基于5 年定位試驗的新疆滴灌棉田土壤有效磷農學閾值及磷肥適宜用量

摘要： 【目的】針對新疆棉田磷肥投入過量、利用效率低、成本高等問題，開展不同施磷量對棉田土壤磷素有效性、棉花養分吸收及產量的影響研究，以確定土壤有效磷農學閾值以及合理施磷量，實現綠洲棉田磷素收支平衡和磷肥高效利用?！痉椒ā坑?018—2022 年在新疆棉花主產區沙灣市開展田間試驗，設置P0 （0 kg/hm2）、P50 （50 kg/hm2）、P75 （75 kg/hm2）、P100 （100 kg/hm2）、P150 （150 kg/hm2）、P300 （300 kg/hm2） 6 個施磷 （P2O5） 水平。每年棉花收獲后，秸稈全部還田，采樣測定土壤水溶性磷、有效磷、全磷含量及棉花磷素吸收量，調查棉花產量?！窘Y果】與P0 處理相比，施磷肥處理土壤有效磷含量增加25.62%～64.69%，年均增加0.89～2.55 mg/kg；水溶性磷含量增加幅度為68.60%～112.98%，年均增加0.67～1.10 mg/kg；全磷含量增加幅度為2.82%～9.37%，年均增加0.01～0.03 g/kg。線性擬合結果顯示，土壤中磷素每累積100 kg/hm2，有效磷、水溶性磷含量分別提高1.93、0.76 mg/kg。棉花產量隨著施磷量的增加先增加后維持平衡，通過線性加平臺擬合，棉花最高產量施磷量為P2O5 124 kg/hm2，棉田土壤有效磷農學閾值為19.23 mg/kg。P50～P150 處理直到第5 年才顯著提高土壤全磷含量，而P300 處理在第1 年施用后土壤有效磷就接近此農學閾值?！窘Y論】長期施磷顯著提高土壤中有效磷的含量，建議對于新墾棉田，前期施用高量的磷肥（300 kg/hm2），土壤有效磷快速達到農學閾值后，施磷量控制在100～124 kg/hm2，可在滿足棉花高產對磷營養的需求基礎上減少棉田磷素的盈余。

關鍵詞： 棉田；磷肥用量；有效磷；水溶性磷；棉花產量

棉花（Gossypium hirsutum L.） 是中亞干旱區，尤其是中國新疆重要的經濟作物，2023 年新疆棉花產量為511.2 萬t，占全國棉花總產量的90%[1]。棉花產業是新疆農業的主導產業，其中肥料成本占棉花生產物化成本的一半左右。新墾農田土壤缺磷是新疆干旱區棉花生產的主要限制因素之一[2]，因此集約化膜下滴灌棉田依賴大量施用磷肥來維持高產，然而，過量施磷是限制植棉效益提高的重要因素。調查顯示全球磷肥消費量迅速增長，但磷肥利用效率較低，這不但加重了農民的經濟負擔，也浪費了不可再生的磷礦資源[3?4]。因此，確定合理的施磷量對棉花磷高效利用有著重要意義。

施用磷肥可以提高土壤供磷強度，田怡等[5]在塿土上通過連續9 年冬小麥磷肥用量試驗表明，施磷量為150 kg/hm2 的土壤有效磷含量從第一年至最后一年增加了7.7 mg/kg，增幅為35.4%，而長期不施磷肥土壤有效磷從8.3 mg/kg 下降至6.1 mg/kg，下降了26.5%。周寶庫等[6]在黑土上通過23 年長期定位小麥—大豆—玉米輪作試驗發現，施磷處理與不施磷肥相比土壤全磷增加了53%～65%，土壤有效磷增加了6～15 倍，長期不施肥處理的土壤全磷從1.07 g/kg 下降至0.67 g/kg，下降了37%，有效磷下降了60%。劉美娟[7]在灰漠土上進行4 年定位試驗，發現當施磷量為150 kg/hm2 時，土壤有效磷增幅約為165.55%，不施磷處理有效磷降低了29.76%。因此，施用磷肥對土壤有效磷和全磷的影響與土壤類型和施肥年限及施磷量密切相關[8]。

