棉花秸秆还田对土壤速效养分及微生物特性的影响

刘艳慧　王双磊，2　李金埔，3　秦都林　张美玲　聂军军　毛丽丽　宋宪亮，*　孙学振，*

1山东农业大学农学院 / 作物生物学国家重点实验室， 山东泰安 271018；2烟台市农业技术推广中心， 山东烟台 264000；3平顶山市种子管理站， 河南平顶山 467000

棉花秸秆还田对土壤速效养分及微生物特性的影响

刘艳慧1王双磊1，2李金埔1，3秦都林1张美玲1聂军军1毛丽丽1宋宪亮1，*孙学振1，*

1山东农业大学农学院 / 作物生物学国家重点实验室， 山东泰安 271018；2烟台市农业技术推广中心， 山东烟台 264000；3平顶山市种子管理站， 河南平顶山 467000

连续4年以德农09068为试材， 设棉花秸秆还田与未还田2个处理， 调查棉花秸秆还田对土壤0～60 cm土层的速效养分含量和微生物特性的影响。结果表明， 连续4年棉花秸秆还田显著提高0～20 cm土层土壤有机质、碱解氮、速效钾含量、土壤微生物量碳、土壤活跃微生物量及土壤基础呼吸速率， 分别比未还田处理提高8.16%、13.23%、12.30%、13.63%、11.57%和13.14%； 在20～40 cm土层中， 分别提高6.08%、27.51%、11.47%、14.32%、15.03%和17.44%； 在40～60 cm土层中土壤有机质、碱解氮、速效钾含量、土壤微生物量碳及土壤活跃微生物量分别提高6.05%、12.87%、8.08%、10.60%和20.30%， 但对土壤基础呼吸速率的提高效果不显著。棉花秸秆还田显著提高了棉花的籽棉、皮棉产量、总铃数及单铃重， 分别提高16.86%、15.03%、5.99%和10.25%， 而对衣分无显著影响。在长期棉花秸秆还田的棉田中， 应关注可能产生的连作障碍， 注意磷肥的适量施入， 以保证实现棉花稳产高产。

棉花； 秸秆还田； 养分； 微生物特性； 产量

据调查统计， 2010年全国秸秆理论资源量已达8.4亿吨， 可收集资源量为7亿吨［1］。如此丰富的秸秆资源若能被适度地用于秸秆还田， 不仅能提高秸秆资源利用率， 更能培肥土壤肥力， 改善土壤养分状况［2-3］。有研究表明， 农作物秸秆中含有作物生长所必需的N、P、K等多种营养元素， 还田后秸秆不断腐解， 养分逐步释放到土壤中， 有利于提高土壤养分含量［4-5］。土壤微生物是土壤中最活跃的组成部分， 在有机质分解、营养物质循环以及植物生长的促进或抑制等过程中， 发挥着重要作用， 是土壤中物质转化和养分循环的驱动者［6-7］。土壤微生物量作为土壤养分特别是C、N、P、S等元素内部供应机制的“源”和“库”， 受土壤环境因子的影响很大， 土壤微小变动即会引起其活性变化， 可作为评价土壤质量的生物学指标［8-11］。然而目前， 我国秸秆资源利用现状不容乐观， 大量秸秆在收获后被直接焚烧或弃置， 造成秸秆资源利用率低下， 且对大气环境带来更大压力［12］。因此大力开展农作物秸秆还田研究，进而提高秸秆资源利用率， 增加土壤肥力， 减轻环境污染势在必行。

基于以上认识， 前人对农作物秸秆还田进行了大量研究， 但大多研究针对禾本科作物轮作或连作种植模式下秸秆还田对土壤养分、微生物特性的影响［13-15］。如王龙昌等［16］针对西南“旱三熟”地区不同保护性耕作措施对农田土壤生态效应及生产效益的影响研究认为， 秸秆覆盖处理与无覆盖处理相比显著增加了土壤有机质、全氮、全钾及碱解氮含量。周怀平等［17］研究认为， 玉米秸秆还田配合秋施肥使土壤微生物活动更为活跃。杨敏芳等［18］研究认为，无论是旋耕还是翻耕， 稻麦轮作种植模式下， 秸秆还田处理土壤养分含量均不同程度地高于秸秆不还田； 两季秸秆均还田条件下土壤微生物量碳含量均显著高于两季秸秆均不还田。Powlson等［19］研究了谷物秸秆还田对欧洲地区碳固定的影响， 认为随秸秆还田量的增加， 土壤有机碳含量不断增加。Alberto等［20］研究认为小麦秸秆还田有利于提高土壤有机质、全氮、速效磷及速效钾含量。而有关连作条件下， 棉花秸秆还田对棉田土壤速效养分和微生物特性影响的研究相对较少。本试验在连续4年棉花一熟种植模式下， 研究棉花秸秆连续还田对棉田土壤0～60 cm土层速效养分含量和微生物特性的影响， 以期为棉花秸秆还田的大面积推广提供理论指导， 同时为研究连作条件下棉花秸秆还田的长期效应提供理论支撑。

