長期免耕秸稈還田對寒地土壤有機碳及大豆產(chǎn)量的影響

蔡麗君 張敬濤 劉婧琦 蓋志佳 郭震華 趙桂范

（1黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院佳木斯分院，154007，黑龍江佳木斯；2黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院水稻研究所，154026，黑龍江佳木斯）

秸稈覆蓋和免耕是近年來國內(nèi)外發(fā)展較快的農(nóng)作體系，具有良好的社會、生態(tài)以及經(jīng)濟效益[1]，秸稈還田對土壤有機碳固定、礦化及大氣CO2濃度調(diào)節(jié)等作用顯著[2-4]，有助于提升土壤肥力、增強土壤蓄水保墑能力和改善農(nóng)田微環(huán)境特征[5-7]，進而影響土壤微生物的碳固定及排放等[8]。在過去幾十年，免耕系統(tǒng)已被應用在全球不同氣候區(qū)域，中國開展免耕研究較晚，主要集中于華北平原和西北干旱地區(qū)[9]，尤其是黃土高原地區(qū)[10]，且多是關(guān)于不同耕作方式間的比較，而對免耕農(nóng)田管理措施的優(yōu)化研究較少。關(guān)于免耕秸稈覆蓋還田在高緯度寒地的應用研究結(jié)果不一，如何補償免耕秸稈覆蓋帶來的低溫等負效應，優(yōu)化免耕技術(shù)措施是寒地免耕研究的重點。

本研究利用長期定位試驗，研究不同秸稈覆蓋還田量對寒地免耕土壤有機碳、活性有機碳及微生物生物量碳含量的影響，為寒地秸稈合理利用、長期土壤培肥和農(nóng)業(yè)高產(chǎn)高效低碳可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

長期免耕秸稈覆蓋還田定位試驗于2010年在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院佳木斯分院試驗田進行，供試土壤為草甸黑土。0～20cm土層有機質(zhì)28.07g/kg、全氮1.40g/kg、全磷0.87g/kg、全鉀19.59g/kg、堿解氮 110.11mg/kg、有效磷 56.24mg/kg、速效鉀172.83mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

種植制度為玉米-大豆輪作，玉米和大豆均為免耕種植方式，采用完全隨機設(shè)計，3次重復，小區(qū)面積 24.3m2（6m×4.05m）。設(shè)免耕條件下 0%、30%、60%和100%共4個秸稈覆蓋還田量處理。秸稈處理方法：每年度作物收獲后，將田間秸稈全部收集，玉米秸稈風干后，切成長約10cm秸稈段，均勻拋撒于地表。100%秸稈覆蓋還田處理標準為大豆秸稈4800kg/hm2、玉米秸稈干質(zhì)量12 000kg/hm2，其他處理按此標準換算秸稈用量。2018年種植大豆，供試品種為佳密豆8號，行距45cm，保苗33.5萬株/hm2。土壤封閉化學除草，生育期間免耕管理。

1.3 測定項目和方法

于 2018年大豆盛花期和收獲后取土樣，每個小區(qū)采用五點法取耕層 0～30cm的土壤，每 15cm為一層。一部分存于冰箱中保留鮮樣，一部分風干過篩備用。

采用氯仿熏蒸―K2SO4提取法（FE）[11]測定土壤微生物生物量碳含量，采用重鉻酸鉀氧化―容量法[12]測定土壤總有機碳含量，采用高錳酸鉀氧化法[13]測定土壤活性有機碳含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel處理數(shù)據(jù)，并用DPS V10.0軟件檢驗處理間的差異顯著性（LSD方法）。

2 結(jié)果與分析

2.1 免耕秸稈還田對土壤總有機碳含量的影響

由圖1可知，土壤總有機碳表聚現(xiàn)象顯著，各處理土壤總有機碳含量均表現(xiàn)為 0～15cm＞15～30cm。0～15cm土層不同秸稈覆蓋還田量處理間土壤總有機碳含量差異顯著，隨秸稈覆蓋還田量增加，土壤總有機碳含量呈上升趨勢；15～30cm土層，60%秸稈覆蓋還田處理土壤總有機碳含量最高，100%秸稈覆蓋處理次之，0%與30%秸稈覆蓋還田處理間差異不顯著。30%、60%和100%秸稈覆蓋還田處理土壤總有機碳平均含量較 0%無秸稈覆蓋還田處理分別增加了4.1%、15.3%和22.3%，說明秸稈覆蓋還田能夠增加土壤有機碳的積累，有利于土壤總有機碳含量的提高。

