麥稈還田對直播和移栽棉花產(chǎn)量及氮素吸收的影響

張旭, 何俊峰, 陳佛文, 李繼福*, 吳啟俠, 譚京紅, 鄒家龍

(1.長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心, 湖北 荊州 434025; 2.荊州市荊州區(qū)農(nóng)技推廣中心, 湖北 荊州 434025)

江漢平原是湖北省最大的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地，2017年種植面積占全省的70%左右，同時(shí)也是我國長江流域的主要生產(chǎn)棉區(qū)[1-2]。研究表明，科學(xué)施肥是促進(jìn)作物增產(chǎn)、增效的重要措施，尤其氮素是影響棉花產(chǎn)量形成的主要養(yǎng)分限制因子[3-7]。李銀水等[8]研究得出,湖北省棉花氮(N)肥的適宜用量平均為114 kg·hm-2，比對照可以增產(chǎn)131～1 244 kg·hm-2。但由于土壤養(yǎng)分狀況和棉花產(chǎn)量水平差異較大，這一平均施氮量難以適用于江漢平原的中、高產(chǎn)棉田[8]。江漢平原棉區(qū)皮棉產(chǎn)量高于1 050 kg·hm-2的中高產(chǎn)棉田，N、P2O5和K2O實(shí)際用量分別為225～255、90和180～195 kg·hm-2[3,8]。據(jù)資料，長江流域高產(chǎn)棉區(qū)的平均籽棉產(chǎn)量(包括棉籽和皮棉)為5 919 kg·hm-2，其N、P2O5和K2O的平均實(shí)際施用量達(dá)到277、102和205 kg·hm-2；中低產(chǎn)區(qū)平均籽棉產(chǎn)量為3 664 kg·hm-2，其N、P2O5和K2O的平均施用量分別為259、93和199 kg·hm-2。與國家推薦施肥量相比，當(dāng)前的棉花氮肥實(shí)際用量偏高，仍有降低潛力和空間[2]。在江漢平原兩熟棉區(qū)如何合理減氮成為控制化學(xué)肥料投入和實(shí)行棉田綠色生產(chǎn)的一項(xiàng)重要生產(chǎn)問題。

麥-棉兩熟農(nóng)作制是長江流域棉花的主要種植制度，麥稈還田對該體系的農(nóng)田土壤氮庫和其他營養(yǎng)物質(zhì)是一項(xiàng)重要的補(bǔ)充[6]。大量研究已表明，麥稈還田具有普遍的增產(chǎn)效應(yīng)，作物秸稈與化肥配合施用，具有提高農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)和肥料利用率的作用[9-12]。棉花移栽方式下，小麥秸稈覆蓋還田可顯著提高棉花葉面積指數(shù)、延長葉片功能期、提高葉片光合速率，從而防止棉花早衰，增加棉花的單鈴重和產(chǎn)量，也可通過根系-微生物系統(tǒng)的物質(zhì)能量交換，增加作物根系生物量，尤其是棉株葉片氮濃度和產(chǎn)量會隨著試驗(yàn)?zāi)攴菅娱L而顯著提高，皮棉產(chǎn)量增幅可達(dá)10%以上[11]。此外，隨著農(nóng)業(yè)輕簡化生產(chǎn)的快速推進(jìn)，麥后棉花復(fù)種直播技術(shù)正逐漸取代傳統(tǒng)營養(yǎng)缽育苗移栽方式，這也是長江流域棉花恢復(fù)生產(chǎn)的關(guān)鍵措施之一。然而，直播和移栽棉花在形態(tài)發(fā)育、產(chǎn)量水平和養(yǎng)分吸收上存在較大差異[12]，它們對還田秸稈氮素的吸收利用可能存在差異。同時(shí)，基于種植習(xí)慣，麥-棉兩熟區(qū)冬小麥?zhǔn)斋@后，移栽棉花多采用免耕+營養(yǎng)缽育苗移栽的方式，在蕾期適時(shí)中耕、追施尿素和覆蓋的麥稈一并翻壓處理；而直播棉花則需要在播種前期進(jìn)行小麥秸稈翻壓、施肥和整田工序。直播和移栽棉花在生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)上的差異可能會對秸稈腐解及秸稈中氮素的釋放、吸收利用產(chǎn)生影響[13-15]，這方面的理論研究還相對較為薄弱。因此，本項(xiàng)目擬在田間試驗(yàn)條件下，通過15N同位素示蹤技術(shù)研究小麥麥稈還田對直播和移栽棉花產(chǎn)量、地上部干物質(zhì)量、生長狀況、氮素吸收以及秸稈氮素利用的影響，以期為提高秸稈資源利用率，減少棉花季化學(xué)氮肥投入提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和材料

