单季麦秸还田促进小麦-玉米周年碳效率和经济效益协同提高

王良，刘元元,，钱欣，张慧，代红翠，刘开昌，高英波，方志军，刘树堂，李宗新✉

1山东省农业科学院玉米研究所/小麦玉米国家工程实验室，济南 250100；2青岛农业大学，山东青岛 266109；3山东省农业科学院作物研究所，济南 250100

0 引言

【研究意义】我国每年的作物秸秆产量超过10.4亿吨，其中小麦和玉米秸秆产量约占全国作物秸秆总量的50%以上[1]。黄淮海地区是我国粮食主产区之一，小麦-玉米一年两熟是主要的种植制度。该区域作物秸秆肥料化利用量接近秸秆总产量的一半，平均增产率达8.06%[2-4]。同时，集约化种植条件下多数农田长期单一双季秸秆还田或还田方式不科学衍生了很多问题。前人研究表明，作物秸秆C/N为100—60∶1，传统的小麦、玉米秸秆双季还田极易导致土壤C/N比失调，降低土壤微生物数量和活性，甚至降低土壤氮素的有效性[5-6]。此外，小麦-玉米周年生产中存在双季秸秆还田量大且携带虫源病原菌较多，容易导致下季作物播种质量差和农田病虫害加剧等问题[7]。同时，我国迅速发展的畜牧业每年对秸秆饲料化的需求量高达1 500万吨[8]，可加工为粗饲料的玉米秸秆含有丰富的营养和可利用的化学成分，将玉米秸秆转化为饲料“过腹还田”在增加经济收益的同时，也具有很好的生态效益。可见，综合考量并选取小麦、玉米两季秸秆科学合理的还田方式或利用途径以实现小麦-玉米周年可持续生产和经济效益的同步提升，显得尤为重要。【前人研究进展】黄淮海平原小麦和玉米的秸秆产量分别约为9 426.5万吨和8 903.7万吨，其中肥料化利用率分别约为26.6%和29.2%[8]。由此估算，通过小麦、玉米秸秆双季还田投入农田的碳、氮、磷和钾量分别为2 043.0万吨、30.6万吨、4.6万吨和81.4万吨；其中小麦秸秆还田投入土壤中的碳、氮、磷和钾量分别为1 003.0万吨、15.0万吨、2.0万吨和47.6万吨[9-11]。秸秆还田能够增加土壤养分，从而替代部分化肥、有效降低生产成本[12]。秸秆还田是提高农田土壤有机碳含量行之有效的措施，进而直接或间接促进作物生产[12-15]。国内外学者研究报道了秸秆还田可促进作物产量提高和光、温、水、肥等资源高效利用[16-18]。然而，土壤有机碳含量随着秸秆长期定位还田逐渐达到相对饱和状态[19-21]。土壤有机碳含量未饱和条件下，增投秸秆能够促进土壤有机碳固存和作物生产[22-23]。WANG等[24]发现小麦、玉米秸秆全量还田降低了土壤耕层有机碳含量，其原因可能是土壤有机碳储量已经达到相对饱和的状态。代红翠等[25]研究发现小麦秸秆单季还田较小麦、玉米秸秆双季还田更利于土壤共生营养真菌丰度的提升，更有益于土壤肥力和作物生产。李昊昱等[26]研究认为黄淮海小麦-玉米轮作地区单季秸秆还田更利于维持较高的土壤生产力。农田粮食生产是作物通过光合作用实现对碳的固定，同时也涉及了生产过程中资源投入和管理所带来的直接或间接的碳排放[27]。通过栽培管理措施等提高农田碳效率，能够降低粮食生产成本，缓解集约化农业生产对全球温室效应的影响[12]。【本研究切入点】目前，小麦-玉米周年秸秆还田的研究主要集中在双季还田条件下土壤碳固存及对当季作物产量的影响，少有涉及单季还田的研究；且关于秸秆长期定位还田条件下不同秸秆还田方式对碳投入影响的研究不足；同时也少有报道从碳效率和经济效率等方面对不同秸秆还田方式进行综合评价。【拟解决的关键问题】本研究基于持续 8年的秸秆长期定位还田试验，系统分析黄淮海地区小麦-玉米周年秸秆长期单、双季定位还田对农田碳投入、作物产量及其稳定性的影响，并结合农田碳效率和经济效益进行可持续性的评价，以期为小麦-玉米一年两熟集约化农田合理利用秸秆和可持续生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究数据来源于小麦-玉米周年不同秸秆还田方式长期定位试验，位于山东省农业科学院玉米研究所章丘龙山试验基地（117°32′E,36°43′N）。试验基地地处黄淮海平原地区，属于温带大陆性季风气候，雨热同期，年均降雨量600.8 mm，年均气温12.8℃，年均日照时数2 647.6 h，无霜期209 d。试验地土壤类型为褐土，有机质含量为 14.81 g·kg-1，全氮 0.85 g·kg-1，有效磷 19.26 g·kg-1，速效钾 46.37 g·kg-1，pH 7.64。