1　材料与方法

1.1试验设计

试验在山东农业大学棉花科研基地德州市抬头寺经济开发区试验田进行（37°39′ N， 116°40′ E）， 试验田总面积6300 m2（长90 m， 宽70 m）。试验田种植模式为多年连作棉田， 一年一熟， 在试验之前棉花秸秆的处理方式为拔除后运出棉田。试验设棉花秸秆还田（SR）与未还田（SNR） 2个处理， 每个处理设3个重复， 共6个小区， 每个小区面积为957 m2（长33 m， 宽29 m）。自2010年开始， 于每年棉花收获后将相应的棉花秸秆粉碎旋耕还田， 还田秸秆干重约为3500 kg hm–2， 还田秸秆氮、磷、钾总量分别约为43.95、17.10和104.70 kg hm–2， 基施复合肥600 kg hm–2（N∶P∶K为12∶18∶15）， 花铃期追施尿素225 kg hm–2， 其余田间土壤操作与未还田处理一致。供试棉花品种为德农09068， 于2014年4月22日机械播种， 地膜覆盖， 宽窄行种植， 宽行行距100 cm，窄行行距60 cm， 株距35 cm， 计划密度37 500株hm–2， 实际密度35 730株 hm–2。2014年4月11日进行播前灌水， 2014年5月16日、6月12日和6月25日中耕除草培土， 中耕深度8～10 cm， 培土高度10 cm， 2014年5月18日、5月25日、6月22日、8月17日进行虫害治理。2010年棉花播种前土壤肥力情况见表1。2014年试验地气象数据来自德州市农业科学院， 见表2。

表1　供试土壤的肥力状况Table 1 Fundamental fertility of the tested soil

表2　棉花不同生育时期的气象条件Table 2 Weather factors at different growth stages of cotton

1.2取样方法

于棉花播前、苗期、蕾期、花铃期、吐絮期田间取样， 取样时间分别为2014年4月21日、5月23日、6月30日、8月15日、9月21日。使用土钻（内径3.5 cm）采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层土样， 以每小区采5点组成一个混合样品， 每处理共3个样品， 将土样装入无菌聚乙烯自封袋， 部分置4℃冰箱保存， 用于土壤微生物特性等指标的测定； 部分自然风干后过80目筛， 用于土壤速效养分含量的测定。在棉花吐絮后， 从每小区选取20株代表性棉株， 统计收获的棉铃总数， 计算平均单铃重、衣分和产量。

1.3土壤速效养分含量的测定

参照鲍士旦的报道［21］取自然风干土样， 采用水合热重铬酸钾氧化-比色法测定土壤有机质， 碱解扩散法测定土壤碱解氮， NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定土壤速效磷； NH4OAc浸提， 火焰光度法测定土壤速效钾。

1.4土壤微生物特性的测定

取样后4 d内参照林英杰等的方法［22-23］测定土壤微生物量碳、土壤活跃微生物和土壤基础呼吸，以北京分析仪器厂生产的GXH-3051型便携式红外线分析仪测定CO2的呼吸量。同时测定土壤含水量，以干重计算每一指标。

1.5数据处理

使用SigmaPlot 10.0软件作图， Microsoft Excel 2003预处理数据， DPS 7.05软件分析数据， 以单因素随机区组法分析各时期速效养分含量及微生物特性等指标的方差， 利用最小显著差法（LSD法）检验处理间的差异显著性。

图1　棉花秸秆还田对各时期土壤土层有机质含量的影响Fig. 1 Effect of cotton straw returning on soil organic matter content of different soil layers at different growth stagesPR: 播前； SE: 苗期； SQ: 蕾期； FL: 花铃期； BO: 吐絮期； SNR: 未还田； SR: 还田。图柱上标以不同小写字母表示数值在0.05水平上差异显著.PR: pre-planting； SE: seeding stage； SQ: squaring stage； FL: flowering and boll-forming stage； BO: boll opening stage； SNR: no straw returning； SR: straw returning. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

