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土壤有机碳、氮素和磷素是研究土壤肥力和评价土壤质量的重要指标，也是植物生长所必需的营养元素[1]，与作物高产等密切相关。秸秆还田不仅可以直接提高土壤碳含量，还表现在还田后土壤理化性质以及作物生长的变化上，可用来判断秸秆还田后农田土壤有机碳储存效益有没有实现[2]。经过长期定位试验对土壤肥力的影响，有助于了解不同施肥措施的优良与否，进而指导生产实践[3]。增施有机肥或秸秆还田等有机物料是缓解土壤肥力的有效手段。Li等[4]在黄淮海平原区通过9 年长期试验结果显示，与初始值相比，NPK+M、 NPK+S，耕层土壤（0 ～ 20 cm）有机碳含量分别提高了25.3%、31.82%， 总氮含量提高了6.7%、10%。Gai等[5] 开展长期定位试验发现， 与试验初始值相比， 有机肥增施1 年， 耕层土壤（0 ～ 20 cm） 有机碳和总氮含量分别增加了4.2%和27.3%； 连续增施27 年后， 耕层土壤有机碳和总氮含量分别增加62.6%～ 141.5%和31.3%～ 132.5%。而张振江[6]经过9 年长期定位试验，研究认为秸秆还田配施化肥略有降低土壤有机碳的含量。王月福等[7]认为，增施氮肥可以提高小麦产量，但当施氮量达到一定值时，继续增施氮肥，产量反而会降低。在有机物料种类及秸秆还田量和碳氮比不同的影响下，致使秸秆还田对土壤养分的影响研究结果报道不一致[8-9]，尤其是对施用年限的影响强度认识不足。黑龙江北部高寒地区为暗棕壤，其土壤比较肥沃，但长期以来土壤肥力逐年下降，添加外源有机物料对暗棕壤地区土壤碳、氮、磷库容增强的潜力尚不明确。因此，探讨秸秆还田配施化肥对暗棕壤土壤肥力的长期影响特征，对黑河地区维持土壤肥力和提高作物产量均有重要意义。本文以黑龙江农科院黑河分院40 年长期定位试验为平台，探讨秸秆还田配施不同用量化肥对暗棕壤土壤肥力的影响特征，分析不同施肥处理春小麦产量和品质的变化。为指导该地区农业生产施肥管理和提高作物产量提供数据支撑。
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1 材料与方法
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1.1 研究区概况
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试验位于黑龙江省农业科学院黑河分院内（东经127°27′，北纬50°15′），气候类型为寒温带大陆性季风气候，平均气温为-4.0 ～ 8.0℃，年均降水量为350 ～ 450 mm，年蒸发量平均为650 mm，无霜期105 ～ 120 d，全生育期为125 ～ 130 d，日照充足，降水集中，是典型的一年一熟区。
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供试土壤：试验地为高阶台地，土壤类型为暗棕壤，土质比较粘重，成土母质为花岗岩、安山岩、玄武岩的风化物，少量第四季黄土沉积物。试验地耕层（0 ～ 20 cm）土壤基础地力较高：有机质42.2 g/kg，全氮2.23 g/kg，全磷1.66 g/kg，碱解氮55.9 mg/kg，有效磷8.10 mg/kg，pH值为6.12。
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1.2 试验设计
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本研究为长期定位试验，试验于1979 年开始， 1980 年种植小麦，1980 ～ 2002 年为小麦-小麦-大豆3 年轮作，2003 年开始改为小麦-大豆2 年轮作。小麦品种：1980 ～ 1983 年为克丰2 号，1985 年改种为新克旱9，2000 年之后为克丰10 号；大豆品种为“黑河系列”。供试肥料：氮肥为尿素，含N 46%，磷肥为磷酸二铵，含N 18%、P2O546%，两作物施肥量一致，上述肥料一次性施入。秸秆还田方式为：将收获的麦秆移出试验区，粉碎成< 10 cm的片段，施入秸秆还田区耕层0 ～ 20 cm，轮作区大豆秸秆不还田；秸秆还田量设3000 kg/hm2，不考虑秸秆氮、磷、钾养分含量。因此，长期定位试验共设4 个处理（表1），小区随机排列，合计4 个大区；每个大区面积212 m2（10 根垄，垄长30 m× 垄宽0.7 m）；小麦行距10 cm，株距0.9 cm，大豆行距65 cm，株距4.5 cm；小麦的密度为650 万～ 700 万株/hm2，大豆的密度为34 万～ 35 万株/hm2。
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1.3 样品采集方案
