摘要
为明确棉秆粉碎长度和腐熟剂组合应用还田对新疆棉秆还田的腐熟效果，以及对土壤理化性质和棉花产量、品质的影响，采用室内培养和田间试验相结合的方法，室内培养试验设置 3 个梯度腐熟剂用量与 3 种秸秆粉碎长度的组合处理，筛选具有良好腐解效应的适宜腐熟剂用量和秸秆粉碎长度组合；以室内试验结果为基础，设置田间腐熟剂的最佳用量试验。室内试验结果表明，秸秆粉碎长度显著影响棉秆在灰漠土中的腐熟效率，相同腐熟剂用量条件下，秸秆粉碎长度 1 cm 较 5 cm 腐解率提高 23 ～ 32 个百分点；秸秆粉碎长度 1 cm+3 mL/kg 腐熟剂组合的棉秆腐解率最高，达到 52.50%；粉碎长度 5 cm+3 mL/kg 腐熟剂处理的土壤有机质含量最高，较粉碎长度为 1 和 3 cm 处理分别提高 11.52% 和 15.41%。田间试验表明，经田间 180 d 腐熟后，秸秆粉碎长度 8 cm+ 腐熟剂量 11 mL/kg 的组合棉秆腐解率最高，为 35.6%，与不施腐熟剂（CK）相比提高 53%，且 0 ～ 20 cm 土层土壤有机质和全氮分别较 CK 显著提高 26.56% 和 48.09%，碱解氮、有效磷和速效钾含量较 CK 分别提高 57.11%、14.29% 和 14.53%。棉花籽棉产量以秸秆粉碎长度 8 cm+ 腐熟剂量 11 mL/kg 的组合最高，为 6013.95 kg/hm2 ，较 CK 增产 4.94%。综合室内培养与大田试验，室内试验显示，在灰漠土区，棉秆还田适宜的粉碎长度为 1 cm，但限于田间机械粉碎的农机可行性，建议棉秆合理粉碎长度为 8 cm，配合棉秆腐熟剂用量 11 mL/kg，即每千克秸秆添加 11 mL 腐熟剂；在田间条件下，根据棉秆量按比例配施可获得较高腐熟效果并实现土壤培肥和棉花增产。
Abstract
The practice of returning cotton stalks to fields in the Xinjiang region served as a significant strategy for enhancing soil fertility and increasing cotton yield．The effectiveness of this practice was notably influenced by the appropriate stalk crushing length and the quantity of decomposing agent applied．This study investigated the impact of various combinations of stalk crushing lengths and decomposing agent levels on the effectiveness of cotton stalk return，as well as their effects on the soil physical and chemical properties，cotton yield，and quality．A methodology combining indoor cultivation and field experiment was used，with trials conducted across three levels of decomposing agent application and different crushing lengths．Indoor test results indicated that the stalk crushing length substantially affected decomposition efficiency in gray desert soil．