2022, Vol. 39
2. 新疆土壤与植物生态过程重点实验室，乌鲁木齐 830052
2. Xinjiang Key Laboratory of Soil and Plant Ecology, Urumqi 830052, China
棉花是我国重要的经济作物之一[1]。随着“矮、密、早”和“膜下滴灌”等栽培技术的推广应用[2]，新疆棉花种植面积不断扩大，逐渐发展成为我国棉花主产区[3]。截至2019年，新疆棉花种植面积约占全国的76%，总产量约占全国的85%[4]。磷素是棉花生长发育不可缺少的营养元素之一[5]，而新疆土壤属于石灰性土壤，施入土壤中的磷素易与土壤中的钙镁等物质发生反应，被吸附或固定[6-8]，仅有10%~20% 可以被棉花吸收利用[9]，这不仅造成了磷肥的浪费，也可能产生潜在的生态环境风险[10]。因此，如何提高磷肥利用率，减少化学磷肥用量，是实现新疆棉田可持续发展亟需解决的重要问题。
合理的磷肥用量是保证棉田高磷肥利用率的基础。自2005年起新疆依托国家测土配方施肥项目开展了大量的棉田肥料试验和技术推广工作，2011年统计数据显示，新疆棉田磷肥平均施用量为164.2 kg·hm-2（以P2O5计，下同），相比棉田磷肥用量研究中的推荐磷肥用量（150 kg·hm-2）[11]，已经达到了比较合理的水平。然而，由于新疆石灰性土壤磷素固持严重，磷肥利用率仍然较低，仅为10%~20%，有些棉田磷肥利用率甚至低于5%[12-13]。因此，有必要采取一定的调控措施，提高新疆棉田磷肥利用率。
有机肥施用可改善土壤磷素状况[14]，提高磷肥利用率。有机肥不仅本身含有可溶性磷素（如正磷酸盐）[15]，还可以通过促进土壤微生物生长和磷素周转，提高土壤磷素有效性。另外，有机肥分解过程中产生的有机酸，可通过酸溶、络合溶解、阴离子代换和竞争吸附等作用，改变土壤对磷素的吸附-解吸过程[16-17]，提高土壤磷素有效性。研究表明，有机肥添加对小麦[18]、水稻[19]、玉米[20]等作物对磷素的吸收和磷肥的利用有促进作用。
因此，本试验在不同磷肥用量条件下，研究有机肥添加对棉田土壤有效磷、植株磷吸收和分配、籽棉产量和构成、棉田磷效率和磷素收支平衡的影响，旨在为新疆棉田化学磷肥减量施用和磷肥利用率的提高提供理论支撑。
1 材料与方法 1.1 试验材料试验在新疆昌吉回族自治州阜康市彭家湾村（88°00′44.30″E，44°10′21.05″N）进行。阜康市地处天山东段北麓、准噶尔盆地南缘，属于大陆性干旱气候，年均无霜期174 d，光热资源充足，年均温度6.6 ℃，降雨量186 mm。棉花是阜康市的重要经济作物，该地区耕地土壤类型主要有灌溉灰漠土、灌耕土、潮土、退潮土、灌淤土、盐渍化潮土等。本试验区土壤背景值分别为有机质18.10 g·kg-1，碱解氮46.23 mg· kg-1，有效磷13.55 mg·kg-1，pH（水∶土=5∶1）8.14，电导率226.74 μS·cm-1。
1.2 研究方法 1.2.1 试验设计为明确不同磷肥用量条件下有机肥添加对棉田磷素状况和棉花产量的影响，本研究以当地测土配方施肥磷肥推荐用量（150 kg·hm-2）为上限，设置了0、50、100、150 kg·hm-2 4个磷肥用量处理，分别记为MAP0、MAP50、MAP100和MAP150，每个磷肥用量处理下设不施有机肥对照（CK）和有机肥添加处理（OF，有机肥用量为4 500 kg·hm-2），每个处理4个重复，共32个小区，小区面积为5 m×4 m。有机肥（新疆保利兴农生物有限公司，有机质45%，N-P2O5-K2O>5%）于2019年5月8日均匀撒入田中，机器翻耕，深度约25 cm，平整土地。棉花种植模式为膜下滴灌，一膜一带两行种植，棉花株距15 cm。棉田磷肥采用磷酸一铵（云南常青树化工有限公司，N含量12%，P2O5含量61%），氮肥采用尿素（新疆鸿基焦化有限责任公司，N含量46.2%），施氮量为250 kg · hm-2（以N计，尿素与磷酸一铵中氮的总和），钾肥采用农用硫酸钾（新疆新雅泰化工有限公司，K2O含量51%），施用量为30 kg·hm-2（以K2O计），棉花各生育时期灌水量如表 1所示，其他田间管理和农艺措施均与新疆棉田常规模式保持一致。
