豆麥輪作下連續(xù)施肥和麥秸還田對大豆產(chǎn)量及土壤物理性質(zhì)的影響

李婧陽 劉鑫 王秋菊 姜宇 周鑫 米剛 劉凱 姜輝 常本超

摘要 ?為明確豆麥輪作條件下連續(xù)施肥和麥稈還田對土壤物理性質(zhì)及大豆產(chǎn)量的影響，在黑龍江北部地區(qū)暗棕壤上開展不施肥、麥稈還田（麥稈逢麥季還田，還田量3 000 kg/hm2）、施肥、施肥與麥稈還田長期定位試驗。試驗自2002—2018年共實施麥秸還田8次，種植大豆9茬。結(jié)果表明，連續(xù)施肥還田區(qū)大豆平均產(chǎn)量最高，表現(xiàn)為施肥還田>施肥>還田>對照，還田與不還田比，在施肥條件下平均增產(chǎn)4.99%，增減產(chǎn)變化幅度為-22.8%～39.3%;在不施肥條件下平均增產(chǎn)19.65%，增產(chǎn)幅度在3.2%～33.5%，麥秸還田在低生產(chǎn)力（不施肥）下的增產(chǎn)效果好于高生產(chǎn)力（施肥）下的效果;施肥在麥秸還田條件下比不施肥平均增產(chǎn)23.63%，增產(chǎn)幅度在1.1%～60.5%;在不還田條件下平均增產(chǎn)40.88%，增產(chǎn)幅度在8.2%～87.7%;長期施肥和麥秸還田有增加土壤有效孔隙趨勢，對于增強耕層土壤持水能力有一定效果。

關(guān)鍵詞 豆麥輪作;麥秸長期還田;暗棕壤;產(chǎn)量;物理性質(zhì);孔隙組成;持水特性

中圖分類號 S 152 ?文獻標識碼 A ?文章編號 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 省重大項目（GA19B101）。

作者簡介 李婧陽（1988—），女，黑龍江綏化人，助理研究員，碩士，從事土壤改良研究。*通信作者，助理研究員，博士，從事土壤研究。

收稿日期 2020-12-11

黑龍江北部地區(qū)主要包括黑河和大興安嶺南麓區(qū)域，是我國最北端的農(nóng)業(yè)區(qū)。由于該區(qū)域氣候冷涼，夏季短促，種植水稻、玉米等喜溫作物的風險大，該區(qū)逐漸發(fā)展成我國重要的春小麥和大豆主產(chǎn)區(qū)。2017年黑龍江省小麥種植面積11.3萬hm2，幾乎集中分布該區(qū)域，大豆種植面積占全省大豆種植面積的80%以上[1]。特殊的地理氣候條件形成了以大豆與春小麥或其他作物輪換種植為主要輪作模式的兩區(qū)輪作體系。由于麥秸產(chǎn)量高、腐解難，還田后影響后茬大豆播種出苗質(zhì)量和生育產(chǎn)量。因此就地焚燒成為一些農(nóng)民首選方法，不僅浪費資源，有時甚至引發(fā)山火。近年來在政府嚴厲的秸稈“禁燒令”的限制下，秸稈還田被提到議事議程，麥秸長期還田對大豆生育、產(chǎn)量以及土壤性質(zhì)的影響倍受當?shù)卣娃r(nóng)民關(guān)注。