1.2 试验设计

本试验始于2012年10月，为冬小麦、夏玉米一年两熟轮作种植。冬小麦于每年的10月中旬播种，种植品种为济麦22，宽幅精播（行距约24 cm，幅宽约8 cm），播量为172.5 kg·hm-2，次年6月上旬收获；夏玉米于每年6月中旬播种，种植品种为鲁单9066，行距为60 cm，种植密度为75 000株/hm2，当年10月上旬收获。播种方式均为小麦旋耕播种、玉米免耕贴茬直播，小麦播前旋耕3次（旋耕深度约20 cm）。

试验设置两种秸秆还田方式，小麦、玉米秸秆连续双季还田（D）和小麦秸秆连年单季还田（S），小区面积为270 m2（6 m×45 m），每个处理3次重复，共计6个小区。D处理的小麦和玉米均用联合收割机收获小麦籽粒和玉米穗，同时作物秸秆粉碎并覆盖在地表；S处理的小麦采用联合收割机收获籽粒的同时小麦秸秆粉碎并覆盖在地表，玉米收获果穗后秸秆收获移除作为饲料，仅根茬还田。

两个试验处理的水肥管理及病虫草害防控均与当地传统管理方式一致。小麦播种后、拔节和开花期分别灌水60 mm，玉米季仅播种后灌水60 mm以确保出苗，采用水表精确控制灌水量以保证两种秸秆还田方式的灌水一致。小麦和玉米施用 N∶P2O5∶K2O为17∶17∶17的复合肥600 kg·hm-2作为基肥，小麦拔节期和玉米大喇叭口期分别追施尿素225 kg·hm-2，沟施后覆土以减少肥料挥发。

1.3 样品采集与测定

小麦收获期各小区均随机选取 3个1 m2样方，105℃杀青30 min后，80℃烘干至恒重，测定植株地上部生物量。每个小区在不受采样干扰的区域随机收获3个1 m2小麦，调查单位面积穗数、穗粒数，自然风干后脱粒，测定籽粒含水量和千粒重，计算小麦产量。

玉米收获期各小区均随机选取3个样点取连续两株植株，105℃杀青30 min后，80℃烘干至恒重，测定植株地上部生物量。同期，调查单位面积穗数、空秆率和双穗率，样品风干晾晒后进行室内考种测取穗行数、行粒数、籽粒含水量和千粒重，计算玉米产量。小麦和玉米植株地上部生物量包含作物秸秆生物量和籽粒产量两部分。

1.4 相关指标计算方法

1.4.1 作物碳投入量 土壤碳投入来源于作物秸秆、残茬、根系和根系分泌物，其投入量根据作物秸秆生物量，以及秸秆生物量与残茬和根系生物量的比值获得，小麦和玉米秸秆碳含量分别约为 42.5%和44.4%[28]。小麦残茬和其根系生物量分别约为其秸秆生物量的10%和23%，玉米残茬和其根系生物量分别约为其秸秆生物量的20%和22%[29]。小麦和玉米根系分泌物的碳投入量约等于其根系的碳投入量[30]。

