水稻秸稈還田年限對稻麥輪作田土壤碳氮固存的影響

崔思遠(yuǎn)，朱新開，張莀茜，曹光喬，陳新華，沈有柏

（1. 揚(yáng)州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，揚(yáng)州 225009； 2. 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京 210014； 3. 江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，南京 210017）

0 引 言

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機(jī)碳和氮在碳氮循環(huán)中起著重要的作用。隨著生態(tài)環(huán)境和氣候的變化，有關(guān)土壤碳、氮庫的研究更加廣泛和深入。全球碳以土壤有機(jī)碳的形式存在的約為1 500 Pg，是大氣碳庫的2～3倍[1]，其區(qū)域尺度的微小變化都將會(huì)引起全球尺度的氣候變化[2]。不合理的人類活動(dòng)如秸稈移除、高強(qiáng)度頻繁耕作等使農(nóng)田有機(jī)碳含量較初始水平降低30%～60%，但是60%～70%已損失的土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）可以通過科學(xué)的管理措施重新被土壤固定[3]。據(jù)Cheng等[4]估算，保護(hù)性耕作對中國農(nóng)田土壤的固碳潛力為0.62 Pg。土壤氮素和有機(jī)碳存在一定的耦合關(guān)系，氮素變化能夠影響土壤固碳作用[5]，SOC水平也在氮素礦化、固定和反硝化作用中起重要作用[6]，其相互耦合作用對作物生產(chǎn)以及氣候變化等方面具有重要意義[7]。

中國農(nóng)作物秸稈資源非常豐富，據(jù)估算，2015年全國主要農(nóng)作物秸稈資源量為71 878.53萬t[8]。作物秸稈含有豐富的營養(yǎng)元素，在缺乏有機(jī)肥輸入的糧田中，還田作物殘?bào)w特別是秸稈已成為影響土壤碳氮含量和質(zhì)量的重要因素。作物秸稈還田量及還田方式直接影響土壤有機(jī)碳的固存[9-10]。通常，土壤有機(jī)碳固存量隨著秸稈還田量的增加而增加[11]，但是可能具有一定的點(diǎn)位變異性[12]。秸稈還田增加了土壤氮素輸入，有利于提高土壤全氮水平。與秸稈不還田相比，水稻秸稈還田可以提高土壤有效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)27.5%，總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.8%，在0～20 cm土層效果更明顯[11]。然而，持續(xù)還田可能不總帶來土壤碳氮增長，在一定條件下也會(huì)引起土壤有機(jī)碳含量的降低，原因可能是引發(fā)了啟動(dòng)效應(yīng)[13]。連續(xù)秸稈還田試驗(yàn)表明，土壤全氮含量并不是隨著秸稈還田年限的增加而逐漸提高[14]。此外，秸稈還可用于輕工業(yè)原料、能源、飼料等領(lǐng)域，因此探明合理的秸稈還田年限，以綜合考慮秸稈多用途利用具有重要意義。

長江中下游平原是中國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，集約化的小麥-水稻一年兩熟模式保障了糧食持續(xù)穩(wěn)定高產(chǎn)，但也面臨著化肥投入高、土壤質(zhì)量下降等問題。通過構(gòu)建合理的秸稈還田措施，增強(qiáng)農(nóng)田土壤碳氮庫，提高土壤質(zhì)量，是實(shí)現(xiàn)長江中下游平原農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。秸稈還田對土壤結(jié)構(gòu)和碳氮庫具有重要影響[15-17]，但是基于土壤碳庫氮庫綜合影響探尋合理秸稈還田年限的研究仍不充分，相關(guān)規(guī)律仍不明確。基于此，本研究擬通過比較秸稈還田0～8 a耕層有機(jī)碳、全氮含量和碳氮比及層化率、碳氮儲(chǔ)量的變化差異，明確連續(xù)秸稈還田對土壤碳氮固存的影響，探尋合理的秸稈還田年限，為長江中下游平原稻麥兩熟區(qū)農(nóng)田土壤碳庫和氮庫管理及建立合理的秸稈還田措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于揚(yáng)州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)場（32°23′N、119°25′E）。該區(qū)地處長江中下游平原，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均溫度13.2～16.0 ℃，降雨量 800～1 200 mm，小麥生長季總積溫為2 359 ℃，總降水量462 mm，總?cè)照諘r(shí)數(shù)1 139 h。試驗(yàn)地土壤類型為勤泥土，土質(zhì)為輕壤土，試驗(yàn)前0～20 cm土層：土壤容重1.45 g/cm3，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù) 15.73 g/kg，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.24 g/kg，速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)16.32 mg/kg，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)146.12 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2010年秋開始試驗(yàn)，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)設(shè)置 9個(gè)處理：秸稈不還田（NR）、秸稈還田 1a（SR1），秸稈還田 2a（SR2），秸稈還田 3a（SR3），秸稈還田 4a（SR4），秸稈還田 5a（SR5），秸稈還田 6a（SR6），秸稈還田7a（SR7），秸稈還田8a（SR8），每個(gè)處理重復(fù)3次，共27個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為4 m×3 m。水稻收割后將秸稈機(jī)械切割成10 cm左右，均勻鋪撒于小區(qū)內(nèi)，采用旋耕方式將秸稈混入 0～15 cm土層，還田量為9 000 kg/hm2，小麥?zhǔn)斋@后秸稈不還田。