Specifically，under equal decomposing agent application，a crushing length of 1 cm increased the decomposition rate by 23 to 32 percentage points compared to 5 cm．The combination of 1 cm stalks and 3 mL/kg of decomposing agent yielded the highest decomposition rate at 52.50%．Conversely，the soil organic matter content was the highest in the group with 5 cm stalks，showing increases of 11.52% and 15.41% over the 1 cm and 3 cm groups，respectively．Field test results showed that，after 180 days of decomposition，the combination of 8 cm stalks with 11 mL/kg of decomposing agent achieved the highest decomposition rate at 35.6%，representing 53% increase compared to untreated conditions．Organic matter and total nitrogen content in the 0-20 cm soil layer were increased by 26.56% and 48.09%，respectively．Furthermore，the contents of alkaline nitrogen，available phosphorus，and available potassium were enhanced by 57.11%，14.29%，and 14.53%，respectively．The combination of 8 cm stalks with 11 mL/kg of decomposing agent also resulted in the highest seed cotton yield，reaching 6013.95 kg/hm2 ，with a yield increase of 4.94%．In regions with gray desert soil，although the ideal crushing length for stalk return being 1 cm，but field mechanical crushing had limitations，so it was suggested that a crushing length of 8 cm should be adopted，in conjunction with 11 mL/kg of decomposing agent．This approach could optimize decomposition outcomes，resulting in improved soil fertility and increased cotton yield．
