河西绿洲灌区灌漠土长期秸秆还田土壤肥力和作物产量特征分析

吴科生 ，车宗贤 *，包兴国 ，张久东 ，卢秉林 ，杨新强 ，杨蕊菊

（1. 甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃兰州730070；2. 农业部甘肃耕地保育与农业环境科学观测实验站，甘肃武威733017）

我国农作物秸秆资源丰富［1-2］，2017 年秸秆产量高达 10.4 亿 t，约占全球秸秆产量的 1/3［3］。但其利用效率一直不高，大量秸秆在农田地里就地焚烧现象非常普遍，这不仅导致资源浪费，更污染了生态环境，增加了农村安全隐患。因此，研究秸秆还田的秸秆利用方式及其对土壤理化性质和作物产量的影响意义重大。作物秸秆直接还田可作为一种快速培肥土壤的有效方式被人们广泛使用［4］。近年来秸秆直接还田量持续增加，据统计数据和文献资料估算，2010-2015 年我国秸秆直接还田率为61%［2］，还田方式主要是机械粉碎直接还田［5］。有研究表明，秸秆中含有大量的有机物质和较丰富的营养元素，是一种重要的有机肥料资源［6-7］。秸秆还田可以作为农业生产中重要的植物营养源，秸秆不仅富含作物所需的碳、氮、磷、钾等多种大量元素及中微量元素［1］，同时还可为作物生长提供有机营养物质，可提高土壤养分含量［8］，降低土壤容重和改善土壤结构［9-10］。秸秆还田作为土壤碳氮和土壤肥力管理的重要措施之一，越来越受到人们重视［11-12］。因此，秸秆还田将成为秸秆资源化处置的有效途径之一［13-14］。

灌漠土是河西绿洲灌区主要的土壤类型之一，该区域农作物秸秆数量庞大、类型丰富多样。通过秸秆还田可有效利用秸秆资源培肥土壤，减少浪费和环境污染。但关于长期连续秸秆还田对灌漠土土壤肥力演变规律和特征，以及对作物产量的影响过程和机制等方面的报道较少。长期定位施肥试验具有长期性、气候的重复性等特点，能够系统地揭示土壤肥料演变规律及作物产量的变化，为施肥制度合理性的评价提供理论依据［15-16］。本研究利用1988 年布置至今的长期定位试验，系统研究了长期秸秆还田条件下灌漠土土壤有机质、全氮、全磷、全钾等肥力指标的演变规律和秸秆还田的肥料贡献率，旨在揭示灌漠土秸秆长期还田对作物产量的影响过程及其稳定性，以期为秸秆科学还田和培肥土壤提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究地位于甘肃省武威市凉州区永昌镇白云村（38°37′N，102°40′E），海拔1504 m，年均温7.7 ℃，无霜期150 d 左右，年降水量150 mm，年蒸发量2021 mm。日照时数3028 h，相对湿度53%。一年中≥10 ℃的有效年积温 3016 ℃，年太阳辐射总量 580～660 kJ·cm-2，麦收后≥10 ℃的有效年积温为 1350 ℃［17］。属典型的两季不足，一季有余的自然生态区。区内蒸发量大，降水量少而且主要集中在6-9 月，降水可利用率较低。灌溉方式以地下水（井灌）灌溉为主。试验地土壤为石灰型灌漠土，表土质地为轻壤，开始时耕层（0～20 cm）土壤理化性质为：pH 8.8，有机质 16.35 g·kg-1，全氮 1.06 g·kg-1，全磷 1.505 g·kg-1，全钾 17.6 g·kg-1，碱解氮 64.47 mg·kg-1，速效磷13.1 mg·kg-1，速效钾 180.0 mg·kg-1，土壤容重 1.40 g·cm-3［17］。

