不同連作年限對棉花磷肥利用率和產(chǎn)量的影響

耿文超，楊 路，李 杰，焦天奇，高 波，許世武，劉啟斌

(1.新疆沃達(dá)農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，新疆石河子 832000；2.國家棉花工程技術(shù)研究中心，新疆烏魯木齊 830091)

新疆棉花面積之大在世界棉花生產(chǎn)中都占有重要地位[1]，相關(guān)研究顯示，新疆磷肥施用量呈現(xiàn)以每年7.7%的遞增率逐年增加[2]，植物生產(chǎn)發(fā)育必不可少的磷元素，能有效促進(jìn)植物的生長發(fā)育和產(chǎn)量提升[3]。如何提高磷肥的利用率，對于眾多研究者來說，都是較為艱難的課題之一，磷素的缺失會成為限制棉花產(chǎn)量、延長生育期、增加凍害概率的重要影響因子[4]。新疆棉田土壤基本為石灰性土壤，雖然全磷含量較高，但以固態(tài)磷為主，難以被利用[5]。相比其他礦質(zhì)養(yǎng)分，磷的移動性很差，根際磷的快速消耗不能得到根際周圍土壤迅速補(bǔ)充，而磷肥施入后以磷酸鹽殘留于土壤中，難以移動[6]，因此不利于根系對磷的吸收和利用[7]。據(jù)2011年統(tǒng)計(jì)，新疆棉田磷肥平均施用量為 164.2 kg/hm2，超出推薦用量150 kg/hm2[8]，因棉花連年種植不利于棉田土壤理化性狀的良性發(fā)展，而棉農(nóng)為追求棉花高產(chǎn)，大量施入磷肥但被土壤固定，難以被良好利用，不利于磷肥的吸收[9-11]，不僅造成了大量的資源浪費(fèi)，而且與環(huán)境保護(hù)的理念也背道而馳。本研究探討隨著棉田連作年限的增加，棉花各生育時(shí)期對磷肥的利用規(guī)律，分析在現(xiàn)有施肥技術(shù)措施下，隨著連作年限增加，棉花對磷肥吸收利用情況，為新疆棉花種植提供更加科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試棉花品種為新陸早78號，品種特性見表1。本試驗(yàn)在新疆兵團(tuán)第六師新湖農(nóng)場4場22連(86°29′E，44°28′N)進(jìn)行。該地區(qū)的氣候特征是溫帶大陸性氣候，晝夜溫差明顯，氣候干燥，周年降水量不多，無霜期短，大致為 160～170 d。

表1 供試棉花品種特性

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 2021年，在新疆兵團(tuán)第六師新湖農(nóng)場4場22連4隊(duì)，選取不同連作年限但土壤質(zhì)地一致且管理水平相近的棉田進(jìn)行田間試驗(yàn)。本研究將不同棉田的連作年限設(shè)置為單一影響因子，分別為連作5年(記為C1)、連作7年(記為C2)、連作12年(記為C3)、連作20年(記為C4)，不同連作年限的棉田，在地中間選取棉花長勢一致的小區(qū)，小區(qū)共三膜，小區(qū)面積25.8 m2(長3 m，寬8.6 m)。

C1、C2、C3、C4處理氮肥用尿素，按純氮 300 kg/hm2施用，按照總量的40%在播前以基肥深翻施入，60%分7次隨水滴施，磷肥使用三料磷肥(46% P2O5)150 kg/hm2，鉀肥使用硫酸鉀(33% K2O) 1 050 kg/hm2，磷、鉀肥作為基肥在播種前一次性施入，后續(xù)不再投入。所選地塊試驗(yàn)小區(qū)的農(nóng)藝管理措施不單獨(dú)設(shè)置，均與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)管理措施相同。每個(gè)處理3次重復(fù)，同時(shí)每個(gè)重復(fù)邊設(shè)置1個(gè)小區(qū)(小區(qū)長3 m，寬8.6 m，面積25.8 m2)為不施磷肥小區(qū)，作為對照(對應(yīng)不同處理分別記為CK1、CK2、CK3、CK4)。

