有機肥替代對棉花養(yǎng)分積累、產(chǎn)量及土壤肥力的影響

汪蘇潔，貴會平，董強，張恒恒，王香茹，牛靜，張西嶺，宋美珍

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所／棉花生物學(xué)國家重點實驗室，河南安陽455000）

施肥是作物增產(chǎn)最有效的途徑，20 世紀(jì)全世界作物產(chǎn)量增加的一半來自化肥的貢獻(xiàn)[1]，近些年的研究表明，生產(chǎn)中大量施用化肥并沒有顯著提高作物產(chǎn)量[2]。 過量的化肥投入不僅造成生產(chǎn)資源的浪費，導(dǎo)致土壤酸化[3]，而且造成生態(tài)環(huán)境污染[4-5]。 有機肥具有改善土壤理化性質(zhì)，提高作物對養(yǎng)分的吸收和利用[6]。研究表明，有機肥部分替代化肥可以減少化肥的用量， 提高肥料利用率，改善土壤理化性質(zhì)，提升土壤肥力，促進(jìn)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，降低環(huán)境污染風(fēng)險[7-9]。

棉花是世界范圍干旱、半干旱地區(qū)重要的纖維作物[10]，在我國國民經(jīng)濟中具有舉足輕重的地位。 田間合理施用化學(xué)氮肥能夠獲得較高的籽棉產(chǎn)量[11]，而配施有機肥能夠顯著提高棉花單株成鈴數(shù)， 能促進(jìn)棉花生長發(fā)育和地上部干物質(zhì)積累[12]。滴灌條件下，與單施化肥相比，有機氮肥部分替代化學(xué)氮肥有利于棉株養(yǎng)分積累，可提高棉花氮素表觀利用率、偏生產(chǎn)力、肥料氮貢獻(xiàn)率和農(nóng)學(xué)效率[13]；綜合養(yǎng)分吸收、氮素利用率、產(chǎn)量及經(jīng)濟效益等方面，有機氮肥替代10%化學(xué)氮肥處理是最有效、合理的施肥方式。 因此，有機肥部分替代化肥是一種能改善棉田土壤環(huán)境， 提高土壤肥力，提高氮肥利用率，進(jìn)而提高棉花產(chǎn)量的施肥方式，但最佳有機氮肥替代率還需進(jìn)一步試驗研究。 本研究在黃河流域棉區(qū)進(jìn)行連續(xù)3 年定位試驗基礎(chǔ)上，對有機肥不同替代率進(jìn)行研究，探討其對棉株生物量、養(yǎng)分積累、產(chǎn)量、土壤肥力及棉株氮磷化學(xué)計量比的影響，研究有機肥替代化肥的適宜替代率，以期為有機肥、無機肥在黃河流域棉田中合理施用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

定位試驗田位于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所試驗基地 （河南省安陽縣，36°4'28''N，114°31'33''E）。 供試土壤為潮土，2016 年4 月開始試驗時， 土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量為有機質(zhì)17 g·kg－1，全氮0.93g·kg－1，堿解氮74 mg·kg－1，速效磷10 g·kg－1，速效鉀199 mg·kg－1，pH 8.68。

1.2 供試材料

供試品種為中棉所100[14]。 供試肥料為尿素（N 46%）、重過磷酸鈣（P2O546%）、硫酸鉀（K2O 50%）；有機肥為腐熟豬糞，其含有機質(zhì)24.8%，N 2.3%，P2O52.22%，K2O 2.22%。

1.3 試驗設(shè)計

試驗基于課題2016 年定位試驗， 播種日期為4 月25 日。 試驗設(shè)6 個處理：T1（對照）：不施肥，T2：100%化肥，T3：20%有機肥+80%化肥，T4：40%有機肥+60%化肥，T5：50%有機肥+50%化肥，T6：100%有機肥。 T2、T3、T4、T5 總氮磷鉀用量一致，有機肥替代處理替代比例按照氮肥（純N）計算。 試驗采取隨機區(qū)組排列，每個處理3 次重復(fù)。 氮肥45%基施、55%追施，優(yōu)先施有機肥（6 月20 日追肥，其中T5 處理基施50%，追施50%），磷肥、鉀肥、有機肥全部基施。 采用80 cm 等行距種植模式， 密度為每667 m23 500株，小區(qū)面積為66.64 m2。

