長期棉花秸稈配施有機肥對土壤理化性質及棉花產量的影響

席凱鵬，楊蘇龍，席吉龍，李永山，張建誠*，武雪萍

（1．山西農業大學棉花研究所，山西 運城 044000；2．中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

培肥地力是提升耕地質量和促進現代農業可持續發展的重要途徑之一，畜禽糞便和作物秸稈是培肥地力的主要資源。盡管棉花是重要的經濟與纖維作物，但近年來棉花生產投工多、機械化程度低，且相比其它經濟作物效益差，黃河流域棉花種植逐漸向中低產田和河灘鹽堿地等貧瘠耕地轉移。棉田面積的縮減加之棉田耕地提升措施的缺乏［1-2］，嚴重阻礙了棉花產業的發展。

保護和提升棉田耕地質量是保證棉花可持續生產的關鍵。作物秸稈中不僅含有豐富的氮、磷、鉀和中微量營養元素，同時含有木質素、纖維素、半纖維素、蛋白質和糖類等養分［3］。秸稈還田能夠改善土壤物理性狀，改變土壤團聚體組成及穩定性，增加土壤有機質和養分含量，促進作物產量的提高［4］。畜禽糞便類有機肥在農業生產上應用廣泛［5］，它可以增加土壤有效養分，提升土壤肥力［6］，降低土壤容重，增加土壤團聚體數量，改善土壤團聚體結構［7］，優化土壤微生物群落的結構組成，緩解土壤酸化［8］，提高養分吸收效率，促進作物生長發育和產量提高。有機無機配施及秸稈還田等措施已被證實在提高農作物產量、增強土壤肥力、降低氮素淋失風險等方面具有良好的應用效果［9］。明確長期增施有機肥、秸稈還田等措施對棉田耕地土壤結構特性、肥力、產量的影響，對合理制定減氮節肥措施、實現棉田耕地質量和產量提升均具有重要應用價值。

國內外學者研究表明，施用有機肥及秸稈還田可提高作物增產效應［10-11］，增加土壤養分［12-13］，降低土壤含鹽量［14］和pH值［15］，維持土壤團聚體穩定性［16-17］。前人對小麥［18-19］、玉米［20-21］、水稻［22-23］等作物秸稈還田進行了大量研究，但對棉花秸稈還田的研究較少，且研究內容集中在棉花產量［14］、土壤養分［24］、土壤微生物量［25］、土壤酶活性［26］等方面，而棉花長期秸稈還田配施有機肥對土壤改良作用的研究罕見報道。為明確棉花長期秸稈配施有機肥對中低產田的改土培肥效應，本研究以連續12年棉花秸稈還田和增施有機肥長期定位試驗為平臺，探討長期秸稈還田和增施有機肥對棉田土壤理化性質和棉花產量的影響，為持續提升中低產連作棉田的生產力提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2007年4月至2018年10 月在山西農業大學棉花研究所夏縣試驗農場進行。試驗基地位于山西省運城市夏縣，35°11′N、111°05′E，年平均溫度13.2℃，年日照時數2293.4 h，無霜期212 d，年降水量530 mm，夏秋季降水占到75%，災害性天氣主要是干旱和春季倒春寒。長期秸稈配施有機肥定位試驗土壤質地為黃壤土，試驗初始0～20 cm土層土壤理化性質為：有機質10.6 g/kg，全氮0.89 g/kg，全磷1.08 g/kg，全鉀22.08 g/kg，水解氮56.9 mg/kg，有效磷13.1 mg/kg，速效鉀159.6 mg/kg，土壤pH 8.4。

