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(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)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(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效方式[1]，可有效培肥地力，改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，提高土壤保水保肥能力，優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境[2-7]，同時(shí)增加土壤N、P、K和微量養(yǎng)分含量，提高作物產(chǎn)量[8]；但秸稈還田存在肥效緩慢、化感物質(zhì)積累、病蟲害風(fēng)險(xiǎn)加重、重金屬和抗生素等的污染風(fēng)險(xiǎn)。棉稈炭化還田技術(shù)的出現(xiàn)則在解決了廢棄生物質(zhì)資源利用的難題的同時(shí)克服了秸稈還田等利用形式所帶來的弊端，優(yōu)越性明顯。【前人研究進(jìn)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(shí)序性等的研究[9]。相對秸稈直接粉碎還田，有機(jī)肥還田能夠有效的增加旱地玉米產(chǎn)量并增加土壤含水量[9]。秸稈有機(jī)肥還田不僅增加了土壤養(yǎng)分，降低了鹽堿地的鹽分，還降低了土壤容重，改良了土壤結(jié)構(gòu)，活化了土壤微生物[10]。炭化還田是近年來的研究熱點(diǎn)，秸稈炭化后生成的生物炭(biochar)是生物質(zhì)在缺氧或有限氧氣供應(yīng)和相對較低溫度下(<700 ℃)熱解得到的富碳固體產(chǎn)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(zhì)、提高微生物多樣性，在土壤性狀改良、環(huán)境污染修復(fù)、節(jié)能減排等方面發(fā)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(zhì)，也能夠活化土壤中的微生物，對作物增產(chǎn)也有一定促進(jìn)作用[15-18]。【本研究切入點(diǎn)】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(jī)肥還田等方式的對比試驗(yàn)，研究不同還田方式尤其是炭化還田對棉花生理生長、產(chǎn)量及土壤容重、含水量的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】提煉適合新疆棉花秸稈還田的技術(shù)，規(guī)避棉花秸稈還田的負(fù)效應(yīng)，為棉花秸稈炭化還田提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2015年在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師炮臺鎮(zhèn)土壤改良試驗(yàn)站進(jìn)行，農(nóng)八師墾區(qū)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(nèi)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(fā)量大，日照長，光熱資源豐富的特點(diǎn)。該區(qū)土壤類型為風(fēng)沙土，pH 8.4左右，有機(jī)質(zhì)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(qū)生長層土壤挖出，與生物炭、肥料等拌勻，再回填入各自小區(qū)。種植作物為棉花品種為新陸早45號。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用膜下滴灌栽培模式。根據(jù)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(jī)肥還田等方式，設(shè)置田間微區(qū)試驗(yàn)，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)8個處理，3次重復(fù)(1次假重復(fù))，共16個微區(qū)，分別為：1、常規(guī)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(jī)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(jī)肥+棉稈炭(MBc)，有機(jī)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(qū)面積16 m2(4 m×4 m)。

1.2.2 測試指標(biāo)

棉花生長中期測定株高、莖粗、葉長、葉寬等形態(tài)指標(biāo)；吐絮期測定棉花產(chǎn)量和干物質(zhì)積累量，同時(shí)采集土壤樣品，測定土壤含水量和容重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS16.0軟件對各處理間數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異分析，作圖采用Excel軟件。

