土壤是陆地生态系统的重要组成部分,它与大气以及陆地生物群落共同组成系统中碳的主要贮存和交换库^[1]。农田土壤拥有相当可观的固碳潜力,在全球碳循环中具有不可取代的地位^[2]。农田土壤碳库尤其是表层碳库受人类活动影响最为强烈,同时又可以在较短的时间尺度上进行人为调节^{[3, 4]}。20世纪末以来,通过土壤固碳降低大气CO₂浓度以减轻全球温室效应的研究得到越来越多的重视。研究表明,农业温室气体减排潜力有90%来自土壤固碳^{[5, 6]}。农田土壤碳库除受温度、降水和植被类型的影响外,还在很大程度上受秸秆还田、耕作措施^[7]、施肥量、施肥类型和灌溉等农田管理措施的影响。

从20世纪70年代末开始,我国在不同区域不同地点陆续开展了一些关于秸秆还田、耕作活动及施肥措施对农田生态系统影响的长期试验,许多学者开展了一系列关于不同农业管理措施对农田土壤有机碳含量影响的研究,研究结果为从区域角度研究不同农业管理措施对农田土壤固碳潜力的影响提供了丰富的基础数据。很多学者利用前述基础数据从全国尺度^{[8, 9, 10]}、区域尺度^{[11, 12]}、省域尺度^[13]或通过长期试验区域对比^[14]对我国农田在不同管理措施下的土壤有机碳动态和土壤固碳效应进行了大量研究。

我国稻田面积约占全国耕地面积的1/5,而南方稻田面积占全国总稻田面积的66%^[15],明确我国南方地区稻田土壤有机碳在不同农业管理措施下的积累特点非常重要。到目前为止,尚无人从区域角度研究过不同秸秆还田方式对农田土壤固碳潜力的影响,亦无人研究过我国南方稻田土壤在不同秸秆还田方式下的固碳潜力。本研究旨在通过收集我国南方地区稻田长期试验点的试验资料,采用Meta分析法,研究长期不同秸秆还田方式下我国南方稻田表土有机碳含量的相对年变化量、固碳持续时间及固碳周期内的固碳量,以探究我国南方稻田不同秸秆还田方式下表土固碳潜力的大小。 1 材料与方法 1.1 数据来源

收集整理了1980—2013年38篇(表 1)国内外有关我国南方地区稻田秸秆还田定位试验的研究论文,并对论文进行筛选,提取试验站点位置、土壤类型、种植制度、耕层深度、试验年限、秸秆还田方式以及各种还田方式下的土壤有机质或者有机碳数据,建立了南方稻田表土有机碳数据库。

本研究文献筛选的标准为:1)研究区域为我国南方地区,包括江西、湖南、湖北、广东、浙江、江苏、安徽、福建、云南、四川、广西、贵州12个省,重庆和上海2个市;2)农田耕作措施包含翻耕秸秆不还田(CK)、翻耕秸秆还田(CTS)、免耕秸秆还田(NTS)和旋耕秸秆还田(RTS);3)试验为长期定位田间试验,试验年限≥2年,试验的起止年份清楚;4)观测土样取自表土(0~20 cm),且土壤有机碳的试验初始值和试验最终值明确。

经过筛选,最终符合标准的文献有38篇,共涉及40个试验点(表 1)102组数据样本,其中两熟制77组(占75.5%),三熟制25组(占24.5%)。土壤类型多为水稻土,试验周期为2~27年,平均为5.82年,土壤样本平均深度为17.79 cm。翻耕秸秆还田(CTS)样本数为49,占总样本数的48.0%;免耕秸秆还田(NTS)样本数为31,占总样本数的30.4%;旋耕秸秆还田(RTS)样本数为22,占总样本数的21.6%。总样本中两熟制样本77个(占75.5%),三熟制样本25个(占24.5%)(表 2)。筛选的文献中,绝大多数秸秆还田试验为全量秸秆还田,秸秆种类多为麦秸和稻秸,少量的绿肥、油菜秸秆。采用的3种耕作措施中,翻耕秸秆还田的耕深约为15~25 cm,旋耕秸秆还田的耕深约为8~10 cm,免耕秸秆还田秸秆均匀覆盖在土壤表层,土壤扰动2~3 cm。

数据来自文献中的正文、表和图。其中,图中数据采用Get Data V.2.23软件^[54]提取。土壤有机质含量转化为土壤有机碳含量的转化系数为0.58。 1.2.1 试验期间不同处理下有机碳含量年变化量

有机碳含量年变化量(M)计算公式:

式中:t为试验时间(a),是试验观测终止年与起始年的差值;SOC₀、SOC_t分别是试验观测起始年和终止年的有机碳含量(g · kg^-1)。 1.2.2 试验期间不同处理下有机碳含量相对年变化量

