免耕與秸稈還田對中國農田固碳和作物產量的影響

張雄智 李帥帥 劉冰洋 張 云 Ahmad Latif Virk 王 興 趙 鑫 張海林*

(1.中國農業大學 農學院/農業農村部農作制度重點試驗室，北京 100193； 2.中國農業大學 水利與土木工程學院，北京 100193)

農田不僅僅是溫室氣體排放源，同時也是重要的碳匯[1]。據估計，全球每年土壤呼吸釋放的碳大約是化石燃料燃燒排放量的10倍以上[2]，農田土壤減排對緩解全球氣候變化意義重大。免耕和秸稈還田因其具有改善土壤結構、提高土壤有機碳和增強地力等方面的優點，近年來得到大力推廣[3]。當前，免耕和秸稈還田的研究主要集中于應用技術、對作物產量的影響、農田固碳減排作用和對土壤肥力的影響等方面。IPCC估計，合理的農田管理措施可以使世界碳庫增速在4×1011～9×1011kg/年，或在50年內累積固碳2.4×1013～4.3×1013kg[4]。Manzoni等[5]認為土壤碳庫的微小變化也會對全球碳循環產生重大影響。薛建福等[6]研究表明，采取合理的農田管理措施，進一步推廣免耕和秸稈還田等保護性耕作措施，有助于增加土壤碳儲量，提高土壤固碳能力，緩解氣候變化，同時也可提高作物產量。謝瑞芝等[7]研究表明，我國保護性耕作的產量研究結果多為增產，但也有10.92%的試驗研究出現保護性耕作減產的情況。我國免耕和秸稈還田推廣面積逐年遞增，其對氣候變化、農田生態和作物生產的影響日益深刻。

評估我國農田管理方式及其轉變對土壤有機碳和作物產量的影響，明確全國范圍的農田固碳潛力與產量潛力，對促進農業可持續發展有深遠意義。目前，對全國(不包括香港和澳門特別行政區、臺灣省)范圍內傳統耕作轉換為免耕和秸稈還田的固碳潛力與產量潛力的綜合分析鮮見報道。本研究通過收集1995—2019年全國各地田間試驗的相關數據，并結合統計數據，系統探討免耕和秸稈還田的固碳、增產情況，評估免耕和秸稈還田在當前與目標推廣情況下的固碳潛力和產量潛力，以期客觀評價免耕和秸稈還田技術的固碳和產量效應，為未來推廣和應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究基于中國知網和web of science核心合集數據庫于1995—2019年公開發表的關于免耕與秸稈還田的相關研究論文和國家數據中心、中國農業年鑒、全國農業機械化統計年報的相關統計數據，從中獲取全國61個長期試驗的研究數據，提取試驗站點位置、耕作措施、有機碳含量、容重、碳儲量、試驗時間和產量等數據，建立免耕與秸稈還田數據庫。為減小研究誤差，研究數據必須符合以下條件：1)研究對象必須為中國(不包括香港和澳門特別行政區、臺灣省)農田土壤；2)試驗處理應至少包括耕作方式(免耕和翻耕)或秸稈還田方式(還田和不還田)2組處理中的一個；3)研究必須為大田位點試驗，不包含盆栽試驗、模型模擬、無重復和數據不全的研究。

1.2 試驗位點

本研究試驗數據均來源于全國各地試驗站點或試驗田，試驗地點分布于中國主要糧食生產區，具有良好的代表性。根據全國糧食產區分布、氣候、熟制和主要糧食作物種類將全國分為區域Ⅰ、區域Ⅱ、區域Ⅲ、區域Ⅳ和區域Ⅴ共5個區域(表1)[7]，并根據各省級行政區域將試驗進行劃分(香港和澳門特別行政區，臺灣省，未納入本研究范圍)。

1.3 計算方法

固碳效應的主要評價指標包括有機碳含量、固碳速率和固碳潛力，其中，有機碳含量直接在文獻中獲取，對于缺乏有機碳含量的情況，通過以下公式將有機質含量轉換為有機碳含量：

SOCC=0.58×OM

(1)

式中：SOCC是土壤有機碳含量，g/kg； OM為土壤有機質含量，%；0.58是有機質含量與有機碳含量轉換系數。

表1 中國農業區劃Table 1 China’s agricultural regionalization

注：香港和澳門特別行政區，臺灣省，未納入本研究范圍。

Note: Hong Kong and Macao special administrative regions and Taiwan province are not included in this study.

