秸秆还田影响农田土壤有机碳组分的研究态势分析

秸秆还田影响农田土壤有机碳组分的研究态势分析

周航1,2,3,4,5，杨晨曦1,2,3,4,5

（1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司,陕西西安710075;2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司,陕西西安710075;3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,陕西西安710075;4.陕西省土地整治工程技术研究中心,陕西西安710075；5.自然资源部土地工程技术创新中心，陕西西安710075）

摘要：大量研究表明，秸秆还田能够在一定程度上增加土壤通气能力，改善理化性质。土壤理化性质是影响植物生长发育和评价区域水土保持功能的重要指标。研究表明，在0~10cm和10~20cm土层的土壤有机碳和水溶性有机碳含量顺序均为SFG>NFG>CK。<0.053mm粒级团聚体有机碳含量明显高于>0.250mm和0.053~0.250mm粒级。在0~10cm土层,SFG、NFG处理土层>0.250mm、<0.053mm、0.053~0.250mm粒级团聚体有机碳含量均比对照CK提高10%以上;而在10~20cm土层,SFG处理>0.250mm粒级和NFG处理0.053~0.250mm粒级团聚体有机碳含量增加最为明显。不同处理之间穗粒数和产量差异达到显著水平(P<0.05),产量与土壤有机碳含量之间呈极显著(P<0.01)正相关关系,可见秸秆配合耕作措施有利于促进土壤有机碳及农作物产量的提高。

关键词：秸秆还田；土壤；有机碳

基金项目：内部项目“无动力吸湿性材料合成及其在干旱地区自主灌溉性能研究”（ DJNY-YB-2023-23）,预研项目“不同浓度调环酸钙对盐碱胁迫下大豆根系生长效应研究”（2022-NBYY-07），省自然科学基础研究计划“砒砂岩与沙复配土有机碳固持及驱动机制研究”（2021JZ-57）

1秸秆还田处理的必要性、经济性分析

1.1必要性

农田土壤里有蚯蚓等动物以及微生物，有生命的土壤才能为作物提供营养，才能防止地力下降。作物根茬和茎叶就是土壤生命的最安全健康的食物。如果焚烧秸秆，会将地表中的微生物破坏，腐殖质、有机质也被破坏变质，将打破生物系统的原有平衡，改变土壤的原有状态，造成土壤板结硬化，减弱土地活力，农作物的茁壮成长、成熟、高产都将受到影响。若全部打包离田，就等于断了土壤的粮草、养分。没有生命的土壤就如一堆沙子，不仅变硬变浅变瘠薄，还漏肥漏水多病，导致作物产量下降、品质变劣。健康的作物才能生产出健康的农产品。作物所必需的氮磷钾之外的其它矿物质营养尤其是微量元素，主要来自土壤。而作物从土壤中吸收的营养有50%左右在秸秆中，比如80%的钾。秸秆还田就相当于将作物所需的一半营养归还到农田土壤中，而且营养多元丰富。如果直接焚烧以草木灰的形式还田，虽然一些矿质营养可以回到土壤里，但是氮磷硫等作物所必需的非金属营养都排到空气中去了，导致土壤养分不平衡。比如缺碘和硒，就可能引发区域性的大规模地方病，不利于人体健康，影响食品安全。秸秆还田是将作物收获后的地上部茎叶直接还田土壤中，或者将收获的作物茎叶转变为畜禽饲料，之后以有机肥的形式间接还田土壤中。直接或间接还田是国内外作物秸秆最经济、最有效、最普遍的利用方式。

1.2经济性

在科学的秸秆还田技术下，由于技术不到位以及土壤生物需要一个适应时间，头一两年作物产量可能受到轻度影响或者基本不受影响，但是第三年后就呈现增产趋势，平均增产5%～10%，甚至更高。另外，作物秸秆还田增加了土壤养分投入，化肥施用量可以减少15%～20%，不仅作物不减产，而且地力还会提高。秸秆科学还田有利于作物高产稳产和化肥减量增效。

2秸秆还田影响农田土壤有机碳组分的研究态势分析

分析该研究领域发表文献中的关键词共现频率及联系脉络，有助于发现该领域的研究热点和重点方向。基于文献计量学（CiteSpace.5.6.R3）软件将检索到的相关文章进行关键词知识图谱分析（Count≥20）。每一个节点代表一个关键词，节点越大，表明关键词出现的频率越高。高频关键词可分为2类：（1）与影响田间土壤碳组分变化相关的田间管理措施。“秸秆还田”“秸秆”“免耕”“耕作方式”“碳库管理指数”等高频关键词的出现表明影响田间土壤碳组分变化相关的田间管理措施具有多样性，且具有改变土壤有机碳库循环过程的能力。叶子壮等[1]经过5a大田定点实验研究发现，秸秆还田会增加土壤（0～20cm）有机碳含量28.3%，同时提高旱地土壤质量。（2）秸秆还田措施下农田土壤环境（有机碳、微生物和团聚体等指标）的变化。“土壤有机碳”“有机碳”“土壤团聚体”“土壤酶活性”“土壤养分”等高频关键词的出现表明通过秸秆还田，包括土壤养分、土壤结构、土壤微生物多样性等指标在内的土壤生态系统将会发生改变。马子钰和马文林[2]通过meta分析法对秸秆还田影响中国农田土壤有机碳含量的因素及影响程度进行分析，结果表明，秸秆还田年限越长，土壤固碳速率越小，且随着土层深度增加，土壤有机碳含量也会减少，以0～20cm土层土壤有机碳固碳效果最佳，其余深度土层的固碳效果表现不显著。

