基于產(chǎn)量反應(yīng)的棉花推薦施肥效應(yīng)

哈麗哈什·依巴提，李傳龍，劉 歡，葉新宇，李青軍，張 炎

(1.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，烏魯木齊 830091；2.農(nóng)業(yè)部荒漠綠洲作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830091；3.昌吉市農(nóng)業(yè)推廣中心，新疆昌吉 831100)

0 引 言

【研究意義】2018年新疆棉花種植面積已達(dá)147.83×104hm2(2 217.47萬畝)，總產(chǎn)456.6×104t[1]，其種植面積、總產(chǎn)量、單產(chǎn)、調(diào)出量全國第一[2]。肥料養(yǎng)分投入是作物生產(chǎn)中提高作物產(chǎn)量的主要手段[3]，當(dāng)前生產(chǎn)條件下，肥料對(duì)棉花產(chǎn)量的平均貢獻(xiàn)率為38.0%[4]。研究表明，科學(xué)施肥通過優(yōu)化棉花冠層結(jié)構(gòu)，改善其生長環(huán)境，提高棉花光合效率，增加棉花對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用，為高產(chǎn)高效奠定基礎(chǔ)[5-7]。對(duì)新疆棉花主產(chǎn)區(qū)棉花種植戶的施肥調(diào)查發(fā)現(xiàn)，棉花化肥施用量平均610 kg/hm2，過量施用率 59.6%。普遍重施氮磷肥，少施或不施鉀肥、微肥和有機(jī)肥[9-11]，使土壤中氮、磷、鉀比例失調(diào)，不僅棉花沒有增產(chǎn)，反而增加了棉花生產(chǎn)成本，肥料利用率低、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)與土壤生產(chǎn)力下降、土壤微生態(tài)環(huán)境破壞、制造溫室氣體N2O5等一系列環(huán)境問題[12-14]。對(duì)新疆棉花進(jìn)行科學(xué)施肥十分必要。【前人研究進(jìn)展】目前棉花推薦施肥方法主要有以土壤測試為基礎(chǔ)的測土配方施肥和以作物反應(yīng)為基礎(chǔ)的推薦施肥，如葉色卡法[15]、數(shù)字圖像分析[16]、遙感與光譜分析[17]、地上部營養(yǎng)診斷法[18,19]和肥料效應(yīng)函數(shù)法[20]等，運(yùn)用不同的推薦施肥方法在各自的大田試驗(yàn)得出了較理想的結(jié)果，為當(dāng)?shù)氐拿藁I養(yǎng)診斷和推薦施肥管理提供了有效指導(dǎo)。但這些方法大多需要進(jìn)行土壤或植物取樣、實(shí)驗(yàn)室分析耗時(shí)耗力，且難以形成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的推薦施肥，缺乏大面積的實(shí)踐驗(yàn)證。基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率建立的新疆棉花養(yǎng)分專家系統(tǒng)(nutrient expert system，NE)推薦施肥，是基于改進(jìn)的SSNM(Site specific nutrient management)養(yǎng)分管理方法和QUEFTS(quantitative evaluation of the fertility of tropical soils)模型的棉花養(yǎng)分需求、棉花產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率、土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)等，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)開發(fā)的推薦施肥系統(tǒng)，用于田塊尺度和區(qū)域推薦施肥。養(yǎng)分專家系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)量目標(biāo)、土壤性狀和養(yǎng)分管理措施等信息，推薦合理的氮磷鉀用量及配比，可以做到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的推薦施肥，有效避免田塊間土壤肥力等條件的差異[21]，能在保持作物產(chǎn)量不降低或增產(chǎn)的情況下降低化肥推薦施肥量，提高肥料利用率[22]。【擬解決的關(guān)鍵問題】當(dāng)前有關(guān)養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在水稻[23]、小麥[24]、玉米[25]大豆[26]、馬鈴薯[27]等作物上使用，在棉花上應(yīng)用未見報(bào)道。研究評(píng)價(jià)棉花養(yǎng)分專家系統(tǒng)在棉花養(yǎng)分管理中的應(yīng)用效果。【本研究切入點(diǎn)】分析棉花養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥對(duì)棉花產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、養(yǎng)分吸和肥料利用率的影響，研究棉花養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦施肥效果，為新疆棉花科學(xué)施肥提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2017年在新疆昌吉市佃壩鄉(xiāng)東溝1組(N 44°07′36.55″E 87°19′51.12″)進(jìn)行，屬于典型的內(nèi)陸性荒漠氣候，年平均降水量183 mm，年均無霜期175 d，年均≥10℃積溫3 300℃。供試土壤為灰漠土，其基本理化性狀為pH值8.3，有機(jī)質(zhì) 13.4 g/kg，速效氮 84.6 mg/kg，有效磷12.8 mg/kg，速效鉀 225.0 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)NE 為養(yǎng)分專家系統(tǒng)的推薦氮磷鉀肥施用量(N為200 kg/hm2，P2O5為150 kg/hm2，K2O為60 kg/hm2)；NE-N為不施氮肥；NE-P為不施磷肥；NE-K為不施鉀肥；OPTS為當(dāng)?shù)販y土配方部門推薦氮磷鉀肥施用量(N為300 kg/hm2，P2O5為172.5 kg/hm2，K2O為60 kg/hm2)；FP為習(xí)慣施肥氮磷鉀肥施用量(N為345 kg/hm2，P2O5為172.5 kg/hm2，K2O為75 kg/hm2)。磷鉀肥作為基肥1次施用，所有處理的氮肥全部作追肥，按照棉花生育期需肥規(guī)律在棉花生育期間，分6次隨水滴施，追肥比例為蕾期∶盛蕾期∶初花期∶盛花期∶花鈴期∶盛鈴期=10%∶20%∶25%∶25%∶10%∶10%。所用氮肥為尿素(含N46%)，磷肥為重過磷酸鈣(含P2O546%)，鉀肥為硫酸鉀(含K2O 50%)。

