棉花秸稈還田現狀及其對棉花生長和土壤理化性狀影響研究進展

摘要：棉花秸稈還田作為1種重要的農作物資源綜合利用方式，對提升土壤質地與肥力、增加作物產量以及維護生態平衡均具有積極作用。棉花秸稈還田能夠提高土壤微生物活性、土壤酶活性，降低土壤容重、土壤溫度和土壤 pH，在促進棉花生長發育、改善土壤結構和土壤養分方面起重要作用。但棉花秸稈還田技術也存在一些問題：有時會增加病蟲害的發生率，降低次年棉花的出苗率，還田后秸稈腐解慢等。在綜述棉花秸稈還田技術應用進展的基礎上，重點概述了棉花秸稈還田對土壤理化性狀、棉花生長發育及產量的影響，并針對棉花秸稈還田技術的未來研究方向進行了展望。

關鍵詞：棉花；秸稈還田；生長發育；土壤理化性狀；土壤微生物；土壤容重；土壤酶活性；土壤結構；土壤養分

收稿日期：2024-06-05" " " " "第一作者簡介：路海洋，碩士，研究方向為棉花栽培，2763490049@qq.com。* 通信作者：韓煥勇，博士，研究員，研究方向為棉花栽培與棉花副產品利用，hanhy1@163.com

基金項目：國家現代農業產業技術體系（CARS-15-25）；國家重點研發計劃（2023YFD2301200）

棉花作為我國重要的經濟作物，對國家經濟發展和棉農增收具有重要意義。新疆已經成為我國棉花的主產區，同時也是我國棉花秸稈最豐富的地區。根據國家統計局公布的數據[1]，2023年全國皮棉總產量為561.8萬t，其中新疆皮棉產量為511.2萬t。按照谷草比1∶5計算[2]，全國棉花秸稈量大約為2 800萬t，新疆棉花秸稈量約為2 550萬t，棉花產量和秸稈量約占全國的91%。每年大量的秸稈產出，使得如何高效利用棉花秸稈備受關注。目前，棉花秸稈還田是最常見的處理利用方式之一。棉花秸稈主要由木質素、纖維素、半纖維素組成，還含有少量的色素、果膠和單寧等物質[3]。棉花秸稈還田可以提高土壤肥力、改善土壤結構，促進棉花的生長和產量的提高[4-7]，對促進農業可持續發展具有重要意義。但是棉花秸稈還田技術應用中還存在一些問題有待進一步研究解決，如棉花秸稈還田會增加棉花病蟲害的發生風險，會降低次年的棉花出苗率[8]，以及棉花秸稈還田后短時間內很難分解[9]等。筆者等主要綜述了棉花秸稈還田現狀及存在的問題、秸稈還田對棉花生長和產量以及土壤理化性狀的影響，并對未來該技術的研究應用進行了展望。

1 棉花秸稈還田的現狀及存在的問題

1.1 棉花秸稈還田的現狀

目前，棉花秸稈還田是最常見的處理棉花秸稈方法。棉花秸稈還田的方式主要有2種。一種是機械直接還田：棉花收獲以后，利用農業機械將秸稈進行粉碎，撒在地表，之后通過翻耕、旋耕使其與土壤充分混合，最后深翻入土回田[10]。另一種是堆漚腐解還田：包括厭氧發酵和好氧發酵2種方式。厭氧發酵是將棉花秸稈堆放在背風陰涼處，保持適當的濕度，并進行密封發酵，也可以在深坑內加入適量水分以維持適宜的濕度，同時加入適量的厭氧微生物菌劑，以加速秸稈的分解和腐熟；好氧發酵是將棉花秸稈堆放在空氣流通處，利用好氧微生物的作用，將秸稈中的有機物分解成肥料[11]。研究表明，堆漚腐解還田對土壤肥力和土壤結構的改善效果更加明顯[12]。當前，新疆植棉區較為普遍的方式是棉花采收后利用農業機械將秸稈直接粉碎還田。

