王旭東 莊俊杰 劉冰洋 李帥帥 趙 鑫 劉 洋 張海林*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)作制度重點實驗室，北京 100193；2.遼寧省農(nóng)業(yè)科學院 耕作栽培研究所，沈陽 110161)

農(nóng)田土壤的固碳能力對全球碳循環(huán)的意義重大[1]。土壤有機碳庫是影響大氣CO2含量變化的重要因素[2]，對全球氣候變化具有重要的影響。通過適當?shù)霓r(nóng)田管理措施，可以顯著提高農(nóng)田土壤有機碳含量[3-4]及其活性組分[5]，改善土壤結(jié)構(gòu)[6-8]，從而提高土壤肥力[9]，最終促進作物增產(chǎn)增收。此外，土壤有機碳是評價土壤質(zhì)量的重要指標，其狀態(tài)變化對土壤的物理、化學和生物學過程有著顯著的影響[10]。提高土壤有機碳含量能降低土壤退化和被侵蝕的風險，為土壤微生物提供足夠能量，促進土壤污染物的降解[11]。因此，提高土壤固碳能力，不僅可以緩解氣候變化，同時也可以維持土壤健康，提高生產(chǎn)能力。

中國是秸稈資源非常豐富的國家，據(jù)估算我國2015年農(nóng)作物秸稈總產(chǎn)量約為9.31億t，是一筆寶貴而豐富的資源[12]。對于作物秸稈的處理方式有很多，如直接還田、制備生物炭、作為燃料、動物飼料和田間焚燒等[13-14]。不合理的利用方式(如田間直接焚燒)不僅浪費了寶貴的農(nóng)業(yè)資源，還會造成環(huán)境污染、加劇溫室效應(yīng)[15-16]。秸稈直接還田被認為是一項經(jīng)濟、高效、環(huán)保的秸稈處理方式[17-18]。但秸稈還田對土壤有機碳的作用受諸多因素影響，如還田方式[19-20]、還田年限[21]、耕作方式[22-24]、作物種類[25]、施氮量[26]和氣候條件[27-28]等。Fan等[19]對中國東北地區(qū)單季玉米種植的研究表明，比起覆蓋還田，將秸稈粉碎后均勻還田能顯著增加土壤有機碳含量。Liu等[21]通過Meta分析研究176篇同行評議的論文，指出秸稈還田12年之后，土壤碳庫將達到飽和。Zhang等[24]在山西省的長期定位試驗結(jié)果表明，秸稈還田配合免耕相比常規(guī)耕作，能增加0～5 cm土壤氮儲量達48%。Dong等[25]通過陜西省楊凌市3年的田間試驗得出，秸稈還田條件下種植小麥相比種植玉米，土壤微生物量碳能增加18.2%，可溶解有機碳增加2.8倍。Dalal等[26]在澳大利亞昆士蘭州持續(xù)40年的田間試驗結(jié)果顯示，秸稈還田配施氮肥能夠顯著增加土壤有機碳含量和提高小麥產(chǎn)量。Wilhelm等[27]總結(jié)了多篇文獻后指出，氣候條件影響農(nóng)作物秸稈變成有機碳的方式和速度。此外，秸稈還田促進土壤固碳這一作用效果在不同區(qū)域間變化明顯，這可能和我國不同區(qū)域種植模式、氣候、土壤條件差異有關(guān)[13]。因此，從全國范圍了解評價秸稈還田對土壤有機碳的影響，明確造成不同區(qū)域間差異的主要原因，有助于科學高效利用秸稈，提高農(nóng)田土壤碳庫的固碳能力，揭示秸稈還田對土壤有機碳的影響機制[29]，同時，對進一步挖掘秸稈還田固碳潛力和正確認識其對緩解氣候變化的真實效果有著重要意義。

