基于東北黑土地的秸稈還田對土壤固碳能力影響研究*

騰 云，龐博園，劉新晶，劉深勇

（1．東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150030；2.黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150028；3.黑龍江農(nóng)墾職業(yè)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

應(yīng)對全球氣候變化、推進(jìn)全球可持續(xù)發(fā)展，日益成為世界共識。習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會上宣布，中國力爭于2030年前達(dá)到碳達(dá)峰，于2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村溫室氣體排放占全國的15%。實(shí)施耕地保護(hù)增強(qiáng)耕地碳匯能力，促進(jìn)碳中和效應(yīng)提升得到我國政府和學(xué)界的普遍關(guān)注。

農(nóng)田是地球主要碳庫之一，農(nóng)田土壤碳庫大約占陸地土壤碳庫近10%[1]，提升農(nóng)田土壤固碳能力，對農(nóng)業(yè)碳中和有重要意義。秸稈還田是農(nóng)作物收獲后將其秸稈直接粉碎到耕地或者在外面進(jìn)行腐熟后再施入耕地中的有效手段。大力推廣秸稈綜合利用技術(shù)，減少了化肥投入量，增加了糧食產(chǎn)量，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展[2-3]。土壤團(tuán)聚體是有機(jī)碳固定的主要載體，其穩(wěn)定性決定著有機(jī)碳固定的效果，秸稈還田是影響土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的主要外來影響方式和農(nóng)田碳輸入的主要途徑，秸稈還田不僅能夠吸收空氣中的二氧化碳，而且能夠固定土壤中的有機(jī)碳，對農(nóng)業(yè)碳中和產(chǎn)生重要影響[4-6]。

基于此，選擇東北黑土地為研究對象，探尋秸稈還田對土壤固碳能力及作物生長發(fā)育的影響機(jī)理，為提升農(nóng)業(yè)碳中和效應(yīng)提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地情況

試驗(yàn)時(shí)間從2019年5月到2020年10月。試驗(yàn)地點(diǎn)選擇遼寧省海城市黑土種植基地，主要種植小麥、玉米等農(nóng)作物。試驗(yàn)地土壤類型為黑土地，氣候類型為溫帶季風(fēng)氣候，每年降雨量集中在6-8月，平均降雨量為720mm左右。農(nóng)田有機(jī)質(zhì)含量在3.5%左右，土壤的pH值在7.1左右。

1.2 試驗(yàn)材料和方法

（1）試驗(yàn)材料。小麥選擇沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)選育的米808號品種，畝產(chǎn)在400公斤左右。玉米選擇黑龍江省農(nóng)科院玉米研究所選育的龍高L2品種，畝產(chǎn)在1000公斤左右。

（2）小麥和玉米的種植。設(shè)置3個(gè)秸稈還田處理方式：處理1玉米、小麥秸稈全還田處理；處理2玉米秸稈還田（小麥秸稈不還田）；處理3小麥秸稈還田（玉米秸稈不還田）；對照組玉米、小麥秸稈不還田。在種植小麥和玉米時(shí)要施足底肥，其他田間管理?xiàng)l件要做到一致。

（3）試劑與儀器。試劑為0.136mol/L的重鉻酸鉀-硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液、0.2mol/L的硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液和鄰啡羅啉指示劑。儀器為分析天平、硬質(zhì)試管、油浴鍋、鐵絲籠（消煮時(shí)插試管用）、溫度計(jì)、滴定管、三角瓶、量筒、角匙、吸水紙、滴瓶、試管夾和試劑瓶等[7]。

1.3 樣品采集和測量

（1）土壤容重。從試驗(yàn)區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇5個(gè)點(diǎn)對土壤進(jìn)程容重進(jìn)行取樣測量，采用環(huán)刀法，每10cm作為取樣層，依次測量土壤中0-40cm的容重。

（2）土壤有機(jī)碳含量。取土法如上，運(yùn)用重鉻酸鉀法測定土壤有機(jī)碳含量。重鉻酸鉀法測定步驟：稱取樣品滴加重鉻酸鉀-硫酸溶液，加熱至煮沸，冷卻后滴加鄰啡羅啉指示劑和硫酸亞鐵溶液，溶液由淺綠色突變?yōu)樽丶t色即為終點(diǎn)[7]。測定原理是用過量的重鉻酸鉀-硫酸溶液，氧化土壤有機(jī)質(zhì)中的碳，剩余重鉻酸鉀用硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，根據(jù)消耗重鉻酸鉀量可以計(jì)算出有機(jī)碳量[7]。

