楊茂琪，郭曉雯，周永學，郭慧娟，閔偉

（石河子大學農學院，新疆生產建設兵團綠洲生態(tài)農業(yè)重點實驗室，新疆石河子 832003）

0 引言

新疆是國內最大的優(yōu)質棉花主產區(qū)，2020 年，新疆棉花種植總面積為2.5×106hm2，總產量為516.1 萬t，產量在全國占比高達87.33%[1]。棉花產業(yè)不但是新疆農業(yè)的支柱產業(yè)，也是農民在新疆棉花種植區(qū)的主要種植作物和收入來源[2]。新疆位于干旱區(qū)，水資源有限，年降水量極度缺乏，土壤蒸發(fā)損失嚴重，限制了農業(yè)生產和發(fā)展[3]。水分脅迫和養(yǎng)分脅迫是干旱區(qū)棉花生長的2 個主要限制因素，提高水氮利用效率已成為干旱區(qū)農業(yè)生產的核心問題[4]。如今，隨著農業(yè)集約化生產的發(fā)展，以秸稈為代表的農業(yè)廢棄物產量不斷增加；全球秸稈年產量近40億t，中國可達9.8億t。在如今的農業(yè)生產中秸稈和生物炭的利用率不高且不合理，這不但會造成物質資源的浪費，而且會對土壤造成一定的危害[5-6]。如何在不造成環(huán)境污染的前提下有效利用秸稈資源，已成為實現農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的研究熱點[7]。

眾所周知，秸稈還田是提高土壤有機碳進而提升土壤肥力的最有效和直接措施。新疆干旱區(qū)農田面積廣袤、秸稈資源充足，在中國農業(yè)生產中占據重要位置。秸稈有兩種還田方式，即直接施入和炭化還田。秸稈直接還田可以有效調節(jié)土壤溫度，培肥地力，改善土壤的理化性質，是干旱地農業(yè)增產的重要技術措施[8-11]。秸稈還田能夠優(yōu)化土壤水熱條件、降低土壤容重和蒸散作用及提高水分入滲率，有利于形成土壤團粒結構并提高其穩(wěn)定性[12-13]。秸稈還田在改良土壤物理性狀的同時，也增加土壤速效磷、速效鉀和有機質等養(yǎng)分含量，維持了農田營養(yǎng)平衡[14-15]。秸稈除直接還田外，還可將其炭化還田；近年來，秸稈炭化還田成為秸稈利用的新途徑之一，秸稈炭化后還田及其對環(huán)境的影響引起廣泛的關注。生物炭主要以農作物秸稈為原料，在厭氧或缺氧條件下，在一定溫度(＜700℃)下熱解后，產生含碳量高、比表面積大的穩(wěn)定固體物質。除C外，其組分還包括H、O、N和少量微量元素[16]。生物炭還田使土壤結構更加穩(wěn)定，通過平衡含水量和空氣孔隙率提高物理性質，促進土壤大團聚體的形成，并增強其穩(wěn)定性[17]。生物炭所含有的微量元素能直接被植物生長利用[18]，生物炭可以通過改變土壤的機械組成和土壤的物理化學性質來改善土壤[19]。在養(yǎng)分方面，生物炭還田能提高土壤氮、磷、鉀、鈣和鎂的含量，促進作物生長[20]。在耕地面積有限和水資源短缺的狀況下，提高水分和氮肥利用是促進農業(yè)生產的重要方式，而水資源時空分布不均，水分蒸發(fā)和氮素淋移是水氮流失的主要途徑，將導致棉花水氮利用效率低[21-23]；合理的秸稈還田可顯著提高水氮的利用效率[24]。但是不合理的秸稈還田則會帶來不利影響，若秸稈還田量過大，會導致土壤過于疏松，且保水能力降低，不利于種子萌發(fā)；大量的秸稈堆積導致土壤微生物的產生，而大量的土壤微生物與作物爭奪養(yǎng)分和水分，影響幼苗的生長，最終造成農作物減產[25-26]。在不同的生態(tài)區(qū)域，秸稈和生物炭還田對土壤理化性質及作物生長的影響不盡相同。因此，探究棉稈和生物炭還田對新疆滴灌棉田的土壤理化性質、棉花生長以及水氮利用的影響有一定的現實意義。