2 結(jié)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(dá)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(dá)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(jī)肥還田及其與炭化還田的配合處理均能夠顯著的促進(jìn)棉花植株的株高生長，以僅有機(jī)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(dá)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?xiàng)l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(jī)肥還田與炭化還田的結(jié)合比二者單獨(dú)還田更能有效的促進(jìn)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(jìn)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(dá)到11.82%，葉寬以S處理最大，達(dá)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(dá)到顯著水平，說明四個處理均能夠有效的促進(jìn)棉花葉片的生長，以MBc處理對棉花葉片生長的促進(jìn)最為明顯。秸稈直接還田也能較明顯的促進(jìn)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(dá)到11.82%，葉寬以S處理最大，達(dá)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(dá)到顯著水平，說明四個處理均能夠有效的促進(jìn)棉花葉片的生長，以MBc處理對棉花葉片生長的促進(jìn)最為明顯。秸稈直接還田也能較明顯的促進(jìn)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(chǎn)量和干物質(zhì)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(zhì)積累量變化不同，地上部以3.0Bc處理增加幅度最大，達(dá)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(dá)到顯著性差異水平；地下部以S處理增加幅度最大，達(dá)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(dá)到顯著性差異水平，1.5Bc處理降低幅度達(dá)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(zhì)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(jìn)棉花植株的干物質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)量，分別達(dá)到了18.15%、30.25%，隨著炭化還田量的增加，產(chǎn)量顯著增加。最后，S處理則降低了棉花的產(chǎn)量，降低了22.06%，達(dá)到顯著差異水平。M、1.5Bc、MBc與3.0Bc四個處理相比，產(chǎn)量高低順序?yàn)椋篗>MBc>3.0Bc>1.5Bc，說明僅有機(jī)肥還田處理的增產(chǎn)效果最好，MBc次之，1.5Bc增產(chǎn)效果最差。圖5

圖5 不同還田方式下棉花產(chǎn)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(zhì)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(dá)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(biāo)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(xiàn)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(dá)到4.77%。其中，M、1.5Bc、MBc與3.0Bc四個處理相比，表現(xiàn)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(jī)肥還田、有機(jī)肥與炭化還田結(jié)合等不同處理不同程度的促進(jìn)了棉花株高和莖粗的生長，其中有機(jī)肥還田對其促進(jìn)作用最明顯，而單一炭化還田的兩個處理則沒有表現(xiàn)出促進(jìn)作用。葉片是植物生產(chǎn)過程中物質(zhì)積累與生理代謝的基本單元，也是分析環(huán)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(huán)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(jìn)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(jī)肥還田與炭化還田的配施對棉花葉長和葉寬的促進(jìn)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(jìn)棉花的生長，為豐產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

研究結(jié)果顯示，棉花干物質(zhì)積累量與棉花產(chǎn)量變化趨勢基本一致。其中，有機(jī)肥還田、有機(jī)肥還田與炭化還田結(jié)合對棉花的產(chǎn)量以及干物質(zhì)積累量的促進(jìn)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(jié)果一致，短期內(nèi)的秸稈還田有降低產(chǎn)量的趨勢。解文艷等[9]則表明，秸稈有機(jī)肥還田以及直接粉碎還田均能提高玉米的產(chǎn)量，以有機(jī)肥還田提高幅度較大。另有研究表明，但生物炭可以促進(jìn)玉米[16]、水稻[17]等作物的生長，這和研究結(jié)果一致。大量研究結(jié)果表明，秸稈還田、有機(jī)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(jié)果也表明，秸稈還田、有機(jī)肥還田、有機(jī)肥還田與炭化還田結(jié)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(zhì)。

4 結(jié) 論

秸稈的不同還田處理均能夠通過促進(jìn)棉花的生長，達(dá)到增產(chǎn)的目的，并能改善土壤理化性質(zhì)，其中株高、莖粗、葉長和葉寬的增加以有機(jī)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(chǎn)量則以有機(jī)肥還田、有機(jī)肥還田與炭化還田的結(jié)合兩個處理對產(chǎn)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(chǎn)量，分別達(dá)到了18.15%、30.25%；地上部干物質(zhì)積累以3.0t炭化還田處理提高幅度最大，達(dá)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(zhì)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(dá)到了11.03%、10.02%、4.77%。秸稈炭化還田能夠有效的促進(jìn)棉花生長，增加棉花干物質(zhì)積累，提高產(chǎn)量，改善土壤性質(zhì)。