1.4 樣品采集

1.4.1 植株樣品采集與測定。 連續(xù)3 年施肥后，2018 年每個重復(fù)分別于6 月15 日 （蕾期）、7 月16 日（花期）、8 月13 日（鈴期）、9 月11 日（吐絮期）采集具有代表性的棉株2 株，蕾期棉株分根、莖、葉3 部分，其余時期棉株分根、莖、葉、生殖器官四部分， 全部于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重， 冷卻至室溫后稱量不同器官生物量，取其平均值。 稱量后的棉株樣品磨碎過100 目篩（篩孔直徑0.150 mm） 后， 稱取0.120 0 g， 用濃H2SO4-H2O2法消煮制備待測液， 用流動分析儀AA3 測定全氮、全磷含量[15]；火焰光度計法測全鉀含量[16]。 2016、2017、2018 年棉花收獲期，每個重復(fù)隨機選取10 株，統(tǒng)計吐絮數(shù)，曬干后室內(nèi)軋花考種，計算鈴重和衣分，以小區(qū)實收棉花記產(chǎn)。

表1 不同處理的施肥量Table 1 Fertilizer amount of different treatments kg·hm－2

1.4.2 土壤樣品采集與測定。 連續(xù)施肥第3 年（2018 年）收獲后采集試驗區(qū)土壤樣品，采樣深度為0～20 cm，每小區(qū)選5 個樣點，混合為1 個樣品，剔除礫石和植物殘根，風(fēng)干過20 目篩（篩孔直徑0.850 mm），取出少許過100 目篩。土壤有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法；土壤全氮測定采用凱氏蒸餾法；土壤堿解氮測定采用擴散法；土壤速效磷測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；土壤速效鉀測定采用醋酸銨浸提-火焰光度計法； 土壤pH 測定采用水浸提-電位法 （土水比1∶2.5）[16]。

1.5 計算方法

1.5.1 棉株養(yǎng)分積累量計算方法。 植株氮 （磷、鉀）積累量（mg）＝植株生物量（g）×植株氮（磷、鉀）含量（%）×103.

1.5.2 棉株氮磷化學(xué)計量比計算方法。 棉株氮磷化學(xué)計量比 （N∶P）＝棉株全氮積累量（mg）／棉株全磷積累量（mg）。

1.6 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel 2010、SPSS 22 和SAS 9.2 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機肥不同替代比例對棉株生物量的影響

表2 結(jié)果表明，在各個生育階段，施肥處理整株及莖、葉、生殖器官生物量均高于不施肥處理，其中有機肥替代50%化肥處理整株及生殖器官生物量均為最高。 與單施化肥相比，單施有機肥處理在各生育時期對棉株整株及各器官生物量的積累無顯著差異。 有機肥與化肥配施處理中，棉株整株及根、莖、生殖器官生物量隨著有機肥替代化肥比例的增加而逐漸增加；在吐絮期之前，有機肥替代50%化肥處理整株及根生物量均顯著高于有機肥替代20%化肥處理和有機肥替代40%化肥處理。 說明使用一定量有機肥替代化肥能夠增加棉株干物質(zhì)積累。

表2 有機肥不同替代比例對棉花生物量的影響Table 2 Effect of applications with manure and inorganic fertilizers in different propertions on cotton biomass g·plant－1

表2 （續(xù)）Table 2 (Continued)g·plant－1

2.2 有機肥不同替代比例對棉花氮磷鉀吸收積累的影響

2.2.1 有機肥不同替代比例對棉花氮吸收積累的影響。 表3 結(jié)果顯示，在各個生育階段，施肥處理整株及莖、 葉中氮積累量均高于不施肥處理，其中有機肥替代50%化肥處理整株及根、莖中氮積累量均為最高。 與單施化肥相比，單施有機肥處理在吐絮期以前棉株整株及各器官中氮積累量的積累無顯著差異。 有機肥與化肥配施處理中，棉株整株及莖中氮積累量隨著有機肥替代化肥比例的增加而逐漸增加，有機肥替代20%化肥處理生殖器官中氮積累量顯著低于有機肥替代40%化肥處理和有機肥替代50%化肥處理。 說明使用一定量有機肥替代化肥能夠增加棉株氮積累量，尤其能夠增加生殖器官的分配數(shù)量。

2.2.2 有機肥不同替代比例對棉花磷吸收積累的影響。 由表4 可知，在各個生育階段，施肥處理整株及莖、 葉中磷積累量均高于不施肥處理，其中有機肥替代50%化肥處理整株及根、莖、生殖器官中磷積累量均為最高。 除了鈴期，與單施化肥相比，單施有機肥處理棉株整株及各器官中磷積累量無顯著差異。 有機肥與化肥配施處理中，棉株整株及生殖器官中磷積累量隨著有機肥替代化肥比例的增加而逐漸增加，有機肥替代50%化肥處理整株及生殖器官磷積累量顯著高于有機肥替代20%化肥處理。 說明使用一定量有機肥替代化肥能夠增加棉株磷積累量，尤其能夠增加生殖器官的分配數(shù)量。

