有機肥部分替代化肥對不同土壤連作棉花根系的影響

摘要：【目的】研究有機肥部分替代化肥對新疆不同連作棉田土壤及棉花根系生長的影響，篩選有機肥部分替代化肥的最佳比例，為新疆連作棉田的科學高效施肥提供參考依據。【方法】在新疆常見的棉田灰漠土和風沙土中種植棉花，采用腐熟的農家雞糞作為有機肥，設置3個有機肥部分替代化肥處理：T1處理：100%化肥；T2：80%化肥＋20%有機肥（有機肥2 250 kg·hm－2）；T3：60%化肥＋40%有機肥（有機肥4 500 kg·hm－2）。采用聚氯乙烯管開展試驗，研究有機肥部分替代化肥對蕾期和吐絮期棉田土壤理化性質，棉花根系的形態特征、生理特征，以及棉花生物量和產量等的影響。并利用綜合隸屬函數法對所有指標進行主成分分析和回歸分析，綜合評價不同比例的有機肥和化肥組合對土壤-棉花系統的整體影響。【結果】有機肥替代化肥的T2處理和T3處理均顯著提高灰漠土和風沙土中土壤全氮和有效磷含量。在灰漠土中與T1相比，T2處理的土壤全磷含量在蕾期和吐絮期分別增加14.7%和30.3%、有效磷含量分別增加138.7%和202.6%；T3處理的土壤全氮含量在蕾期增加39.2%、土壤全磷含量在吐絮期增加46.2%。T2處理和T3處理均使灰漠土中棉花根系的總根長、比根長、比根表面積、根系可溶性糖含量、硝酸還原酶活性顯著增加，而根系組織密度、地上部生物量顯著下降。在風沙土中棉花蕾期，T2處理和T3處理下比根長分別顯著增加11.9%和9.6%。在風沙土中棉花吐絮期，與T1相比，T2處理和T3處理下土壤堿解氮含量分別顯著增加51.3%和97.9%、總根長分別顯著減少26.9%和21.0%；比根長顯著減少33.4%和36.5%。對于風沙土中種植的棉花，T2處理下棉花蕾期和吐絮期比根表面積分別顯著減少18.8%和19.3%；T3處理顯著增加棉花吐絮期根系平均直徑（65.3%）和地上部生物量（27.6%）。【結論】有機肥部分替代化肥可以通過改善灰漠土和風沙土土壤理化特征，提高土壤養分含量，促進棉花根系生理活性和優化根系構型，使根系投入更少的生物量以獲得更高的養分吸收效益，優化對生物量的分配，最終緩解連作障礙。在灰漠土中，有機肥替代40%化肥處理效果最佳。在風沙土中，有機肥部分替代化肥的影響因有機肥添加比例和生育時期而不同。

關鍵詞：有機肥替代；土壤類型；棉花；根系生理；比根長；連作

Effects of partial organic substitution for chemical fertilizer on the root system of cotton continuous cropping in different soil types

Cheng Xiaojiao1， Wang Hushan1， Zhang Zhiyong1， He Yunzhu1， Zhu Jiaqiang1， Yan Ping1， 2， Pu Xiaozhen1， 2*

（1. College of Life Science， Shihezi University， Shihezi， Xinjiang 832000， China; 2. Key Laboratory of Xinjiang Phytomedicine Resource and Utilization， Ministry of Education， Shihezi， Xinjiang 832000， China）