1.2 试验设计

本研究依托1988 年开始至今的灌漠土长期定位培肥试验，2018 年是试验连续执行的第31 年。试验采用随机区组设计，共设13 个处理，3 次重复，共39 个小区。本研究选用其中4 个处理：1）秸秆10500 kg·hm-2+P2O5150 kg·hm-2（SP）；2）纯N 375 kg·hm-2+P2O5150 kg·hm-（2NP）；3）秸秆5250 kg·hm-2+纯N 187.5 kg·hm-2+P2O5150 kg·hm-2［1/2（S+N）P］；4）空白对照（CK）。采用随机区组设计，重复 3 次，共 12 个小区。以上处理除CK 外，其他处理施磷量相同，均为150 kg·hm-2。试验小区长6.9 m，宽4.5 m。各处理的肥料为每年总用量，所用秸秆为小麦秸秆（含N 量为0.45 g·kg-1），在播种前粉碎成10 cm 短截，翻压在30 cm 的耕作层内，所用秸秆全部作基肥；氮肥为尿素，其中20%在小麦播种前结合整地施入土壤耕层，20%在小麦拔节期追施，30%在玉米拔节期追施；30%在玉米灌浆期追施；磷肥采用普通过磷酸钙，施磷处理全部作基肥结合整地一次性施入耕层［17］。

1.3 栽培管理

试验栽培作物为小麦（Triticum aestivum）和玉米（Zea mays）。播种、除草、配药、收获等农事均为人工操作。小麦品种为武春121 和陇春系列，3 月中旬播种，行距12 cm，播种量为600 kg·hm-2，4 月中上旬出苗，7 月中旬收获；玉米品种为中单系列和武科2 号，4 月下旬覆膜播种，株距21 cm，行距40 cm，基本保苗数65000 株·hm-2，5 月上旬出苗，10 月收获［17］。

1988-1999 年，以小麦/玉米间作-小麦-玉米-小麦为一个轮作周期进行种植。1999 年至今，全部采用小麦/玉米间作的种植模式。小麦/玉米间作种植模式，带幅宽1.5 m，每小区设3 个小麦-玉米种植带，中间一个种植带为取样和测产带。采用传统的6∶2 高产栽培模式，即小麦带宽70 cm，种6 行小麦，玉米带宽80 cm，种2 行玉米。全生育期小麦、玉米共灌水 6～7 次［17］。

1.4 样品采集与测定方法

2018 年在作物收获时，各小区取中间一带作为小麦、玉米测产带单打单收，测产面积为1.5 m×6.9 m=10.35 m2，在另外2 个带幅中选取生长均匀的植株作为考种样品。小麦选取20 株，玉米选取10 株。风干后测定小麦玉米的农艺性状［17］。

2018 年玉米收获后采集土壤样品，每小区随机选取5 个取样点，分别采集0～20 cm 土层的混合土样，风干、混匀后，过 0.25 mm 筛，用于土壤养分分析［17］。

采用重铬酸钾氧化-油浴加热法测定有机质含量，采用凯氏定氮法测定全氮含量，采用氢氧化钠熔融法测定全磷含量，采用氢氧化钠熔融法测定全钾含量，采用Olsen 法测定有效磷含量，采用乙酸铵浸提火焰光度法测定速效钾含量［18］。

1.5 计算方法与数据处理

以统计学的变异系数（coefficient of variation，CV）表示产量稳定性，可衡量年际间产量的变异程度，CV 越大，则说明产量稳定性越低［19］。采用可持续产量指数（sustainable yield index，SYI）来表征产量可持续性，指数越高，则说明该系统的可持续性越好［20］。

式中：σ 为标准差（kg·hm-2）为平均产量（kg·hm-2）；Ymax为所有年份中产量的最大值（kg·hm-2）。

肥料贡献率（fertilizer contribution rate，FCR）指施用肥料增加的作物产量占总产量的百分比，反映了年投入肥料的生产能力［21］。

应对措施：对照组孕妇登记好住院信息，咨询其是否存在不适症状，并对其进行入院评估。观察组孕妇在对照组的基础上加强心理干预，具体如下：①详细了解孕妇的基本情况，为其建立个人档案，并制定个性化的健康教育方案，每周进行一次心理辅导，帮助其保持积极向上的心态。②产前对孕妇进行心理测试，根据测试结果采取针对性的指导，给其鼓励，减轻孕妇对分娩的担心。③分娩后，安排专业的人员给产妇讲解母婴知识，解答产妇的疑问，另外也建议家人给予产妇给多的关心，使其感受到温暖。

