秸秆还田和施肥对冬小麦-夏大豆轮作系统培肥与生产效益的影响

徐郗阳 宋佳杰 于琦 白金泽 焦小盈 张志浩 任广鑫 冯永忠

摘 要 为探明秸秆还田和化肥施用对冬小麦-夏大豆轮作系统土壤培肥和生产效益的影响，于2020-2022年在关中平原开展田间定位试验，设置秸秆不还田不施肥（S0F0）、秸秆不还田常规施肥（S0F1）、秸秆还田配合常规施肥（S1F1）和秸秆还田配合减量施肥（S1F0.8）4个处理。利用静态暗箱-气相色谱法监测土壤N2O排放通量，综合分析土壤养分、作物产量和土壤N2O排放，明确秸秆还田配施化肥在土壤培肥、增产减排方面的效应。结果表明，秸秆还田和施肥通过显著提高土壤有机质（SOM）、全氮（TN）、全磷（TP）、硝态氮（NO-3-N）、铵态氮（NH+4-N）、速效磷（AP）含量来促进土壤培肥。与S0F0相比，S1F0.8和S1F1处理提高土壤综合肥力314.24%～317.12%、330.58%～384.98%；S1F0.8和S1F1处理显著提高冬小麦产量  80.29%～  101.25%、82.50%～107.66%，提高夏大豆产量25.31%～34.72%、36.93%～45.20%；S0F1、S1F0.8、S1F1均显著增加土壤N2O累积排放量和种植系统温室气体排放强度，但S1F0.8较S0F1、S1F1处理显著降低土壤N2O累积排放量和种植系统温室气体排放强度；S1F0.8和S1F1处理提高生产效益  75.09%～75.88%、67.54%～114.23%。综上，秸秆还田配合常规施肥（S1F1）是关中平原麦-豆轮作系统土壤培肥的有效方式；但依照国家降低化肥施用量的要求来说，秸秆还田配合减量施肥（S1F0.8）是关中平原  麦-豆轮作系统增产、减排、提高收益的推荐方式。

关键词 土壤肥力；秸秆还田；N2O排放；冬小麦-夏大豆轮作

中国以世界7%耕地面积种植的粮食养活了全球19%的人口。作为中国重要的粮食生产基地，关中平原地区以施肥手段来获得粮食高产。然而盲目大量施用化肥，不但造成土壤养分失调，土壤综合肥力降低，农田生产力下降，还会促使农田N2O排放增加[1]。因此，探索合理的施肥制度能有效降低N2O排放、促进土壤肥力和作物增产，是实现关中平原地区培肥、增产减排增收的重要途径。

施肥可以改善作物养分吸收，保障作物生长发育，从而提高作物产量。但化肥的投入会增加农田温室气体的排放，氮肥对农田温室气体排放的贡献率达50%[2]，是农业土壤N2O排放的重要来源。减施氮肥则能有效降低N2O累计排放量[3]。秸秆是来源丰富的生物质肥料资源，长期秸秆还田不仅能优化土壤孔隙，达到保水保墒的作用[4]，还能显著提高土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、有效磷含量[5]。然而，单一秸秆还田释放的养分不能满足作物生长的养分需求，作物增产效果不显著甚至减产[6]。因此，秸秆还田配施化肥成为重要的土壤培肥、作物增产措施。研究发现，秸秆还田配施中量氮肥显著提高土壤有机质（SOM）和速效钾（AK），并促进作物增产。7  a定位试验结果表明，长期秸秆还田配施化肥显著提高土壤SOC、TN和速效磷（AP）含量[7-8]。然而，秸秆还田配施化肥对N2O排放的影响尚无统一定论。人们普遍认为，秸秆分解过程中添加外源氮素能够促进土壤氮素矿化形成矿物氮，增加N2O排放[9]；但也有人认为，添加氮肥虽然促进秸秆分解，但秸秆分解产生的化感物质（Allelochemical）会抑制N2O排放[10]；也有部分研究者认为增施秸秆还田不影响土壤N2O排放[11]。

