顧惠敏，陳波浪，王慶惠

（1.新疆農業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院，農業(yè)農村部環(huán)境重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農業(yè)科學院農業(yè)機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091）

磷是植物生長發(fā)育必需的大量營養(yǎng)元素之一，它以多種方式參與植物體內各種生物化學過程，對于促進植物的生長發(fā)育和新陳代謝起著非常重要的作用［1］，土壤磷素有效性是作物產量和磷肥利用率提高的重要保證［2-3］。土壤磷素有效性受作物種類［4-6］、磷肥種類和用量［7-8］、土壤性質［9-10］以及作物生長特性等因素制約［11-13］。其中磷肥用量和土壤性質更具直接性。長期定位試驗顯示，與不施肥相比，施磷可顯著增加黑土速效磷含量，其增幅達6～15倍［14］。土壤速效磷含量隨施磷量增加呈遞增趨勢，張立花等［15］研究發(fā)現(xiàn)，在玉米播種61 d后，施磷（P2O5）量達到50～1 000 kg/hm2時根際土壤速效磷含量與不施肥處理相比提高0.78～15.92倍。研究表明，不同輪作條件及生育期中，P2O5施入量在75～300 kg/hm2時，土壤速效磷平均含量較不施肥處理高出11.8%～52.1%［16-17］，但過量施磷增加了土壤磷素淋失風險，加重了水體富營養(yǎng)化過程。顏曉［18］提出，施磷量為30 kg/hm2時土壤有效磷長期穩(wěn)定在（10.1±2.0）mg/kg，當施磷量達到60和90 kg/hm2時土壤有效磷含量分別達到26.9和33.2 mg/kg，均高于臨界值濃度，增施磷肥增加了稻田磷素淋溶及徑流風險。趙亞杰等［19］研究發(fā)現(xiàn)，速效磷含量隨著土壤養(yǎng)分含量的升高顯著增加，與低肥力土壤相比，中、高肥力土壤速效磷含量分別提高了12.2%和37.7%，但隨速效磷含量增加和淋溶時間增長，土壤磷素累積存在淋失進入地下水體的風險。增施磷肥還能促進作物磷素吸收和提高產量，但過量施磷其增效下降。

前人［20-21］研究表明，在75～150 kg/hm2的施磷范圍內甘薯塊根吸磷量明顯高于對照，且甘薯塊根的磷累積吸收量在栽后90 d達最高值，當磷肥用量超過一定量時，后期（＞120 d）甘薯塊根的磷累積吸收量反而降低。此外，不同栽培方式及一定施磷量均能提高作物產量，但施磷肥過量時產量則出現(xiàn)下降［22-23］。

除磷肥用量對土壤磷生物有效性產生影響外，土壤質地是反映土壤潛在生產力的重要指標，與土壤的保水保肥能力密切相關，同時也對土壤磷素有效性產生重要的影響。不同質地土壤速效磷對施肥管理的響應存在差異，粘土土壤質地粘重，具有較強的保肥能力，且磷素養(yǎng)分釋放慢，壤土速效磷等養(yǎng)分含量介于沙土和粘土之間［9］。土壤中隨粘粒含量增加，全磷含量顯著增加［24］。此外，磷肥對土壤水分效應的影響在壤土和砂土中有明顯差異，且壤土中磷素供應等肥料效應中基礎產量的差異遠大于砂土［25］。研究表明，棉花不同生育期時，砂壤質棉田的需磷量與壤質棉田具有差異性［26］。砂土肥力瘠薄，供磷能力弱且磷素缺乏，砂質土壤中磷主要以可提取態(tài)形式存在，有較高的釋放潛力［4，27］。此外，磷素活度指標可綜合反映砂土的供磷能力，而砂質土磷的活度在0.64～1.39之間，砂質粘土對土壤剖面磷素分布的影響較小，而砂質壤土則可能增加磷素的流失［28-29］。