田間試驗(yàn)位于長江大學(xué)作物科學(xué)研究基地(N 30°21′17″，E 112°08′17″，海拔65 m)，為水稻田改良的旱地，近5年均為冬小麥-棉花農(nóng)作制，常規(guī)施肥管理，秸稈均在收獲時(shí)移出農(nóng)田，田塊肥力均勻。試驗(yàn)前耕層(0—20 cm)土壤pH 6.74，含有機(jī)質(zhì)23.4 g·kg-1、全氮1.09 g·kg-1、堿解氮115.3 mg·kg-1、有效磷10.4 mg·kg-1和速效鉀164.8 mg·kg-1。供試小麥和棉花品種分別為鄂麥1025和中棉所63。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，分別為棉花直播冬小麥秸稈不還田(D-S)、棉花直播冬小麥麥稈還田(D+S)、棉花移栽冬小麥秸稈不還田(P-S)和棉花移栽冬小麥麥稈還田(P+S)，小區(qū)面積30 m2，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。移栽方式的棉花于2018年5月2日在湖北省荊州市華中農(nóng)高區(qū)進(jìn)行營養(yǎng)缽育苗，5月22日，各小區(qū)同步進(jìn)行棉花直播和移栽處理，并設(shè)置微區(qū)2 m×2 m，將15N標(biāo)記小麥秸稈和基肥翻壓還田。直播棉花每穴3粒，出苗7 d后定植1株。各處理移栽和直播密度均為3.67×104株·hm-2，株行距為35 cm×75 cm。冬小麥麥稈還田量為5 500 kg·hm-2，基肥為復(fù)合肥(N-P2O5-K2O=18-8-15)750 kg·hm-2，提苗肥和花鈴肥各150 kg·hm-2(尿素，N 46%)。棉花生育期天氣狀況見圖1。

圖1 2018年試驗(yàn)區(qū)棉花季月均降雨量和氣溫

15N標(biāo)記麥稈：2017年11月6日，在長江大學(xué)教學(xué)基地種植冬小麥，施用豐度10%的15N尿素(粉末狀，中國化工研究院)和復(fù)合肥(15-15-15)600 kg·hm-2，2018年5月收獲15N標(biāo)記的冬小麥秸稈、風(fēng)干、剪成3～5 cm，供棉花季使用。

1.3 樣品采集與指標(biāo)測定

于收獲期(2018年10月28日)在各小區(qū)選擇有代表性棉株6株測定農(nóng)藝性狀，包括株高、根莖粗、葉片數(shù)、果枝數(shù)、葉片SPAD和單株鈴數(shù)。同時(shí)，各小區(qū)采收正常吐絮鈴20個(gè)，測定單鈴重和衣分。將樣品棉花整株取樣，去除根表土壤，分為根、莖稈、葉片、棉殼、棉籽和皮棉6部分。各部位植物樣品50 ℃烘干、稱重，粉碎后過0.85 mm篩后測定全氮含量，適量樣品用Emax高能球磨儀(德國Retsch)研磨后，上Isoprime-100穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(鋇科瑞檢測技術(shù)有限公司)測定15N豐度。棉花根系樣品采用Microtek掃描儀(ArtixScan 3200XL，中晶科技)掃描，所得圖像通過萬深LA-A植物根系分析系統(tǒng)獲取根系長度、表面積、體積、平均直徑和根尖數(shù)。各小區(qū)成熟籽棉分別在9月10日、10月3日采摘，并于10月28日一次性將剩余籽棉采摘，分別累計(jì)產(chǎn)量。相關(guān)計(jì)算公式[5]如下。

