2025, Vol. 46
2. 山东省农业科学院养分资源高效利用全国重点实验室, 济南 250100
, SONG Pei-hong2 , HUANG Jian-hua2 , QIAN Xin2 , GAO Ying-bo2 , ZHANG Hui2 , LIU Kai-chang2 , WANG Liang2
, LI Zong-xin2
2. State Key Laboratory of Nutrient Use and Management, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Jinan 250100, China
中国是一个农业大国, 每年产生7亿~9亿t的秸秆[1]. 黄淮海地区主要的作物种植制度为典型小麦-玉米一年两熟种植轮作制, 小麦和玉米的秸秆产量分别约为13 272.1万t和7 343.20万t[2, 3], 该地区秸秆总产量占全国秸秆总产量的60.0%左右. 秸秆还田模式是农业生产中的一个重要环节, 对土壤的理化性质有巨大的影响[4]. 有研究表明, 秸秆还田一方面能增强土壤的培肥保水性能[5], 补充土壤养分[6], 增强土壤碳库活性[7], 为土壤微生物提供丰富的碳源, 维持生态系统功能稳定[8]；另一方面可以促进作物扎根, 供给作物所需的养分, 促进玉米叶片叶绿素、含氮量提高, 对作物增产具有深远意义[9]. 因此, 作物秸秆还田管理措施是提高土壤耕地生产力的重要举措.
有机质(SOM)能协调土壤、作物与农业生态环境, 对土壤养分循环和作物产量的提升有重要影响[10], 有研究发现长年的玉米秸秆还田显著增加了表层土壤有机碳的固储量, 且增幅随秸秆还田量的增加而增加[11, 12]. 在小麦-玉米还田模式下土壤不稳定有机碳组分和碳库管理指数均增加[13]. 黄磊等[14]研究结果显示, 单施氮肥土壤原有有机碳降低高于氮肥和秸秆配施, 秸秆的加入起到了保护稳定性有机碳的作用, 减少径流. 但是单单凭借有机质来评定土壤碳库固存的多少是不充分的, 易氧化有机碳(oxidizable organic carbon, EOOC)是有机碳中的活性组分, 对土地利用情况、地表土层作物残体等农业环境因素反应敏感, 可以表征对土壤质量的变化[15]. 管理方式对土壤碳库的影响常用碳库管理指数(CPMI)来表示, 可系统地反映土壤质量和有机碳状况[16].
秸秆还田是土壤碳库运行周转的重要因素[17], 目前国内外对土壤易氧化有机碳和碳库管理指数做出了大量研究[18, 19], 有研究发现, 麦秸配施纤维素降解菌显著提高土壤有机碳库活度及含量, 改善土壤生化性质 [20]. 徐明岗等[21]表明, 碳库管理指数数值上升, 表明土壤培肥管理措施良好, 反之则不合理. 陈尚洪等[22, 23]指出, 四川盆地稻田秸秆还田旋耕提升了土壤碳库管理指数, 土壤有效碳库质量. 有关秸秆还田对土壤碳库管理指数的报道很多, 然而对于短期秸秆还田研究结果存在较多争议. 基于长期定位试验研究秸秆还田方式对麦-玉周年农田土壤碳库的影响对秸秆还田方式起到优化作用, 对农田固碳减排具有宏观指导意义.
因此, 本文基于连续麦玉周年秸秆还田长期定位试验, 探讨麦-玉秸秆单双季还田对周年产量、有机碳固储量、秸秆碳利用效率和碳库管理指数的影响, 以期为实现小麦-玉米一年两熟集约化种植系统农田质量与碳效益协同提升提供理论和生产指导.
1 材料与方法 1.1 试验地概况本研究于2012~2020年在山东省农业科学院玉米研究所龙山试验基地(36°43′ N, 117°32′ E)开展, 本地区具备典型的黄淮海区域特征, 属于温带大陆性季风气候, 年均日照时数为2 558.3 h, 年均气温为13.6 ℃, 年均降雨量为693.4 mm. 采用麦-玉一年两熟轮作种植制度, 土壤类型为典型棕壤土, 试验地初始耕层土壤基础养分含量如表 1所示.