作物產量對磷肥的響應隨著土壤有效磷含量的增加逐步趨于穩定，基于此提出了土壤有效磷農學閾值概念，即在低土壤有效磷含量時，作物產量隨著土壤有效磷含量增加逐漸增加，有效磷超過農學閾值時，產量基本維持在穩定狀態[9]，確定該指標成為農業生產中磷肥高效利用的基礎。研究表明不同作物的有效磷農學閾值存在很大差異。Xu 等[10]通過3 個15 年的田間試驗 （昌平，中國北部；鄭州，中國中部和楊凌，中國西北） 發現，不同地區和作物對磷的需求存在差異，土壤有效磷的農學閾值 （Olsen-P臨界值） 各不相同，玉米的農學閾值介于12.1～17.3mg/kg，而冬小麥的農學閾值介于12.5～19.0 mg/kg。徐孟澤等[ 1 1 ]在河北砂質潮土上進行12 年長期磷肥用量定位研究 （土壤有效磷初始值為11.9 mg/kg），認為冬小麥和夏玉米的土壤有效磷農學臨界值分別為10.2 和5.93 mg/kg。席雪琴等[ 1 2 ]在陜西塿土通過24 年長期肥料定位試驗研究 （土壤有效磷初始值為9.6 mg/kg） 表明，冬小麥和夏玉米土壤中有效磷的農學閾值分別為26.2 和13.9 mg/kg。李冬初等[13]在湖南紅壤地區通過26 年長期定位試驗 （土壤有效磷初始值為11 mg/kg） 研究確定的小麥和玉米的土壤有效磷農學閾值分別為13.5 和23.4 mg/kg。以上研究結果說明土壤有效磷農學閾值與試驗地點、土壤背景值和作物類型有關。

研究新疆綠洲滴灌棉田不同施磷量對土壤磷庫、棉花磷素吸收及產量影響的規律，是確定磷肥推薦用量的基礎。因此，本研究通過5 年定位試驗，研究不同施磷量對土壤有效磷、水溶性磷、全磷及棉花產量和吸磷量的影響，并通過分析棉田土壤有效磷農學閾值和磷盈余來確定合理施磷量，旨在提高磷肥利用效率和棉花產量，減少磷盈余，為新疆棉田減磷增效和農民增收提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018—2022 年在新疆生產建設兵團第八師沙灣144 團新疆農業大學棉花教學科研基地進行（85°45'34″E，44°29'26″N）。試驗區具有典型的大陸性干旱氣候特征，年均溫度6.3℃～6.9℃，年均降雨量140～250 mm，年蒸發量1500～2000 mm，無霜期170～190 天，研究區近5 年的年降水量和積溫變化如圖1。試驗區2005 年開荒種植棉花，供試土壤類型為灰漠土，土壤質地為壤土。2018 年開始試驗前耕層土壤基本理化性質：pH 8.14，有機質 7.68g/kg，堿解氮 35.5 mg/kg，有效磷 15.75 mg/kg，速效鉀 289.27 mg/kg，電導率 106.98 μS/cm。

1.2 試驗設計

田間試驗采用隨機區組設計，設置6 個施磷量（P2O5） 處理，分別為P0 （0 kg/hm2）、P50 （50 kg/hm2）、P75 （75 kg/hm2 ）、P100 （100 kg/hm2 ）、P150 （150kg/hm2）、P300 （300 kg/hm2），每個處理重復4 次，共24 個小區，小區面積為 70.4 m2 （8 m × 8.8 m）。所施磷肥為重過磷酸鈣 （含P2O5 46%），所有磷肥全部基施，于每年播種前均勻撒施，隨翻耕混入0—20 cm土層。每年4 月下旬播種，種植棉花品種為新農大3 號，棉花種植模式為膜下滴灌“干播濕出”，采用“一膜六行三條滴灌帶”的方式進行，膜內棉花按照寬窄行距的方式種植，寬行間距66 cm，窄行間距10 cm，播種密度18 萬株/hm2。施氮 （尿素，氮含量46%） 量220 kg/hm2，其中20% 基施，其余氮肥根據棉花的生長周期，在棉花的各個生長階段分6 次隨水滴灌施用；鉀肥 （硫酸鉀，含K2O 含52%） 施用量為90 kg/hm2，全部基施。

