秸稈還田條件下中國(guó)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量變化及其影響因素的Meta分析

王旭東 莊俊杰 劉冰洋 李帥帥 趙 鑫 劉 洋 張海林*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)作制度重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；2.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 耕作栽培研究所，沈陽 110161)

農(nóng)田土壤的固碳能力對(duì)全球碳循環(huán)的意義重大[1]。土壤有機(jī)碳庫是影響大氣CO2含量變化的重要因素[2]，對(duì)全球氣候變化具有重要的影響。通過適當(dāng)?shù)霓r(nóng)田管理措施，可以顯著提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量[3-4]及其活性組分[5]，改善土壤結(jié)構(gòu)[6-8]，從而提高土壤肥力[9]，最終促進(jìn)作物增產(chǎn)增收。此外，土壤有機(jī)碳是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，其狀態(tài)變化對(duì)土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)過程有著顯著的影響[10]。提高土壤有機(jī)碳含量能降低土壤退化和被侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)，為土壤微生物提供足夠能量，促進(jìn)土壤污染物的降解[11]。因此，提高土壤固碳能力，不僅可以緩解氣候變化，同時(shí)也可以維持土壤健康，提高生產(chǎn)能力。

中國(guó)是秸稈資源非常豐富的國(guó)家，據(jù)估算我國(guó)2015年農(nóng)作物秸稈總產(chǎn)量約為9.31億t，是一筆寶貴而豐富的資源[12]。對(duì)于作物秸稈的處理方式有很多，如直接還田、制備生物炭、作為燃料、動(dòng)物飼料和田間焚燒等[13-14]。不合理的利用方式(如田間直接焚燒)不僅浪費(fèi)了寶貴的農(nóng)業(yè)資源，還會(huì)造成環(huán)境污染、加劇溫室效應(yīng)[15-16]。秸稈直接還田被認(rèn)為是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的秸稈處理方式[17-18]。但秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳的作用受諸多因素影響，如還田方式[19-20]、還田年限[21]、耕作方式[22-24]、作物種類[25]、施氮量[26]和氣候條件[27-28]等。Fan等[19]對(duì)中國(guó)東北地區(qū)單季玉米種植的研究表明，比起覆蓋還田，將秸稈粉碎后均勻還田能顯著增加土壤有機(jī)碳含量。Liu等[21]通過Meta分析研究176篇同行評(píng)議的論文，指出秸稈還田12年之后，土壤碳庫將達(dá)到飽和。Zhang等[24]在山西省的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈還田配合免耕相比常規(guī)耕作，能增加0～5 cm土壤氮儲(chǔ)量達(dá)48%。Dong等[25]通過陜西省楊凌市3年的田間試驗(yàn)得出，秸稈還田條件下種植小麥相比種植玉米，土壤微生物量碳能增加18.2%，可溶解有機(jī)碳增加2.8倍。Dalal等[26]在澳大利亞昆士蘭州持續(xù)40年的田間試驗(yàn)結(jié)果顯示，秸稈還田配施氮肥能夠顯著增加土壤有機(jī)碳含量和提高小麥產(chǎn)量。Wilhelm等[27]總結(jié)了多篇文獻(xiàn)后指出，氣候條件影響農(nóng)作物秸稈變成有機(jī)碳的方式和速度。此外，秸稈還田促進(jìn)土壤固碳這一作用效果在不同區(qū)域間變化明顯，這可能和我國(guó)不同區(qū)域種植模式、氣候、土壤條件差異有關(guān)[13]。因此，從全國(guó)范圍了解評(píng)價(jià)秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，明確造成不同區(qū)域間差異的主要原因，有助于科學(xué)高效利用秸稈，提高農(nóng)田土壤碳庫的固碳能力，揭示秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳的影響機(jī)制[29]，同時(shí)，對(duì)進(jìn)一步挖掘秸稈還田固碳潛力和正確認(rèn)識(shí)其對(duì)緩解氣候變化的真實(shí)效果有著重要意義。

