秸秆覆盖和免耕是近年来国内外发展较快的农作体系,具有良好的社会、生态以及经济效益[1],秸秆还田对土壤有机碳固定、矿化及大气CO2浓度调节等作用显著[2,3,4],有助于提升土壤肥力、增强土壤蓄水保墒能力和改善农田微环境特征[5,6,7],进而影响土壤微生物的碳固定及排放等[8]。在过去几十年,免耕系统已被应用在全球不同气候区域,中国开展免耕研究较晚,主要集中于华北平原和西北干旱地区[9],尤其是黄土高原地区[10],且多是关于不同耕作方式间的比较,而对免耕农田管理措施的优化研究较少。关于免耕秸秆覆盖还田在高纬度寒地的应用研究结果不一,如何补偿免耕秸秆覆盖带来的低温等负效应,优化免耕技术措施是寒地免耕研究的重点。
本研究利用长期定位试验,研究不同秸秆覆盖还田量对寒地免耕土壤有机碳、活性有机碳及微生物生物量碳含量的影响,为寒地秸秆合理利用、长期土壤培肥和农业高产高效低碳可持续发展提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
长期免耕秸秆覆盖还田定位试验于2010年在黑龙江省农业科学院佳木斯分院试验田进行,供试土壤为草甸黑土。0~20cm土层有机质28.07g/kg、全氮1.40g/kg、全磷0.87g/kg、全钾19.59g/kg、碱解氮110.11mg/kg、有效磷56.24mg/kg、速效钾172.83mg/kg。
1.2 试验设计
种植制度为玉米-大豆轮作,玉米和大豆均为免耕种植方式,采用完全随机设计,3次重复,小区面积24.3m2（6m×4.05m）。设免耕条件下0%、30%、60%和100%共4个秸秆覆盖还田量处理。秸秆处理方法：每年度作物收获后,将田间秸秆全部收集,玉米秸秆风干后,切成长约10cm秸秆段,均匀抛撒于地表。100%秸秆覆盖还田处理标准为大豆秸秆4800kg/hm2、玉米秸秆干质量12 000kg/hm2,其他处理按此标准换算秸秆用量。2018年种植大豆,供试品种为佳密豆8号,行距45cm,保苗33.5万株/hm2。土壤封闭化学除草,生育期间免耕管理。
1.3 测定项目和方法
于2018年大豆盛花期和收获后取土样,每个小区采用五点法取耕层0~30cm的土壤,每15cm为一层。一部分存于冰箱中保留鲜样,一部分风干过筛备用。
1.4 数据处理
采用Microsoft Excel处理数据,并用DPS V10.0软件检验处理间的差异显著性（LSD方法）。
2 结果与分析
2.1 免耕秸秆还田对土壤总有机碳含量的影响
由图1可知,土壤总有机碳表聚现象显著,各处理土壤总有机碳含量均表现为0~15cm>15~30cm。0~15cm土层不同秸秆覆盖还田量处理间土壤总有机碳含量差异显著,随秸秆覆盖还田量增加,土壤总有机碳含量呈上升趋势;15~30cm土层,60%秸秆覆盖还田处理土壤总有机碳含量最高,100%秸秆覆盖处理次之,0%与30%秸秆覆盖还田处理间差异不显著。30%、60%和100%秸秆覆盖还田处理土壤总有机碳平均含量较0%无秸秆覆盖还田处理分别增加了4.1%、15.3%和22.3%,说明秸秆覆盖还田能够增加土壤有机碳的积累,有利于土壤总有机碳含量的提高。
图1
图1
免耕秸秆还田对土壤总有机碳含量的影响
不同小写字母表示差异显著（P<0.05）,下同
Fig.1
Effects of no-tillage straw returning on soil total organic carbon contents
Different lowercase letters indicate significant difference (P < 0.05), the same below
2.2 免耕秸秆还田对土壤活性有机碳含量的影响
各处理土壤活性有机碳含量在2个土层的变化趋势（图2）与土壤总有机碳一致,即土壤活性有机碳含量随土层深度增加而降低。在0~15cm和15~30cm土层土壤活性有机碳含量均表现为秸秆还田100%>60%>30%>0%。30%、60%和100%秸秆覆盖还田处理土壤活性有机碳平均含量较0%秸秆覆盖还田处理分别增加了52.5%、64.5%和75.5%,说明秸秆覆盖还田能够减少土壤活性碳的矿化分解,从而有利于土壤活性有机碳含量的提高。
图2
图2
免耕秸秆还田对土壤活性有机碳含量的影响
Fig.2
Effects of no-tillage straw returning on soil active organic carbon contents
2.3 免耕秸秆还田对土壤微生物生物量碳含量的影响
如图3所示,长期免耕秸秆还田条件下土壤微生物生物量碳含量变幅较大,为165.4~273.6mg/kg之间;土壤微生物生物量碳含量在不同土层间差异显著,各处理均表现为0~15cm>15~30cm,0~15cm土层平均比15~30cm高16.4%;经9年免耕秸秆还田连续处理后,0~15cm土层土壤微生物生物量碳含量随秸秆覆盖量增加呈上升趋势,秸秆还田30%、60%和100%分别较0%处理增加14.6%、38.7%和44.7%,各处理间差异显著。15~30cm土层100%和60%秸秆覆盖还田处理土壤微生物生物量碳含量较高,显著高于30%和0%处理。说明秸秆覆盖还田显著提高了土壤微生物生物量碳含量。
图3
图3
免耕秸秆还田对土壤微生物生物量碳含量的影响
Fig.3
Effects of no-tillage straw returning on soil microbial biomass carbon contents
