棉稈炭化還田對棉花生長及土壤理化特性的影響

劉會芳，唐光木，孫寧川，秦蓓，馮雷，徐萬里

(1.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆農業科學院園藝作物研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】秸稈還田是促進農業可持續發展的有效方式[1]，可有效培肥地力，改善土壤結構和理化性質，提高土壤保水保肥能力，優化農田生態環境[2-7]，同時增加土壤N、P、K和微量養分含量，提高作物產量[8]；但秸稈還田存在肥效緩慢、化感物質積累、病蟲害風險加重、重金屬和抗生素等的污染風險。棉稈炭化還田技術的出現則在解決了廢棄生物質資源利用的難題的同時克服了秸稈還田等利用形式所帶來的弊端，優越性明顯?！厩叭搜芯窟M展】目前對秸稈直接粉碎還田方式的研究主要集中在還田量、翻埋程度等方面，缺少對秸稈處理方式、適宜還田量和時序性等的研究[9]。相對秸稈直接粉碎還田，有機肥還田能夠有效的增加旱地玉米產量并增加土壤含水量[9]。秸稈有機肥還田不僅增加了土壤養分，降低了鹽堿地的鹽分，還降低了土壤容重，改良了土壤結構，活化了土壤微生物[10]。炭化還田是近年來的研究熱點，秸稈炭化后生成的生物炭(biochar)是生物質在缺氧或有限氧氣供應和相對較低溫度下(<700 ℃)熱解得到的富碳固體產物，由于具有多孔性、高陽離子交換量和低容重，能改善土壤的理化性質、提高微生物多樣性，在土壤性狀改良、環境污染修復、節能減排等方面發揮著重要作用[11-14]。秸稈炭化后還田不僅能夠改善土壤理化性質，也能夠活化土壤中的微生物，對作物增產也有一定促進作用[15-18]?！颈狙芯壳腥朦c】以炭化還田為研究對象，通過移除秸稈(不還田)、秸稈粉碎還田、有機肥還田等方式的對比試驗，研究不同還田方式尤其是炭化還田對棉花生理生長、產量及土壤容重、含水量的影響?！緮M解決的關鍵問題】提煉適合新疆棉花秸稈還田的技術，規避棉花秸稈還田的負效應，為棉花秸稈炭化還田提供技術支撐和理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2015年在新疆生產建設兵團農八師炮臺鎮土壤改良試驗站進行，農八師墾區地處天山北麓中段，古爾班通古特大沙漠南緣，E84°58'～86°24'，N43°26'～45°20'，屬內陸干旱半荒漠氣候，具有夏熱冬寒，晝夜溫差大，降水量少，蒸發量大，日照長，光熱資源豐富的特點。該區土壤類型為風沙土，pH 8.4左右，有機質含量1.378 g/kg，速效氮、磷、鉀含量分別為7.4、4.6和53 mg/kg。播種前將微區生長層土壤挖出，與生物炭、肥料等拌勻，再回填入各自小區。種植作物為棉花品種為新陸早45號。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用膜下滴灌栽培模式。根據新疆棉花秸稈主要還田方式直接粉碎還田、炭化還田以及有機肥還田等方式，設置田間微區試驗，試驗共設計8個處理，3次重復(1次假重復)，共16個微區，分別為：1、常規氮磷鉀處理+秸稈移除(CK)；2、氮磷鉀+秸稈全部還田(S)；3、氮磷鉀+有機肥還田(M)，1.5 t/667 m2；4、氮磷鉀+炭化還田(1.5Bc)，棉稈炭1.5 t/667 m2；5、氮磷鉀+有機肥+棉稈炭(MBc)，有機肥1.5 t/667 m2，棉稈炭1.5 t/667 m2；6、氮磷鉀+炭化還田(3.0Bc)，棉稈炭3 t/667 m2。微區面積16 m2(4 m×4 m)。

1.2.2 測試指標

棉花生長中期測定株高、莖粗、葉長、葉寬等形態指標；吐絮期測定棉花產量和干物質積累量，同時采集土壤樣品，測定土壤含水量和容重。

1.3 數據處理

采用Excel軟件對數據進行整理，采用SPSS16.0軟件對各處理間數據進行顯著性差異分析，作圖采用Excel軟件。

2 結果與分析

2.1 秸稈不同還田方式對棉花生理生長的影響

研究表明，不同還田方式對棉花的株高影響效果不同。與CK相比，S、M、MBc三個處理顯著的增加了棉花的株高，其中M處理增加幅度最大，達到16.33%；其次是MBc和S處理，株高分別增加8.89%、6.78%；1.5Bc和3.0Bc則降低了棉花的株高，分別降低了2.94%、2.00%，其中1.5Bc降低幅度達到顯著差異水平。其中，M、1.5Bc、MBc與3.0Bc四個處理相比，M處理的株高顯著高于MBc處理6.83%，后者又顯著高于1.5Bc和3.0Bc兩個處理，分別高出12.19%、11.11%，僅炭化還田的兩個不同施用量處理之間則無顯著差異，3.0Bc處理比1.5Bc處理的株高增加了0.97%。秸稈直接還田、有機肥還田及其與炭化還田的配合處理均能夠顯著的促進棉花植株的株高生長，以僅有機肥還田方式效果最好；僅炭化還田則一定程度的抑制了棉花株高的生長，1.5 t生物炭的施用對棉花株高的抑制作用顯著。圖1

