張曼玉，李小偉，楊海昌*，張鳳華，楊 磊，馬文新，范吉虎

（1.石河子大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子832003；2.新疆慧爾農(nóng)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，新疆 昌吉831100）

0 引 言

【研究意義】化肥投入是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要條件之一。我國化肥用量大，據(jù)2015年FAO 數(shù)據(jù)顯示，我國化肥施用量約為美國3.3 倍，歐盟5.8 倍，并且每年的施肥量以2.8%的速率增長[1]，但化肥利用率僅為世界平均水平的55%?！笆奈濉逼陂g，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃減少農(nóng)作措施中化肥的不合理用量，保證化肥供給的及時(shí)性，將肥料利用率再提高3%[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國的氮肥當(dāng)季利用率為30%～35%，鉀肥利用率為35%～50%，磷肥利用率較低，僅為7.3%～30%[3-4]。磷肥利用率低不僅造成肥料浪費(fèi)，而且嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量。因此，提高磷肥利用率是改善土壤環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要一步[5]。

【研究進(jìn)展】磷肥利用率低主要是因?yàn)榱自谕寥乐幸苿?dòng)性差，容易和土壤中游離的鈣、鐵等離子結(jié)合，形為難溶解的化合物，從而降低了磷的有效性[6]。在傳統(tǒng)施肥方式中，經(jīng)常通過增加施肥量提高土壤有效磷，以滿足作物生長需求，但是增施磷肥也會使過量的磷殘留在土壤中，造成土壤磷的富集，破壞土壤磷素平衡[7-8]。褚貴新等[9]研究表明，1979―2012年新疆棉區(qū)磷肥的施用量年遞增率為7.7%，但是磷肥偏生產(chǎn)力降低到21.5 kg/kg，投入量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于作物的吸收量。因此，提高磷肥的有效性可避免磷的浪費(fèi)，增加棉花產(chǎn)量與品質(zhì)，棉花合理施用磷肥對新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

棉花在生育期內(nèi)需磷量整體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在花鈴期需磷量最大，占全生育期吸磷量的64.4%～67.1%[10]。【切入點(diǎn)】新疆位于干旱區(qū)，水資源缺乏，水肥一體化技術(shù)不僅可以高效節(jié)水，而且可以有效提高水肥之間的耦合，增大肥效。因此，水肥一體化技術(shù)作為一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)被大力推廣并應(yīng)用，新疆地區(qū)現(xiàn)有的施磷方式以施底肥與后期追肥相結(jié)合，底肥在播種前施入土壤，而追肥時(shí)期以水施磷，水肥互作效應(yīng)并未得到完全發(fā)揮，另外，棉花在現(xiàn)蕾之前對磷的需求較少，導(dǎo)致底肥施入的磷素不能立即被作物吸收利用，容易被土壤所固定，底肥中的磷素發(fā)揮水平較低[11]。

【擬解決的關(guān)鍵問題】因此，本研究針對新疆地區(qū)磷肥利用率低這一問題，通過調(diào)整磷肥施肥方式，分析磷肥不同施入方式對棉田土壤磷素狀況、土壤無機(jī)磷組分和作物產(chǎn)量的影響，為新疆地區(qū)棉花生產(chǎn)中磷肥的合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

于2019―2020年在新疆昌吉州農(nóng)業(yè)園區(qū)牛圈子湖丘內(nèi)進(jìn)行2 a 試驗(yàn)。供試試驗(yàn)田土壤質(zhì)地為輕壤土，土壤性質(zhì)為石灰性土壤，土壤基本理化性質(zhì)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of soil

供試農(nóng)田種植棉花，棉花品種為新陸早57 號，于2019年4月12日播種，2019年10月11日收獲，2020年4月15日播種，2020年10月20日收獲。種植模式為1 膜2 管6 行，采用66 cm+10 cm 寬窄行種植，種植密度為18 萬株/hm2。灌水方式為膜下滴灌，全生育期灌溉量為5 025 m3/hm2，在播種后灌出苗水后停止灌水，直至苗期開始灌溉，苗期至收獲期灌水周期均為7～10 d，滴頭的工作壓力為0.02～0.25 MPa，在工作壓力下流量是額定流量，一般為1.8～2.6 L。

