稻麦两熟制下秸秆还田模式的产量和经济效益分析

张 刚 张世洁 王德建 俞元春

（1中国科学院南京土壤研究所，210008，江苏南京；2南京林业大学生物与环境学院，210037，江苏南京；3中国科学院常熟农业生态实验站，215555，江苏常熟）

秸秆还田是全球有机农业的重要组成部分，许多发达国家已将秸秆还田作为一种基本耕作制度。如英国每年秸秆还田量约占其秸秆总产量的73%，加拿大为67%，美国为68%，并已取得了良好的经济效益和社会效益[1]。近年来，随着农机的发展和作业水平的提高，我国秸秆还田面积迅速增长，到2016年，我国秸秆机械化直接还田面积已达4.80×107hm2[2]，江苏省2019年稻秸麦秸秆机械化还田面积达到2.86×106hm2[3]，部分地区已达100%[4]。秸秆还田可增加土壤有机碳[5]，改善土壤结构[6]，培肥土壤[7]，从而提高作物产量与品质[8-11]，陈新红等[9]研究表明，麦秸还田量为9.0t/hm2时水稻增产6.5%～11.7%，水稻垩白粒率和垩白度分别降低7.50和1.63个百分点，水稻籽粒蛋白质含量和胶稠度增加；但也有研究认为，秸秆还田影响水稻和小麦的出苗率和存活率[12-15]，病虫草害发生的风险增加[16-18]，在一定程度上抵消了秸秆还田的增产效果，甚至造成水稻和小麦减产。朱利群等[19]研究表明，连续2年秸秆还田导致水稻减产约7.68%，刘世平等[20]研究表明，免耕稻秸覆盖还田较翻耕秸秆不还田小麦减产约7.27%。总体来讲，秸秆还田对水稻和小麦的产量效应还不够明确，缺少秸秆还田对稻麦两熟农田周年产量效应的定量评价。

因此，本研究通过对江苏省常熟市的长期秸秆还田田间定位试验的分析，并结合不同秸秆还田模式的生产成本，评价太湖地区稻麦两熟农田在不同秸秆还田模式下的产量效应和经济效益，以期为增加当地农民收益和制定秸秆还田措施提供技术支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于江苏常熟农田生态系统国家野外科学观测研究站（123°38' E，31°33' N），该地属于亚热带北部湿润季风气候区，年均气温15.5℃，最高气温39.1℃，年降水量1 038mm。站区地形属阳澄湖低洼平原，海拔3.12m，地下水深80cm左右。供试土壤类型为乌栅土（普通简育水耕人为土），潜在肥力较高，0～15cm耕层土壤含有机质39.3g/kg、总氮2.30g/kg、速效磷26.7mg/kg、速效钾156.2mg/kg，pH值为7.19。种植制度为稻麦一年两熟，农田灌排方便，稻季采用间歇灌溉方式，麦季一般不需灌溉。

1.2 试验设计

试验始于2012年6月稻季，终于2018年麦季。设置4种秸秆还田模式：秸秆不还田（S0）、稻季麦秸还田（WS）、麦季稻秸还田（RS）和稻麦秸两季均还田（WRS），每个处理3次重复，共计12个试验小区、随机区组排列。小区面积43.7m2，小区之间以土埂分隔，田埂均用塑料薄膜包覆，以减少灌溉水的串流和侧渗。水稻品种为南粳46号，小麦品种为扬麦16号。

当地稻麦轮作农田的麦秸和稻秸的平均产量分别为3.90～5.80和9.33～12.40t/hm2[21]。因此，本试验中麦秸与稻秸还田量分别设为5.5和10.0t/hm2，稻秸和麦秸两季还田量为15.5t/hm2，不同还田模式的具体还田量见表1。稻秸和麦秸在作物收获时同步切碎，分别于小麦播种和水稻移栽前旋耕还田，还田深度约12cm，不还田处理的秸秆在作物收获后及时清运出农田。

表1 不同秸秆还田模式的秸秆还田量Table 1 Amount of straw incorporation under different modes in rice-wheat rotation system t/hm2