注：圖中小寫字母表示處理間差異顯著性(P<0.05)。下同

Note：The different letters mean significant difference atP<0.05.The same as below

圖1 不同還田方式下棉花株高變化
Fig.1 Effects of different way of returning cotton straw to the field on plant height

研究表明，與CK相比，S、M、MBc和3.0Bc處理均顯著的增加了棉花的莖粗，其中S和MBc處理增加幅度最大，分別為13.41%、11.86%；M和3.0tBc處理增加也顯著的增加了棉花的莖粗6.86%、5.43%；1.5Bc則顯著的降低了棉花的莖粗5.01%，達到顯著差異水平。其中，M、1.5Bc、MBc與3.0Bc四個處理相比：MBc處理條件下，棉花的莖粗顯著高于其余三個處理，分別高出4.68%、17.76%、6.10%，說明有機肥還田與炭化還田的結合比二者單獨還田更能有效的促進棉花的莖粗生長；1.5Bc和3.0Bc兩個處理相比，隨著炭化還田的炭施用量增加，棉花的莖粗顯著增加，說明高量的生物炭能夠促進棉花莖粗的生長。與CK相比，各處理均顯著的增加了棉花葉片的葉長和葉寬，增加幅度不一，變化趨勢相似。其中葉長以MBc處理最大，達到11.82%，葉寬以S處理最大，達到13.29%；其中，M、1.5Bc、MBc與3.0Bc四個處理相比，葉長和葉寬的變化趨勢一致，MBc>3.0Bc>M>1.5Bc，相鄰兩處理的葉寬差異均達到顯著水平，說明四個處理均能夠有效的促進棉花葉片的生長，以MBc處理對棉花葉片生長的促進最為明顯。秸稈直接還田也能較明顯的促進棉花葉片的生長。圖2，圖3

圖2 不同還田方式下棉花莖粗變化
Fig.2 Effects of different way of returning cotton straw to the field on stem diameter

研究表明，與CK相比，各處理均顯著的增加了棉花葉片的葉長和葉寬，增加幅度不一，變化趨勢相似。其中葉長以MBc處理最大，達到11.82%，葉寬以S處理最大，達到13.29%；其中，M、1.5Bc、MBc與3.0Bc四個處理相比，葉長和葉寬的變化趨勢一致，MBc>3.0Bc>M> 1.5Bc，相鄰兩處理的葉寬差異均達到顯著水平，說明四個處理均能夠有效的促進棉花葉片的生長，以MBc處理對棉花葉片生長的促進最為明顯。秸稈直接還田也能較明顯的促進棉花葉片的生長。圖3

圖3 不同還田方式下棉花葉長和葉寬變化
Fig.3 Effects of different way of returning cotton straw to the field on leaf length and width

2.2 不同還田方式對棉花產量和干物質積累的影響

研究表明，與CK相比，各處理棉花植株的地上、下部干物質積累量變化不同，地上部以3.0Bc處理增加幅度最大，達到34.94%，其余依次為MBc(19.97%)、M (18.30%)、S(3.83%)，1.5Bc(-1.50%)，其中M、MBc和3.0Bc三個處理達到顯著性差異水平；地下部以S處理增加幅度最大，達到62.92%，其余依次為3.0Bc(37.57%)、M(20.49%)，1.5Bc(-16.78%)、MBc(-1.43%)，其中S、M、3.0Bc三個處理提高幅度達到顯著性差異水平，1.5Bc處理降低幅度達到顯著性差異水平，MBc則無顯著性差異。M、1.5Bc、MBc與3.0Bc四個處理相比，以3.0Bc處理對棉花植株的干物質積累量提高幅度最大，說明3.0t生物炭的施加能夠明顯促進棉花植株的干物質積累，且效果最明顯。圖4

圖4 不同還田方式下棉花生物量變化
Fig.4 Effects of different way of returning cotton straw to the field on biomass

與CK相比，以M、MBc和兩個處理對產量的提高幅度最大，分別為43.06%、37.01%；其次是1.5Bc和3.0Bc兩個處理，均顯著增加了棉花產量，分別達到了18.15%、30.25%，隨著炭化還田量的增加，產量顯著增加。最后，S處理則降低了棉花的產量，降低了22.06%，達到顯著差異水平。M、1.5Bc、MBc與3.0Bc四個處理相比，產量高低順序為：M>MBc>3.0Bc>1.5Bc，說明僅有機肥還田處理的增產效果最好，MBc次之，1.5Bc增產效果最差。圖5