Abstract： [Objective] This study aims to analysis the effects of partial organic substitution for chemical fertilizer on soil and cotton root growth in different continuous cotton fields in Xinjiang， and to reveal the optimal proportion of organic fertilizer dosage， so as to provide reference for the rational application of fertilizers in continuous cotton fields in Xinjiang. [Methods] The cotton were planted in the grey desert soil and aeolian sandy soil， two common soil types of cotton fields in Xinjiang， and" decomposed farm chicken manure was used as organic fertilizer， and setting up three fertilizer treatments： T1 treatment， 100% chemical fertilizer; T2， 80% chemical fertilizer + 20% organic fertilizer （2 250 kg·hm-2 organic fertilizer）; T3， 60% chemical fertilizer + 40% organic fertilizer （4 500 kg·hm-2 organic fertilizer）. The experiments were conducted using polyvinyl chloride pipes to study the effects of partial organic substitution for chemical fertilizer on the physical and chemical properties of cotton soil at the cotton budding stage and boll-opening stages， the morphological and physiological characteristics of cotton roots， as well as the biomass and yield of cotton. Principal component analysis and regression analysis were conducted on all indicators by using the comprehensive membership function method， to comprehensively evaluate the overall impact of different proportions of organic fertilizer and chemical fertilizer combinations on the soil-cotton system. [Results] Both T2 and T3 treatments significantly increased the total nitrogen content and available phosphorus content in grey desert soil and aeolian sandy soil. For grey desert soil， compared with T1， T2 treatment increased the total phosphorus content of the soil by 14.7% and 30.3%， and increased the available phosphorus content by 138.7% and 202.6% during the budding stage and boll-opening stage， respectively. For grey desert soil， compared with T1， T3 treatment increased the soil total nitrogen content by 39.2% during the budding stage and increased the soil total phosphorus content by 46.2% during the boll-opening stage. In T2 and T3 treatments，" the total root length， specific root length， specific surface area， soluble sugar content， and nitrate reductase activity of cotton root were significantly increased， while the root tissue density and aboveground biomass were significantly decreased in gray desert soil. During the cotton budding stage in aeolian sandy soil， the specific root length of cotton were significantly increased by 11.9% and 9.6% under T2 and T3 treatments， respectively. Under T2 and T3 treatments during the cotton boll-opening stage in aeolian sandy soil， the alkaline nitrogen contents in the soil significantly were increased by 51.3% and 97.9%， respectively， while the total root length of cotton were significantly decreased by 26.9% and 21.0%; the specific root length of cotton were significantly decreased by 33.4% and 36.5%. T2 treatment significantly reduced the specific root surface areas by 18.8% and 19.3% during two stages， respectively. T3 treatment significantly increased the average root diameter （65.3%） and aboveground biomass （27.6%） of cotton during the boll-opening stage in aeolian sandy soil. [Conclusion] Partial substitution of chemical fertilizers with organic fertilizers can improve the physical and chemical characteristics of grey desert soil and aeolian sandy soil， increase soil nutrient contents， promote the physiological activity of cotton root， optimize root configuration， and enable cotton root to invest less biomass to obtain higher nutrient absorption benefits， optimize the allocation of biomass， and ultimately alleviate continuous cropping obstacles. In grey desert soil， organic fertilizer replacing 40% chemical fertilizer treatment has the best effect. The effect of partially substituting chemical fertilizers with organic fertilizers in sandy soil varies depending on the proportion of organic fertilizer added and the growth period.

Keywords： partial organic fertilizer substitution; soil type; cotton; root physiology; specific root length; continuous cropping

棉花是重要的可再生資源之一。新疆是我國優質棉的主產區，新疆棉花在全世界的棉花市場也占據著至關重要的地位[1]。根據國家統計局顯示，2022年中國棉花總產量為 5.98×105 kg[2]，總需求量為7.60×105 kg，年均缺口約1.62×105 kg。在耕地面積有限而市場對棉花產量需求不斷增加的情況下[1]，棉花長期連作成為必然。加之，新疆棉田種植面積較大，大面積的輪作倒茬難以實施，導致連作障礙的現象廣泛發生。棉花長期連作引起棉田土壤環境惡化，養分失衡，微生物多樣性銳減，土壤酶學特征改變，對棉花生長發育產生不良影響，導致棉花產量和經濟效益下降，同時也給農田環境帶來了巨大壓力[3]。

為緩解新疆棉田長期連作帶來的不良后果，研究者提出了多種緩解措施，如添加有機肥或生物炭、秸稈還田等[4-6]。其中，有機肥不僅能夠增加土壤有機質含量[7]，維持土壤酸堿平衡，還能增加微生物多樣性，增強微生物活性[4]，改善土壤的物理結構[8]，進而促進養分轉化[9]，而且有機肥易于獲取，因而施用有機肥成為緩解連作障礙廣泛采用且有效的農業措施。研究表明，過量施加化肥會引起土壤理化性狀惡化、肥效下降、板結、酸化[10]及面源污染[11]等生態環境問題。而過量施用有機肥會導致溫室氣體（如CO2和CH4等）[12-13]排放增加，加劇溫室效應，還會增加土壤中重金屬[14]和微生物病原體的含量，引發二次污染[15]。研究發現土壤的類型或基礎性質不同，化肥和有機肥的施加效應也會存在差異[16]。因此，在棉花種植過程中，應避免盲目追求“有機或無機”，亦不能過度依賴“有機或無機”，這就要求針對不同土壤類型選擇合適的有機肥替代化肥的比例。滴灌技術作為新疆干旱區農業生產的主要灌溉方式，在有效節水、促進棉花產量提高的同時還根據需要實現有效控施化肥，并且隨著水肥一體化調控措施和收獲加工技術的成熟，滴灌種植技術已經成為目前新疆棉花主要的種植模式。有機肥部分替代化肥能減少化肥施用量，還能減少因過量施用化肥造成的資源浪費和環境污染[14]。同時，有機肥部分替代化肥施入土壤還能顯著提高后茬棉花的產量及品質，提高土壤肥力，改善土壤環境，對維持生態系統平衡及保障農業的可持續發展具有重要作用。