不同秸秆还田模式下稻田的化肥施用量均为当地推荐施肥量[22]，稻季施肥量为240kg N/hm2、15kg P/hm2、60kg K/hm2，麦季施肥量为200kg N/hm2、30kg P/hm2、30kg K/hm2（化肥施用量均以N、P、K元素态计量）。稻季和麦季的化肥运筹一致，氮肥（尿素）为基肥40%、分蘖肥20%、穗肥40%；钾肥（氯化钾）为基肥50%、穗肥50%；磷肥（过磷酸钙）作为基肥一次性施入。不同秸秆还田模式的田间管理措施一致。

1.3 产量测定

水稻和小麦成熟后，于每个试验小区内随机选取3个1m2的样方进行测产。水稻（粳稻）和小麦（硬质红小麦）籽粒产量分别按含水量14.5%[23]和12.5%[24]计算。

1.4 评价指标的计算方法

为明确还田秸秆对水稻和小麦产量的贡献度，参照氮肥利用率的计算方法，将秸秆作为一种外源添加剂整体考虑，计算还田秸秆的增产率、边际产量和农学利用率，以及作物氮肥利用率变化值和秸秆还田模式的产量收益[8，25]。

秸秆增产率=[（秸秆还田处理单位面积籽粒产量-秸秆不还田处理单位面积籽粒产量）/秸秆不还田处理单位面积籽粒产量]×100%；秸秆农学利用率（kg/kg）=（秸秆还田处理单位面积籽粒产量-秸秆不还田处理单位面积籽粒产量）/单位面积秸秆还田量；秸秆边际产量（kg/kg）=单位面积籽粒增产量/单位面积秸秆还田量的增量；氮肥农学利用率变化值（kg/kg）=（秸秆还田处理单位面积籽粒产量-秸秆不还田处理单位面积籽粒产量）/单位面积氮肥施用量；净收益（元/hm2）=单位面积籽粒产量×粮食价格-单位面积生产成本+单位面积种粮补贴；新增纯收益率=[（秸秆还田处理单位面积净收益-秸秆不还田处理单位面积净收益）/秸秆不还田处理单位面积净收益]×100%。

1.5 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2019整理数据，用Origin 2020作图；用SPSS 18.0单因素ANOVA分析不同处理间产量、秸秆增产率、秸秆边际产量、秸秆农学利用率、氮肥利用率和净收益等指标的差异，采用LSD测验比较，显著性水平设定为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田模式对水稻和小麦产量的影响

如图1所示，不同秸秆还田模式的水稻产量均高于不还田模式。在还田初期（2012-2014年），WS和WRS模式对水稻的增产效果均优于RS模式，从第4年开始RS模式对水稻的增产效果优于WS模式，接近WRS模式。6季水稻的平均产量表明，3种秸秆还田模式均显著增加水稻产量，WS、RS和WRS模式较S0模式分别增产9.77%、26.2%和21.9%。

图1 秸秆还田模式对小麦、水稻及周年产量的影响（2012-2018）Fig.1 Effects of straw incorporation modes on yields of wheat, rice and annual yield (2012-2018)

在还田初期（2013-2014年），WS、RS和WRS模式下小麦产量均低于S0模式，秸秆还田下小麦减产。在秸秆还田的第3年至第4年，不同模式间产量差异不显著，第5年（2017年）开始秸秆还田模式下的小麦产量高于不还田模式，秸秆还田对小麦表现出增产效果。6季小麦的平均产量表明，不同处理间小麦产量没有显著差异。与不还田模式相比，RS模式减产6.60%，WS和WRS模式产量变幅分别为–0.58%和0.97%，表明稻秸当季还田模式（RS）对小麦产量的负效应大于麦秸上季还田模式（WS），并且这种减产效应随还田年限的增加逐渐减弱。本试验中2016年小麦产量较其他年度大幅度减产，原因是2015年太湖地区在小麦播种期间连续下雨导致小麦播种延期，发芽率大幅降低，从而造成大幅度减产。

不同秸秆还田模式下作物的周年产量变化规律与水稻产量变化规律基本一致。6年均值表明，秸秆还田均显著增加稻田的周年产量，WS、RS和WRS模式分别较不还田模式增产5.65%、13.2%和13.6%，其中RS和WRS模式显著高于WS模式。

