趙惠麗，董金琎，師江瀾?，徐 苗，田霄鴻

（1. 西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西楊凌 712100；2. 魯東大學資源與環(huán)境工程學院，山東煙臺 264025）

土壤占陸地生物圈總碳（C）儲量的40%以上，在全球C 循環(huán)中起著重要作用，因此，土壤能夠明顯地影響大氣中的二氧化碳（CO2）濃度[1]。通過提高土壤有機碳庫儲量并維持土壤有機碳庫的穩(wěn)定是緩減溫室效應(yīng)的有效途徑。其中農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳儲量占全球土壤碳庫的8%～10%，這部分有機碳容易受耕作等人為因素影響，農(nóng)田土壤碳庫消長既對全球氣候變化和碳平衡具有重要作用，更決定著土壤肥力質(zhì)量[2]。土壤有機碳周轉(zhuǎn)和含量變化需要較長時間尺度，而土壤不穩(wěn)定有機碳組分（LFSOC），包括微生物生物量碳（MBC）、可溶性有機碳（DOC）、活性有機碳（LOC）、熱水溶性有機碳（HWOC）和顆粒有機碳（POC）等及碳庫管理指數(shù)，則能在較短時期內(nèi)較為敏感地反映出農(nóng)藝管理措施的影響[3]，二者結(jié)合，可以對不同管理措施的優(yōu)劣進行更為可觀的評價[4]。

不同農(nóng)業(yè)管理措施和土壤類型以及氣候條件下維持土壤碳平衡需要確定碳投入下限，對正確評價土壤的固碳潛力和制定合理的有機物質(zhì)分配措施有重要意義[5]。土壤有機碳的平衡狀況取決于每年原有有機碳礦化損失量與積累量之間的盈虧[6]。在農(nóng)田土壤中，有機碳的主要來源是作物殘體、有機肥和其他有機殘?。s草、動物、土壤微生物等）[7]。近年來，傳統(tǒng)有機肥往往被施用于效益更高的經(jīng)濟作物體系中，而隨著糧食生產(chǎn)體系高投入高產(chǎn)出集約化種植模式的不斷強化，秸稈還田成為維持糧田土壤有機碳平衡或提高土壤肥力的一項最主要管理措施[8]。在過去30 余年中，麥玉輪作體系中小麥玉米秸稈粉碎翻壓還田措施（傳統(tǒng)秸稈還田）在關(guān)中平原等糧食主產(chǎn)區(qū)廣泛應(yīng)用。但是研究發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈粉碎還田通過影響農(nóng)田機械耕作，降低播種質(zhì)量及土壤儲水量，會降低玉米出苗率，不利于作物可持續(xù)生產(chǎn)[9]。其次，秸稈粉碎旋耕還田成本高耗時長。同時，有研究發(fā)現(xiàn)在該地區(qū)采用保護性耕作的秸稈還田模式（小麥秸稈高留茬）較傳統(tǒng)秸稈還田模式能更有效提高土壤水分利用率、土壤保水性、團聚體穩(wěn)定性及節(jié)水省工，減少土壤干擾，提高玉米發(fā)芽率[10]。此外，目前越來越多的農(nóng)作物秸稈被用作可再生資源原料、動物飼料等[11]。麥玉輪作體系小麥與玉米秸稈不同組合還田模式中，在維持土壤有機碳水平基礎(chǔ)上，多余秸稈可以用在其他方面。因此，有必要對小麥秸稈采用高留茬還田與玉米秸稈（還田或不還田）不同還田組合下土壤有機碳固存、不穩(wěn)定碳組分和產(chǎn)量進行評價，進而為篩選利于土壤可持續(xù)性發(fā)展與纖維素原料需求之間的平衡提供理論依據(jù)。

