棉秆和生物炭还田对棉田土壤理化性质及棉花水氮利用率的影响

杨茂琪，郭晓雯，周永学，郭慧娟，闵伟

（石河子大学农学院，新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832003）

0 引言

新疆是国内最大的优质棉花主产区，2020 年，新疆棉花种植总面积为2.5×106hm2，总产量为516.1 万t，产量在全国占比高达87.33%[1]。棉花产业不但是新疆农业的支柱产业，也是农民在新疆棉花种植区的主要种植作物和收入来源[2]。新疆位于干旱区，水资源有限，年降水量极度缺乏，土壤蒸发损失严重，限制了农业生产和发展[3]。水分胁迫和养分胁迫是干旱区棉花生长的2 个主要限制因素，提高水氮利用效率已成为干旱区农业生产的核心问题[4]。如今，随着农业集约化生产的发展，以秸秆为代表的农业废弃物产量不断增加；全球秸秆年产量近40亿t，中国可达9.8亿t。在如今的农业生产中秸秆和生物炭的利用率不高且不合理，这不但会造成物质资源的浪费，而且会对土壤造成一定的危害[5-6]。如何在不造成环境污染的前提下有效利用秸秆资源，已成为实现农业可持续发展的研究热点[7]。

众所周知，秸秆还田是提高土壤有机碳进而提升土壤肥力的最有效和直接措施。新疆干旱区农田面积广袤、秸秆资源充足，在中国农业生产中占据重要位置。秸秆有两种还田方式，即直接施入和炭化还田。秸秆直接还田可以有效调节土壤温度，培肥地力，改善土壤的理化性质，是干旱地农业增产的重要技术措施[8-11]。秸秆还田能够优化土壤水热条件、降低土壤容重和蒸散作用及提高水分入渗率，有利于形成土壤团粒结构并提高其稳定性[12-13]。秸秆还田在改良土壤物理性状的同时，也增加土壤速效磷、速效钾和有机质等养分含量，维持了农田营养平衡[14-15]。秸秆除直接还田外，还可将其炭化还田；近年来，秸秆炭化还田成为秸秆利用的新途径之一，秸秆炭化后还田及其对环境的影响引起广泛的关注。生物炭主要以农作物秸秆为原料，在厌氧或缺氧条件下，在一定温度(＜700℃)下热解后，产生含碳量高、比表面积大的稳定固体物质。除C外，其组分还包括H、O、N和少量微量元素[16]。生物炭还田使土壤结构更加稳定，通过平衡含水量和空气孔隙率提高物理性质，促进土壤大团聚体的形成，并增强其稳定性[17]。生物炭所含有的微量元素能直接被植物生长利用[18]，生物炭可以通过改变土壤的机械组成和土壤的物理化学性质来改善土壤[19]。在养分方面，生物炭还田能提高土壤氮、磷、钾、钙和镁的含量，促进作物生长[20]。在耕地面积有限和水资源短缺的状况下，提高水分和氮肥利用是促进农业生产的重要方式，而水资源时空分布不均，水分蒸发和氮素淋移是水氮流失的主要途径，将导致棉花水氮利用效率低[21-23]；合理的秸秆还田可显著提高水氮的利用效率[24]。但是不合理的秸秆还田则会带来不利影响，若秸秆还田量过大，会导致土壤过于疏松，且保水能力降低，不利于种子萌发；大量的秸秆堆积导致土壤微生物的产生，而大量的土壤微生物与作物争夺养分和水分，影响幼苗的生长，最终造成农作物减产[25-26]。在不同的生态区域，秸秆和生物炭还田对土壤理化性质及作物生长的影响不尽相同。因此，探究棉秆和生物炭还田对新疆滴灌棉田的土壤理化性质、棉花生长以及水氮利用的影响有一定的现实意义。

本研究在长期灌溉田间定位试验的基础上，通过添加棉花秸秆与棉花秸秆生物炭，探究不同秸秆还田方式对棉田土壤理化性质、水氮淋洗、棉花生长、产量及水氮利用率的影响，以期为干旱区秸秆资源的合理利用及地力提升提供一定的依据，同时具有重要的实践意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于石河子大学农科综合教学实验中心(44°33′N，86°98′E)进行，当地气候为温带大陆性气候，年降水量为100.7～224.6 mm，年蒸发量为1000～1500 mm。土壤类型为灰漠土，试供作物为‘早陆36号’棉花。试验区土壤基础理化指标如表1所示。