新疆棉花在我国占有重要的战略地位，据统计显示，2023 年新疆棉花种植面积 236.93 万 hm2，占全国棉花面积的 85%，总产 511.2 万 t，占全国总产的九成以上，年产棉秆约 710 万 t，资源量巨大[1]。棉秆含有大量的有机碳和氮、磷、钾等利于作物生长的营养元素，其直接粉碎还田可作为化肥减量的有机替代方法[2]。因此，棉秆粉碎直接还田是新疆棉花秸秆主要的利用方式，也是稳定和提高土壤肥力的重要措施之一[3]。棉花秸秆中木质素含量较高、结构致密、质地坚硬导致还田后腐解率低[4]。微生物菌剂能够加速棉秆的腐熟，同时能够改良土壤理化性质、改善土壤盐碱化，提高作物的产量，且具有反应条件温和、无环境污染等优点[5]。谢婉莹[6]在实验室利用恒温恒湿箱，采用尼龙网袋法模拟棉秆还田，研究发现不同棉秆还田的粉碎长度（5、10 和 15 cm）对棉秆腐解作用不同，当棉秆长度为 10 cm 左右时，棉秆的腐解效果最好。韩雅娇等[7]调节棉花秸秆在土壤饱和含水量为 20%，粉碎长度为 3 cm 时，其分解率在 100 d 达 44.36%。马志梅等[8] 研究发现玉米秸秆还田配施腐熟剂改善土壤质量的效果更好，且腐熟剂用量不同其效果各异，其中秸秆还田配施 30 kg/hm2 微生物菌剂综合改善 0～20 cm 土层土壤质量的效果最佳。庞荔丹[9]采用玉米秸秆还田 1 年发现，腐解率为 57.9%～74.4%，其中长度为 3～5 cm 秸秆腐解率要高于长度 5～10 cm 的秸秆处理。这些研究成果表明，适宜的秸秆粉碎长度和是否添加腐熟剂均会造成其腐解率的差异。综合文献可以看出二者组合处理将有效提升高木质素的棉秆的腐解效果，但已有研究多聚焦单一措施，组合应用的研究较少，加之秸秆腐熟观察期长，室内与田间组合验证的研究成果少。基于此，本研究基于前期筛选的专用棉秆腐熟剂产品，以北疆典型灰漠土为试验材料，设置 3 个梯度腐熟剂用量与 3 种秸秆粉碎长度的组合进行室内培养试验，确认适宜的最佳腐熟剂用量及粉碎长度；在室内试验的基础上，于新疆北部棉花主产区玛纳斯县开展田间验证试验，通过考察土壤理化性质、棉花产量和品质，优选典型棉区的腐熟剂和棉秆长度的组合模式，为棉秆还田技术优化及棉田培肥提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验位于新疆农业科学院玛纳斯县棉花试验基地，地处中温带大陆性干旱气候，年均温 6.7℃，年降水量 167 mm，无霜期平均 180 d，全年日照总时数 3090 h，≥10℃以上积温 3553℃。试验区土壤类型为灰漠土，土壤基本理化性质如表1所示。
表1试验棉田的土壤理化性质
1.2 试验材料
供试棉花秸秆采集自玛纳斯试验基地，品种为新陆早 64。棉花整株秸秆带回实验室自然风干，80℃ 烘干 8 h，并剪成 1、3、5 cm 小段。该棉花秸秆组分含量为木质素 38.64%、纤维素 36.15%、半纤维素 19.51%。盆栽试验供试土壤取自新疆玛纳斯县，土壤自然风干过 2 mm 筛。供试腐熟剂为自行研发的适用于棉花秸秆的腐熟水剂，由芽孢杆菌、酵母菌、乳酸菌、木霉等菌种组成，有效活菌数≥ 50 亿 cfu/g，纤维素酶活性 ≥ 40 U/g，蛋白酶活性≥ 30 U/g，淀粉酶活性≥ 15 U/g。
1.3 试验设计
1.3.1 室内棉秆模拟还田试验设计
试验于 2022 年 1—6 月开展，采用完全组合试验设计，设置粉碎长度和腐熟剂用量 2 个因素，每个因素设 3 个水平。设 1 cm（L1）、3 cm（L3）、5 cm（L5）3 个粉碎长度；设 D1（1 mL/kg）、D3（3 mL/kg）、D5（5 mL/kg）3 个腐熟剂施用量（表2）。每个处理重复 3 次，共 9 个处理。称取处理好的土壤样品 16 kg 装入盆中，再称取棉花秸秆 4 株，粉碎至设置的长度，掩埋于盆中，埋深 25 cm，180 d 后进行破坏性采样，收集土壤及秸秆，测试相关指标。
1.3.2 棉秆田间填埋试验设计
试验于 2022 年 10 月—2023 年 10 月在玛纳斯棉花试验基地开展。试验采用完全随机设计，设置 ST1（3 mL/kg）、ST2（5 mL/kg）、ST3（7 mL/ kg）、ST4（9 mL/kg）、ST5（11 mL/kg）5 个腐熟剂施用量，并设置对照 CK（不施腐熟剂），共计 6 个小区，长 5 m，宽 2 m，面积 10 m2。目前市面上所采用的秸秆粉碎机的秸秆粉碎长度标准在 5～20 cm 不等，但经调查，80% 以上粉碎机的棉秆粉碎长度在 8～10 cm 之间，所以本试验设置农民惯用的粉碎长度为 8 cm 不变的情况下，调控腐熟剂用量，以考察腐熟剂及粉碎长度与腐熟剂组合对棉秆还田的影响。田间试验使用农户的常用秸秆粉碎机 （河北耕耘 IJHY-230）进行粉碎后称取 8 cm 秸秆 100 g 装入纱网袋，分别进行喷洒相应施用量的腐熟剂和不施腐熟剂 6 种处理方式，将装好的纱网袋埋深 25 cm，分别于试验开始后 90、120、180 d 进行破坏性取样，进行秸秆腐熟情况对比，进一步优化棉秆快速腐熟技术模式。