Meta分析是一種對(duì)同類研究的多個(gè)研究結(jié)果進(jìn)行整合分析，并獲取一致性結(jié)論的統(tǒng)計(jì)方法[30-31]。近年來，Meta分析在我國(guó)農(nóng)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷延伸，作為適合更大時(shí)間和空間范圍的統(tǒng)計(jì)工具，正不斷地發(fā)揮著獨(dú)特而重要的作用，已經(jīng)成為分析關(guān)鍵因素的潛在影響和評(píng)價(jià)因素變化有效的方法[32]。目前關(guān)于土壤有機(jī)碳含量影響因素的研究多基于特定試驗(yàn)地的若干年份試驗(yàn)，對(duì)于更多因素對(duì)秸稈還田后土壤有機(jī)碳含量的變化研究鮮有報(bào)道。本研究基于Meta方法分析1992—2018年已發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上討論還田年限、施氮量和熟制等不同影響因素對(duì)土壤有機(jī)碳的作用效果，同時(shí)對(duì)重要影響因素在不同土層、不同還田年限的變化情況進(jìn)行分析，旨在探究秸稈還田對(duì)中國(guó)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的影響，構(gòu)建合理的秸稈還田及碳庫管理策略，以期為農(nóng)田土壤固碳減排和應(yīng)對(duì)緩解氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究收集了1992—2018年已發(fā)表的文獻(xiàn)，其中中文文獻(xiàn)來自中國(guó)知網(wǎng)(http:∥www.cnki.net/)，英文文獻(xiàn)來自Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫(http:∥apps.webofknowledge.com/)。本研究所用中文檢索詞包括秸稈還田、有機(jī)碳等，所用英文檢索詞包括straw or residue, and return or retention or incorporation or retain or mulch, and soil organic carbon。為確保研究的準(zhǔn)確性，本研究所用文獻(xiàn)均滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：1)試驗(yàn)區(qū)域?yàn)橹袊?guó)農(nóng)田土壤，試驗(yàn)起止年份、地點(diǎn)等基本信息明確；2)試驗(yàn)設(shè)計(jì)包括至少1對(duì)除秸稈還田與秸稈不還田外其他條件完全相同的處理；3)文獻(xiàn)給出試驗(yàn)期間土壤有機(jī)碳含量，或根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算得出；4)試驗(yàn)具有明確的重復(fù)數(shù)；5)試驗(yàn)為田間定位試驗(yàn)。基于以上標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格篩選，共獲得159篇符合要求的文獻(xiàn)，其中英文文獻(xiàn)43篇，中文文獻(xiàn)116篇，可進(jìn)行分析的試驗(yàn)數(shù)據(jù)1 063對(duì)。

1.2 數(shù)據(jù)分析

本研究使用MetaWin 2.1進(jìn)行Meta分析[33]，以響應(yīng)比(R)的自然對(duì)數(shù)為效應(yīng)值(lnR)，通過式(1)計(jì)算每一對(duì)數(shù)據(jù)的效應(yīng)值[34]：

(1)

式中：Xt，秸稈還田處理下土壤有機(jī)碳含量，以C計(jì)，g/kg；Xc，秸稈不還田處理下土壤有機(jī)碳含量。通過式(2)得到各效應(yīng)值對(duì)應(yīng)權(quán)重：

w=(nt×nc)/(nt+nc)

(2)

式中：w，權(quán)重；nt，有秸稈還田處理的試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)；nc，沒有秸稈還田處理的試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)。利用重抽樣法計(jì)算效應(yīng)值得95%置信區(qū)間，如果效應(yīng)值的95%置信區(qū)間不與0重合，那么則認(rèn)為效應(yīng)值顯著[35]，即若置信區(qū)間全部>0，則說明秸稈還田顯著增加農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量(P<0.05)；若置信區(qū)間全部<0，則說明秸稈還田能夠顯著降低農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量(P<0.05)[36]。若置信區(qū)間包含0，則說明秸稈還田對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量無顯著影響。為了便于描述，通過式(3)計(jì)算得到土壤有機(jī)碳含量的變化百分?jǐn)?shù)。

E=(exp(lnR)-1)×100%

(3)

式中：E，秸稈還田條件相對(duì)于秸稈不還田條件土壤有機(jī)碳的變化，%。

本研究采用SigmaPlot 12.5軟件進(jìn)行相關(guān)作圖。

1.3 分亞組Meta分析

由于中國(guó)不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)的氣候條件、耕作措施、種植制度以及作物種類差異較大，且秸稈還田方式、秸稈還田年限、氮肥施用情況等諸多因素均對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量有一定影響。因此，在本研究對(duì)已有的數(shù)據(jù)以多種方式進(jìn)行分組，利用分亞組Meta分析方法檢驗(yàn)?zāi)骋惶囟ㄒ蛩貙?duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的影響，如還田年限、耕作措施、作物種類、土地利用類型等(表1)。此外，為更加精確地探究不同土層有機(jī)碳含量的影響因素，本研究將各土層數(shù)據(jù)分為：0～10、>10～20、>20～40、>40 cm (最深達(dá)100 cm)。對(duì)每一土層有機(jī)碳含量的影響因素分別加以分析。為明確各類因素對(duì)有機(jī)碳含量影響隨還田年限變化所表現(xiàn)出的規(guī)律，本研究將還田年限分為1～5、6～10和>10 年。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田對(duì)中國(guó)不同區(qū)域農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的影響

