豆麥輪作區麥秸長期還田對作物產量及土壤化學性質的影響

王秋菊，姜 宇，周 鑫，米 剛，劉 鑫，李婧陽，劉 峰，中本和夫，黃丹萍

豆麥輪作區麥秸長期還田對作物產量及土壤化學性質的影響

王秋菊1,2，姜 宇3,4※，周 鑫3，米 剛3，劉 鑫1,2，李婧陽1,2，劉 峰1，中本和夫5，黃丹萍6

（1. 黑龍江省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所，哈爾濱 150086；2. 黑龍江省土壤環境與植物營養重點實驗室，哈爾濱 150086；3. 黑龍江省農業科學院黑河分院，黑河 164300；4. 國家農業科學土壤質量愛輝觀測實驗站，黑河 164300；5. 國際農林水產研究中心，日本筑波 3058686；6. 黑龍江省哈爾濱市政府，哈爾濱 150086）

麥稈還田對作物產量影響以及秸稈還田如何施肥是農業生產者極為關注的問題，為了明確豆麥輪作麥稈長期還田對作物產量及對土壤化學性質的影響，該文依托黑河市長期定位實驗站，采用裂區試驗方法，主處理為秸稈還田與不還田處理，副處理為低、中、高不同施肥水平，試驗于1980年開始，輪作模式先后為麥-豆-麥和麥-豆輪作模式，通過連續38 a（1980—2018年）調查，探明麥豆輪作條件下麥秸還田及不同施肥水平對作物產量影響。結果得出：麥秸還田后種植大豆、小麥，多年產量與不還田比差異不顯著（>0.05）；連續施肥效果，大豆中肥區比低肥區增產7.42%～10.81%，達到差異顯著水平，小麥高肥區比低肥區增產14.52%～19.33%，差異極顯著（<0.01）；麥秸還田大豆增產效果，還田前期（1～6 季）大豆平均產量比不還田增產5.91%，后期（7～16季）平均增產7.52%，麥秸還田小麥增產效果，還田前期（1～5季）和后期（6～16季）平均增產0.31%、0.22%，后期增產頻率高；麥稈隔年還田顯著增加速效鉀含量，施肥可以有效增加土壤碳、氮、磷含量，但長期高肥易導致土壤酸化。

土壤；秸稈；輪作；秸稈還田；大豆；小麥；施肥；產量；化學性質

0 引 言

秸稈還田是土壤培肥地力的主要途徑[1-3]。多年來，有關秸稈還田培肥地力的研究較多，麥稈還田也是培肥地力的主要物料之一，關于麥稈還田研究較多集中在玉-麥輪作區和水旱輪作區，郭靜等[4]研究認為在砂姜黑土上，玉-輪作過程中，麥秸深耕還田效果好，提高出苗率和玉米產量；朱敏[5]認為麥稈還田與不還田比作物出苗率降低，對土壤碳庫有提高作用。熊瑞恒等[6]、董明輝等[7-8]分別研究了稻-麥輪作區麥稈還田對后作水稻生長發育影響，認為麥秸還田導致水稻生育前期SPAD、分蘗降低、干物質累積量減少，但后期則表現SPAD、干物質累積速率和穎花分化數增加，并據此提出氮素調控技術。從對土壤養分影響來看，徐蔣來[9]通過3年6季田間定位試驗得出，在稻麥輪作區，麥稈還田可提高土壤全氮、全磷、全鉀；顧克軍等[10]通過2 a試驗也得出同樣結論。王春虎等[11]在玉米-小麥輪作過程中得出麥稈還田可以使土壤養分提高。不同地區氣候條件有差異，在稻-麥輪作區和玉-麥輪作區，種植結構一年兩季或兩年三季，秸稈還田對土壤養分的影響較為一致。在其他地區，麥秸還田對作物產量、土壤養分影響與之是否一致仍需探查。

