长期棉花秸秆还田配施鸡粪对棉花产量和土壤有机碳氮含量的影响

席凯鹏，席吉龙，杨苏龙，史俊东，张建诚*

（1.山西农业大学棉花研究所，山西 运城 044000；2.部省共建有机旱作农业国家重点实验室，太原 030031）

棉花生产技术的创新与发展，使我国成为世界上棉花生产大国[1]。由于粮棉争地以及棉花耐盐、耐旱、适应性强，山西省棉花种植由高标准农田逐渐转移到黄河滩盐碱地和中低产田等贫瘠地[2]。而黄土高原中低产田棉花种植模式单一，有机肥投入减少，以及当地天然降水少、土壤肥力低、水土流失严重等问题，是提高棉花竞争力和持续稳产的障碍。因此，调优改良土壤结构，提高土壤肥力，提升中低产田产能，是保障棉花高产稳产的重要措施，对棉花生产可持续发展具有重要意义。土壤有机碳和全氮含量是衡量土壤质量和肥力的重要指标[3]。作物秸秆和有机肥是土壤增碳、培肥地力的主要资源[4-5]。前人研究结果表明，秸秆还田、秸秆配施有机肥可提高作物产量[6-8]，提高土壤有机碳和微生物量碳含量[9-10]，增强土壤氮素固持能力，增加含氮量，减小土壤氮素流失风险[11]；而长期单施氮肥会导致土壤微生物量碳、微生物量氮含量和酶活性降低[12]；且土壤有机碳与微生物量碳含量呈正相关关系[13-14]。棉花秸秆含有丰富的氮、磷、钾和矿物质，也是棉田的主要有机肥来源，但木质素和纤维素含量高，直接还田时宜粉碎后耕翻掩埋。棉花秸秆还田可显著提高0～20 cm 耕层土壤有机碳、碱解氮、硝态氮、铵态氮的含量[15-17]。秸秆配施有机肥可提高土壤有机碳含量、增强团聚体稳定性，增加土壤有效氮含量，提升棉田土壤肥力[18-19]。相对于小麦、玉米、水稻，棉花秸秆还田研究较少，且研究内容主要集中在短期秸秆还田对棉花产量[15]、土壤养分[20]、土壤微生物[21]的影响等方面。而罕见长期棉花秸秆还田与施有机肥对棉花产量稳定性分析和土壤有机碳氮协同的研究报道。因此，本研究通过连续15年的长期定位试验，分析黄土高原棉花秸秆长期还田和施鸡粪对棉花产量提升的可持续性，探明土壤碳素及氮素养分增效的机理，明确秸秆还田和施有机肥的持续增碳培肥效果，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2021 年10 月在山西农业大学棉花研究所水头创新基地进行。试验区年平均气温为13.0 ℃左右，春季气温变化大，常发生倒春寒，夏季多见高温与干旱相伴，无霜期210 d 左右，年日照时间为2 247.4 h，地下水紧缺，年降水量为540 mm 左右。试验地连续种植棉花15 年，种植模式为一年一熟制。试验区土壤为典型的黄壤土，土层深厚，质地均匀，储水保水性能良好。试验初始0～20 cm 土壤养分含量如下：有机质10.62 g·kg－1，碱解氮0.89 g·kg－1，全磷1.09 mg·kg－1，全钾22.08 g·kg－1，有效磷13.11 mg·kg－1，速效钾159.63 mg·kg－1，pH 为8.4。

1.2 试验设计与方法

试验设4 个处理：棉花秸秆清除施氮磷化肥（对照，简称为NP）；棉花秸秆清除施氮磷化肥配鸡粪（NPM）；棉花秸秆还田施氮磷化肥（SNP）；棉花秸秆还田施氮磷化肥配鸡粪 （SNPM）。每处理为360 m2的大条区，从每个大条区中划分3 个试验小区作为3 次重复，小区面积为120 m2。棉花秸秆还田处理为全量还田，于每年棉花采摘结束后机械粉碎深翻；秸秆清除处理为收获结束后将棉花秸秆拔起移出棉田；氮肥用尿素，纯氮总量为172.5 kg·hm－2，其中底施与追肥的施用比例为6∶4，磷肥用重过磷酸钙，P2O5用量为138 kg·hm－2；配施鸡粪处理的发酵鸡粪肥施入量为25.0 t·hm－2。试验期各年耕作模式均保持相同，各处理均于冬前深翻，播前结合整地施入发酵鸡粪或化肥。棉花品种为转基因抗虫棉科能0518，由山西农业大学棉花研究所提供。于每年4 月15 日播种，10 月20 日左右棉花结束采摘。采用一膜两行宽窄行种植模式，行距为（90＋50）cm，种植密度为6.75 万株·hm－2左右。生育期水肥调控、化学调控、病虫防治等田间管理措施相同。

