長(zhǎng)期棉花秸稈還田配施雞糞對(duì)棉花產(chǎn)量和土壤有機(jī)碳氮含量的影響

席凱鵬，席吉龍，楊蘇龍，史俊東，張建誠(chéng)*

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花研究所，山西 運(yùn)城 044000；2.部省共建有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030031）

棉花生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，使我國(guó)成為世界上棉花生產(chǎn)大國(guó)[1]。由于糧棉爭(zhēng)地以及棉花耐鹽、耐旱、適應(yīng)性強(qiáng)，山西省棉花種植由高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田逐漸轉(zhuǎn)移到黃河灘鹽堿地和中低產(chǎn)田等貧瘠地[2]。而黃土高原中低產(chǎn)田棉花種植模式單一，有機(jī)肥投入減少，以及當(dāng)?shù)靥烊唤邓?、土壤肥力低、水土流失?yán)重等問(wèn)題，是提高棉花競(jìng)爭(zhēng)力和持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的障礙。因此，調(diào)優(yōu)改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，提升中低產(chǎn)田產(chǎn)能，是保障棉花高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施，對(duì)棉花生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。土壤有機(jī)碳和全氮含量是衡量土壤質(zhì)量和肥力的重要指標(biāo)[3]。作物秸稈和有機(jī)肥是土壤增碳、培肥地力的主要資源[4-5]。前人研究結(jié)果表明，秸稈還田、秸稈配施有機(jī)肥可提高作物產(chǎn)量[6-8]，提高土壤有機(jī)碳和微生物量碳含量[9-10]，增強(qiáng)土壤氮素固持能力，增加含氮量，減小土壤氮素流失風(fēng)險(xiǎn)[11]；而長(zhǎng)期單施氮肥會(huì)導(dǎo)致土壤微生物量碳、微生物量氮含量和酶活性降低[12]；且土壤有機(jī)碳與微生物量碳含量呈正相關(guān)關(guān)系[13-14]。棉花秸稈含有豐富的氮、磷、鉀和礦物質(zhì)，也是棉田的主要有機(jī)肥來(lái)源，但木質(zhì)素和纖維素含量高，直接還田時(shí)宜粉碎后耕翻掩埋。棉花秸稈還田可顯著提高0～20 cm 耕層土壤有機(jī)碳、堿解氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的含量[15-17]。秸稈配施有機(jī)肥可提高土壤有機(jī)碳含量、增強(qiáng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性，增加土壤有效氮含量，提升棉田土壤肥力[18-19]。相對(duì)于小麥、玉米、水稻，棉花秸稈還田研究較少，且研究?jī)?nèi)容主要集中在短期秸稈還田對(duì)棉花產(chǎn)量[15]、土壤養(yǎng)分[20]、土壤微生物[21]的影響等方面。而罕見(jiàn)長(zhǎng)期棉花秸稈還田與施有機(jī)肥對(duì)棉花產(chǎn)量穩(wěn)定性分析和土壤有機(jī)碳氮協(xié)同的研究報(bào)道。因此，本研究通過(guò)連續(xù)15年的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，分析黃土高原棉花秸稈長(zhǎng)期還田和施雞糞對(duì)棉花產(chǎn)量提升的可持續(xù)性，探明土壤碳素及氮素養(yǎng)分增效的機(jī)理，明確秸稈還田和施有機(jī)肥的持續(xù)增碳培肥效果，為持續(xù)提升中低產(chǎn)連作棉田的生產(chǎn)力提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2007 年4 月至2021 年10 月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花研究所水頭創(chuàng)新基地進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)年平均氣溫為13.0 ℃左右，春季氣溫變化大，常發(fā)生倒春寒，夏季多見(jiàn)高溫與干旱相伴，無(wú)霜期210 d 左右，年日照時(shí)間為2 247.4 h，地下水緊缺，年降水量為540 mm 左右。試驗(yàn)地連續(xù)種植棉花15 年，種植模式為一年一熟制。試驗(yàn)區(qū)土壤為典型的黃壤土，土層深厚，質(zhì)地均勻，儲(chǔ)水保水性能良好。試驗(yàn)初始0～20 cm 土壤養(yǎng)分含量如下：有機(jī)質(zhì)10.62 g·kg－1，堿解氮0.89 g·kg－1，全磷1.09 mg·kg－1，全鉀22.08 g·kg－1，有效磷13.11 mg·kg－1，速效鉀159.63 mg·kg－1，pH 為8.4。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)設(shè)4 個(gè)處理：棉花秸稈清除施氮磷化肥（對(duì)照，簡(jiǎn)稱為NP）；棉花秸稈清除施氮磷化肥配雞糞（NPM）；棉花秸稈還田施氮磷化肥（SNP）；棉花秸稈還田施氮磷化肥配雞糞 （SNPM）。每處理為360 m2的大條區(qū)，從每個(gè)大條區(qū)中劃分3 個(gè)試驗(yàn)小區(qū)作為3 次重復(fù)，小區(qū)面積為120 m2。棉花秸稈還田處理為全量還田，于每年棉花采摘結(jié)束后機(jī)械粉碎深翻；秸稈清除處理為收獲結(jié)束后將棉花秸稈拔起移出棉田；氮肥用尿素，純氮總量為172.5 kg·hm－2，其中底施與追肥的施用比例為6∶4，磷肥用重過(guò)磷酸鈣，P2O5用量為138 kg·hm－2；配施雞糞處理的發(fā)酵雞糞肥施入量為25.0 t·hm－2。試驗(yàn)期各年耕作模式均保持相同，各處理均于冬前深翻，播前結(jié)合整地施入發(fā)酵雞糞或化肥。棉花品種為轉(zhuǎn)基因抗蟲棉科能0518，由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花研究所提供。于每年4 月15 日播種，10 月20 日左右棉花結(jié)束采摘。采用一膜兩行寬窄行種植模式，行距為（90＋50）cm，種植密度為6.75 萬(wàn)株·hm－2左右。生育期水肥調(diào)控、化學(xué)調(diào)控、病蟲防治等田間管理措施相同。