1.2 試驗設計與方法

試驗設有4個處理：氮磷化肥+棉花秸稈清茬（NP）為對照、氮磷化肥+棉花秸稈還田（NPS）、氮磷化肥+棉花秸稈清茬+有機肥（NPM）、氮磷化肥+棉花秸稈還田+有機肥（NPSM）。每處理為360 m2的大條區，從中選取棉花長勢均勻一致的區域15 m2（2.5 m×7 m）作為試驗小區，3次重復共12個小區。處理中N、P分別代表每季棉花施純N 172.5 kg/hm2，P2O5138 kg/hm2，且棉花秸稈全部清除；S 為全量棉花秸稈，年施入量5212 kg/hm2，秸稈以干質量計含N 為1.69%；M為發酵雞糞肥，施入量22.5 m3/hm2，雞糞中含堿解氮1.86%、P2O53.67%、K2O 1.74%，pH值8.4。播前旋耕底施氮肥60%，花鈴期追施氮肥40%，磷肥和發酵雞糞播種前一次性施入。每年棉花收獲結束后，秸稈還田處理采用機械粉碎全量還田，秸稈清除處理將棉花秸稈全部清移，于11月上旬對各處理將進行25 cm深翻，次年3月下旬旋耕整地，4月中旬地膜覆蓋播種，寬窄行種植，密度6.75萬株/hm2左右，種植品種為轉基因抗蟲棉科能0518，各處理以大田常規豐產技術要求進行相同田間管理。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 樣品采集

在棉花吐絮后期（2018年10月2日）按照“S”形采樣方法于棉花窄行中間選擇3個樣點挖剖面，剖面深度60 cm，每10 cm用環刀分層挖取原狀土樣，測定土壤容重。同時采集0～20、20～40 和40～60 cm 土層土樣，每個處理3次重復，分層混勻取1 kg土樣放入塑料袋內，帶回實驗室自然風干。用于測定土壤干篩團聚體、pH、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量。

1.3.2 測定方法

土壤容重用環刀法測定，土壤團聚體用干篩法測定，pH值用pH計測定，堿解氮用堿解擴散法測定，有效磷用碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法測定，速效鉀用乙酸銨浸提-火焰光度法測定，有機質用重鉻酸鉀容量法測定［27］。產量構成每小區調查群體密度，選取20個代表株，統計單株棉鈴數，并計算棉鈴總數。棉鈴風干后測定平均單鈴重和衣分，按小區分別收獲籽棉，把小區產量折算為公頃產量，并依據衣分計算皮棉產量。

1.4 數據分析

以Excel 2016處理數據和作圖，DPS v7.05 進行方差分析和相關性分析，用新復極差法比較處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 長期棉花秸稈配施有機肥對土壤結構的影響

2.1.1 土壤容重

由表1表明，與單純使用化肥NP相比，棉花秸稈還田NPS、施有機肥NPM和秸稈還田配施有機肥NPSM顯著降低了0～30 cm土層的土壤容重。其中，0～10 cm土層土壤容重分別比NP顯著降低7.53%、8.24%和11.77%，10～20 cm土層的土壤容重分別比NP降低5.36%、7.14%和10.94%，差異達到顯著水平；20～30 cm土層的土壤容重分別比NP顯著降低3.35%、5.36%和6.47%；對30～60 cm 土層的土壤容重無顯著影響。以上說明，NPS、NPM、NPSM改善了0～30 cm耕層土壤的結構。

表1 棉花秸稈還田配施有機肥對各土層土壤容重的影響 （g/cm3）

2.1.2 土壤團聚體

圖1、圖2、圖3 顯示，0～10 cm土層各處理土壤團聚體組成以＞10 mm 的大團聚體含量所占比例最少，2 mm的大團聚體最多，其次是0.5 mm 團聚體，處理NPS 、NPM、NPSM比對照顯著降低了＜0.25 mm的土壤微團聚體含量，分別降低41.00%、32.60%、45.04%，而顯著增加了0～10cm土層0.5～1 mm較大團聚體含量。各處理對10～20和20～30 cm土層的土壤團聚體無顯著影響。以上說明，12年的連續棉花秸稈還田、增施有機肥和秸稈配施有機肥，僅改善了淺層土壤團聚體結構，對較深層土壤團聚體結構的改善無顯著影響。

