不同耕作模式对双季稻田生态系统净碳汇效应及收益的影响

唐海明，李超，肖小平，潘孝晨，程凯凯，董春华，石丽红，罗尊长

湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125

水稻（Oryza sativaL.）是中国最重要的粮食作物之一，水稻种植面积和产量对国家的粮食生产安全均起着重要的战略意义（张小莉等，2009）。水稻产量受较多因素的影响，耕作是影响水稻产量重要的关键因素之一。科学合理的耕作措施通过影响土壤的理化特性（物理结构、养分）和生物学（土壤微生物活性及多样性）特性，维持和提高农田的可持续生产能力，影响作物的生长发育、产量和经济效益（Huang et al.，2012；Putte et al.，2010），进而改善农田生态系统的功能（Roge-Estrade et al.，2010；Huang et al.，2010）。近年来，农田土壤碳固定研究已经成为当前研究的一个热点。研究农田生态系统土壤碳的固定、积累与周转及其对气候变化的反馈机制，对于正确评估土壤碳固定在温室气体减排中的作用，加强农业碳汇相关技术体系的研究构建等方面具有重要意义（韩冰等，2008；李洁静等，2009）。

近年来，中国农业生产的机械化水平得到快速提升，在农田土壤机械耕作过程中由于农机具操作使用不合理，造成了中国农田的耕层变浅、理化性状变差，降低了土壤的库容能力，进而影响作物的生长发育和产量（石彦琴等，2010）。目前，耕作结合秸秆还田措施是维持和提高土壤地力重要的农艺措施，不同的耕作措施和秸秆还田方式对土壤的耕翻深度和作用强度不同，对土壤碳效应影响程度不一样。前人主要就不同耕作和秸秆还田方式对农田土壤理化特性、土壤碳储量等方面进行了相应的研究。Lal et al.（1999）研究结果表明，全球耕地总固碳潜力为 0.75—1.0 Pg·a-1；West et al.（2002）研究认为，短期条件下，少、免耕处理明显增加了表层土壤有机质含量。魏燕华等（2013）研究表明，免耕+秸秆还田处理下0—30 cm土壤有机碳储量最高，而翻耕+秸秆还田处理与免耕+秸秆不还田、翻耕+秸秆不还田、旋耕+秸秆还田处理间均无明显差异；韩冰等（2008）研究认为，免耕+秸秆还田处理有利于提高中国农田土壤的总固碳量。李玮等（2014）研究表明，秸秆还田增加了农田耕层土壤有机碳（SOC，soil organic carbon）储量，比秸秆不还田处理增加6.58%—14.83%。李洁静等（2009）研究认为，秸秆还田配施氮肥处理增加了水稻生长季稻田的碳汇量（-4.70 t·hm-2·a-1），碳汇量明显高于无肥和化肥处理。由于各地开展研究的气候条件、土壤类型、试验周期、种植制度和栽培方式等因素不同，前人所开展研究的试验结果存在明显的不同。

湖南是中国主要的双季稻区，采取科学合理的耕作措施能增强稻田固碳和净碳汇效应，维持该区域稻田的土壤肥力，有利于水稻获得高产稳产和保障国家粮食生产安全。目前，在该区域的双季稻主产区不同耕作条件下（翻耕、旋耕和免耕）对双季稻田温室气体排放、土壤有机碳含量、组分和分布、碳储量等方面影响开展了部分研究（徐尚起等，2011；何莹莹等，2010；Zhang et al.，2013；Xue et al.，2014；Chen et al.，2015；Tang et al.，2019），但在紫云英（Astragalus sinicusL.）-双季稻种植模式采取秸秆还田培肥土壤条件下不同耕作模式对双季稻田生态系统净碳汇效应及收益的影响还有待进一步开展。因此，本研究以紫云英-双季稻种植模式大田定位试验为基础，开展不同耕作模式条件下稻田耕层土壤（0—20 cm）碳密度及固碳速率研究，以明确不同耕作模式下稻田生态系统的净固碳效率和经济效益变化特征，从而为南方双季稻区科学评价和选择环境友好型的耕作模式提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

该大田试验开始于 2015年，试验田位于湖南省宁乡市回龙铺镇回龙铺村（28°07′N，112°18′E），海拔36.1 m，年均气温17.2 ℃，年平均降雨量1553 mm，年蒸发量1354 mm，无霜期274 d。试验田土壤为水稻土，河沙泥土种，为典型的双季稻主产区。种植制度为紫云英-双季稻，土壤肥力中等，排灌条件良好。试验前耕层土壤（0—20 cm）基础肥力如下：有机碳质量分数 22.07 g·kg-1、全氮 2.14 g·kg-1、全磷 0.82 g·kg-1、全钾 13.21 g·kg-1、碱解氮 192.20 mg·kg-1、有效磷 13.49 mg·kg-1、速效钾81.91 mg·kg-1，pH 值 5.79。

