長期秸稈還田顯著降低褐土底層有機碳儲量

徐 虎，蔡岸冬，周懷平，Colinet Gilles，張文菊，徐明崗*

（1 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；2 Gembloux Agro-Bio Tech，University of Liege，Passage des deportes 2，Gembloux 5030，Belgium；3 山西農業大學資源環境學院，太原 030031；4 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081）

土壤有機碳 (SOC) 作為農田肥力的重要指標，是農作物高產穩產的基礎[1]。土壤有機碳庫也是陸地生態系統最大的碳庫，小幅度的變化就會對全球氣候產生巨大影響[2]。SOC不僅對土壤肥力和作物生產力有直接影響，在緩解氣候變化方面也有極其重要作用[1-2]。我國農作物秸稈資源十分豐富，2015年農作物秸稈總量約為9.31 × 108t[3]。作物秸稈含豐富有機碳和養分，秸稈還田既可減少就地焚燒產生的溫室氣體[4]，也能增加農田碳輸入和作物歸還，有效維持和提升土壤有機碳儲量[5–7]。因此，秸稈還田在土壤有機碳固定方面有巨大潛力[8]。Yang等[9]研究表明，5年秸稈還田0—30 cm土層SOC提高4.45%～9.00%。劉玲等[5]發現，秸稈粉碎還田和過腹還田下黑土表層SOC分別增加28.70%和12.40%。目前，秸稈還田對有機碳的影響研究多集中在表層土壤[5–7,9]，然而底層SOC儲量是表層的2～3倍，所以探究底層SOC對秸稈還田的響應對深入理解農田碳循環和緩解氣候變化也非常重要[10]。SOC提升是一個長期緩慢的過程，因此，只有在長時間尺度的研究才能獲得更可靠結果[11]。馬力等[12]研究表明，17年秸稈還田增加紅壤水稻土0—45 cm土層SOC。解麗娟等[13]研究發現，20年秸稈還田配施化肥顯著增加黑土20—40 cm 土層 SOC (41%)。然而，徐虎等[14]在旱地紅壤和蓋霞普等[15]在潮土研究表明，長期秸稈還田可顯著增加40 cm以下土層SOC。褐土作為我國主要土壤類型之一，總面積約 2516 × 104hm2，該地區是我國小麥和玉米主產區之一，作物秸稈資源十分豐富，探究農田剖面土壤有機碳對秸稈還田響應的特征，對該地區農作物秸稈的高效利用、解決糧食安全及農業環境可持續性問題等具有指導意義[11]。此外，褐土多具團粒結構且土質疏松，其底層SOC對秸稈還田的響應特征還不明確，尤其是不同方式秸稈還田[11,16]。因此，本研究依托山西省壽陽縣長期(21年) 秸稈還田試驗平臺，通過對不同秸稈還田方式下褐土0—100 cm剖面SOC和土壤養分及作物產量開展研究，以期明確不同秸稈還田方式下褐土剖面有機碳的變化特征及影響因素，為該地區秸稈還田措施優化、農田培肥和固碳減排等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

長期秸稈還田試驗位于我國山西省壽陽縣 (東經113°06'、北緯37°58')，地處中緯度暖溫帶半濕潤偏旱區，年均溫為7.4℃，年均降水量為501 mm (降雨集中在每年6～9月份) 且年際間波動較大。供試土壤為褐土，成土母質為馬蘭黃土，試驗初始 (1992年)表層 (0—20 cm) 土壤理化指標：有機碳 15.71 g/kg、全氮 1.07 g/kg、全磷 0.76 g/kg、全鉀 23.7 g/kg、有效磷 4.84 mg/kg、速效鉀 95.0 mg/kg和pH 8.30[11]。

1.2 試驗設計與田間管理

試驗開始于1992年，供試作物為春玉米，種植制度為一年一熟，玉米生育期內 (4月15—25日播種，9月20日—10月10日收獲)，主要田間管理措施是除草和防治病蟲害。試驗采用裂區設計，主區為化學氮磷肥春季施用和秋季施用，副區為4個秸稈還田方式處理：1) 秸稈不還田 (CK)；2) 秸稈覆蓋還田(SM)；3) 秸稈粉碎后直接還田 (SC)；4) 秸稈過腹還田 (CM，腐熟鮮牛糞)。小區面積為54 m2，無重復。供試化肥為尿素 (含 N 46%)和過磷酸鈣 (含 P2O514%)。玉米秸稈 (風干) 有機碳、全氮、全磷 (P2O5)和全鉀(K2O) 含量分別為443.0、7.39、0.44和27.50 g/kg。CM 處理的牛糞 (風干) 有機碳、全氮、全磷 (P2O5)和全鉀 (K2O) 含量分別為52.50、3.93、1.37和14.10 g/kg[11]。

