水稻秸秆还田年限对稻麦轮作田土壤碳氮固存的影响

2019-05-21崔思远朱新开张莀茜曹光乔陈新华沈有柏

农业工程学报 2019年7期

崔思远，朱新开，张莀茜，曹光乔，陈新华，沈有柏

（1. 扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室/粮食作物现代产业技术协同创新中心，扬州 225009； 2. 农业部南京农业机械化研究所，农业部现代农业装备重点开放实验室，南京 210014； 3. 江苏省农业机械技术推广站，南京 210017）

0 引言

在陆地生态系统中，土壤有机碳和氮在碳氮循环中起着重要的作用。随着生态环境和气候的变化，有关土壤碳、氮库的研究更加广泛和深入。全球碳以土壤有机碳的形式存在的约为1 500 Pg，是大气碳库的2～3倍[1]，其区域尺度的微小变化都将会引起全球尺度的气候变化[2]。不合理的人类活动如秸秆移除、高强度频繁耕作等使农田有机碳含量较初始水平降低30%～60%，但是60%～70%已损失的土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）可以通过科学的管理措施重新被土壤固定[3]。据Cheng等[4]估算，保护性耕作对中国农田土壤的固碳潜力为0.62 Pg。土壤氮素和有机碳存在一定的耦合关系，氮素变化能够影响土壤固碳作用[5]，SOC水平也在氮素矿化、固定和反硝化作用中起重要作用[6]，其相互耦合作用对作物生产以及气候变化等方面具有重要意义[7]。

中国农作物秸秆资源非常丰富，据估算，2015年全国主要农作物秸秆资源量为71 878.53万t[8]。作物秸秆含有丰富的营养元素，在缺乏有机肥输入的粮田中，还田作物残体特别是秸秆已成为影响土壤碳氮含量和质量的重要因素。作物秸秆还田量及还田方式直接影响土壤有机碳的固存[9-10]。通常，土壤有机碳固存量随着秸秆还田量的增加而增加[11]，但是可能具有一定的点位变异性[12]。秸秆还田增加了土壤氮素输入，有利于提高土壤全氮水平。与秸秆不还田相比，水稻秸秆还田可以提高土壤有效氮质量分数27.5%，总氮质量分数10.8%，在0～20 cm土层效果更明显[11]。然而，持续还田可能不总带来土壤碳氮增长，在一定条件下也会引起土壤有机碳含量的降低，原因可能是引发了启动效应[13]。连续秸秆还田试验表明，土壤全氮含量并不是随着秸秆还田年限的增加而逐渐提高[14]。此外，秸秆还可用于轻工业原料、能源、饲料等领域，因此探明合理的秸秆还田年限，以综合考虑秸秆多用途利用具有重要意义。

长江中下游平原是中国重要的粮食产区，集约化的小麦-水稻一年两熟模式保障了粮食持续稳定高产，但也面临着化肥投入高、土壤质量下降等问题。通过构建合理的秸秆还田措施，增强农田土壤碳氮库，提高土壤质量，是实现长江中下游平原农业可持续发展的重要举措。秸秆还田对土壤结构和碳氮库具有重要影响[15-17]，但是基于土壤碳库氮库综合影响探寻合理秸秆还田年限的研究仍不充分，相关规律仍不明确。基于此，本研究拟通过比较秸秆还田0～8 a耕层有机碳、全氮含量和碳氮比及层化率、碳氮储量的变化差异，明确连续秸秆还田对土壤碳氮固存的影响，探寻合理的秸秆还田年限，为长江中下游平原稻麦两熟区农田土壤碳库和氮库管理及建立合理的秸秆还田措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室试验场（32°23′N、119°25′E）。该区地处长江中下游平原，属亚热带季风气候，年平均温度13.2～16.0 ℃，降雨量 800～1 200 mm，小麦生长季总积温为2 359 ℃，总降水量462 mm，总日照时数1 139 h。试验地土壤类型为勤泥土，土质为轻壤土，试验前0～20 cm土层：土壤容重1.45 g/cm3，有机碳质量分数 15.73 g/kg，全氮质量分数1.24 g/kg，速效磷质量分数16.32 mg/kg，速效钾质量分数146.12 mg/kg。

