免耕与秸秆还田对中国农田固碳和作物产量的影响

张雄智 李帅帅 刘冰洋 张 云 Ahmad Latif Virk 王 兴 赵 鑫 张海林*

(1.中国农业大学 农学院/农业农村部农作制度重点试验室，北京 100193； 2.中国农业大学 水利与土木工程学院，北京 100193)

农田不仅仅是温室气体排放源，同时也是重要的碳汇[1]。据估计，全球每年土壤呼吸释放的碳大约是化石燃料燃烧排放量的10倍以上[2]，农田土壤减排对缓解全球气候变化意义重大。免耕和秸秆还田因其具有改善土壤结构、提高土壤有机碳和增强地力等方面的优点，近年来得到大力推广[3]。当前，免耕和秸秆还田的研究主要集中于应用技术、对作物产量的影响、农田固碳减排作用和对土壤肥力的影响等方面。IPCC估计，合理的农田管理措施可以使世界碳库增速在4×1011～9×1011kg/年，或在50年内累积固碳2.4×1013～4.3×1013kg[4]。Manzoni等[5]认为土壤碳库的微小变化也会对全球碳循环产生重大影响。薛建福等[6]研究表明，采取合理的农田管理措施，进一步推广免耕和秸秆还田等保护性耕作措施，有助于增加土壤碳储量，提高土壤固碳能力，缓解气候变化，同时也可提高作物产量。谢瑞芝等[7]研究表明，我国保护性耕作的产量研究结果多为增产，但也有10.92%的试验研究出现保护性耕作减产的情况。我国免耕和秸秆还田推广面积逐年递增，其对气候变化、农田生态和作物生产的影响日益深刻。

评估我国农田管理方式及其转变对土壤有机碳和作物产量的影响，明确全国范围的农田固碳潜力与产量潜力，对促进农业可持续发展有深远意义。目前，对全国(不包括香港和澳门特别行政区、台湾省)范围内传统耕作转换为免耕和秸秆还田的固碳潜力与产量潜力的综合分析鲜见报道。本研究通过收集1995—2019年全国各地田间试验的相关数据，并结合统计数据，系统探讨免耕和秸秆还田的固碳、增产情况，评估免耕和秸秆还田在当前与目标推广情况下的固碳潜力和产量潜力，以期客观评价免耕和秸秆还田技术的固碳和产量效应，为未来推广和应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究基于中国知网和web of science核心合集数据库于1995—2019年公开发表的关于免耕与秸秆还田的相关研究论文和国家数据中心、中国农业年鉴、全国农业机械化统计年报的相关统计数据，从中获取全国61个长期试验的研究数据，提取试验站点位置、耕作措施、有机碳含量、容重、碳储量、试验时间和产量等数据，建立免耕与秸秆还田数据库。为减小研究误差，研究数据必须符合以下条件：1)研究对象必须为中国(不包括香港和澳门特别行政区、台湾省)农田土壤；2)试验处理应至少包括耕作方式(免耕和翻耕)或秸秆还田方式(还田和不还田)2组处理中的一个；3)研究必须为大田位点试验，不包含盆栽试验、模型模拟、无重复和数据不全的研究。

1.2 试验位点

本研究试验数据均来源于全国各地试验站点或试验田，试验地点分布于中国主要粮食生产区，具有良好的代表性。根据全国粮食产区分布、气候、熟制和主要粮食作物种类将全国分为区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ、区域Ⅳ和区域Ⅴ共5个区域(表1)[7]，并根据各省级行政区域将试验进行划分(香港和澳门特别行政区，台湾省，未纳入本研究范围)。

1.3 计算方法

固碳效应的主要评价指标包括有机碳含量、固碳速率和固碳潜力，其中，有机碳含量直接在文献中获取，对于缺乏有机碳含量的情况，通过以下公式将有机质含量转换为有机碳含量：

SOCC=0.58×OM

(1)

式中：SOCC是土壤有机碳含量，g/kg； OM为土壤有机质含量，%；0.58是有机质含量与有机碳含量转换系数。

表1 中国农业区划Table 1 China’s agricultural regionalization

注：香港和澳门特别行政区，台湾省，未纳入本研究范围。

Note: Hong Kong and Macao special administrative regions and Taiwan province are not included in this study.