本研究在長期灌溉田間定位試驗的基礎上，通過添加棉花秸稈與棉花秸稈生物炭，探究不同秸稈還田方式對棉田土壤理化性質、水氮淋洗、棉花生長、產量及水氮利用率的影響，以期為干旱區(qū)秸稈資源的合理利用及地力提升提供一定的依據，同時具有重要的實踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于石河子大學農科綜合教學實驗中心(44°33′N，86°98′E)進行，當地氣候為溫帶大陸性氣候，年降水量為100.7～224.6 mm，年蒸發(fā)量為1000～1500 mm。土壤類型為灰漠土，試供作物為‘早陸36號’棉花。試驗區(qū)土壤基礎理化指標如表1所示。

表1 土壤基礎理化指標（2009年）

1.2 試驗設計

本研究在已連續(xù)開展多年田間滴灌試驗的基礎上進行（2009—2018年），并于2019年增加棉稈和棉稈生物炭處理，試驗共設置4個處理，分別為：不施氮(N0)、施氮(N360)、施氮+秸稈(N360ST)、施氮+生物炭(N360BC)；其中棉花秸稈、棉花秸稈生物炭的用量分別為6 t/hm2和3.7 t/hm2（與秸稈等炭量設計），分別在播種前一次性施入。試驗采用隨機區(qū)組設計，每個處理重復3次，共12個小區(qū)，每個試驗小區(qū)面積25 m2。

本次試驗于第3 年（2021 年）開展，試驗開始前土壤基礎理化性質如表2所示。棉花種植采用干播濕出法，棉花采用膜下種植，1 膜3 管6 行，行距配置為66 cm+10 cm（株距10 cm），種植密度為2.6×105株/hm2。棉花于4月25日播種，灌溉方式為膜下滴灌，播種后滴出苗水30 mm（淡水），棉花生長期間共灌水9次，6月中旬開始至8月下旬結束，灌溉周期為7～10 d，總灌溉量450 mm。試驗中氮肥(N)、磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)的施用量分別為360、105、60 kg/hm2。氮肥做追肥，在棉花生育期分6次隨水施入；磷鉀肥作基肥，在播種前一次性施入。其他棉田管理措施與當地大田保持一致。

表2 土壤基礎理化指標（2021年）

1.3 樣品采集與測定

土壤樣品的采集與處理：在棉花花鈴期采集0～30 cm 土壤樣品，每個處理選取3 個樣點，土樣混合均勻后去除雜物和細根，及時帶回實驗室，用于測定土壤理化性質。

滲漏液采集與處理：每次灌溉后第3 天收集滲漏液，用于測定水分滲漏量和硝態(tài)氮的淋洗量。

植物樣采集與處理：在花鈴期測定棉花株高，并采集棉花植株樣品，自棉花子葉節(jié)將棉花植株剪下，帶回實驗室，分成葉、莖和鈴3個部分。

土壤含水量和容重分別采用烘干法和環(huán)刀法測定；土壤孔隙度由土壤容重和比重計算得出；土壤鹽度（水土比5:1）與pH（水土比2.5:1）分別采用電導率儀和pH 計測定；土壤總有機碳和全氮分別采用TOC 分析儀和凱氏定氮儀測定；速效磷和速效鉀分別采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法和火焰光度計法測定。

