化肥減量有機替代對新疆滴灌棉花產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分的影響

朱倩倩, 武雪萍, 張淑香, 許詠梅, 吉麗麗,趙來明, 李小偉, 馬文新

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所, 烏魯木齊 830091; 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,北京 100081; 3. 新疆慧爾農(nóng)業(yè)集團股份有限公司, 新疆昌吉 831100)

0 引 言

【研究意義】新疆棉花產(chǎn)業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展對我國經(jīng)濟的發(fā)展起著十分重要的作用[1-2]。伴隨著新疆棉花生產(chǎn)水平的升高，存在化肥施用量過高、氮肥用量高、少施或不施有機肥等失衡的施肥現(xiàn)象[3-5], 使得土壤中的養(yǎng)分比例失調(diào), 造成產(chǎn)量降低, 還增加了生產(chǎn)成本, 致使肥料的整體利用率降低、土壤的生產(chǎn)力與農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)均有不同程度下降, 制約著新疆棉花產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展[6]?；书L期不均衡施用將導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)遭受破壞, 土壤的質(zhì)量和養(yǎng)分下降[7]。肥料的過量及不合理施用造成的減產(chǎn)、品質(zhì)降低、環(huán)境污染等問題越來越嚴(yán)重；合理平衡的施肥以及科學(xué)合理的利用是當(dāng)前亟待需要解決的重要問題。【前人研究進展】前人關(guān)于施肥對棉花產(chǎn)量、構(gòu)成因素以及土壤肥力的報道多集中于有機無機肥配施, 過量施用氮肥等方面[8-11]。張美良等[12]采用模擬試驗的方法, 研究了棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素、干物質(zhì)積累和分配與棉田生態(tài)系統(tǒng)中有機無機肥配施的相互作用, 結(jié)果表明與單施無機氮肥相比, 在施入等量N、P、K條件下, 有機無機氮肥配施使棉花單位面積總鈴數(shù)提高, 籽棉產(chǎn)量增加了 2.71%～8.65%。張磷等[13]在對經(jīng)過16 a耕作后的土壤肥力和肥料利用率進行測定, 施用有機無機配施處理的肥料與單施無機肥相比能夠有效減緩?fù)寥浪峄? 且有機無機配施處理肥料的利用率明顯高于單施無機肥處理, 并達到61%以上。隨著滴灌棉花氮肥施用量的逐年升高, 氮肥利用效應(yīng)收益遞減趨向日益明顯[14]；并且施用過量的氮肥不僅造成氮素利用率低, 還導(dǎo)致皮棉產(chǎn)量降低[15]。能有效的增加滴灌棉花產(chǎn)量或保障當(dāng)前滴灌棉花產(chǎn)量水平前提下, 降低化肥總的施用量。作物的養(yǎng)分均衡可以作為一種評估土壤養(yǎng)分投入產(chǎn)出的措施[16], 已被普遍應(yīng)用于相關(guān)農(nóng)業(yè)政策的制定[17]等。【本研究切入點】通過均衡施肥不僅可以提高作物產(chǎn)量, 還可以降低資源的不充分利用[18]。棉花產(chǎn)量及土壤肥力與肥料的平衡施肥響應(yīng)關(guān)系存在明顯差異, 而這方面的文獻鮮見報道。研究化肥減量增施生物菌劑對棉花產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究新疆昌吉棉花品質(zhì)產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分變化, 以優(yōu)化施肥, 減氮30%加氮肥抑制劑, 減氮, 減氮30%加微生物菌劑和習(xí)慣施肥為研究對象, 通過田間試驗, 研究不同施肥對棉花產(chǎn)量、效益及土壤養(yǎng)分的影響, 確定合理平衡經(jīng)濟高效的施肥組合。優(yōu)化施肥策略構(gòu)建化肥減施有機替代的長效機制，分析適合新疆滴灌棉花生產(chǎn)的優(yōu)化施肥模式。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗 2018 年安排在新疆昌吉佃壩鄉(xiāng)進行, 試驗區(qū)位于天山北麓, 東距烏魯木齊市35 km, 地理坐標(biāo)E 86°24′至87°37′, N 43°06′至45°20′, 屬中溫帶大陸性干旱氣候, 主要土壤類型為灰漠土, 質(zhì)地為壤土、輕沙壤、輕粘和粘土, 土壤有機質(zhì)含量一般在0.6%～1.0%。前茬作物為棉花, 供試品種新陸早52號。株距為 11 cm, 播幅內(nèi)寬、窄行距配置為50～32.5～50～32.5 cm, 1膜 4 行, 采取膜下滴灌。0～20 cm 基本理化性狀為pH值8.28，電導(dǎo)率557 μs/cm，有機質(zhì)16.28 g/kg，速效鉀371.55 mg/kg，速效磷26.88 mg/kg，堿解氮24.70 mg/kg，全氮0.84 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗采用完全隨機設(shè)計, 設(shè)5個處理: 優(yōu)化施肥處理 (OPT), 充分考慮當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥用量過大且比例不協(xié)調(diào), 依據(jù)昌吉地區(qū)的測土配方試驗結(jié)果得出更為合理的氮磷鉀肥的用量以及配比, 優(yōu)化施肥處理; 優(yōu)化施肥處理基礎(chǔ)上的減氮30%加0.1%的氮肥抑制劑處理 (OPT+NFI-N30%) ;優(yōu)化施肥處理基礎(chǔ)上不施氮肥 (PK) ;優(yōu)化施肥處理基礎(chǔ)上的減氮30%增加30 L/hm2的微生物菌劑處理(OPT+M-N30%) ;農(nóng)民習(xí)慣施肥處理( CF), 每個處理設(shè)置3個重復(fù), 小區(qū)面積各20 m2, 共15個小區(qū)。優(yōu)化施肥處理推薦施肥量以 ASI 法測試土壤養(yǎng)分和目標(biāo)產(chǎn)量來確定。

