華北平原潮質(zhì)土壤協(xié)同實(shí)現(xiàn)有機(jī)碳提升，糧食增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的途徑
——以曲周縣為例

任其然，鄧麗娟，焦小強(qiáng)

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/國家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究院/植物-土壤相互作用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨著巨大挑戰(zhàn)：在保持糧食持續(xù)有效供給的同時，需要提高資源利用效率，保護(hù)環(huán)境。土壤有機(jī)碳（SOC）對提高土壤肥力，促進(jìn)植物生長，提高土地生產(chǎn)力具有重要的價值，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)田系統(tǒng)糧食可持續(xù)生產(chǎn)的重要因素之一［1-3］。諸多因素影響了SOC的提升，比如農(nóng)田管理措施的演變。在過去的40年里，中國成功地用7%的土地養(yǎng)活了全球20%的人口［4］。但糧食產(chǎn)量的高速增長同時帶來了諸多問題，化肥、農(nóng)藥、除草劑的不合理使用造成了農(nóng)田土壤板結(jié)、土壤有機(jī)質(zhì)下降、土壤生態(tài)系統(tǒng)破壞，對農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)造成了極大的負(fù)面影響，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性的降低［5］。如何實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，同時提高土壤有機(jī)質(zhì)水平，對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性至關(guān)重要。

SOC的提升是一個長期復(fù)雜的過程，受自然條件和人為管理措施（耕作、栽培等）的影響［6-7］。自20世紀(jì)80年代以來，華北地區(qū)通過高量的碳氮投入使得SOC明顯提高，與此同時該地區(qū)糧食作物產(chǎn)量也顯著提升［2，8］。然而，SOC變化和產(chǎn)量間的關(guān)系尚不明晰，這種缺乏一般共識的現(xiàn)象可能是由于管理、氣候和土壤類型等因素相互作用的結(jié)果，這些因素會破壞SOC與產(chǎn)量的關(guān)系［9］。研究表明隨著SOC增加，產(chǎn)量會增加［2］、減少［10］或是不變［11］。這使得部分學(xué)者認(rèn)為不同的有機(jī)碳組分對于作物產(chǎn)量的效應(yīng)不同，只要氮肥施用量充足，作物產(chǎn)量和SOC的提高并無明顯線性關(guān)系［11］。一些學(xué)者通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫较喾吹慕Y(jié)論，徐明崗等［12］通過經(jīng)驗(yàn)方程發(fā)現(xiàn)在我國不同區(qū)域，農(nóng)田土壤每固定1.0 t有機(jī)碳，糧食作物產(chǎn)量可平均提升約0.7 t·hm-2，但該響應(yīng)值在各地區(qū)明顯受到相應(yīng)的環(huán)境及農(nóng)田管理措施等因素的影響。Oldfield等［13］認(rèn)為在有機(jī)碳不高于2%的條件下，增加SOC的同時能增加作物產(chǎn)量，將SOC含量從1.0%提升到2.0%能使小麥、玉米分別增產(chǎn)55.4%和23.0%。要驗(yàn)證這些SOC對產(chǎn)量和環(huán)境影響相互矛盾的說法，除了建立定量化的分析手段，還需要將區(qū)域尺度的宏觀研究和田塊尺度的微觀研究結(jié)合。不同尺度研究的結(jié)合能探尋SOC增加原因，進(jìn)一步明晰SOC變化對于產(chǎn)量的影響。

