化肥減量有機替代對新疆滴灌棉花產量及土壤養分的影響

朱倩倩, 武雪萍, 張淑香, 許詠梅, 吉麗麗,趙來明, 李小偉, 馬文新

(1.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所, 烏魯木齊 830091; 2.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,北京 100081; 3. 新疆慧爾農業集團股份有限公司, 新疆昌吉 831100)

0 引 言

【研究意義】新疆棉花產業的持續穩定發展對我國經濟的發展起著十分重要的作用[1-2]。伴隨著新疆棉花生產水平的升高，存在化肥施用量過高、氮肥用量高、少施或不施有機肥等失衡的施肥現象[3-5], 使得土壤中的養分比例失調, 造成產量降低, 還增加了生產成本, 致使肥料的整體利用率降低、土壤的生產力與農產品品質均有不同程度下降, 制約著新疆棉花產業結構的可持續發展[6]?；书L期不均衡施用將導致土壤結構遭受破壞, 土壤的質量和養分下降[7]。肥料的過量及不合理施用造成的減產、品質降低、環境污染等問題越來越嚴重；合理平衡的施肥以及科學合理的利用是當前亟待需要解決的重要問題。【前人研究進展】前人關于施肥對棉花產量、構成因素以及土壤肥力的報道多集中于有機無機肥配施, 過量施用氮肥等方面[8-11]。張美良等[12]采用模擬試驗的方法, 研究了棉花產量及其構成因素、干物質積累和分配與棉田生態系統中有機無機肥配施的相互作用, 結果表明與單施無機氮肥相比, 在施入等量N、P、K條件下, 有機無機氮肥配施使棉花單位面積總鈴數提高, 籽棉產量增加了 2.71%～8.65%。張磷等[13]在對經過16 a耕作后的土壤肥力和肥料利用率進行測定, 施用有機無機配施處理的肥料與單施無機肥相比能夠有效減緩土壤酸化, 且有機無機配施處理肥料的利用率明顯高于單施無機肥處理, 并達到61%以上。隨著滴灌棉花氮肥施用量的逐年升高, 氮肥利用效應收益遞減趨向日益明顯[14]；并且施用過量的氮肥不僅造成氮素利用率低, 還導致皮棉產量降低[15]。能有效的增加滴灌棉花產量或保障當前滴灌棉花產量水平前提下, 降低化肥總的施用量。作物的養分均衡可以作為一種評估土壤養分投入產出的措施[16], 已被普遍應用于相關農業政策的制定[17]等?！颈狙芯壳腥朦c】通過均衡施肥不僅可以提高作物產量, 還可以降低資源的不充分利用[18]。棉花產量及土壤肥力與肥料的平衡施肥響應關系存在明顯差異, 而這方面的文獻鮮見報道。研究化肥減量增施生物菌劑對棉花產量及土壤養分的影響?！緮M解決的關鍵問題】研究新疆昌吉棉花品質產量及土壤養分變化, 以優化施肥, 減氮30%加氮肥抑制劑, 減氮, 減氮30%加微生物菌劑和習慣施肥為研究對象, 通過田間試驗, 研究不同施肥對棉花產量、效益及土壤養分的影響, 確定合理平衡經濟高效的施肥組合。優化施肥策略構建化肥減施有機替代的長效機制，分析適合新疆滴灌棉花生產的優化施肥模式。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗 2018 年安排在新疆昌吉佃壩鄉進行, 試驗區位于天山北麓, 東距烏魯木齊市35 km, 地理坐標E 86°24′至87°37′, N 43°06′至45°20′, 屬中溫帶大陸性干旱氣候, 主要土壤類型為灰漠土, 質地為壤土、輕沙壤、輕粘和粘土, 土壤有機質含量一般在0.6%～1.0%。前茬作物為棉花, 供試品種新陸早52號。株距為 11 cm, 播幅內寬、窄行距配置為50～32.5～50～32.5 cm, 1膜 4 行, 采取膜下滴灌。0～20 cm 基本理化性狀為pH值8.28，電導率557 μs/cm，有機質16.28 g/kg，速效鉀371.55 mg/kg，速效磷26.88 mg/kg，堿解氮24.70 mg/kg，全氮0.84 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗采用完全隨機設計, 設5個處理: 優化施肥處理 (OPT), 充分考慮當地習慣施肥用量過大且比例不協調, 依據昌吉地區的測土配方試驗結果得出更為合理的氮磷鉀肥的用量以及配比, 優化施肥處理; 優化施肥處理基礎上的減氮30%加0.1%的氮肥抑制劑處理 (OPT+NFI-N30%) ;優化施肥處理基礎上不施氮肥 (PK) ;優化施肥處理基礎上的減氮30%增加30 L/hm2的微生物菌劑處理(OPT+M-N30%) ;農民習慣施肥處理( CF), 每個處理設置3個重復, 小區面積各20 m2, 共15個小區。優化施肥處理推薦施肥量以 ASI 法測試土壤養分和目標產量來確定。