Meta分析是一種對同類研究的多個研究結(jié)果進行整合分析，并獲取一致性結(jié)論的統(tǒng)計方法[30-31]。近年來，Meta分析在我國農(nóng)學領(lǐng)域的應(yīng)用不斷延伸，作為適合更大時間和空間范圍的統(tǒng)計工具，正不斷地發(fā)揮著獨特而重要的作用，已經(jīng)成為分析關(guān)鍵因素的潛在影響和評價因素變化有效的方法[32]。目前關(guān)于土壤有機碳含量影響因素的研究多基于特定試驗地的若干年份試驗，對于更多因素對秸稈還田后土壤有機碳含量的變化研究鮮有報道。本研究基于Meta方法分析1992—2018年已發(fā)表的相關(guān)文獻數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上討論還田年限、施氮量和熟制等不同影響因素對土壤有機碳的作用效果，同時對重要影響因素在不同土層、不同還田年限的變化情況進行分析，旨在探究秸稈還田對中國農(nóng)田土壤有機碳含量的影響，構(gòu)建合理的秸稈還田及碳庫管理策略，以期為農(nóng)田土壤固碳減排和應(yīng)對緩解氣候變化提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究收集了1992—2018年已發(fā)表的文獻，其中中文文獻來自中國知網(wǎng)(http:∥www.cnki.net/)，英文文獻來自Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫(http:∥apps.webofknowledge.com/)。本研究所用中文檢索詞包括秸稈還田、有機碳等，所用英文檢索詞包括straw or residue, and return or retention or incorporation or retain or mulch, and soil organic carbon。為確保研究的準確性，本研究所用文獻均滿足以下標準：1)試驗區(qū)域為中國農(nóng)田土壤，試驗起止年份、地點等基本信息明確；2)試驗設(shè)計包括至少1對除秸稈還田與秸稈不還田外其他條件完全相同的處理；3)文獻給出試驗期間土壤有機碳含量，或根據(jù)文獻數(shù)據(jù)可以計算得出；4)試驗具有明確的重復數(shù)；5)試驗為田間定位試驗?；谝陨蠘藴蕠栏窈Y選，共獲得159篇符合要求的文獻，其中英文文獻43篇，中文文獻116篇，可進行分析的試驗數(shù)據(jù)1 063對。

1.2 數(shù)據(jù)分析

本研究使用MetaWin 2.1進行Meta分析[33]，以響應(yīng)比(R)的自然對數(shù)為效應(yīng)值(lnR)，通過式(1)計算每一對數(shù)據(jù)的效應(yīng)值[34]：

(1)

式中：Xt，秸稈還田處理下土壤有機碳含量，以C計，g/kg；Xc，秸稈不還田處理下土壤有機碳含量。通過式(2)得到各效應(yīng)值對應(yīng)權(quán)重：

w=(nt×nc)/(nt+nc)

(2)

式中：w，權(quán)重；nt，有秸稈還田處理的試驗重復次數(shù)；nc，沒有秸稈還田處理的試驗重復次數(shù)。利用重抽樣法計算效應(yīng)值得95%置信區(qū)間，如果效應(yīng)值的95%置信區(qū)間不與0重合，那么則認為效應(yīng)值顯著[35]，即若置信區(qū)間全部>0，則說明秸稈還田顯著增加農(nóng)田土壤有機碳含量(P<0.05)；若置信區(qū)間全部<0，則說明秸稈還田能夠顯著降低農(nóng)田土壤有機碳含量(P<0.05)[36]。若置信區(qū)間包含0，則說明秸稈還田對農(nóng)田土壤有機碳含量無顯著影響。為了便于描述，通過式(3)計算得到土壤有機碳含量的變化百分數(shù)。

E=(exp(lnR)-1)×100%

(3)

式中：E，秸稈還田條件相對于秸稈不還田條件土壤有機碳的變化，%。

本研究采用SigmaPlot 12.5軟件進行相關(guān)作圖。

1.3 分亞組Meta分析

由于中國不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)的氣候條件、耕作措施、種植制度以及作物種類差異較大，且秸稈還田方式、秸稈還田年限、氮肥施用情況等諸多因素均對農(nóng)田土壤有機碳含量有一定影響。因此，在本研究對已有的數(shù)據(jù)以多種方式進行分組，利用分亞組Meta分析方法檢驗某一特定因素對農(nóng)田土壤有機碳含量的影響，如還田年限、耕作措施、作物種類、土地利用類型等(表1)。此外，為更加精確地探究不同土層有機碳含量的影響因素，本研究將各土層數(shù)據(jù)分為：0～10、>10～20、>20～40、>40 cm (最深達100 cm)。對每一土層有機碳含量的影響因素分別加以分析。為明確各類因素對有機碳含量影響隨還田年限變化所表現(xiàn)出的規(guī)律，本研究將還田年限分為1～5、6～10和>10 年。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田對中國不同區(qū)域農(nóng)田土壤有機碳含量的影響

