李 飛，李彩紅，趙瑞元，梅正鼎，郭莉莉，劉冰蕾，何叔軍，張志剛

(湖南省棉花科學(xué)研究所，湖南常德 415101)

0 引 言

【研究意義】施肥是保障作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的重要措施，合理施肥直接影響作物的長(zhǎng)勢(shì)、產(chǎn)量及品質(zhì)[1～3]。近年來，由于過度追求產(chǎn)量，致使化學(xué)肥料過量施用，造成肥料利用率低下和化肥資源的浪費(fèi)[4～8]?；蔬^量施用的主要原因是對(duì)不同區(qū)域不同作物種植體系肥料損失規(guī)律和高效利用機(jī)理缺乏深入的認(rèn)識(shí)，并且缺乏土壤養(yǎng)分豐缺評(píng)價(jià)指標(biāo)及推薦施肥標(biāo)準(zhǔn)。制定基于土壤養(yǎng)分豐缺評(píng)價(jià)指標(biāo)的推薦施肥標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展肥料有機(jī)替代，加強(qiáng)技術(shù)集成創(chuàng)新與應(yīng)用是湖南省實(shí)現(xiàn)化肥減施增效的關(guān)鍵。【前人研究進(jìn)展】目前山東省的冬小麥、川中丘陵地區(qū)的水稻及福建省晚稻等均建立了測(cè)土配方施肥技術(shù)指標(biāo)[9～13]，達(dá)到提高肥料利用率和減少用量，提高作物產(chǎn)量，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，節(jié)省勞力，節(jié)支增收的效果。【本研究切入點(diǎn)】棉花生產(chǎn)中，棉農(nóng)僅注重氮肥的施用，造成棉花產(chǎn)量下降，肥料資源浪費(fèi)[2,4]。而測(cè)土配方施肥指標(biāo)體系的構(gòu)建，能夠指導(dǎo)精確施肥，增產(chǎn)增效?！緮M解決的關(guān)鍵問題】2016～2017年，在湖南省主產(chǎn)棉區(qū)11個(gè)縣(區(qū))連續(xù)開展2年“3414”田間試驗(yàn)。以試驗(yàn)點(diǎn)土壤肥力為依據(jù)，通過田間試驗(yàn)，獲得最佳肥料施用量和最佳養(yǎng)分配比，為湖南省棉花科學(xué)施肥技術(shù)研究提供依據(jù)，為長(zhǎng)江流域其他地區(qū)的油后直播棉花高效施肥技術(shù)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)棉花品種均為中早熟常規(guī)品種，種植方式為油后直播。供試肥料為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P20 12%)、氯化鉀(K2O 60%)。

采用回歸最優(yōu)、設(shè)計(jì)處理少的“3414”方案設(shè)計(jì)[14，15]：氮、磷、鉀3個(gè)因素、4個(gè)水平、14個(gè)處理。14個(gè)處理分別為：(1)N0P0K0；(2)N0P2K2；(3)N1P2K2；(4)N2P0K2；(5)N2P1K2；(6)N2P2K2；(7)N2P3K2；(8)N2P2K0；(9)N2P2K1；(10) N2P2K3； (11) N3P2K2； (12) N1P1K2；(13)N1P2K1；(14)N2P1K1。

各處理中N、P、K的下角標(biāo)0，1，2，3分別表示4個(gè)施肥水平，即0水平，不施肥；1水平(施肥不足)=2水平×0．5；2水平，當(dāng)?shù)赝扑]施肥量的近似值；3水平(施肥過量)=2水平×1．5。各試點(diǎn)棉花“3414”試驗(yàn)連續(xù)2年2水平氮、磷、鉀肥用量。小區(qū)面積30.4 m2，小區(qū)周圍設(shè)2.5 m保護(hù)行。表1

表1 湖南省各縣(區(qū))棉花“3414”完全實(shí)施試驗(yàn)棉花品種與2水平施肥量Table 1 Cotton varieties and fertilizer rates of the second level on the“3414” field experiments in Hunan

1.2 方 法

匯總湖南主產(chǎn)棉區(qū)(常德、益陽(yáng)、岳陽(yáng)、衡陽(yáng))2016和2017年共17組棉花“3414”田間試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算氮磷鉀缺素區(qū)地力相對(duì)產(chǎn)量：缺氮區(qū)相對(duì)產(chǎn)量= N0P2K2/N2P2K2×100%，缺磷區(qū)相對(duì)產(chǎn)量=N2P0K2/N2P2K2×100%，缺鉀區(qū)相對(duì)產(chǎn)量=N2P2K0/N2P2K2×100%。

