张 旸，高 燕，张 延，黄丹丹，陈学文，张士秀，梁爱珍*
（1 中国科学院东北地理与农业生态研究所 / 黑土区农业生态重点实验室，吉林 长春 130102；
2 中国科学院大学，北京 100049）
东北黑土区是我国重要的优质商品粮生产基地，其粮食产量约占全国粮食总产量的32%[1]，被称为我国粮食安全的“压舱石”和“稳压器”。黑土自开垦以来，土壤有机质 (SOM)含量显著下降[2]，加之自然和人为因素的干扰，黑土退化严重[3]。在粮食产量持续增加的生产背景下，作为农作物副产品的秸秆生物量也不断增长[4]。据统计，2019年东北地区秸秆资源总量达1.9×108t[5]。农作物秸秆中富含多种营养元素，是一种可再生资源，直接还田是秸秆肥料化利用方式之一[6]。秸秆还田可以提升土壤养分储量、改善土壤结构及改变土壤微生物多样性等[7–8]。Zhao等[9]研究发现，相比于秸秆移除，秸秆还田可以使我国农田0—30 cm土层中土壤有机碳 (SOC)含量平均增加0.81 g/kg。然而，秸秆的不合理利用不仅造成资源浪费，还会引起环境污染[10]。
农田土壤中养分含量对农作物生长发育及产量形成具有重要影响。土壤中SOC、全氮 (TN)、全磷(TP)含量不仅可以用来反映土壤养分状况，三者之间比值C∶N∶P (化学计量比)还可以作为评价土壤质量和功能的重要指标[11]。Cleveland等[12]通过大数据整合分析，全球范围内0—10 cm土壤的平均C∶N∶P约为186∶13∶1，Tian 等[13]报道了我国富含有机物0—10 cm土壤的C∶N∶P约为134∶9∶1。研究表明，土壤C∶N∶P因成土母质、土壤类型、气候条件等的不同而有差异[14]。因此，针对大尺度的生态学研究中，探究C∶N∶P的值有助于更好地理解和服务全球生物地球化学循环[15]。然而，由于人为因素导致土地利用方式、施肥水平等不同而影响土壤中SOC、TN、TP含量，在小尺度的研究中更加关注土壤C∶N、C∶P和N∶P的值以便于评估土壤肥力状况并进行养分调控[16]。作物秸秆还田条件下，由于养分输入发生变化，势必影响农田土壤养分的转化及利用[17]，进而改变养分平衡。目前，东北黑土区关于土壤C∶N、C∶P和N∶P的研究较少[18]，尤其是秸秆还田后土壤全量碳氮磷钾变化，随之引起的化学计量特征的变化尚没有得到系统的报道。综上，探究东北黑土区不同秸秆还田方式下土壤中碳氮磷钾含量、化学计量特征，结合玉米产量的年际变化，有助于明确秸秆还田下土壤养分供给并制定合理的施肥方案，对该区域农田养分管理与秸秆肥料化利用具有重要指导意义。
1.1 研究区域概况
本研究基于中国科学院东北地理与农业生态研究所长春综合试验站 (44°00′N，125°24′E)的长期秸秆还田定位试验。试验田建立于2012年，地势平坦，属于温带大陆性季风气候。研究区域年均气温为4.4℃，年均降水量约550 mm，主要集中在6—8月。试验地土壤类型为典型黑土，壤质黏土，试验开始前的SOC和TN含量分别为17.08 g/kg和1.45 g/kg，pH7.3。长期定位试验开始前，该试验田已经持续多年采用传统性耕作，即秋收后移除全部地上秸秆后翻耕，播种后进行起垄等作业，主要种植作物为玉米。
1.2 试验设计
长期定位试验采用单因素裂区4次重复的随机区组设计。单因素为秸秆还田方式，包括秸秆移除(CK)、秸秆混合还入0—20 cm土壤 (RI)和秸秆覆盖还田 (RC)。主处理裂分为种植模式，包括玉米连作、玉米—大豆轮作和玉米—玉米—大豆轮作，每个小区面积 234 m2(30 m×7.8 m)。5 月初，采用 John Deer-7200两行牵引式免耕播种机，一次性完成玉米精量播种、施肥和镇压等作业。6月初使用化学除草剂 (玉米：30%苞卫组合；