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土壤采集： 在小麦成熟期（2019 年8 月24 日）取样，于每个小区5 点棋盘式采样混合，采样深度60 cm。土样采集后过2 mm筛，一部分新鲜土样-20℃冰箱保存；另一部分土样风干，分取一部分研磨过0.149 mm筛，用于土壤碳、氮、磷含量的分析。
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植物样采集：在小麦成熟期每个处理各随机选一行，选取连续30 株植株，计算有效穗数和穗粒数；各处理随机选取1.0 m2，3 次重复，计算理论产量。
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1.4 测定项目与方法
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土壤养分：土壤有机碳、总氮含量采用德国Elementer元素分析仪测定；有效磷含量采用NaHCO3-钼锑抗比色法测定。
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产量及产量构成测定：各处理1.0 m2 样方内植物样，风干后脱粒、称重，计算理论产量。每个处理各随机选一行，选取连续30 株植株，测量株高、 穗长后，去除穗粒数≤ 3 粒的无效穗，计算有效穗数；脱粒所有有效穗，计算穗粒数。
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籽粒品质测定： 采用快速检测仪器Perten DA9100 型整粒谷物分析仪检测籽粒的容重、蛋白质含量、湿面筋含量、吸水率、延伸率和拉伸面积等。测定时，清除样品杂质，重复3 次。
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1.5 数据分析处理
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采用Excel 2003 进行数据处理与绘图，所有数据利用SPSS 19.0 软件进行多因素方差分析（ANOVA）， 用Duncan法进行样本平均数的差异显著性检验，所有数据测定结果均以平均值表示，处理间差异水平显著为P<0.05。
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2 结果与分析
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2.1 长期秸秆配施化肥对土壤有机碳含量的影响
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根据图1 可知，长期秸秆配施化肥土壤有机碳含量随着土层深度的增加呈显著的降低趋势。耕层土壤（0 ～ 20 cm）各处理土壤有机碳含量差异显著，表现为S+NP最高，S+1/2NP、S+1/4NP和NP依次降低；相比单施化肥的NP处理，S+NP处理土壤有机碳含量提升了17.01%；秸秆配施条件下， S+NP相比S+1/2NP土壤有机碳含量增加了5.96%， 相比S+1/4NP土壤有机碳含量增加了11.73%。在20 ～ 40 cm土层，土壤有机碳含量的顺序为S+1/4 NP>NP>S+NP>S+1/2NP，但处理间差异不显著（除S+1/4NP外）。在40 ～ 60 cm土层，土壤有机碳含量的顺序为S+NP>S+1/2NP>NP>S+1/4NP，各施肥处理之间差异显著。
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图1 不同施肥处理土壤剖面土壤有机碳变化
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注：同一深度不同字母表示处理间差异显著（P< 0.05），柱形条均显示为均值 ± 标准偏差（n=3），下同。
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2.2 长期秸秆配施化肥对土壤总氮含量的影响
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长期定位施肥总氮含量随着土层深度的增加呈逐渐降低趋势（图2）。耕层土壤（0 ～ 20 cm）各处理总氮含量顺序表现为：NP最高，依次为S+NP、 S+1/2NP、S+1/4NP。S+NP与NP处理间差异不显著；秸秆配施条件下，S+NP处理相比S+1/2NP处理土壤总氮含量增加了1.20%，相比S+1/4NP处理土壤总氮含量增加了3.12%，且S+NP、S+1/2NP和S+1/4NP处理间差异显著。说明减少氮用量会降低0 ～ 20 cm土层总氮含量。在20 cm以下，秸秆配施化肥土壤总氮含量变化顺序为S+1/4NP>S+1/2 NP>S+NP。在20 ～ 40、40 ～ 60 cm土层，土壤总氮含量处理间变化差异不显著（除20 ～ 40 cm土层的S+1/4NP处理外）。
