新疆棉花化肥利用效率研究

湯明堯，沈重陽，張 炎，閆翠俠，傅國海，徐 洋，唐光木，耿慶龍

（1.新疆維吾爾自治區(qū)土壤肥料工作站，新疆 烏魯木齊 830006；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；3.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，新疆 烏魯木齊 830091；4.全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，北京 100125）

新疆是我國最大的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地，棉花產(chǎn)業(yè)是新疆農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，棉花是新疆宜植棉區(qū)農(nóng)民主要的種植作物和收入來源［1］。2019年，新疆棉花種植面積為2.54×106hm2，總產(chǎn)量為500.2萬t，產(chǎn)量在全國占比高達(dá)84.94%［2］。施肥是提高棉花產(chǎn)量的重要手段［3-7］，也是在棉花生產(chǎn)中物質(zhì)投入最大的一塊。據(jù)國家發(fā)展改革委價(jià)格司測算，2018年，棉花化肥投入成本為3295.65元·hm-2，占物質(zhì)與服務(wù)費(fèi)用的比例為29.08%［8］。經(jīng)過多年測土配方施肥技術(shù)的推廣普及，新疆棉花科學(xué)施肥技術(shù)水平較以往已有大幅提升，但部分地區(qū)仍然存在施肥結(jié)構(gòu)不合理、比例不協(xié)調(diào)、分配不平衡等問題［9-10］，而不合理施用化肥，不僅會導(dǎo)致棉花產(chǎn)量品質(zhì)下降，還會降低化肥利用效率，增加生產(chǎn)成本，造成耕地質(zhì)量下降、環(huán)境污染等［11］。陳同斌等［12］研究表明，我國各區(qū)域化肥利用率存在較大差異，化肥施肥量愈大則化肥利用率愈低。徐亞新等［13］匯總了大量馬鈴薯田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，測算出我國馬鈴薯氮、磷和鉀素養(yǎng)分回收率平均值分別為36.4%、18.5%和27.6%，且馬鈴薯氮、磷、鉀素養(yǎng)分利用率與產(chǎn)量和施肥量關(guān)系密切。王肖娟等［14］、張?jiān)饰舻龋?5］研究均表明，棉田隨著施氮量的增加，氮肥利用率、農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力會顯著降低。張炎等［16］田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，棉花磷肥的表觀利用率在1.14%～28.43%之間，且陸地棉磷的農(nóng)學(xué)利用率、表觀利用率和偏生產(chǎn)力明顯高于海島棉。王西和等［17］通過長期定位試驗(yàn)得出，在灰漠土小麥-玉米-棉花輪作體系下鉀肥的表觀利用率在7%～81%之間，且鉀虧缺正在逐步加大。雖然有關(guān)學(xué)者對新疆棉花化肥利用效率進(jìn)行了大量必要而卓越的研究，并取得了相應(yīng)成果，但研究結(jié)論主要建立在單點(diǎn)（或極少量）田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，區(qū)域代表性欠缺，較難真實(shí)反映新疆當(dāng)前棉花化肥利用效率的現(xiàn)狀，對指導(dǎo)棉花實(shí)際生產(chǎn)的意義有限。本研究通過在新疆棉區(qū)實(shí)施大量的棉花肥料利用率田間試驗(yàn)，從區(qū)域尺度分析棉花氮、磷、鉀肥利用效率現(xiàn)狀，為解決新疆棉花單位面積化肥用量偏高、施肥結(jié)構(gòu)不合理、化肥利用效率低等問題提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及技術(shù)支持，進(jìn)而指導(dǎo)新疆棉花科學(xué)合理施肥，提高化肥利用率，減少不合理化肥投入，實(shí)現(xiàn)棉花化肥減量增效，增加農(nóng)民收入，減輕因不合理施用化肥帶來的農(nóng)業(yè)面源污染。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

新疆地處歐亞大陸腹地，73°40′～96°18′E，34°25′～48°10′N，氣候干旱、日照充足、溫差大，是典型溫帶大陸性氣候，屬干旱荒漠、半荒漠灌溉植棉區(qū)。新疆棉區(qū)土壤以潮土、灰漠土、灌淤土、草甸土等為主，鹽堿重，pH值多在7.5～8.5之間［18］，根據(jù)多年測土配方施肥取土化驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的棉區(qū)耕層土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分平均含量情況見表1［19］。

