磷肥用量對新疆棉田磷素狀況、籽棉產量和磷平衡的影響

袁 芳，馬 丹，趙 庫，沙木河別克·阿咱別克，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)

【研究意義】棉花是我國主要經濟作物之一。新疆地處我國西北內陸，具有充足的光熱資源，加之長期農業實踐形成的“矮、密、早、膜下滴灌”棉花栽培技術，棉花產量高、品質好，已成為中國最大的優質棉生產基地[1-4]。據國家統計局報道，截至2019年，新疆棉花種植面積254.05萬hm2，占全國的76 %，產量500.2萬噸，占全國84.9 %[5-6]。磷是棉花生長發育所必需的大量營養元素之一[7-9]，在棉花生長發育和產量形成過程中具有重要作用[10-11]。但由于新疆偏堿性的鈣質土壤磷素固持嚴重，導致棉田磷肥當季利用率低，農民磷肥施用普遍過量，這不僅造成了磷肥資源的浪費，也會產生潛在的磷素流失風險[12-18]。因此，明確適合新疆棉田的磷肥用量及其對棉花生長和產量形成的影響，可為新疆棉田減磷增效和磷素可持續管理提供科學依據。【前人研究進展】磷是植物生長發育必需的重要營養元素之一，磷素供應不足和過量均會影響作物產量。王斌等[19]研究了新疆棉花相對產量和土壤Olsen-P之間的關系，在土壤Olsen-P為0～15 mg·kg-1時，隨土壤Olsen-P含量增加，棉花相對產量增加；當土壤Olsen-P達到15～25 mg·kg-1時，棉花相對產量最高；當土壤Olsen-P超過25 mg·kg-1時，隨土壤Olsen-P含量增加，棉花產量保持平穩或略有下降。陳波浪等[20]研究表明，隨著施磷量增加，籽棉產量增加，當磷肥用量達到150 kg P2O5· hm-2時，籽棉產量最高，而磷肥用量達到300 kg P2O5· hm-2時，籽棉產量略有下降。王海東等[21]研究發現滴灌磷肥施用量在100 kg P2O5· hm-2時最優，不僅可以達到較高籽棉產量，促進干物質向生殖器官轉移，增加有效鈴數和單鈴質量，又可節約肥料、保護環境。磷肥用量也會改變棉田磷素收支平衡，進而影響土壤磷素水平和土壤肥力的長期演變。胡國智等[15]研究了不同磷肥用量對棉花產量和棉田磷平衡的影響，施用75 kg P2O5· hm-2時棉花產量達到最高，其利用率也最優。候云鵬等[22]研究發現不同施磷量對土壤磷素收支平衡有影響，低磷處理的土壤磷素表現為虧缺，高磷處理的土壤磷素表現為盈余。【本研究切入點】合理的磷肥用量有利于棉花生長和高產，但其具體機理仍有待進一步研究；在保證棉花產量的同時，統籌分析棉田的磷素收支平衡，可為棉田磷素衡量監控技術實現和棉田磷素可持續管理提供科學基礎。【擬解決的關鍵問題】本文通過研究不同磷肥用量處理對土壤速效磷、植株磷吸收和分配、籽棉產量和構成、棉田磷效率和磷素收支平衡的影響，明確了磷肥用量對棉花生長發育和產量構成的影響，分析了不同磷肥用量時的棉田磷素收支平衡，可為新疆棉田減磷增效提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究在新疆塔城地區沙灣縣新疆農業大學棉花育種實驗基地(85°45′34.30″E,44°29′26.94″N)進行。沙灣縣地處新疆天山北麓、準噶爾盆地南緣,屬于大陸性干旱氣候,無霜期長,光熱資源充足,年均溫度6.3～6.9 ℃，降雨量140～250 mm。該地區耕地土壤類型主要有潮土、棕鈣土、灰漠土等，其中潮土面積最大,約占全縣總面積的48 %。棉花是沙灣縣的重要經濟作物，種植面積6.67萬hm-2左右。本實驗區土壤耕層的理化性質狀況如表1所示。

表1 試驗地土壤基本養分特征

1.2 方法

1.2.1 實驗設計 為明確磷肥用量對棉花生長發育和產量的影響，設置5個施磷量處理：0、50、75、150、300 kg P2O5·hm-2，分別用CK、TSP50、TSP75、TSP150、TSP300表示，每個處理4個重復小區，小區面積為8 m×9 m。磷肥采用重過磷酸鈣(云南云天化,含磷量P2O561 %)，施肥方式為基施，于2018年4月25日均勻撒入田中，機器翻耕，深度約25 cm，平整土地。棉花種植模式為膜下滴灌，1膜2帶6行，寬窄行種植(圖1)，棉花株距14 cm，寬行距離65 cm，窄行距離12 cm。棉田氮肥(220 kg·hm-2)和鉀肥(90 kg·hm-2)都用做追肥按照棉花生長發育規律在棉花各生育期分6次隨水滴施。灌水時間和灌水量如表2所示。