本研究通过对各省份位点试验的整理分析，得到各省份免耕措施的固碳速率，结合免耕措施当前和目标推广情况，依据推广面积的变化情况，对固碳潜力进行探讨。固碳速率和固碳潜力分别采用下列公式进行计算[8-9]：

(2)

式中： SOCSY为固碳速率，kg/(hm2·年)；SOCS2为试验结束时土壤有机碳储量，kg/hm2；SOCS1为试验开始时土壤有机碳储量，kg/hm2；Y为试验年限，年。

SOCSP=ΣSOCSYi×ΣAi

(3)

式中：SOCSP为农田土壤固碳潜力，kg/年；ΣSOCSY为该地区年际固碳速率，kg/(hm2· 年)；ΣAi为该省农田面积，hm2。

推广率是指免耕与秸秆还田的推广比率，

(4)

式中：PI为某省份的推广率；SA为该省采用免耕与秸秆还田的主要粮食作物播种面积，hm2；SAT为该省主要粮食作物总面积，hm2(本研究中主要粮食作物有玉米、小麦和水稻)。

目标推广面积计算公式如下：

SAP=SAT×PIP

(5)

式中：SAP为某省目标推广面积，hm2；SAT为该省主要粮食作物总播种面积，hm2；PIP为该省目标推广率。根据刘恩科等[10]和曾江海等[11]研究，水稻、玉米和小麦秸秆100%还田，在技术上是可行的。本研究中，秸秆还田处理采用广泛应用的全量还田方式，将其与秸秆不还田进行对比进行探究。根据国家关于推广保护性耕作的计划来确定免耕措施的推广面积，再考虑经济因素，最终确定中国13个省、自治区和直辖市适宜推广免耕措施的面积为农田面积的20%，包括北京市、天津市、河北省、山西省、内蒙古自治区、辽宁省、吉林省、黑龙江省、陕西省、甘肃省、宁夏回族自治区、青海省和新疆维吾尔自治区。对于其他地区，适宜推广免耕的面积为农田面积的10%[12]。

本研究采用相对产量来量化效应值，计算公式如下：

(6)

式中：YR为相对产量；X为某措施下的粮食实际产量，kg/hm2；Y为另一措施下的粮食实际产量，kg/hm2。

为明确环境因素对耕作和还田的产量和土壤有机碳效应的影响，本研究引入在生态学Meta分析中广泛使用的效应比自然对数(lnR)为效应值(Effect size)衡量环境因素对相应指标影响的大小，计算公式如下：

(7)

式中：χ1和χ2分别为处理组和对照组的有机碳储量与作物产量，lnR为效应值。本研究运用 SPSS 17.0 对环境变量和效应值进行回归分析，分别对平均气温、降水量、起始有机碳含量、当季施氮量、试验年限、年均蒸发量、土壤粘粒含量、土壤pH和起始容重等因素进行分析，通过回归分析的结果来探究环境因素对耕作方式的固碳和产量效应的影响。

2 结果与分析

2.1 免耕与秸秆还田措施对中国农田固碳效应的影响

本研究共收集95对免耕和秸秆还田对固碳速率影响研究的数据，其中免耕44对，秸秆还田51对。全国范围的试验研究中免耕相对翻耕固碳速率提高的试验研究占比为75.00%，表现为固碳速率降低的试验研究占比为25.00%；占比达88.23%的试验研究表现为秸秆还田相对秸秆不还田固碳速率提高，占比为11.77%的试验研究表现为固碳速率降低。