大豆：高效盖草能、灭草松)进行苗后除草。CK和RI处理在6月中旬起垄，10月初秋收后进行翻耕，CK处理在翻耕前将秸秆全部移除，RI处理则将秸秆翻到土壤中0—20 cm，因此，CK和RI处理的唯一区别是CK处理在秋天翻耕前进行秸秆移除。RC处理在秋收时将玉米秸秆切碎后均匀覆盖于地表，该处理除播种施肥、苗后除草和秋收以外，全年不再扰动土壤。本试验中秸秆还田处理均为全量秸秆还田，玉米秸秆量约为11000 kg/hm2，大豆秸秆量为 2600 kg/hm2。种植玉米的小区在播种时一次性施用复合肥料 (N–P2O5–K2O 为 26–13–13)，施用量分别为 N156 kg/hm2、P2O578 kg/hm2和 K2O 78 kg/hm2。种植大豆的小区只施底肥，施用量分别为 N50 kg/hm2、P2O560 kg/hm2和K2O 80 kg/hm2。
1.3 样品采集与测定
本研究选取长期定位试验中玉米连作下的秸秆移除 (CK)、秸秆混合还田 (RI)和秸秆覆盖还田 (RC)3个处理，对试验实施1年 (2013年)、3年 (2015年)、5年 (2017)和8年 (2020年)的土壤样品进行测定与分析。该长期定位试验开始后，每年均在作物收获后 (10月)进行土壤样品采集，使用直径为2.64 cm 的土钻取土，分为 0—5、5—10、10—20 cm 3 个土层。每个小区采用“S”形采样法采集7个点的土壤样品，然后将相同土层的土壤混合为一个样品，样品风干后，用于SOC、TN、TP、TK (全钾)等指标的测定。
土壤SOC和TN含量使用元素分析仪 (FlashEA-1112，Thermofinnigan，Italy)测定；
土壤TP含量采用HClO4–H2SO4消煮—电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, NexION 350, PerkinElmer，America) 测定；
土壤TK含量采用氢氟酸(HF)消解—电感耦合等离子体质谱仪 (ICP-MS, NexION 350，PerkinElmer，America)测定。因本研究供试黑土中不含碳酸盐，所以SOC含量即为总碳 (TC)含量。
10月初对每个试验小区的中间6垄 (共12垄)作物进行人工收获测定产量，大豆和玉米含水量分别调整为 13% 和 14%。
1.4 数据分析
数据整理采用 Excel 2019，使用 SPSS 19.0 软件进行单因素方差分析 (One-way ANOVA)，检验不同秸秆还田方式下土壤碳氮磷钾、化学计量特征及玉米年均产量的差异性，利用多因素方差分析 (multivariate ANOVA)比较年份、土层及秸秆还田方式对土壤碳氮磷钾、化学计量特征及玉米产量的影响，采用Duncan法进行多重比较，Pearson 相关系数法进行相关性分析，绘图采用SigmaPlot 14.0。
2.1 处理和试验年限对土壤碳氮磷钾含量的影响
2.1.1 土壤有机碳含量 从试验年份、土层、秸秆还田方式对土壤有机碳和氮、磷、钾含量影响的多因素方差分析结果(表1)可以看出，土层 (S)和秸秆还田方式 (R)对土壤有机碳 (SOC)的效应极显著(P<0.001)，年份 (Y)对SOC无显著效应，Y×R、S×R及Y×S×R的交互作用也对SOC有显著影响(P<0.01)。由图1可知，两个秸秆还田处理RI和RC土壤0—20 cm土层的SOC含量在年度间没有显著差异，CK处理2015、2017和2020年的SOC含量没有显著差异，但均显著低于开始的2013年。而在不同土层中，SOC出现了变化。3个处理SOC均在0—5和5—10 cm土层随试验年限上下波动，0—5 cm土层两个秸秆还田处理的SOC含量显著高于CK，RC处理第8年时也显著高于RI；
在5—10 cm土层3个处理的SOC含量大多时候没有显著差异；
而在10—20 cm土层，RI处理的SOC含量显著高于RC和CK；
2020年RI和RC处理0—20 cm的SOC含量没有显著差异，但均显著高于CK处理(P<0.05)，分别比CK处理高10.37%和12.56%。