1.3 樣品采集與測(cè)定指標(biāo)方法

于2021 年10 月20 日棉花吐絮結(jié)束采集土樣，采用五點(diǎn)取樣法用土鉆在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)采集0～20 cm （0～20 cm 土層）、＞20～40 cm（20～40 cm 土層）土壤，分層混勻，帶回實(shí)驗(yàn)室分成2份，其中1 份鮮土用于測(cè)定土壤微生物量碳、微生物量氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量，另1 份風(fēng)干過(guò)篩（孔徑2 mm）后，用于測(cè)定土壤有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳、全氮含量。土壤有機(jī)碳含量采用濃硫酸和重鉻酸鉀（2∶1）氧化- 外加熱（170～180 ℃）法測(cè)定[22]；土壤可溶性有機(jī)碳含量采用0.5 mol·L－1K2SO4浸提，總有機(jī)碳分析儀測(cè)定[22]。土壤全氮含量采用蒸餾法用全自動(dòng)凱氏定氮儀（JC-17007）測(cè)定[22]；土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別用靛酚藍(lán)比色法和酚二磺酸比色法測(cè)定[22]，土壤微生物量氮、微生物量碳含量采用氯仿熏蒸提取法測(cè)定[22]。

于試驗(yàn)期每年棉花吐絮期，分別采收各小區(qū)籽棉，曬干后稱量測(cè)產(chǎn)，按面積折算成籽棉單產(chǎn)（kg·hm－2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

1.4.1產(chǎn)量穩(wěn)定性指數(shù)和可持續(xù)性指數(shù)。用變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）來(lái)衡量棉花產(chǎn)量穩(wěn)定性，表示試驗(yàn)?zāi)觌H間棉花平均產(chǎn)量的變異程度，CV數(shù)值越小表示棉花產(chǎn)量穩(wěn)定性越好。用可持續(xù)性指數(shù)（sustainable yield index，SYI）評(píng)價(jià)產(chǎn)量可持續(xù)性，指數(shù)越高表明棉花生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)量可持續(xù)性越好。計(jì)算公式[23]如下：CV＝σ/Y，SYI＝（Y－σ）/Ymax。式中：σ為標(biāo)準(zhǔn)差（kg·hm－2），Y為年平均籽棉單產(chǎn)（kg·hm－2），Ymax為所有試驗(yàn)?zāi)攴葜凶衙迒萎a(chǎn)的最大值（kg·hm－2）。

1.4.2數(shù)據(jù)處理。以Microsoft Excel 2016 整理數(shù)據(jù)，Origin 2022 作圖。采用DPS v7.05 軟件進(jìn)行兩因素兩水平方差分析，用Tukey 法多重比較分析處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期棉花秸稈還田與施雞糞對(duì)棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量穩(wěn)定性的影響

如圖1 所示，NP、NPM、SNP、SNPM 各處理籽棉產(chǎn)量隨試驗(yàn)?zāi)晗蘧示徛▌?dòng)上升的趨勢(shì)，同年份的籽棉產(chǎn)量波動(dòng)上下一致；從籽棉產(chǎn)量曲線看SNPM 處理處于最上方（最高），NPM 和SNP 處于中間，NP 處理處于最下方（最低）。