1.4.2 产量稳定性和可持续性指数 作物产量稳定性指数（YD）和可续性指数（YS）的计算公式如下[31]：

式中，Ysd是指不同年份作物平均产量的标准差，Yavg是指不同年份作物平均产量，Ymax是指不同年份作物最大产量。

1.4.3 农田碳投入量计算 农田碳投入量是指冬小麦-夏玉米一年两熟轮作生产过程中由种子、化肥、农药等资源，灌溉、机械、人力等农田管理，以及其他投入所产生的直接（Cd）和间接的碳投入量总和。相关计算公式如下：

式中，种子的碳投入量（Cs）是通过播种量和种子碳排放系数估算，冬小麦和夏玉米的种子碳排放系数分别为0.11和1.05 kg C·kg-1；化肥碳投入量（Cf）通过施肥量和肥料碳排放系数估算，复合肥和尿素的碳排放系数分别为 0.90和 1.74 kg C·kg-1；农药碳投入量（Cp）通过农药施用量和农药碳排放系数估算，杀虫剂和杀菌剂的碳排放系数分别为 3.90和 5.10 kg C·kg-1；灌溉碳投入量（Ci）通过灌溉用电量引起的碳排放系数、灌溉时间、电机功率估算，灌溉用电量引起的碳排放系数为 0.92 kg C·kW-1·h-1，利用功率 30 kW、效率60%的电机抽50 m深井水灌溉每公顷农田60 mm需要2.78 h；机械碳投入（Cm）通过农机柴油碳排放系数和耕地、播种、收获等农机耗油量估算，农机柴油碳排放系数为2.63 kg C·L-1[32-36]。

间接碳排放量主要是指人工劳作产生的碳排放，通过人工碳排放系数和作物生产用工数估算，人工碳排放系数为 0.92 kg C·d-1[36]。

1.4.4 农田碳效率计算 碳生产效率（Ep）和碳生态效率（Ee）的计算公式如下：

式中，Cgrain、Ca和Cc分别指作物籽粒含碳量、碳投入量和植株含碳量，Ep用于衡量生产中投入单位数量碳作物籽粒生产效率；Ee用于衡量作物生产系统碳的源汇强度和生产系统的可持续性。籽粒含碳量通过籽粒产量和籽粒含碳量估算，小麦和玉米的籽粒含碳率分别为48%和47%；植株含碳量包括籽粒含碳量、秸秆含碳量。

1.4.5 农田经济效益计算 农田产值（Oa）和净收益（NI）的计算公式如下：

式中，Pwheat和Pmaize分别指小麦和玉米籽粒的单价，参考当地市场价；Ywheat和Ymaize分别为不同处理下小麦和玉米的产量；Ia是指各处理生产中总投入，包括种子、化肥、农药、灌溉、机械和人工的成本，参考当地市场价；F指玉米秸秆饲料化带来的收益，参考当地市场价。

1.5 统计分析

采用 Microsoft excel 2016处理试验数据，Sigmaplot 14.0作图，用SPSS 20.0统计软件进行统计分析和差异显著性检验（LSD，P＜0.05）。

2 结果

2.1 作物周年生物量和碳投入估算

小麦、玉米秸秆双季还田（D）与小麦秸秆单季还田（S）处理的秸秆产量和累积还田量如图1所示。2013—2020年，不同年份S处理的玉米秸秆平均产量小于D处理，而小麦秸秆平均产量大于D处理，整体表现为 S处理的周年秸秆平均产量大于 D处理（图1-A）。持续8年秸秆还田之后，D的累积秸秆还田为108.32 t·hm-2，较S处理高149.41%（图1-B）。D处理的年均秸秆还田量为13.54 t·hm-2，其中小麦和玉米秸秆分别占42.17%和57.83%；S处理的年均秸秆还田量为5.43 t·hm-2，均为小麦秸秆。

图1 不同秸秆还田方式下作物秸秆产量（A）和秸秆累积还田量（B）Fig.1 Crop straw production (A) and cumulative returned to farmland (B) under different straw returning methods