目前，人们对土壤肥力的研究多集于土壤某一养分含量，而缺少对土壤综合肥力的研究。此外，多数研究中在研究秸秆还田和施肥对种植系统环境效应和经济效益的影响时，主要用温室气体累计排放量或排放强度来简单表示环境效益，用籽粒产值与农业生产成本之差表示种植系统的生产效益，而忽略温室气体排放所导致的环境修复成本[12]。因此，本研究基于秸秆还田和施肥田间定位试验，综合比较秸秆不还田不施肥（S0F0）、秸秆不还田常规施肥（S0F1）、秸秆还田配合常规施肥（S1F1）和秸秆还田配合减量施肥（S1F0.8）处理下，冬小麦-夏大豆轮作体系土壤培肥效应、作物产量、温室气体排放及经济效益的影响，旨在为关中平原冬小麦-夏大豆轮作体系土壤培肥、增产减排增收提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

在陕西省西北农林科技大学校农作一站开展研究（E108°06′，N34°16′）。该地区属于半干旱半湿润地区，年均温12.9 ℃，年降水量约660 mm，日照2 163.5 h，年均蒸发量993.2 mm，湿润指数0.64。根据中国土壤系统分类，土壤质地为粉砂质粘壤土，试验地土壤为塿土。2011年长期定位试验开始前土壤基础理化性质为：有机质 17.58 g·kg-1，全氮 0.7 g·kg-1，全磷 0.65 g·kg-1，碱解氮 3.7 mg·kg-1，速效磷 1.08 mg·kg-1。试验开展期间月均温和降水量如图1所示。

1.2 试验设计

冬小麦-夏大豆轮作长期定位试验开始于2011年，本试验研究周期为2020年10月至2022年9月。冬小麦于2020年10月24日和2021年10月24日播种，于2021年6月6日和2022年6月7日收获，播量210 kg·hm-2；夏大豆于2021年6月13日和2022年6月12日播种，于2021年9月30日和2022年9月28日收获，播量  97.50 kg·hm-2。冬小麦供试品种为‘西农889，夏大豆供试品种为‘秦豆9号。

试验在免耕条件下设置秸秆不还田不施肥（S0F0）为对照，秸秆不还田常规施肥（S0F1）、秸秆还田配合常规施肥（S1F1）和秸秆还田配合减量施肥（S1F0.8）共4个处理。各处理小区面积均为108 m2。秸秆还田处理为前茬作物收获后，利用秸秆粉碎机将小区内所有作物秸秆粉碎，覆盖还田；秸秆不还田处理为前茬作物收获后，人工拔出所有根茬。冬小麦秸秆中碳氮含量分别为植株干质量的44.4%、0.66%；夏大豆秸秆氮含量分别为植株干质量的45.35%、1.05%。供试肥料为尿素（N 46%）、 磷酸二铵（P2O5 46%，N 18%）。冬小麦使用尿素和磷酸二铵作为基肥于播种前施用，夏大豆使用磷酸二铵作为追施于拔节期施用。各处理秸秆还田量和施肥量如表1所示，试验期间无灌水，依据田间实际情况进行除草和病虫害防治。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 N2O测定 采用静态箱-气相色谱法测定土壤N2O排放通量。静态箱为体积0.125 m2的正方体不锈钢箱，在冬小麦和夏大豆播种后，立即埋入各小区中间作物行间位置土壤中，并保证土壤和静态箱底座凹槽间无缝隙。箱体外覆反光材料，以降低取气过程中由于阳光照射而造成箱体内温度升高对N2O排放的影响。取气时间均为上午9：00-10：00，在施肥后每2 d采集1次，10 d后每周采集1次，土壤N2O排放通量恢复到稳定水平后每30 d采集1次。

1.3.2 作物产量测定 冬小麦、夏大豆收获时，每小区均取2 m2地上部样方，风干脱粒，测定产量。

1.3.3 土壤养分测定 于冬小麦、夏大豆关键生育期和收获期，通过“5点取样法”采集0～20 cm土层土样，使用重铬酸钾容量法测定土壤SOM含量，凯氏消解法测定土壤TN含量，用H2SO4-HClO4消解法测定土壤全磷（TP）含量，使用  1 mol·L-1KCL浸提-高分辨率自动分析仪（AA3）测定土壤NO-3-N和NH+4-N含量，使用  0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-钼蓝比色法测定土壤AP含量[13]。

