中國棉花土壤有效磷豐缺指標與適宜施磷量研究

呂志偉，孫洪仁，張吉萍，呂玉才，程文忠，董偉良

（1．聊城大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 聊城 252000；2．中國農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；3．北京六凱農(nóng)業(yè)科技有限公司，北京 100095；4．新疆沙灣縣天忠農(nóng)民專業(yè)合作社，新疆 沙灣 834700）

棉花是我國的重要經(jīng)濟作物，2019 年全國種植面積約334 萬hm2，總產(chǎn)量約589 萬t［1］。新疆為特大產(chǎn)棉區(qū)，種植面積約254 萬hm2，皮棉產(chǎn)量約500 萬t；河北、山東、湖北、湖南、安徽、江西、河南和江蘇等省份為主要的傳統(tǒng)產(chǎn)棉區(qū)，種植面積約75 萬hm2，皮棉產(chǎn)量約81 萬t［1］。

肥料是作物的“糧食”，施肥不足妨礙產(chǎn)量、質(zhì)量和效益的提高。而施肥過量不僅增加成本，還會降低產(chǎn)量，并且破壞耕地、水系和大氣生態(tài)環(huán)境。土壤養(yǎng)分豐缺指標法是目前常用的一種確定作物施肥量的方法，其特點是時間有效性長、地域有效性廣、簡單易行，已成為我國測土推薦施肥的經(jīng)典和標準方法［2-3］，至今諸多地域已經(jīng)建立了諸如水稻、小麥、玉米等一些作物的土壤養(yǎng)分豐缺指標推薦施肥系統(tǒng)［4-11］，但針對棉花的相關(guān)研究頗為薄弱。

馬冬菊等［12］率先開展了山東鄒平棉花土壤養(yǎng)分豐缺指標研究。隨后王向平等［13］對湖北洪湖棉花土壤養(yǎng)分豐缺指標進行了探索，王曉麗［14］研究了湖北棉花土壤速效鉀豐缺指標，李樹鳳等［15］建立了內(nèi)蒙古額濟納旗棉花土壤氮磷鉀豐缺指標推薦施肥系統(tǒng)，李青軍等［16］建立了新疆棉花土壤有效磷豐缺指標推薦施磷系統(tǒng)。雖然還有少量學(xué)者開展了其他地域的研究［17-19］，但我國棉花土壤養(yǎng)分豐缺指標推薦施肥系統(tǒng)研究數(shù)量少、地域覆蓋面小，而且部分研究未能給出推薦施肥量［12-14］。

作物土壤養(yǎng)分豐缺指標推薦施肥系統(tǒng)研究要求開展多年、多點施肥試驗，需要大量的人力和財力支撐，而棉花等諸多小作物的專業(yè)技術(shù)人員數(shù)量和科研經(jīng)費投入較少，因此，土壤養(yǎng)分豐缺指標推薦施肥系統(tǒng)研究普遍薄弱。近年來，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)孫洪仁研究團隊創(chuàng)建了以“零散實驗數(shù)據(jù)整合法”和“養(yǎng)分平衡－地力差減法”新應(yīng)用公式為核心內(nèi)容的作物土壤養(yǎng)分豐缺指標推薦施肥系統(tǒng)研究新方法，克服了上述困難，并成功建立了紫花苜蓿、燕麥、甜菜及甘蔗等土壤養(yǎng)分豐缺指標推薦施肥系統(tǒng)［20-25］。本研究采用作物土壤養(yǎng)分豐缺指標推薦施肥系統(tǒng)研究新方法，開展全國棉花土壤有效磷豐缺指標和推薦施磷量研究，為我國棉花測土施磷提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 中國棉花土壤有效磷豐缺指標

采用“零散實驗數(shù)據(jù)整合法”，從中國知網(wǎng)、維普和萬方等數(shù)據(jù)庫中檢索、搜集多年來公開發(fā)表的全國各地棉花施肥試驗文獻，提取其中的土壤有效磷含量及對應(yīng)的全肥處理產(chǎn)量數(shù)據(jù)和缺磷處理產(chǎn)量數(shù)據(jù)，并據(jù)此計算相應(yīng)的缺磷處理相對產(chǎn)量。