1.2 棉花秸稈還田存在的問題

1.2.1 棉花秸稈還田加重病蟲害發生。（1）秸稈直接還田會增加棉花枯萎病和黃萎病的發病風險，其主要原因是秸稈帶菌[6]。劉飛等[13]研究發現，與秸稈未還田處理相比，棉花秸稈還田處理的棉花枯萎病和黃萎病的發病率較高，其中黃萎病的感病率達到差異顯著水平，并且病情指數達到差異極顯著水平。宋紹憲[14]認為在進行棉花秸稈還田時去除發病的植株，并對土壤進行殺菌處理，可以降低病害發生率。生產實踐中，如果棉株發病率超過40%時，一般建議在棉花收獲后將秸稈離田處理，同時下茬選擇種植抗病品種。（2）秸稈直接還田還會增加蟲害的發生率，原因是秸稈還田無法將其中的蟲卵完全清除，蟲卵隨著秸稈一起進入土壤[13]，導致次年蚜蟲、地老虎、蝸牛等蟲害的發生率增加。

1.2.2 棉花秸稈還田降低次年出苗率。于萬里等[15]研究表明棉花秸稈還田以后，由于棉花秸稈質地比較堅硬且棉花根部含有大量的木質素，在較短的時間內難以腐解，這會給次年春天播種和覆膜帶來不便，影響種子和土壤接觸，導致出苗率降低。李彥斌等[16]研究了棉花秸稈還田對棉花生長的化感效應，結果表明棉花秸稈分解過程中釋放的化學成分對棉花具有自毒作用。這種作用可在一定程度上抑制棉花種子發芽的速率，導致出苗期延長，從而對棉花的生長造成影響。因此，棉花秸稈還田的化感效應也是次年棉花出苗率降低的原因之一。

1.2.3 棉花秸稈還田后腐解慢。目前棉花秸稈粉碎還田機械只能粉碎棉花秸稈中上部，且棉花秸稈根部的木質素含量比其他農作物高2～3倍，所以短時間內難以腐解，影響播種質量、作物的生長和產量[9]。王雙磊等[17]認為秸稈還田過晚，秸稈內部的水分會被蒸發，導致秸稈變得干硬，這會降低秸稈在土壤中的分解速率，從而影響土壤肥力的增加。郭振威[18]認為隨著棉花秸稈還田年限的增加，土壤中未分解的秸稈量也會增加，從而造成秸稈還田后腐解慢。新疆氣候干燥，棉花秸稈密度大，棉花收獲后將所有秸稈直接還田，還田量大，常導致棉花秸稈腐解慢和分解不徹底[19]。

1.2.4 最佳棉花秸稈還田量仍需探索。由于棉花的品種特性、種植密度及田間管理措施存在差異，單位面積內棉花秸稈的產量會有所不同。于萬里等[15]發現棉花秸稈還田量為6 000～9 000 kg·hm-2時，土壤容重顯著降低0.05 g·cm-3，土壤孔隙度顯著增加1.8%。李佳芮等[20]通過試驗發現三分之二的棉花秸稈粉碎還田和秸稈全量還田都可以顯著提高棉花葉片的過氧化物酶活性、硝酸還原酶活性、葉綠素含量和根系活力。王雙磊等[17]研究表明，秸稈還田量與土壤肥力的提升并非成正比關系，而是有1個最佳的還田量。由于棉花秸稈質地堅硬，若還田量過多，會降低其分解速率，進而影響棉花種子的萌發和幼苗的生長。因此，確定適宜的秸稈還田量對于提升次年棉花種植效果至關重要，需要通過進一步的研究確定。

2 秸稈還田對棉花生長發育和產量的影響

劉飛等[13]通過研究發現棉花秸稈未還田處理下棉花苗期的平均株高為63.80 cm，第一果枝節位為6.44，而秸稈還田處理下棉花的平均株高和第一果枝節位分別顯著增加13.38 cm和0.64，說明棉花秸稈還田對棉花苗期的生長具有一定的促進作用。李金埔[21]研究表明：除6月份棉花秸稈還田與未還田處理的株高間無顯著差異外，生育期其他各月棉花秸稈還田處理下的株高均顯著高于秸稈未還田處理，但棉花秸稈還田對單株果枝數、第一果枝節位、第一果枝節位高度和單株果節數沒有顯著影響。有研究表明，棉花秸稈還田可以提高籽棉產量和皮棉產量，但對棉花鈴重和衣分沒有顯著影響[22]。李金埔[21]研究發現，通過將棉花秸稈還田，棉花的鈴重和單株結鈴數均顯著增加，且籽棉單產在2個試驗年份分別提高11.4%和10.7%，皮棉單產分別提高13.3%和9.0%。閆曉宇等[23]研究表明，棉花秸稈還田處理的單產均高于未還田處理，增幅達33.9%；棉花秸稈還田處理增加了棉花干物質積累量，與秸稈未還田處理相比提高了35.5%。綜上所述，棉花秸稈還田可以增加苗期株高和第一果枝節位，促進苗期棉花生長，增加棉花干物質積累量，進而提升籽棉單產和皮棉單產，但不同品種和栽培條件下的表現存在差異。