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表 1 试验初始耕层土壤理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of the initial topsoil |
1.2 试验设计与田间管理
设置两个试验处理：①麦玉双季秸秆还田(WS-MS)：小麦秸秆机械粉碎旋耕翻入15~20 cm土层, 玉米秸秆粉碎后覆盖农田表面. ②麦玉单季秸秆还田(WS-MN)：小麦秸秆机械粉碎旋耕翻入15~20 cm土层, 玉米人工贴地收割后, 全部移除. 每个处理均设3次重复, 试验共6个小区.
冬小麦供试品种为济麦22, 播种量为172.5 kg·hm-2, 播种行距约24 cm, 播种幅宽约8 cm, 约10月末播种, 次年6月初收获；夏玉米供试品种采用鲁单9066, 种植密度为75 000株·hm-2, 播种行距60 cm, 约6月初种植, 10月初收获. 播种时均施复合肥(N∶P2O5∶K2O为17∶17∶17) 600 kg·hm-2作为基肥, 于小麦拔节期和玉米大喇叭口期分别追施尿素225 kg·hm-2. 收获期取植株、土壤样品进行指标测试, 作物生长期间统一控制病虫害和杂草.
1.3 作物秸秆还田量2013~2020年际间秸秆还田量(图 1). WS-MS处理和WS-MN处理年均麦-玉秸秆还田量分别为13.48 t·hm-2和5.43 t·hm-2, 其中WS⁃MS处理小麦秸秆还田量为5.71 t·hm-2.
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WS-MN为麦-玉单季还田处理, WS-MS为麦-玉双季还田处理；不同小写字母表示同系列不同处理间差异显著(P < 0.05), 下同 图 1 不同秸秆还田量地上部秸秆还田量 Fig. 1 Different straw returning amount of overground straw returning amount |
于2013~2020年玉米收获后, 按S分布取样法取0~100 cm土层土样, 每0~20 cm为一个土层, 采取环刀法测定土壤容重. 容积样品于105 ℃烘干至恒重, 容重等于土壤干重除以环刀体积[24].
1.4.2 土壤有机质和易氧化有机碳测定于2013~2020年玉米收获时, 用土钻在各小区随机3点取样, 每20 cm一层共采集5层. 然后清除石子、残渣等残留杂质, 自然风干、磨碎和过筛2 mm备用. 测定土壤易氧化有机碳(EOOC)含量采用高锰酸钾氧化法[25], 采用水合热重铬酸钾氧化-比色法[26]测定土壤有机碳(soil organic carbon, TOC)含量.
1.4.3 产量在小麦收获期每个小区随机选取面积为1 m2 3个点的测定小麦穗数、穗粒数、籽粒含水量和千粒重, 同时计算出小麦产量. 在玉米收获期, 每个试验小区调查亩穗数、空秆率和双穗率, 同时测定玉米穗行数、行粒数、籽粒含水量和千粒重, 同时计算出玉米产量.
1.5 数据计算与分析 1.5.1 土壤固储量
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式中, TOCstorage表示土壤碳固储量(t·hm-2)；TOCi表示第i种土壤有机碳含量(g·kg-1)；Ri表示第i种土壤容重(g·cm-3)；Hi表示第i种土壤深度(cm)；0.1表示单位转换系数.
1.5.2 土壤碳库管理指数碳库活度(CPA)和碳库活度指数(CPAI)通常用来表示土壤的活跃程度, 土壤活跃度越大, 表明易分解土壤有机质, 耕作方式对土壤经营管理方式更有效, 越有利于作物生长. 碳库指数(CPI)和碳库管理指数(CPMI)是土壤碳库变化的重要指标, 可以系统反映在不同的管理方式下土壤碳库水平的动态变化情况与更新程度. 以2013年麦玉秸秆单季还田各土层土壤为参考土壤, 土壤碳库管理指数计算方法如下[27]：
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作物碳投入量：碳投入量根据作物秸秆生物量的比值获得, 小麦和玉米秸秆碳含量分别约为42.5%和44.4%[28]. 小麦和玉米的籽粒含碳率分别为48%和47%；植株含碳量包括籽粒含碳量、秸秆含碳量.
