探索秸秆还田的生态效益

作者：秦子? 刘子琪 曾庆亚 张爽 梁子晨 单位：东北师范大学城市与环境科学学院 洮南市城市职业技术教育中心

1材料与方法

1．1试验地点试验田位于吉林省四平市梨树县梨树镇高家村，地理坐标为124°14'E，43°18'N，属温带半湿润季风大陆性气候，年平均气温5．8℃，年降水量平均为577．2mm，海拔158．7m。该地区主要为一年一熟制春玉米种植区。

1．2试验设计选择了4块样地，每块面积2000m2。在控制施肥量和秸秆还田量的双重因子下，设如下处理:①减施化肥且秸秆不还田;②减施化肥且秸秆67%还田;③减施化肥且秸秆100%还田。以常量施化肥且秸秆不还田作为对照(CK)。减施化肥、常规施肥分别为施用玉米复合肥(28-15-12)450、675kg/hm2。5月22日播种、施肥同时进行，6月28日追肥。与传统耕作技术相比，该研究采用的保护性耕作可以有效地提高土壤有机质含量，改善土壤物理性质，提高单位作物产量［12］。

1．3测定项目与方法试验以每月2次为测定频率，每次测定项目为含水量和土壤碳排放量，不定期保存土样以进行有机质、NPK等参数的对比测定。有关土壤碳排放量的研究一般采用封闭式静态器室法、土壤类型法、遥感法、模型法、相关关系统计法等［13］。该试验采用封闭式静态气室法(CSC)，即采用碱石灰在封闭气室中吸收土壤所产生的二氧化碳。采用40cm×40cm×40cm的密闭玻璃气室，宽度的选择适用于两垄间距(65cm)，而高度的选择则保证了气体在土壤内外的循环畅通［14］，以使试验结果更贴近实际的土壤呼吸量。测定时间为24h，每个试验组取3组平行试验进行测定。由于降雨量和温度的剧烈变化会对土壤有机碳库造成极大地影响［15］，每次试验时应避免阴雨或其他极端天气，以减少实验误差。

2结果与分析

2．1碳排放量的变化情况有研究表明，施肥、轮作以及作物覆盖都能降低CO2排放量，提高土壤固碳效率［16］，但其影响程度具有差异性。从图1可以看出，碳排放量整体水平为对照(CK)＞处理③＞处理②＞处理①。处理③、②的碳排放量都大于处理①，而处理③、②之间碳排放量水平相差不大，碳排放量最大的为对照(CK)。由此可以看出，施肥和秸秆还田都使得二氧化碳的排放量增加，且施肥的效用更加明显。各处理碳排放随着玉米生长期的变化呈现不同程度的波动，但波动差异微小。波动原因较多，如高降水量会降低土壤呼吸量，而较高的温度则对应较大的土壤呼吸量［17］。在作物的不同生长期，根呼吸作用强度会呈现不同的变化趋势，周围环境的变化也会对微生物活性造成影响。在10月玉米收割后，各处理碳排放量都降到低谷，均在4g/(m2•d)以下。其原因主要为收割后植物根呼吸降到最低谷，而气温的下降也使得微生物活动变弱［18］。

2．2土壤含水量的变化情况含水量是农业生产中衡量农业土壤土质的重要参数之一。从图2可以看出，各层土壤含水量整体水平为处理③＞处理②＞对照(CK)＞处理①，即秸秆还田和施化肥都使得土壤含水量上升，且秸秆还田的作用更加明显;随着土壤深度的增加，各处理含水量都有小幅度的增加。

2．3玉米产量10月中旬玉米收割完毕后，对各处理玉米产量进行了统计。从表1可以看出，由于2010年整个吉林省大部分地区降水量异常充足，产量比2011年高。2010年对照(CK)玉米产量最高，其次是处理③，比正常施肥种植减产10．09%，比处理①减产7．28%;而2012年对照和处理间差异则更小，减产幅度控制在1．08%～6．02%。可见，当减少化肥施入量，产量会有所下降，但是秸秆作为一种生物肥，对产量起到一定的提升和保护作用。当全量覆盖还田时，这种效果更佳。