表3 有機肥不同替代比例對棉花氮積累的影響Table 3 Effect of applications with manure and inorganic fertilizers in different proportions on cotton nitrogen accumulation g·plant－1

2.2.3 有機肥不同替代比例對棉花鉀吸收積累的影響。 表5 表明，在各個生育階段，施肥處理整株及根、莖、葉鉀積累量均高于不施肥處理，其中有機肥替代50%化肥處理整株及根、 莖中鉀積累量均為最高。與單施化肥相比，單施有機肥處理棉株整株及根、葉、生殖器官中鉀積累量的積累大多無顯著差異。有機肥與化肥配施處理中，棉株整株鉀積累量隨著有機肥替代化肥比例的增加而逐漸增加， 有機肥替代50%化肥處理整株及生殖器官鉀積累量顯著高于有機肥替代20%化肥處理。 說明使用一定量有機肥替代化肥能夠增加棉株鉀積累量，尤其能夠增加生殖器官的分配數(shù)量。

表4 有機肥不同替代比例對棉花磷積累的影響Table 4 Effect of applications with manure and inorganic fertilizers in different propovtions on cotton phosphorus accumulation g·plant－1

2.3 有機肥不同替代比例對棉花籽棉產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

從表6 看出，有機肥處理籽棉產(chǎn)量隨試驗?zāi)晗抻性黾于厔荩町惒伙@著。 2016―2018 年不同處理間鈴重差異不顯著。 2017 年T6 處理衣分顯著低于T2 處理；2016 和2018 年T2、T3、T4、T5、T6 處理間衣分沒有顯著差異。 總體來說，黃河流域棉田連續(xù)3 年進(jìn)行有機肥替代可維持與化肥相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量， 并且隨著施肥年限的增加，有機肥替代處理產(chǎn)量高于單施化肥處理，有機肥替代50%化肥效果最好。

2.4 有機肥不同替代比例對土壤肥力的影響

由表7 可知，不同施肥處理與不施肥（T1）處理間，土壤有機質(zhì)、速效鉀、堿解氮含量和pH 沒有顯著性差異；與單施化肥處理相比，施用有機肥處理土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷、堿解氮含量均有增高趨勢，變化范圍分別為1.2%～5.7%、4.0%～5.0%、9.8%～40.0%、3.7%～11.6%， 且單施有機肥處理（T6）處理速效磷含量顯著高于單施化肥（T2）處理。

表5 有機肥不同替代比例對棉花鉀積累的影響Table 5 Effect of applications with manure and inorganic fertilizers in different propovtions on cotton potassium accumulation g·plant－1

2.5 有機肥不同替代比例對棉株氮磷化學(xué)計量比的影響

由圖1 可知，不同比例有機肥替代處理氮磷比為5.175～10.275，棉株葉中氮磷比最高。 不同處理間棉株根、莖、葉氮磷比沒有顯著差異。 生殖器官中， 與對照T1 處理相比，T5 處理氮磷比顯著降低；與T2 處理相比，差異不顯著。

表6 有機肥不同替代比例對棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 6 Effect of applications with manure and inorganic fertilizers in different propertions on cotton yield and yield component factors

表7 有機肥不同替代比例對土壤肥力的影響Table 7 Effect of applications with manure and inorganic fertilizers in different propertions on soil fertility

由表8 可知，棉株全氮、全磷積累量與棉株生物量極顯著正相關(guān)， 相關(guān)系數(shù)分別為0.925、0.936，表明棉株生物量隨棉株全氮、全磷積累量增加而增大。 棉株根、莖氮磷比與籽棉產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為－0.881、－0.654，表明籽棉產(chǎn)量隨棉株根、莖氮磷比的降低而增加。

3 討論

3.1 有機肥不同替代比例對棉花養(yǎng)分積累及產(chǎn)量的影響

棉花各生育期干物質(zhì)的積累及分配是產(chǎn)量形成的基本保證，影響棉花經(jīng)濟產(chǎn)量的高低和品質(zhì)的優(yōu)劣， 養(yǎng)分吸收又是生物量積累的基礎(chǔ)，它反映養(yǎng)分的有效吸收狀況[17]。研究表明，有機肥能增加棉花干物質(zhì)積累[18]。 本試驗中不同生育期有機肥替代50%化肥處理較單施化肥處理提高棉花整株生物量，與前人研究結(jié)論基本一致。

圖1 有機肥不同替代比例對植株氮磷比的影響Fig.2 Effect of applications with manure and inorganic fertilizers in different proportions on N:P ratio in cotton

表8 棉花生物量、產(chǎn)量和棉花養(yǎng)分指標(biāo)的相關(guān)分析Table 8 Correlation analysis of biomass and yield of cotton with nutrient index of cotton