1.3 樣品采集和分析

每年棉花吐絮期，在每個小區隨機挑選5 株棉花采集植物樣品，按照不同器官依次采集后，105℃殺青30 min，75℃ 烘干至恒定重量，稱量并記錄生物量。將烘干后的各器官植物樣品進行研磨并過篩，經濃硫酸?雙氧水消煮后，采用釩鉬黃比色法測定植株各器官中的磷含量[14]。

同期，在各試驗小區窄行間隨機用土鉆采集0—20 cm 的5 個樣點土壤，混合后作為該小區的土壤樣品。將土樣置于陰涼干燥處風干，研磨并過1 mm篩。土壤有效磷用pH 8.5 的碳酸氫鈉溶液浸提，土壤水溶性磷用蒸餾水浸提，然后采用鉬銻抗比色法測定[14]。

棉花吐絮期測產。具體方法如下：在每個試驗小區隨機選擇同一條膜上2 m 長的區域為測產區（2 m×2.3 m），記錄棉花的總株數、總鈴數以及籽棉的重量，并計算每株棉花的鈴數，采集100 朵中部棉鈴，稱重后計算單鈴重。

1.4 計算和統計分析

相對產量 （%）=各小區的產量/當年的小區最高產量

籽棉吸磷量 （P2O5，kg/hm2）=2.29[15]×（棉籽干重×棉籽磷濃度+纖維干重×纖維磷濃度）

土壤磷盈余 （P2O5，kg/hm2）=磷肥投入量?籽棉吸磷量

土壤累積磷盈余 （P2O5，kg/hm2）=Σ土壤磷盈余

為分析不同磷肥施用量對土壤磷庫、棉花產量及棉田土壤磷盈余平衡的影響，采用Microsoft Excel2010 對每個處理的土壤有效磷、水溶性磷和全磷含量及植株各器官吸磷量、產量數據進行初步整理，利用SPSS 26.0 統計軟件進行雙因素方差分析，LSD法進行多重比較 （Plt;0.05 為顯著，Plt;0.01 為極顯著），利用Origin 2021 軟件對分析結果進行作圖。

2 結果與分析

2.1 磷肥用量對土壤水溶性磷、有效磷和全磷含量的影響

連續5 年監測的土壤水溶性磷變化特征 （圖2）顯示，各施磷處理之間土壤水溶性磷含量連續5 年均無顯著差異（Pgt;0.05），相同年份不同施磷處理間差異顯著 （Plt;0.001），但同一年份下5 個施用磷肥的處理之間差異不顯著。其中，2018—2020 年，僅有P300 處理顯著高于P0 處理，2021 年，P75、P100、P 1 5 0 和P 3 0 0 處理均顯著高于P 0 處理， 2 0 2 2年各施磷處理均顯著高于P0 處理。2022 年，5 個施磷肥的處理較2018 年不施磷處理的水溶性磷含量分別增加了68.60%、70.11%、103.02%、106.34%和112.98%，年均增加量介于0.67～1.10 mg/kg。

不同施磷量和施磷年限對土壤有效磷含量均有顯著影響 （Plt;0.05），其中，2018 和2019 年，P300 處理顯著高于P0、P50、P75 處理；2020 年P150 和P300 處理顯著高于P0 處理，P300 處理顯著高于P50、P75 和P100 處理；2021 年P150 和P300 處理均顯著高于P0 和P50 處理，P75 和P100 處理均顯著高于P0 處理；2022 年各施磷處理均顯著高于不施磷處理，且P300 處理顯著高于P50、P75 和P100 處理。年際之間，僅有P50、P150 和P300 處理在2022年土壤有效磷含量顯著高于2018 年。P0 處理的土壤有效磷含量從土壤背景值15.75 mg/kg 顯著降低到2022 年的12.55 mg/kg，年均降低速率為0.81 mg/kg。2022 年，P50、P75、P100、P150 和P300 處理的土壤有效磷含量較起始值15.75 mg/kg 分別增加了25.62%、22.61%、30.09%、42.61% 和64.69%，年均增加量介于0.89～2.55 mg/kg。