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图2 不同施肥处理土壤剖面总氮含量变化
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2.3 长期秸秆配施化肥对土壤有效磷含量的影响
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土壤有效磷是土壤供磷能力的一项重要指标。 根据图3 可知，不同施肥处理土壤有效磷含量随着土层深度的增加呈显著降低趋势，但在20 ～ 40、40 ～ 60 cm土层，土壤有效磷含量没有显著降低趋势，除20 ～ 40 cm的S+NP处理、40 ～ 60 cm 的NP处理外；其他各施肥处理之间差异不显著。 在耕层土壤（0 ～ 20 cm），各施肥处理土壤有效磷含量差异显著，表现为S+NP>NP>S+1/2NP>S+1/4NP。 与NP相比，S+NP处理土壤有效磷含量增加了12.1%。说明在等量施用化肥的基础上，配施秸秆可以显著增加0 ～ 20 cm土壤有效磷含量。秸秆配施化肥条件下，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%。
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图3 不同施肥处理土壤剖面有效磷含量变化
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2.4 长期秸秆配施化肥对小麦籽粒产量的影响
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由表2 可知，不同施肥处理对春小麦产量及其构成因素有显著的影响。NP、S+NP处理产量高于其他处理；相比单施化肥的NP处理，S+NP处理产量增加约3.51%，秸秆配施化肥条件下，相比NP处理，S+1/2NP和S+1/4NP施肥处理分别减产25.91%、45.51%。该结果说明在施氮、磷化肥的基础上，秸秆还田对小麦产量有一定的影响，这与往年的试验结果一致[10]。与NP处理相比，小麦株高、穗长和穗粒数S+NP处理均显著增高（除小麦穗数外）。在秸秆还田条件下，小麦的株高、穗长、穗数和穗粒数均在S+NP处理相对较高，在S+1/4NP处理下最小。综上所述，各施肥处理小麦产量表现为：S+NP>NP>S+1/2NP>S+1/4NP，且各施肥处理呈显著差异。即S+NP与NP两个处理产量及其构成因素较高，其中以S+NP最高。
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2.5 长期秸秆配施化肥对小麦籽粒品质的影响
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由表3 可知，各施肥处理的小麦品质中湿面筋、蛋白质含量分别达到了24%、11%以上，即达到中筋小麦品质要求，并且各施肥处理对春小麦籽粒品质的影响水平不显著。在秸秆还田配施化肥
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注：表中数据为平均值 ± 标准偏差；数据后的不同字母表示处理间差异达5%显著水平。下同。
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条件下，蛋白质含量、湿面筋含量、延伸率和拉伸面积均以S+NP处理相对较高，S+1/4NP处理最小（除延伸率外），而容重和吸水率S+1/4NP处理最高。以上结果表明，4 个不同施肥处理对籽粒品质影响不显著，但以NP、S+NP处理小麦籽粒品质相对较好。
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3 讨论
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有机物料一直被提倡和实践用来改善土壤肥力，提升土壤碳、氮库容。秸秆还田后，土壤会有大量的微生物进行繁殖，形成土壤微生物活动层， 加速对秸秆中有机态养分的分解释放，提高土壤有机碳含量[11]。例如，Hua等[12]研究结果表明，在31 年长期定位试验中，与NPK相比，增施猪粪、 牛粪和秸秆还田能够使0 ～ 100 cm土壤碳库分别提升31.8%、51.6%、18.2%。本试验结果与上述研究一致，经过多年种植后，在小麦成熟期（2019 年），相比单施化肥，秸秆还田配施化肥显著增加了耕层土壤有机碳含量，且不同施肥量对土壤有机碳含量变化有显著的影响，这与梁国鹏等[13]、李文西等[14]的研究结果一致，主要是在每轮小麦年限收获后进行秸秆还田，为土壤补充部分外源有机碳，增加了与秸秆还田相关的土壤有机碳库。