長期秸稈還田顯著降低褐土底層有機(jī)碳儲(chǔ)量

徐 虎，蔡岸冬，周懷平，Colinet Gilles，張文菊，徐明崗*

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 Gembloux Agro-Bio Tech，University of Liege，Passage des deportes 2，Gembloux 5030，Belgium；3 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，太原 030031；4 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

土壤有機(jī)碳 (SOC) 作為農(nóng)田肥力的重要指標(biāo)，是農(nóng)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)[1]。土壤有機(jī)碳庫也是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，小幅度的變化就會(huì)對(duì)全球氣候產(chǎn)生巨大影響[2]。SOC不僅對(duì)土壤肥力和作物生產(chǎn)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(nóng)作物秸稈資源十分豐富，2015年農(nóng)作物秸稈總量約為9.31 × 108t[3]。作物秸稈含豐富有機(jī)碳和養(yǎng)分，秸稈還田既可減少就地焚燒產(chǎn)生的溫室氣體[4]，也能增加農(nóng)田碳輸入和作物歸還，有效維持和提升土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量[5–7]。因此，秸稈還田在土壤有機(jī)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(fā)現(xiàn)，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(duì)有機(jī)碳的影響研究多集中在表層土壤[5–7,9]，然而底層SOC儲(chǔ)量是表層的2～3倍，所以探究底層SOC對(duì)秸稈還田的響應(yīng)對(duì)深入理解農(nóng)田碳循環(huán)和緩解氣候變化也非常重要[10]。SOC提升是一個(gè)長期緩慢的過程，因此，只有在長時(shí)間尺度的研究才能獲得更可靠結(jié)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(fā)現(xiàn)，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(qū)是我國小麥和玉米主產(chǎn)區(qū)之一，作物秸稈資源十分豐富，探究農(nóng)田剖面土壤有機(jī)碳對(duì)秸稈還田響應(yīng)的特征，對(duì)該地區(qū)農(nóng)作物秸稈的高效利用、解決糧食安全及農(nóng)業(yè)環(huán)境可持續(xù)性問題等具有指導(dǎo)意義[11]。此外，褐土多具團(tuán)粒結(jié)構(gòu)且土質(zhì)疏松，其底層SOC對(duì)秸稈還田的響應(yīng)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(yàn)平臺(tái)，通過對(duì)不同秸稈還田方式下褐土0—100 cm剖面SOC和土壤養(yǎng)分及作物產(chǎn)量開展研究，以期明確不同秸稈還田方式下褐土剖面有機(jī)碳的變化特征及影響因素，為該地區(qū)秸稈還田措施優(yōu)化、農(nóng)田培肥和固碳減排等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

長期秸稈還田試驗(yàn)位于我國山西省壽陽縣 (東經(jīng)113°06'、北緯37°58')，地處中緯度暖溫帶半濕潤偏旱區(qū)，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(dòng)較大。供試土壤為褐土，成土母質(zhì)為馬蘭黃土，試驗(yàn)初始 (1992年)表層 (0—20 cm) 土壤理化指標(biāo)：有機(jī)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(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

試驗(yàn)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(nèi) (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(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為化學(xué)氮磷肥春季施用和秋季施用，副區(qū)為4個(gè)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(qū)面積為54 m2，無重復(fù)。供試化肥為尿素 (含 N 46%)和過磷酸鈣 (含 P2O514%)。玉米秸稈 (風(fēng)干) 有機(jī)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(fēng)干) 有機(jī)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(jié)合春播進(jìn)行化肥穴施或淺條施 (深度為4—7 cm)，化肥秋季施用是結(jié)合秋季深耕翻地進(jìn)行化肥條施或全耕層深施 (深度10—30 cm)，生育期內(nèi)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(dāng)季玉米收獲后，再將未腐解秸稈深翻還田；SC處理是當(dāng)季玉米收獲后，直接將秸稈鍘碎 (長 15 cm) 結(jié)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(chǎn)生的牛糞腐熟，在當(dāng)季玉米收獲后均勻撒施并深翻還田[11]。每個(gè)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(yàn)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(xiàng)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(gè)小區(qū)選3個(gè)代表性樣點(diǎn)，用土鉆分5 個(gè)層次 (每層 20 cm) 采集 0—100 cm 剖面樣品。土壤樣品風(fēng)干后研磨過2 mm篩，測定有效磷和有效鉀；磨細(xì)過0.25 mm篩，測定土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀。各指標(biāo)測定方法如下：土壤有機(jī)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(huán)刀法。同時(shí)，在每年玉米收獲后，測定各小區(qū)作物籽粒產(chǎn)量和秸稈生物量及其有機(jī)碳和養(yǎng)分含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理及計(jì)算

