《Archives of Agronomy and Soil Science》：Conservation tillage combined with straw return improves soil quality and crop yield in a Nitisol of Ethiopia
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本研究在埃塞俄比亚中部高原Nitisol上，通过一项为期三年的田间试验，系统地评估了耕作方式与秸秆还田相结合对土壤特性和作物生产力的综合影响。研究证明，相较于传统耕作（CT）和秸秆移除，最小耕作（MT）配合高量秸秆还田（3 t ha-1）可显著降低土壤容重、提升土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）和有效磷含量，并实现蚕豆和小麦产量的最大化。该结果为发展提升土壤固碳、肥力和作物生产力的可持续管理策略提供了关键数据支撑。
引言
保护性农业（Conservation agriculture）是维持土壤质量和提高农业生产力的关键策略。传统农业中的集约耕作和秸秆移除虽然曾是提高产量的主要手段，但其过度使用反而导致了广泛的土壤退化、养分耗竭和土壤有机碳（SOC）损失。在埃塞俄比亚，作物残茬常被移除用作燃料或饲料，加之悠久的耕作历史、集约土地利用和有限的有机物归还，导致SOC水平较低。单独施用矿物肥料可在短期内提高产量，但缺乏足够有机物料投入会加速土壤有机质的消耗，损害长期土壤肥力和可持续性。反之，秸秆等作物残茬还田可通过改善SOC和土壤肥力来提高作物产量。因此，优化耕作方式与作物残茬管理的结合，对于维持土壤健康和确保可持续作物生产至关重要。
耕作方式对土壤结构、团聚体、养分循环和SOC动态有显著影响。传统耕作（CT）会破坏土壤结构，加速有机质矿化，增加侵蚀风险。相比之下，零耕（ZT）和最小耕作（MT）等保护性耕作方式可最大限度地减少土壤扰动，促进表层残茬保留，从而降低SOC矿化。然而，SOC对保护性耕作的响应因土壤类型而异。秸秆保留是保护性农业的重要组成部分，已被广泛提倡用于改善土壤肥力和作物生产力，并减少对合成肥料的依赖。归还作物残茬通过为微生物活动提供底物、促进团聚体稳定性和促进长期碳固存来增加SOC。然而，残茬移除会导致SOC损失和土壤健康受损。秸秆还田在固碳和改善土壤肥力方面的效率是环境依赖性的，因土壤类型、残茬数量和耕作制度而异。
在埃塞俄比亚中部高原，保护性耕作已显示出改善土壤条件的潜力，特别是在减少侵蚀和提高作物产量方面。然而，关于耕作方式和秸秆管理对SOC动态、土壤结构特性、养分有效性和作物生产力的综合影响，尤其是在该地区的Nitisol上，认识仍然有限。此外，秸秆移除和焚烧等传统做法继续加剧土壤退化和产量下降。虽然保护性耕作的个体效益已被充分记录，但耕作与残茬管理在Nitisol上对SOC稳定和土壤功能的交互影响尚未得到系统研究。因此，需要进行综合的田间研究来评估可同时提高作物生产力和维持SOC的集成耕作与残茬管理策略。本研究通过考察耕作-残茬相互作用影响土壤结构和碳固存的潜在机制，弥补了这一知识空白，为埃塞俄比亚耕作系统中的可持续土壤管理提供了见解。本研究的目的是调查保护性耕作结合秸秆还田对埃塞俄比亚中部Nitisol的SOC动态、土壤性质、养分有效性和作物生产力的影响。
材料与方法
研究区域
田间试验在埃塞俄比亚中部高原Wachemo大学的研究地点Ambicho Gode进行。试验土壤根据美国农业部土壤分类学被归类为典型的红色Nitisol，土壤样品采自0-30 cm深度。研究连续进行了三个作物年（2020-2022年）。根据Hurni的农业生态分类，该地点属于湿润高原带，海拔2273米，坐标为7°05'673'N, 37°08'538'E。气候为双峰降雨模式，有Belg（小雨季）和Kiremit（主雨季）。降雨高峰出现在6月至8月之间。长期气象记录（2013-2022年）表明，该地区年平均降雨量为1286.7毫米。年平均气温约为18°C，月平均最高和最低气温分别为26°C和14°C。