式中：Y为施肥区作物产量；Y0为无肥区作物产量。

采用Microsoft Excel 2016 软件对数据进行处理和绘图，并用SAS 8.0 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 长期施用秸秆和化肥对土壤肥力的影响

2.1.1 土壤有机质含量和pH 土壤有机质逐年增加，长期秸秆还田增加更加显著（图1）。SP 处理的土壤有机质含量最高，1/2（S+N）P 处理次之，且高于NP 处理，CK 最低，而且随秸秆施用年限的延长逐年上升。2018 年SP、1/2（S+N）P、NP 和CK 土壤有机质含量比试验初始数值分别提高 73.3%、58.4%、37.0%、11.6%。SP、1/2（S+N）P、NP 较CK 增加55.3%、41.9%、22.7%。各处理逐年平均值较试验初始值分别增加25.8%、18.5%、11.6%、4.8%，较 CK 处理增加 20.0%、13.0%、6.5%。2018 年土壤 pH 大小关系为 CK＞SP＞NP＞1/2（S+N）P。与初始值相比，SP、1/2（S+N）P、NP 和 CK 分别降低 3.6%、4.7%、4.4%、3.1%。CK 与 NP、1/2（S+N）P 差异显著。长期不施肥土壤pH 最高，而秸秆化肥配施降低幅度最大。

2.1.2 土壤全氮和碱解氮含量 与CK 相比，无论是施用秸秆还是化肥，均有助于土壤全氮含量的提高（图2）。随着施用年限的延长，土壤全氮含量呈上升趋势。2018 年（第31 年），SP、1/2（S+N）P、NP、CK 土壤全氮含量较试验初始数值分别提高 50.6%、40.9%、22.6%、17.0%，SP、1/2（S+N）P 和 NP 较 CK 增加 28.8%、20.4%和4.8%。SP、1/2（S+N）P、NP、CK 逐年平均值较试验初始值分别增加21.7%、16.5%、13.1%、5.0%，较CK增加15.9%、11.0%和7.8%，差异显著。

图2 不同施肥处理对土壤全氮和碱解氮含量的影响Fig.2 Contents of soil total N and soil available N under different fertilization treatments

土壤碱解氮含量年际间变异较大（图2）。从2004 年开始，SP、1/2（S+N）P 处理的土壤碱解氮含量逐年增加。2018 年，SP、1/2（S+N）P、NP、CK 比试验初始值分别增加50.5%、36.7%、14.5%、7.1%，SP、1/2（S+N）P、NP 较CK 处理增加40.5%、27.6%、6.9%。31 年平均值较试验初始值分别增加22.9%、18.0%、14.9%、10.7%，较 CK 增加 11.0%、6.5%、3.8%。

2.1.3 土壤全磷和有效磷含量 随着种植年限的延长，土壤全磷含量明显下降（图3）。各处理土壤全磷含量先增加后降低，SP 处理最高，CK 最低。2018 年，SP、1/2（S+N）P、NP、CK 土壤全磷含量比初始值分别降低22.5%、28.0%、32.7%、48.4%，SP、1/2（S+N）P、NP 较 CK 提高 50.2%、39.5%、30.5%。31 年平均值与试验初始值相比，SP 增加 3.8%，1/2（S+N）P、NP、CK 降低 1.4%、3.9%、8.4%，SP、1/2（S+N）P、NP 较 CK 处理分别增加13.4%、7.7%、5.0%。

图3 不同施肥处理对土壤全磷和有效磷含量的影响Fig.3 Contents of soil total P and soil available P under different fertilization treatments

土壤有效磷含量在年际间呈高低相间变化（图3）。在不同的年份高低顺序为SP＞1/2（S+N）P＞NP＞CK。2018 年测试结果与初始值比较，CK 降低70.0%，其余处理分别增加440.7%、231.0%、102.5%。SP、1/2（S+N）P、NP 分别是 CK 的 18.0、11.0、6.7 倍。31 年平均值较试验初始值分别增加 180.5%、66.0%、14.2%，CK 降低15.0%，SP、1/2（S+N）P 和 NP 较 CK 分别增加 229.9%、95.3% 和 34.4%。