1.4 土壤肥力评价

依据研究区域实际情况选取土壤SOM、TN、TP、NO-3-N、NH+4-N、AP作为土壤肥力等级评价指标。用相关系数法计算各指标评价权重，采用模糊数学理论确定指标隶属度，以指数和法计算土壤综合肥力指数[14]。

1.4.1 评价指标权重确定 权重计算方法有主成分分析法、 熵值法、AHP层次法、CRITIC权重法、相关系数法等。本研究通过SPSS软件分析各评价指标之间的相关系数（表2）来计算各指标权重，2020-2021、2021-2022年土壤SOM、TN、TP、NO-3-N、NH+4-N、AP的权重值分别为0.16、0.16、0.18、0.15、0.18、0.17和0.18、0.15、0.19、0.17、0.17、0.15。

1.4.2 评价指标隶属度确定 根据模糊数学理论，土壤SOM、TN、TP、NO-3-N、NH+4-N、AP选择S型函数模型计算隶属度，隶属度函数表达  式为：

fx=1.0             x≥x20.1+0.9x-x1/x2-x1 x1

式中：x1、x2为隶属函数拐点值。参考前人研究和全国第二次土壤普查养分分级标准[14]，结合实际研究，本研究隶属度函数拐点值如表3所示。

1.4.3 综合评价指数计算 指数和法是划分土壤肥力等级最常用的方法，计算公式如下：

IFI=∑fi×ai

式中：IFI为土壤肥力综合评价指数，fi为第i个评价指标隶属度，ai为第i个评价指标  权重。

1.4.4 土壤肥力等级划分 土壤综合肥力指数IFI为0～1，土壤综合肥力指数值越大，则土壤综合肥力越高。根据全国农业地力等级划分标准，结合陕西土壤质量的特点，将陕西省土壤肥力质量划分为8个等级（表4）[15]。

1.5 数据计算

1.5.1 产量计算 粮食能源产量（GJ·hm-2）= 冬小麦产量×籽粒热值+夏大豆产量×籽粒热值

式中：产量单位为kg·hm-2；冬小麦和夏大豆籽粒热值分别为15.7 MJ·kg-1和20.7   MJ·kg-1；粮食能源产量能够调节不同作物之间的产量差异[16]。

1.5.2 温室气体排放 FN2O=ρ×h×273/273+T×dc/dt

C（N2O）=Fi+Fi+1/2×24×n

GHG=298×CN2O

GHGI=GHG/粮食能源产量

式中：FN2O为N2O排放通量，μg·m-2·h-1；ρ为标准状态下N2O的密度；h为静态箱顶部距离土壤表面的高度；T为地下5 cm土壤温度；dC/dt为采样期间N2O浓度的变化率。CN2O为N2O累积排放量，kg·hm-2；Fi和Fi+1分别为第i次和i+1次测量的N2O释放速率（μg·m-2·h-1）；n为相邻2次测量间隔时间（d）；24为小时转化为天。GHG为温室气体排放总量（kg·hm-2）；GHGI为种植系统温室气体排放强度（kg·GJ-1）[17]。

1.5.3 经济效益 净生态系统经济预算  （元·hm-2）=籽粒收益-温室气体成本-农业成本

式中：籽粒收益由冬小麦价格乘以实际产量计算得出；温室气体成本是根据N2O累计排放量乘以N2O修复价格（83.36 元·kg-1）计算得出[12]；农业成本包括种子、化肥、农药、机械和劳动力成本。净生态系统经济预算常被用来估算种植系统经济效益[17]。

1.6 统计与分析

采用Excel 2021和SPSS 26.0进行数据的记录和分析，采用LSD法进行处理间显著性分析（P<0.05），采用Origin 2022软件进行数据的可视化操作。数据均为“平均值±标准差”。

