秸秆还田和耕作方式对土壤碳排放及冬小麦产量的影响

董建丽，潘新丽，邵彦朝，刘 振，宁堂原

（山东农业大学农学院农业部作物水分生理与抗旱种质改良重点实验室，山东 泰安 271018）

黄淮海平原是我国重要的粮食产区之一[1]，主要作物为冬小麦和夏玉米，在保障我国粮食安全方面发挥重要作用。如何高效利用现有耕地实现产量最大化，对保障粮食安全极其重要[2]。目前，对于如何减少农田碳排放、增加作物产量的问题，严圣吉等[3]学者已有相关研究，但不同耕作方式下碳排放差异的调控机制以及哪种耕作方式可以在保证作物产量的同时减少农田碳排放的研究相对较少。因此，有必要研究不同耕作方式下碳排放差异调控机制，明确保证作物产量同时减少农田碳排放。基于翻耕、深松、旋耕、免耕4 种耕作方式，搭配秸秆还田与不还田处理，比较不同处理下土壤呼吸速率、含碳量、碳排放量、冬小麦产量和单位产量排放量等指标，选出既能保证农作物产量又可减少土壤碳排放量的适宜处理，为减少农田碳排放、促进农业可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

在山东农业大学农学试验站(36°10′N，117°09′E)进行，试验地点属于典型温带大陆性季风气候，四季分明，太阳辐射量充足，雨热同期。该地区年均日照时数2 759.1 h，年均气温12.8 ℃，年均降水量727.4 mm，符合华北平原典型气候特点。试验田土壤为棕壤土，土层深厚，土壤有机质18.1 g/kg、全氮1.3 g/kg、速效氮152 mg/kg、速效磷45.1 g/kg、速效钾117 mg/kg。小麦品种为济麦22。

1.2 试验设计

采用随机区组设计，设置耕作方式和秸秆还田2个因素。耕作方式包括翻耕（CT）、深松（SS）、旋耕（RT）和免耕（NT），秸秆还田包括秸秆还田（S）和不还田（0）。共8个处理，分别为：翻耕秸秆还田（CTS）、深松秸秆还田（SSS）、旋耕秸秆还田（RTS）、免耕秸秆还田（NTS）、翻耕秸秆不还田（CT0）、深松秸秆不还田（SS0）、旋耕秸秆不还田（RT0）、免耕秸秆不还田（NT0）。重复3次，各处理间用40 cm垄隔开，每个重复小区面积为15 m×4 m。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 样品采集 小麦全生育期测定土壤温湿度和土壤呼吸速率，每个处理重复选取3 个样点测定：成熟期每个小区采用五点取样法，在0～40 cm 土层每10 cm取样1次，测定有机碳含量，重复3次；每种处理随机选3 个点，每点取1 m2调查667 m2穗数；随机剪取50个穗调查穗粒数，每个处理随机测定千粒质量，重复3次。

1.3.2 测定方法 土壤呼吸速率采用GXH-3052L 型红外气体分析仪（北京均方理化科技研究所）进行测定，气室为高12 cm、直径25 cm 的PVC 管。检测呼吸速率时，应把气室下端埋入土壤2 cm，以保证气室不漏气。间隔2 周测定1 次，每次测定2 个值，间隔5 min。晴天测定，时间为上午9∶00—10∶00。土壤呼吸速率为单位时间内CO2排放通量，计算公式为：

式中，F为土壤CO2排放通量（g/（m2·h）），以CO2-C计；60为分钟转换小时的系数；土壤有机碳含量测定采用重铬酸钾容量法[4]。

1.4 试验数据处理

采用Excel 2016 软件对数据进行处理，利用Dunnett 最小显著查数法进行差异显著性检验（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田和耕作方式对冬小麦土壤呼吸速率的影响

秸秆还田与耕作方式对土壤呼吸速率变化的影响见图1。

图1 秸秆还田与耕作方式对土壤呼吸速率变化的影响Figure 1 Effect of straw returning and tillage method on the change in soil respiration rate

由图1 可知，秸秆不还田处理下，整个生育期土壤呼吸速率总体呈先下降后上升再下降的趋势。苗期，NT 土壤呼吸速率最大，达0.285 g/（m2·h）；越冬期，SS 和RT 两种耕作方式的呼吸速率处于较高水平，高于另外2种处理；开花期，2 种耕作方式呼吸速率整体均较高，CT0，SS0，RT0，NT0 的平均土壤呼吸速率分别为0.132，0.160 ，0.137，0.161 g/（m2·h）。秸秆还田处理下，总体上土壤呼吸速率呈先下降后上升再下降的趋势。冬前期、越冬期和灌浆期土壤呼吸速率差别不大，从拔节期开始，土壤呼吸速率明显增强，到开花期达顶峰，随后下降至收获期。各处理土壤呼吸速率在冬前期均处于较低水平；CTS，SSS，RTS，NTS的平均土壤呼吸速率分别为0.166，0.160，0.134，0.148 g/（m2·h）。