15N原子百分超=標(biāo)記樣品15N豐度-15N天然豐度

植株氮素來自15N標(biāo)記秸稈的百分比(Ndff)=樣品15N原子百分超/標(biāo)記秸稈15N原子百分超×100%

某一植株組織或器官的15N累積量=該組織或器官氮積累量×該組織或器官的Ndff

秸稈15N回收率=植株15N積累量/投入秸稈15N量×100%

秸稈氮素表觀利用率=(麥稈還田氮素吸收量-秸稈不還田氮素吸收量)/秸稈不還田氮素吸收量×100%

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2016和DPS 7.05軟件進(jìn)行處理和分析，LSD法檢驗(yàn)差異顯著性(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 麥稈還田對直播和移栽棉花生物量及產(chǎn)量的影響

不同處理的棉花產(chǎn)量和生物量(圖2)顯示，直播不還田時(shí)(D-S)，籽棉產(chǎn)量(包括棉籽和皮棉)為3 241 kg·hm-2，麥稈還田(D+S)后籽棉產(chǎn)量增加253 kg·hm-2，增幅為7.8%。移栽不還田(P-S)時(shí)，籽棉產(chǎn)量(包括棉籽和皮棉)為4 235 kg·hm-2，麥稈還田(P+S)后增產(chǎn)252 kg·hm-2，增幅為5.9%。與D-S處理相比，D+S處理的葉片、莖稈、棉殼和根系生物量增幅依次為3.7%、4.6%、3.4%和14.6%；P+S處理相比P-S處理，其棉花葉片、莖稈、棉殼和根系的生物量增幅為5.2%、5.6%、7.4%和7.9%。對比直播和移栽兩種方式，麥稈還田后直播方式棉花根系生物量的增幅顯著高于移栽方式；直播棉花的根系生物量與地上部生物量的比值由0.152(D-S)提高到0.165(D+S)，而移栽處理棉花的根系生物量與地上部生物量的比值沒有差異。對比直播和移栽不還田處理，麥稈還田后移栽棉花的葉片、莖稈和棉殼生物量的增幅顯著高于麥稈還田后直播處理。此外，各部位生物量占整株生物量的比例(圖2)顯示，不考慮麥稈還田，直播方式和移栽方式的籽棉產(chǎn)量(包括籽棉和皮棉)占比平均分別為29.8%和32.4%，表明移栽方式的收獲指數(shù)高于直播方式。整體而言，從籽棉產(chǎn)量和整株生物量來看，不同處理均表現(xiàn)為P+S>P-S>D+S>D-S。

注：不同小寫字母表示相同指標(biāo)不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。

2.2 麥稈還田對直播和移栽棉花地上部及根系生長的影響

由表1可知，與麥稈不還田的直播和移栽棉花相比，麥稈還田后直播和移栽棉花的果枝數(shù)、葉片數(shù)、葉片SPAD均有不同程度增加，而株高、根莖粗的差異并不顯著。直播方式下，麥稈還田比不還田處理棉花的果枝數(shù)、葉片數(shù)和葉片SPAD分別增加2.7、8.8和2.4，增幅為19.3%、12.3%和6.2%。移栽方式下，麥稈還田后棉花的果枝數(shù)顯著增加，增量和增幅分別為2.3和12.6%。這說明麥稈還田可顯著提高棉花生長指標(biāo)、延緩葉片衰老，且增加效果表現(xiàn)為直播方式>移栽方式。從棉花的產(chǎn)量構(gòu)成因子來看,如單株鈴數(shù)、單鈴重和衣分，依然表現(xiàn)為移栽方式>直播方式。移栽方式棉花的單株鈴數(shù)、單鈴重和衣分平均為49.9、5.4 g和49.2%，比直播方式棉花的相應(yīng)指標(biāo)分別高24.4%、23.0%和9.9%，均達(dá)到顯著性水平。

