而從氮肥施用量和土壤有機碳含量的相關分析中(圖5),氮肥施用量對土壤有機碳含量影響較弱(R2=0.18,P<0.05),秸稈還田為主的外源有機碳輸入比施用氮肥更能顯著提高土壤有機碳含量。

圖5 桓臺縣秸稈還田以及施肥與土壤有機碳含量的相關關系Fig.5 Influence of straw incorporation and fertilization on SOC content

3.5 秸稈還田對N2O、NH3和氮淋溶的影響

在2010—2014年期間,年均施肥量所造成的N2O累積排放量在縣域尺度(25000 ha)為28448 Mg CO2-eq a-1,相應的,土壤SOC固碳數量為35446 Mg CO2-eq a-1,可以補償由于化肥氮所造成的N2O排放。在化肥的生產、運輸和使用過程中所造成的溫室氣體排放被稱為間接溫室氣體排放,在2010—2014年期間,由于秸稈還田會向土壤輸入養分,折合后年均能分別減少化肥量為2617 Mg N a-1、909 Mg P2O5a-1和4830 Mg K2O a-1,因此,折合為間接溫室氣體排放量后可知,秸稈還田在縣域尺度能減少24528 Mg CO2-eq a-1的溫室氣體排放量。

2010—2014年期間,全縣范圍內,作物秸稈還田能分別減少小麥季和玉米季的氨揮發量為85.6 Mg N hm-2a-1和70.8 Mg N hm-2a-1,并減少小麥季和玉米季的氮淋溶量分別為109.6 Mg N hm-2a-1和177.8 Mg N hm-2a-1。秸稈還田為主的外源有機質的輸入對直接溫室氣體排放、氮素損失方面均能有重要意義。

4 討論

4.1 秸稈還田對土壤養分和產量的影響

秸稈還田是農業生產中改善土壤肥力、提高土壤質量、保護生態環境的一種有效措施。作物秸稈還田能夠為土壤返還作物生長所必需的氮、磷、鉀和其他營養元素[10],顯著提高土壤肥力,改善作物生長所處的土壤環境[4, 6, 23]。研究表明,秸稈還田能顯著提高小麥的產量,且隨秸稈還田量增加而增加[24]。在桓臺縣,在當地政府技術和經濟政策的多重鼓勵支持下,冬小麥和夏玉米秸稈還田比例分別在1998年和2008年后達到了>90%(表1—2)。有研究表明秸稈短期還田對土壤養分含量并無顯著影響[25],但在長期時間尺度水平上,土壤養分(尤其是N、P、K、Ca、Mg及其他微量元素)卻能維持較高含量[26],本研究中,長期秸稈還田會增加土壤有機碳及速效養分的含量,能產生巨大的經濟效益和環境效益。

化肥磷的過量投入并沒有增加土壤速效磷含量,但長期秸稈還田配施氮肥為土壤補充氮素,增加土壤堿解氮含量[6],因此土壤速效氮、磷、鉀的增加,主要是來自長期秸稈還田的貢獻而不是化肥投入。秸稈粉碎還田后有利于有機質的礦化和分解并補償作物對土壤養分的消耗量[6, 27],同時高C/N或C/P比有利于微生物的生長并促進養分的固定[28]。秸稈等作物殘體分解產生的有機質對磷素的吸收位具有掩蔽作用,能提高磷的有效性,長期秸稈還田會降低秸稈對磷素的吸附,提高作物供給的有效磷[28]。而從長遠角度分析,氮或磷的礦化是一個緩慢過程,因此秸稈還田后在長期過程中并不會降低作物產量,卻能有效的補償土壤養分庫,對農業生產中減氮和節約投入具有一定的貢獻[28]。勞秀榮等[29]研究結果表明,在相同施肥水平下,土壤中速效鉀含量與秸稈還田量呈正相關關系,即使在不施鉀肥的條件下,秸稈還田也能補償鉀肥提供的速效鉀,并在一定程度上維持土壤鉀素的平衡,本研究獲得了類似結果。此外,長期秸稈還田能增加土壤持水量和通透性,并改善土壤結構和質地,這些方面也普遍認為是維持桓臺地區作物高產的主要原因[7- 8]。趙紅香等[30]的結果進一步說明,秸稈還田能提高玉米的千粒重和穗粒數,并顯著影響小麥的千粒重和有效穗數。

