傳統(tǒng)保護性農(nóng)業(yè)（如免耕和秸稈覆蓋）雖能減少水土侵蝕，但在稻田系統(tǒng)中存在顯著局限。免耕雖然增加了表層有機碳，但下層土壤碳儲量下降，整體固碳潛力低，并且稻田厭氧環(huán)境導致覆蓋秸稈分解產(chǎn)生有毒物質(zhì)（如硫化物），抑制了微生物活動及碳轉(zhuǎn)化。Meta分析顯示免耕導致作物平均減產(chǎn)5-10%，中國南方稻田尤為嚴重。因此，本研究提出一種秸稈集中溝埋還田技術(shù)，通過將秸稈注入底土實現(xiàn)土壤固碳與作物增產(chǎn)協(xié)同提升。

（1）評估秸稈集中溝埋還田技術(shù)（DB-SR）對土壤有機碳（SOC）及作物產(chǎn)量的影響；

（2）闡明SOC與作物產(chǎn)量提升的內(nèi)在機制；

（3）比較DB-SR與旋耕秸稈還田（RT-SR）的技術(shù)可行性；

（4）采用Meta分析全面量化DB - SR對中國區(qū)域土壤有機碳儲量和作物產(chǎn)量的影響。

（1）田間試驗于2008年11月在江蘇省沿江區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究所進行(32°13′N， 121°03′E)，該地區(qū)屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫14.5℃，降水量1 057.0 mm。

（2）RT-SR代表旋耕秸稈還田，DB-SR代表秸稈集中溝埋還田。RT-SR處理中，秸稈被切碎為5-10 cm段，通過旋耕機混入0-10 cm土層。DB-SR處理則需將秸稈打捆稱重后，置于田壟晾曬三日，隨后埋入深20 cm、寬20 cm、間距2 m的溝渠^（圖1a）。

（3）對于RT-SR處理，每個小區(qū)沿S形線布設(shè)5個采樣點；對于DB-SR處理，各小區(qū)均精確標記了不同年份的秸稈溝。每個作物季后新建3條秸稈溝，每個DB-SR周期（10年）共形成30條秸稈溝^（圖1a）。每條秸稈溝隨機采集1個土樣，同季3條溝的土樣混合后測定有機碳含量；選取10條不同年限秸稈溝的土樣按等質(zhì)量混合，用于有機碳組分和土壤性質(zhì)測定。

（4）測定指標：NH?^?、NO?^?、SOC、DOC、MBC、MBN、δ13C、POC、MAOC、MNC、水稻產(chǎn)量、溫室氣體。

圖1 樣地和采他樣示意圖

（1）DB-SR顯著增加了土壤有機碳儲量。基于15年田間試驗數(shù)據(jù)表明，DB-SR處理0-40 cm土層的土壤有機碳庫較RT-SR增加45.7%，其中DB-SR有機碳的增加主要發(fā)生在10-20 cm和20-30 cm土層，同時δ¹³C有所下降^{（圖2a,b）}。進一步分析發(fā)現(xiàn)，兩種有機碳組分均呈現(xiàn)增長趨勢：DB-SR使0-40 cm土層的POC儲量增加30.0%，MAOC儲量增加56.8%^（圖2c）。MNC是DB-SR處理礦物結(jié)合有機碳（MAOC）的主要組分。DB-SR處理使MAOC組分中MNC儲量增加103.9%，且MAOC中MNC的增加主要源于DB-SR條件下真菌殘體碳的積累^{（圖2e,f）}。

圖2 DB-SR對土壤有機碳（SOC）及其組分儲量的影響

（2）DB-SR處理增加了作物產(chǎn)量。長期田間試驗表明，采用DB-SR耕作模式較RT-SR模式更能提高作物產(chǎn)量，其中小麥平均增產(chǎn)16.5%、水稻增產(chǎn)9.0%、年產(chǎn)量提升14.8%^{（圖3a、c）}。小麥產(chǎn)量與穗數(shù)^（圖3b）和穗粒數(shù)顯著相關(guān)，水稻產(chǎn)量則與穗數(shù)呈顯著正相關(guān)^（圖3d）。相比RT-SR，DB-SR使小麥穗數(shù)增加10.7%、水稻穗數(shù)提升16.4%。

圖3 DB-SR對作物產(chǎn)量動態(tài)變化的影響及其與穗數(shù)的關(guān)系

（3）Meta分析結(jié)果。基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)的Meta分析表明：相較于秸稈移除處理（S0），秸稈還田（SR）使0-20cm、20-40cm和40-100cm土層土壤有機碳儲量分別顯著提升9.9%、16.3%和8.1%^{（圖4a-c）}。其中DB-SR處理在20-40cm和40-100cm土層土壤有機碳儲量分別顯著提升23.5%和14.1%。秸稈還田使作物籽粒產(chǎn)量較S0平均增產(chǎn)7.4%^（圖4d），其中以DB-SR模式的增產(chǎn)效果最顯著（+9.4%）。與其他耕作方式（NT-SR、RT-SR、PT-SR）相比，DB-SR在20-40cm土層平均提升40.3%的有機碳儲量，40-100cm土層提升2.4%^{（圖4e-g）}，作物產(chǎn)量平均提高10.0%^（圖4h）。

圖4 不同土層深度土壤有機碳儲量對DB-SR響應(yīng)的Meta分析

（4）DB-SR減少了碳排放，提高了經(jīng)濟效益。與RT-SR相比，稻麥輪作系統(tǒng)中DB-SR的凈二氧化碳當量排放分別降低5.4%（不考慮SOC儲量變化）和34.1%（考慮SOC變化）^（圖5a）。溫室氣體排放組分分析顯示，DB-SR未顯著增加總體排放量^（圖5a），反而呈現(xiàn)降低甲烷（CH₄）10.6%和氧化亞氮（N₂O）5.6%排放的趨勢，但柴油相關(guān)的二氧化碳當量排放增加了2.3%。綜合分析后發(fā)現(xiàn)DB-SR處理使糧食生產(chǎn)收益實現(xiàn)凈盈利^（圖5b）。

圖5 DB-SR對凈CO₂當量排放和凈經(jīng)濟收益的影響

DB-SR處理在不增加施肥量的情況下使作物產(chǎn)量提升15%，并且通過秸稈碳向礦物結(jié)合態(tài)真菌殘體的高效轉(zhuǎn)化使0-40 cm土層有機碳儲量增加46%（17.2 噸/公頃）^（圖6），除此之外，DB-SR處理使凈二氧化碳當量排放降低34%，凈經(jīng)濟效益提高18%。通過中國多地區(qū)的Meta分析進一步驗證，該技術(shù)確實能同步提升土壤有機碳與作物產(chǎn)量，為可持續(xù)農(nóng)業(yè)提供了技術(shù)范式。

圖6 DB - SR對土壤有機碳和作物產(chǎn)量影響過程的概念圖