1.3 样品采集与测定指标方法

于2021 年10 月20 日棉花吐絮结束采集土样，采用五点取样法用土钻在试验小区内随机采集0～20 cm （0～20 cm 土层）、＞20～40 cm（20～40 cm 土层）土壤，分层混匀，带回实验室分成2份，其中1 份鲜土用于测定土壤微生物量碳、微生物量氮、铵态氮、硝态氮含量，另1 份风干过筛（孔径2 mm）后，用于测定土壤有机碳、可溶性有机碳、全氮含量。土壤有机碳含量采用浓硫酸和重铬酸钾（2∶1）氧化- 外加热（170～180 ℃）法测定[22]；土壤可溶性有机碳含量采用0.5 mol·L－1K2SO4浸提，总有机碳分析仪测定[22]。土壤全氮含量采用蒸馏法用全自动凯氏定氮仪（JC-17007）测定[22]；土壤铵态氮和硝态氮含量分别用靛酚蓝比色法和酚二磺酸比色法测定[22]，土壤微生物量氮、微生物量碳含量采用氯仿熏蒸提取法测定[22]。

于试验期每年棉花吐絮期，分别采收各小区籽棉，晒干后称量测产，按面积折算成籽棉单产（kg·hm－2）。

1.4 数据处理与计算

1.4.1产量稳定性指数和可持续性指数。用变异系数（coefficient of variation，CV）来衡量棉花产量稳定性，表示试验年际间棉花平均产量的变异程度，CV数值越小表示棉花产量稳定性越好。用可持续性指数（sustainable yield index，SYI）评价产量可持续性，指数越高表明棉花生产系统产量可持续性越好。计算公式[23]如下：CV＝σ/Y，SYI＝（Y－σ）/Ymax。式中：σ为标准差（kg·hm－2），Y为年平均籽棉单产（kg·hm－2），Ymax为所有试验年份中籽棉单产的最大值（kg·hm－2）。

1.4.2数据处理。以Microsoft Excel 2016 整理数据，Origin 2022 作图。采用DPS v7.05 软件进行两因素两水平方差分析，用Tukey 法多重比较分析处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 长期棉花秸秆还田与施鸡粪对棉花产量及产量稳定性的影响

如图1 所示，NP、NPM、SNP、SNPM 各处理籽棉产量随试验年限均呈缓慢波动上升的趋势，同年份的籽棉产量波动上下一致；从籽棉产量曲线看SNPM 处理处于最上方（最高），NPM 和SNP 处于中间，NP 处理处于最下方（最低）。

图1 2007―2021 不同处理籽棉单产的变化

方差分析表明，秸秆还田和施鸡粪对籽棉单产均有极显著影响（F值分别为567.3 和908.9），秸秆还田和施鸡粪的互作对籽棉单产的影响较小（F值为2.4）。由表1 可见，2007―2021 年SNPM、SNP、NPM 处理年平均籽棉单产分别为3 700.9、3 238.7、3 331.0 kg·hm－2，比NP 分别增产27.03%、11.16%、14.33%，且各处理间差异极显著（P＜0.01）。由CV值可知，SNPM、NPM 处理产量CV值比NP 处理明显降低，即氮磷化肥配施鸡粪处理的产量稳定性升高，NPM、SNPM 处理SYI值均明显高于NP，即增施鸡粪可使籽棉产量持续性明显提高。由此可知，长期秸秆还田、增施鸡粪、秸秆与鸡粪配施均具有长期增产效应，而增施鸡粪提升了产量稳定性及可持续性。

表1 2007―2021 年不同处理平均籽棉单产及其变异系数、可持续性指数

2.2 长期棉花秸秆还田与施鸡粪对土壤有机碳、全氮含量及其比值的影响

表2 可见，土壤有机碳含量的变化范围是8.45～13.23 g·kg－1，其中，0～20 cm 土层NPM、SNP、SNPM 处理的土壤有机碳含量与CK 处理间差异均显著，分别增加43.31%、38.10%、56.56%；20～40 cm 土层各处理间的土壤有机碳含量均差异不显著。土壤全氮含量的范围是0.81～1.10 g·kg－1。0～20 cm 土层NPM、SNP、SNPM 处理的全氮含量均显著高于CK，分别增加19.75%、13.58%、35.80%，其中SNPM 处理的土壤全氮含量显著高于NPM 和SNP；20～40 cm 土层各处理间全氮含量差异均不显著。土壤有机碳/全氮比值变化范围是10.43～14.10，其中，0～20 cm 土层NPM、SNP处理的土壤有机碳/ 全氮比值均显著高于CK，SNPM 处理的土壤有机碳/ 全氮比值与对照差异不显著；20～40 cm 土层各处理间土壤有机碳/ 全氮比值差异均不显著。说明棉花全量秸秆还田、增施鸡粪和秸秆配施鸡粪均能明显提高0～20 cm 土层有机碳和全氮含量，秸秆还田、增施鸡粪可明显提高0～20 cm 土层土壤有机碳/全氮比值。