表2 灌水時間及灌水量

1.2.2 樣品采集和分析 2018年，在棉花主要生育期花蕾期(7月22日)、花鈴期(8月7日)、吐絮期(9月7日)，每小區隨機采集棉花8株，按根、莖、葉、鈴(殼、絮、籽)分離，在105 ℃下殺青1 h，然后在75 ℃條件下烘干至恒重，稱重，計算植株生物量。植株樣本粉碎后，采用硫酸-雙氧水消煮法，釩鉬黃比色法分析植株各部位含磷量[23]。同時，在各小區滴灌帶下、種植行間，采集0～20和20～40 cm土層深度土壤樣品，風干后，采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定土壤速效磷含量[23]。

2018年9月18日進行棉花測產，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，并統計每株棉花上的鈴數和單鈴重。

總產量=單位面積株數×單株鈴數×單鈴重

1.2.3 計算和統計分析 磷肥利用率=(施磷區作物吸磷量-不施磷區作物吸磷量)/施磷區磷肥用量×100

磷肥累積利用率=施磷處理的植株吸磷量/施磷量

磷肥農學利用率(kg·kg-1)=(施磷區籽棉的產量-不施磷區籽棉產量)/施磷區磷肥用量

磷肥偏生產力(kg·kg-1)=施磷區籽棉產量/施磷區磷肥用量

各處理間土壤速效磷含量、植株生物量和含磷量、磷素累積吸收量、產量及構成、磷肥利用率和棉田磷素平衡均采用單因素方差分析，多重比較采用Duncan法。數據整理所用軟件為Microsoft Office Excel 2010(Microsoft,Redmond,Washington,U.S.A.)，數據分析軟件為SPSS20.0(SPSS,Inc.,Chicago,IL,U.S.A.)，作圖軟件為orgrin8.0(Origin Lab,Northampton,Massachusetts,U.S.A.)。

2 結果與分析

2.1 磷肥用量對棉田土壤速效磷的影響

在花蕾期，0～20、20～40 cm土壤速效磷表現出隨施磷量增加而增加的趨勢，當施磷量超過150 kg P2O5·hm-2后，趨于平穩或略有降低；與CK相比，TSP150處理土壤速效磷含量增加了24.78 %，TSP50、TSP75和TSP300處理則分別增加了6.25 %、3.39 %和19.94 %(圖2-A)。在花鈴期，0～20、20～40 cm土層中，各處理間土壤速效磷含量無顯著變化(圖2-B)。在吐絮期，0～20、20～40 cm土壤速效磷表現出隨施磷量增加而增加的趨勢；在0～20 cm土層，TSP150、TSP300土壤速效磷含量顯著高于其它處理；在20～40 cm土層，TSP300土壤速效磷含量顯著高于其他處理，比對照增高113.6 %，表現為TSP300>TSP150>TSP75>TSP50>CK(圖2-C)。整體而言，土壤速效磷表現出隨施磷量增加而增加的趨勢,在TSP150處理時，土壤速效磷有效性最高，當施磷量超過150 kg·hm-2后，趨于平穩或略有降低。

2.2 磷肥用量對棉花各器官生物量的影響

在花蕾期，相比CK處理，TSP75處理顯著增加了根、莖、葉和蕾生物量(表3)，分別比CK高40.50 %、50.03 %、78.56 %和56.36 %。在花鈴期，相比于CK處理，TSP150處理顯著增加了根、莖和蕾生物量，分別比CK高26.80 %、16.94 %和45.67 %；TSP50處理顯著提高了葉生物量，比CK高30.37 %。在吐絮期，不同施磷用量中根的生物量無顯著性差別；相比于CK處理，TSP150處理顯著增加了棉花莖、葉和殼生物量，分別比CK高20.04 %、43.20 %和17.96 %；TSP50處理顯著增加了棉花絮和籽生物量，分別比CK高22.54 %、42.68 %。從植株生物量角度看，TSP150處理各器官生物量較高，效果較優。