表2不同秸秆长度和腐熟剂用量组合
表3不同腐熟剂用量组合试验
1.4 指标测定与统计方法
1.4.1 秸秆测试指标及方法
秸秆纤维素、半纤维素和木质素含量测定参考范式法[10]。秸秆腐解率计算方法采用如下公式：
秸秆腐解率（%）=（试验前秸秆质量-试验 n d 时秸秆质量）/ 试验前秸秆质量 ×100
1.4.2 土壤测试指标及方法
土壤有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法进行测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤有效磷采用 0.5 mol/L 碳酸氢钠浸提，钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用 1 mol/L 乙酸铵浸提，火焰光度法测定[10]。
1.4.3 棉花产量测定方法
于棉花吐絮盛期，在每个区内选取有代表性的 5 个点，每个点选取连续 10 株，统计成铃数，计算单株铃数，从棉花植株上、中、下 3 个部位各采棉絮 50 朵，称重后计算棉花单铃重，将籽棉脱籽后计算衣分。将各小区棉花实收后，计算籽棉产量。
1.4.4 数据分析
运用 Excel 2013 和 SPSS 19.0 进行数据处理和统计分析，用 Origin 2022 进行作图。
2 结果与分析
2.1 棉秆粉碎长度与腐熟剂用量组合试验
2.1.1 不同棉秆长度腐熟剂组合模拟还田对秸秆腐解率的影响
由图1a可以看出，随着腐熟剂用量的提高，棉秆腐解率均呈现先升高后降低的趋势，不同棉秆长度条件下，均以添加 3 mL/kg 腐熟剂处理的秸秆腐解率最高，其中 L1D3 腐解率最高，为 52.50%，与 L5D1、L5D3 和 L5D5 处理相比分别提高 32、23 和 29 个百分点，且差异显著（P<0.05）。进一步分析在最优腐熟剂用量 3 mL/kg 条件下秸秆粉碎长度 （图1b），结果显示，随着粉碎长度的降低，腐解率逐渐提高，符合线性关系（y=-12.365x+67.673， R2 =0.9009*），当季最高腐解率为 55.3%，每增加 1 cm 长度，腐熟率将下降 5.47%。经调查 80%～90% 的粉碎机的棉秆粉碎长度在 8～10 cm 之间，因此本研究田间试验设置农民惯用的粉碎长度为 8 cm 不变的情况下，调控腐熟剂用量，以提高腐解率。
图1不同处理下棉秆腐解率的变化
注：柱上小写字母不同表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。
由图2a可知，L3D1 处理的纤维素含量最低，为 26.01%，与纤维素含量最高的 L5D5 处理相比，降低了 39.29%，且处理间差异显著（P<0.05）。当腐熟剂用量不变时，L1D3、L3D3 和 L5D3 处理的纤维素含量表现为 L1D3<L3D3<L5D3。在 L1 和 L5 处理下，当棉秆粉碎长度相同时，纤维素含量随腐熟剂用量的增加而增加，其中纤维素含量表现为 L1D1<L5D1<L1D3<L1D5<L5D3<L5D5，L1D1 处理纤维素含量较 L5D5 降低了 38.17%，达到显著差异水平（P<0.05）。
由图2b可知，L1D1 处理棉秆半纤维素含量最低，L5D1 处理半纤维素含量最高，L1D1 处理较 L5D1 处理半纤维素含量降低了 32.53%，达到显著差异水平（P<0.05）。在 L5 处理下半纤维素含量表现为 L5D5<L5D3<L5D1，各处理间差不异 （P>0.05）。
