塔里木盆地棉稈還田養(yǎng)分釋放規(guī)律研究

摘要：為研究還田后棉稈在自然條件下的養(yǎng)分釋放規(guī)律，以塔河2號棉稈為研究對象，2023年在新疆阿拉爾市采用尼龍網(wǎng)袋法設(shè)置棉花秸稈粉碎后還田試驗(yàn)，統(tǒng)一棉稈施入量與還田深度。于秸稈還田前和還田后15 d開始至還田后150 d每間隔15 d取棉稈和土壤樣品，測定棉稈有機(jī)碳和土壤有機(jī)質(zhì)含量以及兩者的氮、磷、鉀含量。結(jié)果表明，還田棉稈腐解時(shí)營養(yǎng)元素呈先快速釋放后緩慢釋放的規(guī)律，釋放速率為鉀＞磷＞碳＞氮，還田后土壤中有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量分別增加145.2%、106.9%、286.1%、123.4%。這些結(jié)果可為棉稈還田與化肥施用的合理配比提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：棉稈還田；塔里木盆地；養(yǎng)分釋放；腐解規(guī)律

Experiment of cotton straw returned to the field in Tarim Basin for nutrient release patterns

Xie Wanying， Meng Ting， Cao Qi， Wu Zhixun， Zhang Feiyang， Ma Shaohui*

新疆作為我國最大的棉花產(chǎn)地，棉花產(chǎn)值占其種植業(yè)總產(chǎn)值的65%以上。2022年新疆棉花種植面積達(dá)到249.7萬hm2，占全國棉花種植面積的83.2%，皮棉總產(chǎn)量達(dá)539.1萬t，占全國皮棉總產(chǎn)量的90.2%。新疆棉花生產(chǎn)在為紡織業(yè)提供大量優(yōu)質(zhì)棉花的同時(shí)每年產(chǎn)生約862萬t的棉稈。當(dāng)前，粉碎后還田是棉稈的主要利用方式，棉稈還田不僅能改善土壤理化性狀，提升土壤肥力，增加棉花產(chǎn)量，還能避免棉稈焚燒造成的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

有機(jī)碳作為土壤養(yǎng)分循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建的核心物質(zhì)之一，其含量的增加能夠優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)和組成、提升土壤肥力并增加作物產(chǎn)量。土壤中植物殘?bào)w、凋落物、根際沉積物以及微生物同化碳等形式輸入的外源碳，是土壤有機(jī)碳的重要來源。黃璐等[1]在黃土旱塬麥田土壤進(jìn)行了連續(xù)3年的秸稈還田試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土壤中有機(jī)碳含量與外源秸稈有機(jī)碳的輸入呈正相關(guān)關(guān)系，且秸稈還田能夠改變水穩(wěn)性團(tuán)聚體在土壤中的分布情況；棉稈在腐解過程中會(huì)產(chǎn)生膠結(jié)物質(zhì)，使得微型團(tuán)聚體向大型團(tuán)聚體團(tuán)聚，增強(qiáng)了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與抗侵蝕能力，證明了長期秸稈還田提升土壤理化性狀的可行性。孟慶英等[2]通過連續(xù)6年的田間試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同量的秸稈還田后能夠降低耕層的土壤容重2.11%～9.15%，還能提升土壤團(tuán)聚體含量34.55%～93.43%，并且對作物有明顯的增產(chǎn)作用，建議在實(shí)際生產(chǎn)中秸稈還田的施用量為12 000 kg·hm－2。齊江濤等[3]以土壤水分入滲性能為指標(biāo)研究玉米秸稈還田，在東北黑土區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)得到影響土壤水分入滲性能的最佳參數(shù)組合為秸稈混埋深度20 cm、秸稈混埋量80%、秸稈長度9 cm，并且建立了模型進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證，為土壤水分入滲性能研究提供了依據(jù)。此外，已有大量秸稈腐解規(guī)律試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不同作物秸稈、不同還田量、不同土壤肥力以及氣候等條件都會(huì)影響秸稈的腐解進(jìn)程，雖然碳、氮、磷、鉀等不同元素釋放規(guī)律也不一致，但總體規(guī)律為先快后慢[4-5]。上述研究均是在土壤濕度較大時(shí)獲得的效果，而對極度干旱區(qū)域土壤濕度相對較小的條件下，木質(zhì)化纖維含量高的棉稈腐解規(guī)律的研究報(bào)道較少。