2．4含水量与碳排放量的线性关系通常意义下，在排除含水量最高和最低的极端条件下，土壤含水量与土壤碳排放应该是正反馈。因此，用含水量和碳排放量数据进行对比分析，验证两者的关系。从图3可以看出，土壤碳排放量和含水量大体上呈现线性关系。这一结果是与以往的研究结论大体趋于一致的。CO2的排放量是土壤呼吸的重要指标，与各层土壤含水量有着相互影响和制约的关系，一般情况下有正反馈的作用。为了真正理清土壤湿度对土壤碳排放量的影响，必须进行调控土壤水分的单因子试验，即对其他环境因子如土壤温度、pH、生物条件等进行必要的调控。因此，在野外试验条件下，以上的数据比较结果是不能作为两者关系的重要相关性参考。

土壤CO2的释放主要来自有氧代谢，大体可分根呼吸、凋落物分解、微生物呼吸和有机质氧化4个部分，其中根呼吸作用贡献最大，可占总排放量的50%［14，19］，而农业生态系统具有生物种类少、食物链单一等特点，所以这一比值将进一步增大［20］。化肥的施入增加了营养物浓度，使得根呼吸速度得以提高，组织生长更快，能量的需求也相应升高。较高的生长呼吸水平对应较高的CO2释放量。秸秆还田同样会提高根呼吸速度。由于并不是直接突然增加底物浓度，效果并没有化肥的施入那么明显，而是一个相对缓慢的过程。秸秆覆盖极大地增加了凋落物库。凋落的分解需要在土壤动物和微生物的共同作用下完成。这一过程会释放部分CO2，而土壤微生物活性也会得到相应的增强。研究证明，秸秆代替部分化肥可有效地降低碳排放量。但从土壤呼吸和土质的角度上进行分析，秸秆起到了保护作用，增加了微生物活性，达到了保水、保质的效果。而化肥只是提高了植物的生长速率，提高了生产量。化肥的使用会改变土壤的物理化学性质，造成土壤营养和pH失衡，抑制土壤动物和微生物的正常作用［21］。长期过量施用会对农业土壤造成不可估量的危害。3结论与讨论笔者在完成对秸秆还田试验长达2年的跟踪测定后，得出了包括土壤各土层含水量、土壤碳排放量、土壤有机质含量、土壤NPK含量等一系列数据。但是，土壤土质的改变是一个极为缓慢的过程，所以包括有机质含量、NPK含量等的变化并不是十分明显。经过6年的试验种植，100%覆盖还田的土壤有机质含量达到了2．2%，而正常种植土壤有机质含量为19．1%，高出13．2%。可见，秸秆还田有效地保护了黑土地的土质。而NPK含量变化不明确，且没有呈现具体规律。

研究表明，在东北黑土地，与正常种植相比，67%的秸秆还田可以使土壤平均减少28.25%的碳排放量，而全量秸秆还田则可以平均减少23.36%的碳排放量。总体来说，采用秸秆覆盖种植可以减少碳排放量，提高土壤固氮率。秸秆作为生物肥代替部分化肥的使用，有效地提高了土壤的含水量和有机质含量，进而改善了黑土地土质。与化肥对土壤的有害作用相比，秸秆还田提高了微生物活性，减少了农残含量，保证了土壤的养分平衡，是更适合黑土地水土保持的耕作模式。研究还表明，土壤碳排放量与土壤含水量存在着正相关关系。与传统耕作模式相比秸秆还回降低了碳排放量，提高了土壤含水量。从产量的角度，秸秆代替部分化肥的使用虽然会带来减产，但是减少了化肥施入量，防止秸秆的二次污染，同样给农民降低生产成本和秸秆处理费用，从长远的角度看仍具有可观的生态和经济效益。在倡导农业寻求可持续发展的时代背景下，在东北地区实行和推广秸秆还田的耕作模式，减少了二氧化碳的排放，有利于土壤有机碳的固定，提高了农业用地的肥力，改善了东北黑土的生态环境，使得环境保护与农民收益得到更好的兼顾。