磷肥用三料磷肥 (P2O546% ), 鉀肥用硫酸鉀 (K2O 51% ) 。所用氮肥為尿素 (N 46% ), 全部肥料都用做追肥隨水施入, 按照棉花生長發(fā)育規(guī)律分6 次隨水滴施, 追肥比例為6月8日10%、6月15日15%、6月25日20%、7月9日25% 、7月16日20% 、7月24日10%。微生物菌劑液體有機肥采用等量施入, 每次用量為5 L/hm2, 共施用6次，采用隨水施滴施的方法。氮肥抑制劑用量為氮施用量的千分之一, 氮肥抑制劑與化肥混合均勻后隨水滴施。表1

表1 不同處理施肥量Table 1 The different treatments fertilization amount

1.2.2 測定項目

1.2.2.1 棉花產(chǎn)量和衣分

于棉花收獲前, 選擇每個小區(qū)中部進行3個點位連續(xù)1 m樣段采用對角線法選取3個樣點的, 測定單位株數(shù)、單株鈴數(shù)、單鈴重并計算棉花產(chǎn)量。待棉花全部收獲后稱取籽棉的質(zhì)量并計算鈴重, 然后扎取皮棉, 稱出纖維質(zhì)量, 計算衣分。

棉花產(chǎn)量(kg/hm2)=株數(shù)(株/hm2)×單株鈴數(shù)(個/株)×單鈴重(g/個)/1 000。

棉花衣分(%)=皮棉產(chǎn)量(kg/hm2)/籽棉產(chǎn)量(kg/hm2)。

1.2.2.2 土壤pH值和電導(dǎo)率

于棉花收獲后，采集各小區(qū)0～20 cm土壤樣品。

土壤pH值利用PHS-3C精密pH計(水土質(zhì)量比為2.5∶1)測定, 土壤電導(dǎo)率利用電導(dǎo)率儀(水土質(zhì)量比為 5∶1, d S/m)測定。

1.2.2.3 土壤養(yǎng)分

土壤有機質(zhì)利用重鉻酸鉀容量法-外加熱法進行測定, 土壤全氮利用凱氏定氮儀(QSY-I)進行測定, 土壤全磷利用H2SO4-HClO4聯(lián)合消煮, 鉬銻抗比色法進行測定, 土壤全鉀采用NaOH熔融, 火焰光度法, 土壤堿解氮采用堿解擴散法, 土壤有效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定, 土壤速效鉀采用NH4Ac浸提-火焰光度法測定[19]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel2007進行數(shù)據(jù)整理，SPSS 22.0 統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析和不同處理間顯著性檢驗。利用Excel進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對棉花產(chǎn)量和構(gòu)成因素的影響