2　结果与分析

2.1棉花秸秆还田对土壤速效养分含量的影响

2.1.1有机质含量 由图1和表3可看出， 棉花秸秆还田与未还田的土壤有机质含量均随土层的不断加深逐渐降低。棉花不同生育阶段各土层土壤有机质含量均以秸秆还田处理显著高于未还田处理。整个生育阶段0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层土壤有机质含量的平均值以棉花秸秆还田处理显著高于未还田， 分别提高8.16%、6.08%和6.05%。

2.1.2碱解氮含量 由图2和表4可看出， 棉花秸秆还田与未还田土壤碱解氮含量均随土壤深度的增加不断降低， 棉花不同生育阶段各土层土壤碱解氮含量均有秸秆还田处理高于未还田处理的趋势，除播前0～20 cm土层、吐絮期40～60 cm土层两处理差异不显著外， 其他各生育时期均达显著差异水平。棉花秸秆还田处理在整个生育阶段0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层的土壤碱解氮含量的平均值均显著高于未还田处理， 分别提高13.23%、27.51%和12.87%。

2.1.3速效磷含量 由图3和表5可知， 除苗期、花铃期和吐絮期0～20 cm， 蕾期20～40 cm和苗期、花铃期40～60 cm， 棉花秸秆还田处理土壤速效磷含量显著高于未还田处理外， 其他时期各土层处理间均无显著差异。与未还田处理相比， 秸秆还田处理在整个生育阶段0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层土壤速效磷平均含量分别提高了3.14%、2.65%和3.35%， 未达显著差异水平。

2.1.4速效钾含量 由图4和表6可看出， 棉花秸秆还田处理在棉花不同生育阶段各土层土壤速效钾含量均有高于未还田处理的趋势， 除吐絮期0～20 cm土层、播前20～40 cm土层和苗期40～60 cm土层差异不显著外， 其他时期各土层两处理差异均达显著水平。比较整个生育阶段0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层土壤速效钾含量平均值， 棉花秸秆还田处理显著高于未还田处理， 分别提高了12.30%、11.47%和8.08%。

2.2棉花秸秆还田对土壤微生物特性的影响

2.2.1微生物量碳 由表7可见， 在棉花不同生育阶段各土层土壤微生物量碳含量均有棉花秸秆还田处理高于未还田处理的趋势， 其中播前、花铃期和吐絮期0～20 cm土层， 蕾期、花铃期和吐絮期20～40 cm土层及蕾期、花铃期40～60 cm土层， 差异达显著水平。棉花秸秆还田整个生育阶段0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层土壤微生物量碳含量平均值均显著高于未还田， 分别提高了13.63%、14.32%和10.60%。

表3　各时期土壤土层有机质含量对应的P值Table 3 P-values of organic matter content of different soil layers at different stages

图2　棉花秸秆还田对各时期土壤土层碱解氮含量的影响Fig. 2 Effect of cotton straw returning on soil alkaline hydrolyzed N content of different soil layers at different growth stages缩写同图1。图柱上标以不同小写字母表示数值在0.05水平上差异显著。Abbreviations are the same as those given in Fig. 1. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

表4　各时期土壤土层碱解氮含量对应的P值Table 4 P-values of alkaline hydrolyzed N content of different soil layers at different stages

图3　棉花秸秆还田对各时期土壤土层速效磷含量的影响Fig. 3 Effect of cotton straw returning on soil available P content of different soil layers at different growth stages缩写同图1。图柱上标以不同小写字母表示数值在0.05水平上差异显著。Abbreviations are the same as those given in Fig. 1. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

表5　各时期土壤土层速效磷含量对应的P值Table 5 P-values of available P content of different soil layers at different stages

图4　棉花秸秆还田对各时期土壤土层速效钾含量的影响Fig. 4 Effect of cotton straw returning on soil available K content of different soil layers at different growth stages缩写同图1。图柱上标以不同小写字母表示数值在0.05水平上差异显著. Abbreviations are the same as those given in Fig. 1. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

表6　各时期土壤土层速效钾含量对应的P值Table 6 P-values of available K content of different soil layers at different stages

2.2.2 活跃微生物量 由表8可知， 0～20 cm土层土壤活跃微生物量高于20～40 cm和40～60 cm土层，在棉花不同生育阶段各土层秸秆还田土壤活跃微生物量均有高于未还田的趋势， 其中除吐絮期0～20 cm土层差异不显著外， 其他各时期各土层差异均达显著水平。棉花秸秆还田对整个生育阶段0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层土壤活跃微生物量平均值均有显著提高效果， 分别比未还田处理提高11.57%、15.03%和20.30%。