黑龍江省地處中國高緯度地區，氣候條件極為特殊，冬季寒冷干燥，冰凍期5個月，最低氣溫一般-20 ℃左右，有些地區達到-40 ℃，夏季時間短，雨熱同季。種植作物一年一季，作物生長期5月至10月，適合水稻、玉米、大豆及小麥等作物生長。黑龍江省曾經是中國著名的春小麥產區，近20年來，受種植業結構調整的影響，小麥種植區域和面積不斷萎縮，由1997年的107.3萬hm2下降到2017年的11.3萬hm2 [12]，并集中分布在黑河、大興安嶺等冷涼區域，種植模式以麥-麥-豆、麥-豆輪作為主。有關麥稈還田對作物生長、及對土壤養分變化方面的研究較少。張振江[13]認為麥稈還田第1年有減產現象，之后逐漸增產；早期，崔喜安[14-15]等研究認為，與不施肥、秸稈不還田相比較，長期麥秸還田與化肥配合施用對于提高土壤有機質、氮素肥力水平、增加大豆產量有一定作用。但麥秸長期還田對后茬不同作物產量的影響以及對土壤地力變化仍缺乏系統調查與研究。在中國目前的生產條件下，秸稈還田已不是單純的技術問題，還田的效果不僅與溫度、降水等氣象要素相關[16-17]，還與秸稈的綜合利用能力、人工投入增加能力、生產力水平以及直接的增產效果密切相關。因此必須要根據當地的氣候條件、輪作制度、施肥管理水平等農業生產特點，明確秸稈還田效果，提出與之相適應的技術對策，才能達到趨利避害[18]。本文通過匯總分析黑河市長期定位試驗站麥-豆輪作條件下麥秸長期還田作物產量、土壤有機質、氮、磷、鉀等養分數據，研究麥秸還田下不同施肥水平對后茬小麥、大豆產量以及對土壤肥力因素的影響，明確麥秸還田的長期效果，以期為麥-豆輪作生產區提出相應的施肥管理對策，為生產實際提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于黑龍江省北部黑河市西郊黑龍江省農業科學院黑河分院長期定位實驗站（50°15'N，127°27''E），氣候類型為寒溫帶大陸性季風氣候[19]，年均氣溫為-2.0～1.0 ℃，有效積溫2 100～2 300 ℃，無霜期100～110 d，年平均降雨510 mm，5－9月為作物生育期，日照充足，降水集中。試驗期間氣象數據來源于黑河市氣象局，5－9月平均氣溫和降水如圖 1所示，降水量年際間波動大，干旱年不足300 mm，豐水年最多超過700 mm。

圖1 多年氣溫和降水量記錄

供試土壤：試驗地為高階臺地，土壤類型為草甸暗棕壤，土質粘重，排水不良。試驗地基礎地力較高：有機質質量分數40.20 g/kg、全氮質量分數2.23 g/kg、全磷質量分數1.66 g/kg、堿解氮質量分數55.90 mg/kg、速效磷質量分數8.10 mg/kg、速效鉀質量分數56.00 mg/kg、pH值6.12（1980年）。

1.2 試驗設計

試驗采用裂區設計，共設6個處理：主區設麥秸還田（S）區和不還田（CK）區2個處理，副區設計低肥區、中肥區和高肥區3個處理。其中麥秸還田區將收獲的麥稈搬出試驗區外，粉碎成<10 cm片段后，按3 000 kg/hm2均勻散布到試驗區地表；不還田區將麥秸稈全部搬出試驗區，之后用鏵式犁翻18～22 cm，耙地2次，達到地表平整。輪作區大豆秸稈不還田。主區面積為每區650 m2（含臨時步道），副區面積210 m2（10根壟，壟寬0.7 m，長30 m）。

小麥、大豆施肥量一致，每季低肥區施肥量為：N 37.5 kg/hm2、P2O537.5 kg/hm2，中肥區施肥量為低肥區2倍（N75.0 kg/hm2、P2O575.0 kg/hm2），高肥區施肥量為低肥區4倍（N 150.0 kg/hm2、P2O5150.0 kg/hm2）。肥料種類：氮肥品種為大慶產尿素（含N46%），磷肥品種為美國產磷酸二銨（含N18%，含P2O546%），上述肥料作為種肥一次性施入。

1.3 輪作方式及種植概要

種植制度：試驗于1979年秋處理，前茬小麥。1980年種植小麥，1980—2002年按麥-麥-豆三區輪作，2003—2018年為麥-豆兩區輪作。小麥品種：1980—1983年為克豐2號，1985開始改種為新克旱9，2000—2018年為克豐10號；大豆品種：1981—1996為黑河9號；1999年開始改為黑河38號，2002年開始改為黑河38號，2008—2018年為黑河43號。其中麥茬種植大豆為16 a，收獲測產15 a（1996年未測產）；豆茬種植小麥（豆-麥）為15 a。每年小麥播種時間為4月5日至4月10日之間，大豆播種時間為5月1日至5月10日之間。