试验设计与田间操作
田间试验于2020年在连续小麦单作超过15年的土地上开始。采用随机完全区组设计（RCBD），三次重复。总试验面积为184 m2(27 m × 6 m)，由3 m × 2 m (6 m2每个)的子区组成。子区之间保持0.2米间距，区组之间留有0.5米走道，以尽量减少处理间的干扰。耕作使用传统的瘤牛犁耕系统，使用当地称为maresha的农具。试验设计结合了三种耕作方式：传统耕作（CT），每年进行四次连续耕作，深度为30厘米。第一次耕作在雨季（四月）进行，第二次和第三次耕作间隔四周，最后一次耕作在七月播种时进行。最小耕作（MT）在七月播种前使用相同农具进行一次约15厘米深的耕作。零耕（ZT）使用点播棒直接播种，地表杂草使用刀手工清除。作物残茬管理包括三种处理：对照（R0）人工移除秸秆；对于秸秆还田处理，收获后将秸秆切碎成约10厘米的小段，并以2 t ha-1(R1) 和3 t ha-1(R2) 的速率混入土壤。
试验前初始土壤性质
试验地点多年来一直进行连续的谷物种植，采用传统耕作和完全移除作物残茬的管理方式。为建立基线土壤肥力状况，在作物收获后、耕作操作前立即从0-30 cm深度采集混合土样。初步土壤分析显示，土壤pH值为5.7，有机碳含量为11.3 g kg-1，全氮（TN）为1.1 g kg-1，有效磷为4.4 mg kg-1。这些结果表明土壤呈中度酸性，缺乏SOC、氮和有效磷。根据美国农业部土壤质地分类，该土壤被定性为粉砂粘壤土。
作物管理
采用小麦和蚕豆作为测试作物，以评估耕作和残茬管理对土壤质量和作物产量的影响。蚕豆于2020年和2022年种植，小麦于2021年种植。作物于七月播种，使用条播机，小麦播种量为200 kg ha-1，蚕豆为175 kg ha-1，行距为10厘米。按照当地推荐用量施肥：蚕豆为125 kg P2O5ha-1yr-1和 60 kg N ha-1yr-1，小麦为125 kg P2O5ha-1yr-1和 120 kg N ha-1yr-1。所有处理的施肥量一致。在营养生长期进行人工除草。每年11月进行人工收获。
作物产量、生物量和土壤性质测定
成熟时，在11月中旬至12月初之间收获小麦和蚕豆小区。为减少收获后损失，作物在脱粒前装袋。每个处理收获6 m2的净面积以测定总生物量和籽粒产量。收获的材料在阳光下晒干，人工脱粒，清洁籽粒并称重。记录小区产量，并转换为t ha-1进行统计分析。每次收获后（1月）采集土壤样品以评估处理对土壤性质的影响。对于每个小区，使用土钻采集27个土壤样品用于测定散装土壤，使用金属环刀采集样品用于测定土壤容重。新鲜样品混合、风干、压碎并过筛（<0.2毫米）用于实验室分析。采用K2Cr2O7-H2SO4湿消化法测定土壤有机碳（SOC）。全氮（TN）采用半微量凯氏定氮法（改良Bremner法）分析。有效磷（P）采用分光光度法测定。使用环刀法（Blake and Hartage, 1986）从未扰动土芯（直径5.0 cm × 高度5.0 cm）测定土壤容重，并在105°C下烘干。
统计分析
对作物产量、生物量和土壤性质的数据进行方差分析（ANOVA），以评估耕作和残茬管理的影响。在p < 0.05水平上使用最小显著差异（LSD）检验进行均值分离。统计分析使用OriginPro 2024和R软件（版本4.0.2）进行。
结果
耕作和秸秆保留对土壤容量的影响
在所有试验年份中，耕作和秸秆管理都显著（p < 0.05）影响了土壤容重。总体而言，与秸秆移除相比，秸秆保留降低了土壤容重，而最小耕作（MT）与秸秆还田的结合产生了最有利的结果。在2020年，最高的土壤容重（1.35 g cm-3）记录在ZT无秸秆（R0）处理下，而最低的（1.15 g cm-3）出现在MT高秸秆还田（R2）处理下。2021年观察到类似的趋势，ZT结合R0达到1.37 g cm-3，而MT结合R2导致最低值（1.07 g cm-3）。到2022年，MT结合R2进一步将土壤容重降低至0.87 g cm-3，而最高容重仍然出现在ZT结合R0的小区。总体而言，土壤容重随着秸秆施用量的增加（R1和R2）而降低，特别是在MT和CT处理下。相反，ZT无秸秆在三年中始终保持最高值。
