湯明堯，沈重陽，張 炎，閆翠俠，傅國海，徐 洋，唐光木，耿慶龍

（1.新疆維吾爾自治區(qū)土壤肥料工作站，新疆 烏魯木齊 830006；2.中國農業(yè)大學土地科學與技術學院，北京 100193；3.新疆農業(yè)科學院土壤肥料與農業(yè)節(jié)水研究所，新疆 烏魯木齊 830091；4.全國農業(yè)技術推廣服務中心，北京 100125）

新疆是我國最大的優(yōu)質棉生產基地，棉花產業(yè)是新疆農業(yè)的支柱產業(yè)，棉花是新疆宜植棉區(qū)農民主要的種植作物和收入來源［1］。2019年，新疆棉花種植面積為2.54×106hm2，總產量為500.2萬t，產量在全國占比高達84.94%［2］。施肥是提高棉花產量的重要手段［3-7］，也是在棉花生產中物質投入最大的一塊。據(jù)國家發(fā)展改革委價格司測算，2018年，棉花化肥投入成本為3295.65元·hm-2，占物質與服務費用的比例為29.08%［8］。經過多年測土配方施肥技術的推廣普及，新疆棉花科學施肥技術水平較以往已有大幅提升，但部分地區(qū)仍然存在施肥結構不合理、比例不協(xié)調、分配不平衡等問題［9-10］，而不合理施用化肥，不僅會導致棉花產量品質下降，還會降低化肥利用效率，增加生產成本，造成耕地質量下降、環(huán)境污染等［11］。陳同斌等［12］研究表明，我國各區(qū)域化肥利用率存在較大差異，化肥施肥量愈大則化肥利用率愈低。徐亞新等［13］匯總了大量馬鈴薯田間試驗數(shù)據(jù)，測算出我國馬鈴薯氮、磷和鉀素養(yǎng)分回收率平均值分別為36.4%、18.5%和27.6%，且馬鈴薯氮、磷、鉀素養(yǎng)分利用率與產量和施肥量關系密切。王肖娟等［14］、張允昔等［15］研究均表明，棉田隨著施氮量的增加，氮肥利用率、農學利用率和偏生產力會顯著降低。張炎等［16］田間試驗數(shù)據(jù)顯示，棉花磷肥的表觀利用率在1.14%～28.43%之間，且陸地棉磷的農學利用率、表觀利用率和偏生產力明顯高于海島棉。王西和等［17］通過長期定位試驗得出，在灰漠土小麥-玉米-棉花輪作體系下鉀肥的表觀利用率在7%～81%之間，且鉀虧缺正在逐步加大。雖然有關學者對新疆棉花化肥利用效率進行了大量必要而卓越的研究，并取得了相應成果，但研究結論主要建立在單點（或極少量）田間試驗數(shù)據(jù)的基礎上，區(qū)域代表性欠缺，較難真實反映新疆當前棉花化肥利用效率的現(xiàn)狀，對指導棉花實際生產的意義有限。本研究通過在新疆棉區(qū)實施大量的棉花肥料利用率田間試驗，從區(qū)域尺度分析棉花氮、磷、鉀肥利用效率現(xiàn)狀，為解決新疆棉花單位面積化肥用量偏高、施肥結構不合理、化肥利用效率低等問題提供基礎數(shù)據(jù)及技術支持，進而指導新疆棉花科學合理施肥，提高化肥利用率，減少不合理化肥投入，實現(xiàn)棉花化肥減量增效，增加農民收入，減輕因不合理施用化肥帶來的農業(yè)面源污染。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

新疆地處歐亞大陸腹地，73°40′～96°18′E，34°25′～48°10′N，氣候干旱、日照充足、溫差大，是典型溫帶大陸性氣候，屬干旱荒漠、半荒漠灌溉植棉區(qū)。新疆棉區(qū)土壤以潮土、灰漠土、灌淤土、草甸土等為主，鹽堿重，pH值多在7.5～8.5之間［18］，根據(jù)多年測土配方施肥取土化驗數(shù)據(jù)得到的棉區(qū)耕層土壤有機質和養(yǎng)分平均含量情況見表1［19］。

表1 棉區(qū)耕層土壤有機質和養(yǎng)分平均含量情況

1.2 試驗方法

棉花肥料利用率試驗參照農業(yè)農村部《基于田間試驗的三大糧食作物化肥利用率測算規(guī)范（試行）》在2018～2019年實施。

1.2.1 試驗點布局

2018～2019年共實施棉花肥料利用率田間試驗34個，其中2018年14個，2019年20個。試驗點遍布新疆棉花主要種植區(qū)，試驗所選地塊形狀整齊、肥力均勻、具有代表性，避開居民區(qū)、道路、堆肥場所、樹木遮陰、土傳病害嚴重和其他人為活動的影響。具體分布情況見圖1。