缺磷處理相對產(chǎn)量=（缺磷處理產(chǎn)量÷全肥處理產(chǎn)量）×100%

利用Excel 2007，選擇適當(dāng)模型建立棉花缺磷處理相對產(chǎn)量與土壤有效磷含量回歸方程。鑒于東、西部地區(qū)的自然條件存在較大差異，因而分別建立東部地區(qū)、西部地區(qū)和全國的棉花缺磷處理相對產(chǎn)量與土壤有效磷含量回歸方程。為了適當(dāng)提高推薦施肥精準度，參考孫洪仁等［26］的“測土施肥土壤養(yǎng)分豐缺分級改良方案”，確定第1 ～11 級缺磷處理相對產(chǎn)量下限依次為100%、90%、……、10%和0%。將各級別缺磷處理相對產(chǎn)量起始點數(shù)值0%、10%、……、90%和100%，分別代入本研究建立的棉花缺磷處理相對產(chǎn)量與土壤有效磷含量回歸方程，計算得出相應(yīng)的土壤有效磷含量，即可獲得各豐缺級別的起點指標。

1.2 推薦施磷量

利用孫洪仁等［27］的“養(yǎng)分平衡－地力差減法”新應(yīng)用公式和“測土施肥不同豐缺級別土壤適宜施肥量檢索表”［28］計算得到棉花不同豐缺級別土壤的適宜施磷量。計算公式為：

適宜施磷量=目標產(chǎn)量棉花磷素移出量×（1-缺磷處理相對產(chǎn)量）/磷肥當(dāng)季利用率

其中，單位經(jīng)濟產(chǎn)量棉花磷素（P2O5）的移出量，皮棉確定為45 kg/t，籽棉確定為18 kg/t［16，29］。我國棉花目標產(chǎn)量范圍為1.0 ～3.6 t/hm2（皮棉）和2.5 ～9.0 t/hm2（籽棉）［16，29］。根據(jù)實際需要，確定10 個具體目標產(chǎn)量，皮棉分別為1.0、1.2、1.5、1.8、2.1、2.4、2.7、3.0、3.3 和3.6 t/hm2， 籽棉目標產(chǎn)量分別為2.5、3.0、3.75、4.5、5.25、6.0、6.75、7.5、8.25 和9.0 t/hm2。

將各豐缺級別的缺磷處理相對產(chǎn)量下限作為該級別的棉花缺磷處理相對產(chǎn)量，即第1 ～11 級的棉花缺磷處理相對產(chǎn)量依次為100%、90%、……10%和0%。我國目前包括棉花在內(nèi)的各種作物的磷肥當(dāng)季利用率一般為10%～30%［28］，本研究設(shè)置10%、15%、20%、25%和30%共5 個磷肥當(dāng)季利用率。

2 結(jié)果與分析

2.1 中國棉花施磷試驗文獻及與土壤有效磷豐缺指標研究相關(guān)信息

本研究共搜集到含有“土壤有效磷含量”、“缺磷處理產(chǎn)量”和“全肥處理產(chǎn)量”信息的棉花 施 磷 試 驗 文 獻98 篇（1990 ～1999 年6 篇，2000 ～2009 年27 篇，2010 ～2020 年65 篇）［30-127］，從中提取出183 組試驗數(shù)據(jù)，涉及14 個省份（自治區(qū)），基本涵蓋了我國棉花的主要種植地區(qū)（相關(guān)信息見表1）。計算“缺磷處理相對產(chǎn)量”后，得到“土壤有效磷含量”和“缺磷處理相對產(chǎn)量”配套數(shù)據(jù)共183 對。

表1 我國棉花施磷試驗文獻中與土壤有效磷豐缺指標研究相關(guān)信息

2.2 中國棉花土壤有效磷豐缺指標

去除6 對明顯不合理數(shù)據(jù)后，利用64 對配套數(shù)據(jù)建立西部地區(qū)棉花缺磷處理相對產(chǎn)量與土壤有效磷含量回歸方程，結(jié)果如圖1 所示。其中我國西部地區(qū)棉花缺磷處理相對產(chǎn)量和土壤有效磷含量的試驗數(shù)據(jù)范圍分別為52.95%～103.06%和1.9 ～27.4 mg/kg。

去除13 對明顯不合理數(shù)據(jù)后，利用100 對配套數(shù)據(jù)建立東部地區(qū)棉花缺磷處理相對產(chǎn)量與土壤有效磷含量回歸方程，結(jié)果如圖2 所示。其中我國東部地區(qū)棉花缺磷處理相對產(chǎn)量和土壤有效磷含量的試驗數(shù)據(jù)范圍分別為60.47%～104.98%和3.3 ～38.9 mg/kg。