關(guān)中平原與黃淮海平原作為我國重要的糧食生產(chǎn)基地，長期采用一年兩熟麥玉輪作的高度集約化耕作制度。秸稈還田是促進糧食可持續(xù)性生產(chǎn)的有效途徑。Liu 等[12]研究發(fā)現(xiàn)中國華北平原小麥-玉米輪作體系下表層土壤有機碳的固存隨玉米秸稈還田量的增加而增加。Hao 等[13]利用6 年的小麥-玉米輪作定位試驗不同耕作與玉米秸稈組合下碳固存研究發(fā)現(xiàn)，深層土壤耕作與全量秸稈還田相結(jié)合改變了農(nóng)田土壤微生物群落和碳固存，有利于增加土壤固碳量，為解決土壤退化問題提供現(xiàn)實依據(jù)。Xu 等[14]也報道華北平原地區(qū)深松土壤與秸稈還田結(jié)合在2005—2015 年期間是實現(xiàn)高SOC 儲存、最高作物產(chǎn)量和作物產(chǎn)量穩(wěn)定性的有效方法。有關(guān)秸稈還田對土壤有機質(zhì)固存和碳庫管理指數(shù)的影響已有很多[15-16]，但主要集中在復種連作體系（如小麥/水稻輪作、水稻輪作種植體系等）或復種中單季秸稈還田和不同耕作組合的研究。小麥/玉米輪作體系中小麥秸稈高留茬與玉米秸稈不同組合還田模式下土壤有機碳固存效應(yīng)和CPMI 變化的相關(guān)研究并不多，且關(guān)于大型機械化還田操作下的長期定位試驗的研究更為缺乏。本研究基于連續(xù)9 年18 季的麥玉秸稈還田長期定位試驗，探討小麥秸稈粉碎還田改成高留茬還田后形成的還田模式對糧田 SOC 固存和CPMI 的影響，以期為該地區(qū)制定有利于土壤有機碳固存和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的作物秸稈最佳還田方式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在位于關(guān)中平原腹地的西北農(nóng)林科技大學斗口試驗站秸稈還田長期定位試驗基地（34°36′N，108°52′E，海拔427 m）進行，該地區(qū)屬于典型暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均降雨量527 mm，7、8、9 月份降水量占全年的65%左右，平均氣溫12.9℃，年均日照時數(shù)2 096 h，無霜期220 d 左右。土壤類型為褐土類塿土亞類紅油土屬，黃土母質(zhì)，系統(tǒng)分類為土墊旱耕人為土。試驗開始時土壤基本理化性質(zhì)為：有機碳10.57 g·kg-1，全氮0.68 g·kg-1，硝態(tài)氮13.87 mg·kg-1，銨態(tài)氮12.92 mg·kg-1，全磷0.61 g·kg-1，有效磷52.6 mg·kg-1，速效鉀122.8 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用冬小麥-夏玉米一年兩熟輪作制，始于2008 年夏玉米季，共有9 種還田模式，4 次重復，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積700 m2（56 m×12.5 m）。選擇試驗地4 種還田模式：1）秸稈均不還田作為空白對照（WN-MN，CK1），麥稈低留茬至10 cm 以下；2）小麥玉米秸稈均粉碎還田作為實際對照（WC-MC，CK2），代表目前傳統(tǒng)的秸稈還田模式，麥稈留茬30～40 cm，打碎至5～10 cm，旋耕入0～15 cm 土層，玉米秸稈則打碎至<5 cm，0～15 cm 旋耕兩次；3）小麥高留茬-玉米秸稈不還田（WH-MN），小麥秸稈留茬30～40 cm，不旋耕播種玉米；4）小麥高留茬-玉米秸稈粉碎還田（WH-MC）。具體方式見文獻[17]。

玉米品種為南農(nóng)50，行距為50 cm，播種量為每公頃63 000 株；小麥品種為綿陽26，行距為15 cm，播種量為210～225 kg·hm-2。小麥季基施N 150 kg·hm-2和P2O5110 kg·hm-2。玉米季基施N 67.5 kg·hm-2和P2O567.5 kg·hm-2，喇叭口期追施N 120 kg·hm-2，所用肥料為尿素（含N 量46%），磷肥為磷酸二銨（P2O5含量46%）；在玉米出苗期、拔節(jié)期，以及小麥出苗期、分蘗期采用畦灌方式各灌水約50 mm。為控制田間病蟲害和雜草，采用殺蟲劑（甲胺磷、滅多威、氧樂果和三唑酮）和除草劑，其中小麥生長期采用苯磺隆和2.4-D，玉米生長期采用莠去津和異丙草胺，農(nóng)藥用量參考當?shù)爻Ｒ?guī)用量。

