麦秆还田对直播和移栽棉花产量及氮素吸收的影响

张旭, 何俊峰, 陈佛文, 李继福*, 吴启侠, 谭京红, 邹家龙

(1.长江大学农学院, 湿地生态与农业利用教育部工程研究中心, 湖北 荆州 434025; 2.荆州市荆州区农技推广中心, 湖北 荆州 434025)

江汉平原是湖北省最大的优质棉生产基地，2017年种植面积占全省的70%左右，同时也是我国长江流域的主要生产棉区[1-2]。研究表明，科学施肥是促进作物增产、增效的重要措施，尤其氮素是影响棉花产量形成的主要养分限制因子[3-7]。李银水等[8]研究得出,湖北省棉花氮(N)肥的适宜用量平均为114 kg·hm-2，比对照可以增产131～1 244 kg·hm-2。但由于土壤养分状况和棉花产量水平差异较大，这一平均施氮量难以适用于江汉平原的中、高产棉田[8]。江汉平原棉区皮棉产量高于1 050 kg·hm-2的中高产棉田，N、P2O5和K2O实际用量分别为225～255、90和180～195 kg·hm-2[3,8]。据资料，长江流域高产棉区的平均籽棉产量(包括棉籽和皮棉)为5 919 kg·hm-2，其N、P2O5和K2O的平均实际施用量达到277、102和205 kg·hm-2；中低产区平均籽棉产量为3 664 kg·hm-2，其N、P2O5和K2O的平均施用量分别为259、93和199 kg·hm-2。与国家推荐施肥量相比，当前的棉花氮肥实际用量偏高，仍有降低潜力和空间[2]。在江汉平原两熟棉区如何合理减氮成为控制化学肥料投入和实行棉田绿色生产的一项重要生产问题。

麦-棉两熟农作制是长江流域棉花的主要种植制度，麦秆还田对该体系的农田土壤氮库和其他营养物质是一项重要的补充[6]。大量研究已表明，麦秆还田具有普遍的增产效应，作物秸秆与化肥配合施用，具有提高农田养分循环和肥料利用率的作用[9-12]。棉花移栽方式下，小麦秸秆覆盖还田可显著提高棉花叶面积指数、延长叶片功能期、提高叶片光合速率，从而防止棉花早衰，增加棉花的单铃重和产量，也可通过根系-微生物系统的物质能量交换，增加作物根系生物量，尤其是棉株叶片氮浓度和产量会随着试验年份延长而显著提高，皮棉产量增幅可达10%以上[11]。此外，随着农业轻简化生产的快速推进，麦后棉花复种直播技术正逐渐取代传统营养钵育苗移栽方式，这也是长江流域棉花恢复生产的关键措施之一。然而，直播和移栽棉花在形态发育、产量水平和养分吸收上存在较大差异[12]，它们对还田秸秆氮素的吸收利用可能存在差异。同时，基于种植习惯，麦-棉两熟区冬小麦收获后，移栽棉花多采用免耕+营养钵育苗移栽的方式，在蕾期适时中耕、追施尿素和覆盖的麦秆一并翻压处理；而直播棉花则需要在播种前期进行小麦秸秆翻压、施肥和整田工序。直播和移栽棉花在生产管理环节上的差异可能会对秸秆腐解及秸秆中氮素的释放、吸收利用产生影响[13-15]，这方面的理论研究还相对较为薄弱。因此，本项目拟在田间试验条件下，通过15N同位素示踪技术研究小麦麦秆还田对直播和移栽棉花产量、地上部干物质量、生长状况、氮素吸收以及秸秆氮素利用的影响，以期为提高秸秆资源利用率，减少棉花季化学氮肥投入提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点和材料

田间试验位于长江大学作物科学研究基地(N 30°21′17″，E 112°08′17″，海拔65 m)，为水稻田改良的旱地，近5年均为冬小麦-棉花农作制，常规施肥管理，秸秆均在收获时移出农田，田块肥力均匀。试验前耕层(0—20 cm)土壤pH 6.74，含有机质23.4 g·kg-1、全氮1.09 g·kg-1、碱解氮115.3 mg·kg-1、有效磷10.4 mg·kg-1和速效钾164.8 mg·kg-1。供试小麦和棉花品种分别为鄂麦1025和中棉所63。