2 结果与分析

2.1 土壤养分与土壤肥力

单施化肥或秸秆还田配施化肥处理显著提高土壤养分（表5，P＜0.05）。土壤SOM、TN、TP含量变化趋势一致，均表现为S1F1＞S1F0.8＞S0F1＞S0F0。较S0F0相比，S0F1、S1F0.8、S1F1处理提高土壤SOM含量8.56%～14.30%、  27.06%～40.67%、51.12%～57.19%。  S1F0.8、S1F1处理提高土壤TN含量24.63%～  30.41%、41.76%～57.19%。S0F1、S1F0.8、S1F1处理提高土壤TP含量12.56%～28.57%、  20.78%～36.36%、28.14%～45.03%。单施化肥或秸秆还田配施化肥处理提高土壤NO-3-N、NH+4-N含量151.31%～256.31%、41.18%～213.85%。S1F1较S0F1处理降低土壤NO-3-N含量1.68%～6.30%，提高土壤NH+4-N含量13.84%～41.57%。单施化肥或秸秆还田配施化肥处理提高土壤AP含量50.37%～128.44%。土壤肥力表现为S1F1＞S1F0.8＞S0F1＞S0F0。与S0F0相比，S0F1、S1F0.8、S1F1处理提高土壤肥力102.40%～207.53%、314.24%～317.12%、330.58%～382.98%。

2.2 作物产量

单施化肥或秸秆还田配施化肥均显著提高作物产量和粮食能源产量（图2，P＜0.05）。单施化肥或秸秆还田配施化肥处理冬小麦产量为  4 200.00～6 440.00 kg·hm-2，S0F1、S1F0.8、S1F1处理提高冬小麦产量53.28%～70.94%、80.29%～101.25%、82.50%～107.66%。2021年，S1F1较S1F0.8处理显著升高冬小麦产量，但2022年，S1F1较S1F0.8处理显著降低冬小麦产量（图2-A）。单施化肥或秸秆还田配施化肥处理夏大豆产量为2 626.67～3 325.00 kg·hm-2，S0F1、S1F0.8、S1F1处理提高夏大豆产量  8.99%～28.62%、25.31%～34.72%、36.93%～  45.20%，夏大豆产量随施肥量增加而增加（图2-B）。单施化肥或秸秆还田配施化肥处理作物周年产量为7 145.50～9 460.00 kg·hm-2，S0F1、S1F0.8、S1F1处理提高作物周年产量42.06%～44.33%、59.54%～68.63%、62.92%～79.22%（图2-C）。S0F1、S1F0.8、S1F1处理提高粮食能源产量40.07%～40.36%、56.40%～63.41%、59.80%～74.92%（图2-D）。

2.3 N2O排放

各处理土壤N2O排放通量的动态变化规律均显示（图3），冬小麦施肥7 d后土壤N2O排放通量出现峰值，且最高峰值均为S1F1处理  （512.61 μg·m-2·h-1、949.70 μg·m-2·h-1），施肥30 d后排放通量降到稳定且较低水平。夏大豆施氮量低，N2O排放通量无明显峰值。单施化肥或秸秆还田配施化肥显著提高土壤N2O累积排放量和温室气体排放强度（表6，P＜0.05）。土壤N2O累积排放量在1.08～3.63   kg·hm-2范围，各处理土壤N2O累积排放量表现为S1F1＞S1F0.8＞S0F1＞S0F0。与S0F0相比，S0F1、S1F0.8、S1F1处理提高N2O累积排放量  130.55%～226.09%、129.01%～192.13%、  176.46%～235.52%，但S1F0.8较S0F1、S1F1处理降低N2O累积排放量0.67%～10.41%、12.93%～17.17%。各处理温室气体排放强度表现为S0F1＞S1F1＞S1F0.8＞S0F0。与S0F0相比，S0F1、S1F0.8、S1F1处理提高温室气体排放强度 64.42%～132.78%、46.65%～78.69%、58.05%～109.85%，但S1F0.8较S0F1、S1F1处理降低温室气体排放强度10.80%～14.85%、  7.21%～14.85%。

2.4 生产效益

施肥或秸秆还田配施化肥处理显著增加籽粒收益、温室气体排放成本和生产效益（表7，P＜  0.05）。施肥或秸秆还田配施化肥处理籽粒收益为23 127.50～28 180.00元·hm-2，温室气体排放成本为217.64～302.52元·hm-2，生产效益为5 182.45～11 744.06 元·hm-2。与S0F0相比，S0F1、S1F0.8、S1F1处理提高 生产效益  31.04%～52.79%、75.09%～75.88%、67.54%～  114.23%。