碳生产效率(Ep)和碳生态效率(Ee)的计算公式如下：
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式中, Cgrain、Ca和Cc分别为作物籽粒含碳量、碳投入量和植株含碳量, Ep为衡量生产中投入单位数量碳作物籽粒生产效率；Ee为衡量作物生产系统碳的源汇强度和生产系统的可持续性.
1.6 数据分析采用SPSS 22.0进行数据处理、相关性与显著性方差分析(LSD法, P < 0.05), 使用Origin2018进行图形绘制.
2 结果与分析 2.1 土壤碳库秸秆可提高各土层WS-MS处理和WS-MN处理的TOC和EOOC含量(表 2). 0~20 cm土层中, WS-MS处理和WS-MN处理的TOC分别提高了20.5%和18.3%, WS-MS处理和WS-MN处理的EOOC含量分别提高了50.6%和49.7%. WS-MS处理较WS-MN处理的TOC和EOOC含量分别高出1.8%和6.0%. 20~40 cm土层中, WS-MS处理和WS-MN处理TOC和EOOC含量均低于0~20 cm土层, WS-MS处理和WS-MN处理的TOC含量分别降低了2.7%和2.4%, EOOC含量分别增加了28.9%和24.0%. WS-MS处理较WS-MN处理的TOC含量降低0.3%, EOOC含量提高4%. 40~100 cm土层中, WS-MS处理较WS-MN处理的TOC和EOOC含量分别提高5%和6.1%. 0~100 cm土层中, WS-MS处理和WS-MN处理的TOC含量分别增加了8.1%和5.5%, WS-MS处理和WS-MN处理的EOOC含量分别增加了50.4%和45.5%, WS-MS处理较WS-MN处理的TOC和EOOC含量分别高出2.3%和5.5%.
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表 2 不同秸秆还田量下各土层土壤有机碳含量与易氧化有机碳含量 Table 2 Soil organic carbon content and oxidizable organic carbon content in different soil layers under different straw returning rates |
秸秆还田可增加土壤碳固储量(图 2). 连续8 a秸秆还田处理后, 0~20 cm土层, WS-MS处理和WS-MN处理有机碳储量增幅最大, 分别提升20.5%和18.3%, WS-MS处理较WS-MN处理有机碳储量提高1.8%. 20~40 cm土层, 土壤有机碳储量增幅最小, WS-MS处理和WS-MN处理分别提升1.1%和1.5%, WS-MS处理较WS-MN处理有机碳储量高出1.7%. 40~100 cm土层, WS-MS处理较WS-MN处理有机碳储量高出0.4%.
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图 2 不同秸秆还田量下各土层土壤碳储量 Fig. 2 Soil carbon storage under different straw returning amounts |
秸秆还田增加各土层WS-MS处理和WS-MN处理的CPI、CPA、CPAI和CPMI值, 且4个指标均表现为WS-MS处理大于WS-MN处理(图 3). 0~40 cm土层下, WS-MS处理和WS-MN处理之间CPI、CPA、CPAI和CPMI没有差异, 说明不同秸秆还田量对0~40 cm土层碳库活度影响较小. 40~100 cm土层中, WS-MS处理较WS-MN处理的CPA和CPMI分别高出7.4%和8.0%, 说明不同秸秆还田量对40~100 cm土层的影响大, 尤其是对WS-MS处理影响突出. 0~100 cm土层下, WS-MS处理较WS-MN处理的CPI、CPA、CPAI和CPMI分别高出3.7%、20.5%、11.9%和5.7%.
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图 3 不同秸秆还田量下各土层土壤碳库管理指数 Fig. 3 Soil carbon pool management index of each soil layer under different amount of straw returning |
不同秸秆还田模式下, 作物碳生产效率和生态效率在各年份间均表现为WS-MN处理显著高于WS-MS处理(图 4), WS-MN处理的年均生产效率为较WS-MS处理高出136.1%. WS-MN处理的年均生态效率较WS-MS处理高出64.2%.
