摘要
提高土壤有机碳（SOC）固持数量可有效提升土壤肥力，也有助于缓解全球气候变化。虽然农田SOC储量仅占全球土壤碳库的10%，但由于受到人类农业生产活动的强烈影响，因而关注农田SOC固持具有重要意义；此外在干旱半干旱地区，土壤无机碳（SIC）是土壤碳固持的重要形态，SOC与SIC之间可能存在较为密切的转化关系。目前研究农田SOC固持与SOC-SIC转化的驱动机制已成为C循环研究的重要分支和热点问题。虽然业已知道，农田SOC净固持量取决于源自有机物料SOC新形成量与原有SOC矿化损失量之间的盈亏平衡，亦受微生物主导的激发效应及农田养分管理等农艺措施的影响，但是在特定的生态区域及种植制度下SOC周转及固持的主导过程及影响因子仍有待进行深入地研究。小麦-玉米轮作一年二熟制是我国北方黄淮海平原及汾渭平原最重要的粮食种植制度，该体系中有机肥施用已微不足道，还田秸秆已然成为有机碳最重要输入来源，也补充一部分矿质养分，然而秸秆除还田外还有其他多种用途，因此寻求既能保障土壤肥力提升又能满足秸秆其他用途的还田方式具有重要的科学和生产意义。首先，本研究聚焦秸秆还田方式对SOC固持的影响及机制，如单季秸秆还田方式（仅小麦秸秆还田或仅玉米秸秆还田）能否在维持作物高产稳产前提下有效维持SOC含量不降低抑或还可提高SOC含量？其次，秸秆还田后SOC固持量增加是否会引起SIC固持量的同时增加？为此，本研究基于始于2008年秸秆还田模式长期定位试验，该试验对玉米秸秆和小麦秸秆各设置3种还田方式构成9种秸秆还田模式，通过测定土壤有机碳、酶活性及产量等指标，研究结果以期揭示土壤碳固持、土壤养分状况、酶活性及作物产量对秸秆还田模式的响应及机制，为建构能实现固碳高效-作物稳产-环境友好目标的最佳还田模式提供重要科学依据。获得的主要研究结果如下： 1.为揭示不同秸秆还田模式对农田SOC和SIC的影响，比较5种秸秆还田模式（秸秆均移除，WR-MR，CK；小麦和玉米秸秆均机械打碎还田，WC-MC；小麦收获后秸秆机械打碎还田-玉米秸秆移除，WC-MR；小麦收获后秸秆立茬覆盖-玉米秸秆移除，WS-MR；小麦收获后秸秆立茬覆盖-玉米收获后秸秆机械打碎还田，WS-MC）的SOC和SIC在0~40cm土层分布特征及其之间相互关系。结果表明，与WR-MR相比，WS-MC和WC-MC的SOC储量分别增加28.1%和22.2%，SIC储量分别增加20.4%和17.3%；与试验开始前土壤碳储量相比，5种还田模式的SOC固持量为-0.84~6.55Mg·hm-2，SIC固持量为-0.26~8.61Mg·hm-2；土壤总固碳效率为7.5%，可维持初始土壤碳储量的最小有机碳投入量为4.06Mg·hm-2·a-1；与WR-MR相比，WS-MC和WC-MC可大幅度提升0~20cm土壤中活性C组分的含量。主成分分析发现，不同秸秆还田模式下土壤碳库变化主要受到有机物料投入的影响。来源于灌溉水及植物残体的Ca2+、Mg2+与SOC矿化产生的CO2可共沉淀形成CaCO3，这可能是无大量外源Ca投入的农田SIC增加的主要机制。从提高土壤碳固持角度来看，小麦立茬覆盖-玉米机械打碎还田模式为最佳还田模式。 2.为揭示不同秸秆还田量对土壤有机碳库、碳库管理指数、土壤酶活性及小麦和玉米产量的影响，比较了4种不同还田量秸秆还田模式SOC含量、固持量、碳库管理指数及土壤酶活性之间的差异，即秸秆均移除作为空白对照（WR-MR，CK），其余3个处理为小麦移除-玉米收获后秸秆机械打碎后还田（WR-MC）、小麦收获秸秆立茬覆盖-玉米秸秆移除（WS-MR）和小麦收获秸秆立茬覆盖-玉米收获后秸秆机械粉碎还田（WS-MC）。结果表明，相比于WR-MR，WS-MC模式SOC及SCS分别显著提升34.54%和40.90%；WS-MR和WR-MC模式SOC分别显著提升17.70%和20.37%，SCS分别显著提升15.85%和19.34%；相比于试验前初始土壤碳储量，四种秸秆还田模式SOC固持量变化为-0.70（WR-MR）~10.15（WS-MC）Mg·hm-2；SOC固存量与外源碳投入量呈显著正相关，表明了高量秸秆还田对土壤碳固持的提升效果更好；每年最少需投入秸秆碳2.91Mg·hm-2以维持初始土壤SOC水平。相比于秸秆不还田模式，各处理各碳库指数均有不同程度的增加，且均以WS-MC模式最高。此外，相关分析表明，作物产量与C投入、土壤碳组分、碳库管理指数及酶活性均呈显著正相关。可见，秸秆还田可提升土壤有机碳数量和质量，特别是高量秸秆还田模式。 3.为揭示秸秆还田对土壤肥力和作物产量的影响，以秸秆均不还田作为空白对照（WR-MR，CK），其余5个处理为小麦玉米收获后秸秆机械打碎还田（WC-MC）、小麦秸秆机械打碎还田-玉米秸秆机械打碎后深松40cm还田（WC-MD）、小麦秸秆移除-玉米成熟秸秆机械打碎还田（WR-MC）、小麦移除-玉米秸秆机械打碎深松40cm还田（WN-MD）和小麦秸秆机械打碎还田-玉米秸秆全部移除（WC-MR），比较其SOC、土壤全氮（TN）、速效养分及酶活性的变化。结果表明，秸秆还田12年后，不同秸秆还田模式对土壤肥力指标的影响不同，其中双季秸秆还田处理的影响最大。与WR-MR模式相比，双季秸秆还田模式能显著提高SOC、LOC、TN、速效氮、速效磷、速效钾、微生物量含量和养分循环相关酶活性以及作物产量。主成分分析表明，各秸秆还田模式的秸秆投入量是决定各模式下土壤养分和酶活性的主要因素。WC-MC和WC-MD模式，在对土壤肥力和作物产量提升效果相差不大的情况下，WC-MD模式由于其可打破土壤犁底层，促进土壤环境的改变，有助于产量的提升。因此，WC-MD模式更适合于该地区农业发展。 综上所述，本研究中在仅小麦或玉米秸秆还田模式下即可维持土壤碳储量，同时也可一定程度提升土壤肥力和微生物特性，而高量秸秆还田最有利于农田土壤碳固持、维持土壤肥力和作物产量的提高。因此，关中平原麦玉轮作区每年至少应有一季作物秸秆还田，剩余秸秆移出可做他用。土壤碳平衡点和秸秆碳矿化与投入量显著相关，增加秸秆的投入，会提高平衡点和秸秆碳的矿化，继续提高土壤固碳潜力，但目前达到碳平衡点为时尚早。相比于WC-MC模式，WS-MC和WC-MD模式更适合于农业可持续发展。其中，小麦秸秆立茬覆盖-玉米秸秆机械打碎还田管理模式在北方麦玉轮作区较易推广应用，可以提高土壤碳固存、不稳定有机碳组分含量、碳库管理指数、改善土壤质量，降低环境污染，并降低农业机械的运营成本，对于促进北方旱地农业可持续发展具有重要意义。
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