棉花秸秆还田现状及其对棉花生长和土壤理化性状影响研究进展

摘要：棉花秸秆还田作为1种重要的农作物资源综合利用方式，对提升土壤质地与肥力、增加作物产量以及维护生态平衡均具有积极作用。棉花秸秆还田能够提高土壤微生物活性、土壤酶活性，降低土壤容重、土壤温度和土壤 pH，在促进棉花生长发育、改善土壤结构和土壤养分方面起重要作用。但棉花秸秆还田技术也存在一些问题：有时会增加病虫害的发生率，降低次年棉花的出苗率，还田后秸秆腐解慢等。在综述棉花秸秆还田技术应用进展的基础上，重点概述了棉花秸秆还田对土壤理化性状、棉花生长发育及产量的影响，并针对棉花秸秆还田技术的未来研究方向进行了展望。

关键词：棉花；秸秆还田；生长发育；土壤理化性状；土壤微生物；土壤容重；土壤酶活性；土壤结构；土壤养分

收稿日期：2024-06-05" " " " "第一作者简介：路海洋，硕士，研究方向为棉花栽培，2763490049@qq.com。* 通信作者：韩焕勇，博士，研究员，研究方向为棉花栽培与棉花副产品利用，hanhy1@163.com

基金项目：国家现代农业产业技术体系（CARS-15-25）；国家重点研发计划（2023YFD2301200）

棉花作为我国重要的经济作物，对国家经济发展和棉农增收具有重要意义。新疆已经成为我国棉花的主产区，同时也是我国棉花秸秆最丰富的地区。根据国家统计局公布的数据[1]，2023年全国皮棉总产量为561.8万t，其中新疆皮棉产量为511.2万t。按照谷草比1∶5计算[2]，全国棉花秸秆量大约为2 800万t，新疆棉花秸秆量约为2 550万t，棉花产量和秸秆量约占全国的91%。每年大量的秸秆产出，使得如何高效利用棉花秸秆备受关注。目前，棉花秸秆还田是最常见的处理利用方式之一。棉花秸秆主要由木质素、纤维素、半纤维素组成，还含有少量的色素、果胶和单宁等物质[3]。棉花秸秆还田可以提高土壤肥力、改善土壤结构，促进棉花的生长和产量的提高[4-7]，对促进农业可持续发展具有重要意义。但是棉花秸秆还田技术应用中还存在一些问题有待进一步研究解决，如棉花秸秆还田会增加棉花病虫害的发生风险，会降低次年的棉花出苗率[8]，以及棉花秸秆还田后短时间内很难分解[9]等。笔者等主要综述了棉花秸秆还田现状及存在的问题、秸秆还田对棉花生长和产量以及土壤理化性状的影响，并对未来该技术的研究应用进行了展望。

1 棉花秸秆还田的现状及存在的问题

1.1 棉花秸秆还田的现状

目前，棉花秸秆还田是最常见的处理棉花秸秆方法。棉花秸秆还田的方式主要有2种。一种是机械直接还田：棉花收获以后，利用农业机械将秸秆进行粉碎，撒在地表，之后通过翻耕、旋耕使其与土壤充分混合，最后深翻入土回田[10]。另一种是堆沤腐解还田：包括厌氧发酵和好氧发酵2种方式。厌氧发酵是将棉花秸秆堆放在背风阴凉处，保持适当的湿度，并进行密封发酵，也可以在深坑内加入适量水分以维持适宜的湿度，同时加入适量的厌氧微生物菌剂，以加速秸秆的分解和腐熟；好氧发酵是将棉花秸秆堆放在空气流通处，利用好氧微生物的作用，将秸秆中的有机物分解成肥料[11]。研究表明，堆沤腐解还田对土壤肥力和土壤结构的改善效果更加明显[12]。当前，新疆植棉区较为普遍的方式是棉花采收后利用农业机械将秸秆直接粉碎还田。