圖1 不同處理0～10 cm土層干篩團聚體組成

圖2 不同處理10～20 cm土層干篩團聚體組成

圖3 不同處理20～30 cm土層干篩團聚體組成

2.2 棉花秸稈配施有機肥對土壤化學性質的影響

2.2.1 土壤有機質

由圖4 可以看出，NPS、NPM、NPSM處理比NP均顯著提高了0～20和20～40 cm土層的土壤有機質含量，分別比NP提高14.16%、20.18%、42.47%和37.14%、67.03%、85.68%；對40～60cm土層的土壤有機質含量無顯著影響。以上說明，長時間連續棉花秸稈還田和配施有機肥顯著改善了耕層土壤有機質含量，對40 cm以下土層土壤有機質含量無顯著影響。

圖4 不同處理土壤剖面有機質含量變化

2.2.2 堿解氮含量

由圖5顯示，各處理堿解氮含量隨著土層深度的增加呈逐漸降低的趨勢。0～20 cm土層土壤各處理堿解氮含量順序表現為：NPSM＞NPM＞NPS＞NP，分別比NP顯著提高207.90%、57.36%、30.07%，且各處理間差異均達顯著水平。20～40 cm土層土壤各處理堿解氮含量順序與0～20 cm土層一致，分別比NP顯著提高99.47%、93.87%、39.68%。40～60 cm土層土壤堿解氮含量處理間差異變化不顯著。以上說明，長時間連續棉花秸稈還田和配施有機肥顯著提高了0～40 cm土層土壤堿解氮的含量，對40 cm以下土層土壤堿解氮含量無顯著影響。

圖5 不同處理土壤剖面堿解氮含量變化

2.2.3 有效磷含量

根據圖6可知，不同處理土壤有效磷含量隨著土層深度的增加呈降低趨勢。0～20和20～40 cm土層土壤各處理有效磷含量順序表現為：NPSM＞NPM＞NPS＞NP，其中NPSM、NPM有效磷含量分別比NP顯著提高357.82%、181.43%和212.37%、156.70%，NPS雖提高了0～20、20～40 cm土層有效磷含量，但差異不顯著。40～60 cm土層土壤有效磷含量僅NPSM處理與NP差異顯著。以上說明，長時間棉田配施有機肥（NPSM、NPM）顯著提高了0～40 cm土層土壤有效磷的含量，連續棉花秸稈還田（NPS）對0～40 cm土壤有效磷雖有提高但差異不顯著，僅棉花秸稈配施有機肥處理對40～60 cm土層土壤有效磷含量有顯著影響。

圖6 不同處理土壤剖面有效磷含量變化

2.2.4 速效鉀含量

由圖7顯示，不同處理土壤速效鉀含量隨著土層深度的增加呈降低趨勢。0～20和20～40 cm土層土壤各處理速效鉀含量順序表現為：NPSM＞NPM＞NPS＞NP，其中NPSM、NPM速效鉀含量分別比NP顯著提高91.46%、33.99%和62.61%、19.04%。40～60 cm土層NPSM、NPS土壤速效鉀含量比NP提高不顯著。以上說明，長時間棉田配施有機肥（NPSM、NPM）顯著提高了0～40 cm土層土壤速效鉀的含量，連續棉花秸稈還田（NPS）對0～40 cm土壤速效鉀雖有提高但差異不顯著。

圖7 不同處理土壤剖面速效鉀含量變化

2.2.5 土壤pH

由圖8顯示，0～20 cm土層土壤各處理pH為8.38～8.72，順 序 表 現 為：NPSM＜NPM＜NPS＜NP，其中秸稈還田配施有機肥處理NPSM的pH比NP顯著降低，NPM 有降低土壤pH 的趨勢，但差異未達到顯著水平；20～60 cm土層土壤pH處理間差異變化不顯著。以上說明，長期秸稈還田配施有機肥對降低淺層土壤pH效果顯著，對20 cm以下土層土壤pH無顯著影響。