1.2 试验设计

2010年秋开始试验，采用完全随机区组设计设置 9个处理：秸秆不还田（NR）、秸秆还田 1a（SR1），秸秆还田 2a（SR2），秸秆还田 3a（SR3），秸秆还田 4a（SR4），秸秆还田 5a（SR5），秸秆还田 6a（SR6），秸秆还田7a（SR7），秸秆还田8a（SR8），每个处理重复3次，共27个小区，小区面积为4 m×3 m。水稻收割后将秸秆机械切割成10 cm左右，均匀铺撒于小区内，采用旋耕方式将秸秆混入 0～15 cm土层，还田量为9 000 kg/hm2，小麦收获后秸秆不还田。

除在秸秆还田年限上存在差异，各处理在其他农田管理措施上均保持一致，且年际间保持一致。小麦生育期总施氮量为240 kg/hm2，基肥∶壮蘖肥∶拔节肥∶孕穗肥为 5∶1∶2∶2。磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）施用量分别为90和150 kg/hm2，均按基肥、拔节肥各50%的比例分2次施用。小麦品种为扬辐麦4号。

1.3 样品采集与测定分析

2018年5月小麦收获后采用5点取样法采集土样，每个小区分0～5、＞5～10、＞10～20 cm 3个层次，将同一深度的样品混合成 1个样品。样品自然风干，剔除石砾、植物残茬等杂物，研磨，过0.25 mm筛。土壤容重测定采用环刀法。土壤有机碳的测定用重铬酸钾氧化法，全氮的测定用半微量凯式定氮法[18-19]。层化率（stratification ratio，SR）是0～5 cm土层和＞5 cm土层（＞5～10及＞10～20 cm）SOC含量、总氮（total nitrogen，TN）含量或C/N之比[20]。

1.4 计算方法

土壤有机碳和全氮储量的计算采用等质量法[21-22]。

1.5 数据分析

本研究使用 SPSS17.0 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田年限对土壤容重的影响

随着土层的加深，各处理土壤容重均不断增大，不同处理间土壤容重差异明显（图1）。随着秸秆还田年限增加，0～20 cm各土层容重呈现逐渐降低趋势。与 NR相比，0～5、＞5～10和＞10～20 cm土壤容重分别从SR3、SR1和SR1开始呈现出显著性差异。SR6、SR7和SR8各土层土壤容重间均无显著差异（P＞0.05），说明机械耕作促进了秸秆与土壤的混合降低了土壤容重，但是还田6a后0～20 cm土壤容重变化不显著。

图1 秸秆还田年限对土壤容重的影响Fig.1 Effects of straw retention years on soil bulk density

2.2 秸秆还田年限对土壤有机碳和全氮含量的影响

随着土层的加深，各处理有机碳含量呈现先上升后下降的趋势，而全氮含量呈现逐渐下降的趋势（图2）。在同一土层，土壤有机碳和全氮含量均随着秸秆还田年限的增加而逐渐提高。与NR相比，0～5、＞5～10和＞10～20 cm土壤有机碳含量分别自SR2、SR1和SR3开始差异显著，全氮含量则分别自SR2、SR1、SR3开始差异显著（P＜0.05）。随着秸秆还田年限增加，各土层SR6、SR7、SR8有机碳和全氮含量之间差异不显著。0～5、＞5～10和＞10～20 cm各秸秆还田处理土壤有机碳含量较NR分别提高 6.37%～30.99%、10.13%～32.04%、4.15%～24.08%，全氮含量分别提高 4.81%～22.00%、6.86%～29.38%、5.15%～22.48%。

2.3 秸秆还田年限对土壤碳氮比的影响

各秸秆还田年限处理0～20 cm不同层次土壤碳氮比为12.94～15.40（图3），且有随土层加深而增加的趋势。0～5 cm 土壤碳氮比秸秆还田初期随着年限增加而显著提高，但是自第 4年起无显著变化，各秸秆还田处理碳氮比较NR提高1.4%～8.9%。＞5～10和＞10～20 cm各处理碳氮比变化无明显规律。

图2 秸秆还田年限对不同土层土壤SOC和TN的影响Fig.2 Effects of straw retention years on at different depths distribution of soil organic carbon (SOC) and soil total N (STN)

图3 秸秆还田年限对不同土层土壤C/N的影响Fig.3 Effects of straw retention years on soil C/N ratios in different soil layers

