吴玉红 郝兴顺,* 田霄鸿 陈 浩 张春辉 崔月贞 秦宇航

秸秆还田与化肥配施对汉中盆地稻麦轮作农田土壤固碳及经济效益的影响

吴玉红1郝兴顺1,*田霄鸿2陈 浩1张春辉1崔月贞1秦宇航1

1汉中市农业科学研究所, 陕西汉中 723000;2西北农林科技大学资源环境学院, 陕西杨凌 721000

为汉中盆地秸秆还田技术和合理化肥减量技术提供科学依据, 2015—2017年小麦和水稻生长季, 设置秸秆不还田+常规施肥(SN+NPK); 秸秆常规还田+常规施肥(S+NPK); 秸秆促腐还田+常规施肥(SD+NPK); 秸秆促腐还田+化肥减量15% (SD+85%NPK); 秸秆促腐还田+化肥减量30% (SD+70%NPK), 共5个处理, 研究其对土壤总有机碳(TOC)、活性有机碳(LOC)、碳储量(SCS)、作物产量及经济效益的影响。结果表明与秸秆不还田配施常规施肥处理(SN+NPK)相比, 秸秆还田配施不同比例化肥处理显著提高了稻田0~15 cm土层的TOC和LOC, 增幅分别为3.62%~25.07%和23.01%~46.79%; S+NPK和SD+NPK处理提高了0~30 cm碳储量, 增幅分别为4.67%和18.20%。而SD+85%NPK和 SD+70%NPK分别降低8.31%和9.83%。S+NPK和SD+NPK处理显著增加了小麦和水稻籽粒产量, 而SD+85%NPK和SD+70%NPK处理均降低了小麦和水稻产量, 周年产量2年平均增幅分别为3.47%、8.70%、−3.65%、−8.12%。与SN+NPK处理相比, S+NPK、SD+NPK、SD+85%NPK、SD+70%NPK处理周年经济效益2年平均增幅分别为16.91%、23.56%、6.02%、1.06%。土壤有机碳、作物产量和经济效益SD+NPK处理的最高, S+NPK 处理次之, SD+70%NPK处理最低, 与之相比, SD+85%NPK处理在小麦和水稻两季共减少化肥80 kg hm–2, 作物周年产量降低不明显, 经济效益略有增加。秸秆还田与常规化肥配施是提高汉中盆地稻麦轮作体系农田固碳、产量及经济效益的最佳措施, 两季作物全量还田条件下化肥用量减少15%是适宜该区域的绿色生产模式。

稻麦轮作; 秸秆还田; 化肥减量; 土壤有机碳; 周年生产力

化肥在提高作物产量, 保障粮食安全方面做出了巨大贡献[1], 但我国化肥施用过量现象普遍, 因而严重的农业面源污染问题日益突出[2-3]。源头减量技术是控制农业面源污染的根本所在, 而化肥减量是源头减量的主要措施[4-5], 有机肥替代减量技术则是化肥减量的重要措施。汉中盆地是陕西省主要的水稻生产基地, 同时也是国家南水北调中线工程及引汉济渭工程汉江的水源涵养地, 其水体污染状况直接影响调水的水质, 而农业面源污染是主要污染之一[6]。本区域化肥使用量普遍较大, 有机肥投入严重缺乏、秸秆利用率低等问题较为突出[7-8]。秸秆直接还田不仅可以减少因秸秆焚烧而产生的环境污染,还可以提高土壤肥力, 被认为是秸秆综合利用中最经济有效的方式, 也是一种有效的农田培肥措施[9]。在化肥零增长的背景下, 对秸秆中养分进行再利用从而减少化肥使用量作为控制种植业源头面源污染的一项有效措施备受关注[7-11], 但受气候条件和土壤肥力等因素的影响, 减量施肥效果可能存在着很大的区域性差异。减量技术应兼顾作物产量和生态效益, 结合环境区域特征, 因地制宜, 因此更具针对性地提出化肥减量化技术对稳定作物产量和减少面源污染具有重要意义。当前针对北方旱地、南方双季稻田、稻–油轮作体系秸秆还田与化肥减量配施对土壤有机碳、作物产量影响的研究较多[3,10-13], 而针对陕西南部水稻–小麦轮作系统中秸秆还田与化肥减量配施对土壤碳库、作物产量及经济效益研究较为缺乏。因此, 研究适宜该地区秸秆还田替代化肥的适度减量技术, 对保障农业可持续发展及保证水源地水质安全具有重要意义。本文探讨了在秸秆还田基础上减少化肥施用量的可行性, 开展了秸秆还田和化肥配施对稻麦轮作土壤有机碳、作物产量及经济效益影响研究, 旨在探索适宜汉中盆地稻麦轮作体系中培肥地力、提高产量、增加效益、生态安全的一种技术模式, 为汉江水源地秸秆还田效益和适度的化肥减量技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于陕西省勉县汉中市农业科学研究所试验示范站(33°09'38"N, 106°54'56"E), 海拔约600 m, 属易湿润区, 无霜期260 d, 年均气温14℃左右, 年均降水量800~1000 mm, ≥10℃年积温为4480℃。供试土壤类型为黄褐土型潴育性水稻土。试验前土壤pH为5.19, 有机质18.8 g kg–1、全氮1.25 g kg–1、速效磷35.3 mg kg–1、速效钾78.9 mg kg–1。