3 棉花秸稈還田對土壤理化性狀的影響

3.1 棉花秸稈還田對土壤含水量和土壤溫度的影響

秸稈還田可以保持土壤中的水分，減少土壤中水分的流失，提高土壤水分的利用效率，這對促進作物的生長和產量的提高至關重要[24]。劉艷慧[25]研究發現，棉花秸稈還田能夠增加粒徑大于5 mm的土壤大團聚體含量，有利于土壤結構的改善和土壤含水量的提高。孟祥萍[26]認為秸稈還田通過增加土壤中有機質的含量，改善土壤結構，從而提高土壤增溫保墑及蓄水能力。林濤等[27]研究認為秸稈還田能夠改良土壤，提高土壤中團聚體的含量，對土壤中的水分起到保持作用。高俊等[28]認為秸稈還田是1種提升土壤水分保持能力的有效方法，能夠在降水或灌溉后減少水分的流失，同時在干旱環境下通過減少土壤與大氣的氣體交換，有效降低水分蒸發，達到保持土壤水分的作用。此外，秸稈具有吸收灌溉水和降水的能力，秸稈覆蓋可以延長土壤與水分接觸的時間，增強水分向土壤滲透的能力，最大限度地減少土壤水分蒸發和水土流失速率。綜上，秸稈還田可通過減少土壤中水分的蒸發和促進水分向地下滲透進而提高土壤中的含水量[29]。

秸稈還田會影響耕層土壤溫度的變化，進而影響土壤的生理生化過程和作物的生長發育。丁瑞霞等[30]認為秸稈還田后會在土壤表層形成1層阻隔，通過這層阻隔調節耕作層的土壤溫度[31]。王娜等[32]的研究表明，秸稈還田對土壤溫度的整體效應量為-22.69%，可降低土壤耕層溫度，但秸稈還田對不同時期土壤溫度的影響存在差異：在3月、5月、6月、7月、8月、9月、10月秸稈還田區土壤溫度降低，而其他月份的秸稈還田區土壤溫度則升高，其中5月、6月、7月、8月、12月秸稈還田對土壤溫度的影響達到顯著水平。同樣，秸稈還田覆蓋也會不同程度地降低土壤耕層溫度[33-34]。

3.2 棉花秸稈還田對土壤容重的影響

土壤容重是土壤物理性質的重要指標之一，直接關系到土壤的保水能力、通氣性和滲透性，從而影響作物的生長發育和產量的提高。艾天成等[35]研究發現棉花秸稈還田以后，經過腐解可以增加土壤團聚體的數量和土壤孔隙度，降低土壤的硬度和容重，改善土壤質量。秦都林等[22]研究表明棉花秸稈還田可以降低土壤容重，連續的秸稈還田對土壤容重降低效果更明顯，并且發現通過秸稈還田改善的土層深度也隨著時間的推移而增加。

秸稈還田后經土壤微生物分解能夠生成腐殖酸，并與土壤中的鈣離子和鎂離子發生反應形成腐殖酸鈣和腐殖酸鎂[36]。這一化學反應能促進土壤團粒結構的形成，有助于減輕土壤的密度，降低土壤容重，從而改善土壤的物理性質。

3.3 棉花秸稈還田對土壤養分和土壤pH的影響

土壤養分和有機質對農作物生產具有重要意義。作物秸稈還田對土壤肥力的提升具有顯著效果[26，37-39]。湯文光等[40]研究認為秸稈還田后經土壤中的微生物不斷腐解，其中的氮、磷、鉀不斷向土壤釋放，與秸稈未還田處理相比，秸稈還田后0～20 cm土層中土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量顯著增加。劉艷慧等[6]研究發現，連續4年棉花秸稈還田后，0～20 cm土壤中有機質、堿解氮含量顯著提高，分別比未還田處理提高了8.16%、13.23%。秦新政等[41]研究發現，棉花秸稈還田處理下速效鉀含量提升尤其明顯，增幅為32.77%。王雙磊等[42] 通過3年的研究發現棉花秸稈還田能顯著提高土壤團聚體中有機碳、堿解氮和速效鉀的含量，有效改善土壤養分狀況。