新疆阿拉爾墾區(qū)地處塔里木盆地北部，鄰近塔克拉瑪干沙漠，氣候干旱降水少，土質(zhì)類型為棕漠土，土壤偏堿性、含鹽量高，是我國優(yōu)質(zhì)棉的主要產(chǎn)地之一。近年來，因水資源緊缺，當(dāng)?shù)貫楸Ｕ厦藁ǚN植的需求，普及了常壓滴灌技術(shù)；為解決棉花種植中用水不足與水資源時(shí)間和空間分布不均勻的問題，在新疆南疆棉花種植中大量應(yīng)用干播濕出技術(shù)，造成播種期土壤的含水率進(jìn)一步下降。目前，阿拉爾墾區(qū)的棉花秸稈主要是在棉花收獲后入冬前或春耕前采用棉稈粉碎殘膜回收一體機(jī)或棉稈粉碎機(jī)粉碎后覆蓋于地表，然后用鏵式犁深翻還田。有研究證明[6]，棉稈還田后的快速腐解期與下茬作物的出苗期重合，在腐解時(shí)會(huì)產(chǎn)生自毒化感物質(zhì)，釋放CO2，在一定條件下對種子萌發(fā)與幼苗生長具有抑制作用，使種子發(fā)芽率降低，造成作物減產(chǎn)。因此，研究塔里木盆地極度干旱區(qū)域土壤含水率低條件下棉稈還田的腐解及養(yǎng)分釋放規(guī)律，為塔里木盆地墾區(qū)的棉花秸稈還田處理及化肥施用管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)區(qū)位于塔里木盆地北緣、天山中段南麓的阿拉爾市，屬塔里木河沖積細(xì)土平原，平均海拔為1 012 m，雨水稀少，年均降水量為19.8～82.5 mm，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均蒸發(fā)量為1 870～2 660 mm。光熱條件好、晝夜溫差大，年日照時(shí)間2 645～3015 h，年有效積溫3 450～4 423 ℃，年均無霜期大于200 d，屬于典型大陸性荒漠氣候[7]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2023年4－8月在新疆阿拉爾市塔里木大學(xué)試驗(yàn)田進(jìn)行。該地試驗(yàn)期內(nèi)土壤溫度與土壤含水率如圖1所示。棉稈還田前，耕層（0～25 cm）土壤主要養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)11.744 g·kg－1、銨態(tài)氮12.422 mg·kg－1、有效磷22.903 mg·kg－1、速效鉀130.412 mg·kg－1，pH為8.35。

