桓台县冬小麦和夏玉米秸秆长期还田的生态效益分析

张 鑫,李菁园,孟凡乔,*,吴文良,李洪波,胡正江

1 河北农业大学资源与环境科学学院,保定 071000 2 中国农业大学资源与环境学院农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室,北京 100193 3 山东省桓台县农业局,淄博 256400

中国作为世界农业大国,自20世纪80年代以来,随着农业集约化生产的逐步推广,每年产生大量的作物秸秆[1],研究表明我国2015年农作物秸秆产量达到了约9.3亿t[2]。秸秆处理已经成为诸多国家(如英国、墨西哥)所面临的巨大挑战[3]。在中国,20世纪90年代以来秸秆处理的主要方式是就地焚烧,而随着秸秆禁烧政策的实施,秸秆还田逐渐成为中国乃至其他国家最简单和直接的处理和利用方式[4- 5]。

国内外大量研究发现,在各种农田管理措施中,作物秸秆作为外源有机碳,还田后能增加土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)含量[4],促进土壤微生物对有机质的分解和腐殖化,补给土壤养分[6],改善和维持土壤结构稳定[7],增加土壤持水量[8],降低农田养分淋失[9- 10]。长期秸秆还田不仅能提高作物产量,还能维持土壤养分含量的稳定[11]。也有学者认为,秸秆还田会增加杂草和虫害发生率及播种难度[12],增加土壤微生物对土壤O2和养分的消耗,可能增加反硝化细菌活性而增加N2O排放,还能降低作物根系对土壤养分的吸收和利用,降低氮素利用效率[13]。因此,对区域长期秸秆还田的农学和生态环境效应研究,可以为农业生产措施的制定提供科学依据。

华北平原是我国冬小麦和夏玉米的主要种植区域,也是作物秸秆的主要来源。80年代以来,高产品种的引入、化肥和灌溉水的过量投入以及频繁耕作等措施推进了该地区的农业集约化过程[14],提高了粮食产量,使得桓台县成为了江北地区第一个吨粮县[15],全县冬小麦和夏玉米秸秆年产量达到了16 Mg/hm2。虽然Liao, 等[15]的研究表明该地区长期秸秆还田会增加土壤SOC含量,但目前为止并没有对该地区秸秆还田的生态效应进行系统全面的评价。我们对桓台县30多年以来,作物秸秆还田的演变及其对作物生产和土壤性状的影响进行系统分析,旨在为我国诸多集约化农业地区乃至其他国家秸秆资源进行合理利用和决策提供技术和管理支持。

1 研究区概况

本研究对象为山东省桓台县(东经117°50′—118°10′,北纬36°54′—37°04′)(图1)。该地区地形属山前洪积平原和黄淮海平原的叠错地带,属典型的平原地区。桓台县地属暖温带大陆季风气候区,四季分明、气候温和、阳光资源丰富、降水不均、冬春干旱、夏季多雨。年平均气温12.5℃,年平均降水量540.7 mm,年日照时数2833 h,年无霜期平均为198d[15- 16]。自20世纪80年代以来,桓台县主要的作物种植制度为冬小麦(TriticumaestivumL.)-夏玉米(ZeamaysL.)轮作,一年两熟,冬小麦与每年10月中旬播种并于次年6月上旬收获,夏玉米于每年6月中下旬播种并同年10月上旬收获。随着化肥、农药和灌溉水量的持续增加以作物品种和种植方式的不断优化,该地区粮食产量快速提升,1990年成为长江以北全国第一个吨粮县,其粮食生产在山东省乃至全国占有重要的地位。2016年全县冬小麦和夏玉米总产分别为19.2万吨(8.2 Mg/hm2)和18.4万吨(7.98.2 Mg/hm2)(2017年淄博市统计年鉴)[17]。全县土壤类型包括潮土和褐土,土壤质地以壤土为主。

图1 研究区图Fig.1 Map of study area

2 研究方法

2.1 第二次全国土壤普查

第二次土壤普查(the Second National Soil Survey)是在全国范围内于1981—1983年开展的土壤普查工作,桓台县在1982年8月—1983年8月进行,历时一年完成[18]。该次土壤有机质测试采用重铬酸钾容量法,主要普查结果汇编于《桓台县土壤志》中。本研究采用其中258个样点的表层土壤,其有机质数据作为桓台县1982年土壤碳库的基线数据。