土壤酸堿度是影響土壤質量和作物生長的重要因素之一[43]，不僅會直接對土壤結構、土壤含水量、土壤有機質的分解和土壤微生物活動產生重要的影響，還會影響作物的養分吸收。秦都林等[22]研究發現，棉花秸稈還田處理的土壤pH均低于秸稈未還田處理，尤其是堿性土壤的pH在秸稈還田后降低更加顯著[21]，其原因可能是還田后秸稈在腐解的過程中會產生有機酸[44-46]。還有研究發現棉花秸稈全量還田后土壤的pH先降低，然后上升，最后趨于穩定；如果同時施加棉花秸稈腐熟劑，能夠加速棉花秸稈的降解，更大程度地降低土壤的pH[47]。

3.4 棉花秸稈還田對土壤酶活性的影響

土壤酶作為土壤中重要的生物催化劑，對土壤生態系統功能的發揮具有重要的影響。郭振威等[7]通過研究發現，經過長期棉花秸稈還田后，土壤中的氮、磷、鉀含量均有不同程度的提高，并伴隨著土壤酶活性的增強，所以棉花秸稈還田會增加土壤養分的含量，進而提升土壤酶的活性。劉艷慧等[48]通過連續4年的研究發現，棉花秸稈還田后土壤脲酶和土壤蔗糖酶的活性在0～60 cm土層中均顯著提高，二者活性在40～60 cm土層中增加得最為顯著，分別比秸稈未還田處理提高24.03%和57.59%；除7月、8月外，0～20 cm土層中土壤過氧化氫酶的活性在棉花秸稈還田條件下顯著提高。潘晶等[49]認為秸稈還田會增加土壤中過氧化氫酶、轉化酶、脲酶的活性。徐瑩瑩等[50]通過研究發現，秸稈還田處理下土壤中的過氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶活性顯著提高。

3.5 棉花秸稈還田對土壤微生物的影響

土壤微生物在促進土壤有機質分解和養分轉化的過程中發揮重要作用，土壤微生物活性的高低直接影響土壤養分的轉化速率，進而影響農作物的生長發育[51]。劉艷慧等[6]通過4年的試驗證明了棉花秸稈還田有利于增加土壤中放線菌、細菌和真菌的數量，認為增加的原因是隨著還田時間的增長，棉花秸稈不斷腐解，為土壤微生物提供了適宜的生存環境和所需的營養物質。趙亞麗等[52]研究也發現棉花秸稈還田有利于土壤中微生物數量的增加，主要提高了0～20 cm土壤中的細菌、真菌、放線菌的數量。劉軍等[53]認為棉花秸稈還田后可以為土壤中的微生物提供豐富的碳源和氮源等營養物質，從而增加微生物的數量并提高它們的活力。王晶等[54]研究發現，與單施化肥相比，棉花秸稈還田能顯著提高變形菌門、放線菌門、擬桿菌門以及黃單胞菌科、酸微菌科、微桿菌科和噬纖維菌科的相對豐度，改變細菌群落組成。綜上，棉花秸稈直接還田有利于增加土壤中放線菌、細菌和真菌的數量以及提高細菌種群的相對豐度。

4 展望

棉花秸稈還田可以提高土壤肥力、改善土壤結構、促進微生物活動等，有助于實現農業可持續發展的目標。目前隨著農業技術的不斷發展和環境保護意識的提高，棉花秸稈還田技術的研究備受關注[55]。新疆屬于干旱區，氣候特點與黃河流域、長江流域棉區迥異，未來可以從以下幾個方面來深入研究和探討棉花秸稈還田技術[56]：一是，探索新疆氣候條件下的最佳棉花秸稈還田量，以及棉花秸稈還田影響病蟲草害發生的規律；二是，深入研究新疆氣候條件下棉花秸稈還田對土壤微生物、土壤結構和養分的影響，以及對棉花生長發育、干物質積累與分配、產量及纖維品質的影響；三是，加強秸稈還田技術的創新和設備的研發，在提高棉花秸稈還田效率的同時，進一步提升固碳效果，提升新疆棉田土壤質量。

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（責任編輯：莊蕾 責任校對：楊子山）