試驗(yàn)小區(qū)及滴灌帶的布設(shè)如圖1 所示。采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，共12 個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為20.5 m2，試驗(yàn)共設(shè)置4 種不同處理為DF1：底肥全部基施（追肥以氨基酸水溶肥為主）；DF2：底肥全部基施（追肥以微生物復(fù)合肥為主）；NF1：底肥全部追施（追肥以氨基酸水溶肥為主）；NF2：底肥全部追施（追肥以微生物復(fù)合肥為主），本研究中底肥全部基施的施肥方式和底肥全部追肥的施肥方式互為對照，而不同追肥類型只是為了進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，因此不同的肥料種類之間不做比較。2019年和2020年各處理施肥量相同，均按照棉花所需養(yǎng)分進(jìn)行折算，所需N總量為467.0 kg/hm2；P2O5總量為177.8 kg/hm2；K2O總量為120.6 kg/hm2。試驗(yàn)中底肥均施過磷酸鈣，施用量為430.0 kg/hm2，追肥分別選用2 種不同的水溶性肥料為主（氨基酸水溶肥和微生物復(fù)合肥），其中，氨基酸水溶肥分別為慧聚能、慧聚豐、慧聚鉀，其中慧聚能為18%的氮、2%的鉀；慧聚豐為15%的氮、15%的磷、5%的鉀；慧聚鉀為8%的氮、30%的鉀；復(fù)合微生物肥料的配比為12%的氮、5%的磷、2%的鉀、10%的氨基酸、18%的有機(jī)質(zhì)，具體追肥量以及追肥時(shí)間見表2、表3，除表中之外，各處理還配施尿素、磷酸一銨和硫酸鉀，DF1處理尿素配施672.4 kg/hm2；NF1處理尿素配施589.3 kg/hm2，磷酸一銨配施318.5 kg/hm2；DF2處理尿素配施83.1 kg/hm2，硫酸鉀212.0 kg/hm2，磷酸一銨配施302.9 kg/hm2；NF2處理硫酸鉀配施212.0 kg/hm2，磷酸一銨配施621.5 kg/hm2。其他管理方式相同，并與大田保持一致。試驗(yàn)所需肥料均由新疆慧爾農(nóng)業(yè)集團(tuán)股份有限公司提供。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)及滴灌帶的布設(shè)Fig.1 Design drawing of test plot and drip irrigation belt

表2 棉花全生育期施肥時(shí)間及施肥量Table 2 Time and amount of fertilizer applied during the whole growth period of cotton

表3 棉花全生育期復(fù)合微生物肥料施肥時(shí)間及施肥量Table 3 Time and amount of application of compound microbial fertilizer during the whole growth period of cotton

1.2 樣品采集

分別在棉花蕾期、花鈴期、吐絮期和收獲期采集各處理土樣，采樣深度為0～20、20～40、40～60 cm，樣品采集采用“S”形五點(diǎn)取樣法，將每個(gè)小區(qū)的同一土層土壤樣品進(jìn)行充分混合，形成一個(gè)混合樣品，混合土樣采用“四分法”，保留1 kg。土壤樣品分別裝入自封袋，做好標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室。每個(gè)土壤樣品被分為2 部分，一部分保存于4 ℃的冰箱中用于微生物量磷的分析；另一部分放置陰涼干燥處自然風(fēng)干，分別過0.15 mm 篩和1 mm 篩，用于土壤有效磷和磷分級的測定。

在棉花收獲期對每個(gè)小區(qū)選取20 株棉花，記錄每株棉花成鈴數(shù)，計(jì)算平均結(jié)鈴數(shù)；采集成熟棉絮100 朵并烘干，測定并計(jì)算單鈴質(zhì)量；計(jì)算棉花籽棉產(chǎn)量[11]。

1.3 測試指標(biāo)