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表 1 棉田灌水时间及灌水量 Table 1 Irrigation time and amount in cotton field |
2019年，在棉花花蕾期（7月22日）、花铃期（8月9日）、吐絮期（9月17日），每小区随机采集棉花3株，按根、茎、叶、蕾/铃（壳、絮、籽）分离，在105 ℃下杀青1 h，75 ℃条件下烘干至恒质量后测定，计算植株生物量。植株样本粉碎后，采用硫酸-双氧水消煮法[21]，钒钼黄比色法[21]分析植株各部位含磷量。同时，在各小区滴灌带下、种植行间采集0~5、5~10 cm和10~20 cm土层深度土壤样品，风干后，采用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提-钼锑抗比色法[21]测定土壤有效磷含量。
2019年10月6日对棉花进行测产，在各试验小区随机设置1个面积为1 m2的样方，记录该样方内的棉花株数，并统计每株棉花上的铃数和单铃质量，总产量=总面积×单位面积株数×单株铃数×单铃质量。
1.2.3 计算和统计分析磷肥利用率=（施磷区作物吸磷量-不施磷区作物吸磷量）/施磷区磷肥用量×100%
磷肥累积利用率=施磷处理的植株吸磷量/施磷量
磷肥农学利用率（kg·kg-1）=（施磷区籽棉的产量-不施磷区籽棉产量）/施磷区磷肥用量
磷肥偏生产力（kg·kg-1）=施磷区籽棉产量/施磷区磷肥用量
同一生育时期内各处理间土壤有效磷含量、植株生物量和含磷量、磷素累积吸收量和产量构成均采用双因素方差分析，多重比较采用Duncan法。数据整理所用软件为Microsoft Office Excel 2010，数据分析软件为SPSS 20.0，作图软件为SigmaPlot 12.5。
2 结果与分析 2.1 不同磷肥用量下有机肥添加对棉田土壤有效磷的影响在棉花的整个生育期，土壤有效磷含量总体表现出随施磷量增加而增加的趋势（图 1）。在花蕾期，土壤有效磷表现出随施磷量增加而增加的趋势，有机肥添加对土壤有效磷无显著影响。在花铃期，0~10 cm土层土壤有效磷表现出随施磷量增加而增加的趋势，在MAP50处理，有机肥添加显著增加了土壤有效磷含量；10~20 cm土层土壤有效磷，在不施有机肥时随施磷量增加表现出先增加后降低趋势，MAP100处理土壤有效磷含量最高；在施用有机肥时，表现出随施磷量增加而增加趋势，在MAP150处理，有机肥添加显著增加了土壤有效磷含量。在吐絮期，土壤有效磷表现出随施磷量增加而先增加后平稳或略有降低的趋势；在MAP100和MAP150处理，有机肥添加显著提高了土壤有效磷含量。
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P表示磷肥用量处理效应，OF表示有机肥添加处理效应，P×OF表示磷肥用量处理和有机肥添加处理的交互作用；*表示在P<0.05水平效应显著；不同小写字母表示同一生育时期内，各处理间差异在P<0.05水平显著。下同 P represents the effect of phosphate fertilizer rate, OF represents the effect of organic fertilizer addition, and P×OF indicates the interaction of phosphate fertilizer rate and organic fertilizer addition; * means the significant effect at P<0.05 level; The different lowercase letters indicate significant difference among treatments during the same growth stage at the P<0.05 level. The same below 图 1 不同磷肥用量下有机肥添加对棉花不同生育时期土壤有效磷含量的影响 Figure 1 Effects of organic fertilizer addition on soil available phosphorus content in cotton growth stages under different amounts of phosphorus fertilization |