曲周縣地處被稱作“中國糧倉”的華北平原，是我國典型的農(nóng)業(yè)種植縣。在1980s曲周縣是典型的鹽堿地區(qū)，土壤有機(jī)質(zhì)極低。在過去的40年間，曲周縣通過鹽漬土改良、農(nóng)業(yè)集約化管理和水肥投入實(shí)現(xiàn)糧食產(chǎn)量從2 t·hm-2向6 t·hm-2的提升，同時SOC含量由0.5%提高到0.8%。在實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)的同時，實(shí)現(xiàn)了全縣土壤有機(jī)質(zhì)的整體提升。總結(jié)曲周縣過去40年SOC和糧食產(chǎn)量變化及其關(guān)系，并結(jié)合當(dāng)?shù)厥┯糜袡C(jī)肥和秸稈還田進(jìn)行優(yōu)化管理的長期定位試驗(yàn)，對實(shí)現(xiàn)縣域尺度培肥土壤地力，提高和穩(wěn)定糧食產(chǎn)量具有重要的意義和參考價值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)域?yàn)楹颖笔∏芸h（36.88 °N，114.9°E），屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均溫13.1℃，無霜期平均210 d，多年平均降水量556.2 mm，70%的降水集中于6～9月。小麥、玉米為主要的種植作物，灌溉水主要來源于地下水。2018年的全縣土壤調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果表明，全縣0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為13.8 g·kg-1、全 氮1.0 g·kg-1、有 效 磷10.7 mg·kg-1、速 效 鉀182.8 mg·kg-1。

1.2 數(shù)據(jù)來源

縣域尺度土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)土壤取樣點(diǎn)深度均為0～20 cm，來源于1980、2000、2009、2018年在曲周縣進(jìn)行的4次取土試驗(yàn)。

1980年：主要來自于全國第二次土壤普查資料，共79個取樣點(diǎn)。

2000年：通過收集前人在曲周的試驗(yàn)資料得到，主要來自于孔祥斌等［14］在曲周縣布置的79個土壤采樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）含量資料。

2009年：由曲周縣農(nóng)牧局土肥站提供，主要是在曲周縣布置的262個土壤采樣點(diǎn)SOM數(shù)據(jù)。

2018年：對全縣耕地采用1 km×1 km網(wǎng)格調(diào)查法，采集0～20 cm土壤樣品進(jìn)行分析，測定土壤有機(jī)質(zhì)。共計(jì)547個土壤采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。

作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)搜集：作物產(chǎn)量主要是小麥、玉米、高粱等糧食作物的平均產(chǎn)量，來自于《曲周縣統(tǒng)計(jì)年鑒（1980～2016）》。本研究分別以1980～1989、1990～1999、2000～2009和2010～2016年當(dāng)年的均值表示1980s、1990s、2000s、2010s的數(shù)據(jù)。

有機(jī)肥數(shù)據(jù)由曲周縣畜牧業(yè)動物的養(yǎng)殖量進(jìn)行計(jì)算得到，包含牛、馬、驢、騾、豬、羊、雞。牲畜數(shù)量來自于《曲周縣統(tǒng)計(jì)年鑒（1980～2016）》。計(jì)算方法參照劉曉永等［15］。分別以1980～1989、1990～1999、2000～2009和2010～2016當(dāng)年 的 均 值 表 示1980s、1990s、2000s、2010s的數(shù)據(jù)。

本研究通過文獻(xiàn)查閱，收集了在曲周縣進(jìn)行的7個長期定位試驗(yàn)。試驗(yàn)情況如表1所示。作物系統(tǒng)以曲周縣主要糧食系統(tǒng)小麥-玉米為主。

按照以下標(biāo)準(zhǔn)選取符合本研究的定位試驗(yàn)：1）所有定位試驗(yàn)點(diǎn)必須在河北省邯鄲市曲周縣；2）試驗(yàn)所種植的作物為小麥-玉米；3）每個試驗(yàn)點(diǎn)中必須包含對照、優(yōu)化處理組，優(yōu)化處理組以秸稈還田或施用有機(jī)肥處理組為主，另有一個進(jìn)行不施肥不還田的對照空白組；4）每個試驗(yàn)的對照組和優(yōu)化處理組需要有產(chǎn)量（kg·hm-2）或者SOC（g·kg-1）的測定數(shù)據(jù)；5）在同一研究中所有處理的SOM（SOC）取樣深度和測定方法一致，且所有的SOM（SOC）單位使用濃度單位g·kg-1或（%），SOC和SOM間轉(zhuǎn)換系數(shù)為1.724；6）同一個試驗(yàn)在試驗(yàn)?zāi)晗迌?nèi)，田間管理措施都相同。