研究表明，習(xí)慣施肥處理的單鈴重最高, 較PK、OPT和OPT+NFI-N30%處理分別增加了7.13%、5.65%和5.31%；OPT+M-N30%處理的單鈴重與CF處理差異不顯著。優(yōu)化施肥處理的單鈴數(shù)最高, 較CF處理增加了62.97%；OPT+M-N30%、PK的單鈴數(shù)與CF處理差異不顯著, 分別增加了16.42、14.95; OPT+M-N30%和PK處理的單鈴數(shù)比OPT+NFI-N30%處理分別增加了35.76%、34.03%。不同施肥處理單鈴數(shù)依次為OPT﹥OPT+M-N30%﹥PK﹥CF﹥OPT+NFI-N30%。OPT+M-N30%處理的籽棉產(chǎn)量最高, 顯著高于PK和OPT+NFI-N30%處理, 分別增加了7.63%、30.33%；OPT+M-N30%處理的籽棉產(chǎn)量與OPT和CF處理差異不顯著, 較CF處理增加了5.09%, PK和OPT+NFI-N30%處理的籽棉產(chǎn)量比CF處理分別降低了2.41%、19.36%。不同施肥處理籽棉產(chǎn)量依次為OPT+M-N30%﹥OPT﹥CF﹥PK﹥OPT+NFI-N30%；各施肥處理間棉花衣分未達到顯著差異, 保持在38.76%～41.13%, CF處理的棉花衣分含量最低, 不同處理間皮棉產(chǎn)量與籽棉產(chǎn)量差異一致。表2

表2 不同施肥處理下棉花產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 2 The different fertilization treatments on the cotton yield and yield components

2.2 不同施肥處理對土壤pH值的影響

研究表明，OPT+NFI-N30%處理的pH值最高, 較OPT+M-N30%、PK、OPT和CF處理分別升高了0.37、0.35、0.54和0.64個單位；不同施肥處理土壤pH值依次為OPT+NFI-N30%﹥PK﹥OPT+M-N30%﹥OPT﹥CF。圖1

注：不同的小寫字母分別表示數(shù)據(jù)間差異分別達到顯著水平(P<0.05)。下同

2.3 不同施肥處理對土壤電導(dǎo)率的影響

研究表明， OPT+M-N30%、PK、OPT和OPT+NFI-N30%處理的電導(dǎo)率較CF處理分別降低了50.40%、44.46%、28.70%和30.16%；不同施肥處理土壤電導(dǎo)率依次為CF﹥OPT﹥OPT+NFI-N30%﹥PK﹥OPT+M-N30%。圖2

圖2 不同施肥處理對土壤電導(dǎo)率的影響Fig. 2 Effect of different fertilization treatments on soil EC

2.4 不同施肥處理對土壤有機質(zhì)的影響

研究表明，OPT+M-N30%處理的有機質(zhì)顯著高于其余施肥處理, 較PK、OPT、OPT+NFI-N30%和CF處理分別增加了23.08%、9.32%、13.82%和7.74%；不同施肥處理土壤有機質(zhì)依次為OPT+M-N30%﹥CF﹥OPT﹥OPT+NFI-N30%﹥PK。OPT+M-N30%施肥處理有利于提高土壤有機質(zhì)含量。圖3

圖3 不同施肥處理對土壤有機質(zhì)的影響Fig. 3 Effect of different fertilization treatments on soil Organic

2.5 不同施肥處理對土壤速效鉀的影響

研究表明， OPT+M-N30%、PK、OPT、OPT+NFI-N30%處理的速效鉀含量較CF處理分別顯著降低了7.06%、12.37%、7.99%和3.90%；OPT+M-N30%處理的速效鉀含量與OPT處理差異不顯著, 在試驗條件下OPT+NFI-N30%施肥處理土壤速效鉀含量僅次于CF處理。不同施肥處理土壤速效鉀含量依次CF﹥OPT+NFI-N30%﹥OPT+M-N30%﹥OPT﹥PK。圖4

圖4 不同施肥處理下土壤有效鉀變化Fig. 4 Effect of different fertilization treatments on soil available potassium