圖1可知，從全國(guó)范圍，秸稈還田能顯著增加農(nóng)田土壤全土層(在本研究中，全土層最深達(dá)100 cm)12.1%的有機(jī)碳含量(P<0.05,下文如未說明均指全土層)，不同地區(qū)秸稈還田都促進(jìn)土壤有機(jī)碳含量的增加，但影響程度各不相同。在華東地區(qū)，秸稈還田對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的增加效應(yīng)最為顯著(P<0.05)，能夠顯著增加14.6%的土壤有機(jī)碳含量。西北和西南地區(qū)分別顯著增加12.4%和13.8%，均高于全國(guó)平均水平(P<0.05)。華中、東北和華北3個(gè)地區(qū)秸稈還田對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的影響效應(yīng)均低于全國(guó)平均水平，其中東北和華北地區(qū)分別顯著增加9.3%和10.8%(P<0.05)。在華中地區(qū)，秸稈還田顯著增加7.7%的土壤有機(jī)碳含量(P<0.05)，在所有地區(qū)中增加效應(yīng)最小。

2.2 秸稈還田試驗(yàn)地自然條件對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

與秸稈不還田相比，隨著年均降水量的增加，秸稈還田對(duì)全土層土壤有機(jī)碳的增加效應(yīng)總體上呈波動(dòng)變化的趨勢(shì)(圖2)。當(dāng)年均降水量為0～400、>400～600、>600～800、>800 mm時(shí)，相對(duì)秸稈不還田，秸稈還田條件下土壤有機(jī)碳含量分別顯著增加11.4%、12.1%、9.0%、14.3%(P<0.05)。隨著年均溫度的增加，秸稈還田對(duì)全土層土壤有機(jī)碳的增加效應(yīng)先減小后增大。年均溫度在0～10 ℃、>10～15 ℃和>15 ℃的區(qū)域，秸稈還田增加有機(jī)碳含量的幅度分別為13.3%、10.5%和13.6%(P<0.05)。

表1 數(shù)據(jù)分組情況Table 1 Data grouping

0線表示無效線，誤差線表示95%置信區(qū)間，誤差線附近的數(shù)字表示相應(yīng)分組的數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)量。誤差線與無效線沒有交點(diǎn)時(shí)差異顯著，P<0.05。下同。華東地區(qū)包括安徽省、江蘇省、浙江省、福建省、江西省、山東省和上海市；華北地區(qū)包括山西省、河北省、北京市和天津市；華中地區(qū)包括河南省、湖北省、湖南省；西南地區(qū)包括四川省、貴州省、云南省、西藏自治區(qū)和重慶市；西北地區(qū)包括陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)；東北地區(qū)包括黑龍江省、吉林省和遼寧省。未列出的省份表示根據(jù)本研究文獻(xiàn)篩選標(biāo)準(zhǔn)，沒有獲得相關(guān)地區(qū)的研究數(shù)據(jù)。Vertical axis represents invalid line. Error bars represent 95% confidence intervals. Numbers near each bars are numbers of comparisons; If confidence intervals do not overlap with zero, it indicates significant increase (>0) or decrease (<0) (P<0.05). The same below. Eastern China includes Anhui Province, Jiangsu Province, Zhejiang Province, Fujian Province, Jiangxi Province, Shandong Province, Shanghai Municipality; North China includes Shanxi Province, Hebei Province, Beijing Municipality, Tianjin Municipality; Central China includes Henan Province, Hubei Province and Hunan Province; Southwest China includes Sichuan Province, Guizhou Province, Yunnan Province, Tibet Autonomous Region, Chongqing Municipality; Northwest China includes Shaanxi Province, Gansu Province, Qinghai Province, Ningxia Hui Autonomous Region, Xinjiang Uygur Autonomous Region; Northeast China includes Heilongjiang Province, Jilin Province, Liaoning Province. The unlisted provinces indicated that no data are obtained according to the screening criteria of this study.圖1 秸稈還田下中國(guó)不同區(qū)域土壤有機(jī)碳含量的變化率Fig.1 Relative change rate of residue retention on SOC content in different regions of China