試驗(yàn)采用尼龍網(wǎng)袋法進(jìn)行，選取規(guī)格為30 cm×30 cm、孔徑0.038 mm（350目）的尼龍網(wǎng)袋，收集2022年棉花（塔河2號）收獲后在田間直接粉碎拋灑后的棉稈，選取長度為3～12 cm的棉稈，剔除殘膜、石子以及其他作物根莖等雜質(zhì)后，取棉稈20 g與土壤混合均勻，裝入網(wǎng)袋中扎緊口袋，埋入試驗(yàn)地耕層20 cm處模擬秸稈還田，還田時(shí)間為4月1日，與當(dāng)?shù)卮焊麜r(shí)間一致，共埋入30袋，每袋間隔50 cm。分別于埋入后15、30、45、60、75、90、105、120、135、150 d取樣，共取樣10次，每次隨機(jī)取3個(gè)尼龍網(wǎng)袋。試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)不種植作物，使養(yǎng)分得以積累；試驗(yàn)期間不施加任何腐熟劑和化肥等，維持土壤的成分不受棉稈之外物質(zhì)的影響。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 土壤樣品采集與處理。取樣時(shí)將尼龍網(wǎng)袋取出，每次調(diào)查隨機(jī)位置的3個(gè)尼龍袋，單獨(dú)取樣分別進(jìn)行測定，將每袋土壤樣品均勻混合，仔細(xì)分離土壤中的棉稈與其他雜質(zhì)，并將得到的土壤于105 ℃烘干至質(zhì)量恒定，粉碎過孔徑0.150 mm（100目）篩后用于測定有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量。土壤養(yǎng)分均利用土壤養(yǎng)分檢測儀（FK-HT500，山東方科儀器有限公司生產(chǎn)）進(jìn)行測定，分離后的土樣進(jìn)行單獨(dú)取樣測試，每次取3個(gè)樣品進(jìn)行測定，以平均值為養(yǎng)分含量。其原理為：使用特定的浸提劑浸提土壤、肥料或作物植株時(shí)，有效養(yǎng)分進(jìn)入溶液中，溶液中的養(yǎng)分可與特定的顯色劑反應(yīng)，生成有色物質(zhì)使溶液呈現(xiàn)出顏色，溶液顏色的深淺與養(yǎng)分的含量呈正相關(guān)，并服從朗伯-比爾定律。

1.3.2 棉稈樣品采集與處理。取樣時(shí)選取尼龍網(wǎng)袋中與土壤分離剔除的棉稈，用流動(dòng)的清水沖洗表面泥土后于60 ℃烘干至質(zhì)量恒定，粉碎后過60目篩（篩網(wǎng)孔徑0.250 mm），用土壤養(yǎng)分檢測儀（FK-

HT500）測定有機(jī)碳、氮、磷、鉀含量。每次取3個(gè)樣品進(jìn)行測定，以平均值為養(yǎng)分含量，還田前棉稈基本養(yǎng)分含量見表1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)各次調(diào)查結(jié)果計(jì)算養(yǎng)分累積釋放率（RN，%），公式如下：

RN＝■×100%。

式中：M0為加入棉稈干物質(zhì)質(zhì)量（g）；Mt為腐解時(shí)間為t時(shí)的棉稈干物質(zhì)質(zhì)量（g）；C0為棉稈原始養(yǎng)分含量，Ct為腐解時(shí)間為t時(shí)棉稈的養(yǎng)分含量。

數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2021軟件進(jìn)行處理，Origin 2018進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉稈在土壤中的有機(jī)碳釋放規(guī)律

由圖2可知，在腐解過程中棉稈有機(jī)碳釋放表現(xiàn)為先快后慢。在前90 d的快速腐解期，其累積釋放率達(dá)到49.65%，使土壤中有機(jī)質(zhì)含量較還田前增加138.9%。可見，棉稈還田后在較短時(shí)間內(nèi)就可大幅提升土壤有機(jī)質(zhì)含量。在還田后120 d時(shí)棉稈進(jìn)入腐解停滯期，此時(shí)棉稈內(nèi)部已無明顯填充物，硬度較還田前大幅下降；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的有機(jī)碳累積釋放率為52.05%。棉稈還田后150 d土壤中有機(jī)質(zhì)含量由還田前的11.744 g·kg－1增長至28.802 g·kg－1，增加了145.2%。一般來說，土壤有機(jī)質(zhì)含量與秸稈纖維素和木質(zhì)素含量相關(guān)。本試驗(yàn)?zāi)┢诿薅挼睦w維素和木質(zhì)素含量較低，對土壤有機(jī)質(zhì)含量的增長已無明顯影響。