圖1 棉花肥料利用率試驗點分布示意圖

1.2.2 試驗處理

棉花肥料利用率田間試驗采用多點對比重復試驗設計，每點均設置4個處理，分別為氮磷鉀處理（NPK）、無氮處理（PK）、無磷處理（NK）、無鉀處理（NP），每個處理設置3次重復，隨機排列。每個點的氮磷鉀肥用量基于該點前期農戶調研結果確定，施肥方式和方法與當?shù)叵嗤?，確保施肥情況代表當?shù)貙嶋H水平。

1.2.3 試驗小區(qū)

試驗小區(qū)形狀為長方形，長寬比為（2～3）∶1，面積為30～50 m2。小區(qū)外設置保護行，小區(qū)間設置隔離，各小區(qū)單排單灌，避免串排串灌。

1.2.4 田間管理

試驗小區(qū)除施肥不同外，其他灌水、除草、病蟲防治、化控等田間管理措施均一致，且符合當?shù)厣a習慣，并由專人在同一天內完成。

1.2.5 收獲計產和樣品采集處理

每個小區(qū)劃定5～10 m2（同一試驗點，不同小區(qū)的劃定規(guī)則及面積一致）的測產區(qū)，分次采收、計產，最后累加計算單位面積籽棉產量。文中所述棉花產量均為籽棉產量。在成熟期每小區(qū)的測產區(qū)選4～10株（同一試驗點，不同小區(qū)的采樣株數(shù)一致）代表性棉花，分為籽棉和地上其他器官（包含莖稈、葉片、空桃殼、脫落物等）2個部分，在60℃條件下烘干至恒重，記錄生物量，將樣品粉碎，以備測試棉花不同部分的養(yǎng)分含量。脫落物包括生長期間掉落的葉片和蕾鈴等。

1.2.6 化驗分析

棉花植株的全氮、全磷、全鉀含量分別采用凱氏定氮法、鉬銻抗比色法、火焰光度法測定。

1.3 相關指標計算

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2016進行處理和統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 棉花施肥及產量特征

對新疆棉花施肥及產量特征進行描述性統(tǒng)計（表2），34個試驗點NPK處理棉花平均單位面 積 產 量 為5543.52 kg·hm-2（3661.50～7123.50 kg·hm-2），其第25%和第75%位數(shù)分別為4942.50和6054.00 kg·hm-2。試驗點氮肥的平均施用量為289.76 kg·hm-2（118.50～555.00 kg·hm-2），其第25%和第75%位數(shù)的施用量分別為243.90和285.00 kg·hm-2；試驗點磷肥的平均施用量為167.49 kg·hm-2（64.50～241.50 kg·hm-2），其第25%和第75%位數(shù)的施用量分別為150.00和207.00kg·hm-2；試驗點鉀肥的平均施用量為76.46 kg·hm-2（39.60～120.00 kg·hm-2），其 第25%和第75%位數(shù)的施用量分別為60.00和97.50 kg·hm-2。新疆棉花施氮、磷和鉀肥的相對產量 分 別 為75.82%（58.69%～91.95%）、84.88%（66.34%～98.09%）和90.02%（71.60%～98.26%）。進一步分析施氮、磷和鉀的相對產量結果表明，施氮相對產量最低，其第25%和第75%位數(shù)的相對產量分別為73.74%和79.97%；施磷相對產量高于施氮，其第25%和第75%位數(shù)的相對產量分別為79.65%和90.90%；施鉀相對產量最高，其第25%和第75%位數(shù)的相對產量分別為84.80%和95.27%。

表2 新疆棉花施肥及產量特征描述統(tǒng)計

產量反應結果顯示（圖2），棉花施用氮肥的產 量 反 應 為1357.79 kg·hm-2（372.15～2344.50 kg·hm-2），其第25%和第75%位數(shù)的產量反應分別為904.50和1486.50 kg·hm-2；施用磷肥的產量反應為842.25 kg·hm-2（102.30～1882.50 kg·hm-2），其第25%和第75%位數(shù)的產量反應分別為534.00和1207.50 kg·hm-2；施用鉀肥的產量反應為550.47 kg·hm-2（69.00～1313.25 kg·hm-2），其第25%和第75%位數(shù)的產量反應分別為227.25和718.05 kg·hm-2。從施氮、磷和鉀肥的增產效果來分析，棉花施用氮肥的增產作用最大，增產率在8.75%～70.38%之間，平均增產率為31.89%；磷肥的增產作用次之，增產率在1.94%～50.73%之間，平均增產率為17.82%；新疆棉花施用鉀肥也有明顯的增產效果，平均增產率為11.08%，最高增產率可達39.66%，但不同條件下增產效果差異較大。