水分滲漏量用量筒直接測定并記錄體積，滲漏液硝態(tài)氮濃度采用全自動間斷化學分析儀測定，計算硝態(tài)氮淋洗量。

棉花干物質重采用烘干法測定，在105℃下殺青30 min，70℃烘干至恒重，并稱重。樣品烘干后粉碎過1 mm 篩用來測定養(yǎng)分含量，H2SO4-H2O2消煮，采用全自動凱氏定氮儀法測定全氮含量。在收獲期實收計產測定棉花籽棉產量。

1.4 計算公式

氮肥利用率計算公式如式(1)所示。

式中：N1 為施肥區(qū)棉花氮素吸收總量(kg/hm2)；N2 為不施肥區(qū)棉花氮素吸收總量(kg/hm2)；N3 為氮肥施用量(kg/hm2)[27]。

灌溉水利用率計算公式如式(2)所示。

式中：Y為單位面積作物產量(kg/hm2)；IW為單位面積灌溉水總量(m3/hm2)[28]。

1.5 數據處理

數據的處理和做圖使用Excel 2016。方差分析和相關性分析使用SPSS 分析軟件(version SPSS 21.0)，將還田方式作為獨立變量，顯著性水平為0.05；進行單因素方差分析，采用Tukey法(P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 棉稈和生物炭還田對土壤容重、孔隙度和含水量的影響

棉稈與生物炭還田對土壤容重、孔隙度和含水量影響如圖1所示。與N0處理相比，N360BC和N360ST處理顯著降低土壤容重（圖1a），分別較N0 處理降低2.31%和9.78%；N360、N360BC和N360ST處理顯著增加土壤孔隙度（圖1b），分別較N0 處理增加1.00%、1.84%和7.27%；但N360、N360BC和N360ST處理顯著降低土壤含水量（圖1c），分別較N0處理降低24.10%、28.29%和13.25%。與N360 處理相比，N360BC 和N360ST 處理顯著降低土壤容重（圖1a），分別較N360處理降低1.05%和8.43%；N360ST 處理土壤孔隙度較N360處理顯著增加6.20%，但N360BC處理與N360處理無顯著差異（圖1b）；N360ST 處理土壤含水量較N360 處理顯著增加9.59%，而N360BC 處理土壤含水量較N360處理有降低趨勢，但不顯著（圖1c）。

圖1 棉稈與生物炭還田對土壤容重、孔隙度和含水量的影響

2.2 棉稈和生物炭還田對土壤電導率和pH的影響

棉稈和生物炭還田對土壤電導率和pH的影響如圖2所示。與N0處理相比，N360BC處理土壤電導率顯著增加23.97%，而N360和N360ST處理土壤電導率無顯著差異（圖2a）；N360、N360BC和N360ST處理顯著降低土壤pH，較N0處理分別降低3.79%、2.43%和3.79%（圖2b）。與N360處理相比，N360BC處理顯著增加土壤電導率，較N360處理降低14.65%，而N360ST處理土壤電導率有降低趨勢，但不顯著（圖2a）；N360BC處理顯著增加土壤pH，較N360處理增加1.33%，但N360ST處理與N360處理土壤pH無顯著差異（圖2b）。