1.2 试验设计

试验于2015—2017年间进行, 实行冬小麦−水稻轮作。小麦季和水稻季均设置5个处理: ①秸秆不还田+常规施肥(SN+NPK); ②秸秆常规还田+常规施肥(S+NPK); ③秸秆促腐还田+常规施肥(SD+NPK); ④秸秆促腐还田+化肥减量15% (SD+85%NPK); ⑤秸秆促腐还田+化肥减量30% (SD+70%NPK)。水稻、小麦肥料均使用尿素(46%)、洋丰复合肥(14-16-15)、氯化钾(60%)。施用山东君德牌高活性秸秆腐熟剂(枯草芽孢秆菌, 有效活菌数≥20亿个g–1, 使用量30 kg hm–2)。秸秆还田方式及田间操作见表1。试验小区面积0.12 hm2, 东西长80 m, 南北宽15 m, 每个处理0.36 hm2。为便于机械化作业, 采用大区试验设计, 随机排列, 每个处理重复3次, 3个小区顺序排列。

供试小麦品种为汉麦5号, 分别于2015年10月15日播种, 2016年5月23日收获, 2016年10月15日播种, 2017年5月24日收获。小麦化肥常规用量为N 180 kg hm–2、P2O590 kg hm–2、K2O 84.6 kg hm–2。化肥减量处理为NPK同时减少相应的比例。所有处理中氮肥70%做底肥, 30%做追肥, 每年冬灌时追施, 磷钾肥均做基肥。

供试水稻品种为中籼稻黄华占, 2016年于4月10日育秧, 5月30日机械插秧, 9月23日收获。2017年于4月10日育秧, 6月1日机械插秧, 9月25日收获。水稻常规施肥量为N 180 kg hm–2、P2O590 kg hm–2、K2O 105 kg hm–2。化肥减量处理为NPK同时减少相应的比例。所有处理中氮肥分移栽前基施、移栽后5 d和移栽后10 d追施, 比例为6︰2︰2, 磷钾肥一次基施。

表1 小麦、水稻秸秆还田方式及田间操作

1.3 项目测定与方法

1.3.1 测产 水稻、小麦每个处理按“S”形选取5个5 m × 5 m的样方, 单收脱粒后晒干称量测产。

1.3.2 土壤容重测定 2017年水稻收获后, 分0~15 cm和15~30 cm共2个层次采集环刀样测定土壤容重。

1.3.3 土壤有机碳及活性有机碳测定 2017年9月水稻收获后采集0~15 cm、15~30 cm土层的土壤样品, 剔除植物残体和其他杂物, 置阴凉通风处摊晾干, 粉碎, 过0.15 mm筛备用。采用重铬酸钾外加热法[14]测定土壤总有机碳(TOC); 采用333 mmol L–1KMnO4氧化-紫外分光光度计法[15]测定活性有机碳(LOC)。非活性有机碳含量为总有机碳和活性有机碳含量之差。以秸秆不还田处理的各土层碳含量作为参考, 计算碳库管理指数[16]。