3研究实例分析

3.1试验地概况

试验于2020~2023年在某农业研究院长期玉米秸秆还田试验基地开展，该基地属于中温带大陆性季风气候，年平均降水量400mm，雨热同期，降水主要分布在6~10月。土壤类型为褐土，土壤基本理化性质（0~20cm土层）：碱解氮123.36mg·kg-1，有效磷20.03mg·kg-1，速效钾144.6mg·kg-1，有机质25.3g·kg-1，ｐＨ值为8.13。

3.2　试验设计

试验共设5个处理，分别为不深松+不秸秆还田（CK）、不深松＋每年秸秆还田（NFG）、间隔一年深松＋每年秸秆还田（EFG）、间隔两年深松＋每年秸秆还田（TFG）和连年深松＋每年秸秆还田（SFG），各处理小区面积均为0.35hm2。其中秸秆还田处理为每年秋季机械收获后将玉米秸秆全部粉碎为长度为5cm左右的小段，覆盖于地表，每年还田量为15000kg·hm-2。深松措施使用震动深松机进行，深度为25cm。

供试玉米品种为‘嫩单19’，每年4月30日播种，种植密度8.25万株·hm-2，收获日期为9月29日。采用免耕播种一体机深施金正大牌控释肥（总养分≥8%，氮∶磷∶钾＝26：11：11），各处理施肥量均为750kg·hm-2。生育期机械喷灌385mm水量，生育期内不扰动土壤。

3.3测定项目及方法

土样采集:2022年9月25日对各处理小区土壤进行采集,采用S形取样法,深度为0~10cm和10~20cm(3次重复)。采集样品自然风干后过分样筛,常温保存备用。土壤有机碳:采用重铬酸钾外加热法进行测定[3]。团聚体采用湿筛法,称取风干土样100g,将其放置在由孔径分别为2.000,0.250和0.053mm的自动振荡套筛的最上层,在室温条件下用蒸馏水浸润5min后,以30次·min-1的速度和上下振幅为3cm振荡2min。筛分结束后,将每层筛上的团聚体冲洗到烧杯中,获得>2.000、2.000~0.250mm和0.250~0.053mm的水稳性团聚体,<0.053mm团聚体在桶内沉降48h,弃去上清液后转移至烧杯中,于60℃烘干计重,元素分析仪(VarioELⅢ,Elementar,Germany)测定团聚体中有机碳含量。水溶性有机碳提取方法:称取过2mm筛风干土样3.00g,置于50mL离心管内,加蒸馏水30mL,搅匀,置于恒温水浴振荡器上振荡(180r·min-1,50±2℃)1h,取出后3500r·min-1离心15min,上清液用中速定量滤纸过滤。WSOC溶液碳含量采用TOC(multiN/C2100,德国耶拿)分析仪测定。

采用SPSS19.0分析差异显著性。Excel2010进行数据分析。

3.4结果分析

3.4.1深松+秸秆覆盖还田对土壤有机碳的影响

土壤有机碳含量易受自然环境条件和耕作措施影响,处于消耗和累积的动态变化中[4]。研究表明,作物秸秆对土壤有机碳的贡献率占其总量的40%~50%,且深松能够在一定程度上改善土壤碳循环,促进土壤中有机碳的积累。本研究结果表明在0~10cm和10~20cm土层的土壤有机碳含量顺序均为SFG>NFG>CK,说明深松+秸秆覆盖还田可以显著增加土壤有机碳含量,一是因为秸秆还田产生了激发效应;二是深松配合秸秆还田提高了土壤的通气性,增加土壤微生物数量和活性,加快秸秆腐解,进而提高土壤有机碳含量。在本研究中,0~10cm土层土壤有机碳含量高于10~20cm土层。这是因为秸秆还田配合深松影响土壤有机碳的垂直分布,秸秆大部分覆盖在0~10cm的土壤表层,配合深松措施虽然可使10~20cm土层与秸秆接触,但并不充分,无法形成秸秆层,故该土层土壤有机碳提高幅度不及0~10cm土层。