耕作和秸秆保留措施对土壤有机碳（SOC）的影响
与秸秆移除和CT相比，秸秆保留和减少耕作显著增加了SOC储存，秸秆还田小区的SOC也高于秸秆移除小区。在所有年份中，秸秆保留处理的SOC水平逐步提高，而秸秆移除处理下几乎没有观察到改善。2020年，最低的SOC记录在CT结合R0下（12.2 g kg-1），而最高值出现在MT（13.47 g kg-1）和ZT（13.90 g kg-1）结合R2处理下。这种积极的趋势持续存在，到2021年，MT和ZT在R2处理下的SOC值分别增加到13.67和14.43 g kg-1。2022年，最高的SOC（14.93 g kg-1）出现在ZT结合R2处理下，而最低值始终出现在CT和MT结合R0处理下。这些发现证实，保护性耕作结合秸秆还田可减少土壤扰动，减缓SOC矿化，并促进长期SOC积累。
耕作和秸秆保留措施对土壤养分的影响
土壤全氮（TN）和有效磷（P）受到耕作和秸秆处理的显著影响。与CT和秸秆移除相比，MT和ZT结合秸秆还田的TN始终较高。2020年，TN值范围从1.086 g kg-1（CT和ZT，R0）到1.22 g kg-1（MT，R2）。2021年，最高的TN（1.27 g kg-1）记录在MT结合R2处理下，而最低的仍为CT和ZT结合R0（1.08 g kg-1）。到2022年，MT结合R2达到最大TN（1.29 g kg-1），表明随着秸秆添加，TN稳步改善，而最低TN（1.04 g kg-1）仍出现在R0处理小区。有效P也遵循类似的趋势，MT和ZT在R2处理下（分别为2022年的7.44和7.05 ppm）具有更高的值。最低的有效P（4.3-4.46 ppm）出现在2020-2021年的CT结合R0处理下。MT和ZT在R2处理下没有发现显著差异（p > 0.05），表明它们在维持土壤磷水平方面具有可比的有效性。
对小麦和蚕豆产量及生物量的影响
作物产量对耕作和秸秆管理反应强烈。与秸秆移除相比，秸秆还田持续增加了籽粒和生物量产量。蚕豆籽粒产量范围从2.2 t ha-1（ZT，R0，2020年）到3.6 t ha-1（MT，R2，2022年）。小麦产量在2.32 t ha-1（CT，R0，2021年）到3.21 t ha-1（MT，R2，2021年）之间变化。生物量生产遵循相同的模式：蚕豆生物量范围从2.61到4.92 t ha-1，而小麦生物量范围从2.63到4.85 t ha-1。最高的生物量值始终在MT结合R2处理下实现，而最低的出现在ZT或CT结合R0处理下。在三年中，MT结合秸秆还田在籽粒和生物量产量方面均优于其他处理，而ZT无秸秆处理始终产生最低值。
产量与土壤性质的关系
相关性分析揭示了籽粒产量与SOC、TN和生物量之间存在显著的正相关关系，而土壤容重与产量呈负相关关系。在MT结合秸秆保留下，籽粒产量与SOC（R2= 0.85）、生物量（R2= 0.77）、土壤容重（R2= -0.84）和TN（R2= 0.78）强相关。相比之下，ZT结合秸秆下的相关性较弱（SOC R2= 0.44， 生物量 R2= 0.76， TN R2= 0.56）。这些结果强调，在保护性耕作，特别是ZT和MT结合秸秆还田下，SOC和养分状况的改善与作物生产力的提高密切相关。
讨论
耕作和秸秆还田对土壤性质的影响
耕作方式强烈影响土壤物理和化学性质。土壤容重是土壤质量的关键指标，直接影响孔隙度、养分动态和作物生产力。在本研究中，与CT和MT相比，ZT处理在0-30厘米土层中普遍表现出更高的土壤容重，这与早期的报告一致，即减少耕作由于土壤扰动最小而倾向于增加土壤容重。然而，与ZT无秸秆相比，ZT结合秸秆略微降低了土壤容重，表明秸秆保留通过减少表层压实改善了土壤孔隙度。秸秆的加入可能有助于大团聚体的形成和稳定，通过增加孔隙连续性和降低机械阻力来降低土壤容重。此外，秸秆分解产生的结合剂增强了土壤团聚作用，进一步改善了最小耕作下的结构稳定性。总体而言，秸秆还田在所有耕作系统中都持续降低了土壤容重，突显了其在维持土壤结构质量方面的积极作用。