2.2 历年土壤肥力监测数据

历年桓台县土壤肥力监测数据由桓台县农业局提供。自1987年开展至今,当地农业局开展配方施肥和土壤肥力监测,即在每年9月夏玉米收获后对农田耕层土壤(0—20 cm)采样测试,每6.67—33.33 hm2采集一个混合样。本研究获得了其2011年以前的各年pH、有机质和养分监测数据,其中1983—1986年、2000—2001年、2004—2005年因土壤肥力调查工作中断因而无详细的数据,另外2010年也无详细监测数据,这些年份数据按照内插法计算得出。2011年9月在全县范围内对农田土壤采样调查,采用2 km×2 km的尺度均匀布点,每个样点的土壤由3个采集点的土壤混合而成,采样层次为0—20 cm土层,本研究采用其中123个样点作为2011年的土壤数据,各样点以GPS精确定位并逐年采样测定,2012—2014年土壤样品取自于桓台长期定位实验区。所采集土壤样品风干,磨土过0.25 mm筛,封于自封袋中于温室保存以备测定。土壤样品中的速效养分均采用常规方法进行测定：碱解氮、速效磷和速效钾分别采用碱解扩散法、碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法和乙酸铵浸提-火焰光度法,土壤有机碳和全氮含量用碳氮元素分析仪进行测定(Thermo Flash EA 1112)。

2.3 气候、化肥与产量数据

1980—2014年的气象数据(年均气温和年均降水量)由桓台县气象局提供；1980—2014年的耕地面积、小麦和玉米籽粒和秸秆产量、化肥投入情况以及秸秆还田比例等数据来自桓台县统计年鉴。

2.4 土壤有机碳储量

1980—2010年的土壤有机质数据按照转化系数可以直接获得土壤有机碳含量,即,

QSOC=QSOM/1.724

土壤有机碳储量按照以下公式计算：

ΔSOC=QSOC×ρ×0.2×104

其中,ΔSOC为0—20 cm土壤有机碳储量(kg C hm-2),QSOC为0—20 cm土壤有机碳含量(g/kg),ρ为0—20 cm土壤密度(g/cm3),0.2为土壤深度(m),104为转化系数。

2.5 秸秆养分含量

不同施肥量条件下冬小麦和夏玉米秸秆氮含量通过以下公式计算[19]：

冬小麦秸秆氮与施肥量：

y=-0.48x2+1.91x+4.54

夏玉米秸秆氮与施肥量：

y=-0.22x2+1.21x+5.31

其中,y为氮含量,单位为g/kg；x氮肥施用量,单位为×100 kg N hm-2。小麦和玉米秸秆中的磷含量和钾含量分别参考《中国农作物主要施肥指南》。

秸秆对养分贡献率定义为为还田秸秆养分量与还田秸秆和肥料养分总量的比值(秸秆还田养分量/(秸秆还田养分量+施肥养分量))。

2.6 CO2当量的计算

作物施肥后的活性氮损失包括N2O、NH3和氮淋溶三种主要途径,通过Yan等[20]的研究表明,N2O的直接排放系数为0.5%,而通过对NH3与施氮量之间的拟合关系研究可知[19],NH3与施氮量的关系在冬小麦季和夏玉米季分别为：y=0.11x-2.63(冬小麦)和y=0.16x-8.10(夏玉米),由Cui等[21]的研究发现,氮淋溶与施氮量的关系分别为y=2.7e0.0088x(冬小麦季),y=4.46e0.0094x(夏玉米季),基于以上研究结果和每年施氮量分别计算每年N2O、NH3和氮淋溶损失量。

在100年的尺度下,N2O的增温效应是CO2的298倍[22],计算公式为：

其中,GWP(Global Warming Potential)(kg CO2-eq hm-2a-1)为N2O的净温室效应,28和44分别是N2O中N和N2O的摩尔质量。

间接温室气体排放系数：根据Smith等[16]的研究可知,氮、磷、钾肥的间接温室气体排放系数分别为8.3 kg CO2-eq kg-1N, 0.59 kg CO2-eq kg-1P2O5和0.47 kg CO2-eq kg-1K2O。

