麥稈還田對直播和移栽棉花產量及氮素吸收的影響

張旭, 何俊峰, 陳佛文, 李繼福*, 吳啟俠, 譚京紅, 鄒家龍

(1.長江大學農學院, 濕地生態與農業利用教育部工程研究中心, 湖北 荊州 434025; 2.荊州市荊州區農技推廣中心, 湖北 荊州 434025)

江漢平原是湖北省最大的優質棉生產基地，2017年種植面積占全省的70%左右，同時也是我國長江流域的主要生產棉區[1-2]。研究表明，科學施肥是促進作物增產、增效的重要措施，尤其氮素是影響棉花產量形成的主要養分限制因子[3-7]。李銀水等[8]研究得出,湖北省棉花氮(N)肥的適宜用量平均為114 kg·hm-2，比對照可以增產131～1 244 kg·hm-2。但由于土壤養分狀況和棉花產量水平差異較大，這一平均施氮量難以適用于江漢平原的中、高產棉田[8]。江漢平原棉區皮棉產量高于1 050 kg·hm-2的中高產棉田，N、P2O5和K2O實際用量分別為225～255、90和180～195 kg·hm-2[3,8]。據資料，長江流域高產棉區的平均籽棉產量(包括棉籽和皮棉)為5 919 kg·hm-2，其N、P2O5和K2O的平均實際施用量達到277、102和205 kg·hm-2；中低產區平均籽棉產量為3 664 kg·hm-2，其N、P2O5和K2O的平均施用量分別為259、93和199 kg·hm-2。與國家推薦施肥量相比，當前的棉花氮肥實際用量偏高，仍有降低潛力和空間[2]。在江漢平原兩熟棉區如何合理減氮成為控制化學肥料投入和實行棉田綠色生產的一項重要生產問題。

麥-棉兩熟農作制是長江流域棉花的主要種植制度，麥稈還田對該體系的農田土壤氮庫和其他營養物質是一項重要的補充[6]。大量研究已表明，麥稈還田具有普遍的增產效應，作物秸稈與化肥配合施用，具有提高農田養分循環和肥料利用率的作用[9-12]。棉花移栽方式下，小麥秸稈覆蓋還田可顯著提高棉花葉面積指數、延長葉片功能期、提高葉片光合速率，從而防止棉花早衰，增加棉花的單鈴重和產量，也可通過根系-微生物系統的物質能量交換，增加作物根系生物量，尤其是棉株葉片氮濃度和產量會隨著試驗年份延長而顯著提高，皮棉產量增幅可達10%以上[11]。此外，隨著農業輕簡化生產的快速推進，麥后棉花復種直播技術正逐漸取代傳統營養缽育苗移栽方式，這也是長江流域棉花恢復生產的關鍵措施之一。然而，直播和移栽棉花在形態發育、產量水平和養分吸收上存在較大差異[12]，它們對還田秸稈氮素的吸收利用可能存在差異。同時，基于種植習慣，麥-棉兩熟區冬小麥收獲后，移栽棉花多采用免耕+營養缽育苗移栽的方式，在蕾期適時中耕、追施尿素和覆蓋的麥稈一并翻壓處理；而直播棉花則需要在播種前期進行小麥秸稈翻壓、施肥和整田工序。直播和移栽棉花在生產管理環節上的差異可能會對秸稈腐解及秸稈中氮素的釋放、吸收利用產生影響[13-15]，這方面的理論研究還相對較為薄弱。因此，本項目擬在田間試驗條件下，通過15N同位素示蹤技術研究小麥麥稈還田對直播和移栽棉花產量、地上部干物質量、生長狀況、氮素吸收以及秸稈氮素利用的影響，以期為提高秸稈資源利用率，減少棉花季化學氮肥投入提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和材料

田間試驗位于長江大學作物科學研究基地(N 30°21′17″，E 112°08′17″，海拔65 m)，為水稻田改良的旱地，近5年均為冬小麥-棉花農作制，常規施肥管理，秸稈均在收獲時移出農田，田塊肥力均勻。試驗前耕層(0—20 cm)土壤pH 6.74，含有機質23.4 g·kg-1、全氮1.09 g·kg-1、堿解氮115.3 mg·kg-1、有效磷10.4 mg·kg-1和速效鉀164.8 mg·kg-1。供試小麥和棉花品種分別為鄂麥1025和中棉所63。

