磷肥用量對(duì)新疆棉田磷素狀況、籽棉產(chǎn)量和磷平衡的影響

袁 芳，馬 丹，趙 庫(kù)，沙木河別克·阿咱別克，張 凱*

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆土壤與植物生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

【研究意義】棉花是我國(guó)主要經(jīng)濟(jì)作物之一。新疆地處我國(guó)西北內(nèi)陸，具有充足的光熱資源，加之長(zhǎng)期農(nóng)業(yè)實(shí)踐形成的“矮、密、早、膜下滴灌”棉花栽培技術(shù)，棉花產(chǎn)量高、品質(zhì)好，已成為中國(guó)最大的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地[1-4]。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局報(bào)道，截至2019年，新疆棉花種植面積254.05萬(wàn)hm2，占全國(guó)的76 %，產(chǎn)量500.2萬(wàn)噸，占全國(guó)84.9 %[5-6]。磷是棉花生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一[7-9]，在棉花生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成過(guò)程中具有重要作用[10-11]。但由于新疆偏堿性的鈣質(zhì)土壤磷素固持嚴(yán)重，導(dǎo)致棉田磷肥當(dāng)季利用率低，農(nóng)民磷肥施用普遍過(guò)量，這不僅造成了磷肥資源的浪費(fèi)，也會(huì)產(chǎn)生潛在的磷素流失風(fēng)險(xiǎn)[12-18]。因此，明確適合新疆棉田的磷肥用量及其對(duì)棉花生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成的影響，可為新疆棉田減磷增效和磷素可持續(xù)管理提供科學(xué)依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的重要營(yíng)養(yǎng)元素之一，磷素供應(yīng)不足和過(guò)量均會(huì)影響作物產(chǎn)量。王斌等[19]研究了新疆棉花相對(duì)產(chǎn)量和土壤Olsen-P之間的關(guān)系，在土壤Olsen-P為0～15 mg·kg-1時(shí)，隨土壤Olsen-P含量增加，棉花相對(duì)產(chǎn)量增加；當(dāng)土壤Olsen-P達(dá)到15～25 mg·kg-1時(shí)，棉花相對(duì)產(chǎn)量最高；當(dāng)土壤Olsen-P超過(guò)25 mg·kg-1時(shí)，隨土壤Olsen-P含量增加，棉花產(chǎn)量保持平穩(wěn)或略有下降。陳波浪等[20]研究表明，隨著施磷量增加，籽棉產(chǎn)量增加，當(dāng)磷肥用量達(dá)到150 kg P2O5· hm-2時(shí)，籽棉產(chǎn)量最高，而磷肥用量達(dá)到300 kg P2O5· hm-2時(shí)，籽棉產(chǎn)量略有下降。王海東等[21]研究發(fā)現(xiàn)滴灌磷肥施用量在100 kg P2O5· hm-2時(shí)最優(yōu)，不僅可以達(dá)到較高籽棉產(chǎn)量，促進(jìn)干物質(zhì)向生殖器官轉(zhuǎn)移，增加有效鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量，又可節(jié)約肥料、保護(hù)環(huán)境。磷肥用量也會(huì)改變棉田磷素收支平衡，進(jìn)而影響土壤磷素水平和土壤肥力的長(zhǎng)期演變。胡國(guó)智等[15]研究了不同磷肥用量對(duì)棉花產(chǎn)量和棉田磷平衡的影響，施用75 kg P2O5· hm-2時(shí)棉花產(chǎn)量達(dá)到最高，其利用率也最優(yōu)。候云鵬等[22]研究發(fā)現(xiàn)不同施磷量對(duì)土壤磷素收支平衡有影響，低磷處理的土壤磷素表現(xiàn)為虧缺，高磷處理的土壤磷素表現(xiàn)為盈余。【本研究切入點(diǎn)】合理的磷肥用量有利于棉花生長(zhǎng)和高產(chǎn)，但其具體機(jī)理仍有待進(jìn)一步研究；在保證棉花產(chǎn)量的同時(shí)，統(tǒng)籌分析棉田的磷素收支平衡，可為棉田磷素衡量監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)和棉田磷素可持續(xù)管理提供科學(xué)基礎(chǔ)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文通過(guò)研究不同磷肥用量處理對(duì)土壤速效磷、植株磷吸收和分配、籽棉產(chǎn)量和構(gòu)成、棉田磷效率和磷素收支平衡的影響，明確了磷肥用量對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量構(gòu)成的影響，分析了不同磷肥用量時(shí)的棉田磷素收支平衡，可為新疆棉田減磷增效提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究在新疆塔城地區(qū)沙灣縣新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花育種實(shí)驗(yàn)基地(85°45′34.30″E,44°29′26.94″N)進(jìn)行。沙灣縣地處新疆天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣,屬于大陸性干旱氣候,無(wú)霜期長(zhǎng),光熱資源充足,年均溫度6.3～6.9 ℃，降雨量140～250 mm。該地區(qū)耕地土壤類型主要有潮土、棕鈣土、灰漠土等，其中潮土面積最大,約占全縣總面積的48 %。棉花是沙灣縣的重要經(jīng)濟(jì)作物，種植面積6.67萬(wàn)hm-2左右。本實(shí)驗(yàn)區(qū)土壤耕層的理化性質(zhì)狀況如表1所示。

