華北平原潮質土壤協同實現有機碳提升，糧食增產穩產的途徑
——以曲周縣為例

任其然，鄧麗娟，焦小強

（中國農業大學資源與環境學院/國家農業綠色發展研究院/植物-土壤相互作用教育部重點實驗室，北京 100193）

當前農業生產面臨著巨大挑戰：在保持糧食持續有效供給的同時，需要提高資源利用效率，保護環境。土壤有機碳（SOC）對提高土壤肥力，促進植物生長，提高土地生產力具有重要的價值，是實現農田系統糧食可持續生產的重要因素之一［1-3］。諸多因素影響了SOC的提升，比如農田管理措施的演變。在過去的40年里，中國成功地用7%的土地養活了全球20%的人口［4］。但糧食產量的高速增長同時帶來了諸多問題，化肥、農藥、除草劑的不合理使用造成了農田土壤板結、土壤有機質下降、土壤生態系統破壞，對農田生產系統造成了極大的負面影響，進而導致農業生產可持續性的降低［5］。如何實現糧食增產、穩產，同時提高土壤有機質水平，對提高農業生產可持續性至關重要。

SOC的提升是一個長期復雜的過程，受自然條件和人為管理措施（耕作、栽培等）的影響［6-7］。自20世紀80年代以來，華北地區通過高量的碳氮投入使得SOC明顯提高，與此同時該地區糧食作物產量也顯著提升［2，8］。然而，SOC變化和產量間的關系尚不明晰，這種缺乏一般共識的現象可能是由于管理、氣候和土壤類型等因素相互作用的結果，這些因素會破壞SOC與產量的關系［9］。研究表明隨著SOC增加，產量會增加［2］、減少［10］或是不變［11］。這使得部分學者認為不同的有機碳組分對于作物產量的效應不同，只要氮肥施用量充足，作物產量和SOC的提高并無明顯線性關系［11］。一些學者通過經驗模型得到相反的結論，徐明崗等［12］通過經驗方程發現在我國不同區域，農田土壤每固定1.0 t有機碳，糧食作物產量可平均提升約0.7 t·hm-2，但該響應值在各地區明顯受到相應的環境及農田管理措施等因素的影響。Oldfield等［13］認為在有機碳不高于2%的條件下，增加SOC的同時能增加作物產量，將SOC含量從1.0%提升到2.0%能使小麥、玉米分別增產55.4%和23.0%。要驗證這些SOC對產量和環境影響相互矛盾的說法，除了建立定量化的分析手段，還需要將區域尺度的宏觀研究和田塊尺度的微觀研究結合。不同尺度研究的結合能探尋SOC增加原因，進一步明晰SOC變化對于產量的影響。

曲周縣地處被稱作“中國糧倉”的華北平原，是我國典型的農業種植縣。在1980s曲周縣是典型的鹽堿地區，土壤有機質極低。在過去的40年間，曲周縣通過鹽漬土改良、農業集約化管理和水肥投入實現糧食產量從2 t·hm-2向6 t·hm-2的提升，同時SOC含量由0.5%提高到0.8%。在實現糧食增產的同時，實現了全縣土壤有機質的整體提升。總結曲周縣過去40年SOC和糧食產量變化及其關系，并結合當地施用有機肥和秸稈還田進行優化管理的長期定位試驗，對實現縣域尺度培肥土壤地力，提高和穩定糧食產量具有重要的意義和參考價值。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究區域為河北省曲周縣（36.88 °N，114.9°E），屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均溫13.1℃，無霜期平均210 d，多年平均降水量556.2 mm，70%的降水集中于6～9月。小麥、玉米為主要的種植作物，灌溉水主要來源于地下水。2018年的全縣土壤調查數據結果表明，全縣0～20 cm土壤有機質平均含量為13.8 g·kg-1、全 氮1.0 g·kg-1、有 效 磷10.7 mg·kg-1、速 效 鉀182.8 mg·kg-1。

1.2 數據來源

縣域尺度土壤有機質數據土壤取樣點深度均為0～20 cm，來源于1980、2000、2009、2018年在曲周縣進行的4次取土試驗。

1980年：主要來自于全國第二次土壤普查資料，共79個取樣點。

2000年：通過收集前人在曲周的試驗資料得到，主要來自于孔祥斌等［14］在曲周縣布置的79個土壤采樣點土壤有機質（SOM）含量資料。

2009年：由曲周縣農牧局土肥站提供，主要是在曲周縣布置的262個土壤采樣點SOM數據。

2018年：對全縣耕地采用1 km×1 km網格調查法，采集0～20 cm土壤樣品進行分析，測定土壤有機質。共計547個土壤采樣點數據。

作物產量數據搜集：作物產量主要是小麥、玉米、高粱等糧食作物的平均產量，來自于《曲周縣統計年鑒（1980～2016）》。本研究分別以1980～1989、1990～1999、2000～2009和2010～2016年當年的均值表示1980s、1990s、2000s、2010s的數據。

