周年秸稈還田對農(nóng)田土壤固碳及冬小麥-夏玉米產(chǎn)量的影響

李昊昱 孟兆良 龐黨偉 陳 金 侯永坤 崔海興 金 敏王振林,* 李 勇,*

1山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院 / 作物生物學國家重點實驗室； 2山東農(nóng)業(yè)大學生命科學學院, 山東泰安271018

農(nóng)田土壤碳庫約占陸地土壤碳庫的 8%～10%,對農(nóng)藝管理措施響應敏感[1], 促進農(nóng)田土壤固碳對土質(zhì)提升與作物增產(chǎn)有重要意義[2]。土壤團聚體的團聚作用被認為是有機碳固定的核心機制[3], 其穩(wěn)定性與有機碳的長期固存密切相關[4]。秸稈還田是農(nóng)田碳輸入和驅(qū)動團聚體周轉的重要因素[5]。因此,研究秸稈還田對土壤團聚體及有機碳的影響對農(nóng)田土壤固碳意義重大。

合理的秸稈還田能夠改善土壤結構, 提高有機質(zhì)含量, 促進大團聚體形成, 利于作物增產(chǎn)[6]。秸稈雙季還田配施適量氮肥能夠有效降低土壤容重, 增加總孔隙度, 是改良砂姜黑土的有效措施[7]； Zhao等[8]認為雙季全量還田能夠顯著改善土壤結構, 提高土壤有機碳含量及周年產(chǎn)量, 單季還田則能夠維持土壤有機碳初始水平； 在萊陽潮土區(qū), 麥玉雙季還田處理下作物籽粒品質(zhì)優(yōu)于小麥單季還田[9]； 同時, 許菁等[10]發(fā)現(xiàn), 深松+秸稈還田能夠顯著增強小麥玉米光合能力, 提高單季和周年產(chǎn)量。然而, 也有研究表明秸稈還田對土壤團聚體和作物產(chǎn)量產(chǎn)生負面影響[11]。因此, 秸稈還田的效應與特定生態(tài)區(qū)、還田量、耕作方式及施氮量等配套農(nóng)藝措施密切相關。

隨著作物單產(chǎn)的提高以及秸稈綜合利用技術的發(fā)展, 選擇適宜的周年秸稈還田模式對于兼顧土質(zhì)提升和秸稈資源的充分利用有重要意義。前人對黃淮海東部地區(qū)小麥玉米周年生產(chǎn)中秸稈還田技術的研究多集中于雙季秸稈還田； 單季秸稈還田對土壤肥力、作物生產(chǎn)的影響仍需深入。此外, 大部分研究側重于秸稈還田對耕層(0～20 cm)土壤結構和養(yǎng)分的影響, 較少關注更深層土壤碳庫變化； 同時, 研究與該區(qū)常用耕作方式相結合的周年還田模式更具有現(xiàn)實推廣意義。本試驗分析不同周年秸稈還田模式對土壤容重、團聚體組成與穩(wěn)定性、團聚體有機碳含量、土壤固碳能力以及小麥-玉米周年產(chǎn)量的影響, 旨在為現(xiàn)有耕作制度下提升土壤生產(chǎn)潛力和優(yōu)化配套區(qū)域秸稈還田模式提供理論依據(jù)與技術支撐。

表1 試驗設計Table 1 Experiment design

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

山東農(nóng)業(yè)大學試驗站(山東泰安, 36°09′N,117°09′E)屬于溫帶半濕潤大陸性氣候, 年平均氣溫13℃, 年平均降雨量 697 mm, 是典型的冬小麥-夏玉米一年兩熟區(qū)。試驗開始前耕層(0～20 cm)土壤含有機質(zhì)14.37 g kg-1、全氮1.24 g kg-1、速效磷9.60 mg kg-1、速效鉀85.30 mg kg-1、硝態(tài)氮12.79 mg kg-1、銨態(tài)氮6.06 mg kg-1, pH 8.06。

1.2 試驗材料與設計

定位試驗中設置雙季秸稈不還田(NS)、夏玉米季秸稈還田(SS)、冬小麥季秸稈還田(WS)、雙季秸稈還田(DS) 4個處理。采取隨機區(qū)組設計, 3次重復,小區(qū)面積為9 m × 3 m = 27 m2。田間操作見表1。