源自作物秸秆、根系和根茬以及根系分泌物的碳是农田碳投入的主要组成部分。D处理投入农田土壤中的根系和根茬的生物量分别约为3.04和2.14 t·hm-2，较S处理均无显著差异（P＞0.05）（图2-A）。D处理的根系和根茬以及根系分泌物的年均碳投入量分别为1.32、0.94和1.32 t·hm-2，与S处理相比均无显著差异（P＞0.05）（图2-B）。D和S处理的作物生物量和碳投入的差异主要源自秸秆还田量的不同，D处理源自秸秆的年均碳投入量为5.90 t·hm-2，显著大于S处理的 2.31 t·hm-2（P＜0.05）。

图2 不同秸秆还田方式下作物残体投入量（A）和碳投入量（B）Fig.2 Crop organism (A) and carbon (B) inputs under different straw returning methods

2.2 作物周年产量及其稳定性与可持续性评估

小麦和玉米的产量呈现出明显的年际差异（图3）。D处理的小麦年际平均产量为7.32 t·hm-2，较S处理减少5.67%；而玉米年际平均产量为7.69 t·hm-2，较S处理增加5.48%；小麦-玉米周年年际平均产量为15.01 t·hm-2，较S处理减少0.26%。D处理的小麦、玉米和周年的产量稳定性指数分别为 0.22、0.18和0.16，均小于S处理的0.23、0.19和0.17（图4-A），说明D处理小麦、玉米和周年的产量稳定性均优于S处理，但两者差异不显著。S处理的小麦产量可持续性指数为0.57，大于D处理的0.56，说明小麦秸秆单季还田更有利于小麦产量的可持续；而 D处理的玉米和周年的可持续性指数分别为0.60和0.65，大于S处理的0.59和0.63，说明小麦、玉米秸秆双季还田更有利于玉米和周年产量的可持续，但两者差异同样不显著。

图3 不同还田方式下小麦（A）、玉米（B）、周年（C）及其年平均（D）产量Fig.3 Wheat (A),maize (B),annual (C) and their mean (D) yields under different straw returning methods

图4 不同还田方式下小麦、玉米及周年产量稳定性和可持续性Fig.4 Stability and sustainability of wheat,maize and annual yields under different straw returning methods

2.3 农田碳效率评估

种子、化肥、农药、灌溉、机械和人力等农田碳投入通过投入量及其相应的碳排放系数折算成碳投入量（表1）。小麦季D和S处理的资源投入和农田管理一致，碳投入量均为1 668.14 kg C·hm-2；玉米季D处理的资源投入和农田管理的碳投入量为1 412.82 kg C·hm-2，较 S 多 51.29 kg C·hm-2（图 5-A）。S 处理小麦季年际平均碳总投入量为4.04 t C·hm-2，显著小于D处理的7.10 t C·hm-2（P＜0.05）；玉米季S处理的碳总投入量为4.96 t C·hm-2，较D处理无显著差异（P＞0.05）；S处理的周年碳总投入量为9.00 t C·hm-2，较D处理显著减少26.82%（P＜0.05）（图5-B）。D处理的小麦、玉米和周年的年际平均籽粒碳产出量分别为3.08、3.17和6.25 t C·hm-2，较S处理均无显著差异（P＞0.05）（图6-A）。D处理的小麦、玉米和周年的年际平均植株碳产出量分别为 6.87、8.87和15.74 t C·hm-2，较S处理也均无显著差异（P＞0.05）（图6-B）。

图5 不同秸秆还田方式下农田碳投入量Fig.5 Carbon input into farmland under different straw returning methods

图6 不同秸秆还田方式下籽粒和植株碳产出量Fig.6 Grain and plant Carbon production under different straw returning methods

表1 农田生产物资投入量和碳排放系数Table 1 Resource input and C index in farmland production

作物碳生产效率统计分析发现，D处理的小麦碳生产效率为0.43 kg·kg-1，显著小于S处理小麦的0.80 kg·kg-1（P＜0.05），也显著小于D和S处理的玉米（0.62和0.61 kg·kg-1）（P＜0.05）（图7-A）。S处理周年的碳生产效率为 0.69 kg·kg-1，较 D 处理显著增加37.19%（P＜0.05）。D处理的小麦碳生态效率为0.96 kg·kg-1，显著小于S处理的小麦1.70 kg·kg-1（P＜0.05）。S处理的周年碳生态效率为1.77 kg·kg-1，较D处理增加了38.63%（P＜0.05）。