各施磷處理土壤全磷含量不同年限間差異不顯著 （Pgt;0.05），不同施磷處理間差異顯著 （Plt;0.001），2018—2020 年P300 處理顯著高于P0、P50、P75 處理，2021 年僅有P300 處理顯著高于P0 處理，2022年各施磷處理均顯著高于P0 處理，且P300 處理顯著高于P50、P75 和P100 處理。P0 處理土壤全磷含量隨種植年限的增加而逐漸降低，2022 年P50、P75、P100、P150 和P300 處理的土壤全磷含量較2018 年不施磷處理分別增加了2.82%、3.42%、4.31%、6.69% 和9.37%，年均增加量介于0.01～0.03 g/kg。

土壤全磷與有效磷和水溶性磷含量均呈線性關系，根據線性模型計算，土壤全磷每增加0.10 g/kg，Olsen-P 含量上升4.20 mg/kg，水溶性磷含量上升1.75 mg/kg （圖3）。

2.2 磷肥用量對棉花產量的影響

施磷量和施磷年限均顯著影響棉花產量 （圖4）。2018 和2020 年，P150 處理棉花產量顯著高于P0 和P50 處理；2019 和2021 年僅有P150 處理顯著高于P0 處理；2022 年各施磷處理均顯著高于不施磷處理，且隨著施磷量的增加呈先增加后降低的趨勢，P150 處理顯著高于其他處理，P300 處理顯著高于P50 處理。P75 處理2020 年棉花產量顯著高于2018、2019 和2022 年，P100 和P150 處理2020、2021 年產量均顯著高于2018、2019 年，P300 處理僅在2021 年顯著高于2019 年。不施磷處理的棉花產量從2018 年的4736.52 kg/hm2 降至2022 年的4508.68kg/hm2，降低了4.81%，年均降低57 kg/hm2；P50、P75、P100、P150 和P300 處理2022 年的棉花產量較2018 年不施磷處理分別增加了5.19%、12.74%、20.43%、27.96% 和17.61%。

施磷量與相對產量效應符合線性加平臺模型 （Plt;0.05，圖5），當施磷量小于124 kg/hm2 時，棉花相對產量隨著施磷量增加而增加，當施磷量為124 kg/hm2時，棉花產量趨于穩定，即由該模型計算的棉花穩產施磷量為124 kg/hm2。

2.3 棉花產量對土壤有效磷的響應

5 年不同磷肥施用量（P50 至P300） 處理下的土壤Olsen-P 含量與棉花產量也呈線性加平臺關系（Plt;0.001，圖6），根據方程計算可得，棉田土壤有效磷的農學臨界值為19.23 mg/kg，即當土壤有效磷含量超過農學臨界值后，棉花相對產量增幅不明顯。

2.4 磷肥用量對土壤磷素盈余的影響

秸稈還田下，土壤磷素盈余隨施磷量的增加不斷增加 （表1）。在連續5 年試驗后，P0 處理棉田土壤磷素累積虧缺340.44 kg/hm2，年均虧缺68 kg/hm2；P50 和P75 處理土壤累積磷盈余均為負值，處于土壤磷耗竭狀態；P100 處理棉田磷素累積盈余為84.94kg/hm2，年均盈余16.98 kg/hm2，基本達到輸入?輸出平衡；P150、P300 處理土壤磷處于盈余狀態，特別是P300 處理，盈余是P100 處理的14 倍多。

2.5 累積磷盈余對土壤有效磷和水溶性磷含量的影響

土壤累積磷盈余與Olsen-P 及水溶性磷含量呈極顯著線性相關關系 （Plt;0.001，圖7），土壤磷盈余量每累積100 kg/hm2，Olsen-P 含量提高1.93 mg/kg，水溶性磷含量提高0.76 mg/kg。

