《自然·地球科学》期刊研究报告：沟埋秸秆还田技术协同提升稻田土壤碳汇与作物产量

作者及机构
本研究的核心作者团队由南京农业大学农业学院的Zheng-Rong Kan和Zhenzhen Li（共同第一作者）、德国波恩大学土壤科学与土壤生态研究所的Wulf Amelung、中国农业大学农学院的Hai-Lin Zhang、美国俄亥俄州立大学碳管理与封存中心的Rattan Lal等来自中、德、美三国多个机构的学者组成。研究成果于2025年5月8日在线发表于《自然·地球科学》（*Nature Geoscience*），论文标题为《可持续底土管理促进土壤碳积累与作物产量提升》。

学术背景

研究领域与科学问题
本研究聚焦农业可持续发展中的两大核心挑战：土壤有机碳（SOC, Soil Organic Carbon）固存能力不足与稻田系统作物产量提升受限。传统保护性农业措施（如免耕和秸秆覆盖）虽能减少土壤侵蚀，但在稻田系统中常导致SOC积累效率低、甚至造成减产，原因包括：
1. 秸秆厌氧分解毒性：稻田淹水条件下，表层秸秆分解产生有害物质抑制水稻生长；
2. 碳分配失衡：免耕虽增加表层SOC，但底土（subsoil）碳输入不足，微生物能量限制导致碳封存潜力未被激活；
3. 产量矛盾：全球meta分析显示，保护性农业可能导致作物减产，尤其在稻田系统中更为显著。

研究目标
团队提出沟埋秸秆还田（Ditch-Buried Straw Return, DB-SR）技术，通过将秸秆注入底土（20 cm深度），实现以下目标：
- 同步提升SOC储量与作物产量；
- 验证秸秆碳向矿物结合态真菌残体（mineral-associated fungal necromass）的转化机制；
- 评估该技术的经济与环境效益。

研究方法与流程

1. 长期田间试验设计
- 地点与周期：2008–2023年在中国江苏沿江地区进行15年稻麦轮作试验，土壤为潜育性雏形土（Gleyic Cambisols）。
- 处理对比：
- DB-SR：秸秆捆埋入20 cm深沟（占田块面积10%），其余90%区域免耕；
- 对照（RT-SR）：旋耕秸秆还田（0–10 cm深度），为中国稻田主流管理方式。
- 创新设备：自主研发的联合收割机改装设备（南通广益机电有限公司），集成收割、开沟、埋秆、覆土功能（图1c）。

2. 数据采集与分析
- SOC与组分测定：
- 分层采样：0–50 cm土壤按10 cm间隔分层，采用等效土壤质量法（equivalent soil mass）计算SOC储量；
- 碳组分分离：六偏磷酸钠分散法分离颗粒有机碳（POC, >53 μm）与矿物结合有机碳（MAOC, <53 μm）；
- 微生物残体碳量化：通过氨基糖（葡萄糖胺、胞壁酸）标记真菌与细菌残体碳。
- 作物产量与生理指标：测定穗数、千粒重、氮铁吸收效率及根系形态。
- 温室气体排放：静态箱法监测CH₄和N₂O通量，结合生命周期评估（LCA）计算净CO₂当量排放。

3. 全国Meta分析
整合中国38项DB-SR试验数据（共249篇文献），对比不同耕作方式（免耕、旋耕、翻耕）下SOC与产量的响应。

主要结果

1. SOC储量提升与稳定化机制
- 碳储量增幅：DB-SR使0–40 cm土层SOC储量增加46%（17.2 Mg ha⁻¹），其中底土（10–40 cm）贡献率达70%（图2a）；
- 关键机制：
- 真菌残体主导：MAOC中真菌残体碳（FNC）占比提升103.9%，其与黏土矿物的吸附显著延长碳驻留时间；
- 底土碳饱和度低：20–40 cm土层MAOC饱和度仅6.1%，远低于表层（18.7%），为碳封存提供空间（补充表1）。

2. 作物产量协同提升
- 增产效应：DB-SR使小麦、水稻和年产量分别提高16.5%、9.0%和14.8%（图3a,c）；
- 生理基础：
- 小麦：出苗率提高10.7%，有效分蘖数增加（补充图7a,b）；
- 水稻：分蘖数增加16.4%，根系下扎深度促进氮铁吸收（扩展数据图8）。

3. 环境与经济收益
- 减排效益：净CO₂当量排放降低34%（考虑SOC增量后），CH₄和N₂O排放分别减少10.6%和5.6%（图5a）；
- 经济效益：净收益增加18%（图5b），主要源于产量提升与氮素损失减少56%（扩展数据表1）。

4. Meta分析验证
全国数据证实DB-SR在20–40 cm土层的SOC增幅（23.5%）显著高于其他耕作方式，且玉米增产效应最显著（12.9%）（图4）。

结论与价值

科学意义
- 理论创新：首次揭示底土真菌残体碳对SOC稳定的主导作用，突破传统“表层碳管理”范式；
- 技术突破：DB-SR通过“最小化扰动+底土碳激活”实现稻田系统的碳-产量协同增益。

应用前景
- 全球推广潜力：适用于淹水稻田系统，尤其适合东亚、东南亚等高集约化农业区；
- 政策支持：为中国“双碳”目标下的农业减排提供可量化技术路径。

研究亮点

1. 方法论创新：15年长期试验结合多尺度Meta分析，强化结论普适性；
   
2. 跨学科融合：整合土壤学、微生物学与农艺学，解析SOC-产量关联的生理生态机制；
   
3. 设备自主化：开发一体化农机装备，解决技术落地瓶颈。
   

其他价值
- 微生物调控：DB-SR特异性富集13–20%的底土真菌类群（如担子菌门），为合成微生物群落设计提供靶点；
- 全球参考性：研究框架可拓展至旱作系统，为全球农田可持续管理提供新范式。

（注：文中所有数据与图表均引用自原文，详细方法见补充材料。）