不同種植制度和土地利用類型對(duì)秸稈還田下全土層土壤有機(jī)碳含量也有不同的影響，一年兩熟制有機(jī)碳增量最高，達(dá)11.7%；一年一熟制有機(jī)碳增量居中，為11.2%；兩年三熟制度下有機(jī)碳增量最低，為8.7%。水旱輪作下有機(jī)碳增量最高，達(dá)13.5%；其次為水田，為12.9%；旱地有機(jī)碳增量最低，為11.1%，總體上三者差異不大(P>0.05)。

(a)、(b)、(c)和(d)分別為年均降水量、年均溫度、種植制度和土地利用類型(a) Mean annual precipitation; (b) Mean annual temperature; (c) Cropping system; (d) Land-use type圖2 秸稈還田不同氣候狀況及管理措施下土壤有機(jī)碳含量的變化率Fig.2 Relative change rate of SOC content responding to residue retention under different conditions

2.3 秸稈還田農(nóng)田管理措施對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

秸稈還田下不同耕作措施對(duì)全土層有機(jī)碳均呈現(xiàn)顯著的增加效應(yīng)(P<0.05)，秸稈還田下免耕、翻耕和旋耕3種措施對(duì)土壤有機(jī)碳的增加效應(yīng)呈遞增趨勢(shì)，分別為8.3%、9.2%和10.5%，不同措施的影響之間差異不大(圖3)。

隨著還田年份的增加，秸稈還田對(duì)全土層土壤有機(jī)碳的增加效應(yīng)呈增加的趨勢(shì)，還田年限在1～5、6～10和>10年時(shí)，分別顯著增加10.6%、12.1%和13.5%的有機(jī)碳含量(P<0.05)。

秸稈還田對(duì)全土層土壤有機(jī)碳含量的增加效應(yīng)總體上隨施氮量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)施氮量為0～120 kg/hm2，秸稈還田增加12.8%的有機(jī)碳含量；施氮量為>120～240 kg/hm2，秸稈還田增加13.7%的有機(jī)碳含量；施氮量>240 kg/hm2時(shí)，秸稈還田增加10.7%的有機(jī)碳含量(P<0.05)。

作物種類以及是否輪作對(duì)全土層土壤有機(jī)碳含量也有影響。秸稈還田條件下，種植水稻能增加14.6%的有機(jī)碳含量，種植小麥增加9.9%，種植玉米增加10.7%。當(dāng)在作物輪作模式中使用秸稈還田時(shí)，土壤有機(jī)碳含量顯著增加11.6%；而在不存在作物輪作的模式中，秸稈還田顯著提高13.4%的土壤有機(jī)碳含量(P<0.05)。

(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)分別為耕作措施、還田年限、施氮量、作物種類、種植模式和土層深度。(a) Tillage practices; (b) Experimental duration; (c) N input; (d) Crop types; (e) Cropping pattern; (f) Soil depth圖3 秸稈還田不同農(nóng)田管理措施下土壤有機(jī)碳含量的變化率Fig.3 Relative change rate of SOC responding to residue retention under different field management practices

2.4 秸稈還田條件下不同土層土壤有機(jī)碳含量的影響因素分析

由圖4可知，試驗(yàn)區(qū)域年均降水量在>400～600和>600～800 mm時(shí)，秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳含量的增加效應(yīng)總體上隨土層加深而減小，在0～10 cm相對(duì)變化率最大，分別為11.4%和14.6%(P<0.05)，降水量為>400～600 mm時(shí)，秸稈還田對(duì)>10～20和>40 cm土層沒有顯著影響。然而當(dāng)年均降水量>800 mm時(shí)，秸稈還田顯著增加>20～40和40 cm以下土層有機(jī)碳含量分別達(dá)35.7%和37.5%(P<0.05)，遠(yuǎn)高于其他土層。

試驗(yàn)區(qū)域年均溫度為0～10 ℃時(shí)，秸稈還田分別顯著增加0～10和>20～40 cm土壤有機(jī)碳含量10.7%和13.4%，由于缺少>10～20 cm土層的研究數(shù)據(jù)，總體趨勢(shì)不明晰。年均溫度為10～15 ℃時(shí)，秸稈還田對(duì)10 cm以下土層的有機(jī)碳增加效應(yīng)不顯著，在0～10 cm為12.9%(P<0.05)；年均溫度>15 ℃時(shí)，隨土層加深，秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳的增加效應(yīng)總體上呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，在>10～20 cm 土層最小，為4.7%，在>20～40 cm土層最大，為22.8%(P<0.05)。

