豆麦轮作下连续施肥和麦秸还田对大豆产量及土壤物理性质的影响

李婧阳 刘鑫 王秋菊 姜宇 周鑫 米刚 刘凯 姜辉 常本超

摘要  为明确豆麦轮作条件下连续施肥和麦秆还田对土壤物理性质及大豆产量的影响，在黑龙江北部地区暗棕壤上开展不施肥、麦秆还田（麦秆逢麦季还田，还田量3 000 kg/hm2）、施肥、施肥与麦秆还田长期定位试验。试验自2002—2018年共实施麦秸还田8次，种植大豆9茬。结果表明，连续施肥还田区大豆平均产量最高，表现为施肥还田>施肥>还田>对照，还田与不还田比，在施肥条件下平均增产4.99%，增减产变化幅度为-22.8%～39.3%;在不施肥条件下平均增产19.65%，增产幅度在3.2%～33.5%，麦秸还田在低生产力（不施肥）下的增产效果好于高生产力（施肥）下的效果;施肥在麦秸还田条件下比不施肥平均增产23.63%，增产幅度在1.1%～60.5%;在不还田条件下平均增产40.88%，增产幅度在8.2%～87.7%;长期施肥和麦秸还田有增加土壤有效孔隙趋势，对于增强耕层土壤持水能力有一定效果。

关键词 豆麦轮作;麦秸长期还田;暗棕壤;产量;物理性质;孔隙组成;持水特性

中图分类号 S 152  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2021）15-0151-04

Abstract In order to understand the effects of continuous fertilization and wheat straw returning on soil physical properties and soybean yield under soybean wheat rotation， a longterm experiment was carried out on dark brown soil in northern Heilongjiang Province. From 2002 to 2018， wheat straw was returned to the field for 8 times and 9 soybean crops were planted.

The results showed that the average yield of soybean in the continuous fertilization returning area was the highest， followed by fertilization and straw returning > fertilization >straw returning >control，the average yield under the condition of fertilization increased by 4.99% and the range of yield change was - 22.8% - 39.3%.Under the condition of no fertilization， the average yield was increased by 19.65%， and the increase range was 3.2% - 33.5%. The stimulation effect of wheat straw returning under the condition of low productivity （no fertilization） was better than that under the condition of high productivity （fertilization）.Under the condition of wheat straw returning to the field， the average yield of fertilization was 23.63% higher than that of no fertilization， the range of production increase was 1.1%-60.5%.Under the condition of no straw returning to the field， the average yield of fertilization was 40.88% higher than that of no fertilization， the range of production increase was 8.2%-87.7%;longterm fertilization and wheatstraw returning could increase soil available porosity， which had a certain effect on enhancing soil holding capacity

Key words Soybeanwheat rotation;Longterm wheat straw returning;Dark brown soil;Yield;Physical properties;Pore composition;Water holding capacity

基金項目 省重大项目（GA19B101）。

作者简介 李婧阳（1988—），女，黑龙江绥化人，助理研究员，硕士，从事土壤改良研究。*通信作者，助理研究员，博士，从事土壤研究。

收稿日期 2020-12-11

黑龙江北部地区主要包括黑河和大兴安岭南麓区域，是我国最北端的农业区。由于该区域气候冷凉，夏季短促，种植水稻、玉米等喜温作物的风险大，该区逐渐发展成我国重要的春小麦和大豆主产区。2017年黑龙江省小麦种植面积11.3万hm2，几乎集中分布该区域，大豆种植面积占全省大豆种植面积的80%以上[1]。特殊的地理气候条件形成了以大豆与春小麦或其他作物轮换种植为主要轮作模式的两区轮作体系。由于麦秸产量高、腐解难，还田后影响后茬大豆播种出苗质量和生育产量。因此就地焚烧成为一些农民首选方法，不仅浪费资源，有时甚至引发山火。近年来在政府严厉的秸秆“禁烧令”的限制下，秸秆还田被提到议事议程，麦秸长期还田对大豆生育、产量以及土壤性质的影响倍受当地政府和农民关注。

大量生产调查表明，长期秸秆还田是培肥地力的有效途径[2-4]，但麦秸还田会增加机械作业成本。Liu等[5]认为，麦秸还田后，积聚在耕层的麦秸在某种程度上阻碍后作的生长发育 ;西尾道徳[6]认为麦秸秆C/N高，麦秸连续还田会导致土壤中有效氮含量下降，这种负效应会持续6年。因此，麦秸还田需要配合施用氮肥才能消除其不良影响[7]。国内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[8]研究认为在砂姜黑土上麦秸深耕还田效果好，提高出苗率和玉米产量;朱敏[9]则认为麦秆还田会降低后茬作物的出苗率。熊瑞恒等[10]、董明辉等[11]认为，麦秆还田降低后茬水稻分蘖、枝梗和颖花形成。崔喜安等[12]、张振江[13]认为黑河地区豆麦轮作下实施麦秸隔年还田对缓解土壤有机质下降具有一定作用。而针对长期施肥和秸秆长期还田对大豆及土壤物理特性的影响研究较少。