2.2 不同秸秆还田模式的秸秆利用率分析

以6个稻麦复种周期的平均产量为标准，计算不同还田模式下秸秆对水稻和小麦产量的贡献率。秸秆增产率、秸秆边际产量和秸秆农学利用率结果见表2。

表2 秸秆还田模式对秸秆利用率的影响（2012-2018）Table 2 Effects of straw incorporation modes on straw use efficiency (2012-2018)

不同还田模式下秸秆对作物产量的增产率差异显著。对水稻产量而言，秸秆还田均增加水稻籽粒产量，其中RS和WRS模式下水稻增产率显著高于WS模式，分别增加16.5和12.1个百分点；对小麦产量而言，不同模式下的秸秆增产率表现为RS≤WS＜S0＜WRS，表明稻秸还田和麦秸还田模式均造成小麦减产，稻秸还田模式下小麦减产率最大。不同还田模式下的秸秆周年增产率表现为WRS≥RS＞WS，其中WRS和RS模式间没有显著差异，较WS模式分别增加7.90和7.55个百分点。

秸秆边际产量指增加单位秸秆还田量时作物增加的籽粒产量。对水稻而言，WS和RS模式的边际产量为正值，且RS模式下秸秆边际产量较高，表明麦秸还田和稻秸还田均能增加水稻产量，以稻秸还田的增产效果较好；WRS模式下边际产量为负值，表示相对于RS模式，稻秸麦秸均还田时水稻开始减产。秸秆边际产量表现为RS＜WS＜S0＜WRS，表明稻秸还田和麦秸还田模式均造成小麦减产，其中稻秸还田模式下小麦减产幅度最大。秸秆周年边际产量均为正值，表示不同秸秆还田模式均增加作物的周年产量，其中RS模式的秸秆边际产量最高。

不同还田模式下的秸秆农学利用率不尽相同。对水稻而言，秸秆农学利用率为0.11～0.21kg/kg，表现为RS≥WS≥WRS＞S0；对小麦而言，RS和WS模式下秸秆农学利用率均为负值，表示2种还田模式均会造成小麦产量降低。不同还田模式下秸秆的周年农学利用率为0.11～0.17kg/kg，其中RS模式最高，较WS和WRS模式分别增加0.04和0.06kg/kg。

2.3 秸秆还田模式对氮肥农学利用率的影响

本试验中不同秸秆还田模式下的氮肥施用量一致，每年施氮量为440kg N/hm2，水稻和小麦的氮肥农学利用率均以年度施氮量为基准进行计算。

如表3所示，对水稻而言，不同还田模式下氮肥农学利用率变化值均为正值，说明秸秆还田促进了水稻对氮肥的利用。秸秆还田模式下的水稻氮肥农学效率较不还田模式提高1.75～4.69kg/kg，平均提高3.45kg/kg，RS和WRS模式间均无显著差异，但均显著高于WS模式，分别提高2.94和2.16kg/kg；对小麦而言，RS和WS模式下氮肥农学利用率降低，分别降低了0.78和0.08kg/kg。秸秆还田下氮肥的周年农学利用率与稻季的氮肥农学利用率变化趋势基本一致，秸秆还田下氮肥周年农学利用率较不还田模式提高1.67～4.01kg/kg，RS和WRS模式间均无显著差异，但均显著高于WS模式，分别提高2.23和2.34kg/kg。综上，稻秸还田虽然降低了当季小麦对氮肥的利用率，但可有效增加下季水稻对氮肥的利用率，秸秆还田主要通过增强水稻对氮肥的吸收利用，提高氮肥的周年农学利用率。

表3 秸秆还田模式对氮肥农学利用率的影响（2012-2018）Table 3 Effects of straw incorporation modes on agronomic nitrogen use efficiency (2012-2018) kg/kg

2.4 秸秆还田的收益分析

水稻和小麦生产的经济效益是指水稻和小麦收获出售后，除去粮食生产总成本之后获得的收益。粮食生产总成本主要包含生产成本和土地成本[26]。本试验生产成本参考张耀春等[27]关于江苏省水稻和小麦生产成本的调查分析，稻季和麦季秸秆机械化还田模式的生产成本分别为13 890和8 160元/hm2。水稻和小麦的种粮补贴分别为1 587和1 164元/hm2[26]。相较于不还田模式，WS和RS的生产成本增幅均以540元/hm2计[28]。水稻（粳稻）价格按照3.00元/kg，小麦价格按照2.24元/kg[27]，试验用地土地成本按0.00元/hm2计。采用6年水稻和小麦产量的平均值进行统计分析，得到在自有土地上实施不同还田模式下的水稻和小麦生产的净收益和新增纯收益率（表4）。

