磷肥種類和施用方式對新疆棉田磷素利用及棉花產量的影響

馬 丹，趙 庫，沙木和別克·阿咱別克，袁 芳，努爾居馬·卡德爾別克，盛建東，張 凱

(1.新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆烏魯木齊830052;2.新疆土壤與植物生態過程重點實驗室，新疆烏魯木齊830052)

新疆棉花種植面積249.13萬hm2，總產511.1萬t，占全國棉花總產比例超過70%［1］，在我國乃至世界棉花生產格局中占有舉足輕重的地位，在農民增收方面具有不可替代的作用，是新疆農業經濟的主導產業［2］。

磷素的缺乏常常成為限制作物產量、延長作物生育期、增加凍害幾率的重要因素［3］。有研究顯示新疆磷肥施用量由1979年的8.3 kg·hm-2增加至2012的95.5 kg·hm-2，并以遞增率7.7%的趨勢逐年上升［4］，但磷肥利用效率很低，當季利用率一般只有10%～25%，即使加上磷肥后效，其利用率也不足50%［5-6］。新疆棉田磷肥利用率低主要是由土壤本身特征和施肥不當導致的。新疆土壤屬典型性石灰性土壤(CaCO3＞15%)［7］，磷肥施入后很快被土壤吸附或固定，成為難溶態或無效態，很難被當季植物吸收利用［8］。另一方面，棉農為了追求經濟效益，大都采用磷肥基施方式向棉田一次性投入大量磷肥［9］，造成磷素施用嚴重過量和磷肥利用率低下。另外，隨著磷肥工業的發展，磷肥品種越來越多樣化，加之膜下滴灌技術的推廣應用，高濃度磷肥產品魚目混珠，農戶對適宜新疆棉田石灰性土壤施用的磷肥品種選擇缺乏科學依據。這不僅增加了生產成本，還可能造成環境污染，影響棉花生產的可持續發展。

為了保障新疆棉花生產的可持續發展，有必要遵循國際上先進的“4R”養分管理原則［10］，即選擇正確的肥料品種(Right source)，把合適用量(Right rate)的肥料，在合理的施肥時間(Right time)施用在恰當位置(Right place)。在新疆棉花生產中，因為肥料用量直接關系到經濟收入，通常被過分重視，而肥料種類和施肥方式卻常常被忽視［11］。有研究表明，新疆磷肥品種早期以過磷酸鈣(SSP)、重過磷酸鈣(TSP)為主，而后逐漸向磷酸一銨(MAP)、磷酸二銨(DAP)和其他復合磷肥進行演變［4］，在作物肥效試驗中，磷銨類肥料(MAP、DAP)相較于過磷酸鈣和鈣鎂磷肥其效果更優［12］;磷肥施用方式上，由于滴灌技術興起，從早前的100%基施，逐步向基施+追施的方向發展［4］，研究表明，磷肥滴灌追施與基施相比，前一種情況下磷素在土壤中的平均垂直移動距離會顯著提高［13］，從而提高了磷肥利用效率。但前人研究多從單一的磷肥種類、施磷方式和磷肥用量等方面進行磷肥有效性的研究，而對適宜新疆石灰性土壤的磷肥種類及施用方式的結合使用的研究較少。

本研究根據新疆石灰性土壤特征，選擇重過磷酸鈣、磷酸一銨和磷酸脲等酸性或生理酸性磷肥，設置一次基施和分次滴施處理，研究不同磷肥種類和施用方式對土壤磷素有效磷、棉花磷吸收、產量和磷肥利用率的影響，旨在為新疆棉田的磷肥高效利用、減磷增效提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年4月在新疆沙灣縣新疆農業大學棉花育種基地(85°45＇34″E，44°29＇26″N)進行。試驗區氣候干燥，既有中溫帶大陸性干旱氣候特征，又有垂直氣候特點，晝夜溫差大。年平均氣溫6.3℃～6.9℃，降水量140～250 mm，年蒸發量1 500～2 000 mm，年日照時數 2 800～2 870 h，≥10℃的積溫3 400～3 600℃，無霜期170～190 d。試驗土壤質地為壤土，土壤背景值分別為pH=8.14，有機質7.68 g·kg-1，堿解氮 35.50 mg·kg-1，有效磷 15.75 mg·kg-1，速效鉀 289.27 mg·kg-1，電導率 106.98 μS·cm-1。