表1 棉區(qū)耕層土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分平均含量情況

1.2 試驗(yàn)方法

棉花肥料利用率試驗(yàn)參照農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《基于田間試驗(yàn)的三大糧食作物化肥利用率測算規(guī)范（試行）》在2018～2019年實(shí)施。

1.2.1 試驗(yàn)點(diǎn)布局

2018～2019年共實(shí)施棉花肥料利用率田間試驗(yàn)34個(gè)，其中2018年14個(gè)，2019年20個(gè)。試驗(yàn)點(diǎn)遍布新疆棉花主要種植區(qū)，試驗(yàn)所選地塊形狀整齊、肥力均勻、具有代表性，避開居民區(qū)、道路、堆肥場所、樹木遮陰、土傳病害嚴(yán)重和其他人為活動的影響。具體分布情況見圖1。

圖1 棉花肥料利用率試驗(yàn)點(diǎn)分布示意圖

1.2.2 試驗(yàn)處理

棉花肥料利用率田間試驗(yàn)采用多點(diǎn)對比重復(fù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每點(diǎn)均設(shè)置4個(gè)處理，分別為氮磷鉀處理（NPK）、無氮處理（PK）、無磷處理（NK）、無鉀處理（NP），每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，隨機(jī)排列。每個(gè)點(diǎn)的氮磷鉀肥用量基于該點(diǎn)前期農(nóng)戶調(diào)研結(jié)果確定，施肥方式和方法與當(dāng)?shù)叵嗤?，確保施肥情況代表當(dāng)?shù)貙?shí)際水平。

1.2.3 試驗(yàn)小區(qū)

試驗(yàn)小區(qū)形狀為長方形，長寬比為（2～3）∶1，面積為30～50 m2。小區(qū)外設(shè)置保護(hù)行，小區(qū)間設(shè)置隔離，各小區(qū)單排單灌，避免串排串灌。

1.2.4 田間管理

試驗(yàn)小區(qū)除施肥不同外，其他灌水、除草、病蟲防治、化控等田間管理措施均一致，且符合當(dāng)?shù)厣a(chǎn)習(xí)慣，并由專人在同一天內(nèi)完成。

1.2.5 收獲計(jì)產(chǎn)和樣品采集處理

每個(gè)小區(qū)劃定5～10 m2（同一試驗(yàn)點(diǎn)，不同小區(qū)的劃定規(guī)則及面積一致）的測產(chǎn)區(qū)，分次采收、計(jì)產(chǎn)，最后累加計(jì)算單位面積籽棉產(chǎn)量。文中所述棉花產(chǎn)量均為籽棉產(chǎn)量。在成熟期每小區(qū)的測產(chǎn)區(qū)選4～10株（同一試驗(yàn)點(diǎn)，不同小區(qū)的采樣株數(shù)一致）代表性棉花，分為籽棉和地上其他器官（包含莖稈、葉片、空桃殼、脫落物等）2個(gè)部分，在60℃條件下烘干至恒重，記錄生物量，將樣品粉碎，以備測試棉花不同部分的養(yǎng)分含量。脫落物包括生長期間掉落的葉片和蕾鈴等。

1.2.6 化驗(yàn)分析

棉花植株的全氮、全磷、全鉀含量分別采用凱氏定氮法、鉬銻抗比色法、火焰光度法測定。

1.3 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2016進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花施肥及產(chǎn)量特征

對新疆棉花施肥及產(chǎn)量特征進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)（表2），34個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)NPK處理棉花平均單位面 積 產(chǎn) 量 為5543.52 kg·hm-2（3661.50～7123.50 kg·hm-2），其第25%和第75%位數(shù)分別為4942.50和6054.00 kg·hm-2。試驗(yàn)點(diǎn)氮肥的平均施用量為289.76 kg·hm-2（118.50～555.00 kg·hm-2），其第25%和第75%位數(shù)的施用量分別為243.90和285.00 kg·hm-2；試驗(yàn)點(diǎn)磷肥的平均施用量為167.49 kg·hm-2（64.50～241.50 kg·hm-2），其第25%和第75%位數(shù)的施用量分別為150.00和207.00kg·hm-2；試驗(yàn)點(diǎn)鉀肥的平均施用量為76.46 kg·hm-2（39.60～120.00 kg·hm-2），其 第25%和第75%位數(shù)的施用量分別為60.00和97.50 kg·hm-2。新疆棉花施氮、磷和鉀肥的相對產(chǎn)量 分 別 為75.82%（58.69%～91.95%）、84.88%（66.34%～98.09%）和90.02%（71.60%～98.26%）。進(jìn)一步分析施氮、磷和鉀的相對產(chǎn)量結(jié)果表明，施氮相對產(chǎn)量最低，其第25%和第75%位數(shù)的相對產(chǎn)量分別為73.74%和79.97%；施磷相對產(chǎn)量高于施氮，其第25%和第75%位數(shù)的相對產(chǎn)量分別為79.65%和90.90%；施鉀相對產(chǎn)量最高，其第25%和第75%位數(shù)的相對產(chǎn)量分別為84.80%和95.27%。