1.2 試驗設計

田間試驗共設4個處理，分別為棉花直播冬小麥秸稈不還田(D-S)、棉花直播冬小麥麥稈還田(D+S)、棉花移栽冬小麥秸稈不還田(P-S)和棉花移栽冬小麥麥稈還田(P+S)，小區面積30 m2，3次重復，隨機區組排列。移栽方式的棉花于2018年5月2日在湖北省荊州市華中農高區進行營養缽育苗，5月22日，各小區同步進行棉花直播和移栽處理，并設置微區2 m×2 m，將15N標記小麥秸稈和基肥翻壓還田。直播棉花每穴3粒，出苗7 d后定植1株。各處理移栽和直播密度均為3.67×104株·hm-2，株行距為35 cm×75 cm。冬小麥麥稈還田量為5 500 kg·hm-2，基肥為復合肥(N-P2O5-K2O=18-8-15)750 kg·hm-2，提苗肥和花鈴肥各150 kg·hm-2(尿素，N 46%)。棉花生育期天氣狀況見圖1。

圖1 2018年試驗區棉花季月均降雨量和氣溫

15N標記麥稈：2017年11月6日，在長江大學教學基地種植冬小麥，施用豐度10%的15N尿素(粉末狀，中國化工研究院)和復合肥(15-15-15)600 kg·hm-2，2018年5月收獲15N標記的冬小麥秸稈、風干、剪成3～5 cm，供棉花季使用。

1.3 樣品采集與指標測定

于收獲期(2018年10月28日)在各小區選擇有代表性棉株6株測定農藝性狀，包括株高、根莖粗、葉片數、果枝數、葉片SPAD和單株鈴數。同時，各小區采收正常吐絮鈴20個，測定單鈴重和衣分。將樣品棉花整株取樣，去除根表土壤，分為根、莖稈、葉片、棉殼、棉籽和皮棉6部分。各部位植物樣品50 ℃烘干、稱重，粉碎后過0.85 mm篩后測定全氮含量，適量樣品用Emax高能球磨儀(德國Retsch)研磨后，上Isoprime-100穩定同位素質譜儀(鋇科瑞檢測技術有限公司)測定15N豐度。棉花根系樣品采用Microtek掃描儀(ArtixScan 3200XL，中晶科技)掃描，所得圖像通過萬深LA-A植物根系分析系統獲取根系長度、表面積、體積、平均直徑和根尖數。各小區成熟籽棉分別在9月10日、10月3日采摘，并于10月28日一次性將剩余籽棉采摘，分別累計產量。相關計算公式[5]如下。

15N原子百分超=標記樣品15N豐度-15N天然豐度

植株氮素來自15N標記秸稈的百分比(Ndff)=樣品15N原子百分超/標記秸稈15N原子百分超×100%

某一植株組織或器官的15N累積量=該組織或器官氮積累量×該組織或器官的Ndff

秸稈15N回收率=植株15N積累量/投入秸稈15N量×100%

秸稈氮素表觀利用率=(麥稈還田氮素吸收量-秸稈不還田氮素吸收量)/秸稈不還田氮素吸收量×100%

1.4 數據處理

所有數據均采用Microsoft Excel 2016和DPS 7.05軟件進行處理和分析，LSD法檢驗差異顯著性(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 麥稈還田對直播和移栽棉花生物量及產量的影響

不同處理的棉花產量和生物量(圖2)顯示，直播不還田時(D-S)，籽棉產量(包括棉籽和皮棉)為3 241 kg·hm-2，麥稈還田(D+S)后籽棉產量增加253 kg·hm-2，增幅為7.8%。移栽不還田(P-S)時，籽棉產量(包括棉籽和皮棉)為4 235 kg·hm-2，麥稈還田(P+S)后增產252 kg·hm-2，增幅為5.9%。與D-S處理相比，D+S處理的葉片、莖稈、棉殼和根系生物量增幅依次為3.7%、4.6%、3.4%和14.6%；P+S處理相比P-S處理，其棉花葉片、莖稈、棉殼和根系的生物量增幅為5.2%、5.6%、7.4%和7.9%。對比直播和移栽兩種方式，麥稈還田后直播方式棉花根系生物量的增幅顯著高于移栽方式；直播棉花的根系生物量與地上部生物量的比值由0.152(D-S)提高到0.165(D+S)，而移栽處理棉花的根系生物量與地上部生物量的比值沒有差異。對比直播和移栽不還田處理，麥稈還田后移栽棉花的葉片、莖稈和棉殼生物量的增幅顯著高于麥稈還田后直播處理。此外，各部位生物量占整株生物量的比例(圖2)顯示，不考慮麥稈還田，直播方式和移栽方式的籽棉產量(包括籽棉和皮棉)占比平均分別為29.8%和32.4%，表明移栽方式的收獲指數高于直播方式。整體而言，從籽棉產量和整株生物量來看，不同處理均表現為P+S>P-S>D+S>D-S。