1.2 試驗設計

試驗于2018年4月底開始播種，棉花品種為新農大3號，采用一膜六行兩帶的種植模式(即一行薄膜中有兩條滴灌帶，種植6行棉花)。其中，膜寬2.2 m，兩膜間寬0.35 m。每膜內棉花按照窄寬行距的方式種植。即在每個窄行(12 cm)種植兩行棉花，每兩個窄行之間設置一個寬行，并在其中設置一條滴灌帶，寬行距離為65 cm。每行內棉花株距14 cm，理論株數為1.9×105株·hm-2。本試驗按照完全隨機方式設計，共設置24個8 m×8.8 m的小區。設以下6個處理:不施磷肥(CK)、重過磷酸鈣基施(TSP-B)、磷酸一銨基施(MAP-B)、磷酸一銨滴施(MAP-D)、磷酸脲基施(UP-B)和磷酸脲滴施(UP-D)，每個處理均有4次重復。因試驗目的在于比較磷肥種類和施用方式對土壤磷素有效性和棉花產量的影響，因此，上述6個處理中P2O5的用量全部相同，均為100 kg·hm-2。3個磷肥的基施處理(TSP-B、MAP-B和UP-B)是在播種前翻地時，將磷肥全部施入。而兩個滴施的處理(MAP-D和UP-D)則是在播種翻地時將25%的肥料作為基肥施入，其余75%于5月至8月參照當地農民習慣灌溉次數，分6次隨滴灌施入。整個棉花生育期，所有小區滴灌量和當地農民滴灌量保持一致，每個小區滴灌量為3 420 m3·hm-2(表1)。

表1 灌水時間及灌水量Table 1 Irrigation time and quantity

為保證本試驗僅受到磷肥種類和施用方式的影響，對上述處理，在棉花整個生育期，對每個小區也施加了氮肥(220 kg·hm-2)和鉀肥(90 kg·hm-2)來排除氮和鉀的缺乏對試驗結果的影響。氮肥和鉀肥也隨滴灌分6次施入。考慮到磷酸一銨和磷酸脲中本身含有氮，因此，在氮肥滴灌施入時將MAP和UP肥料中本身含有的氮素進行了扣除。其他田間管理和農藝措施均與新疆棉田普遍采用的模式保持一致。

1.3 測定方法與計算

1.3.1 植物樣品采集與測定 分別在棉花的花蕾期(7月22日)、花鈴期(8月7日)和吐絮期(9月7日)，每個小區采集有代表性的植株各8株，按不同器官(根、莖、葉、殼、絮、籽)依次分開，用蒸餾水洗凈在105℃烘箱中殺青1 h后，75℃烘干至恒重，稱量并記錄干物質重。最后，將烘干的各器官植物樣品進行粉碎和過篩，經硫酸-雙氧水消煮后，用釩鉬黃比色法測定棉株各器官中P2O5含量。

1.3.2 土壤樣品采集與測定 在棉花的花蕾期(7月25日)、花鈴期(8月9日)和吐絮期(9月9日)采集植株的同時，每個小區同步進行土壤樣品采集。考慮到土壤中養分存在空間異質性的特征，先在各試驗小區不同位置，隨機采集多個0～20 cm的土樣，再將來自同一小區的土壤樣品混合成一份綜合樣品。經自然風干和手工揀去石塊等雜物，過1 mm篩后用pH 8.0的碳酸氫鈉溶液浸提，再用釩鉬藍比色法測定土壤有效磷含量。

1.3.3 產量測定 在9月18日所有棉株上棉桃吐絮完全時(棉花產量最大時)進行測產。具體測產方法如下:在各試驗小區隨機設置1個面積為4 m2的樣方，記錄該樣方內的棉花株數，并統計單株鈴數和單鈴重。總產量通過株數乘以鈴數和單鈴重所得。

1.3.4 養分利用率計算公式 本試驗參考之前文獻［5，14-16］，共計算了以下 4 種磷肥利用率:

磷肥利用率(REP，%)=(施磷處理的磷吸收量-空白處理的磷吸收量)/施磷量

磷肥累積利用率(PUE，%)=施磷處理的吸磷量/施磷量

磷肥農學效率(AE，kg·kg-1)=(施磷處理的產量-對照產量)/施磷量

磷肥偏生產力(PFP，kg·kg-1)=施磷處理的產量/施磷量

以上磷吸收量、施磷量、作物產量單位均為kg·hm-2。

1.4 數據處理

利用SPSS 17.0統計軟件進行單因素方差分析和LSD多重比較，分析不同磷肥品質和施用方式對土壤磷素和棉花產量的影響。利用Microsoft Excel 2010和SigmPlot 10.0軟件對分析結果進行作圖。

