单一作物长期连作,由于作物专性吸收而引起土壤某些养分亏缺或比例失衡是连作的主要障碍因子之一。新疆棉花种植比例高,连作年限长,在长期棉花生产过程中,集成了高度机械化作业,增加化肥投入,采用先进的节水滴灌以及全面秸秆还田等农田集约管理组合,使得新疆棉花产量水平稳步提高。然而近年来新疆长期连作棉田棉花生长势差、早衰、死苗等现象普遍,病虫为害严重,农药、化肥用量不断上升,而产出和投入比不断下滑,出现明显的报酬递减规律,严重影响了新疆棉花的可持续生产。基于上述问题,结合新疆农田偏重氮磷施用,不施钾肥,少施或盲目施用微量元素肥料的施肥管理特点,本论文从土壤养分时空变化角度,研究了不同连作年限棉田养分变化规律,探讨棉田养分消耗特征及不同耕作方式的调节效应,为新疆棉花生产中养分科学管理和土壤可持续利用提供理论依据。试验地点选择在棉花连作问题突出,同时改良措施类型多的南疆沙井子垦区进行；研究采用空间替代法,以不同连作年限棉田(初垦1年、连作5年、15年、20年、30年)以及经不同耕作措施改良的棉田(长期连作棉田出现障碍后进行深翻(翻60cm)或稻棉轮作)为研究对象,系统分析了现代集约综合管理模式下,土壤有机质、大量元素(N、P、K)、微量元素(Mo、Cu、Zn、Mn、Fe)、盐基元素(Ca、Mg、Na)等几种主要养分,在不同年限连作棉田和经不同方式改良的棉田土壤100cm剖面中的变化特征及生物循环规律,取得以下主要研究结果：1.新疆棉花长期连作伴随秸秆还田,长期连作棉田土壤有机碳库持续增加,随连作年限延长,剖面0～40cm各土层有机质含量均呈逐年上升态势,具有碳汇功能。经深翻改良的棉田,0-60cm土壤得以充分混合,短期内耕作层(0～20cm)以下相对较深土层有机质含量显著增加,而在后茬棉花生长期间,有机质分解较快,至收获期含量大幅下降,春季深翻较冬季深翻下降更快。经一季水稻轮作改良的棉田,土壤经干湿交替,剖面不同深度有机质含量有不同程度下降,砂性质地土壤中,0～60cm均显著降低,而重壤质地土壤中,短期内下降不明显,但在后茬棉花生长期间下降较多。2.由于长期偏重氮、磷肥投入,长期连作棉田土壤氮、磷养分含量逐年上升,剖面0～40cm各土层全氮、碱解氮、全磷、有效磷含量均随连作年限延长而持续增加。全氮、碱解氮、全磷含量随连作年限延长大幅度提高,而有效磷在连作15年以后,增长速度明显减慢。深翻打破了土壤氮、磷养分在长期连作下形成的剖面分化格局,两种不同形态养分均在20～40cm达含量峰值,与40～60cm土层的含量一并得到大幅度提升,并使该土层段在后茬棉花全生育期的关键生育时期一直保持较高的有效含量。经水稻轮作改良的棉田,重壤质地土壤中,全氮、碱解氮、全磷、有效磷含量未发生明显变化,而砂壤质地土壤中,0-40cm全氮和全磷含量显著降低,且全氮在剖面中呈明显向底部迁移的运移趋势,而碱解氮和有效磷变化不大。3.新疆农田一般不施钾,在秸秆还田和棉花生物吸收作用下,棉花长期连作土壤钾含量在剖面不同深度发生分异。随连作年限延长,上部0-20cm耕作层含量先升后降,一般在棉花连作15年以后开始下降；中部20-70cm逐年下降,砂壤土中以40-50cm耗竭最重,重壤土中较浅,以20-30cm下降最快；下部70-100cm有累积趋势,但在年限之间无明显规律。深翻打破了钾在剖面中自上而下先降后升的分布状态,使0-60cm各土层含量趋于平均化,并促进速效钾的释放,使中部土层在棉花全生育期维持较高的速效钾含量。稻棉轮作虽然在克服连作障碍中有积极作用,但易造成土壤钾沿剖面向底部的淋溶损失,尤其在砂壤质地土壤上种植水稻,下茬棉花全生育期0-40cm土层速效钾水平普遍较低,因此应注重对下茬作物的钾肥补充。4.新疆棉田微量元素施用少,通过秸秆归还和产品器官输出,棉花长期连作,耕作层0-20cm土层全Mo随连作年限增加持续下降,与连作年限呈一元负线性关系；全Cu、全Zn、全Mn含量随年限增加先升后降,与年限呈二次函数关系,分别在连作7-10、10-12、17-18年达到最高累积量,之后持续下降,分别在14-17、20-22、32-34年回到初垦水平。0-30cm有效Cu、有效Mn、有效Fe含量亦随连作年限增加先升后降,在15-20年之后转而下降。中部20-70cm一定深度会因棉花大量吸收消耗而形成低谷,并随连作年限延长而逐年下降,与年限呈一元负线性关系,砂壤土表现较深,一般位于30-50cm处,重壤土中较浅,位于20-30cm处。深翻对微量元素全量和有效含量的剖面分布均有明显的影响,有较强的匀化土层养分的作用；稻棉轮作能明显提升耕作层微量元素有效性,这种作用在重壤土上尤为明显,而在砂壤土上,可使有效Zn在剖面产生一定程度的淋溶。5.新疆农田土壤盐碱化较重,在传统冬灌压盐和生育期膜下滴灌作用下,棉花长期连作,随连作年限延长,Ca、Mg元素由表层向底部迁移的趋势增强,使得耕作层0-20cm及以下20-40cm土层含量有不同程度下降,Na在重壤土表层含量增加,而在砂壤土中30-50cm随连作年限延长逐渐累积。深翻由于人为强烈的扰动,翻耕涉及的深度范围内盐基元素出现平均化分配格局；稻棉轮作在水分的淋洗作用下,盐基元素自上而下运移,可使土壤向脱盐方向转变。6.由于棉花对不同元素的吸收以及不同器官富集养分能力的差异,棉花对土壤不同元素的消耗量和归还量各异。经过多年棉花的连续生产,棉田土壤中部分微量元素和常量元素均有一定程度的贫化趋势,且在土壤中含量水平越低的元素,贫化越明显。棉花对Mo的吸收能力最强,导致长期连作土壤中Mo耗竭最重；随籽棉的收获,棉田微量元素Zn、Cu和常量元素Mg、K的输出较多,而Mn、Fe、Ca、Na等元素在秸秆中富集较多,会随秸秆还田归还农田,消耗不大。7.在现代集约综合管理模式下,新疆棉花长期单一种植,应适当减少N、P肥投入量,改进措施提高养分有效性；应重点补充Mo、Zn和Cu微量元素肥料,酌情补充Mg、K常量元素肥料。并对连作达20年以上的棉田结合土壤深度翻耕,肥料深施等措施提高中部土层K及微量养分含量。棉田Ca、Na含量较新疆士壤背景低,预示着棉田土壤在向着脱盐碱方向发展,然而两元素在秸秆中的比例较高,因此棉花长期连作农田,应注意防止耕作层土壤向次生盐碱化方向发展。