本研究通過對各省份位點試驗的整理分析，得到各省份免耕措施的固碳速率，結合免耕措施當前和目標推廣情況，依據推廣面積的變化情況，對固碳潛力進行探討。固碳速率和固碳潛力分別采用下列公式進行計算[8-9]：

(2)

式中： SOCSY為固碳速率，kg/(hm2·年)；SOCS2為試驗結束時土壤有機碳儲量，kg/hm2；SOCS1為試驗開始時土壤有機碳儲量，kg/hm2；Y為試驗年限，年。

SOCSP=ΣSOCSYi×ΣAi

(3)

式中：SOCSP為農田土壤固碳潛力，kg/年；ΣSOCSY為該地區年際固碳速率，kg/(hm2· 年)；ΣAi為該省農田面積，hm2。

推廣率是指免耕與秸稈還田的推廣比率，

(4)

式中：PI為某省份的推廣率；SA為該省采用免耕與秸稈還田的主要糧食作物播種面積，hm2；SAT為該省主要糧食作物總面積，hm2(本研究中主要糧食作物有玉米、小麥和水稻)。

目標推廣面積計算公式如下：

SAP=SAT×PIP

(5)

式中：SAP為某省目標推廣面積，hm2；SAT為該省主要糧食作物總播種面積，hm2；PIP為該省目標推廣率。根據劉恩科等[10]和曾江海等[11]研究，水稻、玉米和小麥秸稈100%還田，在技術上是可行的。本研究中，秸稈還田處理采用廣泛應用的全量還田方式，將其與秸稈不還田進行對比進行探究。根據國家關于推廣保護性耕作的計劃來確定免耕措施的推廣面積，再考慮經濟因素，最終確定中國13個省、自治區和直轄市適宜推廣免耕措施的面積為農田面積的20%，包括北京市、天津市、河北省、山西省、內蒙古自治區、遼寧省、吉林省、黑龍江省、陜西省、甘肅省、寧夏回族自治區、青海省和新疆維吾爾自治區。對于其他地區，適宜推廣免耕的面積為農田面積的10%[12]。

本研究采用相對產量來量化效應值，計算公式如下：

(6)

式中：YR為相對產量；X為某措施下的糧食實際產量，kg/hm2；Y為另一措施下的糧食實際產量，kg/hm2。

為明確環境因素對耕作和還田的產量和土壤有機碳效應的影響，本研究引入在生態學Meta分析中廣泛使用的效應比自然對數(lnR)為效應值(Effect size)衡量環境因素對相應指標影響的大小，計算公式如下：

(7)

式中：χ1和χ2分別為處理組和對照組的有機碳儲量與作物產量，lnR為效應值。本研究運用 SPSS 17.0 對環境變量和效應值進行回歸分析，分別對平均氣溫、降水量、起始有機碳含量、當季施氮量、試驗年限、年均蒸發量、土壤粘粒含量、土壤pH和起始容重等因素進行分析，通過回歸分析的結果來探究環境因素對耕作方式的固碳和產量效應的影響。

2 結果與分析

2.1 免耕與秸稈還田措施對中國農田固碳效應的影響

本研究共收集95對免耕和秸稈還田對固碳速率影響研究的數據，其中免耕44對，秸稈還田51對。全國范圍的試驗研究中免耕相對翻耕固碳速率提高的試驗研究占比為75.00%，表現為固碳速率降低的試驗研究占比為25.00%；占比達88.23%的試驗研究表現為秸稈還田相對秸稈不還田固碳速率提高，占比為11.77%的試驗研究表現為固碳速率降低。