1.4 數(shù)據(jù)處理方式

數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對土壤容重的影響

不同秸稈還田方式對土壤容重影響如表1所示。從數(shù)據(jù)看出，在0-40cm深度土層內(nèi)，隨取土層深度增加，土壤容重增加。3種處理秸稈還田方式能夠降低0-30cm土層深度內(nèi)的土壤容重，但在30-40cm土層深度影響并不顯著。在3種秸稈還田方式中，處理1對秸稈還田后土壤容重的降低效果最為顯著。

表1 秸稈還田對土壤容重影響

2.2 對土壤固碳能力的影響

不同秸稈還田方式對土壤固碳能力影響如表2所示。數(shù)據(jù)表明：在0-10cm土層深度內(nèi)，處理1和3兩種方式土壤固碳能力最高，均超過6g.kg-1，顯著高于對照。10-20cm土層深度內(nèi)，表現(xiàn)為處理1秸稈還田方式土壤固碳能力最高，但與處理2固碳能力無顯著性差異。在20-30cm土層深度內(nèi)，表現(xiàn)為處理1固碳能力為最強(qiáng)。在30-40cm土層深度，3種不同秸稈還田方式和對照之間固碳能力無顯著性差異。

表2 秸稈還田對土壤固碳能力影響

2.3 對小麥和玉米生長發(fā)育影響

對小麥和玉米出苗率影響。4月25日播種玉米，待5月份玉米全部發(fā)芽后，對玉米出芽率進(jìn)行觀察。9月25日播種小麥，待10月份小麥全部發(fā)芽后，對小麥出芽率進(jìn)行觀察。秸稈還田對小麥、玉米出苗率的影響如圖1所示，處理1小麥出苗率為92.7%，玉米出苗率為91.3%，分別比對照減少0.75%和1.76%；處理2玉米出苗率為92.6%，比對照減少0.36%；處理3小麥出苗率為92.3%，比對照組減少1.18%。由此可見，秸稈還田后與未還田地塊相比，小麥和玉米出苗率下降非常少，對小麥和玉米出苗率不會造成影響。

圖1 秸稈還田對小麥、玉米出苗率的影響

對小麥和玉米產(chǎn)量影響如圖2所示。秸稈還田處理1小麥平均畝產(chǎn)量為428.3公斤，玉米平均畝產(chǎn)量為1147.3公斤，分別比對照增產(chǎn)5.76%和5.45%；秸稈還田處理2玉米平均畝產(chǎn)量為1128.7公斤，比對照增產(chǎn)了3.74%；秸稈還田處理3小麥平均畝產(chǎn)量為426.3公斤，比對照高5.28%。由此可見，秸稈還田能夠促進(jìn)小麥和玉米增產(chǎn)，增產(chǎn)幅度在3%-6%之間，效果很明顯。

圖2 秸稈還田對小麥、玉米產(chǎn)量的影響

3 分析與討論

3.1 秸稈還田對土壤固碳能力影響

本試驗(yàn)結(jié)果顯示，三種不同秸稈還田處理方式，在0-30cm土層深度內(nèi)，能夠降低土壤容重，處理1方式對土壤容重降低效果最為顯著，顯著高于對照處理；30-40cm土層深度與對照相比無顯著影響。在土壤固碳能力方面，處理1秸稈還田方式對土壤固碳能力增強(qiáng)效果最為顯著，顯著高于對照處理，0-40cm土層深度固碳能力則與對照相比無顯著影響。

3.2 秸稈還田對小麥、玉米影響

本試驗(yàn)結(jié)果顯示，與秸稈未還田處理方式相比，秸稈還田處理方式均可提升小麥和玉米產(chǎn)量。在秸稈還田后，能夠顯著改善土壤結(jié)構(gòu)，補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)含量，從而提升農(nóng)作物產(chǎn)量。玉米和小麥兩季秸稈還田方式的產(chǎn)量高于單季秸稈還田模式，在玉米秸稈還田后，能夠在小麥越冬前和小麥返青后快速腐爛，從而使小麥在生長季節(jié)能夠得到充足的養(yǎng)分，達(dá)到小麥增產(chǎn)的目的。三種不同方式秸稈還田后，對冬小麥和夏玉米出苗和生長不但未產(chǎn)生負(fù)面影響，而且還增加了產(chǎn)量。

4 結(jié)論

本文通過研究秸稈還田三種不同方式對土壤固碳能力、小麥和玉米的出苗和生長的影響得出以下結(jié)論：第一，秸稈還田方式能夠降低土壤容重，增加土壤有機(jī)碳含量，增加土壤固碳效果，其中雙季秸稈還田效果最佳；第二，秸稈還田使小麥和玉米出苗率有所下降，但下降幅度很小且出苗率未對產(chǎn)量產(chǎn)生影響；第三，秸稈還田能增加小麥和玉米產(chǎn)量，其中雙季秸稈還田方式對小麥和玉米畝產(chǎn)量增加較為明顯。