唐海明，李超，肖小平，潘孝晨，程凱凱，董春華，石麗紅，羅尊長

湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125

水稻（Oryza sativaL.）是中國最重要的糧食作物之一，水稻種植面積和產量對國家的糧食生產安全均起著重要的戰(zhàn)略意義（張小莉等，2009）。水稻產量受較多因素的影響，耕作是影響水稻產量重要的關鍵因素之一?？茖W合理的耕作措施通過影響土壤的理化特性（物理結構、養(yǎng)分）和生物學（土壤微生物活性及多樣性）特性，維持和提高農田的可持續(xù)生產能力，影響作物的生長發(fā)育、產量和經濟效益（Huang et al.，2012；Putte et al.，2010），進而改善農田生態(tài)系統(tǒng)的功能（Roge-Estrade et al.，2010；Huang et al.，2010）。近年來，農田土壤碳固定研究已經成為當前研究的一個熱點。研究農田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳的固定、積累與周轉及其對氣候變化的反饋機制，對于正確評估土壤碳固定在溫室氣體減排中的作用，加強農業(yè)碳匯相關技術體系的研究構建等方面具有重要意義（韓冰等，2008；李潔靜等，2009）。

近年來，中國農業(yè)生產的機械化水平得到快速提升，在農田土壤機械耕作過程中由于農機具操作使用不合理，造成了中國農田的耕層變淺、理化性狀變差，降低了土壤的庫容能力，進而影響作物的生長發(fā)育和產量（石彥琴等，2010）。目前，耕作結合秸稈還田措施是維持和提高土壤地力重要的農藝措施，不同的耕作措施和秸稈還田方式對土壤的耕翻深度和作用強度不同，對土壤碳效應影響程度不一樣。前人主要就不同耕作和秸稈還田方式對農田土壤理化特性、土壤碳儲量等方面進行了相應的研究。Lal et al.（1999）研究結果表明，全球耕地總固碳潛力為 0.75—1.0 Pg·a-1；West et al.（2002）研究認為，短期條件下，少、免耕處理明顯增加了表層土壤有機質含量。魏燕華等（2013）研究表明，免耕+秸稈還田處理下0—30 cm土壤有機碳儲量最高，而翻耕+秸稈還田處理與免耕+秸稈不還田、翻耕+秸稈不還田、旋耕+秸稈還田處理間均無明顯差異；韓冰等（2008）研究認為，免耕+秸稈還田處理有利于提高中國農田土壤的總固碳量。李瑋等（2014）研究表明，秸稈還田增加了農田耕層土壤有機碳（SOC，soil organic carbon）儲量，比秸稈不還田處理增加6.58%—14.83%。李潔靜等（2009）研究認為，秸稈還田配施氮肥處理增加了水稻生長季稻田的碳匯量（-4.70 t·hm-2·a-1），碳匯量明顯高于無肥和化肥處理。由于各地開展研究的氣候條件、土壤類型、試驗周期、種植制度和栽培方式等因素不同，前人所開展研究的試驗結果存在明顯的不同。

湖南是中國主要的雙季稻區(qū)，采取科學合理的耕作措施能增強稻田固碳和凈碳匯效應，維持該區(qū)域稻田的土壤肥力，有利于水稻獲得高產穩(wěn)產和保障國家糧食生產安全。目前，在該區(qū)域的雙季稻主產區(qū)不同耕作條件下（翻耕、旋耕和免耕）對雙季稻田溫室氣體排放、土壤有機碳含量、組分和分布、碳儲量等方面影響開展了部分研究（徐尚起等，2011；何瑩瑩等，2010；Zhang et al.，2013；Xue et al.，2014；Chen et al.，2015；Tang et al.，2019），但在紫云英（Astragalus sinicusL.）-雙季稻種植模式采取秸稈還田培肥土壤條件下不同耕作模式對雙季稻田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯效應及收益的影響還有待進一步開展。因此，本研究以紫云英-雙季稻種植模式大田定位試驗為基礎，開展不同耕作模式條件下稻田耕層土壤（0—20 cm）碳密度及固碳速率研究，以明確不同耕作模式下稻田生態(tài)系統(tǒng)的凈固碳效率和經濟效益變化特征，從而為南方雙季稻區(qū)科學評價和選擇環(huán)境友好型的耕作模式提供科學理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

