华北平原潮质土壤协同实现有机碳提升，粮食增产稳产的途径——以曲周县为例

任其然，邓丽娟，焦小强

（中国农业大学资源与环境学院/国家农业绿色发展研究院/植物-土壤相互作用教育部重点实验室，北京 100193）

当前农业生产面临着巨大挑战：在保持粮食持续有效供给的同时，需要提高资源利用效率，保护环境。土壤有机碳（SOC）对提高土壤肥力，促进植物生长，提高土地生产力具有重要的价值，是实现农田系统粮食可持续生产的重要因素之一［1-3］。诸多因素影响了SOC的提升，比如农田管理措施的演变。在过去的40年里，中国成功地用7%的土地养活了全球20%的人口［4］。但粮食产量的高速增长同时带来了诸多问题，化肥、农药、除草剂的不合理使用造成了农田土壤板结、土壤有机质下降、土壤生态系统破坏，对农田生产系统造成了极大的负面影响，进而导致农业生产可持续性的降低［5］。如何实现粮食增产、稳产，同时提高土壤有机质水平，对提高农业生产可持续性至关重要。

SOC的提升是一个长期复杂的过程，受自然条件和人为管理措施（耕作、栽培等）的影响［6-7］。自20世纪80年代以来，华北地区通过高量的碳氮投入使得SOC明显提高，与此同时该地区粮食作物产量也显著提升［2，8］。然而，SOC变化和产量间的关系尚不明晰，这种缺乏一般共识的现象可能是由于管理、气候和土壤类型等因素相互作用的结果，这些因素会破坏SOC与产量的关系［9］。研究表明随着SOC增加，产量会增加［2］、减少［10］或是不变［11］。这使得部分学者认为不同的有机碳组分对于作物产量的效应不同，只要氮肥施用量充足，作物产量和SOC的提高并无明显线性关系［11］。一些学者通过经验模型得到相反的结论，徐明岗等［12］通过经验方程发现在我国不同区域，农田土壤每固定1.0 t有机碳，粮食作物产量可平均提升约0.7 t·hm-2，但该响应值在各地区明显受到相应的环境及农田管理措施等因素的影响。Oldfield等［13］认为在有机碳不高于2%的条件下，增加SOC的同时能增加作物产量，将SOC含量从1.0%提升到2.0%能使小麦、玉米分别增产55.4%和23.0%。要验证这些SOC对产量和环境影响相互矛盾的说法，除了建立定量化的分析手段，还需要将区域尺度的宏观研究和田块尺度的微观研究结合。不同尺度研究的结合能探寻SOC增加原因，进一步明晰SOC变化对于产量的影响。

曲周县地处被称作“中国粮仓”的华北平原，是我国典型的农业种植县。在1980s曲周县是典型的盐碱地区，土壤有机质极低。在过去的40年间，曲周县通过盐渍土改良、农业集约化管理和水肥投入实现粮食产量从2 t·hm-2向6 t·hm-2的提升，同时SOC含量由0.5%提高到0.8%。在实现粮食增产的同时，实现了全县土壤有机质的整体提升。总结曲周县过去40年SOC和粮食产量变化及其关系，并结合当地施用有机肥和秸秆还田进行优化管理的长期定位试验，对实现县域尺度培肥土壤地力，提高和稳定粮食产量具有重要的意义和参考价值。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究区域为河北省曲周县（36.88 °N，114.9°E），属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均温13.1℃，无霜期平均210 d，多年平均降水量556.2 mm，70%的降水集中于6～9月。小麦、玉米为主要的种植作物，灌溉水主要来源于地下水。2018年的全县土壤调查数据结果表明，全县0～20 cm土壤有机质平均含量为13.8 g·kg-1、全 氮1.0 g·kg-1、有 效 磷10.7 mg·kg-1、速 效 钾182.8 mg·kg-1。

1.2 数据来源

县域尺度土壤有机质数据土壤取样点深度均为0～20 cm，来源于1980、2000、2009、2018年在曲周县进行的4次取土试验。

1980年：主要来自于全国第二次土壤普查资料，共79个取样点。

2000年：通过收集前人在曲周的试验资料得到，主要来自于孔祥斌等［14］在曲周县布置的79个土壤采样点土壤有机质（SOM）含量资料。

2009年：由曲周县农牧局土肥站提供，主要是在曲周县布置的262个土壤采样点SOM数据。

2018年：对全县耕地采用1 km×1 km网格调查法，采集0～20 cm土壤样品进行分析，测定土壤有机质。共计547个土壤采样点数据。

作物产量数据搜集：作物产量主要是小麦、玉米、高粱等粮食作物的平均产量，来自于《曲周县统计年鉴（1980～2016）》。本研究分别以1980～1989、1990～1999、2000～2009和2010～2016年当年的均值表示1980s、1990s、2000s、2010s的数据。