圖1可知，從全國范圍，秸稈還田能顯著增加農(nóng)田土壤全土層(在本研究中，全土層最深達100 cm)12.1%的有機碳含量(P<0.05,下文如未說明均指全土層)，不同地區(qū)秸稈還田都促進土壤有機碳含量的增加，但影響程度各不相同。在華東地區(qū)，秸稈還田對農(nóng)田土壤有機碳含量的增加效應(yīng)最為顯著(P<0.05)，能夠顯著增加14.6%的土壤有機碳含量。西北和西南地區(qū)分別顯著增加12.4%和13.8%，均高于全國平均水平(P<0.05)。華中、東北和華北3個地區(qū)秸稈還田對農(nóng)田土壤有機碳含量的影響效應(yīng)均低于全國平均水平，其中東北和華北地區(qū)分別顯著增加9.3%和10.8%(P<0.05)。在華中地區(qū)，秸稈還田顯著增加7.7%的土壤有機碳含量(P<0.05)，在所有地區(qū)中增加效應(yīng)最小。

2.2 秸稈還田試驗地自然條件對土壤有機碳含量的影響

與秸稈不還田相比，隨著年均降水量的增加，秸稈還田對全土層土壤有機碳的增加效應(yīng)總體上呈波動變化的趨勢(圖2)。當年均降水量為0～400、>400～600、>600～800、>800 mm時，相對秸稈不還田，秸稈還田條件下土壤有機碳含量分別顯著增加11.4%、12.1%、9.0%、14.3%(P<0.05)。隨著年均溫度的增加，秸稈還田對全土層土壤有機碳的增加效應(yīng)先減小后增大。年均溫度在0～10 ℃、>10～15 ℃和>15 ℃的區(qū)域，秸稈還田增加有機碳含量的幅度分別為13.3%、10.5%和13.6%(P<0.05)。

表1 數(shù)據(jù)分組情況Table 1 Data grouping

0線表示無效線，誤差線表示95%置信區(qū)間，誤差線附近的數(shù)字表示相應(yīng)分組的數(shù)據(jù)對數(shù)量。誤差線與無效線沒有交點時差異顯著，P<0.05。下同。華東地區(qū)包括安徽省、江蘇省、浙江省、福建省、江西省、山東省和上海市；華北地區(qū)包括山西省、河北省、北京市和天津市；華中地區(qū)包括河南省、湖北省、湖南省；西南地區(qū)包括四川省、貴州省、云南省、西藏自治區(qū)和重慶市；西北地區(qū)包括陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)；東北地區(qū)包括黑龍江省、吉林省和遼寧省。未列出的省份表示根據(jù)本研究文獻篩選標準，沒有獲得相關(guān)地區(qū)的研究數(shù)據(jù)。Vertical axis represents invalid line. Error bars represent 95% confidence intervals. Numbers near each bars are numbers of comparisons; If confidence intervals do not overlap with zero, it indicates significant increase (>0) or decrease (<0) (P<0.05). The same below. Eastern China includes Anhui Province, Jiangsu Province, Zhejiang Province, Fujian Province, Jiangxi Province, Shandong Province, Shanghai Municipality; North China includes Shanxi Province, Hebei Province, Beijing Municipality, Tianjin Municipality; Central China includes Henan Province, Hubei Province and Hunan Province; Southwest China includes Sichuan Province, Guizhou Province, Yunnan Province, Tibet Autonomous Region, Chongqing Municipality; Northwest China includes Shaanxi Province, Gansu Province, Qinghai Province, Ningxia Hui Autonomous Region, Xinjiang Uygur Autonomous Region; Northeast China includes Heilongjiang Province, Jilin Province, Liaoning Province. The unlisted provinces indicated that no data are obtained according to the screening criteria of this study.圖1 秸稈還田下中國不同區(qū)域土壤有機碳含量的變化率Fig.1 Relative change rate of residue retention on SOC content in different regions of China