表2 棉花秸秆还田与施鸡粪对土壤有机碳、全氮含量及其比值的影响

2.3 长期棉花秸秆还田与施鸡粪对土壤中硝态氮、铵态氮和可溶性有机碳含量的影响

由表3 可知，0～40 cm 土层硝态氮含量在4.46～36.62 mg·kg－1，各处理0～20 cm 土层的硝态氮含量均大于20～40 cm 土层的含量，0～40 cm土层SNPM 处理的硝态氮含量均显著高于对照，在0～20 cm 显著提高392.20%，在20～40 cm 显著提高185.2%；SNP 与对照差异不显著，说明秸秆还田配施鸡粪使0～40 cm 土层硝态氮含量显著增加，而秸秆还田处理硝态氮含量无明显增加。0～40 cm 土层的铵态氮含量在2.25～3.72 mg·kg－1，各处理0～20 cm 的铵态氮含量均大于20～40 cm土层的含量，且各处理间差异不显著。0～20 cm 土层NPM、SNP、SNPM 处理的可溶性有机碳含量比对照分别明显提高180.00%、180.00%、273.85%，SNPM 处理的可溶性有机碳含量也显著高于NPM、SNP；20～40 cm 土层SNPM 处理的可溶性有机碳含量明显高于NPM、SNP 和对照。说明秸秆还田和增施鸡粪明显增加了0～40 cm 土层的可溶性有机碳含量，且秸秆还田配施鸡粪明显优于单施鸡粪和秸秆还田。

表3 棉花秸秆还田与施鸡粪对土壤硝态氮、铵态氮和可溶性有机碳含量的影响

2.4 长期棉花秸秆还田与施鸡粪对土壤微生物量碳、氮含量及其比值的影响

由表4 可知，各处理0～20 cm 土层的微生物量碳含量大于20～40 cm 土层。0～20 cm 土层NPM、SNP、SNPM 处理的微生物量碳含量分别比对照显著提高84.22%、79.14%、166.77%，20～40 cm土层各处理间微生物量碳含量差异均不显著。各处理0～20 cm 土层的微生物量氮含量均大于20～40 cm 土层，0～20 cm 土层NPM、SNP、SNPM 处理的微生物量氮含量分别比对照提高29.67%、30.12%、45.42%，但仅SNPM 处理和对照有显著差异，20～40 cm 土层各处理间微生物量氮含量差异均不显著。0～20 cm 土层各处理的微生物量碳/微生物量氮值均比对照有不同程度提高，其中SNPM处理达显著水平，NPM、SNP 处理未达显著水平。20～40 cm 土层各处理的微生物量碳/ 微生物量氮值与对照均没有显著差异。说明NPM、SNP、SNPM可明显提高0～20 cm 土层微生物量碳和微生物量氮含量，并且有提高微生物量碳/微生物量氮值的趋势。

表4 棉花秸秆还田与施鸡粪对土壤微生物量碳、氮含量及其比值的影响

3 讨论

3.1 秸秆还田与施有机肥对作物产量和产量稳定性及持续性的影响

前人研究表明，连续3 年棉花秸秆还田籽棉产量显著提高11.57%～19.01%[15]，连续5 年棉花秸秆还田皮棉产量增加33.9%[24]；滨海盐碱地棉花秸秆还田皮棉产量提高36.2%[25]。添加有机肥（新疆保利兴农生物有限公司，有机质质量分数45%，N、P2O5、K2O 总质量分数5%）4 500 kg·hm－2能提高棉花产量[26]，有机肥（腐熟猪粪）替代50%化肥能增加棉花生物量和产量[27]。本研究连续15 年NPM、SNP、SNPM 处理的年平均籽棉产量分别比对照（NP）极显著增产14.33%、11.16%、27.03%，与前人的研究报道相一致。棉花产量CV和SYI，可以用于评价棉田生态质量的优劣和产量的持续稳定性[28]。国内外相关研究表明，作物轮作、推荐施肥、化肥配施有机肥等耕作施肥措施，均有利于提高SYI值[8,29-30]。本研究表明施鸡粪可提高棉花产量的稳定性和可持续性，与吴科生等[23]、魏飞等[31]的研究结果一致。在施用化肥基础上，棉花秸秆还田、施有机肥、秸秆配施有机肥能改善棉田土壤结构，有利于土壤蓄水保水保肥，增加土壤有机碳和养分含量，并促进养分吸收利用，提高土壤生物活性和养分的有效性，从而提高棉花总铃数、铃重及产量[17-18，31]，且长期施有机肥或秸秆配施有机肥能显著提高产量的稳定性和持续性。