除在秸稈還田年限上存在差異，各處理在其他農(nóng)田管理措施上均保持一致，且年際間保持一致。小麥生育期總施氮量為240 kg/hm2，基肥∶壯蘗肥∶拔節(jié)肥∶孕穗肥為 5∶1∶2∶2。磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）施用量分別為90和150 kg/hm2，均按基肥、拔節(jié)肥各50%的比例分2次施用。小麥品種為揚(yáng)輻麥4號(hào)。

1.3 樣品采集與測定分析

2018年5月小麥?zhǔn)斋@后采用5點(diǎn)取樣法采集土樣，每個(gè)小區(qū)分0～5、＞5～10、＞10～20 cm 3個(gè)層次，將同一深度的樣品混合成 1個(gè)樣品。樣品自然風(fēng)干，剔除石礫、植物殘茬等雜物，研磨，過0.25 mm篩。土壤容重測定采用環(huán)刀法。土壤有機(jī)碳的測定用重鉻酸鉀氧化法，全氮的測定用半微量凱式定氮法[18-19]。層化率（stratification ratio，SR）是0～5 cm土層和＞5 cm土層（＞5～10及＞10～20 cm）SOC含量、總氮（total nitrogen，TN）含量或C/N之比[20]。

1.4 計(jì)算方法

土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量的計(jì)算采用等質(zhì)量法[21-22]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

本研究使用 SPSS17.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田年限對土壤容重的影響

隨著土層的加深，各處理土壤容重均不斷增大，不同處理間土壤容重差異明顯（圖1）。隨著秸稈還田年限增加，0～20 cm各土層容重呈現(xiàn)逐漸降低趨勢。與 NR相比，0～5、＞5～10和＞10～20 cm土壤容重分別從SR3、SR1和SR1開始呈現(xiàn)出顯著性差異。SR6、SR7和SR8各土層土壤容重間均無顯著差異（P＞0.05），說明機(jī)械耕作促進(jìn)了秸稈與土壤的混合降低了土壤容重，但是還田6a后0～20 cm土壤容重變化不顯著。

圖1 秸稈還田年限對土壤容重的影響Fig.1 Effects of straw retention years on soil bulk density

2.2 秸稈還田年限對土壤有機(jī)碳和全氮含量的影響

隨著土層的加深，各處理有機(jī)碳含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，而全氮含量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢（圖2）。在同一土層，土壤有機(jī)碳和全氮含量均隨著秸稈還田年限的增加而逐漸提高。與NR相比，0～5、＞5～10和＞10～20 cm土壤有機(jī)碳含量分別自SR2、SR1和SR3開始差異顯著，全氮含量則分別自SR2、SR1、SR3開始差異顯著（P＜0.05）。隨著秸稈還田年限增加，各土層SR6、SR7、SR8有機(jī)碳和全氮含量之間差異不顯著。0～5、＞5～10和＞10～20 cm各秸稈還田處理土壤有機(jī)碳含量較NR分別提高 6.37%～30.99%、10.13%～32.04%、4.15%～24.08%，全氮含量分別提高 4.81%～22.00%、6.86%～29.38%、5.15%～22.48%。