1.2 试验设计及田间管理

试验包括 4个耕作处理：（1）双季水稻翻耕+秸秆还田（CT：conventional tillage with residue incorporation）早稻和晚稻移栽前用铧式犁翻地 1遍，翻耕深度约15—20 cm，再用旋耕机旋地2遍以平整土地，翻耕深度约8—10 cm，紫云英和稻草秸秆均还田；（2）双季水稻旋耕+秸秆还田（RT：rotary tillage with residue incorporation）早稻和晚稻移栽前用旋耕机旋地4遍，旋耕深度约8—10 cm，紫云英和稻草秸秆均还田；（3）双季水稻免耕+秸秆还田（NT：no tillage with residue retention）不整地，早稻和晚稻均采用免耕移栽，紫云英和稻草秸秆均还田；（4）双季水稻旋耕+秸秆不还田为对照（RTO：rotary tillage with residue removed）早稻和晚稻移栽前用旋耕机旋地4遍，旋耕深度约8—10 cm，紫云英和稻草秸秆均不还田。每个处理3次重复，随机区组排列，小区面积56.0 m2（7 m×8 m）。CT、RT和NT处理中紫云英还田量均为2.25×104kg·hm-2，早稻和晚稻的稻草秸秆还田量均为2000.0 kg·hm-2；RTO处理中紫云英和稻草秸秆均不还田。CT和RT处理的秸秆在耕作时翻压还田，NT处理的秸秆为地表覆盖还田；其中，紫云英在4月上旬翻压还田或地表覆盖还田；早稻和晚稻稻草秸秆分别在水稻移栽前结合耕作翻压还田或地表覆盖还田。

在生产过程中，保证早稻季和晚稻季各处理间N、P2O5、K2O总施用量一致（总施用量为化肥与紫云英、早稻、晚稻稻草秸秆养分含量之和），各处理的早稻和晚稻品种，大田化肥施用量、施肥比例、移栽日期、移栽密度、灌溉、除草等农事操作安排均按唐海明等（2019b）的方法进行。试验稻田的生产投入与价格等具体情况见表1。

表1 双季稻稻田生产的投入与价格情况Table 1 Information of inputs per area and price of unit input during double-cropping rice production

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 样品采集

2019年，晚稻成熟期进行土壤样品采集；于每个小区采用“S”型取样法用土钻取耕层0—20 cm的土壤，将样品充分混匀，重复3次；土壤样品自然风干，过2 mm筛，用于土壤有机碳含量的测定，测定方法参照鲍士旦（2005）的方法进行。

1.3.2 相关项目测定

晚稻成熟期，在每个小区采用环刀法测定土壤容重，3次重复；同时，在每个小区选择3个点测定耕层土壤深度，取平均值。

分别于紫云英收割前、早稻和晚稻成熟期，测定各小区紫云英和水稻实际产量。

稻田耕层土壤（0—20 cm）固碳速率、土壤碳密度、碳平衡和系统经济流等计算方法均参照李洁静等（2009）的方法进行，具体的计算公式如下：

式中：SCRF为农田土壤固碳速率，t·hm-2·a-1；DSOCF为不同耕作处理农田土壤碳年变化量，t·hm-2·a-1；DSOCo为对照农田土壤碳年变化量，t·hm-2·a-1。

式中：DOC为碳密度，t·hm-2；SOC为有机碳质量分数，g·kg-1；r为土壤容重（体积质量），g·cm-3；H为耕层土壤厚度，cm。

式中：Cs为系统的净碳汇，t·hm-2·a-1；RH为系统内土壤的呼吸碳排放，t·hm-2·a-1；CNPP为系统的碳吸收（作物固碳和凋落物固碳之和），t·hm-2·a-1；Eh为生产活动涉及的碳排放，t·hm-2·a-1。

其中，物质投入成本=种子成本+化肥成本+农药成本+灌溉水，管理成本=(灌溉+耕作+收获)机电费+生产管理人工费。

1.4 数据统计与分析

用 Microsoft Excel 2003软件处理数据，DPS 3.11（Data Processing System for Practical Statistics）软件进行不同处理间各测定指标的方差分析。