圖2 棉稈與生物炭還田對土壤電導率和pH的影響

2.3 棉稈和生物炭還田對土壤總碳、全氮、速效鉀、速效磷含量和碳氮比的影響

棉稈與生物炭對土壤養(yǎng)分的影響如圖3所示。與N0 處理相比，N360BC 和N360ST 處理顯著增加土壤總碳含量，分別較N0 處理增加25.85%和21.66%（圖3a）；N360、N360BC和N360ST處理顯著增加土壤全氮含量，較分別N0 處理增加20.16%、25.73%和29.76%（圖3b）；N360BC和N360ST處理顯著增加土壤速效鉀含量，較N0處理分別增加64.77%和6.77%，但N360處理土壤速效鉀含量較N0 處理顯著降低14.99%（圖3c）；N360ST處理土壤速效磷含量較N0處理顯著增加12.62%，N360BC處理土壤速效磷含量較N0處理無顯著差異，但N360 處理土壤速效磷含量較N0 處理顯著降低29.7%（圖3d）；N360 和N360ST 處理顯著降低土壤碳氮比，較N0 處理分別降低18.36%和6.62%（圖3e）。與N360處理相比，N360BC和N360ST處理土壤總碳含量顯著增加，較N360 處理分別增加24.03%和19.90%（圖3a）；N360BC和N360ST處理土壤全氮含量較N360 處理相比無顯著差異（圖3b）；N360BC 和N360ST 處理顯著增加土壤速效鉀含量，較N360 處理分別增加89.47%和22.77%（圖3c）；N360BC 和N360ST 處理顯著增加土壤速效磷含量，較N360 處理分別增加32.12%和46.06%（圖3d）；N360BC處理顯著增加土壤碳氮比，較N360 處理顯著增加18.52%（圖3e）。

圖3 棉稈與生物炭還田對土壤養(yǎng)分含量的影響

2.4 棉稈與生物炭還田對土壤水分和硝態(tài)氮淋洗量的影響

棉稈和生物炭還田對土壤水分和硝態(tài)氮淋洗量的影響如圖4。與N0 處理相比，N360、N360BC 和N360ST 處理土壤水分淋洗量顯著降低，分別較N0 處理降低141.36%、166.36%和81.48%（圖4a）；N360、N360BC和N360ST處理土壤硝態(tài)氮淋洗量顯著增加，分別較N0 處理增加530.03%、349.83%和783.04%（圖4b）。與N360處理相比，N360ST處理土壤水分淋洗量較N360 處理顯著增加33.00%，但N360BC 處理較N360處理有降低趨勢，但差異不顯著（圖4a）；N360ST處理土壤硝態(tài)氮淋洗量較N360 處理顯著增加40.16%，而N360BC處理土壤硝態(tài)氮淋洗量較N360處理顯著降低40.06%（圖4b）。

圖4 棉稈與生物炭還田對土壤水分淋洗量和硝態(tài)氮淋洗量的影響

2.5 棉稈和生物炭還田對棉花株高的影響

棉稈和生物炭還田顯著影響棉花株高（圖5）。N360、N360BC 和N360ST 處理棉花株高較N0 處理顯著增加，分別增加64.45%、83.39%和67.44%；N360BC處理棉花株高較N360 處理顯著增加11.52%，而N360ST處理與N360處理無顯著差異。

圖5 棉稈與生物炭還田對棉花株高的影響

2.6 棉稈和生物炭還田對棉花生物量的影響

棉稈和生物炭還田對棉花生物量的影響如表3所示。與N0 處理相比，N360、N360BC 和N360ST 處理棉花莖生物量分別顯著增加72.63%、128.98%和96.71%；N360、N360BC 和N360ST 處理棉花葉生物量顯著增加，分別較N0 處理增加99.40%、137.41%和117.45%；N360、N360BC 和N360ST 處理顯著增加棉花鈴生物量，分別較N0 處理增加32.88%、102.57%和43.88%；N360、N360BC 和N360ST 處理顯著增加棉花總生物量，分別較N0 處理增加58.88%、117.83%和75.25%。與N360 處理相比，N360BC 和N360ST 處理顯著增加棉花莖、葉、鈴及總生物量，分別較N360處理增加32.64%和13.95%、19.06%和9.05%、52.45%和8.28%、37.04%和10.3%。

表3 棉稈與生物炭還田對棉花各器官生物量的影響 t/hm2

2.7 棉稈和生物炭還田對棉花氮素吸收的影響

棉稈和生物炭還田顯著影響棉花氮素吸收（圖6），與N0 處理相比，N360、N360BC 和N360ST 處理氮素吸收顯著增高，分別增高130.9%、271.77%和178.9%。與N360 處理相比，N360BC 和N360ST 處理氮素吸收顯著增加，分別增加61.01%和20.79%。