2.2.3土壤基础呼吸速率 由表9可看出， 0～20 cm土层内， 棉花秸秆还田处理在棉花各生育阶段的土壤基础呼吸速率均有高于未还田处理的趋势， 其中播前和苗期差异达显著水平； 整个生育阶段平均值提高13.14%。20～40 cm土层内， 各生育阶段棉花秸秆还田处理土壤基础呼吸速率均显著高于未还田处理； 整个生育阶段平均值提高17.44%。40～60 cm土层内， 除苗期和蕾期外， 其他各时期棉花秸秆还田处理土壤基础呼吸速率均高于未还田处理； 整个生育阶段平均值提高5.05%。

表7　棉花秸秆还田对各时期土壤土层微生物量碳的影响Table 7 Effect of cotton straw returning on soil microbial C of different soil layers at different growth stages （mg CO2kg–1h–1）

表8　棉花秸秆还田对各时期土壤土层活跃微生物量的影响Table 8 Effect of cotton straw returning on soil active microbial biomass of different soil layers at different growth stages（mg CO2kg–1h–1）

2.3棉花秸秆还田对棉花产量构成因素的影响

由表10可看出， 棉花秸秆还田处理籽棉和皮棉产量达3997.5 kg hm–2和1658.2 kg hm–2， 显著高于未还田处理的3420.9 kg hm–2和1441.6 kg hm–2， 分别提高16.86%和15.03%。产量提高的原因主要是秸秆还田显著提高了棉花总铃数和单铃重， 分别比未还田处理提高5.99%和10.25%； 棉花秸秆还田对衣分无显著影响。

表9　棉花秸秆还田对各时期土壤土层土壤基础呼吸速率的影响Table 9 Effect of cotton straw returning on soil basal respiration rate of different soil layers at different growth stages（mg CO2kg–1h–1）

表10　棉花秸秆还田对棉花产量构成因素的影响Table 10 Effect of cotton straw returning on yield components of cotton

3　讨论

作物秸秆作为重要的有机肥源之一， 含有大量作物生长发育所需要的N、P、K等营养元素［4］。秸秆施入土壤后不断腐解， 有机质、氮素、磷素及钾素不断释放， 有利于提高土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷及速效钾含量， 是改善土壤肥力状况极为重要的一项措施［24-25］。刘世平等［24］研究认为， 麦棉两熟条件下秸秆翻耕还田3年后， 土壤有机质、速效磷、速效钾含量分别比对照增加4.7%～13.0%、0.2%～10.6%、8.4%～15.5%。汤文光等［25］研究认为双季稻田种植模式下， 翻耕秸秆还田与不还田相比，0～20 cm土层土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量分别增加了8.9%、20.9%、9.4%。本试验中， 棉花秸秆还田对土壤有机质、碱解氮、速效钾的影响与以上研究结果一致， 但对土壤速效磷含量的影响不显著， 且两处理土壤速效磷含量均不同程度地低于土壤基础速效磷含量， 这可能是由于秸秆中磷素含量较低， 且大部分以离子形式存在， 释放到土壤后易被土壤颗粒吸附固定［26］， 而又未能通过施肥足量补充。该结论与周永进等［15］对油菜秸秆还田培肥土壤的效应及对后作水稻产量影响的研究结果相一致。另外， 连续4年秸秆未还田条件下， 土壤碱解氮含量在棉花某些生育阶段低于试验前基础地力数据，分析原因为棉花收获及秸秆输出从土壤中带走的氮素超过通过施肥对氮素的补充， 导致土壤碱解氮含量降低， 而连续4年秸秆还田处理下土壤基本实现了碱解氮的平衡。

秸秆还田有利于提高土壤微生物量， 本研究中，与未还田相比， 棉花秸秆还田提高了土壤微生物量碳含量和活跃微生物， 这与胡诚等［27］、王芸等［28］的研究结果一致。这可能是由于长期秸秆还田归还土壤的有机物较多， 为土壤微生物提供更多的碳源和营养物质， 促进了微生物的活动和繁殖。Bazzaz和Williams［29］研究发现， 土壤呼吸速度随土壤有机质含量的增加而增加。本试验中秸秆还田增加了输入到土壤中的新鲜有机物， 其呼吸作用显然也会增强。

多数研究认为秸秆还田有利于提高作物产量［1，30-32］。王宏庭等［33］研究认为不论是否施钾， 小麦秸秆还田使小麦实现6.0%以上的增产。杨帆等［34］运用数值化理论综合评价我国南方地区94个秸秆还田定位试验的土壤肥力变化和培肥增产效应， 认为秸秆还田后产量较秸秆不还田平均提高了4.4%。张凡等［35］研究认为全量小麦秸秆还田处理较不还田处理使棉花增产14.35%， 产量增加的原因为连续麦秸秆还田提高了棉花铃数和铃重。秸秆还田促进了棉花植株对氮磷钾养分的吸收与累积， 使营养器官在生育后期维持较高的生物量， 有效防止棉花早衰， 实现棉花产量的提高［35］。本研究认为， 较之棉花秸秆未还田， 棉花秸秆还田有利于提高棉花单铃重和总铃数， 进而提高籽棉和皮棉产量。棉花秸秆还田对衣分无显著影响。