2.5 土壤养分对N2O排放与产量的影响

相关分析发现（表8），土壤N2O排放量与土壤TP、NO-3-N、NH+4-N呈极显著正相关关系  （P＜0.001），与土壤SOM、TN呈极显著正相关关系（P＜0.01）；作物产量与土壤SOM、TN、TP、NO-3-N、NH+4-N呈极显著正相关关系（P＜0.001），与土壤AP呈极显著正相关关系（P＜  0.01）。回归分析发现（表9），土壤NH+4-N对N2O排放量影响最大；土壤TP对作物产量影响最大。

3 讨  论

3.1 秸秆还田和施肥对土壤肥力的影响

有机物料还田能够扩大土壤养分库容，常被用来增强土壤肥力。秸秆作为最常见的有机物料，还田后促进土壤耕层形成微生物聚集层，微生物活动加速秸秆腐解从而释放大量有机态养分[18]。研究发现，单施化肥或秸秆还田配合施肥均显著增加土壤SOM，且秸秆还田配施化肥较单施化肥处理土壤SOM增幅更大[17]。本研究中土壤SOM含量变化为S1F1＞S1F0.8＞S0F1＞S0F0，与上述研究一致。这可能是作物秸秆还田为土壤补充外源有机物质，增加了土壤碳库；同时长时间单施化肥使得土壤有机质加速分解，土壤微生物对土壤原有有机物质利用增加，而土壤新生成有机物质有限，因此秸秆还田配施化肥较单施化肥土壤SOM增加显著。施肥和秸秆还田显著提高土壤氮素，单施化肥较秸秆还田配施化肥处理土壤TN更高[19]，但高丽超等[20]认为秸秆还田配施化肥较单施化肥处理土壤TN更高，同本研究秸秆还田配施化肥显著提高土壤TN含量的结果一致。这可能是秸秆本身就含有氮素，还田腐解后的氮素释放引起土壤氮素矿化的正激发效应，强化土壤的供氮能力[21]。NO-3-N是作物吸收的主要氮形式。研究表明，长期大量施肥会造成NO-3-N、NH+4-N在土壤大量累积。盖霞普等[22]研究发现，秸秆还田对土壤NO-3-N具有固持作用，秸秆还田后表层土壤NO-3-N含量增加。本研究发现，S0F1、S1F1、S1F0.8处理显著提高土壤NO-3-N、NH+4-N含量，但相比于S0F1处理，S1F1使土壤NO-3-N在一定范围呈降低趋势，而NH+4-N在一定范围呈上升趋势。这一方面可能秸秆还田促进土壤微生物群的形成以加强土壤对NH4+的固定，减少NO-3-N的积累[23-24]；另一方面可能是秸秆还田改善土壤孔隙比例，在降水后使得土壤NO-3-N随水分下渗淋溶损失。施肥或秸秆还田配施化肥显著提高土壤TP、AP含量。施磷肥是提高土壤磷含量的主要措施。秸秆还田通过改善土壤环境条件与养分状况来影响土壤微生物数量和磷酸酶活性[25]，以此促进土壤中稳活性和非活性磷的活化来降低土壤矿物对磷的固定，从而增加土壤无机磷溶解，进而调节土壤磷的循环[26]。赵小军等[27]研究发现，秸秆还田能促进其他形态的磷转化为土壤AP，在0～15 cm土层中，AP增加27%。此外，秸秆还田还通过减少因侵蚀、径流或淋溶而造成的磷损失[28]。与单一土壤养分相比，土壤综合肥力更能真实有效反映土壤肥力状况。本研究发现，S1F1、  S1F0.8处理显著提高土壤综合肥力，同前人冬季绿肥覆盖能够显著提高土壤综合肥力的结论一致[29]。依照陕西省土壤肥力标准划分（表4），S1F1、S1F0.8处理土壤综合肥力达到1级，由此表明，长期秸秆还田配施化肥处理能显著提高土壤养分含量，增强土壤肥力[15]。

