0 引言
【研究意义】新疆位于欧亚大陆腹地,光照资源丰富,具有发展棉花生产得天独厚的优势。自20世纪90年代以来,新疆植棉业进入快速发展阶段,植棉面积由90年代初的43.5万hm2猛增到目前的171.8万hm2[1]。新疆植棉业的发展伴随着水肥投入的迅速增加,特别是化肥投入的增加是新疆棉花产量提高的重要原因[2]。然而,长期过量施用化肥不仅导致种植成本居高,而且引起土壤质量下降,土壤生产力降低,植棉经济效益下降[3]。因此,如何改善土壤质量、提高土壤肥力、降低肥料投入已成为新疆植棉业亟待解决的问题。【前人研究进展】近年来,研究者发现添加有机质能有效缓解因过量施用化肥导致的棉花生长不良及产量徘徊等诸多问题,是提高新疆植棉业经济效益和实现棉田可持续发展的重要措施[4-5]。有研究表明,有机肥与化肥配施可以明显改善土壤的氮素营养供应状况[6-7],可使土壤中的无机氮较为平稳的释放。作物秸秆可作为一种有效的氮源,秸秆还田也将对整个棉田生态系统氮素循环过程产生显著影响[8]。农田添加有机质必然引起土壤环境因子发生变化,并对地下生物化学过程产生影响[9-10]。土壤是植物氮素的主要来源,然而土壤中99%以上的氮素是以有机氮形式存在,不能被植物直接吸收利用。在农田生态系统中,有机氮在微生物作用下矿化为NH4+-N（氮矿化过程）;NH4+-N又会在硝化细菌的作用下被氧化为NO3--N（氮硝化过程）。适量施化肥促进土壤净氮矿化和硝化作用,但化肥量过大,土壤矿化和硝化作用降低,NO3--N 的析出会增加。反硝化过程使氮素从硝态氮（NO3--N）转化为氮气（N2）,损失一部分养分,造成土壤养分浪费[11]。根系是作物与土壤接触的器官,能感知土壤环境变化并作出响应,能反馈于棉株甚至整个棉田生态系统。土壤养分有效性可改变作物生物量分配及根系碳释放等[12]。研究表明,施肥处理下作物根系直径和根体积增大,使其总吸收面积增大,促进了根系物质累积[13];施肥会增加根系生物量,进而增加了作物吸收养分的潜力[14]。盆栽实验证明,有机肥和化肥配施可显著增加根系生物量,且主要诱导细根（d≤2 mm）的发生[15]。秸秆还田促进了根系-微生物系统的物质和能量交换,可以增加作物根系生物量;也有研究认为,秸秆还田会降低作物根系生物量,因为秸秆内酚酸等自毒物质增加根系细胞膜通透性、破坏了根系细胞结构。这可能与作物种类、土壤类型和秸秆本身的生物特性有关[16]。【本研究切入点】新疆棉田目前普遍实行秸秆还田,采用膜下滴灌植棉技术[17],与常规漫灌比较,膜下滴灌为局部灌溉,对根区水分和养分分布、根系生长和功能的影响较常规漫灌作用更显著[18]。然而有关膜下滴灌条件下,有机质添加对棉田土壤氮素有效性及地下生态过程的影响机理研究报道较少。随着新疆农业产业结构的调整,畜牧业快速发展,动物粪便作为有机肥料已被棉农们普遍采用。因此,开展新疆棉田秸秆还田和施肥对土壤氮素有效性的影响及与根系生长的关系,不仅有助于揭示秸秆还田和施肥影响棉田生态系统地下生态过程的机制,而且对制定棉田管理措施实现农业高产高效发展具有重要指导意义。【拟解决的关键问题】本文在定位试验农田基础上,于棉花生育关键时期,测定秸秆还田和施肥不同处理下土壤矿化作用、硝化作用和反硝化作用的变化,分析土壤氮素转化过程及有效氮的变化,以及对棉花根系生物量的影响进行探讨,为干旱区棉田合理施肥及农田管理提供参考。1 材料与方法
1.1 试验地概况
定位试验样地在新疆乌兰乌苏农业气象试验站（44°17′ N,85°49′ E）,本地区多年平均降水量210.6 mm,平均蒸发量1 664.1 mm,无霜期约170 d,年平均气温7.0℃,年日照时数为2 861.2 h。试验地土壤类型为灰漠土,质地为砂壤土,前茬棉花,0—20 cm耕层土壤含有机质17.0 g·kg-1、全氮1.25 g·kg-1、全磷2.04 g·kg-1、碱解氮84.0 mg·kg-1、速效磷91.5 mg·kg-1、速效钾315 mg·kg-1;土壤的碳氮比（C:N）为7.89:1。1.2 试验设计
