長期秸稈配施化肥對土壤養分及小麥產量、品質的影響

房靜靜，丁維婷，武雪萍*，李曉秀，姜 宇，張繼宗，劉曉彤，奚雅靜，鄭鳳君，張孟妮，米 剛，馬獻發

（1．首都師范大學資源環境與旅游學院，北京 100048；2．中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；3．黑龍江省農業科學院，黑河分院國家土壤質量愛輝觀測試驗站，黑龍江 黑河 164300；4．東北農業大學資源與環境學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

土壤有機碳、氮素和磷素是研究土壤肥力和評價土壤質量的重要指標，也是植物生長所必需的營養元素［1］，與作物高產等密切相關。秸稈還田不僅可以直接提高土壤碳含量，還表現在還田后土壤理化性質以及作物生長的變化上，可用來判斷秸稈還田后農田土壤有機碳儲存效益有沒有實現［2］。經過長期定位試驗對土壤肥力的影響，有助于了解不同施肥措施的優良與否，進而指導生產實踐［3］。增施有機肥或秸稈還田等有機物料是緩解土壤肥力的有效手段。Li 等［4］在黃淮海平原區通過9 年長期試驗結果顯示，與初始值相比，NPK+M、NPK+S，耕層土壤（0 ～20 cm）有機碳含量分別提高了25.3%、31.82%，總氮含量提高了6.7%、10%。Gai 等［5］開展長期定位試驗發現，與試驗初始值相比，有機肥增施1 年，耕層土壤（0 ～20 cm）有機碳和總氮含量分別增加了4.2%和27.3%；連續增施27 年后，耕層土壤有機碳和總氮含量分別增加 62.6%～141.5%和31.3%～132.5%。而張振江［6］經過9 年長期定位試驗，研究認為秸稈還田配施化肥略有降低土壤有機碳的含量。王月福等［7］認為，增施氮肥可以提高小麥產量，但當施氮量達到一定值時，繼續增施氮肥，產量反而會降低。在有機物料種類及秸稈還田量和碳氮比不同的影響下，致使秸稈還田對土壤養分的影響研究結果報道不一致［8-9］，尤其是對施用年限的影響強度認識不足。黑龍江北部高寒地區為暗棕壤，其土壤比較肥沃，但長期以來土壤肥力逐年下降，添加外源有機物料對暗棕壤地區土壤碳、氮、磷庫容增強的潛力尚不明確。因此，探討秸稈還田配施化肥對暗棕壤土壤肥力的長期影響特征，對黑河地區維持土壤肥力和提高作物產量均有重要意義。本文以黑龍江農科院黑河分院40 年長期定位試驗為平臺，探討秸稈還田配施不同用量化肥對暗棕壤土壤肥力的影響特征，分析不同施肥處理春小麥產量和品質的變化。為指導該地區農業生產施肥管理和提高作物產量提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗位于黑龍江省農業科學院黑河分院內（東經127°27′，北緯50°15′），氣候類型為寒溫帶大陸性季風氣候，平均氣溫為-4.0 ～8.0℃，年均降水量為350 ～450 mm，年蒸發量平均為650 mm，無霜期105 ～120 d，全生育期為125 ～130 d，日照充足，降水集中，是典型的一年一熟區。

供試土壤:試驗地為高階臺地，土壤類型為暗棕壤，土質比較粘重，成土母質為花崗巖、安山巖、玄武巖的風化物，少量第四季黃土沉積物。試驗地耕層（0 ～20 cm）土壤基礎地力較高:有機質42.2 g/kg，全氮2.23 g/kg，全磷1.66 g/kg，堿解氮55.9 mg/kg，有效磷8.10 mg/kg，pH 值為6.12。