該大田試驗開始于 2015年，試驗田位于湖南省寧鄉(xiāng)市回龍鋪鎮(zhèn)回龍鋪村（28°07′N，112°18′E），海拔36.1 m，年均氣溫17.2 ℃，年平均降雨量1553 mm，年蒸發(fā)量1354 mm，無霜期274 d。試驗田土壤為水稻土，河沙泥土種，為典型的雙季稻主產區(qū)。種植制度為紫云英-雙季稻，土壤肥力中等，排灌條件良好。試驗前耕層土壤（0—20 cm）基礎肥力如下：有機碳質量分數 22.07 g·kg-1、全氮 2.14 g·kg-1、全磷 0.82 g·kg-1、全鉀 13.21 g·kg-1、堿解氮 192.20 mg·kg-1、有效磷 13.49 mg·kg-1、速效鉀81.91 mg·kg-1，pH 值 5.79。

1.2 試驗設計及田間管理

試驗包括 4個耕作處理：（1）雙季水稻翻耕+秸稈還田（CT：conventional tillage with residue incorporation）早稻和晚稻移栽前用鏵式犁翻地 1遍，翻耕深度約15—20 cm，再用旋耕機旋地2遍以平整土地，翻耕深度約8—10 cm，紫云英和稻草秸稈均還田；（2）雙季水稻旋耕+秸稈還田（RT：rotary tillage with residue incorporation）早稻和晚稻移栽前用旋耕機旋地4遍，旋耕深度約8—10 cm，紫云英和稻草秸稈均還田；（3）雙季水稻免耕+秸稈還田（NT：no tillage with residue retention）不整地，早稻和晚稻均采用免耕移栽，紫云英和稻草秸稈均還田；（4）雙季水稻旋耕+秸稈不還田為對照（RTO：rotary tillage with residue removed）早稻和晚稻移栽前用旋耕機旋地4遍，旋耕深度約8—10 cm，紫云英和稻草秸稈均不還田。每個處理3次重復，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積56.0 m2（7 m×8 m）。CT、RT和NT處理中紫云英還田量均為2.25×104kg·hm-2，早稻和晚稻的稻草秸稈還田量均為2000.0 kg·hm-2；RTO處理中紫云英和稻草秸稈均不還田。CT和RT處理的秸稈在耕作時翻壓還田，NT處理的秸稈為地表覆蓋還田；其中，紫云英在4月上旬翻壓還田或地表覆蓋還田；早稻和晚稻稻草秸稈分別在水稻移栽前結合耕作翻壓還田或地表覆蓋還田。

在生產過程中，保證早稻季和晚稻季各處理間N、P2O5、K2O總施用量一致（總施用量為化肥與紫云英、早稻、晚稻稻草秸稈養(yǎng)分含量之和），各處理的早稻和晚稻品種，大田化肥施用量、施肥比例、移栽日期、移栽密度、灌溉、除草等農事操作安排均按唐海明等（2019b）的方法進行。試驗稻田的生產投入與價格等具體情況見表1。

表1 雙季稻稻田生產的投入與價格情況Table 1 Information of inputs per area and price of unit input during double-cropping rice production

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 樣品采集

2019年，晚稻成熟期進行土壤樣品采集；于每個小區(qū)采用“S”型取樣法用土鉆取耕層0—20 cm的土壤，將樣品充分混勻，重復3次；土壤樣品自然風干，過2 mm篩，用于土壤有機碳含量的測定，測定方法參照鮑士旦（2005）的方法進行。