表2 新疆棉花施肥及產(chǎn)量特征描述統(tǒng)計(jì)

產(chǎn)量反應(yīng)結(jié)果顯示（圖2），棉花施用氮肥的產(chǎn) 量 反 應(yīng) 為1357.79 kg·hm-2（372.15～2344.50 kg·hm-2），其第25%和第75%位數(shù)的產(chǎn)量反應(yīng)分別為904.50和1486.50 kg·hm-2；施用磷肥的產(chǎn)量反應(yīng)為842.25 kg·hm-2（102.30～1882.50 kg·hm-2），其第25%和第75%位數(shù)的產(chǎn)量反應(yīng)分別為534.00和1207.50 kg·hm-2；施用鉀肥的產(chǎn)量反應(yīng)為550.47 kg·hm-2（69.00～1313.25 kg·hm-2），其第25%和第75%位數(shù)的產(chǎn)量反應(yīng)分別為227.25和718.05 kg·hm-2。從施氮、磷和鉀肥的增產(chǎn)效果來分析，棉花施用氮肥的增產(chǎn)作用最大，增產(chǎn)率在8.75%～70.38%之間，平均增產(chǎn)率為31.89%；磷肥的增產(chǎn)作用次之，增產(chǎn)率在1.94%～50.73%之間，平均增產(chǎn)率為17.82%；新疆棉花施用鉀肥也有明顯的增產(chǎn)效果，平均增產(chǎn)率為11.08%，最高增產(chǎn)率可達(dá)39.66%，但不同條件下增產(chǎn)效果差異較大。

圖2 棉花NPK處理施肥產(chǎn)量反應(yīng)

2.2 棉花養(yǎng)分吸收情況

由圖3可見，棉花對氮、鉀素的吸收量大，對磷素的吸收量相對較少，且施用氮、磷、鉀肥可促進(jìn)棉株對氮、磷、鉀素的吸收，增加氮、磷、鉀素積累量。34個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，NPK處理的平均氮素積累量為292.73 kg·hm-2（137.59～363.26 kg·hm-2），較不施氮肥的PK處理多積累氮素110.45 kg·hm-2（57.03～200.32 kg·hm-2），多積累比例達(dá)60.59%；NPK處理的平均磷素積累量為55.86 kg·hm-2（27.50～93.35 kg·hm-2），較不施磷肥的NK處理多積累磷 素24.05 kg·hm-2（4.20～51.59 kg·hm-2），多積累比例達(dá)75.59%；NPK處理的平均鉀素積累量為272.38 kg·hm-2（114.05～562.62 kg·hm-2），較不施鉀肥的NP處理多積累鉀素37.87 kg·hm-2（14.34～74.86 kg·hm-2），多積累比例為16.15%。在本研究條件下，NPK處理每形成100 kg籽棉需要氮（N）5.29 kg（3.26～6.51 kg）、磷（P2O5）1.01 kg（0.61～1.52 kg）、鉀（K2O）4.83 kg（3.11～8.22 kg）。