表 2为不同处理下棉花各生育时期植株各器官生物量。在花蕾期，根的生物量随磷肥用量的增加呈降低的趋势，有机肥添加时，随磷肥用量的增加根的生物量也增加，在MAP100和MAP150处理，有机肥添加显著提高了根的生物量；在有机肥添加时，随磷肥用量增加，茎生物量表现出增加趋势，在MAP100和MAP150处理，有机肥添加显著提高了茎生物量；不同磷肥用量和有机肥添加对叶和蕾的生物量无显著影响。在花铃期，MAP50和MAP150处理中，有机肥添加显著提高了根生物量；在MAP100和MAP150处理，有机肥添加显著提高了叶生物量；磷肥用量和有机肥添加对茎和蕾生物量无显著影响。在吐絮期，有机肥添加时，随磷肥用量的增加，根、茎、叶、棉絮和籽的生物量呈先增加后降低的趋势，在MAP100处理，有机肥添加显著提高了根的生物量；在MAP100和MAP150处理，有机肥添加显著提高了茎生物量；在不施有机肥时，MAP50处理棉絮生物量最高，在有机肥添加时，MAP100处理棉絮生物量最高；MAP50+CK处理时籽生物量最高。
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表 2 不同磷肥用量下有机肥添加对棉花不同生育时期植株各器官生物量的影响（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为不同处理下棉花各生育时期植株各器官含磷量。在花蕾期，MAP0+CK处理的根含磷量显著低于其他处理；相比MAP0+CK处理，MAP50+CK、MAP50+OF和MAP100+OF处理的茎含磷量显著升高；叶含磷量在各处理间无显著差异；在MAP50处理，有机肥添加显著提高了蕾的含磷量。在花铃期，MAP0+OF根含磷量显著低于其他处理，其他各处理间根、茎、叶和铃的含磷量无显著差异。在吐絮期，根、壳和絮的含磷量在各处理间无显著差异；MAP150+CK处理茎的含磷量显著高于MAP0+CK处理；不施磷肥时，有机肥添加显著提高了叶的含磷量。
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表 3 不同磷肥用量下有机肥添加对棉花不同生育时期植株各器官含磷量的影响（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) |
随生长时间延长，棉花累积吸磷量呈升高趋势（图 2）。在花蕾期，不施有机肥时，不同磷肥用量处理的植株吸磷量之间无显著差异，而添加有机肥时，植株吸磷量表现出随施磷量增加而升高的趋势。在花铃期，植株吸磷量表现出随磷肥用量增加而先升高后降低趋势，在MAP0处理，有机肥添加显著提高了植株吸磷量。在吐絮期，不施有机肥时，植株吸磷量随施磷量增加表现出先升高后略有降低的趋势，而在有机肥添加时，随施磷量增加呈先升高后平稳的趋势，在MAP100处理达到最高；有机肥添加显著提高了植株吸磷量。
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图 2 不同磷肥用量下有机肥添加对棉花不同生育时期累积吸磷量的影响 Figure 2 Effects of organic fertilizer addition on plant phosphorus uptake at cotton growth stages under different amounts of phosphorus fertilization |
有机肥添加改变了棉花各器官中磷素累积量占比（图 3）。在花蕾期和花铃期，有机肥添加处理的植株营养器官（根、茎和叶）的总吸磷量比例高于未添加有机肥的处理；而在吐絮期，添加有机肥处理植株生殖器官（籽和絮）的总吸磷量比例高于未添加有机肥处理（除MAP100处理外）。