1.3.2 相關項目測定

晚稻成熟期，在每個小區(qū)采用環(huán)刀法測定土壤容重，3次重復；同時，在每個小區(qū)選擇3個點測定耕層土壤深度，取平均值。

分別于紫云英收割前、早稻和晚稻成熟期，測定各小區(qū)紫云英和水稻實際產量。

稻田耕層土壤（0—20 cm）固碳速率、土壤碳密度、碳平衡和系統(tǒng)經濟流等計算方法均參照李潔靜等（2009）的方法進行，具體的計算公式如下：

式中：SCRF為農田土壤固碳速率，t·hm-2·a-1；DSOCF為不同耕作處理農田土壤碳年變化量，t·hm-2·a-1；DSOCo為對照農田土壤碳年變化量，t·hm-2·a-1。

式中：DOC為碳密度，t·hm-2；SOC為有機碳質量分數，g·kg-1；r為土壤容重（體積質量），g·cm-3；H為耕層土壤厚度，cm。

式中：Cs為系統(tǒng)的凈碳匯，t·hm-2·a-1；RH為系統(tǒng)內土壤的呼吸碳排放，t·hm-2·a-1；CNPP為系統(tǒng)的碳吸收（作物固碳和凋落物固碳之和），t·hm-2·a-1；Eh為生產活動涉及的碳排放，t·hm-2·a-1。

其中，物質投入成本=種子成本+化肥成本+農藥成本+灌溉水，管理成本=(灌溉+耕作+收獲)機電費+生產管理人工費。

1.4 數據統(tǒng)計與分析

用 Microsoft Excel 2003軟件處理數據，DPS 3.11（Data Processing System for Practical Statistics）軟件進行不同處理間各測定指標的方差分析。

2 結果與分析

2.1 稻田耕層土壤固碳速率和土壤碳密度

不同耕作措施下，各處理稻田耕層土壤固碳速率如圖1a和表2中所示。經過5年的定位試驗后，各處理稻田土壤的碳庫變化范圍為 2.98—3.43 t·hm-2·a-1。不同耕作措施下，土壤碳年增長量以 CT處理最高，其次是RT和NT處理，大小順序表現為 CT＞RT＞NT＞RTO（圖 1a）；CT、RT 和 NT 處理稻田土壤碳年變化量均顯著高于 RTO處理（P＜0.05），這說明秸稈還田措施均有利于增加稻田土壤碳庫。

不同耕作措施下，各處理稻田耕層土壤的固碳速率大小順序表現為CT＞RT＞NT（表2），各處理間稻田土壤的固碳速率均達顯著差異水平（P＜0.05）。在秸稈還田條件下，CT和RT處理稻田土壤的固碳速率分別是NT處理的3.67倍和2.15倍，這說明翻耕和旋耕結合秸稈還田措施均能顯著提高土壤固碳速率，有利促進土壤碳庫年變化量朝“匯”的方向發(fā)展，提高土壤固碳能力和有機碳庫貯量。

圖1 不同耕作模式下稻田耕層土壤（0—20 cm）有機碳年變化量和有機碳密度Fig. 1 Annual change of soil organic carbon and soil organic carbon density of plough layer in paddy field under different tillage patterns

表2 不同耕作模式下稻田耕層土壤固碳速率Table 2 Soil carbon sequestration rate of plough layer in paddy field under different tillage patterns

不同耕作處理對稻田耕層土壤（0—20 cm）碳密度的影響如圖 1b中所示。各處理間稻田耕層土壤碳密度的范圍為29.77—34.33 t·hm-2，其中以CT處理稻田耕層土壤的碳密度最高，其次是RT和NT處理，大小順序表現為CT＞RT＞NT＞RTO（圖1b）。CT處理稻田耕層土壤的碳密度顯著高于RTO處理（P＜0.05），RT和 NT處理耕層土壤的碳密度高于RTO處理，但無顯著性差異（P＞0.05）。CT、RT和NT處理耕層土壤的碳密度分別比 RTO處理增加15.33%、9.00%和4.18%，這表明秸稈還田措施均能顯著提高耕層土壤的碳密度。

