不同機械化秸稈還田方式對棉花生長、產量和品質的影響

王 靜，陳 兵，王吉亮，盧勇濤，王 敏，宋 勇，3，韓煥勇，王方永

(1.新疆石河子職業技術學院水利建筑工程分院, 新疆 石河子 832003;2.新疆農墾科學院,新疆 石河子 832003;3.石河子大學農學院，新疆 石河子 832000)

棉花是我國主要的經濟作物, 新疆棉花在全國的重要性日益凸顯。國家統計局發布了2019年全國棉花產量公告[1]：2019年全國棉花種植面積3 339.2千公頃，產量588.9萬噸。其中，新疆棉花種植面積2 540.5千公頃，產量500.2萬噸，分別占全國的76.08%和88.9%,新疆棉花在種植面積、總產、單產等方面己連續25 a位居全國第一。然而，新疆棉花生產中仍存在很多問題，比如品種多亂雜，病蟲害日趨嚴重，農藥肥料施入過多，有機肥用量少，土壤肥力下降，地膜污染嚴重，土壤鹽漬化加重，質量差，比較效益低等，造成棉花產量提升受限[2-3]。

由于新疆地區棉花種植過程中施入底肥少，秸稈焚燒污染環境，因此,多采用秸稈還田的方式處理秸稈和培肥地力。秸稈還田是一種把作物秸稈直接或堆積腐熟后施入土壤中的方法，是改善土地生產力的有效措施之一[4]。秸稈過腹還田和堆漚還田是秸稈還田最原始的方式，也是最有效方式,然而隨種植業結構調整及農業機械化程度提高，秸稈打捆機增加了作業成本，同時對土壤造成二次傷害，實踐中難以接受，日趨減少[4]。結合機械的翻壓直接還田、秸稈覆蓋還田、秸稈焚燒直接還田等，已經成為新疆秸稈還田的主要方式[5-7]。

國內外學者對秸稈還田開展了多方面的研究，秸稈還田對土壤質量影響的研究最為廣泛，是多年來國內外土壤學研究中的熱點問題。研究認為秸稈還田后對土壤具有很高的改良作用，提高土壤養分，提高了土壤大團聚體含量,增加土壤通透性，真菌數量持續增加，細菌和微生物總量下降，保持土壤水分等[8-12]。秸稈還田對作物產量和品質具有一定的提升作用。水稻-小麥輪作系統中作物殘體還田、不同等效碳輸入秸稈還田、不同秸稈腐熟菌劑作物秸稈還田、不同耕作模式下長期秸稈還田均能增加作物產量，提高品質[13-17]。秸稈還田對作物生長的影響研究也表明，不同還田模式能降低出苗率[18]，增加病蟲害,第一果枝節位和株高顯著增高[19]，降低干物質量15.8%～17.2%[20]。秸稈還田使得潔區播種經濟效益最佳,節本增效顯著,值得大力推廣[21]，應盡快建立多視域、多方法結合的評估方法體系，能夠為決策提供更有力的對策和建議[22]。

前人對秸稈還田方式下土壤性質的變化和作物生長狀況、產量及品質做了大量研究，但對棉花不同機械化秸稈還田方式下作物的生長發育和產量變化研究較少，干物質積累、品質變化及成本效益的情況未作系統研究。本文開展相關研究為當前棉田在不同條件下選擇最優的機械化秸稈還田方式提供理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

2016年在新疆農墾科學院農試場3-1號地進行。土壤肥力中等,有機質含量9.61 g·kg-1, 堿解氮61.96 mg·kg-1, 速效磷 12.34 mg·kg-1, 速效鉀381.75 mg·kg-1, PH值8.33, 電導率 0.19 ms·cm-1。隨機區組設計，3個重復，每個重復約55.5 m2。供試棉花品種為新陸早51號，4月18日播種，2MBJ型機械式精量鋪膜播種機一次性完成鋪膜鋪毛管播種覆土，膜上點播，膜下滴灌，膜寬2.05 m，66 cm+10 cm行距，9.5 cm株距。生育期灌水量為5 700 m3·hm-2，無基肥，生育期隨水追施尿素495 kg·hm-2(N：227.7 kg·hm-2)，磷酸二氫鉀330 kg·hm-2(P2O5：171.6 kg·hm-2、K2O：112.2 kg·hm-2),全生育期滴灌9次，8～10 d滴灌1次，7月1日人工打頂，9月6日噴施脫葉劑，9月30日機械采收。試驗設5個不同機械化秸稈還田模式， 具體如下：