采用裂区试验设计,主区为秸秆还田（S1,前一年棉花收获后将棉杆用机械打碎后翻入棉田,秸秆还田量约7 500 kg·hm-2）,秸秆不还田（S0,棉花籽棉收获后将棉杆拔除）为对照;副区为施肥处理,设4个处理,分别为（1）F0（不施肥）;（2）F1（氮磷钾化肥,代表新疆大面积棉田的施肥模式）;（3）F2（腐熟鸡粪,代表新疆有机棉施肥模式）;（4）F3（氮磷钾化肥和有机肥配施,代表新疆高效生产棉田施肥模式）,其肥料种类和肥料量与当前棉花生产的管理模式相同。各施肥处理间棉花生育期所施肥料根据试验要求,折合纯N 440 kg·hm-2、P2O5 420 kg·hm-2、K2O 270 kg·hm-2,有机肥30 t·hm-2。其中播种前基施30% N、70% P2O5和100% K2O及有机肥,其余根据棉花需肥情况在播种后采用随水滴施。化学肥料为尿素（N 46%）、磷酸二铵（N 18%,P2O5 46%）和硫酸钾镁（K2O 22%,Mg 5%,S 14%）。有机肥含有机质235.2 g·kg-1、全氮17.8 g·kg-1、全磷13.7 g·kg-1、全钾21.8 g·kg-1。试验共8个处理,每个处理3次重复。小区面积为24 m2（8 m×3 m）,各小区间均埋深度为60 cm的防渗膜（聚乙烯膜）,以防止各小区之间串水串肥。定位试验于2010年开始,连续6年处理。本文于2015年取样,供试棉花（Gosspsym hirsutum L.）品种为新陆早59号,4月24日播种,10月15日收获;种植模式为一膜4行,采用“30 cm + 50 cm + 30 cm”宽窄行距配置。除肥料因子外,其他田间管理按当地高产田进行。
1.3 测定项目及方法
1.3.1 根系取样及生物量测定 在棉花盛花期（7月中旬）、盛铃期（8月上旬）和收获期（10月初）,每个小区随机选择5株棉花,采用挖掘法（20 cm×20 cm×30 cm）将整株棉花挖出,从子叶节处将棉花分为地上和根系两部分,以直径2 mm为界,将根系分为粗根和细根,用去离子水清洗干净后,将棉株地上部分、粗根、细根置于105℃烘箱中杀青30 min,在70℃烘干至恒重,称重。1.3.2 土壤取样及指标测定 在棉花盛花期（7月中旬）、盛铃期（8月上旬）和收获期（10月初）,在每个小区采用典型“Z”形六点法随机取土样,用标准土钻取0—20 cm表层土,然后将同一小区所有土样混合成为一个土样,用冰袋保存带回实验室。将土样过2 mm筛,置于4℃冰箱保存,用于土壤硝态氮和铵态氮的测定。
矿化作用采用PVC顶盖原位培育法[19]测定。试验开始前,先去除各样点植株,防止培养过程中植物吸收管中的无机氮而影响试验结果,在每个小区设PVC管（内径7.5 cm、长15 cm）,用PVC管取0—15 cm 的土样2个,用作初始NH4+-N、NO3--N含量的测定。然后在每个处理随机取出6个土样,尽可能不破坏其原有结构,分别用透气塑料薄膜包住上口和下口,用细铁丝扎住,防止出现管内无机氮与管外交换;再插入原孔,培养30 d后取出土样,测定NH4+-N、NO3--N含量。培养后与培养前无机氮含量（NH4+-N+NO3--N）的差值为土壤净矿化率,NO3--N含量的差值为净硝化率。总硝化速率采用土壤培养法测定[20-21],培养0 d、7 d后,分别测定其硝态氮含量,培养前后硝态氮含量的差值表示净硝化速率;反硝化速率采用硝态氮消失法测定[20-21],培养0 d、5 d天取出土样,用比色法测样品中剩余硝态氮。铵态氮（NH4+-N）测定采用氯化钾浸提-靛酚蓝比色法[20];硝态氮（NO3--N）测定采用双波长紫外分光光度校正因数法[21]。
1.4 数据分析
试验数据采用Excel 2010软件进行统计,SPSS 16.0软件进行方差分析,OriginPro 9.0软件制图。2 结果
2.1 秸秆还田和施肥对土壤氮素转化过程的影响
试验表明,除净硝化速率受施肥措施的影响小外（图1-B,P= 0.168）,秸秆还田和施肥对土壤净矿化、净硝化、总硝化和反硝化速率均有显著影响（图1,P<0.05）,秸秆还田显著增加了净矿化、净硝化、总硝化和反硝化速率。施肥增加了土壤氮素转化速率,但3个施肥方式之间的差异不同取样时期变化不一致。同一时期相同秸秆管理下,化肥和有机肥混施处理与单施化肥的转化率差异不显著。在秸秆还田条件下,单施有机肥盛花期净硝化最高,收获期硝化速率和反硝化速率最高。氮转化速率受季节变化的影响显著,整体表现为盛花期转化率最大,而收获期最小（图1）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1秸秆还田和施肥对土壤净矿化速率（A）、净硝化速率（B）、总硝化速率（C）和反硝化速率（D）的影响（平均值±标准偏差）
Fs：秸秆还田对测量指标的影响显著性,Ff：施肥对测量指标的影响显著性,Fd：测量时期对测量指标的影响显著性。S0：秸秆不还田,S1：秸秆还田,F0：不施肥,F1：施NPK化肥,F2：施有机肥,F3：施NPK化肥+有机肥。下同
