秸稈還田和耕作方式對土壤碳排放及冬小麥產量的影響

董建麗，潘新麗，邵彥朝，劉 振，寧堂原

（山東農業大學農學院農業部作物水分生理與抗旱種質改良重點實驗室，山東 泰安 271018）

黃淮海平原是我國重要的糧食產區之一[1]，主要作物為冬小麥和夏玉米，在保障我國糧食安全方面發揮重要作用。如何高效利用現有耕地實現產量最大化，對保障糧食安全極其重要[2]。目前，對于如何減少農田碳排放、增加作物產量的問題，嚴圣吉等[3]學者已有相關研究，但不同耕作方式下碳排放差異的調控機制以及哪種耕作方式可以在保證作物產量的同時減少農田碳排放的研究相對較少。因此，有必要研究不同耕作方式下碳排放差異調控機制，明確保證作物產量同時減少農田碳排放。基于翻耕、深松、旋耕、免耕4 種耕作方式，搭配秸稈還田與不還田處理，比較不同處理下土壤呼吸速率、含碳量、碳排放量、冬小麥產量和單位產量排放量等指標，選出既能保證農作物產量又可減少土壤碳排放量的適宜處理，為減少農田碳排放、促進農業可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

在山東農業大學農學試驗站(36°10′N，117°09′E)進行，試驗地點屬于典型溫帶大陸性季風氣候，四季分明，太陽輻射量充足，雨熱同期。該地區年均日照時數2 759.1 h，年均氣溫12.8 ℃，年均降水量727.4 mm，符合華北平原典型氣候特點。試驗田土壤為棕壤土，土層深厚，土壤有機質18.1 g/kg、全氮1.3 g/kg、速效氮152 mg/kg、速效磷45.1 g/kg、速效鉀117 mg/kg。小麥品種為濟麥22。

1.2 試驗設計

采用隨機區組設計，設置耕作方式和秸稈還田2個因素。耕作方式包括翻耕（CT）、深松（SS）、旋耕（RT）和免耕（NT），秸稈還田包括秸稈還田（S）和不還田（0）。共8個處理，分別為：翻耕秸稈還田（CTS）、深松秸稈還田（SSS）、旋耕秸稈還田（RTS）、免耕秸稈還田（NTS）、翻耕秸稈不還田（CT0）、深松秸稈不還田（SS0）、旋耕秸稈不還田（RT0）、免耕秸稈不還田（NT0）。重復3次，各處理間用40 cm壟隔開，每個重復小區面積為15 m×4 m。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 樣品采集 小麥全生育期測定土壤溫濕度和土壤呼吸速率，每個處理重復選取3 個樣點測定：成熟期每個小區采用五點取樣法，在0～40 cm 土層每10 cm取樣1次，測定有機碳含量，重復3次；每種處理隨機選3 個點，每點取1 m2調查667 m2穗數；隨機剪取50個穗調查穗粒數，每個處理隨機測定千粒質量，重復3次。

1.3.2 測定方法 土壤呼吸速率采用GXH-3052L 型紅外氣體分析儀（北京均方理化科技研究所）進行測定，氣室為高12 cm、直徑25 cm 的PVC 管。檢測呼吸速率時，應把氣室下端埋入土壤2 cm，以保證氣室不漏氣。間隔2 周測定1 次，每次測定2 個值，間隔5 min。晴天測定，時間為上午9∶00—10∶00。土壤呼吸速率為單位時間內CO2排放通量，計算公式為：

式中，F為土壤CO2排放通量（g/（m2·h）），以CO2-C計；60為分鐘轉換小時的系數；土壤有機碳含量測定采用重鉻酸鉀容量法[4]。

1.4 試驗數據處理

采用Excel 2016 軟件對數據進行處理，利用Dunnett 最小顯著查數法進行差異顯著性檢驗（α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田和耕作方式對冬小麥土壤呼吸速率的影響

秸稈還田與耕作方式對土壤呼吸速率變化的影響見圖1。

圖1 秸稈還田與耕作方式對土壤呼吸速率變化的影響Figure 1 Effect of straw returning and tillage method on the change in soil respiration rate

由圖1 可知，秸稈不還田處理下，整個生育期土壤呼吸速率總體呈先下降后上升再下降的趨勢。苗期，NT 土壤呼吸速率最大，達0.285 g/（m2·h）；越冬期，SS 和RT 兩種耕作方式的呼吸速率處于較高水平，高于另外2種處理；開花期，2 種耕作方式呼吸速率整體均較高，CT0，SS0，RT0，NT0 的平均土壤呼吸速率分別為0.132，0.160 ，0.137，0.161 g/（m2·h）。秸稈還田處理下，總體上土壤呼吸速率呈先下降后上升再下降的趨勢。冬前期、越冬期和灌漿期土壤呼吸速率差別不大，從拔節期開始，土壤呼吸速率明顯增強，到開花期達頂峰，隨后下降至收獲期。各處理土壤呼吸速率在冬前期均處于較低水平；CTS，SSS，RTS，NTS的平均土壤呼吸速率分別為0.166，0.160，0.134，0.148 g/（m2·h）。