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图 3 不同磷肥用量下有机肥添加对棉花不同生育时期各器官累积吸磷量占比的影响 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 |
籽棉产量受磷肥用量和有机肥添加的影响（表 4）。在未添加有机肥时，籽棉产量随磷肥用量增加而升高；但在有机肥添加时，籽棉产量随磷肥用量增加呈先升高后降低的趋势，MAP100+OF处理籽棉产量最高，为5 642.24 kg·hm-2。各处理棉田的单铃质量和收获密度无显著差异；而单株铃数随磷肥用量增加表现出先升高后降低的趋势，MAP100处理单株铃数最多，且有机肥添加显著提高了单株铃数。
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表 4 不同磷肥用量下有机肥添加对籽棉产量构成的影响 Table 4 Effects of organic fertilizer addition on the cotton yield composition under different amounts of phosphorus fertilization |
整体上，磷肥利用率随磷肥用量增加呈先升高后降低的趋势（表 5），在MAP100+OF处理最高，达到37.24%；磷肥累积利用率、农学效率和偏生产力随着施磷量增加呈递减趋势，MAP150+OF处理磷肥农学效率和磷肥偏生产力最低，分别为0.92和23.32；添加有机肥处理的磷肥累积利用率整体高于未添加有机肥的处理（表 5）。随施磷量的增加，土壤磷素盈余量整体呈现逐渐增大的趋势，在MAP100+CK处理，磷素盈余基本达到平衡，为-5.31 kg·hm-2（以P2O5计，下同）（表 6）。
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表 5 不同磷肥用量下有机肥添加对棉田磷肥利用率的影响 Table 5 Effects of organic fertilizer addition on phosphorus utilization rate in cotton fields under different amounts of phosphorus fertilization |
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表 6 不同磷肥用量下有机肥添加对棉田磷素收支平衡的影响 Table 6 Effects of organic fertilizer addition on the cotton field phosphorus balance under different amounts of phosphorus fertilization |
土壤有效磷是表征土壤供磷能力的重要指标[22]。本研究表明，在棉花的整个生育期土壤有效磷含量为14~26 mg·kg-1，两个土层土壤有效磷含量无显著差异，这与马丹等[7]的研究结果一致，这可能是由于膜下滴灌栽培技术使磷肥随水施用过程中磷素的扩散方向与土壤中水移动方向一致，施入土壤中的磷素分布较均匀[23]，也可能是由于分次随水滴施磷肥会减少磷肥的固定，在一定程度上提高了土壤有效磷含量。添加有机肥处理土壤有效磷含量整体大于未添加有机肥的处理，这与刘星等[24]、高菊生等[25]、刘淑英[26]的研究结果一致。施用有机肥能够提高土壤有效磷含量[27]，这可能是由于有机肥中含有一定的有效磷，能够直接增加土壤有效磷的含量；水溶性磷肥施入土壤后，其中一部分很快转化为难溶性磷形态，很难被作物吸收利用，在施用磷肥的基础上增施有机肥，可以增加有机质含量，而有机质可减少无机磷的固定，并促进无机磷的溶解，促使土壤中有效磷含量增加[28]。