表1 長期定位試驗(yàn)處理方式及文獻(xiàn)來源

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

各年糧食作物單產(chǎn)數(shù)據(jù)根據(jù)每年糧食產(chǎn)量和其耕種面積計(jì)算得出，各年代數(shù)據(jù)由所屬年代加權(quán)平均算出。各年土壤有機(jī)質(zhì)分布圖用Arcgis 10.6軟件中的克里金插值法得出。利用Excel 2019和SPSS 20.0軟件對作物產(chǎn)量和SOC進(jìn)行線性回歸分析。利用Sigmaplot 14.0作圖。

作物秸稈根茬碳還田量（Cr）和秸稈碳還田量（Cs）由以下公式計(jì)算［23］：

Yield為作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，WC為作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量含水量，小麥和玉米的含水量分別為0.125［24］、0.135［23］。GSratio為作物的根冠比，小麥、玉米的根冠比分別為0.5、0.33［25］。RS和SR分別為根茬還田率和秸稈還田率，各年代的根茬還田率參考Zhao等［23］，1980、1990、2000年代秸稈還田率參考劉曉永等［26］，2010年代秸稈還田率參考牛新勝等［27］，具體數(shù)值如表2所示。0.45為根茬和秸稈含碳量［23］。

畜禽糞尿碳還田量（Cm）由以下公式計(jì)算：

i為牛、馬、驢、騾、豬、羊、雞的種類；S、H分別為畜禽年內(nèi)出欄數(shù)、年末存欄數(shù)；P為飼養(yǎng)周期天數(shù)；365是一年的365 d。M為畜禽糞尿的每頭日排泄系數(shù)［kg·d-1·個-1］，1000是換算系數(shù)，MS是畜禽還田率，Ci是不同種類畜禽糞尿含碳量。各年代畜禽還田率（MS）參考劉曉永等［15］，詳見表2。各種畜禽糞尿含碳量（CI）參考張福鎖等［28］，詳見表3。

表2 不同年代畜禽糞尿及秸稈還田率 （%）

表3 畜禽糞尿鮮基有機(jī)碳含量 （%）

2 結(jié)果與分析

2.1 不同歷史時期曲周縣域尺度土壤有機(jī)質(zhì)濃度和作物產(chǎn)量變化

自1980年以來，曲周縣耕層土壤有機(jī)質(zhì)濃度持續(xù)提升（圖2）：具體表現(xiàn)為1980年土壤有機(jī)質(zhì)濃度平均為8.5 g·kg-1，6～10 g·kg-1占整個全縣面積的99.0%。1999年，有機(jī)質(zhì)濃度平均提高到11.9 g·kg-1，12～14 g·kg-1土壤面積占比最多，達(dá)到全縣的46.8%。2009年土壤有機(jī)質(zhì)濃度平均高達(dá)13.5 g·kg-1，12～14 g·kg-1土壤面積占比進(jìn)一步增大，達(dá)到全縣的50.9%。2018年有機(jī)質(zhì)含量平均提升到13.8 g·kg-1。14～16 g·kg-1土壤面積最多，達(dá)到了260.9 km2，占全縣的39.1%。

不同歷史時期曲周縣產(chǎn)量及其變異系數(shù)的變化如圖3所示，曲周縣糧食單產(chǎn)呈逐步遞增的趨勢，1980s僅 為3 t·hm-2，2018s提 高 到8 t·hm-2。1990s、2000s、2010s平 均 糧 食 增 產(chǎn) 率分 別 為58.7%、22.8%、38.9%。糧食產(chǎn)量的變異系數(shù)逐步下降：1980s為22.9%，2018s為3.3%。