表1 試驗(yàn)地土壤基本養(yǎng)分特征

1.2 方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 為明確磷肥用量對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響，設(shè)置5個(gè)施磷量處理：0、50、75、150、300 kg P2O5·hm-2，分別用CK、TSP50、TSP75、TSP150、TSP300表示，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)小區(qū)，小區(qū)面積為8 m×9 m。磷肥采用重過(guò)磷酸鈣(云南云天化,含磷量P2O561 %)，施肥方式為基施，于2018年4月25日均勻撒入田中，機(jī)器翻耕，深度約25 cm，平整土地。棉花種植模式為膜下滴灌，1膜2帶6行，寬窄行種植(圖1)，棉花株距14 cm，寬行距離65 cm，窄行距離12 cm。棉田氮肥(220 kg·hm-2)和鉀肥(90 kg·hm-2)都用做追肥按照棉花生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律在棉花各生育期分6次隨水滴施。灌水時(shí)間和灌水量如表2所示。

表2 灌水時(shí)間及灌水量

1.2.2 樣品采集和分析 2018年，在棉花主要生育期花蕾期(7月22日)、花鈴期(8月7日)、吐絮期(9月7日)，每小區(qū)隨機(jī)采集棉花8株，按根、莖、葉、鈴(殼、絮、籽)分離，在105 ℃下殺青1 h，然后在75 ℃條件下烘干至恒重，稱重，計(jì)算植株生物量。植株樣本粉碎后，采用硫酸-雙氧水消煮法，釩鉬黃比色法分析植株各部位含磷量[23]。同時(shí)，在各小區(qū)滴灌帶下、種植行間，采集0～20和20～40 cm土層深度土壤樣品，風(fēng)干后，采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定土壤速效磷含量[23]。

2018年9月18日進(jìn)行棉花測(cè)產(chǎn)，在各試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)設(shè)置1個(gè)面積為4 m2的樣方，記錄該樣方內(nèi)的棉花株數(shù)，并統(tǒng)計(jì)每株棉花上的鈴數(shù)和單鈴重。

總產(chǎn)量=單位面積株數(shù)×單株鈴數(shù)×單鈴重

1.2.3 計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析 磷肥利用率=(施磷區(qū)作物吸磷量-不施磷區(qū)作物吸磷量)/施磷區(qū)磷肥用量×100

磷肥累積利用率=施磷處理的植株吸磷量/施磷量

磷肥農(nóng)學(xué)利用率(kg·kg-1)=(施磷區(qū)籽棉的產(chǎn)量-不施磷區(qū)籽棉產(chǎn)量)/施磷區(qū)磷肥用量

磷肥偏生產(chǎn)力(kg·kg-1)=施磷區(qū)籽棉產(chǎn)量/施磷區(qū)磷肥用量

各處理間土壤速效磷含量、植株生物量和含磷量、磷素累積吸收量、產(chǎn)量及構(gòu)成、磷肥利用率和棉田磷素平衡均采用單因素方差分析，多重比較采用Duncan法。數(shù)據(jù)整理所用軟件為Microsoft Office Excel 2010(Microsoft,Redmond,Washington,U.S.A.)，數(shù)據(jù)分析軟件為SPSS20.0(SPSS,Inc.,Chicago,IL,U.S.A.)，作圖軟件為orgrin8.0(Origin Lab,Northampton,Massachusetts,U.S.A.)。

