有機(jī)肥添加對不同磷肥用量新疆棉田磷素狀況及棉花產(chǎn)量的影響

袁芳，張凱*，馬超，張楠，盛建東，張文太

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆土壤與植物生態(tài)過程重點實驗室，烏魯木齊 830052）

棉花是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一[1]。隨著“矮、密、早”和“膜下滴灌”等栽培技術(shù)的推廣應(yīng)用[2]，新疆棉花種植面積不斷擴(kuò)大，逐漸發(fā)展成為我國棉花主產(chǎn)區(qū)[3]。截至2019 年，新疆棉花種植面積約占全國的76%，總產(chǎn)量約占全國的85%[4]。磷素是棉花生長發(fā)育不可缺少的營養(yǎng)元素之一[5]，而新疆土壤屬于石灰性土壤，施入土壤中的磷素易與土壤中的鈣鎂等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，被吸附或固定[6-8]，僅有10%～20%可以被棉花吸收利用[9]，這不僅造成了磷肥的浪費，也可能產(chǎn)生潛在的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險[10]。因此，如何提高磷肥利用率，減少化學(xué)磷肥用量，是實現(xiàn)新疆棉田可持續(xù)發(fā)展亟需解決的重要問題。

合理的磷肥用量是保證棉田高磷肥利用率的基礎(chǔ)。自2005 年起新疆依托國家測土配方施肥項目開展了大量的棉田肥料試驗和技術(shù)推廣工作，2011 年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，新疆棉田磷肥平均施用量為164.2 kg·hm-2（以P2O5計，下同），相比棉田磷肥用量研究中的推薦磷肥用量（150 kg·hm-2）[11]，已經(jīng)達(dá)到了比較合理的水平。然而，由于新疆石灰性土壤磷素固持嚴(yán)重，磷肥利用率仍然較低，僅為10%～20%，有些棉田磷肥利用率甚至低于5%[12-13]。因此，有必要采取一定的調(diào)控措施，提高新疆棉田磷肥利用率。

有機(jī)肥施用可改善土壤磷素狀況[14]，提高磷肥利用率。有機(jī)肥不僅本身含有可溶性磷素（如正磷酸鹽）[15]，還可以通過促進(jìn)土壤微生物生長和磷素周轉(zhuǎn)，提高土壤磷素有效性。另外，有機(jī)肥分解過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸，可通過酸溶、絡(luò)合溶解、陰離子代換和競爭吸附等作用，改變土壤對磷素的吸附-解吸過程[16-17]，提高土壤磷素有效性。研究表明，有機(jī)肥添加對小麥[18]、水稻[19]、玉米[20]等作物對磷素的吸收和磷肥的利用有促進(jìn)作用。

因此，本試驗在不同磷肥用量條件下，研究有機(jī)肥添加對棉田土壤有效磷、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，旨在為新疆棉田化學(xué)磷肥減量施用和磷肥利用率的提高提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在新疆昌吉回族自治州阜康市彭家灣村（88°00′44.30″E，44°10′21.05″N）進(jìn)行。阜康市地處天山東段北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，屬于大陸性干旱氣候，年均無霜期174 d，光熱資源充足，年均溫度6.6 ℃，降雨量186 mm。棉花是阜康市的重要經(jīng)濟(jì)作物，該地區(qū)耕地土壤類型主要有灌溉灰漠土、灌耕土、潮土、退潮土、灌淤土、鹽漬化潮土等。本試驗區(qū)土壤背景值分別為有機(jī)質(zhì)18.10 g·kg-1，堿解氮46.23 mg·kg-1，有效磷13.55 mg·kg-1，pH（水∶土=5∶1）8.14，電導(dǎo)率226.74 μS·cm-1。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設(shè)計

為明確不同磷肥用量條件下有機(jī)肥添加對棉田磷素狀況和棉花產(chǎn)量的影響，本研究以當(dāng)?shù)販y土配方施肥磷肥推薦用量（150 kg·hm-2）為上限，設(shè)置了0、50、100、150 kg·hm-24 個磷肥用量處理，分別記為MAP0、MAP50、MAP100 和MAP150，每個磷肥用量處理下設(shè)不施有機(jī)肥對照（CK）和有機(jī)肥添加處理（OF，有機(jī)肥用量為4 500 kg·hm-2），每個處理4 個重復(fù)，共32 個小區(qū)，小區(qū)面積為5 m×4 m。有機(jī)肥（新疆保利興農(nóng)生物有限公司，有機(jī)質(zhì)45%，N-P2O5-K2O＞5%）于2019 年5 月8 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，一膜一帶兩行種植，棉花株距15 cm。棉田磷肥采用磷酸一銨（云南常青樹化工有限公司，N 含量12%，P2O5含量61%），氮肥采用尿素（新疆鴻基焦化有限責(zé)任公司，N 含量46.2%），施氮量為250 kg·hm-2（以N計，尿素與磷酸一銨中氮的總和），鉀肥采用農(nóng)用硫酸鉀（新疆新雅泰化工有限公司，K2O 含量51%），施用量為30 kg·hm-2（以K2O 計），棉花各生育時期灌水量如表1 所示，其他田間管理和農(nóng)藝措施均與新疆棉田常規(guī)模式保持一致。