2.2 棉稈在土壤中的氮釋放規(guī)律

由圖3可知，棉稈中氮素含量在還田后呈降低趨勢，隨著腐解時(shí)間增加其釋放速率先快后慢。棉稈中的氮在還田后75 d內(nèi)的釋放速率大，棉稈氮含量由還田前的6.694 g·kg－1下降到4.043 g·kg－1，該時(shí)期棉稈氮釋放量占總釋放量的72.8%；還田后75～150 d為緩慢釋放期，釋放速率為0.011 g·kg－1·d－1，較快速腐解期下降0.024 g·kg－1·d－1；還田至150 d時(shí)，棉稈氮的累積釋放率為51.37%，較棉稈中其他測試養(yǎng)分元素低。銨態(tài)氮作為作物吸收氮素的主要形態(tài)之一，其含量高低將直接影響作物的生長和產(chǎn)量形成。在棉稈腐解過程中，土壤中銨態(tài)氮的含量逐漸升高，由還田前的12.422 mg·kg－1上升至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的25.697 mg·kg－1，增加了106.9%，且增長趨勢與棉稈氮釋放規(guī)律存在明顯的正相關(guān)關(guān)系（圖3）。

2.3 棉稈在土壤中的磷釋放規(guī)律

由圖4可知，棉稈中的磷含量較低，釋放規(guī)律與氮素相似：在還田后60 d內(nèi)迅速釋放，在第60天時(shí)累積釋放率為37.76%，占整個(gè)釋放期的66.57%，棉稈中磷含量由還田前的3.665 g·kg－1下降到2.281 g·kg－1；在還田后75～150 d時(shí)棉稈磷釋放速率保持穩(wěn)定，累積釋放率由40%增至55%。棉稈中的磷主要分為無機(jī)磷和有機(jī)磷，在棉稈腐解過程中微生物活動(dòng)加強(qiáng)使磷酸酶活性提高，從而使無機(jī)磷在腐解前期快速釋放；有機(jī)磷與木質(zhì)素膠結(jié)在一起組成了秸稈的骨架，因而在腐解后期隨著纖維素、木質(zhì)素等被大量分解，有機(jī)磷開始釋放，土壤中有效磷的含量持續(xù)累積。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，土壤中可被作物直接吸收的有效磷含量增加了286.1%，由還田前的22.903 g·kg－1上升至88.424 g·kg－1。

2.4 棉稈在土壤中的鉀釋放規(guī)律

棉稈在土壤中的鉀釋放動(dòng)態(tài)如圖5所示，與有機(jī)碳和氮、磷元素的釋放規(guī)律不同。因鉀在棉稈中以活躍的離子形式存在且易溶于水，在還田后快速釋放，成為土壤鉀素的重要來源。在還田后0～30 d快速釋放期，棉稈鉀累積釋放率達(dá)到了90.31%。在此后，棉稈鉀的累積釋放率變化不大，范圍為89.32%～92.39%。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，土壤中速效鉀含量為291.335 mg·kg－1，比棉稈還田前的含量高123.4%。

3 討論與結(jié)論

棉稈粉碎還田后的腐解率以及各營養(yǎng)元素的釋放速率受多種因素影響，如土壤溫度、土壤含水率、還田深度以及粉碎長度等，但大致呈前期快速釋放、后期緩慢釋放、最終穩(wěn)定的規(guī)律，這是多數(shù)研究得出的秸稈腐解規(guī)律[8-11]。本研究開展試驗(yàn)的阿拉爾市的全年溫度相對較高，腐解前期0～60 d內(nèi)的土壤平均溫度為18.7 ℃，土壤含水率為14%左右。在土壤孔隙度不變的情況下，土壤含水率與空氣含量呈此消彼長關(guān)系[10]。本研究發(fā)現(xiàn)棉稈還田后0～90 d為快速腐解期。棉稈主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素組成。其中：還田初期，半纖維素由于具有較強(qiáng)的親水性且主要成分為易分解的小分子糖類物質(zhì)和有機(jī)化合物，在真菌和細(xì)菌的作用下最先被分解，將多糖水解為單糖類的混合物；纖維素被纖維素酶水解生成葡萄糖，然后水解產(chǎn)物在好氣微生物和厭氣微生物分解下分別產(chǎn)生CO2和大量微生物細(xì)胞物質(zhì)、各類有機(jī)酸和醇類與氫氣[11-13]。而木質(zhì)素具有復(fù)雜的側(cè)鏈苯環(huán)結(jié)構(gòu)，在腐解前期較難被分解，釋放率低[13]。本研究中，在快速腐解期，隨著各類有機(jī)物的分解營養(yǎng)元素也被釋放，棉稈有機(jī)碳、氮、磷、鉀的釋放量占整個(gè)腐解期釋放量的50%以上，為下茬作物提供了大量可直接吸收的營養(yǎng)元素。