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图 4 不同秸秆还田方式下农田碳生产和生态效率 Fig. 4 Farmland carbon production and ecological efficiency under different straw returning methods |
不同秸秆还田模式下小麦、玉米和麦-玉周年总产量如图 5所示. 小麦产量在各年份间均表现为WS-MS处理高于WS-MN处理, WS-MS处理的年均小麦产量较WS-MN处理高出2.5%. 玉米产量在各年份间均表现为WS-MN处理高于WS-MS处理, WS-MN处理年均玉米产量较WS-MS处理提高6.3%. 麦-玉周年产量在各年份间总体表现为WS-MN处理高于WS-MS处理, WS-MN处理的年均麦-玉周年产量较WS-MS处理提高0.2%. 说明秸秆双季还田条件下可以有效提高小麦产量, 而秸秆单季还田条件下可以提高玉米和麦-玉周年产量.
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图 5 不同秸秆还田量下小麦、玉米和麦-玉周年产量 Fig. 5 Annual yield of wheat, maize, and wheat-maize under different straw returning amounts |
秸秆还田量对麦-玉周年产量、有机碳含量(TOC)、易氧化有机碳含量(EOOC)和碳库管理指数(CPMI)进行相关性分析如图 6所示. 单季碳投入量与双季碳投入量与CPMI均呈现正相关关系；单季碳投入量与双季碳投入量与玉米周年产量均呈现显著正相关关系, 但单季秸秆还田下与有机碳含量成正相关, 而双季秸秆还田下与有机碳含量成负相关, 表明秸秆还田量并非越多, 其越有利于提高土壤有机碳含量.
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*为P < 0.05, **为P < 0.01 图 6 不同秆还田模式对碳库相关成分和麦-玉周年产量的相关分析 Fig. 6 Correlation analysis of carbon sink and annual wheat-maize yield by different straw returning models |
土壤碳库是表征土壤肥力的重要指标, 秸秆还田是提升土壤碳库的措施之一. 本研究结果表明, 持续8 a的秸秆还田有利于提升0~20 cm土层TOC和EOOC含量, WS-MS处理较WS-MN处理分别提高20.5%和50.6%, 这与大多数研究的结论一致[29, 30]. 无论秸秆还田量的多少都有助于提高0~20 cm土层TOC和EOOC含量, 且随着年份的增长逐渐趋于平稳. 但是秸秆还田对土壤TOC和EOOC含量的影响意见不一, Ndzelu等[31]研究表明秸秆还田可降低土壤TOC含量, 徐明岗等[21]研究表明, 秸秆还田虽能提高土壤TOC含量但对EOOC含量无显著影响, 这可能与气候和土壤地质等因素有关.
0~20、20~40和40~100 cm土层土壤碳固储量表现为WS-MS处理高于WS-MN处理, 且这两个处理的20~40 cm土层碳固储量均低于0~20 cm, 这是因为秸秆大多富集在土壤表层, 秸秆腐解释放的一部分养分转变为土壤所需的有机质, 使得土壤养分得到补充, 同时提高了有机质在土壤表层的含量, 进而提高土壤微生物活性, 提升了土壤EOOC含量；也可能是由于0~20 cm土层容重较低, 导致0~20 cm土层碳库含量较高. 这与王雪松等[32]研究的结果一致, 表明土壤容重和紧实度增大, 降低有机碳储量. 有研究者认为秸秆还田对0~20 cm土层碳储量的提高影响显著, 这与秸秆还田可以促进表层碳素固定, 从而提高土壤碳含量的积累有关[33]. 高洪军等[34]研究也表明, 土壤有机碳储量与秸秆外源碳的输入量呈极显著正相关. 但也有研究持相反观点, Singh等[35]指出, 秸秆还田管理措施对农田土壤固碳的效果是有限的, 在还田初期具有较强的固碳作用, 而随着年限的增加, 固碳能力减弱, 从而影响有机碳储量[36], 这可能是由于与秸秆C/N较高, 减弱了微生物分解作用[37], 也可能与SOC含量达到饱和状态有关.