不同種植制度和土地利用類型對秸稈還田下全土層土壤有機碳含量也有不同的影響，一年兩熟制有機碳增量最高，達11.7%；一年一熟制有機碳增量居中，為11.2%；兩年三熟制度下有機碳增量最低，為8.7%。水旱輪作下有機碳增量最高，達13.5%；其次為水田，為12.9%；旱地有機碳增量最低，為11.1%，總體上三者差異不大(P>0.05)。

(a)、(b)、(c)和(d)分別為年均降水量、年均溫度、種植制度和土地利用類型(a) Mean annual precipitation; (b) Mean annual temperature; (c) Cropping system; (d) Land-use type圖2 秸稈還田不同氣候狀況及管理措施下土壤有機碳含量的變化率Fig.2 Relative change rate of SOC content responding to residue retention under different conditions

2.3 秸稈還田農(nóng)田管理措施對土壤有機碳含量的影響

秸稈還田下不同耕作措施對全土層有機碳均呈現(xiàn)顯著的增加效應(yīng)(P<0.05)，秸稈還田下免耕、翻耕和旋耕3種措施對土壤有機碳的增加效應(yīng)呈遞增趨勢，分別為8.3%、9.2%和10.5%，不同措施的影響之間差異不大(圖3)。

隨著還田年份的增加，秸稈還田對全土層土壤有機碳的增加效應(yīng)呈增加的趨勢，還田年限在1～5、6～10和>10年時，分別顯著增加10.6%、12.1%和13.5%的有機碳含量(P<0.05)。

秸稈還田對全土層土壤有機碳含量的增加效應(yīng)總體上隨施氮量的增加呈先增加后減小的趨勢。當施氮量為0～120 kg/hm2，秸稈還田增加12.8%的有機碳含量；施氮量為>120～240 kg/hm2，秸稈還田增加13.7%的有機碳含量；施氮量>240 kg/hm2時，秸稈還田增加10.7%的有機碳含量(P<0.05)。

作物種類以及是否輪作對全土層土壤有機碳含量也有影響。秸稈還田條件下，種植水稻能增加14.6%的有機碳含量，種植小麥增加9.9%，種植玉米增加10.7%。當在作物輪作模式中使用秸稈還田時，土壤有機碳含量顯著增加11.6%；而在不存在作物輪作的模式中，秸稈還田顯著提高13.4%的土壤有機碳含量(P<0.05)。

(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)分別為耕作措施、還田年限、施氮量、作物種類、種植模式和土層深度。(a) Tillage practices; (b) Experimental duration; (c) N input; (d) Crop types; (e) Cropping pattern; (f) Soil depth圖3 秸稈還田不同農(nóng)田管理措施下土壤有機碳含量的變化率Fig.3 Relative change rate of SOC responding to residue retention under different field management practices

2.4 秸稈還田條件下不同土層土壤有機碳含量的影響因素分析

由圖4可知，試驗區(qū)域年均降水量在>400～600和>600～800 mm時，秸稈還田對土壤有機碳含量的增加效應(yīng)總體上隨土層加深而減小，在0～10 cm相對變化率最大，分別為11.4%和14.6%(P<0.05)，降水量為>400～600 mm時，秸稈還田對>10～20和>40 cm土層沒有顯著影響。然而當年均降水量>800 mm時，秸稈還田顯著增加>20～40和40 cm以下土層有機碳含量分別達35.7%和37.5%(P<0.05)，遠高于其他土層。

試驗區(qū)域年均溫度為0～10 ℃時，秸稈還田分別顯著增加0～10和>20～40 cm土壤有機碳含量10.7%和13.4%，由于缺少>10～20 cm土層的研究數(shù)據(jù)，總體趨勢不明晰。年均溫度為10～15 ℃時，秸稈還田對10 cm以下土層的有機碳增加效應(yīng)不顯著，在0～10 cm為12.9%(P<0.05)；年均溫度>15 ℃時，隨土層加深，秸稈還田對土壤有機碳的增加效應(yīng)總體上呈現(xiàn)增大的趨勢，在>10～20 cm 土層最小，為4.7%，在>20～40 cm土層最大，為22.8%(P<0.05)。