表4 不同秸秆还田模式下水稻小麦生产效益分析（2012-2018）Table 4 Benefit analysis of rice and wheat production under different straw incorporation modes (2012-2018)

由表4可知，秸秆还田显著增加了水稻生产净收益，秸秆还田模式较不还田模式净效益平均增加4 189元/hm2，其中RS和WRS模式的净效益均显著高于WS模式，以RS模式的净收益最高，新增纯收益率达47.8%。对小麦而言，不同秸秆还田模式间小麦净收益没有显著差异，但秸秆还田模式均在一定程度上降低了小麦的收益，秸秆还田下小麦的新增纯收益率均为负值，说明秸秆还田降低了小麦生产的净效益。从稻麦复种周期来看，周年净收益以水稻净收益为主，水稻生产净收益占周年净收益的69.9%～80.2%，WS、RS和WRS模式较不还田模式周年净收益分别增加1 690、4 875和4 177元/hm2，新增纯收益率分别为10.0%、28.8%和24.7%。WRS和RS模式的周年净收益最高，且显著高于WS和S0模式。WRS和RS模式的周年生产净效益较WS模式分别增加2 487和3 185元/hm2，新增纯收益率分别增加14.7%和18.8%。综上，稻秸还田和稻麦秸均还田的经济效益较好，麦秸还田次之。

3 讨论

秸秆还田是合理利用作物秸秆和促进农业可持续发展的一种有效耕作方式，秸秆还田配施氮肥可促进土壤有机质积累，改良土壤结构，改善作物的生育环境[10]。对于水稻而言，秸秆还田配施氮肥能有效增加水稻产量，裴鹏刚等[12]研究表明，秸秆还田配施氮肥下水稻产量较单施化肥处理产量显著增加9.59%～23.00%。本研究中秸秆还田配施氮肥对水稻产量的影响也取得了相似的结论。与秸秆不还田相比，麦秸还田、稻秸还田和稻秸麦秸均还田均对水稻表现出了增产作用，增幅分别为9.8%、26.2%和21.9%，稻秸还田和稻秸麦秸均还田模式的增产效果显著，这主要是因为秸秆还田配施氮肥可有效增加水稻单位面积的有效穗数和穗粒数[9，12]。对于小麦而言，秸秆还田对小麦的产量效应不一[11，20，29-30]，本研究中在秸秆还田初期（2013-2014年），不同还田模式小麦产量均降低，长期秸秆还田后（从2017年开始），小麦产量均增加。秸秆还田对小麦产量的效应随还田年限呈“减产-稳产-增产”的趋势，本试验中自第5年始，秸秆还田对小麦表现出增产效果。总体来看，秸秆还田能较快地有效增加水稻产量，但小麦需要多年连续秸秆还田才能表现出增产效果，这与孙小祥等[31]在太湖地区的秸秆还田试验的结论基本一致。

