传统保护性农业（如免耕和秸秆覆盖）虽能减少水土侵蚀，但在稻田系统中存在显著局限。免耕虽然增加了表层有机碳，但下层土壤碳储量下降，整体固碳潜力低，并且稻田厌氧环境导致覆盖秸秆分解产生有毒物质（如硫化物），抑制了微生物活动及碳转化。Meta分析显示免耕导致作物平均减产5-10%，中国南方稻田尤为严重。因此，本研究提出一种秸秆集中沟埋还田技术，通过将秸秆注入底土实现土壤固碳与作物增产协同提升。

（1）评估秸秆集中沟埋还田技术（DB-SR）对土壤有机碳（SOC）及作物产量的影响；

（2）阐明SOC与作物产量提升的内在机制；

（3）比较DB-SR与旋耕秸秆还田（RT-SR）的技术可行性；

（4）采用Meta分析全面量化DB - SR对中国区域土壤有机碳储量和作物产量的影响。

（1）田间试验于2008年11月在江苏省沿江区农业科学研究所进行(32°13′N， 121°03′E)，该地区属亚热带季风气候，年平均气温14.5℃，降水量1 057.0 mm。

（2）RT-SR代表旋耕秸秆还田，DB-SR代表秸秆集中沟埋还田。RT-SR处理中，秸秆被切碎为5-10 cm段，通过旋耕机混入0-10 cm土层。DB-SR处理则需将秸秆打捆称重后，置于田垄晾晒三日，随后埋入深20 cm、宽20 cm、间距2 m的沟渠^（图1a）。

（3）对于RT-SR处理，每个小区沿S形线布设5个采样点；对于DB-SR处理，各小区均精确标记了不同年份的秸秆沟。每个作物季后新建3条秸秆沟，每个DB-SR周期（10年）共形成30条秸秆沟^（图1a）。每条秸秆沟随机采集1个土样，同季3条沟的土样混合后测定有机碳含量；选取10条不同年限秸秆沟的土样按等质量混合，用于有机碳组分和土壤性质测定。

（4）测定指标：NH₄^⁺、NO₃^⁻、SOC、DOC、MBC、MBN、δ13C、POC、MAOC、MNC、水稻产量、温室气体。

图1 样地和采他样示意图

（1）DB-SR显著增加了土壤有机碳储量。基于15年田间试验数据表明，DB-SR处理0-40 cm土层的土壤有机碳库较RT-SR增加45.7%，其中DB-SR有机碳的增加主要发生在10-20 cm和20-30 cm土层，同时δ¹³C有所下降^{（图2a,b）}。进一步分析发现，两种有机碳组分均呈现增长趋势：DB-SR使0-40 cm土层的POC储量增加30.0%，MAOC储量增加56.8%^（图2c）。MNC是DB-SR处理矿物结合有机碳（MAOC）的主要组分。DB-SR处理使MAOC组分中MNC储量增加103.9%，且MAOC中MNC的增加主要源于DB-SR条件下真菌残体碳的积累^{（图2e,f）}。

图2 DB-SR对土壤有机碳（SOC）及其组分储量的影响

（2）DB-SR处理增加了作物产量。长期田间试验表明，采用DB-SR耕作模式较RT-SR模式更能提高作物产量，其中小麦平均增产16.5%、水稻增产9.0%、年产量提升14.8%^{（图3a、c）}。小麦产量与穗数^（图3b）和穗粒数显著相关，水稻产量则与穗数呈显著正相关^（图3d）。相比RT-SR，DB-SR使小麦穗数增加10.7%、水稻穗数提升16.4%。

图3 DB-SR对作物产量动态变化的影响及其与穗数的关系

（3）Meta分析结果。基于现有数据的Meta分析表明：相较于秸秆移除处理（S0），秸秆还田（SR）使0-20cm、20-40cm和40-100cm土层土壤有机碳储量分别显著提升9.9%、16.3%和8.1%^{（图4a-c）}。其中DB-SR处理在20-40cm和40-100cm土层土壤有机碳储量分别显著提升23.5%和14.1%。秸秆还田使作物籽粒产量较S0平均增产7.4%^（图4d），其中以DB-SR模式的增产效果最显著（+9.4%）。与其他耕作方式（NT-SR、RT-SR、PT-SR）相比，DB-SR在20-40cm土层平均提升40.3%的有机碳储量，40-100cm土层提升2.4%^{（图4e-g）}，作物产量平均提高10.0%^（图4h）。

图4 不同土层深度土壤有机碳储量对DB-SR响应的Meta分析

（4）DB-SR减少了碳排放，提高了经济效益。与RT-SR相比，稻麦轮作系统中DB-SR的净二氧化碳当量排放分别降低5.4%（不考虑SOC储量变化）和34.1%（考虑SOC变化）^（图5a）。温室气体排放组分分析显示，DB-SR未显著增加总体排放量^（图5a），反而呈现降低甲烷（CH₄）10.6%和氧化亚氮（N₂O）5.6%排放的趋势，但柴油相关的二氧化碳当量排放增加了2.3%。综合分析后发现DB-SR处理使粮食生产收益实现净盈利^（图5b）。

图5 DB-SR对净CO₂当量排放和净经济收益的影响

DB-SR处理在不增加施肥量的情况下使作物产量提升15%，并且通过秸秆碳向矿物结合态真菌残体的高效转化使0-40 cm土层有机碳储量增加46%（17.2 吨/公顷）^（图6），除此之外，DB-SR处理使净二氧化碳当量排放降低34%，净经济效益提高18%。通过中国多地区的Meta分析进一步验证，该技术确实能同步提升土壤有机碳与作物产量，为可持续农业提供了技术范式。

图6 DB - SR对土壤有机碳和作物产量影响过程的概念图