1.2 棉花秸秆还田存在的问题

1.2.1 棉花秸秆还田加重病虫害发生。（1）秸秆直接还田会增加棉花枯萎病和黄萎病的发病风险，其主要原因是秸秆带菌[6]。刘飞等[13]研究发现，与秸秆未还田处理相比，棉花秸秆还田处理的棉花枯萎病和黄萎病的发病率较高，其中黄萎病的感病率达到差异显著水平，并且病情指数达到差异极显著水平。宋绍宪[14]认为在进行棉花秸秆还田时去除发病的植株，并对土壤进行杀菌处理，可以降低病害发生率。生产实践中，如果棉株发病率超过40%时，一般建议在棉花收获后将秸秆离田处理，同时下茬选择种植抗病品种。（2）秸秆直接还田还会增加虫害的发生率，原因是秸秆还田无法将其中的虫卵完全清除，虫卵随着秸秆一起进入土壤[13]，导致次年蚜虫、地老虎、蜗牛等虫害的发生率增加。

1.2.2 棉花秸秆还田降低次年出苗率。于万里等[15]研究表明棉花秸秆还田以后，由于棉花秸秆质地比较坚硬且棉花根部含有大量的木质素，在较短的时间内难以腐解，这会给次年春天播种和覆膜带来不便，影响种子和土壤接触，导致出苗率降低。李彦斌等[16]研究了棉花秸秆还田对棉花生长的化感效应，结果表明棉花秸秆分解过程中释放的化学成分对棉花具有自毒作用。这种作用可在一定程度上抑制棉花种子发芽的速率，导致出苗期延长，从而对棉花的生长造成影响。因此，棉花秸秆还田的化感效应也是次年棉花出苗率降低的原因之一。

1.2.3 棉花秸秆还田后腐解慢。目前棉花秸秆粉碎还田机械只能粉碎棉花秸秆中上部，且棉花秸秆根部的木质素含量比其他农作物高2～3倍，所以短时间内难以腐解，影响播种质量、作物的生长和产量[9]。王双磊等[17]认为秸秆还田过晚，秸秆内部的水分会被蒸发，导致秸秆变得干硬，这会降低秸秆在土壤中的分解速率，从而影响土壤肥力的增加。郭振威[18]认为随着棉花秸秆还田年限的增加，土壤中未分解的秸秆量也会增加，从而造成秸秆还田后腐解慢。新疆气候干燥，棉花秸秆密度大，棉花收获后将所有秸秆直接还田，还田量大，常导致棉花秸秆腐解慢和分解不彻底[19]。

1.2.4 最佳棉花秸秆还田量仍需探索。由于棉花的品种特性、种植密度及田间管理措施存在差异，单位面积内棉花秸秆的产量会有所不同。于万里等[15]发现棉花秸秆还田量为6 000～9 000 kg·hm-2时，土壤容重显著降低0.05 g·cm-3，土壤孔隙度显著增加1.8%。李佳芮等[20]通过试验发现三分之二的棉花秸秆粉碎还田和秸秆全量还田都可以显著提高棉花叶片的过氧化物酶活性、硝酸还原酶活性、叶绿素含量和根系活力。王双磊等[17]研究表明，秸秆还田量与土壤肥力的提升并非成正比关系，而是有1个最佳的还田量。由于棉花秸秆质地坚硬，若还田量过多，会降低其分解速率，进而影响棉花种子的萌发和幼苗的生长。因此，确定适宜的秸秆还田量对于提升次年棉花种植效果至关重要，需要通过进一步的研究确定。

2 秸秆还田对棉花生长发育和产量的影响

刘飞等[13]通过研究发现棉花秸秆未还田处理下棉花苗期的平均株高为63.80 cm，第一果枝节位为6.44，而秸秆还田处理下棉花的平均株高和第一果枝节位分别显著增加13.38 cm和0.64，说明棉花秸秆还田对棉花苗期的生长具有一定的促进作用。李金埔[21]研究表明：除6月份棉花秸秆还田与未还田处理的株高间无显著差异外，生育期其他各月棉花秸秆还田处理下的株高均显著高于秸秆未还田处理，但棉花秸秆还田对单株果枝数、第一果枝节位、第一果枝节位高度和单株果节数没有显著影响。有研究表明，棉花秸秆还田可以提高籽棉产量和皮棉产量，但对棉花铃重和衣分没有显著影响[22]。李金埔[21]研究发现，通过将棉花秸秆还田，棉花的铃重和单株结铃数均显著增加，且籽棉单产在2个试验年份分别提高11.4%和10.7%，皮棉单产分别提高13.3%和9.0%。闫晓宇等[23]研究表明，棉花秸秆还田处理的单产均高于未还田处理，增幅达33.9%；棉花秸秆还田处理增加了棉花干物质积累量，与秸秆未还田处理相比提高了35.5%。综上所述，棉花秸秆还田可以增加苗期株高和第一果枝节位，促进苗期棉花生长，增加棉花干物质积累量，进而提升籽棉单产和皮棉单产，但不同品种和栽培条件下的表现存在差异。

