豆麦轮作区麦秸长期还田对作物产量及土壤化学性质的影响

王秋菊，姜 宇，周 鑫，米 刚，刘 鑫，李婧阳，刘 峰，中本和夫，黄丹萍

豆麦轮作区麦秸长期还田对作物产量及土壤化学性质的影响

王秋菊1,2，姜 宇3,4※，周 鑫3，米 刚3，刘 鑫1,2，李婧阳1,2，刘 峰1，中本和夫5，黄丹萍6

（1. 黑龙江省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，哈尔滨 150086；2. 黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室，哈尔滨 150086；3. 黑龙江省农业科学院黑河分院，黑河 164300；4. 国家农业科学土壤质量爱辉观测实验站，黑河 164300；5. 国际农林水产研究中心，日本筑波 3058686；6. 黑龙江省哈尔滨市政府，哈尔滨 150086）

麦秆还田对作物产量影响以及秸秆还田如何施肥是农业生产者极为关注的问题，为了明确豆麦轮作麦秆长期还田对作物产量及对土壤化学性质的影响，该文依托黑河市长期定位实验站，采用裂区试验方法，主处理为秸秆还田与不还田处理，副处理为低、中、高不同施肥水平，试验于1980年开始，轮作模式先后为麦-豆-麦和麦-豆轮作模式，通过连续38 a（1980—2018年）调查，探明麦豆轮作条件下麦秸还田及不同施肥水平对作物产量影响。结果得出：麦秸还田后种植大豆、小麦，多年产量与不还田比差异不显著（>0.05）；连续施肥效果，大豆中肥区比低肥区增产7.42%～10.81%，达到差异显著水平，小麦高肥区比低肥区增产14.52%～19.33%，差异极显著（<0.01）；麦秸还田大豆增产效果，还田前期（1～6 季）大豆平均产量比不还田增产5.91%，后期（7～16季）平均增产7.52%，麦秸还田小麦增产效果，还田前期（1～5季）和后期（6～16季）平均增产0.31%、0.22%，后期增产频率高；麦秆隔年还田显著增加速效钾含量，施肥可以有效增加土壤碳、氮、磷含量，但长期高肥易导致土壤酸化。

土壤；秸秆；轮作；秸秆还田；大豆；小麦；施肥；产量；化学性质

0 引 言

秸秆还田是土壤培肥地力的主要途径[1-3]。多年来，有关秸秆还田培肥地力的研究较多，麦秆还田也是培肥地力的主要物料之一，关于麦秆还田研究较多集中在玉-麦轮作区和水旱轮作区，郭静等[4]研究认为在砂姜黑土上，玉-轮作过程中，麦秸深耕还田效果好，提高出苗率和玉米产量；朱敏[5]认为麦秆还田与不还田比作物出苗率降低，对土壤碳库有提高作用。熊瑞恒等[6]、董明辉等[7-8]分别研究了稻-麦轮作区麦秆还田对后作水稻生长发育影响，认为麦秸还田导致水稻生育前期SPAD、分蘖降低、干物质累积量减少，但后期则表现SPAD、干物质累积速率和颖花分化数增加，并据此提出氮素调控技术。从对土壤养分影响来看，徐蒋来[9]通过3年6季田间定位试验得出，在稻麦轮作区，麦秆还田可提高土壤全氮、全磷、全钾；顾克军等[10]通过2 a试验也得出同样结论。王春虎等[11]在玉米-小麦轮作过程中得出麦秆还田可以使土壤养分提高。不同地区气候条件有差异，在稻-麦轮作区和玉-麦轮作区，种植结构一年两季或两年三季，秸秆还田对土壤养分的影响较为一致。在其他地区，麦秸还田对作物产量、土壤养分影响与之是否一致仍需探查。