農(nóng)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(jù)蔡岸冬等[8]報(bào)道的方法，估算各種來源碳輸入量。根據(jù)Jobbagy等[10]報(bào)道的農(nóng)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(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算公式為：

SOCs=(Ci× BDi× Di)/10

式中，SOCs為第i層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量 (t/hm2)；Ci為第i層土壤有機(jī)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(shù)據(jù)運(yùn)用SigmaPlot 12.5軟件進(jìn)行作圖，Canoco 5 軟件進(jìn)行冗余 (RDA) 分析。運(yùn)用 SPSS 22.0軟件，采用最小顯著差數(shù)法 (LSD) 檢驗(yàn)處理間差異顯著性 (P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同秸稈還田方式下褐土作物產(chǎn)量和累積碳輸入量

在春季和秋季 (圖1)，4個(gè)處理玉米產(chǎn)量隨種植時(shí)間延長總體均呈現(xiàn)相似的上升趨勢。CK處理的玉米產(chǎn)量最低且年際間波動(dòng)較大 (產(chǎn)量范圍為2.21～10.91 t/hm2)。與CK相比，玉米產(chǎn)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(chǎn)量雙重影響 (圖1)。SM和SC處理秸稈碳輸入量是CM處理有機(jī)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(chǎn)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(jī)碳含量和儲(chǔ)量

化肥施用季節(jié)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(jī)碳含量Table 2 Soil organic carbon content in soil profile under different straw incorporation methods and chemical fertilization seasons

相對(duì)于CK處理，秸稈還田處理碳儲(chǔ)量變化量在還田方式間存在顯著差異，但在化肥施用季節(jié)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(chǔ)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(duì)于亞表層 (20—40 cm)，與CK相比，CM處理SOC儲(chǔ)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(chǔ)量平均分別降低3.98、6.99和3.76 t/hm2，3個(gè)處理間無顯著差異。在0—100 cm土層，與CK相比，CM處理SOC儲(chǔ)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(yǎng)分含量

不同方式秸稈還田也顯著影響褐土剖面養(yǎng)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(duì)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(duì)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(yǎng)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(jī)碳儲(chǔ)量變化的影響因素

以土壤累積碳輸入量以及養(yǎng)分元素含量 (全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀) 作為影響SOC儲(chǔ)量變化的因素進(jìn)行冗余分析 (圖3)。結(jié)果表明，碳輸入和土壤養(yǎng)分含量對(duì)表層和下層SOC儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(yǎng)分含量對(duì)0—20 cm土層和20—100 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)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(duì)褐土養(yǎng)分和作物產(chǎn)量的影響

本試驗(yàn)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(yōu)。這主要因?yàn)轷r牛糞和秸稈施用在表層土壤，其被微生物分解利用后養(yǎng)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(yǎng)元素[17]。此外，所有處理玉米產(chǎn)量隨種植時(shí)間延長總體均呈現(xiàn)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(huán)境[16]。此外，CK處理玉米產(chǎn)量在大多數(shù)年份最低且年際間波動(dòng)較大，這可能是因?yàn)閱问┗式档屯寥老到y(tǒng)穩(wěn)定性。同時(shí)，CM處理作物產(chǎn)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(jī)碳和養(yǎng)分含量更高也證明了這一點(diǎn)。然而，本研究還發(fā)現(xiàn)，SM處理增產(chǎn)效果比SC處理好，這是因?yàn)楸狙芯康貙侔霛駶櫚敫珊灯档貐^(qū)，秸稈覆蓋能調(diào)節(jié)土溫并減少地表徑流和水分的蒸發(fā)，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(jī)碳儲(chǔ)量變化差異及其影響因素分析

