长期棉花秸秆配施有机肥对土壤理化性质及棉花产量的影响

席凯鹏，杨苏龙，席吉龙，李永山，张建诚*，武雪萍

（1．山西农业大学棉花研究所，山西 运城 044000；2．中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

培肥地力是提升耕地质量和促进现代农业可持续发展的重要途径之一，畜禽粪便和作物秸秆是培肥地力的主要资源。尽管棉花是重要的经济与纤维作物，但近年来棉花生产投工多、机械化程度低，且相比其它经济作物效益差，黄河流域棉花种植逐渐向中低产田和河滩盐碱地等贫瘠耕地转移。棉田面积的缩减加之棉田耕地提升措施的缺乏［1-2］，严重阻碍了棉花产业的发展。

保护和提升棉田耕地质量是保证棉花可持续生产的关键。作物秸秆中不仅含有丰富的氮、磷、钾和中微量营养元素，同时含有木质素、纤维素、半纤维素、蛋白质和糖类等养分［3］。秸秆还田能够改善土壤物理性状，改变土壤团聚体组成及稳定性，增加土壤有机质和养分含量，促进作物产量的提高［4］。畜禽粪便类有机肥在农业生产上应用广泛［5］，它可以增加土壤有效养分，提升土壤肥力［6］，降低土壤容重，增加土壤团聚体数量，改善土壤团聚体结构［7］，优化土壤微生物群落的结构组成，缓解土壤酸化［8］，提高养分吸收效率，促进作物生长发育和产量提高。有机无机配施及秸秆还田等措施已被证实在提高农作物产量、增强土壤肥力、降低氮素淋失风险等方面具有良好的应用效果［9］。明确长期增施有机肥、秸秆还田等措施对棉田耕地土壤结构特性、肥力、产量的影响，对合理制定减氮节肥措施、实现棉田耕地质量和产量提升均具有重要应用价值。

国内外学者研究表明，施用有机肥及秸秆还田可提高作物增产效应［10-11］，增加土壤养分［12-13］，降低土壤含盐量［14］和pH值［15］，维持土壤团聚体稳定性［16-17］。前人对小麦［18-19］、玉米［20-21］、水稻［22-23］等作物秸秆还田进行了大量研究，但对棉花秸秆还田的研究较少，且研究内容集中在棉花产量［14］、土壤养分［24］、土壤微生物量［25］、土壤酶活性［26］等方面，而棉花长期秸秆还田配施有机肥对土壤改良作用的研究罕见报道。为明确棉花长期秸秆配施有机肥对中低产田的改土培肥效应，本研究以连续12年棉花秸秆还田和增施有机肥长期定位试验为平台，探讨长期秸秆还田和增施有机肥对棉田土壤理化性质和棉花产量的影响，为持续提升中低产连作棉田的生产力提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2007年4月至2018年10 月在山西农业大学棉花研究所夏县试验农场进行。试验基地位于山西省运城市夏县，35°11′N、111°05′E，年平均温度13.2℃，年日照时数2293.4 h，无霜期212 d，年降水量530 mm，夏秋季降水占到75%，灾害性天气主要是干旱和春季倒春寒。长期秸秆配施有机肥定位试验土壤质地为黄壤土，试验初始0～20 cm土层土壤理化性质为：有机质10.6 g/kg，全氮0.89 g/kg，全磷1.08 g/kg，全钾22.08 g/kg，水解氮56.9 mg/kg，有效磷13.1 mg/kg，速效钾159.6 mg/kg，土壤pH 8.4。

1.2 试验设计与方法

试验设有4个处理：氮磷化肥+棉花秸秆清茬（NP）为对照、氮磷化肥+棉花秸秆还田（NPS）、氮磷化肥+棉花秸秆清茬+有机肥（NPM）、氮磷化肥+棉花秸秆还田+有机肥（NPSM）。每处理为360 m2的大条区，从中选取棉花长势均匀一致的区域15 m2（2.5 m×7 m）作为试验小区，3次重复共12个小区。处理中N、P分别代表每季棉花施纯N 172.5 kg/hm2，P2O5138 kg/hm2，且棉花秸秆全部清除；S 为全量棉花秸秆，年施入量5212 kg/hm2，秸秆以干质量计含N 为1.69%；M为发酵鸡粪肥，施入量22.5 m3/hm2，鸡粪中含碱解氮1.86%、P2O53.67%、K2O 1.74%，pH值8.4。播前旋耕底施氮肥60%，花铃期追施氮肥40%，磷肥和发酵鸡粪播种前一次性施入。每年棉花收获结束后，秸秆还田处理采用机械粉碎全量还田，秸秆清除处理将棉花秸秆全部清移，于11月上旬对各处理将进行25 cm深翻，次年3月下旬旋耕整地，4月中旬地膜覆盖播种，宽窄行种植，密度6.75万株/hm2左右，种植品种为转基因抗虫棉科能0518，各处理以大田常规丰产技术要求进行相同田间管理。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 样品采集