由圖1可見，區域Ⅰ、區域Ⅱ和區域Ⅳ的耕作試驗研究中，占比為77.80%～86.70%的試驗研究表現為免耕相對翻耕農田固碳速率提高，其中區域Ⅱ占比86.70%的試驗研究表現出免耕相對翻耕固碳速率增加，但在區域Ⅲ和區域Ⅴ，有較多的試驗研究表現為免耕相對翻耕固碳速率減少，其中區域Ⅲ的試驗全部表現為免耕相對翻耕固碳速率降低，區域Ⅴ有50.00%的試驗研究表現為免耕措施降低固碳速率。在區域Ⅰ、區域Ⅱ與區域Ⅳ秸稈還田相對秸稈不還田均表現為固碳速率明顯提高，占到各區域試驗總數的88.90%～100.00%，其中在區域Ⅱ的試驗研究全部表現為秸稈還田相對秸稈不還田固碳速率增加，而在區域Ⅲ和區域Ⅴ秸稈還田提高固碳速率的試驗研究較少。

圖1 免耕與秸稈還田措施提高固碳速率的試驗所占比例
Fig.1 Percentage of carbon sequestration rate increasing by no-till and residue retention

2.2 免耕與秸稈還田措施對中國主要糧食作物產量效應的影響

整體來看，全國范圍免耕相對翻耕增產的試驗研究數量占總試驗數的比例為42.70%，秸稈還田相對秸稈不還田增產的試驗研究數量占總試驗數的比例為79.80%。

由圖2所示，免耕與秸稈還田對產量的影響在不同區域的差別較小，但這2種措施對產量的影響差異較大。免耕相對翻耕增產的試驗研究數占各地區研究總數的比例為30.60%～47.60%，其中區域Ⅰ免耕試驗研究中增產的試驗占比為30.60%，而秸稈還田相對秸稈不還田增產的田間試驗數占各地區研究總數的比例為67.40%～94.40%，其中，區域Ⅲ和區域Ⅳ秸稈還田試驗研究中增產試驗數占比分別高達94.40%和93.00%。

圖2 免耕與秸稈還田措施產量增加的試驗所占比例
Fig.2 Percentage of yield increasing by no-till and residue retention

2.3 免耕與秸稈還田措施的固碳潛力

由表2可見，免耕在全國范圍的推廣率達12.57%，各地區差異明顯，其中區域Ⅰ推廣率最高，北京市推廣率高達84.79%，而區域Ⅳ和區域Ⅴ推廣率較低，多個省份推廣率為0。免耕目前推廣面積為1.11×107hm2，目標推廣面積為1.91×107hm2，增長幅度達71.94%。大部分省份固碳速率為正值，這表明免耕對于農田土壤固碳具有正向作用。當前情況下，免耕固碳潛力僅為1.35×1010kg/年，在考慮經濟性的目標推廣情況下，免耕措施的固碳潛力可增至2.22×1010kg/年，增幅達63.90%。

表2 中國免耕措施推廣情況及其固碳速率與固碳潛力Table 2 Popularization of no-till, carbon sequestration rate and carbon sequestration potential in China

由表3可見，秸稈還田措施全國范圍推廣率為42.47%，多個省份推廣率超過80.00%，但也有部分地區推廣率在5.00%以下。秸稈還田當前的推廣面積為3.95×107hm2，目標推廣面積為9.46×107hm2，增長幅度為140.00%。秸稈還田措施對土壤固碳的影響表現為正效應，除吉林省和云南省外，其他省份固碳速率均>0，而秸稈不還田條件下，區域Ⅰ中北京市和區域Ⅳ多數省、市及自治區的固碳速率<0，表現出負效應。秸稈還田的固碳速率普遍高于秸稈不還田，但區域Ⅲ和區域Ⅴ部分省份出現秸稈還田固碳速率低于秸稈不還田措施。在當前秸稈還田推廣情況下，全國農田固碳潛力為6.56×1010kg/年，在秸稈還田技術充分使用的目標推廣情況下時，固碳潛力可增至70.03 kg/年，增幅為7.00%。