由图2c可知，L5D3 处理木质素含量最低，在 L1 处理下木质素含量随着腐熟剂用量的增加而降低，L1D5 处理的木质素含量较 L1D1 处理降低了 15.19%，且达到显著差异水平（P<0.05）。当腐熟剂用量不变时，木质素含量表现为 L1D3>L3D3>L5D3。可以看出，随着腐熟剂用量的提高，棉秆半纤维素和木质素的含量逐渐降低，棉秆腐熟剂促进了棉秆半纤维素和木质素的腐解。
图2不同处理下棉秆组分含量的变化
2.1.2 棉秆与腐熟剂优化组合还田对北疆灰漠土肥力的影响
2.1.2.1 土壤有机质
由图3可知，在棉花秸秆长度不变时，随着腐熟剂用量的增加有机质含量呈现先上升后下降的趋势，L5D3 处理的有机质含量最高，较 L1D3 和 L3D3 处理分别提高了 11.52% 和 15.41%，与 L1D3 处理差异显著（P<0.05），与 L3D3 处理间差异不显著（P>0.05）。在 L3 和 L5 处理下，随着秸秆粉碎长度的增加，有机质含量呈上升的趋势，L5D3 和 L5D5 处理较 L1D3 和 L1D5 处理相比分别提高了 11.52% 和 12.49%，但处理间差异不显著（P>0.05）。
图3不同处理下土壤有机质含量的变化
2.1.2.2 速效养分
土壤速效养分是反映土壤耕作措施和土壤肥力与质量最为直接的影响因子，与作物产量、植株生长及土壤环境存在紧密联系[11]。不同处理对土壤速效养分的影响见表4，可以看出， L1D3 处理的碱解氮含量最高，达到 25.41 mg/kg，较碱解氮含量最低的 L3D3 处理提高了 9.09%，各处理之间均未达到显著性差异（P>0.05），
各处理土壤有效磷含量之间同样未达到显著性差异（P>0.05），在秸秆粉碎长度不变的情况下，随着腐熟剂用量的增加，土壤有效磷含量呈先增加后减小趋势；在腐熟剂用量不变的情况下，随着长度的增加，土壤有效磷含量呈先减小后增加趋势。其中有效磷含量最高的处理为 L1D3，达到 32.94 mg/kg，较有效磷含量最低的 L1D1 处理提高了 31.29%。
L1 处理中土壤速效钾含量高于其他处理， L1D1、L1D3 和 L1D5 处理较 L5D1、L5D3 和 L5D5 处理分别提高了 40.35%、11.08% 和 23.35%，其中 L1D3 处理与 L5D1 和 L5D5 处理之间差异显著 （P<0.05）。总体来看，当棉秆长度相同的情况下，腐熟剂用量为 3 mL/kg 的处理棉秆腐熟程度优于其他处理，初步筛选出适宜的秸秆长度与腐熟剂用量组合为 L1D3（1 cm+3 mL/kg）。
表4不同处理对土壤速效养分含量的影响
注：数据后的小写字母不同表示处理间达显著性差异（P<0.05）。下同。
2.2 棉秆快速腐熟还田技术田间验证与优化试验
2.2.1 不同腐熟剂用量对棉花秸秆腐解率的影响
由图4可以看出，在田间试验中棉秆还田配施腐熟剂处理能够提高棉秆的腐解率，随着腐熟剂用量的提高腐解率呈上升趋势，且随着还田时间的推移各处理的腐解率逐渐上升，CK 在 180 d 时较 150 d 和 120 d 时分别提高 42 和 38 个百分点。10 月的腐解率远高于 8 月和 9 月，ST5 处理在 180 d 时腐解率最高，与还田 180 d 时的 CK 和 ST1 处理相比分别提高了 53 和 59 个百分点，且达到显著性差异（P<0.05）。总体来看，ST5 的腐解效果最好。
图4不同腐熟剂用量下土壤腐解率的变化
2.2.2 不同腐熟剂用量对北疆灰漠土肥力的影响
2.2.2.1 土壤有机质