1.3 樣品采集與分析

于2017 年小麥收獲后（6 月10 日），在各小區(qū)按“S”型選取10 點，用土鉆法取0～20、20～40和40～60 cm 土層土樣，混合均勻帶回實驗室，剔除植物殘體和其他雜物，風干后過1 mm 和0.25 mm篩后測定土壤碳組分。土壤有機碳（Soil organic carbon）采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法[18]；土壤溶解性有機碳（Dissolved organic carbon）和土壤微生物生物量碳（Microbial biomass carbon）分別采用蒸餾水浸提法和氯仿熏蒸法的方法[19]；土壤熱水溶性有機碳（Hot water organic carbon）采用熱水浸提的方法[20]；土壤顆粒有機碳（Particulate organic carbon）采用六偏磷酸鈉分散的方法[21]；土壤活性有機碳（Labile organic carbon）采用高錳酸鉀氧化法測定[22]。

土壤有機碳儲量及有機碳固存量的計算公式如下：

有機碳組分敏感指數(shù)（SI）表征不同有機碳組分相對更穩(wěn)定的參考土壤的變化幅度，本文參考不還田土壤設(shè)定為對照土壤。敏感指數(shù)計算公式為[23]：

敏感性指數(shù)=（各處理土壤碳組分含量-對照處理土壤碳組分含量）/對照處理土壤碳組分含量

以麥玉秸稈均不還田處理的各土層土壤作為參考土壤，土壤碳庫管理指數(shù)計算方法如下：

碳庫指數(shù)（CPI）=樣品全碳含量（g·kg-1）/參考土壤全碳含量（g·kg-1）

碳庫活度（L）=活性有機碳含量（g·kg-1）/非活性有機碳含量（g·kg-1）

碳庫活度指數(shù)（LI）=樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度

在美國，各高校、研究機構(gòu)積極開展系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論性研究與實踐應(yīng)用型研究，為美國的親職教育提供系統(tǒng)理論的智力支持。我國在此方面還存在不足，而互聯(lián)網(wǎng)加速了信息流通，所以網(wǎng)絡(luò)上大量不科學的信息大大降低了人們對網(wǎng)絡(luò)的信任度，增加了人們對網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)疑。這一現(xiàn)象急需通過高質(zhì)量的科學的研究成果轉(zhuǎn)化來扭轉(zhuǎn)。

碳庫管理指數(shù)（CPMI）=碳庫指數(shù)（CPI）×碳庫活度指數(shù)（LI）×100

1.4 作物生物量測量和碳輸入估算

2008 年10 月至2017 年6 月期間，在對小麥和玉米進行機械化收獲前，對各處理每個小區(qū)先人工隨機布點采集地上部分秸稈，用于估算作物地上部秸稈生物量和還田量，其中小麥秸稈采集樣方面積為2 m2（2 m×1 m），共選擇4 個樣點，共8 m2；玉米秸稈采集樣方面積為10 m2（10 m× 1 m，兩行）。

利用秸稈生物量與殘茬和根系生物量的比值計算出源自殘體的生物量和碳投入量。小麥和玉米的根系生物量與秸稈生物量的比值為 23%和22%[24]。在本研究中，小麥和玉米殘茬與秸稈的生物量比值約為10%和20%。小麥、玉米的根系分泌物碳含量與其根系含碳量一致[25]。小麥和玉米的殘體含碳量約為40%[26]。據(jù)此估算源自作物殘體（秸稈、根茬、根系和根系分泌物）的生物量和碳投入量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)的整理以及圖表的繪制采用Microsoft Excel 2016 和Sigmaplot 12.5，對年平均殘體C 投入量、殘體不同部位碳投入貢獻比例、土壤有機碳儲量、固存量、土壤不穩(wěn)定碳含量、不穩(wěn)定性碳敏感性指數(shù)、碳庫管理指數(shù)和產(chǎn)量的單因素方差分析（One-way ANOVA）和多重比較（最小顯著差法 LSD）采用 DPS，比較不同處理間在P<0.05 水平的顯著性差異。對殘體碳投入與土壤有機碳固存進行了相關(guān)回歸分析，利用Pearson 法分析指標間相關(guān)性。

2 結(jié) 果

2.1 不同還田模式對殘體碳投入量的影響

不同秸稈還田模式對作物年平均碳投入量影響很大（表1）。WN-MN 的年平均碳投入主要來自作物根系和根茬，而兩季秸稈均還田處理（WC-MC和WH-MC）來源于秸稈的生物量超過了50%。因此，WN-MN 處理的碳投入量最低，來自根系、根系分泌物和根茬的碳量分別占 38.1%、38.1%和23.7%。WC-MC 處理的碳投入量最高，來自秸稈、根系、根系分泌物和根茬的碳投入量分別占62.7%、14.1%、14.1%和8.9%。WC-MC 和WH-MC 的年平均碳投入量分別較其他兩個處理（WH-MN、WN-MN）平均顯著增加81%和243%。