3.2 秸秆还田与施有机肥对土壤有机碳和微生物量碳的影响

已有研究表明，秸秆还田、施用有机肥、有机肥配化肥可显著提高土壤有机碳含量[32-33]，本研究也得出一致结果，SNP、NPM、SNPM 处理比单施化肥均显著提高了0～20 cm 土壤有机碳含量。可溶性有机碳是土壤中活跃性有机碳，能为土壤微生物活动提供能量，有利于增加土壤微生物量碳。土壤微生物量碳参与土壤有机碳的分解转化，为土壤积累养分起着重要的作用，是土壤的活性养分库，与土壤有机碳含量密切相关。张前兵等[34]研究表明棉花秸秆还田土壤微生物量碳比不还田增加12.1%～29.4%，施腐熟鸡粪土壤微生物量碳含量比单施化肥增加83.9%～151.0%。本研究SNP、NPM、SNPM处理0～20 cm 土层微生物量碳含量分别比对照显著提高79.14%、84.22%、166.77%。本研究0～20 cm土层的试验处理的有机碳含量在11.67～13.23 g·kg－1，低于黄土高原表层土壤的有机碳含量（14.52 g·kg－1）[35]，说明土壤中有机碳仍处于累积状态；因此，继续实施秸秆还田、施鸡粪等有机肥仍可继续使该地区棉田土壤质量稳步提高。

3.3 秸秆还田与施有机肥对土壤供氮能力及碳氮比（C/N）的影响

有研究表明合理的有机无机肥配施、秸秆与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 处理0～20 cm土层全氮含量均显著高于CK，分别增加了19.75%、13.58%、35.80%，其中SNPM 处理土壤全氮含量也明显高于NPM 和SNP，与上述研究结果一致。硝态氮和铵态氮是棉花生长和产量形成的良好氮源，棉花秸秆还田土壤硝态氮和铵态氮含量分别提高38.26%和24.83%[15]。棉花秸秆配施腐熟鸡粪可促进土壤氮素转化过程，显著增加土壤铵态氮和硝态氮含量[18]。本研究各处理间铵态氮差异不显著，SNP 处理硝态氮含量虽比对照增多但差异不显著，NPM、SNPM 处理0～40 cm 土层硝态氮含量明显提高。微生物量氮被称为土壤活性氮库，微生物量氮含量变化能够表征土壤微生物对氮素的固持能力。本研究表明NPM、SNP、SNPM 处理能够明显提高土壤微生物量氮含量，与吴立鹏等[6]和王静等[12]的研究一致。一般情况下，土壤有机碳和全氮含量间有显著耦合关系[36]，土壤C/N 是衡量土壤质量的指标之一，土壤C/N 的变化影响碳素和氮素的循环，对土壤微生物活动、秸秆分解、养分释放、作物生长发育和产量具有重要影响[37-38]。本研究秸秆还田、施鸡粪试验处理0～20 cm 土层有机碳/全氮值在12.03～12.82，低于土壤微生物分解和养分需要的适宜C/N（25），但比同纬度黄土高原地区土壤C/N（10.55）高[39]。葛顺峰等[40]研究认为土壤C/N 为15～25 时，能促进苹果生长发育，减少氮肥损失，提高氮肥利用率。因此，在本研究区可继续利用秸秆还田与施用有机肥，并适度降低氮肥投入，提高土壤C/N。

4 结论

15 年的长期棉花秸秆还田和施用鸡粪可显著提高0～20 cm 土壤有机碳、全氮含量，有利于促进土壤碳素和氮素转化过程，可增加土壤可溶性有机碳和微生物量碳、有效氮和微生物量氮含量，持续提升土壤肥力。15 年长期棉花秸秆还田和施用鸡粪对棉花具有长期增产效应，年平均籽棉单产显著增加11.16%～27.03%，尤以秸秆配施鸡粪的培肥增产效应显著，且可提升棉花产量稳定性及可持续性，因此可作为黄土高原植棉区中低产棉田持续稳产及环境友好的农田培肥措施。