长期秸秆还田和施用有机肥对连作棉田土壤化学性质及微生物数量的影响

2022-11-07郭振威李永山陈梦妮范巧兰

中国农业大学学报 2022年11期

郭振威李永山陈梦妮范巧兰王慧

(1．山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801； 2. 山西农业大学棉花研究所，山西运城 044000； 3. 运城市农业科学合作研究院，山西运城 044000)

棉花是我国重要的经济作物，是仅次于粮食的第二大农作物。2020年全国棉花产量591.1 万t，2021年全国棉花产量573.1万t。但我国人均耕地面积少，棉花在有限的土地上得不到合理的轮作倒茬，导致生产中棉区都是长期连作。棉花生产存在着明显的连作障碍，制约着棉花可持续发展。此外，对棉田连作土壤状况的系统研究报道较少，主要集中在新疆棉区。同时，由于有机肥源不足，农田养分主要靠化肥补充，土壤生态环境逐渐恶化，土壤肥力持续下降，这也是当前急需解决的一个问题。

秸秆是重要的可再生能源，燃烧秸秆既浪费资源且污染环境，秸秆还田则是合理利用资源的一条有效途径。棉秆富含纤维素、木质素和多缩戊糖，营养比较丰富，棉秆还田有利于改良土壤结构、改善理化性质、增加土壤养分含量。此外，每年畜牧业生产带来大量的畜粪，处理不当易造成污染。畜粪作为有机肥，有机质含量高，肥效较长，肥效相对全面，能够改良土壤理化性质，培肥地力，改善土壤中微生物的生物群落结构，有利于提高农作物的品质，并且有机肥可以促进土壤的物质循环，在环境保护方面也有着重要的意义。

目前秸秆还田和有机肥对土壤性质和土壤微生物种群结构和多样性的影响在小麦、玉米、水稻等作物上研究较多，而在长期连作棉花上的系统研究甚少。刘建国等、范巧兰等研究结果表明，棉花秸秆还田对土壤性质和微生物数量、结构等均产生了显著的有利影响；有机肥的施入对棉田土壤微生物群落结构和数量有显著的改善；然而，长期连作棉花则会对土壤微生物产生负面的效应。已有研究均是单一的秸秆还田或者有机肥施入带来的影响，而对棉花秸秆还田配合施有机肥对连作棉田的土壤养分和微生物影响的研究在黄淮海棉区的研究报道甚少。因此，为研究棉花秸秆还田和施用有机肥及其配施对连作棉田土壤肥力和土壤生产性能的影响，采用长期定位的试验方法，研究不同处理下棉田土壤的养分含量及土壤微生物数量的变化，以期揭示棉花秸秆还田与施用有机肥对土壤的影响，及不同处理之间的差异与特点，为提高土壤肥力、促进棉花健康生长选择优良方案，棉秆还田和施用有机肥的推广提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

2007年4月始在山西农业大学(山西省农业科学院)棉花研究所牛家凹试验农场进行定位试验。试验基地位于山西省运城市夏县，北纬35°11′，东经111°05′，年平均温度13.2 ℃，年日照时长为2 293.4 h，无霜期212 d，年降雨量530 mm，夏秋季降雨占到75%，灾害性天气主要是干旱和春季倒春寒。长期定位试验土壤质地为黄壤土，试验初始0～20 cm土壤理化性质为有机质含量1.09%，碱解氮89 mg/kg，有效磷含量53.1 mg/kg，速效钾含量159.6 mg/kg，土壤 pH 8.4。

1.2 试验设计

共设置4个处理，每个处理为360 m的大条区,从中选取棉花长势均匀一致的试验区域15 m(2.0 m×7.5 m)作为试验小区，设3次重复，共计12个小区。各处理施肥情况见表1。每年棉花收获后秸秆还田处理采用机械粉碎全量还田，不还田处理地块棉花秸秆全部移出，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，于11月上旬对各处理进行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/hm左右，种植品种为转基因抗虫棉科能0518，4月初进行播前灌溉，7月10日在花期进行第二次灌溉，各处理以大田常规丰产技术要求进行相同田间管理。