2.7 数据处理与分析

所有数据的前期处理和作图均使用Microsoft Excel (2016)进行,所有数据通过SPSS Statics 22.0软件(SPSS linc.,Chicago,USA)进行相关性分析和多元回归分析,多重比较采用最小显著差异法(LSD)检验(5%水平)。

3 结果与分析

3.1 1980—2014年桓台县冬小麦-夏玉米秸秆还田情况

从1980年至2014年,桓台县农业逐步向可持续集约化农业方向发展。到1995年,小麦秸秆已全量还田；到2008年,玉米秸秆全量还田(表1、表2)。

表1 1980—2014年间桓台县冬小麦季生产通过夏玉米秸秆还田带入的养分数量和养分贡献率

表2 1980—2014年间桓台县夏玉米季生产通过冬小麦秸秆还田带入农田养分数量和养分贡献率

秸秆还田能显著增加N、P、K养分输入。在冬小麦季,夏玉米秸秆还田所贡献的N、P、K量先呈缓慢增加趋势,自2005年后分别迅速增加并稳定到54.3 kg N hm-2、10.3 kg P hm-2、85.6 kg K hm-2(2014年),且秸秆还田对N、P、K养分的贡献率分别达到18.5%, 20.1%和62.4%(表1)；在夏玉米季,到2014年,冬小麦秸秆还田所贡献的N、P、K分别为48.7 kg N hm-2、5.2 kg P hm-2和70.8 kg K hm-2,分别占全部养分来源的20%、11%和57%(表2)。在县域尺度上,2010—2014年期间小麦和玉米秸秆还田对养分的贡献量达到了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 秸秆还田对土壤速效养分的影响

从1982年到2014年,桓台县土壤养分含量呈增加趋势(图2)：其中土壤碱解氮由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%),速效钾由141.8 mg/kg增至230 mg/kg(增加62.2%)(图2)。通过多元回归分析可知,秸秆还田是影响土壤养分含量的主要因素(图3),尤其是速效氮和速效钾的含量与秸秆还田呈极显著相关性。

图2 1982到2014年桓台县土壤速效养分含量变化Fig.2 Soil Available Nutrients in Huantai from 1982 to 2014AvN：碱解氮 Available nitrogen；AvK：速效钾 Available potassium；AvP：速效磷 Available phosphorus；SOC：有机碳 Soil organic carbon

对土壤碱解氮、速效磷、速效钾和秸秆贡献的氮、磷、钾进行拟合分析(图3),线性回归方程分别为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)。秸秆还田贡献的养分与土壤养分成显著正相关。由土壤速效养分和肥料带入养分之间的拟合分析可知(图3d—f),氮肥和钾肥施用量对土壤速效养分影响不相关(P=0.308,P=0.317),磷肥施用量对土壤速效磷达到了极显著性水平(y=-0.0128x2+2.4414x-88.898,R2=0.50,P<0.01),按照拟合结果可知当磷肥使用量超过95 kg P hm-2时,土壤速效磷含量并不会持续增加。

图3 秸秆还田以及施肥输入养分量和土壤速效养分含量的相关关系Fig.3 Influence of straw incorporation and fertilization on soil available nutrients contents

3.3 秸秆还田对粮食产量的贡献

1980—2014年期间,由于高肥高水投入、频繁耕作以及高产品种的引入,作物产量迅速增加。通过对粮食产量的影响因子(包括年均温度、年均降雨量,以及秸秆还田量和氮肥施用量)与作物产量的单因素线性回归分析见图4。其中,年均气温在这30年间有所增加,它和产量的关系用线性方程表示为y=2.2873x-16.002 (R2=0.35,P<0.01),而降雨量和产量无显著相关(P=0.117)。20世纪80—90年代氮肥施用量快速增加,90年代末逐渐减少,至2011年其用量约500 kg N hm-2,其与粮食产量呈显著相关(P<0.01)。此外,秸秆还田在30年集约化农业进程中的影响大大提高,它和产量用方程表示为y=3.8255ln(x)+9.4722 (R2=0.932)。

图4 粮食产量与自然因素、氮肥使用量及秸秆还田量的相关关系Fig.4 Influence of environmental parameters, N rate and straw incorporation on crop yields