研究結(jié)果表明，無論試驗(yàn)區(qū)域是否輪作，秸稈還田均能增加土壤有機(jī)碳的含量，增加效應(yīng)均在>20～40 cm土層最大，輪作為16.4%，不輪作為12.8%(P<0.05)。隨土層加深，輪作下秸稈還田的增加效應(yīng)在7.9%～16.4%，無論試驗(yàn)區(qū)域是否輪作，秸稈還田對(duì)40 cm以下土層有機(jī)碳含量的影響不顯著。

種植不同的作物，秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響有所差異。試驗(yàn)區(qū)域種植小麥、玉米均增加有機(jī)碳含量，最高分別增加14.5%和11.0%(P<0.05)，見圖3。種植玉米對(duì)40 cm以下土層的有機(jī)碳含量影響不顯著。種植水稻對(duì)較深層土壤有機(jī)碳含量的增加效應(yīng)高于淺層土壤，在>20～40 cm 土層增加33.8%(P<0.05)，而0～10和>10～20 cm分別僅增加9.4%和7.0%(P<0.05)。

比較秸稈還田下不同耕作方式對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，0～10 cm土層中，旋耕、免耕和翻耕分別增加了12.7%、13.4%和7.2%的有機(jī)碳含量(P<0.05)；然而在10 cm以下的土層中，翻耕對(duì)土壤有機(jī)碳的影響不顯著。旋耕和免耕對(duì)土壤有機(jī)碳總體上均呈現(xiàn)增加效應(yīng)，免耕在>10～20 cm 土層的增加效應(yīng)不顯著，旋耕在>20～40 cm土層的增加效應(yīng)不顯著(圖4)。

不同土地利用類型中，水旱輪作下秸稈還田對(duì)全土層土壤有機(jī)碳均呈現(xiàn)顯著的增加效應(yīng)，加權(quán)平均效應(yīng)值總體上隨土層加深而增大，>20～40 cm最大為33.8%(P<0.05)。旱地在>10～20 cm土層的影響不顯著，在0～10和>20～40 cm分別增加12.8%和11.0%(P<0.05)。水田的研究數(shù)據(jù)較少，有限的數(shù)據(jù)中，秸稈還田對(duì)水田0～10和>10～20 cm土層均無顯著影響。

(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分別為年均降水量、年均溫度、種植模式、作物種類、耕作措施、土地利用類型。下圖同。(a) Mean annual precipitation; (b) Mean annual temperature; (c) Cropping pattern; (d) Crop types; (e) Tillage practices; (f) Land-use type. The same in Fig.5.圖4 秸稈還田條件下不同土層土壤有機(jī)碳含量的變化率Fig.4 Relative change rate of SOC content in different soil depth under residue returning

2.5 秸稈還田條件下不同還田年限土壤有機(jī)碳含量的影響因素分析

由圖5可知，試驗(yàn)區(qū)域年均降水量在0～400 mm 時(shí)，秸稈還田對(duì)全土層土壤有機(jī)碳含量的增加效應(yīng)隨還田年限的增加變化不大。年均降水量為>400～600 mm時(shí)，還田6～10年秸稈還田對(duì)全土層土壤有機(jī)碳含量的增加最顯著，達(dá)17.6%(P<0.05)。年均降水量在>600～800 mm時(shí)，隨還田年限增加，土壤有機(jī)碳含量的增加效應(yīng)越大，還田10年以上時(shí)，增加18.8%(P<0.05)。當(dāng)年均降水量>800 mm時(shí)，隨還田年限增加，秸稈還田下土壤有機(jī)碳含量呈穩(wěn)定的小幅增長(zhǎng)趨勢(shì)，還田1～5、6～10和10年以上分別顯著增加全土層土壤有機(jī)碳12.7%、14.3%和15.1%(P<0.05)。

試驗(yàn)區(qū)域年均溫度為0～10 ℃時(shí)，秸稈還田 6～10年全土層土壤有機(jī)碳的增加效應(yīng)最顯著，達(dá)21.1%(P<0.05)，年均溫度為>10～15 ℃時(shí)，隨還田年限增加，全土層土壤有機(jī)碳的增加效應(yīng)遞增，還田1～5、6～10和10年以上分別顯著增加全土層土壤有機(jī)碳6.2%、8.8%和16.6%(P<0.05)。年均溫度>15 ℃時(shí)，秸稈還田對(duì)全土層土壤有機(jī)碳含量的增加效應(yīng)隨還田年限的增加變化不大。

圖5 秸稈還田條件下不同還田年限土壤有機(jī)碳含量的變化率Fig.5 Relative change rate of SOC content in different experimental duration under residue returning