化肥春季施用是結合春播進行化肥穴施或淺條施 (深度為4—7 cm)，化肥秋季施用是結合秋季深耕翻地進行化肥條施或全耕層深施 (深度10—30 cm)，生育期內不再追肥。SM處理是每年5月下旬，將前茬全部玉米秸稈均勻覆蓋地表，當季玉米收獲后，再將未腐解秸稈深翻還田；SC處理是當季玉米收獲后，直接將秸稈鍘碎 (長 15 cm) 結合深耕還田；CM處理是將前茬玉米秸稈 (與SM和SC處理秸稈等量) 喂牛，將產生的牛糞腐熟，在當季玉米收獲后均勻撒施并深翻還田[11]。每個處理具體化肥施用量和秸稈還田量詳見表1。

表 1 長期定位試驗各處理年化肥施用量和秸稈還田量Table 1 Annual input of chemical fertilizers and different straw incorporation methods in long-term experiment

1.3 測定項目與方法

在2013年玉米收獲后采集土壤剖面樣品。采樣方法為：在每個小區選3個代表性樣點，用土鉆分5 個層次 (每層 20 cm) 采集 0—100 cm 剖面樣品。土壤樣品風干后研磨過2 mm篩，測定有效磷和有效鉀；磨細過0.25 mm篩，測定土壤有機碳、全氮、全磷和全鉀。各指標測定方法如下：土壤有機碳和全氮含量分別采用重鉻酸鉀容量法和半微量凱氏法，土壤全磷和全鉀含量采用氫氧化鈉熔融法，土壤有效磷和速效鉀含量分別采用Olsen法和乙酸銨浸提—火焰光度法，土壤容重采用環刀法。同時，在每年玉米收獲后，測定各小區作物籽粒產量和秸稈生物量及其有機碳和養分含量。

1.4 數據處理及計算

農田碳輸入主要包括植物根系碳輸入 (Croot)、根茬碳輸入 (Cstubble)和肥料碳輸入 (Cstrawormanure)。根據蔡岸冬等[8]報道的方法，估算各種來源碳輸入量。根據Jobbagy等[10]報道的農作物根系生物量在0—100 cm剖面分配比例，估算各層土壤根系碳輸入量。

土壤有機碳儲量計算公式為：

SOCs=(Ci× BDi× Di)/10

式中，SOCs為第i層土壤有機碳儲量 (t/hm2)；Ci為第i層土壤有機碳含量 (g/kg)；BDi為第i層土壤容重 (g/cm3)；Di為第i層土壤厚度 (cm)。

所有數據運用SigmaPlot 12.5軟件進行作圖，Canoco 5 軟件進行冗余 (RDA) 分析。運用 SPSS 22.0軟件，采用最小顯著差數法 (LSD) 檢驗處理間差異顯著性 (P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 長期不同秸稈還田方式下褐土作物產量和累積碳輸入量

在春季和秋季 (圖1)，4個處理玉米產量隨種植時間延長總體均呈現相似的上升趨勢。CK處理的玉米產量最低且年際間波動較大 (產量范圍為2.21～10.91 t/hm2)。與CK相比，玉米產量的中位值 (1992—2013年) SC處理分別增加7.73%～14.69%，SM和CM處理分別增加17.12%和25.81%。

土壤碳輸入量受秸稈還田方式和作物產量雙重影響 (圖1)。SM和SC處理秸稈碳輸入量是CM處理有機肥碳輸入量的3.7倍。與CK相比，SM、SC和CM處理0—100 cm土體累積根茬和根系的碳輸入量平均分別增加16.12%、16.51%和31.48%，而總累積碳輸入量平均分別增加1.4、1.4和1.0倍。

圖 1 春季和秋季施肥下各秸稈還田處理玉米產量和土壤累積碳輸入量 (1993—2012)Fig.1 Maize yield and cumulative carbon input under different straw incorporation methods and chemical fertilization seasons (1993–2012)

2.2 長期不同秸稈還田方式下褐土各土層有機碳含量和儲量

化肥施用季節和秸稈還田方式顯著影響剖面SOC含量 (表2)。與春季施肥相比，秋季施肥CM處理0—40 cm土層SOC含量顯著提高，而SM和SC處理40—80 cm顯著降低。不論春季施肥還是秋季施肥，與CK相比，CM、SM和SC處理表層(0—20 cm) SOC含量顯著提高，而SM和SC處理40—60 cm和80—100 cm 顯著降低。

表 2 春季和秋季施肥下各秸稈還田處理剖面有機碳含量Table 2 Soil organic carbon content in soil profile under different straw incorporation methods and chemical fertilization seasons