表1 土壤基础理化指标（2009年）

1.2 试验设计

本研究在已连续开展多年田间滴灌试验的基础上进行（2009—2018年），并于2019年增加棉秆和棉秆生物炭处理，试验共设置4个处理，分别为：不施氮(N0)、施氮(N360)、施氮+秸秆(N360ST)、施氮+生物炭(N360BC)；其中棉花秸秆、棉花秸秆生物炭的用量分别为6 t/hm2和3.7 t/hm2（与秸秆等炭量设计），分别在播种前一次性施入。试验采用随机区组设计，每个处理重复3次，共12个小区，每个试验小区面积25 m2。

本次试验于第3 年（2021 年）开展，试验开始前土壤基础理化性质如表2所示。棉花种植采用干播湿出法，棉花采用膜下种植，1 膜3 管6 行，行距配置为66 cm+10 cm（株距10 cm），种植密度为2.6×105株/hm2。棉花于4月25日播种，灌溉方式为膜下滴灌，播种后滴出苗水30 mm（淡水），棉花生长期间共灌水9次，6月中旬开始至8月下旬结束，灌溉周期为7～10 d，总灌溉量450 mm。试验中氮肥(N)、磷肥(P2O5)和钾肥(K2O)的施用量分别为360、105、60 kg/hm2。氮肥做追肥，在棉花生育期分6次随水施入；磷钾肥作基肥，在播种前一次性施入。其他棉田管理措施与当地大田保持一致。

表2 土壤基础理化指标（2021年）

1.3 样品采集与测定

土壤样品的采集与处理：在棉花花铃期采集0～30 cm 土壤样品，每个处理选取3 个样点，土样混合均匀后去除杂物和细根，及时带回实验室，用于测定土壤理化性质。

渗漏液采集与处理：每次灌溉后第3 天收集渗漏液，用于测定水分渗漏量和硝态氮的淋洗量。

植物样采集与处理：在花铃期测定棉花株高，并采集棉花植株样品，自棉花子叶节将棉花植株剪下，带回实验室，分成叶、茎和铃3个部分。

土壤含水量和容重分别采用烘干法和环刀法测定；土壤孔隙度由土壤容重和比重计算得出；土壤盐度（水土比5:1）与pH（水土比2.5:1）分别采用电导率仪和pH 计测定；土壤总有机碳和全氮分别采用TOC 分析仪和凯氏定氮仪测定；速效磷和速效钾分别采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法和火焰光度计法测定。

水分渗漏量用量筒直接测定并记录体积，渗漏液硝态氮浓度采用全自动间断化学分析仪测定，计算硝态氮淋洗量。

棉花干物质重采用烘干法测定，在105℃下杀青30 min，70℃烘干至恒重，并称重。样品烘干后粉碎过1 mm 筛用来测定养分含量，H2SO4-H2O2消煮，采用全自动凯氏定氮仪法测定全氮含量。在收获期实收计产测定棉花籽棉产量。

1.4 计算公式

氮肥利用率计算公式如式(1)所示。

式中：N1 为施肥区棉花氮素吸收总量(kg/hm2)；N2 为不施肥区棉花氮素吸收总量(kg/hm2)；N3 为氮肥施用量(kg/hm2)[27]。

灌溉水利用率计算公式如式(2)所示。

式中：Y为单位面积作物产量(kg/hm2)；IW为单位面积灌溉水总量(m3/hm2)[28]。

1.5 数据处理

数据的处理和做图使用Excel 2016。方差分析和相关性分析使用SPSS 分析软件(version SPSS 21.0)，将还田方式作为独立变量，显著性水平为0.05；进行单因素方差分析，采用Tukey法(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 棉秆和生物炭还田对土壤容重、孔隙度和含水量的影响

棉秆与生物炭还田对土壤容重、孔隙度和含水量影响如图1所示。与N0处理相比，N360BC和N360ST处理显著降低土壤容重（图1a），分别较N0 处理降低2.31%和9.78%；N360、N360BC和N360ST处理显著增加土壤孔隙度（图1b），分别较N0 处理增加1.00%、1.84%和7.27%；但N360、N360BC和N360ST处理显著降低土壤含水量（图1c），分别较N0处理降低24.10%、28.29%和13.25%。与N360 处理相比，N360BC 和N360ST 处理显著降低土壤容重（图1a），分别较N360处理降低1.05%和8.43%；N360ST 处理土壤孔隙度较N360处理显著增加6.20%，但N360BC处理与N360处理无显著差异（图1b）；N360ST 处理土壤含水量较N360 处理显著增加9.59%，而N360BC 处理土壤含水量较N360处理有降低趋势，但不显著（图1c）。