新疆綠洲農田常見的土壤類型包括灰漠土和風沙土。其中，灰漠土是我國荒漠地帶常見的土壤類型之一，其土壤結構較差，細粒含量高而礫石含量低，有機質含量偏低，一般土色蒼白、質地板結、干燥缺水。當前，新疆的灰漠土分布廣泛，面積高達6.48×105 hm2，其中灰漠土耕地面積達1.01×105 hm2 [17]。風沙土形成于沙性母質之上，具有淋溶層和母質層的初期土壤發育特征，土壤質地粗糙，含鹽量高，有機質層薄，養分含量較低且因地區而異，養分分布不均勻。新疆風沙土面積為 3.719×104 hm2，其中風沙土耕地面積7.152×103 hm2 [18]。一些耐旱、耐鹽堿、適應貧瘠環境的作物適合在灰漠土上種植，如棉花、苜蓿、玉米、大豆等[19-21]。一些耐鹽堿、耐沙土性強、能夠高效利用水分、適應高溫干旱環境的作物適合在風沙土上種植[22]，如棉花、花生和大豆。在新疆，棉花因其較強的耐旱、耐鹽堿能力成為灰漠土和風沙土上的主要種植作物。雖然風沙土和灰漠土的土壤質地均不佳，但與風沙土相比，灰漠土中的有機質含量更高，微生物活性較強。因此，灰漠土的根區養分相對更為豐富，因而有更高的可利用性[23]，這也導致棉花在灰漠土中的養分運移效率高于風沙土。近年來，隨著國家“一帶一路”倡議的推進實施，新疆農田的改良工作不斷加強。新疆的灰漠土和風沙土農田已經成為該地區最為重要的耕地資源[24]，改良灰漠土和風沙土對于充分挖掘土壤資源和落實“藏糧于地”戰略至關重要。然而，關于灰漠土和風沙土連作棉田有機肥部分替代化肥對土壤生產力提升的影響還缺乏系統的研究。

根系不僅是植物吸收養分的重要器官，還是連接土壤和植物的關鍵紐帶，是植物-土壤反饋系統中重要的組成部分[25]。根系覓食過程，即根系對土壤養分、水分的吸收，可以直接或間接影響植物個體的存活、生長，乃至生態系統的結構與功能，成為當前植物行為學研究的熱點內容[26]。植物根系覓食行為是在高度時空異質性的環境中進行的，并表現出對環境變化的高度敏感性，如土壤養分有效性、養分異質性、土壤溫度等均可能對根系的覓食行為產生較大影響，并反饋到植物地上部分[27]。關于根系覓食能力的評價，有的研究通過根系生物量和形態指標，定量衡量覓食“總量”[28]，也有的研究根據根系生理指標研究其內部化學組分，以評估覓食“效率”[29]。在養分貧瘠的土壤中，作物的覓食能力可能發生變化。例如，缺乏磷會導致根系側根數量減少，影響根系發育和覓食能力；缺乏氮元素會刺激根系的分枝增加，導致比根長和非結構性碳水化合物含量的下降，影響根系對氮的覓食效率[30]。土壤類型是影響作物生長和養分吸收的重要因素之一。在不同土壤類型下，根系的形態結構、養分吸收策略表現出明顯的差異[31]。沙質土壤中，作物的根系通常細長，呈分散形態，分支較多，以適應土壤中較高的空隙度和通透性，以更好地吸收水分和養分。在土壤質地較為致密的情況下，根系一般相對較短且分布較淺，吸收區域較為有限。然而，在肥沃的土壤（如壤土）中，根毛通常會以更加密集和發達的形式存在，以擴大根系的吸收面積，提高養分吸收量。