表1 棉田灌水時間及灌水量Table 1 Irrigation time and amount in cotton field

1.2.2 樣品采集和分析

2019 年，在棉花花蕾期（7 月22 日）、花鈴期（8 月9 日）、吐絮期（9 月17 日），每小區(qū)隨機(jī)采集棉花3 株，按根、莖、葉、蕾/鈴（殼、絮、籽）分離，在105 ℃下殺青1 h，75 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量后測定，計算植株生物量。植株樣本粉碎后，采用硫酸-雙氧水消煮法[21]，釩鉬黃比色法[21]分析植株各部位含磷量。同時，在各小區(qū)滴灌帶下、種植行間采集0～5、5～10 cm 和10～20 cm土層深度土壤樣品，風(fēng)干后，采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法[21]測定土壤有效磷含量。

2019 年10 月6 日對棉花進(jìn)行測產(chǎn)，在各試驗小區(qū)隨機(jī)設(shè)置1 個面積為1 m2的樣方，記錄該樣方內(nèi)的棉花株數(shù)，并統(tǒng)計每株棉花上的鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量，總產(chǎn)量=總面積×單位面積株數(shù)×單株鈴數(shù)×單鈴質(zhì)量。

1.2.3 計算和統(tǒng)計分析

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

同一生育時期內(nèi)各處理間土壤有效磷含量、植株生物量和含磷量、磷素累積吸收量和產(chǎn)量構(gòu)成均采用雙因素方差分析，多重比較采用Duncan 法。數(shù)據(jù)整理所用軟件為Microsoft Office Excel 2010，數(shù)據(jù)分析軟件為SPSS 20.0，作圖軟件為SigmaPlot 12.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同磷肥用量下有機(jī)肥添加對棉田土壤有效磷的影響

在棉花的整個生育期，土壤有效磷含量總體表現(xiàn)出隨施磷量增加而增加的趨勢（圖1）。在花蕾期，土壤有效磷表現(xiàn)出隨施磷量增加而增加的趨勢，有機(jī)肥添加對土壤有效磷無顯著影響。在花鈴期，0～10 cm土層土壤有效磷表現(xiàn)出隨施磷量增加而增加的趨勢，在MAP50 處理，有機(jī)肥添加顯著增加了土壤有效磷含量；10～20 cm 土層土壤有效磷，在不施有機(jī)肥時隨施磷量增加表現(xiàn)出先增加后降低趨勢，MAP100 處理土壤有效磷含量最高；在施用有機(jī)肥時，表現(xiàn)出隨施磷量增加而增加趨勢，在MAP150 處理，有機(jī)肥添加顯著增加了土壤有效磷含量。在吐絮期，土壤有效磷表現(xiàn)出隨施磷量增加而先增加后平穩(wěn)或略有降低的趨勢；在MAP100和MAP150處理，有機(jī)肥添加顯著提高了土壤有效磷含量。

圖1 不同磷肥用量下有機(jī)肥添加對棉花不同生育時期土壤有效磷含量的影響Figure 1 Effects of organic fertilizer addition on soil available phosphorus content in cotton growth stages under different amounts of phosphorus fertilization

