评估不同秸秆还田率对半干旱地区薄膜覆盖或非覆盖农田的土壤质量及田间环境可持续性的影响

《Environmental Research》：Evaluate the impacts of different straw returning rates on soil quality and field environmental sustainability of film mulching or non-mulching farmland in semiarid region

本研究评估了干旱区地膜覆盖（FM）与秸秆还田（SR）结合对土壤质量、生态效益及经济效益的影响。结果表明，FM显著提高玉米产量但导致土壤有机碳（-3.7%）和总氮（-5.8%）减少，SR则增加土壤氮（11.9%）、有机碳（6.6%）及碳库稳定性（POC+19.2%，DOC+37.4%）。两者耦合虽降低碳足迹（-22.0%）并提升经济效益（10,074元/公顷），却加剧温室气体排放（CO2+15.0%，N2O+8.1%）。建议全量还田（12 t/ha）平衡环境与经济，并进一步增至18 t/ha以提升土壤质量。

　　这项研究聚焦于干旱地区农业中两种主要措施——地膜覆盖（FM）和秸秆还田（SR）的综合影响。随着全球人口的不断增长，农业面临着前所未有的挑战，包括气候变化、土壤退化以及如何提高粮食产量。在这些背景下，地膜覆盖作为一种能够改善土壤水热条件、提高作物产量的技术，已被广泛应用于干旱农业。然而，这种技术的长期应用对土壤健康和环境的影响仍然存在争议。相比之下，秸秆还田在提升土壤质量和增强经济效益方面表现出积极效果，被认为是优化地膜覆盖实践的重要手段。

研究团队在宁夏彭阳地区，一个典型的干旱农业区域，进行了为期两年的田间实验，旨在评估不同秸秆还田率（0、6、12、18吨/公顷）对土壤质量、生态系统服务和经济收益的影响。实验考虑了地膜覆盖和未覆盖两种条件下的土壤变化。研究发现，地膜覆盖显著提高了玉米的产量，但同时也导致了土壤有机碳和总氮含量的下降，以及二氧化碳排放量的增加。相比之下，秸秆还田则有助于提升土壤氮和有机碳含量，并改善颗粒有机碳和溶解有机碳的状况。此外，无论是地膜覆盖还是秸秆还田，都能增强土壤酶活性（如过氧化氢酶、纤维素酶和尿酶）以及改善土壤团聚体结构的稳定性，尤其是在地膜覆盖与秸秆还田的协同作用下效果更为明显。

然而，这种协同效应也带来了温室气体排放的增加，包括二氧化碳和氧化亚氮的排放。尽管如此，这种协同作用在一定程度上减少了碳足迹，并提高了经济效益。因此，从环境可持续性和经济回报的角度出发，研究团队建议在干旱地区地膜覆盖农田中实施全量秸秆还田（12吨/公顷），以实现土壤质量、环境效益和经济收益的平衡。为了进一步提升土壤质量，他们还建议在长期地膜覆盖条件下增加秸秆还田量至18吨/公顷。

在干旱农业系统中，土壤质量是确保粮食生产、生态系统功能和应对气候变化的关键因素。然而，不合理的农业管理方式可能导致土壤质量下降，引发土壤退化，并加剧环境风险。因此，优化农业生产力、土壤健康与农民经济福利之间的关系，是推动农业系统良性循环的重要前提。在过去几十年中，尽管地膜覆盖技术的广泛应用确实提高了作物产量，改善了干旱农田的土壤水热条件，但这种技术的长期使用往往以短期作物产量为优先，忽视了生态平衡。因此，随着时间的推移，这种技术逐渐暴露出一些明显的弊端，如环境污染和土壤质量下降，使得其与当前可持续农业的需求逐渐不兼容。

近年来，秸秆还田作为一种提升土壤质量和促进可持续农业实践的关键策略，受到了越来越多的关注。许多研究表明，秸秆不仅能够改善土壤结构，还通过其富含的养分输入影响养分循环，从而提升土壤质量和作物产量。然而，秸秆的分解受到土壤环境条件的影响，过量的秸秆投入可能会超出农田的承载能力，从而引发“激发效应”，加快土壤碳的分解，并增加温室气体的排放。这些后果在平衡土壤质量提升、生态改善和产量维持方面引入了不确定性，尤其是在脆弱的干旱农业系统中。随着地膜覆盖技术的广泛应用，其对作物生物量和产量的提升作用日益显著，农田对秸秆的承载能力也可能随着时间的推移发生变化。因此，长期地膜覆盖条件下，以往较高的秸秆还田率可能不再适用，因为地膜覆盖不仅促进作物生长，还持续改变土壤的物理和化学性质，从而影响土壤对秸秆的承载能力。这表明，农田对秸秆的承载能力是动态变化的，可能随着土壤条件的变化而演变。