根據(jù)用缺素區(qū)相對(duì)產(chǎn)量與土壤有效養(yǎng)分的函數(shù)關(guān)系，依照農(nóng)業(yè)部《測(cè)土配方施肥技術(shù)規(guī)范》確定的級(jí)差，將土壤有效養(yǎng)分劃分極低、低、較低、中、較高、高6個(gè)等級(jí)，即缺素區(qū)相對(duì)產(chǎn)量低于50%土壤養(yǎng)分的土壤養(yǎng)分測(cè)定值為極低， 50%～60%為低，60%～70%為較低，70%～80%的為中，80%～90%為較高，90%以上的為高。

1.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)2年所有“3414”試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)定棉花產(chǎn)量為因變量，肥料用量為自變量，應(yīng)用DPS(14.50版本)軟件進(jìn)行三元二次肥料效應(yīng)模型擬合，計(jì)算最佳效益模式下每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)氮、磷、鉀肥的施用量。通過17個(gè)“3414”試驗(yàn)區(qū)各點(diǎn)速效養(yǎng)分(N、P、K)含量與分別對(duì)應(yīng)的棉花最佳施肥量(N、P2O5和K2O)做散點(diǎn)圖，擬合成方程，根據(jù)方程計(jì)算土壤速效養(yǎng)分各分級(jí)的最佳推薦施肥量。

N、P、K肥以N、P2O5和K2O計(jì)，2016～2017年肥料價(jià)格和籽棉價(jià)格以湖南市場(chǎng)價(jià)格均值計(jì)算。所有方程的擬合、最佳施肥量的計(jì)算以及圖表制作均采用Excel 2003和DPS(14.50版本)分析軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同試驗(yàn)點(diǎn)肥力

研究表明，不同試點(diǎn)之間土壤肥力差異比較明顯。各地土壤肥力為pH 5.0～8.2，平均6.8；有機(jī)質(zhì)含量9.9～32.7 g/kg，平均21.8 g/kg；堿解氮84.0～285.0 mg/kg，平均146.0 mg/kg；有效磷14.3～50.7 mg/kg，平均26.1 mg/kg；速效鉀68.0～264.3 mg/kg，平均167.6 mg/kg。表2

表2 不同試驗(yàn)點(diǎn)肥力Table 2 The soil fertility conditions of different sites

2.2 施用氮、磷、鉀肥對(duì)棉花產(chǎn)量的影響

研究表明，不同的缺素處理，子棉產(chǎn)量不同，其中各處理下，2017年度的子棉產(chǎn)量高于2016年。兩年的棉花產(chǎn)量表現(xiàn)為：空白對(duì)照(N0P0K0)<缺氮(N0P2K2)<缺鉀(N2P2K0)<缺磷(N2P0K2)<最佳產(chǎn)量區(qū)(N2P2K2)，湖南棉田普遍缺氮嚴(yán)重，鉀和磷相對(duì)豐富，湖南棉花生產(chǎn)應(yīng)重視合理施用氮肥，酌情施用鉀肥和磷肥。表3

表3 施用氮、磷、鉀肥對(duì)棉花產(chǎn)量Table 3 Effects of applying nitrogen，phosphorus and potassium fertilizers on yield of cotton (kg/hm2)

2.3 土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)

2.3.1 土壤堿解氮分級(jí)指標(biāo)

研究表明，根據(jù)棉花試驗(yàn)缺氮處理的相對(duì)產(chǎn)量與土壤堿解氮含量作散點(diǎn)圖并求得對(duì)數(shù)函數(shù)方程。17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)2年土壤堿解氮含量與缺氮處理棉花相對(duì)產(chǎn)量建立的模型關(guān)系式為y=14.723Ln(x) + 0.797 2，相關(guān)系數(shù)為0.783 2(r0.01=0.661﹡﹡，n=17)。缺氮處理相對(duì)產(chǎn)量為58.2～85.6，平均為73.4。圖1

圖1 棉花相對(duì)產(chǎn)量與土壤堿解氮含量的關(guān)系(n=17)Fig.1 The relationship between cotton relative yield and soil available nitrogen content