-->Fig. 1Effects of stubble returning to soil and fertilization on soil net mineralization (A), net nitrification (B), gross nitrification (C) and denitrification (D) (mean ± SD)
Fs: Significant difference of stubble returning to soil to the measurement, Ff: Significant difference of fertilization to the measurement, Fd: Significant difference of measuring period to the measurement. S0: Stubble-removed, S1: Stubble returning to soil, F0: No fertilization, F1: NPK fertilizer, F2: Organic fertilizer, F3: Combined application of NPK fertilizer and chicken manure. The same as below
-->
2.2 秸秆还田和施肥对无机氮含量的影响
秸秆还田和施肥对土壤铵态氮、硝态氮和总无机氮含量均有显著影响,且3个指标变化趋势相似（图2,P<0.05）。秸秆还田显著增加了铵态氮、硝态氮和总无机氮含量,化肥处理最为显著;施肥增加了土壤无机氮含量,但3个施肥方式间在不同取样时期的变化不一致。在同一时期同一秸秆管理下,化肥和有机肥混施的无机氮含量与单施化肥的差异不大。在秸秆还田处理中,盛铃期单施化肥铵态氮含量最高,化肥和有机肥混施硝态氮和总无机氮含量最高。无机氮含量受取样时期影响显著,且整体表现为盛铃期无机氮含量最大,而收获期最小（图2）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2秸秆还田和施肥对土壤NH4+-N（A）、NO3--N（B）和可吸出无机氮（C）的影响（平均值±标准偏差）
-->Fig. 2Effects of stubble returning to soil and fertilization on soil ammonium (A), nitrate (B) and extractable inorganic nitrogen (C) (mean ± SD)
-->
2.3 秸秆还田和施肥对棉花根系生物量的影响
秸秆还田显著降低了棉花根冠比（图3,P<0.05）,对根系生物量、细根/粗根比影响不显著（图3-A、B,P= 0.477）。施肥显著增加了棉花根冠比、根系生物量和细根/粗根比,3个施肥处理之间差异不显著（图3）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3秸秆还田和施肥对棉花根系生物量（A）、细根/粗根比（B）和根冠比（C）的影响（平均值±标准偏差）
-->Fig. 3Effects of stubble returning to soil and fertilization on root biomass of cotton (A), fine/coarse root biomass ratio (B) and root-shoot ratio (C) (mean±SD)
-->
在同一时期相同秸秆管理下,化肥和有机肥混施的棉花根冠比、根系生物量和细根/粗根比与单施化肥处理的差异不大。在秸秆还田处理中,单施有机肥根系生物量收获期最大,细根/粗根比和根冠比盛铃期最高。棉花根冠比、根系生物量和细根/粗根比均受取样时期的显著影响,根系生物量在收获期最大、盛花期最小,而细根/粗根比和根冠比整体表现盛铃期最大、收获期最小（图3）。
2.4 秸秆还田和施肥对土壤理化性质的影响
土壤酸碱性是土壤重要的化学性质以及土壤 肥力特征的综合反映。由表1可知,棉花秸秆还 田处理土壤pH显著高于秸秆不还田处理（P<0.05）;不同施肥处理下,与不施肥处理相比,土壤pH表现为有机无机肥配施显著降低了土壤pH （P<0.05）;不同取样时期,盛花期土壤pH最低。棉花秸秆还田和有机无机肥配施显著降低了土壤碱性。Table 1