1.4 作物產量與土壤養分調查

產量測產方法：作物成熟后，人工割去邊行后機械實收測產，每區實收面積170 m2，自然干燥后稱質量并折成單位面積產量。

土壤養分調查項目與方法：于每年秋季作物收獲前取土樣品，按照隨機多點取樣，混合后按照四分法留取500 g土壤混合樣品，風干后粉碎過1和2 mm篩，備用。土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮用凱氏定氮法測定；堿解氮用擴散吸收法測定；全磷用HF-硝酸混合消煮，鉬銻藍比色法測定；速效磷測定采用碳酸氫鈉提取、鉬銻藍比色法測定；全鉀用HF-硝酸混合消煮，原子吸收分光光度法測定；速效鉀用鹽酸浸提火焰光度法測定，土壤pH值采用PHS-3G型號測定儀測定[20]。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel軟件、DPS 6.85軟件、Graphpad prism7軟件整理分析試驗數據并作圖。按照裂區分析方法將主區處理和副區處理和兩個處理交互作用進行方差分析及LSD方差分析，值小于0.05水平表示處理間差異顯著，值小于0.01水平表示處理間差異極顯著。

2 結果與分析

2.1 麥秸還田對后作產量影響

大豆、小麥多年產量統計結果如表1所示，主處理麥秸還田后種植大豆比不還田對照平均增產5.27%；翌年種植小麥，產量基本與對照持平，處理間差異均不顯著。副處理不同施肥水平比較，大豆中肥區比低肥區平均增產9.07%，高肥區比低肥區增產7.28%，差異顯著；小麥中肥區比低肥區平均增產8.31%，高肥區比低肥區增產16.92%，差異極顯著。

表1 麥秸還田、施肥量對作物產量的影響

注：不同大小寫字母分別表示處理間在0.01、0.05水平上差異顯著，下同。

Note:Different upper andlower case letters means significant difference at 0.01, 0.05 level, the same as below.

麥稈還田和不還田條件下施肥對作物產量統計結果如表2所示。首先，小麥茬種植大豆，中肥區比低肥區大豆增產7.42%～10.81%，差異顯著；但高肥區與中肥區產量差異不顯著。其次，豆茬種植小麥，施肥量越高則增產幅度越大，高肥區比低肥區小麥增產14.52%～19.33%，達到極顯著水平。分析結果表明，麥秸還田與施肥交互作用不顯著，見表3。

表2 施肥對作物產量影響

表3 方差分析表

2.2 麥秸還田對后作大豆產量影響

圖2展示了不同施肥條件下麥秸還田區與不還田區大豆產量變化。由于試驗期間施肥量始終保持不變，栽培的作物品種也保持相對穩定，因此可以認為不同年份之間大豆產量變化是氣候條件變化所引起的。結合圖1看出，大豆單產低的1981、1984、1993、1999、2008、2012年均屬于典型的低溫或豐水年，由此看出大豆生育期間低溫和澇災是造成當地大豆單產不穩定的重要因素。

注：相對產量指秸稈還田與不還田作物產量比，下同。

按照前田乾一等提出的麥秸連續還田1～6季為氮素負效應，第6季以后為正效應的研究結論[21-22]，進一步將試驗劃分為前期（1～6季）和后期（7～16）兩個階段進行分別統計。統計結果表明，麥秸還田與不還田對照比麥秸還田前期大豆平均增產5.91%，其中低肥區增產4.40%，中肥區增產1.29%，高肥區增產12.21%；后期平均增產7.52%，低、中、高肥區分別增產7.33%、5.39%和9.93%。從增產年頻率看，前期增產年頻率為40%～80%，后期為70%～80%，后期高于前期。總之，麥秸還田后種大豆，大豆增產年頻率、增產率、均表現為后期高于前期。

2.3 麥秸還田對隔年小麥產量影響

麥秸還田與不還田對照比，麥秸還田前期（1～5季）平均增產0.31%，其中低肥區增產6.63%，中肥區減產16.56%，高肥區增產10.89%；后期（6～15季）平均增產0.22%，低、中、高肥區分別減產2.73%、增產0.49%和增產7.18%（圖3），由此看出，麥秸還田下適當增施化肥是保證小麥高產的必要條件。從增產年頻率看，前期增產年頻率平均43.33%，后期為53.33%，后期略高于前期。總之，增產年頻率、增產率、均表現為后期高于前期。試驗后期高肥區常出現倒伏，也是導致產量波動的重要因素。此外，結合圖1還可以看出，小麥單產低的1985、1988、1994、2000、2003、2005、2013年中，既有干旱年、也有豐水年，也有高溫年，由此看干旱、澇災和高溫都是影響該區域小麥生育產量的重要因素。