1.2 试验设计

田间试验共设4个处理，分别为棉花直播冬小麦秸秆不还田(D-S)、棉花直播冬小麦麦秆还田(D+S)、棉花移栽冬小麦秸秆不还田(P-S)和棉花移栽冬小麦麦秆还田(P+S)，小区面积30 m2，3次重复，随机区组排列。移栽方式的棉花于2018年5月2日在湖北省荆州市华中农高区进行营养钵育苗，5月22日，各小区同步进行棉花直播和移栽处理，并设置微区2 m×2 m，将15N标记小麦秸秆和基肥翻压还田。直播棉花每穴3粒，出苗7 d后定植1株。各处理移栽和直播密度均为3.67×104株·hm-2，株行距为35 cm×75 cm。冬小麦麦秆还田量为5 500 kg·hm-2，基肥为复合肥(N-P2O5-K2O=18-8-15)750 kg·hm-2，提苗肥和花铃肥各150 kg·hm-2(尿素，N 46%)。棉花生育期天气状况见图1。

图1 2018年试验区棉花季月均降雨量和气温

15N标记麦秆：2017年11月6日，在长江大学教学基地种植冬小麦，施用丰度10%的15N尿素(粉末状，中国化工研究院)和复合肥(15-15-15)600 kg·hm-2，2018年5月收获15N标记的冬小麦秸秆、风干、剪成3～5 cm，供棉花季使用。

1.3 样品采集与指标测定

于收获期(2018年10月28日)在各小区选择有代表性棉株6株测定农艺性状，包括株高、根茎粗、叶片数、果枝数、叶片SPAD和单株铃数。同时，各小区采收正常吐絮铃20个，测定单铃重和衣分。将样品棉花整株取样，去除根表土壤，分为根、茎秆、叶片、棉壳、棉籽和皮棉6部分。各部位植物样品50 ℃烘干、称重，粉碎后过0.85 mm筛后测定全氮含量，适量样品用Emax高能球磨仪(德国Retsch)研磨后，上Isoprime-100稳定同位素质谱仪(钡科瑞检测技术有限公司)测定15N丰度。棉花根系样品采用Microtek扫描仪(ArtixScan 3200XL，中晶科技)扫描，所得图像通过万深LA-A植物根系分析系统获取根系长度、表面积、体积、平均直径和根尖数。各小区成熟籽棉分别在9月10日、10月3日采摘，并于10月28日一次性将剩余籽棉采摘，分别累计产量。相关计算公式[5]如下。

15N原子百分超=标记样品15N丰度-15N天然丰度

植株氮素来自15N标记秸秆的百分比(Ndff)=样品15N原子百分超/标记秸秆15N原子百分超×100%

某一植株组织或器官的15N累积量=该组织或器官氮积累量×该组织或器官的Ndff

秸秆15N回收率=植株15N积累量/投入秸秆15N量×100%

秸秆氮素表观利用率=(麦秆还田氮素吸收量-秸秆不还田氮素吸收量)/秸秆不还田氮素吸收量×100%

1.4 数据处理

所有数据均采用Microsoft Excel 2016和DPS 7.05软件进行处理和分析，LSD法检验差异显著性(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 麦秆还田对直播和移栽棉花生物量及产量的影响

不同处理的棉花产量和生物量(图2)显示，直播不还田时(D-S)，籽棉产量(包括棉籽和皮棉)为3 241 kg·hm-2，麦秆还田(D+S)后籽棉产量增加253 kg·hm-2，增幅为7.8%。移栽不还田(P-S)时，籽棉产量(包括棉籽和皮棉)为4 235 kg·hm-2，麦秆还田(P+S)后增产252 kg·hm-2，增幅为5.9%。与D-S处理相比，D+S处理的叶片、茎秆、棉壳和根系生物量增幅依次为3.7%、4.6%、3.4%和14.6%；P+S处理相比P-S处理，其棉花叶片、茎秆、棉壳和根系的生物量增幅为5.2%、5.6%、7.4%和7.9%。对比直播和移栽两种方式，麦秆还田后直播方式棉花根系生物量的增幅显著高于移栽方式；直播棉花的根系生物量与地上部生物量的比值由0.152(D-S)提高到0.165(D+S)，而移栽处理棉花的根系生物量与地上部生物量的比值没有差异。对比直播和移栽不还田处理，麦秆还田后移栽棉花的叶片、茎秆和棉壳生物量的增幅显著高于麦秆还田后直播处理。此外，各部位生物量占整株生物量的比例(图2)显示，不考虑麦秆还田，直播方式和移栽方式的籽棉产量(包括籽棉和皮棉)占比平均分别为29.8%和32.4%，表明移栽方式的收获指数高于直播方式。整体而言，从籽棉产量和整株生物量来看，不同处理均表现为P+S>P-S>D+S>D-S。