棉花枯黄萎病是棉花生产中具有毁灭性的两种病害， 都属于维管束［36］、土传病害， 在长期棉花秸秆还田增加土壤养分、培肥土壤地力的同时， 对棉花长期连作可能带来的潜在病害等负效应也应引起足够关注和进一步深入研究。

4　结论

与秸秆未还田相比， 连续4年棉花秸秆还田有利于提高连作棉田土壤有机质、碱解氮、速效钾、土壤基础呼吸速率、土壤微生物量碳及土壤活跃微生物量含量， 但对全生育期平均土壤速效磷没有显著的提高效果。秸秆还田提高棉花总铃数和单铃重，进而提高籽棉、皮棉产量， 但对衣分无显著影响。长期棉花秸秆还田培肥地力的同时应关注由此可能产生的连作障碍， 注意磷肥的适量施入， 以实现棉花稳产高产。

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Effects of Cotton Straw Returning on Soil Available Nutrients and Microbial Characteristics

LIU Yan-Hui1， WANG Shuang-Lei1，2， LI Jin-Pu1，3， QIN Du-Lin1， ZHANG Mei-Ling1， NIE Jun-Jun1， MAO Li-Li1， SONG Xian-Liang1，*， and SUN Xue-Zhen1，*1State Key Laboratory of Crop Biology， College of Agronomy， Shandong Agricultural University， Tai’an 271018， China；2Yantai Agricultural Technology Extension Service， Yantai 264000， China；3Pingdingshan Seed Service Center， Pingdingshan 467000， China

The experiment with two treatments of cotton straw returning and no straw returning was conducted using Denong 09068 at the Experimental Station of Shandong Agricultural University （Dezhou） to investigate the contents of soil available nutrients and microbial characters under cotton straw returning for four consecutive years. The main results indicated that compared with control （no straw returning）， cotton straw returning significantly increased the contents of soil organic matter， alkaline hydrolyzed nitrogen， available potassium， soil microbial C and active microbial biomass by 8.16%， 13.23%， 12.30%， 13.63%， and 11.57% （0–20 cm soil layer）， 6.08%， 27.51%， 11.47%， 14.32%， and 15.03% （20–40 cm soil layer）， 6.05%， 12.87%， 8.08%，10.60%， and 20.30% （40–60 cm soil layer） on average， respectively. Soil basal respiration rate of straw returning treatment was 13.14% and 17.44% in 0–20 cm and 20–40 cm soil layers respectively higher than that of no straw returning treatment， while no significant increase in 40–60 cm soil layer. Cotton straw returning significantly increased seed cotton yield （16.86%） and lint yield（15.03%）， absolutely owning to larger total boll number （5.99%） and boll weight （10.25%）， but there was no change in lint percentage， compared with no cotton straw returning treatment. Returning cotton straw can increase soil fertility， while applying appro-priate P fertilizer and controlling obstacles in continuous cropping are necessary for long-term straw returning to enhance yield.

Cotton； Straw returning soil； Available nutrients contents； Microbial characteristics； Yield

10.3724/SP.J.1006.2016.01037

本研究由国家“十二五”科技支撑计划项目（2013BAD05B06）， 山东省现代农业产业技术体系（棉花）建设专项（SDAIT-03）， 山东省农业良种工程项目（2013LZ， 2014LZ）， 山东省自然科学基金项目（ZR2013CM005）和山东农业大学盐碱地改良利用项目资助。

The study is supported by Key Projects in National Science & Technology Pillar Program during the Twelfth Five-year Plan Period（2013BAD05B06）， Modern Agro-industry Technology Research System of Shandong Province （SDAIT-03）， Shandong Program for Improved Varieties of Agriculture （2013LZ， 2014LZ）， the Natural Science Fundation of Shandong Province （ZR2013CM005）， and Saline Alkali land Improvement and Utilization Project of Shandong Agricultural University.

（Corresponding authors）：孙学振， E-mail: sunxz@sdau.edu.cn； 宋宪亮， E-mail: xlsong@sdau.edu.cn

联系方式：E-mail: yanhuiliusdau@163.com

Received（）: 2015-11-17； Accepted（接受日期）: 2016-05-09； Published online（网络出版日期）: 2016-05-12.

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20160512.1248.006.html