磷肥用三料磷肥 (P2O546% ), 鉀肥用硫酸鉀 (K2O 51% ) 。所用氮肥為尿素 (N 46% ), 全部肥料都用做追肥隨水施入, 按照棉花生長發育規律分6 次隨水滴施, 追肥比例為6月8日10%、6月15日15%、6月25日20%、7月9日25% 、7月16日20% 、7月24日10%。微生物菌劑液體有機肥采用等量施入, 每次用量為5 L/hm2, 共施用6次，采用隨水施滴施的方法。氮肥抑制劑用量為氮施用量的千分之一, 氮肥抑制劑與化肥混合均勻后隨水滴施。表1

表1 不同處理施肥量Table 1 The different treatments fertilization amount

1.2.2 測定項目

1.2.2.1 棉花產量和衣分

于棉花收獲前, 選擇每個小區中部進行3個點位連續1 m樣段采用對角線法選取3個樣點的, 測定單位株數、單株鈴數、單鈴重并計算棉花產量。待棉花全部收獲后稱取籽棉的質量并計算鈴重, 然后扎取皮棉, 稱出纖維質量, 計算衣分。

棉花產量(kg/hm2)=株數(株/hm2)×單株鈴數(個/株)×單鈴重(g/個)/1 000。

棉花衣分(%)=皮棉產量(kg/hm2)/籽棉產量(kg/hm2)。

1.2.2.2 土壤pH值和電導率

于棉花收獲后，采集各小區0～20 cm土壤樣品。

土壤pH值利用PHS-3C精密pH計(水土質量比為2.5∶1)測定, 土壤電導率利用電導率儀(水土質量比為 5∶1, d S/m)測定。

1.2.2.3 土壤養分

土壤有機質利用重鉻酸鉀容量法-外加熱法進行測定, 土壤全氮利用凱氏定氮儀(QSY-I)進行測定, 土壤全磷利用H2SO4-HClO4聯合消煮, 鉬銻抗比色法進行測定, 土壤全鉀采用NaOH熔融, 火焰光度法, 土壤堿解氮采用堿解擴散法, 土壤有效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定, 土壤速效鉀采用NH4Ac浸提-火焰光度法測定[19]。

1.3 數據處理

利用Excel2007進行數據整理，SPSS 22.0 統計軟件進行統計分析和不同處理間顯著性檢驗。利用Excel進行數據統計和作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對棉花產量和構成因素的影響

研究表明，習慣施肥處理的單鈴重最高, 較PK、OPT和OPT+NFI-N30%處理分別增加了7.13%、5.65%和5.31%；OPT+M-N30%處理的單鈴重與CF處理差異不顯著。優化施肥處理的單鈴數最高, 較CF處理增加了62.97%；OPT+M-N30%、PK的單鈴數與CF處理差異不顯著, 分別增加了16.42、14.95; OPT+M-N30%和PK處理的單鈴數比OPT+NFI-N30%處理分別增加了35.76%、34.03%。不同施肥處理單鈴數依次為OPT﹥OPT+M-N30%﹥PK﹥CF﹥OPT+NFI-N30%。OPT+M-N30%處理的籽棉產量最高, 顯著高于PK和OPT+NFI-N30%處理, 分別增加了7.63%、30.33%；OPT+M-N30%處理的籽棉產量與OPT和CF處理差異不顯著, 較CF處理增加了5.09%, PK和OPT+NFI-N30%處理的籽棉產量比CF處理分別降低了2.41%、19.36%。不同施肥處理籽棉產量依次為OPT+M-N30%﹥OPT﹥CF﹥PK﹥OPT+NFI-N30%；各施肥處理間棉花衣分未達到顯著差異, 保持在38.76%～41.13%, CF處理的棉花衣分含量最低, 不同處理間皮棉產量與籽棉產量差異一致。表2

表2 不同施肥處理下棉花產量和產量構成因素Table 2 The different fertilization treatments on the cotton yield and yield components

2.2 不同施肥處理對土壤pH值的影響

研究表明，OPT+NFI-N30%處理的pH值最高, 較OPT+M-N30%、PK、OPT和CF處理分別升高了0.37、0.35、0.54和0.64個單位；不同施肥處理土壤pH值依次為OPT+NFI-N30%﹥PK﹥OPT+M-N30%﹥OPT﹥CF。圖1

