河西綠洲灌區(qū)灌漠土長期秸稈還田土壤肥力和作物產(chǎn)量特征分析

吳科生 ，車宗賢 *，包興國 ，張久東 ，盧秉林 ，楊新強(qiáng) ，楊蕊菊

（1. 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅蘭州730070；2. 農(nóng)業(yè)部甘肅耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，甘肅武威733017）

我國農(nóng)作物秸稈資源豐富［1-2］，2017 年秸稈產(chǎn)量高達(dá) 10.4 億 t，約占全球秸稈產(chǎn)量的 1/3［3］。但其利用效率一直不高，大量秸稈在農(nóng)田地里就地焚燒現(xiàn)象非常普遍，這不僅導(dǎo)致資源浪費(fèi)，更污染了生態(tài)環(huán)境，增加了農(nóng)村安全隱患。因此，研究秸稈還田的秸稈利用方式及其對土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量的影響意義重大。作物秸稈直接還田可作為一種快速培肥土壤的有效方式被人們廣泛使用［4］。近年來秸稈直接還田量持續(xù)增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料估算，2010-2015 年我國秸稈直接還田率為61%［2］，還田方式主要是機(jī)械粉碎直接還田［5］。有研究表明，秸稈中含有大量的有機(jī)物質(zhì)和較豐富的營養(yǎng)元素，是一種重要的有機(jī)肥料資源［6-7］。秸稈還田可以作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的植物營養(yǎng)源，秸稈不僅富含作物所需的碳、氮、磷、鉀等多種大量元素及中微量元素［1］，同時(shí)還可為作物生長提供有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)，可提高土壤養(yǎng)分含量［8］，降低土壤容重和改善土壤結(jié)構(gòu)［9-10］。秸稈還田作為土壤碳氮和土壤肥力管理的重要措施之一，越來越受到人們重視［11-12］。因此，秸稈還田將成為秸稈資源化處置的有效途徑之一［13-14］。

灌漠土是河西綠洲灌區(qū)主要的土壤類型之一，該區(qū)域農(nóng)作物秸稈數(shù)量龐大、類型豐富多樣。通過秸稈還田可有效利用秸稈資源培肥土壤，減少浪費(fèi)和環(huán)境污染。但關(guān)于長期連續(xù)秸稈還田對灌漠土土壤肥力演變規(guī)律和特征，以及對作物產(chǎn)量的影響過程和機(jī)制等方面的報(bào)道較少。長期定位施肥試驗(yàn)具有長期性、氣候的重復(fù)性等特點(diǎn)，能夠系統(tǒng)地揭示土壤肥料演變規(guī)律及作物產(chǎn)量的變化，為施肥制度合理性的評價(jià)提供理論依據(jù)［15-16］。本研究利用1988 年布置至今的長期定位試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了長期秸稈還田條件下灌漠土土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀等肥力指標(biāo)的演變規(guī)律和秸稈還田的肥料貢獻(xiàn)率，旨在揭示灌漠土秸稈長期還田對作物產(chǎn)量的影響過程及其穩(wěn)定性，以期為秸稈科學(xué)還田和培肥土壤提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究地位于甘肅省武威市涼州區(qū)永昌鎮(zhèn)白云村（38°37′N，102°40′E），海拔1504 m，年均溫7.7 ℃，無霜期150 d 左右，年降水量150 mm，年蒸發(fā)量2021 mm。日照時(shí)數(shù)3028 h，相對濕度53%。一年中≥10 ℃的有效年積溫 3016 ℃，年太陽輻射總量 580～660 kJ·cm-2，麥?zhǔn)蘸蟆?0 ℃的有效年積溫為 1350 ℃［17］。屬典型的兩季不足，一季有余的自然生態(tài)區(qū)。區(qū)內(nèi)蒸發(fā)量大，降水量少而且主要集中在6-9 月，降水可利用率較低。灌溉方式以地下水（井灌）灌溉為主。試驗(yàn)地土壤為石灰型灌漠土，表土質(zhì)地為輕壤，開始時(shí)耕層（0～20 cm）土壤理化性質(zhì)為：pH 8.8，有機(jī)質(zhì) 16.35 g·kg-1，全氮 1.06 g·kg-1，全磷 1.505 g·kg-1，全鉀 17.6 g·kg-1，堿解氮 64.47 mg·kg-1，速效磷13.1 mg·kg-1，速效鉀 180.0 mg·kg-1，土壤容重 1.40 g·cm-3［17］。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究依托1988 年開始至今的灌漠土長期定位培肥試驗(yàn)，2018 年是試驗(yàn)連續(xù)執(zhí)行的第31 年。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)13 個(gè)處理，3 次重復(fù)，共39 個(gè)小區(qū)。本研究選用其中4 個(gè)處理：1）秸稈10500 kg·hm-2+P2O5150 kg·hm-2（SP）；2）純N 375 kg·hm-2+P2O5150 kg·hm-（2NP）；3）秸稈5250 kg·hm-2+純N 187.5 kg·hm-2+P2O5150 kg·hm-2［1/2（S+N）P］；4）空白對照（CK）。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù) 3 次，共 12 個(gè)小區(qū)。以上處理除CK 外，其他處理施磷量相同，均為150 kg·hm-2。試驗(yàn)小區(qū)長6.9 m，寬4.5 m。各處理的肥料為每年總用量，所用秸稈為小麥秸稈（含N 量為0.45 g·kg-1），在播種前粉碎成10 cm 短截，翻壓在30 cm 的耕作層內(nèi)，所用秸稈全部作基肥；氮肥為尿素，其中20%在小麥播種前結(jié)合整地施入土壤耕層，20%在小麥拔節(jié)期追施，30%在玉米拔節(jié)期追施；30%在玉米灌漿期追施；磷肥采用普通過磷酸鈣，施磷處理全部作基肥結(jié)合整地一次性施入耕層［17］。