研究表明，相對(duì)產(chǎn)量50、60、70、80和90對(duì)應(yīng)的土壤堿解氮含量分別為28.3、55.8、110.0、216.9和427.8 mg/kg，即為土壤堿解氮分級(jí)指標(biāo)值。為便于生產(chǎn)操作，將土壤堿解氮指標(biāo)值進(jìn)一步簡(jiǎn)化，土壤堿解氮分級(jí)指標(biāo)值分別為30、55、110、220、430 mg/kg。表4

表4 土壤堿解氮分級(jí)指標(biāo)Table 4 The classification indexes of soil available nitrogen content

2.3.2 土壤有效磷分級(jí)指標(biāo)

研究表明，根據(jù)棉花試驗(yàn)缺磷處理的相對(duì)產(chǎn)量與土壤有效含量作散點(diǎn)圖并求得對(duì)數(shù)函數(shù)方程。17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)2年土壤有效磷含量與缺磷處理棉花相對(duì)產(chǎn)量建立的模型關(guān)系式為y= 11.951Ln(x) + 44.797，相關(guān)系數(shù)為0.777 0(r0.01=0.661，n=17)，相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。缺磷處理相對(duì)產(chǎn)量為72.7～92.2，平均為83.0%。圖2

圖2 棉花相對(duì)產(chǎn)量與土壤有效磷含量的關(guān)系(n=17)Fig.2 The relationship between cotton relative yield and soil available phosphorus content

研究表明，相對(duì)產(chǎn)量50%、60%、70%、80%和90%對(duì)應(yīng)的土壤有效磷含量分別為1.5、3.6、8.2、19.0和43.9 mg/kg，即為土壤有效磷分級(jí)指標(biāo)值。土壤堿解氮分級(jí)指標(biāo)值分別為2.0、4.0、8.0、19.0、43.0 mg/kg。表5

表5 土壤有效磷分級(jí)指標(biāo)Table 5 The classification indexes of soil available phosphorus content

2.3.3 土壤速效鉀分級(jí)指標(biāo)

研究表明，12個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)2年土壤速效鉀含量與缺鉀處理棉花相對(duì)產(chǎn)量建立的模型關(guān)系式為y= 15.811Ln(x) + 0.191 1，相關(guān)系數(shù)為0.842 0(r0.01=0.661，n=17)，相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。圖3

圖3 棉花相對(duì)產(chǎn)量與土壤速效鉀含量關(guān)系(n=17)Fig.3 The relationship between cotton relative yield and soil available potassium content

研究表明，相對(duì)產(chǎn)量50%、60%、70%、80%和90%對(duì)應(yīng)的土壤速效鉀含量分別為23.3、43.9、82.7、155.7和293.0 mg/kg，即為土壤有效磷分級(jí)指標(biāo)值。土壤堿解氮分級(jí)指標(biāo)值分別為25、45、80、155、290 mg/kg。表6

表6 土壤速效鉀分級(jí)指標(biāo)Table 6 The classification indexes of soil available potassium content

2.4 氮肥、磷肥和鉀肥的推薦施肥量

用DPS(14.50版本)軟件對(duì)試驗(yàn)區(qū)2年17組“3414”試驗(yàn)進(jìn)行三元二次回歸方程擬合。從方程的P值來看，12組三元方程均達(dá)顯著水平(P<0.05)，且擬合度均在80%以上，其中6組三元方程均達(dá)極顯著水平(P<0.01)，擬合度均在90%以上。

通過三元二次方程可以計(jì)算出各試點(diǎn)產(chǎn)量最高和效益最佳模式下的氮、磷、鉀的最佳配比，考慮到棉田的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，研究設(shè)定效益最佳施肥量為推薦施肥量。17組“3414”試驗(yàn)在效益最佳模式下的氮、磷、鉀的最佳配比相差較大，這主要是因?yàn)椴煌囼?yàn)區(qū)的土壤肥力情況、產(chǎn)量情況和氣候等均有所不同。

試驗(yàn)中所用推薦施肥量均為效益最佳模式下最佳施用量，整體上較產(chǎn)量最佳模式下最佳施用量偏低；結(jié)合近幾年的土壤檢測(cè)結(jié)果，土壤中的堿解氮、有效磷、速效鉀均未低于極低的等級(jí)，極低等級(jí)的土壤施肥量不作推薦，以極低等級(jí)土壤的臨界施肥量為低級(jí)土壤的推薦施肥量上限。表7