圖1 2007―2021 不同處理籽棉單產(chǎn)的變化

方差分析表明，秸稈還田和施雞糞對(duì)籽棉單產(chǎn)均有極顯著影響（F值分別為567.3 和908.9），秸稈還田和施雞糞的互作對(duì)籽棉單產(chǎn)的影響較?。‵值為2.4）。由表1 可見(jiàn)，2007―2021 年SNPM、SNP、NPM 處理年平均籽棉單產(chǎn)分別為3 700.9、3 238.7、3 331.0 kg·hm－2，比NP 分別增產(chǎn)27.03%、11.16%、14.33%，且各處理間差異極顯著（P＜0.01）。由CV值可知，SNPM、NPM 處理產(chǎn)量CV值比NP 處理明顯降低，即氮磷化肥配施雞糞處理的產(chǎn)量穩(wěn)定性升高，NPM、SNPM 處理SYI值均明顯高于NP，即增施雞糞可使籽棉產(chǎn)量持續(xù)性明顯提高。由此可知，長(zhǎng)期秸稈還田、增施雞糞、秸稈與雞糞配施均具有長(zhǎng)期增產(chǎn)效應(yīng)，而增施雞糞提升了產(chǎn)量穩(wěn)定性及可持續(xù)性。

表1 2007―2021 年不同處理平均籽棉單產(chǎn)及其變異系數(shù)、可持續(xù)性指數(shù)

2.2 長(zhǎng)期棉花秸稈還田與施雞糞對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮含量及其比值的影響

表2 可見(jiàn)，土壤有機(jī)碳含量的變化范圍是8.45～13.23 g·kg－1，其中，0～20 cm 土層NPM、SNP、SNPM 處理的土壤有機(jī)碳含量與CK 處理間差異均顯著，分別增加43.31%、38.10%、56.56%；20～40 cm 土層各處理間的土壤有機(jī)碳含量均差異不顯著。土壤全氮含量的范圍是0.81～1.10 g·kg－1。0～20 cm 土層NPM、SNP、SNPM 處理的全氮含量均顯著高于CK，分別增加19.75%、13.58%、35.80%，其中SNPM 處理的土壤全氮含量顯著高于NPM 和SNP；20～40 cm 土層各處理間全氮含量差異均不顯著。土壤有機(jī)碳/全氮比值變化范圍是10.43～14.10，其中，0～20 cm 土層NPM、SNP處理的土壤有機(jī)碳/ 全氮比值均顯著高于CK，SNPM 處理的土壤有機(jī)碳/ 全氮比值與對(duì)照差異不顯著；20～40 cm 土層各處理間土壤有機(jī)碳/ 全氮比值差異均不顯著。說(shuō)明棉花全量秸稈還田、增施雞糞和秸稈配施雞糞均能明顯提高0～20 cm 土層有機(jī)碳和全氮含量，秸稈還田、增施雞糞可明顯提高0～20 cm 土層土壤有機(jī)碳/全氮比值。

表2 棉花秸稈還田與施雞糞對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮含量及其比值的影響

2.3 長(zhǎng)期棉花秸稈還田與施雞糞對(duì)土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和可溶性有機(jī)碳含量的影響

由表3 可知，0～40 cm 土層硝態(tài)氮含量在4.46～36.62 mg·kg－1，各處理0～20 cm 土層的硝態(tài)氮含量均大于20～40 cm 土層的含量，0～40 cm土層SNPM 處理的硝態(tài)氮含量均顯著高于對(duì)照，在0～20 cm 顯著提高392.20%，在20～40 cm 顯著提高185.2%；SNP 與對(duì)照差異不顯著，說(shuō)明秸稈還田配施雞糞使0～40 cm 土層硝態(tài)氮含量顯著增加，而秸稈還田處理硝態(tài)氮含量無(wú)明顯增加。0～40 cm 土層的銨態(tài)氮含量在2.25～3.72 mg·kg－1，各處理0～20 cm 的銨態(tài)氮含量均大于20～40 cm土層的含量，且各處理間差異不顯著。0～20 cm 土層NPM、SNP、SNPM 處理的可溶性有機(jī)碳含量比對(duì)照分別明顯提高180.00%、180.00%、273.85%，SNPM 處理的可溶性有機(jī)碳含量也顯著高于NPM、SNP；20～40 cm 土層SNPM 處理的可溶性有機(jī)碳含量明顯高于NPM、SNP 和對(duì)照。說(shuō)明秸稈還田和增施雞糞明顯增加了0～40 cm 土層的可溶性有機(jī)碳含量，且秸稈還田配施雞糞明顯優(yōu)于單施雞糞和秸稈還田。