1.3 栽培管理

試驗(yàn)栽培作物為小麥（Triticum aestivum）和玉米（Zea mays）。播種、除草、配藥、收獲等農(nóng)事均為人工操作。小麥品種為武春121 和隴春系列，3 月中旬播種，行距12 cm，播種量為600 kg·hm-2，4 月中上旬出苗，7 月中旬收獲；玉米品種為中單系列和武科2 號，4 月下旬覆膜播種，株距21 cm，行距40 cm，基本保苗數(shù)65000 株·hm-2，5 月上旬出苗，10 月收獲［17］。

1988-1999 年，以小麥/玉米間作-小麥-玉米-小麥為一個(gè)輪作周期進(jìn)行種植。1999 年至今，全部采用小麥/玉米間作的種植模式。小麥/玉米間作種植模式，帶幅寬1.5 m，每小區(qū)設(shè)3 個(gè)小麥-玉米種植帶，中間一個(gè)種植帶為取樣和測產(chǎn)帶。采用傳統(tǒng)的6∶2 高產(chǎn)栽培模式，即小麥帶寬70 cm，種6 行小麥，玉米帶寬80 cm，種2 行玉米。全生育期小麥、玉米共灌水 6～7 次［17］。

1.4 樣品采集與測定方法

2018 年在作物收獲時(shí)，各小區(qū)取中間一帶作為小麥、玉米測產(chǎn)帶單打單收，測產(chǎn)面積為1.5 m×6.9 m=10.35 m2，在另外2 個(gè)帶幅中選取生長均勻的植株作為考種樣品。小麥選取20 株，玉米選取10 株。風(fēng)干后測定小麥玉米的農(nóng)藝性狀［17］。

2018 年玉米收獲后采集土壤樣品，每小區(qū)隨機(jī)選取5 個(gè)取樣點(diǎn)，分別采集0～20 cm 土層的混合土樣，風(fēng)干、混勻后，過 0.25 mm 篩，用于土壤養(yǎng)分分析［17］。

采用重鉻酸鉀氧化-油浴加熱法測定有機(jī)質(zhì)含量，采用凱氏定氮法測定全氮含量，采用氫氧化鈉熔融法測定全磷含量，采用氫氧化鈉熔融法測定全鉀含量，采用Olsen 法測定有效磷含量，采用乙酸銨浸提火焰光度法測定速效鉀含量［18］。