图7 不同秸秆还田方式下农田碳生产和生态效率Fig.7 Farmland carbon production and ecological efficiency under different straw returning methods

2.4 农田经济效益评估

根据实际农田生产中投入物资数量和单价（表2），以小麦和玉米籽粒2.44和1.98元/kg，计算小麦、玉米和周年农田生产成本、产值和净收益（图 8）。小麦季，D和S处理的年际平均产值分别为1.79×104和 1.89×104元/hm2，年际平均净收益分别为 0.62×104和0.72×104元/hm2。玉米季，D和S处理的年际平均产值分别为 1.52×104和 1.91×104元/hm2，年际平均净收益分别为0.41×104和0.81×104元/hm2。小麦-玉米周年，S处理的年际平均产值和年际平均净收益为3.80×104和1.56×104元/hm2，分别较D处理显著增加14.81%和51.54%（P＜0.05）。

表2 农田生产投入成本Table 2 Input cost and unit price of farmland planting

图8 不同秸秆还田方式下农田产值（A）和净收益（B）Fig.8 Farmland output(A) and net income (B) under different straw returning methods

3 讨论

3.1 秸秆还田方式对作物生产的影响

秸秆还田对农田作物生产的影响复杂交互，能够为作物生长提供大量和微量元素；能够通过改善农田水温和容重等与作物生长密切相关的土壤物理性状；此外，直接的大量碳投入培肥地力的同时为土壤和根际微生物提供碳源，进而影响作物生长发育[37]。前人研究表明，玉米秸秆全量还田一方面能够增加小麦季农田氮、磷、钾元素投入量分别为39.4、28.9和109.9 kg·hm-2[38]；另一方面保墒抑蒸提高小麦季水分利用率，降低容重，提高团聚体稳定性和固碳能力[39-40]。此外，还能显著提高土壤真菌、放线菌丰度[41]，进而促进小麦根系生长、根系活力增加和物质生产能力的提升。因此，小麦秸秆单季还田（S）条件下小麦秸秆生物量较小麦、玉米秸秆双季还田（D）少 0.28 t·hm-2。孟兆良[42]研究不同秸秆还田处理对小麦-玉米周年作物收获指数的影响发现，小麦秸秆单季还田小麦收获指数大于小麦、玉米秸秆全还田处理。这就解释了本研究中S处理的平均地上部生物量在小于D的条件下，平均产量仍大于D处理。

适量、科学还田是秸秆还田促进作物产量增加和农田地力提升的重要措施之一[4,43]。秸秆还田对作物生产的影响主要体现在对根系生长、养分吸收、生育进程、生物量和产量的影响[44-46]。秸秆还田对作物生长的影响结果一定程度上取决于还田量。本研究结果认为长期小麦-玉米一年两熟种植制度下，S较D处理更有利于周年生物量和籽粒产量增加。诸多研究表明，农田秸秆还田量对作物生产的影响存在阈值，随着秸秆还田量的增加，作物产量呈现先增加后降低的趋势[47-48]。阈值的大小因土质、气候和试验条件的不同有所差异。折翰非等[49]认为降雨量偏低的农田秸秆还田量阈值为6.0—9.0 t·hm-2；郭静等[50]在黄淮海地区砂姜黑土农田发现，小麦-玉米周年60%秸秆还田能够获得玉米最高产量。参考前人研究结果，以及本研究中S和D处理的年均还田量分别为5.43和13.54 t·hm-2，S条件下获得较大周年产量的结果是合理的。导致本研究结果可能的原因是 D处理秸秆还田量过大，导致土壤C/N比失调；以及玉米季湿热条件有利于微生物活性增强，消耗了土壤氮素等营养元素，具体原因有待进一步探究。