表1 不同處理收獲期棉花植株的農(nóng)藝性狀

麥稈還田對直播和移栽棉花的根系生長均有促進(jìn)作用。麥稈不還田時(shí)，直播棉花的根系長度、表面積、體積、平均直徑和根尖數(shù)分別為213 cm、226 cm2、41 cm3、3.17 mm和103，麥稈還田后，直播棉花根系的相應(yīng)生長指標(biāo)分別增加4.7%、8.0%、36.6%、12.6%和14.6%，其中根系體積增加最為顯著。麥稈還田時(shí)，移栽棉花的根系長度、表面積、體積、平均直徑和根尖數(shù)比麥稈不還田處理分別增加10 cm、34 cm2、21 cm3、0.14 mm和17，增幅依次達(dá)到5.6%、13.0%、35.6%、3.3%和11.9%，其中根系體積增加最明顯。可見，移栽方式下棉花根系長度、表面積、體積、平均直徑和根尖數(shù)分別平均達(dá)到258 cm、278 cm2、70 cm3、4.25 mm和152，比直播方式分別提高15.5%、15.5%、30.2%、20.7%和27.1%。

2.3 麥稈還田對直播和移栽棉花氮素吸收的影響

2.3.1不同處理棉花各部位的氮含量 由表2可知，麥稈還田后當(dāng)季棉株各部位的氮素含量均有不同程度的增加。直播還田(D+S)的棉花葉片、莖稈和根系氮素含量分別較直播不還田(D-S)增加0.05%、0.05%和0.01%，但差異不顯著；而棉殼和棉籽氮含量分別顯著增加0.15%和0.18%。移栽還田(P+S)的棉花棉籽、葉片、莖稈、棉殼和根系氮含量較移栽不還田(P-S)分別增加0.07%、0.05%、0.05%、0.04%和0.03%，但處理間差異均不顯著。相比麥稈不還田，麥稈還田后直播棉花的籽棉和棉殼氮含量增加較多，而移栽棉花的籽棉和葉片增加較多。各處理棉花各部位氮含量的均值表明，不同部位的氮含量表現(xiàn)為棉籽(3.62%)>葉片(2.41%)>棉殼(1.18%)>莖稈(0.82%)>棉根(0.71%)>皮棉(0.18%)。

表2 不同處理棉花各部位的N含量

2.3.2不同處理棉花各部位的氮素累積量 由圖3可知，直播不還田(D-S)時(shí)，籽棉氮素累積量為70.9 kg·hm-2，麥稈還田后其氮素累積量增加7.7 kg·hm-2，增幅為10.9%。移栽不還田(P-S)時(shí)，籽棉氮素累積量為93.6 kg·hm-2，麥稈還田后氮素累積量增加5.8 kg·hm-2，增幅為6.2%。與秸稈不還田相比，麥稈還田后，直播和移栽棉花葉片、莖稈、棉殼和根系的氮素累積量均有提升，增幅最為明顯的部位是棉殼和棉根，直播方式的棉殼和棉根增幅分別為18.5%和16.3%，移栽方式的增幅分別為11.3%和 12.5%。麥稈還田對直播棉花的氮素積累促進(jìn)效果大于移栽棉花。還田后直播棉花整株氮累積量增加14.4 kg·hm-2，增幅為9.1%；而移栽棉花植株氮累積量增加16.5 kg·hm-2，增幅為8.5%。整體來看，與D-S處理相比，D+S、P-S和P+S處理棉株的氮素累積量分別增加14.4、34.6和51.1 kg·hm-2，增幅分別為9.0%、21.8%和32.2%。

注：不同小寫字母表示相同指標(biāo)不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。

2.3.3直播和移栽棉花各部位的15N吸收量 麥稈還田后直播棉花和移栽棉花各部位15N吸收量結(jié)果(表3)顯示，小麥秸稈釋放的15N在直播棉株棉籽、皮棉、葉片、莖稈、棉殼和根系中的積累量分別為1.39、0.002、0.85、0.67、0.55和0.74 kg·hm-2，占各部位氮素吸收量的比值依次為1.80%、0.08%、2.40%、2.50%、2.60%和6.50%。移栽棉株的棉籽、皮棉、葉片、莖稈、棉殼和根系15N吸收量分別為1.62、0.003、0.97、0.86、0.67和0.58 kg·hm-2，占各部位氮素吸收量的1.70%、0.08%、2.40%、2.90%、2.60%和3.80%。移栽棉花除根系15N吸收量低于直播棉花外，其它各部位15N吸收量均顯著高于直播棉花，但占氮素吸收量的比例差異并不顯著。