1.2 試驗設計

本研究為長期定位試驗，試驗于1979 年開始，1980 年種植小麥，1980 ～2002 年為小麥-小麥-大豆3 年輪作，2003 年開始改為小麥-大豆2 年輪作。小麥品種:1980 ～1983 年為克豐2 號，1985年改種為新克旱9，2000 年之后為克豐10 號；大豆品種為“黑河系列”。供試肥料:氮肥為尿素，含N 46%，磷肥為磷酸二銨，含N 18%、P2O546%，兩作物施肥量一致，上述肥料一次性施入。秸稈還田方式為:將收獲的麥稈移出試驗區，粉碎成＜10 cm 的片段，施入秸稈還田區耕層0 ～20 cm，輪作區大豆秸稈不還田；秸稈還田量設3 000 kg/hm2，不考慮秸稈氮、磷、鉀養分含量。因此，長期定位試驗共設4 個處理（表1），小區隨機排列，合計4 個大區；每個大區面積212 m2（10 根壟，壟長30 m×壟寬0.7 m）；小麥行距10 cm，株距0.9 cm，大豆行距65 cm，株距4.5 cm；小麥的密度為650 萬～700 萬株/hm2，大豆的密度為34 萬～35 萬株/hm2。

1.3 樣品采集方案

土壤采集:在小麥成熟期（2019 年8 月24日）取樣，于每個小區5 點棋盤式采樣混合，采樣深度60 cm。土樣采集后過2 mm 篩，一部分新鮮土樣-20℃冰箱保存；另一部分土樣風干，分取一部分研磨過0.149 mm 篩，用于土壤碳、氮、磷含量的分析。

表1 試驗處理方案 （kg/hm2）

植物樣采集:在小麥成熟期每個處理各隨機選一行，選取連續30 株植株，計算有效穗數和穗粒數；各處理隨機選取1.0 m2，3 次重復，計算理論產量。

1.4 測定項目與方法

土壤養分:土壤有機碳、總氮含量采用德國Elementer 元素分析儀測定；有效磷含量采用NaHCO3-鉬銻抗比色法測定。

產量及產量構成測定:各處理1.0 m2樣方內植物樣，風干后脫粒、稱重，計算理論產量。每個處理各隨機選一行，選取連續30 株植株，測量株高、穗長后，去除穗粒數≤3 粒的無效穗，計算有效穗數；脫粒所有有效穗，計算穗粒數。

籽粒品質測定:采用快速檢測儀器Perten DA9100 型整粒谷物分析儀檢測籽粒的容重、蛋白質含量、濕面筋含量、吸水率、延伸率和拉伸面積等。測定時，清除樣品雜質，重復3 次。

1.5 數據分析處理

采用Excel 2003 進行數據處理與繪圖，所有數據利用SPSS 19.0 軟件進行多因素方差分析 （ANOVA），用 Duncan 法進行樣本平均數的差異顯著性檢驗，所有數據測定結果均以平均值表示，處理間差異水平顯著為P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 長期秸稈配施化肥對土壤有機碳含量的影響

根據圖1 可知，長期秸稈配施化肥土壤有機碳含量隨著土層深度的增加呈顯著的降低趨勢。耕層土壤（0 ～20 cm）各處理土壤有機碳含量差異顯著，表現為S+NP 最高，S+1/2NP 、S+1/4NP 和NP依次降低；相比單施化肥的NP 處理，S+NP 處理土壤有機碳含量提升了17.01%；秸稈配施條件下，S+NP 相比S+1/2NP 土壤有機碳含量增加了5.96%，相比S+1/4NP 土壤有機碳含量增加了11.73%。在20 ～40 cm 土層，土壤有機碳含量的順序為S+1/4 NP＞NP＞S+NP＞S+1/2NP，但處理間差異不顯著（除S+1/4NP 外）。在40 ～60 cm 土層，土壤有機碳含量的順序為S+NP＞S+1/2NP＞NP＞S+1/4NP，各施肥處理之間差異顯著。

圖1 不同施肥處理土壤剖面土壤有機碳變化

2.2 長期秸稈配施化肥對土壤總氮含量的影響

長期定位施肥總氮含量隨著土層深度的增加呈逐漸降低趨勢（圖2）。耕層土壤（0 ～20 cm）各處理總氮含量順序表現為:NP 最高，依次為S+NP、S+1/2NP、S+1/4NP。S+NP 與NP 處理間差異不顯著；秸稈配施條件下，S+NP 處理相比S+1/2NP 處理土壤總氮含量增加了1.20%，相比S+1/4NP 處理土壤總氮含量增加了3.12%，且S+NP、S+1/2NP和S+1/4NP 處理間差異顯著。說明減少氮用量會降低0 ～20 cm 土層總氮含量。在20 cm 以下，秸稈配施化肥土壤總氮含量變化順序為S+1/4NP＞S+1/2 NP＞S+NP。在20 ～40、40 ～60 cm 土層，土壤總氮含量處理間變化差異不顯著（除20 ～40 cm 土層的S+1/4NP 處理外）。