图1 不同秸秆还田方式下不同土层土壤有机碳含量的年际变化Fig. 1 Dynamics of SOC content at different soil depths under different residue return methods
2.1.2 土壤全氮含量 年份 (Y)、土层 (S)、秸秆还田方式 (R)及三者间交互作用 (除Y×S)均对土壤全氮 (TN)含量有极显著影响 (P<0.01) (表 1)。土壤TN含量在不同土层随时间变化趋势与SOC的变化相似 (图2)。随试验年限增加，CK处理的TN含量在0—5和5—10 cm两个土层中上下波动，整体呈下降趋势，该处理在10—20 cm土层中的TN含量则缓慢增加。RI处理的TN含量在0—5和5—10 cm两个土层中的变化趋势与CK处理一致，在10—20 cm土层中，RI处理的TN含量随时间延长也呈现升高的变化趋势，2020年RI处理TN含量达到1.64 g/kg，显著高于CK和RC两个处理。RC处理的TN含量在0—5 cm土层中波动幅度较大，在秸秆覆盖还田实施1～3年 (2013—2015年)和5～8年(2017—2020年)两个时间段内均急剧上升，2020年达到2.13 g/kg，显著高于CK处理的1.50 g/kg和RI处理的1.65 g/kg；
RC处理TN含量在5—10 cm土层变化趋势同0—5 cm土层，但变化幅度相对平缓，TN 含量在 1.44～1.68 g/kg；
在 10—20 cm土层中，RC处理的TN含量缓慢上升，由2013年的 1.35 g/kg增加到 2020年的 1.47 g/kg。经过 8年试验，耕层 (0—20 cm)中CK和RI处理的TN含量变化不显著，而RC处理的TN含量则随时间延长有显著升高 (P<0.05)。2020年RI和RC处理的TN含量显著高于CK处理 (P<0.05)，分别提高11.74%和13.94%。
图2 不同秸秆还田方式下不同土层土壤全氮含量的年际变化Fig. 2 Dynamics of soil total N content at different depths under different residue return methods
2.1.3 土壤全磷含量 从多因素方差分析结果 (表1)可知，全磷(TP)受到试验年限 (Y)、土层 (S)和S×R交互作用的影响 (P<0.05)。各处理土壤TP含量的年际变化如图3所示，CK、RI和RC 3个处理的TP含量均表现为随时间延长而缓慢上升，且表层(0—5 cm)土壤中TP含量的上升趋势较为明显。在0—5和5—10 cm两个土层中，RC处理TP含量在试验5～8年 (2017—2020年)的增幅均明显上升，且0—5 cm土层中2020年RC处理的TP含量显著高于CK处理。在10—20 cm土层中，各处理的TP含量均随时间延长缓慢升高，但处理间始终无显著差异。在0—20 cm土层中，CK、RI和RC 3个处理的TP含量均随秸秆还田年限增加而增加；
经过8年的试验，3个处理TP含量分别增加了0.05、0.04和0.08 g/kg，且CK和RC处理在2020年的 TP的含量显著高于 2013年 (P<0.05)。
图3 不同秸秆还田方式下不同土层土壤全磷含量的年际变化Fig. 3 Dynamics of soil total P content in different depths under different residue return methods
表1 年份、土层及秸秆还田方式对土壤碳氮磷钾含量的影响Table 1 Effects of experimental year, soil depth, and residue returning methods on soil organic carbon,nitrogen, phosphorus and potassium contents