有机肥数据由曲周县畜牧业动物的养殖量进行计算得到，包含牛、马、驴、骡、猪、羊、鸡。牲畜数量来自于《曲周县统计年鉴（1980～2016）》。计算方法参照刘晓永等［15］。分别以1980～1989、1990～1999、2000～2009和2010～2016当年 的 均 值 表 示1980s、1990s、2000s、2010s的数据。

本研究通过文献查阅，收集了在曲周县进行的7个长期定位试验。试验情况如表1所示。作物系统以曲周县主要粮食系统小麦-玉米为主。

按照以下标准选取符合本研究的定位试验：1）所有定位试验点必须在河北省邯郸市曲周县；2）试验所种植的作物为小麦-玉米；3）每个试验点中必须包含对照、优化处理组，优化处理组以秸秆还田或施用有机肥处理组为主，另有一个进行不施肥不还田的对照空白组；4）每个试验的对照组和优化处理组需要有产量（kg·hm-2）或者SOC（g·kg-1）的测定数据；5）在同一研究中所有处理的SOM（SOC）取样深度和测定方法一致，且所有的SOM（SOC）单位使用浓度单位g·kg-1或（%），SOC和SOM间转换系数为1.724；6）同一个试验在试验年限内，田间管理措施都相同。

表1 长期定位试验处理方式及文献来源

1.3 数据处理与分析

各年粮食作物单产数据根据每年粮食产量和其耕种面积计算得出，各年代数据由所属年代加权平均算出。各年土壤有机质分布图用Arcgis 10.6软件中的克里金插值法得出。利用Excel 2019和SPSS 20.0软件对作物产量和SOC进行线性回归分析。利用Sigmaplot 14.0作图。

作物秸秆根茬碳还田量（Cr）和秸秆碳还田量（Cs）由以下公式计算［23］：

Yield为作物经济产量，WC为作物经济产量含水量，小麦和玉米的含水量分别为0.125［24］、0.135［23］。GSratio为作物的根冠比，小麦、玉米的根冠比分别为0.5、0.33［25］。RS和SR分别为根茬还田率和秸秆还田率，各年代的根茬还田率参考Zhao等［23］，1980、1990、2000年代秸秆还田率参考刘晓永等［26］，2010年代秸秆还田率参考牛新胜等［27］，具体数值如表2所示。0.45为根茬和秸秆含碳量［23］。

畜禽粪尿碳还田量（Cm）由以下公式计算：

i为牛、马、驴、骡、猪、羊、鸡的种类；S、H分别为畜禽年内出栏数、年末存栏数；P为饲养周期天数；365是一年的365 d。M为畜禽粪尿的每头日排泄系数［kg·d-1·个-1］，1000是换算系数，MS是畜禽还田率，Ci是不同种类畜禽粪尿含碳量。各年代畜禽还田率（MS）参考刘晓永等［15］，详见表2。各种畜禽粪尿含碳量（CI）参考张福锁等［28］，详见表3。

表2 不同年代畜禽粪尿及秸秆还田率 （%）

表3 畜禽粪尿鲜基有机碳含量 （%）

2 结果与分析

2.1 不同历史时期曲周县域尺度土壤有机质浓度和作物产量变化

自1980年以来，曲周县耕层土壤有机质浓度持续提升（图2）：具体表现为1980年土壤有机质浓度平均为8.5 g·kg-1，6～10 g·kg-1占整个全县面积的99.0%。1999年，有机质浓度平均提高到11.9 g·kg-1，12～14 g·kg-1土壤面积占比最多，达到全县的46.8%。2009年土壤有机质浓度平均高达13.5 g·kg-1，12～14 g·kg-1土壤面积占比进一步增大，达到全县的50.9%。2018年有机质含量平均提升到13.8 g·kg-1。14～16 g·kg-1土壤面积最多，达到了260.9 km2，占全县的39.1%。

不同历史时期曲周县产量及其变异系数的变化如图3所示，曲周县粮食单产呈逐步递增的趋势，1980s仅 为3 t·hm-2，2018s提 高 到8 t·hm-2。1990s、2000s、2010s平 均 粮 食 增 产 率分 别 为58.7%、22.8%、38.9%。粮食产量的变异系数逐步下降：1980s为22.9%，2018s为3.3%。