相對于CK處理，秸稈還田處理碳儲量變化量在還田方式間存在顯著差異，但在化肥施用季節間沒有顯著差異。在春季和秋季 (圖2)，與CK相比，SM、SC和CM處理0—20 cm土層SOC儲量平均分別增加2.32、5.42和12.60 t/hm2，CM處理的增加量顯著高于SM和SC處理；而對于亞表層 (20—40 cm)，與CK相比，CM處理SOC儲量略有增加 (0.56～0.99 t/hm2)，SM處理無明顯變化，SC處理在春季和秋季施肥下分別降低2.98和4.62 t/hm2；與CK相比，SM、SC和CM 處理底層 (40—100 cm) SOC 儲量平均分別降低3.98、6.99和3.76 t/hm2，3個處理間無顯著差異。在0—100 cm土層，與CK相比，CM處理SOC儲量平均增加9.62 t/hm2，增加量小于表層土壤 (12.60 t/hm2)；而SM和SC處理平均分別降低 1.81和5.36 t/hm2。

2.3 長期不同方式秸稈還田下褐土剖面養分含量

不同方式秸稈還田也顯著影響褐土剖面養分含量 (表 3)。與 CK相比，春季和秋季施肥SM、SC和CM處理0—20 cm土層全氮、有效磷和速效鉀含量均有不同程度增加，且CM處理顯著高于SM和SC處理。對于亞表層，春季施肥CM處理全磷和有效磷含量顯著高于SM處理，而秋季施肥CM處理有效磷含量顯著高于其他處理；而對于底層，春季施肥CM處理全氮和全鉀含量顯著高于SC處理，秋季施肥SM處理全鉀和有效磷含量顯著高于CK處理。

表 3 春季和秋季施肥下各秸稈還田處理的土壤養分含量Table 3 Soil nutrient content under different straw incorporation methods and chemical fertilizer application seasons

2.4 長期不同秸稈還田方式下褐土有機碳儲量變化的影響因素

以土壤累積碳輸入量以及養分元素含量 (全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀) 作為影響SOC儲量變化的因素進行冗余分析 (圖3)。結果表明，碳輸入和土壤養分含量對表層和下層SOC儲量變化量的總體解釋率分別為90.10%和31.80%。其中，影響表層SOC儲量變化量的主要因子為有效磷、全氮含量和累積碳輸入量，其解釋率分別為80.10%、4.40%和2.80%；而影響下層SOC儲量變化量的主要因子為全氮含量、碳輸入量和全磷含量，其解釋率分別為25.28%、3.67%和4.20%。

圖 3 累積碳輸入量和土壤養分含量對0—20 cm土層和20—100 cm土層土壤有機碳儲量變化的解釋率Fig.3 The explanation rate of cumulative organic carbon input and soil nutrient contents to the change of soil organic carbon stock in 0–20 cm and 20–100 cm soil

3 討論

3.1 長期不同方式秸稈還田對褐土養分和作物產量的影響

本試驗表明，與CK相比，秸稈還田均顯著增加表層全氮、有效磷和速效鉀含量，且均以秸稈過腹還田最優。這主要因為鮮牛糞和秸稈施用在表層土壤，其被微生物分解利用后養分元素逐漸釋放，且鮮牛糞比秸稈含有更多碳和豐富的營養元素[17]。此外，所有處理玉米產量隨種植時間延長總體均呈現升高趨勢，這也間接表明單施化肥和秸稈還田配施化肥均能提升褐土地力，并改善作物生長環境[16]。此外，CK處理玉米產量在大多數年份最低且年際間波動較大，這可能是因為單施化肥降低土壤系統穩定性。同時，CM處理作物產量高于SM和SC處理，這表明CM處理的培肥效果比SM和SC處理好，本研究CM處理表層有機碳和養分含量更高也證明了這一點。然而，本研究還發現，SM處理增產效果比SC處理好，這是因為本研究地屬半濕潤半干旱偏旱地區，秸稈覆蓋能調節土溫并減少地表徑流和水分的蒸發，能更好保墑和保肥[18]。