因此，本研究以在灰漠土和風沙土中的連作棉花為研究對象，研究有機肥部分替代化肥對2種連作棉田土壤理化性質、棉花根系生理特征以及根系形態特征的影響，結合棉花的生物量和產量，綜合分析有機肥部分替代化肥對棉田的影響，探討化肥配施有機肥的作用機理，為新疆棉田有機肥配施化肥、合理制定新疆棉花連作障礙消減措施、實現連作棉田的可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本研究用的灰漠土取自新疆生產建設兵團石河子市二連的灰漠土棉田；風沙土取自新疆塔城地區烏蘇市夾河子鄉的風沙土棉田。2種土壤均取連作30年棉田0～30 cm的耕作層土壤。灰漠土pH為7.67，風沙土pH為7.98，2種土壤的養分含量見表1。選用經過腐熟的農家雞糞有機肥（manure fertilizer，MF），其養分含量為：有機質232.5 g·kg－1、全氮18.6 g·kg－1、全磷14.5 g·kg－1、全鉀 22.7 g·kg－1。供試棉花品種為新陸早45號。

試驗設置3個施肥處理，T1處理：僅施用化肥，純N用量為430 kg·hm－2、P2O5用量為400 kg·hm－2、K2O用量為250 kg·hm－2）；T2處理：80% T1化肥用量＋20%有機肥，有機肥用量2 250 kg·hm－2；T3處理：60% T1化肥用量＋40%有機肥，有機肥用量4 500 kg·hm－2。用高40 cm，內徑20 cm，下管口不封閉的聚氯乙烯管（polyvinyl chloride， PVC）于2021年在新疆生產建設兵團石河子大學農學試驗場開展試驗。將取回的灰漠土和風沙土分別與有機肥充分混勻，將15 kg混合土（土壤容重以1.30 kg·cm－3計）填入PVC管中，T2和T3處理每管有機肥用量分別為0.45 kg和0.90 kg。采用隨機區組設計，共6個處理，每個處理10管，每管為1個重復，共60管。有機肥作為基肥播前一次施入，化肥按照石河子二連農場追肥標準進行，整個棉花生育期進行10次滴水、8次追肥，總灌溉量為520 mm。在樣地內挖深50 cm、長40 cm、寬40 cm的土坑，將PVC管垂直埋入土坑，之后將土壤回填到PVC管外側，保證管與土壤緊密貼合。棉花于2021年4月28日播種，每管播種10株棉花，苗期進行間苗處理，每管保留2株生長狀況良好且長勢一致的幼苗。

1.2 樣品采集與測定

分別于蕾期挖取30根PVC管、吐絮期挖出30根管。先沿棉花基莖處將地上部分剪下，然后將整個PVC管挖出。在每根管0～30 cm深的土壤內隨機選取5個不同位置的土壤樣品[32]，將土樣過1 mm篩后自然風干。用洗根法小心洗出根系，再將根放入4 ℃冰箱儲存，并在2 d內完成根系生理指標和形態指標的測定。烘干稱量棉花各部分的生物量并計算根冠比（root-shoot ratio）。在吐絮期，將每管棉花的棉鈴全部采摘保存，送至農業農村部棉花質量監督檢測中心（烏魯木齊）測產。在測定土壤指標和根系生理特征時，為減小組內誤差，本研究采用混合采樣法，即將同一處理的5個管的樣品混合均勻后儲存，測定時取3個重復。

采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機質（soil organic matter， SOM）含量，采用半自動凱氏定氮儀（QSY-I）測定土壤全氮（total nitrogen， TN）含量，采用銻抗比色法測定土壤全磷（total phosphorus， TP）含量，采用火焰光度計法測定土壤全鉀（total potassium， TK）含量，采用堿解擴散法測定土壤堿解氮（alkali-hydrolyzed nitrogen， AN）含量，采用0.5 mol·L－1 NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定土壤有效磷（available phosphorus， AP）含量，土壤速效鉀（available potassium， AK）含量采用1 mol·L－1 NH4Ac 浸提-火焰光度法測定，采用PHS-3C pH計測定土壤pH，以上土壤指標的測定方法均參考《土壤農化分析》[33]。

