桓臺(tái)縣冬小麥和夏玉米秸稈長(zhǎng)期還田的生態(tài)效益分析

張 鑫,李菁園,孟凡喬,*,吳文良,李洪波,胡正江

1 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,保定 071000 2 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院農(nóng)田土壤污染防控與修復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193 3 山東省桓臺(tái)縣農(nóng)業(yè)局,淄博 256400

中國(guó)作為世界農(nóng)業(yè)大國(guó),自20世紀(jì)80年代以來(lái),隨著農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)的逐步推廣,每年產(chǎn)生大量的作物秸稈[1],研究表明我國(guó)2015年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量達(dá)到了約9.3億t[2]。秸稈處理已經(jīng)成為諸多國(guó)家(如英國(guó)、墨西哥)所面臨的巨大挑戰(zhàn)[3]。在中國(guó),20世紀(jì)90年代以來(lái)秸稈處理的主要方式是就地焚燒,而隨著秸稈禁燒政策的實(shí)施,秸稈還田逐漸成為中國(guó)乃至其他國(guó)家最簡(jiǎn)單和直接的處理和利用方式[4- 5]。

國(guó)內(nèi)外大量研究發(fā)現(xiàn),在各種農(nóng)田管理措施中,作物秸稈作為外源有機(jī)碳,還田后能增加土壤有機(jī)碳(soil organic carbon,SOC)含量[4],促進(jìn)土壤微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解和腐殖化,補(bǔ)給土壤養(yǎng)分[6],改善和維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[7],增加土壤持水量[8],降低農(nóng)田養(yǎng)分淋失[9- 10]。長(zhǎng)期秸稈還田不僅能提高作物產(chǎn)量,還能維持土壤養(yǎng)分含量的穩(wěn)定[11]。也有學(xué)者認(rèn)為,秸稈還田會(huì)增加雜草和蟲(chóng)害發(fā)生率及播種難度[12],增加土壤微生物對(duì)土壤O2和養(yǎng)分的消耗,可能增加反硝化細(xì)菌活性而增加N2O排放,還能降低作物根系對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收和利用,降低氮素利用效率[13]。因此,對(duì)區(qū)域長(zhǎng)期秸稈還田的農(nóng)學(xué)和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究,可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

華北平原是我國(guó)冬小麥和夏玉米的主要種植區(qū)域,也是作物秸稈的主要來(lái)源。80年代以來(lái),高產(chǎn)品種的引入、化肥和灌溉水的過(guò)量投入以及頻繁耕作等措施推進(jìn)了該地區(qū)的農(nóng)業(yè)集約化過(guò)程[14],提高了糧食產(chǎn)量,使得桓臺(tái)縣成為了江北地區(qū)第一個(gè)噸糧縣[15],全縣冬小麥和夏玉米秸稈年產(chǎn)量達(dá)到了16 Mg/hm2。雖然Liao, 等[15]的研究表明該地區(qū)長(zhǎng)期秸稈還田會(huì)增加土壤SOC含量,但目前為止并沒(méi)有對(duì)該地區(qū)秸稈還田的生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)全面的評(píng)價(jià)。我們對(duì)桓臺(tái)縣30多年以來(lái),作物秸稈還田的演變及其對(duì)作物生產(chǎn)和土壤性狀的影響進(jìn)行系統(tǒng)分析,旨在為我國(guó)諸多集約化農(nóng)業(yè)地區(qū)乃至其他國(guó)家秸稈資源進(jìn)行合理利用和決策提供技術(shù)和管理支持。