秸秆配施化肥比单施化肥明显增加有机碳含量，但从全氮含量来看，单施化肥比秸秆配施化肥更高。主要是秸秆腐熟是有机质的分解过程，有机碳的分解需要达到一定的碳氮比条件，这就会消耗土壤中一部分的氮，并且由于秸秆腐解的微生物区系不同，好气条件下微生物分解秸秆的效率较低，固定的氮较多，而嫌气微生物分解秸秆的效率较高，同时固定氮较少[15]。另一方面，秸秆中含有大量的活性碳和氮，有助于土壤氮的固定；而化肥的施用促进了土壤氮的矿化[16]，但矿化养分受作物种植系统中土壤碳供应不足的影响[17]，可能会限制土壤微生物固定部分氮素[18]，易导致较高氮的损失[19]。所以在多雨的年份，很大程度受土壤特性、气候、温度等因素的影响，秸秆配施化肥使土壤固定的氮含量有所下降。因此，通过优化施肥，提高土壤有机质含量，增强土壤氮的固定潜力对农田生态系统至关重要。S+NP、NP处理的土壤有效磷含量显著高于其他施肥处理，而S+NP效果优于NP，与前人的研究结果一致，如刘京[20]、潘艳婷等[21]研究表明，长期秸秆还田配施化肥处理耕层土壤有效磷含量比单施化肥处理平均增加27.3%～ 35.5%。主要在于长期施用含磷素配合的肥料，提高了土壤有效磷含量，且相对而言磷的移动性和损失较小。
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秸秆还田作为一种有机养分资源投入，虽没有提供给作物所需充足的氮、磷、钾养分，仅是其中的一部分，但还是通过提供有机质等改善土壤的理化性质并提高小麦产量，且在化肥的配合下，能使土壤肥力持续发挥其增产潜力[22]。本研究表明， 秸秆还田配施化肥的处理作物产量显著高于单施化肥，结果支持前人的研究[10，23]。我国其他地区的相关研究也证明了秸秆还田对小麦有增产作用[24-26]。 例如，Zhang等[27]通过长达11 年的8 个试验点的长期定位试验发现，和NPK相比，在NPK基础上增施有机肥能够提高小麦产量3.1%，对春小麦品质也有一定的维持和促进作用[28]。即有机物料的施入水平是影响土壤碳、氮含量的主要因子，在施用氮肥的同时应当采取秸秆还田措施以保证土壤C/N平衡，防止因过量施氮造成土壤有机碳含量下降而影响作物的正常生长。
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4 结论
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经过40 年长期定位试验， 在小麦成熟期（2019 年），与NP处理相比，秸秆配施化肥处理S+NP显著增加了0 ～ 20 cm土壤有机碳含量与有效磷含量；秸秆配施条件下，0 ～ 20 cm土层土壤有机碳、总氮和有效磷含量表现为S+NP>S+1/2 NP>S+1/4NP， 而对于20 ～ 40、40 ～ 60 cm土层土壤养分含量差异表现不一致，即秸秆配施化肥对提高耕层土壤碳、氮含量有积极效应。长期不同施肥处理对春小麦产量及其构成因素有显著的影响， 以S+NP处理春小麦籽粒产量最高；不同施肥和秸秆还田对春小麦籽粒容重、蛋白质含量、湿面筋含量、吸水率、延伸率和拉伸面积等品质指标影响不显著。综合分析各处理结果，S+NP处理相比其他处理对于维持小麦产量以及土壤肥力有一定的促进作用。
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综上所述，由于本试验设立于1979 年，随着农业的发展，农田土壤的施肥量发生了较大的变化，使得S+1/2NP、S+1/4NP处理的施肥量过低， 而与现在的农业生产有些不符，且秸秆还田对于土壤肥力、作物产量等的影响由于气候、土壤类型、 种植管理制度等因素而不同。因此，建议生产上应该采取增施有机肥料、秸秆全量还田、合理确定化肥用量、有机无机相结合的措施，补充土壤碳、氮含量，保障土壤养分平衡。
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摘要
以 40 年长期定位试验为平台,系统分析了不同施肥处理对暗棕壤土壤碳氮磷含量和小麦产量及品质的影响,为探讨长期施用秸秆条件下土壤肥力演变规律提供理论依据。试验设 4 个处理,分别为单施化肥(NP)、秸秆配施化肥(S+NP)、秸秆配施 1/2 化肥(S+1/2NP)、秸秆配施 1/4 化肥(S+1/4NP),其中秸秆为隔年麦秸还田,用量为 3000 kg/hm2 ,化肥 N、P 用量为 N 150 kg/hm2 、P2O5 150 kg/hm2 。结果表明:1)与 NP 处理相比,秸秆配施化肥处理(S+NP)显著增加了 0 ~ 20 cm 土壤有机碳含量和有效磷含量;秸秆还田条件下,S+1/2NP 和 S+1/4NP 处理 0 ~ 20 cm 土壤中碳氮磷含量均低于 S+NP 处理,而对于 20 ~ 40、40 ~ 60 cm 土层养分含量差异表现不一致。2)不同施肥处理对春小麦产量及其构成因素有显著的影响,各施肥处理综合表现为:S+NP>NP>S+1/2NP>S+1/4NP,即以 S+NP 处理春小麦产量最高;不同施肥处理对春小麦籽粒容重、蛋白质含量、湿面筋含量、吸水率、延伸率和拉伸面积等品质指标影响不显著。综合分析各处理,结果表明:S+NP 处理(即在秸秆还田条件下,施用 N 150 kg/hm2 、P2O5 150 kg/hm2 )相对其他处理,其保障小麦产量和提升(或维持)土壤肥力的效果最佳。