2.1.4 土壤全钾含量 本试验中，土壤全钾(TK)含量受年份 (Y)、土层 (S)和秸秆还田方式(R)的极显著影响 (P<0.01) (表 1)。各处理土壤 TK含量在3个土层中均随试验年限增加而缓慢升高(图 4)。在 0—5 cm 土层中，RI和 RC 两个处理的TK含量在2017—2020年增幅明显上升，2020年RC处理的TK含量显著高于CK处理。在5—10 cm土层中，RC处理在不同年份的TK含量均表现为最高，但TK含量增幅最大的为RI处理，由2013年的 22.12 g/kg 增加到 2020 年的 23.46 g/kg。在10—20 cm土层中，CK处理的TK含量虽有波动，但整体呈上升趋势，RI和RC处理的TK含量相近且变化趋势一致，2020年CK、RI和RC 3个处理的TK含量在23.29～23.71 g/kg。试验进行8年间，CK、RI和RC 3个处理的TK含量均随试验年限的增加而增加，增幅分别为3.91%、5.22%和2.72%。CK、RI和RC 3个处理在2020年的TK含量均显著高于 2013 年 (P<0.05)。
图4 不同秸秆还田方式下不同土层土壤全钾含量的年际变化Fig. 4 Dynamics of soil total potassium content in different depths under different residue return methods
2.2 处理和试验年限对土壤化学计量特征的影响
2.2.1 土壤C∶N 试验年份、土层、秸秆还田方式对土壤化学计量特征影响的多因素方差分析结果见表 2，年份 (Y)、土层 (S)及 Y×S、Y×R 和Y×S×R之间的交互作用对土壤C: N均有显著影响(P<0.05)。根据各处理土壤C∶N在年际间变化(图5)可知，在0—5 cm土层中，CK处理的C∶N随时间延长缓慢降低；
RI处理的C∶N表现为先升高后降低，最大值和最小值分别为11.47 (2017年)和 10.94 (2020 年)；
秸秆覆盖还田 3 年后 (2015 年)，RC处理的C∶N降低至9.87，显著低于CK和RI处理，2020年RC处理的C∶N回升至11.06。5—10 cm土层中，CK处理的C∶N随时间延长先降低后升高，2017年CK处理的C∶N降至最低 (10.61)，显著低于RI和RC处理；
RI处理C∶N则随时间延长持续下降，由2013年的11.69下降至2020年的11.07；
RC处理的C∶N则随时间延长上下波动，并在2020年达到最小值10.62，显著低于CK和RI处理。在10—20 cm土层中，CK、RI和RC 3个处理的C∶N均随时间延长而下降，分别由2013年的12.56、12.27和12.14下降至2020年的11.20、10.90 和 11.04。耕层 (0—20 cm)中，随着试验年限的增加，CK、RI和RC 3个处理的C∶N均显著下降 (P<0.05)，分别下降了0.99、0.86和0.99。
图5 不同秸秆还田方式下不同土层土壤碳氮比的年际变化Fig. 5 Dynamics of soil C : N ratio in different depths under different residue return methods
2.2.2 土壤C∶P 年份 (Y)和及其与秸秆还田方式的交互作用（Y×R）显著影响土壤C∶P (P<0.05)(表2)。随秸秆还田时间增加，3个土层中不同处理的C∶P变化趋势各异 (图6)。在0—5 cm土层，CK和RI处理的C∶P分别由2013年的39.87和35.11下降至2020年的31.15和31.62；
而RC处理的C∶P由2013年的34.96上升至2020年的38.01。5—10 cm土层中，CK处理的C∶P随时间延长下降明显，RI和RC处理的C∶P在试验进行5～8年间(2017—2020年)下降明显。在10—20 cm土层中，CK、RI和 RC 3个处理的C∶P均有所下降，但处理间C∶P始终无显著差异。在0—20 cm土层中，经过8年田间试验，CK处理的C∶P显著下降(P<0.05)，RI和RC两个处理的C∶P也有所下降，但在年际间无显著差异 (P>0.05)。