在不添加腐熟劑的自然條件下，快速腐解期結(jié)束后棉稈中有機(jī)碳被大量消耗，C/N降低至20左右時(shí)更利于微生物活動(dòng)，一些細(xì)菌和高等真菌開始裂解木質(zhì)素形成腐殖質(zhì)。棉稈腐解后期可溶性有機(jī)物含量下降，微生物活動(dòng)所需的碳源和養(yǎng)分減少，難以分解的木質(zhì)素等膠狀物質(zhì)難以支撐微生物的代謝，導(dǎo)致微生物活動(dòng)降低，棉稈腐解速率下降。還田后90～135 d為棉稈的緩慢腐解期，在此階段碳、氮、磷的釋放速率大幅度下降，如碳、氮的累積釋放率分別僅增加2.23、7.93百分點(diǎn)。

還田后棉稈中有機(jī)碳和氮等元素含量變化能夠表征棉稈的腐解規(guī)律，本研究得出各元素的釋放速率為鉀＞磷＞碳＞氮，這與戴志剛等[13]的研究結(jié)果一致。棉稈中有機(jī)碳在試驗(yàn)期內(nèi)的釋放量占總含量的61.02%，還田后的前90 d為其快速釋放期；鉀元素在還田后15 d的累積釋放率就已達(dá)到了86%，其釋放速率遠(yuǎn)高于其他元素，在此之后整個(gè)腐解過程中鉀的釋放率無明顯變化，這是因?yàn)殁浺运軕B(tài)存在于棉稈中極易被釋放，在還田1個(gè)月內(nèi)就基本釋放完畢；棉稈中磷在土壤中的釋放規(guī)律與有機(jī)碳相似，但存在秸-土界面的聚集效應(yīng)，且磷的移動(dòng)性很差，距秸-土界面1～3 mm的土壤和秸稈是養(yǎng)分作用的主要場所。

通過實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)棉稈在地表覆蓋并不均勻，粉碎后的棉稈集中分布在田間粉碎機(jī)行走過的行間，而其他區(qū)域棉稈較少；因此，為提高養(yǎng)分的利用率，在翻耕還田時(shí)應(yīng)保證棉稈與耕層土壤均勻混合。

目前新疆連作棉田在棉花采收后將棉稈粉碎全量還田，棉稈在腐解過程中產(chǎn)生化感作用，腐解物越多，自毒化感物質(zhì)的作用越強(qiáng)，越易造成燒苗減產(chǎn)。因此須進(jìn)一步研究棉稈還田量，以及還田時(shí)合理配施氮肥調(diào)節(jié)土壤C/N加速棉稈腐解，降低化感作用的影響。當(dāng)前新疆的棉稈粉碎機(jī)粉碎后的棉稈長度差異較大，且在地表的拋灑不均，不利于翻耕后的棉稈腐解，因此須進(jìn)一步改進(jìn)棉稈粉碎機(jī)。

由于棉稈的腐解受土壤條件、氣候、秸稈種類等諸多因素影響，本研究僅選用塔河2號品種秸稈作為研究對象，結(jié)果具有局限性，僅為初步研究成果，后續(xù)會(huì)采用多品種進(jìn)行多年試驗(yàn)研究。

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（責(zé)任編輯：楊子山 責(zé)任校對：秦凡）

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收稿日期：2023-12-15" " " " "第一作者簡介：謝婉瑩，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化工程，2645056148@qq.com。

*通信作者：馬少輝，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)及理論研究，ngynj@sina.com

基金項(xiàng)目：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)科技人才創(chuàng)新項(xiàng)目（2022CB001-03）

中國棉花 · 塔里木盆地棉稈還田養(yǎng)分釋放規(guī)律研究 · 2024， 51（7）：18－22

https：//doi.org/10.11963/cc20230205