供試冬小麥品種為濟麥 22, 種植密度為2.25×106株 hm-2, 行距 25 cm。于 2016年 10月 9日、2017年10月8日播種(按照種植密度×130%播種), 三葉期查苗、定苗(根據(jù)種植密度要求, 每平方米留苗225株, 去弱留強)。各處理施肥量均為純氮225 kg hm-2, 耕地時施入 50%氮肥(尿素)、105 kg hm-2P2O5(過磷酸鈣)和105 kg hm-2K2O (氯化鉀),其余氮肥于拔節(jié)期開溝追施。供試夏玉米品種為鄭單 958, 種植密度為 6.75×104株 hm-2。于 2017年 6月11日、2018年6月9日播種, 各處理施肥量均為純氮180 kg hm-2、120 kg hm-2P2O5(過磷酸鈣)和96 kg hm-2K2O (氯化鉀), 50%氮肥和全部磷、鉀肥于播種前施入, 其余氮肥于大喇叭口期追施。耕作方式為冬小麥季旋耕(10～12 cm), 夏玉米季免耕。其他管理措施同高產(chǎn)田。還田秸稈均為上季作物殘茬(表 2)。

1.3 樣品采集

1.3.1 土壤容重樣品采集 于2017年9月25日和2018年9月20日采集土壤容重樣品, 從各小區(qū)隨機選取 5個點, 采用環(huán)刀法每 10 cm一層, 測定0～40 cm土層容重。

1.3.2 土壤團聚體樣品采集 于 2017年9月25日和2018年9月20日從各小區(qū)隨機選取5個點, 使用分離式土壤原狀土取樣器(AWS-ETC-300E, 美國)采集具有代表性的原狀耕層土壤(避免外力擠壓, 以保持原來的結構狀態(tài)), 分 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 4個層次。運回室內(nèi)(運輸時避免震動和翻倒), 沿土壤的自然結構輕輕撥開, 將原狀土剝成小土塊, 防止外力作用而變形, 去除秸稈、根系殘體與小石塊, 于通風處自然風干。

1.3.3 土壤樣品采集 于 2017年 9月 25日和2018年9月20日從各小區(qū)隨機選取5個點, 分別用土鉆采集 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm土層土壤, 充分混合后, 經(jīng)風干, 磨碎, 過 60目篩,測定土壤有機碳含量。

1.4 樣品分析及方法

1.4.1 土壤團聚體分析 采用改進的濕篩法測定土壤團聚體含量, 取各處理 50.0 g土樣, 用于濕篩的分析, 采用土壤團聚體分析儀(TTF-100, 浙江舜龍), 一次可同時分析4個土樣, 套篩孔徑依次為5、2、1、0.5和0.25 mm。將土樣倒入套篩中, 在水中穩(wěn)定10 min, 然后按20次 min-1的頻率上下振動3 min (上下篩動時套篩不能露出水面)。篩分結束后,將留在篩子上的各級團聚體用去離子水流通過漏斗分別洗入鋁盒, 澄清后倒去上清液, 40℃烘干至恒重, 在空氣中平衡2 h后稱量。磨碎過60目篩, 測定各粒級土壤團聚體有機碳含量。

1.4.2 土壤有機碳含量測定 采用重鉻酸鉀-外加熱法測定土壤有機碳含量。

1.4.3 產(chǎn)量相關性狀測定 冬小麥成熟期在各小區(qū)內(nèi)選取長勢均勻一致的區(qū)域, 收獲 2.0 m×6行(共計3 m2, 不包括邊行), 采用QKT-320A型小型種子脫粒機(河南省衛(wèi)輝市種子機械制造廠)脫粒, 風干后調(diào)整含水量至12%測定籽粒產(chǎn)量。夏玉米成熟期在每個小區(qū)去除邊行后, 隨機收獲雙行玉米中的連續(xù)30穗,人工脫粒, 風干后調(diào)整含水量至14%測定籽粒產(chǎn)量。1.4.4 樣品分析與計算公式