表3 磷肥用量對棉花不同生育期各器官生物量的影響

2.3 磷肥用量對棉花累積吸磷量的影響

不同施磷量下，花蕾期TSP50、TSP150、TSP300處理顯著增加了根含磷量(表4)，CK處理中莖、葉、花蕾等地上部分含磷量比TSP50、TSP75、TSP150和TSP300處理高35.81 %～40.06 %；在花鈴期，TSP300處理根的含磷量略高于其他處理，比CK處理高20.63 %，CK處理莖吸磷量略高于其他處理27.13 %～36.70 %，葉吸磷量高于其他處理30.03 %～49.83 %；在吐絮期，TSP75處理根、葉、籽、絮和殼吸磷量略高于其他處理，分別比CK處理高46.07 %、38.48 %、29.66 %，12.01 %和44.61 %。在棉花整個生育期中，花蕾期CK處理地上部分的吸磷量較高，在吐絮期TSP75處理地上部分吸磷量較高。

表4 磷肥用量對棉花不同生育期各器官含磷量的影響

不同施磷量下，整個生育期棉花累積吸磷量呈現先增高后降低的趨勢(圖3)。在花蕾期，TSP150處理的棉花吸磷量顯著高于其他處理，CK、TSP50、TSP75、TSP300之間無顯著性差異。在花鈴期，TSP150處理棉花吸磷量顯著高于其他處理，TSP75處理顯著高于TSP50、CK。在吐絮期，TSP150、TSP75處理的棉花吸磷量顯著高于其他處理，TSP50處理的棉花吸磷量顯著高于TSP300、CK，TSP300和CK處理間無顯著差異性。綜合來看，在不同生育期不同磷肥用量處理中，TSP150效果較優，顯著增加了棉花累積吸磷量。

2.4 磷肥用量對棉花各器官磷素分配的影響

在棉花的不同生育期，磷素在植株體內的分配有所不同。在花蕾期，花蕾中磷素累積量明顯高于根莖葉中磷素累積量約占整株的46 %(圖4); 在花鈴期，花鈴中的磷素累積比例達到64.7 %～71.5 %；在吐絮期，籽絮殼生殖器官磷素累積比例占整株54.4 %～68.0 %。

在棉花的不同生育期，生殖器官中磷素累積量比例均隨磷肥用量表現出先增高后降低的趨勢，特別是吐絮期時，該趨勢最為明顯。在吐絮期，CK處理的籽絮殼磷素累積比例為54.4 %；隨施磷量增加，該比例增加，在TSP75處理時，籽絮殼磷素累積比例最高為68.0 %；超過TSP75處理后，該比例降低，在TSP300處理時為60.0 %。

2.5 磷肥用量對籽棉產量、磷肥利用率和棉田磷平衡的影響

不同施磷量下，施磷處理的籽棉產量均高于不施磷肥的處理(表5)，增產幅度3.21 %～7.98 %；隨磷肥用量增加，籽棉產量呈先增后略有降低的趨勢，施磷量在0～150 kg·hm-2范圍內，隨著施磷量增加籽棉產量顯著提高，當施磷量超過150 kg·hm-2，籽棉產量略有下降趨勢。在不同施磷量下，施磷處理與不施磷處理相比單鈴重增加0.31～0.16 g，單株鈴數增加0.47～1.34個；各處理單鈴重表現為TSP75 >TSP50 >TSP300 >TSP150>CK，單株鈴數表現為TSP75> TSP300> TSP50> TSP150> CK。

表5 磷肥用量對籽棉產量構成的影響

不同施磷量處理下，磷肥利用率呈現先增高后降低的趨勢，在TSP75處理時最高，達到21.92 %，在TSP300處理時磷素利用率顯著降低，為7.56 %(表6)。磷肥累積利用率、磷肥農學效率和肥料偏生產力均隨著施磷量的增加呈現遞減趨勢，TSP300處理中磷肥累積利用率、磷肥農學效率和肥料偏生產力最低，分別為27.93 %、2.63 %和18.41 %(表6)。

從表7可知，隨施磷量的增加，處理中磷素盈余由負值逐漸增長為正值，土壤磷素盈余量呈現逐漸增大的趨勢，磷肥投入的越多，盈余的也越多。除對照外，各處理磷素盈余量均為正增長。從TSP300的磷肥利用率和磷素盈余可以看出，過量的磷肥不能被作物吸收,反而會降低磷肥的利用效率。

表7 磷肥用量對棉田磷素收支平衡的影響

3 討 論

3.1 不同供磷水平對棉田土壤速效磷的影響

土壤速效磷是表征土壤供磷能力的重要指標[24]。本研究表明，在花蕾期和吐絮期，隨著施磷量增加，土壤速效磷的含量呈增加趨勢，這與趙靚等[25]研究一致，表明磷肥施用可顯著提高土壤磷素有效性。在花蕾期，施磷量在0～75 kg·hm-2范圍內土壤速效磷含量增幅較緩慢，速效磷含量從19.36 mg·kg-1增加到20.57 mg·kg-1。而陳波浪等[20]研究發現在75～150 kg· hm-2范圍內土壤速效磷含量增幅較緩慢，這可能是由于不同研究地點的土壤質地和速效磷本底值不同所致。在花鈴期，不同處理土壤速效磷之間的差異不顯著，可能與該時期棉花磷素需求量大[15]，土壤速效磷被大量吸收，導致土壤速效磷含量較低，各處理間差異不顯著。