2 結果與分析

2.1 磷肥種類和施用方式對土壤有效磷的影響

由圖1可以看出，磷肥種類和施用方式對土壤有效磷的影響因棉花生育期不同而異。在花蕾期和花鈴期，重過磷酸鈣基施(TSP-B)對土壤有效磷含量均無顯著影響，但磷酸一銨基施(MAP-B)和滴施(MAP-D)以及磷酸脲基施(UP-B)和滴施(UPD)均顯著增加了土壤有效磷含量(圖1A，圖1B)。花蕾期MAP-D處理中土壤有效磷含量顯著高于MAP-B、UP-B和UP-D處理(圖1A)。與對照相比，花蕾期土壤有效磷含量在MAP-D處理中增加了93.91%，但在MAP-B、UP-B和UP-D處理中則分別增加了59.91%、42.41%和63.26%(圖1A)。在花鈴期，兩種水溶性磷肥(MAP、UP)基施和滴施處理無顯著差異(圖1B)。在吐絮期，僅MAP-D和UP-D處理中土壤有效磷顯著高于對照，且土壤有效磷在二者間無顯著差異(圖1C)。綜合來看，MAP-D和UP-D處理在花蕾期、花鈴期和吐絮期，均顯著增加了土壤有效磷含量，但MAP-B和UP-B僅在花蕾期和花鈴期可顯著增加土壤有效磷含量，而TSP-B在不同生育期對土壤有效磷均無顯著影響(圖1)。

2.2 磷肥種類和施用方式對棉花累計吸磷量的影響

圖1 不同處理的土壤有效磷含量Fig.1 Available phosphorus content of soil with different treatments

表2 棉花植株各生育期器官含磷量/(g·kg-1)Table 2 Phosphorus content in organs of cotton plants at different growth stages

在花蕾期，棉花根和莖中磷含量TSP-B處理最高，分別為 5.93±0.17 g·kg-1和 5.16±0.28 g·kg-1，但葉和花蕾中磷含量在所有處理中均無顯著差異(表2)，表明重過磷酸鈣基施有利于花蕾期營養器官對磷的吸收。在花鈴期，棉花莖和葉中磷含量在UP-D和UP-B處理中最高，而殼和棉籽中磷含量在MAP-D和MAP-B處理中最高(表2)，表明UPD和UP-B有利于營養器官對磷的吸收，而MAP-D和MAP-B有利于生殖器官對磷的吸收。在吐絮期，花蕾和棉籽中磷含量分別在MAP-D和UP-D處理中最高，而其他器官中磷含量在不同磷肥種類和施用方式中均無顯著差別(表2)，表明在吐絮期，滴施有利于生殖器官對磷的吸收。

由圖2可以看出，磷肥種類和施用方式對花蕾期、花鈴期和吐絮期整株磷素累計吸收量均有顯著影響。其中，花蕾期、花鈴期和吐絮期整株磷素累計吸收量最高值均出現在MAP-D處理中，其整株磷素累計吸收量在花蕾期、花鈴期和吐絮期比對照分別增加了50.0%、63.7%和64.2%，表明在沙灣縣MAP-D處理對棉花整株磷素累計吸收量的效果最好。

2.3 磷肥種類和施用方式對棉花產量及產量構成的影響

由表3可知，本研究中除TSP-B處理外，與對照相比MAP-D、UP-D、UP-B和MAP-B處理均顯著提高了棉花單鈴重、單株鈴數和籽棉產量(表3)。其中，MAP-D處理下棉花單鈴重、單株鈴數和籽棉產量均最高。與對照相比，MAP-D處理下棉花單鈴重、單株鈴數和籽棉產量分別增加了8.5%、45.7%和41.4%。該結果表明在沙灣縣，MAP-D處理更有利于棉花產量的增加。

2.4 磷肥種類和施用方式對磷肥利用率和收支平衡的影響

從表4可以看出，與對照相比，磷肥種類和施用方式都提高了棉花的磷肥利用效率、磷肥累積利用率、磷肥農學效率和磷肥偏生產力(表4)。對于同一種磷肥，滴施處理磷肥利用效率均高于基施處理。例如:MAP-D處理磷肥利用率較MAP-B處理提高了6.28%，UP-D處理磷肥利用率較UP-B處理提高了4.17%。磷肥利用效率、磷肥累積利用率、磷肥農學效率和磷肥偏生產力最高值均出現在MAP-D處理中。結果表明，MAP-D處理有利于棉花磷素利用效率的提高。

圖2 不同處理下棉花的磷素吸收量Fig.2 Phosphorus uptake by cotton with different treatments

表3 不同處理的棉花產量構成及產量Table 3 Cotton yield and yield composition with different treatments

表4 不同磷肥種類和施用方式對磷肥利用的影響Table 4 Effect of different phosphate fertilizer types and application methods on P fertilizer utilization

本研究用磷素盈余量來表示棉田土壤磷平衡，磷素盈余量通過計算磷素輸入與輸出之差所得。本研究中棉花秸稈均還田，因此主要磷素輸出為棉絮和籽棉。結果表明，所有處理中磷素盈余均為負值，除對照外，MAP-D處理磷素盈余量最低(表5)，表明在MAP-D處理下，棉花可在保證較高產量的同時，利用更多的土壤磷素。