2.2 稻田生態(tài)系統(tǒng)的凈碳匯

不同耕作處理稻田生態(tài)系統(tǒng)水稻的碳吸收（凈碳固定）變化范圍為 5.27—7.43 t·hm-2·a-1，其大小順序表現為CT＞RT＞NT＞RTO（表3）。其中，以CT處理最高，比RTO處理增加40.99%，其次是RT和NT處理，分別比RTO處理增加28.46%和20.87%；這說明秸稈還田措施均有利于稻田生態(tài)系統(tǒng)固碳，翻耕和旋耕結合秸稈還田措施的固碳效果高于免耕結合秸稈還田措施。各個耕作處理間，作物固碳占稻田生態(tài)系統(tǒng)水稻碳吸收的96.37%—97.34%。不同耕作處理稻田土壤全年碳排放為 1.65—2.70 t·hm-2·a-1，其大小順序表現為 CT＞RT＞NT＞RTO（表3）。不同耕作處理稻田土壤全年投入碳排放的變化范圍為 2.01—2.11 t·hm-2·a-1，其大小順序表現為CT＞RTO＞RT＞NT，但各處理間均無顯著性差異（P＞0.05）。

水稻生長季節(jié)不同耕作處理稻田土壤凈碳匯量分析結果表明，各耕作處理的凈碳匯量為-1.08—-0.77 t·hm-2·a-1，CT 處理為-1.08 t·hm-2·a-1，RT 和NT 處理分別為-0.80、-0.77 t·hm-2·a-1；CT 處理土壤凈碳匯量比NT處理增加40.26%，RT處理比NT處理增加3.90%（表3）?？梢?，翻耕和旋耕結合秸稈還田措施均能促進稻田土壤碳匯。

2.3 稻田生態(tài)系統(tǒng)經濟流

在稻田生產過程中的投入與價格、產量與經濟效益的基礎上，對不同處理稻田生態(tài)系統(tǒng)經濟效益分析結果表明，不同處理農田生態(tài)系統(tǒng)經濟效益的大小順序表現為 CT＞RT＞NT＞RTO（圖 2）。CT處理的凈收益比RTO處理增加1693.5 CNY·hm-2，其次是RT和NT處理，分別比RTO處理增加1042.5、190.5 CNY·hm-2。其中，CT和RT處理均顯著高于NT和RTO處理（P＜0.05），NT和RTO處理間無顯著性差異（P＞0.05）。這與不同耕作措施下稻田生態(tài)系統(tǒng)碳匯效應的變化趨勢一致，即產量越高、經濟效益越大，其碳匯量也越大。

表3 不同耕作模式下稻田生態(tài)系統(tǒng)生產中碳流通Table 3 Carbon flux estimation in paddy ecosystem production under different tillage patterns t·hm-2·a-1

圖2 不同耕作模式下稻田生態(tài)系統(tǒng)經濟收益比較Fig. 2 Comparison with economic profit of paddy ecosystem under different tillage patterns

