年秸秆还田模式能提高华东地区土壤质量、表观稳定有机碳饱和度及籽棉产量稳定性

《European Journal of Agronomy》：Annual straw return mode enhances soil quality, apparent stable organic carbon saturation capacity, and seedcotton yield stability in East China

　　

•年度秸秆还田改善了土壤质量、籽棉产量和产量稳定性。
•对矿物结合有机碳（MOC）的表观饱和度进行了评估。
•年度秸秆还田提高了MOC的表观饱和容量。
•土壤质量与MOC的表观饱和亏缺呈正相关。

引言

棉花作为世界上重要的纤维作物，在石油和饲料方面也具有高度潜在价值（Campbell等，2016年）。在中国黄河流域和长江流域的棉花种植区，典型的耕作制度是麦棉复种。这一制度充分利用光热资源，提高土地复种指数，对确保粮食安全和棉花生产供应发挥着重要作用（Feng等，2022年）。然而，麦棉复种制度长期集约化管理面临着日益严峻的可持续性挑战。例如，该制度中普遍过量施用化学肥料以达到高作物产量，导致土壤退化和非点源污染，最终影响人类健康（Cui等，2018年，Feng等，2022年）。此外，由于小麦晚收获导致两种作物之间的短存留期，以及极端天气事件的频繁发生，进一步增加了棉花生产的不确定性（Han等，2022年）。因此，采用优化的农业管理措施来提高土壤质量和增加棉花产量稳定性，对于确保棉花种植的可持续性至关重要。

秸秆作为一种可再生资源，在替代化学肥料方面具有良好的潜力，因为它能为土壤提供大量碳、氮、磷、钾和其他必需元素（Yin等，2018年）。大量研究表明，秸秆还田可以改善土壤团粒形成，降低土壤容重，增加养分有效性，增强土壤酶活性，提高微生物活性和多样性，从而改善土壤质量（Li等，2018年，Turmel等，2015年，Zhao等，2020年）。秸秆还田通常通过改善土壤质量来提高作物产量。然而，这种有效性受到秸秆类型、秸秆量、作物类型和气候条件等因素的影响（Lin等，2023年，Pittelkow等，2015年，Wang等，2015年）。更重要的是，产量稳定性，即不同年份或气候条件下产量的相对一致性，是衡量农业生态系统可持续性的重要维度（Reckling等，2021年，Urruty等，2016年）。在麦棉复种制度下，小麦和棉花秸秆还田有助于通过改善土壤质量来增强作物对环境胁迫的缓冲能力，从而可能增加产量稳定性（He等，2025年，Li等，2026a，Qiao等，2022年）。然而，目前缺乏关于复种制度下不同秸秆还田模式对土壤质量和籽棉产量稳定性的改善效果的系统性比较研究。

土壤有机碳（SOC）是连接土壤质量和作物产量提高的核心指标（Amelung等，2020年）。大规模推广秸秆还田增加了中国耕地中的SOC含量（Zhao等，2018年）。更具体地说，长期秸秆还田增加了不同受保护有机碳分量的含量（Li等，2026b），包括未受保护的、物理保护的、化学保护的以及生物化学保护的碳库（Six等，2002年）。其中，化学保护和生物化学保护碳库来自粉砂和粘土颗粒，可统称为土壤矿物结合有机碳（MOC）。由于其易受化学键合和团粒包藏的易感性，MOC的周转时间较长，通常被认为是最稳定的碳库（Lavallee等，2020年）。而MOC通常被视为最先达到饱和的组分（Gulde等，2008年）。根据经典饱和理论，MOC具有矿物学最大容量，MOC的饱和容量通常基于粉砂和粘土含量来估算（Hassink，1997年，Six等，2002年）。然而，由于外源有机碳输入、土壤微生物活性和土壤矿物性质的局限性，实际MOC含量无法达到理论上的矿物学最大吸附容量；相反，它通常表现出土壤碳-微生物-矿物连续体中的稳态平衡，这一现象被称为MOC的表观饱和（Song等，2025年）。这一概念与经典饱和理论不同，强调"矿物-微生物-输入"三重耦合，可以通过直接观察MOC含量与外源碳输入之间的渐近关系来评估（Stewart等，2007年）。在操作上，MOC的表观饱和亏缺可以进一步量化为表观饱和容量与当前MOC含量相对于饱和容量的百分比差异，从而表明MOC在给定背景下与稳态水平的差距（Stewart等，2007年）。在不同外源有机物输入下，微生物达到各自的生物合成和代谢平衡点，因此MOC的表观饱和容量可以容易地重新调整（Song等，2025年）。