1.5 計(jì)算方法與數(shù)據(jù)處理

以統(tǒng)計(jì)學(xué)的變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）表示產(chǎn)量穩(wěn)定性，可衡量年際間產(chǎn)量的變異程度，CV 越大，則說明產(chǎn)量穩(wěn)定性越低［19］。采用可持續(xù)產(chǎn)量指數(shù)（sustainable yield index，SYI）來表征產(chǎn)量可持續(xù)性，指數(shù)越高，則說明該系統(tǒng)的可持續(xù)性越好［20］。

式中：σ 為標(biāo)準(zhǔn)差（kg·hm-2）為平均產(chǎn)量（kg·hm-2）；Ymax為所有年份中產(chǎn)量的最大值（kg·hm-2）。

肥料貢獻(xiàn)率（fertilizer contribution rate，F(xiàn)CR）指施用肥料增加的作物產(chǎn)量占總產(chǎn)量的百分比，反映了年投入肥料的生產(chǎn)能力［21］。

應(yīng)對措施：對照組孕婦登記好住院信息，咨詢其是否存在不適癥狀，并對其進(jìn)行入院評估。觀察組孕婦在對照組的基礎(chǔ)上加強(qiáng)心理干預(yù)，具體如下：①詳細(xì)了解孕婦的基本情況，為其建立個(gè)人檔案，并制定個(gè)性化的健康教育方案，每周進(jìn)行一次心理輔導(dǎo)，幫助其保持積極向上的心態(tài)。②產(chǎn)前對孕婦進(jìn)行心理測試，根據(jù)測試結(jié)果采取針對性的指導(dǎo)，給其鼓勵(lì)，減輕孕婦對分娩的擔(dān)心。③分娩后，安排專業(yè)的人員給產(chǎn)婦講解母嬰知識，解答產(chǎn)婦的疑問，另外也建議家人給予產(chǎn)婦給多的關(guān)心，使其感受到溫暖。

式中：Y為施肥區(qū)作物產(chǎn)量；Y0為無肥區(qū)作物產(chǎn)量。

采用Microsoft Excel 2016 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖，并用SAS 8.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施用秸稈和化肥對土壤肥力的影響

2.1.1 土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH 土壤有機(jī)質(zhì)逐年增加，長期秸稈還田增加更加顯著（圖1）。SP 處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，1/2（S+N）P 處理次之，且高于NP 處理，CK 最低，而且隨秸稈施用年限的延長逐年上升。2018 年SP、1/2（S+N）P、NP 和CK 土壤有機(jī)質(zhì)含量比試驗(yàn)初始數(shù)值分別提高 73.3%、58.4%、37.0%、11.6%。SP、1/2（S+N）P、NP 較CK 增加55.3%、41.9%、22.7%。各處理逐年平均值較試驗(yàn)初始值分別增加25.8%、18.5%、11.6%、4.8%，較 CK 處理增加 20.0%、13.0%、6.5%。2018 年土壤 pH 大小關(guān)系為 CK＞SP＞NP＞1/2（S+N）P。與初始值相比，SP、1/2（S+N）P、NP 和 CK 分別降低 3.6%、4.7%、4.4%、3.1%。CK 與 NP、1/2（S+N）P 差異顯著。長期不施肥土壤pH 最高，而秸稈化肥配施降低幅度最大。

2.1.2 土壤全氮和堿解氮含量 與CK 相比，無論是施用秸稈還是化肥，均有助于土壤全氮含量的提高（圖2）。隨著施用年限的延長，土壤全氮含量呈上升趨勢。2018 年（第31 年），SP、1/2（S+N）P、NP、CK 土壤全氮含量較試驗(yàn)初始數(shù)值分別提高 50.6%、40.9%、22.6%、17.0%，SP、1/2（S+N）P 和 NP 較 CK 增加 28.8%、20.4%和4.8%。SP、1/2（S+N）P、NP、CK 逐年平均值較試驗(yàn)初始值分別增加21.7%、16.5%、13.1%、5.0%，較CK增加15.9%、11.0%和7.8%，差異顯著。

圖2 不同施肥處理對土壤全氮和堿解氮含量的影響Fig.2 Contents of soil total N and soil available N under different fertilization treatments