(1) 土壤不同粒級團聚體的質(zhì)量百分比：

式中,wi代表第i級團聚體的質(zhì)量分數(shù)(%)；Wi代表第i級團聚體的風干質(zhì)量(g)。

(2) 土壤大團聚體數(shù)量：

式中,R0.25代表大團聚體(＞0.25 mm)數(shù)量(%),Wi＞0.25代表＞0.25 mm團聚體的重量。

(3) 平均重量直徑(MWD)：

式中,xi為第i級團聚體的平均直徑(mm),wi為第i級團聚體的質(zhì)量比例(%)。

(4) 土壤有機碳儲量：

式中, SCS代表土壤有機碳儲量(t C hm-2)； SOC代表土壤有機碳含量(g kg-1)； SBD代表土壤容重(g cm-3)；H代表土層深度(cm)。

(5) 土壤不同粒級團聚體的固碳能力：

式中, CPCi代表第i級土壤團聚體固碳能力； SSACi代表第i級團聚體中土壤有機碳含量(g kg-1)；wi代表第i級團聚體的質(zhì)量分數(shù)(%)。

1.5 統(tǒng)計分析

對2018年樣品進行分析, 采用Microsoft Excel 2016整理數(shù)據(jù), 用DPS 7.05進行統(tǒng)計方差分析, 用LSD 法進行多重比較, 采用 SigmaPlot 12.5繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤容重與團聚體分布

在0～40 cm土層中, 隨土層加深, 容重增加, 大團聚體質(zhì)量比例減少(表3)。與秸稈不還田相比, 各秸稈還田處理均不同程度降低了0～30 cm各土層的土壤容重, SS、WS和DS處理分別平均降低4.8%、2.7%和 6.1%； 大團聚體質(zhì)量比例平均分別提高12.8%、15.0%和 12.9%, 說明秸稈還田能夠有效地改善土壤結構。3種還田模式中, DS處理對容重的降低效果最顯著。

表3 不同秸稈還田模式對0～40 cm土壤容重、團聚體分布及穩(wěn)定性的影響Table 3 Effect of different straw incorporation model on soil bulk density, soil aggregate proportion, and mean weight diameter in 0-40 cm layers

不同粒級團聚體分布如表3所示, 在0～40 cm各土層中, 1.0～0.5 mm 粒級團聚體質(zhì)量比例分別為24.5%、26.5%、25.6%和33.7%, 是土壤團聚體的優(yōu)勢粒級； 在 0～10 cm 土層中, 秸稈還田主要通過提高＞5 mm、1.0～0.5 mm粒級團聚體質(zhì)量比例來提高R0.25, 各處理平均提升100.8%和25.5%； 在10～20和20～30 cm土層中,R0.25的提升主要是由于 5～2 mm (14.7%和64.5%)和1.0～0.5 mm (15.8%和14.6%)粒級團聚體的提升。所有土層中, 均以 DS處理大團聚體提升幅度最大。同時, 與不還田處理相比, 各秸稈還田處理顯著降低了0～30 cm各土層微團聚體質(zhì)量比例, 平均分別降低35.5%、44.7%和31.5%。在30～40 cm各土層中,R0.25以及各團聚體分布處理間差異不顯著。平均重量直徑(MWD)是評價土壤團聚體穩(wěn)定性的重要指標, 在0～10 cm、10～20 cm和 20～30 cm土層中, 秸稈還田處理的 MWD值顯著高于無秸稈還田處理, 說明秸稈還田提高了土壤團聚體的穩(wěn)定性。其中, DS處理提升效果最顯著。在30～40 cm土層中, 各處理間無顯著性差異, 說明秸稈還田對該土層土壤團聚體結構影響較小。

2.2 土壤總有機碳含量和儲量

不同秸稈還田模式均顯著提高了0～30 cm各土層中有機碳含量(SOC)(圖1)。與NS相比, DS提升幅度最大, 增幅為 16.3%～20.8%； 各秸稈還田處理SOC在不同土層表現(xiàn)出不同趨勢, 在0～10 cm土層表現(xiàn)為 DS＞SS＞W(wǎng)S＞NS； 而在 10～30 cm 土層中則表現(xiàn)為 DS＞W(wǎng)S＞SS＞NS。30～40 cm 土層中, 各處理間SOC含量無顯著性差異。從不同土壤層次來看, 秸稈還田處理下0～10 cm和10～20 cm土層中有機碳含量顯著高于20～30 cm和30～40 cm土層, 說明秸稈還田主要促進表層有機碳積累。