王廣東等［30］提出，在同一施肥管理條件下，與輕壤土相比，中壤土的有效磷高出26.3%，而重壤土有效磷降低了7.9%。溫林欽等［31］研究發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)60 d后，施磷量達到800和1 600 kg/hm2時輕質粘土中的有效磷含量下降幅度較小，但砂質粘土分別下降了42%和41%，砂質粘土固磷能力高于輕質壤土，能夠為作物后期生長提供更長效的養(yǎng)分需求。另外，不同質地土壤的磷素淋失風險指標存在差異，曹雪艷等［32］研究發(fā)現(xiàn)，土壤磷素淋失臨界值從高到低為壤質粘土＞砂質粘土＞粉砂質壤土＞粘壤土，在不同土壤質地下，砂質土較壤質粘土的磷素養(yǎng)分流失風險增加；繼續(xù)施用磷肥會導致大量磷素以不同程度累積在不同質地土壤中，隨之土壤固磷能力減弱，從而增加了土壤磷素向水體遷移的風險。再者，作物磷吸收和產量水平在不同質地上也存在顯著差異，研究發(fā)現(xiàn)，不同質地土壤中的苜蓿和烤煙磷含量大小為粉砂性壤土＞壤性粘土、砂質壤土＞粘土、壤土，且在烤煙中，煙株對磷素吸收積累量分別占總量的100%、83.2%和79.2%［33-34］。砂質粘壤土、砂質壤土和壤土上的作物產量均比砂土高6.04%～29.77%［35-36］。

棉花是新疆的重要經濟作物，種植面積達170萬hm2，分布在新疆不同土壤類型上。不同土壤類型（主要是不同質地類型土壤）的棉田土壤磷素有效性如何？不同質地棉田土壤如何響應不同供磷水平以及棉花磷素吸收和磷肥利用效率是否存在土壤質地差異？有關這方面的研究至今仍少見報道。因此，本文以新疆重要的經濟作物棉花為研究對象，開展供磷水平和不同質地的雙因素試驗，旨在探究不同質地棉田土壤的磷素有效性和磷肥利用率對不同供磷水平的響應差異，為干旱區(qū)棉花磷肥合理運籌提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

在新疆北部呼圖壁和五家渠選取土壤類型為灰漠土的粘土、壤土和砂土棉田土壤為供試土壤，于2015年在新疆農業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院網室進行盆栽試驗。3種質地土壤的基本理化性質如表1所示。

表1 供試土壤的基本理化性狀

供試棉花品種為新陸中21，試驗各設置5個不同磷（P2O5）水平，分別為0 kg/hm2（P0）、150 kg/hm2（當?shù)孛尢锿扑]施肥量，P150）、300 kg/hm2（當?shù)孛揶r習慣性施肥量，P300）、600 kg/hm2（大量施肥，P600）和1 200 kg/hm2（超大量施肥）。試驗選用規(guī)格為32 cm×43 cm的方形盆缽，每盆裝入3種不同質地土壤樣品（干土）4 kg。同時配施氮肥和鉀肥，其中氮肥選用尿素（N 46%），每盆用量按600 kg/hm2施入；鉀肥選用硫酸鉀（K2O 50%），每盆用量按120 kg/hm2。磷肥和鉀肥一次性施入，氮肥分兩次施入（基施40%，追施60%）。每個處理18次重復，共270盆，每盆種植棉花兩株。在棉花苗期（出苗后40 d）和蕾期（出苗后60 d）采集土壤樣品進行土壤有效磷和全磷的測定，在蕾期進行植物樣的采集。

1.2 土壤及植株樣品分析

將各時期采集的土壤樣品晾開風干，剔除植物根系后過篩備用。土壤有效磷用0.5 mol/L NaHCO3提取，鉬銻抗比色法測定；土壤全磷用HClO4-H2SO4消化，鉬銻抗比色法測定。將采集的植株樣品用清水洗凈，放在烘箱中105℃殺青30 min，然后在70℃下烘48 h（至恒重），稱重并計算各處理干物質量。之后對棉花植株樣品按根、莖、葉、蕾進行養(yǎng)分含量的測定。植株樣品用H2SO4-H2O2消煮，全磷用釩鉬黃比色法。

