农作物秸秆是农业生产中主要废弃物之一,合理有效的解决秸秆问题对农业的可持续发展具有重要意义。秸秆还田作为当前秸秆利用的主要途径之一,不仅能改善土壤肥力、提高作物生产力,并且能缓解秸秆焚烧带来的环境污染等问题。稻麦轮作种植制度是我国主要种植制度之一,且种植面积约为1.05 × 107hm2,该种植制度下常用的秸秆还田方式包括秸秆粉碎翻耕还田和旋耕还田等。然而,近年来随着粮食产量的提高,秸秆量地不断增大,大量的作物秸秆不仅使常规秸秆还田方式不利于机械化耕作、影响作物产量,并且也会引起大量的温室气体排放。秸秆沟埋还田作为一种新兴秸秆还田方式,不仅能实现秸秆全量还田,并且有利于土壤碳汇,增加作物产量。然而,与常规秸秆还田方式相比,秸秆沟埋还田是否对作物-土壤-环境具有较好综合效应还不得而知。本研究通过2013年6月至2015年6月在我国长江中下游稻麦轮作区开展大田试验,设置三个麦秸不同还田方式处理,即:麦秸旋耕还田(WR)、麦秸翻耕还田(WP)和麦秸沟埋还田(WD),以麦秸不还田(CK)为对照,研究该种植制度下,不同的麦秸还田方式对土壤固碳潜力、农田温室气体排放、温室气体排放强度和净增温潜势的影响,并进行碳足迹分析;同时在室内开展培养试验,模拟大田麦秸还田方式对温室气体排放的影响,对大田试验研究结果进行验证和分析,从而综合评价麦秸还田方式对农田土壤、作物产量和环境效应的影响,为探索高效、安全、生态的秸秆还田方式提供理论依据。主要研究结果如下:1、土壤活性碳组分和有机碳固碳量在水稻季,麦秸还田能增加土壤总有机碳含量,且土壤活性有机碳和水溶性有机碳含量在麦秸旋耕还田处理下显著高于对照;而土壤微生物生物量碳含量在麦秸翻耕还田处理下显著高于对照;土壤碳库管理指数在麦秸旋耕还田处理下比对照显著高出41.01%。在小麦季,麦秸还田也能增加土壤总有机碳的含量,且麦秸沟埋还田处理下土壤总有机碳含量显著高于对照;而土壤活性有机碳、水溶性有机碳和微生物生物量碳含量均为在麦秸旋耕还田处理下最高,且显著高于对照。土壤碳库管理指数在麦秸旋耕还田处理下比对照显著高出108.62%。两个轮作周期后,与对照相比,不同的麦秸还田处理均能增加土壤有机碳固碳量,且麦秸沟埋还田处理下土壤有机碳固碳量显著高于对照和麦秸翻耕还田处理。三种麦秸还田处理中,土壤年固碳速率在麦秸沟埋还田处理下最高,因此,短期条件下,麦秸旋耕还田能有效改善土壤质量、提高土壤有机碳含量;而随着秸秆还田时间的延长,在稻麦轮作区,麦秸沟埋还田可能是一种具有很大固碳潜力的秸秆还田方式。2.温室气体排放量在两个稻麦轮作周期内,相同的管理措施下,温度高、降雨量多的作物生长季土壤CH4和N20排放较大。与对照麦秸不还田相比,麦秸还田处理不仅能显著增加水稻季CH4排放,而且也显著提高了后季麦季CHU排放;在水稻季和小麦季,季节平均CH4排放在麦秸沟埋还田处理下均显著低于麦秸旋耕还田处理;周年CH4排放在麦秸沟埋还田处理下显著低于麦秸旋耕还田,也低于麦秸翻耕还田处理。与对照相比,秸秆还田处理在第一年水稻季和第二年小麦季也显著增加了N2O排放;周年N20排放在麦秸沟埋还田处理下显著低于麦秸翻耕还田处理,但是显著高于麦秸旋耕还田和对照。因此,在稻麦轮作制度下,同常规秸秆旋耕和翻耕还田方式相比,麦秸沟埋还田可能是一种能够降低农田温室气体排放的还田方式。模拟试验结果表明,模拟麦秸沟埋还田处理下土壤CO2排放速率低于模拟旋耕和翻耕秸秆还田方式,说明了麦秸沟埋还田处理下秸秆腐解速率较小,因此释放的土壤活性碳速率较小,但是本研究发现,与模拟旋耕和翻耕还田方式相比,模拟沟埋还田处理下土壤中水溶性有机碳含量较高,说明了土壤微生物厌氧分解产生CH4的速率较慢,导致CH4排放较低。在淹水和非淹水条件下,模拟麦秸还田方式能通过增加土壤中铵态氮含量提高N20的排放。因此,麦秸还田方式主要是通过影响土壤中有机碳和氮的有效性,进而影响土壤CH4和N20的排放。3.温室气体排放强度和净增温潜势在稻麦轮作周期内,与麦秸不还田相比,麦秸还田处理能增加水稻和小麦的产量,但差异未达显著水平。周年稻麦产量在麦秸翻耕还田和麦秸沟埋还田处理下显著高于对照,并且分别比对照增加了 6.5%和7.1%。与麦秸不还田相比,麦秸还田处理下温室气体排放强度和净增温潜势均显著较高,主要是由于秸秆还田显著增加了稻季CH4排放,而稻季CH4排放是全球增温潜势主要来源。在三种麦秸还田方式处理中,温室气体排放强度在麦秸沟埋还田方式下低于麦秸旋耕还田和麦秸翻耕还田,且麦秸沟埋还田处理下净增温潜势显著低于麦秸旋耕还田和麦秸翻耕还田,且分别能减少13.41%和 17.07%。4.碳足迹在该稻麦轮作系统中,水稻季的农田土壤CH4排放占碳足迹总量比例最大,其次是化肥投入。在三种麦秸还田方式中,麦秸沟埋还田处理下碳足迹最低,并且分别比麦秸旋耕还田和麦秸翻耕还田处理减少了 5.94%和3.37%。在小麦季,化肥投入造成的碳足迹所占比例最大,其次是土壤N2O的排放。麦秸还田处理下单位作物产量的碳足迹明显高于对照,在三种麦秸还田方式中,相较于麦秸旋耕还田和麦秸翻耕还田处理,麦秸沟埋还田处理能分别减少9.43%和8.33%单位作物产量的碳足迹。因此,在该稻麦轮作区域,水稻季降低CH4排放和提高化肥利用效率是减少碳排放的重要途径,而在小麦季减少化肥的施用是减排重要途径。基于以上研究结果,麦秸还田能增加土壤有机碳和活性有机碳组分的含量,提高水稻和小麦的产量,但也引起了大量的CH4和N2O排放。在稻麦轮作系统中,降低水稻季CH4排放,提高氮肥利用效率是实现该区域节能减排的重要途径。在三种的麦秸还田方式中,相较于麦秸旋耕和翻耕还田方式,麦秸沟埋还田不仅能增加土壤固碳、提高作物产量,并且能降低温室气体排放强度和净增温潜势,因此是一种很有潜力的秸秆还田方式。