农田土壤团聚体有机碳对秸秆还田响应的Meta 分析*

李怡燃,王秀薪,梁耀文,周海峰,周南丁,蒲玉琳

(四川农业大学资源学院 成都 611130)

土壤有机碳不仅指示土壤质量与健康,还密切影响全球气候变化[1]。农田生态系统(含耕地、田埂、园地等)占陆地面积的12%[2],是碳循环过程中最活跃的碳库,其中土壤年固碳量达9.6～25.5 Tg[3],约为大气碳库的16%～30%[3-4],其固碳潜力相当可观[5]。同时,农田生态系统受人为活动影响最为强烈,土壤固碳潜力能在较短时间尺度上进行人为调节[6]。在当前国家粮仓与生态文明建设并重及“双碳”背景下,从事土壤与环境研究的学者们试图优化农田管理措施[7-8]以期提高土壤固碳能力,缓解区域乃至全球气候变暖。

中国是秸秆资源最丰富的国家之一,据估算我国2019 年农作物秸秆总产量约8.65 亿t[9]。秸秆富含氮磷钾等营养元素及有机质,通过覆盖、粉碎或炭化还田等方式归还至农田既能增加土壤碳固存量[10-11],又能改善土壤结构、提高土壤质量[12-15],因此秸秆还田是一项经济、高效的农田增碳减排及有机质提升的技术[16]。秸秆还田增强土壤固碳潜力的效果受还田方式[17-18]、还田年限[16,19]、还田深度[20-21]、配施肥料与耕作灌溉等农田管理措施[22-23]的综合影响。此外,秸秆还田促进土壤固碳的作用效果在不同地理区域间变化明显,这可能与区域气候及土壤条件的差异有关[18,19,24]。由此可见,从多因素角度出发,综合评估秸秆还田条件下土壤固碳效应,对科学高效利用秸秆以及缓解气候变化具有重要意义。目前,已有学者借助Meta 分析方法,综合多因子分析秸秆还田对土壤有机碳的影响[25],整体上明晰秸秆还田条件下土壤固碳潜力[24],探明维持土壤有机碳持续增长的秸秆还田量[16]。基于特定区域环境的研究也显示,秸秆还田显著提升土壤有机碳含量的重要物理机制在于增加土壤团聚体的固碳量,即团聚体有机碳(简称团聚体碳)含量[26-27]。如冯秋苹等[28]在中国东北半干旱区的长期定位试验结果表明,秸秆还田下土壤团聚体碳含量的增幅达65.51%。Zhao 等[21]通过7 年田间定位试验证实,秸秆还田显著提高了陕西关中平原土壤团聚体碳含量。总体来看,当前关于秸秆还田对土壤团聚体碳影响的研究主要基于定位小区试验结果,对全国不同区域内秸秆还田下土壤团聚体固碳量的差异尚不清楚,其受秸秆还田方式、数量和年限等因素的综合影响程度也尚待明晰。

综上,本文采用Meta 分析方法结合随机森林模型,以无秸秆还田作为对照,整合全国范围内农田土壤团聚体碳对秸秆还田响应的试验结果,归纳分析在不同地理区域和还田技术下,秸秆还田对农田土壤团聚体碳的影响及其差异,为深入阐明秸秆还田提升土壤碳固存的物理机制、全面评估秸秆还田的固碳效应以及广泛科学推行秸秆还田技术提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 数据收集

本研究收集发表的文献,其主要来源包括中国知网、Science Direct、Web of Science 核心合集等数据库,以“秸秆还田” “团聚体碳” “有机碳” “straw return”“straw mulching” “straw or residue” “return or incorporation” “aggregate-associated organic carbon or aggregate organic carbon”和“soil organic carbon”等中英文关键词组合进行文献检索。为减少数据的随机误差,本研究所用文献均满足以下标准: 1)试验区域为中国的大田试验,且试验起止年份、地点等基本信息明确;2)必须明确秸秆的还田量、还田方式、还田年限;3)试验处理至少包括1 组秸秆还田和不还田的处理,且其他田间试验条件一致;4)给出试验期间土壤各粒径团聚体碳含量,或根据文献数据计算得出;5)数据均值、标准差或标准误及样本量等数据记录清晰。筛选出2010 年后发表的有效文献共35 篇,其中东北12 篇、华北5 篇、西北3 篇、华中5 篇、西南4 篇和华东6 篇。