由图1可见，区域Ⅰ、区域Ⅱ和区域Ⅳ的耕作试验研究中，占比为77.80%～86.70%的试验研究表现为免耕相对翻耕农田固碳速率提高，其中区域Ⅱ占比86.70%的试验研究表现出免耕相对翻耕固碳速率增加，但在区域Ⅲ和区域Ⅴ，有较多的试验研究表现为免耕相对翻耕固碳速率减少，其中区域Ⅲ的试验全部表现为免耕相对翻耕固碳速率降低，区域Ⅴ有50.00%的试验研究表现为免耕措施降低固碳速率。在区域Ⅰ、区域Ⅱ与区域Ⅳ秸秆还田相对秸秆不还田均表现为固碳速率明显提高，占到各区域试验总数的88.90%～100.00%，其中在区域Ⅱ的试验研究全部表现为秸秆还田相对秸秆不还田固碳速率增加，而在区域Ⅲ和区域Ⅴ秸秆还田提高固碳速率的试验研究较少。

图1 免耕与秸秆还田措施提高固碳速率的试验所占比例
Fig.1 Percentage of carbon sequestration rate increasing by no-till and residue retention

2.2 免耕与秸秆还田措施对中国主要粮食作物产量效应的影响

整体来看，全国范围免耕相对翻耕增产的试验研究数量占总试验数的比例为42.70%，秸秆还田相对秸秆不还田增产的试验研究数量占总试验数的比例为79.80%。

由图2所示，免耕与秸秆还田对产量的影响在不同区域的差别较小，但这2种措施对产量的影响差异较大。免耕相对翻耕增产的试验研究数占各地区研究总数的比例为30.60%～47.60%，其中区域Ⅰ免耕试验研究中增产的试验占比为30.60%，而秸秆还田相对秸秆不还田增产的田间试验数占各地区研究总数的比例为67.40%～94.40%，其中，区域Ⅲ和区域Ⅳ秸秆还田试验研究中增产试验数占比分别高达94.40%和93.00%。

图2 免耕与秸秆还田措施产量增加的试验所占比例
Fig.2 Percentage of yield increasing by no-till and residue retention

2.3 免耕与秸秆还田措施的固碳潜力

由表2可见，免耕在全国范围的推广率达12.57%，各地区差异明显，其中区域Ⅰ推广率最高，北京市推广率高达84.79%，而区域Ⅳ和区域Ⅴ推广率较低，多个省份推广率为0。免耕目前推广面积为1.11×107hm2，目标推广面积为1.91×107hm2，增长幅度达71.94%。大部分省份固碳速率为正值，这表明免耕对于农田土壤固碳具有正向作用。当前情况下，免耕固碳潜力仅为1.35×1010kg/年，在考虑经济性的目标推广情况下，免耕措施的固碳潜力可增至2.22×1010kg/年，增幅达63.90%。

表2 中国免耕措施推广情况及其固碳速率与固碳潜力Table 2 Popularization of no-till, carbon sequestration rate and carbon sequestration potential in China

由表3可见，秸秆还田措施全国范围推广率为42.47%，多个省份推广率超过80.00%，但也有部分地区推广率在5.00%以下。秸秆还田当前的推广面积为3.95×107hm2，目标推广面积为9.46×107hm2，增长幅度为140.00%。秸秆还田措施对土壤固碳的影响表现为正效应，除吉林省和云南省外，其他省份固碳速率均>0，而秸秆不还田条件下，区域Ⅰ中北京市和区域Ⅳ多数省、市及自治区的固碳速率<0，表现出负效应。秸秆还田的固碳速率普遍高于秸秆不还田，但区域Ⅲ和区域Ⅴ部分省份出现秸秆还田固碳速率低于秸秆不还田措施。在当前秸秆还田推广情况下，全国农田固碳潜力为6.56×1010kg/年，在秸秆还田技术充分使用的目标推广情况下时，固碳潜力可增至70.03 kg/年，增幅为7.00%。