3 棉花秸秆还田对土壤理化性状的影响

3.1 棉花秸秆还田对土壤含水量和土壤温度的影响

秸秆还田可以保持土壤中的水分，减少土壤中水分的流失，提高土壤水分的利用效率，这对促进作物的生长和产量的提高至关重要[24]。刘艳慧[25]研究发现，棉花秸秆还田能够增加粒径大于5 mm的土壤大团聚体含量，有利于土壤结构的改善和土壤含水量的提高。孟祥萍[26]认为秸秆还田通过增加土壤中有机质的含量，改善土壤结构，从而提高土壤增温保墒及蓄水能力。林涛等[27]研究认为秸秆还田能够改良土壤，提高土壤中团聚体的含量，对土壤中的水分起到保持作用。高俊等[28]认为秸秆还田是1种提升土壤水分保持能力的有效方法，能够在降水或灌溉后减少水分的流失，同时在干旱环境下通过减少土壤与大气的气体交换，有效降低水分蒸发，达到保持土壤水分的作用。此外，秸秆具有吸收灌溉水和降水的能力，秸秆覆盖可以延长土壤与水分接触的时间，增强水分向土壤渗透的能力，最大限度地减少土壤水分蒸发和水土流失速率。综上，秸秆还田可通过减少土壤中水分的蒸发和促进水分向地下渗透进而提高土壤中的含水量[29]。

秸秆还田会影响耕层土壤温度的变化，进而影响土壤的生理生化过程和作物的生长发育。丁瑞霞等[30]认为秸秆还田后会在土壤表层形成1层阻隔，通过这层阻隔调节耕作层的土壤温度[31]。王娜等[32]的研究表明，秸秆还田对土壤温度的整体效应量为-22.69%，可降低土壤耕层温度，但秸秆还田对不同时期土壤温度的影响存在差异：在3月、5月、6月、7月、8月、9月、10月秸秆还田区土壤温度降低，而其他月份的秸秆还田区土壤温度则升高，其中5月、6月、7月、8月、12月秸秆还田对土壤温度的影响达到显著水平。同样，秸秆还田覆盖也会不同程度地降低土壤耕层温度[33-34]。

3.2 棉花秸秆还田对土壤容重的影响

土壤容重是土壤物理性质的重要指标之一，直接关系到土壤的保水能力、通气性和渗透性，从而影响作物的生长发育和产量的提高。艾天成等[35]研究发现棉花秸秆还田以后，经过腐解可以增加土壤团聚体的数量和土壤孔隙度，降低土壤的硬度和容重，改善土壤质量。秦都林等[22]研究表明棉花秸秆还田可以降低土壤容重，连续的秸秆还田对土壤容重降低效果更明显，并且发现通过秸秆还田改善的土层深度也随着时间的推移而增加。

秸秆还田后经土壤微生物分解能够生成腐殖酸，并与土壤中的钙离子和镁离子发生反应形成腐殖酸钙和腐殖酸镁[36]。这一化学反应能促进土壤团粒结构的形成，有助于减轻土壤的密度，降低土壤容重，从而改善土壤的物理性质。

3.3 棉花秸秆还田对土壤养分和土壤pH的影响

土壤养分和有机质对农作物生产具有重要意义。作物秸秆还田对土壤肥力的提升具有显著效果[26，37-39]。汤文光等[40]研究认为秸秆还田后经土壤中的微生物不断腐解，其中的氮、磷、钾不断向土壤释放，与秸秆未还田处理相比，秸秆还田后0～20 cm土层中土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量显著增加。刘艳慧等[6]研究发现，连续4年棉花秸秆还田后，0～20 cm土壤中有机质、碱解氮含量显著提高，分别比未还田处理提高了8.16%、13.23%。秦新政等[41]研究发现，棉花秸秆还田处理下速效钾含量提升尤其明显，增幅为32.77%。王双磊等[42] 通过3年的研究发现棉花秸秆还田能显著提高土壤团聚体中有机碳、碱解氮和速效钾的含量，有效改善土壤养分状况。

