棉花生產上新型肥料研究進展

呂冬青，孫 瀚，張銘谷，李成亮

(土肥資源高效利用國家工程實驗室/國家緩控釋肥工程技術研究中心/山東農業大學資源與環境學院，山東 泰安 271018)

0 引 言

【研究意義】棉花是我國重要的經濟作物之一，保證棉花的優質高產對國民經濟發展有著重要意義。施肥是提高棉花產量和品質的一個重要措施，但施用常規肥料養分較為單一，需要多種肥料配合施用，且肥料利用率低，難以滿足棉花的長周期、高養分需求。同時化肥的不合理施用易造成土壤退化、環境污染等問題。新型肥料能夠直接或間接的為作物提供所需養分，同時又能改良土壤結構，改善植物營養狀況，改良肥料品質和性質，增進土壤肥力，提高肥料的利用率，提升作物產量和品質[1]。這些新型肥料在棉花生產過程中應用，結果表明，施用新型肥料能夠適應農業發展對棉花生產的要求，提高了棉花單位面積產量，對我國棉花產業健康可持續發展具有重要意義。【前人研究進展】前人針對目前棉花生產存在的問題研發出不同種類的新型肥料，并在不同地區和管理條件下進行了肥效試驗，得出大量棉花產量及產量構成、品質和生理指標的研究結果。19世紀40年代至60年代，化肥生產以單質低濃度肥料為主；60年代至80年代，發達國家開始了復合肥和摻混肥料的研制；隨著普通化肥使用過程中暴露的養分損失和環境污染問題越來越嚴重，20世紀70、80年代至今，世界各國紛紛開始了新型肥料的研制工作。新型肥料是指以提供養分為基礎，在物理、化學或生物作用下，土壤和作物的營養功能得到增強的肥料[2]。新型肥料作為肥料家族中不斷出現的新成員、新類型、新品種，極大地推動了肥料產業的創新發展[3]。目前市面上新型肥料的種類繁多，基于現在的新型肥料研究熱點，按照其功能和性質主要分為以下五種類型，緩/控釋肥料、水溶性肥料、微生物肥料、微量元素肥料和商品有機肥。為了解決傳統肥料不合理施用造成的問題，而去開發新的肥料，往往有較強的針對性和適用條件[4]。新型肥料作為新開發的產品，其市場發展速度快。【本研究切入點】將前人在不同土壤類型、地區、年限的試驗結果進行整合，按照肥料功能對新型肥料進行分類，從各類型新型肥料的作用原理出發，對棉花產量、品質以及土壤理化性質的影響進行綜述。【擬解決的關鍵問題】將新型肥料的研究現狀及前人在棉花上利用新型肥料的最新研究結果進行綜述，探討新型肥料在棉花上應用存在的問題及前景，為棉花的科學選肥和新型肥料在棉花上的合理施用提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

查閱的國內外相關文獻、文獻包括中國知網、百度學術和中國產業信息網，Science Direct。參考文獻引用時間段為1999～2018年。

1.2 方 法

分類、整程與分析文獻。系統概述市面上新型肥料種類、特點和使用狀況，論述新型肥料改善棉花產量、品質及生理特性的研究進展。

2 結果與分析

2.1 緩/控釋肥在棉花上的應用

受人工成本的制約，農業生產中多簡化施肥技術，將普通肥料一次性施入，其中只有一小部分被作物吸收利用，大部分肥料養分由于揮發、淋溶作用而損失，造成肥料利用率低，土壤質量下降等問題[5]。緩/控釋肥料可以延緩或控制肥料養分的釋放率和釋放時間，使肥料養分釋放與作物養分吸收規律相吻合，一次性施肥可滿足作物整個生長期所需且不會造成“燒苗”，做到簡化施肥技術，節約用工成本，提高肥料利用率[2]。緩/控釋肥料包括物理型和化學型兩種，物理型緩(控)釋肥料就是通過簡單的物理處理，使肥料具有緩控性，其大多為包膜肥料，包括無機包膜型肥料、有機化合物及聚合物包膜型肥料；化學型緩(控)釋肥料養分釋放機理比較復雜，不僅包括化學過程，同時也包括物理過程，主要有包衣尿素、脲甲醛尿素、緩釋復混肥料、控釋復混肥料和長效復混肥料等[1]。