圖2 棉花NPK處理施肥產量反應

2.2 棉花養(yǎng)分吸收情況

由圖3可見，棉花對氮、鉀素的吸收量大，對磷素的吸收量相對較少，且施用氮、磷、鉀肥可促進棉株對氮、磷、鉀素的吸收，增加氮、磷、鉀素積累量。34個試驗點，NPK處理的平均氮素積累量為292.73 kg·hm-2（137.59～363.26 kg·hm-2），較不施氮肥的PK處理多積累氮素110.45 kg·hm-2（57.03～200.32 kg·hm-2），多積累比例達60.59%；NPK處理的平均磷素積累量為55.86 kg·hm-2（27.50～93.35 kg·hm-2），較不施磷肥的NK處理多積累磷 素24.05 kg·hm-2（4.20～51.59 kg·hm-2），多積累比例達75.59%；NPK處理的平均鉀素積累量為272.38 kg·hm-2（114.05～562.62 kg·hm-2），較不施鉀肥的NP處理多積累鉀素37.87 kg·hm-2（14.34～74.86 kg·hm-2），多積累比例為16.15%。在本研究條件下，NPK處理每形成100 kg籽棉需要氮（N）5.29 kg（3.26～6.51 kg）、磷（P2O5）1.01 kg（0.61～1.52 kg）、鉀（K2O）4.83 kg（3.11～8.22 kg）。

圖3 不同處理棉花氮、磷、鉀素吸收情況

2.3 棉花化肥利用效率情況

2.3.1 棉花化肥農學效率

由表3可見，棉花氮、磷、鉀肥的農學效率分別 為4.95（1.46～10.28）、5.30（0.49～10.34）、7.44 （0.96～20.15） kg·kg-1，表現(xiàn)為氮肥＜磷肥＜鉀肥。進一步分析可以看出，氮肥的農學效率最穩(wěn)定，相對標準偏差最小，其第25%和第75%位數(shù)的農學效率分別為3.49和6.22 kg·kg-1；磷肥的農學效率較穩(wěn)定，其第25%和第75%位數(shù)的農學效率分別為3.29和7.91 kg·kg-1；鉀肥的農學效率變化大，相對標準偏差達68.55%，其第25%和第75%位數(shù)的農學效率分別為3.96和11.43 kg·kg-1。

表3 棉花化肥農學效率 （kg·kg-1）

2.3.2 棉花化肥利用率

由表4可見，棉花氮、磷、鉀肥的利用率分別為38.68%（25.53%～57.25%）、14.76%（2.43%～34.00%）、49.25%（30.04%～74.79%），表現(xiàn)為鉀肥＞氮肥＞磷肥，氮肥和鉀肥的利用率較高，磷肥的利用率低。進一步分析可以看出，新疆棉花氮肥的利用率一般在34.08%～41.01%之間，相對標準偏差為17.09%，相對穩(wěn)定；磷肥的利用率低，且變化較大，相對標準偏差達41.94%，其第25%和第75%位數(shù)利用率分別10.74%和18.72%；氮、磷、鉀肥中鉀的利用率最高，試驗點中最高的利用率在70%以上，其第25%和第75%位數(shù)的利用率分別為41.15%和54.35%。

表4 棉花化肥利用率 （%）

2.4 施肥量對化肥利用效率的影響

由棉花化肥施用量與化肥農學效率和化肥利用率的關系（圖4）可以看出，氮肥的農學效率隨施氮量的增加而變小，且相關性分析顯示，兩者呈顯著負相關，棉田每多施100 kg·hm-2氮肥（N），氮肥的農學效率下降0.9 kg·kg-1。棉田施磷量與磷肥農學效率呈極顯著負相關，磷肥（P2O5）的農學效率也是隨著棉田施磷量的增加而變小，棉田每多施100 kg·hm-2的磷肥（P2O5），磷肥的農學效率下降3.2 kg·kg-1，降幅遠高于氮肥。對棉田施氮量與氮肥利用率、棉田施磷量與磷肥利用率進行線性方程模擬，根據(jù)模擬得到的方程，棉田每多施100 kg·hm-2氮肥（N），氮肥利用率下降2.0%；棉田每多施100 kg·hm-2磷肥（P2O5），磷肥利用率下降5.0%。但需要說明的是棉田施氮量與氮肥利用率、棉田施磷量與磷肥利用率方程模擬的R2分別只有0.0712（n=34）、0.0819（n=34），只達到了10%的顯著水平，未達到5%的顯著水平。在本研究條件下，棉田鉀肥農學效率與施鉀量、鉀肥利用率與施鉀量的相關性均不大。