1 研究區(qū)概況

本研究對(duì)象為山東省桓臺(tái)縣(東經(jīng)117°50′—118°10′,北緯36°54′—37°04′)(圖1)。該地區(qū)地形屬山前洪積平原和黃淮海平原的疊錯(cuò)地帶,屬典型的平原地區(qū)?；概_(tái)縣地屬暖溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū),四季分明、氣候溫和、陽(yáng)光資源豐富、降水不均、冬春干旱、夏季多雨。年平均氣溫12.5℃,年平均降水量540.7 mm,年日照時(shí)數(shù)2833 h,年無(wú)霜期平均為198d[15- 16]。自20世紀(jì)80年代以來(lái),桓臺(tái)縣主要的作物種植制度為冬小麥(TriticumaestivumL.)-夏玉米(ZeamaysL.)輪作,一年兩熟,冬小麥與每年10月中旬播種并于次年6月上旬收獲,夏玉米于每年6月中下旬播種并同年10月上旬收獲。隨著化肥、農(nóng)藥和灌溉水量的持續(xù)增加以作物品種和種植方式的不斷優(yōu)化,該地區(qū)糧食產(chǎn)量快速提升,1990年成為長(zhǎng)江以北全國(guó)第一個(gè)噸糧縣,其糧食生產(chǎn)在山東省乃至全國(guó)占有重要的地位。2016年全縣冬小麥和夏玉米總產(chǎn)分別為19.2萬(wàn)噸(8.2 Mg/hm2)和18.4萬(wàn)噸(7.98.2 Mg/hm2)(2017年淄博市統(tǒng)計(jì)年鑒)[17]。全縣土壤類(lèi)型包括潮土和褐土,土壤質(zhì)地以壤土為主。

圖1 研究區(qū)圖Fig.1 Map of study area

2 研究方法

2.1 第二次全國(guó)土壤普查

第二次土壤普查(the Second National Soil Survey)是在全國(guó)范圍內(nèi)于1981—1983年開(kāi)展的土壤普查工作,桓臺(tái)縣在1982年8月—1983年8月進(jìn)行,歷時(shí)一年完成[18]。該次土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)試采用重鉻酸鉀容量法,主要普查結(jié)果匯編于《桓臺(tái)縣土壤志》中。本研究采用其中258個(gè)樣點(diǎn)的表層土壤,其有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)作為桓臺(tái)縣1982年土壤碳庫(kù)的基線數(shù)據(jù)。

2.2 歷年土壤肥力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

歷年桓臺(tái)縣土壤肥力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由桓臺(tái)縣農(nóng)業(yè)局提供。自1987年開(kāi)展至今,當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)局開(kāi)展配方施肥和土壤肥力監(jiān)測(cè),即在每年9月夏玉米收獲后對(duì)農(nóng)田耕層土壤(0—20 cm)采樣測(cè)試,每6.67—33.33 hm2采集一個(gè)混合樣。本研究獲得了其2011年以前的各年pH、有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),其中1983—1986年、2000—2001年、2004—2005年因土壤肥力調(diào)查工作中斷因而無(wú)詳細(xì)的數(shù)據(jù),另外2010年也無(wú)詳細(xì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),這些年份數(shù)據(jù)按照內(nèi)插法計(jì)算得出。2011年9月在全縣范圍內(nèi)對(duì)農(nóng)田土壤采樣調(diào)查,采用2 km×2 km的尺度均勻布點(diǎn),每個(gè)樣點(diǎn)的土壤由3個(gè)采集點(diǎn)的土壤混合而成,采樣層次為0—20 cm土層,本研究采用其中123個(gè)樣點(diǎn)作為2011年的土壤數(shù)據(jù),各樣點(diǎn)以GPS精確定位并逐年采樣測(cè)定,2012—2014年土壤樣品取自于桓臺(tái)長(zhǎng)期定位實(shí)驗(yàn)區(qū)。所采集土壤樣品風(fēng)干,磨土過(guò)0.25 mm篩,封于自封袋中于溫室保存以備測(cè)定。土壤樣品中的速效養(yǎng)分均采用常規(guī)方法進(jìn)行測(cè)定：堿解氮、速效磷和速效鉀分別采用堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法和乙酸銨浸提-火焰光度法,土壤有機(jī)碳和全氮含量用碳氮元素分析儀進(jìn)行測(cè)定(Thermo Flash EA 1112)。

2.3 氣候、化肥與產(chǎn)量數(shù)據(jù)