由图5可以看出，各处理均能够提高土壤有机质含量，其中 ST4 和 ST5 处理显著提高了 0～20 cm 土层的土壤有机质含量，分别比 CK 提高了 26.31% 和 26.56%，且差异显著（P<0.05）。对于 20～40 cm 土层，ST1、ST2、ST3、ST4 和 ST5 处理均能够大幅提高土壤有机质含量，较 CK 分别提高了 30.76%、31.53%、 38.04%、38.41% 和 40.88%，且均达到显著性差异 （P<0.05），以上说明，棉花秸秆还田配施腐熟剂能够显著改善耕层土壤的有机质含量，随着腐熟剂用量的提高，土壤有机质含量呈现逐渐升高的趋势， ST5 处理土壤有机质含量达到最高。
图5不同腐熟剂用量下土壤有机质含量的变化
2.2.2.2 速效养分
由表5可以看出，各处理碱解氮含量随着土层深度的增加呈降低趋势。0～20 cm 土层土壤各处理碱解氮含量顺序表现为 ST5>ST2、 ST3、ST4>ST1，ST5 处理较 CK 提升了 14.29%。 20～40 cm 土层土壤各处理碱解氮含量同样随着腐熟剂用量的增加而增加，含量最高的为 ST5 处理，较 ST1 和 CK 处理分别提高了 43.48% 和 56.52%，达到显著性差异（P<0.05）。因此，ST5 处理显著提高了 0～40 cm 土层土壤碱解氮的含量。
0～20 cm 土层土壤各处理的有效磷含量均显著高于 CK，ST4 和 ST5 处理较 CK 分别提高了 68.20% 和 57.11%，且差异显著（P<0.05）。20～40 cm 土层土壤 ST5 处理有效磷含量高于 CK，提高 1.14%，未达到显著性差异（P>0.05）。有效磷含量随着腐熟剂用量的增加呈现逐渐增加的趋势，以 ST5 处理表现较为优异。
各处理速效钾含量随着腐解剂用量的提高而提高，随着土层深度的增加而降低。0～20 cm 土层土壤 ST5 处理速效钾含量比 CK 提高 14.53%，且差异显著（P<0.05）。20～40 cm 土层土壤 ST4 和 ST5 处理速效钾含量分别比 CK 提高 24.20% 和 22.73%，达到显著性差异（P<0.05）。总体来看， ST5 处理能够显著提高 0～40 cm 土层土壤速效养分的含量。
表5不同腐解剂用量对土壤速效养分含量的影响
2.2.3 不同腐熟剂用量对棉花产量的影响
由图6可以看出，不同处理均能够提高棉花籽棉产量，且随着腐熟剂用量的提高棉花籽棉产量逐渐提高，表现为 ST5>ST4>ST3>ST2>ST1，且各处理间差异不显著（P>0.05），分别较 CK 产量提高了 4.94%、4.28%、1.94%、1.48% 和 1.43%，ST5 处理达到显著性差异（P<0.05），结果显示，随着腐熟剂用量的增加，籽棉产量逐渐提高，符合线性关系 （y=28.15x+5699.81，R2 =0.9132），表明棉秆还田配施腐熟剂能够提升棉花产量，为后期棉花的高产奠定基础。
图6不同腐解剂用量下棉花产量的变化
2.3 棉秆腐解率和土壤理化性质与棉花产量的相关性
对棉秆腐解率和 0～20 cm 土层土壤理化性质与产量的相关性分析（图7）表明，棉花产量与棉秆腐解率呈极显著正相关（P<0.01），棉花产量与土壤的有机质含量呈显著正相关（P<0.05）、与土壤全氮、碱解氮和有效磷含量呈极显著正相关 （P<0.01），同时棉秆腐解率与土壤有机质含量呈极显著正相关（P<0.01），这表明提高棉秆腐解率能够增加土壤有机质含量，在持续提高棉花生产能力方面发挥重要作用。土壤有机质含量与有效磷和速效钾呈极显著正相关（P<0.01），研究区域土壤有机质提高主要源于棉秆还田，在提高土壤有机质的同时，也显著增加了土壤有效磷和速效钾含量。
图7棉秆腐解率和土壤理化性质与棉花产量的相关性
注：*、**、*** 分别表示相关性达 0.05、0.01、0.001 水平。
3 讨论
本研究采用室内试验和田间试验的方法，考察了棉秆还田配施腐熟剂对还田效果的影响，室内采用不同的粉碎长度配施不同剂量腐熟剂组合进行盆栽试验，发现棉秆粉碎还田中添加秸秆腐熟剂的棉秆腐解率高于多数单一粉碎秸秆或施加腐熟剂还田试验，可见棉秆还田过程中添加适宜的腐熟剂是十分必要的。
3.1 棉秆粉碎长度与腐熟剂组合应用的优势探讨