注：不同小寫字母表示相同指標不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。

2.2 麥稈還田對直播和移栽棉花地上部及根系生長的影響

由表1可知，與麥稈不還田的直播和移栽棉花相比，麥稈還田后直播和移栽棉花的果枝數、葉片數、葉片SPAD均有不同程度增加，而株高、根莖粗的差異并不顯著。直播方式下，麥稈還田比不還田處理棉花的果枝數、葉片數和葉片SPAD分別增加2.7、8.8和2.4，增幅為19.3%、12.3%和6.2%。移栽方式下，麥稈還田后棉花的果枝數顯著增加，增量和增幅分別為2.3和12.6%。這說明麥稈還田可顯著提高棉花生長指標、延緩葉片衰老，且增加效果表現為直播方式>移栽方式。從棉花的產量構成因子來看,如單株鈴數、單鈴重和衣分，依然表現為移栽方式>直播方式。移栽方式棉花的單株鈴數、單鈴重和衣分平均為49.9、5.4 g和49.2%，比直播方式棉花的相應指標分別高24.4%、23.0%和9.9%，均達到顯著性水平。

表1 不同處理收獲期棉花植株的農藝性狀

麥稈還田對直播和移栽棉花的根系生長均有促進作用。麥稈不還田時，直播棉花的根系長度、表面積、體積、平均直徑和根尖數分別為213 cm、226 cm2、41 cm3、3.17 mm和103，麥稈還田后，直播棉花根系的相應生長指標分別增加4.7%、8.0%、36.6%、12.6%和14.6%，其中根系體積增加最為顯著。麥稈還田時，移栽棉花的根系長度、表面積、體積、平均直徑和根尖數比麥稈不還田處理分別增加10 cm、34 cm2、21 cm3、0.14 mm和17，增幅依次達到5.6%、13.0%、35.6%、3.3%和11.9%，其中根系體積增加最明顯。可見，移栽方式下棉花根系長度、表面積、體積、平均直徑和根尖數分別平均達到258 cm、278 cm2、70 cm3、4.25 mm和152，比直播方式分別提高15.5%、15.5%、30.2%、20.7%和27.1%。

2.3 麥稈還田對直播和移栽棉花氮素吸收的影響

2.3.1不同處理棉花各部位的氮含量 由表2可知，麥稈還田后當季棉株各部位的氮素含量均有不同程度的增加。直播還田(D+S)的棉花葉片、莖稈和根系氮素含量分別較直播不還田(D-S)增加0.05%、0.05%和0.01%，但差異不顯著；而棉殼和棉籽氮含量分別顯著增加0.15%和0.18%。移栽還田(P+S)的棉花棉籽、葉片、莖稈、棉殼和根系氮含量較移栽不還田(P-S)分別增加0.07%、0.05%、0.05%、0.04%和0.03%，但處理間差異均不顯著。相比麥稈不還田，麥稈還田后直播棉花的籽棉和棉殼氮含量增加較多，而移栽棉花的籽棉和葉片增加較多。各處理棉花各部位氮含量的均值表明，不同部位的氮含量表現為棉籽(3.62%)>葉片(2.41%)>棉殼(1.18%)>莖稈(0.82%)>棉根(0.71%)>皮棉(0.18%)。