利用Epson Expression根系掃描儀STD 1600 Scanner獲得每株棉花整株根系掃描圖像（分辨率800 dpi），采用WinRhizo 根系分析軟件獲得棉花平均根直徑（average root diameter， ARD）、根長（root length， RL）、根表面積（root surface area， RSA）等數據。比根長（specific root length， SRL）是根長與根生物量的比值，比根表面積（specific root surface area， SRA）是根表面積與根生物量的比值，根系組織密度（root tissue density， TMDr）是根生物量與根體積的比值。

采用氯化三苯基四氮唑法測定根系活力（root activity， RA），采用硫代巴比妥酸（TBA）反應測定根系丙二醛含量（malondialdehyde， MDA），采用離體法測定根系硝酸還原酶（nitrate reductase， NR）活性，采用比色法測定根系谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase， GS）活性，采用考馬斯亮藍法測定根系可溶性蛋白含量（soluble protein， SP），采用蒽酮比色法測定根系可溶性糖（soluble sugar， SS）含量，以上根系指標的測定方法均參考李合生的《植物生理生化實驗原理和技術》[34]。

1.3 數據處理與分析

將所有數據整理至Microsoft Excel 2010后，使用SPSS 26軟件進行統計分析。利用雙因素方差分析檢驗有機肥用量、土壤類型以及二者之間交互作用對土壤和棉花各項指標的影響。采用Duncan's法判斷各個處理之間的差異顯著性。為對所有數據變量進行降維處理，運用主成分分析法，經KMO球形檢驗和Bartlett檢驗進行綜合評價。最后利用Origin 2024軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 有機肥部分替代化肥對土壤養分特征的影響

從表2可以看出除了土壤類型對吐絮期土壤pH無顯著影響外，施肥處理和土壤類型對蕾期和吐絮期土壤的TN、TP、TK、AN、AP、AK、SOM含量和pH均有顯著影響。土壤類型和施肥處理的交互作用對蕾期AN含量、SOM含量和吐絮期TN含量無顯著影響，對蕾期和吐絮期土壤TN、TP、TK、AN、AP、AK、SOM含量和pH均有顯著影響。在2個生育時期，灰漠土的TN、TP、AN、AP、AK和SOM含量均高于風沙土（圖1）。

在灰漠土中，與T1處理相比，T2處理在蕾期和吐絮期土壤的TN含量分別顯著增加了16.1%和30.4%，TP含量分別顯著增加了14.7%和30.3%，AP含量分別顯著增加了138.7%和202.6%；在蕾期AN含量顯著增加21.6%，在吐絮期AK和SOM含量顯著增加。在T3處理下，蕾期和吐絮期土壤中的TN含量分別顯著增加39.2%和33.8%，AP含量分別顯著增加了313.7%和333.7%，AK含量分別顯著增加38.7%和13.7%，SOM含量分別顯著增加了20.2%和22.1%；在蕾期AN含量顯著增加27.6%，在吐絮期TP含量顯著增加46.2%（圖1）。與T2處理相比，T3處理下蕾期和吐絮期土壤中的AP含量顯著增加了73.3%和43.3%；蕾期土壤中的TN、AK和SOM含量顯著增加，而TP含量和pH顯著下降；吐絮期的TP含量顯著增加，而AK和SOM含量顯著減少（圖1）。

在風沙土中，與T1處理相比，T2處理下蕾期和吐絮期土壤中的TN含量分別顯著增加了18.4%和56.7%，AP含量分別顯著增加了109.8%和150.7%；蕾期的AK含量、吐絮期的AN、pH和SOM含量均呈現顯著增加，分別增加45.3%、51.3%、3.8%和23.0%。T3處理下，蕾期和吐絮期土壤中的TN含量分別顯著增加了36.8%和93.3%，AP含量分別顯著增加了197.4%和406.9%，AK含量分別顯著增加了58.7%和55.1%；蕾期的TP含量和吐絮期的AN含量均顯著增加，分別增加10.1%和97.9%。與T2處理相比，T3處理2個生育時期的AP和AK含量、蕾期的TN和TP含量、吐絮期的AN含量均顯著增加，但吐絮期的SOM含量和2個生育時期的pH顯著降低（圖1）。