表3 不同處理棉花各部位的15N吸收

2.4 棉花季麥稈的氮素回收率

由表4可知，直播和移栽方式下棉花地上部對秸稈氮素的表觀利用率分別為8.6%和8.2%；通過15N示蹤法，直播和移栽棉花地上部對秸稈氮素回收率則分別為8.9%和10.6%，表明移栽方式的秸稈氮素利用率均顯著高于直播方式。直播和移栽棉花根系對麥稈氮素的表觀利用率分別為16.4%和12.9%；15N示蹤法的直播和移栽棉花根系對麥稈氮素吸收利用率分別為1.9%和1.5%，兩者均差異顯著。麥稈氮素總回收率結(jié)果顯示，直播方式和移栽方式的麥稈氮素表觀利用率分別為20.7%和23.8%；通過15N示蹤法得出直播和移栽方式下麥稈氮素的總回收率分別為10.8%和12.2%。

表4 直播和移栽方式下棉花季的麥稈氮素吸收率

3 討論

3.1 麥稈還田對直播/移栽棉花生長及產(chǎn)量的影響

作物秸稈富含有機(jī)碳和礦質(zhì)養(yǎng)分，可增加作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分，而麥-棉輪作連續(xù)秸稈還田可顯著提高棉花單株鈴數(shù)、鈴重和皮棉產(chǎn)量[14-16]。通常條件下，小麥秸稈還田可使棉花產(chǎn)量增加4%～7%[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，麥稈還田后，棉花的生物量和產(chǎn)量均有增加。麥稈還田后直播和移栽籽棉產(chǎn)量分別較不還田處理提高7.8%和5.9%，增產(chǎn)效果顯著。分析棉花產(chǎn)量構(gòu)成因子發(fā)現(xiàn)，麥稈還田主要提高了直播棉花、移栽棉花的單株鈴數(shù)和單鈴重，對衣分基本沒有影響，這和前人的研究[9,12,16]一致。麥稈還田時(shí)，移栽棉花各部位生物量均高于直播棉花，尤其棉花根系生物量增幅最大，達(dá)到14.6%，這可能與栽培密度、作物群體效應(yīng)有很大關(guān)系。本研究移栽密度3.67×104株·hm-2，王雷山等[17]認(rèn)為,直播棉花較適宜的種植密度為4.5×104株·hm-2；楊長琴等[6]發(fā)現(xiàn)長江流域直播密度為4.5×104～6×104株·hm-2較為適宜；而移栽棉花的適宜密度為3.2×104～3.6×104株·hm-2。因此，直播棉花處理的種植密度太低，可能是造成移栽棉花處理的生物累積量高于直播方式的原因之一。此外，移栽棉花的根莖粗和果枝數(shù)顯著高于直播棉花；且移栽棉花的生長期早于直播棉花20～25 d，導(dǎo)致收獲時(shí)移栽棉花吐絮基本結(jié)束，而直播棉花仍有未吐絮的棉桃、葉色偏綠(SPAD值較高)，造成兩者生育期錯(cuò)位。因此，在較低種植密度下，移栽棉花個(gè)體優(yōu)勢明顯，對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)大；直播棉花單株鈴數(shù)少，群體效應(yīng)不能完全發(fā)揮。因此在大田直播種植時(shí)，必需適當(dāng)增加播種密度，通過群體優(yōu)勢彌補(bǔ)個(gè)體生長不足，以達(dá)到移栽模式的產(chǎn)量水平，從而實(shí)現(xiàn)棉花輕簡化生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益[6,17]。