圖8 不同處理土壤剖面pH

2.3 長期棉花秸稈配施有機肥對棉花產量的影響

表2是本長期定位試驗2018年棉花產量及其構成，由表2可以看出，不同處理對產量構成和產量有明顯影響。處理NPS 、NPM、NPSM棉花單株成鈴與總鈴數分別比NP顯著提高了7.22%、7.23%、9.64%，鈴重分別比NP提高了3.91%、5.48%、13.31%。不同處理對棉花衣分沒有顯著影響。籽棉產量和皮棉產量大小依次為NPSM ＞NPM＞NPS＞NP。NPS、NPM、NPSM籽棉產量分別比NP提高11.13%、13.27%、24.87%，其棉花產量提高的原因是顯著提高了單株成鈴數和鈴重。以上說明，棉花秸稈還田和施有機肥能夠提高棉花鈴數和鈴重，從而提高棉花產量。

表2 棉花秸稈配施有機肥對棉花產量及其構成因素的影響

2.4 土壤理化性質與棉花產量的相關性

對0～20 cm土層土壤理化性質與產量的相關分析（表3）表明，棉花產量與土壤容重、呈極顯著負相關（P＜0.01），與土壤團聚體、有機質含量呈顯著正相關（P＜0.05），同時土壤有機質含量與土壤容重呈顯著負相關（P＜0.05），這表明增加土壤有機質含量，能改善土壤團聚體結構，顯著降低土壤容重，在持續提高棉花生產能力方面發揮重要作用。土壤有機質含量與團聚體極顯著正相關（P＜0.01），與堿解氮、有效磷、速效鉀呈顯著正相關（P＜0.05），本研究區域土壤有機質提高主要源于秸稈還田和有機肥，在提高土壤有機質的同時，也顯著增加了堿解氮、有效磷、速效鉀含量。棉花產量與pH呈顯著負相關（P＜0.05），表明土壤堿性化是限制棉花高效生產的主要因素。

表3 土壤理化性質與棉花產量的相關性

3 討論

3.1 棉花秸稈配有機肥對土壤結構的影響

土壤結構是土壤固相顆粒（包括團聚體）的大小、數量、比例、排列與組合形式，它關系到植物生長發育需要的水肥氣熱狀況，影響著植株根系的延展、土壤養分吸收和根系的呼吸狀態。土壤容重和團聚體是反映土壤固體顆粒和孔隙狀況最基本的參數。秦都林等［14］研究表明，棉花連續3 年秸稈還田能顯著降低耕層的土壤容重，顯著降低了表層＜0.25 mm 土壤微團聚體含量，顯著提高了表層＞5 mm 土壤大團聚體含量；施用有機肥有利于改善土壤團聚體結構及其穩定性［28-29］；本研究與上述研究結果一致，連續12年秸稈還田、施有機肥、秸稈還田配施有機肥均比單施化肥顯著降低了0～30 cm土層土壤容重，顯著降低了0～10 cm土層＜0.25 mm土壤微團聚體含量，而顯著增加了較大團聚體含量，尤以秸稈配施有機肥對土壤容重和土壤微團聚體的處理效果最好。分析其原因可能是棉花秸稈還田配施有機肥主要通過增加土壤中有機質含量及其組成，改善土壤的無機膠結物質，進而增加土壤穩定性團聚體的數量，提高土壤團聚體穩定性，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，從而改善土壤結構［30］。