表3 中国秸秆还田措施推广情况及其固碳速率与固碳潜力Table 3 Popularization of residue retention, carbon sequestration rate and carbon sequestration potential in China

2.4 免耕与秸秆还田措施的产量潜力

由表4可见，各省份免耕的相对产量在1上下浮动，免耕和翻耕的产量效应不是很明晰，而对于秸秆还田，其相对产量均>1。随着免耕技术的推广，产量的增长出现倒退，当前推广情况下全国主要粮食作物总产量为6.16×108t/年，但免耕措施充分推广后，产量降至6.09×108t/年，呈现减产。秸秆还田技术充分推广后，我国粮食总产将由6.16×108t/年增至6.39×108t/年，增幅为3.72%，呈现出明显增长。

2.5 作物产量与固碳效应变化的影响因素分析

由表5和表6可见，作物产量的耕作效应值与平均气温极显著相关，在合理范围内，平均气温为12.43 ℃时，耕作方式转变的产量效应最差，高于或低于该值，其发挥的效用增强。有机碳的耕作效应值与土壤粘粒含量显著相关，土壤粘粒含量与效应值的抛物线拟合结果表明，效应值随土壤粘粒含量增大而增强。作物产量的还田效应值与试验年限显著相关，与土壤pH极显著相关，试验年限为9.12时，效应值最低，土壤pH为6.3时，效应值最高。有机碳的还田效应值与土壤粘粒含量和土壤pH相关，土壤粘粒含量为25.50%，有机碳的效应值最低，土壤pH为7.03时效应值最高。

3 讨 论

3.1 免耕与秸秆还田措施对农田固碳效应的影响

从全国范围来看，免耕与秸秆还田措施可明显增加土壤固碳，其中占比为75.00%的免耕试验和占比为88.23%的秸秆还田试验表现为固碳速率提高。由于我国幅员辽阔，气候、土壤环境多样，免耕与秸秆还田措施对农田固碳和产量效应的影响并不完全一致。Lal等[13]和Ussiri等[14]通过长期定位试验发现，免耕由于减少土壤扰动，降低土壤有机碳的矿化速率，从而增加土壤固碳。秸秆还田增加了土壤有机质投入从而使土壤有机碳含量增加[15-16]。本研究95对试验数据表明，区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅳ免耕与秸秆还田措施比传统耕作方式能明显提高固碳速率，而区域Ⅲ明显表现出固碳速率降低，这可能与地域气候差别较大有关。有研究表明，区域Ⅲ冬季寒冷，夏季少雨，微生物稀少，秸秆不易腐化，免耕与秸秆还田的固碳效果相对其他地区较差[17]。因此，要因地制宜实施免耕与秸秆还田技术，充分发挥其固碳减排的优点。

3.2 免耕与秸秆还田措施对作物产量的影响

当仅考虑耕作或秸秆还田单项措施的影响时，免耕表现为减产，秸秆还田表现为增产。国内外大量研究表明，与传统耕作方式相比，免耕与秸秆还田可增加土壤有机质含量，提高土壤湿度，改善农田生态，但对作物产量没有明显影响[18-19]。也有研究表明，免耕与秸秆还田相对传统耕作，能够提高土壤质量，提高根际土壤固碳，提高土壤微生物的种类和数量，增强水土保持能力而起到增产的效果[20-24]。虽然多数研究从正面评价免耕与秸秆还田的生态效益，但免耕与秸秆还田在部分区域存在减产现象是不争的事实。Lal等[25]的研究表明，以少免耕和秸秆还田为主要措施的保护性耕作技术会造成一定程度的土壤板结和排水不畅等不利影响，从而出现减产的情况。本研究对1 067对研究数据进行分析，免耕相较于传统耕作增产的比例明显低于50.00%，而秸秆还田相较于秸秆不还田增产比例高于50.00%。谢瑞芝等[7]研究表明，少免耕会造成37.04%的减产，秸秆还田处理会造成11.06%的减产。由于免耕减少了土壤扰动，土壤易板结，水分流通不畅，养分难以被作物所利用，因此会造成一定程度的减产；秸秆还田后，在带来一系列有利作用的同时也会使病虫害增多，影响作物产量。总之，应用免耕与秸秆还田技术可能会使作物减产，而不同区域间存在一定差异，少免耕造成减产的比例较高，秸秆还田引起减产比例较低。