土壤有机碳（SOC）受到耕作方式和秸秆管理的强烈影响。与常规耕作（CT）相比，零耕（ZT）和最小耕作（MT）结合秸秆还田观察到更高的SOC。这与研究表明保护性耕作结合秸秆保留通过最大限度地减少土壤扰动来促进表层SOC积累的观点一致。减少耕作减缓了矿化速率，限制了微生物对受保护有机质的接触，并允许残茬在表土中积累。此外，秸秆还田通过增加根系生物量和根际沉积物来促进碳固存，这些沉积物通过微生物周转稳定了碳。相比之下，CT结合秸秆还田导致0-30厘米剖面中最低的SOC。CT中的密集土壤翻耕将富含SOC的表层土壤混入深层，并通过破坏团聚体和增加氧气供应来加速分解。我们的研究结果证实，减少耕作下的秸秆还田通过改善根系生长、增加残茬输入和减少氧化损失来促进碳固存。
养分动态也反映了保护性耕作下秸秆还田的益处。与CT或无秸秆处理相比，ZT和MT结合秸秆添加的全氮（TN）和有效磷（P）显著更高。这种富集归因于在最小土壤扰动下改善了有机质输入和减少了养分损失。具体而言，保留的残茬作为缓释养分源，改善了氮矿化并增强了微生物活性，从而加速了有机质周转和养分循环。此外，磷的有效性在残茬分解过程中的有机酸分泌和改善的微生物溶解过程的促进下得到提高。相反，无论残茬管理如何，CT都降低了TN和有效P，强调了集约耕作对养分保持的负面影响。这可以归因于裸露土壤下更高的淋溶和挥发损失，以及在频繁扰动下养分循环的微生物效率降低。
总之，我们的研究结果表明，与传统耕作相比，保护性耕作，特别是与秸秆还田相结合，可改善土壤结构稳定性，增强SOC固存，并在上层土壤中维持更高的TN和有效P浓度。从机制上讲，这是通过减少土壤扰动、更多地保留有机残茬、稳定团聚体和改善微生物功能来实现的，这些共同促进了长期土壤肥力和恢复力。
耕作和秸秆还田对作物产量和生物量的影响
作物表现受到耕作强度和残茬管理的显著影响。在三个作物季节中，与CT相比，ZT和MT结合秸秆保留持续产生了更高的蚕豆和小麦籽粒和生物量产量。这些发现与早期的研究结果一致，即保护性耕作下的残茬还田改善了土壤肥力，增强了水分保持，并支持更好的作物生长。
产量对秸秆还田的积极反应可归因于多种因素：SOC和养分有效性的增加、土壤结构的改善以及根系生长条件的改善。特别是，蚕豆产量对ZT和MT下的秸秆还田反应更为敏感，这可能是由于改善了氮动态和土壤通气性，而小麦产量的提高与改善的养分有效性和土壤水分保持密切相关。相比之下，CT，尤其是无秸秆处理，导致产量最低，这反映了养分耗竭、SOC减少和更大的土壤扰动。这一结果支持了先前的研究证据，即传统耕作加速了有机质分解并降低了土壤肥力，从而限制了作物生产力。此外，作物的差异反应表明作物与土壤管理之间存在特异性相互作用。像蚕豆这样的豆科植物在残茬保留下改善的氮循环中受益显著，因为秸秆还田通过保持有利的土壤水分和微生物条件来增强共生固氮。对于像小麦这样的谷物，保护性耕作下更高的SOC和有效P提高了养分利用效率，支持籽粒灌浆和生物量积累。秸秆保留还通过增强入渗和减少地表蒸发损失来改善土壤水分平衡。这种效应在Nitisol中尤为重要，因为季节性降雨变化会限制作物表现。改善的土壤覆盖减少了温度波动，并保护了根区水分，从而在多变的气候条件下稳定了产量。
ZT和MT下产量更高的另一个关键机制是根-土相互作用的作用。秸秆保留下改善的土壤团聚作用增强了根系穿透和对更深土层的获取，从而更好地获取资源。残茬输入下增强的微生物活性也有助于更有效的养分矿化，进一步支持作物生产力。
总的来说，我们的结果表明，保护性耕作结合秸秆还田是提高Nitisol作物生产力的可行策略，因为它与传统做法相比，可维持更高的生物量生产和籽粒产量。改善的养分循环、更大的水分保持、增强的微生物活性和减少的土壤扰动等综合效益，为MT和ZT结合秸秆保留下观察到的产量增加提供了机制解释。
结论
本研究表明，在埃塞俄比亚高原，将保护性耕作与秸秆还田相结合是可持续管理Nitisol的高效策略。在三个作物年中，最小耕作（MT）结合3 t ha-1秸秆还田始终提供最有利的结果。这种做法显著改善了关键土壤质量指标，降低了土壤容重，与基线相比将土壤有机碳（SOC）提高了超过3.5 g kg-1，并增加了全氮和有效磷。
