水稻、小麦同是世界三大粮食作物，2022 年我国水稻总产量为 20849 万 t，小麦总产量为 13772 万 t^[1]，随之产生大量的秸秆。据农业农村部报告，2021 年全国秸秆总量为近 8 亿 t，可收集量为 7.34 亿 t，利用量为 6.47 亿 t，综合利用率达 88.1%。农作物秸秆中含有钙、镁、氮、磷、钾和有机物等大量植物生长所需的成分^[2]。研究表明每亿吨秸秆中氮磷钾养分含量相当于 88 万 t 氮、27 万 t 过氧化磷、154 万 t 氧化钾^[3-4]。秸秆还田是农作物秸秆最直接最简单的利用方法，减少了秸秆焚烧带来的环境问题，也是提高土壤肥力的重要措施^[5]，秸秆还田可以提高作物生产力、抗倒伏性和氮利用效率，提高土壤氮的生物有效性，并持续改善土壤健康^[6-7]。耕作方式是影响土壤环境和作物生长的重要因素^[8]，每种耕作方式对土壤的作用不同，前人研究表明，适宜的耕作方式与秸秆还田相结合能提高土壤养分和酶活性，可以为作物提供更好的生长环境，以提高作物产量^[9-10]。

土壤有机碳是土壤肥力的重要组成部分，一般可分为活性有机碳和稳定性有机碳^[11]，土壤有机碳是土壤食物网的能源基础，也是土壤养分循环的重要基础物质，维持着多维度的土壤生物多样性^[12]； 有机碳含量高的土壤具有高的土壤持水量和毛管孔隙度^[13]，可以提高土壤养分利用率和粮食生产力^[14-15]。董春华等^[16]研究表明：水稻产量会随着土壤有机碳含量的升高而升高，直到土壤有机碳达到饱和状态；刘琳^[17]发现土壤有机碳含量与小麦产量也有很大联系。秸秆还田是提高土壤有机碳的重要方式之一，通过输入大量的易分解碳组分，抑制土壤原有有机碳的矿化分解，增加土壤有机碳含量^[18]。

近年来，随着秸秆还田技术的发展，国内外学者基本探明了秸秆还田对于改善土壤理化性质、调控水盐运移和提升土壤肥力等方面的作用^[19-22]，也明确了秸秆还田对于作物生长、发育和产量形成方面的作用^[23-24]，但在不同耕作方式与秸秆还田相结合对土壤有机碳与稻麦周年产量的影响方面研究较少，为完善此方面的研究，本试验采用不同耕作方式与秸秆还田相结合的长期定位试验，跟踪测定了 2002—2021 年土壤有机碳含量和稻麦周年产量变化，分析不同耕作方式对土壤有机碳和稻麦周年产量的影响，为稻麦两熟地区水稻和小麦高产、秸秆综合利用提供理论依据，以便人们更好地选择耕作措施。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于 2001—2021 年在扬州大学校内实验农场（32°23′36″N，119°24′51″E）进行，稻麦两熟，供试土壤为砂壤土，有机质含量为 17.66 g/kg，全氮、碱解氮含量分别为 1.07 g/kg、80.63 mg/kg，有效磷、速效钾含量分别为 22.61、95.53 mg/kg。

本试验采用随机区组方式进行，共设 6 个处理 （表1），3 个重复，每个小区面积为 50 m²，单独排灌。

供试水稻品种为华粳 3 号（2002—2006 年）、武粳 15（2007—2008 年） 和南粳系列（2009— 2021 年），移栽水稻 5 月下旬秧田落谷，连免还 （NTS）和轮耕 1（RT1）于 6 月上旬直播水稻，行距为 25 cm，播量为 90 kg/hm²；翻耕处理于6月中旬移栽水稻，行株距为 25 cm×13.3 cm；小麦品种为扬麦系列，11 月上旬人工开沟条播，行距 25 cm，播量 120 kg/hm²。稻麦两季均施基肥尿素 245 kg/hm²，过磷酸钙 600 kg/hm²，氯化钾 120 kg/hm²，稻季追施尿素 245 kg/hm²，整个生育期折施纯氮 225 kg/hm²，基蘖肥与穗肥比例为 6∶4；麦季追施尿素 147 kg/hm²，折施纯氮 180 kg/hm²，基蘖肥与穗肥比例为 7∶3。其他农艺管理措施与当地大田生产一致。