1.3 相關指標計算如下［13-17］

磷素活化系數(shù)=土壤有效磷含量×100/土壤的全磷含量/1 000

磷素干物質生產效率（%）=整株干物質重/整株磷素累積

磷肥表觀利用率（%）=（施磷處理的植株吸磷量-對照處理植株吸磷量）/P2O5施用量×100

磷素生理利用率（kg/kg）=植株總干物質累積量/總吸磷量

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2016軟件對試驗數(shù)據(jù)進行初步處理后，用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行單變量和多變量統(tǒng)計分析，用LSD 法進行差異顯著性分析（P=0.05）。

2 結果與分析

2.1 施磷對不同質地棉田土壤有效磷含量的影響

圖1可知，苗期棉田土壤有效磷含量在土壤質地和施磷水平下均存在極顯著（P＜0.01）差異，3種質地棉田土壤有效磷含量均隨施磷量的增加而增加，粘土、壤土、砂土在P1200處理下，與對照相比分別增加了80.94%、85.78%、94.41%，不同質地棉田土壤有效磷含量基本表現(xiàn)為粘土＞壤土、砂土。蕾期棉田土壤有效磷含量在施磷水平下存在極顯著（P＜0.01）差異，3種質地棉田土壤有效磷與對照相比分別增加了76.82%、85.10%、94.20%，土壤有效磷含量變化趨勢及表現(xiàn)均與苗期一致。

圖1 不同質地棉田土壤的有效磷含量

2.2 施磷對不同質地棉田土壤全磷含量的影響

圖2顯示，苗期棉田土壤全磷含量在土壤質地、施磷水平下存在極顯著（P＜0.01）差異，粘土、壤土、砂土土壤全磷含量分別在P600、P1200、P600達 到 最 高 值， 分 別 為1.50、1.68、1.42 g/kg，不同質地之間表現(xiàn)為壤土＞粘土＞砂土。蕾期棉田土壤全磷含量在土壤質地和施磷水平下均存在極顯著（P＜0.01）差異。3種質地土壤全磷含量均在P1200處理達到最大值，較對照分別增加1.47、0.88、0.93 g/kg，整體表現(xiàn)為粘土＞砂土、壤土。

圖2 不同質地棉田的土壤全磷含量

2.3 施磷對不同質地棉田土壤磷素活化系數(shù)的影響

在表征土壤全磷與速效磷的變異狀況時，可用土壤磷素活化系數(shù)（簡稱PAC）來表示。由圖3可知，苗期棉田PAC在施磷水平下存在極顯著（P＜0.01）差異，粘土土壤中PAC隨著施磷量的增加而增加。壤土和砂土的PAC在P1200處理時達到最大值，整體表現(xiàn)為粘土＞砂土＞壤土。蕾期時棉田土壤PAC在施磷水平下存在極顯著（P＜0.01）差異，在粘土和砂土PAC呈持續(xù)遞增狀態(tài)，最大值與對照相比分別增加了34.22%、85.71%。壤土則出現(xiàn)先增后減的趨勢，兩次最高點分別是P150、P600處理，最高點與對照相比分別增加了48.60%、75.68%，整體表現(xiàn)為壤土＞砂土＞粘土。

圖3 不同質地棉田土壤磷素活化系數(shù)

2.4 施磷對不同質地棉田植株干物質積累量的影響

由表2可知，棉花葉和蕾干物質積累在土壤質地間有顯著（0.01＜P＜0.05）差異和極顯著（P＜0.01）差異，其他器官干物質積累無明顯差異；棉花各器官干物質積累在施磷水平間均存在極顯著（P＜0.01）差異；根、莖、蕾干物質積累在土壤質地與施磷水平的交互作用間存在極顯著（P＜0.01）差異，葉存在顯著（0.01＜P＜0.05）差異。粘土在P600處理與P0處理相比差異性最明顯，根、莖、葉、蕾分別增加了1.24、1.63、2.11、3.14 g/株；壤土在P300處理時，各器官的干物質積累量分別達到最高值，根、莖、葉、蕾分別增加1.15、2.38、1.65、2.00 g/株；砂土干物質積累量最優(yōu)處理與粘土相同，棉花各器官干物質積累量與P0相比分別增加了1.45、1.54、1.51、2.07 g/株。棉花整株干物質積累量在土壤質地間無明顯差異，在施磷水平和土壤質地與施磷水平交互作用間均存在極顯著差異（P＜0.01），且整體表現(xiàn)為粘土＞砂土＞壤土。