圖2 不同施肥處理土壤剖面總氮含量變化

2.3 長期秸稈配施化肥對土壤有效磷含量的影響

土壤有效磷是土壤供磷能力的一項重要指標。根據圖3 可知，不同施肥處理土壤有效磷含量隨著土層深度的增加呈顯著降低趨勢，但在20 ～40、40 ～60 cm 土層，土壤有效磷含量沒有顯著降低趨勢，除20 ～40 cm 的S+NP 處理、40 ～60 cm的NP 處理外；其他各施肥處理之間差異不顯著。在耕層土壤（0 ～20 cm），各施肥處理土壤有效磷含量差異顯著，表現為S+NP＞NP＞S+1/2NP＞S+1/4NP。與NP 相比，S+NP 處理土壤有效磷含量增加了12.1%。說明在等量施用化肥的基礎上，配施秸稈可以顯著增加0 ～20 cm 土壤有效磷含量。秸稈配施化肥條件下，S+NP 相比S+1/2NP 土壤有效磷含量增加了5.63%，相比S+1/4NP 有效磷含量增加了10.45%。

圖3 不同施肥處理土壤剖面有效磷含量變化

2.4 長期秸稈配施化肥對小麥籽粒產量的影響

由表2 可知，不同施肥處理對春小麥產量及其構成因素有顯著的影響。NP、S+NP 處理產量高于其他處理；相比單施化肥的NP 處理，S+NP 處理產量增加約3.51%，秸稈配施化肥條件下，相比NP 處理，S+1/2NP 和S+1/4NP 施肥處理分別減產25.91%、45.51%。該結果說明在施氮、磷化肥的基礎上，秸稈還田對小麥產量有一定的影響，這與往年的試驗結果一致［10］。與NP 處理相比，小麥株高、穗長和穗粒數S+NP 處理均顯著增高（除小麥穗數外）。在秸稈還田條件下，小麥的株高、穗長、穗數和穗粒數均在S+NP 處理相對較高，在S+1/4NP 處理下最小。綜上所述，各施肥處理小麥產量表現為:S+NP＞NP＞S+1/2NP＞S+1/4NP，且各施肥處理呈顯著差異。即S+NP 與NP 兩個處理產量及其構成因素較高，其中以S+NP 最高。

2.5 長期秸稈配施化肥對小麥籽粒品質的影響

由表3 可知，各施肥處理的小麥品質中濕面筋、蛋白質含量分別達到了24%、11%以上，即達到中筋小麥品質要求，并且各施肥處理對春小麥籽粒品質的影響水平不顯著。在秸稈還田配施化肥條件下，蛋白質含量、濕面筋含量、延伸率和拉伸面積均以S+NP 處理相對較高，S+1/4NP 處理最小（除延伸率外），而容重和吸水率S+1/4NP 處理最高。以上結果表明，4 個不同施肥處理對籽粒品質影響不顯著，但以NP、S+NP 處理小麥籽粒品質相對較好。