土壤酸碱度是影响土壤质量和作物生长的重要因素之一[43]，不仅会直接对土壤结构、土壤含水量、土壤有机质的分解和土壤微生物活动产生重要的影响，还会影响作物的养分吸收。秦都林等[22]研究发现，棉花秸秆还田处理的土壤pH均低于秸秆未还田处理，尤其是碱性土壤的pH在秸秆还田后降低更加显著[21]，其原因可能是还田后秸秆在腐解的过程中会产生有机酸[44-46]。还有研究发现棉花秸秆全量还田后土壤的pH先降低，然后上升，最后趋于稳定；如果同时施加棉花秸秆腐熟剂，能够加速棉花秸秆的降解，更大程度地降低土壤的pH[47]。

3.4 棉花秸秆还田对土壤酶活性的影响

土壤酶作为土壤中重要的生物催化剂，对土壤生态系统功能的发挥具有重要的影响。郭振威等[7]通过研究发现，经过长期棉花秸秆还田后，土壤中的氮、磷、钾含量均有不同程度的提高，并伴随着土壤酶活性的增强，所以棉花秸秆还田会增加土壤养分的含量，进而提升土壤酶的活性。刘艳慧等[48]通过连续4年的研究发现，棉花秸秆还田后土壤脲酶和土壤蔗糖酶的活性在0～60 cm土层中均显著提高，二者活性在40～60 cm土层中增加得最为显著，分别比秸秆未还田处理提高24.03%和57.59%；除7月、8月外，0～20 cm土层中土壤过氧化氢酶的活性在棉花秸秆还田条件下显著提高。潘晶等[49]认为秸秆还田会增加土壤中过氧化氢酶、转化酶、脲酶的活性。徐莹莹等[50]通过研究发现，秸秆还田处理下土壤中的过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性显著提高。

3.5 棉花秸秆还田对土壤微生物的影响

土壤微生物在促进土壤有机质分解和养分转化的过程中发挥重要作用，土壤微生物活性的高低直接影响土壤养分的转化速率，进而影响农作物的生长发育[51]。刘艳慧等[6]通过4年的试验证明了棉花秸秆还田有利于增加土壤中放线菌、细菌和真菌的数量，认为增加的原因是随着还田时间的增长，棉花秸秆不断腐解，为土壤微生物提供了适宜的生存环境和所需的营养物质。赵亚丽等[52]研究也发现棉花秸秆还田有利于土壤中微生物数量的增加，主要提高了0～20 cm土壤中的细菌、真菌、放线菌的数量。刘军等[53]认为棉花秸秆还田后可以为土壤中的微生物提供丰富的碳源和氮源等营养物质，从而增加微生物的数量并提高它们的活力。王晶等[54]研究发现，与单施化肥相比，棉花秸秆还田能显著提高变形菌门、放线菌门、拟杆菌门以及黄单胞菌科、酸微菌科、微杆菌科和噬纤维菌科的相对丰度，改变细菌群落组成。综上，棉花秸秆直接还田有利于增加土壤中放线菌、细菌和真菌的数量以及提高细菌种群的相对丰度。

4 展望

棉花秸秆还田可以提高土壤肥力、改善土壤结构、促进微生物活动等，有助于实现农业可持续发展的目标。目前随着农业技术的不断发展和环境保护意识的提高，棉花秸秆还田技术的研究备受关注[55]。新疆属于干旱区，气候特点与黄河流域、长江流域棉区迥异，未来可以从以下几个方面来深入研究和探讨棉花秸秆还田技术[56]：一是，探索新疆气候条件下的最佳棉花秸秆还田量，以及棉花秸秆还田影响病虫草害发生的规律；二是，深入研究新疆气候条件下棉花秸秆还田对土壤微生物、土壤结构和养分的影响，以及对棉花生长发育、干物质积累与分配、产量及纤维品质的影响；三是，加强秸秆还田技术的创新和设备的研发，在提高棉花秸秆还田效率的同时，进一步提升固碳效果，提升新疆棉田土壤质量。

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（责任编辑：庄蕾 责任校对：杨子山）