1980—2014年的氣象數(shù)據(jù)(年均氣溫和年均降水量)由桓臺(tái)縣氣象局提供；1980—2014年的耕地面積、小麥和玉米籽粒和秸稈產(chǎn)量、化肥投入情況以及秸稈還田比例等數(shù)據(jù)來(lái)自桓臺(tái)縣統(tǒng)計(jì)年鑒。

2.4 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

1980—2010年的土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)按照轉(zhuǎn)化系數(shù)可以直接獲得土壤有機(jī)碳含量,即,

QSOC=QSOM/1.724

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量按照以下公式計(jì)算：

ΔSOC=QSOC×ρ×0.2×104

其中,ΔSOC為0—20 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(kg C hm-2),QSOC為0—20 cm土壤有機(jī)碳含量(g/kg),ρ為0—20 cm土壤密度(g/cm3),0.2為土壤深度(m),104為轉(zhuǎn)化系數(shù)。

2.5 秸稈養(yǎng)分含量

不同施肥量條件下冬小麥和夏玉米秸稈氮含量通過(guò)以下公式計(jì)算[19]：

冬小麥秸稈氮與施肥量：

y=-0.48x2+1.91x+4.54

夏玉米秸稈氮與施肥量：

y=-0.22x2+1.21x+5.31

其中,y為氮含量,單位為g/kg；x氮肥施用量,單位為×100 kg N hm-2。小麥和玉米秸稈中的磷含量和鉀含量分別參考《中國(guó)農(nóng)作物主要施肥指南》。

秸稈對(duì)養(yǎng)分貢獻(xiàn)率定義為為還田秸稈養(yǎng)分量與還田秸稈和肥料養(yǎng)分總量的比值(秸稈還田養(yǎng)分量/(秸稈還田養(yǎng)分量+施肥養(yǎng)分量))。

2.6 CO2當(dāng)量的計(jì)算

作物施肥后的活性氮損失包括N2O、NH3和氮淋溶三種主要途徑,通過(guò)Yan等[20]的研究表明,N2O的直接排放系數(shù)為0.5%,而通過(guò)對(duì)NH3與施氮量之間的擬合關(guān)系研究可知[19],NH3與施氮量的關(guān)系在冬小麥季和夏玉米季分別為：y=0.11x-2.63(冬小麥)和y=0.16x-8.10(夏玉米),由Cui等[21]的研究發(fā)現(xiàn),氮淋溶與施氮量的關(guān)系分別為y=2.7e0.0088x(冬小麥季),y=4.46e0.0094x(夏玉米季),基于以上研究結(jié)果和每年施氮量分別計(jì)算每年N2O、NH3和氮淋溶損失量。

在100年的尺度下,N2O的增溫效應(yīng)是CO2的298倍[22],計(jì)算公式為：

其中,GWP(Global Warming Potential)(kg CO2-eq hm-2a-1)為N2O的凈溫室效應(yīng),28和44分別是N2O中N和N2O的摩爾質(zhì)量。

間接溫室氣體排放系數(shù)：根據(jù)Smith等[16]的研究可知,氮、磷、鉀肥的間接溫室氣體排放系數(shù)分別為8.3 kg CO2-eq kg-1N, 0.59 kg CO2-eq kg-1P2O5和0.47 kg CO2-eq kg-1K2O。

2.7 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)的前期處理和作圖均使用Microsoft Excel (2016)進(jìn)行,所有數(shù)據(jù)通過(guò)SPSS Statics 22.0軟件(SPSS linc.,Chicago,USA)進(jìn)行相關(guān)性分析和多元回歸分析,多重比較采用最小顯著差異法(LSD)檢驗(yàn)(5%水平)。

3 結(jié)果與分析

3.1 1980—2014年桓臺(tái)縣冬小麥-夏玉米秸稈還田情況

從1980年至2014年,桓臺(tái)縣農(nóng)業(yè)逐步向可持續(xù)集約化農(nóng)業(yè)方向發(fā)展。到1995年,小麥秸稈已全量還田；到2008年,玉米秸稈全量還田(表1、表2)。

表1 1980—2014年間桓臺(tái)縣冬小麥季生產(chǎn)通過(guò)夏玉米秸稈還田帶入的養(yǎng)分?jǐn)?shù)量和養(yǎng)分貢獻(xiàn)率