不同處理下土壤有機碳儲量(SCS)表現(xiàn)為10～20 cm＞0～10 cm＞20～30 cm＞30～40 cm。0～20 cm 土層中SCS占0～40 cm土層SCS的63.6%, 表現(xiàn)出“上富下貧”的規(guī)律。與不還田相比, 各秸稈還田處理均顯著提高了0～30 cm各土層中有機碳儲量, 以DS處理最為顯著, 分別提升6.6%、12.5%和14.6%。

2.3 團聚體有機碳含量

由表4可以看出, 0～40 cm各土層中有機碳含量均隨團聚體粒級的減小逐漸減少。10～20 cm土層中各粒級團聚體有機碳含量最高, 其他土層依次為0～10 cm、20～30 cm 和 30～40 cm, 與 SOC、SCS 規(guī)律表現(xiàn)一致。與秸稈不還田處理相比, 各秸稈還田處理對所有粒級團聚體中有機碳含量均有不同程度的提高； 各處理效果總體表現(xiàn)為DS＞W(wǎng)S＞SS, DS處理下各粒級團聚體 SOC平均分別提高 12.5%、18.2%、16.4%、13.9%、12.4%和10.7%。

圖1 不同秸稈還田模式對0～40 cm土壤有機碳含量和儲量的影響Fig. 1 Effects of straw incorporation on SOC and SCS in 0-40 cm layers

表4 不同秸稈還田模式對0～40 cm土層中各粒級團聚體關聯(lián)有機碳含量的影響Table 4 Effect of straw incorporation on aggregate-associated soil organic carbon content in 0-40 cm layers

2.4 土壤團聚體固碳能力

各土層土壤固碳能力為 10～20 cm≈0～10 cm＞20～30 cm＞30～40 cm (表 5)。與不還田處理相比, 秸稈還田顯著提高了0～30 cm各土層土壤總固碳能力,平均分別提升7.2%、8.7%和21.4%。在0～10 cm土層, 秸稈還田主要提高了＞5 mm和1.0～0.5 mm粒級土壤團聚體的固碳能力, 平均分別提高 0.30 g kg-1和0.42 g kg-1； 其中DS處理效果最顯著。在10～20 cm土層, 與不還田處理相比, ＞5 mm和5～2 mm粒級團聚體固碳能力顯著提高, 平均分別提高 0.24 g kg-1和0.39 g kg-1。在20～30 cm土層, 各秸稈還田處理則主要提高了5～2 mm、2～1 mm和1.0～0.5 mm粒級團聚體固碳能力, 平均分別提高 0.43 g kg-1、0.34 g kg-1和 0.30 g kg-1。但秸稈還田降低了 0～30 cm土層中0.50～0.25 mm和＜0.25 mm粒級團聚體固碳能力, 平均分別降低0.11 g kg-1和0.38 g kg-1?？傮w來看, DS處理下土壤固碳能力增幅最大, 說明雙季秸稈還田最利于土壤有機碳的固定。

2.5 秸稈還田量與SBD、SOC、SCS、MWD和CPC間的關系

作物地上部秸稈還田量(SIR)與 0～30 cm 土壤SOC、SCS、MWD和CPC之間顯著正相關(表6), 表明地上部秸稈還田總量是促進SOC和SCS提高、團聚體穩(wěn)定性和土壤固碳能力增強的主要因素之一, 與0～30 cm土層SBD呈顯著負相關, 說明秸稈還田量對降低土壤容重有一定影響。土壤有機碳作為土壤團聚過程中的膠結劑, 其含量影響著土壤團聚體的穩(wěn)定性。在 0～10 cm、10～20 cm和 20～30 cm土層中, SOC與MWD值呈顯著正相關, 說明較高的SOC促進了團聚體穩(wěn)定性的提高； 同時SOC與SBD呈顯著負相關。SCS與SBD相關性不顯著, 與SOC顯著正相關, 說明SOC是決定SCS的主要因素。SOC、SCS和 MWD均與 0～30 cm土壤 CPC呈顯著正相關, 表明土壤固碳能力的提升與有機碳含量、儲量的提高和團聚體穩(wěn)定性的增強密不可分。