表3 中國秸稈還田措施推廣情況及其固碳速率與固碳潛力Table 3 Popularization of residue retention, carbon sequestration rate and carbon sequestration potential in China

2.4 免耕與秸稈還田措施的產量潛力

由表4可見，各省份免耕的相對產量在1上下浮動，免耕和翻耕的產量效應不是很明晰，而對于秸稈還田，其相對產量均>1。隨著免耕技術的推廣，產量的增長出現倒退，當前推廣情況下全國主要糧食作物總產量為6.16×108t/年，但免耕措施充分推廣后，產量降至6.09×108t/年，呈現減產。秸稈還田技術充分推廣后，我國糧食總產將由6.16×108t/年增至6.39×108t/年，增幅為3.72%，呈現出明顯增長。

2.5 作物產量與固碳效應變化的影響因素分析

由表5和表6可見，作物產量的耕作效應值與平均氣溫極顯著相關，在合理范圍內，平均氣溫為12.43 ℃時，耕作方式轉變的產量效應最差，高于或低于該值，其發揮的效用增強。有機碳的耕作效應值與土壤粘粒含量顯著相關，土壤粘粒含量與效應值的拋物線擬合結果表明，效應值隨土壤粘粒含量增大而增強。作物產量的還田效應值與試驗年限顯著相關，與土壤pH極顯著相關，試驗年限為9.12時，效應值最低，土壤pH為6.3時，效應值最高。有機碳的還田效應值與土壤粘粒含量和土壤pH相關，土壤粘粒含量為25.50%，有機碳的效應值最低，土壤pH為7.03時效應值最高。

3 討 論

3.1 免耕與秸稈還田措施對農田固碳效應的影響

從全國范圍來看，免耕與秸稈還田措施可明顯增加土壤固碳，其中占比為75.00%的免耕試驗和占比為88.23%的秸稈還田試驗表現為固碳速率提高。由于我國幅員遼闊，氣候、土壤環境多樣，免耕與秸稈還田措施對農田固碳和產量效應的影響并不完全一致。Lal等[13]和Ussiri等[14]通過長期定位試驗發現，免耕由于減少土壤擾動，降低土壤有機碳的礦化速率，從而增加土壤固碳。秸稈還田增加了土壤有機質投入從而使土壤有機碳含量增加[15-16]。本研究95對試驗數據表明，區域Ⅰ、區域Ⅱ、區域Ⅳ免耕與秸稈還田措施比傳統耕作方式能明顯提高固碳速率，而區域Ⅲ明顯表現出固碳速率降低，這可能與地域氣候差別較大有關。有研究表明，區域Ⅲ冬季寒冷，夏季少雨，微生物稀少，秸稈不易腐化，免耕與秸稈還田的固碳效果相對其他地區較差[17]。因此，要因地制宜實施免耕與秸稈還田技術，充分發揮其固碳減排的優點。

3.2 免耕與秸稈還田措施對作物產量的影響

當僅考慮耕作或秸稈還田單項措施的影響時，免耕表現為減產，秸稈還田表現為增產。國內外大量研究表明，與傳統耕作方式相比，免耕與秸稈還田可增加土壤有機質含量，提高土壤濕度，改善農田生態，但對作物產量沒有明顯影響[18-19]。也有研究表明，免耕與秸稈還田相對傳統耕作，能夠提高土壤質量，提高根際土壤固碳，提高土壤微生物的種類和數量，增強水土保持能力而起到增產的效果[20-24]。雖然多數研究從正面評價免耕與秸稈還田的生態效益，但免耕與秸稈還田在部分區域存在減產現象是不爭的事實。Lal等[25]的研究表明，以少免耕和秸稈還田為主要措施的保護性耕作技術會造成一定程度的土壤板結和排水不暢等不利影響，從而出現減產的情況。本研究對1 067對研究數據進行分析，免耕相較于傳統耕作增產的比例明顯低于50.00%，而秸稈還田相較于秸稈不還田增產比例高于50.00%。謝瑞芝等[7]研究表明，少免耕會造成37.04%的減產，秸稈還田處理會造成11.06%的減產。由于免耕減少了土壤擾動，土壤易板結，水分流通不暢，養分難以被作物所利用，因此會造成一定程度的減產；秸稈還田后，在帶來一系列有利作用的同時也會使病蟲害增多，影響作物產量。總之，應用免耕與秸稈還田技術可能會使作物減產，而不同區域間存在一定差異，少免耕造成減產的比例較高，秸稈還田引起減產比例較低。