土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；土壤微生物量磷采用熏蒸培養(yǎng)-NaHCO3提取方法測定；土壤無機(jī)磷形態(tài)分級測定[12]：①用NH4Cl浸提-鉬銻抗比色法測定Al-P；②用NaOH 浸提-鉬銻抗比色法測定Fe-P；③用NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定Ca2-P；④用NH4OAC 浸提，鉬銻抗比色法測定Ca8-P；⑤用H2SO4浸提-鉬銻抗比色法測定Ca10-P。棉花產(chǎn)量計(jì)算：畝產(chǎn)籽棉＝收獲密度（株/畝）×平均單株成鈴數(shù)（個(gè)/株）×單鈴質(zhì)量（g/個(gè)）/（1 000）×測產(chǎn)校正系數(shù)（85%）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用Excel 2017 和Origin 2017 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制。數(shù)據(jù)分析采用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行方差分析、多重比較和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花各生育期土壤有效磷變化

棉花不同生育期0～60 cm 土層有效磷的分布特征如圖2 所示。不同施磷方式在0～20 cm 土層有效磷差異顯著，其他土層差異不顯著，這是由于各處理施入的磷肥均集中在土壤耕層，造成磷肥在0～20 cm土層的積累。在蕾期，0～20 cm 土層，DF1、DF2處理有效磷分別顯著高于NF1、NF2處理。而花鈴期、吐絮期和收獲期DF1、DF2處理的有效磷分別顯著低于NF1、NF2處理，其中，2019年DF1處理有效磷分別低于NF1處理的13.1%、14.6%和5.4%，2020年則分別低4.7%、16.4%、14.9%；DF2處理在2019年有效磷量分別比NF2處理的6.9%、9.7%和8.7%，在2020年則分別低于13.9%、9.2%和5.5%。隨著生育期的延長，各處理在0～20 cm 土層有效磷量均呈先增加后降低的變化，在蕾期有效磷量最低，花鈴期達(dá)到最高。

圖2 棉花不同生育期0～60 cm 土層有效磷Fig.2 Available P in 0～60 cm soil layer at different growth stages of cotton

2.2 棉花各生育期土壤表層微生物量磷和無機(jī)磷組分變化

棉花各生育期土壤表層（0～20 cm）微生物量磷變化如圖3 所示。在花鈴期、吐絮期和收獲期NF1、NF2處理微生物量磷分別顯著高于DF1、DF2處理，其中，NF1處理微生物量磷相比于DF1處理，在2019年分別高34.5%、26.0%和36.1%，2020年分別高28.3%、22.1%和10.9%。NF2處理微生物量磷顯著高于DF2處理，2019年分別高32.5%、18.2%和35.1%，2020年分別高35.6%、23.7%和20.9%。NF1、NF2處理分別比DF1、DF2處理土壤供磷能力更強(qiáng)。

圖3 棉花不同生育期0～20 cm 土層微生物量磷變化Fig.3 Changes of microbial biomass and phosphorus in 0～20 cm soil layer at different growth stages of cotton

隨著生育進(jìn)程推進(jìn)各處理微生物量磷呈先增加后降低的趨勢，在花鈴期微生物量磷達(dá)到最高。底肥全部追施的施磷方式使土壤微生物量磷增加，可能是由于分次施肥使更多的磷被同化合成到微生物體內(nèi)，增大了微生物量磷的周轉(zhuǎn)通量。

棉花在不同生育期土壤表層各形態(tài)無機(jī)磷變化見圖4 所示。從圖4 可以看出，在2 a 的田間試驗(yàn)中，各無機(jī)磷組分隨棉花生育期的變化規(guī)律相似。NF1、NF2處理的Ca2-P 在棉花生育期均升高后降低，花鈴期時(shí)達(dá)到最高；而AL-P 和Ca10-P 則出現(xiàn)相反的變化趨勢，在花鈴期最低；Ca8-P 在蕾期至吐絮期升高，在收獲期降低。DF1、DF2處理Ca2-P 在棉花生育期始終處于降低的趨勢，而Ca8-P 隨生育期出現(xiàn)降低后升高再降低的變化，AL-P 和Ca10-P 降低后升高，并在收獲期高于其他3 個(gè)時(shí)期。各處理Fe-P 在棉花生育期變化規(guī)律表現(xiàn)相同，均升高后降低。

圖4 棉花不同生育期土壤表層無機(jī)磷組分變化Fig.4 Changes of inorganic phosphorus components in soil surface at different growth stages of cotton