表2 不同處理棉花各部位的N含量

2.3.2不同處理棉花各部位的氮素累積量 由圖3可知，直播不還田(D-S)時，籽棉氮素累積量為70.9 kg·hm-2，麥稈還田后其氮素累積量增加7.7 kg·hm-2，增幅為10.9%。移栽不還田(P-S)時，籽棉氮素累積量為93.6 kg·hm-2，麥稈還田后氮素累積量增加5.8 kg·hm-2，增幅為6.2%。與秸稈不還田相比，麥稈還田后，直播和移栽棉花葉片、莖稈、棉殼和根系的氮素累積量均有提升，增幅最為明顯的部位是棉殼和棉根，直播方式的棉殼和棉根增幅分別為18.5%和16.3%，移栽方式的增幅分別為11.3%和 12.5%。麥稈還田對直播棉花的氮素積累促進效果大于移栽棉花。還田后直播棉花整株氮累積量增加14.4 kg·hm-2，增幅為9.1%；而移栽棉花植株氮累積量增加16.5 kg·hm-2，增幅為8.5%。整體來看，與D-S處理相比，D+S、P-S和P+S處理棉株的氮素累積量分別增加14.4、34.6和51.1 kg·hm-2，增幅分別為9.0%、21.8%和32.2%。

注：不同小寫字母表示相同指標不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。

2.3.3直播和移栽棉花各部位的15N吸收量 麥稈還田后直播棉花和移栽棉花各部位15N吸收量結果(表3)顯示，小麥秸稈釋放的15N在直播棉株棉籽、皮棉、葉片、莖稈、棉殼和根系中的積累量分別為1.39、0.002、0.85、0.67、0.55和0.74 kg·hm-2，占各部位氮素吸收量的比值依次為1.80%、0.08%、2.40%、2.50%、2.60%和6.50%。移栽棉株的棉籽、皮棉、葉片、莖稈、棉殼和根系15N吸收量分別為1.62、0.003、0.97、0.86、0.67和0.58 kg·hm-2，占各部位氮素吸收量的1.70%、0.08%、2.40%、2.90%、2.60%和3.80%。移栽棉花除根系15N吸收量低于直播棉花外，其它各部位15N吸收量均顯著高于直播棉花，但占氮素吸收量的比例差異并不顯著。

表3 不同處理棉花各部位的15N吸收

2.4 棉花季麥稈的氮素回收率

由表4可知，直播和移栽方式下棉花地上部對秸稈氮素的表觀利用率分別為8.6%和8.2%；通過15N示蹤法，直播和移栽棉花地上部對秸稈氮素回收率則分別為8.9%和10.6%，表明移栽方式的秸稈氮素利用率均顯著高于直播方式。直播和移栽棉花根系對麥稈氮素的表觀利用率分別為16.4%和12.9%；15N示蹤法的直播和移栽棉花根系對麥稈氮素吸收利用率分別為1.9%和1.5%，兩者均差異顯著。麥稈氮素總回收率結果顯示，直播方式和移栽方式的麥稈氮素表觀利用率分別為20.7%和23.8%；通過15N示蹤法得出直播和移栽方式下麥稈氮素的總回收率分別為10.8%和12.2%。

表4 直播和移栽方式下棉花季的麥稈氮素吸收率

3 討論

3.1 麥稈還田對直播/移栽棉花生長及產量的影響

作物秸稈富含有機碳和礦質養分，可增加作物產量和土壤養分，而麥-棉輪作連續秸稈還田可顯著提高棉花單株鈴數、鈴重和皮棉產量[14-16]。通常條件下，小麥秸稈還田可使棉花產量增加4%～7%[15]。本研究發現，麥稈還田后，棉花的生物量和產量均有增加。麥稈還田后直播和移栽籽棉產量分別較不還田處理提高7.8%和5.9%，增產效果顯著。分析棉花產量構成因子發現，麥稈還田主要提高了直播棉花、移栽棉花的單株鈴數和單鈴重，對衣分基本沒有影響，這和前人的研究[9,12,16]一致。麥稈還田時，移栽棉花各部位生物量均高于直播棉花，尤其棉花根系生物量增幅最大，達到14.6%，這可能與栽培密度、作物群體效應有很大關系。本研究移栽密度3.67×104株·hm-2，王雷山等[17]認為,直播棉花較適宜的種植密度為4.5×104株·hm-2；楊長琴等[6]發現長江流域直播密度為4.5×104～6×104株·hm-2較為適宜；而移栽棉花的適宜密度為3.2×104～3.6×104株·hm-2。因此，直播棉花處理的種植密度太低，可能是造成移栽棉花處理的生物累積量高于直播方式的原因之一。此外，移栽棉花的根莖粗和果枝數顯著高于直播棉花；且移栽棉花的生長期早于直播棉花20～25 d，導致收獲時移栽棉花吐絮基本結束，而直播棉花仍有未吐絮的棉桃、葉色偏綠(SPAD值較高)，造成兩者生育期錯位。因此，在較低種植密度下，移栽棉花個體優勢明顯，對產量的貢獻大；直播棉花單株鈴數少，群體效應不能完全發揮。因此在大田直播種植時，必需適當增加播種密度，通過群體優勢彌補個體生長不足，以達到移栽模式的產量水平，從而實現棉花輕簡化生產和經濟效益[6,17]。