2.2 不同歷史時期曲周縣農(nóng)田系統(tǒng)碳投入量的變化

不同年代曲周縣秸稈還田碳、根系生物量碳、畜禽糞尿碳投入量如圖4所示。曲周縣農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)主要以小麥-玉米輪作體系為主，同時有一定規(guī)模的養(yǎng)殖業(yè)。曲周縣土壤碳來源主要是秸稈還田、秸稈根茬還田和畜禽糞尿還田。對過去40年曲周縣土壤碳來源研究發(fā)現(xiàn)，曲周縣土壤碳還田量隨時間逐步上升。各年代間提升率分別為131.1%、156.3%、182.0%。1980s秸稈還田碳比例不斷提高，從1980s投入碳占比的48%到2018s的72%，過去40年畜禽糞尿還田碳占總還田碳的10%～18%。根茬碳占總碳的比例不斷下降，從1980s的42%下降到2010s的18%。對比曲周縣1980s和2010s農(nóng)田碳流動發(fā)現(xiàn)，相較于1980s，地上部秸稈還田量提高了9.5倍，每年碳投入量從0.7 t·hm-2增加到6.7 t·hm-2；根系投入碳增加了2.7倍，每年碳投入量從0.6 t·hm-2增加到1.6 t·hm-2；來源于畜禽糞尿碳增加了7.1倍，每年碳投入量從0.14 t·hm-2增加到1.0 t·hm-2；被用作其他用途的秸稈量減少了18倍，每年碳移走量從1.8 t·hm-2減少到0.1 t·hm-2；經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量中的碳增加了6.9倍，每年碳從1.2 t·hm-2增加到8.3 t·hm-2。

2.3 優(yōu)化管理對作物產(chǎn)量及土壤固持的影響

通過對曲周縣7個定位試驗(yàn)加權(quán)平均計(jì)算得到試驗(yàn)持續(xù)時間和糧食產(chǎn)量間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),采用秸稈還田等優(yōu)化管理的糧食產(chǎn)量呈提高趨勢，平均每年提高0.07 t·hm-2?？瞻讓φ战M糧食產(chǎn)量短時間內(nèi)無明顯變化，從第8年開始呈下降趨勢（圖5）。對所有試驗(yàn)SOC數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析后發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化處理的SOC含量隨著試驗(yàn)時間的推移呈現(xiàn)明顯上升趨勢（P＜0.05），平均每年提升0.3 g·kg-1?？瞻讓φ仗幚鞸OC含量與試驗(yàn)持續(xù)時間無顯著關(guān)系。

3 討論

3.1 曲周縣土壤有機(jī)碳含量的變化及其影響因素

過去的40年間，曲周縣農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)逐步提升的趨勢，大致可以分為3個階段，1980年時全縣土壤有機(jī)質(zhì)含量普遍偏低，空間連續(xù)性好，除縣城附近外，土壤有機(jī)質(zhì)含量均不高于10 g·kg-1（圖2a）。這主要是由于20世紀(jì)80年代農(nóng)田碳投入很低，土壤鹽漬化程度高且化肥施用很少，導(dǎo)致作物生產(chǎn)力低下［29］。除縣城附近，其他區(qū)域灌溉水平極低。作物秸稈主要被用作燃料或者是飼料，甚至在縣內(nèi)某些區(qū)域農(nóng)作物的根也被挖出來用作燃料。養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模很小，產(chǎn)生的畜禽糞尿多數(shù)被用作燃料，極少的部分施入了經(jīng)濟(jì)作物農(nóng)田中。