3.3 固碳潛力與產量潛力

2016年，免耕的全國推廣率為12.57%，但距離免耕措施理想的推廣情況，仍有一定差距[26]。在最理想的免耕推廣情況下，推廣面積可增加71.94%，固碳潛力增至2.22×1010kg/年。趙永存等[27]研究表明，我國農田20 cm深度的土壤固碳量在9.6×109～25.5×109kg/年；Lu等[12]研究表明，我國農田固碳速率在157～390 kg/(hm2·年)，推廣面積由4.12×106hm2增至2.04×107hm2，面積增長近5倍，固碳潛力為4.6×109kg/年，增幅達475%，免耕增加土壤固碳的趨勢與本研究一致，但研究結果存在些許差異，主要由目標推廣情況、基礎數據來源不同所引起。

表4 免耕與秸稈還田措施的產量及其潛力Table 4 Yield and its potential of no-till and residue retention

表5 耕作對作物產量與固碳效應變化的影響因素分析Table 5 Analysis of factors influencing the variation of crop yield and carbon sequestration by tillage

注：n為數據對數；a為拋物線擬合曲線x2的系數，b為拋物線擬合曲線x的系數，c為拋物線擬合曲線常數。本研究將平均氣溫、降水量、起始有機碳、當季施氮量、試驗年限、年均蒸發量、粘粒含量、土壤pH、起始容重等因素納入探究，上表僅將顯著相關的因素進行展示。下同。

Note:nis the logarithm of data；a, the coefficient of the binomial fitting curvex2;b, the coefficient of the binomial fitting curvex;c, the binomial fitting curve constant. In this study, factors such as average temperature, precipitation, initial organic carbon, seasonal nitrogen application, experimental years, annual evaporation, clay content, soil pH and initial bulk density are included in the study. The above
Table only shows the significantly related factors. The same below.

表6 還田對作物產量與固碳效應變化的影響因素分析Table 6 Analysis of factors influencing the variation of crop yield and carbon sequestration by residue retention

全球范圍農田產生4×1012kg/年作物秸稈[28]，全部秸稈還田可提高約3×1011kg/年碳儲量，固碳潛力巨大。秸稈還田措施在我國推廣率達42.47%，多個省份推廣率超80.00%，整體推廣效果較好。目標推廣情況下，秸稈完全進行還田處理，推廣面積增幅為140.00%，而伴隨著秸稈不還田處理完全轉換為秸稈還田處理，固碳潛力由6.56×1010kg/年增至7.00×1010kg/年，增幅為7%。Lu等[12]研究表明，作物秸稈還田目前的固碳潛力為9.76×109kg/年，如果全面推廣作物秸稈還田措施，其固碳潛力可增至3.44×1010kg/年，Lu等[12]研究是基于2009年的試驗數據，當時秸稈還田措施推廣較少，且其未將應用秸稈不還田處理土地的固碳潛力納入研究，加之試驗數據來源不同，最終估算固碳潛力出現差異。

基于省級維度分析免耕與秸稈還田對產量的影響，免耕較傳統耕作在各省份中有增有減，19個省份表現出增產，12個省份表現減產，而秸稈還田在省級尺度則表現出完全增產。免耕充分推廣后，總產量由6.16×108t/年降至6.09×108t/年，降低1.16%，秸稈還田充分推廣后，糧食總產將由6.16×108t/年增至6.39×108t/年，增幅為3.72%。