研究結(jié)果表明，對(duì)于輪作的試驗(yàn)區(qū)域，還田不同年限對(duì)全土層土壤有機(jī)碳含量的增加效應(yīng)變化不大，還田1～5、6～10和10年以上分別顯著增加全土層土壤有機(jī)碳11.4%、10.7%和11.9%(P<0.05)。對(duì)于不輪作的試驗(yàn)區(qū)域，還田6～10和10年以上分別增加全土層有機(jī)碳含量25.1%和22.0%(P<0.05)，增加效應(yīng)明顯高于還田1～5年的6.8%(P<0.05)。

種植不同的作物，秸稈還田年限對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響有所差異。不同還田年限下，種植小麥、玉米、水稻均顯著增加全土層土壤有機(jī)碳含量，不同還田年限對(duì)小麥田土壤有機(jī)碳含量的影響在10.1%～10.7%(P<0.05)，隨試驗(yàn)?zāi)晗拊黾幼兓淮蟆Ｓ衩滋锖偷咎锞谶€田6～10年時(shí)全土層土壤有機(jī)碳含量增加效應(yīng)最顯著，分別達(dá)13.2%和30.2%(P<0.05)。

不同還田年限下，各耕作方式均顯著增加土壤有機(jī)碳含量。翻耕的試驗(yàn)地隨還田年限增加，全土層土壤有機(jī)碳含量的增加效應(yīng)遞增，還田1～5、6～10和10年以上分別顯著增加全土層土壤有機(jī)碳4.1%、14.1%和15.0%(P<0.05)。免耕的試驗(yàn)地在還田6～10年全土層土壤有機(jī)碳含量的增加效應(yīng)最大，達(dá)9.9%(P<0.05)。旋耕的試驗(yàn)地在還田10年以上時(shí)全土層土壤有機(jī)碳含量的增加效應(yīng)最大，達(dá)14.2%(P<0.05)，在還田6～10年增加效應(yīng)最小，為7.0%(P<0.05)。

不同土地利用類型中，旱地和水旱輪作下還田年限對(duì)全土層土壤有機(jī)碳均呈現(xiàn)顯著的增加效應(yīng)，增加效應(yīng)均在還田6～10年最顯著，分別為13.0%和22.6%(P<0.05)。在水田秸稈還田10年以上時(shí)，全土層土壤有機(jī)碳顯著增加22.7%(P<0.05)，在不同還田年限各土地利用類型中增加得最多。然而秸稈還田1～5年時(shí)，水田土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，但增加效應(yīng)不顯著。

3 討 論

本研究應(yīng)用Meta-analysis對(duì)秸稈還田條件下農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量及其影響因素進(jìn)行了定量分析，有助于揭示秸稈還田對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的影響機(jī)制。土壤碳庫由許多不同穩(wěn)定性的組分組成，其動(dòng)態(tài)平衡對(duì)土壤肥力的保持和提高、作物產(chǎn)量的提升有重要影響[37]。秸稈還田能否增加土壤有機(jī)碳的含量，與土壤有機(jī)質(zhì)的輸入和土壤有機(jī)碳的礦化分解有關(guān)[38]。本研究表明，秸稈還田能夠顯著增加土壤有機(jī)碳的含量，這與趙鑫[39]、蔡太義等[40]研究結(jié)論一致，這主要是因?yàn)橥寥捞紟斓膿p失在秸稈還田下得以直接補(bǔ)充[41]。

3.1 秸稈還田下不同農(nóng)田管理措施對(duì)有機(jī)碳含量的影響

研究結(jié)果表明，在秸稈還田的基礎(chǔ)上，免耕能顯著提高0～10 cm有機(jī)碳含量達(dá)13.4%(P<0.05)，免耕、翻耕等耕作方式能增加有機(jī)碳的含量，這與葉新新[42]等在沿淮區(qū)域的研究結(jié)果一致，因此，適當(dāng)?shù)母鞣绞浇Y(jié)合秸稈還田是提升農(nóng)田土壤生產(chǎn)力的重要措施。

一直以來，免耕因被認(rèn)為是改善土壤質(zhì)量、保持水土資源的有效做法[1,22,43]，然而從本研究結(jié)果來看，免耕對(duì)>10～20 cm土層有機(jī)碳含量的增加效應(yīng)略強(qiáng)于翻耕，但不如旋耕。這可能是由于研究數(shù)據(jù)取自不同深度土層而產(chǎn)生的差異，在本研究使用的數(shù)據(jù)中，土層最深達(dá)到100 cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)深于常規(guī)研究大多關(guān)注的0～20 cm土層。Du等[44]通過Meta-analysis提出，免耕的影響在不同區(qū)域以及不同土層的差異很大，不應(yīng)過于高估免耕的作用。再考慮到實(shí)際應(yīng)用中，農(nóng)戶生產(chǎn)條件及意愿也各有差異，因此，耕作方式的選擇應(yīng)該因地制宜，一地一法，不能一概而論。