表1 作物殘體碳投入量與殘體不同部位碳投入貢獻比例Table 1 Total carbon input with straw return and contribution of various plant residues to total C input

2.2 不同還田模式對土壤有機碳儲量的影響

基于試驗開始前土壤有機碳和容重的數(shù)據(jù)，可計算不同秸稈還田模式在9 年中對土壤有機碳儲量和碳固存的影響（圖1a）。秸稈連續(xù)還田9 年后，與秸稈不還田（WN-MN）相比，WC-MC 和WH-MC的碳儲量分別增加24.23%和16.05%；相對于試驗開始前的土壤有機碳儲量，9 年后4 種秸稈還田模式的土壤碳固持變化在-0.83（WN-MN）～6.14 Mg·hm-2（WC-MC）之間。土壤固存有機碳（秸稈碳進入土壤中的表觀數(shù)量）、未固存有機碳（秸稈碳未進入土壤中的表觀數(shù)量）均與累積碳投入成顯著地正相關(guān)性，表明了高量秸稈還田更有利于碳固存。并且，當有機碳儲量變化量為0 時，維持土壤初始碳儲量水平的最小碳投入量為4.06 Mg·hm-2·a-1（圖1b）。

2.3 不同還田模式對土壤不穩(wěn)定碳組分的影響

不同秸稈還田模式對土壤不穩(wěn)定碳組分含量有顯著影響（表2），并均隨土層深度增加而降低。與WN-MN 相比，連續(xù)9 年18 季秸稈還田均可顯著提高0～20 cm 土層土壤不穩(wěn)定碳組分（表2）。其中WC-MC 處理的不穩(wěn)定碳組分（活性有機碳、溶解性有機碳、微生物生物量碳、熱水溶性有機碳和顆粒有機碳）含量最高，其次為WH-MC，且與其他處理（WH-MN 和WN-MN）間差異達到顯著水平，WH-MN 處理有機碳組分（活性有機碳、溶解性有機碳、微生物生物量碳、熱水溶性有機碳和顆粒有機碳）含量較對照分別增加35.7%、21.4%、34.1%、24.2%和36.8%。在20～40 cm 的土層，WC-MC 處理的溶解性有機碳、熱水溶性有機碳、顆粒有機碳和活性有機碳含量最高，與WN-MN 相比，其增幅可分別達21.2%、10.3%、54.5%和35.2%。在40～60 cm 的土層，WC-MC 和WH-MC 的溶解性有機碳最高，達到顯著性差異，兩者的熱水溶性有機碳最高，但兩者之間無顯著差異。

碳庫指數(shù)、碳庫活度、活度指數(shù)以及土壤碳庫管理指數(shù)是一組相互關(guān)聯(lián)的指標，土壤碳庫管理指數(shù)與土壤活性有機碳含量變化規(guī)律一致，表現(xiàn)為小麥玉米秸稈均粉碎還田>小麥高留茬-玉米秸稈粉碎還田>僅小麥高留茬還田>不還田（表 4）。以WN-MN 各土層土壤分別作為參考土壤，在0～20、20～40 和40～60 cm 土層WC-MC 的碳庫管理指數(shù)較WN-MN 增幅分別為76.9%、31.7%和37.9%；其次為WH-MC 和WH-MN，且在20～40 cm 土層無顯著差異。

表3 不同秸稈還田模式對表層不穩(wěn)定性碳敏感性指數(shù)的影響Table 3 Sensitivity index of soil labile fractions in surface soil（0～20 cm）relative to straw return mode

表4 不同秸稈還田模式下碳庫指數(shù)、碳庫活度、活度指數(shù)、碳庫管理指數(shù)Table 4 CPI，L，LI，and CPMI in the soil relative to straw return mode