土壤堿解氮含量年際間變異較大（圖2）。從2004 年開始，SP、1/2（S+N）P 處理的土壤堿解氮含量逐年增加。2018 年，SP、1/2（S+N）P、NP、CK 比試驗(yàn)初始值分別增加50.5%、36.7%、14.5%、7.1%，SP、1/2（S+N）P、NP 較CK 處理增加40.5%、27.6%、6.9%。31 年平均值較試驗(yàn)初始值分別增加22.9%、18.0%、14.9%、10.7%，較 CK 增加 11.0%、6.5%、3.8%。

2.1.3 土壤全磷和有效磷含量 隨著種植年限的延長，土壤全磷含量明顯下降（圖3）。各處理土壤全磷含量先增加后降低，SP 處理最高，CK 最低。2018 年，SP、1/2（S+N）P、NP、CK 土壤全磷含量比初始值分別降低22.5%、28.0%、32.7%、48.4%，SP、1/2（S+N）P、NP 較 CK 提高 50.2%、39.5%、30.5%。31 年平均值與試驗(yàn)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 較 CK 處理分別增加13.4%、7.7%、5.0%。

圖3 不同施肥處理對土壤全磷和有效磷含量的影響Fig.3 Contents of soil total P and soil available P under different fertilization treatments

土壤有效磷含量在年際間呈高低相間變化（圖3）。在不同的年份高低順序?yàn)镾P＞1/2（S+N）P＞NP＞CK。2018 年測試結(jié)果與初始值比較，CK 降低70.0%，其余處理分別增加440.7%、231.0%、102.5%。SP、1/2（S+N）P、NP 分別是 CK 的 18.0、11.0、6.7 倍。31 年平均值較試驗(yàn)初始值分別增加 180.5%、66.0%、14.2%，CK 降低15.0%，SP、1/2（S+N）P 和 NP 較 CK 分別增加 229.9%、95.3% 和 34.4%。

2.1.4 土壤全鉀和有效鉀含量 不同施肥處理的土壤全鉀含量變化規(guī)律基本一致（圖4）。前10 年逐年增加，中間階段保持相對穩(wěn)定，之后降低。2018 年測試結(jié)果與初始值比較，土壤全鉀含量分別增加19.9%、19.9%、16.1%、14.2%。SP、1/2（S+N）P 均較 CK 增加 23.5%，NP 處理較 CK 下降 11.8%。31 年平均值較試驗(yàn)初始值分別增加38.2%、34.4%、35.2%、38.5%，SP、1/2（S+N）P、NP 較CK 分別降低 0.2%、3.0%、2.4%。

圖4 不同施肥處理對土壤全鉀和有效鉀含量的影響Fig.4 Contents of soil total K and soil available K under different fertilization treatments

2.2 長期施用秸稈和化肥對小麥/玉米間作體系作物產(chǎn)量的影響

2.2.1 小麥/玉米間作小麥產(chǎn)量 長期施用秸稈對小麥產(chǎn)量的影響較大（圖5）。秸稈還田后小麥產(chǎn)量會快速降低，且低于CK，連續(xù)施用秸稈3 后降幅達(dá)到最大值，之后產(chǎn)量逐漸回升，直到第10 年小麥產(chǎn)量才高于不施肥處理。1988、1992、1996 和 1999-2018 年為小麥/玉米間作體系的小麥產(chǎn)量，1989、1993、1995 年為單作小麥產(chǎn)量，單作小麥產(chǎn)量明顯高于間作。從連續(xù)25 年小麥平均產(chǎn)量看，各處理高低順序?yàn)椋篘P＞1/2（S+N）P＞SP，較CK 分別增加117.1%、110.2%、33.4%，2018 年小麥產(chǎn)量（第31 年）較CK 增加295.8%、239.8%、142.4%。相關(guān)分析表明，小麥產(chǎn)量與土壤全磷（R2=0.586，P＜0.05）呈正相關(guān)（表1）。

圖5 不同施肥處理對小麥產(chǎn)量的影響Fig.5 Wheat yields under different fertilization treatments

表1 土壤養(yǎng)分特征與作物產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系Table 1 Correlation coefficients of soil nutrient characteristics and yield of crops