在農(nóng)田土壤中，SOC含量是作物 (根茬和根系)及外源有機(jī)物 (秸稈和有機(jī)肥) 碳輸入下，SOC累積與有機(jī)質(zhì)分解導(dǎo)致SOC損失之間的凈平衡[8]。本研究發(fā)現(xiàn)，與CK相比，SM、SC和CM處理均顯著增加表層SOC儲(chǔ)量，這與前人[14,19]研究結(jié)果基本一致。這是因?yàn)?個(gè)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(chǔ)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(tài)有機(jī)質(zhì)，其還田帶入更多有效態(tài)氮，使其有較高碳轉(zhuǎn)化效率[21]；同時(shí)，鮮牛糞促進(jìn)團(tuán)聚體形成和提升團(tuán)聚體穩(wěn)定性效果更好[20]。此外，SC處理表層SOC儲(chǔ)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(nóng)田表層碳累積。Fan等[22]也發(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)化并產(chǎn)生多糖等代謝物，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成，進(jìn)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(fā)現(xiàn)，與CK相比，春季和秋季施肥SM、SC和CM處理底層SOC儲(chǔ)量均顯著降低，與徐虎等[14]和蓋霞普等[15]研究結(jié)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(bǔ)償有機(jī)質(zhì)礦化造成的SOC損失量[8]。我們認(rèn)為褐土底層碳耗竭可能有以下原因：1) 本研究區(qū)域?qū)倨档貐^(qū)，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(yīng)不足，使微生物通過分解有機(jī)質(zhì)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(duì)底層SOC變化解釋率最高(25.28%)，也間接證明氮素供應(yīng)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(yǎng)分，通過淋溶和促進(jìn)根系生長增加底層新鮮碳源 (如可溶性有機(jī)質(zhì)及根系分泌物)，使底層有機(jī)質(zhì)因激發(fā)效應(yīng)而礦化損失[26]。3) 秸稈和鮮牛糞還田促進(jìn)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(dǎo)致土壤擾動(dòng)及大團(tuán)聚體崩解增加，加速底層有機(jī)質(zhì)分解[27]。此外本研究還發(fā)現(xiàn)，SM、SC和CM處理均增加表層SOC儲(chǔ)量，但大幅度降低底層SOC儲(chǔ)量；對(duì)于0—100 cm土體，SM和SC處理SOC儲(chǔ)量明顯降低，而CM處理顯著增加SOC儲(chǔ)量 (9.62 t/hm2)，但增加量小于表層土壤 (12.60 t/hm2)?？梢?，僅考慮表層有機(jī)碳變化，可能會(huì)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(yīng)該被關(guān)注。

冗余分析發(fā)現(xiàn)，土壤累積碳輸入和養(yǎng)分含量對(duì)表層SOC儲(chǔ)量變化的總體解釋率為90.10%，這表明養(yǎng)分和有機(jī)碳輸入是調(diào)控表層SOC儲(chǔ)量變化的主要因子。這是因?yàn)榻斩捄透祯r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(jī)碳輸入量，進(jìn)而直接提升表層有機(jī)碳；另一方面這些措施降低了秸稈和有機(jī)肥轉(zhuǎn)化過程中的微生物養(yǎng)分限制，更有利于表層有機(jī)碳增加[14,28-29]。然而，本研究還發(fā)現(xiàn)，碳輸入和養(yǎng)分對(duì)下層SOC儲(chǔ)量變化總體解釋率僅為31.80%，這可能因?yàn)樯顚佑袡C(jī)碳投入量和養(yǎng)分含量低且變化小，使其影響程度降低。此外，一些研究發(fā)現(xiàn)，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(wěn)定性等存在差異，表層有機(jī)碳儲(chǔ)量變化主要受養(yǎng)分含量和碳輸入量調(diào)控；而在下層受這些因素影響相對(duì)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(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)秸稈還田措施下底層SOC變化的驅(qū)動(dòng)因素研究，為提升褐土農(nóng)田有機(jī)碳固定和有機(jī)碳模型預(yù)測等提供基礎(chǔ)理論。

4 結(jié)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(jī)碳、全氮、有效磷、速效鉀含量和作物產(chǎn)量，且均以秸稈過腹還田最優(yōu)。秸稈還田均增加表層有機(jī)碳儲(chǔ)量，大幅度降低底層有機(jī)碳儲(chǔ)量；在0—100 cm土層，秸稈覆蓋還田和粉碎還田降低有機(jī)碳儲(chǔ)量，而秸稈過腹還田增加有機(jī)碳儲(chǔ)量，但增加量小于表層土壤?？梢姡谠u(píng)價(jià)秸稈還田措施對(duì)褐土有機(jī)碳影響時(shí)，僅考慮表層有機(jī)碳變化，可能會(huì)高估有機(jī)碳提升效果。綜上，秸稈過腹還田是褐土農(nóng)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(jī)碳變化也應(yīng)該被關(guān)注。