碳库指数(CPI) = 样品总有机碳含量/参考土壤总有机碳含量

碳库活度(A) = 活性有机碳碳含量/非活性有机碳含量

碳库活度指数(AI) = 样品碳库活度/参考土壤活度

碳库管理指数(CPIM) = 碳库指数×碳库活度指数×100 = CPI×AI×100

土壤碳储量 = 土壤有机碳含量×土壤容重×土层厚度

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2003软件处理数据和绘图, 采用DPS 7.05统计分析软件对数据进行方差分析及差异显著性检验(LSD法,=0.05)。

2 结果与分析

2.1 稻麦轮作体系下秸秆还田和化肥减量配施对稻田土壤固碳的影响

由表2可以看出, 0~15 cm土层土壤总有机碳(TOC)和活性有机碳(LOC)含量明显高于15~30 cm土层, 土壤有机碳具有明显表聚现象。与秸秆不还田常规施肥处理(SN+NPK)相比, 秸秆还田配施化肥处理(S+NPK、SD+NPK、SD+85%NPK、SD+ 70%NPK)显著增加了0~15 cm土层的总有机碳(TOC)和活性有机碳(LOC), 增幅分别为3.62%~25.07%和23.01%~46.79%, 且SD+NPK>S+NPK>SD+85%NPK> SD+70%NPK, 说明秸秆还田对土壤活性有机碳影响更大。S+NPK和SD+NPK处理显著增加了15~30 cm土层TOC和LOC, 而SD+85%NPK和SD+ 70%NPK处理显著降低了15~30 cm土层TOC和LOC, SD+NPK处理下TOC和LOC增幅最大, 较SN+NPK分别提高18.51%和41.82%, 说明秸秆促腐还田与常规化肥配施更有利于0~30 cm土层土壤有机碳的积累。

与秸秆不还田常规施肥处理(SN+NPK)相比(表3), S+NPK和SD+NPK显著增加了0~15 cm土层的碳储量和碳库管理指数, SD+85%NPK和SD+70%NPK显著降低了0~15 cm土层碳储量, 而显著增加了碳库管理指数。15~30 cm 土层, S+NPK和SD+NPK处理显著增加了碳库管理指数, 而SD+85%NPK和SD+70%NPK显著降低了碳库管理指数。与SN+NPK相比, S+NPK和SD+NPK处理提高了0~30 cm碳储量, 增幅分别为4.67%和18.20%。而SD+85%NPK和SD+70%NPK分别降低了8.31%和9.83%。说明秸秆促腐还田与常规化肥配施更有利于碳储量的增加, 秸秆促腐还田与化肥减量配施则不利于土壤碳的积累, 且在化肥减量的条件下随着减肥比例的增加土壤碳氮比增加, 秸秆碳转化受阻, 进而不利于土壤碳储量的增加。

2.2 秸秆还田与化肥配施对小麦和水稻产量的影响

如表4所示, 2年度试验结果基本一致。秸秆还田和秸秆促腐还田与常规施肥配施均提高了小麦、水稻的籽粒产量, 秸秆促腐还田与化肥减量配施则降低了小麦、水稻的籽粒产量, 且随着化肥减量比例的增加, 减产幅度增加。SD+NPK处理增产幅度最大, 小麦、水稻2年平均每公顷增产687.9 kg和539.9 kg。周年总产方面, 与SN+NPK相比, S+NPK、SD+NPK2年平均增产3.47%和8.70%, SD+ 85%NPK、SD+70%NPK处理2年平均减产3.65%和8.12%, 说明本试验条件下化肥减量对当季作物产量的影响大于秸秆还田的效应。秸秆还田量方面, 水稻高于小麦, 同时由于作物籽料产量的年度差异, 秸秆还田量也存在年度间差异, 表现为水稻秸秆还田量2个年度变化较小, 而小麦秸秆还田量2017年显著高于2016年。