本研究设置了 3 种长度的棉花秸秆，1 cm 的棉秆腐解率高于 5 cm 的棉秆处理，虽施加棉秆重量相同，但是由于棉秆粉碎长度不同，长度小表面积大的棉秆更易与土壤微生物接触，因此腐解更快，这与前人研究结果相似[12]。本研究室内试验 L1 处理下，腐解率最高为 52.50%，当棉秆粉碎长度相同时，纤维素含量随腐熟剂用量的增加而增加，木质素含量随着腐熟剂用量的增加而降低。棉花秸秆中木质素组分是限制棉秆腐解的主要因素之一，因此根据室内试验可以看出腐熟剂的添加能够显著降低木质素含量，从而提高腐解率。关于不同长度秸秆还田后在土壤中的腐解速率和对土壤理化性质的影响，国内外学者做了大量研究，大多集中于玉米和大豆的秸秆还田，对于棉秆方面的研究涉及甚少，这与棉秆木质素高，还田监测期长等因素有关。韩雅娇等[13]通过调节土壤湿度和棉花秸秆粉碎程度来提高棉秆还田效果，调节土壤饱和含水量为 20%，粉碎长度为 1 cm 时，棉花秸秆腐解率在 100 d 为 40.04%。当调节棉花秸秆在 50% 土壤饱和含水量下进行分解时，其分解率在 100 d 后达到 54.08%。本试验的土壤含水率在 20% 以内，棉秆粉碎长度为 1 cm 时配施 3 mL/kg 腐熟剂 180 d 的棉秆腐解率为 52.5%，可见调控粉碎长度及添加腐熟剂组合能够显著提高腐熟效果。
艾天成等[14]的试验结果显示棉花秸秆还田能够降低土壤容重和土壤硬度，土壤的总孔度和土壤的通气孔隙度会增多，因此不同粉碎长度会显著影响土壤性质。张建[15]采用尼龙网袋法开展棉秆还田微区试验，通过 60 d 的还田试验发现，腐解率表现为棉秆粉碎长度 3 cm>6 cm>10 cm，棉秆化学成分释放率为木质素 <半纤维素 <纤维素。本研究 ST1 处理的腐解率最高，为 59.51%，低于 3～5 cm 玉米秸秆还田的腐解率，一方面是因为本试验还田所用棉秆长度为 8 cm，该长度为农户普遍所用机器实际棉秆粉碎长度；另一方面是因为棉花秸秆的木质素含量（15%～20%）普遍低于玉米秸秆 （5%～10%），导致棉秆结构致密自身难以降解。
本研究中 1 cm 还田处理的土壤碱解氮、有效磷和速效钾要显著高于 5 cm 的棉秆处理，这主要是由于秸秆内的养分经矿化作用后释放到土壤，秸秆中营养元素的存在形态也是影响秸秆养分释放的关键[16]。刘文国等[17]研究表明，粉碎后的秸秆还田，即使不采取任何措施，也可以显著增加土壤全氮、全磷、全钾含量。
3.2 田间不同腐熟剂用量与棉秆组合的还田效应验证与预测
田间试验中添加秸秆腐熟剂，能够有效提升秸秆的腐解率，增加土壤养分，这一研究结论验证了前人的研究观点。刘方明等[18]在玉米秸秆还田基础上施加腐熟剂，研究发现添加腐熟剂处理能够显著提升秸秆腐解率，2 个月间最优处理组显著提升了 4.02%～16.80% 秸秆腐解率。朱敏等[19]在玉米秸秆还田基础上施用不同剂量的腐熟剂，随着剂量的增加能显著提高秸秆腐解率，使秸秆腐解率提高 8.9%～13.1%；显著提高了土壤有机质、有效磷、全磷、速效钾、缓效钾的含量。尚庆文等[20]在小麦秸秆还田基础上设置了不同腐熟剂种类及腐熟剂用量，同一种秸秆腐熟剂在不同用量的情况下差异明显，秸秆腐熟剂使用量越大，秸秆的分解率越高，土壤各养分指标值随之增大。棉花秸秆中含有丰富的氮、磷、钾、镁和钙等营养元素，棉秆还田后会融入土壤，随之可增加土壤的养分含量，从而促进棉花的生长与发育。李雨沁等[21]在阿克苏地区进行棉秆还田试验，配施不同种类腐熟剂，其中施用金葵子腐熟剂的处理产量最高，较不加腐熟剂秸秆还田处理每 667 m2 增产 76 kg，增产率为 21%。说明腐熟剂可以通过促进秸秆降解，为土壤提供养分，从而提高棉花产量。本研究中 ST5 处理较 CK 产量提高了 4.94%，这是因为添加腐熟剂能够促进棉秆的腐解，加快棉秆养分的释放，腐熟剂施用在棉花秸秆上，随着作物秸秆暴露在空气中，由于与土壤接触不充分，微生物生长繁殖以及活性受到限制，所以对棉花产量提升效果不明显[22]，试验中发现土壤养分的变化会受到施加腐熟剂浓度的影响，且随腐熟剂施用量的增加而提升。其中土壤 0～20 cm 土层养分含量高于 20～40 cm 土层养分含量，同样也可能是由于 0～20 cm 土层土壤棉秆输入量高于 20～40 cm 土层土壤，从而导致养分含量差异增加。