表2 不同施肥處理小麥產量性狀

表3 不同施肥處理小麥品質

3 討論

有機物料一直被提倡和實踐用來改善土壤肥力，提升土壤碳、氮庫容。秸稈還田后，土壤會有大量的微生物進行繁殖，形成土壤微生物活動層，加速對秸稈中有機態養分的分解釋放，提高土壤有機碳含量［11］。例如，Hua 等［12］研究結果表明，在31 年長期定位試驗中，與 NPK 相比，增施豬糞、牛糞和秸稈還田能夠使0 ～100 cm 土壤碳庫分別提升 31.8%、51.6%、18.2%。本試驗結果與上述研究一致，經過多年種植后，在小麥成熟期（2019年），相比單施化肥，秸稈還田配施化肥顯著增加了耕層土壤有機碳含量，且不同施肥量對土壤有機碳含量變化有顯著的影響，這與梁國鵬等［13］、李文西等［14］的研究結果一致，主要是在每輪小麥年限收獲后進行秸稈還田，為土壤補充部分外源有機碳，增加了與秸稈還田相關的土壤有機碳庫。秸稈配施化肥比單施化肥明顯增加有機碳含量，但從全氮含量來看，單施化肥比秸稈配施化肥更高。主要是秸稈腐熟是有機質的分解過程，有機碳的分解需要達到一定的碳氮比條件，這就會消耗土壤中一部分的氮，并且由于秸稈腐解的微生物區系不同，好氣條件下微生物分解秸稈的效率較低，固定的氮較多，而嫌氣微生物分解秸稈的效率較高，同時固定氮較少［15］。另一方面，秸稈中含有大量的活性碳和氮，有助于土壤氮的固定；而化肥的施用促進了土壤氮的礦化［16］，但礦化養分受作物種植系統中土壤碳供應不足的影響［17］，可能會限制土壤微生物固定部分氮素［18］，易導致較高氮的損失［19］。所以在多雨的年份，很大程度受土壤特性、氣候、溫度等因素的影響，秸稈配施化肥使土壤固定的氮含量有所下降。因此，通過優化施肥，提高土壤有機質含量，增強土壤氮的固定潛力對農田生態系統至關重要。S+NP、NP 處理的土壤有效磷含量顯著高于其他施肥處理，而S+NP 效果優于NP，與前人的研究結果一致，如劉京［20］、潘艷婷等［21］研究表明，長期秸稈還田配施化肥處理耕層土壤有效磷含量比單施化肥處理平均增加27.3%～35.5%。主要在于長期施用含磷素配合的肥料，提高了土壤有效磷含量，且相對而言磷的移動性和損失較小。

秸稈還田作為一種有機養分資源投入，雖沒有提供給作物所需充足的氮、磷、鉀養分，僅是其中的一部分，但還是通過提供有機質等改善土壤的理化性質并提高小麥產量，且在化肥的配合下，能使土壤肥力持續發揮其增產潛力［22］。本研究表明，秸稈還田配施化肥的處理作物產量顯著高于單施化肥，結果支持前人的研究［10，23］。我國其他地區的相關研究也證明了秸稈還田對小麥有增產作用［24-26］。例如，Zhang 等［27］通過長達11 年的8 個試驗點的長期定位試驗發現，和NPK 相比，在 NPK 基礎上增施有機肥能夠提高小麥產量3.1%，對春小麥品質也有一定的維持和促進作用［28］。即有機物料的施入水平是影響土壤碳、氮含量的主要因子，在施用氮肥的同時應當采取秸稈還田措施以保證土壤C/N 平衡，防止因過量施氮造成土壤有機碳含量下降而影響作物的正常生長。

4 結論

經過40 年長期定位試驗，在小麥成熟期（2019 年），與NP 處理相比，秸稈配施化肥處理S+NP 顯著增加了0 ～20 cm 土壤有機碳含量與有效磷含量；秸稈配施條件下，0 ～20 cm 土層土壤有機碳、總氮和有效磷含量表現為S+NP＞S+1/2 NP＞S+1/4NP，而 對 于20 ～40、40 ～60 cm 土 層土壤養分含量差異表現不一致，即秸稈配施化肥對提高耕層土壤碳、氮含量有積極效應。長期不同施肥處理對春小麥產量及其構成因素有顯著的影響，以S+NP 處理春小麥籽粒產量最高；不同施肥和秸稈還田對春小麥籽粒容重、蛋白質含量、濕面筋含量、吸水率、延伸率和拉伸面積等品質指標影響不顯著。綜合分析各處理結果，S+NP 處理相比其他處理對于維持小麥產量以及土壤肥力有一定的促進作用。

綜上所述，由于本試驗設立于1979 年，隨著農業的發展，農田土壤的施肥量發生了較大的變化，使得S+1/2NP、S+1/4NP 處理的施肥量過低，而與現在的農業生產有些不符，且秸稈還田對于土壤肥力、作物產量等的影響由于氣候、土壤類型、種植管理制度等因素而不同。因此，建議生產上應該采取增施有機肥料、秸稈全量還田、合理確定化肥用量、有機無機相結合的措施，補充土壤碳、氮含量，保障土壤養分平衡。