棉花供試品種為新星棉5號(hào)，采取膜下滴灌種植，1膜4行種植，行距配置66+10+66+10=152(cm)，株距10 cm，2017年4月10日播種，4月21日出苗，生育期灌溉10次，總灌水量 280 m3。

1.2.2 測定指標(biāo)

干物質(zhì)和養(yǎng)分：在吐絮期(9月20日)采取各試驗(yàn)小區(qū)棉花樣品3株，將采集的棉花植株按秸稈、棉纖維、籽分開，105℃下殺青30 min，75℃條件下烘干，記錄干物質(zhì)重。將烘干的植株樣品粉碎，分析不同部位養(yǎng)分吸收量。植株樣用H2SO4-H2O2消煮，全氮采用奈氏比色法、全磷采用鉬銻抗比色法，全鉀采用火焰火光度法進(jìn)行測定。

棉花產(chǎn)量：吐絮期調(diào)查各小區(qū)9.6 m2內(nèi)的棉花株數(shù)、鈴數(shù)，并采收小區(qū)內(nèi)棉花100朵測單鈴重。根據(jù)每公頃株數(shù)、單株平均結(jié)鈴數(shù)和平均單鈴重，計(jì)算各處理棉花產(chǎn)量。

肥料利用效率的計(jì)算方法[28]：

氮素表觀利用率(%)=(施肥區(qū)植株地上部養(yǎng)分積累量-減素區(qū)植物地上部養(yǎng)分積累量)/施肥量×100；

肥料偏生產(chǎn)力(kg/kg)=籽棉產(chǎn)量/施肥量；

肥料農(nóng)學(xué)效率(kg/kg)=(施肥區(qū)籽棉產(chǎn)量-減素區(qū)籽棉產(chǎn)量)/施肥量；

產(chǎn)投比=純收益/化肥投入。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003和SPSS18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)棉花產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益影響

