维持足够数量的耕地面积,并不断提升这些农田的肥力质量,是国家为保障粮食安全要着力解决的重要战略性问题。小麦/玉米一年两熟轮作制(麦玉轮作)是我国北方最为重要的粮食种植制度,维持该体系粮食生产可持续性在保障整个国家粮食安全方面意义重大。然而,麦玉轮作种植制度在以下三个方面尚存在亟待解决的问题:首先,麦玉轮作体系中每年产生大量作物秸秆,可采取秸秆还田、饲料化和工业原料化等多种资源化利用途径,众所周知,秸秆还田有助于土壤有机碳固存和肥力改善,但秸秆还田与其他利用途径客观上存在资源争夺问题,尚不明确农田本身需要归还秸秆的下限数量;其次,就秸秆还田而言,不合理还田方式会导致秸秆在腐解过程中释放大量温室气体,从而加剧全球气候变化,同时对土壤固碳培肥的效果尚不够显著;再次,麦玉轮作体系存在过量施氮现象,易造成氮素挥发损失、地下水受硝酸盐污染等环境问题,如何在秸秆还田的同时合理减量施氮需要科学依据支撑。对于上述三方面问题,虽然已经开展了大量工作,但是,要科学筛选出最有效提升土壤有机碳固存和土壤肥力水平的还田方式,科学回答麦玉轮作体系保持土壤有机碳盈余的碳投入数量及平衡点,单季或双季秸秆还田对于土壤固碳培肥的影响,以及秸秆还田条件下减量施氮对粮食可持续生产的影响等科学问题,仍需进行系统深入的研究。鉴于此,在2008–2014年期间,本研究基于秸秆还田长期定位试验基地,系统地探讨了关中平原高度集约化条件下麦玉轮作体系中秸秆还田不同组合方式对土壤固碳、培肥和粮食持续生产的影响,并在双季作物秸秆均还田条件下探讨了减量施氮对粮田土壤碳氮变化和作物生长的影响,以期为该区选择适宜秸秆还田组合方式和施氮量来维持高度集约化麦玉轮作可持续生产。主要研究结果如下:(1)以持续4年(2008–2012)的小麦/玉米一年两熟田间定位试验为基础,研究了小麦和玉米残体不同还田量对土壤有机碳固存、产量和可持续性的影响。结果表明,双季残体低量还田的碳储量较试验前降低2.6%,而小麦、玉米残体单季和双季高量还田却可增加1.9%、4.8%和14.4%,且维持土壤原有有机碳水平(0–20 cm土层27.17 Mg C/hm2)所需碳投入量为4.07 Mg/hm2/yr;小麦和玉米产量及其可持续性指数随碳投入量增加而增加,且当碳投入量为10.51 Mg/hm2/yr时,可持续性指数可达0.651,而双季残体高量还田的碳投入量和平均产量可持续性指数分别为9.76 Mg/hm2/yr和0.64,说明通过农艺措施的改进,作物产量可持续性指数有望进一步提高。(2)以持续6年(2008–2014)的小麦/玉米一年两熟田间定位试验为基础,研究小麦秸秆3种还田方式(高留茬还田、粉碎直接还田和不还田)和玉米秸秆3种还田方式(粉碎直接还田、深松还田和不还田)所组合的9种组合方式对土壤容重、有机碳含量和储量的影响。结果表明,与双季不还田相比,小麦和/或玉米秸秆还田下0–40cm各土层土壤容重均有所降低,而土壤有机碳含量和储量却有所增加。与试验前相比,小麦和/或玉米秸秆还田均能显著增加土壤等深度(0–20cm)和等质量(2590和5730mg/hm2)有机碳储量,其中小麦秸秆高留茬还田–玉米秸秆深松还田增幅可达10.6%、13.5%和9.1%,而双季不还田却降低5.5%、5.3%和5.0%;然而,0–40cm土层土壤有机碳储量仅在双季秸秆还田有所增加,而小麦或玉米秸秆单季还田和双季不还田均有所降低。因此,在高度集约化麦玉轮作生产中,小麦秸秆高留茬还田–玉米秸秆深松还田的土壤有机碳固存效果最佳。(3)基于持续6年(2008–2014)的小麦/玉米一年两熟田间定位试验,探讨了小麦和玉米秸秆还田9种组合方式对土壤有机碳及其活性组分(总、高、中和低活性)含量和储量及碳库管理指数的影响。结果表明:小麦和/或玉米秸秆还田的土壤有机碳及其活性组分含量和储量较双季不还田均有所提高,且均表现为双季秸秆还田>单季还田>双季不还田。