表7 氮、磷、鉀肥3因子互作產(chǎn)量效應(yīng)模型及最佳施肥量Table 7 The model of cotton yield of Three factor(Nitrogen, phosphorus and potassium)interactions and The best fertilizer rate

2.4.1 氮肥推薦施肥量指標(biāo)

參考Fageria等方法[16]，利用2年17個(gè)“3414”試驗(yàn)區(qū)各點(diǎn)堿解氮含量與對(duì)應(yīng)的棉花最佳施氮量做散點(diǎn)圖，擬合方程為y= -76.279Ln(x) + 607.93，(y表示最佳施肥量，x為對(duì)應(yīng)的堿解氮含量)，其相關(guān)系數(shù)為0.628 6(r0.05=0.532，n=17)，相關(guān)性達(dá)到顯著水平。圖4

圖4 土壤堿解氮含量與最佳施肥量關(guān)系Fig.4 The relationship between soil available nitrogen content and the best fertilizer rate

研究表明，土壤堿解氮含量為30、55、110、220、430 mg/kg時(shí)推薦施氮量分別為348.5、295.6、249.4、196.5、145.4 kg/hm2。將推薦施氮量調(diào)整為350、300、250、200、145 kg/hm2，確定不同堿解氮分級(jí)指標(biāo)范圍內(nèi)氮肥施用量。表8

表8 土壤堿解氮分級(jí)與推薦施肥量Table 8 the classification indexes of available nitrogen content and the fertilizer recommendation rates

2.4.2 磷肥推薦施肥量指標(biāo)

研究表明，利用12個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)2年17個(gè)“3414”試驗(yàn)區(qū)各點(diǎn)有效磷含量與對(duì)應(yīng)的棉花最佳施磷量做散點(diǎn)圖，擬合方程為y= 14.723Ln(x) + 0.797 2，其相關(guān)系數(shù)為0.675 0(r0.01=0.661，n=17)，相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。圖5

研究表明，土壤有效磷含量為2、4、8、19、43 mg/kg時(shí)推薦施磷量分別為141.5、120.3、99.0、72.5、47.4 kg/hm2。為生產(chǎn)操作方便，將推薦施磷量調(diào)整為140、120、100、70、50 kg/hm2，，確定不同有效磷分級(jí)指標(biāo)范圍內(nèi)磷肥施用量。表9

表9 土壤有效磷分級(jí)與推薦施磷量Table 9 The classification indexes of available phosphorus content and the fertilizer recommendation rates

2.4.3 鉀肥推薦施肥量指標(biāo)

研究表明，利用12個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)2年17個(gè)“3414”試驗(yàn)區(qū)各點(diǎn)速效含量與對(duì)應(yīng)的棉花最佳施鉀量做散點(diǎn)圖，擬合方程為y= -79.233Ln(x) + 573.26，其相關(guān)系數(shù)為0.667 1(r0.01=0.661，n=17)，相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。圖6

圖6 土壤速效鉀含量與最佳施肥量關(guān)系Fig.6 The relationship between soil available potassium content and the best fertilizer rate

研究表明，土壤速效鉀含量為25、45、80、155、290 mg/kg時(shí)推薦施肥量分別為318.2、271.6、226.1、173.7、124.0 kg/hm2。將推薦施肥量調(diào)整為320、270、225、175、125 kg/hm2，確定不同速效鉀分級(jí)指標(biāo)范圍內(nèi)鉀肥施用量。表10

表10 土壤有效磷分級(jí)與推薦施肥量Table 10 The classification indexes of available potassium content and the fertilizer recommendation rates

3 討 論

關(guān)于棉花的測(cè)土配方施肥指標(biāo)體系，目前國(guó)內(nèi)構(gòu)建的并不多，僅新疆巴州構(gòu)建了棉花測(cè)土配方施肥模型和土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)和推薦施肥體系[17]。研究在湖南省內(nèi)乃至長(zhǎng)江流域棉區(qū)尚屬首次，既填補(bǔ)油后直播棉花測(cè)土配方施肥方面的空白，又符合當(dāng)前作物化肥減施的要求，對(duì)于生產(chǎn)指導(dǎo)意義重大。研究建立的湖南省主產(chǎn)棉區(qū)油后直播棉花土壤速效氮、磷和鉀養(yǎng)分豐缺指標(biāo)，以及不同指標(biāo)下的推薦施肥量標(biāo)準(zhǔn)，能夠更好地指導(dǎo)棉民實(shí)現(xiàn)精確施肥，增產(chǎn)增效。