表2 不同秸秆还田下的土壤有机碳和活性有机碳含量

SN+NPK: 秸秆不还田+常规施肥; S+NPK: 秸秆还田+常规施肥; SD+NPK: 秸秆促腐还田+常规施肥; SD+85%NPK: 秸秆促腐还田+化肥减量15%; SD+70%NPK: 秸秆促腐还田+化肥减量30%。TOC: 土壤总有机碳; LOC: 活性有机碳。标以不同小写字母的值在处理间差异显著(< 0.05)。

SN+NPK: NPK fertilization without straw return; S+NPK: NPK fertilization with straw returning; SD+NPK: NPK fertilization with decayed straw returning; SD+85%NPK: NPK fertilization rate reduction by 15% plus decayed straw returning; SD+70%NPK: NPK fertilization rates reduction by 30% plus decayed straw returning. TOC: soil total organic carbon; LOC: labile organic carbon. Values followed by different letters within the same column are significantly different at the 0.05 probability level.

表3 不同秸秆还田处理对土壤碳储量及碳库管理指数的影响

SCS: 土壤碳储量; CPMI: 碳库管理指数。标以不同小写字母的值在处理间差异显著(< 0.05)。缩写同表2。

SCS: carbon storage; CPMI: carbon pool management index. The soil bulk density of SN+NPK, S+NPK, SM+NPK, SM+85%NPK, SM+70% NPK was 1.39, 1.27, 1.31, 1.19, and 1.28 g cm–3in 0–15 cm and 1.74, 1.67, 1.73, 1.64, and 1.66 g cm–3in 15–30 cm.Values followed by different letters within the same column are significantly different at the 0.05 probability level.Abbreviations are the same as those given in Table 2.

秸秆还田与化肥减量配施条件下水稻和小麦的减产效应年度间表现为2017年低于2016年。小麦秸秆还田与化肥减量配施降低了水稻籽粒产量, SD+85%NPK、SD+70%NPK较S+NPK处理2016年和2017年分别减产3.17%、6.53%和1.43%、3.49%。水稻秸秆还田与化肥减量配施降低了小麦籽粒产量, 2016年和2017年SD+85%NPK和SD+70%NPK处理减产率分别为12.96%、18.16%和0.89%、10.81%。

2.3 秸秆还田与化肥配施对水稻–小麦周年经济效益的影响

2016年和2017年周年产值及净收益见表5。与秸秆不还田相比, S+NPK、SD+NPK、SD+85%NPK、SD+70%NPK处理周年经济效益2年平均增幅分别为16.91%、23.56%、6.02%、1.06%。秸秆还田与常规化肥配施产值和效益均明显增加, 与化肥减量配施虽然产值下降, 但是降低了化肥投入成本、节约了秸秆移除的劳动力成本, 经济效益除2016年度SD+70%NPK处理略低于SN+NPK处理外, 其他均高于对照处理。本试验条件下小麦和水稻两季作物秸秆全量促腐还田配施常量化肥经济效益最佳, 较两季不还田周年经济效益2年平均每公顷增加5110.50元。小麦、水稻秸秆全量促腐还田与化肥减量配施虽然对作物产量有影响但可以降低环境污染风险, 节约成本, 增加经济效益。SD+85%NPK、SD+70%NPK处理周年经济效益2年平均每公顷较S+NPK分别增收1350.18元和273.41元。

表5 稻麦轮作体系下不同秸秆还田处理对周年经济效益的影响

根据当地市场销售的肥料价格纯N、P2O5、K2O分别为4.3、7.7、6.7 Yuan kg–1, 小麦、水稻价格2016年和2017年分别按照1.9、3.0 Yuan kg–1和2.0、3.1 Yuan kg–1计算。SN+NPK中秸秆处理劳动力成本指人工移除秸秆的劳动力成本, 按照100 Yuan person–1day–1, 30人hm–2计算, 其他处理秸秆处理劳动力成本指秸秆覆盖均匀的劳动力成本, 按照100 Yuan person–1day–1, 4.5人hm–2。其他成本包括两季作物灌溉费用(900 Yuan hm–2)、两季作物农药种子成本(750 Yuan hm–2)、小麦和水稻收获机械成本(2700 Yuan hm–2)、机械旋耕成本(2700 Yuan hm–2)、水稻插秧机械成本(1350 Yuan hm–2)。缩写同表2。