3.4.2深松+秸秆还田对土壤不同粒径有机碳和水溶性有机碳的影响

土壤团聚体有机碳和水溶性有机碳主要来源于植株残体、外源有机物料的投入及微生物代谢等,且耕作方式和施肥种类发生改变时,团聚体有机碳和水溶性有机碳的含量也随之变化。刘玮斌等[5]研究表明,不同粒径颗粒有机碳、水溶性有机碳与土壤有机碳含量呈正相关性。在本研究中,<0.053mm粒级团聚体有机碳含量明显高于>0.250mm粒级和0.250~0.053mm粒级,表明土壤颗粒对土壤有机碳吸附作用随着颗粒粒径减小而增强。与CK相比,在0~10cm土层,SFG、NFG处理土层>0.250mm、<0.053mm和0.053~0.250mm粒级团聚体有机碳含量均提高10%以上;在10~20cm土层,SFG处理>0.25mm粒级团聚体有机碳含量增加最为明显,为36.11%,NFG处理0.053~0.250mm粒级有机碳含量增加最高,为24.65%。说明长期秸秆还田或秸秆还田配合耕作措施均可以增加土壤大颗粒有机碳的含量,有利于形成良好的耕层土壤团粒结构,亦说明土壤粗细颗粒有机碳含量对有机物料还田的响应相对更敏感,适合作为土壤有机碳库变化的早期预示指标。本研究中SFG处理在0~10cm和10~20cm土层水溶性有机碳含量最高,可能是因为SFG处理中秸秆和土壤均匀混拌,而且秸秆还田使土壤中微生物含量骤增,加速了微生物生长代谢活动,从而促进了土壤有机碳矿化及作物残体分解,使土壤有机碳更多地转化为水溶性有机碳。

4秸秆还田利用的有效策略

4.1提升农民群众正确认识

1）开展秸秆利用技术教育。操作中可以由专业人员深入到基层中，向农民群众推广和演示秸秆利用方法和技术，农民群众在观看、学习和操作过程中，也能够深刻认识到秸秆循环利用的优势与益处，并对秸秆综合利用充满深入探究的兴趣，为后续推广利用赢得农民群众广泛支持奠定良好的基础。2）依托媒体手段加大宣传。有效利用宣传栏、电视广播、微博抖音等媒体手段，对秸秆绿色循环利用进行大力的宣传，并围绕秸秆还田、制作肥料、转化成燃料等，将秸秆综合利用过程剪辑成图片视频，然后通过上述提到媒体手段进行传播，这样也能提升农民群众对秸秆综合利用的思想认识，并为农业健康发展和农业生态环境保护提供有力的支撑[6]。

4.2加大政府支持引导力度

1）加大资金扶持力度。推广秸秆综合利用，除了需要运用到许多相关的设施设备以外，还要投入一定的资金，这时候政府部门就可以根据农民秸秆综合利用产生的实际费用，给予一定的资金补贴，这样既能够帮助农民群众解决秸秆综合利用资金不足的问题，又能够增强当地农民群众积极参与秸秆综合利用项目实施的积极主动性。2）加强秸秆利用技术指导。在引导农民群众对秸秆进行综合利用时，政府部门也要委派专门的技术团队深入到基层进行技术扶持与正确指导，以帮助农民群众掌握正确的秸秆还田、制作燃料等的技术方法，并在传帮带中实现大规模的推广与应用。3）建立专门示范基地。操作中可以选择合适的地区作为秸秆综合利用的示范基地，并通过该基地开发成立秸秆还田、燃料制作、生成原料等项目板块，让周边地区民众深入到该基地进行参观和学习，甚至还可以围绕不同的秸秆综合利用项目开展综合化的服务，进而取得更为理想的效果。

结语

我国具有丰富的农作物秸秆资源，近年来，国家提倡资源循环利用，通过合理的处理方式将秸秆还田能够提高土壤有机质含量，增加土壤养分，还能够保护生态环境。有关部门应当坚持农用优先、多措并举，完善秸秆综合利用方式，强化科技服务保障，探索建立可推广、可持续的产业发展模式和高效利用机制，引领秸秆综合利用提质增效。

参考文献

[1]商涛.秸秆还田方式对玉米产量及土壤理化特性的影响[J].特种经济动植物,2024,27(02):23-24+70.

[2]高盼,王宇先,蔡姗姗,徐莹莹,杨慧莹,王晨,张巩亮.玉米秸秆还田下深松年限对土壤有机碳含量及胡敏酸结构特征的影响[J].干旱地区农业研究,2024,42(01):205-213.

[3]高盼.深松与秸秆覆盖还田对半干旱区土壤碳组分和玉米产量的影响[J].黑龙江农业科学,2024,(01):7-11.

[4]王治统,凌俊,刘子熙,赵德强,李泽学,周顺利,袁兴茂,李霄鹤,温媛.秸秆还田方式对土壤理化性质和玉米产量的影响[J].中国生态农业学报(中英文),1-12.

[5]李本帅,杜秀国.秸秆综合利用中作物秸秆还田利用的经济性分析[J].农机市场,2023,(12):62-63.

[6]苏日娜.土地整治工作中现代测绘技术的应用路径探索[J].西部资源,2023,(05):91-93.