2 结果与分析

2.1 稻田耕层土壤固碳速率和土壤碳密度

不同耕作措施下，各处理稻田耕层土壤固碳速率如图1a和表2中所示。经过5年的定位试验后，各处理稻田土壤的碳库变化范围为 2.98—3.43 t·hm-2·a-1。不同耕作措施下，土壤碳年增长量以 CT处理最高，其次是RT和NT处理，大小顺序表现为 CT＞RT＞NT＞RTO（图 1a）；CT、RT 和 NT 处理稻田土壤碳年变化量均显著高于 RTO处理（P＜0.05），这说明秸秆还田措施均有利于增加稻田土壤碳库。

不同耕作措施下，各处理稻田耕层土壤的固碳速率大小顺序表现为CT＞RT＞NT（表2），各处理间稻田土壤的固碳速率均达显著差异水平（P＜0.05）。在秸秆还田条件下，CT和RT处理稻田土壤的固碳速率分别是NT处理的3.67倍和2.15倍，这说明翻耕和旋耕结合秸秆还田措施均能显著提高土壤固碳速率，有利促进土壤碳库年变化量朝“汇”的方向发展，提高土壤固碳能力和有机碳库贮量。

图1 不同耕作模式下稻田耕层土壤（0—20 cm）有机碳年变化量和有机碳密度Fig. 1 Annual change of soil organic carbon and soil organic carbon density of plough layer in paddy field under different tillage patterns

表2 不同耕作模式下稻田耕层土壤固碳速率Table 2 Soil carbon sequestration rate of plough layer in paddy field under different tillage patterns

不同耕作处理对稻田耕层土壤（0—20 cm）碳密度的影响如图 1b中所示。各处理间稻田耕层土壤碳密度的范围为29.77—34.33 t·hm-2，其中以CT处理稻田耕层土壤的碳密度最高，其次是RT和NT处理，大小顺序表现为CT＞RT＞NT＞RTO（图1b）。CT处理稻田耕层土壤的碳密度显著高于RTO处理（P＜0.05），RT和 NT处理耕层土壤的碳密度高于RTO处理，但无显著性差异（P＞0.05）。CT、RT和NT处理耕层土壤的碳密度分别比 RTO处理增加15.33%、9.00%和4.18%，这表明秸秆还田措施均能显著提高耕层土壤的碳密度。

2.2 稻田生态系统的净碳汇

不同耕作处理稻田生态系统水稻的碳吸收（净碳固定）变化范围为 5.27—7.43 t·hm-2·a-1，其大小顺序表现为CT＞RT＞NT＞RTO（表3）。其中，以CT处理最高，比RTO处理增加40.99%，其次是RT和NT处理，分别比RTO处理增加28.46%和20.87%；这说明秸秆还田措施均有利于稻田生态系统固碳，翻耕和旋耕结合秸秆还田措施的固碳效果高于免耕结合秸秆还田措施。各个耕作处理间，作物固碳占稻田生态系统水稻碳吸收的96.37%—97.34%。不同耕作处理稻田土壤全年碳排放为 1.65—2.70 t·hm-2·a-1，其大小顺序表现为 CT＞RT＞NT＞RTO（表3）。不同耕作处理稻田土壤全年投入碳排放的变化范围为 2.01—2.11 t·hm-2·a-1，其大小顺序表现为CT＞RTO＞RT＞NT，但各处理间均无显著性差异（P＞0.05）。

水稻生长季节不同耕作处理稻田土壤净碳汇量分析结果表明，各耕作处理的净碳汇量为-1.08—-0.77 t·hm-2·a-1，CT 处理为-1.08 t·hm-2·a-1，RT 和NT 处理分别为-0.80、-0.77 t·hm-2·a-1；CT 处理土壤净碳汇量比NT处理增加40.26%，RT处理比NT处理增加3.90%（表3）。可见，翻耕和旋耕结合秸秆还田措施均能促进稻田土壤碳汇。

2.3 稻田生态系统经济流

在稻田生产过程中的投入与价格、产量与经济效益的基础上，对不同处理稻田生态系统经济效益分析结果表明，不同处理农田生态系统经济效益的大小顺序表现为 CT＞RT＞NT＞RTO（图 2）。CT处理的净收益比RTO处理增加1693.5 CNY·hm-2，其次是RT和NT处理，分别比RTO处理增加1042.5、190.5 CNY·hm-2。其中，CT和RT处理均显著高于NT和RTO处理（P＜0.05），NT和RTO处理间无显著性差异（P＞0.05）。这与不同耕作措施下稻田生态系统碳汇效应的变化趋势一致，即产量越高、经济效益越大，其碳汇量也越大。

表3 不同耕作模式下稻田生态系统生产中碳流通Table 3 Carbon flux estimation in paddy ecosystem production under different tillage patterns t·hm-2·a-1