2.4 不同還田模式對作物產(chǎn)量的影響

不同秸稈還田模式對作物產(chǎn)量的影響差異顯著（表5）。在2015—2016 生長季，WC-MC 和WH-MC的周年作物產(chǎn)量分別較 WN-MN 提高 35.8%和21.2%，其中，夏玉米產(chǎn)量分別提高59.5%和30.9%，冬小麥產(chǎn)量并無顯著性差異。在2016—2017 生長季，WH-MC 的周年作物產(chǎn)量平均較其他處理提高11.1%，其中，夏玉米產(chǎn)量較WC-MC 增幅最高，其值為 24.3%，冬小麥產(chǎn)量顯著高于 WH-MN 和WN-MN，其增幅分別為17.5%和20.1%。并且，2015—2016 周年產(chǎn)量與SOC 和C 投入成顯著正相關(guān)，而2016—2017 周年產(chǎn)量與其無顯著相關(guān)性（表6）。

表5 不同秸稈還田模式對作物產(chǎn)量的影響Table 5 Crop yield relative to straw return modes /（t·hm-2）

3 討 論

3.1 土壤有機碳和碳庫管理指數(shù)對小麥秸稈高留茬還田模式的響應(yīng)

9 年持續(xù)秸稈還田，兩季秸稈均還田模式（WC-MC、WH-MC）顯著增加了表層土壤有機碳儲量和不穩(wěn)定有機碳組分含量，表明高量秸稈還田對提高土壤有機質(zhì)儲量和不穩(wěn)定碳組分均有一定的效果，這也說明兩者（有機碳儲量和不穩(wěn)定有機碳組分）結(jié)合均能反應(yīng)秸稈還田措施下土壤數(shù)量和質(zhì)量的變化。在土壤有機質(zhì)含量沒有顯著差異的情況下，小麥高留茬的WH-MN 處理不穩(wěn)定碳組分和碳庫管理指數(shù)均高于不還田對照WN-MN，表明低量秸稈還田對提高土壤有機質(zhì)活性組分有一定的效果，對提高有機碳效果不明顯，這也說明不穩(wěn)定有機碳能敏感地反映秸稈還田措施下土壤質(zhì)量的變化。不同秸稈還田模式下土壤DOC、MBC、HWOC、POC和LOC 含量均增加。這是因為外源有機物的投入，可為微生物提供充足的碳源，提高土壤微生物活性，而微生物分解作物殘體過程中養(yǎng)分和可溶性有機質(zhì)的礦化和釋放是不穩(wěn)定碳組分的主要來源，這與Guo 等[27]的研究結(jié)果一致。施用化學肥料，會提高難氧化有機質(zhì)含量，增加土壤有機碳的氧化穩(wěn)定性，使MBC、DOC、HOWC、POC 和LOC 的含量顯著下降。張璐等[28]研究表明秸稈不還田處理下，土壤DOC、MBC 和EOC 含量均較試驗前降低，這是由于秸稈被移除，相當于單施化肥，從而增加非活性有機碳的含量。本研究也證明，單施化肥秸稈不還田的不穩(wěn)定碳組分最低，這種降低可以通過秸稈還田緩解，尤其是兩季秸稈還田處理（WC-MC 和WH-MC）。

本研究中土壤POC 和LOC 的敏感指數(shù)遠高于MBC、DOC、HOWC 和SOC，說明POC 和LOC對土壤和作物管理措施變化的響應(yīng)更為敏感，這與Yan 等[29]的研究結(jié)果一致。此外，兩季秸稈還田處理（WC-MC 和WH-MC）各有機碳組分敏感指數(shù)均高于不還田處理，表明WC-MC 和WH-MC 能有效提高土壤有機碳活性。

碳庫管理指數(shù)（CMI）是系統(tǒng)、敏感反映和監(jiān)測土壤有機碳變化的指標，能夠表征土壤質(zhì)量下降或更新的程度[30]。如果一個管理方式CMI 值大于100，則該管理方式被認為是可持續(xù)的。路等[31]研究表明秸稈還田可改善土壤質(zhì)量，提高農(nóng)田碳庫管理指數(shù)，王改玲等[32]研究表明秸稈覆蓋還田顯著增加土壤總有機質(zhì)和不同活性組分有機質(zhì)含量，并顯著提高了不同活性有機質(zhì)的碳庫管理指數(shù)，與本研究結(jié)果一致，說明秸稈還田不僅能顯著提高土壤有機質(zhì)含量，也能明顯改善土壤有機質(zhì)的活性和質(zhì)量。我們的研究結(jié)果顯示，在0～20 cm 土層中，不同處理之間 CPMI 值差異較大， 整體表現(xiàn)為WC-MC>WH-MC>WH-MN>WN-MN，這與0～20 cm土層不穩(wěn)定碳含量的增加趨勢一致。原因可能是更多作物殘體的投入使秸稈腐解加快，從而提高SOC的活性和改變了活性有機碳的不穩(wěn)定性。