冬小麦和夏玉米产量与影响因素的偏相关分析(表3)则表明,秸秆还田、化肥氮和钾与作物产量均呈显著相关,而产量与年均气温、降雨和化肥磷并没有体现出显著相关关系。

表3 桓台县粮食产量与影响因子的偏相关分析

3.4 秸秆还田对土壤有机碳含量的影响

从1982年到2011年,表层土壤(0—20 cm)有机碳含量从7.8 g/kg增至11.3 g/kg,增加了45%(图2),土壤碳储量从21.3 Mg C hm-2增加到34.1 Mg C hm-2,增加速率达到了399 kg C hm-2a-1。县域尺度,SOC储量(0—20 cm)从534127增加到了853150 Mg(相当于35446 Mg CO2-eq a-1)。从秸秆还田量和土壤有机碳含量的相关分析(图5)可以看出,秸秆还田量和土壤中有机碳含量呈极显著相关关系,而从氮肥施用量和土壤有机碳含量的相关分析中(图5),氮肥施用量对土壤有机碳含量影响较弱(R2=0.18,P<0.05),秸秆还田为主的外源有机碳输入比施用氮肥更能显著提高土壤有机碳含量。

图5 桓台县秸秆还田以及施肥与土壤有机碳含量的相关关系Fig.5 Influence of straw incorporation and fertilization on SOC content

3.5 秸秆还田对N2O、NH3和氮淋溶的影响

在2010—2014年期间,年均施肥量所造成的N2O累积排放量在县域尺度(25000 ha)为28448 Mg CO2-eq a-1,相应的,土壤SOC固碳数量为35446 Mg CO2-eq a-1,可以补偿由于化肥氮所造成的N2O排放。在化肥的生产、运输和使用过程中所造成的温室气体排放被称为间接温室气体排放,在2010—2014年期间,由于秸秆还田会向土壤输入养分,折合后年均能分别减少化肥量为2617 Mg N a-1、909 Mg P2O5a-1和4830 Mg K2O a-1,因此,折合为间接温室气体排放量后可知,秸秆还田在县域尺度能减少24528 Mg CO2-eq a-1的温室气体排放量。

2010—2014年期间,全县范围内,作物秸秆还田能分别减少小麦季和玉米季的氨挥发量为85.6 Mg N hm-2a-1和70.8 Mg N hm-2a-1,并减少小麦季和玉米季的氮淋溶量分别为109.6 Mg N hm-2a-1和177.8 Mg N hm-2a-1。秸秆还田为主的外源有机质的输入对直接温室气体排放、氮素损失方面均能有重要意义。

4 讨论

4.1 秸秆还田对土壤养分和产量的影响

秸秆还田是农业生产中改善土壤肥力、提高土壤质量、保护生态环境的一种有效措施。作物秸秆还田能够为土壤返还作物生长所必需的氮、磷、钾和其他营养元素[10],显著提高土壤肥力,改善作物生长所处的土壤环境[4, 6, 23]。研究表明,秸秆还田能显著提高小麦的产量,且随秸秆还田量增加而增加[24]。在桓台县,在当地政府技术和经济政策的多重鼓励支持下,冬小麦和夏玉米秸秆还田比例分别在1998年和2008年后达到了>90%(表1—2)。有研究表明秸秆短期还田对土壤养分含量并无显著影响[25],但在长期时间尺度水平上,土壤养分(尤其是N、P、K、Ca、Mg及其他微量元素)却能维持较高含量[26],本研究中,长期秸秆还田会增加土壤有机碳及速效养分的含量,能产生巨大的经济效益和环境效益。

化肥磷的过量投入并没有增加土壤速效磷含量,但长期秸秆还田配施氮肥为土壤补充氮素,增加土壤碱解氮含量[6],因此土壤速效氮、磷、钾的增加,主要是来自长期秸秆还田的贡献而不是化肥投入。秸秆粉碎还田后有利于有机质的矿化和分解并补偿作物对土壤养分的消耗量[6, 27],同时高C/N或C/P比有利于微生物的生长并促进养分的固定[28]。秸秆等作物残体分解产生的有机质对磷素的吸收位具有掩蔽作用,能提高磷的有效性,长期秸秆还田会降低秸秆对磷素的吸附,提高作物供给的有效磷[28]。而从长远角度分析,氮或磷的矿化是一个缓慢过程,因此秸秆还田后在长期过程中并不会降低作物产量,却能有效的补偿土壤养分库,对农业生产中减氮和节约投入具有一定的贡献[28]。劳秀荣等[29]研究结果表明,在相同施肥水平下,土壤中速效钾含量与秸秆还田量呈正相关关系,即使在不施钾肥的条件下,秸秆还田也能补偿钾肥提供的速效钾,并在一定程度上维持土壤钾素的平衡,本研究获得了类似结果。此外,长期秸秆还田能增加土壤持水量和通透性,并改善土壤结构和质地,这些方面也普遍认为是维持桓台地区作物高产的主要原因[7- 8]。赵红香等[30]的结果进一步说明,秸秆还田能提高玉米的千粒重和穗粒数,并显著影响小麦的千粒重和有效穗数。