2.3 秸稈還田年限對土壤碳氮比的影響

各秸稈還田年限處理0～20 cm不同層次土壤碳氮比為12.94～15.40（圖3），且有隨土層加深而增加的趨勢。0～5 cm 土壤碳氮比秸稈還田初期隨著年限增加而顯著提高，但是自第 4年起無顯著變化，各秸稈還田處理碳氮比較NR提高1.4%～8.9%。＞5～10和＞10～20 cm各處理碳氮比變化無明顯規(guī)律。

圖2 秸稈還田年限對不同土層土壤SOC和TN的影響Fig.2 Effects of straw retention years on at different depths distribution of soil organic carbon (SOC) and soil total N (STN)

圖3 秸稈還田年限對不同土層土壤C/N的影響Fig.3 Effects of straw retention years on soil C/N ratios in different soil layers

2.4 秸稈還田年限對土壤SOC、TN和C/N層化率的影響

如圖4所示，土壤0～5 cm對其他層次有機(jī)碳含量、全氮含量和碳氮比層化率呈現(xiàn)出不同的趨勢，其中，隨著秸稈還田年限的增加，有機(jī)碳和碳氮比層化率總體表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，而全氮層化率表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢。有機(jī)碳和碳氮比層化率SR0～5:5～10在SR3處理達(dá)到最高，SR0～5:10～20在 SR4 處理達(dá)到最高。全氮 SR0～5:5～10和SR0～5:10～20分別以SR7和SR2最低。土壤有機(jī)碳、全氮和碳氮比 SR0～5:5～10分別為 0.95～1.00、1.02～1.11、0.87～0.97，SR0～5:10～20分別為 1.02～1.11、1.16～1.21、0.85～0.95。

圖4 秸稈還田年限對土壤SOC、STN和C/N層化率的影響Fig.4 Effects of straw retention years on stratification ratios of soil organic carbon, total N and C/ N ratios

2.5 秸稈還田年限對土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量的影響

因SR 0～5、0～10、0～20 cm土層的土壤質(zhì)量最大，故將其作為等質(zhì)量基準(zhǔn)計(jì)算各處理等質(zhì)量土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量（表1）。秸稈還田年限對土壤有機(jī)碳處理影響顯著，且在不同土壤深度表現(xiàn)相似的趨勢，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量總體呈現(xiàn)出隨著秸稈還田年限增加而提高的趨勢，但是增幅逐漸減小，各土層碳儲(chǔ)量在秸稈還田5a后無顯著增長（P＞0.05），其中0～5 cm碳儲(chǔ)量在SR7處較SR6有所降低，各土層有機(jī)碳儲(chǔ)量均以SR8最高，0～5、0～10、0～20 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量各秸稈還田處理分別比NR提高6.37%～30.99%、8.27%～31.52%、6.23%～27.85%。

與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量相似，各土層全氮儲(chǔ)量也隨著秸稈還田年限的增加而逐漸提高，但是增幅逐漸減小，0～5、0～10 cm土層氮儲(chǔ)量在秸稈還田5 a后、0～20 cm土層氮儲(chǔ)量在秸稈還田6a后無顯著增長（P＞0.05）。0～5、0～10、0～20 cm 土層全氮儲(chǔ)量各秸稈還田處理分別比NR提高 4.81%～22.00%、5.78%～25.14%、6.04%～25.66%。

對0～20cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和全氮儲(chǔ)量與秸稈還田年限進(jìn)行相關(guān)性分析可以看出（圖 5），秸稈還田8a內(nèi) 0～20cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和全氮儲(chǔ)量隨著秸稈還田年限增加而增加，但增幅逐漸減小，均呈二次曲線回歸關(guān)系，R2分別為0.9956和0.9761，均達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）。

表1 秸稈還田年限對土壤等質(zhì)量有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量的影響Table 1 Effects of straw retention years on soil organic carbon and total N stocks using equivalent soil mass methods

圖5 0～20 cm土層土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量與秸稈還田年限的關(guān)系Fig.5 Relationship between soil organic carbon/total N stocks at 0-20 cm soil depths and years of straw retention