(1)棉稈春季常規還田：春季上部秸稈粉碎還田(1JH-2.2型臥式秸稈粉碎還田機),根茬不粉碎還田；(2)棉花整稈起拔不還田：秋季棉花整稈起拔(4MBQ-2.05棉花拔稈起膜機)后集中拉出田； (3)常規粉碎還田后起拔棉根不還田：秋季上部秸稈粉碎還田(1JH-2.2型臥式秸稈粉碎還田機),根部起拔(4MBQ-2.05棉花拔稈起膜機)后集中拉出田；(4)常規粉碎還田后起拔棉根粉碎全量還田：秋季上部秸稈粉碎還田(1JH-2.2型臥式秸稈粉碎還田機),根部起拔(4MBQ-2.05棉花拔稈起膜機)粉碎(9ZF40Z-36D飼草粉碎機)后全量還田；(5)常規粉碎還田：秋季上部秸稈粉碎還田(1JF-2.2型立式秸稈粉碎還田機),根部不粉碎還田(對照)。分別用H1,H2,H3,H4,H5表示，如表1。

表1 不同機械化秸稈還田模式Table 1 Different mechanization methods of straw returning

各處理在棉花收獲后翻地前同一天(10月25日)進行，田間管理措施保持一致。

1.2 測定項目和方法

1.2.1 出苗率調查 播種滴灌出苗水后第10天調查單位面積棉花苗數量和總穴數，每個小區調查3點，每點長5 m(2條膜)。出苗率計算：出苗率=(單位面積出苗數/單位面積總穴數)×100%。

1.2.2 農藝性狀測定 播種出苗后在每個小區內選擇長勢均勻一致樣點5個，每個樣點選取植株10株(內外行各5株)，掛牌標記，每個生育期調查一次棉株農藝性狀，包括株高、葉齡、果枝臺數、果枝始節等；取樣測定生物量(干重)、葉面積指數、葉綠素含量(SPAD值)等指標。打孔干重比法測葉面積指數，SPAD測定儀測葉綠素含量[23-25]。

1.2.3 產量及產量構成因子測定 機械采收前3 d(10月20日)按照常規方法測定單鈴重、單株鈴數、收獲株數、霜前花率、衣分等，并進行小區測產。

1.2.4 室內考種與纖維品質測定 機械采收前3 d(10月20日)各處理收獲60個吐絮鈴進行室內考種，其中下部1～3果枝20個鈴，中部4～6果枝20鈴，上部7以上果枝20鈴，送樣到石河子棉花纖維檢驗所測定各部位吐絮鈴的絨長、比強、馬克隆值、整齊度、伸長率、短纖維、成熟度、紡織參數等，各指標取平均值。

1.3 數據處理

采用Microsoft office Excel 2013進行數據處理，SPASS 22.0進行方差分析，主要對出苗率、株高、葉齡、果枝臺數、果枝始節高、生物量、葉面積指數、葉綠素含量、單株鈴數、單鈴重、收獲株數、霜前花率、籽棉產量、絨長、比強度、整齊度、伸長率、成熟度、紡織參數、短纖維指數、馬克隆值等指標進行方差分析，采用LSD多重比較方法。

2 結果與分析

2.1 不同機械化秸稈還田方式對棉花出苗率的影響

如圖1所示,不同機械化秸稈還田方式對棉花出苗影響存在差異,處理HT1出苗率最低,僅33%，比對照(HT5)和其他處理(HT2～4)低了1倍以上，差異顯著(P<0.05)。HT2～4的出苗率與對照差異較小,其中HT3高于對照3%, HT2低于對照5%, HT4與對照持平,均未達到顯著水平。HT1出苗率最低可能是春天翻地后秸稈沒有經過長期腐爛，地膜沒來得及撿拾干凈等造成種床條件較差造成的。

注：不同字母表示差異顯著(P<0.05)。Note: Different letters indicate significant differnce at P<0.05 level.圖1 不同機械化秸稈還田方式對棉花出苗率的影響Fig.1 The effects of different mechanical straw returning methods on cotton seedling emergence