4.2 秸秆还田的土壤固碳效应

农田SOC水平受气候(主要是温度和降水)和农田管理措施,包括作物秸秆还田、氮肥的使用、灌溉等的影响[31]。中国作为粮食生产大国,秸秆碳输入量大,大约为8 Mg C hm-2a-1[15],约为美国的两倍(4.2 Mg C hm-2a-1)[32],而外源碳输入是增加SOC最有效的因素之一,Freibauer等[33]的研究结果表明秸秆碳输入能显著增加土壤有机碳含量,同时,秸秆还田配施化肥更有助于土壤有机质的增加[5],因此,秸秆还田不仅有利于降低环境污染风险,还有利于农业废弃物资源的循环利用。桓台地区,在1982—2014年期间,0—20 cm土层SOC储量增加速率达399 kg C hm-2a-1,主要是由于小麦和秸秆还田后带入了高量的有机碳,该结果已经显著高于诸多其他学者的研究结果[32],而Smith等[34]称秸秆还田条件下可达到最高的固碳率(0.7 Mg C hm-2a-1),而只施氮肥的处理固碳率仅0.2 Mg C hm-2a-1。需要指出的是,桓台县当前有机碳含量水平仍然远低于发达国家水平(美国、欧盟等为25 g/kg)[35],因此,桓台地区农田土壤还具有较大的固碳潜力。

4.3 秸秆还田的生态效应

大量作物秸秆直接进行焚烧处理,不仅会造成秸秆中N、P、K等养分的损失[10]和氮素淋溶[9],还能严重影响空气质量[9]。由于秸秆量大以及科学技术条件的限制,华北地区在80年代每到10月或者6月都会出现严重的空气污染等质量问题,最根本的原因就是冬小麦和夏玉米收获后所产生的大量秸秆被直接焚烧导致[14]。秸秆还田措施也存在诸多负面影响,有研究发现,秸秆大量还田短期内会降低土壤氧气浓度,促进土壤反硝化过程的发生,增加N2O排放量[13],同时还能增加土壤微生物在秸秆降解过程中对土壤养分的消耗,增加了作物与微生物的养分利用竞争,不利于作物的生长[36],同时还能增加杂草生长,降低出苗率[12],以及氮素淋溶风险[13]。

除了直接还田,作物秸秆还可以用来生产生物炭、发展生物质能、生产食用菌、堆肥以及替代动物饲料。我们利用DNDC模型验证表明,与秸秆直接还田相比,转化成有机肥后进行还田,对于农田土壤有机质的提升效果更好(增加量可达2.1%—6.0%)[42],因此,堆肥以及有机肥可以在今后当地作物秸秆管理中进行尝试和推广。

5 结论

在过去三十多年间的集约化农业进程中,桓台县秸秆还田显著提高了土壤速效养分含量和土壤有机碳含量,增加土壤固碳水平,缓解和补偿土壤中N、P、K等养分的消耗,稳步提高作物产量,其中土壤碱解氮、速效磷和速效钾在1982年至2014年间分别增加了134%、139%和62%,表层土壤有机碳含量增加了45%。长期秸秆还田能完全补偿由施用化肥所造成的直接温室气体排放量,同时秸秆还田带入的N、P、K还可以减少20%—24%的间接温室气体排放、NH3挥发和氮素淋溶。因此,在桓台集约化农业生产区,秸秆还田已经作为农业生产中固碳减排、提高土壤养分的重要农田措施之一,对实现未来农业可持续发展起着重要作用,建议未来对秸秆进行堆肥或作为畜牧饲料替代等措施进行进一步研究,从而更好实现经济和环境效应。