1.2 Meta 分析

数据来源于文献中的正文、表格和图,数据以正文或表格形式出现则直接读取;以图的形式呈现,则使用GetData 2.24 软件提取。

1.2.1 标准差

若文献中提供的数据为标准误(SE),则按照公式(1)将其换算成标准差(SD):

式中:n为试验重复次数。

1.2.2 效应值

以响应比(RRi)的自然对数lnRRi(即效应值)量化土壤团聚体碳对秸秆还田的响应程度,lnRRi由公式(2)计算:

式中:Xt和Xc分别为秸秆还田处理下和无秸秆还田处理下土壤团聚体碳含量(土壤团聚体碳),g(C)·kg–1。采用公式(3)和(4)计算每项研究内不同处理的方差(vi)和权重(wi)。

式中: SDt和nt分别为秸秆还田条件下的标准差和样本数量,SDc和nc分别为秸秆不还田条件下的标准差和样本数量。

采用公式(5)对每项独立研究的效应值进行加权计算,得到加权平均效应值(lnRR),再利用公式(6)计算lnRR 的标准误SlnRR。

加权平均效应值lnRR 的95%置信区间(95%CI)采用公式(7)计算。

若加权平均效应值的95%置信区间不与0 重合,则效应值显著。若置信区间全部>0,则说明秸秆还田显著增加农田土壤团聚体碳含量(P<0.05);若置信区间全部<0,则说明秸秆还田显著降低农田土壤团聚体碳含量(P<0.05);若置信区间包含0,则说明秸秆还田对农田土壤团聚体碳含量无显著影响。

最后将lnRR 通过公式(8)转换成相对变化率(E),表征秸秆还田条件相对于秸秆不还田条件土壤团聚体碳的变化,从而更直观地反映不同条件下秸秆还田对土壤团聚体碳的影响效应。

1.2.3 亚组分析

将团聚体划分为大团聚体(>2 mm 或>1 mm)、小团聚体(0.25～2 mm 或0.25～1 mm)、微团聚体(0.053～0.25 mm)和粉黏粒级(<0.053 mm)[29-31]。若所收集文献中有大、小团聚体的进一步粒级划分,采用算术平均法重新计算2 个及以上的粒级团聚体碳含量。中国不同农业生产区的气候条件、耕作制度以及作物种类差异较大,同时秸秆还田方式、深度[28,30,32]、数量[30,33-34]及年限[34-36]等诸多因素均对农田土壤团聚体碳含量产生重要影响。因此,本研究基于筛选的文献数据,利用Meta 亚组分析方法检验地理区域、还田方式、还田数量与还田年限对农田土壤团聚体碳含量的影响(表1)。

表1 秸秆还田条件下土壤团聚体碳的影响因素分类Table 1 Classification of influencing factors of soil aggregate carbon under straw return

1.3 随机森林分析

随机森林(RF)中贡献率(CR)根据Gini (GI)指数衡量,假设有m个特征,采用公式(9)计算每个特征Xj的GI 指数(GIj),即第j个特征在所有决策树中节点分裂不纯度的平均改变量。

式中:K为自助样本集的类别数,ppmk为类别k占节点m的比例。

通过公式(10)计算特征Xj在节点m的贡献率,即节点m分支前后GI 指数变化量。

式中: GIm为节点m的GI 指数,GIl和GIr分别为分支后两个新节点的GI 指数。

若变量Xj在第i棵树中出现M次,则通过公式(11)计算变量Xj在第i棵树的贡献率。

采用公式(12)计算变量Xj在RF 中的贡献率百分比。

式中:n为RF 中分类树的数量。

1.4 统计分析

首先,使用Microsoft Excel 2019 建立不同条件下秸秆还田对土壤团聚体碳影响的数据库。然后,利用R 4.2.1 中的“metafor”软件包进行发表偏倚与异质性检验。采用漏斗图判断试验结果间的效应值是否存在发表偏倚问题,如果数据点以倒立的漏斗状均匀分布,则不存在发表偏倚问题。同时,检验不同试验结果间效应值的异质性,若P<0.05,说明试验数据的平均值之间存在较大差异,即不同研究结果间的变异是由随机误差引起的,故选用随机效应模型进行Meta 分析,否则采用固定效应模型。最后,使用R 4.2.1 中的“randomForest”包对数据进行随机森林分析,以确定秸秆还田下不同因素对土壤团聚体碳的贡献大小。利用R 4.2.1 和Origin 2023 软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 发表偏倚及异质性检验