2.2 有機肥部分替代化肥對棉花根系形態的影響

由表3可知，土壤類型顯著影響棉花蕾期和吐絮期RL、SRL、RSA、ARD，對蕾期的TMDr和吐絮期的SRA有顯著影響。施肥處理對蕾期和吐絮期的SRL、TMDr、ARD均有顯著影響，對蕾期RL也有顯著影響。土壤類型和施肥處理的交互作用顯著影響蕾期和吐絮期的RL、SRL、ARD以及蕾期的TMDr和吐絮期的RSA、SRA。在蕾期，灰漠土的RL、SRL、RSA和SRA均顯著低于風沙土（圖2）。

在灰漠土中，與T1處理相比，T2處理顯著提高了2個生育時期的棉花RL（蕾期7.6%、吐絮期76.1%）；顯著提高了蕾期ARD（11.3%）、吐絮期SRL（145.9%）和SRA（53.3%）；顯著降低了蕾期TMDr（21.3%）和吐絮期ARD（37.9%）。與T1處理相比，T3處理顯著降低2個生育時期的棉花TMDr（蕾期降低31.9%、吐絮期降低23.8%），顯著增加蕾期RL（33.7%）、SRL（19.4%）以及吐絮期SRA（19.9%）。

在風沙土中，與T1處理相比，T2處理顯著增加蕾期SRL（11.9%），顯著降低蕾期SRA（18.8%）以及吐絮期RL（26.9%）、SRL（33.4%）、SRA（19.3%）。與T1處理相比，T3處理顯著增加蕾期SRL（9.6%）和吐絮期RSA（22.7%）、ARD（65.3%），顯著降低吐絮期RL（21.0%）、SRL（36.5%）和TMDr（35.2%）（圖2）。

2.3 有機肥部分替代化肥對棉花根系生理特性的影響

由表4可知土壤類型對蕾期SS含量和GS活性有顯著影響，對吐絮期RA、SP含量、MDA含量、NR活性有顯著影響。施肥處理對蕾期SS含量、NR活性和吐絮期SP含量、MDA含量、NR活性、GS活性均有顯著影響。土壤類型和施肥處理的交互作用對蕾期SS含量和吐絮期的NR活性、GS活性均有顯著影響。不添加有機肥（T1處理）的情況下，灰漠土中蕾期棉花根系的SP含量和GS活性顯著低于風沙土；灰漠土中吐絮期根系活力和NR活性顯著低于風沙土，但GS活性顯著大于風沙土（圖3）。

在灰漠土中，與T1處理相比，T2處理導致吐絮期棉花根系SS含量顯著增加44.7%；T3處理導致蕾期根系MDA含量、NR活性分別顯著下降34.9%和36.3%，同時也導致吐絮期的根系NR活性顯著增加557.1%（圖3）。T2和T3處理對2個時期的根系活力、SP含量和GS活性均無顯著影響。與T2處理相比，T3處理下蕾期根系NR活性顯著降低44.2%，吐絮期NR活性顯著增加135.8%。

在風沙土中，與T1處理相比，T2處理顯著降低蕾期的根系GS活性；T3處理顯著降低蕾期的根系SP含量和GS活性；T2和T3處理對2個時期的棉花根系活力、SS含量、MDA含量和NR活性均無顯著影響（圖3）。與T2處理相比，T3處理下蕾期根系SP含量顯著降低15.9%，吐絮期根系的SS含量和NR活性分別顯著提高95.2%和86.1%（圖3）。

2.4 有機肥部分替代化肥對棉花生長及產量的影響

施肥處理、土壤類型及兩者的相互作用對吐絮期棉花地上部生物量有顯著影響。土壤類型和有機肥的交互作用顯著影響根系生物量（表5）。

在灰漠土中，與T1處理相比，T2和T3處理下吐絮期地上部生物量分別顯著降低27.5%和19.0%。與T2處理相比，T3處理下蕾期根冠比顯著增加28.5%；T2和T3處理的籽棉產量降低8.2%～19.8%，但是與T1處理差異不顯著（圖4）。在風沙土中，與T1處理相比，T2處理對蕾期和吐絮期的地上部生物量、根系生物量、根冠比均沒有顯著影響，但T3處理吐絮期的地上部生物量顯著增加27.6%（圖4）；T2和T3處理的籽棉產量提高31.2%～32.8%，但是與T1處理無顯著差異。T1處理下，灰漠土吐絮期棉花地上部生物量和根系生物量比風沙土分別高63.7%、60.0%（圖4）。