2.2 不同磷肥用量下有機(jī)肥添加對棉花不同生育時期各器官生物量和吸磷量的影響

表2 為不同處理下棉花各生育時期植株各器官生物量。在花蕾期，根的生物量隨磷肥用量的增加呈降低的趨勢，有機(jī)肥添加時，隨磷肥用量的增加根的生物量也增加，在MAP100和MAP150處理，有機(jī)肥添加顯著提高了根的生物量；在有機(jī)肥添加時，隨磷肥用量增加，莖生物量表現(xiàn)出增加趨勢，在MAP100 和MAP150 處理，有機(jī)肥添加顯著提高了莖生物量；不同磷肥用量和有機(jī)肥添加對葉和蕾的生物量無顯著影響。在花鈴期，MAP50 和MAP150 處理中，有機(jī)肥添加顯著提高了根生物量；在MAP100 和MAP150 處理，有機(jī)肥添加顯著提高了葉生物量；磷肥用量和有機(jī)肥添加對莖和蕾生物量無顯著影響。在吐絮期，有機(jī)肥添加時，隨磷肥用量的增加，根、莖、葉、棉絮和籽的生物量呈先增加后降低的趨勢，在MAP100 處理，有機(jī)肥添加顯著提高了根的生物量；在MAP100 和MAP150 處理，有機(jī)肥添加顯著提高了莖生物量；在不施有機(jī)肥時，MAP50 處理棉絮生物量最高，在有機(jī)肥添加時，MAP100處理棉絮生物量最高；MAP50+CK處理時籽生物量最高。

表2 不同磷肥用量下有機(jī)肥添加對棉花不同生育時期植株各器官生物量的影響（g·株-1）Table 2 Effects of organic fertilizer addition on the biomass of various organs of cotton plants at different growth stages under different amounts of phosphorus fertilization（g·plant-1）

表3 為不同處理下棉花各生育時期植株各器官含磷量。在花蕾期，MAP0+CK 處理的根含磷量顯著低于其他處理；相比MAP0+CK 處理，MAP50+CK、MAP50+OF 和MAP100+OF 處理的莖含磷量顯著升高；葉含磷量在各處理間無顯著差異；在MAP50 處理，有機(jī)肥添加顯著提高了蕾的含磷量。在花鈴期，MAP0+OF 根含磷量顯著低于其他處理，其他各處理間根、莖、葉和鈴的含磷量無顯著差異。在吐絮期，根、殼和絮的含磷量在各處理間無顯著差異；MAP150+CK 處理莖的含磷量顯著高于MAP0+CK 處理；不施磷肥時，有機(jī)肥添加顯著提高了葉的含磷量。

表3 不同磷肥用量下有機(jī)肥添加對棉花不同生育時期植株各器官含磷量的影響（g·kg-1）Table 3 Effects of organic fertilizer addition on the phosphorus content of various organs of cotton plants at different growth stages under different amounts of phosphorus fertilization（g·kg-1）

2.3 不同磷肥用量下有機(jī)肥添加對棉花不同生育時期累積吸磷量的影響

隨生長時間延長，棉花累積吸磷量呈升高趨勢（圖2）。在花蕾期，不施有機(jī)肥時，不同磷肥用量處理的植株吸磷量之間無顯著差異，而添加有機(jī)肥時，植株吸磷量表現(xiàn)出隨施磷量增加而升高的趨勢。在花鈴期，植株吸磷量表現(xiàn)出隨磷肥用量增加而先升高后降低趨勢，在MAP0 處理，有機(jī)肥添加顯著提高了植株吸磷量。在吐絮期，不施有機(jī)肥時，植株吸磷量隨施磷量增加表現(xiàn)出先升高后略有降低的趨勢，而在有機(jī)肥添加時，隨施磷量增加呈先升高后平穩(wěn)的趨勢，在MAP100 處理達(dá)到最高；有機(jī)肥添加顯著提高了植株吸磷量。

圖2 不同磷肥用量下有機(jī)肥添加對棉花不同生育時期累積吸磷量的影響Figure 2 Effects of organic fertilizer addition on plant phosphorus uptake at cotton growth stages under different amounts of phosphorus fertilization

有機(jī)肥添加改變了棉花各器官中磷素累積量占比（圖3）。在花蕾期和花鈴期，有機(jī)肥添加處理的植株營養(yǎng)器官（根、莖和葉）的總吸磷量比例高于未添加有機(jī)肥的處理；而在吐絮期，添加有機(jī)肥處理植株生殖器官（籽和絮）的總吸磷量比例高于未添加有機(jī)肥處理（除MAP100處理外）。

圖3 不同磷肥用量下有機(jī)肥添加對棉花不同生育時期各器官累積吸磷量占比的影響Figure 3 Effects of organic fertilizer addition on the proportion of cumulative phosphorus uptake by various organs at cotton growth stages under different amounts of phosphorus fertilization