圖1 中國西部棉花土壤有效磷含量與缺磷處理相對產(chǎn)量回歸關(guān)系（n=64）

圖2 中國東部棉花土壤有效磷含量與缺磷處理相對產(chǎn)量回歸關(guān)系（n=100）

進一步利用上述東、西部共164 對配套數(shù)據(jù)，建立全國棉花缺磷處理相對產(chǎn)量與土壤有效磷含量回歸方程，結(jié)果如圖3 所示。全國棉花缺磷處理相對產(chǎn)量和土壤有效磷含量的試驗數(shù)據(jù)范圍分別為52.95%～104.98%和1.9 ～38.9 mg/kg。

圖3 中國棉花土壤有效磷含量與缺磷處理相對產(chǎn)量回歸關(guān)系（n=164）

由圖1 ～3 可見，西部、東部和全國的缺磷處理相對產(chǎn)量與土壤有效磷含量回歸方程均達到了極顯著水平（P＜0.01）；西部和東部兩大區(qū)域回歸方程的決定系數(shù)較為接近，但皆明顯高于全國；同一區(qū)域直線型和自然對數(shù)型回歸方程的決定系數(shù)頗為接近。

根據(jù)獲得的缺磷處理相對產(chǎn)量和土壤有效磷含量回歸方程，計算得出我國西部、東部和全國棉花土壤豐缺級別第1 ～6 級起訖點有效磷含量。對于超出試驗范圍的外推數(shù)據(jù)，低端（70%及以下）保留1 個，剔除全部負值，并對小數(shù)進位取整后，獲得西部、東部和全國棉花土壤有效磷豐缺指標，如表2 所示。

表2 中國棉花土壤有效磷豐缺指標

采用直線型和自然對數(shù)型回歸方程的計算結(jié)果差別明顯。直線型回歸方程計算結(jié)果中，缺磷處理相對產(chǎn)量70%及其以下對應(yīng)的土壤有效磷含量皆為負值。自然對數(shù)型回歸方程計算結(jié)果中，西部缺磷處理相對產(chǎn)量90%～100%、東部缺磷處理相對產(chǎn)量100%和全國缺磷處理相對產(chǎn)量95%～100%對應(yīng)的土壤有效磷含量均為外推數(shù)據(jù)。但缺磷處理相對產(chǎn)量80%～90%對應(yīng)的土壤有效磷含量，二者計算結(jié)果較為接近。

西部和東部的棉花土壤有效磷豐缺指標差異很大，西部明顯高于東部。對應(yīng)于缺磷處理相對產(chǎn)量100%的全國高端指標高于西部和東部，對應(yīng)于缺磷處理相對產(chǎn)量80%～90%的全國中段指標介于西部和東部之間，對應(yīng)于缺磷處理相對產(chǎn)量70%及以下、源于自然對數(shù)模型計算結(jié)果的全國低端指標低于西部和東部。采用直線模型，西部、東部和全國棉花土壤有效磷豐缺級別皆劃分出4 級；采用自然對數(shù)模型，西部棉花土壤有效磷豐缺級別劃分出6 級，東部和全國均劃分出5 級。

2.3 中國棉花土壤不同豐缺級別下的適宜施磷量

本研究得到的我國棉花土壤不同豐缺級別下的適宜施磷量見表3。其中，棉花的適宜施磷量與土壤有效磷豐缺級別為線性負相關(guān)。第1 級的適宜施磷量為0，以第2 級的適宜施磷量為基數(shù)，每降低1 個級別，適宜施磷量提高1 倍（實際計算中取整）。如：皮棉（籽棉）目標產(chǎn)量為1.0（2.5）t/hm2，磷肥當(dāng)季利用率為20%時，第1 級的適宜施磷量為0，第2 級為23 kg/hm2，第3 級為45 kg/hm2。

表3 中國棉花土壤適宜施磷量

（續(xù)表）

棉花的適宜施磷量與目標產(chǎn)量呈線性正相關(guān)。以皮棉（籽棉）目標產(chǎn)量1.0（2.5）t/hm2的適宜施磷量為基數(shù)，皮棉（籽棉）目標產(chǎn)量為1.2（3.0）、1.5（3.75）、1.8（4.5）、2.1（5.25）、2.4（6.0）、2.7（6.75）、3.0（7.5）、3.3（8.25）和3.6（9.0）t/hm2時的適宜施磷量依次為其的1.2、1.5、1.8、2.1、2.4、2.7、3.0、3.3 和3.6 倍。