尽管已有大量研究探讨了秸秆还田对土壤物理和化学性质的影响，但大多数研究主要关注短期效应，而忽略了长期地膜覆盖干旱农业系统中的动态耦合效应。此外，很少有研究全面评估在长期地膜覆盖条件下，不同秸秆还田率对土壤、环境和经济因素的综合影响。因此，这项研究的目标包括：（1）调查地膜覆盖和不同秸秆还田率对干旱农业系统中土壤质量、环境因素和作物产量的影响；（2）探索长期地膜覆盖后农田对秸秆的承载能力的动态变化；（3）在考虑土壤、环境和经济因素的前提下，评估长期地膜覆盖条件下最佳的秸秆还田率。研究团队提出了两个假设：（1）长期地膜覆盖将增强农田对秸秆的承载能力；（2）全量秸秆还田将实现土壤质量、环境效益和经济回报的平衡。

在实验区域的描述中，研究团队选择了宁夏彭阳地区作为实验地点，该地区属于典型的干旱农业区域，位于中国宁夏，地理坐标为35°79’N，106°45’E。该地区的气候类型为半干旱大陆性季风气候，年平均气温为8.0°C，年降水量为430毫米，其中约70%的降水集中在玉米生长季节（7月至9月）。实验地的土壤类型被归类为黄土性土壤（Calcic Cambisol），这种土壤通常具有较低的有机质含量和养分水平，因此在干旱条件下，其对水分和养分的保持能力相对较弱。这些土壤特性使得实验区域成为研究地膜覆盖和秸秆还田综合影响的理想地点。

在土壤温度的研究部分，研究团队发现地膜覆盖能够显著提高0至20厘米深度的平均土壤温度，特别是在玉米生长季节（4月至10月）中，地膜覆盖下的土壤温度平均为19.0°C，而未覆盖处理下的土壤温度仅为18.0°C。在5月至7月期间，温度差异尤为显著。热图可视化表明，地膜覆盖下的土壤温度分布更加稳定且持续较高，这体现在红色色块的更多出现。值得注意的是，地膜覆盖不仅提高了平均温度，还缓解了昼夜温度波动，这一效果在玉米生长的初期和末期尤为明显。这些结果表明，地膜覆盖在改善土壤温度方面具有显著优势，同时也有助于维持土壤温度的稳定性，从而为作物生长提供更有利的环境条件。

在土壤物理和化学性质的研究中，研究团队发现地膜覆盖能够显著提高土壤温度，这一结果与已有研究一致。在实验期间，土壤温度的增加幅度约为1°C，特别是在玉米生长季节。持续的24小时土壤温度监测进一步表明，地膜覆盖不仅提升了平均温度，还有效抑制了昼夜温度波动。这一效果在玉米生长的初期和末期尤为明显，表明地膜覆盖在调节土壤温度方面具有重要作用。此外，研究团队还观察到，地膜覆盖对土壤物理结构的改善作用，包括土壤孔隙度、密度和水分保持能力的提升，这些变化有助于增强土壤的通透性，促进作物根系的生长和养分的吸收。

与此同时，秸秆还田对土壤化学性质的改善作用也得到了验证。研究团队发现，随着秸秆还田量的增加，土壤有机碳和总氮含量显著提升，同时土壤酶活性也得到增强。这些结果表明，秸秆还田不仅有助于提升土壤的养分供应能力，还能促进土壤微生物的活动，从而改善土壤的生态功能。此外，秸秆还田对土壤团聚体结构的稳定性也有积极影响，这有助于提高土壤的抗侵蚀能力，增强土壤的持水能力，并改善土壤的结构特征。这些发现进一步支持了秸秆还田在提升土壤质量方面的有效性。

在研究团队的结论部分，他们总结了地膜覆盖和秸秆还田在干旱农业系统中的综合影响。地膜覆盖虽然能够显著提高玉米产量，但同时也导致了土壤有机碳和总氮含量的下降，以及二氧化碳排放量的增加。相比之下，秸秆还田则有助于缓解地膜覆盖对土壤肥力的负面影响，通过改善土壤结构和化学性质，提高土壤酶活性。这些益处随着秸秆还田量的增加而更加显著。然而，过量的秸秆还田可能会对生态系统造成风险，加剧温室气体的排放。因此，研究团队建议在干旱地区地膜覆盖农田中实施全量秸秆还田（12吨/公顷），以实现土壤质量、环境效益和经济回报的平衡。为了进一步提升土壤质量，他们还建议在长期地膜覆盖条件下增加秸秆还田量至18吨/公顷。

此外，研究团队还指出，秸秆还田对土壤物理结构的改善作用，包括土壤孔隙度、密度和水分保持能力的提升，这些变化有助于增强土壤的通透性，促进作物根系的生长和养分的吸收。同时，秸秆还田对土壤化学性质的改善作用也得到了验证，包括土壤有机碳和总氮含量的提升，以及土壤酶活性的增强。这些结果表明，秸秆还田不仅有助于提升土壤的养分供应能力，还能促进土壤微生物的活动，从而改善土壤的生态功能。此外，秸秆还田对土壤团聚体结构的稳定性也有积极影响，这有助于提高土壤的抗侵蚀能力，增强土壤的持水能力，并改善土壤的结构特征。这些发现进一步支持了秸秆还田在提升土壤质量方面的有效性。