研究結(jié)果表明，無論試驗區(qū)域是否輪作，秸稈還田均能增加土壤有機碳的含量，增加效應(yīng)均在>20～40 cm土層最大，輪作為16.4%，不輪作為12.8%(P<0.05)。隨土層加深，輪作下秸稈還田的增加效應(yīng)在7.9%～16.4%，無論試驗區(qū)域是否輪作，秸稈還田對40 cm以下土層有機碳含量的影響不顯著。

種植不同的作物，秸稈還田對土壤有機碳含量的影響有所差異。試驗區(qū)域種植小麥、玉米均增加有機碳含量，最高分別增加14.5%和11.0%(P<0.05)，見圖3。種植玉米對40 cm以下土層的有機碳含量影響不顯著。種植水稻對較深層土壤有機碳含量的增加效應(yīng)高于淺層土壤，在>20～40 cm 土層增加33.8%(P<0.05)，而0～10和>10～20 cm分別僅增加9.4%和7.0%(P<0.05)。

比較秸稈還田下不同耕作方式對土壤有機碳的影響，0～10 cm土層中，旋耕、免耕和翻耕分別增加了12.7%、13.4%和7.2%的有機碳含量(P<0.05)；然而在10 cm以下的土層中，翻耕對土壤有機碳的影響不顯著。旋耕和免耕對土壤有機碳總體上均呈現(xiàn)增加效應(yīng)，免耕在>10～20 cm 土層的增加效應(yīng)不顯著，旋耕在>20～40 cm土層的增加效應(yīng)不顯著(圖4)。

不同土地利用類型中，水旱輪作下秸稈還田對全土層土壤有機碳均呈現(xiàn)顯著的增加效應(yīng)，加權(quán)平均效應(yīng)值總體上隨土層加深而增大，>20～40 cm最大為33.8%(P<0.05)。旱地在>10～20 cm土層的影響不顯著，在0～10和>20～40 cm分別增加12.8%和11.0%(P<0.05)。水田的研究數(shù)據(jù)較少，有限的數(shù)據(jù)中，秸稈還田對水田0～10和>10～20 cm土層均無顯著影響。

(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分別為年均降水量、年均溫度、種植模式、作物種類、耕作措施、土地利用類型。下圖同。(a) Mean annual precipitation; (b) Mean annual temperature; (c) Cropping pattern; (d) Crop types; (e) Tillage practices; (f) Land-use type. The same in Fig.5.圖4 秸稈還田條件下不同土層土壤有機碳含量的變化率Fig.4 Relative change rate of SOC content in different soil depth under residue returning

2.5 秸稈還田條件下不同還田年限土壤有機碳含量的影響因素分析

由圖5可知，試驗區(qū)域年均降水量在0～400 mm 時，秸稈還田對全土層土壤有機碳含量的增加效應(yīng)隨還田年限的增加變化不大。年均降水量為>400～600 mm時，還田6～10年秸稈還田對全土層土壤有機碳含量的增加最顯著，達17.6%(P<0.05)。年均降水量在>600～800 mm時，隨還田年限增加，土壤有機碳含量的增加效應(yīng)越大，還田10年以上時，增加18.8%(P<0.05)。當年均降水量>800 mm時，隨還田年限增加，秸稈還田下土壤有機碳含量呈穩(wěn)定的小幅增長趨勢，還田1～5、6～10和10年以上分別顯著增加全土層土壤有機碳12.7%、14.3%和15.1%(P<0.05)。

試驗區(qū)域年均溫度為0～10 ℃時，秸稈還田 6～10年全土層土壤有機碳的增加效應(yīng)最顯著，達21.1%(P<0.05)，年均溫度為>10～15 ℃時，隨還田年限增加，全土層土壤有機碳的增加效應(yīng)遞增，還田1～5、6～10和10年以上分別顯著增加全土層土壤有機碳6.2%、8.8%和16.6%(P<0.05)。年均溫度>15 ℃時，秸稈還田對全土層土壤有機碳含量的增加效應(yīng)隨還田年限的增加變化不大。