1.2 测定项目

1.2.1 土壤有机碳含量测定

在水稻收获后，取耕层 0～7、7～14、14～21 cm 土层土壤，风干 3 个月后磨成粉末，用重铬酸钾——外加热法测定土壤有机碳含量。

1.2.2 稻、麦产量测定

水稻、小麦成熟后，每个小区取代表性 5 点共 5 m² 进行割方测定实际产量，计算周年产量。

1.3 数据处理方法

用 Excel 2016 收集整理 2002—2021 年所有数据，按 2002—2004、2005—2014 和 2015—2021 年3 个时段，通过 SPSS 17.0 进行统计分析和相关性分析，最小显著性差异法（LSD）进行多重比较； Excel2016 和 Origin 2018 软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤有机碳含量的影响

2.1.1 不同处理对土壤表层（0～7cm）有机碳的影响

如图1 所示，NTS 处理表层有机碳含量有明显上升趋势，且各阶段 NTS 处理的有机碳含量均较高，3 个时段都显著高于其他处理，第一时段 （2002—2004 年）、第二时段（2005—2014 年）和第三时段（2015—2021 年）分别比 CT 处理高 14.79%、 47.77% 和 39.52%，20 年平均提高 39.01%，免耕秸秆还田表层有机碳有明显富集现象；除 NTS 处理外，第一时段各处理间差异不显著，第二时段 CTS 和 MTS 处理的有机碳含量也较高，显著高于 CT 处理，第三时段 RT1、RT2、CTS、MTS 处理都显著高于 CT 处理，RT1、RT2、CTS、MTS 处理 20 年较 CT 处理平均分别提高 9.4%、10.14%、21.41%、 18.08%，连续秸秆还田对有机碳积累有较大作用；CT 处理土壤表层有机碳含量随着试验年份的增加有先下降后上升的趋势，最后第三时段略低于第一时段。这说明秸秆还田可以提高土壤表层有机碳含量，免耕与秸秆还田相结合对土壤表层有机碳积累的作用最大。

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.1.2 不同处理对土壤耕层中层（7～14 cm）有机碳含量的影响

据图2 可知，NTS、RT1、MTS、CT 处理土壤耕层中层有机碳含量都是呈先下降后上升的趋势，但 RT1 处理第三时段有机碳含量高于第一时段，其他处理均低于第一时段，其中 CT 处理降低幅度最大，为 17.1%；RT2 和 CTS 处理有机碳含量随试验进行一直上升，两个处理在第三时段有机碳含量均高于第一时段，分别提高 15.93% 和 10.1%。从不同处理间来看，第一时段 MTS 和 CT 处理显著高于 RT2 处理，其他处理间差异不显著；第二时段 CTS 和 MTS 处理显著高于 CT 处理，NTS、RT1 和 RT2 处理与 CT 处理无明显差异；第三时段 CTS 处理显著高于 CT 处理，其他处理与 CT 处理差异不显著；20 年 NTS、RT1、RT2、CTS 和 MTS 处理平均分别比 CT 处理高 3.15%、3.59%、9.25%、20.85% 和 18.63%。综上所述，秸秆还田有利于土壤耕层中层有机碳的积累，翻耕、少耕与秸秆还田相结合可以更好地提高土壤耕层中层有机碳含量。