本研究结果表明,各数据点关于漏斗轴线总体对称,不存在发表偏倚问题(图1),具有统计学意义;各试验数据间具有显著的异质性(表2),故而选择随机效应模型。

图1 秸秆还田对土壤团聚体碳含量的发表偏倚检验Fig.1 Publication bias test of straw return to soil aggregate carbon content

表2 秸秆还田对土壤团聚体碳含量的异质性检验Table 2 Heterogeneity test of straw return to soil aggregate carbon content

2.2 秸秆还田条件下土壤团聚体碳含量的相对变化率

图2 显示,秸秆还田条件下农田土壤大团聚体、小团聚体、微团聚体和粉黏粒级碳含量加权平均效应值在95%置信区间内均大于0,分别为0.54%(0.46%～0.62%)、0.65% (0.58%～0.72%)、0.64% (0.56%～0.71%)和0.70% (0.62%～0.78%)。因此,秸秆还田对土壤各粒级团聚体碳含量的影响均为显著正向效应

图2 秸秆还田条件下土壤团聚体碳的相对变化率Fig.2 Relative change rate of soil aggregate carbon content in response to straw return

(P<0.05)。

2.3 秸秆还田对土壤团聚体碳含量的Meta 亚组分析

Meta 亚组分析结果显示,土壤团聚体碳含量对秸秆还田的响应效应受地理区域、还田方式、还田年限及还田量等因素的影响。全国范围内秸秆还田能显著增加农田土壤团聚体碳含量(P<0.05),相对变化率为2.0%～43.4%,但是不同地区土壤团聚体碳含量对秸秆还田的响应程度不一致(图3)。在西南地区,秸秆还田条件下,土壤团聚体碳含量的相对变化率最高,大团聚体、小团聚体、微团聚体和粉黏粒级碳含量的平均相对变化率分别为26.5%、43.4%、39.6%和38.5%。除西南地区外,秸秆还田条件下,东北地区土壤大团聚体碳含量相对变化率最高,为12.8%,华北和华中地区较小;小团聚体碳含量相对变化率在其他各地区差异较小;微团聚体碳含量相对变化率在华东和东北地区均较高,其变化范围为12.7%～12.8%,其余3 个地区较低且差异较小;粉黏粒级碳含量在华中地区较高,约为12.4%,在华北地区最小,约为2.0%。

图3 不同地理区域秸秆还田条件下土壤团聚体碳含量的相对变化率Fig.3 Relative change rates of soil aggregate carbon contents in response to straw return in different geographical regions

不同秸秆还田方式均能显著增加土壤团聚体碳含量(P<0.05),相对变化率为2.0%～19.5% (图4)。对于大团聚体和小团聚体碳含量而言,秸秆以旋耕方式还田的相对变化率最大,二者平均相对变化率分别为13.5%和18.7%;秸秆以覆盖方式还田的相对变化率位居第2,留高茬和深翻耕还田方式的相对变化率较小。对于微团聚体碳含量而言,秸秆以留高茬方式还田的相对变化率最高,为19.5%,旋耕方式居第2,深翻耕与覆盖方式的相对变化率较小。对粉黏粒级碳含量而言,秸秆以覆盖与旋耕方式还田的相对变化率相近且较高,约为13%;留高茬和深翻耕方式还田的平均相对变化率都较低,分别为7.4%和2.0%。

图4 不同秸秆还田方式下土壤团聚体碳含量的相对变化率Fig.4 Relative change rates of soil aggregate carbon contents in response to different straw return modes