研究采用了土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法來構(gòu)建測(cè)土配方施肥指標(biāo)體系，應(yīng)用土壤速效養(yǎng)分測(cè)試值與棉花需肥量之間的相關(guān)性，對(duì)不同主產(chǎn)棉區(qū)不同地里進(jìn)行田間試驗(yàn)，將土壤速效測(cè)試值按一定的級(jí)差進(jìn)行分級(jí)，形成棉花土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)及對(duì)應(yīng)的推薦施肥表。只要取得土壤速效養(yǎng)分測(cè)定值就可以對(duì)照推薦施肥表按級(jí)確定肥料用量。國(guó)內(nèi)外測(cè)土配方施肥實(shí)踐表明，土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法有一整套土壤化學(xué)原理和嚴(yán)密的統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，在嚴(yán)格遵循的前提下，其推薦施肥量與生產(chǎn)實(shí)際相符合[18]。

目標(biāo)產(chǎn)量是決定肥料需要量的依據(jù)，是實(shí)現(xiàn)棉花高效施肥的前提和基礎(chǔ)。關(guān)于目標(biāo)產(chǎn)量的確定，國(guó)內(nèi)外均進(jìn)行了大量的研究[19～21]，方法較多，研究采用了肥料效應(yīng)函數(shù)求算法，即利用各試驗(yàn)區(qū)建立的肥料效應(yīng)函數(shù)，求出最高產(chǎn)量與效益最佳產(chǎn)量，考慮到化肥減施增效與耕地的可持續(xù)發(fā)展，研究以效益最佳產(chǎn)量為目標(biāo)產(chǎn)量，研究的目標(biāo)產(chǎn)量為3 750 kg/hm2。

研究中相對(duì)產(chǎn)量隨土壤養(yǎng)分含量的增加均呈上升趨勢(shì)，推薦施肥量與試驗(yàn)地基礎(chǔ)土壤氮、磷、鉀含量也均表現(xiàn)為較好的負(fù)相關(guān)，這與其他作物試驗(yàn)結(jié)果的表現(xiàn)趨勢(shì)是一致的[12]，這表明研究構(gòu)建的棉花土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)和推薦施肥體系具備一定的生產(chǎn)指導(dǎo)作用，同時(shí)其施肥指標(biāo)體系的構(gòu)建與結(jié)果的應(yīng)用也需要通過更多的實(shí)踐來進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。

4 結(jié) 論

以籽棉3 750 kg/hm2為目標(biāo)產(chǎn)量，將土壤養(yǎng)分含量水平按相對(duì)產(chǎn)量劃分為“高”、“較高”、“中”、“較低”、“低”和“極低”6個(gè)等級(jí)，建立了湖南省主產(chǎn)棉花油后直播棉花土壤速效氮磷鉀豐缺指標(biāo)。當(dāng)堿解氮<30 mg/kg、有效磷<2 mg/kg、速效鉀<25 mg/kg，土壤有效養(yǎng)分含量為“極低”；堿解氮30～55 mg/kg、有效磷2～4 mg/kg、速效鉀25～45 mg/kg，土壤有效養(yǎng)分含量為“低”；堿解氮55～110 mg/kg、有效磷4～8 mg/kg、速效鉀45～80 mg/kg，土壤有效養(yǎng)分含量為“較低”；堿解氮110～220 mg/kg、有效磷8～19 mg/kg、速效鉀80～155 mg/kg，土壤有效養(yǎng)分含量為“中”；堿解氮220～430 mg/kg、有效磷19～43 mg/kg、速效鉀155～290 mg/kg，土壤有效養(yǎng)分含量為“較高”；堿解氮>430 mg/kg、有效磷>43 mg/kg、速效鉀>290 mg/kg，土壤有效養(yǎng)分含量為“高”。

根據(jù)不同等級(jí)，氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)推薦施肥量分別為：“高”，氮0～145 kg/hm2、磷0～50 kg/hm2、鉀0～125 kg/hm2；“較高”，氮145～200 kg/hm2、磷50～70 kg/hm2、鉀125～175 kg/hm2；“中”：氮200～250 kg/hm2、磷70～100 kg/hm2、鉀175～225 kg/hm2；“較低”：氮250～300 kg/hm2、磷100～120 kg/hm2、225～270 kg/hm2；“低”：氮300～350 kg/hm2、磷120～140 kg/hm2、鉀270～320 kg/hm2。