3.3 固碳潜力与产量潜力

2016年，免耕的全国推广率为12.57%，但距离免耕措施理想的推广情况，仍有一定差距[26]。在最理想的免耕推广情况下，推广面积可增加71.94%，固碳潜力增至2.22×1010kg/年。赵永存等[27]研究表明，我国农田20 cm深度的土壤固碳量在9.6×109～25.5×109kg/年；Lu等[12]研究表明，我国农田固碳速率在157～390 kg/(hm2·年)，推广面积由4.12×106hm2增至2.04×107hm2，面积增长近5倍，固碳潜力为4.6×109kg/年，增幅达475%，免耕增加土壤固碳的趋势与本研究一致，但研究结果存在些许差异，主要由目标推广情况、基础数据来源不同所引起。

表4 免耕与秸秆还田措施的产量及其潜力Table 4 Yield and its potential of no-till and residue retention

表5 耕作对作物产量与固碳效应变化的影响因素分析Table 5 Analysis of factors influencing the variation of crop yield and carbon sequestration by tillage

注：n为数据对数；a为抛物线拟合曲线x2的系数，b为抛物线拟合曲线x的系数，c为抛物线拟合曲线常数。本研究将平均气温、降水量、起始有机碳、当季施氮量、试验年限、年均蒸发量、粘粒含量、土壤pH、起始容重等因素纳入探究，上表仅将显著相关的因素进行展示。下同。

Note:nis the logarithm of data；a, the coefficient of the binomial fitting curvex2;b, the coefficient of the binomial fitting curvex;c, the binomial fitting curve constant. In this study, factors such as average temperature, precipitation, initial organic carbon, seasonal nitrogen application, experimental years, annual evaporation, clay content, soil pH and initial bulk density are included in the study. The above
Table only shows the significantly related factors. The same below.

表6 还田对作物产量与固碳效应变化的影响因素分析Table 6 Analysis of factors influencing the variation of crop yield and carbon sequestration by residue retention

全球范围农田产生4×1012kg/年作物秸秆[28]，全部秸秆还田可提高约3×1011kg/年碳储量，固碳潜力巨大。秸秆还田措施在我国推广率达42.47%，多个省份推广率超80.00%，整体推广效果较好。目标推广情况下，秸秆完全进行还田处理，推广面积增幅为140.00%，而伴随着秸秆不还田处理完全转换为秸秆还田处理，固碳潜力由6.56×1010kg/年增至7.00×1010kg/年，增幅为7%。Lu等[12]研究表明，作物秸秆还田目前的固碳潜力为9.76×109kg/年，如果全面推广作物秸秆还田措施，其固碳潜力可增至3.44×1010kg/年，Lu等[12]研究是基于2009年的试验数据，当时秸秆还田措施推广较少，且其未将应用秸秆不还田处理土地的固碳潜力纳入研究，加之试验数据来源不同，最终估算固碳潜力出现差异。

基于省级维度分析免耕与秸秆还田对产量的影响，免耕较传统耕作在各省份中有增有减，19个省份表现出增产，12个省份表现减产，而秸秆还田在省级尺度则表现出完全增产。免耕充分推广后，总产量由6.16×108t/年降至6.09×108t/年，降低1.16%，秸秆还田充分推广后，粮食总产将由6.16×108t/年增至6.39×108t/年，增幅为3.72%。