同時，棉花的適宜施磷量與磷肥當(dāng)季利用率為線性負相關(guān)，磷肥當(dāng)季利用率越高，適宜施磷量越低。如：磷肥當(dāng)季利用率為15%時的適宜施磷量為10%時的0.67 倍，磷肥當(dāng)季利用率為20%時的適宜施磷量為10%時的0.5 倍。

磷肥當(dāng)季利用率為20%、皮棉（籽棉）目標產(chǎn)量為1.0 ～3.6（2.5 ～9.0）t/hm2時，土壤有效磷豐缺級別第1 ～6 級的適宜施磷量范圍依次為0 ～0、23 ～81、45 ～162、68 ～243、90 ～324和113 ～405 kg/hm2。

3 討論

3.1 棉花缺磷處理相對產(chǎn)量與土壤有效磷含量回歸方程及豐缺指標的確定

本研究結(jié)果表明，未做西部和東部區(qū)分的全國棉花缺磷處理相對產(chǎn)量與土壤有效磷含量回歸方程的決定系數(shù)明顯低于西部和東部；土壤有效磷豐缺指標的高端（100%）偏高、低端（70%及以下）偏低，可信度和實用性不如西部和東部獨立建立的回歸方程和確定的豐缺指標；而且西部和東部棉花土壤有效磷豐缺指標差異很大，西部明顯高于東部。鑒于此，應(yīng)該采用西部和東部各自獨立確定的棉花土壤有效磷豐缺指標，不應(yīng)采用全國指標。

同時，本研究結(jié)果中同一區(qū)域直線型和自然對數(shù)型回歸方程的決定系數(shù)頗為接近，但采用直線模型計算得到的棉花土壤有效磷豐缺指標低端（70%及以下）均是負值，而利用自然對數(shù)模型計算得到的豐缺指標高端（100%）均為外推；基于兩種模型分別計算得到的中段指標（80%～90%）較為接近。無論采納直線型回歸方程計算結(jié)果，還是采納自然對數(shù)型回歸方程計算結(jié)果，都存在問題。將基于兩種模型分別計算結(jié)果整合起來，可能是一個較好的選擇。具體作法是：西部地區(qū)第1 ～3 級和東部地區(qū)第1 ～2 級豐缺指標的起訖點均采用基于兩種模型分別計算結(jié)果之平均值，其余指標則采用基于自然對數(shù)模型計算結(jié)果。于是確定我國西部棉花土壤有效磷第1 ～6 級豐缺指標依次為≥62、27 ～62、11 ～27、4 ～11、2 ～4 和＜2 mg/kg，東部棉花土壤有效磷第1 ～5 級豐缺指標依次為≥44、16 ～44、4 ～16、2 ～4 和＜2 mg/kg。

我國西部棉花土壤有效磷豐缺指標分級明顯高于東部，可能原因：一是長期以來東部耕地施肥量遠高于西部，且遠超出作物移出養(yǎng)分量，導(dǎo)致磷累積于土壤之中，使0 ～20 cm 表層土壤和底層土壤有效磷含量均明顯高于西部［128］；二是西部光照資源優(yōu)于東部，棉花單產(chǎn)水平明顯高于東部，因而需肥強度明顯高于東部，導(dǎo)致西部棉花土壤有效磷豐缺指標分級高于東部。

絕大多數(shù)學(xué)者都選擇缺素處理相對產(chǎn)量95%對應(yīng)的土壤養(yǎng)分含量作為最高豐缺級別指標之下限。本研究認為，由于最高級別不予施肥，因此這樣選擇會造成0%～5%的產(chǎn)量損失。為了充分發(fā)揮耕地生產(chǎn)潛力，還是應(yīng)該選擇缺素處理相對產(chǎn)量100%對應(yīng)的土壤養(yǎng)分含量作為高端指標。

3.2 中國棉花土壤有效磷豐缺指標

李樹鳳等［15］的研究表明，內(nèi)蒙古額濟納旗棉花缺磷處理相對產(chǎn)量90%和95%對應(yīng)的土壤有效磷指標分別為15 和17 mg/kg，本研究中的西部棉花研究結(jié)果明顯較其為高。李青軍等［16］的研究表明，新疆棉花缺磷處理相對產(chǎn)量70%、80%、90%和95%對應(yīng)的土壤有效磷指標分別為5、12、25和38 mg/kg，本研究中的西部棉花研究結(jié)果與其頗為接近。張福鎖等［29］將新疆棉花土壤有效磷最高級別下限（缺磷處理相對產(chǎn)量95%）指標確定為40 mg/kg，本研究中的西部棉花研究結(jié)果與其完全一致。

