秸稈還田和耕作方式對土壤碳排放及冬小麥產(chǎn)量的影響

董建麗，潘新麗，邵彥朝，劉 振，寧堂原

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)業(yè)部作物水分生理與抗旱種質(zhì)改良重點實驗室，山東 泰安 271018）

黃淮海平原是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)之一[1]，主要作物為冬小麥和夏玉米，在保障我國糧食安全方面發(fā)揮重要作用。如何高效利用現(xiàn)有耕地實現(xiàn)產(chǎn)量最大化，對保障糧食安全極其重要[2]。目前，對于如何減少農(nóng)田碳排放、增加作物產(chǎn)量的問題，嚴圣吉等[3]學(xué)者已有相關(guān)研究，但不同耕作方式下碳排放差異的調(diào)控機制以及哪種耕作方式可以在保證作物產(chǎn)量的同時減少農(nóng)田碳排放的研究相對較少。因此，有必要研究不同耕作方式下碳排放差異調(diào)控機制，明確保證作物產(chǎn)量同時減少農(nóng)田碳排放。基于翻耕、深松、旋耕、免耕4 種耕作方式，搭配秸稈還田與不還田處理，比較不同處理下土壤呼吸速率、含碳量、碳排放量、冬小麥產(chǎn)量和單位產(chǎn)量排放量等指標，選出既能保證農(nóng)作物產(chǎn)量又可減少土壤碳排放量的適宜處理，為減少農(nóng)田碳排放、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗站(36°10′N，117°09′E)進行，試驗地點屬于典型溫帶大陸性季風氣候，四季分明，太陽輻射量充足，雨熱同期。該地區(qū)年均日照時數(shù)2 759.1 h，年均氣溫12.8 ℃，年均降水量727.4 mm，符合華北平原典型氣候特點。試驗田土壤為棕壤土，土層深厚，土壤有機質(zhì)18.1 g/kg、全氮1.3 g/kg、速效氮152 mg/kg、速效磷45.1 g/kg、速效鉀117 mg/kg。小麥品種為濟麥22。

1.2 試驗設(shè)計

采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置耕作方式和秸稈還田2個因素。耕作方式包括翻耕（CT）、深松（SS）、旋耕（RT）和免耕（NT），秸稈還田包括秸稈還田（S）和不還田（0）。共8個處理，分別為：翻耕秸稈還田（CTS）、深松秸稈還田（SSS）、旋耕秸稈還田（RTS）、免耕秸稈還田（NTS）、翻耕秸稈不還田（CT0）、深松秸稈不還田（SS0）、旋耕秸稈不還田（RT0）、免耕秸稈不還田（NT0）。重復(fù)3次，各處理間用40 cm壟隔開，每個重復(fù)小區(qū)面積為15 m×4 m。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 樣品采集 小麥全生育期測定土壤溫濕度和土壤呼吸速率，每個處理重復(fù)選取3 個樣點測定：成熟期每個小區(qū)采用五點取樣法，在0～40 cm 土層每10 cm取樣1次，測定有機碳含量，重復(fù)3次；每種處理隨機選3 個點，每點取1 m2調(diào)查667 m2穗數(shù)；隨機剪取50個穗調(diào)查穗粒數(shù)，每個處理隨機測定千粒質(zhì)量，重復(fù)3次。

1.3.2 測定方法 土壤呼吸速率采用GXH-3052L 型紅外氣體分析儀（北京均方理化科技研究所）進行測定，氣室為高12 cm、直徑25 cm 的PVC 管。檢測呼吸速率時，應(yīng)把氣室下端埋入土壤2 cm，以保證氣室不漏氣。間隔2 周測定1 次，每次測定2 個值，間隔5 min。晴天測定，時間為上午9∶00—10∶00。土壤呼吸速率為單位時間內(nèi)CO2排放通量，計算公式為：

式中，F(xiàn)為土壤CO2排放通量（g/（m2·h）），以CO2-C計；60為分鐘轉(zhuǎn)換小時的系數(shù)；土壤有機碳含量測定采用重鉻酸鉀容量法[4]。

1.4 試驗數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016 軟件對數(shù)據(jù)進行處理，利用Dunnett 最小顯著查數(shù)法進行差異顯著性檢驗（α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田和耕作方式對冬小麥土壤呼吸速率的影響

秸稈還田與耕作方式對土壤呼吸速率變化的影響見圖1。

圖1 秸稈還田與耕作方式對土壤呼吸速率變化的影響Figure 1 Effect of straw returning and tillage method on the change in soil respiration rate

由圖1 可知，秸稈不還田處理下，整個生育期土壤呼吸速率總體呈先下降后上升再下降的趨勢。苗期，NT 土壤呼吸速率最大，達0.285 g/（m2·h）；越冬期，SS 和RT 兩種耕作方式的呼吸速率處于較高水平，高于另外2種處理；開花期，2 種耕作方式呼吸速率整體均較高，CT0，SS0，RT0，NT0 的平均土壤呼吸速率分別為0.132，0.160 ，0.137，0.161 g/（m2·h）。秸稈還田處理下，總體上土壤呼吸速率呈先下降后上升再下降的趨勢。冬前期、越冬期和灌漿期土壤呼吸速率差別不大，從拔節(jié)期開始，土壤呼吸速率明顯增強，到開花期達頂峰，隨后下降至收獲期。各處理土壤呼吸速率在冬前期均處于較低水平；CTS，SSS，RTS，NTS的平均土壤呼吸速率分別為0.166，0.160，0.134，0.148 g/（m2·h）。