表3 棉花秸稈還田與施雞糞對(duì)土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和可溶性有機(jī)碳含量的影響

2.4 長(zhǎng)期棉花秸稈還田與施雞糞對(duì)土壤微生物量碳、氮含量及其比值的影響

由表4 可知，各處理0～20 cm 土層的微生物量碳含量大于20～40 cm 土層。0～20 cm 土層NPM、SNP、SNPM 處理的微生物量碳含量分別比對(duì)照顯著提高84.22%、79.14%、166.77%，20～40 cm土層各處理間微生物量碳含量差異均不顯著。各處理0～20 cm 土層的微生物量氮含量均大于20～40 cm 土層，0～20 cm 土層NPM、SNP、SNPM 處理的微生物量氮含量分別比對(duì)照提高29.67%、30.12%、45.42%，但僅SNPM 處理和對(duì)照有顯著差異，20～40 cm 土層各處理間微生物量氮含量差異均不顯著。0～20 cm 土層各處理的微生物量碳/微生物量氮值均比對(duì)照有不同程度提高，其中SNPM處理達(dá)顯著水平，NPM、SNP 處理未達(dá)顯著水平。20～40 cm 土層各處理的微生物量碳/ 微生物量氮值與對(duì)照均沒(méi)有顯著差異。說(shuō)明NPM、SNP、SNPM可明顯提高0～20 cm 土層微生物量碳和微生物量氮含量，并且有提高微生物量碳/微生物量氮值的趨勢(shì)。

表4 棉花秸稈還田與施雞糞對(duì)土壤微生物量碳、氮含量及其比值的影響

3 討論

3.1 秸稈還田與施有機(jī)肥對(duì)作物產(chǎn)量和產(chǎn)量穩(wěn)定性及持續(xù)性的影響

前人研究表明，連續(xù)3 年棉花秸稈還田籽棉產(chǎn)量顯著提高11.57%～19.01%[15]，連續(xù)5 年棉花秸稈還田皮棉產(chǎn)量增加33.9%[24]；濱海鹽堿地棉花秸稈還田皮棉產(chǎn)量提高36.2%[25]。添加有機(jī)肥（新疆保利興農(nóng)生物有限公司，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%，N、P2O5、K2O 總質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%）4 500 kg·hm－2能提高棉花產(chǎn)量[26]，有機(jī)肥（腐熟豬糞）替代50%化肥能增加棉花生物量和產(chǎn)量[27]。本研究連續(xù)15 年NPM、SNP、SNPM 處理的年平均籽棉產(chǎn)量分別比對(duì)照（NP）極顯著增產(chǎn)14.33%、11.16%、27.03%，與前人的研究報(bào)道相一致。棉花產(chǎn)量CV和SYI，可以用于評(píng)價(jià)棉田生態(tài)質(zhì)量的優(yōu)劣和產(chǎn)量的持續(xù)穩(wěn)定性[28]。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明，作物輪作、推薦施肥、化肥配施有機(jī)肥等耕作施肥措施，均有利于提高SYI值[8,29-30]。本研究表明施雞糞可提高棉花產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性，與吳科生等[23]、魏飛等[31]的研究結(jié)果一致。在施用化肥基礎(chǔ)上，棉花秸稈還田、施有機(jī)肥、秸稈配施有機(jī)肥能改善棉田土壤結(jié)構(gòu)，有利于土壤蓄水保水保肥，增加土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量，并促進(jìn)養(yǎng)分吸收利用，提高土壤生物活性和養(yǎng)分的有效性，從而提高棉花總鈴數(shù)、鈴重及產(chǎn)量[17-18，31]，且長(zhǎng)期施有機(jī)肥或秸稈配施有機(jī)肥能顯著提高產(chǎn)量的穩(wěn)定性和持續(xù)性。