在棉花蕾期，除Ca10-P 外，NF1、NF2處理其他無機(jī)磷組分均分別低于DF1、DF2處理；花玲期，NF1、NF2處理Ca2-P 發(fā)生變化，和Ca10-P 均分別高于DF1、DF2處理，其他無機(jī)磷組分均分別低于DF1、DF2處理；吐絮期，NF1、NF2處理Ca2-P 仍然分別高于DF1、DF2處理；收獲期，除Ca2-P 以外，NF1、NF2處理的Ca8-P 同樣分別高于DF1、DF2處理，NF1、NF2處理的AL-P 在棉花各生育期始終分別低于DF1、DF2處理。因施肥類型不同，NF1、NF2處理土壤Ca10-P 分別低于DF1、DF2處理的變化有時(shí)發(fā)生在吐絮期，有時(shí)發(fā)生在收獲期。NF1、NF2處理使土壤中無機(jī)磷組分中的直接磷源增加，緩效磷源降低。

2.3 土壤有效磷與磷組分的關(guān)系

表4 為土壤有效磷和無機(jī)磷組分相關(guān)性分析。有效磷與Ca2-P 呈顯著正相關(guān)關(guān)系；與C10-P 和AL-P呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；AL-P 與Ca10-P 呈顯著正相關(guān)關(guān)系；Ca2-P 與Ca10-P 和AL-P 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。AL-P與有效磷具有極顯著負(fù)相關(guān)，AL-P 與有效磷的相關(guān)性與前人研究略有不同，可能是由于本研究中是無底肥，而前人研究[13]是減少整體施肥用量，施肥方式不同影響了土壤無機(jī)磷組分的積累，作物品種也具有差異，不同作物對無機(jī)磷組分的利用能力也具有差異，導(dǎo)致無機(jī)磷組分的有效性具有差異。

表4 2019―2020年土壤磷組分與有效磷的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of soil P components and available P during 2019―2020

2.4 棉花產(chǎn)量

棉花成熟收獲后各處理棉花產(chǎn)量見圖5。NF1、NF2處理棉花產(chǎn)量分別顯著高于DF1、DF2處理，其中，NF1處理與DF1處理相比，2019年棉花產(chǎn)量顯著增加了2.2%，2020年棉花產(chǎn)量增加了6.6%。NF2處理比DF2處理在2019年棉花產(chǎn)量顯著增加了10.6%，2020年增產(chǎn)了10.5%。相比底肥全部基施的施肥方式，底肥全部追施的施肥方式可使棉花產(chǎn)量平均增加7.5%。

圖5 不同處理棉花產(chǎn)量Fig.5 Cotton yield under different treatments

3 討論

3.1 施肥方式對土壤磷素狀況的影響

磷的有效性與施用方式密切相關(guān)，目前農(nóng)業(yè)措施中磷以底肥與追肥相結(jié)合的形式施入，隨著水肥一體化技術(shù)在新疆地區(qū)的迅速發(fā)展，水分與肥料的耦合作用未得到完全發(fā)揮。前人研究表明，地上部分種植地甜椒和玉米時(shí)，底肥全部追施的施肥方式可顯著提高土壤的有效磷，增強(qiáng)土壤的供磷能力[14-15]。土壤的磷流失臨界值為45 mg/kg[16]，在本研究中，隨著追肥的施入，0～20 cm 土層有效磷在棉花各生育期始終低于25 mg/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此閾值，因此，棉花生育期內(nèi)的追肥施用量不會造成0～20 cm 土層的淋溶風(fēng)險(xiǎn)，磷的積累占據(jù)主導(dǎo)作用。