有機肥數據由曲周縣畜牧業動物的養殖量進行計算得到，包含牛、馬、驢、騾、豬、羊、雞。牲畜數量來自于《曲周縣統計年鑒（1980～2016）》。計算方法參照劉曉永等［15］。分別以1980～1989、1990～1999、2000～2009和2010～2016當年 的 均 值 表 示1980s、1990s、2000s、2010s的數據。

本研究通過文獻查閱，收集了在曲周縣進行的7個長期定位試驗。試驗情況如表1所示。作物系統以曲周縣主要糧食系統小麥-玉米為主。

按照以下標準選取符合本研究的定位試驗：1）所有定位試驗點必須在河北省邯鄲市曲周縣；2）試驗所種植的作物為小麥-玉米；3）每個試驗點中必須包含對照、優化處理組，優化處理組以秸稈還田或施用有機肥處理組為主，另有一個進行不施肥不還田的對照空白組；4）每個試驗的對照組和優化處理組需要有產量（kg·hm-2）或者SOC（g·kg-1）的測定數據；5）在同一研究中所有處理的SOM（SOC）取樣深度和測定方法一致，且所有的SOM（SOC）單位使用濃度單位g·kg-1或（%），SOC和SOM間轉換系數為1.724；6）同一個試驗在試驗年限內，田間管理措施都相同。

表1 長期定位試驗處理方式及文獻來源

1.3 數據處理與分析

各年糧食作物單產數據根據每年糧食產量和其耕種面積計算得出，各年代數據由所屬年代加權平均算出。各年土壤有機質分布圖用Arcgis 10.6軟件中的克里金插值法得出。利用Excel 2019和SPSS 20.0軟件對作物產量和SOC進行線性回歸分析。利用Sigmaplot 14.0作圖。

作物秸稈根茬碳還田量（Cr）和秸稈碳還田量（Cs）由以下公式計算［23］：

Yield為作物經濟產量，WC為作物經濟產量含水量，小麥和玉米的含水量分別為0.125［24］、0.135［23］。GSratio為作物的根冠比，小麥、玉米的根冠比分別為0.5、0.33［25］。RS和SR分別為根茬還田率和秸稈還田率，各年代的根茬還田率參考Zhao等［23］，1980、1990、2000年代秸稈還田率參考劉曉永等［26］，2010年代秸稈還田率參考牛新勝等［27］，具體數值如表2所示。0.45為根茬和秸稈含碳量［23］。

畜禽糞尿碳還田量（Cm）由以下公式計算：

i為牛、馬、驢、騾、豬、羊、雞的種類；S、H分別為畜禽年內出欄數、年末存欄數；P為飼養周期天數；365是一年的365 d。M為畜禽糞尿的每頭日排泄系數［kg·d-1·個-1］，1000是換算系數，MS是畜禽還田率，Ci是不同種類畜禽糞尿含碳量。各年代畜禽還田率（MS）參考劉曉永等［15］，詳見表2。各種畜禽糞尿含碳量（CI）參考張福鎖等［28］，詳見表3。

表2 不同年代畜禽糞尿及秸稈還田率 （%）

表3 畜禽糞尿鮮基有機碳含量 （%）

2 結果與分析

2.1 不同歷史時期曲周縣域尺度土壤有機質濃度和作物產量變化

自1980年以來，曲周縣耕層土壤有機質濃度持續提升（圖2）：具體表現為1980年土壤有機質濃度平均為8.5 g·kg-1，6～10 g·kg-1占整個全縣面積的99.0%。1999年，有機質濃度平均提高到11.9 g·kg-1，12～14 g·kg-1土壤面積占比最多，達到全縣的46.8%。2009年土壤有機質濃度平均高達13.5 g·kg-1，12～14 g·kg-1土壤面積占比進一步增大，達到全縣的50.9%。2018年有機質含量平均提升到13.8 g·kg-1。14～16 g·kg-1土壤面積最多，達到了260.9 km2，占全縣的39.1%。

不同歷史時期曲周縣產量及其變異系數的變化如圖3所示，曲周縣糧食單產呈逐步遞增的趨勢，1980s僅 為3 t·hm-2，2018s提 高 到8 t·hm-2。1990s、2000s、2010s平 均 糧 食 增 產 率分 別 為58.7%、22.8%、38.9%。糧食產量的變異系數逐步下降：1980s為22.9%，2018s為3.3%。