3.2 秸秆还田和施肥对产量的影响

长期定位试验作物产量受施肥和秸秆还田共同影响。秸秆还田配施化肥能够促进土壤肥力持续发挥其增产潜力[22，30]，究其原因是秸秆还田配施化肥能有效提高土壤SOM、TN、TP、NO-3-N、NH+4-N和AP养分，而这些养分与作物产量呈极显著正相关关系。本研究中，S1F1、  S1F0.8处理冬小麦增产最显著，在2022年，S1F0.8较S1F1处理冬小麦产量高。这一方面是常规施肥处理施肥量过高，造成部分冬小麦贪青徒长，生长后期倒伏减产；另一方面是高施肥量使得土壤累积过多无机氮，造成作物对氮素的奢侈吸收而并没有产生实际肥效，出现增氮不增产或增产不显著的现象[31]。也有研究认为，长期高施氮量处理降低20%施氮量不会对小麦产量产生明显影响[32]。因为随秸秆逐年还田，土壤碳汇功能逐渐增强从而提升土壤肥力，化肥减量对作物产量的影响降低，秸秆还田能在一定程度代替化肥[33]。这表明，关中地区冬小麦实施秸秆还田配合减量施肥具有必要性。本研究中，S1F1、S1F0.8处理显著增加夏大豆产量。前人研究发现，施磷肥显著提高大豆单株荚数和单株粒数，且施磷120   kg·hm-2时，大豆产量最佳[34]。秸秆还田不仅提高土壤磷素含量，还促进大豆根系生长并优化根系在土壤空间的分布，提高大豆对土壤养分和水分利用，促进干物质积累[35-36]，为大豆增产奠定基础。本研究中夏大豆施磷量较低，故此为保证关中地区夏大豆产量，还需在现有施肥量的基础增施磷肥。

3.3 秸秆还田和施肥对N2O排放的影响

各处理土壤N2O累积排放量在1.08～3.63 kg·hm-2，基本符合中国西北旱地N2O累积排放量[37]。农田土壤释放N2O最主要的途径是硝化与反硝化作用，NO-3-N、NH+4-N是硝化与反硝化作用的底物，其含量不仅影响N2O生成速率，还会影响产物中N2O所占比例。本研究发现，土壤N2O排放通量同土壤SOM、TN、TP、NO-3-N、NH+4-N呈现极显著正相关关系，冬小麦在施用尿素和磷酸二铵后出现N2O排放通量峰值，且N2O排放量随施肥量增加而增加[38]。原因是施肥后土壤SOM和P含量增加提高土壤微生物生长繁殖，同时土壤NH+4-N显著增加促进土壤氨氧化细菌即刻生长，氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）通过提高氨氧化速率，产生大量N2O[39]；同时由反硝化过程产生的NO-3-N大量累积也能够促进N2O转化生成[40]。夏大豆使用磷酸二铵追肥，N2O无明显峰值，可能是氮投入量较少，且追肥时没有对土壤进行松耕，土壤通气透水性差，且土壤NO-3-N、NH+4-N含量低，硝化与反硝化过程受到抑制。本研究发现，秸秆还田促进N2O排放。一方面是秸秆还田有助于抵消土壤碳储存的气候效应，增加土壤N2O排放[41]；另一方面秸秆还田产生的有机质促进土壤微生物活动，在短时间内消耗土壤大量氧气形成厌氧环境，促进反硝化N2O转化率。反硝化细菌中绝大多数为化能异养型，外源添加的有机物质保证了充足的电子供体与能量供应，加剧反硝化作用进程而促进N2O排放[42]。本研究中，  S0F0.8较S0F1、S1F1处理显著降低种植系统温室气体排放强度，这可能是S1F0.8较S0F1、S1F1处理显著降低N2O累积排放量并提高作物周年产量导致的。

3.4 秸秆还田和施肥对生产效益的影响

作物高产、生态环境良好和高经济效应是农业生产的重要目标。多数研究者在衡量农业生产效益时，仅考虑生产成本投入，而忽视由温室气体排放造成的环境修复成本[43]。本研究通过对作物籽粒收益、生产成本以及N2O环境修复成本综合分析发现，秸秆还田配施化肥处理显著提高生产效益。可能是各处理N2O环境修复成本较低，各处理对生产效益的影响主要受生产成本和籽粒收益的共同作用。