2.5 有機肥部分替代處理下棉花生長的主成分分析及綜合評價

本研究進行了KMO和Bratlett球形檢驗（KMO＞0.6、Sing＜0.05），結果表明土壤理化性質、棉花根系形態、棉花根系生理指標和生物量等指標間具有顯著相關性。利用成分矩陣和標準化數據得到主成分表達式，再計算綜合得分并進行排名（表6）。結果顯示，對于灰漠土而言，T3處理對棉花蕾期和吐絮期棉田土壤、棉花根系及產量影響更為顯著；對于風沙土而言，蕾期T2處理對棉田土壤的影響更為顯著，吐絮期T3處理對棉田土壤、棉花根系及產量的影響更為顯著。

3 討論

3.1 有機肥部分替代化肥對灰漠土和風沙土土壤養分特征的影響

灰漠土和風沙土作為干旱或半干旱地區沙漠土壤的代表，具有獨特的土壤結構和養分特征[35]。土壤是植物獲取營養物質的重要來源，土壤的質量會直接或間接地影響棉花對養分的吸收，從而影響其生長和產量形成[25]。改善土壤的肥力和水分狀況需針對土壤類型采取相應的措施。本研究表明：有機肥部分替代化肥不僅能增加土壤外源有機磷的輸入，還能促進土壤中固態磷向可利用的游離態磷的轉化[14]，從而增加土壤有效磷含量。此外，有機肥還能為土壤提供穩定的腐殖質，有助于維持土壤的肥力，促進有機物的積累，同時還能增強對土壤氮的保護[36]。

灰漠土存在氮、磷、鉀等關鍵養分匱乏的問題[37]。有機肥替代20%的化肥不僅能加快灰漠土中磷的礦化／活化，增加灰漠土中全磷養分，還能提高棉花吐絮期灰漠土中速效鉀和有機質的含量，這與王西和等[38]的研究結果一致。棉花不同生育時期對氮、磷養分的需求不同[39]。棉花蕾期需要大量的氮以促進葉片的生長和光合作用，而吐絮期則需要大量的磷維持開花結鈴。灰漠土因其土壤結構松散、排水性較好，易導致土壤養分水分流失[40]。因此隨著棉花生育時期的推進，灰漠土中的養分難以滿足棉花生育后期需求。本研究表明，有機肥替代40%的化肥有效地提高蕾期土壤全氮含量和吐絮期土壤全磷含量。這表明施用有機肥不僅能夠改善土壤結構，還能夠滿足棉花不同生長時期的養分需求，利于促進棉花的生長和發育。

風沙土受風力侵蝕的影響，土壤顆粒會被風帶走，這雖然使得風沙土具有良好的通氣性和排水性，但也破壞了土壤的團粒結構，導致土壤養分的流失。有機肥中的有機質在提升風沙土的有機質含量的同時，還能夠增強土壤的結構穩定性，從而改善松散的沙土結構[41]。本研究指出，與單施化肥相比，有機肥部分替代化肥可以提高風沙土中堿解氮的含量。這與汪蘇潔等[42]的研究結果一致。這可能是由于有機肥不僅含有豐富的有機氮，還含有許多有益微生物，這些微生物可以將有機氮轉化為植物可吸收的銨態氮和硝態氮，成為土壤堿解氮的重要來源[43]。但這種改良作用會因棉花生育時期和有機肥替代率不同產生明顯的差異。在本研究中，棉花蕾期有機肥替代20%化肥對風沙土土壤改良作用更為顯著，但吐絮期則是有機肥替代40%化肥效果更好。

3.2 有機肥部分替代化肥對灰漠土和風沙土棉花根系特征的影響

根系生物量可以反映植物根系的整體覓食能力[44]。然而，由于土壤的性質不同，相同生物量的根系可能在形態上存在巨大差異，僅用根系生物量來衡量植物個體根系整體的覓食能力會產生一定的偏差。根系形態指標同根系生物量緊密相關，均可表達覓食器官在“總量”上的性質[28]。根系的總長度和總表面積反映了覓食器官“有效空間”的大小[45]；根系直徑和組織密度反映了覓食器官對有效空間的“占有”情況[46]；比根長反映了細根的形態和生理功能特征，比根長越大，根系覓食能力相對越強[47]。