3.2 秸稈還田與施有機(jī)肥對(duì)土壤有機(jī)碳和微生物量碳的影響

已有研究表明，秸稈還田、施用有機(jī)肥、有機(jī)肥配化肥可顯著提高土壤有機(jī)碳含量[32-33]，本研究也得出一致結(jié)果，SNP、NPM、SNPM 處理比單施化肥均顯著提高了0～20 cm 土壤有機(jī)碳含量?？扇苄杂袡C(jī)碳是土壤中活躍性有機(jī)碳，能為土壤微生物活動(dòng)提供能量，有利于增加土壤微生物量碳。土壤微生物量碳參與土壤有機(jī)碳的分解轉(zhuǎn)化，為土壤積累養(yǎng)分起著重要的作用，是土壤的活性養(yǎng)分庫(kù)，與土壤有機(jī)碳含量密切相關(guān)。張前兵等[34]研究表明棉花秸稈還田土壤微生物量碳比不還田增加12.1%～29.4%，施腐熟雞糞土壤微生物量碳含量比單施化肥增加83.9%～151.0%。本研究SNP、NPM、SNPM處理0～20 cm 土層微生物量碳含量分別比對(duì)照顯著提高79.14%、84.22%、166.77%。本研究0～20 cm土層的試驗(yàn)處理的有機(jī)碳含量在11.67～13.23 g·kg－1，低于黃土高原表層土壤的有機(jī)碳含量（14.52 g·kg－1）[35]，說(shuō)明土壤中有機(jī)碳仍處于累積狀態(tài)；因此，繼續(xù)實(shí)施秸稈還田、施雞糞等有機(jī)肥仍可繼續(xù)使該地區(qū)棉田土壤質(zhì)量穩(wěn)步提高。

3.3 秸稈還田與施有機(jī)肥對(duì)土壤供氮能力及碳氮比（C/N）的影響

有研究表明合理的有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施、秸稈與化肥配合施用能有效提高土壤全氮含量和氮肥利用率[6,11]。本研究NPM、SNP、SNPM 處理0～20 cm土層全氮含量均顯著高于CK，分別增加了19.75%、13.58%、35.80%，其中SNPM 處理土壤全氮含量也明顯高于NPM 和SNP，與上述研究結(jié)果一致。硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是棉花生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成的良好氮源，棉花秸稈還田土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量分別提高38.26%和24.83%[15]。棉花秸稈配施腐熟雞糞可促進(jìn)土壤氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程，顯著增加土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量[18]。本研究各處理間銨態(tài)氮差異不顯著，SNP 處理硝態(tài)氮含量雖比對(duì)照增多但差異不顯著，NPM、SNPM 處理0～40 cm 土層硝態(tài)氮含量明顯提高。微生物量氮被稱為土壤活性氮庫(kù)，微生物量氮含量變化能夠表征土壤微生物對(duì)氮素的固持能力。本研究表明NPM、SNP、SNPM 處理能夠明顯提高土壤微生物量氮含量，與吳立鵬等[6]和王靜等[12]的研究一致。一般情況下，土壤有機(jī)碳和全氮含量間有顯著耦合關(guān)系[36]，土壤C/N 是衡量土壤質(zhì)量的指標(biāo)之一，土壤C/N 的變化影響碳素和氮素的循環(huán)，對(duì)土壤微生物活動(dòng)、秸稈分解、養(yǎng)分釋放、作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量具有重要影響[37-38]。本研究秸稈還田、施雞糞試驗(yàn)處理0～20 cm 土層有機(jī)碳/全氮值在12.03～12.82，低于土壤微生物分解和養(yǎng)分需要的適宜C/N（25），但比同緯度黃土高原地區(qū)土壤C/N（10.55）高[39]。葛順?lè)宓萚40]研究認(rèn)為土壤C/N 為15～25 時(shí)，能促進(jìn)蘋果生長(zhǎng)發(fā)育，減少氮肥損失，提高氮肥利用率。因此，在本研究區(qū)可繼續(xù)利用秸稈還田與施用有機(jī)肥，并適度降低氮肥投入，提高土壤C/N。

4 結(jié)論

15 年的長(zhǎng)期棉花秸稈還田和施用雞糞可顯著提高0～20 cm 土壤有機(jī)碳、全氮含量，有利于促進(jìn)土壤碳素和氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程，可增加土壤可溶性有機(jī)碳和微生物量碳、有效氮和微生物量氮含量，持續(xù)提升土壤肥力。15 年長(zhǎng)期棉花秸稈還田和施用雞糞對(duì)棉花具有長(zhǎng)期增產(chǎn)效應(yīng)，年平均籽棉單產(chǎn)顯著增加11.16%～27.03%，尤以秸稈配施雞糞的培肥增產(chǎn)效應(yīng)顯著，且可提升棉花產(chǎn)量穩(wěn)定性及可持續(xù)性，因此可作為黃土高原植棉區(qū)中低產(chǎn)棉田持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)及環(huán)境友好的農(nóng)田培肥措施。