圖3 不同處理棉花氮、磷、鉀素吸收情況

2.3 棉花化肥利用效率情況

2.3.1 棉花化肥農(nóng)學(xué)效率

由表3可見，棉花氮、磷、鉀肥的農(nóng)學(xué)效率分別 為4.95（1.46～10.28）、5.30（0.49～10.34）、7.44 （0.96～20.15） kg·kg-1，表現(xiàn)為氮肥＜磷肥＜鉀肥。進(jìn)一步分析可以看出，氮肥的農(nóng)學(xué)效率最穩(wěn)定，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，其第25%和第75%位數(shù)的農(nóng)學(xué)效率分別為3.49和6.22 kg·kg-1；磷肥的農(nóng)學(xué)效率較穩(wěn)定，其第25%和第75%位數(shù)的農(nóng)學(xué)效率分別為3.29和7.91 kg·kg-1；鉀肥的農(nóng)學(xué)效率變化大，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)68.55%，其第25%和第75%位數(shù)的農(nóng)學(xué)效率分別為3.96和11.43 kg·kg-1。

表3 棉花化肥農(nóng)學(xué)效率 （kg·kg-1）

2.3.2 棉花化肥利用率

由表4可見，棉花氮、磷、鉀肥的利用率分別為38.68%（25.53%～57.25%）、14.76%（2.43%～34.00%）、49.25%（30.04%～74.79%），表現(xiàn)為鉀肥＞氮肥＞磷肥，氮肥和鉀肥的利用率較高，磷肥的利用率低。進(jìn)一步分析可以看出，新疆棉花氮肥的利用率一般在34.08%～41.01%之間，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為17.09%，相對穩(wěn)定；磷肥的利用率低，且變化較大，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)41.94%，其第25%和第75%位數(shù)利用率分別10.74%和18.72%；氮、磷、鉀肥中鉀的利用率最高，試驗(yàn)點(diǎn)中最高的利用率在70%以上，其第25%和第75%位數(shù)的利用率分別為41.15%和54.35%。

表4 棉花化肥利用率 （%）

2.4 施肥量對化肥利用效率的影響

由棉花化肥施用量與化肥農(nóng)學(xué)效率和化肥利用率的關(guān)系（圖4）可以看出，氮肥的農(nóng)學(xué)效率隨施氮量的增加而變小，且相關(guān)性分析顯示，兩者呈顯著負(fù)相關(guān)，棉田每多施100 kg·hm-2氮肥（N），氮肥的農(nóng)學(xué)效率下降0.9 kg·kg-1。棉田施磷量與磷肥農(nóng)學(xué)效率呈極顯著負(fù)相關(guān)，磷肥（P2O5）的農(nóng)學(xué)效率也是隨著棉田施磷量的增加而變小，棉田每多施100 kg·hm-2的磷肥（P2O5），磷肥的農(nóng)學(xué)效率下降3.2 kg·kg-1，降幅遠(yuǎn)高于氮肥。對棉田施氮量與氮肥利用率、棉田施磷量與磷肥利用率進(jìn)行線性方程模擬，根據(jù)模擬得到的方程，棉田每多施100 kg·hm-2氮肥（N），氮肥利用率下降2.0%；棉田每多施100 kg·hm-2磷肥（P2O5），磷肥利用率下降5.0%。但需要說明的是棉田施氮量與氮肥利用率、棉田施磷量與磷肥利用率方程模擬的R2分別只有0.0712（n=34）、0.0819（n=34），只達(dá)到了10%的顯著水平，未達(dá)到5%的顯著水平。在本研究條件下，棉田鉀肥農(nóng)學(xué)效率與施鉀量、鉀肥利用率與施鉀量的相關(guān)性均不大。

圖4 棉花化肥施用量與農(nóng)學(xué)效率和利用率的關(guān)系

3 討論

本研究表明棉花施用氮、磷、鉀肥的農(nóng)學(xué)效率分別為4.95、5.30、7.44 kg·kg-1，與張炎等［20］1996～2002年在新疆棉田通過21組田間試驗(yàn)得到的氮、磷、鉀肥農(nóng)學(xué)效率1.62、1.85、2.71 kg·kg-1相比有大幅提高，提高幅度分別高達(dá)202.47%、186.49%、174.54%。本研究的棉花氮、磷、鉀肥的利用率分別為38.68%（25.53%～57.25%）、14.76%（2.43%～34.00%）、49.25%（30.04%～74.79%），與國內(nèi)外其他研究［21-24］得到的棉花化肥利用率相比，新疆棉花當(dāng)前氮肥和鉀肥利用率處在較高水平，磷肥的利用率差別不大，這可能與新疆棉花測土配方施肥、膜下滴灌等技術(shù)普及率較高有關(guān)。