由于新疆地區(qū)石灰性土壤固磷的特性，磷肥在施肥點(diǎn)溶解或者開始向外擴(kuò)散，由于滴灌將肥料隨水分次滴施，而土壤中水分的移動(dòng)是施肥點(diǎn)外高水勢向施肥點(diǎn)的低水勢運(yùn)動(dòng)，肥料與水分的運(yùn)動(dòng)方向相反，導(dǎo)致磷肥的擴(kuò)散與移動(dòng)受到限制[17]。磷肥施入點(diǎn)H2PO4－升高，容易和石灰性土壤中的鈣結(jié)合形成沉淀，形成難溶的磷，有研究表明，通過在不同時(shí)期減少磷的輸入量，可以降低土壤溶液中H2PO4－的質(zhì)量濃度，吸附態(tài)磷仍然會保持較高的有效性[18-19]。相較于本研究，底肥施入土壤的形式為固體磷肥，土壤中的毛管水會分解一部分磷肥，使施肥點(diǎn)H2PO4－質(zhì)量濃度升高，而石灰性土壤鈣離子豐富，二者發(fā)生沉淀反應(yīng)，使土壤磷的有效性降低，而底肥全部追施的施肥方式，磷肥隨水施入，具有較好的流動(dòng)性，水肥一體化技術(shù)使水肥耦合，在土壤中分布均勻，減少了土壤中某施肥點(diǎn)H2PO4－質(zhì)量濃度高的現(xiàn)象，并且磷肥溶于水中，磷以離子態(tài)的形式更容易被作物吸收，減少了固體磷肥水解這一過程，土壤磷的有效性增加[20-21]。

3.2 施肥方式對土壤無機(jī)磷組分的影響

磷肥在土壤中發(fā)生的化學(xué)過程是溶解-沉淀過程，當(dāng)土壤中的磷質(zhì)量濃度較高時(shí)，磷以吸附為主，土壤中磷的質(zhì)量濃度較低時(shí)，被吸附的磷會發(fā)生解吸。石灰性土壤中無機(jī)磷組分的轉(zhuǎn)化趨勢為H2O-P→Ca2-P→Ca8-P→Al-P→Fe-P→Ca10-P[22]，土壤無機(jī)磷中Ca2-P 對作物吸收磷素最有效，其他無機(jī)磷組分一般作為緩效磷源，Ca10-P 為無效態(tài)的磷[23]。前人研究表明，磷肥1 次施用為主時(shí)，大部分磷被土壤所固定，當(dāng)磷肥分次滴施時(shí)，磷在土壤中的質(zhì)量濃度小且分散，磷的有效性較高[24]，這與本研究結(jié)果達(dá)成一致。曹瑩菲等[25]發(fā)現(xiàn)磷肥與有機(jī)肥配施會增加Ca2-P，單施過多的磷肥會導(dǎo)致土壤中磷素向無效態(tài)的轉(zhuǎn)化，加快Ca2-P 向Ca10-P 轉(zhuǎn)化的速率。本研究結(jié)果表明，底肥全部追施相比于底肥全部基施的施肥方式降低了無機(jī)磷組分中Ca2-P 向Ca10-P、AL-P 的轉(zhuǎn)化量。底肥全部追施的施肥方式在棉花需肥時(shí)期進(jìn)行分次追肥，使土壤中的施磷量與作物需磷量協(xié)調(diào)一致，配合滴灌技術(shù)，大大減緩了Ca2-P 向其他無機(jī)磷轉(zhuǎn)化的風(fēng)險(xiǎn)；土壤中的Ca2-P 持續(xù)增加，使土壤所需鈣的吸附位點(diǎn)達(dá)到飽和，Ca10-P 相應(yīng)較少。并且，不施底肥減少了前期磷的輸入，降低了土壤中磷與AL3+的結(jié)合，分次施入磷肥，減少過多的磷在土壤殘留，土壤中AL-P的形成減少[26]。

4 結(jié)論

1）本研究依據(jù)棉花各生育期需磷規(guī)律和新疆石灰性土壤固磷特點(diǎn)，通過優(yōu)化磷肥施入方式，底肥全部追施的施肥方式降低了棉花各生育期內(nèi)0～20 cm土層中Ca2-P 向Ca10-P、AL-P 的轉(zhuǎn)化量，有效磷量平均增加了10.3%，相比底肥全部基施，底肥全部追施的施肥方式更有利于提高土壤磷的有效性。

2）在滴灌條件下，相比底肥全部基施，底肥全部追施的施肥方式不僅可滿足棉花生長所需，而且可使棉花產(chǎn)量平均增加7.5%。本研究為新疆地區(qū)棉區(qū)施磷模式提供理論依據(jù)，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)民生產(chǎn)提供指導(dǎo)。