2.2.2 小麥/玉米間作玉米產(chǎn)量 秸稈還田后玉米產(chǎn)量先減后增（圖6）。連續(xù)單施秸稈后玉米產(chǎn)量會大幅度下降，且低于CK，直到第14 年后SP 處理玉米產(chǎn)量才高于CK。1988、1992、1996、1999-2018 年為小麥/玉米間作產(chǎn)量體系的玉米產(chǎn)量，1990、1994、1998 為單作玉米產(chǎn)量，單作玉米產(chǎn)量顯著高于間作。2003 年特別是NP 和1/2（S+N）P 玉米產(chǎn)量增幅較大，主要原因是更換了玉米新品種。各處理玉米產(chǎn)量高低順序?yàn)椋篘P＞1/2（S+N）P＞SP＞CK。以 25 年玉米平均產(chǎn)量計(jì)算，NP、1/2（S+N）P 和 SP 較 CK 增加 142.3%、124.3% 和 16.2%，2018年產(chǎn)量較CK 增加94.3%、82.2%和45.8%。相關(guān)分析表明，玉米產(chǎn)量與土壤全磷（R2=0.592，P＜0.05）呈正相關(guān)（表1）。

圖6 不同施肥處理對玉米產(chǎn)量的影響Fig.6 Maize yields under different fertilization treatments

2.2.3 小麥/玉米間作體系產(chǎn)量 長期施用秸稈對小麥/玉米間作體系產(chǎn)量的影響與玉米產(chǎn)量變化相同（圖7）。間作體系產(chǎn)量高低順序?yàn)椋篘P＞1/2（S+N）P＞SP＞CK。2018 年產(chǎn)量較 CK 增加 113.5%、97.3% 和55.0%。以間作體系 25 年的平均產(chǎn)量計(jì)算，NP、1/2（S+N）P 和 SP 較 CK 增加 148.3%、130.5% 和 24.5%，各處理間差異顯著。相關(guān)分析表明，玉米產(chǎn)量與土壤全磷（R2=0.614，P＜0.05）呈正相關(guān)（表1）。部分年份籽粒產(chǎn)量有較大的波動，原因可能與秸稈還田、作物品種和種植方式等因素有關(guān)。

圖7 不同施肥處理對小麥/玉米間作體系產(chǎn)量的影響Fig.7 Wheat and maize system yields under different fertilization treatments

2.3 長期使用秸稈和化肥的作物產(chǎn)量穩(wěn)定性、可持續(xù)性和肥料貢獻(xiàn)率

不同作物和種植方式下，作物產(chǎn)量的變異系數(shù)差異顯著（表2）。小麥產(chǎn)量的變異系數(shù)大小關(guān)系為CK＞1/2（S+N）P＞NP＞SP。SP、NP、1/2（S+N）P 的小麥產(chǎn)量穩(wěn)定性較好且比較相近，均顯著好于CK。玉米產(chǎn)量變異系數(shù)大小關(guān)系為SP＞CK＞NP＞1/2（S+N）P，SP 和CK 變異系數(shù)接近且最大，顯著高于其他處理。小麥/玉米間作體系產(chǎn)量的CV 大小關(guān)系為SP＞CK＞NP＞1/2（S+N）P，值為19.8%～31.8%，說明整個(gè)體系的產(chǎn)量穩(wěn)定性較好。

表2 施肥對作物產(chǎn)量穩(wěn)定性、可持續(xù)性和肥料貢獻(xiàn)率的影響Table 2 Effects of fertilization on crop yield stability，sustainability and fertilizer contribution rate（%）

不同作物的可持續(xù)性指數(shù)（SYI）有顯著差異（表2）。小麥各處理SYI的平均值大小順序?yàn)椋篘P＞1/2（S+N）P＞SP＞CK，NP 最高，為 0.49，SP 處理的可持續(xù)性較差；玉米各處理 SYI 的平均值大小順序?yàn)椋?/2（S+N）P＞NP＞CK＞SP，SP 可持續(xù)性最差（0.28）；小麥/玉米間作體系產(chǎn)量SYI 的平均值大小順序?yàn)椋?/2（S+N）P＞NP＞CK＞SP，NP 和1/2（S+N）P 的SYI 均大于0.55，說明這兩個(gè)處理在整個(gè)體系的可持續(xù)性較好。

