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