2.2 不同歷史時期曲周縣農田系統碳投入量的變化

不同年代曲周縣秸稈還田碳、根系生物量碳、畜禽糞尿碳投入量如圖4所示。曲周縣農業種植結構主要以小麥-玉米輪作體系為主，同時有一定規模的養殖業。曲周縣土壤碳來源主要是秸稈還田、秸稈根茬還田和畜禽糞尿還田。對過去40年曲周縣土壤碳來源研究發現，曲周縣土壤碳還田量隨時間逐步上升。各年代間提升率分別為131.1%、156.3%、182.0%。1980s秸稈還田碳比例不斷提高，從1980s投入碳占比的48%到2018s的72%，過去40年畜禽糞尿還田碳占總還田碳的10%～18%。根茬碳占總碳的比例不斷下降，從1980s的42%下降到2010s的18%。對比曲周縣1980s和2010s農田碳流動發現，相較于1980s，地上部秸稈還田量提高了9.5倍，每年碳投入量從0.7 t·hm-2增加到6.7 t·hm-2；根系投入碳增加了2.7倍，每年碳投入量從0.6 t·hm-2增加到1.6 t·hm-2；來源于畜禽糞尿碳增加了7.1倍，每年碳投入量從0.14 t·hm-2增加到1.0 t·hm-2；被用作其他用途的秸稈量減少了18倍，每年碳移走量從1.8 t·hm-2減少到0.1 t·hm-2；經濟產量中的碳增加了6.9倍，每年碳從1.2 t·hm-2增加到8.3 t·hm-2。

2.3 優化管理對作物產量及土壤固持的影響

通過對曲周縣7個定位試驗加權平均計算得到試驗持續時間和糧食產量間的關系。研究發現,采用秸稈還田等優化管理的糧食產量呈提高趨勢，平均每年提高0.07 t·hm-2。空白對照組糧食產量短時間內無明顯變化，從第8年開始呈下降趨勢（圖5）。對所有試驗SOC數據進行回歸分析后發現，優化處理的SOC含量隨著試驗時間的推移呈現明顯上升趨勢（P＜0.05），平均每年提升0.3 g·kg-1。空白對照處理SOC含量與試驗持續時間無顯著關系。

3 討論

3.1 曲周縣土壤有機碳含量的變化及其影響因素

過去的40年間，曲周縣農田土壤有機質含量呈現逐步提升的趨勢，大致可以分為3個階段，1980年時全縣土壤有機質含量普遍偏低，空間連續性好，除縣城附近外，土壤有機質含量均不高于10 g·kg-1（圖2a）。這主要是由于20世紀80年代農田碳投入很低，土壤鹽漬化程度高且化肥施用很少，導致作物生產力低下［29］。除縣城附近，其他區域灌溉水平極低。作物秸稈主要被用作燃料或者是飼料，甚至在縣內某些區域農作物的根也被挖出來用作燃料。養殖業規模很小，產生的畜禽糞尿多數被用作燃料，極少的部分施入了經濟作物農田中。