肥料貢獻(xiàn)率在小麥/玉米間作體系中表現(xiàn)出一致的規(guī)律性（表2），F(xiàn)CR 的大小關(guān)系均為NP＞1/2（S+N）P＞SP。SP 處理小麥的FCR 為0.25，遠(yuǎn)大于間作體系和玉米；NP 處理在小麥/玉米間作體系中的FCR 最大，為0.60，與玉米（0.59）和小麥（0.54）差異不顯著，1/2（S+N）P 處理FCR 為0.52～0.57，與CK 差異顯著。

3 討論

3.1 長期使用秸稈和化肥對土壤肥力的影響

許多長期定位試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，秸稈還田可以提高土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量［9］，秸稈還田配施適量化學(xué)氮肥可有效增加土壤有機(jī)質(zhì)，增幅為17.5%～28.7%［22］，可提高土壤速效氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量，且隨施氮量的增加呈逐漸上升的趨勢［23-25］。本研究表明，與試驗(yàn)初設(shè)前土壤相比，施用秸稈或秸稈化肥配施能夠顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，并且隨著秸稈施用量的提高而持續(xù)增加。秸稈磷肥配施處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量高于1/2（S+N）P 處理，而長期施用化肥則不能提升或略能波動性地增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。施用化肥和不施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，可能是土壤有機(jī)碳主要來源于作物根茬、土壤中小動物以及土壤微生物活動，幾乎沒有其他外源有機(jī)物料輸入，因此土壤有機(jī)質(zhì)含量存在下降的風(fēng)險(xiǎn)。單施秸稈和秸稈化肥配施土壤全氮和堿解氮含量顯著高于單施化肥和不施肥處理，可能原因是化肥氮多為無機(jī)態(tài)，施入土壤后容易發(fā)生揮發(fā)和硝酸鹽淋失［26］。

石灰性土壤中CaCO3含量較高，有效磷施入土壤后易被Ca2+固定而轉(zhuǎn)化為緩效態(tài)磷［27］，有機(jī)質(zhì)在轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生有機(jī)酸等物質(zhì)，可減少對有效磷酸鹽的固定，促進(jìn)無機(jī)磷的溶解［28-29］。本研究結(jié)果表明，小麥/玉米間作體系中，除不施肥處理外其他處理都施相同量的化學(xué)磷肥，土壤全磷含量隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L呈下降趨勢，土壤有效磷含量變化無明顯規(guī)律。從31 年土壤全磷和有效磷的平均值來看，秸稈磷肥配施和秸稈化肥配施處理的土壤全磷和有效磷含量都顯著高于單施化肥處理，主要原因是施用秸稈增加了土壤有機(jī)質(zhì)，在其轉(zhuǎn)化過程中減少土壤對有效磷酸鹽的固定，促進(jìn)了無機(jī)磷的溶解。

禾本科作物吸收的鉀素80%以上存在于秸稈中，這部分鉀素可以快速釋放到土壤中［30］，短期秸稈還田可以提高當(dāng)季土壤速效鉀含量［31］，長期秸稈還田能改善土壤鉀素虧缺，提高作物鉀素積累量和產(chǎn)量［32］。本研究全鉀含量的變化為前10 年增加，中間10 年相對穩(wěn)定，之后呈下降趨勢，但2018 年測試結(jié)果仍然高于試驗(yàn)初設(shè)值。從31年土壤全鉀和有效鉀含量的平均值看，含量最低的是氮磷配施處理，秸稈化肥配施處理次之，不施肥處理最高。原因是本研究中不施用外源鉀肥，不施肥處理作物的生物量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量相對較小，鉀素?cái)y出量較少，而其他處理作物生物量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量較大，鉀素?cái)y出量較大。