2.1.3 不同处理对土壤耕层下层（14～21 cm）有机碳含量的影响

由图3 分析可得，NTS 和 CT 处理第三时段土壤耕层下层有机碳含量比第一时段分别降低 28.83% 和 20.71%，RT1、RT2 和 CTS 处理第三时段土壤耕层下层有机碳含量比第一时段分别提高 12.63%、9.2% 和 6.62%，MTS 处理无明显变化。在第一时段中，MTS 和 CT 处理最高，RT1、RT2 处理最低，差异均显著；第二时段 CTS 和 MTS 处理显著高于 CT 处理，分别比 CT 处理高 29.6% 和 43.33%，其他处理与 CT 处理差异不显著；第三时段 NTS 处理最低，比 CT 处理低 14.83%，MTS 处理显著高于 CT 处理，其他处理与 CT 处理差异不显著；20 年内 CTS 和 MTS 处理平均分别比 CT 处理高 16.73% 和 28.69%，NTS 处理比 CT 处理低 7.6%。所以，长期免耕与秸秆还田不利于土壤耕层下层有机碳的积累，翻耕和少耕与秸秆还田相结合均可以提高土壤耕层下层有机碳含量。

2.1.4 不同处理对土壤整个耕层（0～21 cm）有机碳含量的影响

一般来说，整个耕层有机碳含量变化更能体现耕法和秸秆还田的作用。试验结果（图4）表明，RT1 和 RT2 处理第三阶段耕层土壤有机碳含量比第一阶段分别提高 11.95% 和 11.64%，CT 处理降低 12.97%， NTS、CTS、MTS 处理间差异不显著。第一时段 RT1 和 RT2 处理有机碳含量显著低于其他处理；第二时段 CTS 和 MTS 处理较高，RT1 和 CT 处理较低；第三时段各处理都显著高于 CT 处理；NTS、RT1、RT2、 CTS 和 MTS 处理 20 年平均分别比 CT 高 13.29%、 4.76%、8.18%、19.88% 和 21.34%。综上所述，不同耕作方式与秸秆还田相结合均可提高耕层土壤有机碳含量，其中翻耕、少耕秸秆还田改善程度更明显。

2.2 不同处理对稻、麦年产量的影响

如表2 所示，随着时间的推移，第二时段、第三时段所有处理的稻麦周年产量较第一时段都有明显上升的趋势；具体来看，NTS、RT1、RT2、CTS、 MTS、CT 处理第三时段较第一时段分别增产 6.16%、 7.75%、14.56%、16.28%、13.9% 和 12.95%，主要与品种更新和高产栽培技术的推广有关。同时，还可以看到，第一时段各个处理间差异很小，均不显著；第二时段中，NTS 处理最低，RT1 和 CT 处理较低，主要是 NTS 和 RT1 为免耕直播，影响水稻产量，而 MTS、CTS 和 RT2 处理产量较高，分别比 CT 处理高 5.49%、4.18% 和 3.91%，秸秆还田提高了稻麦周年产量；第三时段，NTS 和 RT1 处理最低且显著低于其他处理，CTS、MTS 和 RT2 产量较高，均高于 CT 处理。总的来说，20 年 NTS 和 RT1 处理平均产量低于 CT 处理，其他则高于 CT 处理， RT2、CTS 和 MTS 处理分别提高 2.34%、3.68% 和 4.09%。所以，连续免耕在一定程度上会降低稻麦产量，免耕直播影响水稻产量，秸秆还田会对稻麦产量增加起促进作用。

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.3 不同层次土壤有机碳含量与稻麦产量之间的相关性

如表3 所示，土壤表层有机碳含量与产量相关性很小，几乎无影响；耕层中层、下层和整个耕层对稻麦周年产量的贡献均为正值，下层土壤有机碳含量与产量之间相关性较强，各层次土壤有机碳含量与产量之间均无显著相关性，这说明除了土壤有机碳含量外，稻麦产量还受其他因素影响。