表5 不同秸稈還田模式對0～40 cm土層土壤固碳能力的影響Table 5 Effect of straw incorporation on carbon preservation capacity of soil aggregates in 0-40 cm layers

表6 作物地上部還田量與SBD、SOC、SCS、MWD和TCPC之間的相關系數(shù)Table 6 Correlation coefficients of SIR with SBD, SOC, SCS, MWD, and TCPC

2.6 冬小麥-夏玉米產(chǎn)量

秸稈還田顯著提高了冬小麥、夏玉米的籽粒產(chǎn)量(表 7), 兩年規(guī)律表現(xiàn)一致, 雖然 2017—2018年小麥產(chǎn)量整體下降, 但秸稈還田對產(chǎn)量的提升作用依然顯著。3種還田模式中, 以DS處理增產(chǎn)效果最為顯著, 小麥、玉米兩年平均每公頃增產(chǎn) 1297.15 kg和 1175.03 kg； 周年總產(chǎn)對秸稈還田響應顯著,SS、WS、DS處理兩年分別平均增產(chǎn) 4.4%、8.1%和14.3%。SS主要提高了夏玉米產(chǎn)量, WS則主要提高了冬小麥籽粒產(chǎn)量, DS處理下小麥、玉米增產(chǎn)均衡, 說明秸稈還田主要影響當季作物的籽粒產(chǎn)量。

表7 不同秸稈還田模式對冬小麥和夏玉米產(chǎn)量的影響Table 7 Effects of straw incorporation on grain yield of winter wheat and summer maize

3 討論

3.1 秸稈還田對土壤容重和團聚體分布的影響

土壤容重是土壤重要的物理性質(zhì)之一, 能夠有效調(diào)節(jié)土壤水肥熱狀況[12]。多數(shù)研究表明, 秸稈還田對降低土壤容重起積極作用[13], 本試驗結果與前人研究一致(表3)。究其原因, 可能由于秸稈具有密度低的特點, 還田后對土壤起到一種“稀釋作用”,從而降低單位體積土壤的質(zhì)量[14]。

土壤團聚體是由礦物顆粒和有機物形成的不同尺度的多孔結構單元[15], 良好的土壤結構是作物高產(chǎn)的基礎。Foute等[16]研究表明, 大量的秸稈輸入是大團聚體比例和團聚體穩(wěn)定性提高的主要原因。本研究結果表明, 與未還田處理相比, 秸稈還田對土壤團聚體的影響趨勢大致相同, 即大團聚體質(zhì)量比例增加, 微團聚體質(zhì)量比例減小, 團聚體穩(wěn)定性增強(表 3)。其中, 雙季秸稈還田處理效果最顯著, 這與前人研究一致[15,17]。本試驗條件下, 在0～30 cm土層, SOC與MWD呈顯著正相關(表6)。秸稈腐解產(chǎn)生的有機物質(zhì)如多糖和有機酸, 不僅為微生物提供更多的生存環(huán)境, 同時促進土壤微團聚體、土壤礦物質(zhì)和粗顆粒有機物膠結為大團聚體, 提高團聚體的穩(wěn)定性[18]。

3.2 秸稈還田對土壤總有機碳的影響

土壤有機碳能夠有效地調(diào)控土壤的物理、化學和生物過程, 是評價土壤質(zhì)量的重要指標之一[19]。本試驗研究結果表明, 與未還田處理相比, 秸稈還田顯著提高了0～30 cm各土層土壤有機碳含量和儲量(圖 1), 與前人研究一致[17,20]。Stewart等[21]認為,當農(nóng)田土壤有機碳含量未飽和時, 秸稈還田才能夠提高SOC含量。本研究表明, 在黃淮海平原小麥玉米輪作中, 雙季秸稈還田處理的SOC和SCS高于單季還田處理高于未還田處理, 說明該區(qū)域農(nóng)田土壤中有機碳含量和儲量尚未達到飽和。因此, 秸稈還田仍是黃淮海東部提升地力的有效措施。