4 结  论

秸秆还田配施化肥处理不仅能够培肥地力，还能获得良好的生产效益。S1F0.8处理提高土壤肥力314.24%～317.12%，提高周年产量  59.54%～68.63%，提高生产效益75.09%～  75.88%。S1F1处理提高土壤肥力330.58%～  382.98%，提高周年产量62.92%～79.22%，提高生产效益67.54%～114.23%。S1F0.8和S1F1显著提高土壤N2O累积排放量和种植系统温室气体排放强度，但S1F0.8较S1F1处理降低土壤N2O累积排放量和种植系统温室气体排放强度12.93%～17.17%，7.21%～14.85%。因此，秸秆还田配合常规施肥（S1F1）是关中地区土壤培肥的推荐处理；但从国家降低化肥施用和生产效益角度来看，秸秆还田配合减量施肥  （S1F0.8）是关中地区冬小麦-夏大豆轮作系统增产、减排、提高收益的推荐方式。

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Effects of Straw Returning and Fertilization on Soil Fertility and Production

Efficiency in Winter Wheat/Summer Soybean Rotation System

XU Xiyang1，2，SONG Jiajie1，2，YU Qi1，2，BAI Jinze1，2，JIAO Xiaoying1，2，

ZHANG Zhihao1，2，REN Guangxin1，2 and FENG Yongzhong1，2

（1.College of Agronomy， Northwest A&F University，Yangling  Shaanxi 712100， China;

2.Shaanxi Engineering Research Center of Circular Agriculture，Yangling  Shaanxi 712100， China）

Abstract To investigate effects of straw returning combined with fertilizer on field fertility and production efficiency in winter wheat-summer soybean rotation system，field trials were conducted in Guanzhong Plain from 2020 to 2022. Four treatments were set：no straw returning with no fertilizer （S0F0）， no straw returning with traditional fertilizer （S0F1）， straw returning with traditional fertilizer （S1F1） and straw returning with reduced fertilizer （S1F0.8）. Soil N2O emission rates were monitored using the static chamber-chromatography method. Soil nutrients， crop yield and soil N2O emission were comprehensively analyzed to assess the effect of straw returning with fertilizer on soil fertility， yield and emission reduction. The results showed that straw returning and fertilization enhanced soil fertility by means of significantly increasing the content of organic matter （SOM）， total nitrogen （TN）， total phosphorus （TP）， nitrate nitrogen （NO-3-N）， ammonium nitrogen （NH+4-N） and available phosphorus （AP）. Compared to S0F0 treatment， the comprehensive soil fertility of S1F0.8 and S1F1 treatment significantly increased by 314.24%-317.12% and 330.58%-384.98%， respectively. Correspondingly， S1F0.8 and S1F1 treatment significantly increased the yield of winter wheat by 80.29%-101.25% and 82.50%-107.66%， and increased the yield of summer soybean by   25.31%-34.72% and 36.93%-45.20%. S0F1， S1F0.8 and S1F1 treatment significantly increased cumulative N2O emissions and greenhouse gases （GHG）. However， compared with S0F1 and S1F1 treatments， S1F0.8 significantly reduced cumulative N2O emissions and greenhouse gas intensity （GHGI）. Compared with S0F0， S1F0.8 and S1F1 treatment significantly increased production efficiency by 75.09%-75.88% and 67.54%-114.23%. In conclusion， straw returning with traditional fertilization （S1F1） improves soil nutrient content， which is an effective method for enhancing soil fertility in winter wheat-summer soybean rotation system in Guanzhong Plain. However， in according with the national requirement to reduce the application of chemical fertilizer， straw returning with reduced fertilizer （S1F0.8） is the recommended to increase yield， decrease N2O emissions and enhance production efficiency in Guanzhong Plain.

Key words Soil fertility; Straw returning; N2O emission; Winter wheat and summer soybean rotation

Received  2023-01-01    Returned 2023-03-22

Foundation item The National Natural Science Foundation of China（No.31971859）; Science and Technology Innovation Drive Project of Shaanxi Province：Construction and Demonstration of Eco-Cycle Agricultural Technology Model in Shaanxi Province （No.NYKJ-2022-YL（XN）34）; the Key Research and Development Project of Ningxia Hui Autonomous Region（No.2019BBF02007）.

First author XU Xiyang，female，master student.Research area：efficient farming system.E-mail：2535903841@qq.com

Corresponding   author REN Guangxin，male，Ph.D，associate professor.Research area：agroecology，agricultural regional development and circular agriculture.E-mail：rengx@nwsuaf.edu.cn

（责任编辑：成 敏 Responsible editor：CHENG  Min）