Data were based on average market price. Fertilizer prices were 4.3, 7.7, and 6.7 Yuan kg–1for net N, P2O5, and K2O, respectively. Crop prices were 1.9 and 3.0 Yuan kg–1for wheat and rice in 2016, 2.0 and 3.1 Yuan kg–1for wheat and rice in 2017, respectively. The labor cost refers to the cost of manual removal of straw and calculated according to 100 Yuan person–1day–1and 30 persons hm–2in the SN+NPK treatment. However, the labor cost in other treatments refers to the cost of manual mulching uniformly of straw and calculated according to 100 Yuan person–1day–1and 4.5 persons hm–2. Other costs include two-season crop irrigation costs, two-season crop seed and pesticide costs, wheat and rice harvesting machinery costs, wheat and rice mechanical tillage costs and rice transplanting machinery cost which were calculated at 900, 750, 2700, 2700, and 1350 Yuan hm–2, respectively. Abbreviations are the same as those given in Table 2.

3 讨论

3.1 秸秆还田及与化肥配施对稻–麦轮作土壤有机碳、活性有机碳及碳储量的影响

施肥和秸秆还田是影响土壤有机碳的重要管理措施。本试验中秸秆还田与各个化肥处理配施较秸秆不还田单施化肥处理, 显著提高了0~15 cm土层的总有机碳(TOC)和活性有机碳(LOC)。秸秆常规还田和秸秆促腐还田与常规化肥配施显著增加了15~30 cm土层TOC和LOC, 而秸秆还田与化肥减量配施则显著降低了TOC和LOC, 且随着化肥减少量的增加降幅呈递增趋势。本试验条件下秸秆旋耕还田主要集中在0~15 cm土层, 秸秆还田对0~15 cm土层有机碳的影响大于施肥的影响。这与相关研究结果一致[17]。赵亚南等研究四川盆地施肥对稻麦轮作下紫色土有机碳的影响, 表明秸秆还田与化肥配施处理对有机碳的提升效果高于单施化肥的处理。本试验中土壤活性有机碳含量的变化幅度较总有机碳大, 说明活性有机碳对秸秆还田的响应较为敏感。本文中秸秆还田与化肥配施的处理较单施化肥处理, 显著提高了0~15 cm土层的碳库管理指数, 15~30 cm土层秸秆还田与常规化肥配施显著增了碳库管理指数而秸秆还田与化肥减量配施显著降低了碳库管理指数。本试验中秸秆还田和秸秆促腐还田与常规化肥配施均提高了0~15 cm和15~30 cm土层的碳库管理指数和碳储量, 秸秆促腐还田配施化肥更能提高碳库管理指数和碳储量, 这与相关研究结论一致[19], 这可能与秸秆促腐还田增加了土壤有机碳和土壤活性有机碳有关。而秸秆促腐还田与化肥减量配施较秸秆促腐还田与常规化肥配施显著降低了0~15 cm和15~30 cm土层的碳库管理指数和碳储量, 可能是因为化肥减施较常规施肥增加了C/N, 使得秸秆的腐解受到了抑制。

3.2 秸秆还田与化肥减量配施对稻–麦轮作周年生产力的影响

化肥零增长行动的背景下, 不同种植体系中化肥减量技术研究得到了广泛的关注。很多研究表明[20-22], 水稻–小麦、小麦–玉米、玉米–油菜等轮作体系中, 适量减肥并没有引起产量的显著变化。本试验中秸秆还田与化肥减量配施均显著降低了小麦和水稻的产量, 且随着化肥减量的增加对作物产量的负面影响递增。本试验中秸秆还田与化肥减量配施对水稻产量影响小于对小麦产量的影响, 可能是由于水田具有较好的水热稳定性, 基础地力对水稻产量的贡献大[23]。此外, 也可能是因为水稻季小麦秸秆还田和小麦季水稻秸秆还田的肥料效应差异性, 水稻季小麦秸秆还田后高温和淹水条件下有利于小麦秸秆的腐解和养分的释放, 减弱了化肥减量对水稻生长的显著影响, 而小麦生长在冬季, 气温低且干旱, 水稻秸秆腐解及养分释放较慢, 不能显著降低减肥对小麦生长的影响, 这一研究结论与赵亚南等[3]研究的稻油轮作减量施肥对水稻油菜生长影响的结论一致。