圖6 棉稈與生物炭還田對棉田棉花氮素吸收的影響

2.8 棉稈和生物炭還田對籽棉產量的影響

棉稈和生物炭還田顯著影響籽棉產量（圖7）。N360、N360BC 和N360ST 處理籽棉產量較N0 處理顯著增加，分別增加94.34%、116.74%和102.57%。N360BC和N360ST處理籽棉產量較N360處理顯著增加11.53%和4.24%。

圖7 棉稈與生物炭與棉稈還田對籽棉產量的影響

2.9 棉稈和生物炭還田對棉田灌溉水利用率和氮肥利用率的影響

棉稈和生物炭還田對棉田灌溉水利用率和氮肥利用率的影響如圖8 所示。與N0 處理相比，N360、N360BC和N360ST處理灌溉水利用率顯著增加，分別較N0 處理增加94.34%、116.74%和102.57%（圖8a）。與N360 處理相比，N360BC 和N360ST 處理灌溉水利用率顯著增加，分別較N360處理增加11.53%和4.24%（圖8a）；N360BC 和N360ST 處理氮肥利用率顯著增加，分別較N360處理增加44.58%和15.70%。

圖8 棉稈與生物炭還田對棉田灌溉水利用率和氮肥利用率的影響

3 結論

（1）施用棉稈和生物炭降低了土壤容重，增加土壤孔隙度，同時顯著增加土壤總碳、全氮、速效鉀和速效磷含量；單施氮肥顯著降低土壤碳氮比，生物炭還田顯著增加土壤碳氮比。

（2）在相同的施氮量情況下，棉稈配施氮肥顯著降低土壤容重、增加土壤孔隙度，從而顯著提高土壤水分淋洗量和硝態(tài)氮淋洗量。

（3）棉稈與生物炭還田增加棉花的生物量，促進棉花生長發(fā)育，顯著促進氮素吸收，提高籽棉產量、灌溉水利用率和氮肥利用率。

4 討論

4.1 棉稈和生物炭還田對棉田土壤理化性質的影響

秸稈還田具有改善耕層土壤理化性質和維持土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的功能，能夠降低蒸散作用，提高土壤孔隙度和水分入滲率，增加土壤團粒的數量和穩(wěn)定性[29]。本研究發(fā)現施加棉稈和生物炭處理顯著增加土壤孔隙度，降低土壤容重，原因是密度較小的秸稈和疏松多孔的生物炭摻混入土壤表層后使土粒間隙增大，土壤通氣性增強，從而有效地改善土壤結構[30-31]，棉稈還田后經過微生物作用形成的腐殖酸與土壤中的鈣、鎂黏結成腐殖酸鈣和腐殖酸鎂，使土壤形成大量的水穩(wěn)性團粒結構，還田后土壤容重降低[32]。本研究發(fā)現施加棉稈能夠顯著提高土壤含水量，原因可能是棉稈能夠與土壤顆粒結合形成團聚體、提高土壤吸附水分的能力[33-34]。本研究還發(fā)現生物炭施用顯著增高土壤電導率和pH。而施加棉稈降低土壤電導率，這可能是因為棉稈能改善土壤孔隙度，從而增加水分淋洗，將鹽分帶走，降低土壤電導率[35-36]。

