新疆是我国最大干旱区,也是我国最重要的棉花产区,保障新疆植棉业的可持续发展对我国棉花产业具有重要意义。干旱绿洲农田土壤有机碳和总氮含量历来偏低,培肥地力,提高土壤有机碳含量、改善土壤质量是实现棉花可持续增产增效的重要基础。本文针对干旱绿洲棉田土壤有机碳含量偏低,多年来氮素化肥投入量大、肥料利用率低等问题,结合新疆主要农田管理措施,在田间设置秸秆管理和施肥处理,秸秆管理有秸秆还田与秸秆不还田;施肥处理分别是不施肥、单施氮磷钾化肥、单施有机肥和有机无机肥混施;采用裂区试验设计,主区为秸秆还田,副区为施肥处理;采用定位试验方法,研究不同农田管理措施下棉田土壤特性、土壤氮素转化和氮素高效利用的棉花根际过程、氮素吸收和土壤有机碳库等变化规律,明确添加有机物料对土壤特性及棉花氮素利用根际过程的影响。取得的主要研究结果如下:1.研究了秸秆还田和施肥对土壤特性和棉花根际效应的影响。结果表明,实施秸秆还田并结合有机无机肥配施能显著增加干旱区土壤有机碳及其活性组分含量,改善土壤质量。秸秆还田下土壤pH和全氮表现出负根际效应,土壤有机碳和微生物量碳表现出较明显的正根际效应;有机无机肥配施使棉田土壤pH和有机碳表现出较明显的正根际效应,而土壤全氮和微生物量碳根际效应为负效应。秸秆还田和施肥共同作用,对土壤有机碳有显著的正根际效应,对土壤pH和微生物量碳无根际效应。2.研究了秸秆还田和施肥对土壤氮素转化及氮素有效性的影响。结果表明,秸秆还田和施肥显著增加了棉田土壤净矿化速率、净硝化速率、总硝化速率和反硝化速率。棉花不同生育时期不同施肥处理间各指标的变化不同,最大速率出现在盛花期;秸秆还田和施肥显著增加了土壤铵态氮和硝态氮含量,但秸秆还田下各施肥处理间差异不显著,棉花盛花期和盛铃期土壤无机氮含量显著高于收获期。有机肥无机肥配施有最大的土壤净矿化速率、净硝化速率、总硝化速率、反硝化速率、硝态氮和全氮含量。秸秆还田和施肥共同作用,对土壤硝态氮有显著的正根际效应,对土壤铵态氮和全氮有负根际效应。3.研究了秸秆还田和施肥对土壤酶活性和土壤微生物功能多样性的影响。结果表明:秸秆还田下土壤脲酶和蔗糖酶活性显著高于秸秆不还田;有机无机肥混施处理下土壤酶活性最高。0-20cm土层土壤酶活性显著高于20-40 cm土层;不同管理措施综合比较,秸秆还田和有机无机肥配施显著增强微生物对碳源的利用能力,微生物多样性指数增加。有机无机肥配施处理下土壤微生物主要利用的碳源是碳水化合物类、聚合物类和氨基酸类。干旱区农田采用秸秆还田和有机无机肥配施有助于提高土壤酶活性和微生物功能多样性,改善土壤质量。4.研究了秸秆还田和施肥对棉花根系生长及养分利用效率的影响。结果表明:施肥增加了根系组织密度和比表面积,降低了比根长;施肥增加了根系活力和谷氨酰胺合成酶活性;秸秆还田显著降低了棉花根冠比,对根系生物量、细根/粗根比影响不显著,施肥显著增加了根冠比、根系生物量、细根生物量和籽棉产量。秸秆还田和施肥显著增加了土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量,且秸秆作用效果更为显著,棉花盛铃期土壤养分含量最大,且根系氮、磷、钾利用效率对施肥措施较敏感,秸秆还田对总氮、磷、钾利用效率影响较显著。施肥处理中,有机无机肥配施处理显著影响根系形态,根系生理活性最大,土壤养分含量较高。有机无机肥配施能使作物通过细根生长形成一个较庞大的根系,增加了对矿质养分的获取几率。5.研究了长期(10a)秸秆还田和施肥下土壤碳库容量、源汇关系的变化。结果表明:与单施化肥相比,土壤有机碳含量在有机无机肥配施处理下明显提升,年增加速率达到30.3%,且有机肥促进了活性有机碳在总有机碳中的贡献率;有机肥、或有机肥与化肥配施,能有效降低土壤容重,维持土壤结构,而施用秸秆则只能改善耕层范围的土壤肥力。有机肥处理下有机碳储量显著高于施化肥处理,有机肥各处理比不施肥处理高11.5%~15.1%;土壤固碳效率并非随碳投入量增加而维持不变,在定位试验的第8年,固碳效率略降低;经过10年施肥和秸秆还田,棉花籽棉产量均呈明显上升趋势,且有机肥与化肥配施处理效果显著。土壤有机碳含量与棉花产量呈极显著正相关性,随着碳投入量的增加,产量提高。有机无机肥配施显著增加棉田土壤有机碳含量,增加土壤固碳潜力。