圖5 秸稈還田條件下不同還田年限土壤有機碳含量的變化率Fig.5 Relative change rate of SOC content in different experimental duration under residue returning

研究結(jié)果表明，對于輪作的試驗區(qū)域，還田不同年限對全土層土壤有機碳含量的增加效應(yīng)變化不大，還田1～5、6～10和10年以上分別顯著增加全土層土壤有機碳11.4%、10.7%和11.9%(P<0.05)。對于不輪作的試驗區(qū)域，還田6～10和10年以上分別增加全土層有機碳含量25.1%和22.0%(P<0.05)，增加效應(yīng)明顯高于還田1～5年的6.8%(P<0.05)。

種植不同的作物，秸稈還田年限對土壤有機碳含量的影響有所差異。不同還田年限下，種植小麥、玉米、水稻均顯著增加全土層土壤有機碳含量，不同還田年限對小麥田土壤有機碳含量的影響在10.1%～10.7%(P<0.05)，隨試驗年限增加變化不大。玉米田和稻田均在還田6～10年時全土層土壤有機碳含量增加效應(yīng)最顯著，分別達13.2%和30.2%(P<0.05)。

不同還田年限下，各耕作方式均顯著增加土壤有機碳含量。翻耕的試驗地隨還田年限增加，全土層土壤有機碳含量的增加效應(yīng)遞增，還田1～5、6～10和10年以上分別顯著增加全土層土壤有機碳4.1%、14.1%和15.0%(P<0.05)。免耕的試驗地在還田6～10年全土層土壤有機碳含量的增加效應(yīng)最大，達9.9%(P<0.05)。旋耕的試驗地在還田10年以上時全土層土壤有機碳含量的增加效應(yīng)最大，達14.2%(P<0.05)，在還田6～10年增加效應(yīng)最小，為7.0%(P<0.05)。

不同土地利用類型中，旱地和水旱輪作下還田年限對全土層土壤有機碳均呈現(xiàn)顯著的增加效應(yīng)，增加效應(yīng)均在還田6～10年最顯著，分別為13.0%和22.6%(P<0.05)。在水田秸稈還田10年以上時，全土層土壤有機碳顯著增加22.7%(P<0.05)，在不同還田年限各土地利用類型中增加得最多。然而秸稈還田1～5年時，水田土壤有機碳含量表現(xiàn)出增加的趨勢，但增加效應(yīng)不顯著。

3 討 論

本研究應(yīng)用Meta-analysis對秸稈還田條件下農(nóng)田土壤有機碳含量及其影響因素進行了定量分析，有助于揭示秸稈還田對農(nóng)田土壤有機碳含量的影響機制。土壤碳庫由許多不同穩(wěn)定性的組分組成，其動態(tài)平衡對土壤肥力的保持和提高、作物產(chǎn)量的提升有重要影響[37]。秸稈還田能否增加土壤有機碳的含量，與土壤有機質(zhì)的輸入和土壤有機碳的礦化分解有關(guān)[38]。本研究表明，秸稈還田能夠顯著增加土壤有機碳的含量，這與趙鑫[39]、蔡太義等[40]研究結(jié)論一致，這主要是因為土壤碳庫的損失在秸稈還田下得以直接補充[41]。

3.1 秸稈還田下不同農(nóng)田管理措施對有機碳含量的影響

研究結(jié)果表明，在秸稈還田的基礎(chǔ)上，免耕能顯著提高0～10 cm有機碳含量達13.4%(P<0.05)，免耕、翻耕等耕作方式能增加有機碳的含量，這與葉新新[42]等在沿淮區(qū)域的研究結(jié)果一致，因此，適當?shù)母鞣绞浇Y(jié)合秸稈還田是提升農(nóng)田土壤生產(chǎn)力的重要措施。