表2 1980—2014年間桓臺(tái)縣夏玉米季生產(chǎn)通過(guò)冬小麥秸稈還田帶入農(nóng)田養(yǎng)分?jǐn)?shù)量和養(yǎng)分貢獻(xiàn)率

秸稈還田能顯著增加N、P、K養(yǎng)分輸入。在冬小麥季,夏玉米秸稈還田所貢獻(xiàn)的N、P、K量先呈緩慢增加趨勢(shì),自2005年后分別迅速增加并穩(wěn)定到54.3 kg N hm-2、10.3 kg P hm-2、85.6 kg K hm-2(2014年),且秸稈還田對(duì)N、P、K養(yǎng)分的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到18.5%, 20.1%和62.4%(表1)；在夏玉米季,到2014年,冬小麥秸稈還田所貢獻(xiàn)的N、P、K分別為48.7 kg N hm-2、5.2 kg P hm-2和70.8 kg K hm-2,分別占全部養(yǎng)分來(lái)源的20%、11%和57%(表2)。在縣域尺度上,2010—2014年期間小麥和玉米秸稈還田對(duì)養(yǎng)分的貢獻(xiàn)量達(dá)到了2604 Mg N a-1、417 Mg P a-1(955 Mg P2O5a-1)和4166 Mg K (5020 Mg K2O a-1)。

3.2 秸稈還田對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響

從1982年到2014年,桓臺(tái)縣土壤養(yǎng)分含量呈增加趨勢(shì)(圖2)：其中土壤堿解氮由54.7 mg/kg增至128 mg/kg(增加134.0%),速效磷由10.9 mg/kg增至26 mg/kg(增加138.5%),速效鉀由141.8 mg/kg增至230 mg/kg(增加62.2%)(圖2)。通過(guò)多元回歸分析可知,秸稈還田是影響土壤養(yǎng)分含量的主要因素(圖3),尤其是速效氮和速效鉀的含量與秸稈還田呈極顯著相關(guān)性。

圖2 1982到2014年桓臺(tái)縣土壤速效養(yǎng)分含量變化Fig.2 Soil Available Nutrients in Huantai from 1982 to 2014AvN：堿解氮 Available nitrogen；AvK：速效鉀 Available potassium；AvP：速效磷 Available phosphorus；SOC：有機(jī)碳 Soil organic carbon

對(duì)土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和秸稈貢獻(xiàn)的氮、磷、鉀進(jìn)行擬合分析(圖3),線性回歸方程分別為y=0.5214x+41.227 (N；R2=0.66,P<0.01),y=0.9661x+15.236 (P；R2=0.51,P<0.01),y=0.893x+32.336 (K；R2=0.62,P<0.01)。秸稈還田貢獻(xiàn)的養(yǎng)分與土壤養(yǎng)分成顯著正相關(guān)。由土壤速效養(yǎng)分和肥料帶入養(yǎng)分之間的擬合分析可知(圖3d—f),氮肥和鉀肥施用量對(duì)土壤速效養(yǎng)分影響不相關(guān)(P=0.308,P=0.317),磷肥施用量對(duì)土壤速效磷達(dá)到了極顯著性水平(y=-0.0128x2+2.4414x-88.898,R2=0.50,P<0.01),按照擬合結(jié)果可知當(dāng)磷肥使用量超過(guò)95 kg P hm-2時(shí),土壤速效磷含量并不會(huì)持續(xù)增加。

圖3 秸稈還田以及施肥輸入養(yǎng)分量和土壤速效養(yǎng)分含量的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Influence of straw incorporation and fertilization on soil available nutrients contents

3.3 秸稈還田對(duì)糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)