圖1 免耕秸稈還田對土壤總有機碳含量的影響Fig.1 Effects of no-tillage straw returning on soil total organic carbon contents

2.2 免耕秸稈還田對土壤活性有機碳含量的影響

各處理土壤活性有機碳含量在2個土層的變化趨勢（圖 2）與土壤總有機碳一致，即土壤活性有機碳含量隨土層深度增加而降低。在0～15cm和 15～30cm 土層土壤活性有機碳含量均表現(xiàn)為秸稈還田100%＞60%＞30%＞0%。30%、60%和100%秸稈覆蓋還田處理土壤活性有機碳平均含量較 0%秸稈覆蓋還田處理分別增加了 52.5%、64.5%和75.5%，說明秸稈覆蓋還田能夠減少土壤活性碳的礦化分解，從而有利于土壤活性有機碳含量的提高。

圖2 免耕秸稈還田對土壤活性有機碳含量的影響Fig.2 Effects of no-tillage straw returning on soil active organic carbon contents

2.3 免耕秸稈還田對土壤微生物生物量碳含量的影響

如圖3所示，長期免耕秸稈還田條件下土壤微生物生物量碳含量變幅較大，為165.4～273.6mg/kg之間；土壤微生物生物量碳含量在不同土層間差異顯著，各處理均表現(xiàn)為0～15cm＞15～30cm，0～15cm土層平均比15～30cm高16.4%；經(jīng)9年免耕秸稈還田連續(xù)處理后，0～15cm 土層土壤微生物生物量碳含量隨秸稈覆蓋量增加呈上升趨勢，秸稈還田30%、60%和 100%分別較 0%處理增加 14.6%、38.7%和44.7%，各處理間差異顯著。15～30cm土層100%和60%秸稈覆蓋還田處理土壤微生物生物量碳含量較高，顯著高于30%和0%處理。說明秸稈覆蓋還田顯著提高了土壤微生物生物量碳含量。

圖3 免耕秸稈還田對土壤微生物生物量碳含量的影響Fig.3 Effects of no-tillage straw returning on soil microbial biomass carbon contents

2.4 免耕秸稈還田對大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

表1顯示，秸稈覆蓋還田對大豆產(chǎn)量影響顯著，30%秸稈還田量處理的產(chǎn)量最高，60%和0%處理的產(chǎn)量次之，均顯著高于100%秸稈覆蓋還田量處理。產(chǎn)量構(gòu)成因素方面，0%處理的單株莢數(shù)和單株粒數(shù)最少，百粒重最高；30%處理的產(chǎn)量構(gòu)成因素表現(xiàn)較好。100%處理的株高最低，底莢高度高且無效節(jié)數(shù)最多，單株粒數(shù)較少；單株粒數(shù)表現(xiàn)為秸稈還田30%＞60%＞100%＞0%。2018年由于早春低溫多雨，100%秸稈覆蓋還田處理地溫偏低，對出苗造成了影響，導致單位面積收獲株數(shù)減少，大豆生長發(fā)育延遲，進而影響產(chǎn)量的形成。

表1 免耕秸稈還田對大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 1 Effects of no-tillage straw returning on soybean yield and its components