第二階段（1990～2010年），曲周縣土壤有機碳含量顯著提升，導致這一動態變化的主要原因有以下幾點：（1）曲周縣化肥施用量自20世紀90年代初期開始飛速上升，氮肥和磷肥投入量從1990年到2010年分別增加了16.5和30.8倍。化肥投入的增加引起了作物生物量的增加，也引起了地下部生物量的增加，使得輸入土壤的秸稈和根茬的碳也相應增加［23］。長期定位試驗研究表明，化肥施用平均每年能增加土壤有機碳C 0.19 Mg·hm-2［30-31］。此外，化肥的投入還能提高作物殘茬和根向土壤有機質轉化的效率，增強微生物降解SOM的效率［32］。（2）中國農村培肥土壤主要通過秸稈還田和畜禽糞尿堆肥形成廄肥。據前人的調研結果發現，曲周廄肥利用率較低，且大部分廄肥都施用在經濟價值較高的果園和菜園中［33］。因此曲周縣土壤有機肥的主要來源是秸稈還田，根據劉云慧等［33］和牛新勝等［27］的調研結果發現，2010年曲周縣玉米和小麥的秸稈還田率分別比1999年高60%和30%，秸稈還田率的提高直接導致通過作物殘渣輸入的碳顯著增加，增加了土壤有機碳含量。曲周縣秸稈還田率的提高主要歸因于兩個方面，一方面是我國自2000年起重視秸稈焚燒這一環境問題，在農村地區通過制定嚴格的政策法規禁止秸稈焚燒［34］。另一方面，曲周縣政府自1998年起在全縣推廣秸稈整株還田、翻壓還田等多項技術，提高了秸稈還田的效率并且讓農民認識到秸稈還田的好處。（3）曲周縣1980年以前一直深受土壤鹽漬化的困擾。土壤鹽漬化形成了大量無人耕作的荒地，年復一年的荒廢導致土壤有機碳的含量持續降低。自1973年起來自中國農大的師生建立了三代鹽堿綜合治理區，成功治理了1.9×104hm2的鹽堿地。到1989年時小麥、玉米的產量相較于1983～1985年平均量分別增加了15.5%和81.8%［29］。田間試驗結果表明，在開墾的鹽漬土上，即使不施用肥料，土壤有機質的含量也呈現增長的狀況，這是因為原有的鹽堿荒地土壤有機質含量很低，經過治理并開墾種植后，作物的生物量高于原來荒草地的生物產量，植物根茬部分累積增加，所以原本水平較低的土壤有機質含量也能夠有上升的空間。（4）種植制度的改變和作物品種的改良是曲周縣土壤有機質增加的最后一個原因。曲周縣的復種指數從1981年的1.41提高到1999年的1.65，直接提高了全縣的糧食產量和秸稈、根際碳輸入量［35］。同時自20世紀90年代后引進了大根系作物，這些作物能夠將更多的根系殘渣和根系碳留在土壤中，提高土壤碳的投入量。空間上這段時間土壤有機質提高最快的區域集中在縣城附近，主要是由于臨近縣城附近的鹽漬土治理效果好，灌溉設施和秸稈還田推廣相較其他區域比較好。

第三階段是2010年至今，這段時間曲周縣產量進一步增加，同時縣內小麥、玉米秸稈還田率分別達到了96.5%和99.8%。空間上整體土壤有機碳分布變化不大，縣城附近由于較好的推廣措施使得土壤有機碳含量進一步增加。需要指出的是雖然土壤碳投入量進一步增加，但土壤有機質含量并未明顯增加。進入2010年后，曲周縣制定了“高產高效”的農業戰略，在保持甚至降低化肥投入的同時使得糧食穩產、增產。化肥投入的降低是近10年有機碳含量無明顯變化的一個重要因素，此外，曲周縣土壤經過近40年培育有機碳含量已達到了一個臨界水平，進一步提高需要采取更多保護性耕作措施。曲周縣目前耕作制度以冬小麥—夏玉米輪作為主。Yang等［36］的研究表明，在曲周進行多樣化種植和輪作制度能提高土壤有機碳含量的同時減少溫室氣體排放，小麥、花生、黑麥、棉花、玉米的輪作在固碳減排上取得了很好的效果。Wang等［37］的研究發現，豆科植物和谷類作物輪作能增加氮肥利用率，提高土壤有機碳含量。在曲周縣依莊鎮土壤有機碳含量很低的區域推薦采取免耕或是休耕制度，以提高土壤有機碳含量［38］。

曲周縣通過施肥、提高秸稈還田率、治理鹽堿地、提高復種指數和改良作物品種等方式使得土壤有機碳含量取得顯著的提升。多種方法最終都直接或間接地通過提高作物生物量，增加作物殘渣和根系輸入的碳，這種地上-地下聯動的方式提高了土壤碳的輸入，繼而增加了土壤有機碳含量。秸稈還田和根系碳的增加是土壤有機碳過去40年增加的最重要原因。Zhao等［23］對中國有機碳含量變化的研究表明，秸稈和根茬還田與有機碳變化顯著正相關，對中國有機碳的增量貢獻占到了70%。Fan等［39］對加拿大的研究表明，近45年加拿大土壤有機碳含量平均增加了81%，其中秸稈和根系生物量投入的碳貢獻了82%～92%，而畜禽糞尿還田僅貢獻了8%～18%。Zhang等［40］和Tian等［41］的整合分析結果表明，有機肥配施化肥是提高土壤碳水平的有效途徑，秸稈還田是增加土壤碳匯的主要方法［42-43］。