注：不同小写字母表示相同指标不同处理间差异在P<0.05水平具有显著性。

2.2 麦秆还田对直播和移栽棉花地上部及根系生长的影响

由表1可知，与麦秆不还田的直播和移栽棉花相比，麦秆还田后直播和移栽棉花的果枝数、叶片数、叶片SPAD均有不同程度增加，而株高、根茎粗的差异并不显著。直播方式下，麦秆还田比不还田处理棉花的果枝数、叶片数和叶片SPAD分别增加2.7、8.8和2.4，增幅为19.3%、12.3%和6.2%。移栽方式下，麦秆还田后棉花的果枝数显著增加，增量和增幅分别为2.3和12.6%。这说明麦秆还田可显著提高棉花生长指标、延缓叶片衰老，且增加效果表现为直播方式>移栽方式。从棉花的产量构成因子来看,如单株铃数、单铃重和衣分，依然表现为移栽方式>直播方式。移栽方式棉花的单株铃数、单铃重和衣分平均为49.9、5.4 g和49.2%，比直播方式棉花的相应指标分别高24.4%、23.0%和9.9%，均达到显著性水平。

表1 不同处理收获期棉花植株的农艺性状

麦秆还田对直播和移栽棉花的根系生长均有促进作用。麦秆不还田时，直播棉花的根系长度、表面积、体积、平均直径和根尖数分别为213 cm、226 cm2、41 cm3、3.17 mm和103，麦秆还田后，直播棉花根系的相应生长指标分别增加4.7%、8.0%、36.6%、12.6%和14.6%，其中根系体积增加最为显著。麦秆还田时，移栽棉花的根系长度、表面积、体积、平均直径和根尖数比麦秆不还田处理分别增加10 cm、34 cm2、21 cm3、0.14 mm和17，增幅依次达到5.6%、13.0%、35.6%、3.3%和11.9%，其中根系体积增加最明显。可见，移栽方式下棉花根系长度、表面积、体积、平均直径和根尖数分别平均达到258 cm、278 cm2、70 cm3、4.25 mm和152，比直播方式分别提高15.5%、15.5%、30.2%、20.7%和27.1%。

2.3 麦秆还田对直播和移栽棉花氮素吸收的影响

2.3.1不同处理棉花各部位的氮含量 由表2可知，麦秆还田后当季棉株各部位的氮素含量均有不同程度的增加。直播还田(D+S)的棉花叶片、茎秆和根系氮素含量分别较直播不还田(D-S)增加0.05%、0.05%和0.01%，但差异不显著；而棉壳和棉籽氮含量分别显著增加0.15%和0.18%。移栽还田(P+S)的棉花棉籽、叶片、茎秆、棉壳和根系氮含量较移栽不还田(P-S)分别增加0.07%、0.05%、0.05%、0.04%和0.03%，但处理间差异均不显著。相比麦秆不还田，麦秆还田后直播棉花的籽棉和棉壳氮含量增加较多，而移栽棉花的籽棉和叶片增加较多。各处理棉花各部位氮含量的均值表明，不同部位的氮含量表现为棉籽(3.62%)>叶片(2.41%)>棉壳(1.18%)>茎秆(0.82%)>棉根(0.71%)>皮棉(0.18%)。