1980—2014年期間,由于高肥高水投入、頻繁耕作以及高產(chǎn)品種的引入,作物產(chǎn)量迅速增加。通過(guò)對(duì)糧食產(chǎn)量的影響因子(包括年均溫度、年均降雨量,以及秸稈還田量和氮肥施用量)與作物產(chǎn)量的單因素線性回歸分析見(jiàn)圖4。其中,年均氣溫在這30年間有所增加,它和產(chǎn)量的關(guān)系用線性方程表示為y=2.2873x-16.002 (R2=0.35,P<0.01),而降雨量和產(chǎn)量無(wú)顯著相關(guān)(P=0.117)。20世紀(jì)80—90年代氮肥施用量快速增加,90年代末逐漸減少,至2011年其用量約500 kg N hm-2,其與糧食產(chǎn)量呈顯著相關(guān)(P<0.01)。此外,秸稈還田在30年集約化農(nóng)業(yè)進(jìn)程中的影響大大提高,它和產(chǎn)量用方程表示為y=3.8255ln(x)+9.4722 (R2=0.932)。

圖4 糧食產(chǎn)量與自然因素、氮肥使用量及秸稈還田量的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Influence of environmental parameters, N rate and straw incorporation on crop yields

冬小麥和夏玉米產(chǎn)量與影響因素的偏相關(guān)分析(表3)則表明,秸稈還田、化肥氮和鉀與作物產(chǎn)量均呈顯著相關(guān),而產(chǎn)量與年均氣溫、降雨和化肥磷并沒(méi)有體現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系。

表3 桓臺(tái)縣糧食產(chǎn)量與影響因子的偏相關(guān)分析

3.4 秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

從1982年到2011年,表層土壤(0—20 cm)有機(jī)碳含量從7.8 g/kg增至11.3 g/kg,增加了45%(圖2),土壤碳儲(chǔ)量從21.3 Mg C hm-2增加到34.1 Mg C hm-2,增加速率達(dá)到了399 kg C hm-2a-1?？h域尺度,SOC儲(chǔ)量(0—20 cm)從534127增加到了853150 Mg(相當(dāng)于35446 Mg CO2-eq a-1)。從秸稈還田量和土壤有機(jī)碳含量的相關(guān)分析(圖5)可以看出,秸稈還田量和土壤中有機(jī)碳含量呈極顯著相關(guān)關(guān)系,而從氮肥施用量和土壤有機(jī)碳含量的相關(guān)分析中(圖5),氮肥施用量對(duì)土壤有機(jī)碳含量影響較弱(R2=0.18,P<0.05),秸稈還田為主的外源有機(jī)碳輸入比施用氮肥更能顯著提高土壤有機(jī)碳含量。

圖5 桓臺(tái)縣秸稈還田以及施肥與土壤有機(jī)碳含量的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Influence of straw incorporation and fertilization on SOC content

3.5 秸稈還田對(duì)N2O、NH3和氮淋溶的影響

在2010—2014年期間,年均施肥量所造成的N2O累積排放量在縣域尺度(25000 ha)為28448 Mg CO2-eq a-1,相應(yīng)的,土壤SOC固碳數(shù)量為35446 Mg CO2-eq a-1,可以補(bǔ)償由于化肥氮所造成的N2O排放。在化肥的生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過(guò)程中所造成的溫室氣體排放被稱(chēng)為間接溫室氣體排放,在2010—2014年期間,由于秸稈還田會(huì)向土壤輸入養(yǎng)分,折合后年均能分別減少化肥量為2617 Mg N a-1、909 Mg P2O5a-1和4830 Mg K2O a-1,因此,折合為間接溫室氣體排放量后可知,秸稈還田在縣域尺度能減少24528 Mg CO2-eq a-1的溫室氣體排放量。

2010—2014年期間,全縣范圍內(nèi),作物秸稈還田能分別減少小麥季和玉米季的氨揮發(fā)量為85.6 Mg N hm-2a-1和70.8 Mg N hm-2a-1,并減少小麥季和玉米季的氮淋溶量分別為109.6 Mg N hm-2a-1和177.8 Mg N hm-2a-1。秸稈還田為主的外源有機(jī)質(zhì)的輸入對(duì)直接溫室氣體排放、氮素?fù)p失方面均能有重要意義。

