冬季休耕期间将秸秆与氮肥同时施用，通过调节土壤有机质的物理组成和化学成分，能够提高水稻的产量和稳定性

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Winter fallow straw–nitrogen co-application enhances rice yield and stability by regulating soil organic matter physical fractions and chemical composition

双季稻系统冬季休闲期秸秆与氮肥协同施用显著提升土壤有机质（SOM）矿质结合组分（MAOM）及微生物代谢产物，11年试验表明SN30处理产量最高且最稳定，SOM化学组分变化影响产量稳定性，协同管理有效应对气候变化下的稻作生产挑战。

　　

陈曦|李丹妮|彭敏|张月玲|王天舒|毛景东|姚水红|张斌

中国安徽省农业大学资源与环境学院农田生态保护与养分利用重点实验室，合肥230036

摘要

双季稻系统面临着由气候变化引起的产量波动和集约化耕作导致的土壤退化等日益严峻的挑战。冬季休耕期间施用秸秆和氮肥（straw–N management）被认为是一种提高土壤有机质（SOM）和生产力的有效策略。然而，这种做法对产量和土壤有机质动态的长期影响仍不明确。这项为期11年的田间实验评估了冬季休耕期间施用秸秆和氮肥对土壤有机质各组分及其组成、以及粮食产量的长期影响。实验处理包括：不施用任何处理（CK）、仅施用秸秆（S）、仅施用基肥氮（N），以及在冬季休耕期间分别施用0%、30%或60%的基肥氮（SN₀、SN₃₀、SN₆₀）。结果表明，秸秆和氮肥的联合施用提高了早季和晚季的稻谷产量，但产量反应存在年际差异，并受季节性气候的影响。SN₃₀处理组获得了最高的平均产量和相对较高的产量稳定性，主要通过增加团聚体封闭型（o-POM）和矿物相关型（c-MAOM）有机质组分来实现，而非游离颗粒有机质（f-POM）。核磁共振（NMR）光谱分析显示，秸秆中的O-烷基碳和NCH官能团含量增加，表明微生物对秸秆有机质的转化作用增强。随机森林和路径分析表明，土壤有机质的物理组成是影响平均产量的关键因素，而其化学组成与年际产量稳定性关联更为密切。这些发现强调了土壤有机质的数量和质量，尤其是矿物相关型有机质组分和富氮化合物，对于维持集约化稻田的生产力和韧性至关重要。冬季休耕期间施用秸秆和氮肥为在气候变化条件下提升土壤健康和支持农业生产提供了一种有效策略。

引言

水稻是全球种植面积第二大的谷物作物，是全球超过一半人口的主食（FAO，2024年）。气候变化引起的产量波动和逐渐恶化的土壤状况日益威胁着水稻生产的可持续性（Amelung等，2020年；Cai等，2023年；Qiao等，2022a年）。普遍提倡将秸秆返还田地以增加土壤有机质（SOM）、减缓土壤退化，并提升产量稳定性（Wang等，2015a年；Yadvinder-Singh等，2004年；Zhang等，2017年）。然而，在水田系统中，长期的水淹条件限制了秸秆的分解，从而减缓了养分的释放（Yadvinder-Singh等，2004年），这可能降低了秸秆有机质转化为土壤有机质的效率。为应对这些挑战，需要采取能够加速秸秆转化为土壤有机碳的田间管理措施，同时避免厌氧分解及其带来的负面影响。

在中国，双季稻系统占全国水稻种植面积的34%，占总产量的29%（国家统计局，2024年），这凸显了其对国家粮食安全和可持续农业的重要性（Liu等，2019年）。双季稻种植区的农民通常在晚季水稻收获后（11月）将秸秆留在田面上，并在次年4月早季水稻种植前将其翻入土壤（Zhang等，2013年）。然而，冬季休耕期间秸秆与土壤的接触不完全，加上4月之后秸秆的厌氧分解，大大限制了秸秆的分解及其转化为土壤有机质的过程。自21世纪初以来，建议在冬季休耕期间施用秸秆（Lu等，2000年；Ma等，2009年；Xu等，2000年；Xu和Hosen，2010年）。这种做法延长了秸秆与土壤的物理接触时间，促进了微生物的定殖和协同代谢，加速了秸秆的分解（Han和Yao，2020年；Shahbaz等，2017年），同时减少了冬季休耕期间的厌氧作用，降低了温室气体排放（Xu等，2000年；Zhang等，2013年）。然而，秸秆通常含有较高的碳氮比（C:N）和丰富的结构化合物（如木质纤维素和木质素）（Singh等，2004年），这些特性在寒冷的冬季条件下会抑制微生物活性，延缓矿化过程（Berg和McClaugherty，2014年；Wang等，2012年），因此需要采取适当的管理措施来促进冬季休耕期间的秸秆分解。