表2 不同处理棉花各部位的N含量

2.3.2不同处理棉花各部位的氮素累积量 由图3可知，直播不还田(D-S)时，籽棉氮素累积量为70.9 kg·hm-2，麦秆还田后其氮素累积量增加7.7 kg·hm-2，增幅为10.9%。移栽不还田(P-S)时，籽棉氮素累积量为93.6 kg·hm-2，麦秆还田后氮素累积量增加5.8 kg·hm-2，增幅为6.2%。与秸秆不还田相比，麦秆还田后，直播和移栽棉花叶片、茎秆、棉壳和根系的氮素累积量均有提升，增幅最为明显的部位是棉壳和棉根，直播方式的棉壳和棉根增幅分别为18.5%和16.3%，移栽方式的增幅分别为11.3%和 12.5%。麦秆还田对直播棉花的氮素积累促进效果大于移栽棉花。还田后直播棉花整株氮累积量增加14.4 kg·hm-2，增幅为9.1%；而移栽棉花植株氮累积量增加16.5 kg·hm-2，增幅为8.5%。整体来看，与D-S处理相比，D+S、P-S和P+S处理棉株的氮素累积量分别增加14.4、34.6和51.1 kg·hm-2，增幅分别为9.0%、21.8%和32.2%。

注：不同小写字母表示相同指标不同处理间差异在P<0.05水平具有显著性。

2.3.3直播和移栽棉花各部位的15N吸收量 麦秆还田后直播棉花和移栽棉花各部位15N吸收量结果(表3)显示，小麦秸秆释放的15N在直播棉株棉籽、皮棉、叶片、茎秆、棉壳和根系中的积累量分别为1.39、0.002、0.85、0.67、0.55和0.74 kg·hm-2，占各部位氮素吸收量的比值依次为1.80%、0.08%、2.40%、2.50%、2.60%和6.50%。移栽棉株的棉籽、皮棉、叶片、茎秆、棉壳和根系15N吸收量分别为1.62、0.003、0.97、0.86、0.67和0.58 kg·hm-2，占各部位氮素吸收量的1.70%、0.08%、2.40%、2.90%、2.60%和3.80%。移栽棉花除根系15N吸收量低于直播棉花外，其它各部位15N吸收量均显著高于直播棉花，但占氮素吸收量的比例差异并不显著。

表3 不同处理棉花各部位的15N吸收

2.4 棉花季麦秆的氮素回收率

由表4可知，直播和移栽方式下棉花地上部对秸秆氮素的表观利用率分别为8.6%和8.2%；通过15N示踪法，直播和移栽棉花地上部对秸秆氮素回收率则分别为8.9%和10.6%，表明移栽方式的秸秆氮素利用率均显著高于直播方式。直播和移栽棉花根系对麦秆氮素的表观利用率分别为16.4%和12.9%；15N示踪法的直播和移栽棉花根系对麦秆氮素吸收利用率分别为1.9%和1.5%，两者均差异显著。麦秆氮素总回收率结果显示，直播方式和移栽方式的麦秆氮素表观利用率分别为20.7%和23.8%；通过15N示踪法得出直播和移栽方式下麦秆氮素的总回收率分别为10.8%和12.2%。

表4 直播和移栽方式下棉花季的麦秆氮素吸收率

3 讨论

3.1 麦秆还田对直播/移栽棉花生长及产量的影响

作物秸秆富含有机碳和矿质养分，可增加作物产量和土壤养分，而麦-棉轮作连续秸秆还田可显著提高棉花单株铃数、铃重和皮棉产量[14-16]。通常条件下，小麦秸秆还田可使棉花产量增加4%～7%[15]。本研究发现，麦秆还田后，棉花的生物量和产量均有增加。麦秆还田后直播和移栽籽棉产量分别较不还田处理提高7.8%和5.9%，增产效果显著。分析棉花产量构成因子发现，麦秆还田主要提高了直播棉花、移栽棉花的单株铃数和单铃重，对衣分基本没有影响，这和前人的研究[9,12,16]一致。麦秆还田时，移栽棉花各部位生物量均高于直播棉花，尤其棉花根系生物量增幅最大，达到14.6%，这可能与栽培密度、作物群体效应有很大关系。本研究移栽密度3.67×104株·hm-2，王雷山等[17]认为,直播棉花较适宜的种植密度为4.5×104株·hm-2；杨长琴等[6]发现长江流域直播密度为4.5×104～6×104株·hm-2较为适宜；而移栽棉花的适宜密度为3.2×104～3.6×104株·hm-2。因此，直播棉花处理的种植密度太低，可能是造成移栽棉花处理的生物累积量高于直播方式的原因之一。此外，移栽棉花的根茎粗和果枝数显著高于直播棉花；且移栽棉花的生长期早于直播棉花20～25 d，导致收获时移栽棉花吐絮基本结束，而直播棉花仍有未吐絮的棉桃、叶色偏绿(SPAD值较高)，造成两者生育期错位。因此，在较低种植密度下，移栽棉花个体优势明显，对产量的贡献大；直播棉花单株铃数少，群体效应不能完全发挥。因此在大田直播种植时，必需适当增加播种密度，通过群体优势弥补个体生长不足，以达到移栽模式的产量水平，从而实现棉花轻简化生产和经济效益[6,17]。