2.4 秸秆还田年限对土壤SOC、TN和C/N层化率的影响

如图4所示，土壤0～5 cm对其他层次有机碳含量、全氮含量和碳氮比层化率呈现出不同的趋势，其中，随着秸秆还田年限的增加，有机碳和碳氮比层化率总体表现出先上升后下降的趋势，而全氮层化率表现出先下降后上升的趋势。有机碳和碳氮比层化率SR0～5:5～10在SR3处理达到最高，SR0～5:10～20在 SR4 处理达到最高。全氮 SR0～5:5～10和SR0～5:10～20分别以SR7和SR2最低。土壤有机碳、全氮和碳氮比 SR0～5:5～10分别为 0.95～1.00、1.02～1.11、0.87～0.97，SR0～5:10～20分别为 1.02～1.11、1.16～1.21、0.85～0.95。

图4 秸秆还田年限对土壤SOC、STN和C/N层化率的影响Fig.4 Effects of straw retention years on stratification ratios of soil organic carbon, total N and C/ N ratios

2.5 秸秆还田年限对土壤有机碳和全氮储量的影响

因SR 0～5、0～10、0～20 cm土层的土壤质量最大，故将其作为等质量基准计算各处理等质量土壤有机碳和全氮储量（表1）。秸秆还田年限对土壤有机碳处理影响显著，且在不同土壤深度表现相似的趋势，土壤有机碳储量总体呈现出随着秸秆还田年限增加而提高的趋势，但是增幅逐渐减小，各土层碳储量在秸秆还田5a后无显著增长（P＞0.05），其中0～5 cm碳储量在SR7处较SR6有所降低，各土层有机碳储量均以SR8最高，0～5、0～10、0～20 cm土层有机碳储量各秸秆还田处理分别比NR提高6.37%～30.99%、8.27%～31.52%、6.23%～27.85%。

与土壤有机碳储量相似，各土层全氮储量也随着秸秆还田年限的增加而逐渐提高，但是增幅逐渐减小，0～5、0～10 cm土层氮储量在秸秆还田5 a后、0～20 cm土层氮储量在秸秆还田6a后无显著增长（P＞0.05）。0～5、0～10、0～20 cm 土层全氮储量各秸秆还田处理分别比NR提高 4.81%～22.00%、5.78%～25.14%、6.04%～25.66%。

对0～20cm土层土壤有机碳储量和全氮储量与秸秆还田年限进行相关性分析可以看出（图 5），秸秆还田8a内 0～20cm土层土壤有机碳储量和全氮储量随着秸秆还田年限增加而增加，但增幅逐渐减小，均呈二次曲线回归关系，R2分别为0.9956和0.9761，均达到极显著水平（P＜0.01）。

表1 秸秆还田年限对土壤等质量有机碳和全氮储量的影响Table 1 Effects of straw retention years on soil organic carbon and total N stocks using equivalent soil mass methods

图5 0～20 cm土层土壤有机碳和全氮储量与秸秆还田年限的关系Fig.5 Relationship between soil organic carbon/total N stocks at 0-20 cm soil depths and years of straw retention

3 讨论

3.1 秸秆还田年限对土壤有机碳、全氮含量和碳氮比的影响

较多研究表明，秸秆还田下土壤有机碳含量随着土层加深而逐渐下降[23-25]。图2表明，各秸秆还田处理＞10～20 cm土壤有机碳含量较0～5和＞5～10 cm均有所下降，与代红翠等[26]研究结果相似，但是＞5～10 cm各处理有机碳含量较0～5 cm有所上升，与吴玉红等[27]研究中小麦秸秆还田的有机碳含量规律一致，这可能是由于本试验中小麦秸秆均匀分布于0～15 cm土层，而0～5 cm土壤直接与大气接触，且容重较低（图1）、孔隙度较高，更好的土壤通气性促进了有机碳的分解[28]。随着秸秆还田年限的延长，各土层有机碳增长速率逐渐下降，与李静等[29]的研究结果相符。各土层有机碳含量较 NR出现显著性差异（P＜0.05），出现在秸秆还田1～3 a，说明秸秆还田可以显著提高土壤有机碳含量[8,30]。然而，张翰林等[15]对稻麦轮作区潮土的研究表明，长期秸秆还田可显著提高土壤有机碳含量，但短期（5 a内）不显著，与本研究结果的差异可能是不同土壤类型所致。也有研究表明，秸秆还田对土壤有机碳的固存无显著影响，甚至导致土壤有机碳含量的降低，可能是在土壤有机碳含量达到临界值后继续输入外源有机碳引发了启动效应[13]。