3.2 有机肥添加对植株累积吸磷量和磷分配的影响磷素的吸收利用直接影响作物的生长和发育。本研究表明，随施磷量增加，整个生育期植株累积吸磷量表现出增加的趋势，这与姜宗庆等[29]、刘德平等[30]的研究结果一致，表明施用磷肥可提高植物磷素吸收。在棉花整个生育过程中整体表现为添加有机肥处理的植株累积含磷量大于未添加有机肥的处理，这可能是由于添加有机肥可以提高土壤有效磷含量，改善土壤理化性质与微生物群落结构，微生物对棉花根系具有刺激作用，使棉花根系长度、根表面积和根密度增加，从而促进棉花的生长[29]，进而使得棉花能够吸收更多的磷素，最终提高植株累积含磷量。
作物的生长发育和产量构成受作物器官内磷等养分吸收与转运的影响[31]。本研究中，添加有机肥处理花蕾期和花铃期中生殖器官累积吸磷量占比比未添加有机肥处理低5~7个百分点，到吐絮期，添加有机肥处理的生殖器官累积吸磷量占比比未添加有机肥处理高7.5个百分点，说明添加有机肥的处理较明显地表现出磷素由营养器官向生殖器官转移的趋势，这可能是由于添加有机肥促进花蕾期和花铃期营养器官对磷素的吸收，促进棉花生长发育；吐絮期棉花生长趋于稳定，籽粒中已转移了大量的磷素，使生殖器官磷素占比增大[32-33]。
3.3 有机肥添加对籽棉产量和磷肥利用率的影响本研究中，随施磷量的增加，籽棉产量表现出先增加后略有降低的趋势，这与吴克宁等[34]、陈书强等[35]、王海江等[36]的研究结果一致。合理施磷可显著提高作物单铃质量和单株铃数，从而提高产量。添加有机肥处理的产量总体大于未添加有机肥处理的产量，这与PRATAP等[37]、施河丽等[38]的研究结果一致。合理施磷一方面满足当季作物对养分的需求，另一方面通过提高土壤有机质含量改善土壤理化性质与微生物群落结构，提高土壤有效磷含量，增加植株累积含磷量，最终提高作物产量。从本研究产量构成来看，籽棉产量的差异主要是由单株铃数受磷肥施用量和有机肥相互影响所致，单株铃数在MAP100+OF处理中最高，可能是由于合理的磷肥用量配施有机肥调控了棉花营养生长和生殖生长[39]，促进碳水化合物的合成、运输以及棉铃的形成，使单株铃数得到提高，提升光合产物转化为经济产量的能力。
磷肥用量显著影响棉花磷肥利用率和棉田磷素。不施磷肥的MAP0+CK和MAP0+OF处理中磷素盈余分别为-67.72、-66.52 kg·hm-2，土壤磷库处于亏缺状态，不利于磷素的可持续管理，长期如此会使土壤肥力匮乏，作物减产。MAP150+CK处理施用常量磷肥，土壤磷素盈余为61.83 kg·hm-2，利用率仅为15.41%，与MAP100+CK处理相比，不仅没有提高磷肥的利用率，还造成土壤磷素过量，易被土壤吸附和固定，造成磷肥资源的浪费，增大了土壤磷素的迁移性和环境风险。因此，从培肥地力和棉花产量的角度综合考虑，种植棉花应施用适量的磷肥，MAP100+OF处理中磷肥利用率达到37.24%，其磷素盈余为16.82 kg·hm-2，产量为5 642.24 kg·hm-2，在保持较高磷肥利用率和产量的同时，可使土壤磷素维持在平衡状态，有利于棉田磷素的可持续管理。
4 结论（1）棉田土壤有效磷含量表现出随施磷量增加而增加的趋势，添加有机肥的处理土壤有效磷含量整体高于未添加有机肥的处理。
（2）植株累积吸磷量表现出随施磷量增加而增加的趋势，添加有机肥的处理植株累积含磷量整体高于未添加有机肥的处理，且在磷肥用量为150 kg·hm-2时较高。籽棉产量随施磷量增加表现出先增加后略有降低的趋势，添加有机肥处理的产量总体高于未添加有机肥的处理，在磷肥用量为100 kg·hm-2时最高。
（3）添加有机肥处理的磷肥利用率整体高于未添加有机肥的处理，且在磷肥用量为100 kg·hm-2时最高，利用率为37.24%；随施磷量的增加，棉田土壤有效磷盈余量呈增加的趋势，在磷肥用量为100 kg·hm-2时配施有机肥棉田磷素收支开始出现盈余。
（4）在综合考虑土壤磷素有效性、棉花磷素吸收和产量、磷肥利用率和棉田磷素收支平衡的基础上，建议新疆棉田磷肥施用量为100 kg·hm-2（以P2O5计）并配施适量有机肥。
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