梁涛等[24]研究四川盆地稻田基础地力对产量的响应表明, 随着基础地力的提升, 土壤对产量的贡献越来越大, 肥料对产量的影响越来越小。因此化肥减量基础是建立在高的基础肥力的基础之上, 化肥减量的适宜比例与土壤基础地力、作物类型有较大的关系。本试验中秸秆还田与化肥减量配施均降低了小麦和水稻的产量, 但是随着秸秆还田年限的增加, 作物减产效应有下降趋势, 可能是因为随着小麦和水稻秸秆逐年归还进入土壤, 土壤汇碳功能增强从而提升了土壤基础地力, 化肥减量对作物产量的影响作用减小。添加秸秆腐熟剂是促进秸秆腐解的重要措施之一[25]。已有研究证实, 秸秆促腐还田可以加速秸秆腐解进程、增加作物产量[26-27]。本试验中秸秆还田施用腐熟剂配施常规化肥与常规秸秆还田配施化肥相比, 对小麦和水稻产量的增加并未表现出较强的优势, 可能是因为秸秆促腐还田初期腐熟剂中功能微生物促进土壤微生物大量快速繁殖, 产生了与作物竞争养分的现象, 对作物生长初期产生一定影响, 但随着秸秆腐解, 促腐条件下秸秆中养分释放及土壤养分有效性提升优于常规秸秆还田处理, 相比而言秸秆促腐还田更有利于促进作物中后期的生长, 可见, 秸秆腐熟剂和化肥配施的最佳用量需进一步研究, 以便秸秆促腐还田技术的推广应用。

3.3 秸秆还田量和化肥减量比例对作物产量的影响

秸秆还田可替代下季作物化学养分的比例受秸秆还田量、秸秆种类等因素影响较大[28]。秸秆碳源的输入有利于促进土壤微生物繁殖, 土壤微生物参与土壤C、N、P等元素循环过程中可能造成微生物与作物竞争养分, 本试验中水稻秸秆还田量高于小麦秸秆还田量, 微生物与小麦竞争养分更加激烈, 而化肥减量条件下养分竞争则愈加激烈。不同类型秸秆可替代下季作物化肥减量的比例也存在差异, 宋大利等[24]认为长江中下游稻麦轮作体系中随着秸秆还田量的增加, 可以替代下季作物的化学养分施用量比例也随之增大, 水稻秸秆全量还田(6891.2 kg hm–2)理论上可以替代小麦34.0% (N)和34.7% (P2O5)化学养分施用量, 2/3水稻秸秆还田就可以完全替代小麦化肥钾的施用量, 小麦秸秆全量还田 (5392.2 kg hm–2)可以替代水稻19.7% (N)、12.0% (P2O5)和54.2% (K2O)的化学养分施用量。而本试验中水稻秸秆全量还田条件下NPK养分替代比例15%、30%时, 水稻秸秆2年平均还田量为8943.9 kg hm–2和8695.5 kg hm–2, 均高于6891.2 kg hm–2, 但小麦产量两年平均分别下降6.93%和14.49%。小麦秸秆全量还田条件下NPK养分替代比例为15%和30%时, 小麦秸秆2年平均还田量分别为4477.9 kg hm–2、4892.3 kg hm–2, 均低于5392.2 kg hm–2, 水稻产量2年平均分别下降2.30%和5.01%。可见秸秆还田量和可替代下季作物化学养分施用量比例理论值与生产实际差异较大, 本试验中秸秆还田量为全量还田, 化肥替代比例只涉及了15%和30%, 因此适宜本区域的秸秆还田量和不同化肥减量比例的最优组合有待进一步深入研究。