前人研究發(fā)現(xiàn)，在鹽堿土上施用有機肥能夠顯著提高棉花氮磷鉀積累，提高棉花產(chǎn)量[19]。而本文針對潮土棉田的研究結(jié)果顯示，一定量有機肥替代化肥能夠增加棉株對氮磷鉀的積累，尤其能夠增加養(yǎng)分在生殖器官中的分配。

適宜的有機肥替代比例能增加作物產(chǎn)量[20-21]。在本研究中，隨著施肥年限的增加，有機肥替代處理較單施化肥處理增加了棉花產(chǎn)量，表明有機肥替代化肥的作用在大田作物上應(yīng)用不是即時起效的，但是這種技術(shù)措施具有可持續(xù)性的環(huán)境生態(tài)效益[22]。湯春純等[23]研究表明，有機無機肥配施質(zhì)量比為1∶9 時， 對棉花籽棉產(chǎn)量、 皮棉產(chǎn)量、秸稈經(jīng)濟質(zhì)量的效果最好。 但是，本文結(jié)果顯示有機肥替代50%化肥處理籽棉產(chǎn)量最高，原因是有機肥替代化肥的作用效果不僅受作物品種的影響，還與有機肥的原料來源、土壤類型、土壤肥力水平等因素關(guān)系密切[13]。

3.2 有機肥不同替代比例對土壤肥力的影響

研究發(fā)現(xiàn)， 有機肥中的有機氮進(jìn)入土壤后，需經(jīng)過微生物的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化分解才能釋放出有效氮素供作物吸收利用[24]。本試驗結(jié)果顯示，有機肥替代處理與單施化肥處理間土壤pH 相近，這與前人研究結(jié)果不同[25-26]，可能原因是試驗棉田屬于石灰性潮土，土壤緩沖能力強；再者施肥年限短，土壤酸堿度變化幅度小。 在本研究中，單施有機肥處理土壤速效磷含量最高，顯著高于單施化肥處理，主要是因為有機肥完全替代化肥本身增加磷的含量，有機肥施入土壤后，能促進(jìn)無機磷的溶解，增加土壤速效磷含量[27]。 總體來看，有機肥替代處理可維持或一定程度增加土壤養(yǎng)分含量，保證棉株整個生育時期的養(yǎng)分供應(yīng)。

3.3 有機肥不同替代比例對植株氮磷化學(xué)計量比的影響

氮磷比在植株不同器官的變化可看出氮和磷在植物體內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化過程[28]。 南學(xué)軍等[29]研究顯示，生物質(zhì)炭配施不同量氮肥對植物氮磷比無顯著影響，但與單施氮肥相比，生物質(zhì)炭配施氮肥顯著降低小麥的氮磷比。 本研究發(fā)現(xiàn)，有機肥替代部分化肥處理相比單施化肥處理降低棉株根、莖、葉、生殖器官及整株的氮磷比，但差異不顯著。陳智偉[30]研究顯示，小白菜生物量與植株氮磷比呈極顯著負(fù)相關(guān)、與植株全氮積累量呈極顯著負(fù)相關(guān)、 與植株全磷積累量呈極顯著正相關(guān)。 而本文研究表明，棉株生物量與植株全氮、全磷積累量呈極顯著正相關(guān)；而與根、莖、葉、生殖器官及整株氮磷比呈負(fù)相關(guān)， 但相關(guān)性不顯著。 總體結(jié)果表明，根、莖氮磷比越高越限制棉株產(chǎn)量。

3.4 試驗存在的不足及展望

本試驗中根據(jù)棉花需肥特性和試驗田土壤質(zhì)地確定化肥基追比例（基施45%，追施55%），其中T5 處理由于5%的有機肥（相對于追施的尿素，用量較少且輕）不能均勻撒施應(yīng)用，遂全部基施。 相對于速效氮肥，有機肥的礦化較慢，T5 處理中將需要追施的5%的有機肥基施入土壤，一般認(rèn)為這種差異不會對試驗產(chǎn)生顯著影響。 本試驗結(jié)果表明T5 處理替代效果最好， 是否因基追比例差異造成需進(jìn)一步研究驗證。

4 結(jié)論

本試驗條件下，連續(xù)應(yīng)用有機肥替代部分化肥具有增加其在土壤肥力的趨勢，能夠提高棉株氮磷鉀積累量并增加生殖器官分配量。 施肥處理在各年度內(nèi)籽棉產(chǎn)量無顯著差異，但有機肥處理籽棉產(chǎn)量隨試驗?zāi)晗抻性黾于厔荨?從培肥地力對產(chǎn)量、生物量、養(yǎng)分積累量的影響綜合來看，有機肥替代50%化肥效果最好。