3.2 不同供磷水平對植株累積吸磷量和磷分配的影響

隨施磷量增加，植物累計吸磷量表現出增加的趨勢，這與姜宗慶等[26]、劉德平等[27]研究結果一致，表明磷肥施用可提高植物磷素吸收。過量施磷時，棉花的累積吸磷量有所下降，這可能是由于過量施用磷肥引起植株養分吸收不平衡等原因導致[28]；陳波浪等[20]研究發現，棉花吸收養分的總量變化不大，過量施用磷肥可能造成棉花植株磷素過剩，導致植株生物量低，累積吸磷量下降。

過低或過高的磷肥用量均不利于棉花根系和整株生物量積累，這與崔水利等[29]研究結果一致。磷對棉花根系具有刺激作用，施磷能使棉花根系長度、根表面積和根密度增大，從而促進棉花的生長[29]，但過量施用磷肥可能會抑制棉花根系的生長[30]，從而影響棉株的生長發育，最終抑制棉株對磷素的吸收[31]。

磷肥用量也會影響棉花的磷素分配。隨施磷量增加，磷素在生殖器官中的分配比例呈現先增加后降低趨勢，在施磷量為75 kg P2O5· hm-2時，磷素向生殖器官分配的比例最高。這可能是因為磷素有利于植物生殖生長相對提前，隨著磷素供應水平增加，棉花開花結鈴提前，將更多磷素分配到生殖器官(蕾、花、鈴)。而磷素水平過高時，則提高棉花植株細胞中原生質膠體的水合程度和細胞結構的充水度，提高原生質膠體保持水分的能力，減少細胞水分損失[32-36]，延長植物的營養生長，導致磷素在生殖器官中的分配比例降低，最終影響棉花產量[37]。

3.3 不同供磷水平對籽棉產量和磷肥利用效率的影響

在本研究中，隨施磷量的增加，籽棉產量表現出先增加后略有降低的趨勢，這與吳克寧[38]、陳書強[39]、王海江等[40]等研究一致。合理施磷可顯著提高作物單鈴重和單株鈴數，從而提高產量；但產量并不隨施磷量的增加無限增加，當施磷量超過一定用量后，單鈴重和單株鈴數不再增加，產量趨于平穩。從本研究產量構成來看，籽棉產量的差異主要是由于單鈴重和單株鈴數受磷肥施用量影響導致：單鈴數和單株鈴數在75 kg P2O5· hm-2施磷量時最高，可能是由于合理的磷肥用量調控了棉花營養生長和生殖生長，促進碳水化合物的合成與運輸及桃鈴的形成，使單鈴重和單株鈴數得到提高，提高光合產物轉化為經濟產量的能力[41-42]。

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CK處理中磷素盈余為-39.87 kg P2O5· hm-2，土壤磷庫處于虧缺狀態，不適宜磷素的可循環利用，長期下去會導致土壤肥力匱乏，作物減產[43]。TSP300處理施用過多磷肥，土壤磷素盈余為253.54 kg P2O5· hm-2，利用率僅為7.56 %，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境風險[44]。因此，從培肥地力或維持地力考慮，種植棉花應施用適量的磷肥，TSP75處理中磷肥利用率最高達到21.97 %，其磷素盈余為5.59 kg P2O5·hm-2，在保持較高磷肥利用率和產量的同時，使土壤磷素維持在平衡狀態，有利于棉田磷素的可持續管理。

4 結 論

綜上可見，棉田土壤速效磷表現出隨施磷量增加而增加的趨勢，超過150 kg P2O5· hm-2施磷量時，土壤速效磷不再增加；植株累積吸磷量和生殖器官磷素吸收比例呈現出隨施磷量增加而先升高降低的趨勢，150 kg P2O5· hm-2施磷量時最高；籽棉產量和磷肥利用率隨施磷量增加表現出先增加后略有降低的趨勢，在75 kg P2O5· hm-2施磷量時最高；隨施磷量的增加，棉田土壤速效磷盈余量呈現增加的趨勢在施磷量75 kg P2O5· hm-2時，棉田磷素收支開始出現盈余。因此，在綜合考慮土壤速效磷有效性、棉花磷素吸收和產量、磷肥利用率和棉田磷素收支平衡的基礎上，建議新疆棉田磷肥施用量為50～150 kg P2O5· hm-2。