在棉花吐絮后期（2018年10月2日）按照“S”形采样方法于棉花窄行中间选择3个样点挖剖面，剖面深度60 cm，每10 cm用环刀分层挖取原状土样，测定土壤容重。同时采集0～20、20～40 和40～60 cm 土层土样，每个处理3次重复，分层混匀取1 kg土样放入塑料袋内，带回实验室自然风干。用于测定土壤干筛团聚体、pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量。

1.3.2 测定方法

土壤容重用环刀法测定，土壤团聚体用干筛法测定，pH值用pH计测定，碱解氮用碱解扩散法测定，有效磷用碳酸氢钠-钼锑抗比色法测定，速效钾用乙酸铵浸提-火焰光度法测定，有机质用重铬酸钾容量法测定［27］。产量构成每小区调查群体密度，选取20个代表株，统计单株棉铃数，并计算棉铃总数。棉铃风干后测定平均单铃重和衣分，按小区分别收获籽棉，把小区产量折算为公顷产量，并依据衣分计算皮棉产量。

1.4 数据分析

以Excel 2016处理数据和作图，DPS v7.05 进行方差分析和相关性分析，用新复极差法比较处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 长期棉花秸秆配施有机肥对土壤结构的影响

2.1.1 土壤容重

由表1表明，与单纯使用化肥NP相比，棉花秸秆还田NPS、施有机肥NPM和秸秆还田配施有机肥NPSM显著降低了0～30 cm土层的土壤容重。其中，0～10 cm土层土壤容重分别比NP显著降低7.53%、8.24%和11.77%，10～20 cm土层的土壤容重分别比NP降低5.36%、7.14%和10.94%，差异达到显著水平；20～30 cm土层的土壤容重分别比NP显著降低3.35%、5.36%和6.47%；对30～60 cm 土层的土壤容重无显著影响。以上说明，NPS、NPM、NPSM改善了0～30 cm耕层土壤的结构。

表1 棉花秸秆还田配施有机肥对各土层土壤容重的影响 （g/cm3）

2.1.2 土壤团聚体

图1、图2、图3 显示，0～10 cm土层各处理土壤团聚体组成以＞10 mm 的大团聚体含量所占比例最少，2 mm的大团聚体最多，其次是0.5 mm 团聚体，处理NPS 、NPM、NPSM比对照显著降低了＜0.25 mm的土壤微团聚体含量，分别降低41.00%、32.60%、45.04%，而显著增加了0～10cm土层0.5～1 mm较大团聚体含量。各处理对10～20和20～30 cm土层的土壤团聚体无显著影响。以上说明，12年的连续棉花秸秆还田、增施有机肥和秸秆配施有机肥，仅改善了浅层土壤团聚体结构，对较深层土壤团聚体结构的改善无显著影响。

图1 不同处理0～10 cm土层干筛团聚体组成

图2 不同处理10～20 cm土层干筛团聚体组成

图3 不同处理20～30 cm土层干筛团聚体组成

2.2 棉花秸秆配施有机肥对土壤化学性质的影响

2.2.1 土壤有机质

由图4 可以看出，NPS、NPM、NPSM处理比NP均显著提高了0～20和20～40 cm土层的土壤有机质含量，分别比NP提高14.16%、20.18%、42.47%和37.14%、67.03%、85.68%；对40～60cm土层的土壤有机质含量无显著影响。以上说明，长时间连续棉花秸秆还田和配施有机肥显著改善了耕层土壤有机质含量，对40 cm以下土层土壤有机质含量无显著影响。

图4 不同处理土壤剖面有机质含量变化

2.2.2 碱解氮含量

由图5显示，各处理碱解氮含量随着土层深度的增加呈逐渐降低的趋势。0～20 cm土层土壤各处理碱解氮含量顺序表现为：NPSM＞NPM＞NPS＞NP，分别比NP显著提高207.90%、57.36%、30.07%，且各处理间差异均达显著水平。20～40 cm土层土壤各处理碱解氮含量顺序与0～20 cm土层一致，分别比NP显著提高99.47%、93.87%、39.68%。40～60 cm土层土壤碱解氮含量处理间差异变化不显著。以上说明，长时间连续棉花秸秆还田和配施有机肥显著提高了0～40 cm土层土壤碱解氮的含量，对40 cm以下土层土壤碱解氮含量无显著影响。