3 討論

3.1 施磷對土壤中水溶性磷、有效磷和全磷含量的影響

土壤水溶性磷是指易于溶解到土壤溶液或徑流中的磷[16]，其含量是衡量土壤磷素肥力和流失風險的關鍵指標[17]，也反映了農田土壤的環境質量。本研究表明，土壤中水溶性磷含量年均增加速率為0.67～1.10 mg/kg。沈開勤等[18]在四川省綿陽市進行了連續6 年同樣磷肥用量處理的定位試驗，結果表明水溶性磷年均增加3.68～10.63 mg/kg。本試驗區的水溶性磷增加速率較低，這可能是因為新疆干旱的氣候發育形成的地帶性灰漠土pH 和碳酸鈣含量高，磷容易與鈣結合形成難溶的磷酸鈣沉淀，限制土壤中磷的溶解和遷移，因此，高磷投入造成土壤磷淋溶的風險較小。

土壤Olsen-P 一般代表了能夠被作物吸收利用的磷，反映著土壤的供磷水平[19]。本研究結果表明，土壤Olsen-P 含量隨著施磷量和施磷年限的增加而增加，連續5 年不施磷肥處理Olsen-P 年均降速為0.81mg/kg，各施磷處理則年均增加0.89～2.55 mg/kg。楊夢棣等[20]在山西通過3 年田間定位試驗研究表明，不施磷處理的土壤Olsen-P 含量從試驗前的18.5mg/kg 降至4.0 mg/kg，年均下降4.8 mg/kg，施磷處理年均增加1.3～4.2 mg/kg。韓曉飛等[21]在重慶的長期定位施肥試驗結果顯示，連續22 年不施肥后，土壤有效磷含量從4.3 mg/kg 下降至2.0 mg/kg，下降了53.49%，年均降低0.1 mg/kg。說明土壤有效磷含量的變化幅度與試驗地點、試驗周期長短有關，因此，磷養分管理需要依據各自的具體條件而定。

施磷處理的土壤全磷含量比第一年不施磷處理增加了2.82%～9.37%，年均增加0.01～0.03 g/kg，除P300 處理外，其他施磷處理的提升幅度在前4 年與P0 處理相比均未達到顯著水平，至試驗第5 年才達到顯著水平。廖文華等[ 2 2 ]通過11 年長期定位試驗研究發現，長期不施磷肥會導致土壤全磷含量逐漸降低，降幅為17.1%，年均降幅9.3 mg/kg，當年施磷量為360 kg/hm2 時，土壤全磷在前5 年增加幅度不顯著，至11 年時達到顯著增加水平，相對試驗第1 年不施磷處理的增幅達到86.2%，年均增加約0.047 g/kg。本研究中，根據模型計算得出土壤全磷每增加0.10 g/kg，土壤有效磷和水溶性磷含量分別上升4.20 和1.75 mg/kg，說明土壤全磷向有效磷轉化的效率大于水溶性磷。

3.2 施磷對棉田磷盈余和產量的影響

研究棉田磷素平衡可以反映棉田磷庫的消耗與累積狀況，可以充分了解因為磷肥過度使用而造成的磷素積累[23]，為實現保護土壤環境，促進磷礦資源節約，使磷素達到“零盈余”的目標提供數據支撐。從棉田磷素盈余結果來看，不施磷處理土壤磷降低的速率大于施磷肥增加的速率，在不施磷條件下，5 年間棉田磷素虧缺340.44 kg/hm2，年均虧缺68kg/hm2。施磷量增加至100 kg/hm2 時棉田磷素總盈余量達到84.94 kg/hm2，年均盈余16.98 kg/hm2，基本實現收支平衡。進一步提升磷肥的施用量，土壤磷素積累快速增加，說明增加的磷肥量主要積累在棉田中，沒有進一步顯著提升棉花的磷吸收量。已有研究表明，控制磷肥施用量，維持磷素盈余平衡，能夠在保證土壤供磷強度的條件下獲得相對高產，Huo 等[23]通過在新疆瑪納斯縣進行7 年棉田磷肥用量試驗，結果表明施磷量為75 kg/hm2 時磷盈余達到平衡，年均磷盈余為0.37 kg/hm2。