大量生產(chǎn)調(diào)查表明，長期秸稈還田是培肥地力的有效途徑[2-4]，但麥秸還田會增加機械作業(yè)成本。Liu等[5]認為，麥秸還田后，積聚在耕層的麥秸在某種程度上阻礙后作的生長發(fā)育 ;西尾道徳[6]認為麥秸稈C/N高，麥秸連續(xù)還田會導致土壤中有效氮含量下降，這種負效應會持續(xù)6年。因此，麥秸還田需要配合施用氮肥才能消除其不良影響[7]。國內(nèi)關(guān)于麥稈還田研究較多集中在玉麥輪作區(qū)和水旱輪作區(qū)，郭靜等[8]研究認為在砂姜黑土上麥秸深耕還田效果好，提高出苗率和玉米產(chǎn)量;朱敏[9]則認為麥稈還田會降低后茬作物的出苗率。熊瑞恒等[10]、董明輝等[11]認為，麥稈還田降低后茬水稻分蘗、枝梗和穎花形成。崔喜安等[12]、張振江[13]認為黑河地區(qū)豆麥輪作下實施麥秸隔年還田對緩解土壤有機質(zhì)下降具有一定作用。而針對長期施肥和秸稈長期還田對大豆及土壤物理特性的影響研究較少。

筆者依托農(nóng)業(yè)部黑河野外觀測站長期定位試驗，通過比較豆-麥輪作下施肥和麥秸還田大豆產(chǎn)量變化，明確麥秸還田和長期施肥對后作大豆產(chǎn)量的影響;通過比較不同試驗區(qū)土壤物理性質(zhì)差異，明確麥秸長期還田和長期施肥對土壤物理性質(zhì)的影響，旨在為豆-麥輪作區(qū)秸稈還田和施肥提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設(shè)在黑龍江省北部黑河市西郊黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院黑河分院（127°27″E，50°15′N），氣候類型為寒溫帶大陸性季風氣候[14]，年均氣溫為-2.0～1.0 ℃，有效積溫2 100～2 300 ℃，無霜期110～120 d，年降雨量為510 mm左右，5—9月氣溫較高，日照充足，是作物生長季節(jié)。試驗從2001年開始種植小麥，2002年種植大豆，以后采取小麥-大豆輪作，每年種植大豆。0～20 cm土層土壤基礎(chǔ)化學性質(zhì)：有機質(zhì)含量23.49 g/kg、全氮含量2.08 g/kg、全磷含量0.187 g/kg、堿解氮含量111.00 mg/kg、速效磷含量23.1 mg/kg、速效鉀含量111.00 mg/kg、pH 5.69。

1.2 試驗設(shè)計

①不施肥不還田區(qū)（對照CK）。每年收獲后將所有作物秸稈搬出試驗區(qū)，試驗期間不施化肥。

②不施肥還田區(qū)（S）。在輪作順序中逢麥還田，即在小麥收獲后，先將麥秸搬出區(qū)外，粉碎后（粉碎長度≤10 cm）人工按3 000 kg/hm2還田量將麥秸均勻拋灑到試驗區(qū)表面后用鏵式犁翻壓，翻耕深度18～22 cm，然后圓盤耙整地2次（耙深10～12 cm），達到播種狀態(tài)，待翌年播種。大豆收獲后將秸稈全部搬出試驗田外，用鏵式犁統(tǒng)一翻耕、耙地，達到播種狀態(tài)，待翌年播種小麥;試驗期間不施化肥。

③施肥不還田區(qū)（ NP）。每年收獲后將所有作物秸稈搬出試驗區(qū)，每年在小麥或大豆播種時施用化肥，化肥作為種肥一次性施入土壤，施肥量為每年施尿素（含N 46%）198.52 kg/hm2，磷酸二銨（含N 18%，含P2O5 46%）326 kg/hm2。

④施肥還田區(qū)（NP+S）?；视昧?、施肥方法同處理③;麥秸還田量、還田方法同處理②。每區(qū)面積為210 m2，3次重復。

小麥采用12行小麥播種機播種，種肥分施，行距7.5 cm，保苗600萬株/hm2，三葉期鎮(zhèn)壓1次，8月上旬成熟收獲;大豆供試品種為黑河43，采用4行壟三播種機播種，種肥分施，隨播起壟，行距65 cm，保苗35萬株/hm2，苗期壟溝深松1次，化學封閉除草、人工除草各1次。