2.4 免耕秸秆还田对大豆产量及其构成因素的影响
表1显示,秸秆覆盖还田对大豆产量影响显著,30%秸秆还田量处理的产量最高,60%和0%处理的产量次之,均显著高于100%秸秆覆盖还田量处理。产量构成因素方面,0%处理的单株荚数和单株粒数最少,百粒重最高;30%处理的产量构成因素表现较好。100%处理的株高最低,底荚高度高且无效节数最多,单株粒数较少;单株粒数表现为秸秆还田30%>60%>100%>0%。2018年由于早春低温多雨,100%秸秆覆盖还田处理地温偏低,对出苗造成了影响,导致单位面积收获株数减少,大豆生长发育延迟,进而影响产量的形成。
表1 免耕秸秆还田对大豆产量及其构成因素的影响
Table 1
| 秸秆还田量 Straw returning rate (%) | 株高 Plant height (cm) | 底荚高度 Bottom pod height (cm) | 无效节数 Invalid nodes | 有效节数 Effective nodes | 单株荚数 Pods per plant | 单株粒数 Grains per plant | 百粒重 100-grain weight (g) | 收获密度（株/m2） Harvest density (plant/m2) | 产量 Yield (kg/hm2) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 71.7a | 10.7a | 3.7c | 8.9b | 25.5c | 51.0d | 21.7a | 32.6a | 3708.0b |
| 30 | 70.8a | 10.0a | 4.0c | 9.6a | 41.5a | 91.8a | 20.7a | 33.6a | 4162.5a |
| 60 | 71.2a | 12.4b | 4.5b | 8.7b | 34.0b | 81.5b | 19.3b | 32.0a | 3844.5b |
| 100 | 68.4b | 12.0b | 5.0a | 8.4c | 31.5b | 76.5c | 19.7b | 28.0b | 3289.5c |
3 讨论
土壤活性有机碳作为碳库指标之一,是土壤中易被分解转化、活跃程度最高的,对维持土壤肥力及土壤碳储量至关重要。免耕秸秆还田既可以增加土壤有机碳的输入,又能够降低土壤有机碳的侵蚀,提高农业可持续发展能力。一般认为,免耕能够增加土壤表层有机碳含量,但对深层土壤有机碳含量是否增加及其是否随耕作年限的增加而持续变化的结论不一致。张林森等[14]通过不同覆盖方式对土壤有机碳各组分及微生物群落活性的影响研究得出,土壤有机碳含量随覆盖年限的增加而增加。徐尚起等[15]以南方双季稻田为研究对象,研究了不同耕作方式对土壤有机碳分布的影响,表明免耕有利于表层土壤有机碳的积累,但不利于亚表层土壤有机碳的积累。本研究结果表明,免耕秸秆还田对寒地土壤有明显的固碳效应,有助于提高土壤有机碳（4.1%~22.3%）和土壤活性有机碳（52.5%~75.5%）含量;少量秸秆覆盖（30%处理）对深层土壤有机碳含量影响不大,60%秸秆覆盖量土壤有机碳含量最高。这是由于长期连续免耕覆盖还田,土壤有机质逐渐积累,植物残体主要积累在表土层中,而亚表层土壤不受扰动,外源有机物输入不足,不利于深层土壤有机碳的积累;同时,秸秆覆盖还田量过大,会造成碳氮比失调,出现微生物与植物争氮的情况,也不利于土壤有机碳的积累。因此,在15~30cm深层土壤中,60%秸秆覆盖还田处理土壤总有机碳含量高于100%秸秆覆盖还田处理。
外源有机物的输入可以使微生物分解有机碳源速度加快,保证较高的微生物生物量含量,同时微生物同化固定作用加强,改善土壤理化及生物学性状[16,17]。由于长期连续免耕覆盖还田不扰动土壤,连年植物残体等多积累于土壤表面,使表土层的土壤微生物学特性发生了较大的改变,与秸秆不还田相比,微生物生物量碳含量明显提高[18,19]。本研究免耕秸秆覆盖处理土壤微生物生物量碳含量较无秸秆覆盖处理增加14.6%~44.7%,产生这种差异的原因是土壤微生物以异养型种群为主,其生命活动过程需要消耗一定的能量,免耕不扰动土层,植物残体主要积累在表土层中,秸秆覆盖量大,可供微生物维持生命活动的能量充足,但秸秆覆盖量过大,反而影响微生物活性,因此,本试验条件下,秸秆覆盖量从60%增至100%时,微生物生物量碳含量变化不明显。
受免耕年限以及试验地土壤类型、土壤肥力和气候条件等影响,对免耕秸秆还田是否增产的研究结论也不同[20,21,22]。免耕秸秆覆盖能减少表层土壤温度和水分含量的波动[23,24],在干旱区域或春季高温干旱年份有利于作物出苗,但对于积温不足的东北寒地容易出现出苗延迟和不齐现象,易导致作物发育初期生长缓慢。本试验年份由于早春低温多雨,大量秸秆还田处理地温偏低,对大豆出苗造成了影响,导致100%秸秆还田处理单位面积收获株数减少,60%和100%秸秆还田处理生长发育延迟,无效节数增多,单株荚数和单株粒数减少,影响了产量的形成,因而100%秸秆还田处理产量显著低于其他处理。30%秸秆还田处理在本试验年份出苗及生育初期生长良好,且土壤性质较0%处理优越,有利于产量形成。因此,在低温多雨年份,应慎重应用免耕全量秸秆覆盖还田栽培技术。
4 结论
在高纬度寒地应用免耕秸秆覆盖还田技术,通过合理轮作、条带耕作等措施控制秸秆覆盖量,优化寒地免耕技术措施,可有效实现土壤有机碳和活性有机碳的积累和周转,改善土壤理化及生物学性状,提升土壤质量水平,提高作物产量,实现农业高效低碳可持续发展。