3.2 棉花秸稈配施有機肥對土壤化學性質的影響

保護和提高土壤肥力是現代農業的重要研究內容。秸稈和畜禽糞便發酵有機肥是保護和提高土壤肥力的主要資源。本試驗12年棉花秸稈還田、有機肥、秸稈配施有機肥相比單施化肥顯著增加了耕層土壤有機質含量，這與秦都林等［14］、常漢達等［31］的研究結果一致。秸稈還田、施有機肥、秸稈配施有機肥顯著提高了耕層土壤堿解氮含量，增強了土壤的供氮能力，這與張國娟等［32］的研究結果一致。土壤C/N 可以反映土壤氮素礦化的能力，它影響秸稈的分解速率和養分釋放［33-34］，大多作物秸稈本身C/N為（50～80）∶1，而秸稈C/N 為25∶1時便于土壤微生物分解和養分釋放，棉花秸稈的C/N為27.8∶1，比較接近土壤微生物分解秸稈所需的C/N［35］。本試驗中底施純氮103.5 kg/hm2，花鈴期追施純氮69 kg/hm2，滿足了秸稈腐解時所需要的氮，促進了秸稈利用和棉花產量的提高。施有機肥顯著增加了棉田土壤有效磷含量［6］；連續3年棉花秸稈還田顯著增加了速效鉀含量，降低了土壤有效磷含量［14］；本研究12年棉花秸稈配施有機肥0～20 cm土層有效磷和速效鉀含量分別比對照顯著提高357.82%和91.46%。對比全國第二次土壤普查土壤肥力分級指標值（6級）［36］，NPS、NPM、NPSM處理速效鉀含量均達到土壤肥力1級指標值（＞200 mg/kg），NPSM處理有效磷含量超土壤肥力1級指標值（＞40 mg/kg），說明長期棉稈還田配施有機肥導致表層磷、鉀富裕，應采取減施磷、鉀無機肥的措施。秸稈還田是調節土壤pH和改良次生鹽漬化的有效措施［14-15］，長期施用有機肥能夠穩定土壤pH，有效防治土壤酸化［37］，本研究也表明長期秸稈還田、施有機肥有降低淺層土壤pH 的趨勢，秸稈還田配施有機肥對降低淺層土壤pH效果顯著。馮國藝等［38］研究表明棉花秸稈還田可顯著降低耕層土壤含鹽量，與本研究結果一致。

3.3 棉花秸稈配施有機肥對棉花產量及其構成因素的影響

前人研究表明合理施用棉花秸稈、增施有機肥可以提高作物產量［6，14，39］。本研究表明，12年連續棉花秸稈還田（NPS）、施有機肥（NPM）、秸稈還田與有機肥配施（NPSM）皮棉產量分別比NP提高11.13%、13.27%、24.87%，均對棉花衣分無顯著影響。本研究對0～20 cm土壤理化性質與產量的相關分析表明，棉花產量與土壤容重呈極顯著負相關，與土壤團聚體、有機質含量呈顯著正相關，與pH呈顯著負相關。分析棉花增產的原因，主要是棉花秸稈還田、施有機肥、秸稈還田與有機肥配施能夠改善土壤團聚體結構，提高土壤有機質含量，增加土壤肥力，促進棉花植株養分的吸收和利用，提高棉花單株成鈴數、總鈴數和鈴重，而限制棉花豐產的主要因素是土壤堿性化。

4 結論

連續12年棉花秸稈全量還田、增施有機肥、長期全量秸稈配施有機肥能降低棉田土壤容重，改善淺層土壤團聚體含量，提高土壤有機質，增強土壤的供氮能力，提高棉花產量；增施有機肥和長期全量秸稈配施有機肥還能顯著提高土壤有效磷和速效鉀含量；棉花長期秸稈配施有機肥改土增產效應強于單獨的秸稈還田或增施有機肥，棉花產量與土壤容重呈極顯著負相關，與土壤團聚體、有機質含量呈顯著正相關。土壤pH是棉花增產的主要限制因子。加強秸稈配施有機肥在耕地培肥中的合理利用，并采取有機無機相結合的化肥減量和豐產栽培措施，保障土壤養分供需平衡，持續提升耕地質量和生產效益。