与秸秆不还田相比，秸秆还田处理后CT 平均土壤呼吸速率加快，NT平均土壤呼吸速率减弱，但对SS和RT的平均土壤呼吸速率影响不大。

2.2 秸秆还田和耕作方式对不同耕层深度土壤有机碳的影响

秸秆还田与耕作方式对不同耕层深度土壤有机碳的影响见图2。

图2 秸秆还田与耕作方式对不同耕层有机碳含量的影响Figure 2 Effect of straw returning and tillage methods on organic carbon content in different tillage

由图2可知，在0～40 cm范围内，随着耕层深度的增加，不同处理土壤有机碳含量整体呈下降趋势。秸秆还田时不同耕作方式平均有机碳含量CT＞SS＞NT＞RT。与秸秆不还田相比，秸秆还田后各处理耕层有机碳含量均有显著差异（p＜0.05），CT，SS和RT土壤有机碳含量分别增加44.66%，19.22%，28.31%，而NT处理下土壤有机碳含量仅增加8.48%。除NT外，0～10 cm耕层各处理土壤有机碳含量均明显增加，CT，SS 和RT 分别增加57.70%，24.17%，18.88%；10～20 cm耕层CT，RT土壤有机碳含量分别增加35.44%，65.61%；20～30 cm耕层SS，RT和NT分别增加53.21%，39.31%，20.77%；30～40 cm耕层SS 和NT 土壤有机碳含量分别增加25.40%，66.91%，而CT和RT处理土壤有机碳含量降低。

2.3 秸秆还田和耕作方式对各时期CO2排放量及生育期总排放量的影响

秸秆还田和耕作方式对各时期CO2排放量及生育期总排放量的影响见图3。

图3 不同处理各时期CO2排放量及生育期总排放量差异Figure 3 Differences in CO2 emissions in each period and total emissions during the growth period in different treatments

由图3 可知，不同处理下CO2排放量最高的时期均为越冬期，其次是开花期、拔节期、灌浆期。NT 处理下拔节期和灌浆期排放量相当；同一处理下各时期之间CO2排放总量差异显著。生育期CO2总排放量各处理差异不显著（p＜0.05）。与秸秆不还田相比，秸秆还田后SS 和RT 处理下生育期CO2总排放量显著下降，CT 和NT 处理下还田与不还田排放量相当。总之，秸秆还田后生育期CO2总排放量减少。

2.4 秸秆还田和耕作方式对冬小麦产量和单位产量排放量的影响

秸秆还田和耕作方式对冬小麦产量和单位产量排放量的影响见表1。

表1 不同耕作方式和秸秆还田与否对冬小麦产量的影响Table 1 Effect of different tillage methods and straw returning to the field on winter wheat yield

由表1可以看出，免耕下冬小麦产量显著低于其他处理，秸秆不还田处理下的穗数显著高于秸秆还田处理，冬小麦产量SS＞CT＞RT＞NT，穗数SS＞RT＞CT＞NT，穗粒数RT＞SS＞CT＞NT，千粒质量CT＞RT＞NT＞SS。秸秆还田处理下穗数和产量SS＞RT＞CT＞NT，千粒质量表现为CT＞SS＞RT＞NT，处理间差异显著，单位产量CO2排放量NT＞CT＞SS＞RT。秸秆还田与不还田相比穗数差异显著，穗粒数和千粒质量也达到较高水平。与秸秆不还田相比，RT和CT在秸秆还田后产量有较大幅度提高。NT耕作方式下，冬小麦产量最低，与秸秆不还田处理下表现一致。秸秆还田后，各处理单位产量CO2排放量NT＞SS＞CT＞RT。

3 讨论与结论

耕作方式与秸秆还田对土壤有机碳含量、土壤呼吸速率、单位产量排放量和作物产量存在不同程度的影响。深松+秸秆还田处理可以增加土壤有机碳含量，且土壤呼吸速率稳定，有助于提高冬小麦产量；深松+秸秆还田处理下产量最高且单位产量CO2排放量处于较低水平，有利于我国在保障粮食安全的同时发展绿色低碳农业。翻耕+秸秆还田处理也可获得较高水平产量，且单位产量CO2排放量较少。因此，建议深松+秸秆还田、翻耕+秸秆还田这两种处理方式在该地区进行推广应用。