2 結(jié)果與分析

2.1 磷肥用量對(duì)棉田土壤速效磷的影響

在花蕾期，0～20、20～40 cm土壤速效磷表現(xiàn)出隨施磷量增加而增加的趨勢(shì)，當(dāng)施磷量超過(guò)150 kg P2O5·hm-2后，趨于平穩(wěn)或略有降低；與CK相比，TSP150處理土壤速效磷含量增加了24.78 %，TSP50、TSP75和TSP300處理則分別增加了6.25 %、3.39 %和19.94 %(圖2-A)。在花鈴期，0～20、20～40 cm土層中，各處理間土壤速效磷含量無(wú)顯著變化(圖2-B)。在吐絮期，0～20、20～40 cm土壤速效磷表現(xiàn)出隨施磷量增加而增加的趨勢(shì)；在0～20 cm土層，TSP150、TSP300土壤速效磷含量顯著高于其它處理；在20～40 cm土層，TSP300土壤速效磷含量顯著高于其他處理，比對(duì)照增高113.6 %，表現(xiàn)為TSP300>TSP150>TSP75>TSP50>CK(圖2-C)。整體而言，土壤速效磷表現(xiàn)出隨施磷量增加而增加的趨勢(shì),在TSP150處理時(shí)，土壤速效磷有效性最高，當(dāng)施磷量超過(guò)150 kg·hm-2后，趨于平穩(wěn)或略有降低。

2.2 磷肥用量對(duì)棉花各器官生物量的影響

在花蕾期，相比CK處理，TSP75處理顯著增加了根、莖、葉和蕾生物量(表3)，分別比CK高40.50 %、50.03 %、78.56 %和56.36 %。在花鈴期，相比于CK處理，TSP150處理顯著增加了根、莖和蕾生物量，分別比CK高26.80 %、16.94 %和45.67 %；TSP50處理顯著提高了葉生物量，比CK高30.37 %。在吐絮期，不同施磷用量中根的生物量無(wú)顯著性差別；相比于CK處理，TSP150處理顯著增加了棉花莖、葉和殼生物量，分別比CK高20.04 %、43.20 %和17.96 %；TSP50處理顯著增加了棉花絮和籽生物量，分別比CK高22.54 %、42.68 %。從植株生物量角度看，TSP150處理各器官生物量較高，效果較優(yōu)。

表3 磷肥用量對(duì)棉花不同生育期各器官生物量的影響

2.3 磷肥用量對(duì)棉花累積吸磷量的影響

不同施磷量下，花蕾期TSP50、TSP150、TSP300處理顯著增加了根含磷量(表4)，CK處理中莖、葉、花蕾等地上部分含磷量比TSP50、TSP75、TSP150和TSP300處理高35.81 %～40.06 %；在花鈴期，TSP300處理根的含磷量略高于其他處理，比CK處理高20.63 %，CK處理莖吸磷量略高于其他處理27.13 %～36.70 %，葉吸磷量高于其他處理30.03 %～49.83 %；在吐絮期，TSP75處理根、葉、籽、絮和殼吸磷量略高于其他處理，分別比CK處理高46.07 %、38.48 %、29.66 %，12.01 %和44.61 %。在棉花整個(gè)生育期中，花蕾期CK處理地上部分的吸磷量較高，在吐絮期TSP75處理地上部分吸磷量較高。

表4 磷肥用量對(duì)棉花不同生育期各器官含磷量的影響

不同施磷量下，整個(gè)生育期棉花累積吸磷量呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)(圖3)。在花蕾期，TSP150處理的棉花吸磷量顯著高于其他處理，CK、TSP50、TSP75、TSP300之間無(wú)顯著性差異。在花鈴期，TSP150處理棉花吸磷量顯著高于其他處理，TSP75處理顯著高于TSP50、CK。在吐絮期，TSP150、TSP75處理的棉花吸磷量顯著高于其他處理，TSP50處理的棉花吸磷量顯著高于TSP300、CK，TSP300和CK處理間無(wú)顯著差異性。綜合來(lái)看，在不同生育期不同磷肥用量處理中，TSP150效果較優(yōu)，顯著增加了棉花累積吸磷量。

2.4 磷肥用量對(duì)棉花各器官磷素分配的影響

在棉花的不同生育期，磷素在植株體內(nèi)的分配有所不同。在花蕾期，花蕾中磷素累積量明顯高于根莖葉中磷素累積量約占整株的46 %(圖4); 在花鈴期，花鈴中的磷素累積比例達(dá)到64.7 %～71.5 %；在吐絮期，籽絮殼生殖器官磷素累積比例占整株54.4 %～68.0 %。

在棉花的不同生育期，生殖器官中磷素累積量比例均隨磷肥用量表現(xiàn)出先增高后降低的趨勢(shì)，特別是吐絮期時(shí)，該趨勢(shì)最為明顯。在吐絮期，CK處理的籽絮殼磷素累積比例為54.4 %；隨施磷量增加，該比例增加，在TSP75處理時(shí)，籽絮殼磷素累積比例最高為68.0 %；超過(guò)TSP75處理后，該比例降低，在TSP300處理時(shí)為60.0 %。