3.2 地上-地下循環驅動曲周土壤有機質的提升、糧食增產和穩產的實現

本研究表明過去40年，作物地上、地下部生物量的飛速增加使得曲周縣土壤碳輸入量增大，直接導致了土壤有機碳的增加。土壤有機碳的提高進一步促進了糧食增產和穩產的實現。曲周縣進行的7個長期試驗結果（圖5）表明，通過秸稈還田、施用牛糞和氮肥等方法不僅能提高土壤有機碳含量，并且能增加作物產量。大量的田間試驗結果也表明了通過秸稈還田在提升土壤有機碳含量的同時能顯著增產和穩產［44-45］。從田間尺度上升到小區域（縣級）尺度，這個現象依然存在。過去40年曲周縣在土壤有機碳增加的同時，糧食作物產量顯著提升，年代間產量變異系數顯著降低（圖3）。這個結果支持Lal［1］提出的C固存有助提高農業土壤中作物產量的觀點。Pan等［2］和Zhao等［23］的研究結果證明，當研究尺度從小區域（縣域）尺度上升到大區域尺度（全國、省級）時，通過秸稈還田或其他培肥方式增加土壤有機碳，使得作物產量增產、穩產這一效應依然存在。土壤有機碳和作物產量通過地上部秸稈還田、地下部根系殘渣的投入共同構成了一個地上-地下部的循環。這個循環是驅動曲周過去40年土壤有機碳增加和作物增產、穩產的原因。

曲周縣40年土壤培肥增產的實例給出了一條實現可持續發展的道路——構建地上-地下循環驅動土壤有機碳提高和作物增產、穩產。目前，這一循環仍然存在著某些局限性。首先，合理施用化肥是構建這一循環的關鍵因素。在土壤有機碳含量較低的時候，施用氮肥能增加土壤有機碳和增產、穩產。但隨著化肥投入量增加出現較高的土壤氮盈余和磷盈余后，施用無機肥料會降低土壤有機碳，對于產量的增產效果也會降低［36，46］。目前，使用部分有機肥替代氮肥成為減少氮盈余產生負面效應的有效手段［47］。其次，這個循環對于作物的增產效應存在著閾值上限，土壤有機碳和作物產量間的關系目前還存在爭議，但大部分學者認為在土壤有機碳低于2.0%的條件下，土壤有機碳增加對作物產量增加存在正效應［13，48］。所以這一循環在有機碳含量較高的區域，實施的增產效應值會相應降低甚至無明顯變化。最后，大幅度提高秸稈還田量不一定能取得好的效果。譬如在復種指數極高或者產量很高的地區，每年產生了大量的秸稈。在短時間內土壤并不能完全降解如此多的秸稈，簡單方便的直接還田方法容易產生病原菌和農藥殘留。而通過炭化還田、施加降解菌等方法處理秸稈還田的負面效應需要考慮農民的經濟成本。

本研究結果表明，曲周縣的成功經驗能為許多發展中國家的農田碳封存殘留管理提供一些指導。由于低生產力和燃料或飼料的殘渣清除，低有機碳投入是許多發展中國家限制有機碳積累的主要因素。曲周縣政府-高校合作推廣秸稈還田的模式對有機碳封存的重大貢獻表明，田間尺度的解決方案可以推廣到區域尺度甚至是國家層面。另一方面，由于基礎土壤條件、氣候和社會經濟條件的區域差異，不同區域的秸稈還田量及施肥量可能并不相同。因此，科學技術和知識的應用推廣、經濟和政策激勵以及利益相關者（農民）的積極參與是實現縣域農業可持續發展乃至全球可持續發展的重要組成部分［3］。

4 結論

曲周縣作物產量和土壤有機質含量在空間上呈顯著區域特征，臨近縣城范圍內作物產量和土壤有機質含量明顯較高，依莊鄉土壤有機質含量較低。主要原因是初始有機質含量和水肥管理等存在差異，臨近縣城附近保護性耕作推廣和灌溉設備均優于其他鄉鎮，時間尺度上近40年以來（1980～2018年）曲周縣土壤有機質總體表現為，前30年穩步提升，進入2018年后略有提升，各年代間增加速率分別為65.5%、24.0%、38.6%。從1980s到2010s曲周縣糧食產量從3.0 t·hm-2提高到7.7 t·hm-2，年代間遞增率分別為58.7%、22.8%、38.9%。4個年代時間上的變異系數分別是22.9%、21.3%、8.0%、3.2%。產量變異系數從22.94%降低到3.3%，農田碳投入從1.4 t·hm-2提高到9.3 t·hm-2；秸稈地上殘留碳增加9.5倍；秸稈地下殘留碳增加2.7倍；肥料碳增加7.1倍；農作物增產6.9倍；移走的秸稈量減少了18倍。基于長期定位試驗結果分析，與空白對照相比，優化處理的土壤有機碳顯著提升，平均每年提高5.9%，糧食產量10年平均增加84.1%。同時變異系數降低了3.9%。施用有機肥的優化管理對于糧食產量、土壤有機碳含量的增加有促進作用。