2021年分别在棉花蕾期(6月24日)、花期(7月15日)、吐絮期(9月22日)和拔杆期(10月27日)用小型土壤采样器按照“S”型采样法采集土壤样品，采集深度为0—20 cm，每个小区内采集五个点的土样组合成一个混合样品，每个处理三次重复，采集的土壤样品立即放入无菌聚乙烯自封袋带回实验室，部分土样风干、碾磨、过筛用于化学性质的测定，部分置于4 ℃的冰柜中保存，用于微生物数量的测定。

表1 试验设计
Table 1 Experiment design

处理Treatment种类及用量Type and quantity氮磷化肥+秸秆清茬 NPN为纯N,用量为172.5 kg/hm2,P为P2O5,用量为138 kg/hm2氮磷化肥+秸秆还田 NPSN、P用量同上,S为棉花秸秆全量还田氮磷化肥+有机肥 NPMN、P用量同上,M为发酵鸡粪肥,施入量22.5 m3/hm2(鸡粪中含全氮1.86%、P2O53.67%、K2O1.74%)氮磷化肥+秸秆还田+有机肥 NPSMN、P、S、M用量同上

1.3 测定指标及方法

土壤化学性质的测定土壤pH采用

(水)∶

(土)=2.5∶1，摇床振荡30 min，静置后用Soilstik式pH计测定；土壤养分含量测定：速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；速效钾采用醋酸铵浸提火焰光度法；土壤有机质采用重铬酸钾氧化-比色法；碱解氮采用碱解扩散法。

微生物的测定

土壤微生物数量测定：土壤微生物采用平板计数法，细菌、真菌、放线菌、固氮菌、氨化细菌所用培养基分别为牛肉膏蛋白胨琼脂培养基、马丁氏培养基、高氏一号培养基、改良瓦克斯曼77号培养基、牛肉膏蛋白胨琼脂培养基。

1.4 数据处理

用Excel软件进行数据整理和柱状图，通过SPSS软件的Duncan法进行方差分析，利用Pearson相关系数评价土壤理化性质与土壤微生物各指标间的相关性，相关性分析图用Origin进行绘制。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤pH的影响

秸秆还田和有机肥对土壤pH的影响见图1。可见：随着棉花的生长，土壤pH有逐渐升高的趋势，处理NPS在棉花的G1与处理NP相比差异不显著，其余时期均降低了土壤的pH，且达到显著性差异水平(

<0.05)；处理NPM在G2和G4与NP处理差异不显著，在G1和G3则显著的降低了土壤的pH，处理NPSM在棉花的整个生育期当中都降低了土壤的pH，差异均到达显著性水平(

<0.05)。NPSM处理明显降低了土壤的pH，在各个时期相比于NP处理分别降低3.41%、1.86%、3.19%、2.60%(

<0.05)。

2.2 不同处理对土壤养分的影响

由图2(a)可见：处理NPS、NPM、NPSM中碱解氮的含量均高于处理NP，差异显著(

<0.05)，大小次顺序依次为NPSM>NPS>NPM>NP。其中，处理NPSM显著提高了碱解氮的含量，NPSM处理在各个生育时期碱解氮含量分别比NP处理显著增加151.72%、140.63%、229.17%、212.50%(

<0.05)。由图2(c)可见：处理NPS、NPM和NPSM中均可增加土壤中速效钾的含量，差异显著(

<0.05)；各处理对速效钾含量影响大小顺序为NPSM>NPM>NPS>NP；NPSM处理显著增加了速效钾的含量，NPSM在棉花各个生育期的速效钾含量分别比NP处理增加60.54%、57.89%、46.57%、35.86%(

<0.05)。由图2(b)可见：处理NPS、NPSM和NPM在棉花的各个生育期中，其有效磷含量均高于处理NP，均达到显著水平(

<0.05)；各处理对土壤有效磷影响由大到小顺序为NPSM>NPM>NPS>NP；处理NPSM在各个生育期土壤有效磷含量分别比NP处理显著增加146.92%、192.54%、379.10%、483.34%(

<0.05)。由图2(d)可见：处理NPS、NPM、NPSM在棉花各生育期有机质含量均高于处理NP，差异显著，在G1和G4阶段处理NPS有机质含量大于处理NPM，差异显著，在G2和G3阶段处理NPM有机质含量高于处理NPS，在G2阶段差异不显著，G3阶段差异显著(