图2 不同耕作模式下稻田生态系统经济收益比较Fig. 2 Comparison with economic profit of paddy ecosystem under different tillage patterns

3 讨论

3.1 不同耕作模式稻田耕层土壤固碳速率和土壤碳密度

土壤有机碳是稻田土壤重要的肥力指标之一，对于稻田温室气体减排和维持土壤较高的生产力等方面均有十分重要的意义。稻田耕层土壤固碳速率和碳密度与所在区域的外界环境因素关系密切，易受当地的种植制度、作物种类、品种、耕作、秸秆还田和施肥制度等因素的影响（陈安磊等，2009；魏燕华等，2013）。韩冰等（2008）研究结果发现，采取秸秆还田和免耕措施，使中国农田土壤固碳量分别提高到 42.23 Tg·a-1和 3.58 Tg·a-1。前人研究结果表明，中国耕地和稻田土壤有机碳密度分别为(35±32) t·hm-2和 (46.9±25.7) t·hm-2（陈安磊等，2009）。在双季稻区不同耕作模式大田定位试验条件下，本研究结果表明，不同处理稻田耕层土壤（0—20 cm）固碳速率变化范围为 2.98—3.43 t·hm-2·a-1、碳密度变化范围为 29.77—34.33 t·hm-2，与前人的研究结果范围一致。与秸秆不还田处理相比，秸秆还田措施均明显提高了稻田耕层土壤的固碳速率和碳密度，其原因可能是结合耕作措施所翻压还田的秸秆经过土壤微生物的分解，转化成有机碳，为耕层土壤提供了充足的外源碳，促进了土壤对碳的固定作用，提高了耕层土壤的固碳速率和碳密度，增加了耕层土壤碳库（Tang et al.，2019）。不同耕作措施条件下，CT和RT处理稻田耕层土壤固碳速率和碳密度均大于NT处理，其原因可能是NT条件下改变了土壤的部分理化性状，增加了耕层土壤的容重（表 2），土壤孔隙度减小，不利于微生物的活动，降低了有机碳的分解速率，且所还田的秸秆仅覆盖在地表，有机碳呈现表层富集现象（何莹莹等，2010）；而CT和RT处理条件下降低了土壤容重、改善土壤部分物理特性，增强了土壤的通气性，有利于土壤微生物的活动（Hartmann et al.，2015；Tang et al.，2020），加速了对所还田秸秆的分解、并转化为有机碳（韩冰等，2008）；且所还田的秸秆经翻耕和旋耕后与耕层土壤混合，频繁的耕作加速了有机碳的矿化分解，增加了耕层土壤的外源有机质输入，从而提高了土壤有机碳的含量，这与前人研究报道一致（武际等，2012；Tang et al.，2020）。与前人研究结果认为少（免）耕保护性耕作有利于增加土壤有机碳含量不同（魏燕华等，2013；李琳等，2006），本研究中NT处理耕层土壤的固碳速率和碳密度均高于RTO处理，这是因为前人开展相应研究的试验田为旱地，而本研究为水稻田、种植制度为紫云英-双季稻水旱轮作，采取免耕+秸秆还田措施秸秆覆盖在稻田土壤表面，秸秆在水稻生育期干湿交替的灌溉条件下有利于增强土壤微生物活性、还田秸秆的矿化分解，增加土壤中腐殖质碳含量（Tang et al.，019），从而增加了耕层土壤固碳速率和土壤碳含量。而 RTO处理稻田耕层土壤由于缺少作物秸秆等外源物质（有机碳）的投入，其有机碳含量低于秸秆还田处理（Tang et al.，2019），RTO处理耕层土壤固碳速率和碳密度均低于秸秆还田处理。因此，各耕作处理稻田耕层土壤的固碳速率和碳密度均与所在区域的气候、作物类型、土壤耕作方式、还田秸秆类型和还田量、灌溉措施等农事操作密切相关。