为了区分不同秸秆还田方式对土壤固碳能力的实际影响,需要扣除秸秆不还田(CK)下土壤有机碳的变化效应,即土壤有机碳含量的相对年变化量(RM)。任一种秸秆还田方式下土壤有机碳含量的相对年变化量为试验观测期限内该秸秆还田方式(TR)下有机碳含量年变化量扣除秸秆不还田(CK)下有机碳含量年变化量后的净年变化量^[8]。

利用下面的公式可以计算出不同秸秆还田方式下土壤有机碳含量相对年变化率(Y)。

式中:(SOC₀)_TR是某种秸秆还田方式下试验观测起始年的有机碳含量。 1.2.4 不同处理下有机碳固碳持续时间及固碳比例

采用一定的农业管理措施后,土壤有机碳将在一定时期内达到新的平衡^[55],达到新平衡需要的时间,即土壤有机碳从开始增加(减少)到结束增加(减少)的时间^[56],为该农业管理措施的固碳持续时间。根据不同处理下有机碳含量相对年变化率,采用Sigmaplot 11.0软件^[57]作出不同秸秆还田方式下固碳持续时间的非线性回归方程,可得到不同秸秆还田方式的固碳持续时间,采用微积分原理,可以估算出某种秸秆还田方式在整个固碳持续时间内所能增加的有机碳比例。 2 结果与分析 2.1 不同秸秆还田方式下稻田表土有机碳含量的相对年变化量

从图 1可以看出:与秸秆不还田相比,CTS、NTS和RTS 3种秸秆还田方式均能显著增加南方稻田表土有机碳含量,其表土有机碳含量相对年变化量分别为0.42、0.37和0.64 g · kg^-1 · a^-1,三者中,以RTS处理的有机碳含量相对年变化量为最大,其约为NTS的1.7倍,CTS的1.5倍。从图 2可以看出:秸秆还田下表土有机碳含量相对年变化量分布在-1.16~2.94 g · kg^-1 · a^-1之间,平均为0.45 g · kg^-1 · a^-1。其中,CTS处理表土有机碳含量相对年变化量分布在-1.16~2.32 g · kg^-1 · a^-1之间,NTS处理分布在0.21~2.94 g · kg^-1 · a^-1之间,RTS处理分布在0.23~2.45 g · kg^-1 · a^-1之间。102个试验样本中,仅有5.9%的样本有机碳含量相对年变化量减少,其他样本均增加。

	图 1 不同秸秆还田方式下我国南方稻田表土有机碳含量相对年变化量 Fig. 1 The RM under different straw return modes in paddy fields in South China RM:Relative annual change of topsoil organic content. The same as follows.
图选项

	图 2 不同秸秆还田方式下我国南方稻田表土有机碳含量相对年变化量分布 Fig. 2 Distribution of RM under different straw return modes in paddy fields in South China
图选项

从图 3可以看出:相较秸秆不还田,两熟制和三熟制稻田在秸秆还田下的表土有机碳含量相对年变化量均值分别为0.40和0.61 g · kg^-1 · a^-1,表明无论哪种种植制度,采取秸秆还田均能增加南方稻田表土有机碳含量。同一秸秆还田方式下,三熟制稻田的表土有机碳含量相对年变化量均显著高于两熟制,其中,NTS处理两者的差距最大,达2.0倍,CTS和RTS处理两者的差距稍小,但也分别达到了1.37和1.39倍。

	图 3 南方两熟制和三熟制稻田表土有机碳含量相对年变化量 Fig. 3 The RM under double cropping system and triple cropping system in paddy fields in South China
图选项

从图 4可以看出:3种秸秆还田方式下表土有机碳含量相对年变化率在前5年的下降速率均较快,5年后速率逐渐变缓,并最终趋向于零,此时土壤有机碳达到了一种新的平衡。3种秸秆还田方式中,免耕秸秆还田的下降速率要低于其他2种还田方式。CTS、NTS和RTS 3种秸秆还田方式下的表土有机碳含量相对年变化率(Y)和持续时间(t)的关系可用以下3个非线性回归方程表达:

	图 4 CTS(A)、NTS(B)和RTS(C)处理下土壤有机碳含量相对年变化率 Fig. 4 Relative annual change rate of soil organic carbon content under CTS(A),NTS(B)and RTS(C)treatments
图选项

由上述公式计算得出,CTS、NTS和RTS 3种秸秆还田方式下,我国南方稻田表土有机碳固碳持续时间存在明显差异,分别是27、44和30年,以免耕秸秆还田方式为最长。根据3种秸秆还田方式下各自的固碳持续时间,依据微积分原理,可估算出CTS、NTS和RTS 3种秸秆还田方式在整个固碳持续时间内所能增加的有机碳比例分别为15.8%、23.3%和27.3%,其中旋耕秸秆还田处理增加的比例最高。 3 结论与讨论