3 討 論

3.1 秸稈還田年限對土壤有機(jī)碳、全氮含量和碳氮比的影響

較多研究表明，秸稈還田下土壤有機(jī)碳含量隨著土層加深而逐漸下降[23-25]。圖2表明，各秸稈還田處理＞10～20 cm土壤有機(jī)碳含量較0～5和＞5～10 cm均有所下降，與代紅翠等[26]研究結(jié)果相似，但是＞5～10 cm各處理有機(jī)碳含量較0～5 cm有所上升，與吳玉紅等[27]研究中小麥秸稈還田的有機(jī)碳含量規(guī)律一致，這可能是由于本試驗(yàn)中小麥秸稈均勻分布于0～15 cm土層，而0～5 cm土壤直接與大氣接觸，且容重較低（圖1）、孔隙度較高，更好的土壤通氣性促進(jìn)了有機(jī)碳的分解[28]。隨著秸稈還田年限的延長，各土層有機(jī)碳增長速率逐漸下降，與李靜等[29]的研究結(jié)果相符。各土層有機(jī)碳含量較 NR出現(xiàn)顯著性差異（P＜0.05），出現(xiàn)在秸稈還田1～3 a，說明秸稈還田可以顯著提高土壤有機(jī)碳含量[8,30]。然而，張翰林等[15]對稻麥輪作區(qū)潮土的研究表明，長期秸稈還田可顯著提高土壤有機(jī)碳含量，但短期（5 a內(nèi)）不顯著，與本研究結(jié)果的差異可能是不同土壤類型所致。也有研究表明，秸稈還田對土壤有機(jī)碳的固存無顯著影響，甚至導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量的降低，可能是在土壤有機(jī)碳含量達(dá)到臨界值后繼續(xù)輸入外源有機(jī)碳引發(fā)了啟動(dòng)效應(yīng)[13]。

秸稈還田可以有效提高耕層土壤全氮含量和儲(chǔ)量[31-33]。本研究結(jié)果表明，秸稈還田可以有效提高耕層土壤（0～20 cm）全氮含量，且隨著還田年限的增加，土壤全氮含量逐漸提高，但是增幅逐漸下降，與王淑蘭等[34]研究結(jié)果相近。各土層全氮含量較NR出現(xiàn)顯著性差異（P＜0.05）出現(xiàn)在秸稈還田1～2 a，說明短期秸稈還田可提高土壤全氮含量[35]。隨著土層的加深，各處理土壤全氮含量逐漸下降，應(yīng)是施肥方式為表面撒施所致。

本試驗(yàn)土壤碳氮比為12.94～15.40，各處理土壤碳氮比存在隨土層加深而提高的趨勢，與Xue等[36]研究結(jié)果中犁耕秸稈還田0～20 cm土壤碳氮比變化趨勢相近，而Zhang等[32]研究表明土壤碳氮比隨土層加深而下降，具體原因尚不明確，可能與土地類型和作物種類有關(guān)。各土層僅0～5 cm土壤碳氮比在秸稈還田初期（0～3 a）隨著年限增加而顯著提高，其他層次和年限均無明顯趨勢，說明秸稈還田主要在初期影響表層土壤碳氮比。

3.2 秸稈還田年限對土壤有機(jī)碳、全氮含量和碳氮比層化率的影響

本研究中秸稈還田顯著提高土壤有機(jī)碳和碳氮比SR0～5：10～20，0～5 cm 和其他層次有機(jī)碳和碳氮比層化率總體呈先增長后下降的趨勢，全氮層化率先下降，后 3年趨于平緩。秸稈還田處理有機(jī)碳層化率為0.95～1.11，NR處理有機(jī)碳層化率為 0.98～1.02，F(xiàn)ranzluebbers[37]認(rèn)為，擾動(dòng)強(qiáng)度較大土壤的有機(jī)碳層化率一般小于2。Zhang等[32]研究結(jié)果表明，秸稈還田4a土壤有機(jī)碳、碳氮比層化率高于秸稈不還田處理，與本試驗(yàn)結(jié)果一致，但是其研究認(rèn)為秸稈還田同樣有利于提高土壤全氮層化率。也有研究認(rèn)為，由于相同耕作措施下秸稈還田和不還田處理土壤有機(jī)碳和全氮在耕層分布規(guī)律較為一致，秸稈還田對土壤有機(jī)碳和全氮層化率的影響并不顯著[38]。