圖3 麥秸還田對小麥產量影響

2.4 麥秸還田對土壤化學性質影響

從表4看出，豆麥輪作條件下麥秸還田對土壤有機碳、氮、磷、pH影響不明顯，但是提高土壤速效鉀效果極顯著。施肥對土壤有機碳、全氮、全磷、土壤pH值有均一定影響，土壤有機碳和全氮，高肥區>中肥區>低肥區，中、高肥區與低肥區比差異極顯著；土壤全磷、有效磷，高肥區>中肥區>低肥區，處理間差異極顯著；土壤pH值，高肥區<中肥區<低肥區，處理間差異極顯著，長期施肥導致土壤pH值降低。

圖4反映了不同處理對土壤有機碳、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、速效鉀和pH值等化學性質影響。從圖看出，長期施氮磷肥對土壤有機碳、全量氮、磷，堿解氮、速效磷均有明顯影響，其含量并隨施肥量增加呈顯著增加（圖4），說明長期施化肥導致土壤養分積累；土壤pH值則隨施肥量增加而降低，而麥秸還田對上述土壤化學性質的影響不明顯，但對于提高土壤速效鉀含量有顯著影響。

表4 麥秸還田與施肥量對土壤化學性質影響

注：NP、2NP、4NP分別表示秸稈不還田條件下低肥、中肥和高肥處理，S+NP、S+2NP、S+4NP分別表示秸稈還田條件下低肥、中肥和高肥處理。

3 討 論

關于麥稈還田對后茬作物產量影響，不同研究者分歧很大，有研究認為麥秸還田可以增加土壤肥力[23-24]，提高后茬作物產量[25-27]，也有研究認為麥稈還田降低后作產量[28-29]。該文通過匯總近40年大豆和小麥產量數據，總體看長期麥秸還田對大豆、小麥產量影響不顯著。按照前田乾一[21-22]等提出的麥秸連續還田1～6季為氮素負效應，第6季以后為正效應的研究結論，進一步將試驗劃分為前期（1～6季）和后期（7～16）兩個階段進行分別統計，麥秸還田大豆的增產效果后期大于前期，且后期增產年頻率也有增加趨勢；小麥前期、后期產量均與對照持平，但增產年頻率增加。由此看出，長期堅持麥秸還田不僅有一定增產效果，對于增加穩產機制也具有重要意義。

不同作物增產結果，大豆優于小麥。高C/N麥秸施入土壤后導致土壤無機氮含量下降，造成作物苗期缺氮[30]，這也是增是小麥施氮肥增產的重要因素。大豆和小麥的生理特點不同，大豆的根瘤可直接利用空氣中的氮素，土壤速效氮被脅迫下反而能刺激大豆根瘤的生長，提高根瘤固氮效率[31-34]，此外，麥秸還田改善了土壤通氣性，也為大豆根瘤生長提供了良好的土壤環境[35]。反觀小麥，則屬于氮素敏感的作物，一旦氮素供應不足就會明顯減產。高肥區小麥之所以能獲得明顯的增產，主要是由于施肥提高了土壤供氮水平，緩解了麥秸還田導致的土壤無機氮缺乏。

本試驗自1980—2018年，歷經39 a，1979—2001年為麥-麥-豆3區輪作，3 a還田2次，年平均還田量為正常量的2/3；2002—2017年麥-豆輪作，2a還田1次，平均年還田量僅為正常量的1/2。由于秸稈還田量少，可能是造成本研究結果與以往研究認為的秸稈還田可以明顯提高土壤有機質、氮、磷、鉀的研究結果不一致的主要原因[9-11]。此外，前蘇聯學者科諾諾娃認為土壤有機質是指那些除去新鮮、分解不充分的動植物殘體部分的腐殖物質[36]，而有機物含量在某種意義上決定土壤氮磷鉀水平；筒木潔認為土壤中有機物質95%以上屬于非活體有機物，其中50%為腐殖質，30%為非腐殖質，還有20%為粗大有機物[37]。在化學分析實踐中，剔除土壤樣品中的粗大有機物、非腐殖質只能依靠經驗進行主觀判斷，這可能是不同研究者之間主要的數據差異來源。

據研究，麥秸中含氮為4～5.5 g/kg、含磷0.6～0.8 g/kg，含鉀量約為10～14 g/kg，麥秸還田后可以迅速釋放出30～42 kg/hm2有效鉀，這可能是麥秸還田區土壤有效鉀含量增加的重要原因[38-39]。此外，研究結果中增施化肥區土壤有機碳、氮、磷含量均有一定增加，可能與增加施肥促進了作物根系生長旺盛有關[40-41]。