表1
表1秸秆还田和施肥对棉田土壤理化性质的影响
Table 1Effects of stubble returning to soil and fertilization on soil chemical properties
| 理化性质 Physical and chemical property | 秸秆处理 Stubble | 施肥处理 Treatment | 盛花期 Full-bloom stage | 盛铃期 Full-boll stage | 收获期 Harvesting stage |
|---|---|---|---|---|---|
| pH | S0 | F0 | 7.667±0.035d | 7.80 ±0.01b | 7.983±0.046e |
| F1 | 7.613±0.029e | 7.69 ±0.01c | 7.933±0.006f | ||
| F2 | 7.690±0.011cd | 7.61±0.01d | 8.120±0.010b | ||
| F3 | 7.657±0.038d | 7.53 ±0.01e | 8.017±0.006d | ||
| S1 | F0 | 7.950±0.000a | 7.90 ±0.01a | 8.267±0.006a | |
| F1 | 7.803±0.015b | 7.72 ±0.01c | 8.143±0.006b | ||
| F2 | 7.723±0.006c | 7.68 ±0.01c | 8.127±0.012b | ||
| F3 | 7.680±0.017d | 7.60 ±0.01d | 8.070±0.000c | ||
| S | * | ** | ** | ||
| F | ** | ** | ** | ||
| S×F | ** | ** | ** | ||
| 土壤容重 Soil bulk density (g·cm-3) | S0 | F0 | 1.29±0.03abc | 1.28 ±0.03b | 1.34 ±0.04a |
| F1 | 1.30 ±0.04ab | 1.30 ±0.04a | 1.33 ±0.02a | ||
| F2 | 1.28±0.05bcd | 1.28 ±0.05de | 1.27±0.04c | ||
| F3 | 1.27 ±0.04cde | 1.27 ±0.04f | 1.27±0.04c | ||
| S1 | F0 | 1.31±0.01a | 1.28±0.01b | 1.28 ±0.01bc | |
| F1 | 1.27 ±0.01cde | 1.26 ±0.01c | 1.29±0.04b | ||
| F2 | 1.25±0.01de | 1.25±0.03d | 1.26±0.04c | ||
| F3 | 1.24±0.02e | 1.23±0.02e | 1.24 ±0.04d | ||
| S | * | ** | ** | ||
| F | ** | ** | ** | ||
| S×F | ** | ** | ** |
新窗口打开
土壤容重是土壤肥力的一个重要物理指标。由表1可知,秸秆还田处理土壤容重低于秸秆不还田处理,差异显著（P<0.05）;不同施肥处理下,与不施肥处理相比,土壤容重表现有机肥显著降低了土壤容重（P<0.05）;棉花秸秆还田条件下施用有机肥显著降低了土壤容重,改善土壤结构。
3 讨论
3.1 秸秆还田和施肥能促进土壤氮素转化过程
前人研究表明,低施肥量促进土壤净氮矿化作用,尤其在氮素缺乏的地区,施肥显著提高了土壤的潜在氮矿化[22];但施肥量过多土壤水势降低,微生物活性受到抑制,土壤矿化作用和硝化作用下降[23-24]。本研究结果表明,在秸秆还田及有机肥与无机肥混施条件下,土壤矿化作用表现出随棉花生育时期的推移呈下降趋势;施肥显著影响土壤的硝化作用,不施肥处理土壤的硝化作用较弱,有机肥和化肥配施土壤的硝化作用强度明显高于单施化肥处理,表明有机肥的施入可以促进土壤的硝化作用,这可能与土壤有机质含量的增加有关,而土壤有机质经氨化作用产生的铵根离子是硝化过程所需氧化基质的来源之一,从而促进硝化作用的进行[25-36];目前通常都以净硝化速率来衡量土壤硝化作用能力,然而净硝化速率只能表征一种竞争关系的结果,因此对于氮素转化过程总硝化速率研究显得尤为重要[26-27]。