目前緩/控釋肥在棉花上的應用研究主要集中在其對棉花生理指標、產量指標、棉花品質及對土壤肥力的影響探究上。試驗田結果表明，棉花專用緩/控釋肥的養分釋放符合棉花生育期需肥特點，維持棉花前期正常生長，中后期促進棉花生長，增加開花結鈴數，提高棉花產量[6]。李成亮等[7]的研究也表明，緩/控釋肥料可以適量的提供棉花所需養分，有助于硝態氮的平穩供應，提高氮肥利用率，優化棉株生長，棉花產量較復合肥處理增加18.9%。施用控釋氮肥保證了土壤氮素的持續供應，提高了硝酸還原酶、過氧化物酶活性和光合速率，增加纖維長度和強度，提高氮素利用率[8]。田曉飛等[9]研究表明，基施條件下，施用控釋鉀肥比普通鉀肥顯著增加了棉花的成鈴數和單鈴重，皮棉產量顯著增產16.9%～30.9%。李伶俐等[10]研究表明，施用控釋氮肥可提高中后期棉葉葉肉細胞PSⅡ實際光化學效率(ФPSⅡ)和PSⅡ潛在光化學活性(Fv/Fo)，改善棉花的光合作用，從而提高單株結鈴數和鈴重。棉花纖維品質是品種遺傳特性、資源環境和栽培措施共同作用的結果[11]。可以通過施用緩/控釋肥調控土壤養分供應，提高光合速率，改善棉花纖維品質。楊修一等[12]在濱海鹽化潮土上的試驗表明，施用控釋肥顯著增加葉綠素含量，提高光合特性指標，提高棉花產量。研究表明，施用緩/控釋肥提高了纖維馬克隆值，增加了斷裂比強度，提高了纖維成熟度[13]。李學剛等[11]研究表明，施用緩/控釋肥提高了植株上部葉片的葉綠素含量，提高葉片凈光合速率，積累足夠的光合產物，提高棉花產量，改善棉花纖維品質。

2.2 水溶性肥在棉花上的應用

水肥一體化技術能夠提高水分和水溶肥養分的利用率而在農業生產中迅速發展，是蔬菜和果樹生產的常用肥料之一。水溶性肥料是一種可以完全溶于水的多元復合肥料，可以迅速地溶解于水中，更容易被作物吸收，且吸收利用率相對較高。更為突出的優點是可以應用于噴灌、滴灌等設施農業，實現水肥一體化，達到省水、省肥、省工的效能[1]。自2009年我國水溶肥產量持續增長，在2016年水溶肥產量達410×104t。同時，在農業部登記的水溶肥產品數量也逐年增長，截止到2015年6月在農業部登記的水溶肥產品數量達6 545個[14]。目前我國農業部行業標準規定的水溶肥類型，包括大量元素水溶肥料 NY1 107～2 010、中量元素水溶肥料 NY2 266～201 2、微量元素水溶肥料 NY1 428～2 010、氨基酸水溶肥料 NY1 429～2 010和腐植酸水溶肥料 NY1 106～2010[15]。

圖1 2009-2016年我國水溶肥產量及增長率[14]
Fig.1 Water-soluble fertilizer yield and growth rate in china from 2009 to 2016

圖2 2002-2015年農業部水溶肥產品登記數量趨勢圖[14]
Fig.2 Trend map of water-soluble fertilizer products registered by the ministry of agriculture, 2002-2015