秸秆还田可以有效提高耕层土壤全氮含量和储量[31-33]。本研究结果表明，秸秆还田可以有效提高耕层土壤（0～20 cm）全氮含量，且随着还田年限的增加，土壤全氮含量逐渐提高，但是增幅逐渐下降，与王淑兰等[34]研究结果相近。各土层全氮含量较NR出现显著性差异（P＜0.05）出现在秸秆还田1～2 a，说明短期秸秆还田可提高土壤全氮含量[35]。随着土层的加深，各处理土壤全氮含量逐渐下降，应是施肥方式为表面撒施所致。

本试验土壤碳氮比为12.94～15.40，各处理土壤碳氮比存在随土层加深而提高的趋势，与Xue等[36]研究结果中犁耕秸秆还田0～20 cm土壤碳氮比变化趋势相近，而Zhang等[32]研究表明土壤碳氮比随土层加深而下降，具体原因尚不明确，可能与土地类型和作物种类有关。各土层仅0～5 cm土壤碳氮比在秸秆还田初期（0～3 a）随着年限增加而显著提高，其他层次和年限均无明显趋势，说明秸秆还田主要在初期影响表层土壤碳氮比。

3.2 秸秆还田年限对土壤有机碳、全氮含量和碳氮比层化率的影响

本研究中秸秆还田显著提高土壤有机碳和碳氮比SR0～5：10～20，0～5 cm 和其他层次有机碳和碳氮比层化率总体呈先增长后下降的趋势，全氮层化率先下降，后 3年趋于平缓。秸秆还田处理有机碳层化率为0.95～1.11，NR处理有机碳层化率为 0.98～1.02，Franzluebbers[37]认为，扰动强度较大土壤的有机碳层化率一般小于2。Zhang等[32]研究结果表明，秸秆还田4a土壤有机碳、碳氮比层化率高于秸秆不还田处理，与本试验结果一致，但是其研究认为秸秆还田同样有利于提高土壤全氮层化率。也有研究认为，由于相同耕作措施下秸秆还田和不还田处理土壤有机碳和全氮在耕层分布规律较为一致，秸秆还田对土壤有机碳和全氮层化率的影响并不显著[38]。

3.3 秸秆还田年限对土壤有机碳、全氮储量的影响

本文以NR处理土壤质量为参考，通过等质量法计算土壤有机碳和全氮储量。结果表明，秸秆还田显著增加0～20 cm土壤有机碳和全氮储量，与已有研究结果一致[13,32,39]。秸秆还田对有机碳储量的提升效果与秸秆还田量显著相关，陈鲜妮等[40]研究表明，随着秸秆还田量的提高，土壤碳储量也逐渐增加。随着秸秆还田年限的增加，向农田土壤持续投入的秸秆也会影响土壤有机碳的积累，林飞燕等[1]在江西的试验和模拟结果都表明，双季稻田50%和100%秸秆还田下土壤有机碳储量随着还田年限的增加而逐渐提高。秸秆还田同样增加土壤氮素的输入从而提高氮储量。濮超等[33]研究表明，在相同耕作方式（PT）下，秸秆还田比不还田显著提高0～30和0～50 cm土壤氮储量。许菁等[41]基于10 a定位试验研究表明，秸秆还田各处理的土壤碳氮储量均显著高于无秸秆还田处理，并且随着时间的推移，秸秆还田和无秸秆还田的差异越来越大，秸秆还田的优势越来越明显。本研究结果表明，秸秆还田6 a内0～20 cm土壤碳氮储量的增加较为显著，7～8 a增幅显著下降。王淑兰等[34]研究表明，不同耕作方式下秸秆还田4～6 a土壤有机碳储量逐年上升，第7年有所下降后再次上升，全氮储量在4～5 a逐年上升，第6年有所下降后再次上升，但未对中途碳氮储量下降的原因进行分析。有研究表明，当土壤有机碳储量已达到饱和状态，秸秆还田向土壤归还作物残茬的同时会导致土壤原有有机质的矿化。当土壤有机碳新形成量与降解量接近时，土壤有机碳储量即可达到饱和状态；若低于土壤原有有机碳的降解量，土壤有机碳储量就会有所降低[9,13]。徐蒋来等[42]研究表明，75%还田量对土壤养分含量增加效果显著。因此，在稻麦轮作系统仅水稻秸秆还田且还田量在9 000 kg/hm2的情况下，6 a是较为合理的还田年限，之后可以考虑适当减小还田量，将秸秆用于其他途径。