本研究中秸秆还田和施肥条件下土壤净硝化和总硝化作用均随着生育时期的推移逐渐降低,这可能与气温变化有关,在本区域,盛花期温度最高,收获期最低,土壤温度是影响土壤硝化作用的重要因子,亚硝酸盐转化者对温度较为敏感[28]。本试验表明,秸秆还田和施肥均显著提高了土壤反硝化速率,这可能与秸秆还田增强了棉田土壤厌氧微生物的活性,而施肥处理增加了厌氧微生物的养分来源,从而加大了土壤反硝化作用[29]。同时,pH降低则表现出微生物活性增强[30-31],也能促进土壤反硝化作用。研究表明,秸秆还田处理土壤容重低于秸秆不还田处理,表明秸秆还田能改善土壤状况,降低土壤容重;施用有机肥显著降低了容重,这可能因为有机质添加使有机物聚集在表层,从而降低了表层的土壤容重。本试验结果表明,有机肥无机肥配施的反硝化作用要大于单施化肥,这可能与长期施用化肥导致农田土壤的通气性较差有关,而施用有机肥能改善土壤结构[32],使农田土质疏松,通气性好,进而降低了厌氧细菌的数量和活性,最终导致单施化肥的反硝化作用小于有机无机配施处理。
3.2 秸秆还田和施肥对无机氮含量的影响
土壤NH4+-N和NO3--N是有效氮的主要存在形式,其含量受土壤水分、温度、pH、土壤养分状况等条件的影响[33]。本研究表明秸秆还田和施肥能显著增加棉田土壤NH4+-N和NO3--N的含量。秸秆还田使土壤有机物活跃,能促进棉花吸收利用大量的土壤氮素[8],这主要是因为秸秆还田不仅能够增加土壤养分,培肥土壤,且可增加土壤有机质含量,同时也改善土壤理化性质,再配施化肥和有机肥,更有利于作物与土壤微生物氮素的吸收利用。本研究中不施肥处理氮素含量最低,施肥处理下土壤NO3--N和NH4+-N含量高,这与大多数研究所报道的施用化肥显著增加土壤有效氮含量的结果相一致[34-35]。试验表明,施肥后土壤NO3--N和NH4+-N含量显著增加,单施有机肥和有机肥与无机肥混施条件下效果较好,这可能是因为有机肥和化肥配合施用可以有效地增加土壤中可利用铵态氮的含量,而且有机肥的施入能促进土壤有机氮的矿化,使得铵态氮含量在土壤中大量积累[36]。本研究结果表明,在秸秆还田及有机肥与无机肥混施条件下,土壤有效氮含量表现出随棉花生育时期的推移呈下降趋势,生育后期微生物活性较低,土壤氮矿化和硝化等有效氮的释放过程减弱,使得其含量在收获期略低。
3.3 秸秆还田和施肥能促进棉花根系生长,增加根系生物量
植物光合产物在根系和地上部之间的分配是植株生长调节的关键过程,根系生物量能反映根系发达程度[37]。前人研究表明,植株高效吸收氮素的前提是有较庞大的根系,施肥能显著增加根系生物量[38],本研究结果显示,与不施肥处理相比,施肥使得根系生物量增加了20%左右,这可能是由于有机肥和化肥配施能促进植株生长,增强养分的吸收能力,干物质累积量增加,提高了肥料利用效率[39]。细根作为植物吸收水分和养分的重要器官,其性状特征对植物的生长具有重要的指示作用,施肥增加了土壤养分有效性,必将对植物细根生长产生影响[40]。前人研究表明,植物根系生物量在施肥处理下没有明显变化[41],也有研究认为施肥可以增加细根生物量[42-43]。本试验研究表明,施肥处理和秸秆还田均显著增加了棉花细根生物量。在3个施肥处理间,有机肥和化肥配施处理下细根生物量小,这可能是有机肥和化肥配施所引起的土壤中氮素有效性的增加,有利于根系对氮的吸收与累积,细根发生适应性变化,导致棉花细根生长比单施化肥和单施有机肥呈显著下降趋势。试验结果还表明,棉花根系在收获期趋于成熟与衰老,具有吸收功能的细根逐步减少,因此,细根生物量在收获期下降;根系生物量增加的幅度小于地上部生物量增加的幅度,从而造成根冠比随着棉花生育时期的推移呈下降趋势。值得一提的是,在本研究中得出秸秆还田降低了棉花根冠比,这与前人研究结果不一致,分析认为由于秸秆内酚酸等自毒物质导致根系细胞膜通透性增加,破坏了根系细胞结构。这可能与棉花秸秆本身的生物特性有关[16]。因此,秸秆还田条件下棉株根冠比较不还田处理有所下降。
4 结论
秸秆还田和施肥有利于促进土壤氮素转化过程,增加土壤有效氮含量,对根系生长及生物量产生影响。在干旱区实施秸秆还田,结合有机无机肥配施技术有利于加速土壤养分转化,提高肥料利用效率,增加有效养分含量,促进作物根系生长和地上部碳同化能力,为干旱区实现作物高产优质低成本及环境友好生产目标奠定了基础。The authors have declared that no competing interests exist.