水溶性肥料的生產原料、包裝及運輸成本偏高，且生產過程復雜，再加上它主要通過沖施、噴灌、滴灌的方式施用，對設備的依賴性較高，因此，水溶肥價格居高不下，這就限制了其產業推廣和應用范圍[16]。目前水溶性肥料主要應用在設施蔬菜和果樹上，隨著規模農業的發展，水溶肥將在大田作物上得到進一步推廣。新疆是我國棉花最大產區，但是因為其降水量少，蒸發量大，大部分棉田是鹽堿化土壤等特點，使得水肥一體化技術在棉花生產上得到大面積推廣，同時也促進了水溶肥在棉田上的應用。王西和等[17]對不同大量元素水溶肥在新疆棉花滴灌體系中的應用研究結果表明，不同類型的大量元素水溶肥均能夠有效提高棉花鈴數、單鈴重等產量構成指標，最終提高棉花產量；施用硝基氯化鉀水溶肥的氮磷鉀農學效率為2.7 kg/kg，氮素利用率為65.0%，較其他肥料平均高出18.9%，增加了經濟效益661.5～2 032.5元/hm2。姚虞等[18]的研究表明，與常規施肥棉花產量相比，施用大量元素水溶肥皮棉產量增加了5.10%，且差異達顯著水平。自1987年以來，中國科學院南京土壤研究所對全國土壤中微量元素的含量進行了調查，結果表明，我國大部分地區都存在不同程度的微量元素缺乏[19]。在棉田上有針對性地施用中微量元素水溶肥，可以平衡植物所需營養，提高作物產量和品質。研究表明，施用中量元素水溶肥處理可以做到平衡施肥，皮棉產量較常規施肥提高4.36%，籽棉產量增加15.61 kg/667 m2，增收124.88元/667 m2[20]。王曉瑜[21]研究表明，常規施肥與中量元素搭配使用，可以使棉花更全面的吸收營養，促進植株生長，提高單株結鈴數和單鈴重，顯著提高棉花產量，較空白增產6.6%。張洪浩等[22]對氨基酸微量元素水溶肥在棉田應用效果的研究表明，施用氨基酸微量元素水溶肥可以改善棉花生長狀況，增加棉花的單株有效果枝數和單株結鈴數，籽棉產量比常規施肥的同等肥力地塊提高64.01 kg/667 m2，增收效果明顯。

2.3 微生物肥在棉花上的應用

微生物肥料又稱生物肥料、接種劑或菌肥，是一類以微生物生命活動及其產物為核心，使農作物得到特定肥料效應的微生物活體制品[3]。微生物肥料的菌種是經過大量試驗篩選獲得，可以通過微生物的生命活動，改良土壤質地，增加土壤肥力，促進植物生長，提高作物抗逆和抗病能力，改善作物品質。微生物肥料種類繁多，按其作用機理可分為根瘤菌肥料、固氮菌肥料、解磷菌類肥料、解鉀菌類肥料等[23]。

目前微生物肥料較多的應用在禾谷類作物上，其次是油料類和纖維類作物。許前欣等[24]在新疆棉區增施含有芽孢桿菌、固氮菌等多種菌的微生物肥料，研究發現施菌肥可以提高棉花的纖維長度和衣分率，提高棉花品質，增加經濟效益。生物磷鉀菌肥可以加速棉花生殖生長，促進棉花蕾鈴發育[25]。范正義等[26]研究表明，盆栽試驗中采用復合微生物菌肥浸種、浸根都可以促進棉花幼苗生長，大田噴施微生物菌肥相比灌施效果好，噴施微生物菌肥處理的籽棉、皮棉分別增產8.28%和7.06%。孫中濤等[27]單施微生物肥料或與有機肥混施研究表明，施用微生物肥料提高了土壤微生物總量，微生物的生命活動可以改良土壤，提高土壤酶活性，增加土壤肥力，促進棉株生長，棉花產量分別提高19.2%和31.6%。而吳江利等[28]將微生物菌肥應用于種植棉花的荒漠土壤，發現菌肥處理增加了土壤微生物量、AWCD、Shannon指數(H)和Simpson指數(D)，與土壤中有機質、全氮、全磷、全鉀的含量呈現顯著的正相關。棉花黃、枯萎病是我國棉花種植中最常見的病害。隨著現代基因工程技術的發展，利用 PGPR 誘導植物抗病性，研究者篩選和培育出更加優良的菌種，制成具有促生防病功能的微生物肥料，能有效的防治棉花病害的發生，還能顯著的促進棉花的生殖生長，提高棉花產量[29]。