不同秸秆还田量均能显著增加土壤团聚体碳含量(P<0.05,图5)。各类团聚体碳含量的正效应随秸秆还田量的增加而逐渐递增;低量、中量和高量秸秆还田条件下大团聚体碳含量的平均相对变化率分别为2.0%、10.5%和19.3%,小团聚体碳含量的平均相对变化率分别是2.1%、12.3%、19.5%。高量秸秆还田对微团聚体碳和粉黏粒级碳含量的相对变化率分别是16.7%和12.6%,明显高于低量和中量秸秆还田。

图5 不同秸秆还田量下土壤团聚体碳含量的相对变化率Fig.5 Relative change rates of soil aggregate carbon contents in response to different straw return amounts

与对照相比,短期秸秆还田能显著增加粒级团聚体碳含量(P<0.05,图6),大团聚体、小团聚体、微团聚体和粉黏粒级碳含量平均相对变化率分别为2.3%、2.2%、2.4%和2.1%。各粒级团聚体碳含量的增加基本随秸秆还田年限的增长而增大。对于不同粒径的团聚体,秸秆还田年限对团聚体碳含量影响有所差异。不同还田年限大团聚体碳含量的平均相对变化率在短期、中期和长期秸秆还田条件下分别为2.3%、12.1%、13.3%;小团聚体碳含量的平均相对变化率在短期、中期和长期秸秆还田条件下分别为2.2%、15.0%和18.3%;微团聚体碳含量的平均相对变化率在中期和长期秸秆还田下均约13%,是短期秸秆还田条件下的6 倍左右;粉黏粒级碳含量的平均相对变化率在中期秸秆还田条件下为5.9%,约为长期的1/2。

图6 不同秸秆还田年限下土壤团聚体碳含量的相对变化率Fig.6 Relative change rates of soil aggregate carbon contents in response to different straw return years

2.4 秸秆还田因素对土壤团聚体碳变异的贡献率

随机森林模型分析结果显示(图7),地理区域及秸秆还田方式、数量和年限能解释秸秆还田下土壤团聚体碳变异的43.9%～87.5%。地理区域是影响秸秆还田下土壤各粒径团聚体碳变异的首要因素,其贡献率最高(16.2%～28.1%)。还田方式是影响土壤大团聚体、小团聚体、微团聚体碳变异的第二重要因素,贡献率分别为22.4%、21.1%和22.3%,还田量与年限对土壤团聚体碳变异的贡献相对较小且差异不大。对于粉黏粒级而言,还田方式、还田量及年限的影响较小且无明显差异。

图7 不同秸秆还田因素对土壤团聚体碳含量的贡献率Fig.7 Contribution rates of different straw return factors to the changes of soil aggregate carbon content

3 讨论

3.1 秸秆还田对土壤团聚体碳的影响

本研究的Meta 分析结果显示,与秸秆不还田相比,秸秆还田下我国农田土壤各粒级团聚体碳的相对变化率均为正,表明秸秆还田能显著提高土壤团聚体碳含量,增强土壤物理固碳能力。一方面是因为秸秆的输入能为土壤微生物提供更多的含碳高分子化合物,如木质素、纤维素和半纤维素等[37],这类物质在微生物作用下分解为腐殖质合成的原材料,如芳香族化合物(多元酚)和含氮化合物(氨基酸或肽)等,后经腐殖化作用,促进秸秆腐解进一步形成腐殖质[38],而腐殖质或能黏结土壤矿质颗粒形成团聚体[33],或可被已有团聚体吸附[39],从而增加土壤团聚体碳含量;另一方面秸秆还田改善了土壤物理性质,降低了土壤容重[40],增加了土壤孔隙度[41],促进了土壤微团聚体向大团聚体的转化,因而土壤固碳能力显著提升[42]。这也能从物理机制角度解释秸秆还田常被作为一种高效农田土壤固碳减排技术的缘由。相似研究显示,南非地区玉米(Zea mays)秸秆还田可增加雏形土大团聚体碳含量,以及通过提高团聚体稳定性增加土壤活性有机碳含量[43];我国华中水稻(Oryza sativa)-油菜(Brassica napus)轮作系统下秸秆还田能通过增加稳定性碳如芳香碳含量,增大烷基碳/烷氧碳比率,进而提高土壤大团聚体碳含量[44];张鹏等[45]研究也表明秸秆还田提高了土壤内胶结物质的比例,使土壤团聚体碳含量增加。