4 结论

秸秆还田与化肥配施均能够显著提高0~15 cm土层土壤有机碳和活性有机碳, 且对土壤活性有机碳促进作用更明显。秸秆还田和秸秆促腐还田与常量化肥配施增加了0~30 cm土层碳储量, 同时提高了小麦和水稻的产量及经济效益。秸秆还田与化肥减量配施0~30 cm土层碳储量有下降趋势, 小麦和水稻产量下降但经济效益增加。稻麦体系条件下两季作物秸秆促腐还田配施常量化肥产值与效益最佳, 两季作物秸秆常规还田配施常量化肥次之, 而两季作物秸秆促腐还田条件下化肥减量15%对小麦水稻产量没有显著影响, 不仅可以维持作物稳产, 节约成本, 提高经济效益, 又可以降低环境污染风险, 同时具有农学、环境及经济的三重效应。因此, 秸秆还田与化肥配施是提高汉中盆地稻麦轮作体系农田固碳、产量及经济效益的最佳措施, 而两季作物秸秆全量还田条件下化肥减量15%是适宜该区域的化肥减量技术和绿色生产模式。

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Effect of straw returning combined with NPK fertilization on soil carbon sequestration and economic benefits under rice–wheat rotation in Hanzhong basin

WU Yu-Hong1, HAO Xing-Shun1,*, TIAN Xiao-Hong2, CHEN Hao1, ZHANG Chun-Hui1, CUI Yue-Zhen1, and QIN Yu-Hang1

1Hanzhong Agricultural Research Institute, Hanzhong 723000, Shaanxi, China;2College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi, China

A two-year field experiment was conducted to investigate the response of soil carbon sequestration, crop yield and economic benefit to rates of NPK application and straw returning under rice–wheat rotation from 2015 to 2017. The experiment included five treatments: application of NPK without straw returning (SN+NPK), application of NPK with straw returning (S+NPK), application of NPK with decayed straw returning (SD+NPK), application of NPK with 15% reduction plus decayed straw returning (SD+85%NPK) and application of NPK with 15% reduction plus decayed straw returning (SD+70%NPK). Compared with SN+NPK, total organic carbon (TOC) and active organic carbon (LOC) in 0–15 cm depth increased by 3.62%–25.07% and 23.01%–46.79% in the treatments of straw returning plus different returned NPK application, respectively. Both S+NPK and SD+NPK treatments increased organic carbon storage (SCS) in 0–30 cm soil layer by 4.67% and 18.20%, but SD+85%NPK and SD+70%NPK decreased the SCS by 8.31% and 9.83%, respectively. Compared with SN+NPK, both S+NPK and SD+NPK increased grain yields for wheat and rice. However, SD+85%NPK and SD+70%NPK treatments significantly reduced grain yields for wheat and rice. Compared with SN+NPK treatment, the increase in annual average yield was 3.47% for S+NPK, 8.70% for SD+NPK, –3.65% for SD+85%NPK, and –8.12% for SD+70%NPK, while the increase of annual net profit in two years was 16.91%, 23.56%, 6.02%, and 1.06%, respectively. Soil organic carbon, crop yield and efficiency were the highest in the SD+NPK treatment, but lowest in SD+70%NPK. Compared with SD+70%NPK treatment, SD+85%NPK did not affect the annual average yield, but slightly increased the annual net profit due to a cost reduction caused by less fertilizer application with a total reduction of 80 kg ha–1. In conclusion, the combination of straw returning with NPK fertilization is an effective farming practice to improve soil carbon sequestration, crop yield and economic benefits in Hanzhong basin. Considering the environment and economic effects, decayed straw returning with 15% reduction in NPK application is more suitable to achieve the fertilizer reduction and green production.

rice–wheat rotation; straw return; fertilizer reduction; soil organic carbon; annual productivity

本研究由陕西省科技统筹创新工程计划项目(2015KTCL02-21)和陕西省农业科技创新转化项目(NYKJ-2018-HZ01)资助。

This study was supported by the Innovation Project of Science and Technology of Shaanxi Province (2015KTCL02-211) and the Agricultural Science and Technology Innovation and Transformation Project of Shaanxi Province (NYKJ-2018-HZ01).

10.3724/SP.J.1006.2020.92013

郝兴顺, E-mail: 372770515@qq.com, Tel: 0916-2231123

E-mail: 382755569@qq.com

2019-03-19;

2019-09-26;

2019-10-15.

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20191015.1208.002.html