秸稈還田與化肥配施能有效改土培肥，效果好于單施肥料或單施秸稈[45-46]。前人研究表明，以往的氮肥施用量(300 kg/hm2)往往是過量的，適當(dāng)減少氮肥施用能降低N2O排放量[47-48]，從本研究數(shù)據(jù)得出，土壤的固碳效應(yīng)也呈現(xiàn)類似的結(jié)果，即低氮肥施用量有利于土壤有機(jī)碳的固定(圖3)，因此，建議生產(chǎn)中適當(dāng)降低氮肥施用量，既能降低生產(chǎn)成本，增加作物產(chǎn)量，也有利于土地的持續(xù)利用。

3.2 秸稈還田下不同作物類型和熟制對(duì)有機(jī)碳含量的影響

相對(duì)小麥和玉米，稻田秸稈還田的有機(jī)碳增量更大，平均增加14.6%的有機(jī)碳，這可能與稻田水分充足，土壤微生物活動(dòng)更頻繁，促進(jìn)了還田秸稈的分解有關(guān)[49]。稻田對(duì)>20～40 cm較深層土壤有機(jī)碳的增加效應(yīng)比表層更大，可能是由于充足的水分提供了介體，使更多有機(jī)碳隨重力作用向深層滲透沉淀。本研究中年均降水量的分析結(jié)果初步印證了這一推測(cè)：當(dāng)年均降水量>800 mm時(shí)，秸稈還田對(duì)>20～40和40 cm以下土層有機(jī)碳的增加效應(yīng)明顯大于0～20 cm土層，而較少的降水量對(duì) 40 cm 以下土層有機(jī)碳沒有顯著影響，且影響的加權(quán)平均效應(yīng)值為負(fù)。因此，更高的土壤含水量可能更有利于有機(jī)碳的積累，但實(shí)際情況如何，有待對(duì)更多數(shù)據(jù)的進(jìn)一步研究。

一年一熟和一年兩熟的種植制度下，全土層土壤有機(jī)碳的增加效應(yīng)相似，分別為11.2%和11.7%，兩年三熟下農(nóng)田土壤有機(jī)碳增加效應(yīng)最小，只增加8.7%。作物生長(zhǎng)消耗土壤有機(jī)碳，種植頻率高的土地，有機(jī)碳消耗量更大。從全土層來看，有輪作的土地有機(jī)碳增量(11.6%)小于不輪作的土地(13.4%)，可能同樣與輪作土地的使用頻率更高有關(guān)[50]。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過合理種植作物，采取適當(dāng)管理措施，可以較長(zhǎng)時(shí)間保持土壤肥力，彌補(bǔ)種植頻率過高對(duì)土壤有機(jī)碳的消耗。然而本研究中也有數(shù)據(jù)表明相比不輪作，輪作對(duì)有機(jī)碳的增加效應(yīng)更明顯，這可能與試驗(yàn)地的自然情況有關(guān)，作物種植還能起到防風(fēng)固土的作用，在容易發(fā)生水土流失的地區(qū)，更高頻率的種植保留了更多的有機(jī)碳。因此，應(yīng)當(dāng)重視土壤有機(jī)碳的固定，選用合適的耕作措施，適時(shí)施肥，保持土壤肥力。

有研究表明[51]，一年兩熟的稻麥種植系統(tǒng)中僅稻稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳的影響與稻麥雙還的結(jié)果沒有顯著差異，這對(duì)于緩解我國(guó)秸稈的階段性、地區(qū)性短缺，提供了新的思路。對(duì)于秸稈資源過剩的地區(qū)，除了傳統(tǒng)的秸稈利用方式，如焚燒、還田、作為飼料外，應(yīng)當(dāng)著力推動(dòng)秸稈資源的綜合利用，例如，秸稈還可以代替木材造紙、生產(chǎn)建材和包裝材料、發(fā)電等。這些利用方式既能減少污染，增加農(nóng)民收入，更有利于農(nóng)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，響應(yīng)了建設(shè)“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”社會(huì)的要求[52]。