<0.05)。所有处理中，处理NPSM对有机质含量影响最大，处理NPSM在各个生育时期的有机质含量分别比处理NP显著增加63.07%、36.48%、55.72%、28.06%(

<0.05)。

G1.蕾期；G2.花期；G3.吐絮期；G4.拔杆期。下同。 G1.Bud stage; G2.Florescence; G3.Boll opening stage; G4.Pole pulling period. The same below. 同时期数据上方不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。 Different letters above the data in the same period indicate significant differences (P<0.05). The same below.图1 2021年不同处理对棉花不同生育期土壤pH的影响Fig.1 Effects of different treatments on soil pH at different growth stages of cotton in 2021

图2 2021年不同处理对棉花不同生育期土壤养分的影响Fig.2 Effects of different treatments on soil nutrients at different growth stages of cotton in 2021

2.3 不同处理对土壤微生物数量的影响

由表2可知：随着棉花的生长，处理NPM、NPS、NPSM和NP土壤中细菌的数量呈逐渐上升而后下降的趋势。在棉花的各个生育期中，处理NPM、NPS、NPSM均显著的增加了土壤细菌的数量，其对细菌数量的影响顺序为：NPSM>NPS>NPM>NP。4个处理中，NPSM处理显著提高了土壤细菌的数量，各个生育期比NP处理分别增加了177.21%、119.28%、129.54%、138.79%，差异均达到显著性水平(

<0.05)。随着棉花的生长，处理NPM、NPS、NPSM和NP土壤中真菌数量呈先上升后下降的趋势。在棉花的各个生育期内，处理NPM、NPS、NPSM相比处理NP真菌的数量均有不同程度的提高，差异均达到显著性水平(

<0.05)。其中，处理NPM真菌数量在各个时期高于处理NPS真菌数量，并且蕾期、花期、吐絮期3个时期中差异均达到显著性水平，在拔杆期时两处理差异不显著(

<0.05)。NPSM处理对真菌数量影响最大，各个生育期比NP处理分别增加了172.17%、233.42%、208.25%、156.64%，差异均达到显著性水平(

<0.05)(表2)。

表2 2021年不同处理在不同生育期的土壤微生物数量变化
Table 2 Effects of different treatments on soil microbial in different growth stages in 2021

微生物种类Microbial species处理 Treatment蕾期Bud stage花期Florescence吐絮期Boll opening stage拔杆期Pole pulling periodNP186.5 d280.1 d309.8 c240.8 c 细菌/(106 cfu/g)BacteriaNPM284.6 c394.2 c419.5 b364.3 bNPS313.9 b439.7 b463.5 b389.2 bNPSM517.0 a614.2 a711.1 a575.0 aNP2.706 d2.723 d2.897 d3.146 c 真菌/(104 cfu/g)FungusNPM6.053 b6.898 b6.639 b6.229 bNPS4.602 c5.207 c5.407 c5.176 bNPSM7.365 a9.079 a8.930 a8.074 aNP18.65 d17.90 c18.11 c15.53 a 放线菌/(105 cfu/g)ActinomycetesNPM30.62 c30.70 b41.95 a35.26 bNPS25.68 b30.47 b37.81 b35.03 bNPSM38.68 a43.87 a41.34 ab40.17 bNP1.718 c2.684 d3.058 c2.602 c 固氮菌/(105 cfu/g)Nitrogen fixing bacteriaNPM2.342 b3.487 c4.480 b3.879 bNPS2.354 b4.282 b4.797 b4.281 bNPSM3.354 a5.760 a7.814 a5.514 aNP208.4 d237.3 d245.5 d198.1 c 氨化细菌/(105 cfu/g)Ammonifying bacteriaNPM414.3 c458.6 c452.1 c431.0 bNPS495.9 b543.9 b601.7 b482.6 bNPSM844.4 a900.3 a938.5 a905.9 a

注：同列数据不同字母表示差异显著(<0.05)，相同字母表示差异不显著(>0.05)。

Note: Within the same column, different letters represent significant differences (<0.05), while the same letters represent no significant differences (>0.05).