3.2 不同还田模式对碳库管理指数的影响随着土壤有机碳及其活性成分的变化, 碳库管理指数逐步成为衡量TOC变化速率和状态的指标, 其数值越高, 说明土壤有机碳转化速度越快, 除此之外, 碳库管理指数也可用来表示管理措施对土壤耕地质量提升的能力, 能够更好地评估农业实践的功效[38]. 本研究以秸秆单季还田为参考土壤, 经过8a试验, WS-MS处理下土壤碳库活度、碳库指数、碳库活度指数和碳库管理指数均高于WS-MN处理, 这是因为秸秆双季还田模式投入的秸秆大于秸秆单季还田投入的秸秆量, 有利于增加土壤有机碳含量, 提高碳库管理指数. 这与赵惠丽等[39]研究的结果一致, 秸秆还田对提高土壤有机质储量和不稳定碳组分均有一定的效果, 有利于提高土壤耕地质量和碳库管理指数, 在全量秸秆还田的条件下, 效果最显著. 但是徐明岗等[21]研究表明, 秸秆还田10a后其碳库管理指数呈先下降后上升趋势, 这种变化很大程度与土壤质地等有关, 红壤地区酸化比较严重, 速效养分较低, 使得该地区碳库管理指数对秸秆还田的响应迥异. 王丹丹等[40]研究表明, 在不同耕作条件下, 由于砂壤土地质松软和保水性差, 长期秸秆还田增加了土壤有机碳的矿化, 土壤有机质被微生物降解, 导致释放养分秸秆还田对CPMI及CPAI无显著影响.
3.3 不同秸秆还田模式下对作物碳效率的影响种植制度、资源投入量、农田管理以及最终获得产出量不同, 农田生产的碳效率也存在较大差异. 本研究持续8a的秸秆投入条件下, 小麦和玉米秸秆还田方式不同所带来的秸秆还田量不同, 导致农田生产碳效率差异显著. 相对于WS-MN处理的玉米秸秆不还田导致的碳投入量明显增大, 导致WS-MN处理的碳效率显著大于WS-MS处理. 但是当前畜牧业发展迅速, 玉米秸秆饲料化具有广大的发展空间和前景.
3.4 土壤碳库对作物产量的影响土壤有机碳的固存主要依赖外部碳源, 如田间和动植物残体等, 土壤有机质的矿化和淋溶等过程也是有机碳固存的途径之一. 在没有合理施用有机肥的麦玉轮作生产中, 还田作物残体, 尤其是秸秆, 能增加土壤有机碳含量和碳固存量, 被认为是影响土壤汇碳功能与有机碳固存的决定因素[41]. 本研究中秸秆单、双季还田均能提高产量, 但是WS-MN处理能有效提高玉米产量, WS-MS处理对小麦产量的提高具有明显优势, 周年产量以WS-MN增产效果最佳, 说明小麦、玉米对秸秆还田的多少敏感性不同. 目前有关秸秆还田对作物产量的影响存在多种观点, 其中大量研究的结果与本文的一致, 张翰林等[42]指出秆还田能有效提高土壤肥力, 提高作物产量；鲁悦等[43]研究发现, 秸秆少量还田较秸秆不还田可显著提高玉米产量. 王良等[44]等研究发现, 作物籽粒产量随着秸秆还田量的降低呈现先增后减的趋势, 这可能是因为耕地质量、土壤的理化特性、区域的气候条件甚至是施肥等其他农田管理措施的不同. 但也有少数研究与此文持相反观点, 如Zhao等[45]指出, 双季全量还田能够显著提高作物周年产量, 刘学彤等[46]认为高还田量可以获得最高麦玉周年高产, 这可能与土壤质地和施肥量不同等因素有关.
4 结论黄淮海地区小麦-玉米一年两熟种植制度下, 基于8a的长期定位试验结果表明, 不同秸秆还田模式均能增加土壤TOC、EOOC含量、土壤固储量、碳库管理指数和产量. 麦玉秸秆双季还田处理的土壤碳库优于麦秸秆单季还田处理, 但是差异不显著；而麦秸单季还田的年均秸秆利用效率和碳效率均显著高于麦玉秸秆双季还田. 因此, 基于秸秆利用效率、作物丰产性以及碳效率等关键指标的系统评价, 建议黄淮海地区小麦-玉米一年两熟集约化种植系统优化调整麦玉秸秆双季还田为麦秸单季还田模式, 利于小麦-玉米周年丰产与生态高效协同.
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