4.2 秸稈還田的土壤固碳效應

農田SOC水平受氣候(主要是溫度和降水)和農田管理措施,包括作物秸稈還田、氮肥的使用、灌溉等的影響[31]。中國作為糧食生產大國,秸稈碳輸入量大,大約為8 Mg C hm-2a-1[15],約為美國的兩倍(4.2 Mg C hm-2a-1)[32],而外源碳輸入是增加SOC最有效的因素之一,Freibauer等[33]的研究結果表明秸稈碳輸入能顯著增加土壤有機碳含量,同時,秸稈還田配施化肥更有助于土壤有機質的增加[5],因此,秸稈還田不僅有利于降低環境污染風險,還有利于農業廢棄物資源的循環利用。桓臺地區,在1982—2014年期間,0—20 cm土層SOC儲量增加速率達399 kg C hm-2a-1,主要是由于小麥和秸稈還田后帶入了高量的有機碳,該結果已經顯著高于諸多其他學者的研究結果[32],而Smith等[34]稱秸稈還田條件下可達到最高的固碳率(0.7 Mg C hm-2a-1),而只施氮肥的處理固碳率僅0.2 Mg C hm-2a-1。需要指出的是,桓臺縣當前有機碳含量水平仍然遠低于發達國家水平(美國、歐盟等為25 g/kg)[35],因此,桓臺地區農田土壤還具有較大的固碳潛力。

4.3 秸稈還田的生態效應

大量作物秸稈直接進行焚燒處理,不僅會造成秸稈中N、P、K等養分的損失[10]和氮素淋溶[9],還能嚴重影響空氣質量[9]。由于秸稈量大以及科學技術條件的限制,華北地區在80年代每到10月或者6月都會出現嚴重的空氣污染等質量問題,最根本的原因就是冬小麥和夏玉米收獲后所產生的大量秸稈被直接焚燒導致[14]。秸稈還田措施也存在諸多負面影響,有研究發現,秸稈大量還田短期內會降低土壤氧氣濃度,促進土壤反硝化過程的發生,增加N2O排放量[13],同時還能增加土壤微生物在秸稈降解過程中對土壤養分的消耗,增加了作物與微生物的養分利用競爭,不利于作物的生長[36],同時還能增加雜草生長,降低出苗率[12],以及氮素淋溶風險[13]。

除了直接還田,作物秸稈還可以用來生產生物炭、發展生物質能、生產食用菌、堆肥以及替代動物飼料。我們利用DNDC模型驗證表明,與秸稈直接還田相比,轉化成有機肥后進行還田,對于農田土壤有機質的提升效果更好(增加量可達2.1%—6.0%)[42],因此,堆肥以及有機肥可以在今后當地作物秸稈管理中進行嘗試和推廣。

5 結論

在過去三十多年間的集約化農業進程中,桓臺縣秸稈還田顯著提高了土壤速效養分含量和土壤有機碳含量,增加土壤固碳水平,緩解和補償土壤中N、P、K等養分的消耗,穩步提高作物產量,其中土壤堿解氮、速效磷和速效鉀在1982年至2014年間分別增加了134%、139%和62%,表層土壤有機碳含量增加了45%。長期秸稈還田能完全補償由施用化肥所造成的直接溫室氣體排放量,同時秸稈還田帶入的N、P、K還可以減少20%—24%的間接溫室氣體排放、NH3揮發和氮素淋溶。因此,在桓臺集約化農業生產區,秸稈還田已經作為農業生產中固碳減排、提高土壤養分的重要農田措施之一,對實現未來農業可持續發展起著重要作用,建議未來對秸稈進行堆肥或作為畜牧飼料替代等措施進行進一步研究,從而更好實現經濟和環境效應。