4 討論

4.1 秸稈還田對(duì)土壤養(yǎng)分和產(chǎn)量的影響

秸稈還田是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中改善土壤肥力、提高土壤質(zhì)量、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的一種有效措施。作物秸稈還田能夠?yàn)橥寥婪颠€作物生長(zhǎng)所必需的氮、磷、鉀和其他營(yíng)養(yǎng)元素[10],顯著提高土壤肥力,改善作物生長(zhǎng)所處的土壤環(huán)境[4, 6, 23]。研究表明,秸稈還田能顯著提高小麥的產(chǎn)量,且隨秸稈還田量增加而增加[24]。在桓臺(tái)縣,在當(dāng)?shù)卣夹g(shù)和經(jīng)濟(jì)政策的多重鼓勵(lì)支持下,冬小麥和夏玉米秸稈還田比例分別在1998年和2008年后達(dá)到了>90%(表1—2)。有研究表明秸稈短期還田對(duì)土壤養(yǎng)分含量并無(wú)顯著影響[25],但在長(zhǎng)期時(shí)間尺度水平上,土壤養(yǎng)分(尤其是N、P、K、Ca、Mg及其他微量元素)卻能維持較高含量[26],本研究中,長(zhǎng)期秸稈還田會(huì)增加土壤有機(jī)碳及速效養(yǎng)分的含量,能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

化肥磷的過(guò)量投入并沒(méi)有增加土壤速效磷含量,但長(zhǎng)期秸稈還田配施氮肥為土壤補(bǔ)充氮素,增加土壤堿解氮含量[6],因此土壤速效氮、磷、鉀的增加,主要是來(lái)自長(zhǎng)期秸稈還田的貢獻(xiàn)而不是化肥投入。秸稈粉碎還田后有利于有機(jī)質(zhì)的礦化和分解并補(bǔ)償作物對(duì)土壤養(yǎng)分的消耗量[6, 27],同時(shí)高C/N或C/P比有利于微生物的生長(zhǎng)并促進(jìn)養(yǎng)分的固定[28]。秸稈等作物殘?bào)w分解產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)對(duì)磷素的吸收位具有掩蔽作用,能提高磷的有效性,長(zhǎng)期秸稈還田會(huì)降低秸稈對(duì)磷素的吸附,提高作物供給的有效磷[28]。而從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度分析,氮或磷的礦化是一個(gè)緩慢過(guò)程,因此秸稈還田后在長(zhǎng)期過(guò)程中并不會(huì)降低作物產(chǎn)量,卻能有效的補(bǔ)償土壤養(yǎng)分庫(kù),對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中減氮和節(jié)約投入具有一定的貢獻(xiàn)[28]。勞秀榮等[29]研究結(jié)果表明,在相同施肥水平下,土壤中速效鉀含量與秸稈還田量呈正相關(guān)關(guān)系,即使在不施鉀肥的條件下,秸稈還田也能補(bǔ)償鉀肥提供的速效鉀,并在一定程度上維持土壤鉀素的平衡,本研究獲得了類(lèi)似結(jié)果。此外,長(zhǎng)期秸稈還田能增加土壤持水量和通透性,并改善土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地,這些方面也普遍認(rèn)為是維持桓臺(tái)地區(qū)作物高產(chǎn)的主要原因[7- 8]。趙紅香等[30]的結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明,秸稈還田能提高玉米的千粒重和穗粒數(shù),并顯著影響小麥的千粒重和有效穗數(shù)。

4.2 秸稈還田的土壤固碳效應(yīng)