氮（N）的可用性通过调控微生物活动和酶的产生来显著影响秸秆的分解（Henriksen和Breland，1999年；Berg和McClaugherty，2014年；Mary等，1996年）。秸秆与氮肥的联合施用可以加速秸秆分解（Kalkhajeh等，2021年），增加秸秆中养分的释放（Gao等，2025年；Kalkhajeh等，2021年；Yang等，2024年），并改善土壤有机质的积累（Berg和McClaugherty，2014年；Kumar，1999年）。根据氮肥施用量不同，秸秆与氮肥的联合施用还会改变土壤有机质的物理组成，影响颗粒有机质（POM）和矿物相关有机质（MAOM）的形成（Lavallee等，2020年；Peng等，2025年；Ren等，2023年；Xu等，2024年）。充足的氮肥投入有利于微生物对秸秆有机质的转化，促进矿物相关有机质的形成和长期稳定，而氮肥不足则会导致颗粒有机质（POM）的积累（Liu等，2025年；Chen等，2020年；Ren等，2023年）。秸秆与氮肥的联合施用还会改变土壤有机质的化学组成，改变植物来源化合物和微生物来源化合物的相对比例（Gillespie等，2014年；Meng等，2024年）。氮肥的施用促进了微生物对秸秆有机质的吸收及其转化为稳定的微生物化合物（Chen等，2021年；Griepentrog等，2014年；Meng等，2024年），而氮肥缺乏则会导致植物来源化合物（如纤维素、半纤维素和木质素）在土壤有机质中的积累（Knorr等，2005年；Talbot和Treseder，2012年）。土壤有机质组分和化学组成的变化通常意味着功能上的差异，这可能影响养分循环和植物生产力（Angst等，2023年；Hoffland，2020年）。尽管如此，这些变化对粮食产量和产量稳定性的具体影响尚不清楚。

在中国江西省的双季稻系统中进行了一项为期11年的田间实验，设置了六种处理方式：不施用秸秆和氮肥的裸地（CK）、仅施用秸秆（S）、仅施用基肥氮（N，100%）、以及在冬季休耕期间分别施用0%、30%和60%的基肥氮（SN₀、SN₃₀和SN₆₀），剩余的氮肥在次年春季作为基肥施用。通过结合土壤有机质的密度-大小分级分析及固态13C核磁共振光谱技术，本研究旨在：（i）评估冬季休耕期间施用秸秆和氮肥对粮食产量及其稳定性的长期影响；（ii）分析土壤养分、土壤有机质含量及其物理组成和化学组成的变化；（iii）阐明土壤养分、土壤有机质物理组成及其化学组成对粮食产量和稳定性的交互作用。我们假设冬季休耕期间施用秸秆和氮肥可以促进秸秆有机质向土壤有机质的转化，增加碳和氮的保留并重新分配到矿物相关有机质组分中，从而提高粮食产量和产量稳定性。

实验设计与地点

这项为期11年（2008–2019年）的田间实验在中国东南部江西省余江县邓家埔国家稻种农场进行（北纬28°15'，东经116°55'）。该地区属于典型的湿润亚热带气候，年平均气温约为17.7°C（夏季最高气温可达40°C），年降水量为1750毫米，其中一半集中在3月至7月初。冬季平均气温约为7°C，最低气温...

粮食产量的时间变化和稳定性

秸秆与氮肥的联合施用（SN₀、SN₃₀和SN₆₀）总体上提高了早季和晚季的稻谷产量，且这种效应具有明显的时间依赖性（图2A）。在秸秆与氮肥联合施用的处理组中，早季稻谷产量范围为6.2至8.3吨/公顷，其中SN_{60处理组在第三年的产量最高（8.3吨/公顷），而SN30处理组的产量最低（6.2吨/公顷）...}

结论

这项为期11年的田间研究表明，冬季休耕期间施用秸秆和氮肥是一种有效且环境可持续的策略，有助于维持长期的水稻生产力。在所有处理方式中，SN₃₀处理组（即在冬季休耕期间施用30%的基肥氮）表现最佳，实现了最高的多年平均产量和较高的早季及晚季产量稳定性。正如我们的假设，冬季休耕期间施用秸秆和氮肥（SN₃₀）...

作者贡献声明

毛景东：撰写、审稿与编辑、可视化、方法学设计、概念框架。王天舒：撰写初稿、软件应用、方法学设计、数据管理、概念框架。张月玲：撰写初稿、可视化、方法学设计、数据管理、概念框架。张斌：撰写、审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金争取、概念框架。姚水红：撰写、审稿与编辑、撰写初稿、软件应用...

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：41930761、42177284、42107330）、国家重点研发计划（项目编号：2016YFD0300900）以及安徽省自然科学基金（项目编号：2508085MD084）和安徽省教育厅科研项目（项目编号：2025AHGXZK30545）的支持。我们感谢赵浩及其所在农业环境与可持续研究所的固态核磁共振实验室工作人员的帮助。