第二階段（1990～2010年），曲周縣土壤有機(jī)碳含量顯著提升，導(dǎo)致這一動態(tài)變化的主要原因有以下幾點(diǎn)：（1）曲周縣化肥施用量自20世紀(jì)90年代初期開始飛速上升，氮肥和磷肥投入量從1990年到2010年分別增加了16.5和30.8倍?；释度氲脑黾右鹆俗魑锷锪康脑黾?，也引起了地下部生物量的增加，使得輸入土壤的秸稈和根茬的碳也相應(yīng)增加［23］。長期定位試驗(yàn)研究表明，化肥施用平均每年能增加土壤有機(jī)碳C 0.19 Mg·hm-2［30-31］。此外，化肥的投入還能提高作物殘茬和根向土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的效率，增強(qiáng)微生物降解SOM的效率［32］。（2）中國農(nóng)村培肥土壤主要通過秸稈還田和畜禽糞尿堆肥形成廄肥。據(jù)前人的調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)，曲周廄肥利用率較低，且大部分廄肥都施用在經(jīng)濟(jì)價值較高的果園和菜園中［33］。因此曲周縣土壤有機(jī)肥的主要來源是秸稈還田，根據(jù)劉云慧等［33］和牛新勝等［27］的調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2010年曲周縣玉米和小麥的秸稈還田率分別比1999年高60%和30%，秸稈還田率的提高直接導(dǎo)致通過作物殘?jiān)斎氲奶硷@著增加，增加了土壤有機(jī)碳含量。曲周縣秸稈還田率的提高主要?dú)w因于兩個方面，一方面是我國自2000年起重視秸稈焚燒這一環(huán)境問題，在農(nóng)村地區(qū)通過制定嚴(yán)格的政策法規(guī)禁止秸稈焚燒［34］。另一方面，曲周縣政府自1998年起在全縣推廣秸稈整株還田、翻壓還田等多項(xiàng)技術(shù)，提高了秸稈還田的效率并且讓農(nóng)民認(rèn)識到秸稈還田的好處。（3）曲周縣1980年以前一直深受土壤鹽漬化的困擾。土壤鹽漬化形成了大量無人耕作的荒地，年復(fù)一年的荒廢導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的含量持續(xù)降低。自1973年起來自中國農(nóng)大的師生建立了三代鹽堿綜合治理區(qū)，成功治理了1.9×104hm2的鹽堿地。到1989年時小麥、玉米的產(chǎn)量相較于1983～1985年平均量分別增加了15.5%和81.8%［29］。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，在開墾的鹽漬土上，即使不施用肥料，土壤有機(jī)質(zhì)的含量也呈現(xiàn)增長的狀況，這是因?yàn)樵械柠}堿荒地土壤有機(jī)質(zhì)含量很低，經(jīng)過治理并開墾種植后，作物的生物量高于原來荒草地的生物產(chǎn)量，植物根茬部分累積增加，所以原本水平較低的土壤有機(jī)質(zhì)含量也能夠有上升的空間。（4）種植制度的改變和作物品種的改良是曲周縣土壤有機(jī)質(zhì)增加的最后一個原因。曲周縣的復(fù)種指數(shù)從1981年的1.41提高到1999年的1.65，直接提高了全縣的糧食產(chǎn)量和秸稈、根際碳輸入量［35］。同時自20世紀(jì)90年代后引進(jìn)了大根系作物，這些作物能夠?qū)⒏嗟母禋堅(jiān)透堤剂粼谕寥乐?，提高土壤碳的投入量?？臻g上這段時間土壤有機(jī)質(zhì)提高最快的區(qū)域集中在縣城附近，主要是由于臨近縣城附近的鹽漬土治理效果好，灌溉設(shè)施和秸稈還田推廣相較其他區(qū)域比較好。

第三階段是2010年至今，這段時間曲周縣產(chǎn)量進(jìn)一步增加，同時縣內(nèi)小麥、玉米秸稈還田率分別達(dá)到了96.5%和99.8%?？臻g上整體土壤有機(jī)碳分布變化不大，縣城附近由于較好的推廣措施使得土壤有機(jī)碳含量進(jìn)一步增加。需要指出的是雖然土壤碳投入量進(jìn)一步增加，但土壤有機(jī)質(zhì)含量并未明顯增加。進(jìn)入2010年后，曲周縣制定了“高產(chǎn)高效”的農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略，在保持甚至降低化肥投入的同時使得糧食穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)?；释度氲慕档褪墙?0年有機(jī)碳含量無明顯變化的一個重要因素，此外，曲周縣土壤經(jīng)過近40年培育有機(jī)碳含量已達(dá)到了一個臨界水平，進(jìn)一步提高需要采取更多保護(hù)性耕作措施。曲周縣目前耕作制度以冬小麥—夏玉米輪作為主。Yang等［36］的研究表明，在曲周進(jìn)行多樣化種植和輪作制度能提高土壤有機(jī)碳含量的同時減少溫室氣體排放，小麥、花生、黑麥、棉花、玉米的輪作在固碳減排上取得了很好的效果。Wang等［37］的研究發(fā)現(xiàn)，豆科植物和谷類作物輪作能增加氮肥利用率，提高土壤有機(jī)碳含量。在曲周縣依莊鎮(zhèn)土壤有機(jī)碳含量很低的區(qū)域推薦采取免耕或是休耕制度，以提高土壤有機(jī)碳含量［38］。

