江漢平原棉花—小麥種植制氮磷肥料的合理分配研究

摘要：采用定位試驗(yàn)連續(xù)3年研究了江漢平原棉花—小麥種植制氮、磷肥料的合理分配，結(jié)果表明，在周年氮、磷肥料施用總量不變的條件下（N 375 kg/hm2 和P2O5 150 kg/hm2 ），棉花—小麥種植制氮、磷肥料最佳分配方式為棉花季N 270 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2，N 小麥季105 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2。根據(jù)市場上棉花和小麥的銷售價(jià)格，僅從增產(chǎn)增收的角度，在棉花預(yù)期產(chǎn)量為中、高水平的情況下，可以酌情將小麥季的部分氮肥（<50%）前移到棉花季，適當(dāng)增加棉花季的產(chǎn)量和收入，從而增加兩季作物的總收入；但從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，氮、磷肥料的分配方式仍以推薦施肥更好，這樣可以提高整個(gè)種植周期氮、磷肥料的累計(jì)利用率，減少土壤剖面硝態(tài)氮素積累，降低氮、磷損失風(fēng)險(xiǎn)。在本研究條件下，施肥的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效應(yīng)難以完全協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

關(guān)鍵詞：棉花—小麥種植制；氮肥；磷肥；合理分配；江漢平原

中圖分類號：S512.1；S562；S147.21+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）06-1302-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.06.006

Abstract： Rational assignment of Nitrogen （N） and Phosphorus （P） Fertilizers in cotton-wheat cropping system in Jianghan Plain was studied by a fixed field experiment site from May 2007 to May 2010. Results showed that when the annual total N and P fertilizers application rates were N 375 kg/hm2 and P2O5 150 kg/hm2， the optimal assignment of N and P fertilizers in cotton-wheat cropping system was N 270 kg/hm2 and P2O5 75 kg/hm2 applied in cotton， N 105 kg/hm2 and P2O5 75 kg/hm2 applied in wheat， respectively （recommendations）. According to the price of cotton and wheat of present market， if only yield and economic profit were taken into consideration， part of N fertilizers recommended in wheat（less than 50%）could be applied in cotton when the predicted cotton yield goal was from medium level to high level. By this way， both yield and economic profit from cotton， the total economic profit from the 2 crops could be increased. If environment protection was considered， the rational assignment of N and P fertilizers was still recommended， by which the total use efficiency of N and P in cotton-wheat cropping system could be increased， the NO3--N accumulation in different layers of soils could be decreased， therefore the risk of N and P losses from agricultural soils could be decreased. It is difficult to completely coordinate the economic profit and the environmental effect under the experimental conditions.

Key words： cotton-wheat cropping system； nitrogen fertilizer； phosphorus fertilizer； rational assignment；Jianghan Plain

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中，需要研究土壤—作物系統(tǒng)內(nèi)養(yǎng)分的循環(huán)和平衡，使有限的養(yǎng)分得到最大限度的利用[1]，并加強(qiáng)土壤—作物系統(tǒng)內(nèi)養(yǎng)分的調(diào)控，使養(yǎng)分循環(huán)向有利于人類的方向發(fā)展[2]。有利于人類的方向即經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效應(yīng)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。“土壤對氮肥的環(huán)境承受力”[3]和“土壤—作物系統(tǒng)對氮肥的緩沖能力”[4]等概念的提出均是為了試圖解決這一問題[5]。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施肥的環(huán)境效應(yīng)正受到越來越多學(xué)者的關(guān)注[5-7]。江漢平原是湖北省最大的棉花主產(chǎn)區(qū)和優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地， 也是全國棉花單產(chǎn)水平較高的棉區(qū)之一[8]，在棉花生產(chǎn)中，氮肥施用過量的問題比較突出[9]。江漢平原地區(qū)水網(wǎng)密集、降雨量豐富，肥料中的氮、磷等養(yǎng)分易隨雨后產(chǎn)生的地表徑流損失[7]。20世紀(jì)90年代在江漢平原棉花—小麥種植制上開展了較多鉀肥合理分配的定位試驗(yàn)研究[10，11]，棉花—油菜輪作制中磷、鉀肥料的合理分配也有涉及[12]，氮肥方面的相關(guān)研究則未見報(bào)道。本研究在棉花—小麥種植制周年氮、磷肥料施用總量不變的基礎(chǔ)上，探討不同氮磷肥料分配方式對作物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、土壤養(yǎng)分平衡和氮素殘留的影響，為提出江漢平原乃至整個(gè)南方水網(wǎng)農(nóng)區(qū)棉花—小麥種植制中兼顧增產(chǎn)增收與減少氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)的肥料分配方式提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)安排在湖北省沙洋縣李市鎮(zhèn)光芒村棉田，供試土壤為長江沖積物母質(zhì)發(fā)育的灰潮土，質(zhì)地輕壤。前作為小麥，土壤pH 8.06，有機(jī)質(zhì)14.2 g/kg，全氮0.998 g/kg，全鉀22.9 g/kg，堿解氮68.0 mg/kg，有效磷2.48 mg/kg，速效鉀85.0 mg/kg。

