麦棉周年秸秆还田对棉花生物量与养分吸收的影响

张凡 周其军 关立 宋志均 杨春玲

摘要：本文旨在研究麦棉周年秸秆还田和施钾对棉花产量、生物量和养分吸收的影响，对比分析秸秆还田钾肥替代的可行性。试验通过在棉花季设置小麦秸秆全量还田9000 kg/hm2、半量还田4500 kg/hm2、施钾量K150和K300；小麦季只在两个相应的秸秆还田处理上进行棉花秸秆还田7500 kg/hm2，不施钾肥；以两季均无秸秆和不施钾处理为对照。结果表明，两年试验中，麦棉秸秆全量还田处理较对照显著提高了棉花铃数、单铃重和皮棉产量，显著提高了棉花生物量和氮磷钾累积量，且全量还田处理的增产效果及促进养分吸收效应显著大于半量还田，与K150处理效果相当，但显著低于K300处理。秸秆还田对钾吸收的促进效应大于氮磷。麦棉周年秸秆还田延缓了棉花生育后期因缺钾引起的早衰，可以部分替代钾肥的施用。

关键词：秸秆还田；产量；生物量；养分

中图分类号：S314文献标志码：A论文编号：cjas20191100264

Effects of Wheat-Cotton Cycled Straw Returning on Biomass and Nutrient Uptake of Cotton

Zhang Fan， Zhou Qijun， Guan Li， Song Zhijun， Yang Chunling

（Anyang City Academy of Agricultural Sciences， Anyang 455000， Henan， China）

Abstract： The aim is to define the effect of wheat-cotton cycled straw returning on yield， biomass and nutrients accumulation of cotton， and to reveal the feasibility of potassium replacement. The application rate of wheat straw was designed as 4500 and 9000 kg/hm2（W4500 and W9000） respectively in cotton season and the application rate of cotton straw was designed as 7500 kg/hm2in wheat reason. Additionally， K fertilizer rates were designed as K2O 150 and 300 kg/hm2（K150 and K300） only in cotton season. The control was designed without straw returning and K fertilizer in both seasons. Results showed that compared with control， cycled total wheat-cotton straw returning significantly increased boll number， boll weight and lint yield of cotton. Biomass and NPK absorption of cotton were also significantly improved. The total wheat-cotton straw returning was more effective in promoting yield and nutrient uptake than the half wheat-cotton straw returning treatment， and was equal to K150 treatment， but significantly less effective than K300 treatment. Cycled wheat-cotton straw returning promoted K absorption much greater than N and P absorption. Cycled wheat-cotton straw returning could delay the premature senescence of cotton with potassium deficiency. So， chemical potassium fertilizer could be partly replaced by it.

Keywords： Straw Returning； Yield； Biomass； Nutrient

0引言

鉀是植物正常生长所必需的大量营养元素之一[1]，在农业生产中具有重要作用[2]。棉花是一种喜钾作物，生育后期常常因缺钾而引起早衰，降低了棉花产量[3-4]。我国钾矿资源又处于短缺状态，钾肥供应长期依赖进口[5]。而农作物秸秆数量庞大，养分含量高，但利用率低下[6-7]。因此，秸秆还田不仅成为了一种有效的秸秆利用方式，而且能够为作物生长提供养分[8]。

麦棉两熟是长江中下游地区主要种植模式[10]。有关秸秆还田与钾肥提高作物产量与养分的研究已有大量报道[9，11-13]，而棉花秸秆还田在棉花上也表现出较大的增产效应[14-17]。李继福等在湖北地区的研究表明，秸秆还田和施钾可以提高水稻产量和地上部钾素累积量，且在高钾和中钾土壤上，秸秆还田可不同程度地替代化学钾肥施用[18]。白由路等在小麦-玉米轮作制度下有关秸秆还田与钾肥的研究也得出相同结论，且小麦季施用化学钾肥的钾素利用率高于秸秆还田，玉米季呈相反趋势[19]。然而目前关于长江流域麦棉周年秸秆还田对棉花产量及养分吸收的研究较少，尚未明确秸秆还田替代钾肥的可行性及效果。本研究拟在棉花秸秆还田的基础上设置不同的小麦秸秆还田量，研究麦棉周年秸秆还田对棉花生物量、养分与产量的影响，通过与化学钾肥比较，探讨其钾肥替代的可行性，为提高秸秆资源利用率，延缓棉花早衰提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验设计

该试验为长期定位试验，于2011—2013年在江苏省农业科学院试验站（118°50 E， 32°02 N）进行，小麦棉花一年两熟种植模式。供试土壤为黏土，2012年土壤全钾含量为9.1 g/kg、速效钾155 mg/kg；2013年土壤速效钾平均含量为128 mg/kg。