3.2 秸秆还田因素对土壤团聚体碳的影响

本研究中,秸秆还田对农田土壤团聚体碳含量的正效应在西南地区最高,极大可能与气候及土壤有机质含量有关。一方面,由于西南地区降雨量充沛,年平均降雨量近1000 mm[46],高于其他地区,适当的土壤含水量可为微生物创造合适的环境条件,有助于稳定地温,从而有利于秸秆经过腐解作用形成腐殖质与团聚体结合;另一方面,西南地区农田土壤大部分为幼年岩性紫色土,加之该区域水土流失严重,土壤有机碳含量的本底值几乎都小于10 g·kg−1[32,47],最大值不超过15 g·kg−1[48]。在土壤有机质本底值低时,团聚体碳的相对增加率呈现高值。总体而言,秸秆还田对华北地区土壤团聚体碳的增加效应最小,因为华北是我国粮食主产区,农田的复种指数高,秸秆还田补充的有机质会因高强度利用而消耗,进而减小了秸秆还田条件下土壤团聚体碳的正向效应[42]。华东、西北、华中和东北地区土壤团聚体碳对秸秆还田的正向响应效应差异较小,可能与土壤本底有机质含量、气候条件及配合的耕作措施、轮作制度、施肥管理等有关[16,49-50]。

秸秆通过旋耕方式还田的深度在15 cm 以内,既能促进秸秆与全耕层土壤融合[25],又不至于对土壤造成太大扰动而降低团聚体稳定性[51],因而旋耕方式对提升土壤大团聚体和小团聚体碳含量的效应最大,这与张玉铭等[42]研究结果基本一致。究其原因在于秸秆旋耕还田能为土壤微生物提供碳氮等能源物质,提高土壤微生物数量与活性,影响土壤碳/氮比[16],同时增大水分利用效率,加速秸秆中纤维素等化合物分解再合成可以胶结土壤矿质颗粒的腐殖质,进而增加土壤小团聚体碳含量[25]。秸秆覆盖还田对土壤结构体破坏较小,但是因为覆盖于地表的秸秆腐解缓慢,所以对大团聚体和小团聚体碳含量的增加效应仅小于旋耕。至于留高茬与深翻耕方式,前者因秸秆未粉碎腐解速率慢[28],后者对土壤团聚体具有强烈的破碎作用[42],致使二者对团聚体碳含量的增加效应常小于旋耕与覆盖方式。胡心意等[50]报道秸秆深翻耕还田不仅促进秸秆与土壤均匀混合,还能减少诸多秸秆负面影响(如减少作物病害的虫卵和病原菌等),增加土壤大团聚体碳含量,这与本研究结果不一致,可能是因为前者研究对象是水田,更易导致秸秆分解腐殖化[16]。相似于赵惠丽等[52]的研究结果,本研究发现秸秆留高茬还田对微团聚体碳的增加效应最大,主要原因在于秸秆留高茬能降低田间操作次数,减少土壤扰动,土壤微团聚体相比于大、小团聚体几乎不受破坏,有助于增强微团聚体对有机碳的保护作用,降低表层土壤有机碳流失,同时免遭微生物对微团聚体碳的矿化分解[53]。深翻耕主要提高了大团聚体碳含量,覆盖则主要增加了微团聚体碳含量[54],而旋耕却能增加上述两种形态碳含量。据Kurmi 等[55]和Li 等[56]报道,大团聚体碳以活性态为主,易于分解,而微团聚体碳以稳定态为主,分解缓慢。因而秸秆旋耕还田对微团聚体碳的提升效应同Zhao 等[21]的研究结果一致,优于覆盖和深翻耕。然而王彩霞等[57]研究指出深翻耕与旋耕对微团聚体碳的增加效应大于免耕,与本研究结果存在差异,这可能是因为其研究对象为质地黏重、通气不良的土,在该土壤环境下微生物活性降低,秸秆腐解速率减慢,且秸秆残体大多附于土壤表面,二者难以融合,因而不利于微团聚体碳含量的提高。