供試棉花品種為龍祥棉1號，小麥為鄭麥9023。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)為定位試驗(yàn)，并從棉花季即2007年5月開始試驗(yàn)。每個(gè)棉花—小麥種植周期共施N 375 kg/hm2、P2O5 150 kg/hm2 和K2O 300 kg/hm2 ，其中棉花和小麥分別施N 225 kg/hm2和K2O 75 kg/hm2，棉花另施硼砂7.5 kg/hm2。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置5個(gè)氮、磷肥分配方案，處理1：推薦施肥，即棉花季N 270 kg/hm2、75 kg/hm2 P2O5，小麥季N 105 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2；處理2：小麥季一半氮肥前移到棉花季，即棉花季N 322.5 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2，小麥季N 52.5 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2（以下類推）；處理3：小麥季一半氮肥和一半磷肥前移到棉花季；處理4：小麥季全部氮肥前移到棉花季；處理5：小麥季全部磷肥前移到棉花季。

氮肥用尿素，棉花季40%基肥+30%蕾肥+30%花鈴肥，小麥季80%基肥+20%越冬肥；磷肥用普鈣（P2O5 12%），棉花季和小麥季磷肥全部基施；鉀肥用氯化鉀（K2O 60%），棉花季60%基肥+40%蕾肥，小麥季鉀肥全部基施；棉花季硼肥也全部基施。

試驗(yàn)每小區(qū)30 m2，重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列。棉花采用營養(yǎng)缽育苗移栽的方式，移栽密度為18 000株/hm2；小麥條播，播種量為112.5 kg/hm2。及時(shí)防治病蟲草害。分區(qū)記錄每季作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量。其他田間管理方式與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶相同。

1.3 測定內(nèi)容和方法

1.3.1 土壤樣品 在試驗(yàn)開始前采集0-20 cm和20-40 cm土樣，風(fēng)干后制樣，用常規(guī)方法分析土壤基本理化性狀[13]。棉花第一季和第三季（總第五季）收獲結(jié)束后，采集各小區(qū)0-20 cm和20-40 cm土樣，紫外分光光度法測定鮮土樣NO3--N（硝態(tài)氮）和NH4+-N（銨態(tài)氮）含量[13]。

1.3.2 植株干物質(zhì)重及氮素含量 棉花收獲中期各小區(qū)單獨(dú)收獲50鈴，曬干后稱重，按皮棉和子棉分別制樣，拔棉稈前采集代表性棉稈樣，小麥?zhǔn)斋@前采集代表性樣本按子粒和秸稈分別制樣。所有樣品分別測定全氮和全磷含量[13]，計(jì)算作物收獲時(shí)從土壤攜出的總氮、總磷量，估算土壤養(yǎng)分平衡狀況。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一般統(tǒng)計(jì)在Microsoft Excel中進(jìn)行，方差分析采用SPSS 11.5統(tǒng)計(jì)軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮、磷分配方式對作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響

第一至三個(gè)種植周期產(chǎn)量結(jié)果表明（表1），將試驗(yàn)中推薦施肥處理（處理1）的產(chǎn)量相對值設(shè)為100.0，將小麥季一半氮肥前移到棉花季（處理2）、一半氮肥和一半磷肥前移到棉花季（處理3）、或者全部氮肥前移到棉花季（處理4），棉花產(chǎn)量均為基本平產(chǎn)，產(chǎn)量相對值為93.0～104.0，小麥產(chǎn)量除了處理3和處理4在第一輪作周期顯著下降以外，其他均不顯著；將小麥季全部磷肥前移到棉花季（處理5），棉花產(chǎn)量略有增加，但各年均不顯著，而小麥產(chǎn)量則顯著下降，相對產(chǎn)量值下降到87.0以下。