注：不同的小寫字母分別表示數據間差異分別達到顯著水平(P<0.05)。下同

2.3 不同施肥處理對土壤電導率的影響

研究表明， OPT+M-N30%、PK、OPT和OPT+NFI-N30%處理的電導率較CF處理分別降低了50.40%、44.46%、28.70%和30.16%；不同施肥處理土壤電導率依次為CF﹥OPT﹥OPT+NFI-N30%﹥PK﹥OPT+M-N30%。圖2

圖2 不同施肥處理對土壤電導率的影響Fig. 2 Effect of different fertilization treatments on soil EC

2.4 不同施肥處理對土壤有機質的影響

研究表明，OPT+M-N30%處理的有機質顯著高于其余施肥處理, 較PK、OPT、OPT+NFI-N30%和CF處理分別增加了23.08%、9.32%、13.82%和7.74%；不同施肥處理土壤有機質依次為OPT+M-N30%﹥CF﹥OPT﹥OPT+NFI-N30%﹥PK。OPT+M-N30%施肥處理有利于提高土壤有機質含量。圖3

圖3 不同施肥處理對土壤有機質的影響Fig. 3 Effect of different fertilization treatments on soil Organic

2.5 不同施肥處理對土壤速效鉀的影響

研究表明， OPT+M-N30%、PK、OPT、OPT+NFI-N30%處理的速效鉀含量較CF處理分別顯著降低了7.06%、12.37%、7.99%和3.90%；OPT+M-N30%處理的速效鉀含量與OPT處理差異不顯著, 在試驗條件下OPT+NFI-N30%施肥處理土壤速效鉀含量僅次于CF處理。不同施肥處理土壤速效鉀含量依次CF﹥OPT+NFI-N30%﹥OPT+M-N30%﹥OPT﹥PK。圖4

圖4 不同施肥處理下土壤有效鉀變化Fig. 4 Effect of different fertilization treatments on soil available potassium

2.6 不同施肥處理對土壤速效磷的影響

研究表明, PK處理的土壤有效磷含量與CF處理差異不顯著, 僅比CF處理降低了5.9%, 而OPT+M-N30%、OPT、OPT+NFI-N30%處理的土壤速有磷較CF處理分別顯著降低了14.66%、21.96%、9.15%；在試驗條件下PK施肥處理土壤速效鉀含量僅次于CF處理。不同施肥處理土壤有機質依次為CF﹥PK﹥OPT+M-N30%﹥OPT+NFI-N30%﹥OPT。圖5

圖5 不同施肥處理下土壤有效磷變化Fig. 5 Effect of different fertilization treatments on soil available phosphorus

2.7 不同施肥處理對土壤堿解氮的影響

研究表明，不同施肥處理對土壤堿解氮均有顯著影響, OPT+M-N30%處理的堿解氮含量與CF處理差異不顯著, 較CF處理增加了5.97%; OPT+M-N30%處理的堿解氮顯著高于PK、OPT和OPT+NFI-N30%處理, 分別增加了140.35%、21.93%和63.02%； PK處理的堿解氮含量最低, 且顯著低于OPT、OPT+NFI-N30%處理; 不同施肥處理土壤堿解氮依次為OPT+NFI-N30%﹥CF﹥OPT﹥OPT+M-N30%﹥PK。且土壤堿解氮的變化趨勢與土壤有機質的變化趨勢一致。圖6

圖6 不同施肥處理下土壤堿解氮變化Fig. 6 Effect of different fertilization treatments on soil alkali - hydrolyzable nitrogen

2.8 不同施肥處理對土壤全氮的影響

研究表明, OPT+M-N30%處理的全氮含量與CF處理差異不顯著, 全氮含量僅增加了1.70%, OPT+M-N30%處理的全氮顯著高于PK、OPT、OPT+NFI-N30%施肥處理, 分別增加了15.11%、4.99%、11.35%；PK處理的全氮含量與OPT+NFI-N30%處理差異不顯著, 不同施肥處理土壤全氮依次為OPT+M-N30%﹥CF﹥OPT﹥OPT+NFI-N30%﹥PK。由此可以看出，土壤全氮的變化趨勢與土壤有機質及堿解氮的變化一致。圖7

圖7 不同施肥處理對土壤全氮的影響Fig. 7 Effect of different fertilization treatments on soil total nitrogen