图5 不同处理土壤剖面碱解氮含量变化

2.2.3 有效磷含量

根据图6可知，不同处理土壤有效磷含量随着土层深度的增加呈降低趋势。0～20和20～40 cm土层土壤各处理有效磷含量顺序表现为：NPSM＞NPM＞NPS＞NP，其中NPSM、NPM有效磷含量分别比NP显著提高357.82%、181.43%和212.37%、156.70%，NPS虽提高了0～20、20～40 cm土层有效磷含量，但差异不显著。40～60 cm土层土壤有效磷含量仅NPSM处理与NP差异显著。以上说明，长时间棉田配施有机肥（NPSM、NPM）显著提高了0～40 cm土层土壤有效磷的含量，连续棉花秸秆还田（NPS）对0～40 cm土壤有效磷虽有提高但差异不显著，仅棉花秸秆配施有机肥处理对40～60 cm土层土壤有效磷含量有显著影响。

图6 不同处理土壤剖面有效磷含量变化

2.2.4 速效钾含量

由图7显示，不同处理土壤速效钾含量随着土层深度的增加呈降低趋势。0～20和20～40 cm土层土壤各处理速效钾含量顺序表现为：NPSM＞NPM＞NPS＞NP，其中NPSM、NPM速效钾含量分别比NP显著提高91.46%、33.99%和62.61%、19.04%。40～60 cm土层NPSM、NPS土壤速效钾含量比NP提高不显著。以上说明，长时间棉田配施有机肥（NPSM、NPM）显著提高了0～40 cm土层土壤速效钾的含量，连续棉花秸秆还田（NPS）对0～40 cm土壤速效钾虽有提高但差异不显著。

图7 不同处理土壤剖面速效钾含量变化

2.2.5 土壤pH

由图8显示，0～20 cm土层土壤各处理pH为8.38～8.72，顺 序 表 现 为：NPSM＜NPM＜NPS＜NP，其中秸秆还田配施有机肥处理NPSM的pH比NP显著降低，NPM 有降低土壤pH 的趋势，但差异未达到显著水平；20～60 cm土层土壤pH处理间差异变化不显著。以上说明，长期秸秆还田配施有机肥对降低浅层土壤pH效果显著，对20 cm以下土层土壤pH无显著影响。

图8 不同处理土壤剖面pH

2.3 长期棉花秸秆配施有机肥对棉花产量的影响

表2是本长期定位试验2018年棉花产量及其构成，由表2可以看出，不同处理对产量构成和产量有明显影响。处理NPS 、NPM、NPSM棉花单株成铃与总铃数分别比NP显著提高了7.22%、7.23%、9.64%，铃重分别比NP提高了3.91%、5.48%、13.31%。不同处理对棉花衣分没有显著影响。籽棉产量和皮棉产量大小依次为NPSM ＞NPM＞NPS＞NP。NPS、NPM、NPSM籽棉产量分别比NP提高11.13%、13.27%、24.87%，其棉花产量提高的原因是显著提高了单株成铃数和铃重。以上说明，棉花秸秆还田和施有机肥能够提高棉花铃数和铃重，从而提高棉花产量。

表2 棉花秸秆配施有机肥对棉花产量及其构成因素的影响

2.4 土壤理化性质与棉花产量的相关性

对0～20 cm土层土壤理化性质与产量的相关分析（表3）表明，棉花产量与土壤容重、呈极显著负相关（P＜0.01），与土壤团聚体、有机质含量呈显著正相关（P＜0.05），同时土壤有机质含量与土壤容重呈显著负相关（P＜0.05），这表明增加土壤有机质含量，能改善土壤团聚体结构，显著降低土壤容重，在持续提高棉花生产能力方面发挥重要作用。土壤有机质含量与团聚体极显著正相关（P＜0.01），与碱解氮、有效磷、速效钾呈显著正相关（P＜0.05），本研究区域土壤有机质提高主要源于秸秆还田和有机肥，在提高土壤有机质的同时，也显著增加了碱解氮、有效磷、速效钾含量。棉花产量与pH呈显著负相关（P＜0.05），表明土壤碱性化是限制棉花高效生产的主要因素。

表3 土壤理化性质与棉花产量的相关性

3 讨论

3.1 棉花秸秆配有机肥对土壤结构的影响

土壤结构是土壤固相颗粒（包括团聚体）的大小、数量、比例、排列与组合形式，它关系到植物生长发育需要的水肥气热状况，影响着植株根系的延展、土壤养分吸收和根系的呼吸状态。土壤容重和团聚体是反映土壤固体颗粒和孔隙状况最基本的参数。秦都林等［14］研究表明，棉花连续3 年秸秆还田能显著降低耕层的土壤容重，显著降低了表层＜0.25 mm 土壤微团聚体含量，显著提高了表层＞5 mm 土壤大团聚体含量；施用有机肥有利于改善土壤团聚体结构及其稳定性［28-29］；本研究与上述研究结果一致，连续12年秸秆还田、施有机肥、秸秆还田配施有机肥均比单施化肥显著降低了0～30 cm土层土壤容重，显著降低了0～10 cm土层＜0.25 mm土壤微团聚体含量，而显著增加了较大团聚体含量，尤以秸秆配施有机肥对土壤容重和土壤微团聚体的处理效果最好。分析其原因可能是棉花秸秆还田配施有机肥主要通过增加土壤中有机质含量及其组成，改善土壤的无机胶结物质，进而增加土壤稳定性团聚体的数量，提高土壤团聚体稳定性，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，从而改善土壤结构［30］。