3.2 土壤有機碳固存對小麥秸稈高留茬還田模式的響應(yīng)

農(nóng)田土壤有機碳的固存主要取決于有機肥、田間生物殘體等外源有機物料投入與土壤有機質(zhì)的礦化和淋溶等形式損失之間的動態(tài)平衡。在缺乏有機肥投入的麥玉輪作生產(chǎn)中，還田殘體種類、還田量和還田方式對土壤有機碳的固存影響最為明顯[31，33]。在本研究中，作物殘體的投入主要包括作物秸稈、根茬、根系生物量和根系分泌物，殘體碳投入量與土壤碳固持呈顯著正相關(guān)關(guān)系，持續(xù)9 年秸稈還田，尤其是小麥玉米秸稈均粉碎還田處理土壤有機碳仍然處于上升階段，表明關(guān)中平原農(nóng)田土壤有機碳尚未達到飽和。并且，維持土壤初始碳儲量水平的最小碳投入量為4.06 Mg·hm-2·a-1。此有機碳平衡值較Srinivasarao 等[34]（1.12 Mg·hm-2·a-1）和Fan 等[35]（2.04 Mg·hm-2·a-1）的研究結(jié)果高，一方面是由于本研究中農(nóng)田土壤初始SOC 含量較上述兩人（分別為2.6 和4.48 g·kg-1）高而導致土壤礦化產(chǎn)生差異；另一方面，本研究中每年兩次殘體投入土壤產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)，促使更多有機碳的礦化。可見，維持SOC 平衡所需的有機殘體投入受土壤性質(zhì)、種植制度、氣候條件等的影響。許多研究結(jié)果表明[36-37]，土壤有機碳平衡量與有機物料投入呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，這是因為添加的外源殘體可以提供大量的不穩(wěn)定碳，會增加微生物的活性和加速原SOC 的分解（正激發(fā)效應(yīng)）[38]。

秸稈還田處理土壤有機碳均處于正平衡，而不還田處理處于負平衡。這是因為不還田處理的地上部殘體被移出了農(nóng)田，僅有根茬、根系和根系分泌物投入，其新形成的有機碳不能抵消原土壤有機碳的礦化損失和正激發(fā)效應(yīng)損失的碳。WC-MC 和WH-MC 對有機碳固存的提升最佳，這是因為兩者有更多的殘體碳投入，即年平均殘體C 投入量均遠大于最小碳投入量（表1）（秸稈碳投入占比達到了50%以上），其新形成的有機碳遠超過土壤有機碳礦化量；WC-MC 和WH-MC 的年均殘體碳投入量相當，但WC-MC 處理固存的有機碳遠高于WH-MC處理，可能是因為在玉米生長季期間，覆蓋在地表的小麥秸稈高留茬部分暴露在空氣中4 個月經(jīng)過風吹日曬易分解組分被礦化分解了60%左右，玉米收獲后，剩下難礦化的小麥高留茬秸稈被翻耕進入土壤表層難以進一步腐解。從以上結(jié)果可知，WH-MC在固碳方面僅次于WC-MC 處理，且能夠較高增加土壤有機碳儲量，但沒有多余玉米秸稈移出農(nóng)田；而小麥玉米秸稈均粉碎還田（WC-MC）則有降低秸稈的利用效率、影響后茬作物的發(fā)芽、出苗率等一系列弊端[39]；一季秸稈還田（WH-MN）處理移出的玉米秸稈可進一步促進作物秸稈的商業(yè)用途，但只能使土壤有機碳含量持平。此外，累積有機C 輸入和非固存C 兩者之間存在顯著的線性關(guān)系，回歸的斜率遠高于累積有機C 輸入和固存C 的回歸線的斜率（圖1）。這表明了當累積植物殘體C 還田后，僅一小部分殘體C 固存在土壤中，未固存的C 可能已被土壤微生物降解并浸出到較深的土壤層或在其礦化后釋放到大氣中[40]。因此，未來的研究應(yīng)該探索如何使更多秸稈碳固存于土壤中。