與秸稈不還田相比，秸稈還田處理后CT 平均土壤呼吸速率加快，NT平均土壤呼吸速率減弱，但對SS和RT的平均土壤呼吸速率影響不大。

2.2 秸稈還田和耕作方式對不同耕層深度土壤有機碳的影響

秸稈還田與耕作方式對不同耕層深度土壤有機碳的影響見圖2。

圖2 秸稈還田與耕作方式對不同耕層有機碳含量的影響Figure 2 Effect of straw returning and tillage methods on organic carbon content in different tillage

由圖2可知，在0～40 cm范圍內，隨著耕層深度的增加，不同處理土壤有機碳含量整體呈下降趨勢。秸稈還田時不同耕作方式平均有機碳含量CT＞SS＞NT＞RT。與秸稈不還田相比，秸稈還田后各處理耕層有機碳含量均有顯著差異（p＜0.05），CT，SS和RT土壤有機碳含量分別增加44.66%，19.22%，28.31%，而NT處理下土壤有機碳含量僅增加8.48%。除NT外，0～10 cm耕層各處理土壤有機碳含量均明顯增加，CT，SS 和RT 分別增加57.70%，24.17%，18.88%；10～20 cm耕層CT，RT土壤有機碳含量分別增加35.44%，65.61%；20～30 cm耕層SS，RT和NT分別增加53.21%，39.31%，20.77%；30～40 cm耕層SS 和NT 土壤有機碳含量分別增加25.40%，66.91%，而CT和RT處理土壤有機碳含量降低。

2.3 秸稈還田和耕作方式對各時期CO2排放量及生育期總排放量的影響

秸稈還田和耕作方式對各時期CO2排放量及生育期總排放量的影響見圖3。

圖3 不同處理各時期CO2排放量及生育期總排放量差異Figure 3 Differences in CO2 emissions in each period and total emissions during the growth period in different treatments

由圖3 可知，不同處理下CO2排放量最高的時期均為越冬期，其次是開花期、拔節期、灌漿期。NT 處理下拔節期和灌漿期排放量相當；同一處理下各時期之間CO2排放總量差異顯著。生育期CO2總排放量各處理差異不顯著（p＜0.05）。與秸稈不還田相比，秸稈還田后SS 和RT 處理下生育期CO2總排放量顯著下降，CT 和NT 處理下還田與不還田排放量相當。總之，秸稈還田后生育期CO2總排放量減少。

2.4 秸稈還田和耕作方式對冬小麥產量和單位產量排放量的影響

秸稈還田和耕作方式對冬小麥產量和單位產量排放量的影響見表1。

表1 不同耕作方式和秸稈還田與否對冬小麥產量的影響Table 1 Effect of different tillage methods and straw returning to the field on winter wheat yield

由表1可以看出，免耕下冬小麥產量顯著低于其他處理，秸稈不還田處理下的穗數顯著高于秸稈還田處理，冬小麥產量SS＞CT＞RT＞NT，穗數SS＞RT＞CT＞NT，穗粒數RT＞SS＞CT＞NT，千粒質量CT＞RT＞NT＞SS。秸稈還田處理下穗數和產量SS＞RT＞CT＞NT，千粒質量表現為CT＞SS＞RT＞NT，處理間差異顯著，單位產量CO2排放量NT＞CT＞SS＞RT。秸稈還田與不還田相比穗數差異顯著，穗粒數和千粒質量也達到較高水平。與秸稈不還田相比，RT和CT在秸稈還田后產量有較大幅度提高。NT耕作方式下，冬小麥產量最低，與秸稈不還田處理下表現一致。秸稈還田后，各處理單位產量CO2排放量NT＞SS＞CT＞RT。

3 討論與結論

耕作方式與秸稈還田對土壤有機碳含量、土壤呼吸速率、單位產量排放量和作物產量存在不同程度的影響。深松+秸稈還田處理可以增加土壤有機碳含量，且土壤呼吸速率穩定，有助于提高冬小麥產量；深松+秸稈還田處理下產量最高且單位產量CO2排放量處于較低水平，有利于我國在保障糧食安全的同時發展綠色低碳農業。翻耕+秸稈還田處理也可獲得較高水平產量，且單位產量CO2排放量較少。因此，建議深松+秸稈還田、翻耕+秸稈還田這兩種處理方式在該地區進行推廣應用。