随着棉花的生长，处理NPM、NPS、NPSM和NP土壤中的放线菌数量均呈先上涨然后下降的趋势。处理NPS、NPM、NPSM的放线菌数量均大于处理NP的放线菌数量，差异均达到显著性水平(

<0.05)。处理NPM土壤中放线菌数量在各个时期均大于处理NPS放线菌的数量，在蕾期和吐絮期时差异达到显著性水平，在花期和拔杆期时差异不显著(

<0.05)。所有处理中，处理NPSM显著提高了土壤中放线菌的数量，各个生育期放线菌数量比NP处理分别增长107.40%、145.08%、128.27%、158.66%，差异均达到显著性水平(表2)(

<0.05)。随着棉花的生长，处理NPM、NPS、NPSM和NP土壤中的固氮菌数量均呈先上升后下降的趋势。处理NPS、NPM、NPSM固氮菌的数量在各个时期均大于处理NP固氮菌的数量，差异达到显著性水平(

<0.05)。其中，处理NPS在各个时期固氮菌数量大于处理NPM固氮菌数量，除在花期时差异达到显著性水平外，其余时期差异均不显著(

<0.05)。所有处理中，处理NPSM显著增加了固氮菌数量，在棉花各个生育期土壤固氮菌数量比NP处理分别增加95.23%、114.61%、155.53%、111.91%，差异均达到显著性水平(

<0.05)。随着棉花的生长，处理NPM、NPS、NPSM和NP土壤中氨化细菌的数量呈先上升后下降的趋势。处理NPS、NPM、NPSM相比于处理NP均可提高土壤中氨化细菌的数量，差异均达到显著性水平(

<0.05)。在棉花整个生育期内处理NPS土壤内氨化细菌数量大于处理NPM土壤内氨化细菌数量，除拔杆期差异未达到显著性水平外，其余时期差异均达到显著性水平(

<0.05)。所有处理中，处理NPSM显著增加了土壤中氨化细菌的数量，相比于处理NP，处理NPSM在各个时期分别使氨化细菌增加305.18%、279.39%、282.28%、357.29%，差异均达到显著性水平(

<0.05)(表2)。

2.4 土壤理化性质与土壤中微生物种类和数量的相关性分析

棉田土壤中化学性质与土壤微生物之间的关系的Pearson相关性分析结果见图3。可见：土壤的pH与土壤有机质、碱解氮、速效钾的含量和细菌、真菌、氨化细菌的数量均呈显著负相关，与放线菌和固氮菌的数量也呈负相关，但差异不显著；土壤碱解氮、速效钾和有效磷的含量与细菌、真菌、放线菌、氨化细菌和固氮菌的数量均呈显著的正相关，其中碱解氮与氨化细菌相关系数可达0.96；有机质的含量与细菌、真菌、放线菌、氨化细菌的数量呈正相关，除与氨化细菌达到显著性差异水平外，其余均未达到显著性差异水平(

<0.05)。

*P≤0.05 1.Ph；2.有机质；3.碱解氮；4.速效钾；5.有效磷；6.细菌；7.真菌；8.放线菌；9.氨化细菌；10.固氮菌。 1.pH; 2.Organic matter; 3.Alkali hydrolyzed nitrogen; 4.Available potassium; 5.Available phosphorus; 6.Bacteria; 7.Fungus; 8.Actinomycetes; 9.Ammonifying bacteria; 10.Nitrogen fixing bacteria.图3 土壤化学性质与土壤中微生物种类和数量的相关性Fig.3 Correlation between soil chemical properties and microbial species and quantities in soil

3 讨论

3.1 不同施肥措施对土壤化学性质的影响

长期不同的施肥措施对连作棉田土壤的性质有着不同程度的影响。土壤的酸碱度是土壤的基础指标之一，是影响土壤养分有效性、植株生长发育的重要因素。秦都林等研究指出，棉花秸秆还田有降低土壤pH的趋势，但未达到显著性差异；吴从稳等研究发现棉花秸秆还田后可降低土壤的pH。与上述结果一致，本研究表明棉花秸秆还田后可降低土壤的pH值，配施有机肥后抑制效果更加明显。相反，张富丽等研究表明Bt抗虫棉秸秆还田后可提高土壤的pH值，可能是因为其供试土壤为偏酸性，而本研究土壤为偏碱性，所以最终棉花秸秆还田后土壤pH值向中性靠近。