本研究仅对耕作处理与秸秆还田处理分开进行探讨，并未对其互作效应进行分析。赵鑫等[8]研究表明，与翻耕秸秆不还田相比，免耕秸秆不还田和免耕秸秆还田土壤有机碳含量分别显著提高5.5%和8.2%，免耕会导致减产，但免耕秸秆还田能显著增产4.6%。这表明免耕较翻耕可以增加土壤固碳，且免耕结合秸秆还田能增进固碳效果；免耕较翻耕会导致作物产量降低，但配以秸秆还田，则表现出增产效应。因此，在未来研究与应用中，应充分发掘免耕与秸秆还田的协同效应，同时达到增加土壤固碳和提高作物增产的目的。

3.4 环境因素的影响

赵鑫等[8]研究表明，土壤有机碳储量的变化与年均气温、年均降雨量、土壤粘粒含量、土壤pH、试验年限存在显著线性相关关系，与本研究结果相似。本研究依据回归分析的方法，探讨了环境因素对免耕和秸秆还田条件下产量和有机碳储量效应值的影响。抛物线拟合结果表明，作物产量的耕作效应值与平均气温极显著相关。耕作方式主要通过改变土壤状态，进而影响作物生长及产量，平均温度会影响土壤温度，改变土壤蒸散，土壤微生物以及土壤含水量，进而影响耕作方式对作物产量的效果。作物产量的还田效应值与试验年限相关，与土壤pH显著相关，试验年限的增加深化了耕作对土壤的作用效果，土壤pH能改变土壤微生物种类及数量和秸秆腐解速率，从而影响土壤供给作物营养的速率。有机碳的耕作效应值与土壤粘粒含量显著相关，有机碳的还田效应值与土壤粘粒含量和土壤pH相关，这些因素主要是影响有机碳的分解及矿化，粘粒含量不同，其矿化速率也有差异，因此耕作方式与秸秆还田的有机碳效应值都与土壤粘粒含量有关。

4 结 论

本研究基于1 162对位点试验数据，针对免耕与秸秆还田分别进行探究，全国田间试验中占比为75.00%的试验研究表现为免耕相对翻耕固碳速率提高，占比为88.23%的试验研究表现为秸秆还田相对秸秆不还田固碳速率提高，免耕与秸秆还田可明显增加土壤固碳，但其效应在地域上有明显区别，免耕和秸秆还田在区域Ⅰ、区域Ⅱ和区域Ⅳ提高固碳速率的试验研究较多，而在区域Ⅲ和区域Ⅴ降低固碳速率的情况较多。免耕与秸秆还田措施的固碳潜力可随技术推广有较大的提高，免耕措施的推广面积较当前可增加71.94%，秸秆还田措施的推广幅度较当前可增加140.00%。在当前推广情况下，免耕措施的固碳潜力为1.35×1010kg/年，秸秆还田措施的固碳潜力为6.56×1010kg/年，目标推广情况下，免耕的固碳潜力可增加63.90%，达2.22×1010kg/年，秸秆还田的固碳潜力可增加7.00%，增至7.00×1010kg/年。

全国田间试验中占比42.70%的试验研究表现为免耕增产，占比79.80%的试验研究表现为秸秆还田增产，其影响无明显地域差别。当免耕和秸秆还田措施充分推广后，主要粮食作物的产量略有浮动，免耕呈现出减产趋势，减产1.16%，秸秆还田呈现出明显增产的趋势，增幅为3.72%。回归分析表明，作物产量的耕作效应值与平均气温极显著相关，有机碳的耕作效应值与粘粒含量显著相关，作物产量的还田效应值与试验年限显著相关，与土壤pH显著相关，有机碳的还田效应值与土壤粘粒含量和土壤pH相关。未来可考虑利用免耕与秸秆还田对农田生态和产量提升的协同效应来推广免耕与秸秆还田。