2.6 不同施肥處理對土壤速效磷的影響

研究表明, PK處理的土壤有效磷含量與CF處理差異不顯著, 僅比CF處理降低了5.9%, 而OPT+M-N30%、OPT、OPT+NFI-N30%處理的土壤速有磷較CF處理分別顯著降低了14.66%、21.96%、9.15%；在試驗條件下PK施肥處理土壤速效鉀含量僅次于CF處理。不同施肥處理土壤有機質(zhì)依次為CF﹥PK﹥OPT+M-N30%﹥OPT+NFI-N30%﹥OPT。圖5

圖5 不同施肥處理下土壤有效磷變化Fig. 5 Effect of different fertilization treatments on soil available phosphorus

2.7 不同施肥處理對土壤堿解氮的影響

研究表明，不同施肥處理對土壤堿解氮均有顯著影響, OPT+M-N30%處理的堿解氮含量與CF處理差異不顯著, 較CF處理增加了5.97%; OPT+M-N30%處理的堿解氮顯著高于PK、OPT和OPT+NFI-N30%處理, 分別增加了140.35%、21.93%和63.02%； PK處理的堿解氮含量最低, 且顯著低于OPT、OPT+NFI-N30%處理; 不同施肥處理土壤堿解氮依次為OPT+NFI-N30%﹥CF﹥OPT﹥OPT+M-N30%﹥PK。且土壤堿解氮的變化趨勢與土壤有機質(zhì)的變化趨勢一致。圖6

圖6 不同施肥處理下土壤堿解氮變化Fig. 6 Effect of different fertilization treatments on soil alkali - hydrolyzable nitrogen

2.8 不同施肥處理對土壤全氮的影響

研究表明, OPT+M-N30%處理的全氮含量與CF處理差異不顯著, 全氮含量僅增加了1.70%, OPT+M-N30%處理的全氮顯著高于PK、OPT、OPT+NFI-N30%施肥處理, 分別增加了15.11%、4.99%、11.35%；PK處理的全氮含量與OPT+NFI-N30%處理差異不顯著, 不同施肥處理土壤全氮依次為OPT+M-N30%﹥CF﹥OPT﹥OPT+NFI-N30%﹥PK。由此可以看出，土壤全氮的變化趨勢與土壤有機質(zhì)及堿解氮的變化一致。圖7

圖7 不同施肥處理對土壤全氮的影響Fig. 7 Effect of different fertilization treatments on soil total nitrogen

3 討 論

一些研究結(jié)果表明[20-21], 土壤的原有肥力水平直接或間接的影響棉花產(chǎn)量的高低, 不論棉田土壤的肥力高低, 有機肥所表現(xiàn)出來的作用都十分明顯, 且有機肥的肥效穩(wěn)定, 有培肥土壤增加土壤養(yǎng)分的作用。棉田施用一定量的生物有機肥, 有利于提高棉花生長后期的干物質(zhì)積累量及養(yǎng)分的累積量, 而且還可以增加棉花的產(chǎn)量。這與研究結(jié)果一致, 氮肥用量減施30%，同時與液態(tài)有機肥配合施用處理的籽棉產(chǎn)量最高, 顯著高于PK和OPT+NFI-N30%處理, 分別增加了7.63%、30.33%, 皮棉產(chǎn)量與籽棉產(chǎn)量差異一致。鄒曉棉等[22]通過研究不同土壤氮素供應(yīng)水平對田間玉米產(chǎn)量的影響指出, 氮肥施用量減少10%的處理和施用量減少20%的處理與農(nóng)民日常習(xí)慣的施肥方式相比, 玉米產(chǎn)量均沒有下降。梁二等[23]就玉米減氮肥開展的試驗認(rèn)為, 氮肥減少15%不會造成玉米減產(chǎn)；這與研究結(jié)果一致, OPT+M-N30%和OPT施肥處理的棉花產(chǎn)量均高于農(nóng)民常規(guī)施肥處理。與單一的施用化肥相比較, 有機肥與無機肥按照一定的比列一起施用對棉花的整體長勢、單株鈴數(shù)、單鈴重等均有一定程度的促進作用, 這可能是由于生物菌劑有機肥的加入，帶來大量的有益作物生長的微生物[21]。