3 讨论

3.1 不同耕作方式与秸秆还田对土壤有机碳含量的影响

关于免耕与秸秆还田对土壤有机碳含量的影响，前人已经做了不少研究。申军强等^[25]通过田间试验发现，免耕与秸秆还田能提高耕层土壤有机碳的含量，并能明显提高土壤中的碳氮比；罗珠珠等^[26]也发现，免耕秸秆覆盖处理有机碳含量比常规处理提高 12.13%～16.99%。根据本试验结果显示，免耕与秸秆还田条件下，土壤表层（0～7 cm） 有机碳含量明显上升，中层（7～14 cm）有机碳含量比常规耕作高，但差异不显著，下层（14～21 cm）含量较低；综合来看，整个耕层有机碳含量较常规耕作提高 13.29%，这与前人研究结果基本相同。同时，连续免耕与秸秆还田的时间越久，对耕层有机碳含量的提高程度越大，该结果与肖剑英等^[27]发现的自然免耕 10 年后土壤肥力大幅增加，相对于翻耕而言，土壤有机碳等养分含量皆以免耕较高的结论一致，原因可能是翻耕影响了土壤结构的稳定性，导致有机碳难以固定到土壤中，而免耕可以减少对土壤的扰动来降低微生物对有机质的分解速率，进而有助于土壤有机碳含量的增加^[28]。轮耕与秸秆还田耕层有机碳含量与免耕基本相同，对土壤有机碳的积累也有促进作用，但其在耕层空间分布较为均衡，可以有效避免养分表面富集现象。本试验翻耕秸秆还田和少耕秸秆还田的两个处理有机碳含量分别提高 19.88% 和 21.34%，这与罗珠珠等^[26]得到的结论相同，适量秸秆还田对有机碳含量提高的作用更大，原因在于秸秆还田量过多会导致土壤持续处于高温状态，易造成土壤缺氧，直接降低土壤微生物数量，抑制秸秆的分解^[29]。

3.2 不同耕作方式与秸秆还田对稻麦年产量的影响

不同耕作方式影响着稻麦的产量。在本试验中，随着时间推移，6 个处理产量均有所提高，这与稻麦品种和农艺管理措施的改善有关。免耕与秸秆还田条件下，前两个时段稻麦年产量与常规翻耕基本相同，但第三时段减产了 7.21%，这与长期免耕使土壤容重变大导致微生物活动能力降低，秸秆未能及时腐解有关^[30]；两个轮耕处理中，麦季免耕秸秆还田会提高产量，稻季则降低，原因在于水稻免耕直播影响产量，小麦一季免耕有利于产量增加；翻耕秸秆还田和少耕秸秆还田产量分别提高 3.68% 和 4.09%，该结果与张雄智等^[31]发现的秸秆还田后粮食作物总产量增加 3.72% 的结论基本一致。本研究还发现，只有耕作方法与适当秸秆还田配合才会获得更好的产量、经济和生态收益。

4 结论

20年连续翻耕秸秆不还田耕作耕层土壤有机碳含量较低，免耕、少耕、翻耕与秸秆还田结合耕作耕层有机碳含量分别比翻耕秸秆不还田提高 13.29%、21.34%、19.88%，轮耕秸秆还田对耕层有机碳含量提高也有一定作用。免耕秸秆还田对土壤表层有机碳含量影响更大，比其他耕作方式提高 14.49%～39.02%，轮耕和翻耕秸秆还田则可以均衡提高耕层有机碳含量。从产量上看，长期免耕不利于稻麦产量的提高，翻耕秸秆还田和少耕秸秆还田可以有效提高稻麦产量，20 年免耕产量较翻耕秸秆不还田平均降低 3.48%，翻耕秸秆还田、少耕秸秆还田则分别提高 3.68%、 4.09%；轮耕产量与翻耕秸秆不还田相差不大。因此，少耕与适量秸秆还田相结合对土壤有机碳含量和产量增益最大，是最适宜本地区的耕作方式。

参考文献