Abstract
Based on a 40-year long-term experiment,the effects of different fertilization treatments on the contents of carbon,nitrogen,and phosphorus in black brown soil,and wheat yield and quality are systematically analyzed,to provide a theoretical basis for exploring the evolution of soil fertility under long-term application of straw. The experiment is conducted with 4 treatments:pure chemical fertilizer(NP),straw with chemical fertilizer(S+NP),straw with 1/2 chemical fertilizer (S+1/2NP),and straw with 1/4 chemical fertilizer(S+1/4NP),of which straw is returned from the last year wheat field,the amount is 3000 kg/hm2 ,chemical fertilizer NP is pure N 150 kg/hm2 ,P2O5 150 kg/hm2 . The results show that: 1)compared with NP treatment,S+NP treatment significantly increases the organic carbon content,and available phosphorus content of 0 ~ 20 cm soil. Under S+1/2NP and S+1/4NP treatments,the contents of carbon,nitrogen and phosphorus in the 0 ~ 20 cm are lower than those of S+NP treatment,while the difference in nutrient content of 20 ~ 40 and 40 ~ 60 cm soil layer is not significant. 2)Different fertilization treatments have significant effects on spring wheat yield and its component factors. The comprehensive performance of each fertilization treatment is as follows:S+NP> NP> S+1/2NP> S+1/4NP,that is,the highest yield of spring wheat grain with S+NP;different fertilization treatments have no significant effects on quality indicators such as bulk density,protein content,wet gluten content,water absorption,elongation and stretch area of spring wheat. Comprehensive analysis of the processing result to S+NP treatment under the condition of straw returned,that is,under the condition of straw return,the application of pure N 150 kg/hm2 ,P2O5 150 kg/hm2 ,compared with other treatments,has the best effect of maintaining wheat yield and alleviating the decline of soil fertility.