图1 棉秆与生物炭还田对土壤容重、孔隙度和含水量的影响

2.2 棉秆和生物炭还田对土壤电导率和pH的影响

棉秆和生物炭还田对土壤电导率和pH的影响如图2所示。与N0处理相比，N360BC处理土壤电导率显著增加23.97%，而N360和N360ST处理土壤电导率无显著差异（图2a）；N360、N360BC和N360ST处理显著降低土壤pH，较N0处理分别降低3.79%、2.43%和3.79%（图2b）。与N360处理相比，N360BC处理显著增加土壤电导率，较N360处理降低14.65%，而N360ST处理土壤电导率有降低趋势，但不显著（图2a）；N360BC处理显著增加土壤pH，较N360处理增加1.33%，但N360ST处理与N360处理土壤pH无显著差异（图2b）。

图2 棉秆与生物炭还田对土壤电导率和pH的影响

2.3 棉秆和生物炭还田对土壤总碳、全氮、速效钾、速效磷含量和碳氮比的影响

棉秆与生物炭对土壤养分的影响如图3所示。与N0 处理相比，N360BC 和N360ST 处理显著增加土壤总碳含量，分别较N0 处理增加25.85%和21.66%（图3a）；N360、N360BC和N360ST处理显著增加土壤全氮含量，较分别N0 处理增加20.16%、25.73%和29.76%（图3b）；N360BC和N360ST处理显著增加土壤速效钾含量，较N0处理分别增加64.77%和6.77%，但N360处理土壤速效钾含量较N0 处理显著降低14.99%（图3c）；N360ST处理土壤速效磷含量较N0处理显著增加12.62%，N360BC处理土壤速效磷含量较N0处理无显著差异，但N360 处理土壤速效磷含量较N0 处理显著降低29.7%（图3d）；N360 和N360ST 处理显著降低土壤碳氮比，较N0 处理分别降低18.36%和6.62%（图3e）。与N360处理相比，N360BC和N360ST处理土壤总碳含量显著增加，较N360 处理分别增加24.03%和19.90%（图3a）；N360BC和N360ST处理土壤全氮含量较N360 处理相比无显著差异（图3b）；N360BC 和N360ST 处理显著增加土壤速效钾含量，较N360 处理分别增加89.47%和22.77%（图3c）；N360BC 和N360ST 处理显著增加土壤速效磷含量，较N360 处理分别增加32.12%和46.06%（图3d）；N360BC处理显著增加土壤碳氮比，较N360 处理显著增加18.52%（图3e）。

图3 棉秆与生物炭还田对土壤养分含量的影响

2.4 棉秆与生物炭还田对土壤水分和硝态氮淋洗量的影响

棉秆和生物炭还田对土壤水分和硝态氮淋洗量的影响如图4。与N0 处理相比，N360、N360BC 和N360ST 处理土壤水分淋洗量显著降低，分别较N0 处理降低141.36%、166.36%和81.48%（图4a）；N360、N360BC和N360ST处理土壤硝态氮淋洗量显著增加，分别较N0 处理增加530.03%、349.83%和783.04%（图4b）。与N360处理相比，N360ST处理土壤水分淋洗量较N360 处理显著增加33.00%，但N360BC 处理较N360处理有降低趋势，但差异不显著（图4a）；N360ST处理土壤硝态氮淋洗量较N360 处理显著增加40.16%，而N360BC处理土壤硝态氮淋洗量较N360处理显著降低40.06%（图4b）。

图4 棉秆与生物炭还田对土壤水分淋洗量和硝态氮淋洗量的影响

2.5 棉秆和生物炭还田对棉花株高的影响

棉秆和生物炭还田显著影响棉花株高（图5）。N360、N360BC 和N360ST 处理棉花株高较N0 处理显著增加，分别增加64.45%、83.39%和67.44%；N360BC处理棉花株高较N360 处理显著增加11.52%，而N360ST处理与N360处理无显著差异。