3.2 不同耕作模式稻田生态系统的碳汇效应

前人研究结果表明，稻田生态系统的碳汇效应与生产过程中所采取的田间管理措施密切相关，如农作制度、作物类型、耕作、秸秆还田和施肥制度等（李玮等，2014；李洁静等，2009；Xue et al.，2014）。在实际生产中，一般采取不同的田间管理措施，以恢复、维持和提高土壤中的有机质，进而影响稻田生态系统的碳汇（Pu et al.，2019）。金琳等（2008）计算了秸秆还田和免耕等农田管理措施对中国的碳汇效应，结果表明，秸秆还田和免耕条件下农田土壤有机碳的年增加量分别为 0.597、0.514 t·hm-2·a-1。本研究结果分析表明，各处理作物固碳是稻田生态系统中主要的碳汇来源，占碳汇来源的96.37%—97.34%（表3），这表明在水稻生产中可以把增加作物固碳相关农事操作作为增加稻田生态系统碳汇的主要调控措施，这与前人的研究结果相一致（孟磊等，2005）。郝庆菊等（2007）研究结果认为，三江平原水稻生长季内农田生态系统的碳汇量为 (-6.19±0.21) t·hm-2。在本研究中，秸秆还田条件下明显增加了稻田土壤碳汇，这是因为秸秆还田措施能改善稻田土壤部分理化特性、培肥土壤，为作物生长发育提供良好的生态环境和营养物质来源保障，有利于增加作物的生物学产量和作物产量（唐海明等，2019a），作物秸秆还田后转化为有机碳，有利于增加稻田耕层土壤碳储量，提高了稻田生态系统中作物生产力和作物固碳能力，进而增加了稻田生态系统的土壤碳汇和经济效益。同时，不同耕作处理对稻田生态系统净碳汇效应具有明显的影响，各处理的净碳汇量变化范围为-1.08—-0.77 t·hm-2·a-1，其中以翻耕结合秸秆还田措施增加稻田土壤碳汇的效果最佳，这是因为在翻耕结合秸秆还田措施条件下，扩大了土壤库容、改善了土壤生态环境，增强了土壤的通气性，有利于土壤微生物的活动（Hartmann et al.，2015；Tang et al.，2020），促进对还田秸秆的分解，增加了作物生长所需的营养物质供应和土壤有机碳的含量（Tang et al.，2020），提高了稻田生态系统中作物固碳能力、耕层土壤有机碳库和有机碳的存储；此外，翻耕有利于促进作物的生长发育，增强根系对外界营养物质的吸收、增加了根系分泌物、根密度和作物地下部残茬的还田量（Linh et al.，2015），增加了作物的干物质积累和产量（唐海明等，2019a），增强了生态系统中作物生产力，从而提高了稻田生态系统的经济效益，这与魏燕华等（2013）报道的不同耕作和秸秆还田条件下翻耕+秸秆还田土壤碳储量最高的研究结果表现一致。其次是旋耕和免耕结合秸秆还田处理，稻田土壤碳汇均高于RTO处理，其原因是采取旋耕和免耕结合秸秆还田条件下均能促进土壤团聚体的形成，有利于增加土壤有机碳含量（Tang et al.，2020），提高稻田生态系统中土壤的固碳能力；此外，外源投入的秸秆腐解后能为作物生长发育提供营养物质来源，促进了植株地下和地上部的生长，有利于增加作物的生物学产量和地下部残荐还田量（唐海明等，2019a），提高稻田生态系统中作物生产力和作物固碳能力，在一定程度上增加了稻田生态系统的经济效益。本研究所计算的碳汇量和经济效益等方面的结果与前人的研究结果范围略有差异，这可能与各试验区不同耕作方式对土壤及其环境造成的影响不同，及不同试验区所使用的燃油、化肥、杀虫剂等生产资料投入、人工投入和价格等不同密切相关。

本文仅针对紫云英-双季稻种植模式下不同耕作方式对双季稻田生态系统净碳汇效应及收益的影响开展了初步研究，不同耕作方式对双季稻田温室气体排放特征及其土壤微生物影响机制等方面还需进一步探讨。

4 结论

本文在定位试验的基础上对不同耕作措施条件下稻田土壤固碳速率分析结果表明，不同处理稻田耕层土壤（0—20 cm）固碳速率变化范围为2.98—3.43 t·hm-2·a-1，耕层土壤碳密度为 29.77—34.33 t·hm-2，其大小顺序均表现为 CT＞RT＞NT＞RTO；其中，CT和 RT处理稻田耕层土壤固碳速率和土壤碳密度均显著高于RTO处理，这说明秸秆还田条件下采取翻耕和旋耕措施均能明显提高耕层土壤固碳速率和土壤碳密度，具有较佳的固碳效果，有利于促进土壤碳库年变化量朝“汇”的方向发展，提高稻田土壤固碳能力和有机碳库贮量。不同耕作处理水稻生长季节均表现为碳汇，其大小顺序表现为CT＞RT＞NT＞RTO，翻耕和旋耕结合秸秆还田措施条件下碳汇效应均高于免耕处理。总的来说，翻耕和旋耕结合秸秆还田措施均有利于提高稻田生态系统的净碳汇和经济效益，维持稻田的可持续生产。