植物的生长发育与土壤环境的优良密切相关，棉花秸秆还田后可有效改善土壤的理化性质，棉花秸秆和有机肥中含有大量作物所需的N、P、K等营养元素，施入土壤后不断腐解, 有机质、氮素、磷素及钾素不断释放, 有利于提高土壤有机质、碱解氮、速效磷及速效钾含量。张富丽等指出棉花秸秆原位还田后，土壤中有效磷、速效钾、有机质和碱解氮的含量均显著的提高。这与本研究结果基本一致。秸秆还田、有机肥和秸秆还田配施有机肥后对土壤碱解氮、速效钾、有效磷、和有机质的含量均有不同程度的提高，除秸秆还田在吐絮期对有效磷的含量增加差异未达到显著性水平外，其余则均达到显著性水平(

<0.05)。刘艳慧等研究发现棉花秸秆还田后会显著增加土壤中有机质、碱解氮和速效钾的含量，对于有效磷则影响不显著。对磷的影响结果略有差异可能是因为还田的棉花植株品种相异，其磷素含量有差异，所以导致还田后土壤中有效磷的含量不同。

棉花长期连作会使土壤养分含量下降，土壤理化性质变差，土壤肥力降低。本研究则证明，秸秆还田和施用有机肥可增加土壤养分含量、改善土壤性质、提高土壤肥力，可有效降低棉花连作带来的危害。尤其是二者结合协同下效果明显更佳，一方面，有机肥的加入本身对土壤营养元素就具有增加效应，对土壤pH就具有抑制作用，所以配施秸秆还田后共同作用效果更佳；另一方面，随着有机肥的加入会促进棉花秸秆的腐解，使其养分释放更加快速、彻底。

3.2 不同施肥措施对微生物数量的影响

本研究表明棉花秸秆还田能够增加土壤微生物数量：在棉花生长各个时期，与单施化肥相比，秸秆还田配施化肥更有利于土壤中细菌、真菌、放线菌、固氮菌及氨化细菌数量的增加；与化肥配施有机肥相比，在此基础上秸秆还田，更有利于土壤中微生物数量的增加。刘军等通过分析长期不同连作年限及秸秆还田棉田土壤微生物量及种群结构变化，研究表明秸秆还田连作模式下，真菌数量持续增加，与本研究结果相一致。原因可能是随着棉花秸秆还田年限的增加，累积在土壤中未完全腐解的秸秆含量增加，而秸秆的腐解需要靠微生物来完成，秸秆又可以为其提供丰富的碳源和氮源，因此微生物含量表现为增加趋势。但是土壤中真菌数量的增加，又会造成一些病虫害发生的几率有所提高。因此，虽然秸秆还田能够提高土壤微生物的数量，但同时也要顾及到真菌数量的影响，因此适宜的秸秆还田量也需要进一步研究，以能够提高土壤微生物含量又不至引起病虫害为宜。土壤氨化细菌主要分解土壤中含氮有机化合物释放NH，秸秆还田作为含氮有机化合物，还田后会为氨化细菌提供丰富的氮源，使其数量增加。放线菌广泛分布于自然界中，棉花秸秆作为外源有机物料，提高了土壤有机物含量，适宜放线菌的生存。

3.3 土壤理化性质与土壤微生物数量相关性

土壤的养分状况是微生物活动的物质基础，土壤结构良好，酸碱环境适宜和养分充足的土壤能够为土壤微生物提供优良的生存条件，有利于微生物的生长。已有研究证实了土壤微生物与土壤肥力的密切关系。本研究的长期定位试验发现连作棉田中土壤pH与微生物的数量呈负相关，土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾与微生物数量呈正相关。说明微生物的生长需要适宜的酸碱环境，在一定范围内，pH会抑制微生物的数量。此外，随着秸秆还田和有机肥施入，为土壤注入大量的养分，充足的营养会为土壤微生物营造良好的生存环境，使微生物代谢加强，同时促进土壤中腐殖质和难分解有机物的矿化，从而提升土壤肥力。土壤肥力的提升为棉花的生长提供了充足的养分条件，使其根系发达，根系分泌大量有机物，为根际微生物提供易于吸收利用的碳源，从而促进土壤微生物的发育，增加微生物的数量。