根系作为植物吸收养分和水分的主要器官，能感知土壤环境的变化并做出响应。因此，根系生长状况也可反映秸秆还田对植株生长环境的影响[18]。本研究发现，栽培方式对根系生长有明显差别，直播棉花以直根系为主，侧根较少；而移栽棉花直根系较浅，侧根发育较多，利于吸收土壤表层养分资源。同时，麦秆还田可显著改善直播和移栽棉花的根系形态，如根系分布、数量和体积，利于棉株根系对秸秆释放养分的吸收利用。Shah等[19]研究表明，秸秆还田在两个轮作周期后才会产生显著的增产效果，而本研究还田年限相对较短。因此，本研究中栽培方式对棉花生长的影响可能多于麦秆还田的效果。

3.2 棉花季还田秸秆的供氮效果

适宜的生物量及其协调的累积动态是建立棉花良好群体结构和高产的重要目标，而生物量累积以养分吸收为基础，尤其是氮素吸收[6]。冬小麦-棉花轮作两熟制下，长期秸秆还田可显著促进植株对土壤氮素的吸收[20-22]。本研究发现，麦秆还田对棉株各部位氮素含量有一定的影响，尤其对直播植株各部位的氮含量和氮吸收影响显著。直播不还田时，籽棉氮素累积量为70.9 kg·hm-2，还田后其氮素吸收增加10.9%。移栽不还田时，籽棉氮素累积量为93.6 kg·hm-2，还田后其氮素吸收增加6.2%。还发现，移栽方式棉花吸收的15N量高于直播棉花，但从各部位占比来看，直播与移栽棉株叶片、茎秆、棉壳、棉籽、皮棉中15N占全部氮积累量的比值相近，仅棉根中15N占全部氮积累量的比值差距较大。这表明，麦秆还田增加棉株对氮素的吸收，但N素在不同部位的分配比例不受种植方式干扰，说明通过15N示踪技术可反映秸秆氮素的吸收和运转情况。处理间根系15N吸收量差异的原因可能与棉花生育期有关[23]，由于本研究中直播和移栽棉花在生育期上有20 d的间隔，直播棉花吸收的氮素仍在根系，还未及时转移到地上部，而移栽棉花已经充分利用根系养分支撑地上部的生殖生长[24-25]。

在评估麦秆氮素回收率时，表观法(表观吸收利用率)与15N示踪法的结果差异显著。因此，通过表观吸收利用率可能高估棉株对秸秆氮素的吸收[26]。因为，作物秸秆还田不仅提供氮素，还提供有机碳和其它矿质元素，这种增产作用是一个综合效应，包括物理、化学和生物特性[27]。从本研究结果来看，棉花季麦秆氮素的当季利用率平均为11.0%，远低于水田秸秆氮素吸收效率。不同于水田氮素释放，旱地田间秸秆的腐解特征和氮素释放受到土壤水分含量的影响较大，释放周期长[26,28]，能够被棉花直接吸收的秸秆氮素显著低于水田环境。当季棉花生长对麦秆氮素的利用率很低，大部分仍残留在土壤中，故而秸秆氮的后效或者残效对充分认识秸秆有机氮转化和吸收十分必要[10]。综上，在麦-棉轮作区，无论是直播棉花还是移栽棉花，秸秆还田均可提高氮素吸收，增加籽棉产量。秸秆还田可适当减少部分化学氮肥投入，以提高秸秆养分资源循环利用和氮肥利用效率。