黑龙江省地处中国高纬度地区，气候条件极为特殊，冬季寒冷干燥，冰冻期5个月，最低气温一般-20 ℃左右，有些地区达到-40 ℃，夏季时间短，雨热同季。种植作物一年一季，作物生长期5月至10月，适合水稻、玉米、大豆及小麦等作物生长。黑龙江省曾经是中国著名的春小麦产区，近20年来，受种植业结构调整的影响，小麦种植区域和面积不断萎缩，由1997年的107.3万hm2下降到2017年的11.3万hm2 [12]，并集中分布在黑河、大兴安岭等冷凉区域，种植模式以麦-麦-豆、麦-豆轮作为主。有关麦秆还田对作物生长、及对土壤养分变化方面的研究较少。张振江[13]认为麦秆还田第1年有减产现象，之后逐渐增产；早期，崔喜安[14-15]等研究认为，与不施肥、秸秆不还田相比较，长期麦秸还田与化肥配合施用对于提高土壤有机质、氮素肥力水平、增加大豆产量有一定作用。但麦秸长期还田对后茬不同作物产量的影响以及对土壤地力变化仍缺乏系统调查与研究。在中国目前的生产条件下，秸秆还田已不是单纯的技术问题，还田的效果不仅与温度、降水等气象要素相关[16-17]，还与秸秆的综合利用能力、人工投入增加能力、生产力水平以及直接的增产效果密切相关。因此必须要根据当地的气候条件、轮作制度、施肥管理水平等农业生产特点，明确秸秆还田效果，提出与之相适应的技术对策，才能达到趋利避害[18]。本文通过汇总分析黑河市长期定位试验站麦-豆轮作条件下麦秸长期还田作物产量、土壤有机质、氮、磷、钾等养分数据，研究麦秸还田下不同施肥水平对后茬小麦、大豆产量以及对土壤肥力因素的影响，明确麦秸还田的长期效果，以期为麦-豆轮作生产区提出相应的施肥管理对策，为生产实际提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黑龙江省北部黑河市西郊黑龙江省农业科学院黑河分院长期定位实验站（50°15'N，127°27''E），气候类型为寒温带大陆性季风气候[19]，年均气温为-2.0～1.0 ℃，有效积温2 100～2 300 ℃，无霜期100～110 d，年平均降雨510 mm，5－9月为作物生育期，日照充足，降水集中。试验期间气象数据来源于黑河市气象局，5－9月平均气温和降水如图 1所示，降水量年际间波动大，干旱年不足300 mm，丰水年最多超过700 mm。

图1 多年气温和降水量记录

供试土壤：试验地为高阶台地，土壤类型为草甸暗棕壤，土质粘重，排水不良。试验地基础地力较高：有机质质量分数40.20 g/kg、全氮质量分数2.23 g/kg、全磷质量分数1.66 g/kg、碱解氮质量分数55.90 mg/kg、速效磷质量分数8.10 mg/kg、速效钾质量分数56.00 mg/kg、pH值6.12（1980年）。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，共设6个处理：主区设麦秸还田（S）区和不还田（CK）区2个处理，副区设计低肥区、中肥区和高肥区3个处理。其中麦秸还田区将收获的麦秆搬出试验区外，粉碎成<10 cm片段后，按3 000 kg/hm2均匀散布到试验区地表；不还田区将麦秸秆全部搬出试验区，之后用铧式犁翻18～22 cm，耙地2次，达到地表平整。轮作区大豆秸秆不还田。主区面积为每区650 m2（含临时步道），副区面积210 m2（10根垄，垄宽0.7 m，长30 m）。

小麦、大豆施肥量一致，每季低肥区施肥量为：N 37.5 kg/hm2、P2O537.5 kg/hm2，中肥区施肥量为低肥区2倍（N75.0 kg/hm2、P2O575.0 kg/hm2），高肥区施肥量为低肥区4倍（N 150.0 kg/hm2、P2O5150.0 kg/hm2）。肥料种类：氮肥品种为大庆产尿素（含N46%），磷肥品种为美国产磷酸二铵（含N18%，含P2O546%），上述肥料作为种肥一次性施入。

1.3 轮作方式及种植概要

种植制度：试验于1979年秋处理，前茬小麦。1980年种植小麦，1980—2002年按麦-麦-豆三区轮作，2003—2018年为麦-豆两区轮作。小麦品种：1980—1983年为克丰2号，1985开始改种为新克旱9，2000—2018年为克丰10号；大豆品种：1981—1996为黑河9号；1999年开始改为黑河38号，2002年开始改为黑河38号，2008—2018年为黑河43号。其中麦茬种植大豆为16 a，收获测产15 a（1996年未测产）；豆茬种植小麦（豆-麦）为15 a。每年小麦播种时间为4月5日至4月10日之间，大豆播种时间为5月1日至5月10日之间。

1.4 作物产量与土壤养分调查

产量测产方法：作物成熟后，人工割去边行后机械实收测产，每区实收面积170 m2，自然干燥后称质量并折成单位面积产量。

土壤养分调查项目与方法：于每年秋季作物收获前取土样品，按照随机多点取样，混合后按照四分法留取500 g土壤混合样品，风干后粉碎过1和2 mm筛，备用。土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定，全氮用凯氏定氮法测定；碱解氮用扩散吸收法测定；全磷用HF-硝酸混合消煮，钼锑蓝比色法测定；速效磷测定采用碳酸氢钠提取、钼锑蓝比色法测定；全钾用HF-硝酸混合消煮，原子吸收分光光度法测定；速效钾用盐酸浸提火焰光度法测定，土壤pH值采用PHS-3G型号测定仪测定[20]。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel软件、DPS 6.85软件、Graphpad prism7软件整理分析试验数据并作图。按照裂区分析方法将主区处理和副区处理和两个处理交互作用进行方差分析及LSD方差分析，值小于0.05水平表示处理间差异显著，值小于0.01水平表示处理间差异极显著。