4 結 論

在長期豆麥輪作條件下進行試驗，通過38 a連續試驗得出如下結論：

1）麥秸還田區大豆平均增產5.27%，小麥與對照持平，處理間差異均不顯著。麥秸還田前期大豆平均增產5.91%，后期增產7.52%，增產年頻率后期高于前期；小麥前期平均增產0.31%，后期平均增產0.22%，增產年頻率后期高于前期。

2）連續施用氮磷化肥，大豆中肥區比低肥區增產7.42%～10.81%，差異顯著，高肥區增產不顯著；小麥施肥量越高則增產幅度越大，高肥區比低肥區小麥增產14.52%～19.33%，差異極顯著。

3）豆麥輪作條件下麥秸隔年還田對土壤有機碳、氮、磷影響不明顯，但提高土壤速效鉀效果顯著；長期高量施肥有利于土壤有機碳、氮、磷積累同時，降低土壤pH值。

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Effects of long-term wheat straw returned to field on crop yield and soil chemical properties in soybean-wheat rotation areas

Wang Qiuju1,2, Jiang Yu3,4※, Zhou Xin3, Mi Gang3, Liu Xin1,2, Li Jingyang1,2, Liu Feng1, Zhongben Hefu5, Huang Danping6

(1.1500862.1500863.1643004.164300; 5.3058686,; 6.150086,)

Wheat straw returning is one of the main ways to improve soil fertility. Long-term straw returned to field combined with chemical fertilizer can maintain soil fertility. It should be combined with crop rotation system and fertilization management to maximize advantages and avoid disadvantages. The impact of straw returned to field on crop yield and how to fertilize when straw returning are the issues of great concern to agricultural producers. In order to clarify the effect of long-term straw returned to field in wheat-bean rotation on crop yield and soil nutrient, this paper conducted the experiments in the long-term positioning experimental station in Heihe district of Heilongjiang province, and adopted split-plot test method. The main treatment was straw returning to field and non-returning to field, secondary treatment was different fertilization for low, medium and high level. The experiment started in 1980 with wheat-soybean-wheat and wheat-soybean rotation models. The effects of wheat straw returning to field and different fertilization levels on crop yield under wheat-soybean rotation conditions were investigated for 38 consecutive years (1980-2018). The results showed that there was no significant difference in years of yield of wheat, soybean or wheat planted every other year after wheat straw returning. The medium-fertilizer was 7.42%-10.81% higher than that of low-fertilizer area on soybean with continuous fertilization, achieved significant difference level. The yield of wheat increased by 14.52%-19.33% in high-fertilizer area compared with low-fertilizer area. The effect of wheat straw returning on soybean yield was 5.91% higher than that of non-returning in the early stage (1-6 season) and 7.52% higher in the late stage (7-16 season). The yield of wheat increased by 0.31% and 0.22% in early stage (1-5 seasons) and late stage (6-16 seasons) compared with non-returning to field. Generally speaking, after wheat straw returning to the field, the frequency of crop yield reduction in the early stage is high, while the frequency of yield increase in the later stage is high. In Heihe area, the long-term application of wheat straw to field had no significant effect on soil organic matter, total nitrogen, alkali nitrogen, total phosphorus, available phosphorus and total potassium, while the content of available potassium increased significantly. Long-term fertilization had a significant impact on soil nutrients. High fertilizer level could significantly increase the contents of soil organic matter, total nitrogen, alkali nitrogen and total phosphorus. Long-term fertilization also reduces soil pH value, leading to acidification of soil.

soils; straw; rotation; wheat straw returning to the field; soybean; wheat; fertilization; yield; chemical properties

王秋菊，姜 宇，周 鑫，米 剛，劉 鑫，李婧陽，劉 峰，中本和夫，黃丹萍. 豆麥輪作區麥秸長期還田對作物產量及土壤化學性質的影響[J]. 農業工程學報，2019，35(24)：113－120.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.014 http://www.tcsae.org

Wang Qiuju, Jiang Yu, Zhou Xin, Mi Gang, Liu Xin, Li Jingyang, Liu Feng, Zhongben Hefu, Huang Danping. Effects of long-term wheat straw returned to field on crop yield and soil chemical properties in soybean-wheat rotation areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 113－120. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.014 http://www.tcsae.org

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.014

S-3

A

1002-6819(2019)-24-0113-08

2019-06-11

2019-11-28

黑龍江省重大項目（GA19B101）

王秋菊，博士，副研究員，從事土壤改良研究。Email：bqjwang@126.com

姜 宇，研究員，從事土壤改良與研究。Email：hhnks2008@163.com

中國農業工程學會會員：王秋菊（E041200848S）