本研究表明,我国南方稻田3种不同秸秆还田方式(CTS、NTS和RTS)下表土有机碳含量相对年变化量分别为0.42、0.37和0.64 g · kg^-1 · a^-1,说明秸秆还田有利于稻田土壤有机碳的积累^[58]。本研究中,无论采取哪种秸秆还田方式,三熟制稻田表土有机碳含量相对年变化量都高于两熟制,这可能与一年三熟种植比两熟种植周年作物产量更高,从土壤中吸收走的物质更多,以及留给土壤的作物根茬和可能直接或者间接归还土壤的有机碳也相应增多有关^[59]。本研究中,免耕秸秆还田下土壤表土有机碳含量的年增量稍低于翻耕秸秆还田,其原因可能是在免耕条件下土壤有机碳含量较低,免耕秸秆还田方式处理下秸秆位于土壤表层和上层,微生物总量较大、土壤酶活性较强,秸秆降解和再利用相对较快^[17]。本研究还表明,旋耕秸秆还田下土壤表土有机碳含量显著高于免耕秸秆还田,其原因可能是免耕秸秆还田下有机碳含量主要附着于土壤表层,随着土壤深度的增加而逐渐递减,具有明显的表层富集现象,而旋耕秸秆还田则促进土壤扰动和植物残体输入,从而增加了耕层土壤有机碳含量^[18],这与杨滨娟等^[26]的研究结果相一致。且旋耕处理下土壤表土有机碳含量高于翻耕处理,因为秸秆还田后,旋耕处理能更加充分混合表层的作物秸秆与土壤,促进秸秆分解转化,减少有机碳以CO₂的形式释放到大气中去^[7]。

不同农业管理措施下土壤有机碳固定能力并不是无限的,土壤有机碳含量会在一段时间后达到一种饱和状态^[55],该管理措施下土壤固碳的持续时间就是土壤有机碳达到稳定状态的时间^[56]。本研究表明,翻耕秸秆还田下我国南方稻田表土固碳持续时间为27年,这与王成己等^[10]估算得出的我国稻田秸秆还田下的固碳持续时间27年一致,但稍高于Rui等^[11]估算出的我国长江三角洲地区稻田秸秆还田下的固碳持续时间20年。3种秸秆还田方式中,免耕秸秆还田的土壤固碳持续时间为44年,明显高于翻耕秸秆还田下的27年和旋耕秸秆还田下的30年,其原因可能是采取旋耕秸秆还田或翻耕秸秆还田的方式会导致土壤耕层松动,土壤中贮存的有机碳比较容易分解,而免耕秸秆还田则不受影响^[60]。本研究还表明,在固碳周期内,CTS、NTS和RTS 3种秸秆还田方式下南方稻田所能增加的有机碳比例分别为15.8%、23.3%和27.3%,其中旋耕秸秆还田下的土壤表土有机碳增加的比例最高,这与段华平等^[17]和胡乃娟等^[7]的研究结果相一致。本研究中,翻耕秸秆还田在整个固碳周期27年内所增加的土壤有机碳比例为15.8%,此结果与聂军等^[34]连续27年种植54季水稻后土壤所能增加的有机碳比例14.3%较为接近,说明本研究结果与现实情况较为吻合。本研究中,免耕秸秆还田在17年内所增加的土壤有机碳比例为12.5%,与潘根兴等^[49]连续进行17年的免耕秸秆还田试验所得出的11.4%较为一致,旋耕秸秆还田在14年内所增加的土壤有机碳比例为15.6%,与孙星等^[30]连续14年旋耕秸秆还田试验所得出的14.1%较为接近,均说明本研究所得结果较为可信;上述比例均明显低于免耕秸秆还田和旋耕秸秆还田在整个固碳周期内所增加的比例,可能是因为试验时间均远未达到农田土壤碳平衡点所致。

综上所述,相对于其他秸秆还田方式来说,旋耕秸秆还田处理下南方稻田表土有机碳含量相对年变化量最大,且在整个固碳持续时间内表土有机碳所能增加的比例也为最高。从各种秸秆还田的技术层面考虑,旋耕秸秆还田更易推广,因为此方法方便快捷,大大减少用工,且还田数量较多^[61];而翻耕秸秆还田增加了用工量,免耕秸秆还田在南方地区较难推广,因为南方一般种植单季稻或者双季稻,稻秸秆量大覆盖还田秸秆腐熟慢,影响下季作物种植^[62]。另外,虽然区域性的数据分析能够有效地反映不同的秸秆还田方式的固碳潜力,但由于本研究中稻田试验点主要集中在东南部,并未完全覆盖我国南方所有区域,而且试验期限较短,故本研究存在一定的瑕疵。与此同时,秸秆还田可以增加稻田表土有机碳含量,也可能会增加温室气体如CH₄等的排放。因此,在今后的研究中,我们应在西南地区多开展稻田不同秸秆还田方式试验,而且在研究中应同时考虑温室气体的排放,以使研究结果更具说服力。