一直以來，免耕因被認為是改善土壤質(zhì)量、保持水土資源的有效做法[1,22,43]，然而從本研究結(jié)果來看，免耕對>10～20 cm土層有機碳含量的增加效應(yīng)略強于翻耕，但不如旋耕。這可能是由于研究數(shù)據(jù)取自不同深度土層而產(chǎn)生的差異，在本研究使用的數(shù)據(jù)中，土層最深達到100 cm，遠遠深于常規(guī)研究大多關(guān)注的0～20 cm土層。Du等[44]通過Meta-analysis提出，免耕的影響在不同區(qū)域以及不同土層的差異很大，不應(yīng)過于高估免耕的作用。再考慮到實際應(yīng)用中，農(nóng)戶生產(chǎn)條件及意愿也各有差異，因此，耕作方式的選擇應(yīng)該因地制宜，一地一法，不能一概而論。

秸稈還田與化肥配施能有效改土培肥，效果好于單施肥料或單施秸稈[45-46]。前人研究表明，以往的氮肥施用量(300 kg/hm2)往往是過量的，適當減少氮肥施用能降低N2O排放量[47-48]，從本研究數(shù)據(jù)得出，土壤的固碳效應(yīng)也呈現(xiàn)類似的結(jié)果，即低氮肥施用量有利于土壤有機碳的固定(圖3)，因此，建議生產(chǎn)中適當降低氮肥施用量，既能降低生產(chǎn)成本，增加作物產(chǎn)量，也有利于土地的持續(xù)利用。

3.2 秸稈還田下不同作物類型和熟制對有機碳含量的影響

相對小麥和玉米，稻田秸稈還田的有機碳增量更大，平均增加14.6%的有機碳，這可能與稻田水分充足，土壤微生物活動更頻繁，促進了還田秸稈的分解有關(guān)[49]。稻田對>20～40 cm較深層土壤有機碳的增加效應(yīng)比表層更大，可能是由于充足的水分提供了介體，使更多有機碳隨重力作用向深層滲透沉淀。本研究中年均降水量的分析結(jié)果初步印證了這一推測：當年均降水量>800 mm時，秸稈還田對>20～40和40 cm以下土層有機碳的增加效應(yīng)明顯大于0～20 cm土層，而較少的降水量對 40 cm 以下土層有機碳沒有顯著影響，且影響的加權(quán)平均效應(yīng)值為負。因此，更高的土壤含水量可能更有利于有機碳的積累，但實際情況如何，有待對更多數(shù)據(jù)的進一步研究。

一年一熟和一年兩熟的種植制度下，全土層土壤有機碳的增加效應(yīng)相似，分別為11.2%和11.7%，兩年三熟下農(nóng)田土壤有機碳增加效應(yīng)最小，只增加8.7%。作物生長消耗土壤有機碳，種植頻率高的土地，有機碳消耗量更大。從全土層來看，有輪作的土地有機碳增量(11.6%)小于不輪作的土地(13.4%)，可能同樣與輪作土地的使用頻率更高有關(guān)[50]。在實際生產(chǎn)中，通過合理種植作物，采取適當管理措施，可以較長時間保持土壤肥力，彌補種植頻率過高對土壤有機碳的消耗。然而本研究中也有數(shù)據(jù)表明相比不輪作，輪作對有機碳的增加效應(yīng)更明顯，這可能與試驗地的自然情況有關(guān)，作物種植還能起到防風固土的作用，在容易發(fā)生水土流失的地區(qū)，更高頻率的種植保留了更多的有機碳。因此，應(yīng)當重視土壤有機碳的固定，選用合適的耕作措施，適時施肥，保持土壤肥力。

有研究表明[51]，一年兩熟的稻麥種植系統(tǒng)中僅稻稈還田對土壤有機碳的影響與稻麥雙還的結(jié)果沒有顯著差異，這對于緩解我國秸稈的階段性、地區(qū)性短缺，提供了新的思路。對于秸稈資源過剩的地區(qū)，除了傳統(tǒng)的秸稈利用方式，如焚燒、還田、作為飼料外，應(yīng)當著力推動秸稈資源的綜合利用，例如，秸稈還可以代替木材造紙、生產(chǎn)建材和包裝材料、發(fā)電等。這些利用方式既能減少污染，增加農(nóng)民收入，更有利于農(nóng)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，響應(yīng)了建設(shè)“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”社會的要求[52]。