本研究僅對耕作處理與秸稈還田處理分開進行探討，并未對其互作效應進行分析。趙鑫等[8]研究表明，與翻耕秸稈不還田相比，免耕秸稈不還田和免耕秸稈還田土壤有機碳含量分別顯著提高5.5%和8.2%，免耕會導致減產，但免耕秸稈還田能顯著增產4.6%。這表明免耕較翻耕可以增加土壤固碳，且免耕結合秸稈還田能增進固碳效果；免耕較翻耕會導致作物產量降低，但配以秸稈還田，則表現出增產效應。因此，在未來研究與應用中，應充分發掘免耕與秸稈還田的協同效應，同時達到增加土壤固碳和提高作物增產的目的。

3.4 環境因素的影響

趙鑫等[8]研究表明，土壤有機碳儲量的變化與年均氣溫、年均降雨量、土壤粘粒含量、土壤pH、試驗年限存在顯著線性相關關系，與本研究結果相似。本研究依據回歸分析的方法，探討了環境因素對免耕和秸稈還田條件下產量和有機碳儲量效應值的影響。拋物線擬合結果表明，作物產量的耕作效應值與平均氣溫極顯著相關。耕作方式主要通過改變土壤狀態，進而影響作物生長及產量，平均溫度會影響土壤溫度，改變土壤蒸散，土壤微生物以及土壤含水量，進而影響耕作方式對作物產量的效果。作物產量的還田效應值與試驗年限相關，與土壤pH顯著相關，試驗年限的增加深化了耕作對土壤的作用效果，土壤pH能改變土壤微生物種類及數量和秸稈腐解速率，從而影響土壤供給作物營養的速率。有機碳的耕作效應值與土壤粘粒含量顯著相關，有機碳的還田效應值與土壤粘粒含量和土壤pH相關，這些因素主要是影響有機碳的分解及礦化，粘粒含量不同，其礦化速率也有差異，因此耕作方式與秸稈還田的有機碳效應值都與土壤粘粒含量有關。

4 結 論

本研究基于1 162對位點試驗數據，針對免耕與秸稈還田分別進行探究，全國田間試驗中占比為75.00%的試驗研究表現為免耕相對翻耕固碳速率提高，占比為88.23%的試驗研究表現為秸稈還田相對秸稈不還田固碳速率提高，免耕與秸稈還田可明顯增加土壤固碳，但其效應在地域上有明顯區別，免耕和秸稈還田在區域Ⅰ、區域Ⅱ和區域Ⅳ提高固碳速率的試驗研究較多，而在區域Ⅲ和區域Ⅴ降低固碳速率的情況較多。免耕與秸稈還田措施的固碳潛力可隨技術推廣有較大的提高，免耕措施的推廣面積較當前可增加71.94%，秸稈還田措施的推廣幅度較當前可增加140.00%。在當前推廣情況下，免耕措施的固碳潛力為1.35×1010kg/年，秸稈還田措施的固碳潛力為6.56×1010kg/年，目標推廣情況下，免耕的固碳潛力可增加63.90%，達2.22×1010kg/年，秸稈還田的固碳潛力可增加7.00%，增至7.00×1010kg/年。

全國田間試驗中占比42.70%的試驗研究表現為免耕增產，占比79.80%的試驗研究表現為秸稈還田增產，其影響無明顯地域差別。當免耕和秸稈還田措施充分推廣后，主要糧食作物的產量略有浮動，免耕呈現出減產趨勢，減產1.16%，秸稈還田呈現出明顯增產的趨勢，增幅為3.72%。回歸分析表明，作物產量的耕作效應值與平均氣溫極顯著相關，有機碳的耕作效應值與粘粒含量顯著相關，作物產量的還田效應值與試驗年限顯著相關，與土壤pH顯著相關，有機碳的還田效應值與土壤粘粒含量和土壤pH相關。未來可考慮利用免耕與秸稈還田對農田生態和產量提升的協同效應來推廣免耕與秸稈還田。