2.2 不同機械化秸稈還田方式對棉花生長發育的影響

如表2所示，隨棉花生育期的推進，除了對照生物量呈現快速增加-緩慢增加-快速降低趨勢外，處理HT2～4的棉花生物量均呈現快速增加-平穩增加的趨勢。不同處理的生物量差異最大，143.90～6 594.24 kg·hm-2，整個生育期均達顯著差異(P<0.05)。HT1生物量最小，不同時期均 (HT4吐絮期除外)與HT2～4差異顯著(P<0.05)；HT2和HT3在不同時期均與對照達顯著性差異(P<0.05)，與HT4在前期(苗期和蕾期)差異不顯著，中后期(花鈴期和吐絮期)差異顯著(P<0.05)；HT4生物量最大，且與對照在除盛花期以外的不同時期均達到顯著性差異(P<0.05)。各處理在不同時期均與對照有顯著性差異，差異最大的是HT1，其次是HT4，最小的是HT2、HT3。不同處理葉面積指數差異較大, 在整個生育期均達顯著差異(P<0.05)。苗期差異較小，苗期以后HT4的葉面積指數最大，大于對照和處理HT1～3，在中期與對照差異不顯著，后期(盛鈴期和吐絮期)與對照差異顯著(P<0.05)，HT1最小，在中期(蕾期和盛花期)與對照差異顯著(P<0.05)，后期(盛鈴期和吐絮期)與對照差異不顯著。株高差異較大，苗期和蕾期HT1處理與其他各處理間均達顯著差異(P<0.05)。除苗期HT2、HT4株高略高于對照，其他時期HT1～4的株高小于對照，尤其HT1株高前期比對照小了1倍以上，差異顯著(P<0.05)，盛花期以后差異不顯著，HT2～4的株高與對照差異很小，并始終保持著6 cm以內，差異不顯著。葉綠素含量(SPAD值)差異較小，2.69～3.68。蕾期HT1、HT3與對照及其他處理差異顯著(P<0.05)，其他時期均不顯著。不同處理果枝臺數除了蕾期差異顯著外，其他時期差異較小，蕾期HT2～4的果枝臺數均高于對照和HT1，差異顯著(P<0.05)，盛花期后，果枝臺數均在增加，變幅很小，處理間差異不顯著。不同處理葉齡除蕾期差異顯著外，其他時期差異較小，HT1與對照的差異略大，生長前期小于對照，后期略大與對照，其他處理在整個生長時期均與對照差別不大。果枝始節高，整個生育期均未達顯著差異，HT1略高于對照。HT1的各項生長發育指標最低，可能是土壤中殘存的棉稈和地膜較多，導致土壤肥力下降，出苗率低，缺苗斷壟造成的大小苗嚴重，管理困難。HT2～4的各項生長發育指標與對照差異較大，可能是各處間雖然栽培條件一樣，但對土壤的影響不一樣，土壤肥力存在差異所致。

表2 不同機械化秸稈還田方式下棉花的生長發育指標Table 2 Growth index of cotton under different mechanization methods of straw returning

2.3 不同機械化秸稈還田方式對棉花產量性狀的影響

由表3可知，不同機械化秸稈還田方式對棉花產量性狀影響差異較大，從處理間差異來看，除了單鈴重外，單株鈴數、收獲株數、霜前花率和產量差異均顯著(P<0.05)。HT1與HT2～5在單株鈴數、收獲株數、霜前花率和產量差異均顯著(P<0.05)，HT3、HT4與對照僅在收獲株數上差異顯著(P<0.05)，在單株鈴數、單鈴重、霜前花率和產量上差異均不顯著。其中HT1雖然單株鈴數最多，較對照較多3.24個·株-1(P<0.05)，但單鈴重最小，收獲株數最少，霜前花率最低46%，較對照減產最大，約2 065.8 kg·hm-2，減產率達到了47%，差異顯著(P<0.05)，嚴重影響了棉花的產量。HT2、HT3單鈴數較對照多0.4·株-1、0.14·株-1，單鈴重0.25 g、0.23 g，收獲株數少9 750株·hm-2、27 000株·hm-2(P<0.05)，霜前花率基本相同，均較對照增產約261.90，316.65 kg·hm-2，增產率6%，7%，增幅較小。HT4單鈴數最少，較對照少0.42個·株-1，單鈴重低0.04 g，但收獲株數最多，較對照多19 500株·hm-2(P<0.05)，霜前花率高3%，均較對照減產約265.95 kg·hm-2，減產率為6%，差異不顯著。HT1的產量最低，主要是其生長發育較慢，加上缺苗斷壟造成的單位面積株數少，鈴重較低所致。 HT2～3的產量較高，主要是其生長發育較快，收獲株數適中，單株鈴數較多和單鈴重較大所致。HT4的產量較低，主要是其生長發育較快，收獲株數較多，限制了單株鈴數和單鈴重所致。