3.3 秸稈還田年限對土壤有機(jī)碳、全氮儲(chǔ)量的影響

本文以NR處理土壤質(zhì)量為參考，通過等質(zhì)量法計(jì)算土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量。結(jié)果表明，秸稈還田顯著增加0～20 cm土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量，與已有研究結(jié)果一致[13,32,39]。秸稈還田對有機(jī)碳儲(chǔ)量的提升效果與秸稈還田量顯著相關(guān)，陳鮮妮等[40]研究表明，隨著秸稈還田量的提高，土壤碳儲(chǔ)量也逐漸增加。隨著秸稈還田年限的增加，向農(nóng)田土壤持續(xù)投入的秸稈也會(huì)影響土壤有機(jī)碳的積累，林飛燕等[1]在江西的試驗(yàn)和模擬結(jié)果都表明，雙季稻田50%和100%秸稈還田下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量隨著還田年限的增加而逐漸提高。秸稈還田同樣增加土壤氮素的輸入從而提高氮儲(chǔ)量。濮超等[33]研究表明，在相同耕作方式（PT）下，秸稈還田比不還田顯著提高0～30和0～50 cm土壤氮儲(chǔ)量。許菁等[41]基于10 a定位試驗(yàn)研究表明，秸稈還田各處理的土壤碳氮儲(chǔ)量均顯著高于無秸稈還田處理，并且隨著時(shí)間的推移，秸稈還田和無秸稈還田的差異越來越大，秸稈還田的優(yōu)勢越來越明顯。本研究結(jié)果表明，秸稈還田6 a內(nèi)0～20 cm土壤碳氮儲(chǔ)量的增加較為顯著，7～8 a增幅顯著下降。王淑蘭等[34]研究表明，不同耕作方式下秸稈還田4～6 a土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量逐年上升，第7年有所下降后再次上升，全氮儲(chǔ)量在4～5 a逐年上升，第6年有所下降后再次上升，但未對中途碳氮儲(chǔ)量下降的原因進(jìn)行分析。有研究表明，當(dāng)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量已達(dá)到飽和狀態(tài)，秸稈還田向土壤歸還作物殘茬的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致土壤原有有機(jī)質(zhì)的礦化。當(dāng)土壤有機(jī)碳新形成量與降解量接近時(shí)，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量即可達(dá)到飽和狀態(tài)；若低于土壤原有有機(jī)碳的降解量，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量就會(huì)有所降低[9,13]。徐蔣來等[42]研究表明，75%還田量對土壤養(yǎng)分含量增加效果顯著。因此，在稻麥輪作系統(tǒng)僅水稻秸稈還田且還田量在9 000 kg/hm2的情況下，6 a是較為合理的還田年限，之后可以考慮適當(dāng)減小還田量，將秸稈用于其他途徑。

4 結(jié) 論

1）秸稈還田年限對不同土層土壤有機(jī)碳和全氮含量影響顯著，各土層有機(jī)碳和全氮含量隨秸稈還田年限增加逐漸提高，但增幅逐漸減小。0～5 cm土層土壤碳氮比短期內(nèi)（≤3 a）隨著秸稈還田年限增加而顯著提高，但是秸稈還田年限對0～20 cm土層中長期（＞3 a）影響不顯著。

2）隨著秸稈還田年限增加，表層0～5 cm與其他層次有機(jī)碳和碳氮比層化率呈先增長后下降的趨勢，而全氮層化率呈先下降后上升的趨勢。秸稈還田年限對 0～5:10～20 cm有機(jī)碳層化率影響大于0～5:5～10 cm，對全氮層化率的影響則相反，而對碳氮比影響相近。

3）0～20 cm各土層有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量均隨著秸稈還田年限的增加而提高，表明秸稈還田有利于0～20 cm各土層有機(jī)碳和全氮的固定積累，但是秸稈還田6 a后土壤碳氮固存量增幅明顯降低，可適當(dāng)減少還田量。