圖4 棉花化肥施用量與農學效率和利用率的關系

3 討論

本研究表明棉花施用氮、磷、鉀肥的農學效率分別為4.95、5.30、7.44 kg·kg-1，與張炎等［20］1996～2002年在新疆棉田通過21組田間試驗得到的氮、磷、鉀肥農學效率1.62、1.85、2.71 kg·kg-1相比有大幅提高，提高幅度分別高達202.47%、186.49%、174.54%。本研究的棉花氮、磷、鉀肥的利用率分別為38.68%（25.53%～57.25%）、14.76%（2.43%～34.00%）、49.25%（30.04%～74.79%），與國內外其他研究［21-24］得到的棉花化肥利用率相比，新疆棉花當前氮肥和鉀肥利用率處在較高水平，磷肥的利用率差別不大，這可能與新疆棉花測土配方施肥、膜下滴灌等技術普及率較高有關。

本研究表明，新疆棉花施用氮、磷、鉀肥均有明顯的增產效果，增產率分別為31.89%、17.82%、11.08%，并且新疆棉花施肥仍以氮、磷肥為主，同時氮、磷、鉀肥的配比差異大，如氮磷比，最高為1∶0.92，最低僅為1∶0.31；氮鉀比最高為1∶0.41，最低僅為1∶0.15。棉花產量不是隨著施肥總量的增加而增加，而是呈現(xiàn)一定的波動（圖5）。

圖5 各試驗點棉花施肥量與產量的關系

從養(yǎng)分平衡的角度分析，34個試驗點，NPK處理因籽棉收獲帶走氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）的 平 均 值 分 別 為189.99、34.00、88.66 kg·hm-2，在不考慮養(yǎng)分其他途徑損失或補充的情況下，氮（N）、磷（P2O5）分別盈余99.78、133.49 kg·hm-2，鉀（K2O）虧缺12.19 kg·hm-2。

對各試驗點施磷量與棉花產量進行相關性分析（圖6），用一元二次方程模擬達到顯著水平，呈開口向下的拋物線，拋物線頂點為施磷量167.52 kg·hm-2，即當棉田施磷量高于167.52 kg·hm-2后，棉花產量隨著施磷量的增加而減小。而34個試驗點中施磷量大于167.52 kg·hm-2的有17個，所以說明新疆棉花可能存在一定的過量施用磷肥問題。

圖6 棉花施磷量與產量

本研究條件下，雖然棉花施鉀肥具有明顯的增產效果，但施鉀量與產量、農學效率、利用率的相關性分析均不顯著，造成相關性差的主要原因有以下2個：一是新疆各地土壤中鉀含量差異極大［25］，導致各地棉花施用鉀肥的增產效果不同；二是現(xiàn)階段鉀肥施用還不甚合理，施用過量和施用不足并存，導致施鉀增產效果沒有充分發(fā)揮。相關研究已經證實新疆棉花施用鉀肥具有明顯的增產效果［6-7，24］，且已被農民普遍接受，農民開始廣泛施用鉀肥，但由于棉花合理施用鉀肥的研究還不夠深入、農民施用鉀肥的經驗不足等原因，各地在實際棉花生產中鉀肥的施用量及施用時期較為隨意，鉀肥的增產效果沒有得到充分發(fā)揮。

雖然經過多年測土配方施肥、膜下滴灌技術的推廣，新疆科學施肥水平有所提升，農民施肥觀念也有了較大改善，但在棉花上施肥結構比例不合理，重氮磷肥、輕鉀肥等問題仍然存在，棉花施肥上還有繼續(xù)優(yōu)化提升的空間。

4 結論

新疆棉花施用氮、磷、鉀肥均有明顯的增產效果，增產率分別為31.89%、17.82%、11.08%，施用氮、磷、鉀肥的產量反應分別為1357.79（372.15～2344.50）、842.25（102.30～1882.50 ）、550.47（69.00～1313.25）kg·hm-2。NPK處 理 每形成100 kg籽棉需要氮（N）5.29 kg（3.26～6.51kg）、 磷（P2O5）1.01 kg（0.61～1.52 kg）、 鉀（K2O）4.83 kg（3.11～8.22 kg）。棉花氮、磷、鉀肥的農學效率分別為4.95（1.46～10.28）、5.30（0.49～10.34）、7.44 （0.96～20.15） kg·kg-1，表現(xiàn)為鉀肥＞磷肥＞氮肥。棉花氮、磷、鉀肥的利用率分別為38.68%（25.53%～57.25%）、14.76%（2.43%～34.00%）、49.25%（30.04%～74.79%），氮、磷肥利用效率均隨施用量的增大而減小。