2 结果与分析

2.1 麦秸还田对后作产量影响

大豆、小麦多年产量统计结果如表1所示，主处理麦秸还田后种植大豆比不还田对照平均增产5.27%；翌年种植小麦，产量基本与对照持平，处理间差异均不显著。副处理不同施肥水平比较，大豆中肥区比低肥区平均增产9.07%，高肥区比低肥区增产7.28%，差异显著；小麦中肥区比低肥区平均增产8.31%，高肥区比低肥区增产16.92%，差异极显著。

表1 麦秸还田、施肥量对作物产量的影响

注：不同大小写字母分别表示处理间在0.01、0.05水平上差异显著，下同。

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

麦秆还田和不还田条件下施肥对作物产量统计结果如表2所示。首先，小麦茬种植大豆，中肥区比低肥区大豆增产7.42%～10.81%，差异显著；但高肥区与中肥区产量差异不显著。其次，豆茬种植小麦，施肥量越高则增产幅度越大，高肥区比低肥区小麦增产14.52%～19.33%，达到极显著水平。分析结果表明，麦秸还田与施肥交互作用不显著，见表3。

表2 施肥对作物产量影响

表3 方差分析表

2.2 麦秸还田对后作大豆产量影响

图2展示了不同施肥条件下麦秸还田区与不还田区大豆产量变化。由于试验期间施肥量始终保持不变，栽培的作物品种也保持相对稳定，因此可以认为不同年份之间大豆产量变化是气候条件变化所引起的。结合图1看出，大豆单产低的1981、1984、1993、1999、2008、2012年均属于典型的低温或丰水年，由此看出大豆生育期间低温和涝灾是造成当地大豆单产不稳定的重要因素。

注：相对产量指秸秆还田与不还田作物产量比，下同。

按照前田乾一等提出的麦秸连续还田1～6季为氮素负效应，第6季以后为正效应的研究结论[21-22]，进一步将试验划分为前期（1～6季）和后期（7～16）两个阶段进行分别统计。统计结果表明，麦秸还田与不还田对照比麦秸还田前期大豆平均增产5.91%，其中低肥区增产4.40%，中肥区增产1.29%，高肥区增产12.21%；后期平均增产7.52%，低、中、高肥区分别增产7.33%、5.39%和9.93%。从增产年频率看，前期增产年频率为40%～80%，后期为70%～80%，后期高于前期。总之，麦秸还田后种大豆，大豆增产年频率、增产率、均表现为后期高于前期。

2.3 麦秸还田对隔年小麦产量影响

麦秸还田与不还田对照比，麦秸还田前期（1～5季）平均增产0.31%，其中低肥区增产6.63%，中肥区减产16.56%，高肥区增产10.89%；后期（6～15季）平均增产0.22%，低、中、高肥区分别减产2.73%、增产0.49%和增产7.18%（图3），由此看出，麦秸还田下适当增施化肥是保证小麦高产的必要条件。从增产年频率看，前期增产年频率平均43.33%，后期为53.33%，后期略高于前期。总之，增产年频率、增产率、均表现为后期高于前期。试验后期高肥区常出现倒伏，也是导致产量波动的重要因素。此外，结合图1还可以看出，小麦单产低的1985、1988、1994、2000、2003、2005、2013年中，既有干旱年、也有丰水年，也有高温年，由此看干旱、涝灾和高温都是影响该区域小麦生育产量的重要因素。

图3 麦秸还田对小麦产量影响

2.4 麦秸还田对土壤化学性质影响

从表4看出，豆麦轮作条件下麦秸还田对土壤有机碳、氮、磷、pH影响不明显，但是提高土壤速效钾效果极显著。施肥对土壤有机碳、全氮、全磷、土壤pH值有均一定影响，土壤有机碳和全氮，高肥区>中肥区>低肥区，中、高肥区与低肥区比差异极显著；土壤全磷、有效磷，高肥区>中肥区>低肥区，处理间差异极显著；土壤pH值，高肥区<中肥区<低肥区，处理间差异极显著，长期施肥导致土壤pH值降低。

图4反映了不同处理对土壤有机碳、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、速效钾和pH值等化学性质影响。从图看出，长期施氮磷肥对土壤有机碳、全量氮、磷，碱解氮、速效磷均有明显影响，其含量并随施肥量增加呈显著增加（图4），说明长期施化肥导致土壤养分积累；土壤pH值则随施肥量增加而降低，而麦秸还田对上述土壤化学性质的影响不明显，但对于提高土壤速效钾含量有显著影响。