3.3 還田年限對(duì)有機(jī)碳含量影響因素的影響

多項(xiàng)研究表明，土壤有機(jī)碳含量隨著秸稈還田年限的增加而增加[53-54]。也有研究指出，秸稈還田較長(zhǎng)時(shí)間后，土壤有機(jī)碳會(huì)達(dá)到飽和[21]。圖5可知，在年均降水量、年均溫度、種植模式、作物種類、耕作方式、土地利用類型等因素影響下還田6～10年對(duì)土壤有機(jī)碳含量的相對(duì)變化率相較于還田1～5年，基本都表現(xiàn)增加的趨勢(shì)。而還田10年以上相較于還田6～10年，僅部分因素影響下的土壤有機(jī)碳含量呈增加趨勢(shì)，多數(shù)情況下有機(jī)碳含量并無明顯提高，反而有下降的趨勢(shì)。這與Yemadje等[55]和Yang等[56]的研究結(jié)果一致。因此，秸稈還田持續(xù)年限并非越長(zhǎng)越好，從本研究的結(jié)果來看，試驗(yàn)地經(jīng)過10年左右的秸稈還田之后，可以暫停一段時(shí)間，配合輪耕措施、適當(dāng)?shù)氖┓屎凸喔龋梢愿纳仆寥澜Y(jié)構(gòu)，保持土地肥力[57-58]。

為保證數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，本研究在篩選數(shù)據(jù)時(shí)，嚴(yán)格要求所用數(shù)據(jù)除秸稈還田與否的因素外，其他條件完全相同，且必須給出有機(jī)碳數(shù)據(jù)和明確的實(shí)驗(yàn)重復(fù)數(shù)，基于現(xiàn)有的已發(fā)表文獻(xiàn)，有些影響因素的數(shù)據(jù)量較小，有些文獻(xiàn)由于數(shù)據(jù)提供不詳實(shí)等原因，不能用于Meta的分析，由此可能會(huì)使結(jié)果的可靠性降低。此外，農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量受多種因素的影響，這些因素之間可能存在一定的交互作用，因此還需要更進(jìn)一步的研究進(jìn)行檢驗(yàn)。因此，在Meta分析時(shí)，應(yīng)盡可能增大樣本數(shù)據(jù)量，以便更客觀全面地揭示研究對(duì)象內(nèi)在的影響機(jī)制。在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鳌⑼寥罓顩r等條件，針對(duì)不同情形選擇適宜的種植方法，以期更好地達(dá)到農(nóng)田土壤固碳減排的效果。

4 結(jié) 論

本研究基于1992—2018年公開發(fā)表的秸稈還田對(duì)有機(jī)碳影響的文章數(shù)據(jù)，應(yīng)用Meta-analysis方法，定量分析了秸稈還田對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的影響因素，結(jié)果表明，秸稈還田顯著增加了農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量，但是增幅受多種因素的影響。

1)相對(duì)于秸稈不還田，秸稈還田條件下，華東、西北和西南地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的增量高于全國(guó)平均水平，華中、東北和華北地區(qū)則低于全國(guó)平均水平(P<0.05)。秸稈還田配合翻耕、免耕、旋耕均有利于農(nóng)田土壤有機(jī)碳的積累，但積累效應(yīng)在不同地區(qū)不同土層的差異可能較大，一般隨土層加深，效應(yīng)減小。

2)稻田秸稈還田有機(jī)碳增量比小麥田、玉米田更高。一年一熟與一年兩熟種植制度下農(nóng)田土壤有機(jī)碳增加效應(yīng)相近，分別為11.2%和11.7%，都高于兩年三熟制度(8.7%)，試驗(yàn)地不輪作可能導(dǎo)致深層(>40 cm)土壤有機(jī)碳含量減少。

3)試驗(yàn)地不同年均降水量對(duì)秸稈還田土壤有機(jī)碳含量的影響總體上差異不大，平均增加11.7%，但>800 mm的降水對(duì)20 cm以下土層有機(jī)碳含量的增加效應(yīng)有顯著提高。年均溫度的效應(yīng)與年均降水量相似，平均增加12.4%。高施氮量(>240 kg/hm2)不利于有機(jī)碳的固定，而>120～240 kg/hm2的氮肥施用量更有利于農(nóng)作物生長(zhǎng)和土壤可持續(xù)利用。

綜上所述，秸稈還田對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的影響因素很多，總體來說，較長(zhǎng)的還田年限(6～10年)、適當(dāng)?shù)母鞔胧?免耕結(jié)合旋耕翻耕等)、適度的氮肥施用量(>120～240 kg/hm2)等條件更有助于土壤有機(jī)碳含量的增加，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤的固碳減排以及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。