農(nóng)田SOC水平受氣候(主要是溫度和降水)和農(nóng)田管理措施,包括作物秸稈還田、氮肥的使用、灌溉等的影響[31]。中國(guó)作為糧食生產(chǎn)大國(guó),秸稈碳輸入量大,大約為8 Mg C hm-2a-1[15],約為美國(guó)的兩倍(4.2 Mg C hm-2a-1)[32],而外源碳輸入是增加SOC最有效的因素之一,Freibauer等[33]的研究結(jié)果表明秸稈碳輸入能顯著增加土壤有機(jī)碳含量,同時(shí),秸稈還田配施化肥更有助于土壤有機(jī)質(zhì)的增加[5],因此,秸稈還田不僅有利于降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn),還有利于農(nóng)業(yè)廢棄物資源的循環(huán)利用?；概_(tái)地區(qū),在1982—2014年期間,0—20 cm土層SOC儲(chǔ)量增加速率達(dá)399 kg C hm-2a-1,主要是由于小麥和秸稈還田后帶入了高量的有機(jī)碳,該結(jié)果已經(jīng)顯著高于諸多其他學(xué)者的研究結(jié)果[32],而Smith等[34]稱(chēng)秸稈還田條件下可達(dá)到最高的固碳率(0.7 Mg C hm-2a-1),而只施氮肥的處理固碳率僅0.2 Mg C hm-2a-1。需要指出的是,桓臺(tái)縣當(dāng)前有機(jī)碳含量水平仍然遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家水平(美國(guó)、歐盟等為25 g/kg)[35],因此,桓臺(tái)地區(qū)農(nóng)田土壤還具有較大的固碳潛力。

4.3 秸稈還田的生態(tài)效應(yīng)

大量作物秸稈直接進(jìn)行焚燒處理,不僅會(huì)造成秸稈中N、P、K等養(yǎng)分的損失[10]和氮素淋溶[9],還能?chē)?yán)重影響空氣質(zhì)量[9]。由于秸稈量大以及科學(xué)技術(shù)條件的限制,華北地區(qū)在80年代每到10月或者6月都會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的空氣污染等質(zhì)量問(wèn)題,最根本的原因就是冬小麥和夏玉米收獲后所產(chǎn)生的大量秸稈被直接焚燒導(dǎo)致[14]。秸稈還田措施也存在諸多負(fù)面影響,有研究發(fā)現(xiàn),秸稈大量還田短期內(nèi)會(huì)降低土壤氧氣濃度,促進(jìn)土壤反硝化過(guò)程的發(fā)生,增加N2O排放量[13],同時(shí)還能增加土壤微生物在秸稈降解過(guò)程中對(duì)土壤養(yǎng)分的消耗,增加了作物與微生物的養(yǎng)分利用競(jìng)爭(zhēng),不利于作物的生長(zhǎng)[36],同時(shí)還能增加雜草生長(zhǎng),降低出苗率[12],以及氮素淋溶風(fēng)險(xiǎn)[13]。

除了直接還田,作物秸稈還可以用來(lái)生產(chǎn)生物炭、發(fā)展生物質(zhì)能、生產(chǎn)食用菌、堆肥以及替代動(dòng)物飼料。我們利用DNDC模型驗(yàn)證表明,與秸稈直接還田相比,轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥后進(jìn)行還田,對(duì)于農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的提升效果更好(增加量可達(dá)2.1%—6.0%)[42],因此,堆肥以及有機(jī)肥可以在今后當(dāng)?shù)刈魑锝斩捁芾碇羞M(jìn)行嘗試和推廣。

5 結(jié)論

在過(guò)去三十多年間的集約化農(nóng)業(yè)進(jìn)程中,桓臺(tái)縣秸稈還田顯著提高了土壤速效養(yǎng)分含量和土壤有機(jī)碳含量,增加土壤固碳水平,緩解和補(bǔ)償土壤中N、P、K等養(yǎng)分的消耗,穩(wěn)步提高作物產(chǎn)量,其中土壤堿解氮、速效磷和速效鉀在1982年至2014年間分別增加了134%、139%和62%,表層土壤有機(jī)碳含量增加了45%。長(zhǎng)期秸稈還田能完全補(bǔ)償由施用化肥所造成的直接溫室氣體排放量,同時(shí)秸稈還田帶入的N、P、K還可以減少20%—24%的間接溫室氣體排放、NH3揮發(fā)和氮素淋溶。因此,在桓臺(tái)集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū),秸稈還田已經(jīng)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中固碳減排、提高土壤養(yǎng)分的重要農(nóng)田措施之一,對(duì)實(shí)現(xiàn)未來(lái)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展起著重要作用,建議未來(lái)對(duì)秸稈進(jìn)行堆肥或作為畜牧飼料替代等措施進(jìn)行進(jìn)一步研究,從而更好實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效應(yīng)。