2.2 不同历史时期曲周县农田系统碳投入量的变化

不同年代曲周县秸秆还田碳、根系生物量碳、畜禽粪尿碳投入量如图4所示。曲周县农业种植结构主要以小麦-玉米轮作体系为主，同时有一定规模的养殖业。曲周县土壤碳来源主要是秸秆还田、秸秆根茬还田和畜禽粪尿还田。对过去40年曲周县土壤碳来源研究发现，曲周县土壤碳还田量随时间逐步上升。各年代间提升率分别为131.1%、156.3%、182.0%。1980s秸秆还田碳比例不断提高，从1980s投入碳占比的48%到2018s的72%，过去40年畜禽粪尿还田碳占总还田碳的10%～18%。根茬碳占总碳的比例不断下降，从1980s的42%下降到2010s的18%。对比曲周县1980s和2010s农田碳流动发现，相较于1980s，地上部秸秆还田量提高了9.5倍，每年碳投入量从0.7 t·hm-2增加到6.7 t·hm-2；根系投入碳增加了2.7倍，每年碳投入量从0.6 t·hm-2增加到1.6 t·hm-2；来源于畜禽粪尿碳增加了7.1倍，每年碳投入量从0.14 t·hm-2增加到1.0 t·hm-2；被用作其他用途的秸秆量减少了18倍，每年碳移走量从1.8 t·hm-2减少到0.1 t·hm-2；经济产量中的碳增加了6.9倍，每年碳从1.2 t·hm-2增加到8.3 t·hm-2。

2.3 优化管理对作物产量及土壤固持的影响

通过对曲周县7个定位试验加权平均计算得到试验持续时间和粮食产量间的关系。研究发现,采用秸秆还田等优化管理的粮食产量呈提高趋势，平均每年提高0.07 t·hm-2。空白对照组粮食产量短时间内无明显变化，从第8年开始呈下降趋势（图5）。对所有试验SOC数据进行回归分析后发现，优化处理的SOC含量随着试验时间的推移呈现明显上升趋势（P＜0.05），平均每年提升0.3 g·kg-1。空白对照处理SOC含量与试验持续时间无显著关系。

3 讨论

3.1 曲周县土壤有机碳含量的变化及其影响因素

过去的40年间，曲周县农田土壤有机质含量呈现逐步提升的趋势，大致可以分为3个阶段，1980年时全县土壤有机质含量普遍偏低，空间连续性好，除县城附近外，土壤有机质含量均不高于10 g·kg-1（图2a）。这主要是由于20世纪80年代农田碳投入很低，土壤盐渍化程度高且化肥施用很少，导致作物生产力低下［29］。除县城附近，其他区域灌溉水平极低。作物秸秆主要被用作燃料或者是饲料，甚至在县内某些区域农作物的根也被挖出来用作燃料。养殖业规模很小，产生的畜禽粪尿多数被用作燃料，极少的部分施入了经济作物农田中。