表2 棉花不同器官的干物質積累 （g/株）

2.5 施磷對不同質地棉田植株全磷含量的影響

由表3可知，根、莖、葉、蕾的全磷含量隨著施磷量的增加呈現(xiàn)正相關關系，根、莖、蕾在土壤質地間均存在極顯著（P＜0.01）差異；葉全磷含量無明顯差異；棉花各器官全磷含量在施磷水平間均存在極顯著（P＜0.01）差異；土壤質地與施磷水平的交互作用對根、莖、葉全磷含量的影響均在極顯著（P＜0.01）差異，蕾全磷含量在交互作用下則無顯著差異性。粘土在P600處理下與P0相比根、莖、葉、蕾全磷含量分別增加55.85%、66.09%、40.31%、28.61%；在壤土P300處理下各器官全磷含量與P0相比分別增加了62.09%、75.88%、44.70%、43.73%；砂土與粘土相似，均在P600處理下最優(yōu)，根、莖、葉、蕾全磷含量分別增加64.41%、47.09%、51.39%、49.84%。不同土壤質地對植物全磷含量的影響整體表現(xiàn)為壤土＞粘土＞砂土。

表3 棉花不同器官的全磷含量 （g/kg）

2.6 施磷對不同質地棉田植株磷積累量的影響

由表4可知，植物磷素積累量在不同器官、不同土質下均表現(xiàn)為先增再減的趨勢，根、莖、葉磷積累量在土壤質地間存在顯著（0.01＜P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）差異，蕾無明顯差異性；棉花各器官磷積累量在施磷水平下均存在極顯著（P＜0.01）差異。根、莖、葉、蕾在3種土壤質地下的最優(yōu)處理分別是P600、P300和P600。粘土最優(yōu)處理與P0處理相比根、莖、葉、蕾分別增加了7.49、5.94、4.54、11.81 mg/株；壤土在最優(yōu)處理時，根、莖、葉、蕾的磷積累量分別增加9.81、6.68、5.23、10.31 mg/株；棉花各器官磷積累量在砂土下最優(yōu)處理與粘土相同，分別增加了5.82、2.57、3.97、10.42 mg/株。棉花整株磷積累量在土壤質地、施磷水平和土壤質地與施磷水平交互作用間存在顯著（0.01＜P＜0.05）或極顯著差異（P＜0.01），且整體表現(xiàn)為粘土＞壤土＞砂土。

表4 棉花不同器官的磷積累量 （mg/株）

2.7 施磷對不同質地棉田磷肥表觀利用率及磷素生理利用率的影響

由表5可知，磷肥表觀利用率在施磷處理和土壤質地與施磷處理交互作用下存在極顯著（P＜0.01）差異，粘土、壤土和砂土的磷肥表觀利用率分別在P150、P300、P600處理下達到最大值，分別達到了16.84%、29.19%、10.68%，整體表現(xiàn)為壤土＞粘土＞砂土。棉花磷素生理利用效率能夠反映出棉花利用磷素營養(yǎng)產生干物質量的能力，磷素生理利用率在土壤質地、施磷水平和兩者交互作用間存在極顯著（P＜0.01）或顯著（0.01＜P＜0.05）差異，3種棉田土壤磷素生理利用率均有隨著施磷水平的增加而減小的趨勢，同一磷水平下不同土壤質地磷素生理利用率比較大致表現(xiàn)為砂土＞壤土＞粘土。