研究团队还强调了地膜覆盖与秸秆还田之间的协同效应。在长期地膜覆盖条件下，农田对秸秆的承载能力可能发生变化，这表明地膜覆盖不仅影响作物生长，还持续改变土壤的物理和化学性质，从而影响土壤对秸秆的承载能力。因此，农田对秸秆的承载能力是动态变化的，可能随着土壤条件的变化而演变。这一动态变化使得在干旱农业系统中，合理选择秸秆还田率变得尤为重要。研究团队建议在长期地膜覆盖条件下，通过增加秸秆还田量来进一步提升土壤质量，同时也要关注由此带来的环境影响，如温室气体排放的增加。因此，在优化农业实践时，需要在提高作物产量和改善土壤质量之间找到平衡点。

在实验的其他部分，研究团队还探讨了地膜覆盖和秸秆还田对土壤结构和生态系统服务的影响。他们发现，地膜覆盖能够显著改善土壤的物理结构，包括土壤孔隙度、密度和水分保持能力的提升，这些变化有助于增强土壤的通透性，促进作物根系的生长和养分的吸收。同时，地膜覆盖对土壤化学性质的改善作用也得到了验证，包括土壤有机碳和总氮含量的提升，以及土壤酶活性的增强。这些结果表明，地膜覆盖不仅有助于提高作物产量，还能改善土壤的生态功能，为农业系统的可持续发展提供支持。

秸秆还田则在改善土壤化学性质和物理结构方面表现出显著优势。研究团队发现，随着秸秆还田量的增加，土壤有机碳和总氮含量显著提升，同时土壤酶活性也得到增强。这些变化表明，秸秆还田不仅有助于提升土壤的养分供应能力，还能促进土壤微生物的活动，从而改善土壤的生态功能。此外，秸秆还田对土壤团聚体结构的稳定性也有积极影响，这有助于提高土壤的抗侵蚀能力，增强土壤的持水能力，并改善土壤的结构特征。这些发现进一步支持了秸秆还田在提升土壤质量方面的有效性。

研究团队还指出，地膜覆盖和秸秆还田的协同效应可能带来一些环境影响，如温室气体排放的增加。尽管如此，这种协同效应在一定程度上减少了碳足迹，并提高了经济效益。因此，在优化农业实践时，需要在提高作物产量和改善土壤质量之间找到平衡点，同时也要关注由此带来的环境影响。研究团队建议在长期地膜覆盖条件下，通过增加秸秆还田量来进一步提升土壤质量，同时也要关注由此带来的环境影响，如温室气体排放的增加。因此，在优化农业实践时，需要在提高作物产量和改善土壤质量之间找到平衡点。

此外，研究团队还强调了在干旱农业系统中，土壤质量的提升需要综合考虑土壤、环境和经济因素。他们指出，过量的秸秆还田可能会对生态系统造成风险，加剧温室气体的排放。因此，在选择最佳的秸秆还田率时，需要在提升土壤质量、改善生态效益和增强经济效益之间找到平衡点。研究团队建议在长期地膜覆盖条件下，通过增加秸秆还田量来进一步提升土壤质量，同时也要关注由此带来的环境影响，如温室气体排放的增加。因此，在优化农业实践时，需要在提高作物产量和改善土壤质量之间找到平衡点。

研究团队还指出，地膜覆盖和秸秆还田的协同效应可能带来一些环境影响，如温室气体排放的增加。尽管如此，这种协同效应在一定程度上减少了碳足迹，并提高了经济效益。因此，在优化农业实践时，需要在提高作物产量和改善土壤质量之间找到平衡点，同时也要关注由此带来的环境影响。研究团队建议在长期地膜覆盖条件下，通过增加秸秆还田量来进一步提升土壤质量，同时也要关注由此带来的环境影响，如温室气体排放的增加。因此，在优化农业实践时，需要在提高作物产量和改善土壤质量之间找到平衡点。

总的来说，这项研究揭示了地膜覆盖和秸秆还田在干旱农业系统中的综合影响。地膜覆盖虽然能够显著提高作物产量，但同时也导致了土壤有机碳和总氮含量的下降，以及二氧化碳排放量的增加。相比之下，秸秆还田则有助于缓解地膜覆盖对土壤肥力的负面影响，通过改善土壤结构和化学性质，提高土壤酶活性。这些益处随着秸秆还田量的增加而更加显著。然而，过量的秸秆还田可能会对生态系统造成风险，加剧温室气体的排放。因此，在干旱地区农业中，合理选择地膜覆盖和秸秆还田的组合方式，对于实现可持续农业和提升经济效益至关重要。研究团队建议在长期地膜覆盖条件下，通过增加秸秆还田量来进一步提升土壤质量，同时也要关注由此带来的环境影响，如温室气体排放的增加。因此，在优化农业实践时，需要在提高作物产量和改善土壤质量之间找到平衡点。