在棉花季设置小麦秸秆全量还田9000 kg/hm2（W9000）和半量还田4500 kg/hm2（W4500）2个秸秆还田处理，施钾量K150和K300 2个施钾量处理，以不施钾肥且无秸秆还田处理为对照（CK）；小麦季只在两個相应的秸秆还田处理上进行棉花秸秆全量还田，还田量7500 kg/hm2，不施钾肥，这样形成了C-W9000、CW4500、K150、K300、CK共5个处理。完全随机区组设计，3次重复，小区面积55 m2，行株距为1.0 m×0.3 m。

棉花品种为‘泗杂3号，4月25日进行营养钵育苗，6月5日移栽，棉花收获后，秸秆进行粉碎还田、翻埋入土；然后进行小麦播种，氮磷肥正常施用，不施钾肥。小麦品种为‘宁麦13，小麦收获后，秸秆进行人工粉碎、称量、还田，然后在棉花初花期（7月20日左右）进行翻埋入土，氮磷肥正常施用，不施钾肥，秸秆含钾量见表1。

1.2测定指标及方法

从7月15日起每15天取一次植株样，每小区随机取2株，共取样5次。按生殖器官、营养器官进行分类，放于105℃烘箱中杀青30 min，再以80℃烘干至恒重，称取生物量。然后将样品进行粉碎，用连续流动分析仪测定植株全氮含量，用钼锑抗吸光光度法测定植株全磷含量，用火焰光度计测定植株全钾含量。在吐絮期选取10株棉花，调查单株铃数，分别从下（1～5果枝）、中（6～10果枝）、上（11果枝以上）部果枝收取20个棉铃测定单铃重和衣分，计算平均值，算出产量。

1.3数据统计分析、秸秆含钾量和气象资料

用Excel进行数据处理和制作表格及制图，用SPSS 17.0进行方差分析，用LSD法检验处理间差异显著性。气象数据来自中国气象网（表2）。

2结果与分析

2.1产量与产量构成

与对照相比，麦棉周年秸秆还田和施钾处理均显著提高了棉花铃数、单铃重和皮棉产量，对衣分影响不显著，两年趋势一致（表3）。2012年皮棉产量、铃数和单铃重四个处理均显著高于CK，但四个处理间不显著。2013年四个处理皮棉产量、铃数和单铃重均显著高于对照，且K300皮棉产量、铃数和单铃重均显著高于C-W4500和C-W9000，但与K150差异不显著；K150的皮棉产量和单铃重与C-W9000相当，但均显著高于C-W4500。

2012年秸秆还田处理较对照平均增产111.2%，高于施钾处理平均91.1%的增产幅度；而2013年秸秆还田处理较对照平均增产49.8%，低于施钾处理平均82.7%的增产幅度。这可能与2013年棉花产量总体水平较高，对钾供应强度的要求较高有关。

2.2生物量累积动态

2012年不同麦棉周年秸秆还田量和施钾量处理间棉株生物量差异不显著，但较对照显著增加（图略）；2013年，秸秆还田和施钾处理与对照间差异增大，且不同秸秆还田量处理与施钾量处理间差异显著（图1）。由图1、2、3可知，秸秆还田和施钾处理增加了棉株总生物量、生殖器官生物量和营养器官生物量，且随移栽后天数增加差异逐渐增大，盛絮期达到最大值，处理间表现为K300>K150>C- W9000>C- W4500>CK，呈现显著性差异，但C-W9000和含钾量相当的K150处理差异不显著。值得一看的为营养器官生物量累积动态（图3），CK和C-W4500处理在棉株移栽后85天呈下降趋势，而其它处理仍在持续上升，这也说明了棉株因缺钾而引起的早衰现象。

2.3氮、磷、钾累积与分配动态

2.3.1氮累积与分配与对照相比，麦棉周年秸秆还田和施钾处理均显著提高了棉株氮累积量，且随生育进程的推进，处理间差异变大（图4）。至盛絮期（移栽后100天）时，K300、K150、C-W9000和C-W4500处理棉株氮累积量较CK分别提高了137%、76.0%、105%和39.2%，达显著性差异。CK和C-W4500棉株氮累积量从移栽后70天开始呈下降趋势，而C-W9000和K300仍保持较高的氮累积速率。棉株生殖器官氮累积趋势基本一致（图5），至盛絮期（移栽后100天）时，K300、K150、和C-W9000生殖器官氮累积量较CK显著增加，而C-W4500处理在棉株移栽后85天略有降低。随移栽天数的增加，棉株氮向生殖器官分配的经济系数趋势一致（图6），秸秆还田和施钾处理均提高了棉株氮的经济系数，促进了氮向生殖器官的转移，提高了生殖器官氮养分吸收比例。这说明秸秆还田和施钾处理均促进了棉株氮养分的吸收，维持了生长发育后期较高的养分吸收比例，有效延缓了后期早衰。