本研究指出，與風沙土中的棉花根系相比，灰漠土中棉花根系呈現出較低的覓食能力，且在2種土壤中棉花根系的覓食策略也不同。在灰漠土中生長的棉花根系更偏向于“粗”，而非“長”的生長模式，以通過提高對有效空間的“占有”情況來增強根系對養分富集區的覓食能力。在灰漠土中，與單施化肥相比，有機肥部分替代化肥處理的根系總根長、比根長、比根表面積增加，使得根系從“總量”上提高了覓食能力，呈資源獲取型根系。但在碳投資有限的情況下，總根長和總表面積增加可能導致其組織密度的降低，使得根組織的伸展性和防御力減弱[44]。然而，從根系可溶性糖和丙二醛含量變化來看，其并沒有給根系的防御力帶來嚴重的影響，甚至在吐絮期根系防御性有所提高[48]。在風沙土中生長的棉花根系更細長，以便拓寬覓食空間、提高覓食的廣度，這與風沙土中養分流失嚴重、有效性低等土壤特征密切相關。在風沙土中，與單施化肥相比，有機肥部分替代化肥處理顯著降低了吐絮期棉花的總根長、比根長、比表面積和根系組織密度，但增加了根系平均直徑，說明有機肥部分替代化肥使得風沙土的根系生長特征向灰漠土的根系特征 “轉變”，根系從細而長轉為短而粗，這種生長策略有效緩解了風沙土由于養分先天不足而導致的根系“冗余”生長，有利于地上部生物量的積累。

在2種土壤類型中，有機肥部分替代化肥處理對根系的整體影響表現為根系形態的變化較生理更加明顯，這跟生理指標的變化更具瞬時性有關，而形態特征的變化相對穩定。硝酸還原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性是根系進行養分轉化和利用的關鍵酶[49]，它們的活性能夠間接地評估根系對水分和養分吸收的效率。本研究發現，在吐絮期風沙土中根系具有較強的生理活性，即較高的覓食效率。與單施化肥相比，有機肥部分替代化肥處理顯著增加了灰漠土中棉花吐絮期根系可溶性糖含量和硝酸還原酶活性，這可能是因為有機肥中含有豐富的有機質、微生物和可溶性酶，能夠增加土壤養分的有效性，進而反饋于植物根系，促進根系碳代謝和氮轉化[4]。不同的有機肥替代量會對根系有不同的影響[49]。在本研究中，有機肥替代40%化肥對2種土壤中棉花吐絮期根系的影響更加明顯，這說明有機肥可以通過調節植物滲透調節物質的積累，如可溶性糖，增加細胞滲透壓，有助于在吐絮期緩解根系的損傷和衰老[49]。總體而言，有機肥替代20%化肥對灰漠土的影響更大，有機肥替代40%化肥對風沙土的影響更大。

3.3 有機肥部分替代化肥對棉花生物量及產量的影響

在吐絮期，不同施肥處理對灰漠土與風沙土中棉花地上部生物量的差異影響可能與這2種土壤的基礎養分和物理特性有關。但在這2種土壤中有機肥部分替代化肥處理均未顯著影響籽棉產量，這與陶磊等[4]和李鵬兵等[50]的研究結果相一致。有機肥肥效持久但釋放緩慢，而本研究試驗期僅為1年，可能有機肥的正面效應還未完全釋放。本研究發現，有機肥部分替代化肥處理對風沙土和灰漠土均有改良作用，特別是養分有效性，同時還能夠提高棉花根系的覓食能力。但這對土壤和根系的正面影響是否能夠正面反饋于棉花產量，程度如何，可能還需要經過長期的大田原位試驗才能給出答案。

4 結論

在灰漠土中，有機肥替代40%化肥能夠促進土壤養分轉化、調節根系形態，提高植物的養分吸收能力。在風沙土中，有機肥替代20%化肥能夠促進棉花蕾期根系發育和植株生長；有機肥替代40%化肥能夠改善棉花吐絮期土壤結構和養分轉化能力，促進養分吸收。研究結果為科學合理地制定有機肥和化肥施用方案提供了有效依據。然而，尚需進一步研究有機肥部分替代化肥對棉田生態系統的長期影響和持久效果，并結合其他農業措施探討不同土壤類型下有機肥和化肥的配施方案。

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（責任編輯：王國鑫 責任校對：王小璐）

第一作者簡介：程曉嬌（1998―），女，碩士研究生，2304513828@qq.com。

*通信作者：xzh86936@163.com

基金項目：國家自然科學基金（32460538）；新疆生產建設兵團科技計劃項目（2024DB015）；石河子大學青年創新人才計劃項目（CXBJ202201）