從3個(gè)種植周期的年均產(chǎn)量來看（表2），處理3或處理4的棉花和小麥均略有減產(chǎn)，但減產(chǎn)不顯著；處理2的棉花略有增產(chǎn)，小麥基本平產(chǎn)；處理5的棉花增產(chǎn)5%，但不顯著，小麥則顯著減產(chǎn)，產(chǎn)量相對值僅為86.1。可見，小麥對磷的供應(yīng)比較敏感，這與供試土壤有效磷含量較低，冬季作物生長發(fā)育需要較高的磷濃度有關(guān)。

從兩季作物的綜合經(jīng)濟(jì)效益來看（表2），以處理1為對照，處理2棉花季凈增收入增加，小麥季凈增收入減少，總體表現(xiàn)為略有增收；處理3和處理4的兩季作物凈增收入均表現(xiàn)為減少；處理5棉花季凈增收入增加較高，但小麥季凈增收入減少得更多，總體表現(xiàn)為凈增收入下降。

綜上所述，在棉花—小麥種植制中，從增產(chǎn)增收的角度來看，氮、磷肥料的合理分配方式以“推薦施肥”和“小麥季一半氮肥前移”2個(gè)處理較好，即棉花季N 270 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2，小麥季N 105 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2，或者棉花季N 322.5 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2，小麥季N 52.5 kg/hm2 、P2O5 75 kg/hm2。近幾年來江漢平原棉花和小麥的價(jià)格比平均為3.65。在本研究中，處理2比處理1平均多收棉花30 kg/hm2，少收小麥70 kg/hm2，因此，只要棉花與小麥的價(jià)格比不發(fā)生太大的波動（即大于2.30），在棉花預(yù)期產(chǎn)量為中、高水平又不明顯影響小麥產(chǎn)量的情況下，可以酌情考慮將小麥季的部分氮肥（<50%）前移到棉花季，適當(dāng)增加棉花產(chǎn)量，以便增加兩季作物的總收入。

值得一提的是，從區(qū)域生產(chǎn)水平來看，本研究中第一、第二個(gè)種植周期，棉花產(chǎn)量均因氣候等條件的影響而明顯低于該區(qū)域常年平均水平，而3季小麥產(chǎn)量均與區(qū)域平均產(chǎn)量水平相當(dāng)[14]。因此可以預(yù)期，如果大田生長期間無明顯異常氣象條件出現(xiàn)，棉花產(chǎn)量可能會更高，小麥季部分氮肥前移到棉花季的經(jīng)濟(jì)效益可能會更明顯。

2.2 不同氮、磷分配方式對作物養(yǎng)分?jǐn)y出量和土壤養(yǎng)分平衡的影響

由表3中結(jié)果可見，第一至三個(gè)棉麥種植周期，在氮、磷肥料施用總量一定的條件下，處理2、3、4、5的棉花氮攜出量均有一定增加，但不顯著；處理5的棉花磷攜出量顯著增加。與此同時(shí)，小麥季減施氮肥和（或）磷肥，氮攜出量顯著降低，磷攜出量也有不同程度降低。從不同處理兩季作物吸收并從農(nóng)田攜出的年均養(yǎng)分總量來看，氮攜出量大小順序?yàn)樘幚?>處理4>處理2>處理5>處理3，且處理5和處理3顯著低于處理1；磷攜出量大小順序?yàn)樘幚?>處理5>處理4>處理3>處理2，且處理3和處理2顯著低于處理1。與處理1相比較，其他氮、磷分配方式處理都有一定量的氮、磷盈余，攜出量越低，土壤盈余量越大。

從棉花、小麥各季氮、磷施入量和攜出量的相對大小來看（表3），棉花季不同處理均有較高的氮盈余（148.2～250.4 kg/hm2）和一定量的磷盈余（16.7～47.9 kg/hm2），氮盈余量大小順序?yàn)樘幚?>處理2>處理3>處理1>處理5，磷盈余量大小順序?yàn)樘幚?>處理3>處理2>處理1>處理4；小麥季氮素均有不同程度的虧缺，虧缺量大小順序與棉花季氮盈余量大小順序相同，磷素除了處理5表現(xiàn)為虧缺、處理3基本平衡之外，其他處理均有一定的盈余。有研究表明，當(dāng)季盈余的化學(xué)肥料氮絕大部分并不能在土壤中積累起來，而是以各種途徑損失，如進(jìn)入大氣或水體環(huán)境[15]，從而增加對周邊水體環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)。盡管棉花氮素需求量相對較高，但在大田生長期有較多的落花、落蕾、落桃和落葉發(fā)生，棉花氮素最大吸收量明顯高于其最終從土壤攜出的量[16，17]，當(dāng)季氮肥往往出現(xiàn)較高的盈余[9]。江漢平原棉花肥料氮、磷的地表徑流平均流失率分別為5.4%和3.1%，且主要發(fā)生在3～8月降雨比較集中的時(shí)段[7]。由此看來，氮、磷肥料的分配還是以盡量減少棉花季的盈余量為宜。