图5 棉秆与生物炭还田对棉花株高的影响

2.6 棉秆和生物炭还田对棉花生物量的影响

棉秆和生物炭还田对棉花生物量的影响如表3所示。与N0 处理相比，N360、N360BC 和N360ST 处理棉花茎生物量分别显著增加72.63%、128.98%和96.71%；N360、N360BC 和N360ST 处理棉花叶生物量显著增加，分别较N0 处理增加99.40%、137.41%和117.45%；N360、N360BC 和N360ST 处理显著增加棉花铃生物量，分别较N0 处理增加32.88%、102.57%和43.88%；N360、N360BC 和N360ST 处理显著增加棉花总生物量，分别较N0 处理增加58.88%、117.83%和75.25%。与N360 处理相比，N360BC 和N360ST 处理显著增加棉花茎、叶、铃及总生物量，分别较N360处理增加32.64%和13.95%、19.06%和9.05%、52.45%和8.28%、37.04%和10.3%。

表3 棉秆与生物炭还田对棉花各器官生物量的影响 t/hm2

2.7 棉秆和生物炭还田对棉花氮素吸收的影响

棉秆和生物炭还田显著影响棉花氮素吸收（图6），与N0 处理相比，N360、N360BC 和N360ST 处理氮素吸收显著增高，分别增高130.9%、271.77%和178.9%。与N360 处理相比，N360BC 和N360ST 处理氮素吸收显著增加，分别增加61.01%和20.79%。

图6 棉秆与生物炭还田对棉田棉花氮素吸收的影响

2.8 棉秆和生物炭还田对籽棉产量的影响

棉秆和生物炭还田显著影响籽棉产量（图7）。N360、N360BC 和N360ST 处理籽棉产量较N0 处理显著增加，分别增加94.34%、116.74%和102.57%。N360BC和N360ST处理籽棉产量较N360处理显著增加11.53%和4.24%。

图7 棉秆与生物炭与棉秆还田对籽棉产量的影响

2.9 棉秆和生物炭还田对棉田灌溉水利用率和氮肥利用率的影响

棉秆和生物炭还田对棉田灌溉水利用率和氮肥利用率的影响如图8 所示。与N0 处理相比，N360、N360BC和N360ST处理灌溉水利用率显著增加，分别较N0 处理增加94.34%、116.74%和102.57%（图8a）。与N360 处理相比，N360BC 和N360ST 处理灌溉水利用率显著增加，分别较N360处理增加11.53%和4.24%（图8a）；N360BC 和N360ST 处理氮肥利用率显著增加，分别较N360处理增加44.58%和15.70%。

图8 棉秆与生物炭还田对棉田灌溉水利用率和氮肥利用率的影响

3 结论

（1）施用棉秆和生物炭降低了土壤容重，增加土壤孔隙度，同时显著增加土壤总碳、全氮、速效钾和速效磷含量；单施氮肥显著降低土壤碳氮比，生物炭还田显著增加土壤碳氮比。

（2）在相同的施氮量情况下，棉秆配施氮肥显著降低土壤容重、增加土壤孔隙度，从而显著提高土壤水分淋洗量和硝态氮淋洗量。

（3）棉秆与生物炭还田增加棉花的生物量，促进棉花生长发育，显著促进氮素吸收，提高籽棉产量、灌溉水利用率和氮肥利用率。

4 讨论

4.1 棉秆和生物炭还田对棉田土壤理化性质的影响

秸秆还田具有改善耕层土壤理化性质和维持土壤生态系统稳定的功能，能够降低蒸散作用，提高土壤孔隙度和水分入渗率，增加土壤团粒的数量和稳定性[29]。本研究发现施加棉秆和生物炭处理显著增加土壤孔隙度，降低土壤容重，原因是密度较小的秸秆和疏松多孔的生物炭掺混入土壤表层后使土粒间隙增大，土壤通气性增强，从而有效地改善土壤结构[30-31]，棉秆还田后经过微生物作用形成的腐殖酸与土壤中的钙、镁黏结成腐殖酸钙和腐殖酸镁，使土壤形成大量的水稳性团粒结构，还田后土壤容重降低[32]。本研究发现施加棉秆能够显著提高土壤含水量，原因可能是棉秆能够与土壤颗粒结合形成团聚体、提高土壤吸附水分的能力[33-34]。本研究还发现生物炭施用显著增高土壤电导率和pH。而施加棉秆降低土壤电导率，这可能是因为棉秆能改善土壤孔隙度，从而增加水分淋洗，将盐分带走，降低土壤电导率[35-36]。