2.3.2磷累积与分配棉株磷累积速率表现出前期慢（移栽后40～70天）、后期快（移栽后70～100天）的累积特点（图7），处理间差异随移栽后天数的增加而逐渐加大，至盛絮期时（移栽后100天），K300、K150、CW9000和C-W4500处理棉株磷累积量较CK分别提高了182.7%、39.6%、89.9%和61.2%。CK和C-W4500处理在移栽后85天累积速率略有降低，而其它处理仍保持较高的累积速率。生殖器官磷累积趋势基本一致（图8），累积速率前期慢（移栽后40～55天）、后期快（移栽后55～100天），移栽后85天，CK处理生殖器官磷累积量保持不变，至盛絮期（移栽后100天），生殖器官磷累积量处理间差异达到最大。秸秆还田和施钾处理均促进了棉株磷向生殖器官的转移（图9），棉株移栽后40～70天，秸秆还田处理的磷经济系数大于施钾处理，移栽70天后，施钾处理的磷经济系数大于秸秆还田处理，这说明秸秆还田在较短时间内促进磷吸收的效果优于施钾处理，但可持续性不及施钾处理。

2.3.3钾累积与分配由图10可以看出，全生育期麦棉周年秸秆还田和施钾处理植株钾累积量均明显高于CK，K300、K150和C-W9000处理一直保持较高的植株钾累积速率，C-W4500处理在移栽后70天植株钾累积量开始下降，至移栽后85天时基本保持不变，CK处理从移栽后55天开始，植株钾累积量基本保持不变，在移栽后100天（盛絮期），K300、K150、C-W9000和CW4500植株钾累积量较CK分别提高了355.2%、225.9%、189.0%和36.0%，差异显著，秸秆还田促进钾吸收的效果不及施钾处理。生殖器官钾累积模式与植株钾累积趋势相同（图11）。CK处理的钾经济系数最高（图12），这可能为CK处理营养器官早衰，导致生殖器官钾分配比例升高所致。氮磷钾对比发现，麦棉周年秸秆还田和施钾处理对钾吸收的促进效应大于氮磷。

3讨论

3.1产量与产量构成

作物秸秆含有大量的营养元素及微量元素，秸秆还田不仅有利于作物产量的提高，而且有助于改善生态环境，促进农业的可持续发展[20]。关于秸秆还田与钾肥增产效果的研究较多[9，17]，傅伟[21]、刘新梁等[22]研究认为秸秆还田配施钾肥具有最好的增产效果，且化学钾肥的增产效果好于秸秆还田。本研究也得出相似结论，且明确了长江中下游地区麦棉周年秸秆还田的增产效果，即棉花季产量随小麦秸秆还田量的增加而增加，随秸秆还田年限的延长不同秸秆还田量处理间差异愈显著。但是在本研究的两年试验中，麦棉周年秸秆还田处理较对照处理皮棉产量分别增加111.2%、49.8%，高于张玉文等[23]在滨海粘质盐化土壤上16.7%的增产幅度，这可能是因为本研究是在连续无秸秆和钾肥施用的条件下进行的，土壤钾素亏缺较为严重，棉花对缺钾又较为敏感[24]，而张玉文等的研究是在正常施肥情况下进行的，且秸秆还田效果受土壤性状和秸秆还田方式等影响较大[25]。与对照相比，麦秸秆全量还田在年际间的增产幅度降低，由114%的增产幅度降低至59.0%，这可能是因为2013年小麦秸秆和棉花秸秆的钾含量降低所致，也可能与当年的降雨较多，不利于秸秆快速分解和养分释放有关[25]。

3.2生物量与养分的累积分配

秸秆还田与施钾可以提高作物生物量，促进养分吸收，进而提高作物产量。魏建林等[26]、张磊等[27]、董合林等[28]研究认为，秸秆还田及施用钾肥均可不同程度地提高土壤速效钾和缓效钾含量，增加了地上部钾素吸收量和作物产量。本研究也得出相同结果，麦棉周年秸秆还田与施钾均可以保持棉株生育后期营养器官较高的生物量，显著提高了棉株的氮磷钾养分累積量，对钾素养分吸收的促进效应大于氮磷，有效防止了转基因抗虫棉生育后期因缺钾而引起的早衰。但吐絮后期棉铃钾经济系数却低于无秸秆和施钾处理的对照，维持了营养器官较高的分配比例。这是否与延缓早衰有关，还有待进一步验证。

4结论

在长江流域麦棉两熟种植制度下，小麦秸秆还田在棉花季还田显著提高了棉花铃数、铃重和皮棉产量，显著提高了各生育时期棉花生物量和氮磷钾养分累积量，对钾吸收的促进效应大于氮磷。短期内，秸秆还田量和施钾量处理没有显著差异，长期小麦秸秆半量还田不能满足棉花生长对钾的需求，出现早衰，影响其增产效果。因此，本研究认为麦棉秸秆全量还田可以替代钾肥施用，但随时间延长，需补充一定化学钾肥。

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