表4 麦秸还田与施肥量对土壤化学性质影响

注：NP、2NP、4NP分别表示秸秆不还田条件下低肥、中肥和高肥处理，S+NP、S+2NP、S+4NP分别表示秸秆还田条件下低肥、中肥和高肥处理。

3 讨 论

关于麦秆还田对后茬作物产量影响，不同研究者分歧很大，有研究认为麦秸还田可以增加土壤肥力[23-24]，提高后茬作物产量[25-27]，也有研究认为麦秆还田降低后作产量[28-29]。该文通过汇总近40年大豆和小麦产量数据，总体看长期麦秸还田对大豆、小麦产量影响不显著。按照前田乾一[21-22]等提出的麦秸连续还田1～6季为氮素负效应，第6季以后为正效应的研究结论，进一步将试验划分为前期（1～6季）和后期（7～16）两个阶段进行分别统计，麦秸还田大豆的增产效果后期大于前期，且后期增产年频率也有增加趋势；小麦前期、后期产量均与对照持平，但增产年频率增加。由此看出，长期坚持麦秸还田不仅有一定增产效果，对于增加稳产机制也具有重要意义。

不同作物增产结果，大豆优于小麦。高C/N麦秸施入土壤后导致土壤无机氮含量下降，造成作物苗期缺氮[30]，这也是增是小麦施氮肥增产的重要因素。大豆和小麦的生理特点不同，大豆的根瘤可直接利用空气中的氮素，土壤速效氮被胁迫下反而能刺激大豆根瘤的生长，提高根瘤固氮效率[31-34]，此外，麦秸还田改善了土壤通气性，也为大豆根瘤生长提供了良好的土壤环境[35]。反观小麦，则属于氮素敏感的作物，一旦氮素供应不足就会明显减产。高肥区小麦之所以能获得明显的增产，主要是由于施肥提高了土壤供氮水平，缓解了麦秸还田导致的土壤无机氮缺乏。

本试验自1980—2018年，历经39 a，1979—2001年为麦-麦-豆3区轮作，3 a还田2次，年平均还田量为正常量的2/3；2002—2017年麦-豆轮作，2a还田1次，平均年还田量仅为正常量的1/2。由于秸秆还田量少，可能是造成本研究结果与以往研究认为的秸秆还田可以明显提高土壤有机质、氮、磷、钾的研究结果不一致的主要原因[9-11]。此外，前苏联学者科诺诺娃认为土壤有机质是指那些除去新鲜、分解不充分的动植物残体部分的腐殖物质[36]，而有机物含量在某种意义上决定土壤氮磷钾水平；筒木洁认为土壤中有机物质95%以上属于非活体有机物，其中50%为腐殖质，30%为非腐殖质，还有20%为粗大有机物[37]。在化学分析实践中，剔除土壤样品中的粗大有机物、非腐殖质只能依靠经验进行主观判断，这可能是不同研究者之间主要的数据差异来源。

据研究，麦秸中含氮为4～5.5 g/kg、含磷0.6～0.8 g/kg，含钾量约为10～14 g/kg，麦秸还田后可以迅速释放出30～42 kg/hm2有效钾，这可能是麦秸还田区土壤有效钾含量增加的重要原因[38-39]。此外，研究结果中增施化肥区土壤有机碳、氮、磷含量均有一定增加，可能与增加施肥促进了作物根系生长旺盛有关[40-41]。

4 结 论

在长期豆麦轮作条件下进行试验，通过38 a连续试验得出如下结论：

1）麦秸还田区大豆平均增产5.27%，小麦与对照持平，处理间差异均不显著。麦秸还田前期大豆平均增产5.91%，后期增产7.52%，增产年频率后期高于前期；小麦前期平均增产0.31%，后期平均增产0.22%，增产年频率后期高于前期。

2）连续施用氮磷化肥，大豆中肥区比低肥区增产7.42%～10.81%，差异显著，高肥区增产不显著；小麦施肥量越高则增产幅度越大，高肥区比低肥区小麦增产14.52%～19.33%，差异极显著。

3）豆麦轮作条件下麦秸隔年还田对土壤有机碳、氮、磷影响不明显，但提高土壤速效钾效果显著；长期高量施肥有利于土壤有机碳、氮、磷积累同时，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 刚，刘 鑫，李婧阳，刘 峰，中本和夫，黄丹萍. 豆麦轮作区麦秸长期还田对作物产量及土壤化学性质的影响[J]. 农业工程学报，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

黑龙江省重大项目（GA19B101）

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

姜 宇，研究员，从事土壤改良与研究。Email：hhnks2008@163.com

中国农业工程学会会员：王秋菊（E041200848S）