圖5 不同還田方式下棉花產量變化
Fig.5 Effects of different way of returning cotton straw to the field on yeild

2.3 不同還田方式對土壤物理性質影響

研究表明，飽和含水量：與CK相比，M、1.5Bc、MBc和3.0Bc處理顯著的增加了土壤的飽和含水量、增加幅度分別為4.96%、7.10%、8.01%、11.03%；S處理則沒有達到顯著差異水平。田間持水量：與CK相比，M和3.0Bc兩個處理顯著的增加了土壤的田間持水量，分別增加了5.66%和10.02%；S和MBc處理則顯著的降低了土壤的田間持水量，分別降低了7.40%和5.53%，1.5Bc處理則與CK無顯著性差異。自然含水量：與CK相比，M、1.5Bc和3.0Bc三個處理顯著的增加了土壤的自然含水量，分別增加了3.79%、4.62%和7.58%，S和MBc處理與CK差異不顯著。綜合其中M、1.5Bc、MBc與3.0Bc四個處理相比，3.0Bc處理的三個指標均顯著高于其它三個處理，3.0t生物炭的施用能夠顯著的提高土壤保水性。圖6

研究表明，與CK相比， 各處理的土壤容重均呈現出降低的趨勢，其中以3.0Bc處理的土壤容重下降幅度最大，達到4.77%。其中，M、1.5Bc、MBc與3.0Bc四個處理相比，表現趨勢為M處理的土壤容重顯著高于1.5Bc，顯著高于MBc，顯著高于3.0Bc。四個處理均能夠顯著的改善土壤物理性狀，其中以3.0t生物炭的施用效果最明顯。圖7

圖6 不同還田方式下土壤含水量變化
Fig.6 Effects of different way of returning cotton straw to the field on the water concent of soil

圖7 不同還田方式下容重變化
Fig.7 Effects of different way of returning cotton straw to the field on the Bulk density

3 討 論

研究表明，秸稈直接還田、有機肥還田、有機肥與炭化還田結合等不同處理不同程度的促進了棉花株高和莖粗的生長，其中有機肥還田對其促進作用最明顯，而單一炭化還田的兩個處理則沒有表現出促進作用。葉片是植物生產過程中物質積累與生理代謝的基本單元，也是分析環境因素影響作物生長和代謝的重要手段。這一過程受作物本身的遺傳特性和環境條件的共同制約。有研究表明，秸稈還田可以顯著增加玉米單株葉面積，顯著提高玉米葉片的光合速率[9]。研究表明，各處理均能促進棉花葉片葉長和葉寬的生長，且葉長和葉寬的變化趨勢一致。其中秸稈還田、有機肥還田與炭化還田的配施對棉花葉長和葉寬的促進作用最明顯，其次是1.5t生物炭的施用。說明不同還田處理均能促進棉花的生長，為豐產奠定基礎。

研究結果顯示，棉花干物質積累量與棉花產量變化趨勢基本一致。其中，有機肥還田、有機肥還田與炭化還田結合對棉花的產量以及干物質積累量的促進作用最明顯，其次是單一生物炭還田的不同量處理，最后是單一秸稈還田。這和李瑋[19]等的研究結果一致，短期內的秸稈還田有降低產量的趨勢。解文艷等[9]則表明，秸稈有機肥還田以及直接粉碎還田均能提高玉米的產量，以有機肥還田提高幅度較大。另有研究表明，但生物炭可以促進玉米[16]、水稻[17]等作物的生長，這和研究結果一致。大量研究結果表明，秸稈還田、有機肥還田等還田措施能夠提高土壤保水保肥性，降低土壤容重。研究結果也表明，秸稈還田、有機肥還田、有機肥還田與炭化還田結合，單一炭化還田等方式均提高了土壤含水量、田間持水量與土壤飽和含水量等，降低了土壤容重。不同秸稈還田方式均能改善土壤理化性質。

4 結 論

秸稈的不同還田處理均能夠通過促進棉花的生長，達到增產的目的，并能改善土壤理化性質，其中株高、莖粗、葉長和葉寬的增加以有機肥還田、炭化還田及其配施最大，分別增加了8.89%、11.86%、 11.82%、11.39%。產量則以有機肥還田、有機肥還田與炭化還田的結合兩個處理對產量的提高幅度最大， 分別為43.06%、37.01%，其次是1.5Bc和3.0Bc兩個處理，均顯著增加了棉花產量，分別達到了18.15%、30.25%；地上部干物質積累以3.0t炭化還田處理提高幅度最大，達到了34.94%，地下部以秸稈直接粉碎還田提高幅度最大，為62.92%；土壤性質則以3.0tBc處理對土壤飽和含水量和田間持水量的增加幅度以及對土壤容重的降低幅度最大， 分別達到了11.03%、10.02%、4.77%。秸稈炭化還田能夠有效的促進棉花生長，增加棉花干物質積累，提高產量，改善土壤性質。