笔者依托农业部黑河野外观测站长期定位试验，通过比较豆-麦轮作下施肥和麦秸还田大豆产量变化，明确麦秸还田和长期施肥对后作大豆产量的影响;通过比较不同试验区土壤物理性质差异，明确麦秸长期还田和长期施肥对土壤物理性质的影响，旨在为豆-麦轮作区秸秆还田和施肥提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在黑龙江省北部黑河市西郊黑龙江省农业科学院黑河分院（127°27″E，50°15′N），气候类型为寒温带大陆性季风气候[14]，年均气温为-2.0～1.0 ℃，有效积温2 100～2 300 ℃，无霜期110～120 d，年降雨量为510 mm左右，5—9月气温较高，日照充足，是作物生长季节。试验从2001年开始种植小麦，2002年种植大豆，以后采取小麦-大豆轮作，每年种植大豆。0～20 cm土层土壤基础化学性质：有机质含量23.49 g/kg、全氮含量2.08 g/kg、全磷含量0.187 g/kg、碱解氮含量111.00 mg/kg、速效磷含量23.1 mg/kg、速效钾含量111.00 mg/kg、pH 5.69。

1.2 试验设计

①不施肥不还田区（对照CK）。每年收获后将所有作物秸秆搬出试验区，试验期间不施化肥。

②不施肥还田区（S）。在轮作顺序中逢麦还田，即在小麦收获后，先将麦秸搬出区外，粉碎后（粉碎长度≤10 cm）人工按3 000 kg/hm2还田量将麦秸均匀抛洒到试验区表面后用铧式犁翻压，翻耕深度18～22 cm，然后圆盘耙整地2次（耙深10～12 cm），达到播种状态，待翌年播种。大豆收获后将秸秆全部搬出试验田外，用铧式犁统一翻耕、耙地，达到播种状态，待翌年播种小麦;试验期间不施化肥。

③施肥不还田区（ NP）。每年收获后将所有作物秸秆搬出试验区，每年在小麦或大豆播种时施用化肥，化肥作为种肥一次性施入土壤，施肥量为每年施尿素（含N 46%）198.52 kg/hm2，磷酸二铵（含N 18%，含P2O5 46%）326 kg/hm2。

④施肥还田区（NP+S）。化肥用量、施肥方法同处理③;麦秸还田量、还田方法同处理②。每区面积为210 m2，3次重复。

小麦采用12行小麦播种机播种，种肥分施，行距7.5 cm，保苗600万株/hm2，三叶期镇压1次，8月上旬成熟收获;大豆供试品种为黑河43，采用4行垄三播种机播种，种肥分施，随播起垄，行距65 cm，保苗35万株/hm2，苗期垄沟深松1次，化学封闭除草、人工除草各1次。

1.3 调查项目与方法

1.3.1 產量调查。作物成熟后，人工割去边行后机械实收测产，自然干燥后称质量并折成单位面积产量。

取样时间为2018年7月，当季作物为大豆，前茬为小麦。采用100 cm3环刀避开作物根系采取原状土，削平后用胶带密封。每区取3次重复，取耕作层（0～20 cm，取样深度10～15 cm）土壤。

1.3.2 土壤物理性质测定。土壤容重采用烘干法测定;土壤固相采用土壤三相仪（日本大起理化工业株氏会社生产）测定;土壤质量含水量和体积含水量测定：0～150 cm（H2O）吸力段用DIK-3343型土壤pF测定仪（日本大起理化工业株氏会社生产）测定，150～16 544 cm（H2O）吸力段用1500F1型压力膜仪（美国SEC公司生产）测定土壤质量含水量和体积含水量[14]。

土壤水分特征曲线绘制方法：采用RETC软件对测得的土壤质量含水量和体积含水量数据按照Van Genuchten模型[15]进行非线性拟合，方程：

θ=θr+（θs-θr）/[1+（ah）n]m（1）

式中，θ为土壤体积含水量（%）;h 为土壤水吸力（cm）; θs和θr分别为土壤饱和含水量和剩余含水量（%）;a、m和n是拟合参数。

土壤孔隙组成根据土壤水分特征曲线算出，孔隙当量直径使用 d=h/3公式。

式中，d 为孔隙当量直径（mm）; h 为土壤水吸力（cm）。

1.4 数据分析

采用Excel 2003、DPS 6.85软件和RETC软件处理数据，并进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 施肥和麦秸还田对大豆产量的影响

2002—2018年豆-麦轮作试验过程中，共实施麦秸还田8次（年），种植大豆9茬（年），各年度间不同处理差异显著，年度间不同处理变化规律不完全一致，尤其是施肥区与施肥加秸秆区，大豆产量波动较大。从平均产量结果看出，施肥还田区产量最高，表现为（S+NP）>NP>S>CK，分别为1 870.2、1 781.3、1 512.8和1 264.4 kg/hm2。