2.4 中微量元素肥料在棉花上的應用

中微量元素對植物光合、呼吸、物質轉換以及相關酶的合成均有著十分重要的作用[30]。近年來，農業生產中氮、磷、鉀肥施用量急劇上升，但作物生長過程從土壤中帶走的中微量元素并未得到有效補充，導致作物養分失調現象增加，限制了農產品產量和品質提高，有研究表明，我國中低產田地占總耕地面積的70%以上，其中大部分存在中微量元素缺乏的問題。20世紀30年代以后，各國開始重視Ca、Mg、S、Cu、Zn、B、Mo、Si等營養元素的作用，含有中微量元素的肥料應運而生[31]。我國中微量元素肥料發展較晚，在20世紀中期使用的中微量元素肥料主要以添加無機鹽為主，20世紀70年代，我國開始引入國外螯合態的中高濃度復合型中微量元素肥料，到了20世紀末期，越來越多諸如氨基酸、腐殖酸類的有機中微量元素肥料投入使用。截至目前，我國的肥料市場加大了在常規肥料中添加中微量元素的力度，朝著養分平衡的方向進一步發展[32]。市場上主要的中、微量元素肥料品種有硫酸鉀鎂、硅肥、硫酸錳、硼砂、硫酸鋅、鉬酸銨、硫酸亞鐵、硫酸銅及各種微量元素混合的葉面肥。

適量的中微量元素肥有助于棉花產量提高，但過量施加中微量元素肥會因元素間的拮抗作用降低肥料利用率，影響棉花的產量。楊建平等[33]在新疆石河子地區研究發現，相同氮、磷、鉀施用量條件下，噴施微量元素肥料的處理較對照籽棉產量提高5.8%～17.0%，棉花成熟期提早4～8 d。袁國琦等[34]的研究則表明，基施中微量元素肥料的處理單鈴數、衣分和皮棉產量分別較對照提高2.7%、2.5%和5.1%，增產效果顯著。辛承松等[35]通過連續兩年在濱海鹽堿土的試驗表明，每667 m2施用鈣硅鎂鉀肥50 kg，皮棉產量較對照顯著提高6.9%，同時能夠提高棉花的抗逆性。不同的營養元素對棉花生長的影響不同，鈣在植株細胞衰老中起重要的調節作用，細胞質內Ca2+濃度增加，能夠通過提高葉片SOD酶活性，延緩葉片暗誘導的衰老[36]。張會玲[37]的研究表明，增施鈣肥棉花產量較對照提高25.63%，棉花植株強壯，葉片厚度、鈴重均有不同程度的提高，同時棉花枯萎病發病率顯著降低。肉孜阿吉·買迪吐地等[38]的研究表明，葉面噴施一定量硼肥有助于棉花保花保蕾，并提高棉花產量。

2.5 商品有機肥在棉花上的應用

商品有機肥主要是將畜禽糞便、動植物殘體、農產品或食品加工的廢棄物通過工廠化處理，直接作為肥料或再添加一定量的氮、磷、鉀或生物菌而制得的具有多種功能的肥料[1]。傳統有機肥存在養分含量低，運輸困難，對環境污染嚴重等問題。而商品有機肥經過了工廠化加工、無害化處理，既可以減少環境面源污染，施用后又能達到改善土壤理化性質、增加土壤肥力、提高作物品質的目的[39]。目前有機肥的主要發展方向是生產有機-無機復混肥和生物有機肥。