3.2 棉花秸秆配施有机肥对土壤化学性质的影响

保护和提高土壤肥力是现代农业的重要研究内容。秸秆和畜禽粪便发酵有机肥是保护和提高土壤肥力的主要资源。本试验12年棉花秸秆还田、有机肥、秸秆配施有机肥相比单施化肥显著增加了耕层土壤有机质含量，这与秦都林等［14］、常汉达等［31］的研究结果一致。秸秆还田、施有机肥、秸秆配施有机肥显著提高了耕层土壤碱解氮含量，增强了土壤的供氮能力，这与张国娟等［32］的研究结果一致。土壤C/N 可以反映土壤氮素矿化的能力，它影响秸秆的分解速率和养分释放［33-34］，大多作物秸秆本身C/N为（50～80）∶1，而秸秆C/N 为25∶1时便于土壤微生物分解和养分释放，棉花秸秆的C/N为27.8∶1，比较接近土壤微生物分解秸秆所需的C/N［35］。本试验中底施纯氮103.5 kg/hm2，花铃期追施纯氮69 kg/hm2，满足了秸秆腐解时所需要的氮，促进了秸秆利用和棉花产量的提高。施有机肥显著增加了棉田土壤有效磷含量［6］；连续3年棉花秸秆还田显著增加了速效钾含量，降低了土壤有效磷含量［14］；本研究12年棉花秸秆配施有机肥0～20 cm土层有效磷和速效钾含量分别比对照显著提高357.82%和91.46%。对比全国第二次土壤普查土壤肥力分级指标值（6级）［36］，NPS、NPM、NPSM处理速效钾含量均达到土壤肥力1级指标值（＞200 mg/kg），NPSM处理有效磷含量超土壤肥力1级指标值（＞40 mg/kg），说明长期棉秆还田配施有机肥导致表层磷、钾富裕，应采取减施磷、钾无机肥的措施。秸秆还田是调节土壤pH和改良次生盐渍化的有效措施［14-15］，长期施用有机肥能够稳定土壤pH，有效防治土壤酸化［37］，本研究也表明长期秸秆还田、施有机肥有降低浅层土壤pH 的趋势，秸秆还田配施有机肥对降低浅层土壤pH效果显著。冯国艺等［38］研究表明棉花秸秆还田可显著降低耕层土壤含盐量，与本研究结果一致。

3.3 棉花秸秆配施有机肥对棉花产量及其构成因素的影响

前人研究表明合理施用棉花秸秆、增施有机肥可以提高作物产量［6，14，39］。本研究表明，12年连续棉花秸秆还田（NPS）、施有机肥（NPM）、秸秆还田与有机肥配施（NPSM）皮棉产量分别比NP提高11.13%、13.27%、24.87%，均对棉花衣分无显著影响。本研究对0～20 cm土壤理化性质与产量的相关分析表明，棉花产量与土壤容重呈极显著负相关，与土壤团聚体、有机质含量呈显著正相关，与pH呈显著负相关。分析棉花增产的原因，主要是棉花秸秆还田、施有机肥、秸秆还田与有机肥配施能够改善土壤团聚体结构，提高土壤有机质含量，增加土壤肥力，促进棉花植株养分的吸收和利用，提高棉花单株成铃数、总铃数和铃重，而限制棉花丰产的主要因素是土壤碱性化。

4 结论

连续12年棉花秸秆全量还田、增施有机肥、长期全量秸秆配施有机肥能降低棉田土壤容重，改善浅层土壤团聚体含量，提高土壤有机质，增强土壤的供氮能力，提高棉花产量；增施有机肥和长期全量秸秆配施有机肥还能显著提高土壤有效磷和速效钾含量；棉花长期秸秆配施有机肥改土增产效应强于单独的秸秆还田或增施有机肥，棉花产量与土壤容重呈极显著负相关，与土壤团聚体、有机质含量呈显著正相关。土壤pH是棉花增产的主要限制因子。加强秸秆配施有机肥在耕地培肥中的合理利用，并采取有机无机相结合的化肥减量和丰产栽培措施，保障土壤养分供需平衡，持续提升耕地质量和生产效益。