本研究表明，新疆棉花施用氮、磷、鉀肥均有明顯的增產(chǎn)效果，增產(chǎn)率分別為31.89%、17.82%、11.08%，并且新疆棉花施肥仍以氮、磷肥為主，同時(shí)氮、磷、鉀肥的配比差異大，如氮磷比，最高為1∶0.92，最低僅為1∶0.31；氮鉀比最高為1∶0.41，最低僅為1∶0.15。棉花產(chǎn)量不是隨著施肥總量的增加而增加，而是呈現(xiàn)一定的波動（圖5）。

圖5 各試驗(yàn)點(diǎn)棉花施肥量與產(chǎn)量的關(guān)系

從養(yǎng)分平衡的角度分析，34個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，NPK處理因籽棉收獲帶走氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）的 平 均 值 分 別 為189.99、34.00、88.66 kg·hm-2，在不考慮養(yǎng)分其他途徑損失或補(bǔ)充的情況下，氮（N）、磷（P2O5）分別盈余99.78、133.49 kg·hm-2，鉀（K2O）虧缺12.19 kg·hm-2。

對各試驗(yàn)點(diǎn)施磷量與棉花產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析（圖6），用一元二次方程模擬達(dá)到顯著水平，呈開口向下的拋物線，拋物線頂點(diǎn)為施磷量167.52 kg·hm-2，即當(dāng)棉田施磷量高于167.52 kg·hm-2后，棉花產(chǎn)量隨著施磷量的增加而減小。而34個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)中施磷量大于167.52 kg·hm-2的有17個(gè)，所以說明新疆棉花可能存在一定的過量施用磷肥問題。

圖6 棉花施磷量與產(chǎn)量

本研究條件下，雖然棉花施鉀肥具有明顯的增產(chǎn)效果，但施鉀量與產(chǎn)量、農(nóng)學(xué)效率、利用率的相關(guān)性分析均不顯著，造成相關(guān)性差的主要原因有以下2個(gè)：一是新疆各地土壤中鉀含量差異極大［25］，導(dǎo)致各地棉花施用鉀肥的增產(chǎn)效果不同；二是現(xiàn)階段鉀肥施用還不甚合理，施用過量和施用不足并存，導(dǎo)致施鉀增產(chǎn)效果沒有充分發(fā)揮。相關(guān)研究已經(jīng)證實(shí)新疆棉花施用鉀肥具有明顯的增產(chǎn)效果［6-7，24］，且已被農(nóng)民普遍接受，農(nóng)民開始廣泛施用鉀肥，但由于棉花合理施用鉀肥的研究還不夠深入、農(nóng)民施用鉀肥的經(jīng)驗(yàn)不足等原因，各地在實(shí)際棉花生產(chǎn)中鉀肥的施用量及施用時(shí)期較為隨意，鉀肥的增產(chǎn)效果沒有得到充分發(fā)揮。

雖然經(jīng)過多年測土配方施肥、膜下滴灌技術(shù)的推廣，新疆科學(xué)施肥水平有所提升，農(nóng)民施肥觀念也有了較大改善，但在棉花上施肥結(jié)構(gòu)比例不合理，重氮磷肥、輕鉀肥等問題仍然存在，棉花施肥上還有繼續(xù)優(yōu)化提升的空間。

4 結(jié)論

新疆棉花施用氮、磷、鉀肥均有明顯的增產(chǎn)效果，增產(chǎn)率分別為31.89%、17.82%、11.08%，施用氮、磷、鉀肥的產(chǎn)量反應(yīng)分別為1357.79（372.15～2344.50）、842.25（102.30～1882.50 ）、550.47（69.00～1313.25）kg·hm-2。NPK處 理 每形成100 kg籽棉需要氮（N）5.29 kg（3.26～6.51kg）、 磷（P2O5）1.01 kg（0.61～1.52 kg）、 鉀（K2O）4.83 kg（3.11～8.22 kg）。棉花氮、磷、鉀肥的農(nóng)學(xué)效率分別為4.95（1.46～10.28）、5.30（0.49～10.34）、7.44 （0.96～20.15） kg·kg-1，表現(xiàn)為鉀肥＞磷肥＞氮肥。棉花氮、磷、鉀肥的利用率分別為38.68%（25.53%～57.25%）、14.76%（2.43%～34.00%）、49.25%（30.04%～74.79%），氮、磷肥利用效率均隨施用量的增大而減小。