與秸稈不還田相比，秸稈還田處理后CT 平均土壤呼吸速率加快，NT平均土壤呼吸速率減弱，但對SS和RT的平均土壤呼吸速率影響不大。

2.2 秸稈還田和耕作方式對不同耕層深度土壤有機碳的影響

秸稈還田與耕作方式對不同耕層深度土壤有機碳的影響見圖2。

圖2 秸稈還田與耕作方式對不同耕層有機碳含量的影響Figure 2 Effect of straw returning and tillage methods on organic carbon content in different tillage

由圖2可知，在0～40 cm范圍內(nèi)，隨著耕層深度的增加，不同處理土壤有機碳含量整體呈下降趨勢。秸稈還田時不同耕作方式平均有機碳含量CT＞SS＞NT＞RT。與秸稈不還田相比，秸稈還田后各處理耕層有機碳含量均有顯著差異（p＜0.05），CT，SS和RT土壤有機碳含量分別增加44.66%，19.22%，28.31%，而NT處理下土壤有機碳含量僅增加8.48%。除NT外，0～10 cm耕層各處理土壤有機碳含量均明顯增加，CT，SS 和RT 分別增加57.70%，24.17%，18.88%；10～20 cm耕層CT，RT土壤有機碳含量分別增加35.44%，65.61%；20～30 cm耕層SS，RT和NT分別增加53.21%，39.31%，20.77%；30～40 cm耕層SS 和NT 土壤有機碳含量分別增加25.40%，66.91%，而CT和RT處理土壤有機碳含量降低。

2.3 秸稈還田和耕作方式對各時期CO2排放量及生育期總排放量的影響

秸稈還田和耕作方式對各時期CO2排放量及生育期總排放量的影響見圖3。

圖3 不同處理各時期CO2排放量及生育期總排放量差異Figure 3 Differences in CO2 emissions in each period and total emissions during the growth period in different treatments

由圖3 可知，不同處理下CO2排放量最高的時期均為越冬期，其次是開花期、拔節(jié)期、灌漿期。NT 處理下拔節(jié)期和灌漿期排放量相當；同一處理下各時期之間CO2排放總量差異顯著。生育期CO2總排放量各處理差異不顯著（p＜0.05）。與秸稈不還田相比，秸稈還田后SS 和RT 處理下生育期CO2總排放量顯著下降，CT 和NT 處理下還田與不還田排放量相當。總之，秸稈還田后生育期CO2總排放量減少。

2.4 秸稈還田和耕作方式對冬小麥產(chǎn)量和單位產(chǎn)量排放量的影響

秸稈還田和耕作方式對冬小麥產(chǎn)量和單位產(chǎn)量排放量的影響見表1。

表1 不同耕作方式和秸稈還田與否對冬小麥產(chǎn)量的影響Table 1 Effect of different tillage methods and straw returning to the field on winter wheat yield

由表1可以看出，免耕下冬小麥產(chǎn)量顯著低于其他處理，秸稈不還田處理下的穗數(shù)顯著高于秸稈還田處理，冬小麥產(chǎn)量SS＞CT＞RT＞NT，穗數(shù)SS＞RT＞CT＞NT，穗粒數(shù)RT＞SS＞CT＞NT，千粒質(zhì)量CT＞RT＞NT＞SS。秸稈還田處理下穗數(shù)和產(chǎn)量SS＞RT＞CT＞NT，千粒質(zhì)量表現(xiàn)為CT＞SS＞RT＞NT，處理間差異顯著，單位產(chǎn)量CO2排放量NT＞CT＞SS＞RT。秸稈還田與不還田相比穗數(shù)差異顯著，穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量也達到較高水平。與秸稈不還田相比，RT和CT在秸稈還田后產(chǎn)量有較大幅度提高。NT耕作方式下，冬小麥產(chǎn)量最低，與秸稈不還田處理下表現(xiàn)一致。秸稈還田后，各處理單位產(chǎn)量CO2排放量NT＞SS＞CT＞RT。

3 討論與結(jié)論

耕作方式與秸稈還田對土壤有機碳含量、土壤呼吸速率、單位產(chǎn)量排放量和作物產(chǎn)量存在不同程度的影響。深松+秸稈還田處理可以增加土壤有機碳含量，且土壤呼吸速率穩(wěn)定，有助于提高冬小麥產(chǎn)量；深松+秸稈還田處理下產(chǎn)量最高且單位產(chǎn)量CO2排放量處于較低水平，有利于我國在保障糧食安全的同時發(fā)展綠色低碳農(nóng)業(yè)。翻耕+秸稈還田處理也可獲得較高水平產(chǎn)量，且單位產(chǎn)量CO2排放量較少。因此，建議深松+秸稈還田、翻耕+秸稈還田這兩種處理方式在該地區(qū)進行推廣應(yīng)用。