秸稈還田可增加土壤有機質(zhì)含量，改善土壤理化性質(zhì)，增強土壤微生物活性，提高土壤肥力，進而增加作物產(chǎn)量[36，41]。本研究結(jié)果顯示，兩季秸稈均還田（WC-MC、WH-MC）較其他兩個處理（WH-MN 和WN-MN）顯著提高了2015—2016 年和2016—2017 年期間的年產(chǎn)量，WC-MC 較WH-MC顯著提高了2015 年玉米產(chǎn)量，從而在2015—2016年的年產(chǎn)量最高；而WH-MC 較WC-MC 顯著提高了2016 年玉米產(chǎn)量，從而在2016—2017 年的年產(chǎn)量最高，原因是秸稈粉碎翻耕還田使土壤疏松，在干旱少雨時期加速了水分蒸發(fā)，導致出苗成活率降低，然而小麥秸稈高留茬免耕硬茬播種玉米不需要耕作，降低了土壤干擾和水分的無效蒸發(fā)，有利于抗旱及玉米良好的發(fā)芽[42]。此外，小麥秸稈高留茬降低了田間機械操作的次數(shù)和消耗的燃料，節(jié)省了勞動力，減少了環(huán)境污染。由此可見，小麥玉米秸稈均粉碎還田（WC-MC）對玉米產(chǎn)量的影響取決于降水量，小麥秸稈高留茬還田對于實現(xiàn)有效利用前茬小麥秸稈和提高后茬玉米產(chǎn)量并重至關(guān)重要。

3.3 秸稈還田模式的評價

小麥玉米秸稈均粉碎還田（WC-MC）在土壤固碳、作物產(chǎn)量等方面提高幅度最大，但粉碎秸稈使土壤變得疏松，空隙增大，種子與土壤難以緊密接觸，影響種子發(fā)芽出苗，導致缺苗斷壟現(xiàn)象，不利于作物可持續(xù)性生產(chǎn)[11]。在高度集約化麥玉輪作制度下，小麥秸稈高留茬處理（WH-MC 和WH-MN）能有效增加土壤有機質(zhì)積累、提高土壤營養(yǎng)元素含量、改善土壤結(jié)構(gòu)、提高作物產(chǎn)量的同時也有保墑防旱、抑制田間雜草、節(jié)省田間管理用工、降低碳排放和維持適當土壤pH 的作用[43]。持續(xù)9 年秸稈還田，WH-MC 在改善土壤有機碳儲量、活性和作物產(chǎn)量方面具有較好的效果，但沒有多余的玉米秸稈移出農(nóng)田，而WH-MN 多余的玉米秸稈可以移出農(nóng)田，提高秸稈利用率，但僅能基本維持土壤原有有機碳的水平。隨著土壤有機碳含量的增加，維持土壤有機碳平衡量需要投入的有機物料也將有所增加[40-41]，將來WH-MN 能否繼續(xù)維持土壤有機碳提升有待進一步研究。因此，未來可以考慮每隔2 或3 年還田一次玉米秸稈，以達到既有明顯培肥效應(yīng)又保證有多余玉米秸稈用于其他方面。

4 結(jié) 論

四種秸稈還田模式土壤有機碳儲量表現(xiàn)為小麥玉米秸稈均粉碎還田（WC-MC）>小麥高留茬-玉米秸稈粉碎（WH-MC）>僅小麥高留茬還田≈不還田，并且，塿土有機碳平衡所需的維持投入量為4.06 Mg·hm-2·a-1。三種秸稈還田模式都不同程度的提高了土壤不穩(wěn)定碳組分含量，且隨土層增加而降低。兩季秸稈均還田（WC-MC 和WH-MC）的各不穩(wěn)定有機碳組分敏感指數(shù)均高于僅高留茬還田，表明前者能有效提高土壤有機碳活性。各秸稈還田措施下的碳庫管理指數(shù)差異較為明顯，秸稈還田均能增加各土層土壤的碳庫管理指數(shù)。相對于其他處理，兩季秸稈均還田作物產(chǎn)量也高，但在每年的6—8 月份遇到干旱季節(jié)，小麥高留茬處理能抗旱保墑，有利于玉米產(chǎn)量的增加。綜上，小麥高留茬-玉米秸稈粉碎還田管理模式在北方麥玉輪作區(qū)較易推廣應(yīng)用，可以提高土壤碳固存、不穩(wěn)定有機碳組分含量、碳庫管理指數(shù)、改善土壤質(zhì)量，降低環(huán)境污染，并降低農(nóng)業(yè)機械的運營成本，對于促進北方旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。