2.1.4 土壤全钾和有效钾含量 不同施肥处理的土壤全钾含量变化规律基本一致（图4）。前10 年逐年增加，中间阶段保持相对稳定，之后降低。2018 年测试结果与初始值比较，土壤全钾含量分别增加19.9%、19.9%、16.1%、14.2%。SP、1/2（S+N）P 均较 CK 增加 23.5%，NP 处理较 CK 下降 11.8%。31 年平均值较试验初始值分别增加38.2%、34.4%、35.2%、38.5%，SP、1/2（S+N）P、NP 较CK 分别降低 0.2%、3.0%、2.4%。

图4 不同施肥处理对土壤全钾和有效钾含量的影响Fig.4 Contents of soil total K and soil available K under different fertilization treatments

2.2 长期施用秸秆和化肥对小麦/玉米间作体系作物产量的影响

2.2.1 小麦/玉米间作小麦产量 长期施用秸秆对小麦产量的影响较大（图5）。秸秆还田后小麦产量会快速降低，且低于CK，连续施用秸秆3 后降幅达到最大值，之后产量逐渐回升，直到第10 年小麦产量才高于不施肥处理。1988、1992、1996 和 1999-2018 年为小麦/玉米间作体系的小麦产量，1989、1993、1995 年为单作小麦产量，单作小麦产量明显高于间作。从连续25 年小麦平均产量看，各处理高低顺序为：NP＞1/2（S+N）P＞SP，较CK 分别增加117.1%、110.2%、33.4%，2018 年小麦产量（第31 年）较CK 增加295.8%、239.8%、142.4%。相关分析表明，小麦产量与土壤全磷（R2=0.586，P＜0.05）呈正相关（表1）。

图5 不同施肥处理对小麦产量的影响Fig.5 Wheat yields under different fertilization treatments

表1 土壤养分特征与作物产量的相关关系Table 1 Correlation coefficients of soil nutrient characteristics and yield of crops

2.2.2 小麦/玉米间作玉米产量 秸秆还田后玉米产量先减后增（图6）。连续单施秸秆后玉米产量会大幅度下降，且低于CK，直到第14 年后SP 处理玉米产量才高于CK。1988、1992、1996、1999-2018 年为小麦/玉米间作产量体系的玉米产量，1990、1994、1998 为单作玉米产量，单作玉米产量显著高于间作。2003 年特别是NP 和1/2（S+N）P 玉米产量增幅较大，主要原因是更换了玉米新品种。各处理玉米产量高低顺序为：NP＞1/2（S+N）P＞SP＞CK。以 25 年玉米平均产量计算，NP、1/2（S+N）P 和 SP 较 CK 增加 142.3%、124.3% 和 16.2%，2018年产量较CK 增加94.3%、82.2%和45.8%。相关分析表明，玉米产量与土壤全磷（R2=0.592，P＜0.05）呈正相关（表1）。

图6 不同施肥处理对玉米产量的影响Fig.6 Maize yields under different fertilization treatments

2.2.3 小麦/玉米间作体系产量 长期施用秸秆对小麦/玉米间作体系产量的影响与玉米产量变化相同（图7）。间作体系产量高低顺序为：NP＞1/2（S+N）P＞SP＞CK。2018 年产量较 CK 增加 113.5%、97.3% 和55.0%。以间作体系 25 年的平均产量计算，NP、1/2（S+N）P 和 SP 较 CK 增加 148.3%、130.5% 和 24.5%，各处理间差异显著。相关分析表明，玉米产量与土壤全磷（R2=0.614，P＜0.05）呈正相关（表1）。部分年份籽粒产量有较大的波动，原因可能与秸秆还田、作物品种和种植方式等因素有关。

图7 不同施肥处理对小麦/玉米间作体系产量的影响Fig.7 Wheat and maize system yields under different fertilization treatments