第二阶段（1990～2010年），曲周县土壤有机碳含量显著提升，导致这一动态变化的主要原因有以下几点：（1）曲周县化肥施用量自20世纪90年代初期开始飞速上升，氮肥和磷肥投入量从1990年到2010年分别增加了16.5和30.8倍。化肥投入的增加引起了作物生物量的增加，也引起了地下部生物量的增加，使得输入土壤的秸秆和根茬的碳也相应增加［23］。长期定位试验研究表明，化肥施用平均每年能增加土壤有机碳C 0.19 Mg·hm-2［30-31］。此外，化肥的投入还能提高作物残茬和根向土壤有机质转化的效率，增强微生物降解SOM的效率［32］。（2）中国农村培肥土壤主要通过秸秆还田和畜禽粪尿堆肥形成厩肥。据前人的调研结果发现，曲周厩肥利用率较低，且大部分厩肥都施用在经济价值较高的果园和菜园中［33］。因此曲周县土壤有机肥的主要来源是秸秆还田，根据刘云慧等［33］和牛新胜等［27］的调研结果发现，2010年曲周县玉米和小麦的秸秆还田率分别比1999年高60%和30%，秸秆还田率的提高直接导致通过作物残渣输入的碳显著增加，增加了土壤有机碳含量。曲周县秸秆还田率的提高主要归因于两个方面，一方面是我国自2000年起重视秸秆焚烧这一环境问题，在农村地区通过制定严格的政策法规禁止秸秆焚烧［34］。另一方面，曲周县政府自1998年起在全县推广秸秆整株还田、翻压还田等多项技术，提高了秸秆还田的效率并且让农民认识到秸秆还田的好处。（3）曲周县1980年以前一直深受土壤盐渍化的困扰。土壤盐渍化形成了大量无人耕作的荒地，年复一年的荒废导致土壤有机碳的含量持续降低。自1973年起来自中国农大的师生建立了三代盐碱综合治理区，成功治理了1.9×104hm2的盐碱地。到1989年时小麦、玉米的产量相较于1983～1985年平均量分别增加了15.5%和81.8%［29］。田间试验结果表明，在开垦的盐渍土上，即使不施用肥料，土壤有机质的含量也呈现增长的状况，这是因为原有的盐碱荒地土壤有机质含量很低，经过治理并开垦种植后，作物的生物量高于原来荒草地的生物产量，植物根茬部分累积增加，所以原本水平较低的土壤有机质含量也能够有上升的空间。（4）种植制度的改变和作物品种的改良是曲周县土壤有机质增加的最后一个原因。曲周县的复种指数从1981年的1.41提高到1999年的1.65，直接提高了全县的粮食产量和秸秆、根际碳输入量［35］。同时自20世纪90年代后引进了大根系作物，这些作物能够将更多的根系残渣和根系碳留在土壤中，提高土壤碳的投入量。空间上这段时间土壤有机质提高最快的区域集中在县城附近，主要是由于临近县城附近的盐渍土治理效果好，灌溉设施和秸秆还田推广相较其他区域比较好。

第三阶段是2010年至今，这段时间曲周县产量进一步增加，同时县内小麦、玉米秸秆还田率分别达到了96.5%和99.8%。空间上整体土壤有机碳分布变化不大，县城附近由于较好的推广措施使得土壤有机碳含量进一步增加。需要指出的是虽然土壤碳投入量进一步增加，但土壤有机质含量并未明显增加。进入2010年后，曲周县制定了“高产高效”的农业战略，在保持甚至降低化肥投入的同时使得粮食稳产、增产。化肥投入的降低是近10年有机碳含量无明显变化的一个重要因素，此外，曲周县土壤经过近40年培育有机碳含量已达到了一个临界水平，进一步提高需要采取更多保护性耕作措施。曲周县目前耕作制度以冬小麦—夏玉米轮作为主。Yang等［36］的研究表明，在曲周进行多样化种植和轮作制度能提高土壤有机碳含量的同时减少温室气体排放，小麦、花生、黑麦、棉花、玉米的轮作在固碳减排上取得了很好的效果。Wang等［37］的研究发现，豆科植物和谷类作物轮作能增加氮肥利用率，提高土壤有机碳含量。在曲周县依庄镇土壤有机碳含量很低的区域推荐采取免耕或是休耕制度，以提高土壤有机碳含量［38］。

曲周县通过施肥、提高秸秆还田率、治理盐碱地、提高复种指数和改良作物品种等方式使得土壤有机碳含量取得显著的提升。多种方法最终都直接或间接地通过提高作物生物量，增加作物残渣和根系输入的碳，这种地上-地下联动的方式提高了土壤碳的输入，继而增加了土壤有机碳含量。秸秆还田和根系碳的增加是土壤有机碳过去40年增加的最重要原因。Zhao等［23］对中国有机碳含量变化的研究表明，秸秆和根茬还田与有机碳变化显著正相关，对中国有机碳的增量贡献占到了70%。Fan等［39］对加拿大的研究表明，近45年加拿大土壤有机碳含量平均增加了81%，其中秸秆和根系生物量投入的碳贡献了82%～92%，而畜禽粪尿还田仅贡献了8%～18%。Zhang等［40］和Tian等［41］的整合分析结果表明，有机肥配施化肥是提高土壤碳水平的有效途径，秸秆还田是增加土壤碳汇的主要方法［42-43］。