3.2 長期不同秸稈還田方式下褐土表層和底層有機碳儲量變化差異及其影響因素分析

在農田土壤中，SOC含量是作物 (根茬和根系)及外源有機物 (秸稈和有機肥) 碳輸入下，SOC累積與有機質分解導致SOC損失之間的凈平衡[8]。本研究發現，與CK相比，SM、SC和CM處理均顯著增加表層SOC儲量，這與前人[14,19]研究結果基本一致。這是因為3個秸稈還田處理表層碳輸入量是CK處理的2～3倍；而SOC飽和前，通常隨碳輸入增加而增加[8,20]。此外，CM處理表層SOC儲量的增加量顯著高于SM和SC處理，主要原因有：與秸稈相比，CM處理鮮牛糞主要是處于半分解狀態有機質，其還田帶入更多有效態氮，使其有較高碳轉化效率[21]；同時，鮮牛糞促進團聚體形成和提升團聚體穩定性效果更好[20]。此外，SC處理表層SOC儲量增加量顯著高于SM處理，這表明等量碳輸入下SC處理更有利于農田表層碳累積。Fan等[22]也發現，與覆蓋還田相比，粉碎還田可增加耕層SOC含量。SC處理下秸稈與土壤顆粒充分接觸，更易腐解轉化并產生多糖等代謝物，促進土壤團聚體形成，進而增加碳吸附和固定[23]。SM處理下秸稈整株覆蓋在干濕交替頻繁且微生物活性高的地表，大部分秸稈碳被微生物分解，以CO2形式釋放到大氣[24]。

本研究還發現，與CK相比，春季和秋季施肥SM、SC和CM處理底層SOC儲量均顯著降低，與徐虎等[14]和蓋霞普等[15]研究結果不一致，這表明長期秸稈還田措施下褐土底層碳的輸入量并不能補償有機質礦化造成的SOC損失量[8]。我們認為褐土底層碳耗竭可能有以下原因：1) 本研究區域屬偏旱地區，在水分不足的條件下，致使根系向下延伸，但底層氮素含量低且供應不足，使微生物通過分解有機質提供作物生長所需氮素，引起底層SOC損失[25]。此外，本研究氮素對底層SOC變化解釋率最高(25.28%)，也間接證明氮素供應不足可能是底層碳耗竭的主要原因。2) 秸稈和鮮牛糞還田帶入大量可溶性養分，通過淋溶和促進根系生長增加底層新鮮碳源 (如可溶性有機質及根系分泌物)，使底層有機質因激發效應而礦化損失[26]。3) 秸稈和鮮牛糞還田促進作物根系生長，且深耕打破犁底層，改善土壤通氣性，有利于作物根系下扎，導致土壤擾動及大團聚體崩解增加，加速底層有機質分解[27]。此外本研究還發現，SM、SC和CM處理均增加表層SOC儲量，但大幅度降低底層SOC儲量；對于0—100 cm土體，SM和SC處理SOC儲量明顯降低，而CM處理顯著增加SOC儲量 (9.62 t/hm2)，但增加量小于表層土壤 (12.60 t/hm2)。可見，僅考慮表層有機碳變化，可能會高估秸稈還田措施下SOC提升效果，尤其是SM和SC處理。因此，秸稈還田措施下褐土底層SOC變化應該被關注。

冗余分析發現，土壤累積碳輸入和養分含量對表層SOC儲量變化的總體解釋率為90.10%，這表明養分和有機碳輸入是調控表層SOC儲量變化的主要因子。這是因為秸稈和腐熟鮮牛糞含有大量碳、氮及磷[4]。一方面，秸稈覆蓋 (SM處理) 及粉碎和過腹還田 (SC和CM處理) 等措施主要作用在表層土壤，大幅度增加表層有機碳輸入量，進而直接提升表層有機碳；另一方面這些措施降低了秸稈和有機肥轉化過程中的微生物養分限制，更有利于表層有機碳增加[14,28-29]。然而，本研究還發現，碳輸入和養分對下層SOC儲量變化總體解釋率僅為31.80%，這可能因為深層有機碳投入量和養分含量低且變化小，使其影響程度降低。此外，一些研究發現，下層SOC受粘粒含量、Ca2+、陽離子交換量、土壤孔隙度、鐵和鋁氧化物等影響可能更突出[25,30-31]。綜上，長期秸稈還田措施下表層與下層SOC來源、含量和穩定性等存在差異，表層有機碳儲量變化主要受養分含量和碳輸入量調控；而在下層受這些因素影響相對較小，可能受到自身屬性影響更大[25,28]。因此，在以后研究中，應進一步加強秸稈還田措施下底層SOC變化的驅動因素研究，為提升褐土農田有機碳固定和有機碳模型預測等提供基礎理論。

4 結論

不論春季施肥還是秋季施肥，秸稈還田均提高褐土表層有機碳、全氮、有效磷、速效鉀含量和作物產量，且均以秸稈過腹還田最優。秸稈還田均增加表層有機碳儲量，大幅度降低底層有機碳儲量；在0—100 cm土層，秸稈覆蓋還田和粉碎還田降低有機碳儲量，而秸稈過腹還田增加有機碳儲量，但增加量小于表層土壤。可見，在評價秸稈還田措施對褐土有機碳影響時，僅考慮表層有機碳變化，可能會高估有機碳提升效果。綜上，秸稈過腹還田是褐土農田培肥和固碳減排的重要措施，但秸稈還田措施下褐土底層有機碳變化也應該被關注。