周衛(wèi)軍等[24]指出, 有機無機復(fù)混肥施用能夠改良土壤的物理化學(xué)性狀, 并促進棉田土壤中氮素的礦化速率, 進而顯著增加棉田土壤中的有效氮含量。有研究結(jié)果表明, 有機肥與無機肥配合施用含有豐富的碳源物質(zhì), 能夠刺激棉田中所存在的微生物的活動, 固定一部分土壤中的化學(xué)態(tài)氮, 將作物暫時不能夠吸收利用的那部分氮素同化為有機形態(tài)的氮, 待作物需要吸收利用更多的氮素養(yǎng)分時, 土壤中的微生物群體將會釋放和分解之前所固定的化學(xué)形態(tài)的氮素供給作物的需求, 即能夠?qū)崿F(xiàn)養(yǎng)分的供應(yīng)時期與強度和作物的需肥時期與需肥量保持相同, 進而提高氮素積累量, 提升氮肥的利用率[25-26]。這與研究結(jié)果相似, OPT+M-N30%處理的堿解氮、全氮含量均顯著高于PK、OPT和OPT+NFI-N30%處理, 且含量也略高于農(nóng)民的習(xí)慣施肥。田小明等[20]研究闡明,有機肥和化肥一定比例的混合施用可以提高棉田土壤有機質(zhì)總量。與研究結(jié)果相似, 不同施肥處理土壤有機質(zhì)依次為OPT+M-N30%﹥CF﹥OPT﹥OPT+NFI-N30%﹥PK。

各地域的肥料施用量與配比應(yīng)因地制宜。因此，應(yīng)根據(jù)土壤肥料特征選取合適的品種, 采取合理的施肥措施, 尤其控制氮肥的用量以及與有機肥的配施, 以減施和杜絕肥料的過量施用的現(xiàn)象, 促成新疆滴灌棉花高產(chǎn)量高品質(zhì)的目標(biāo)。

4 結(jié) 論

4.1 優(yōu)化施肥減氮30%增加有機肥有利于棉花增產(chǎn)和提升品質(zhì), OPT+M-N30%處理的籽棉和皮棉產(chǎn)量均最高, 較PK和OPT+NFI-N30%處理分別增加了7.63%、30.33%；OPT+M-N30%處理的籽棉產(chǎn)量與OPT和CF處理無顯著差異, 較CF處理增加了5.09%；CF處理的單鈴重最高, 較PK、OPT和OPT+NFI-N30%處理分別增加了7.13%、5.65%和5.31%, 與OPT+M-N30%處理差異不顯著, 而優(yōu)化施肥處理的單株鈴數(shù)最高，為7.74個；CF處理的棉花衣分含量最低為38.76%。

4.2 不同施肥處理對土壤pH值的影響沒有達到顯著水平, CF處理土壤pH值最低為8.36。優(yōu)化施肥減氮30%增施微生物菌劑處理有利于降低土壤電導(dǎo)率, OPT+M-N30%、PK、OPT和OPT+NFI-N30%處理的電導(dǎo)率較CF處理分別降低了50.40%、44.46%、28.70%和30.16%。習(xí)慣施肥的土壤有效磷和有效鉀均較其余施肥處理有所增加, 且有效磷和有效鉀含量均為最多, 分別為23.10和371.55 mg/kg, 而優(yōu)化施肥減氮30%增施微生物菌劑處理的土壤全氮、堿解氮及有機質(zhì)含量均較當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥處理及其他減氮施肥處理有所增加, OPT+M-N30%處理的全氮含量較CF、PK、OPT、OPT+NFI-N30%施肥處理分別增加了1.70%、15.11%、4.99%、11.35%；OPT+M-N30%處理的堿解氮含量較CF、PK、OPT、OPT+NFI-N30%施肥處理分別增加了5.97%、140.35%、21.93%和63.02%；OPT+M-N30%處理的有機質(zhì)顯著高于其余施肥處理, 較PK、OPT、OPT+NFI-N30%和CF處理分別增加了23.08%、9.32%、13.82%和7.74%。優(yōu)化施肥減氮30%增施微生物菌劑有利于提高棉花產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分含量,促進棉花品質(zhì)的提高及對養(yǎng)分的吸收。