分别比较施肥和麦秸还田的增产效果，还田与不还田比较，在施肥条件下平均增产4.99%，增减产变化幅度为-22.8%～39.3%;在不施肥条件下平均增产19.65%，增产幅度在3.2%～33.5%，即不施肥下麦秸还田的增产效果更好。施肥在麦秸还田条件下比不施肥平均增产23.63%，增产幅度在1.1%～60.5%;在不还田条件下施肥平均增产40.88%，增产幅度在8.2%～87.7%（表1）。

2.2 施肥和麦秸还田对土壤水分物理性质的影响

2.2.1 土壤容重和固相率。

从表2可以看出，尽管土壤容重和固相率处理间差异不显著，但施肥还田区土壤容重和固相率均有降低趋势。由于试验区每年秋季都要进行耕翻整地、中耕作业，可能由于机械扰动土壤消除了麦秸还田或施肥对土壤容重和固相率的影响。

2.2.2 土壤持水特性。

从图1可以看出，土壤持水能力表现为NP+S>S>NP>CK，表明长期施肥和麦秸还田均对于增强土壤持水能力有一定作用;但施肥仅对100～1 600 cm吸力阶段的土壤持水能力有一定影响，对于0～100 cm吸力阶段影响不明显。

2.2.3 土壤孔隙组成。

土壤孔隙组成是评价土壤通气性、保水性的重要指标，当量直径>0.05 mm的孔隙为土壤的通气孔隙;当量直径0.000 2～0.05 mm为土壤有效水孔隙，有效水比例越高，标志着土壤保水、供水性越好;当量直径<0.000 2 mm的土壤孔隙为无效水孔隙，这类孔隙中的水分一般很难被作物吸收利用。土壤孔隙组成见表3。从表3可以看出，土壤孔隙组成处理间差异不显著。但麦秸长期还田有增加土壤总有效水孔隙的趋势，其中易效水孔隙S/CK和（NP+S）/NP分别增加0.25和0.17百分点;缓效水孔隙增加0.15和0.60百分点。

3 讨论

研究表明，麦秸还田对后作并不是一直保持增产作用，它有一段的负效应期，麦秸为高C/N有机物料，麦秸施入土壤后导致土壤有效态氮含量下降，造成后茬作物苗期缺氮[16]，麦秸还田后土壤有效态氮亏缺的负效应期时间为6年[17]。该研究的长期定位试验在1981—2001年的豆-麦-麦轮作模式下进行，这期间已经度过了麦秸还田的负效应期，为后期连续增产奠定了基础，因此表现出稳定的增产效果。从施肥角度看，试验期间连续大量施肥，土壤养分积累相对增加，观察田间大豆长势也看出，在多雨年份施肥还田区大豆常发生倒伏，制约了增产效果的发挥，因此在长期麦秸还田地块上种植大豆，适当减少化肥施用量可能更有利于增产，应需要进一步研究。

影响农田土壤水分物理性质的因素十分复杂，自然因素中最主要是土壤质地、有机质含量和土壤结构;人为因素主要来源于机械耕翻和碾压[18-19]。为尽量减少误差，耕层土壤采样位置尽量避开垄沟和根系集中的垄顶部位，在距垄沟和垄顶中间的垄侧10～15 cm土层采样[20-21]。尽管如此，由于土壤的不均一性，误差在所难免。在豆-麦轮作模式下进行麦秸还田，有利于土壤体形成大团聚[22-23]，可以起到缓解土壤有机质下降的作用[12，24-25]。该研究认为，麦秸长期还田提高耕层土壤持水能力、增加土壤有效蓄水能力。孙皓等[26]、李新举等[27]、Guo等[28]提出的秸秆还田可以明显降低土壤容重、提高土壤总孔隙度的研究结果与该研究不一致，可能研究属于大区试验，每年需要进行多次机械作业，致使土壤大孔隙遭机械碾压破所致。

4 结论

（1）2002—2018年豆-麦轮作试验中，共实施麦秸还田8次（年），种植大豆9茬（年）。大豆平均产量，施肥还田区产量最高，依次为（S+NP）>NP>S>CK，分别为1 870.2、1 781.3、1 512.8和1 264.4 kg/hm2。

（2）还田与不还田比，在施肥条件下大豆平均增產499%，产量变化幅度为-22.8%～39.3%;在不施肥条件下平均增产19.65%，增产幅度在3.2%～33.5%，低生产力（不施肥）下实施麦秸还田好于高生产力（施肥）下的增产效果。

（3）施肥在麦秸还田条件下比不施肥平均增产23.63%，增产幅度在1.1%～60.5%;在不还田条件下平均增产4088%，增产幅度在8.2%～87.7%。

（4）麦秸长期还田增加土壤有效孔隙，对于增强耕层土壤持水能力有重要作用;秸秆还田配施化肥可以进一步提高土壤持水能力。

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