秸秆直接还田作为重要的土壤有机质提升途径,通常还田量越多、还田年限越久,土壤有机质积累越多。随着秸秆逐步分解和腐殖化过程的进行,大量微生物繁殖[58],形成微生物活性层[16],这又可反过来加速秸秆分解释放养分,腐殖质随之积累,最终使得土壤团聚体碳也增加。所以,本研究显示农田土壤各粒级团聚体碳的增加效应均随秸秆还田量及还田年限的增加而增大,与黄璐等[33]、闫雷等[31]、王秀娟等[34]的结果一致。

3.3 秸秆还田因素对土壤团聚体碳变异的贡献

地理区域及秸秆的还田方式、还田数量与还田年限四大因素能解释土壤团聚体碳变异的43.9%～87.5%。其中地理区域对土壤团聚体碳的贡献率为16.2%～28.1%,是影响土壤各粒级团聚体碳的主要因素,可能是由于区域间气候条件、地形地貌、土壤母质、人为扰动等多因素的差异及其综合作用,易使各区域间团聚体碳表现出显著差异[20,30,33,36]。以上可以从冯秋苹等[28]和徐国鑫等[59]分别在东北和西南地区长期秸秆还田的田间定位试验结果中得到证实,东北地区属于温带大陆性季风气候,土壤为粉质壤土,且质地良好,保水保肥性强,秸秆还田对团聚体碳的增幅平均为65.5%;西南地区水热资源丰富,增强了微生物对土壤有机碳的矿化分解能力,且土壤活性有机碳易被强降雨淋失,导致秸秆还田对土壤团聚体固碳量的平均提升幅度仅为19.4%。旋耕、覆盖、留高茬、深翻耕等方式还田的秸秆与土壤的融合深度、面积不同,以及土壤微生态环境的差异[16,42,57]会影响土壤结构体性质及微生物活性,使秸秆分解速率发生变化,导致各粒级团聚体固碳潜力产生较大差异[21,28],因而秸秆还田方式是影响土壤团聚体碳(含微团聚体碳)的第二大因素。例如,冯秋苹等[28]认为秸秆轮耕还田经过深翻,加速了秸秆中有机碳的分解,对提升团聚体碳的效果显著高于全覆盖。秸秆还田量和还田年限对团聚体碳的影响均相对较小,可能是由于随还田量的不断增加且超过一定范围时,土壤碳氮比增加,使秸秆分解速率减小[53],进而导致团聚体碳对秸秆还田的正向响应不显著;伴随年限的延长,秸秆还田对团聚体碳的增加幅度减小,这是因为秸秆连续还田后,经过数年累积,并伴随农田有机肥的施入,使得有机质保持于稳定的水平上,与土壤碳阈值接近,限制了团聚体碳含量的增加[6],故而需进一步明确最优秸秆还田年限。

本研究选择地理区域等因素解释了土壤团聚体碳对秸秆还田响应变异的43.9%～87.5%,尚未考虑秸秆类型、有机肥及化肥投入、种植制度等因素及其交互作用,存在一定的局限性和不确定性。因此,今后有必要纳入多因素的交互作用分析,以便更全面地解析土壤团聚体碳对秸秆还田的响应效应。另外,已有研究指出秸秆降解速度慢,易引发环境污染问题[60],研发秸秆快速降解及秸秆炭化等新技术将成为前景可期的优化策略,有助于实现秸秆高效、环保的资源化利用。

4 结论

土壤团聚体碳对秸秆还田的响应均为正效应,且这一效应总体在西南地区最高,华北地区最低,其余地区居中;同时,秸秆还田对土壤团聚体碳的增加效应总体随秸秆还田量及还田年限的增加而增大,其中在还田大于8 年后土壤团聚体碳的增加效应最显著。秸秆以旋耕方式还田对土壤团聚体碳的提升效应最大。地理区域和还田方式是秸秆还田条件下影响土壤团聚体碳含量变异的重要因素。为增加农田土壤肥力质量及固碳效应,考虑到机械化旋耕方式在丘陵地区推广应用难,建议将秸秆粉碎后以翻耕方式还入表层土壤(15 cm 内),再配施适量化肥(如氮磷肥),最大限度地提高土壤团聚体对有机碳的固存量。