3 討論

3.1 不同耕作模式稻田耕層土壤固碳速率和土壤碳密度

土壤有機碳是稻田土壤重要的肥力指標之一，對于稻田溫室氣體減排和維持土壤較高的生產力等方面均有十分重要的意義。稻田耕層土壤固碳速率和碳密度與所在區(qū)域的外界環(huán)境因素關系密切，易受當地的種植制度、作物種類、品種、耕作、秸稈還田和施肥制度等因素的影響（陳安磊等，2009；魏燕華等，2013）。韓冰等（2008）研究結果發(fā)現，采取秸稈還田和免耕措施，使中國農田土壤固碳量分別提高到 42.23 Tg·a-1和 3.58 Tg·a-1。前人研究結果表明，中國耕地和稻田土壤有機碳密度分別為(35±32) t·hm-2和 (46.9±25.7) t·hm-2（陳安磊等，2009）。在雙季稻區(qū)不同耕作模式大田定位試驗條件下，本研究結果表明，不同處理稻田耕層土壤（0—20 cm）固碳速率變化范圍為 2.98—3.43 t·hm-2·a-1、碳密度變化范圍為 29.77—34.33 t·hm-2，與前人的研究結果范圍一致。與秸稈不還田處理相比，秸稈還田措施均明顯提高了稻田耕層土壤的固碳速率和碳密度，其原因可能是結合耕作措施所翻壓還田的秸稈經過土壤微生物的分解，轉化成有機碳，為耕層土壤提供了充足的外源碳，促進了土壤對碳的固定作用，提高了耕層土壤的固碳速率和碳密度，增加了耕層土壤碳庫（Tang et al.，2019）。不同耕作措施條件下，CT和RT處理稻田耕層土壤固碳速率和碳密度均大于NT處理，其原因可能是NT條件下改變了土壤的部分理化性狀，增加了耕層土壤的容重（表 2），土壤孔隙度減小，不利于微生物的活動，降低了有機碳的分解速率，且所還田的秸稈僅覆蓋在地表，有機碳呈現表層富集現象（何瑩瑩等，2010）；而CT和RT處理條件下降低了土壤容重、改善土壤部分物理特性，增強了土壤的通氣性，有利于土壤微生物的活動（Hartmann et al.，2015；Tang et al.，2020），加速了對所還田秸稈的分解、并轉化為有機碳（韓冰等，2008）；且所還田的秸稈經翻耕和旋耕后與耕層土壤混合，頻繁的耕作加速了有機碳的礦化分解，增加了耕層土壤的外源有機質輸入，從而提高了土壤有機碳的含量，這與前人研究報道一致（武際等，2012；Tang et al.，2020）。與前人研究結果認為少（免）耕保護性耕作有利于增加土壤有機碳含量不同（魏燕華等，2013；李琳等，2006），本研究中NT處理耕層土壤的固碳速率和碳密度均高于RTO處理，這是因為前人開展相應研究的試驗田為旱地，而本研究為水稻田、種植制度為紫云英-雙季稻水旱輪作，采取免耕+秸稈還田措施秸稈覆蓋在稻田土壤表面，秸稈在水稻生育期干濕交替的灌溉條件下有利于增強土壤微生物活性、還田秸稈的礦化分解，增加土壤中腐殖質碳含量（Tang et al.，019），從而增加了耕層土壤固碳速率和土壤碳含量。而 RTO處理稻田耕層土壤由于缺少作物秸稈等外源物質（有機碳）的投入，其有機碳含量低于秸稈還田處理（Tang et al.，2019），RTO處理耕層土壤固碳速率和碳密度均低于秸稈還田處理。因此，各耕作處理稻田耕層土壤的固碳速率和碳密度均與所在區(qū)域的氣候、作物類型、土壤耕作方式、還田秸稈類型和還田量、灌溉措施等農事操作密切相關。