小麦秸秆高留茬还田–玉米秸秆深松还田在0–40cm土层的土壤有机碳和总、中活性有机碳储量最高,较其双季不还田可显著增加12.4%、32.7%和80.2%;而高活性有机碳在小麦秸秆粉碎直接还田–玉米秸秆深松还田取得最大值,较双季不还田可显著增加16.1%,但与前者无显著差异;低活性有机碳在各还田组合方式下均无显著差异。土壤总、高、中和低活性有机碳库管理指数的变化趋势与其活性有机碳储量一致,且小麦秸秆粉碎直接还田–玉米秸秆深松还田的土壤总和中活性有机碳库管理指数较其均不还田的增幅分别可达37.0%和86.1%。可见,在高度集约化麦玉轮作生产中,小麦秸秆高留茬还田–玉米秸秆深松还田对土壤有机碳(特别是中活性有机碳)数量和质量的提高效果最佳。(4)利用持续6年(2008–2014)的小麦/玉米一年两熟田间定位试验中对小麦和玉米秸秆还田9种组合方式下作物产量、系统物质投入和人工投入等资料,估算作物生产过程中碳投入、碳产出、碳效率和经济收益,进而探讨高度集约化麦玉轮作生产过程中的固碳减排效应。结果表明:在轮作周期内各还田组合方式下碳投入为2765~3161kgc/hm2,其中双季秸秆不还田最小,而小麦秸秆粉碎还田–玉米秸秆深松还田最大,且灌溉碳投入最高,其次为机械和化肥碳投入。轮作周期内碳产出总量、碳生产效率、碳经济效率、碳生态效率、纯收益、劳力成本收益率和物质成本收益率均在小麦秸秆高留茬还田–玉米秸秆深松还田取得最大值。可见,在高度集约化麦玉轮作生产中,采用小麦秸秆高留茬还田–玉米秸秆深松还田能够取得最高碳效率和经济收益,进而取得环境和经济效益的双赢。(5)运用可持续性指数法评价了秸秆不同还田组合方式下高度集约化麦玉轮作农田系统可持续性发展潜力。结果表明,与双季秸秆不还田相比,小麦和/或玉米秸秆还田能有效提高土壤有机碳、活性有机碳、速效氮、速效磷、速效钾储量、微生物量含量和蔗糖酶、蛋白酶、碱性磷酸酶、脱氢酶活性以及作物产量。小麦秸秆高留茬还田–玉米秸秆深松还田的养分指数和作物指数最高,而小麦秸秆粉碎直接还田–玉米秸秆粉碎直接还田的微生物指数最高,然而,前者系统可持续性指数显著高于后者。可见,在高度集约化麦玉轮作生产中,采用小麦秸秆高留茬还田–玉米秸秆深松还田组合方式最利于农业的可持续发展。(6)基于持续6年(2008–2014)的小麦/玉米一年两熟田间定位试验,研究小麦、玉米秸秆全量还田下在常规施氮(即玉米季施氮187.5 kg/hm2、小麦季施氮150 kg/hm2)基础上减量施氮对土壤碳氮变化和作物生长的影响。结果表明:30%减量施氮的玉米籽粒产量较常规施氮显著降低9.4%,而15%减量施氮无显著变化。土壤有机碳储量在各施氮水平下较试验前均有所增加,而15%和30%减量施氮较常规施氮可显著降低6.5%和10.3%,活性有机碳储量显著降低15.8%和19.7%,且碳库管理指数在30%减量施氮亦显著降低20.9%。15%和30%减量施氮下小麦收获后0–200 cm土层矿质氮累积量较正常施氮显著降低12.9%和22.8%,且玉米收获后显著降低11.1%和22.9%。与正常施氮相比,30%减量施氮可显著降低作物籽粒和秸秆氮含量和吸收量。15%和30%减量施氮的土壤表观氮平衡和氮平衡率较正常施氮均有所降低,且随着施氮量的降低而降低,但仍可维持土壤氮素平衡。可见,综合考虑作物产量、土壤有机碳固存、作物养分吸收和土壤表观氮平衡,15%减量施氮可作为为该区最佳施氮量。综上所述,本试验条件下,土壤有机碳储量在小麦或玉米残体单季高量还田下即可得以维持,而双季高量还田对土壤有机碳固存和农业可持续发展最为有利。小麦和/或玉米秸秆还田利于土壤有机碳储量和活性的提高,且小麦秸秆高留茬还田–玉米秸秆深松还田的提高效应最佳,同时,该方式最利于土壤肥力质量、系统可持续性、碳效率和经济效益的提高。另外,在双季秸秆还田常规施氮基础上15%减量施氮对作物籽粒产量、土壤有机碳储量及其活性、作物氮磷钾吸收和土壤氮素平衡均无显著影响。因此,在高度集约化麦玉轮作生产中,采用小麦秸秆高留茬还田–玉米秸秆深松还田组合方式利于土壤固碳、培肥和粮食生产的可持续性,且在双季秸秆还田常规施氮基础上15%减量施氮(即玉米季施氮160 kg/hm2、小麦季施氮130 kg/hm2)为较优施氮量。