馬冬菊等［12］的研究表明，山東鄒平棉花缺磷處理相對產(chǎn)量90%對應(yīng)的土壤有效磷指標為14 mg/kg，本研究中的東部棉花研究結(jié)果與其頗為接近。王向平等［13］的研究表明，湖北洪湖棉花土壤缺磷處理相對產(chǎn)量95%對應(yīng)的土壤有效磷指標為17 mg/kg，本研究中的東部棉花研究結(jié)果明顯較其為高。張福鎖等［29］將華中地區(qū)棉花土壤有效磷最高級別下限（缺磷處理相對產(chǎn)量95%）指標確定為40 mg/kg，本研究中的東部棉花研究結(jié)果明顯較其為低。

本研究得出的豐缺指標與上述李樹鳳等［15］（額濟納旗）、王向平等［13］（洪湖）以及和張福鎖等［29］（華中地區(qū)）的結(jié)果之間存在一定差異，這可能與這些研究所采用的棉花品種特性、產(chǎn)量水平、栽培方式和土壤肥力等因素有關(guān)［16］。較少的棉花品種、較單一的栽培方式和土壤類型等因素以及較短的研究周期均會影響試驗結(jié)果。本研究樣本數(shù)量大、地域分布廣、土壤類型豐富、棉花品種多樣性高并且時間持續(xù)久，因此，有理由相信本棉花土壤養(yǎng)分豐缺指標研究結(jié)果較為可靠。

3.3 推薦施磷量

張福鎖等［29］針對新疆地區(qū)目標產(chǎn)量1.5 ～2.4 t/hm2皮棉的推薦施磷量為70 ～170 kg/hm2，針對華中地區(qū)目標產(chǎn)量1.2 ～1.65 t/hm2皮棉的推薦施磷量為0 ～200 kg/hm2。當(dāng)磷肥利用率為20%時，本研究豐缺級別第2 ～4 級的適宜施磷量與前者大體相當(dāng)，第1 ～6 級的適宜施磷量與后者十分接近。新疆漫灌和滴灌棉花籽棉目標產(chǎn)量為4.5～9.0 t/hm2時的推薦施磷量為0 ～230 kg/hm2［16］，河北唐山地區(qū)籽棉目標產(chǎn)量3.0 ～3.75 t/hm2時的推薦施磷量為30 ～120 kg/hm2［17］，本研究相應(yīng)目標產(chǎn)量下的推薦施磷量與其均一致。

內(nèi)蒙古額濟納旗棉花最佳施磷量范圍為157 ～224 kg/hm2［15］，湖北洪湖［18］與湖南桃源［19］的推薦施磷量范圍為45 ～105 kg/hm2。在本研究所涉及的文獻［30-127］中，西部地區(qū)棉花籽棉目標產(chǎn)量為2.7 ～6.7 t/hm2，推薦施磷量范圍為50 ～600 kg/hm2；東部地區(qū)棉花籽棉目標產(chǎn)量為1.2～5.5 t/hm2，推薦施磷量范圍為32 ～225 kg/hm2。本研究結(jié)果與上述基本一致。由此可見，本研究中棉花推薦施磷量較為可靠。

4 結(jié)論

本研究初步建立了我國西部和東部棉花土壤有效磷豐缺指標推薦施肥系統(tǒng)。其中中國西部棉花土壤有效磷豐缺指標可劃分為6 級，第1 ～6 級依次為≥62、27 ～62、11 ～27、4 ～11、2 ～4 和＜2 mg/kg；中國東部棉花土壤有效磷豐缺指標可劃分為5 級，第1～5 級依次為≥44、16 ～44、4 ～16、2 ～4 和＜2 mg/kg。當(dāng)皮棉（籽棉）的目標產(chǎn)量為1.0 ～3.6（2.5 ～9.0）t/hm2，且磷肥當(dāng)季利用率為20%時，土壤有效磷豐缺級別第1 ～6 級的適宜施磷量范圍依次為0、23 ～81、45 ～162、68 ～243、90 ～324 和113 ～405 kg/hm2。相關(guān)結(jié)果為我國棉花磷肥的施用提供了科學(xué)依據(jù)。