图6 不同秸秆还田方式下不同土层土壤碳磷比的年际变化Fig. 6 Dynamics of soil C:P ratio in different depths under different residue return methods
2.2.3 土壤N∶P 由表2可知，土壤N∶P主要受年份与秸秆还田方式交互作用(Y×R)的显著影响(P<0.01)。各土层中不同年份下3个处理的土壤N∶P 变化范围在 2.81～3.72 (图 7)。在 0—5 cm 土层，CK处理的N∶P随时间延长而下降，RI和RC处理的N∶P则表现为上下波动，2020年RC处理的N∶P最大，但处理间没有显著差异。5—10 cm土层中，CK处理的N∶P变化幅度较小，RI和RC处理的N∶P则先升高后降低，2015年RC处理的N∶P显著高于CK处理。在10—20 cm土层中，CK处理的N∶P变化较小；
RI和RC处理的N∶P呈一致的上下波动趋势，2020年RI处理的N∶P显著高于CK处理。对于0—20 cm土层，CK处理的N∶P随时间延长显著降低 (P<0.05)，RC处理的N∶P在2015年显著上升 (P<0.05)，而后有所下降。
图7 不同秸秆还田方式下不同土层土壤氮磷比的年际变化Fig. 7 Dynamics of soil N:P ratio in different depths under different residue return methods
表2 年份、土层及秸秆还田方式对土壤化学计量特征的影响Table 2 Effects of experimental year, soil depth, and residue returning methods on soil stoichiometric characteristics
2.3 玉米产量
由各处理玉米产量的年际变化(图8)可知，玉米产量受年份 (Y)、秸秆还田方式 (R)及Y×R的影响 (P<0.05)，且CK、RI和RC 3个处理玉米产量随时间变化的波动趋势基本一致。所有处理在2013—2015年间的玉米产量均呈下降趋势；
CK和RC处理的玉米产量在2016年表现为上升趋势后在2017年稍微下降，RI处理的玉米产量在2016和2017年均呈持续升高趋势；
2018和2019年不同处理的玉米产量均逐年增加，而2020年各处理的玉米产量均明显下降。为消除不同处理玉米产量在年际间的差异，计算了各处理的年均玉米产量。结果表明，CK、RI和RC 3个处理的年均玉米产量分别为11127、10659和11025 kg/hm2，处理间无显著差异(P>0.05)。
图8 不同秸秆还田方式下玉米产量的年际变化及年均产量Fig. 8 Dynamics of maize yield and average annual maize yield under different residue return methods
2.4 耕层土壤碳氮磷钾、化学计量特征与玉米产量的相关关系
相关性分析结果 (图9)表明，SOC与TN之间呈极显著正相关关系 (P<0.001)，相关系数为0.66；
TP与TN和TK之间也显著正相关 (P<0.05)，相关系数分别为0.38和0.36。SOC、TN、TP及TK均与C∶N负相关，与C∶P和N∶P则表现出正相关；
C∶N与TK显著负相关 (P<0.05)，C∶P与SOC和TN均表现为极显著正相关 (P<0.01)，N∶P与TN和TK呈显著正相关关系 (P<0.05)；
C∶P和N∶P之间呈极显著的正相关 (P<0.001)，相关系数达到0.82。玉米产量与C∶N呈极显著正相关 (P<0.001)，相关系数为0.56；
玉米产量与TP和TK呈极显著负相关(P<0.001)，相关系数分别为−0.49和−0.50。