綜上所述，在一定的施肥總量和最大限度保證增產(chǎn)增收的前提下，從提高當(dāng)季肥料養(yǎng)分利用率，減少農(nóng)田氮、磷面源污染風(fēng)險(xiǎn)的角度，棉花—小麥種植制中氮、磷肥料的分配方式仍然以推薦施肥最好。

2.3 不同氮、磷分配方式對土壤速效氮累積的影響

棉花第1季收獲后土壤分析結(jié)果表明（表4），小麥季氮肥全部前移到棉花季處理（處理4）表層和底層土壤中的硝態(tài)氮含量均顯著高于推薦施肥處理（處理1），其他不同氮磷分配處理之間差異不顯著；表層和底層土壤中的銨態(tài)氮含量，不同氮磷分配處理之間的差異也不顯著；硝態(tài)氮與銨態(tài)氮之和，表層土壤處理4比處理1高2.24 mg/kg（高17.4%），底層土壤處理4比處理1高3.36 mg/kg（高39.4%），從相對值來看，其他處理之間相差不大。

棉花第三季（總第五季）收獲后土壤分析結(jié)果表明（表4），不同處理、試驗(yàn)小區(qū)之間硝態(tài)氮含量的變異隨試驗(yàn)進(jìn)程增大，不同土層硝態(tài)氮含量在不同氮、磷分配處理之間差異不顯著，但仍然表現(xiàn)出棉花施氮量越高則硝態(tài)氮含量越高的變化趨勢，且以底層土壤表現(xiàn)更明顯；各土層銨態(tài)氮含量變化規(guī)律不明顯；不同氮、磷分配處理硝態(tài)氮與銨態(tài)氮之和，表層土壤處理4比處理1高6.83 mg/kg（高35.6%），底層土壤處理4比處理1高5.93 mg/kg（高63.8%）；從棉花第一季（總第一季）到棉花第三季（總第五季），不同氮、磷分配處理硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量之和均隨試驗(yàn)進(jìn)程而增加，并且棉花季施氮量越高，土壤速效氮?dú)埩袅吭酱蟆?/p>

硝態(tài)氮較易從表層土壤隨水淋失下移，而銨態(tài)氮則更趨于累積在土壤表層[6]。當(dāng)季施氮量越高，土壤中累積的硝態(tài)氮越多[6]，雖然這些累積的氮素容易被下一季作物吸收利用，但在降雨條件下其淋失風(fēng)險(xiǎn)也較高，容易形成周邊水體的污染源。研究區(qū)域試驗(yàn)土壤質(zhì)地較輕，而砂質(zhì)土壤比粘質(zhì)土壤更有利于硝態(tài)氮的深層遷移[18]，因此從減少土壤硝態(tài)氮素累積、減輕周邊水體環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)出發(fā)，棉花—小麥種植制中氮磷分配方式仍然以推薦施肥最好。

3 小結(jié)與討論

在江漢平原棉花—小麥種植制周年氮、磷肥料施用總量一定的條件下，氮、磷肥料最佳分配方式為棉花季N 270 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2，小麥季N 105 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2（推薦施肥）。根據(jù)目前市場上棉花和小麥的銷售價(jià)格，僅從增產(chǎn)增收的角度考慮，在棉花預(yù)期產(chǎn)量為中、高水平且又不明顯影響小麥產(chǎn)量的情況下，可以酌情將小麥季的部分氮肥（<50%）前移到棉花季，適當(dāng)增加棉花季的產(chǎn)量和收入，從而增加兩季作物的總收入；但從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，氮、磷肥料的分配方式仍以推薦施肥更好，這樣可以提高整個(gè)種植周期氮、磷肥料的累計(jì)利用率，減少土壤剖面硝態(tài)氮素累積，降低氮、磷流失（氮素還有氣態(tài)損失）風(fēng)險(xiǎn)。由此看來，在本研究條件下，施肥的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效應(yīng)難以完全協(xié)調(diào)統(tǒng)一。要進(jìn)一步提高棉花氮肥的當(dāng)季利用率，減少氮肥流失，還要采用施緩控釋氮肥、應(yīng)變式施肥等多種措施，并加強(qiáng)田間管理，使棉花的產(chǎn)量水平得到最大程度的發(fā)揮。

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