3 討論

土壤活性有機碳作為碳庫指標之一，是土壤中易被分解轉(zhuǎn)化、活躍程度最高的，對維持土壤肥力及土壤碳儲量至關(guān)重要。免耕秸稈還田既可以增加土壤有機碳的輸入，又能夠降低土壤有機碳的侵蝕，提高農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力。一般認為，免耕能夠增加土壤表層有機碳含量，但對深層土壤有機碳含量是否增加及其是否隨耕作年限的增加而持續(xù)變化的結(jié)論不一致。張林森等[14]通過不同覆蓋方式對土壤有機碳各組分及微生物群落活性的影響研究得出，土壤有機碳含量隨覆蓋年限的增加而增加。徐尚起等[15]以南方雙季稻田為研究對象，研究了不同耕作方式對土壤有機碳分布的影響，表明免耕有利于表層土壤有機碳的積累，但不利于亞表層土壤有機碳的積累。本研究結(jié)果表明，免耕秸稈還田對寒地土壤有明顯的固碳效應，有助于提高土壤有機碳（4.1%～22.3%）和土壤活性有機碳（52.5%～75.5%）含量；少量秸稈覆蓋（30%處理）對深層土壤有機碳含量影響不大，60%秸稈覆蓋量土壤有機碳含量最高。這是由于長期連續(xù)免耕覆蓋還田，土壤有機質(zhì)逐漸積累，植物殘體主要積累在表土層中，而亞表層土壤不受擾動，外源有機物輸入不足，不利于深層土壤有機碳的積累；同時，秸稈覆蓋還田量過大，會造成碳氮比失調(diào)，出現(xiàn)微生物與植物爭氮的情況，也不利于土壤有機碳的積累。因此，在15～30cm深層土壤中，60%秸稈覆蓋還田處理土壤總有機碳含量高于100%秸稈覆蓋還田處理。

外源有機物的輸入可以使微生物分解有機碳源速度加快，保證較高的微生物生物量含量，同時微生物同化固定作用加強，改善土壤理化及生物學性狀[16-17]。由于長期連續(xù)免耕覆蓋還田不擾動土壤，連年植物殘體等多積累于土壤表面，使表土層的土壤微生物學特性發(fā)生了較大的改變，與秸稈不還田相比，微生物生物量碳含量明顯提高[18-19]。本研究免耕秸稈覆蓋處理土壤微生物生物量碳含量較無秸稈覆蓋處理增加14.6%～44.7%，產(chǎn)生這種差異的原因是土壤微生物以異養(yǎng)型種群為主，其生命活動過程需要消耗一定的能量，免耕不擾動土層，植物殘體主要積累在表土層中，秸稈覆蓋量大，可供微生物維持生命活動的能量充足，但秸稈覆蓋量過大，反而影響微生物活性，因此，本試驗條件下，秸稈覆蓋量從60%增至100%時，微生物生物量碳含量變化不明顯。

受免耕年限以及試驗地土壤類型、土壤肥力和氣候條件等影響，對免耕秸稈還田是否增產(chǎn)的研究結(jié)論也不同[20-22]。免耕秸稈覆蓋能減少表層土壤溫度和水分含量的波動[23-24]，在干旱區(qū)域或春季高溫干旱年份有利于作物出苗，但對于積溫不足的東北寒地容易出現(xiàn)出苗延遲和不齊現(xiàn)象，易導致作物發(fā)育初期生長緩慢。本試驗年份由于早春低溫多雨，大量秸稈還田處理地溫偏低，對大豆出苗造成了影響，導致100%秸稈還田處理單位面積收獲株數(shù)減少，60%和100%秸稈還田處理生長發(fā)育延遲，無效節(jié)數(shù)增多，單株莢數(shù)和單株粒數(shù)減少，影響了產(chǎn)量的形成，因而100%秸稈還田處理產(chǎn)量顯著低于其他處理。30%秸稈還田處理在本試驗年份出苗及生育初期生長良好，且土壤性質(zhì)較0%處理優(yōu)越，有利于產(chǎn)量形成。因此，在低溫多雨年份，應慎重應用免耕全量秸稈覆蓋還田栽培技術(shù)。

4 結(jié)論

在高緯度寒地應用免耕秸稈覆蓋還田技術(shù)，通過合理輪作、條帶耕作等措施控制秸稈覆蓋量，優(yōu)化寒地免耕技術(shù)措施，可有效實現(xiàn)土壤有機碳和活性有機碳的積累和周轉(zhuǎn)，改善土壤理化及生物學性狀，提升土壤質(zhì)量水平，提高作物產(chǎn)量，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效低碳可持續(xù)發(fā)展。