3.2 碳投入与作物产量的稳定性和可持续性

近年来，小麦和玉米产量的增加一定程度上依赖于农业资源的增投，随之引起农田碳投入和碳排放的增加[51]。作物产量是农田生产的最终追求目标，也能够作为评价土壤内在特性的重要指标之一，用以客观评价D和S两种秸秆还田方式及碳投入对农田土壤质量的影响[52]。相关研究表明小麦和（或）玉米秸秆长期持续还田能够显著提高脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和脱氢酶等土壤酶活性，进而促进农田作物产量的稳定性和可持续性[53-55]。选择有利于农田固碳减排的措施能够促进小麦-玉米周年高度集约化生产过程中高产和环境效益双赢。本研究中D处理周年碳投入量为5.90 t·hm-2，显著大于S处理，主要是由于作物秸秆投入量的不同。在不同碳投入水平下，D处理的小麦、玉米和周年的产量稳定性指数分别为0.25、0.20和0.19，与S处理相比均无明显差异，说明秸秆还田方式不是影响作物产量稳定性的决定因素。D处理的周年产量可持续性指数为0.65，与高度集约化的麦玉轮作相同处理的试验研究认为的0.64相近[39]，说明本研究结果合理。S处理周年产量的可持续性指数为0.63，大于李硕认为的0.55，可能是西北区域与黄淮海区域气候差异，特别是降雨量差异所导致的[36]。产量可持续性指数越大持续性越好，S处理的可持续性指数与D处理没有显著差异，说明小麦秸秆单季还田没有显著影响产量的可持续性。综上所述，小麦秸秆单季还田条件下的作物碳投入能够满足农田土壤肥力提升和可持续发展的需求，这也为小麦-玉米两熟制度下玉米秸秆饲料化提供了可行性。

3.3 农田生产的碳效率和经济效益

种植制度、资源投入量、农田管理以及最终获得产出量不同，农田生产的碳效率也存在较大差异。本研究发现，小麦、玉米秸秆还田方式不同所带来的秸秆还田量不同，导致农田生产碳效率差异显著。D处理的小麦籽粒和植株碳产出量分别为 6.25和 15.74 t C·hm-2，与S处理没有显著差异，但是相对于S处理的玉米秸秆不还田导致的碳投入量明显增大，导致 S处理的小麦季碳效率（0.80 kg·kg-1）显著大于D处理（0.43 kg·kg-1）。最终表现出S处理周年碳效率为0.69 kg·kg-1，也显著高于D处理的 0.51 kg·kg-1。通过本研究S和D两种秸秆还田方式下周年碳投入和产出的比较，可以直观地看出S处理的投入少且产出高，S处理的碳效率高于D处理是合理的。碳效率是农田生产的外在表现，农田系统中还涉及到土壤固碳效率和二氧化碳、甲烷等温室气体排放以及其他碳过程[56-57]。农田土壤碳含量又直接或间接影响作物产量[58-60]，且我们长期定位试验的S和D处理的作物产量持续性和稳定性没有显著差异，因此认为S和D两种秸秆还田方式对土壤固碳量没有显著影响。但本研究没有测定土壤碳含量相关指标，尚存在不确定性，需要进一步研究阐明。当前畜牧业发展迅速，玉米秸秆饲料化具有广大的发展空间和前景。虽然S处理的玉米产量较D处理低0.40 t·hm-2，但是小麦产量较D处理高0.44 t·hm-2，同时小麦单价较玉米高，导致S处理周年作物籽粒经济产出略高于 D处理（高 278.56 元/hm2）。此外，S处理的玉米秸秆饲料化能够获得年均4 622.97元/hm2的额外经济收入。最终导致S处理的周年产值和经济收益均大于 D处理。因此，本研究认为小麦-玉米一年两熟种植制度下，小麦秸秆单季还田较小麦、玉米秸秆双季还田更有优势。

4 结论

黄淮海地区小麦-玉米一年两熟种植制度下，基于8年的长期定位试验结果表明，小麦秸秆单季还田（S）条件下作物年均周年产量高于小麦、玉米秸秆双季还田（D），两种还田处理的产量稳定性和可持续性无显著差异。同时发现，S处理的玉米秸秆饲料化降低了农田碳投入，并增加了经济收益，导致S处理的碳效益和经济效益均显著高于D处理。因此，小麦秸秆单季还田在不显著影响麦小麦-玉米周年籽粒产量及其稳定性和可持续性的前提下，能够促进农田碳效率及经济效益的协同提高。