1.3 調(diào)查項目與方法

1.3.1 產(chǎn)量調(diào)查。作物成熟后，人工割去邊行后機械實收測產(chǎn)，自然干燥后稱質(zhì)量并折成單位面積產(chǎn)量。

取樣時間為2018年7月，當季作物為大豆，前茬為小麥。采用100 cm3環(huán)刀避開作物根系采取原狀土，削平后用膠帶密封。每區(qū)取3次重復，取耕作層（0～20 cm，取樣深度10～15 cm）土壤。

1.3.2 土壤物理性質(zhì)測定。土壤容重采用烘干法測定;土壤固相采用土壤三相儀（日本大起理化工業(yè)株氏會社生產(chǎn)）測定;土壤質(zhì)量含水量和體積含水量測定：0～150 cm（H2O）吸力段用DIK-3343型土壤pF測定儀（日本大起理化工業(yè)株氏會社生產(chǎn)）測定，150～16 544 cm（H2O）吸力段用1500F1型壓力膜儀（美國SEC公司生產(chǎn)）測定土壤質(zhì)量含水量和體積含水量[14]。

土壤水分特征曲線繪制方法：采用RETC軟件對測得的土壤質(zhì)量含水量和體積含水量數(shù)據(jù)按照Van Genuchten模型[15]進行非線性擬合，方程：

θ=θr+（θs-θr）/[1+（ah）n]m（1）

式中，θ為土壤體積含水量（%）;h 為土壤水吸力（cm）; θs和θr分別為土壤飽和含水量和剩余含水量（%）;a、m和n是擬合參數(shù)。

土壤孔隙組成根據(jù)土壤水分特征曲線算出，孔隙當量直徑使用 d=h/3公式。

式中，d 為孔隙當量直徑（mm）; h 為土壤水吸力（cm）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003、DPS 6.85軟件和RETC軟件處理數(shù)據(jù)，并進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥和麥秸還田對大豆產(chǎn)量的影響

2002—2018年豆-麥輪作試驗過程中，共實施麥秸還田8次（年），種植大豆9茬（年），各年度間不同處理差異顯著，年度間不同處理變化規(guī)律不完全一致，尤其是施肥區(qū)與施肥加秸稈區(qū)，大豆產(chǎn)量波動較大。從平均產(chǎn)量結(jié)果看出，施肥還田區(qū)產(chǎn)量最高，表現(xiàn)為（S+NP）>NP>S>CK，分別為1 870.2、1 781.3、1 512.8和1 264.4 kg/hm2。

分別比較施肥和麥秸還田的增產(chǎn)效果，還田與不還田比較，在施肥條件下平均增產(chǎn)4.99%，增減產(chǎn)變化幅度為-22.8%～39.3%;在不施肥條件下平均增產(chǎn)19.65%，增產(chǎn)幅度在3.2%～33.5%，即不施肥下麥秸還田的增產(chǎn)效果更好。施肥在麥秸還田條件下比不施肥平均增產(chǎn)23.63%，增產(chǎn)幅度在1.1%～60.5%;在不還田條件下施肥平均增產(chǎn)40.88%，增產(chǎn)幅度在8.2%～87.7%（表1）。

2.2 施肥和麥秸還田對土壤水分物理性質(zhì)的影響

2.2.1 土壤容重和固相率。

從表2可以看出，盡管土壤容重和固相率處理間差異不顯著，但施肥還田區(qū)土壤容重和固相率均有降低趨勢。由于試驗區(qū)每年秋季都要進行耕翻整地、中耕作業(yè)，可能由于機械擾動土壤消除了麥秸還田或施肥對土壤容重和固相率的影響。

2.2.2 土壤持水特性。

從圖1可以看出，土壤持水能力表現(xiàn)為NP+S>S>NP>CK，表明長期施肥和麥秸還田均對于增強土壤持水能力有一定作用;但施肥僅對100～1 600 cm吸力階段的土壤持水能力有一定影響，對于0～100 cm吸力階段影響不明顯。