图9 耕层土壤碳氮磷钾、化学计量特征与玉米产量的相关系数Fig. 9 Correlation coefficients among soil organic carbon,nitrogen, phosphorus, potassium content, stoichiometric characteristics in plough layer and maize yield
3.1 秸秆还田对土壤碳氮磷钾含量的影响
本研究中，与秸秆移除 (CK)相比，秸秆还田(RI和 RC)促进耕层 (0—20 cm)土壤有机碳 (SOC)、全氮 (TN)、全磷 (TP)和全钾 (TK)含量的增加。Liu等[19]和Wang等[20]基于全球meta分析得出，秸秆还田可以使SOC含量和土壤N库分别增加12.8%和10.7%。经过8年秸秆还田试验，与CK 处理相比，RI 处理 SOC 和 TN 含量分别增加了 10.37% 和11.74%，RC处理中SOC和TN含量分别增加了12.56%和13.94%。隋鹏祥等[21]的研究表明，秸秆还田翻耕和旋耕两种处理均可以提高棕壤0—15 cm土层中SOC和TN含量。赵士诚等[22]报道32年秸秆粉碎后混合还田可以提高华北潮土0—20 cm土壤TN和TP含量，但对TK含量没有明显影响。也有研究表明秸秆覆盖还田将作物秸秆直接覆于农田土壤表面，可以提高土壤保水能力[23]，利于秸秆腐解，从而提升表层SOC和养分含量[24]；
此外，秸秆覆盖还田还能够减缓地表径流和风蚀[25]，从而减少SOC和养分损失。本试验中，RC处理前5年的TN含量表现为上下波动，这可能是秸秆还田初期存在“激发效应”或者秸秆分解需消耗氮素[26]而导致的。本研究还发现，随着秸秆覆盖还田年限的增加，表层 (0—5 cm)土壤中SOC和养分含量的增幅也变大，与Lou等[27]对长期秸秆还田下SOC储量变化研究的结果一致。由于秸秆还田向土壤归还有机物质，不可避免地影响土壤中元素循环[28]。不同秸秆还田方式的实质是耕作导致的秸秆在土壤中位置不同，进而影响秸秆腐解及养分释放。RI处理中，秸秆通过翻耕进入土壤，一方面秸秆与土壤充分混合加速其腐解，促进土壤碳氮磷钾含量的增加；
另一方面耕作使耕层土壤中碳氮磷钾的分布相对均匀。由于RC处理没有对土壤进行耕作扰动，因此，碳氮磷钾等元素在表层土壤富集[29]。
3.2 秸秆还田对土壤化学计量特征的影响
土壤有机碳和养分含量是表征土壤肥力的重要指标，但是不能完全依靠土壤有机碳和养分含量来指导农田管理，还应考虑元素之间的平衡和养分有效性等[30]。化学计量学能够将土壤中C、N、P代谢和微生物动力学联系起来，从而明确生物对养分资源的需求[31]。前人报道我国土壤C∶N平均值在10～12之间[32]，本研究中，各处理土壤C∶N的变化范围为9.87～12.56。一般情况下，土壤C∶N与土壤有机质的分解速率呈反比[33]。本试验中发现土壤C∶N与土壤TN显著负相关，但不受秸秆还田方式的影响，表明秸秆还田方式对黑土中有机质的分解速率无显著影响。Zhang等[34]对东北黑土秸秆还田处理16年的土壤进行矿化培养，发现土壤有机碳的分解与秸秆还田方式无关而主要受作物种类影响，为本研究结果提供支撑。然而，不同处理0—20 cm土层的C∶N表现为随秸秆还田年限的增加而显著下降，经过8年试验后，CK、RI和RC 3个处理的C∶N分别下降了0.99、0.86和0.99。彭亚敏等[35]在旱作农业区的研究表明，秸秆还田能够提高土壤C∶N，且免耕秸秆覆盖还田处理下土壤C∶N最大。由此，不同区域秸秆还田对土壤C∶N的影响是不同的。
土壤C∶P是表征土壤中磷有效性的重要指标，且其比值大小与磷有效性高低有关[36]。Tian等[13]报道了我国土壤C∶P的平均值为61，高于本研究的31.15～39.87，由此表明，东北黑土区的土壤磷有效性高于全国平均水平。大量研究证明，秸秆还田后土壤有效磷含量增加，磷素转化效率提升，磷素淋失风险下降[37–39]。本研究中，除2017年RI和RC处理的C∶P显著高于CK处理，其余年份土壤C∶P均不受秸秆还田方式的影响。秸秆还田方式对土壤C∶P没有产生显著影响的原因可能是东北黑土磷有效性较高。本研究还发现，0—20 cm土层中CK处理的C∶P随时间延长显著下降，RI和RC处理的C∶P则无显著变化，表明秸秆还田下C∶P相对稳定。