2.3 长期使用秸秆和化肥的作物产量稳定性、可持续性和肥料贡献率

不同作物和种植方式下，作物产量的变异系数差异显著（表2）。小麦产量的变异系数大小关系为CK＞1/2（S+N）P＞NP＞SP。SP、NP、1/2（S+N）P 的小麦产量稳定性较好且比较相近，均显著好于CK。玉米产量变异系数大小关系为SP＞CK＞NP＞1/2（S+N）P，SP 和CK 变异系数接近且最大，显著高于其他处理。小麦/玉米间作体系产量的CV 大小关系为SP＞CK＞NP＞1/2（S+N）P，值为19.8%～31.8%，说明整个体系的产量稳定性较好。

表2 施肥对作物产量稳定性、可持续性和肥料贡献率的影响Table 2 Effects of fertilization on crop yield stability，sustainability and fertilizer contribution rate（%）

不同作物的可持续性指数（SYI）有显著差异（表2）。小麦各处理SYI的平均值大小顺序为：NP＞1/2（S+N）P＞SP＞CK，NP 最高，为 0.49，SP 处理的可持续性较差；玉米各处理 SYI 的平均值大小顺序为：1/2（S+N）P＞NP＞CK＞SP，SP 可持续性最差（0.28）；小麦/玉米间作体系产量SYI 的平均值大小顺序为：1/2（S+N）P＞NP＞CK＞SP，NP 和1/2（S+N）P 的SYI 均大于0.55，说明这两个处理在整个体系的可持续性较好。

肥料贡献率在小麦/玉米间作体系中表现出一致的规律性（表2），FCR 的大小关系均为NP＞1/2（S+N）P＞SP。SP 处理小麦的FCR 为0.25，远大于间作体系和玉米；NP 处理在小麦/玉米间作体系中的FCR 最大，为0.60，与玉米（0.59）和小麦（0.54）差异不显著，1/2（S+N）P 处理FCR 为0.52～0.57，与CK 差异显著。

3 讨论

3.1 长期使用秸秆和化肥对土壤肥力的影响

许多长期定位试验的研究结果表明，秸秆还田可以提高土壤有机碳和养分含量［9］，秸秆还田配施适量化学氮肥可有效增加土壤有机质，增幅为17.5%～28.7%［22］，可提高土壤速效氮、磷、钾等养分含量，且随施氮量的增加呈逐渐上升的趋势［23-25］。本研究表明，与试验初设前土壤相比，施用秸秆或秸秆化肥配施能够显著提高土壤有机质含量，并且随着秸秆施用量的提高而持续增加。秸秆磷肥配施处理的土壤有机质含量高于1/2（S+N）P 处理，而长期施用化肥则不能提升或略能波动性地增加土壤有机质含量。施用化肥和不施肥处理土壤有机质基本保持稳定状态，可能是土壤有机碳主要来源于作物根茬、土壤中小动物以及土壤微生物活动，几乎没有其他外源有机物料输入，因此土壤有机质含量存在下降的风险。单施秸秆和秸秆化肥配施土壤全氮和碱解氮含量显著高于单施化肥和不施肥处理，可能原因是化肥氮多为无机态，施入土壤后容易发生挥发和硝酸盐淋失［26］。

石灰性土壤中CaCO3含量较高，有效磷施入土壤后易被Ca2+固定而转化为缓效态磷［27］，有机质在转化过程中产生有机酸等物质，可减少对有效磷酸盐的固定，促进无机磷的溶解［28-29］。本研究结果表明，小麦/玉米间作体系中，除不施肥处理外其他处理都施相同量的化学磷肥，土壤全磷含量随着试验年限的延长呈下降趋势，土壤有效磷含量变化无明显规律。从31 年土壤全磷和有效磷的平均值来看，秸秆磷肥配施和秸秆化肥配施处理的土壤全磷和有效磷含量都显著高于单施化肥处理，主要原因是施用秸秆增加了土壤有机质，在其转化过程中减少土壤对有效磷酸盐的固定，促进了无机磷的溶解。

禾本科作物吸收的钾素80%以上存在于秸秆中，这部分钾素可以快速释放到土壤中［30］，短期秸秆还田可以提高当季土壤速效钾含量［31］，长期秸秆还田能改善土壤钾素亏缺，提高作物钾素积累量和产量［32］。本研究全钾含量的变化为前10 年增加，中间10 年相对稳定，之后呈下降趋势，但2018 年测试结果仍然高于试验初设值。从31年土壤全钾和有效钾含量的平均值看，含量最低的是氮磷配施处理，秸秆化肥配施处理次之，不施肥处理最高。原因是本研究中不施用外源钾肥，不施肥处理作物的生物量和经济产量相对较小，钾素携出量较少，而其他处理作物生物量和经济产量较大，钾素携出量较大。