曲周縣通過施肥、提高秸稈還田率、治理鹽堿地、提高復(fù)種指數(shù)和改良作物品種等方式使得土壤有機(jī)碳含量取得顯著的提升。多種方法最終都直接或間接地通過提高作物生物量，增加作物殘?jiān)透递斎氲奶?，這種地上-地下聯(lián)動的方式提高了土壤碳的輸入，繼而增加了土壤有機(jī)碳含量。秸稈還田和根系碳的增加是土壤有機(jī)碳過去40年增加的最重要原因。Zhao等［23］對中國有機(jī)碳含量變化的研究表明，秸稈和根茬還田與有機(jī)碳變化顯著正相關(guān)，對中國有機(jī)碳的增量貢獻(xiàn)占到了70%。Fan等［39］對加拿大的研究表明，近45年加拿大土壤有機(jī)碳含量平均增加了81%，其中秸稈和根系生物量投入的碳貢獻(xiàn)了82%～92%，而畜禽糞尿還田僅貢獻(xiàn)了8%～18%。Zhang等［40］和Tian等［41］的整合分析結(jié)果表明，有機(jī)肥配施化肥是提高土壤碳水平的有效途徑，秸稈還田是增加土壤碳匯的主要方法［42-43］。

3.2 地上-地下循環(huán)驅(qū)動曲周土壤有機(jī)質(zhì)的提升、糧食增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)

本研究表明過去40年，作物地上、地下部生物量的飛速增加使得曲周縣土壤碳輸入量增大，直接導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳的增加。土壤有機(jī)碳的提高進(jìn)一步促進(jìn)了糧食增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。曲周縣進(jìn)行的7個長期試驗(yàn)結(jié)果（圖5）表明，通過秸稈還田、施用牛糞和氮肥等方法不僅能提高土壤有機(jī)碳含量，并且能增加作物產(chǎn)量。大量的田間試驗(yàn)結(jié)果也表明了通過秸稈還田在提升土壤有機(jī)碳含量的同時能顯著增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)［44-45］。從田間尺度上升到小區(qū)域（縣級）尺度，這個現(xiàn)象依然存在。過去40年曲周縣在土壤有機(jī)碳增加的同時，糧食作物產(chǎn)量顯著提升，年代間產(chǎn)量變異系數(shù)顯著降低（圖3）。這個結(jié)果支持Lal［1］提出的C固存有助提高農(nóng)業(yè)土壤中作物產(chǎn)量的觀點(diǎn)。Pan等［2］和Zhao等［23］的研究結(jié)果證明，當(dāng)研究尺度從小區(qū)域（縣域）尺度上升到大區(qū)域尺度（全國、省級）時，通過秸稈還田或其他培肥方式增加土壤有機(jī)碳，使得作物產(chǎn)量增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)這一效應(yīng)依然存在。土壤有機(jī)碳和作物產(chǎn)量通過地上部秸稈還田、地下部根系殘?jiān)耐度牍餐瑯?gòu)成了一個地上-地下部的循環(huán)。這個循環(huán)是驅(qū)動曲周過去40年土壤有機(jī)碳增加和作物增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的原因。