表3 不同機械化秸稈還田方式對棉花產量性狀的影響Table 3 The effects of different mechanization methods of straw returning on cotton yield characters

2.4 不同機械化秸稈還田方式對棉花品質的影響

由表4可知，不同機械化秸稈還田方式對棉花產量性狀影響存在較大差異。與對照相比，HT1～4的品質參數絨長、比強度、整齊度、伸長率、成熟度和紡織參數均大于對照，差異顯著(P<0.05)，其中絨長增加0.58～1.05 mm，比強度增加2.27～5.46 CN·tex-1，整齊度增加1.6%～2.5%,伸長率增加0.26%～0.46%，成熟度增加0.12～0.2，紡織參數增加21～232；短纖維指數小于對照0.9%～1.33%，差異顯著(P<0.05)；馬克隆值有增有減，HT2減小0.47，HT1、HT3、HT4分別增加0.28、0.42、0.25，差異顯著(P<0.05)。HT1～4處理之間，比強度和整齊度差異最明顯，HT1～4處理間均達到顯著性差異(P<0.05)；絨長，伸長率差異較明顯，HT1與HT2～4差異顯著(P<0.05)，HT2～4間差異不顯著；馬克隆值的差異較明顯，HT1和HT4間差異不顯著，均與HT2、HT3差異顯著(P<0.05)，HT2，3間差異顯著(P<0.05)；紡織參數的差異較明顯，HT1與HT2間差異不顯著，均與HT3、HT4間差異顯著(P<0.05)，HT3與HT4間差異不顯著；短纖維和成熟度HT1～4處理間差異不顯著。HT1～4的多數品質參數高于對照，可能是各項生長發育指標與對照差異較大所致。

2.5 不同機械化秸稈還田方式下棉花成本效益分析

由表5可知，HT1～5處理的棉花種植成本相同，機械化秸稈還田成本存在差異，HT1～4處理的機械化秸稈還田相關成本均比對照多, 其中HT1比對照多90元·hm-2, HT2～4分別比對照多630、690、1 395元·hm-2，主要是增加了拉運和人工成本。棉花價格統一按照112.5元·hm-2計算，棉花成本統一按照25 500元·hm-2計算，HT1效益為-8 615.63元·hm-2，效益率-47.41%，HT2～4的效益分別為8 302.13、8 652.75、3 814.13元·hm-2，效益率6.01%、7.27%、-6.02%。HT1、HT4處理效益比對照少，減少了棉花效益，HT1較對照虧損了15 583.5元·hm-2，HT4虧損了3 153.75元·hm-2，HT2、HT3比對照多，增加了棉花效益，HT2較對照盈利了1 334.25元·hm-2，HT3盈利了1 684.88元·hm-2。對效益的影響依次為HT3>HT2>HT4>HT1。HT1～5的棉花效益不同，主要是每個處理的工序不同，需要的拉運和人工成本不同，同時產量也存在差異所致。

表5 不同機械化秸稈還田方式下棉花成本效益Table 5 The cost-effective of different mechanization methods of straw returning for cotton

3 討論與結論

3.1 討 論

由于2016年春季持續降雨低溫造成整體出苗較差，而HT1是春季翻地，整地質量較差，棉稈也未經過冬天的腐爛，加上積水較多，造成了播種難，出苗難。HT2～4與對照都是頭一年秋翻，整地質量較好，棉稈也經過冬天的腐爛，加上積水較少，播種質量好，出苗較好。而Zhang等[18]研究發現不同播種處理的小麥出苗率和均勻性都有降低，機械條播的下降幅度較大，出苗率降低了36.54%，說明作物出苗率不僅受機械化秸稈還田方式的影響，受播種方式的影響更大。