4.2 棉稈和生物炭還田對土壤養(yǎng)分的影響

秸稈和生物炭還田不僅是目前最簡單直接有效的秸稈資源利用方式，也是一種普遍且有效增加土壤肥力的土壤改良措施。本研究表明，棉稈和生物炭處理顯著增加土壤總碳含量，但全氮含量增加趨勢不顯著；原因是棉稈與生物炭均是外部碳源，施用后會增加土壤中碳的含量，同時秸稈與生物炭可以增加有機質的礦化和硝化速率來提高土壤肥力[37-38]。本研究發(fā)現，施氮量相同時，棉稈及生物炭還田顯著增加土壤碳氮比，這是因為，在同一施氮水平下，增加了外部碳源，從而使土壤碳氮比增加；通過施加高碳氮比的秸稈和秸稈生物炭，憑借其特殊的物理結構能夠吸附和固定土壤中的銨態(tài)氮，減少了礦氮的淋溶和損失，并在后續(xù)的礦化作用中釋放氮素增加養(yǎng)分，進而促進作物的生長發(fā)育[39-41]。此外，棉稈與生物炭處理均顯著增高土壤速效鉀和速效磷的含量，這與劉宇慶等[42]研究結果相同，這是因為生物炭與秸稈能夠改善土壤結構，且含有氮、磷和鉀等營養(yǎng)元素，提高了土壤肥力[43-44]。

4.3 棉稈和生物炭還田對土壤水氮淋洗的影響

本研究發(fā)現，在水分淋洗方面，施氮顯著降低土壤水分淋洗量，這與高日平等[45]和孟繁昊等[46]研究結果一致，其原因在于在施用氮肥后作物發(fā)育較好，促進根系生長，從土壤中吸取大量水分來維持棉花自身的生長發(fā)育和蒸騰作用。同時，本研究發(fā)現在同一施氮水平下，添加棉稈處理顯著增加土壤水分淋洗量，這是因為棉稈還田增加土壤孔隙度，使得土壤耕層疏松多孔，減少鹽分在表土積聚板結土壤，使淋洗量增高[47-48]。而在硝態(tài)氮淋洗方面，施氮處理的硝態(tài)氮淋洗量均顯著高于不施氮處理，這是因為氮肥的施用顯著增加土壤的中的氮素含量，使硝態(tài)氮淋洗量上升。本研究發(fā)現在相同氮水平下，施加棉稈處理的土壤硝態(tài)氮淋洗量顯著高于不施加棉稈處理，這是因為施用棉稈能顯著增加土壤孔隙度，使水分淋洗量變高，從而增加硝態(tài)氮淋洗量[49]。

4.4 棉稈和生物炭還田對棉花生長及水氮利用的影響

有研究表明，施用氮肥、秸稈和生物炭都會促進作物的生長發(fā)育[50-52]。在本研究發(fā)現，單施氮肥、氮肥生物炭配施以及氮肥棉稈配施都顯著增加了棉花株高和生物量。原因可能是施用氮肥會改善棉花生長的營養(yǎng)條件，而且氮是植物生長發(fā)育過程中不可缺少的大量營養(yǎng)元素。秸稈富含有機質和N、P、K等礦質養(yǎng)分，秸稈還田將大量養(yǎng)分帶入土壤[53]。另外施用棉稈與生物炭能夠改善土壤理化性質，為植物根系的生長和作物的養(yǎng)分吸收提供更有利的條件[54]。孫海燕等[55]等研究表明，秸稈配施尿素提高了土壤有效養(yǎng)分含量，能促進植株對氮和磷的吸收。生物炭的比表面積大，表面多微孔，對氮有固持作用，能夠減少氮損失[56]。本研究發(fā)現，在相同施氮水平下，氮肥配施生物炭較單施氮肥的棉花氮素吸收顯著增加；但氮肥配施棉稈處理棉花氮素吸收無顯著差異，這可能是由于棉稈還田需長期施用才能有明顯的后效，所以棉稈還田對棉花氮素吸收利用的影響還需進一步研究。施加棉稈與生物炭處理都顯著增加了棉花的氮肥利用率，這可能是促進棉花生長的重要原因。此外，本研究表明，施加棉稈與生物炭處理顯著增高籽棉產量，這與秦都林等[57]和張楠等[58]的研究結果基本一致，其主要機理是施用棉稈和生物炭能改善土壤理化性質，為土壤提供豐富的C、N、P和K等營養(yǎng)元素，提高土壤肥力，更有利于土壤養(yǎng)分的循環(huán)與利用[59]，因此籽棉產量顯著增高。