土壤N∶P值大小可以用来判断限制植物生长的养分，即较低的N∶P表示植物生长受N限制，较高的N∶P表示植物生长受P限制[40]。不同研究区域和土壤类型的N∶P具有较大的空间异质性，在富含有机质的土壤中N∶P 可以达到9.3[13]。本试验中，3个处理的N∶P变化范围为2.81～3.72，低于全国土壤的平均值5.2[13]。有研究表明黑土区相对较低的C∶P和N∶P主要是由于该区域土壤磷含量较高[41]。胡乃月[42]研究则发现秸秆还田可以产生氮素盈余，并建议秸秆还田的同时降低化肥施用量。对不同处理的N∶P在年际间变化研究发现，CK处理的N∶P随试验年限的增加而降低，表明长期进行秸秆移除加剧农田黑土N限制；
RC处理的N∶P表现为升高趋势，且仅在试验第3年 (2015年)有显著差异。
基于化学计量特征进行养分调控，可以提高土壤养分利用效率，同时避免资源浪费及环境污染[43]。本研究中秸秆覆盖还田显著提升耕层土壤SOC和TN含量，TP和TK含量也随时间延长缓慢增加。秸秆移除加剧土壤N限制，秸秆还田对农田黑土有机质的分解速率、土壤磷有效性及土壤养分限制没有产生显著影响。
3.3 秸秆还田对玉米产量的影响
本研究中，玉米产量受秸秆还田、年份及二者交互作用的影响。秸秆还田可以调节土壤水分和温度，改善土壤养分有效性，进而影响作物生长发育[44]。研究表明，秸秆还田可以促进全球作物产量提高约5.5%[20]。王改玲等[45]在黄土高原研究发现，连续15年免耕秸秆覆盖比常规耕作增产27.6%，且干旱年份的小麦增产率显著高于丰水年份。本研究中，与CK相比，RI和RC处理的年均玉米产量 (2013—2020年)没有显著差异，表明连续8年秸秆还田处理对玉米产量无显著影响。此外，2020年玉米产量发生显著下降，这主要是由于2020年8月26日—9月8日，试验站遭受3次台风 (巴威、美莎克和海神)，试验小区发生玉米倒伏，导致玉米减产。孔德杰等[46]在陕西杨凌开展冬小麦–夏大豆轮作试验中，发现作物秸秆半量还田和作物秸秆全量还田分别增产3.63%～5.44%和10.38%～19.69%。
在实际生产过程中，为获得稳产高产，作物种植常常需要配施氮肥。张愉飞等[47]在黑龙江进行的试验发现，秸秆还田配施氮肥促进玉米产量的增加，且在氮肥施用量为180 kg/hm2时达到最大产量12960 kg/hm2。本研究中，氮肥施用量为156 kg/hm2，CK、RI和RC的年均玉米产量分别为11127 、11025和10659 kg/hm2。张静等[48]在黄土高原的研究表明，氮肥施用水平为138 kg/hm2，玉米秸秆还田量为9000 kg/hm2时，可以使接茬冬小麦产量提高7.47%。王新媛等[49]在陕西关中小麦–玉米轮作区进行了连续7 年的田间定位试验，当氮肥用量为252和336 kg/hm2时，秸秆还田处理的小麦产量平均增加5%～6%。宫明波等[50]在青岛小麦–玉米两熟区的长期研究发现，秸秆全量还田配施180 kg/hm2氮肥可以显著提高冬小麦产量和品质。
综上，秸秆还田对作物产量的影响受研究区域气候条件、化肥施用、耕作年限以及作物种类等多方面影响。
在东北黑土区进行的秸秆还田试验中，秸秆覆盖还田较秸秆移除明显提高了0—5 cm土层土壤有机碳和全氮含量，秸秆混合还田下的有机碳和全氮含量在0—20 cm土层中升高且均匀分布，各处理土壤全磷和全钾含量均随时间变化缓慢升高。试验期间，各处理玉米年均产量无显著差异。与秸秆移除相比，秸秆还田并没有显著改变土壤化学计量特征。根据各处理土壤化学计量特征随试验年限的变化，长期秸秆移除促进黑土有机质的分解、提高土壤磷有效性并加剧土壤氮素限制；
长期秸秆还田同样加速土壤有机质的分解，但不改变土壤磷有效性及氮素限制。由于黑土本身具有较高的有机质和磷含量，应将今后的研究重点放在提升土壤氮素有效性及改善土壤氮素限制等方面。