添加秸秆腐熟剂后，棉秆的腐解率显著提高，因此棉秆还田中添加秸秆腐熟剂是必要的。关于不同腐熟剂用量对秸秆还田后在土壤中的腐解速率和对土壤理化性质的影响，国内外学者做了大量研究，但多为玉米、小麦等作物，对于棉秆的研究甚少；新疆作为全国棉花种植主产区，每年产生的秸秆量巨大，合理的施用腐解剂与粉碎长度组合搭配，不仅能高效的提高棉秆腐解率，对新疆棉秆还田研究也提供了理论依据。
根据室内模拟试验得知，随着粉碎长度的提高，腐解率逐渐降低，粉碎棉秆每增加 1 cm 长度，腐熟率将下降 5.47%。通过线性方程预测，当棉秆粉碎长度取 8 cm、腐熟剂量不变时，腐熟率将下降约 44 个百分点，腐熟率约为 10%；反之，若田间试验秸秆长度取 1 cm 时，腐解率亦可增加；田间试验对照处理也验证了这一结果。因此将秸秆粉碎成较小长度配施腐熟剂能够大幅度提升棉秆腐解率，促进土壤培肥。
3.3 棉秆粉碎长度与腐熟剂用量的交互作用
在秸秆腐解过程中，影响秸秆腐解率的因素有很多，史丽霞[23]研究了秸秆降解菌、碳氮比、秸秆长度和土层深度对玉米秸秆还田的影响，发现秸秆降解菌浓度和秸秆长度两因素具有显著性差异。秸秆降解菌 0.5×106 cfu/mL 处理的秸秆腐解率和 1×106 cfu/mL 之间无显著性差异，但均显著高于 0 cfu/mL 浓度处理的秸秆腐解率，秸秆长度 2、3 cm 处理的结果无显著性差异，这 2 个处理的秸秆降解率均显著高于 4 cm 秸秆处理的秸秆降解率，说明秸秆粉碎至适宜长度，秸秆降解菌能有效提高秸秆腐解率。在本研究的田间试验中，棉秆还田配施腐熟剂处理能够提高棉秆的腐解率，当棉秆长度一定时，随着腐熟剂用量的提高腐解率呈上升趋势，且随着还田时间的推移各处理的腐解率逐渐上升，这与前人研究结果一致。
本研究中棉秆还田配施腐熟剂能够显著改善耕层土壤养分，随着腐熟剂用量的提高土壤养分含量呈现逐渐升高的趋势。史丽霞[23]研究认为，秸秆降解菌浓度是影响土壤有机质的最主要因素，而秸秆长度影响相对较弱，且降解菌发酵液浓度为 1×10 6 cfu/mL 和秸秆长度为 4 cm 时有机质含量最高。此时土壤碱解氮含量也最高，且秸秆降解菌浓度和秸秆长度是影响碱解氮和速效钾含量的主要因素，而温度是影响菌剂活性的主要因素，本研究未对试验温度进行重点考察，下一步应在还田中设置不同温度参数试验，以进一步考察粉碎棉秆配施腐熟剂还田的效果。
4 结论
（1）采用室内试验和田间试验的方法，开展了棉秆还田配施腐熟剂对还田效果的影响研究，室内试验结果表明，当棉秆粉粹长度为 1 cm 时，配施腐熟剂能够促进棉秆中纤维素的腐解；当粉碎长度为 1 cm 配施 3 mL/kg 腐熟剂处理的腐解效果较为理想，其碱解氮、有效磷和速效钾含量均最高；粉碎长度 5 cm 配施 3 mL/kg 腐熟剂处理的有机质和全氮含量最高。
（2）田间试验结果表明，施用 11 mL/kg 腐熟剂在还田后 180 d 时处理的腐解率最高，相比不施用腐熟剂处理提高了 59 个百分点。施用腐熟剂处理显著提高了 0～40 cm 土层的土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量。棉花籽棉产量随腐熟剂用量的提高逐渐提高，施用 11 mL/kg 处理籽棉产量为 6013.95 kg/hm2，较 CK 产量提高了 4.94%，棉秆还田过程中添加适宜的腐熟剂是十分必要的。
（3）综合田间还田机械操作的可行性，建议棉秆还田适宜粉碎长度小于 8 cm，配合棉秆腐熟剂用量 11 mL/kg 为最佳组合。棉秆还田作为土壤培肥，尤其是新疆棉区地力提升的重要措施之一，作用不容小觑，研究结果也为新疆棉秆高效还田提供了参考。