4.2 棉秆和生物炭还田对土壤养分的影响

秸秆和生物炭还田不仅是目前最简单直接有效的秸秆资源利用方式，也是一种普遍且有效增加土壤肥力的土壤改良措施。本研究表明，棉秆和生物炭处理显著增加土壤总碳含量，但全氮含量增加趋势不显著；原因是棉秆与生物炭均是外部碳源，施用后会增加土壤中碳的含量，同时秸秆与生物炭可以增加有机质的矿化和硝化速率来提高土壤肥力[37-38]。本研究发现，施氮量相同时，棉秆及生物炭还田显著增加土壤碳氮比，这是因为，在同一施氮水平下，增加了外部碳源，从而使土壤碳氮比增加；通过施加高碳氮比的秸秆和秸秆生物炭，凭借其特殊的物理结构能够吸附和固定土壤中的铵态氮，减少了矿氮的淋溶和损失，并在后续的矿化作用中释放氮素增加养分，进而促进作物的生长发育[39-41]。此外，棉秆与生物炭处理均显著增高土壤速效钾和速效磷的含量，这与刘宇庆等[42]研究结果相同，这是因为生物炭与秸秆能够改善土壤结构，且含有氮、磷和钾等营养元素，提高了土壤肥力[43-44]。

4.3 棉秆和生物炭还田对土壤水氮淋洗的影响

本研究发现，在水分淋洗方面，施氮显著降低土壤水分淋洗量，这与高日平等[45]和孟繁昊等[46]研究结果一致，其原因在于在施用氮肥后作物发育较好，促进根系生长，从土壤中吸取大量水分来维持棉花自身的生长发育和蒸腾作用。同时，本研究发现在同一施氮水平下，添加棉秆处理显著增加土壤水分淋洗量，这是因为棉秆还田增加土壤孔隙度，使得土壤耕层疏松多孔，减少盐分在表土积聚板结土壤，使淋洗量增高[47-48]。而在硝态氮淋洗方面，施氮处理的硝态氮淋洗量均显著高于不施氮处理，这是因为氮肥的施用显著增加土壤的中的氮素含量，使硝态氮淋洗量上升。本研究发现在相同氮水平下，施加棉秆处理的土壤硝态氮淋洗量显著高于不施加棉秆处理，这是因为施用棉秆能显著增加土壤孔隙度，使水分淋洗量变高，从而增加硝态氮淋洗量[49]。

4.4 棉秆和生物炭还田对棉花生长及水氮利用的影响

有研究表明，施用氮肥、秸秆和生物炭都会促进作物的生长发育[50-52]。在本研究发现，单施氮肥、氮肥生物炭配施以及氮肥棉秆配施都显著增加了棉花株高和生物量。原因可能是施用氮肥会改善棉花生长的营养条件，而且氮是植物生长发育过程中不可缺少的大量营养元素。秸秆富含有机质和N、P、K等矿质养分，秸秆还田将大量养分带入土壤[53]。另外施用棉秆与生物炭能够改善土壤理化性质，为植物根系的生长和作物的养分吸收提供更有利的条件[54]。孙海燕等[55]等研究表明，秸秆配施尿素提高了土壤有效养分含量，能促进植株对氮和磷的吸收。生物炭的比表面积大，表面多微孔，对氮有固持作用，能够减少氮损失[56]。本研究发现，在相同施氮水平下，氮肥配施生物炭较单施氮肥的棉花氮素吸收显著增加；但氮肥配施棉秆处理棉花氮素吸收无显著差异，这可能是由于棉秆还田需长期施用才能有明显的后效，所以棉秆还田对棉花氮素吸收利用的影响还需进一步研究。施加棉秆与生物炭处理都显著增加了棉花的氮肥利用率，这可能是促进棉花生长的重要原因。此外，本研究表明，施加棉秆与生物炭处理显著增高籽棉产量，这与秦都林等[57]和张楠等[58]的研究结果基本一致，其主要机理是施用棉秆和生物炭能改善土壤理化性质，为土壤提供丰富的C、N、P和K等营养元素，提高土壤肥力，更有利于土壤养分的循环与利用[59]，因此籽棉产量显著增高。