研究表明，基于棉花養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥處理 NE 的籽棉產(chǎn)量最高，顯著高于其他處理。其次為當(dāng)?shù)販y土配方部門推薦OPTS處理和習(xí)慣施肥FP處理。NE 處理分別比OPTS處理和 FP 處理產(chǎn)量提高4.95%和5.98%；而OPTS處理和FP 處理比 NE 處理分別多施N 100 kg/hm2、P2O522.5 kg/hm2和N 145 kg/hm2、P2O522.5 kg/hm2、K2O 15 kg/hm2，造成了肥料的浪費(fèi)。減氮處理(NE-N)、減磷處理(NE-P)、減鉀處理(NE-K)的產(chǎn)量分別為5 099、5 570和5 783 kg/hm2，NE 處理的氮肥增產(chǎn)率為22.88%，磷肥增產(chǎn)率為12.49%，鉀肥增產(chǎn)率為8.36%，氮肥增產(chǎn)效果最為顯著。

NE 處理可顯著增加棉花的收益和純收益，NE 的純收益分別較NE-N、NE-P 和 NE-K 增加7 353、4 064和3 136元/hm2, NE 的收益和純收益較OPTS和FP分別增加4.95%、6.60%和 5.98%、8.39%，且產(chǎn)投比提高36.70%和53.24%。表1

表1 不同施肥處理下棉花產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益Table 1 Effects of different fertilization treatments on yield and economic benefit of cotton

2.2 不同施肥處理對(duì)棉花氮、磷、鉀吸收的影響

研究表明，不同處理中，NE處理氮、磷、鉀積累量最高，分別為62.57、21.04和155.55 kg/hm2。其中， NE 處理的氮積累量顯著高于減素處理和FP處理，磷積累量顯著高于減素處理和OPTS處理。

研究表明，不同處理中， FP 處理氮、磷積累量最大，分別為195.46和47.64 kg/hm2，并顯著高于減素處理和OPTS處理，而與NE處理間差異不顯著。NE處理的鉀積累量最高，為42.33 kg/hm2，顯著高于OPTS和減素處理。NE-N 處理的氮、磷、鉀積累量在各處理中均為最低。

NE處理100 kg棉花吸收氮、磷、鉀量分別為3.96、1.03和2.52 kg，OPTS處理100 kg棉花吸收氮、磷、鉀量分別為3.76、1.02和2.57 kg，F(xiàn)P處理100 kg棉花吸收氮、磷、鉀量分別為4.25、1.14和2.52 kg。圖1

2.3 不同施肥處理對(duì)棉花肥料利用率的影響

研究表明，NE處理的氮磷鉀肥偏生產(chǎn)力顯著高于其他處理，分別為31.33、41.78 和104.44 kg/kg。氮肥偏生產(chǎn)力NE>NE-K>NE-P>OPTS>FP，鉀肥偏生產(chǎn)力NE>OPTS>NE-P>NE-N>FP，且處理間差異顯著。NE-K處理磷肥偏生產(chǎn)力顯著高于NE-N、OPTS和FP處理。NE 處理的氮肥和磷肥回收利用率分別比 OPTS 處理顯著提高26.54和4.19個(gè)百分點(diǎn)，氮肥和鉀肥回收利用率分別比FP處理顯著提高23.24和13.56個(gè)百分點(diǎn)，而磷肥回收利用率與 FP 處理相近，OPTS處理的鉀肥回收利用率比FP處理顯著提高12.06個(gè)百分點(diǎn)。NE處理鉀肥農(nóng)學(xué)效率最高，為8.00 kg/kg；氮肥次之，為5.63 kg/kg；磷肥最低，為4.59 kg/kg。NE處理氮、磷、鉀肥農(nóng)學(xué)效率顯著高于OPTS和 FP處理，OPTS處理氮磷鉀肥農(nóng)學(xué)效率高于FP處理，但只有鉀肥農(nóng)學(xué)效率之間差異達(dá)到顯著水平。表2

表2 不同施肥處理下棉花肥料利用效率變化Table 2 Fertilizer efficiency of cotton under different fertilization treatments