農(nóng)田土壤有機碳主要取決于有機物料輸入與輸出的平衡[22]。本研究結果表明, 在0～30 cm土層中,秸稈還田量與 SOC呈顯著正相關(表 6)。小麥秸稈還田量雖大, 但對SOC的提升作用不如玉米秸稈還田, 其原因可能為冬小麥季播前旋耕使得玉米秸稈與土壤接觸緊密, 為土壤微生物提供了附著點和營養(yǎng)源, “刺激”了微生物活性, 加速了玉米秸稈的腐解[23-24]； 而小麥秸稈為免耕覆蓋還田, 表層秸稈只能經(jīng)風化等物理過程初步降解[25], 只有與土壤接觸的下層秸稈才能由微生物快速分解, 導致SS處理下0～10 cm土層SOC和SCS高于WS處理。同時, 小麥秸稈的 C/N要高于玉米秸稈, 腐解速率較低[26]。綜上所述, 農(nóng)田土壤有機碳的積累主要取決于秸稈還田量、還田秸稈性質(zhì)及其腐解速率。

3.3 秸稈還田對土壤團聚體有機碳及固碳能力的影響

有研究表明, 土壤表層有機碳約 90%儲存在團聚體中, 團聚體的團聚作用對實現(xiàn)農(nóng)田土壤固碳具有重要意義[27]。本實驗條件下, 土壤團聚體中有機碳含量均隨團聚體粒徑的增大而增加(表4), 說明大團聚體是有機碳的主要載體[28]。同時, 秸稈還田也提高了團聚體的固碳能力, 尤其是＞5 mm、5～2 mm、1～0.5 mm粒級土壤團聚體(表 5)。秸稈腐解釋放的有機碳受土壤大團聚體的物理保護, 并在其中進行化學轉化和結構穩(wěn)定, 進而影響微生物群落和功能的進化與匹配, 最終將有機碳固定在土壤中[29]。團聚體的固碳效應以及大團聚體的形成是有機碳與團聚體共同作用的結果, 二者相輔相成, 共同促使土壤質(zhì)量良性化發(fā)展。三種秸稈還田處理中, 以雙季秸稈還田對土壤團聚體穩(wěn)定性與固碳能力改善效果最顯著, 可能是秸稈還田量差異造成的[30]。

3.4 秸稈還田對作物產(chǎn)量的影響

本試驗研究結果表明, 與不還田相比, 無論何種還田模式, 兩年度小麥-玉米周年產(chǎn)量均得到了提升(表7), 與前人研究結果相符[31]。秸稈還田能夠優(yōu)化土壤結構, 補充和平衡土壤養(yǎng)分, 最終提升作物產(chǎn)量。兩種單季還田模式均產(chǎn)生了對還田當季作物明顯的增產(chǎn)效應, 其原因可能與秸稈分解特性有關。玉米秸稈主要在越冬期前和拔節(jié)后快速腐解[32],伴隨著養(yǎng)分的釋放, 越冬前秸稈還田有利于培育冬前壯苗, 拔節(jié)后秸稈的快速腐解使得土壤水肥供應更加充足, 進而提高小麥產(chǎn)量。在夏玉米生長季, 秸稈還田補充了土壤中的有機質(zhì)與養(yǎng)分, 從而為籽粒發(fā)育提供充足的碳源[33], 達到玉米增產(chǎn)的目的。

4 結論

秸稈還田能夠顯著提高耕層(0～30 cm)有機碳含量, 優(yōu)化土壤團聚體組成, 提高團聚體穩(wěn)定性與固碳能力, 協(xié)同提高小麥玉米產(chǎn)量。雙季還田模式是當前黃淮海區(qū)域土質(zhì)提升和作物增產(chǎn)的最佳措施；

單季秸稈還田能維持較高的土壤生產(chǎn)力, 同時提供大量秸稈的飼料化、能源化和原料化多元利用。