表5 不同磷肥種類和施用方式對棉田磷素盈余的影響Table 5 Effect of different phosphate fertilizer types and application methods on P surplus in cotton fields

3 討論

3.1 磷肥種類及施用方式對土壤磷素有效性的影響

磷肥有效性與土壤的理化性質密切相關［17-18］。在新疆呼圖壁縣的研究表明，磷酸二銨(DAP)處理下棉田土壤有效磷低于重過磷酸鈣(TSP)［19］。這可能是因為磷酸二銨是偏堿性的肥料，而TSP是酸性肥料，在新疆偏堿性的石灰性土壤中，酸性肥料效果更好;另外，DAP解離后釋放的磷酸二氫根離子，相比于TSP解離后釋放的磷酸一氫根離子，其溶解性和植物可利用性稍低，故使得土壤中有效磷較低。本研究中，TSP、MAP和UP均為酸性肥料，在磷肥基施條件下，花蕾期和花鈴期的土壤有效磷含量在MAP和UP處理中顯著高于TSP處理(圖1A，圖1B)。這可能是因為，相比于TSP，MAP施入土壤后可解離出銨離子，被吸收后置換出氫離子，使土壤略微酸化，從而活化出微域內被固定的磷，提高了磷素有效性［20］。另外，在吐絮期，MAP、UP與TSP之間土壤有效磷含量無顯著性差異(圖1C)，可能是因為，雖然TSP溶解性較MAP和UP稍差，但隨著時間延長，緩慢釋放，使土壤有效磷含量維持在一定范圍內。

在棉花生長的后期，滴施處理下的液體肥料依然保持較高的磷素水平，顯著高于同種肥料基施處理下的有效磷含量。這可能主要與水肥一體的磷肥施入方式有關，滴施在施肥時間和位置上較傳統基施具有更高的靈活性，且具有少量、多次的特點［21］，更大程度上提高了土壤有效磷含量。

3.2 磷肥種類及施用方式對植物吸磷量及產量的影響

磷素的吸收利用直接影響著作物的生長和發育，從而影響作物的產量［22］。在本研究中，除了基施TSP，其他兩種肥料(MAP、UP)在花蕾期和花鈴期均能提高土壤有效磷含量;但對于植物累計吸磷量而言，不同肥料種類和施肥方式處理間均無顯著差異;在棉花產量方面，滴施MAP、UP處理顯著高于基施TSP。這可能與棉花的生長發育和養分需求特征有關。磷肥種類和施肥方式造成土壤磷素有效性存在差異，但棉花可能通過調節根系構型或生理特征等手段，獲得生長發育所需的磷素，所以不同處理下的植物吸磷量無顯著差異;相比于基施處理，滴施處理能夠在整個生育期更好地匹配棉花的需磷動態，從而提高磷肥的有效性和產量水平。

3.3 磷肥種類及施用方式對磷肥利用及收支平衡的影響

磷肥種類及施用方式對棉花的磷肥利用及土壤磷素平衡有重要影響［23］。本試驗結果表明，3種磷肥的利用率表現為MAP＞UP＞TSP;MAP和UP滴施處理的磷肥利用率比基施處理分別高6.28%和4.17%。這與李青軍等［24］研究結果一致，其研究表明MAP能顯著提高磷肥當季利用率，且磷肥100%以追肥的形式隨水滴入較一次性基施顯著地提高了石灰性土壤中玉米對磷肥的吸收利用效率［13］。這可能是滴施條件下能配合棉花需磷特性分次隨水供磷，實現了磷素養分資源高效利用。

從棉田土壤磷平衡來看，在本試驗施用100 kg·hm-2的情況下，所有處理在土壤中磷素的盈余量為負值，處于土壤磷消耗狀態(表5)。但是在土壤磷素消耗狀態下，處理仍能保持較高的棉花產量(表3)，表明通過合理選擇磷肥種類和施用方式，可在保證作物產量的同時，挖掘植物利用土壤磷素的潛力。

4 結 論

MAP和UP處理的土壤有效磷含量、植物吸磷量高于TSP處理;并且滴施處理優于基施處理。與CK和TSP處理相比，MAP和UP處理的籽棉產量顯著較高，且滴施處理略高于基施處理。MAP-D的磷肥當季利用率和農學效率最高，且棉田磷素盈余最少。綜上，在新疆棉花種植體系中，MAP和UP在提高土壤有效磷含量、籽棉產量、磷肥利用率和植物利用土壤磷素的能力方面優于TSP，且滴施略優于基施，其中MAP-D在沙灣縣棉田中可最大化增加棉花產量和提高磷肥利用效率。