3.2 长期使用秸秆和化肥对作物产量的影响

作物产量是衡量肥料效果的一项重要指标。秸秆还田和适宜的氮肥施用量可以显著增加玉米产量，其增产效果主要表现在百粒重和行粒数的显著提升［33］，庞党伟等［34］研究发现秸秆还田配施氮肥主要是通过改善土壤物理状况，因而作物产量增加。本研究结果表明，秸秆磷肥配施使作物产量先降低后逐渐升高。其中小麦产量在前9 年均低于CK，第10 年以后逐渐增加且高于CK，玉米产量在前13 年均低于CK，第14 年以后逐渐增加且高于CK。这主要是由于秸秆还田前期，微生物腐解秸秆需要吸收土壤中的氮素，在作物关键需肥期养分释放不能满足作物需要，脱肥现象严重造成的。秸秆化肥配施和单施化肥处理作物产量显著高于CK，增幅为110.2%～124.3%。

3.3 长期使用秸秆和化肥作物产量的稳定性、可持续性和肥料贡献率

作物产量稳定性是判断农田生态系统质量好坏的重要指标［35］。本研究表明，小麦产量稳定性最差的是不施肥处理，这与王婷等［36］的研究结果一致。原因是不施肥处理作物长势较弱，且容易受干热风等天气的影响，产量波动较大。其他处理的CV 为34.2%～39.7%；玉米产量稳定性最好的处理是秸秆化肥配施和单施化肥处理，分别为26.0%和27.2%，秸秆磷肥配施处理最差。原因是秸秆还田后氮素相对较少，C/N 高，其自身腐解与作物争氮争水，导致玉米后期脱肥现象严重，以致产量波动较大。

可持续性是衡量农田生态系统是否能持续生产的一个重要参数［37］。SYI 值大于0.55 的产量可持续性较好，0.45～0.55 一般，小于0.45 较差［38］。有研究表明，相同降水年型，NP、SNP 冬小麦26 年种植期产量可持续性均高于CK［36］，本研究得出了相似的结果，SP 处理的小麦、玉米产量SYI 值为0.42 和0.28，说明秸秆磷肥配施的产量可持续性较差，1/2（S+N）P 和 NP 的小麦 SYI 为 0.45 和 0.49，说明小麦产量可持续性一般，玉米 NP 和 1/2（S+N）P 处理的 SYI 为 0.55 和 0.61，说明产量可持续性好。

小麦和玉米的肥料贡献率以SP 最低，分别为0.25 和0.14，可能是秸秆还田后，自身腐解时微生物需要从土壤中吸收水分和氮素，因此出现和作物争水争肥现象，导致土壤养分更为缺乏。小麦NP 和1/2（S+N）P 处理的肥料贡献率为 0.54 和 0.52，玉米 NP 和 1/2（S+N）P 处理的肥料贡献率为 0.59 和 0.55，说明 NP 处理的肥料贡献率高于1/2（S+N）P 处理。这与樊廷录等［39］在黄土高原黑垆土进行的24 年定位试验结果相反，原因是本研究中秸秆与氮磷化肥配施处理中，氮肥配施量只有NP 处理的50%，造成氮肥不足。

4 结论

本研究发现长期秸秆还田或秸秆化肥配施还田，均能显著提升河西绿洲灌区灌漠土土壤有机质、全氮、全磷含量，有效降低土壤pH，持续培肥土壤肥力；秸秆还田初期会导致作物产量大幅降低至不施肥以下，但随着秸秆还田年限的延长逐渐增加，小麦需要经历9～10 年的恢复期，玉米则需要经过13～14 年的恢复阶段，地力才会不断提升，作物产量逐渐增加。秸秆与氮磷化肥配施还田的作物产量稳定性和持续性明显好于秸秆磷肥配施，但其肥料贡献率相对较低。