2.2.3 土壤孔隙組成。

土壤孔隙組成是評價土壤通氣性、保水性的重要指標，當量直徑>0.05 mm的孔隙為土壤的通氣孔隙;當量直徑0.000 2～0.05 mm為土壤有效水孔隙，有效水比例越高，標志著土壤保水、供水性越好;當量直徑<0.000 2 mm的土壤孔隙為無效水孔隙，這類孔隙中的水分一般很難被作物吸收利用。土壤孔隙組成見表3。從表3可以看出，土壤孔隙組成處理間差異不顯著。但麥秸長期還田有增加土壤總有效水孔隙的趨勢，其中易效水孔隙S/CK和（NP+S）/NP分別增加0.25和0.17百分點;緩效水孔隙增加0.15和0.60百分點。

3 討論

研究表明，麥秸還田對后作并不是一直保持增產(chǎn)作用，它有一段的負效應期，麥秸為高C/N有機物料，麥秸施入土壤后導致土壤有效態(tài)氮含量下降，造成后茬作物苗期缺氮[16]，麥秸還田后土壤有效態(tài)氮虧缺的負效應期時間為6年[17]。該研究的長期定位試驗在1981—2001年的豆-麥-麥輪作模式下進行，這期間已經(jīng)度過了麥秸還田的負效應期，為后期連續(xù)增產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，因此表現(xiàn)出穩(wěn)定的增產(chǎn)效果。從施肥角度看，試驗期間連續(xù)大量施肥，土壤養(yǎng)分積累相對增加，觀察田間大豆長勢也看出，在多雨年份施肥還田區(qū)大豆常發(fā)生倒伏，制約了增產(chǎn)效果的發(fā)揮，因此在長期麥秸還田地塊上種植大豆，適當減少化肥施用量可能更有利于增產(chǎn)，應需要進一步研究。

影響農(nóng)田土壤水分物理性質(zhì)的因素十分復雜，自然因素中最主要是土壤質(zhì)地、有機質(zhì)含量和土壤結(jié)構(gòu);人為因素主要來源于機械耕翻和碾壓[18-19]。為盡量減少誤差，耕層土壤采樣位置盡量避開壟溝和根系集中的壟頂部位，在距壟溝和壟頂中間的壟側(cè)10～15 cm土層采樣[20-21]。盡管如此，由于土壤的不均一性，誤差在所難免。在豆-麥輪作模式下進行麥秸還田，有利于土壤體形成大團聚[22-23]，可以起到緩解土壤有機質(zhì)下降的作用[12，24-25]。該研究認為，麥秸長期還田提高耕層土壤持水能力、增加土壤有效蓄水能力。孫皓等[26]、李新舉等[27]、Guo等[28]提出的秸稈還田可以明顯降低土壤容重、提高土壤總孔隙度的研究結(jié)果與該研究不一致，可能研究屬于大區(qū)試驗，每年需要進行多次機械作業(yè)，致使土壤大孔隙遭機械碾壓破所致。

4 結(jié)論

（1）2002—2018年豆-麥輪作試驗中，共實施麥秸還田8次（年），種植大豆9茬（年）。大豆平均產(chǎn)量，施肥還田區(qū)產(chǎn)量最高，依次為（S+NP）>NP>S>CK，分別為1 870.2、1 781.3、1 512.8和1 264.4 kg/hm2。

（2）還田與不還田比，在施肥條件下大豆平均增產(chǎn)499%，產(chǎn)量變化幅度為-22.8%～39.3%;在不施肥條件下平均增產(chǎn)19.65%，增產(chǎn)幅度在3.2%～33.5%，低生產(chǎn)力（不施肥）下實施麥秸還田好于高生產(chǎn)力（施肥）下的增產(chǎn)效果。

（3）施肥在麥秸還田條件下比不施肥平均增產(chǎn)23.63%，增產(chǎn)幅度在1.1%～60.5%;在不還田條件下平均增產(chǎn)4088%，增產(chǎn)幅度在8.2%～87.7%。

（4）麥秸長期還田增加土壤有效孔隙，對于增強耕層土壤持水能力有重要作用;秸稈還田配施化肥可以進一步提高土壤持水能力。

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