3.2 長期使用秸稈和化肥對作物產(chǎn)量的影響

作物產(chǎn)量是衡量肥料效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)。秸稈還田和適宜的氮肥施用量可以顯著增加玉米產(chǎn)量，其增產(chǎn)效果主要表現(xiàn)在百粒重和行粒數(shù)的顯著提升［33］，龐黨偉等［34］研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田配施氮肥主要是通過改善土壤物理狀況，因而作物產(chǎn)量增加。本研究結(jié)果表明，秸稈磷肥配施使作物產(chǎn)量先降低后逐漸升高。其中小麥產(chǎn)量在前9 年均低于CK，第10 年以后逐漸增加且高于CK，玉米產(chǎn)量在前13 年均低于CK，第14 年以后逐漸增加且高于CK。這主要是由于秸稈還田前期，微生物腐解秸稈需要吸收土壤中的氮素，在作物關(guān)鍵需肥期養(yǎng)分釋放不能滿足作物需要，脫肥現(xiàn)象嚴(yán)重造成的。秸稈化肥配施和單施化肥處理作物產(chǎn)量顯著高于CK，增幅為110.2%～124.3%。

3.3 長期使用秸稈和化肥作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性、可持續(xù)性和肥料貢獻(xiàn)率

作物產(chǎn)量穩(wěn)定性是判斷農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)［35］。本研究表明，小麥產(chǎn)量穩(wěn)定性最差的是不施肥處理，這與王婷等［36］的研究結(jié)果一致。原因是不施肥處理作物長勢較弱，且容易受干熱風(fēng)等天氣的影響，產(chǎn)量波動較大。其他處理的CV 為34.2%～39.7%；玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性最好的處理是秸稈化肥配施和單施化肥處理，分別為26.0%和27.2%，秸稈磷肥配施處理最差。原因是秸稈還田后氮素相對較少，C/N 高，其自身腐解與作物爭氮爭水，導(dǎo)致玉米后期脫肥現(xiàn)象嚴(yán)重，以致產(chǎn)量波動較大。

可持續(xù)性是衡量農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是否能持續(xù)生產(chǎn)的一個(gè)重要參數(shù)［37］。SYI 值大于0.55 的產(chǎn)量可持續(xù)性較好，0.45～0.55 一般，小于0.45 較差［38］。有研究表明，相同降水年型，NP、SNP 冬小麥26 年種植期產(chǎn)量可持續(xù)性均高于CK［36］，本研究得出了相似的結(jié)果，SP 處理的小麥、玉米產(chǎn)量SYI 值為0.42 和0.28，說明秸稈磷肥配施的產(chǎn)量可持續(xù)性較差，1/2（S+N）P 和 NP 的小麥 SYI 為 0.45 和 0.49，說明小麥產(chǎn)量可持續(xù)性一般，玉米 NP 和 1/2（S+N）P 處理的 SYI 為 0.55 和 0.61，說明產(chǎn)量可持續(xù)性好。

小麥和玉米的肥料貢獻(xiàn)率以SP 最低，分別為0.25 和0.14，可能是秸稈還田后，自身腐解時(shí)微生物需要從土壤中吸收水分和氮素，因此出現(xiàn)和作物爭水爭肥現(xiàn)象，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分更為缺乏。小麥NP 和1/2（S+N）P 處理的肥料貢獻(xiàn)率為 0.54 和 0.52，玉米 NP 和 1/2（S+N）P 處理的肥料貢獻(xiàn)率為 0.59 和 0.55，說明 NP 處理的肥料貢獻(xiàn)率高于1/2（S+N）P 處理。這與樊廷錄等［39］在黃土高原黑壚土進(jìn)行的24 年定位試驗(yàn)結(jié)果相反，原因是本研究中秸稈與氮磷化肥配施處理中，氮肥配施量只有NP 處理的50%，造成氮肥不足。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)長期秸稈還田或秸稈化肥配施還田，均能顯著提升河西綠洲灌區(qū)灌漠土土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量，有效降低土壤pH，持續(xù)培肥土壤肥力；秸稈還田初期會導(dǎo)致作物產(chǎn)量大幅降低至不施肥以下，但隨著秸稈還田年限的延長逐漸增加，小麥需要經(jīng)歷9～10 年的恢復(fù)期，玉米則需要經(jīng)過13～14 年的恢復(fù)階段，地力才會不斷提升，作物產(chǎn)量逐漸增加。秸稈與氮磷化肥配施還田的作物產(chǎn)量穩(wěn)定性和持續(xù)性明顯好于秸稈磷肥配施，但其肥料貢獻(xiàn)率相對較低。