生物有機肥是指特定功能微生物與有機物料復合而成的一類兼具微生物肥料和有機肥效應的肥料。生物有機肥含有低量的營養元素，肥效持久穩定，為作物提供養分，同時為微生物提供養料，微生物的生命活動可以加速有機質分解，促進作物生長。普通的微生物肥料本身不含營養物質，僅通過微生物的生命活動，把土壤中有機質分解并轉化為作物可直接利用的成分，在微生物生命活動周期內均有良好的效果。張艷等[40]的研究表明，施用生物有機肥處理可以促進棉花生長，顯著增加果枝臺數、單株結鈴數和單鈴重。田小明等[41-42]通過盆栽試驗，在種植棉花的不同土壤上連續三年施用生物有機肥，可以提高土壤中養分和脲酶活性，土壤微生物量隨施肥年限的延長呈現先下降后上升的趨勢；連續施用生物有機肥可以改善土壤有機質質量，促進棉花吸收土壤中的養分。李俊華等[43]將生物有機肥應用在新疆棉花上，發現施用生物有機肥可以提高土壤供肥能力，增加棉花產量，顯著降低棉花黃萎病的病情指數和發病率。Lang等[44]研究也發現，施加生物有機肥防治棉花黃萎病，且可以增加根際土壤真菌多樣性。可見，商品有機肥主要是通過改善土壤的理化性質進而影響棉花的生長。

有機-無機復混肥是一種既含有機質又含適量化肥的復混肥。它是將糞便、草炭等有機物料，通過微生物發酵進行無害化和有效化處理，并添加適量化肥、腐殖酸、氨基酸或有益微生物菌，經過造粒或直接摻混而制得的商品肥料。有機-無機復混肥既有無機化肥肥效快的優點，又具備有機肥料改良土壤、 肥效長的特點，有機肥料與無機肥料相結合，緩急相濟，互補長短，可同時達到用地、養地的目的[45]。研究表明，追施有機無機復混肥可以降低棉鈴脫落率，增加單鈴重，提高棉花產量[46]。李俊華等[47]通過在新疆石河子進行的兩年大田試驗表明，施用氨基酸有機肥可以增加棉花根際和非根際土壤酶活性，增加土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量，且土壤pH隨有機肥使用量的增加而下降。研究還發現，腐殖酸有機肥可以改良土壤，提高肥料利用率，在棉花前期生長中效果顯著，但腐殖酸有機肥氮磷鉀含量較低，后期出現脫肥現象，建議在棉花生長中后期追施肥料[48-49]。

3 討 論

隨著現代農業的發展，新型肥料的研制和應用符合農業可持續發展的要求，既能提高肥料利用率、增加棉花產量、改善棉花品質，又能改良土壤、減少環境污染。市面上新型肥料的種類繁多，其在棉花上的施用方法和施肥效果尚不清楚，缺少可供參考的試驗數據；部分新型肥料的生產工藝和設備復雜、產業化水平低，導致新型肥料價格偏高，產量低，推廣應用困難。產品質量參差不齊，市場混亂，缺少生產技術規范，產品的質量標準和評價標準有待完善。

4 結 論

我國棉花種植區分布遼闊，不同地區的土壤特征存在差異，但是因為種植的棉花品種多樣，生長過程中對養分需求存在差異。首先明確不同區域不同棉花品種養分需求規律；根據上述需肥規律，研制棉花專用緩/控釋肥，提高肥料利用率；配置水溶性肥料，在條件允許的棉花種植區推進水肥一體化，實現節水、節肥的目的；根據不同地力，不同環境條件等制約因素，研制新品微生物肥料，在棉花生產中合理選擇并施用；隨著氮、磷、鉀復混肥的大量使用，土壤中微量元素的缺乏越來越嚴重，應及時補充中微量元素肥料。此外，單純的使用無機肥料已不能滿足棉花對養分的需求，商品有機肥與無機肥料配合施用，既能改良土壤，增加土壤肥力，又能實現棉花優質、高產。在實際生產過程中，綜合各種肥料的優點，因地制宜制定合適的施肥方案，可以滿足棉花生長過程中需肥規律，既提高肥料利用率又保護農業生產環境。