3 討 論

科學(xué)施肥使養(yǎng)分均衡充足供應(yīng)是實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)的重要技術(shù)措施[24]。新疆棉花養(yǎng)分專家系統(tǒng)是基于作物產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的推薦施肥新方法，原理是基于改進(jìn)的SSNM養(yǎng)分管理方法和QUEFTS模型的作物養(yǎng)分需求、作物產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率、土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分供應(yīng)等[29-31]，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)發(fā)展為養(yǎng)分專家系統(tǒng)(Nutient Expert)，用于區(qū)域和田塊尺度推薦施肥。試驗(yàn)結(jié)果表明，NE 處理比 OPTS處理減氮33%，減磷13%，比FP處理減氮42%，減磷13%，減鉀20%情況下，通過調(diào)整氮磷鉀投入比例和施用時(shí)期，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)分供應(yīng)與棉花養(yǎng)分需求的平衡，保證了棉花養(yǎng)分供應(yīng)的同時(shí)，最大限度的提高了肥料的利用效率，最終實(shí)現(xiàn)棉花產(chǎn)量和收益的提高。NE處理與FP處理和OPTS處理相比大幅度的減施化肥，沒有造成減產(chǎn)，而NE處理較 FP和OPTS處理顯著提高了棉花產(chǎn)量。因此，棉花養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在操作便利、方案詳實(shí)的基礎(chǔ)上能夠增產(chǎn)增收。各減素處理棉花產(chǎn)量NE-K>NE-P>NE-N，氮是該地區(qū)棉花生產(chǎn)的最重要養(yǎng)分限制因子，其次為磷、鉀。

養(yǎng)分吸收量是棉花產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。試驗(yàn)結(jié)果表明，NE處理總養(yǎng)分積累與FP處理相當(dāng)，但高于OPTS處理，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥有利于棉花對(duì)養(yǎng)分的均衡吸收，在保持土壤肥力的同時(shí)，使養(yǎng)分脅迫降到最低并最終達(dá)到高產(chǎn)高效的目的。肥料利用效率是表征合理施肥的重要指標(biāo)[30]，養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥水稻氮、鉀的利用率在蘇北地區(qū)較習(xí)慣施肥分別顯著提高 4.91%和19.35%[23]。馬鈴薯養(yǎng)分專家系統(tǒng)在內(nèi)蒙古氮肥利用效率較習(xí)慣施肥提高17.29%～23.00%，較測土配方施肥處理提高6.21%～21.26%[27]。玉米養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在遼寧省較習(xí)慣施肥肥料利用效率提高13.7～19.6百分點(diǎn)[31]。大豆養(yǎng)分專家系統(tǒng)較習(xí)慣施肥處理, 氮素回收率提高 17.8 個(gè)百分點(diǎn)[26]。試驗(yàn)結(jié)果表明，棉花養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦NE處理氮、磷、鉀素偏生產(chǎn)力，較FP處理提高14.19、7.50和25.60 kg/kg，較OPTS處理提高11.43、7.17和4.93 kg/kg，NE處理氮、磷、鉀素回收效率，較FP處理提高23.17、0.57和13.56百分點(diǎn)，較OPTS處理提高26.54、4.19和1.50百分點(diǎn)。NE處理氮、磷、鉀農(nóng)學(xué)效率，較FP處理提高3.27、2.28和5.49 kg/kg，較OPTS處理提高2.64、2.24和4.83 kg/kg。昌吉地區(qū)適當(dāng)降低肥料用量，優(yōu)化氮、磷、鉀肥配比和施用時(shí)期，可促進(jìn)棉花對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，是提高肥料利用效率的有效措施，棉花養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥能否維持土壤較高肥力以滿足棉花增產(chǎn)需求，其長期推薦施肥效應(yīng)需進(jìn)一步研究明確。

4 結(jié) 論

應(yīng)用棉花養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥在當(dāng)季N 200 kg/hm2，P2O5150 kg/hm2，K2O 60 kg/hm2的情況下較習(xí)慣施肥增產(chǎn)5.64%，增收7.74%，較測土配方施肥增產(chǎn)4.72%，增收5.64%；氮、磷、鉀肥偏生產(chǎn)力分別為31.33、41.78和104.44 kg/kg，氮、磷、鉀肥農(nóng)學(xué)效率分別為5.63、4.59和8.00 kg/kg, 氮、磷、鉀肥回收利用率分別為55.34%、12.53%和54.08%。