在本研究中，土壤每累積100 kg/hm2 磷素，有效磷含量提高1.93 mg/kg，而曹寧等[8]在新疆灰漠土上的研究結果類似，其提高幅度為1.44 mg/kg；張麗等[24]在黑土中的研究結果高于本研究，其提升幅度為5.28 mg/kg。而徐孟澤等[11]在河北的研究結果表明，當施磷量低于218.81 kg/hm2 時，土壤磷素累積每增加100 kg/hm2 導致的有效磷含量增加值僅為0.48 mg/kg，施磷量超過218.81 kg/hm2 時，增加值顯著提高到3.37 mg/kg。土壤有效磷對磷盈余的響應受環境、作物系統和土壤理化性質的影響[25]。

作物產量基本隨施肥量的增加呈現先增加后減少的趨勢。本研究中棉花產量隨著磷肥用量的增加而增加，在磷肥用量超過150 kg/hm2 時產量保持穩定。過量施用磷肥會造成土壤中鋅以及其他元素的相對缺乏[26]，導致土壤鹽漬化[27?28]以及作物根系活力下降[29]，影響作物對水分和養分的吸收，進而影響作物的生長和產量。利用施肥量與產量擬合方程計算得到的棉花穩產施磷量為124 kg/hm2。作物生長對磷肥的反應“遲鈍”，因此施用磷肥時，其效果可能不如施用氮肥那樣迅速顯現。張鳳華等[30]在河北通過5 年田間肥料定位試驗結果表明，磷肥用量過高時，容易造成作物對磷的奢侈吸收，導致“二次型”函數擬合的磷肥?產量效應曲線曲率變化很小，函數的二次項系數變大，通過此函數計算出的最高產量施磷量和經濟合理施磷量偏高。李文西等[31]在江蘇進行的磷肥用量試驗結果表明，線性加平臺模型在擬合施磷量和水稻產量時優于其他模型，因為它同時考慮了線性響應和平穩響應兩個階段，當磷投入量達到某一閾值后，產量的增加會趨于平穩，即使繼續增加磷投入也不會顯著提高產量。

3.3 棉田土壤有效磷農學閾值

當土壤中的有效磷含量達到某一臨界值后，作物吸收磷素的能力受到限制，使作物產量不再隨磷肥的持續施入而增加，這個臨界值稱為有效磷農學閾值[32?33]。將產量和有效磷數據進行線性—平臺模型擬合獲得棉田土壤有效磷農學閾值為19.23 mg/kg，該指標可以作為棉田土壤有效磷培育的目標。連續5 年施磷肥試驗中，只有P300 處理的有效磷含量在第1 年就達到了農學閾值，P150 處理的有效磷含量在第3 年達到農學閾值，考慮到通過施肥使土壤有效磷快速達到農學閾值，建議前期可以施入高量磷肥，后期土壤有效磷含量達到農學閾值時，可以通過養分恒量監控[ 3 4 ]的方法降低施磷量至100～124kg/hm2。因此，為了更好地理解和管理土壤磷肥力，需要綜合考慮這些因素，并采取相應的措施來優化磷肥的施用和管理。

4 結論

灰漠土棉田土壤累積磷素量與有效磷、水溶性磷含量以及棉花產量呈線性加平臺關系，土壤有效磷的農學閾值為19.23 mg/kg，棉花穩產施肥量為124 kg/hm2。土壤磷積累量每增加100 kg/hm2，土壤Olsen-P 和水溶性磷含量分別增加1.93 和0.76 mg/kg，施肥提升土壤磷有效性的作用顯著，且不易產生磷的淋溶損失?；夷撩尢锿寥烙行Я椎陀谵r學閾值的棉田，在前3～5 年推薦施肥量為150～300 kg/hm2，可促進土壤有效磷快速達到農學閾值，滿足棉花高產高效對磷素養分的需求；當土壤有效磷超過農學閾值后，建議施磷量為100～124 kg/hm2，不僅可以減少棉田土壤磷素盈余，而且可以大幅度降低肥料成本，促進新疆棉花生產綠色高質量發展。

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