2.4 不同磷肥用量下有機(jī)肥添加對棉花籽棉產(chǎn)量、磷肥利用率和棉田磷平衡的影響

籽棉產(chǎn)量受磷肥用量和有機(jī)肥添加的影響（表4）。在未添加有機(jī)肥時，籽棉產(chǎn)量隨磷肥用量增加而升高；但在有機(jī)肥添加時，籽棉產(chǎn)量隨磷肥用量增加呈先升高后降低的趨勢，MAP100+OF 處理籽棉產(chǎn)量最高，為5 642.24 kg·hm-2。各處理棉田的單鈴質(zhì)量和收獲密度無顯著差異；而單株鈴數(shù)隨磷肥用量增加表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，MAP100 處理單株鈴數(shù)最多，且有機(jī)肥添加顯著提高了單株鈴數(shù)。

表4 不同磷肥用量下有機(jī)肥添加對籽棉產(chǎn)量構(gòu)成的影響Table 4 Effects of organic fertilizer addition on the cotton yield composition under different amounts of phosphorus fertilization

整體上，磷肥利用率隨磷肥用量增加呈先升高后降低的趨勢（表5），在MAP100+OF 處理最高，達(dá)到37.24%；磷肥累積利用率、農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力隨著施磷量增加呈遞減趨勢，MAP150+OF 處理磷肥農(nóng)學(xué)效率和磷肥偏生產(chǎn)力最低，分別為0.92和23.32；添加有機(jī)肥處理的磷肥累積利用率整體高于未添加有機(jī)肥的處理（表5）。隨施磷量的增加，土壤磷素盈余量整體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，在MAP100+CK 處理，磷素盈余基本達(dá)到平衡，為-5.31 kg·hm-2（以P2O5計，下同）（表6）。

表5 不同磷肥用量下有機(jī)肥添加對棉田磷肥利用率的影響Table 5 Effects of organic fertilizer addition on phosphorus utilization rate in cotton fields under different amounts of phosphorus fertilization

表6 不同磷肥用量下有機(jī)肥添加對棉田磷素收支平衡的影響Table 6 Effects of organic fertilizer addition on the cotton field phosphorus balance under different amounts of phosphorus fertilization

3 討論

3.1 有機(jī)肥添加對棉田土壤有效磷的影響

土壤有效磷是表征土壤供磷能力的重要指標(biāo)[22]。本研究表明，在棉花的整個生育期土壤有效磷含量為14～26 mg·kg-1，兩個土層土壤有效磷含量無顯著差異，這與馬丹等[7]的研究結(jié)果一致，這可能是由于膜下滴灌栽培技術(shù)使磷肥隨水施用過程中磷素的擴(kuò)散方向與土壤中水移動方向一致，施入土壤中的磷素分布較均勻[23]，也可能是由于分次隨水滴施磷肥會減少磷肥的固定，在一定程度上提高了土壤有效磷含量。添加有機(jī)肥處理土壤有效磷含量整體大于未添加有機(jī)肥的處理，這與劉星等[24]、高菊生等[25]、劉淑英[26]的研究結(jié)果一致。施用有機(jī)肥能夠提高土壤有效磷含量[27]，這可能是由于有機(jī)肥中含有一定的有效磷，能夠直接增加土壤有效磷的含量；水溶性磷肥施入土壤后，其中一部分很快轉(zhuǎn)化為難溶性磷形態(tài)，很難被作物吸收利用，在施用磷肥的基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥，可以增加有機(jī)質(zhì)含量，而有機(jī)質(zhì)可減少無機(jī)磷的固定，并促進(jìn)無機(jī)磷的溶解，促使土壤中有效磷含量增加[28]。

3.2 有機(jī)肥添加對植株累積吸磷量和磷分配的影響

磷素的吸收利用直接影響作物的生長和發(fā)育。本研究表明，隨施磷量增加，整個生育期植株累積吸磷量表現(xiàn)出增加的趨勢，這與姜宗慶等[29]、劉德平等[30]的研究結(jié)果一致，表明施用磷肥可提高植物磷素吸收。在棉花整個生育過程中整體表現(xiàn)為添加有機(jī)肥處理的植株累積含磷量大于未添加有機(jī)肥的處理，這可能是由于添加有機(jī)肥可以提高土壤有效磷含量，改善土壤理化性質(zhì)與微生物群落結(jié)構(gòu)，微生物對棉花根系具有刺激作用，使棉花根系長度、根表面積和根密度增加，從而促進(jìn)棉花的生長[29]，進(jìn)而使得棉花能夠吸收更多的磷素，最終提高植株累積含磷量。