表5 磷肥表觀利用率和磷素生理利用率

3 討論

3.1 施磷對不同質地棉田土壤磷素狀況的影響

土壤磷素狀況可用土壤磷庫（全磷含量）和供磷能力（有效磷和磷活化系數(shù)）來表征，其優(yōu)勢受施肥水平、土壤性質和耕作制度等因素制約。研究［37］表明近30年來全國耕地隨施磷水平增加，土壤速效磷含量從7.2 mg/kg增加到24.7 mg/kg。田間試驗也驗證增施磷肥能顯著提高棉田速效磷的含量［38］。本試驗通過不同質地土壤及不同施磷量對棉花苗期、蕾期兩個生育期的土壤和植株養(yǎng)分變化進行相關研究。結果顯示，不施肥時，3種土壤質地的有效磷含量在苗期和蕾期均較低，但存在一定差異性，因為不同土壤質地對土壤磷素含量及移動影響不同［11］。土壤質地是土壤的一個重要物理性質，它的機械阻力、顆粒組成和孔隙度顯著調節(jié)土壤的肥力特征，影響離子（尤其是難移動的磷）在土壤中的擴散和有效性。本試驗中，施磷量為150 kg/hm2（當?shù)孛尢锿扑]施肥量）時，苗期和蕾期土壤有效磷在3種土壤質地上的含量表現(xiàn)為粘土＞砂土、壤土。當施磷量達到300 kg/hm2（當?shù)孛揶r習慣性施肥量）時，苗期土壤有效磷含量表現(xiàn)為粘土含量最高，壤土、砂土次之，蕾期則反之，這可能與不同生育時期棉花根際環(huán)境受溫度影響有關［39-40］。施磷量達到600 kg/hm2（大量施肥）時，兩個生育期中3種不同土壤質地有效磷含量變化與P150處理相同，當達到1 200 kg/hm2（超大量施肥）時，苗期有效磷在粘土質地下含量最高，蕾期時無明顯差異。不同時期的土壤有效磷含量隨施磷量增加而增加，但增長幅度呈下降趨勢，可能與土壤性質和磷易固定有關，這一趨勢與陳波浪等［41］在新疆南部和北部的田間試驗結果一致。不同時期土壤有效磷含量在土壤質地間各處理均表現(xiàn)出差異性，尤其施磷量大于600 kg/hm2時棉田土壤有效磷基本維持在30 mg/kg，說明磷肥施用隨時間的延長，磷的固定性增強，有效性下降，這與前人［41-42］的研究結果一致。施用磷肥后土壤全磷及磷素活化系數(shù)也發(fā)生著變化，連續(xù)大量施用磷肥，土壤全磷與原始土壤相比可增加53.92%～65.69%［14］。本試驗結果表明，P150處理下苗期、蕾期的土壤全磷在3種土壤質地上的含量均表現(xiàn)為粘土＞砂土＞壤土。在P300處理下，壤土全磷含量的增加在蕾期較為明顯，表明不同生育時期對土壤全磷含量影響不同，還可能與土壤生物活性和棉花磷素吸收有關，可以根據(jù)作物不同時期進行施肥處理。P600和P1200處理下苗期壤土全磷含量均達到最大值，蕾期則為粘土全磷含量達到最大值且高于苗期，說明過量施磷肥導致磷素在粘土中大量積累，也說明應結合土壤質地、磷肥特性適量施用磷肥。陳波浪等［43］也提出，施磷增加了土壤的速效磷和全磷含量以及土壤磷素活化系數(shù)。在本試驗中，3種不同質地棉田土壤PAC均隨施磷量增加而增加，其中PAC在兩個時期的施磷水平間的F值達到極顯著水平，這與前人［44-45］研究結果一致，苗期時P150處理下，壤土PAC增幅最大，磷肥施用量在P300、P600、P1200處理時砂土PAC增長幅度均是最大，蕾期時，除壤土在P600處理達到最大值外，粘土和砂土分別在P1200處理時達到最大值。說明在砂質土壤上大量施肥甚至過量施肥才能夠提高PAC，而粘土和壤土則隨著施磷量的增加有不同的增加，表明土壤磷素狀況顯著受施磷水平的影響，說明合理的磷肥施用是棉田土壤優(yōu)化磷素狀況的有效舉措。