曲周縣40年土壤培肥增產(chǎn)的實(shí)例給出了一條實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的道路——構(gòu)建地上-地下循環(huán)驅(qū)動土壤有機(jī)碳提高和作物增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。目前，這一循環(huán)仍然存在著某些局限性。首先，合理施用化肥是構(gòu)建這一循環(huán)的關(guān)鍵因素。在土壤有機(jī)碳含量較低的時候，施用氮肥能增加土壤有機(jī)碳和增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。但隨著化肥投入量增加出現(xiàn)較高的土壤氮盈余和磷盈余后，施用無機(jī)肥料會降低土壤有機(jī)碳，對于產(chǎn)量的增產(chǎn)效果也會降低［36，46］。目前，使用部分有機(jī)肥替代氮肥成為減少氮盈余產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)的有效手段［47］。其次，這個循環(huán)對于作物的增產(chǎn)效應(yīng)存在著閾值上限，土壤有機(jī)碳和作物產(chǎn)量間的關(guān)系目前還存在爭議，但大部分學(xué)者認(rèn)為在土壤有機(jī)碳低于2.0%的條件下，土壤有機(jī)碳增加對作物產(chǎn)量增加存在正效應(yīng)［13，48］。所以這一循環(huán)在有機(jī)碳含量較高的區(qū)域，實(shí)施的增產(chǎn)效應(yīng)值會相應(yīng)降低甚至無明顯變化。最后，大幅度提高秸稈還田量不一定能取得好的效果。譬如在復(fù)種指數(shù)極高或者產(chǎn)量很高的地區(qū)，每年產(chǎn)生了大量的秸稈。在短時間內(nèi)土壤并不能完全降解如此多的秸稈，簡單方便的直接還田方法容易產(chǎn)生病原菌和農(nóng)藥殘留。而通過炭化還田、施加降解菌等方法處理秸稈還田的負(fù)面效應(yīng)需要考慮農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)成本。

本研究結(jié)果表明，曲周縣的成功經(jīng)驗(yàn)?zāi)転樵S多發(fā)展中國家的農(nóng)田碳封存殘留管理提供一些指導(dǎo)。由于低生產(chǎn)力和燃料或飼料的殘?jiān)宄?，低有機(jī)碳投入是許多發(fā)展中國家限制有機(jī)碳積累的主要因素。曲周縣政府-高校合作推廣秸稈還田的模式對有機(jī)碳封存的重大貢獻(xiàn)表明，田間尺度的解決方案可以推廣到區(qū)域尺度甚至是國家層面。另一方面，由于基礎(chǔ)土壤條件、氣候和社會經(jīng)濟(jì)條件的區(qū)域差異，不同區(qū)域的秸稈還田量及施肥量可能并不相同。因此，科學(xué)技術(shù)和知識的應(yīng)用推廣、經(jīng)濟(jì)和政策激勵以及利益相關(guān)者（農(nóng)民）的積極參與是實(shí)現(xiàn)縣域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展乃至全球可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分［3］。

4 結(jié)論

曲周縣作物產(chǎn)量和土壤有機(jī)質(zhì)含量在空間上呈顯著區(qū)域特征，臨近縣城范圍內(nèi)作物產(chǎn)量和土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯較高，依莊鄉(xiāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量較低。主要原因是初始有機(jī)質(zhì)含量和水肥管理等存在差異，臨近縣城附近保護(hù)性耕作推廣和灌溉設(shè)備均優(yōu)于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)，時間尺度上近40年以來（1980～2018年）曲周縣土壤有機(jī)質(zhì)總體表現(xiàn)為，前30年穩(wěn)步提升，進(jìn)入2018年后略有提升，各年代間增加速率分別為65.5%、24.0%、38.6%。從1980s到2010s曲周縣糧食產(chǎn)量從3.0 t·hm-2提高到7.7 t·hm-2，年代間遞增率分別為58.7%、22.8%、38.9%。4個年代時間上的變異系數(shù)分別是22.9%、21.3%、8.0%、3.2%。產(chǎn)量變異系數(shù)從22.94%降低到3.3%，農(nóng)田碳投入從1.4 t·hm-2提高到9.3 t·hm-2；秸稈地上殘留碳增加9.5倍；秸稈地下殘留碳增加2.7倍；肥料碳增加7.1倍；農(nóng)作物增產(chǎn)6.9倍；移走的秸稈量減少了18倍?；陂L期定位試驗(yàn)結(jié)果分析，與空白對照相比，優(yōu)化處理的土壤有機(jī)碳顯著提升，平均每年提高5.9%，糧食產(chǎn)量10年平均增加84.1%。同時變異系數(shù)降低了3.9%。施用有機(jī)肥的優(yōu)化管理對于糧食產(chǎn)量、土壤有機(jī)碳含量的增加有促進(jìn)作用。