2.5 磷肥用量對(duì)籽棉產(chǎn)量、磷肥利用率和棉田磷平衡的影響

不同施磷量下，施磷處理的籽棉產(chǎn)量均高于不施磷肥的處理(表5)，增產(chǎn)幅度3.21 %～7.98 %；隨磷肥用量增加，籽棉產(chǎn)量呈先增后略有降低的趨勢(shì)，施磷量在0～150 kg·hm-2范圍內(nèi)，隨著施磷量增加籽棉產(chǎn)量顯著提高，當(dāng)施磷量超過(guò)150 kg·hm-2，籽棉產(chǎn)量略有下降趨勢(shì)。在不同施磷量下，施磷處理與不施磷處理相比單鈴重增加0.31～0.16 g，單株鈴數(shù)增加0.47～1.34個(gè)；各處理單鈴重表現(xiàn)為TSP75 >TSP50 >TSP300 >TSP150>CK，單株鈴數(shù)表現(xiàn)為TSP75> TSP300> TSP50> TSP150> CK。

表5 磷肥用量對(duì)籽棉產(chǎn)量構(gòu)成的影響

不同施磷量處理下，磷肥利用率呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，在TSP75處理時(shí)最高，達(dá)到21.92 %，在TSP300處理時(shí)磷素利用率顯著降低，為7.56 %(表6)。磷肥累積利用率、磷肥農(nóng)學(xué)效率和肥料偏生產(chǎn)力均隨著施磷量的增加呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，TSP300處理中磷肥累積利用率、磷肥農(nóng)學(xué)效率和肥料偏生產(chǎn)力最低，分別為27.93 %、2.63 %和18.41 %(表6)。

從表7可知，隨施磷量的增加，處理中磷素盈余由負(fù)值逐漸增長(zhǎng)為正值，土壤磷素盈余量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，磷肥投入的越多，盈余的也越多。除對(duì)照外，各處理磷素盈余量均為正增長(zhǎng)。從TSP300的磷肥利用率和磷素盈余可以看出，過(guò)量的磷肥不能被作物吸收,反而會(huì)降低磷肥的利用效率。

表7 磷肥用量對(duì)棉田磷素收支平衡的影響

3 討 論

3.1 不同供磷水平對(duì)棉田土壤速效磷的影響

土壤速效磷是表征土壤供磷能力的重要指標(biāo)[24]。本研究表明，在花蕾期和吐絮期，隨著施磷量增加，土壤速效磷的含量呈增加趨勢(shì)，這與趙靚等[25]研究一致，表明磷肥施用可顯著提高土壤磷素有效性。在花蕾期，施磷量在0～75 kg·hm-2范圍內(nèi)土壤速效磷含量增幅較緩慢，速效磷含量從19.36 mg·kg-1增加到20.57 mg·kg-1。而陳波浪等[20]研究發(fā)現(xiàn)在75～150 kg· hm-2范圍內(nèi)土壤速效磷含量增幅較緩慢，這可能是由于不同研究地點(diǎn)的土壤質(zhì)地和速效磷本底值不同所致。在花鈴期，不同處理土壤速效磷之間的差異不顯著，可能與該時(shí)期棉花磷素需求量大[15]，土壤速效磷被大量吸收，導(dǎo)致土壤速效磷含量較低，各處理間差異不顯著。

3.2 不同供磷水平對(duì)植株累積吸磷量和磷分配的影響

隨施磷量增加，植物累計(jì)吸磷量表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，這與姜宗慶等[26]、劉德平等[27]研究結(jié)果一致，表明磷肥施用可提高植物磷素吸收。過(guò)量施磷時(shí)，棉花的累積吸磷量有所下降，這可能是由于過(guò)量施用磷肥引起植株養(yǎng)分吸收不平衡等原因?qū)е耓28]；陳波浪等[20]研究發(fā)現(xiàn)，棉花吸收養(yǎng)分的總量變化不大，過(guò)量施用磷肥可能造成棉花植株磷素過(guò)剩，導(dǎo)致植株生物量低，累積吸磷量下降。

過(guò)低或過(guò)高的磷肥用量均不利于棉花根系和整株生物量積累，這與崔水利等[29]研究結(jié)果一致。磷對(duì)棉花根系具有刺激作用，施磷能使棉花根系長(zhǎng)度、根表面積和根密度增大，從而促進(jìn)棉花的生長(zhǎng)[29]，但過(guò)量施用磷肥可能會(huì)抑制棉花根系的生長(zhǎng)[30]，從而影響棉株的生長(zhǎng)發(fā)育，最終抑制棉株對(duì)磷素的吸收[31]。