3.2 施磷對不同質地棉田植株磷素吸收和磷肥利用率的影響

前人［15，46-47］在糧食作物和經濟作物上做了大量研究表明，施磷能促進作物生物量和磷素吸收積累，同時土壤質地能夠顯著影響作物的養(yǎng)分利用效率，對不同作物研究的結果顯示，砂壤土氮肥利用率顯著高于重壤土或壤土和粘土，且不同質地土壤上作物磷、鉀吸收積累和分配存在差異［48-50］。本試驗結果表明，棉花各器官生物量、磷含量、磷積累量以及整株生物量和磷積累量在施磷水平間均存在極顯著差異，說明增施磷肥顯著促進棉花生長和磷素吸收。P150處理下的棉花整株生物量表現(xiàn)為粘土＞砂土＞壤土，這可能與粘土保肥性與砂土疏松利于根系生長的特性有關。壤土的生物量在P300處理下達到最大值，粘土、砂土次之。P600處理下，粘土和砂土的生物量均高于壤土，說明大量施肥對于粘土和砂土的干物質積累有促進作用，但對壤土上生物量的積累影響相對較小。在P1200處理下，3種土質下棉花生物量呈現(xiàn)下降趨勢，說明對于不同土壤質地過量施肥均無法繼續(xù)提高棉花產量，合理施用磷肥才能提高作物磷肥利用率。棉花生物量在統(tǒng)一施肥量下大致表現(xiàn)為粘土＞砂土＞壤土，這一結果與前人［51］報道不一致，可能與作物、土壤類型和氣候有關，還有待進一步研究。植物全磷含量和磷積累量在不同磷肥施用量、不同土壤質地上呈現(xiàn)不同變化，P150處理下，棉花全磷和磷積累量均有增加，各器官的增加量具有波動性，可能與不同土質下不同器官磷素吸收特性有關。在P300處理時，不同器官的全磷含量和整株磷素積累量在壤土土質下增加最多，說明此處理下壤土土質對棉花各器官的磷素吸收起到促進作用。P600處理下，3種土質上的棉花各器官全磷含量均高于對照，磷素積累量在粘土和砂土土質下隨施肥量增加而增加。在P1200處理時3種土壤質地下的全磷含量和磷素積累量均隨著施肥量增加開始減小，說明過量施肥并不能繼續(xù)增加棉花磷素吸收積累。

在本試驗中，磷肥表觀利用率和磷素生理利用率在施磷水平間存在極顯著差異，在P150處理，磷肥表觀利用率在不同土質上表現(xiàn)為粘土＞壤土＞砂土，3種土質下的磷素生理利用率與對照相比均表現(xiàn)出下降趨勢。P300處理下壤土磷肥表觀利用率相較于對照顯著增加。到P600處理時，除壤土開始下降外，粘、砂土壤中則繼續(xù)增長，說明對于壤土土質，施用磷肥超過一定量無法繼續(xù)增加磷肥表觀利用率。3種土質下的磷素生理利用率與對照相比仍在下降，但下降速率卻有所緩和。對于3種土壤，施磷處理為P1200時，磷肥表觀利用率均呈現(xiàn)最小值，磷素生理利用率的趨勢與P600處理一致。對于3種土壤進行總體分析，粘土磷肥表觀利用率大致為隨施磷量增加呈下降趨勢，壤土和砂土分別在P300和P600處理最大，總體表現(xiàn)為過量施磷會降低磷肥利用率，在磷素生理利用效率上表現(xiàn)更為明顯，這與前人［52］在其他作物上的報道一致。在本試驗中，不同施磷處理下不同質地磷肥表觀利用率差異存在波動性，說明磷肥表觀利用率受施磷水平和土壤質地的雙重影響。

4 結論

適量增施磷肥能夠有效提高土壤磷素含量、磷素有效性，促進棉花生長及磷素吸收。不同質地土壤在不同施磷水平下對土壤及作物養(yǎng)分的吸收利用響應不同。在粘土土質下棉田施磷量應控制在約150 kg/hm2，壤土土質應控制在150～300 kg/hm2，砂土土質施磷量總體應控制在300～600 kg/hm2，雖然施肥量較大，但砂土具有保水保肥能力較差等特性，因此在砂質土壤中施肥時可以進行少量多次施肥，同時應注意及時補施。