不同機械化秸稈還田方式下棉花生物量積累不同，且整個生育期差異較大，HT1的影響最大，同時LAI、株高、SPAD、果枝臺數都存在差異，說明不同處理在棉花生長的不同生育時期吸收養分和水分的水平存在較大差異。劉飛等[19]研究認為棉秸稈全量還田株高比秸稈拔除免耕的地膜覆蓋棉田顯著增高；王秋菊等[20]研究表明秸稈耕層還田玉米苗期株高降低3.1～4.5 cm，干物質量降低15.8%～17.2%，而秸稈粉碎集條深埋還田的株高和生物量與對照基本持平。說明不同機械化秸稈還田方式對棉作物的生長發育影響較大。

HT1處理的產量最低，與對照差異最大，已經達到顯著水平，說明HT1不利于棉花增產，HT2～4產量與對照差異較小，HT2～3略微增產，與 Gupta等[13]和Ma等[14]的研究結果一致，HT4略微減產與Gupta等[13]和Linjie M等[14]的研究結果不同，可能是因為機械化秸稈還田的時間及還田方式不同。

本文在分析不同處理棉花品質特征時，為保證取樣時間一致，按照同一標準進行采樣和測試分析，取樣時HT1的吐絮率低，取樣時僅取了吐絮鈴，測出的品質指標明顯偏高，且高于對照，考慮到當年秋天天氣好，HT1收獲前吐絮也超過了90%，理應在收獲前再進行一次重取樣，分析驗證，當時沒能做到，是本試驗的不足，所以在參考本文不同處理對品質影響時，HT1的品質指標數據的分析結果可根據需要取舍，本文品質分析結果，需要進一步驗證。

由于棉花種植成本相同，成本差異主要來自于機械化秸稈還田成本，HT2～4主要是增加了拉運和人工成本導致比對照高很多，尤其HT4程序復雜，短期內效果不明顯，農戶接受困難。HT1、HT4降低了棉花效益，HT2、HT3增加了棉花效益。

由于新疆北疆屬于干旱半干旱溫帶氣候，晝夜溫差大、降雨量少，氣候干旱，春季缺水，多為灌溉農業，收獲后基本不再灌水，主要靠冬天的雪水融化保持春天土壤墑情，而春天升溫較快，土壤表層水分很快蒸發，所以棉花出苗需要灌溉出苗水。為節約春季水分，又能滿足出苗，常采用膜下滴灌，主要是干播濕出的方式供水出苗，如果冬季雪多播種前土壤水分含量較多，秋天秸稈還田后的秸稈進入土壤后經過一冬天水泡，可快速腐解，給土壤提供養分，同時提供一個好的種床，秸稈還田后又有充足的時間進行殘膜回收，播種后澆灌少量出苗水，土壤表層棉花種子吸收膨脹，受秸稈和地膜的影響小，出苗率高，出苗后生長也快，產量就高，如HT2～5。如果春天秸稈還田后播種，還田后的秸稈進入土壤后，幾乎沒有腐解，又沒有充足的時間進行殘膜回收，對棉花出苗的影響很大，出苗后生長也慢，產量較低，如HT1。所以本研究HT2～5產量較高，HT1產量較低，生產中盡量避免HT1方式。由于試驗僅開展了1 a，各處理的秸稈在土壤中的累計量較少，對土壤肥力的影響較小，差異小，棉花生長需要的養分等還未完全吸收，所以本文的結果有一定的局限性，多年累積后的效應如何，還需進一步深入研究。

3.2 結 論

不同機械化秸稈還田方式對棉花出苗的影響差異較大，處理HT1出苗最差，其他處理(HT2～4)出苗較好。隨著棉花生育期推進， 處理HT1～5的棉花生長總體上均呈現出快-慢-平穩增長的趨勢，其中生物量的變幅最大，其次是葉面積指數和株高,葉綠素含量和果枝臺數變幅較小，葉齡和果枝始節高基本不變。HT1處理減產最大，約2 065.8 kg·hm-2，減產率47%，HT2，HT3較對照增產約261.90 kg·hm-2，316.65 kg·hm-2，增產率6%，7%，HT4較對照減產約265.95 kg·hm-2，減產率6%。與對照相比，處理HT1～4棉花品質參數絨長、比強度、整齊度、伸長率、成熟度和紡織均勻性指數提高，短纖維指數下降，馬克隆值在一定范圍內下降。處理HT1成本較低，效益最低，HT4處理成本最高，效益一般，均不適合推廣，處理HT2、HT3成本較高，效益最高，適宜推廣。