根系作為植物吸收養分和水分的主要器官，能感知土壤環境的變化并做出響應。因此，根系生長狀況也可反映秸稈還田對植株生長環境的影響[18]。本研究發現，栽培方式對根系生長有明顯差別，直播棉花以直根系為主，側根較少；而移栽棉花直根系較淺，側根發育較多，利于吸收土壤表層養分資源。同時，麥稈還田可顯著改善直播和移栽棉花的根系形態，如根系分布、數量和體積，利于棉株根系對秸稈釋放養分的吸收利用。Shah等[19]研究表明，秸稈還田在兩個輪作周期后才會產生顯著的增產效果，而本研究還田年限相對較短。因此，本研究中栽培方式對棉花生長的影響可能多于麥稈還田的效果。

3.2 棉花季還田秸稈的供氮效果

適宜的生物量及其協調的累積動態是建立棉花良好群體結構和高產的重要目標，而生物量累積以養分吸收為基礎，尤其是氮素吸收[6]。冬小麥-棉花輪作兩熟制下，長期秸稈還田可顯著促進植株對土壤氮素的吸收[20-22]。本研究發現，麥稈還田對棉株各部位氮素含量有一定的影響，尤其對直播植株各部位的氮含量和氮吸收影響顯著。直播不還田時，籽棉氮素累積量為70.9 kg·hm-2，還田后其氮素吸收增加10.9%。移栽不還田時，籽棉氮素累積量為93.6 kg·hm-2，還田后其氮素吸收增加6.2%。還發現，移栽方式棉花吸收的15N量高于直播棉花，但從各部位占比來看，直播與移栽棉株葉片、莖稈、棉殼、棉籽、皮棉中15N占全部氮積累量的比值相近，僅棉根中15N占全部氮積累量的比值差距較大。這表明，麥稈還田增加棉株對氮素的吸收，但N素在不同部位的分配比例不受種植方式干擾，說明通過15N示蹤技術可反映秸稈氮素的吸收和運轉情況。處理間根系15N吸收量差異的原因可能與棉花生育期有關[23]，由于本研究中直播和移栽棉花在生育期上有20 d的間隔，直播棉花吸收的氮素仍在根系，還未及時轉移到地上部，而移栽棉花已經充分利用根系養分支撐地上部的生殖生長[24-25]。

在評估麥稈氮素回收率時，表觀法(表觀吸收利用率)與15N示蹤法的結果差異顯著。因此，通過表觀吸收利用率可能高估棉株對秸稈氮素的吸收[26]。因為，作物秸稈還田不僅提供氮素，還提供有機碳和其它礦質元素，這種增產作用是一個綜合效應，包括物理、化學和生物特性[27]。從本研究結果來看，棉花季麥稈氮素的當季利用率平均為11.0%，遠低于水田秸稈氮素吸收效率。不同于水田氮素釋放，旱地田間秸稈的腐解特征和氮素釋放受到土壤水分含量的影響較大，釋放周期長[26,28]，能夠被棉花直接吸收的秸稈氮素顯著低于水田環境。當季棉花生長對麥稈氮素的利用率很低，大部分仍殘留在土壤中，故而秸稈氮的后效或者殘效對充分認識秸稈有機氮轉化和吸收十分必要[10]。綜上，在麥-棉輪作區，無論是直播棉花還是移栽棉花，秸稈還田均可提高氮素吸收，增加籽棉產量。秸稈還田可適當減少部分化學氮肥投入，以提高秸稈養分資源循環利用和氮肥利用效率。