3 討 論

一些研究結果表明[20-21], 土壤的原有肥力水平直接或間接的影響棉花產量的高低, 不論棉田土壤的肥力高低, 有機肥所表現出來的作用都十分明顯, 且有機肥的肥效穩定, 有培肥土壤增加土壤養分的作用。棉田施用一定量的生物有機肥, 有利于提高棉花生長后期的干物質積累量及養分的累積量, 而且還可以增加棉花的產量。這與研究結果一致, 氮肥用量減施30%，同時與液態有機肥配合施用處理的籽棉產量最高, 顯著高于PK和OPT+NFI-N30%處理, 分別增加了7.63%、30.33%, 皮棉產量與籽棉產量差異一致。鄒曉棉等[22]通過研究不同土壤氮素供應水平對田間玉米產量的影響指出, 氮肥施用量減少10%的處理和施用量減少20%的處理與農民日常習慣的施肥方式相比, 玉米產量均沒有下降。梁二等[23]就玉米減氮肥開展的試驗認為, 氮肥減少15%不會造成玉米減產；這與研究結果一致, OPT+M-N30%和OPT施肥處理的棉花產量均高于農民常規施肥處理。與單一的施用化肥相比較, 有機肥與無機肥按照一定的比列一起施用對棉花的整體長勢、單株鈴數、單鈴重等均有一定程度的促進作用, 這可能是由于生物菌劑有機肥的加入，帶來大量的有益作物生長的微生物[21]。

周衛軍等[24]指出, 有機無機復混肥施用能夠改良土壤的物理化學性狀, 并促進棉田土壤中氮素的礦化速率, 進而顯著增加棉田土壤中的有效氮含量。有研究結果表明, 有機肥與無機肥配合施用含有豐富的碳源物質, 能夠刺激棉田中所存在的微生物的活動, 固定一部分土壤中的化學態氮, 將作物暫時不能夠吸收利用的那部分氮素同化為有機形態的氮, 待作物需要吸收利用更多的氮素養分時, 土壤中的微生物群體將會釋放和分解之前所固定的化學形態的氮素供給作物的需求, 即能夠實現養分的供應時期與強度和作物的需肥時期與需肥量保持相同, 進而提高氮素積累量, 提升氮肥的利用率[25-26]。這與研究結果相似, OPT+M-N30%處理的堿解氮、全氮含量均顯著高于PK、OPT和OPT+NFI-N30%處理, 且含量也略高于農民的習慣施肥。田小明等[20]研究闡明,有機肥和化肥一定比例的混合施用可以提高棉田土壤有機質總量。與研究結果相似, 不同施肥處理土壤有機質依次為OPT+M-N30%﹥CF﹥OPT﹥OPT+NFI-N30%﹥PK。

各地域的肥料施用量與配比應因地制宜。因此，應根據土壤肥料特征選取合適的品種, 采取合理的施肥措施, 尤其控制氮肥的用量以及與有機肥的配施, 以減施和杜絕肥料的過量施用的現象, 促成新疆滴灌棉花高產量高品質的目標。

4 結 論

4.1 優化施肥減氮30%增加有機肥有利于棉花增產和提升品質, OPT+M-N30%處理的籽棉和皮棉產量均最高, 較PK和OPT+NFI-N30%處理分別增加了7.63%、30.33%；OPT+M-N30%處理的籽棉產量與OPT和CF處理無顯著差異, 較CF處理增加了5.09%；CF處理的單鈴重最高, 較PK、OPT和OPT+NFI-N30%處理分別增加了7.13%、5.65%和5.31%, 與OPT+M-N30%處理差異不顯著, 而優化施肥處理的單株鈴數最高，為7.74個；CF處理的棉花衣分含量最低為38.76%。

4.2 不同施肥處理對土壤pH值的影響沒有達到顯著水平, CF處理土壤pH值最低為8.36。優化施肥減氮30%增施微生物菌劑處理有利于降低土壤電導率, OPT+M-N30%、PK、OPT和OPT+NFI-N30%處理的電導率較CF處理分別降低了50.40%、44.46%、28.70%和30.16%。習慣施肥的土壤有效磷和有效鉀均較其余施肥處理有所增加, 且有效磷和有效鉀含量均為最多, 分別為23.10和371.55 mg/kg, 而優化施肥減氮30%增施微生物菌劑處理的土壤全氮、堿解氮及有機質含量均較當地常規施肥處理及其他減氮施肥處理有所增加, OPT+M-N30%處理的全氮含量較CF、PK、OPT、OPT+NFI-N30%施肥處理分別增加了1.70%、15.11%、4.99%、11.35%；OPT+M-N30%處理的堿解氮含量較CF、PK、OPT、OPT+NFI-N30%施肥處理分別增加了5.97%、140.35%、21.93%和63.02%；OPT+M-N30%處理的有機質顯著高于其余施肥處理, 較PK、OPT、OPT+NFI-N30%和CF處理分別增加了23.08%、9.32%、13.82%和7.74%。優化施肥減氮30%增施微生物菌劑有利于提高棉花產量和土壤養分含量,促進棉花品質的提高及對養分的吸收。