在麦棉复种制度中，小麦和棉花秸秆由于其质量（如碳氮比）和输入频率，可以深刻影响MOC含量（Cheng等，2025年）。年度麦棉秸秆还田，通过提供更大的外源碳输入，可能维持持续的微生物活性，促进微生物残体产生和快速占据矿物结合位点，从而加速MOC积累（Guo等，2026年）。同时，两种秸秆类型的不同碳氮比影响微生物增殖速率，进而影响有机-矿物复合物的形成效率（Wang等，2026年）。此外，单季秸秆还田由于存在碳供给中断期，直接减少了矿物表面位点与有机碳接触的机会，这不利于维持矿物-有机质界面上完整和连续的吸附动力学，从而降低后续吸附效率（Kleber等，2021年）。这些过程的综合作用可以决定不同秸秆还田模式下MOC含量和表观容量的相对变化，从而影响最终的表观饱和亏缺。同样，之前的研究表明，年度稻麦秸秆还田对微生物代谢的影响显著强于单季秸秆还田（Liu等，2023年）。小麦和棉花秸秆质量和输入频率的差异也可能导致微生物代谢差异，从而显著影响MOC含量。此外，MOC积累可以改善阳离子交换量、团粒水稳定性和养分释放缓冲能力，从而增强土壤对气候变化的缓冲能力，进而与作物产量稳定性相关联（Fu等，2024年，Lal，2004年）。然而，目前缺乏对麦棉复种制度下不同秸秆还田模式如何调节MOC表观饱和的研究，以及表观饱和与产量稳定性之间的关联研究。

为此，本研究以长江中下游麦棉复种制度的10年田间实验为平台，设置了四种典型模式：秸秆移除、单季棉花秸秆还田、单季小麦秸秆还田和年度麦棉秸秆还田。虽然秸秆还田被广泛认为是改善土壤质量和作物生产力的有效措施，但不同还田模式对该集约化麦棉耕作制度中土壤质量、SOC分量和产量稳定性的综合影响仍知之甚少。特别是，基于秸秆还田模式的累积外源碳输入对MOC饱和动力学的响应尚未得到系统评估。一个关键的知识空白在于，与单季还田相比，具有更高且更频繁碳输入的年度还田是否会驱动MOC更接近其饱和容量（即更低的碳饱和亏缺，CSD）。然而，另一种可能性是，年度还田可能通过促进矿物-有机质结合形成来同时扩大表观饱和容量，从而维持甚至增加表观CSD。CSD与籽棉产量稳定性之间的关系也尚未探索，使碳饱和动力学农学意义不明确。为了解决这些不确定性，本研究旨在：（1）评估不同秸秆还田模式对土壤质量和籽棉产量稳定性的影响；（2）确定年度麦棉秸秆还田是否导致比单季还田更低的MOC的CSD，或者是否同时提高实际MOC含量和表观饱和容量；以及（3）探索CSD、土壤质量和籽棉产量稳定性之间潜在的联系。

部分摘要

2.1 地点描述和实验设计

本实验于2022年至2024年进行，是基于已进行7年（2015-2021年）的不同秸秆还田模式定位实验的延续实验。从2015年至2019年，该地点采用大麦-棉花复种制度。从2019年11月开始，制度转变为小麦-棉花复种。实验位于中国东部江苏省大丰区（120°39′E，33°11′N），这是典型的北

土壤指标和土壤质量指数

与秸秆移除相比，除了总磷（TP）外，秸秆还田降低了容重（BD）和pH值，并增加了土壤含水量（SMC）、土壤有机碳（SOC）、溶解性有机碳（DOC）、全氮（TN）、碱解氮（AN）、速效磷（AP）、速效钾（AK）、微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）的含量（表1）。同时，秸秆还田也增强了β-葡萄糖苷酶（BG）、N-乙酰氨基葡萄糖酶（NAG）、L-氨基酸酶（LAP）和酸性磷酸酶（ALP）的活性（图1）。总体而言，RCW（年度麦棉秸秆还田）对土壤指标的改善效果最好，而RW（单季小麦秸秆还田）和RC（单季棉花秸秆还田）的改善效果相近。与秸秆移除相比，RC、RW和RCW的土壤质量指数（SQI）分别增加了15.7%-21.8%、24.1%-30.3%和34.9%-48.3%

讨论

本研究旨在解决关于不同秸秆还田模式对麦棉复种制度中土壤质量、有机碳分量和产量稳定性影响的三个研究目的。首先，我们考察了不同秸秆还田模式如何影响土壤质量和籽棉产量稳定性。我们的结果表明，年度麦棉秸秆还田在改善土壤质量和增强方面始终优于单季秸秆还田和秸秆移除

结论

秸秆还田可以有效改善土壤物理、化学和生物性质，从而促进土壤质量。这表现为容重和pH值的降低，土壤含水量、全氮、速效养分、微生物生物量和酶活性的增加。在麦棉复种制度中，年度作物秸秆还田（RCW）对土壤质量指数（SQI，34.9%-48.3%）的影响优于单季秸秆还田（RC或RW）。秸秆还田

CRediT作者贡献声明

李强：撰写—原稿，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。张莹：方法论，调查。马俊杰：调查。王宏宾：调查。王欣：调查。刘路瑶：调查。赵文晴：验证。胡伟：验证，资源，资金获取。周智国：验证，资源，资金获取。杨海帅：撰写—审阅和编辑，监督，概念化。孟亚丽：撰写—审阅和资金

本研究得到中国国家自然科学基金（32472234）、中国农业科研系统（CARS-15-14）以及部省共建现代作物生产创新中心的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的与本文报告的工作相冲突的财务利益或个人关系。

李强 | 张莹 | 马俊杰 | 王宏宾 | 王欣 | 刘路瑶 | 赵文晴 | 胡伟 | 周智国 | 杨海帅 | 孟亚丽