3.2 不同耕作模式稻田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯效應

前人研究結果表明，稻田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯效應與生產過程中所采取的田間管理措施密切相關，如農作制度、作物類型、耕作、秸稈還田和施肥制度等（李瑋等，2014；李潔靜等，2009；Xue et al.，2014）。在實際生產中，一般采取不同的田間管理措施，以恢復、維持和提高土壤中的有機質，進而影響稻田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯（Pu et al.，2019）。金琳等（2008）計算了秸稈還田和免耕等農田管理措施對中國的碳匯效應，結果表明，秸稈還田和免耕條件下農田土壤有機碳的年增加量分別為 0.597、0.514 t·hm-2·a-1。本研究結果分析表明，各處理作物固碳是稻田生態(tài)系統(tǒng)中主要的碳匯來源，占碳匯來源的96.37%—97.34%（表3），這表明在水稻生產中可以把增加作物固碳相關農事操作作為增加稻田生態(tài)系統(tǒng)碳匯的主要調控措施，這與前人的研究結果相一致（孟磊等，2005）。郝慶菊等（2007）研究結果認為，三江平原水稻生長季內農田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯量為 (-6.19±0.21) t·hm-2。在本研究中，秸稈還田條件下明顯增加了稻田土壤碳匯，這是因為秸稈還田措施能改善稻田土壤部分理化特性、培肥土壤，為作物生長發(fā)育提供良好的生態(tài)環(huán)境和營養(yǎng)物質來源保障，有利于增加作物的生物學產量和作物產量（唐海明等，2019a），作物秸稈還田后轉化為有機碳，有利于增加稻田耕層土壤碳儲量，提高了稻田生態(tài)系統(tǒng)中作物生產力和作物固碳能力，進而增加了稻田生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳匯和經濟效益。同時，不同耕作處理對稻田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯效應具有明顯的影響，各處理的凈碳匯量變化范圍為-1.08—-0.77 t·hm-2·a-1，其中以翻耕結合秸稈還田措施增加稻田土壤碳匯的效果最佳，這是因為在翻耕結合秸稈還田措施條件下，擴大了土壤庫容、改善了土壤生態(tài)環(huán)境，增強了土壤的通氣性，有利于土壤微生物的活動（Hartmann et al.，2015；Tang et al.，2020），促進對還田秸稈的分解，增加了作物生長所需的營養(yǎng)物質供應和土壤有機碳的含量（Tang et al.，2020），提高了稻田生態(tài)系統(tǒng)中作物固碳能力、耕層土壤有機碳庫和有機碳的存儲；此外，翻耕有利于促進作物的生長發(fā)育，增強根系對外界營養(yǎng)物質的吸收、增加了根系分泌物、根密度和作物地下部殘茬的還田量（Linh et al.，2015），增加了作物的干物質積累和產量（唐海明等，2019a），增強了生態(tài)系統(tǒng)中作物生產力，從而提高了稻田生態(tài)系統(tǒng)的經濟效益，這與魏燕華等（2013）報道的不同耕作和秸稈還田條件下翻耕+秸稈還田土壤碳儲量最高的研究結果表現一致。其次是旋耕和免耕結合秸稈還田處理，稻田土壤碳匯均高于RTO處理，其原因是采取旋耕和免耕結合秸稈還田條件下均能促進土壤團聚體的形成，有利于增加土壤有機碳含量（Tang et al.，2020），提高稻田生態(tài)系統(tǒng)中土壤的固碳能力；此外，外源投入的秸稈腐解后能為作物生長發(fā)育提供營養(yǎng)物質來源，促進了植株地下和地上部的生長，有利于增加作物的生物學產量和地下部殘薦還田量（唐海明等，2019a），提高稻田生態(tài)系統(tǒng)中作物生產力和作物固碳能力，在一定程度上增加了稻田生態(tài)系統(tǒng)的經濟效益。本研究所計算的碳匯量和經濟效益等方面的結果與前人的研究結果范圍略有差異，這可能與各試驗區(qū)不同耕作方式對土壤及其環(huán)境造成的影響不同，及不同試驗區(qū)所使用的燃油、化肥、殺蟲劑等生產資料投入、人工投入和價格等不同密切相關。

本文僅針對紫云英-雙季稻種植模式下不同耕作方式對雙季稻田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯效應及收益的影響開展了初步研究，不同耕作方式對雙季稻田溫室氣體排放特征及其土壤微生物影響機制等方面還需進一步探討。

4 結論

本文在定位試驗的基礎上對不同耕作措施條件下稻田土壤固碳速率分析結果表明，不同處理稻田耕層土壤（0—20 cm）固碳速率變化范圍為2.98—3.43 t·hm-2·a-1，耕層土壤碳密度為 29.77—34.33 t·hm-2，其大小順序均表現為 CT＞RT＞NT＞RTO；其中，CT和 RT處理稻田耕層土壤固碳速率和土壤碳密度均顯著高于RTO處理，這說明秸稈還田條件下采取翻耕和旋耕措施均能明顯提高耕層土壤固碳速率和土壤碳密度，具有較佳的固碳效果，有利于促進土壤碳庫年變化量朝“匯”的方向發(fā)展，提高稻田土壤固碳能力和有機碳庫貯量。不同耕作處理水稻生長季節(jié)均表現為碳匯，其大小順序表現為CT＞RT＞NT＞RTO，翻耕和旋耕結合秸稈還田措施條件下碳匯效應均高于免耕處理。總的來說，翻耕和旋耕結合秸稈還田措施均有利于提高稻田生態(tài)系統(tǒng)的凈碳匯和經濟效益，維持稻田的可持續(xù)生產。