作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量構(gòu)成受作物器官內(nèi)磷等養(yǎng)分吸收與轉(zhuǎn)運的影響[31]。本研究中，添加有機(jī)肥處理花蕾期和花鈴期中生殖器官累積吸磷量占比比未添加有機(jī)肥處理低5～7 個百分點，到吐絮期，添加有機(jī)肥處理的生殖器官累積吸磷量占比比未添加有機(jī)肥處理高7.5 個百分點，說明添加有機(jī)肥的處理較明顯地表現(xiàn)出磷素由營養(yǎng)器官向生殖器官轉(zhuǎn)移的趨勢，這可能是由于添加有機(jī)肥促進(jìn)花蕾期和花鈴期營養(yǎng)器官對磷素的吸收，促進(jìn)棉花生長發(fā)育；吐絮期棉花生長趨于穩(wěn)定，籽粒中已轉(zhuǎn)移了大量的磷素，使生殖器官磷素占比增大[32-33]。

3.3 有機(jī)肥添加對籽棉產(chǎn)量和磷肥利用率的影響

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，這與吳克寧等[34]、陳書強等[35]、王海江等[36]的研究結(jié)果一致。合理施磷可顯著提高作物單鈴質(zhì)量和單株鈴數(shù)，從而提高產(chǎn)量。添加有機(jī)肥處理的產(chǎn)量總體大于未添加有機(jī)肥處理的產(chǎn)量，這與PRATAP 等[37]、施河麗等[38]的研究結(jié)果一致。合理施磷一方面滿足當(dāng)季作物對養(yǎng)分的需求，另一方面通過提高土壤有機(jī)質(zhì)含量改善土壤理化性質(zhì)與微生物群落結(jié)構(gòu)，提高土壤有效磷含量，增加植株累積含磷量，最終提高作物產(chǎn)量。從本研究產(chǎn)量構(gòu)成來看，籽棉產(chǎn)量的差異主要是由單株鈴數(shù)受磷肥施用量和有機(jī)肥相互影響所致，單株鈴數(shù)在MAP100+OF 處理中最高，可能是由于合理的磷肥用量配施有機(jī)肥調(diào)控了棉花營養(yǎng)生長和生殖生長[39]，促進(jìn)碳水化合物的合成、運輸以及棉鈴的形成，使單株鈴數(shù)得到提高，提升光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的能力。

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MAP0+CK 和MAP0+OF 處理中磷素盈余分別為-67.72、-66.52 kg·hm-2，土壤磷庫處于虧缺狀態(tài)，不利于磷素的可持續(xù)管理，長期如此會使土壤肥力匱乏，作物減產(chǎn)。MAP150+CK 處理施用常量磷肥，土壤磷素盈余為61.83 kg·hm-2，利用率僅為15.41%，與MAP100+CK 處理相比，不僅沒有提高磷肥的利用率，還造成土壤磷素過量，易被土壤吸附和固定，造成磷肥資源的浪費，增大了土壤磷素的遷移性和環(huán)境風(fēng)險。因此，從培肥地力和棉花產(chǎn)量的角度綜合考慮，種植棉花應(yīng)施用適量的磷肥，MAP100+OF 處理中磷肥利用率達(dá)到37.24%，其磷素盈余為16.82 kg·hm-2，產(chǎn)量為5 642.24 kg·hm-2，在保持較高磷肥利用率和產(chǎn)量的同時，可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

（1）棉田土壤有效磷含量表現(xiàn)出隨施磷量增加而增加的趨勢，添加有機(jī)肥的處理土壤有效磷含量整體高于未添加有機(jī)肥的處理。

（2）植株累積吸磷量表現(xiàn)出隨施磷量增加而增加的趨勢，添加有機(jī)肥的處理植株累積含磷量整體高于未添加有機(jī)肥的處理，且在磷肥用量為150 kg·hm-2時較高。籽棉產(chǎn)量隨施磷量增加表現(xiàn)出先增加后略有降低的趨勢，添加有機(jī)肥處理的產(chǎn)量總體高于未添加有機(jī)肥的處理，在磷肥用量為100 kg·hm-2時最高。

（3）添加有機(jī)肥處理的磷肥利用率整體高于未添加有機(jī)肥的處理，且在磷肥用量為100 kg·hm-2時最高，利用率為37.24%；隨施磷量的增加，棉田土壤有效磷盈余量呈增加的趨勢，在磷肥用量為100 kg·hm-2時配施有機(jī)肥棉田磷素收支開始出現(xiàn)盈余。

（4）在綜合考慮土壤磷素有效性、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100 kg·hm-2（以P2O5計）并配施適量有機(jī)肥。