根系作為植物吸收養(yǎng)分和水分的主要器官，能感知土壤環(huán)境的變化并做出響應(yīng)。因此，根系生長狀況也可反映秸稈還田對植株生長環(huán)境的影響[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，栽培方式對根系生長有明顯差別，直播棉花以直根系為主，側(cè)根較少；而移栽棉花直根系較淺，側(cè)根發(fā)育較多，利于吸收土壤表層養(yǎng)分資源。同時(shí)，麥稈還田可顯著改善直播和移栽棉花的根系形態(tài)，如根系分布、數(shù)量和體積，利于棉株根系對秸稈釋放養(yǎng)分的吸收利用。Shah等[19]研究表明，秸稈還田在兩個(gè)輪作周期后才會產(chǎn)生顯著的增產(chǎn)效果，而本研究還田年限相對較短。因此，本研究中栽培方式對棉花生長的影響可能多于麥稈還田的效果。

3.2 棉花季還田秸稈的供氮效果

適宜的生物量及其協(xié)調(diào)的累積動態(tài)是建立棉花良好群體結(jié)構(gòu)和高產(chǎn)的重要目標(biāo)，而生物量累積以養(yǎng)分吸收為基礎(chǔ)，尤其是氮素吸收[6]。冬小麥-棉花輪作兩熟制下，長期秸稈還田可顯著促進(jìn)植株對土壤氮素的吸收[20-22]。本研究發(fā)現(xiàn)，麥稈還田對棉株各部位氮素含量有一定的影響，尤其對直播植株各部位的氮含量和氮吸收影響顯著。直播不還田時(shí)，籽棉氮素累積量為70.9 kg·hm-2，還田后其氮素吸收增加10.9%。移栽不還田時(shí)，籽棉氮素累積量為93.6 kg·hm-2，還田后其氮素吸收增加6.2%。還發(fā)現(xiàn)，移栽方式棉花吸收的15N量高于直播棉花，但從各部位占比來看，直播與移栽棉株葉片、莖稈、棉殼、棉籽、皮棉中15N占全部氮積累量的比值相近，僅棉根中15N占全部氮積累量的比值差距較大。這表明，麥稈還田增加棉株對氮素的吸收，但N素在不同部位的分配比例不受種植方式干擾，說明通過15N示蹤技術(shù)可反映秸稈氮素的吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)情況。處理間根系15N吸收量差異的原因可能與棉花生育期有關(guān)[23]，由于本研究中直播和移栽棉花在生育期上有20 d的間隔，直播棉花吸收的氮素仍在根系，還未及時(shí)轉(zhuǎn)移到地上部，而移栽棉花已經(jīng)充分利用根系養(yǎng)分支撐地上部的生殖生長[24-25]。

在評估麥稈氮素回收率時(shí)，表觀法(表觀吸收利用率)與15N示蹤法的結(jié)果差異顯著。因此，通過表觀吸收利用率可能高估棉株對秸稈氮素的吸收[26]。因?yàn)?，作物秸稈還田不僅提供氮素，還提供有機(jī)碳和其它礦質(zhì)元素，這種增產(chǎn)作用是一個(gè)綜合效應(yīng)，包括物理、化學(xué)和生物特性[27]。從本研究結(jié)果來看，棉花季麥稈氮素的當(dāng)季利用率平均為11.0%，遠(yuǎn)低于水田秸稈氮素吸收效率。不同于水田氮素釋放，旱地田間秸稈的腐解特征和氮素釋放受到土壤水分含量的影響較大，釋放周期長[26,28]，能夠被棉花直接吸收的秸稈氮素顯著低于水田環(huán)境。當(dāng)季棉花生長對麥稈氮素的利用率很低，大部分仍殘留在土壤中，故而秸稈氮的后效或者殘效對充分認(rèn)識秸稈有機(jī)氮轉(zhuǎn)化和吸收十分必要[10]。綜上，在麥-棉輪作區(qū)，無論是直播棉花還是移栽棉花，秸稈還田均可提高氮素吸收，增加籽棉產(chǎn)量。秸稈還田可適當(dāng)減少部分化學(xué)氮肥投入，以提高秸稈養(yǎng)分資源循環(huán)利用和氮肥利用效率。