3.3 還田年限對有機碳含量影響因素的影響

多項研究表明，土壤有機碳含量隨著秸稈還田年限的增加而增加[53-54]。也有研究指出，秸稈還田較長時間后，土壤有機碳會達到飽和[21]。圖5可知，在年均降水量、年均溫度、種植模式、作物種類、耕作方式、土地利用類型等因素影響下還田6～10年對土壤有機碳含量的相對變化率相較于還田1～5年，基本都表現(xiàn)增加的趨勢。而還田10年以上相較于還田6～10年，僅部分因素影響下的土壤有機碳含量呈增加趨勢，多數(shù)情況下有機碳含量并無明顯提高，反而有下降的趨勢。這與Yemadje等[55]和Yang等[56]的研究結(jié)果一致。因此，秸稈還田持續(xù)年限并非越長越好，從本研究的結(jié)果來看，試驗地經(jīng)過10年左右的秸稈還田之后，可以暫停一段時間，配合輪耕措施、適當?shù)氖┓屎凸喔?，可以改善土壤結(jié)構(gòu)，保持土地肥力[57-58]。

為保證數(shù)據(jù)結(jié)果準確可靠，本研究在篩選數(shù)據(jù)時，嚴格要求所用數(shù)據(jù)除秸稈還田與否的因素外，其他條件完全相同，且必須給出有機碳數(shù)據(jù)和明確的實驗重復數(shù)，基于現(xiàn)有的已發(fā)表文獻，有些影響因素的數(shù)據(jù)量較小，有些文獻由于數(shù)據(jù)提供不詳實等原因，不能用于Meta的分析，由此可能會使結(jié)果的可靠性降低。此外，農(nóng)田土壤有機碳含量受多種因素的影響，這些因素之間可能存在一定的交互作用，因此還需要更進一步的研究進行檢驗。因此，在Meta分析時，應(yīng)盡可能增大樣本數(shù)據(jù)量，以便更客觀全面地揭示研究對象內(nèi)在的影響機制。在實際生產(chǎn)實踐中，應(yīng)綜合考慮當?shù)貧夂蛱卣鳌⑼寥罓顩r等條件，針對不同情形選擇適宜的種植方法，以期更好地達到農(nóng)田土壤固碳減排的效果。

4 結(jié) 論

本研究基于1992—2018年公開發(fā)表的秸稈還田對有機碳影響的文章數(shù)據(jù)，應(yīng)用Meta-analysis方法，定量分析了秸稈還田對農(nóng)田土壤有機碳含量的影響因素，結(jié)果表明，秸稈還田顯著增加了農(nóng)田土壤有機碳含量，但是增幅受多種因素的影響。

1)相對于秸稈不還田，秸稈還田條件下，華東、西北和西南地區(qū)農(nóng)田土壤有機碳含量的增量高于全國平均水平，華中、東北和華北地區(qū)則低于全國平均水平(P<0.05)。秸稈還田配合翻耕、免耕、旋耕均有利于農(nóng)田土壤有機碳的積累，但積累效應(yīng)在不同地區(qū)不同土層的差異可能較大，一般隨土層加深，效應(yīng)減小。

2)稻田秸稈還田有機碳增量比小麥田、玉米田更高。一年一熟與一年兩熟種植制度下農(nóng)田土壤有機碳增加效應(yīng)相近，分別為11.2%和11.7%，都高于兩年三熟制度(8.7%)，試驗地不輪作可能導致深層(>40 cm)土壤有機碳含量減少。

3)試驗地不同年均降水量對秸稈還田土壤有機碳含量的影響總體上差異不大，平均增加11.7%，但>800 mm的降水對20 cm以下土層有機碳含量的增加效應(yīng)有顯著提高。年均溫度的效應(yīng)與年均降水量相似，平均增加12.4%。高施氮量(>240 kg/hm2)不利于有機碳的固定，而>120～240 kg/hm2的氮肥施用量更有利于農(nóng)作物生長和土壤可持續(xù)利用。

綜上所述，秸稈還田對農(nóng)田土壤有機碳含量的影響因素很多，總體來說，較長的還田年限(6～10年)、適當?shù)母鞔胧?免耕結(jié)合旋耕翻耕等)、適度的氮肥施用量(>120～240 kg/hm2)等條件更有助于土壤有機碳含量的增加，從而實現(xiàn)農(nóng)田土壤的固碳減排以及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。