关于还田秸秆的利用率问题，本研究参考氮肥利用率的计算思路，统计分析了不同还田模式下的秸秆增产率、秸秆边际产量和秸秆农学利用率。本试验中秸秆还田对水稻的增产率和农学利用率分别为9.77%～26.20%和0.11～0.21kg/kg，而还田秸秆对小麦增产率和农学利用率除稻麦秸均还田处理（0.88%、0.003kg/kg）外均为负值，同样表明，秸秆还田对水稻具有增产作用，但对小麦有不同程度的减产效应。秸秆还田增加水稻产量的原因是，秸秆还田可增加水稻的有效分蘖数，增强叶片中硝酸还原酶活性，可维持水稻抽穗期后剑叶的高效光合作用，增加光合同化物和氮素的积累，从而提高水稻产量[12]。本研究中稻秸还田模式的产量高于麦秸还田模式，是因为稻秸腐解主要发生在麦季[32]，其秸秆腐解产物对水稻根系的毒害作用小于麦秸还田模式，有利于水稻分蘖发生。秸秆还田造成小麦减产的原因是，秸秆还田导致农田土壤孔隙度增大影响小麦的出苗和立苗，导致小麦苗体较弱[33]；同时秸秆腐解释放的化感物质抑制小麦发苗和分蘖[34]。从稻麦复种周期来看，本试验中不同还田模式的秸秆增产率和秸秆农学利用率均为正值，是因为秸秆还田虽然降低了小麦产量，但对水稻的增产效果更加显著。因此，不同秸秆还田模式均能增加水稻和小麦的周年产量。本试验中稻麦秸均还田模式的秸秆边际产量仅为0.01kg/kg，远低于稻秸还田模式（0.22kg/kg）和麦秸还田模式（0.13kg/kg），表明秸秆双季还田模式的秸秆利用率呈降低趋势，秸秆的周年利用率较稻秸还田模式降低0.06kg/kg，因此，稻麦秸两季均还田模式的秸秆还田量较单季稻秸还田模式属于过量施用。孙小祥等[31]研究也表明，稻麦秸均还田模式和稻秸还田模式下水稻和小麦周年产量无显著差异，稻麦秸均还田模式下秸秆利用率降低。因此，综合考虑还田秸秆的增产率、边际产量和农学利用率，本试验中稻秸还田模式的秸秆利用率最高。

从秸秆还田对氮肥利用率的影响来看，本试验中稻秸还田虽然降低了当季小麦对氮肥的利用率，但有效增加了下季水稻对氮肥的利用率。顾克军等[14]研究也取得了相同的结论，稻秸还田后小麦减产4.87%，小麦的氮肥利用率呈降低趋势；高茂盛[35]研究表明，适量秸秆还田虽然造成当季作物有所减产，但可明显增加隔茬冬小麦产量，提高了隔茬作物的氮肥利用率。从水稻和小麦对氮肥的周年利用率来看，秸秆还田增加了小麦和水稻对氮肥的周年利用率，陆强等[36]研究表明，秸秆还田能提高水稻和小麦氮肥生理利用率。本试验中稻秸还田和稻麦秸均还田模式氮肥的周年利用率较高，这两种秸秆还田模式有利于获得更高的周年产量。

秸秆还田模式能否推广的关键取决于其经济效益。虽然秸秆还田增加了农业生产的成本[28]，但秸秆还田增加了小麦和水稻的周年产量和经济效益。本研究中稻秸还田模式和稻麦秸均还田模式周年净收益分别增收约4 875和4 177元/hm2。结合秸秆还田年限对稻麦产量的影响效应，实行多年连续稻秸还田或者稻麦秸均还田措施，农民的收益会更加稳定，更加显著。然而，前文讨论表明，稻麦秸两季均还田模式中的秸秆还田量相对于稻秸还田模式已属于过量还田，秸秆利用率降低。因此，在稻麦两熟农田中推荐采用麦季稻秸还田模式，同时可采用播后镇压等农艺措施以减轻稻秸还田对小麦生育的不利影响，增加小麦产量[14]。对于不还田的麦秸，应及时利用秸秆打包机等机械收集、转运到相关企业进行合理化利用，如秸秆发电[37]和秸秆饲料化[38]等，保护环境同时可增加农民的收益。

4 结论

麦秸还田、稻秸还田和稻麦秸两季还田模式均增加水稻产量，小麦产量随还田年限的延续呈“减产-稳产-增产”的趋势，小麦需多年连续还田才能稳定增产。秸秆还田对水稻和小麦周年产量的增产率和农学利用率分别为5.65%～13.60%和0.11～0.17kg/kg，其中稻麦秸均还田模式的秸秆利用率低于稻秸还田模式。秸秆还田主要通过增强水稻对氮肥的吸收提高氮肥的周年农学利用率。秸秆还田增加水稻和小麦的周年净收益，且以水稻增收为主，其中稻秸还田、稻麦秸均还田和麦秸还田模式较不还田模式分别增收4 875、4 177和1 690元/（hm2·年）。在稻-麦两熟地区推荐采用麦季稻秸还田模式，既有利于提高还田秸秆的利用率，又利于增加农民收入。