3.2 地上-地下循环驱动曲周土壤有机质的提升、粮食增产和稳产的实现

本研究表明过去40年，作物地上、地下部生物量的飞速增加使得曲周县土壤碳输入量增大，直接导致了土壤有机碳的增加。土壤有机碳的提高进一步促进了粮食增产和稳产的实现。曲周县进行的7个长期试验结果（图5）表明，通过秸秆还田、施用牛粪和氮肥等方法不仅能提高土壤有机碳含量，并且能增加作物产量。大量的田间试验结果也表明了通过秸秆还田在提升土壤有机碳含量的同时能显著增产和稳产［44-45］。从田间尺度上升到小区域（县级）尺度，这个现象依然存在。过去40年曲周县在土壤有机碳增加的同时，粮食作物产量显著提升，年代间产量变异系数显著降低（图3）。这个结果支持Lal［1］提出的C固存有助提高农业土壤中作物产量的观点。Pan等［2］和Zhao等［23］的研究结果证明，当研究尺度从小区域（县域）尺度上升到大区域尺度（全国、省级）时，通过秸秆还田或其他培肥方式增加土壤有机碳，使得作物产量增产、稳产这一效应依然存在。土壤有机碳和作物产量通过地上部秸秆还田、地下部根系残渣的投入共同构成了一个地上-地下部的循环。这个循环是驱动曲周过去40年土壤有机碳增加和作物增产、稳产的原因。

曲周县40年土壤培肥增产的实例给出了一条实现可持续发展的道路——构建地上-地下循环驱动土壤有机碳提高和作物增产、稳产。目前，这一循环仍然存在着某些局限性。首先，合理施用化肥是构建这一循环的关键因素。在土壤有机碳含量较低的时候，施用氮肥能增加土壤有机碳和增产、稳产。但随着化肥投入量增加出现较高的土壤氮盈余和磷盈余后，施用无机肥料会降低土壤有机碳，对于产量的增产效果也会降低［36，46］。目前，使用部分有机肥替代氮肥成为减少氮盈余产生负面效应的有效手段［47］。其次，这个循环对于作物的增产效应存在着阈值上限，土壤有机碳和作物产量间的关系目前还存在争议，但大部分学者认为在土壤有机碳低于2.0%的条件下，土壤有机碳增加对作物产量增加存在正效应［13，48］。所以这一循环在有机碳含量较高的区域，实施的增产效应值会相应降低甚至无明显变化。最后，大幅度提高秸秆还田量不一定能取得好的效果。譬如在复种指数极高或者产量很高的地区，每年产生了大量的秸秆。在短时间内土壤并不能完全降解如此多的秸秆，简单方便的直接还田方法容易产生病原菌和农药残留。而通过炭化还田、施加降解菌等方法处理秸秆还田的负面效应需要考虑农民的经济成本。

本研究结果表明，曲周县的成功经验能为许多发展中国家的农田碳封存残留管理提供一些指导。由于低生产力和燃料或饲料的残渣清除，低有机碳投入是许多发展中国家限制有机碳积累的主要因素。曲周县政府-高校合作推广秸秆还田的模式对有机碳封存的重大贡献表明，田间尺度的解决方案可以推广到区域尺度甚至是国家层面。另一方面，由于基础土壤条件、气候和社会经济条件的区域差异，不同区域的秸秆还田量及施肥量可能并不相同。因此，科学技术和知识的应用推广、经济和政策激励以及利益相关者（农民）的积极参与是实现县域农业可持续发展乃至全球可持续发展的重要组成部分［3］。

4 结论

曲周县作物产量和土壤有机质含量在空间上呈显著区域特征，临近县城范围内作物产量和土壤有机质含量明显较高，依庄乡土壤有机质含量较低。主要原因是初始有机质含量和水肥管理等存在差异，临近县城附近保护性耕作推广和灌溉设备均优于其他乡镇，时间尺度上近40年以来（1980～2018年）曲周县土壤有机质总体表现为，前30年稳步提升，进入2018年后略有提升，各年代间增加速率分别为65.5%、24.0%、38.6%。从1980s到2010s曲周县粮食产量从3.0 t·hm-2提高到7.7 t·hm-2，年代间递增率分别为58.7%、22.8%、38.9%。4个年代时间上的变异系数分别是22.9%、21.3%、8.0%、3.2%。产量变异系数从22.94%降低到3.3%，农田碳投入从1.4 t·hm-2提高到9.3 t·hm-2；秸秆地上残留碳增加9.5倍；秸秆地下残留碳增加2.7倍；肥料碳增加7.1倍；农作物增产6.9倍；移走的秸秆量减少了18倍。基于长期定位试验结果分析，与空白对照相比，优化处理的土壤有机碳显著提升，平均每年提高5.9%，粮食产量10年平均增加84.1%。同时变异系数降低了3.9%。施用有机肥的优化管理对于粮食产量、土壤有机碳含量的增加有促进作用。