磷肥用量也會(huì)影響棉花的磷素分配。隨施磷量增加，磷素在生殖器官中的分配比例呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)，在施磷量為75 kg P2O5· hm-2時(shí)，磷素向生殖器官分配的比例最高。這可能是因?yàn)榱姿赜欣谥参锷成L(zhǎng)相對(duì)提前，隨著磷素供應(yīng)水平增加，棉花開(kāi)花結(jié)鈴提前，將更多磷素分配到生殖器官(蕾、花、鈴)。而磷素水平過(guò)高時(shí)，則提高棉花植株細(xì)胞中原生質(zhì)膠體的水合程度和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的充水度，提高原生質(zhì)膠體保持水分的能力，減少細(xì)胞水分損失[32-36]，延長(zhǎng)植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，導(dǎo)致磷素在生殖器官中的分配比例降低，最終影響棉花產(chǎn)量[37]。

3.3 不同供磷水平對(duì)籽棉產(chǎn)量和磷肥利用效率的影響

在本研究中，隨施磷量的增加，籽棉產(chǎn)量表現(xiàn)出先增加后略有降低的趨勢(shì)，這與吳克寧[38]、陳書(shū)強(qiáng)[39]、王海江等[40]等研究一致。合理施磷可顯著提高作物單鈴重和單株鈴數(shù)，從而提高產(chǎn)量；但產(chǎn)量并不隨施磷量的增加無(wú)限增加，當(dāng)施磷量超過(guò)一定用量后，單鈴重和單株鈴數(shù)不再增加，產(chǎn)量趨于平穩(wěn)。從本研究產(chǎn)量構(gòu)成來(lái)看，籽棉產(chǎn)量的差異主要是由于單鈴重和單株鈴數(shù)受磷肥施用量影響導(dǎo)致：?jiǎn)吴彅?shù)和單株鈴數(shù)在75 kg P2O5· hm-2施磷量時(shí)最高，可能是由于合理的磷肥用量調(diào)控了棉花營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)，促進(jìn)碳水化合物的合成與運(yùn)輸及桃鈴的形成，使單鈴重和單株鈴數(shù)得到提高，提高光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的能力[41-42]。

磷肥用量顯著影響棉花磷肥利用率和棉田磷素。不施磷肥的CK處理中磷素盈余為-39.87 kg P2O5· hm-2，土壤磷庫(kù)處于虧缺狀態(tài)，不適宜磷素的可循環(huán)利用，長(zhǎng)期下去會(huì)導(dǎo)致土壤肥力匱乏，作物減產(chǎn)[43]。TSP300處理施用過(guò)多磷肥，土壤磷素盈余為253.54 kg P2O5· hm-2，利用率僅為7.56 %，不僅沒(méi)有提高磷肥的利用率，還造成土壤磷素過(guò)量，易被土壤吸附和固定，造成磷肥資源的浪費(fèi)，增大了土壤磷素的遷移性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[44]。因此，從培肥地力或維持地力考慮，種植棉花應(yīng)施用適量的磷肥，TSP75處理中磷肥利用率最高達(dá)到21.97 %，其磷素盈余為5.59 kg P2O5·hm-2，在保持較高磷肥利用率和產(chǎn)量的同時(shí)，使土壤磷素維持在平衡狀態(tài)，有利于棉田磷素的可持續(xù)管理。

4 結(jié) 論

綜上可見(jiàn)，棉田土壤速效磷表現(xiàn)出隨施磷量增加而增加的趨勢(shì)，超過(guò)150 kg P2O5· hm-2施磷量時(shí)，土壤速效磷不再增加；植株累積吸磷量和生殖器官磷素吸收比例呈現(xiàn)出隨施磷量增加而先升高降低的趨勢(shì)，150 kg P2O5· hm-2施磷量時(shí)最高；籽棉產(chǎn)量和磷肥利用率隨施磷量增加表現(xiàn)出先增加后略有降低的趨勢(shì)，在75 kg P2O5· hm-2施磷量時(shí)最高；隨施磷量的增加，棉田土壤速效磷盈余量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)在施磷量75 kg P2O5· hm-2時(shí)，棉田磷素收支開(kāi)始出現(xiàn)盈余。因此，在綜合考慮土壤速效磷有效性、棉花磷素吸收和產(chǎn)量、磷肥利用率和棉田磷素收支平衡的基礎(chǔ)上，建議新疆棉田磷肥施用量為50～150 kg P2O5· hm-2。