種植模式采用寬窄行(寬行66 cm、窄行10 cm)的膜下滴灌模式，使用2.2 m寬的膜，膜間距 0.5 m，平均株距14 cm，理論株數(shù)為1.8萬株/667 m2。滴灌模式采用一膜三管的膜下滴灌，灌量統(tǒng)一為400 m3/667 m2。供試土壤類型為灰漠土，在不同棉田采用棋盤法選點(diǎn)，對棉田的土壤理化性狀進(jìn)行測定，各處理測定棉田0～20、>20～40 cm的土壤理化性狀(表2)。

表2 試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)

1.2.2 樣品采集和測定

1.2.2.1 生物量的測定 2021年7月25日、8月10日、9月 15 日(分別為棉花主要生育期花蕾期、花鈴期、吐絮期)，每小區(qū)隨機(jī)采集棉花5株，將各株棉花器官包括根、莖、葉和蕾/鈴(殼、絮、籽)，分離后分別在 105 ℃下殺青1 h，最后在 75 ℃ 條件下烘干48 h并稱質(zhì)量，測定不同處理棉株在不同生育時(shí)期的生物量。

1.2.2.2 土壤速效磷含量的測定 將不同處理棉田棉花植株帶回實(shí)驗(yàn)室后充分烘干并粉碎，使用硫酸-雙氧水消煮法和釩鉬黃比色法[12]分析和比較棉花在不同生育時(shí)期時(shí)不同器官含磷量。同時(shí)將不同處理小區(qū)近滴灌帶旁及正下方，按5 cm將土壤分層，分別采集0～20 cm 共4層土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室充分風(fēng)干后，采用 0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法[12]測定土壤速效磷含量。

1.2.2.3 產(chǎn)量測定 2021年 10 月1日對不同連任年限條件下的棉田進(jìn)行籽棉產(chǎn)量的測定，各小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取1 m2，數(shù)出1 m2內(nèi)的棉花株數(shù)，并分別統(tǒng)計(jì)出每株棉株上的鈴數(shù)，同時(shí)測定單鈴質(zhì)量，由此計(jì)算出1 hm2的籽棉產(chǎn)量，計(jì)算公式如下：

籽棉產(chǎn)量(kg/hm2)=單位面積株數(shù)×單株鈴數(shù)×單鈴質(zhì)量(kg)×10 000(m2)。

1.2.2.4 磷肥利用率

采用以下公式計(jì)算[13-17]：

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，使用Microsoft Office Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總整理及作圖 。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同連作年限棉田對棉花不同生育期植株各器官生物量的影響

不同連作年限棉田中，棉花在各生育時(shí)期的生物量見表3?？傮w上，除花蕾期根系生物量外，在棉花各生育時(shí)期，施磷條件下的棉花器官生物量顯著高于不施磷處理。首先在花蕾期，在施磷處理?xiàng)l件下，各器官的生物量隨著種植年限的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，而不施磷肥條件下，根的生物量在隨著連作年限增加呈現(xiàn)先降低再增加最后再降低的趨勢，且當(dāng)連作年限達(dá)到12年時(shí)根系生物量達(dá)到最大，在20年時(shí)降至最低，總體上各器官的生物量與連作年限呈反比關(guān)系。其次，花鈴期時(shí)，連作5、7年的棉田棉花葉和絮、籽的生物量有顯著差異，根、莖、葉、蕾/殼的生物量差異不顯著，且連作7年葉、絮的生物量顯著高于其他連作年限棉田棉花的生物量。吐絮期時(shí)，施肥條件下，連作7年棉田棉花根和莖的生物量顯著高于其他處理，而連作5、12、20年棉田在施磷和不施磷條件下各器官生物量差異均不顯著?；ㄢ徠?、吐絮期，隨著連作年限的增加棉花各器官的生物量總體表現(xiàn)為先增后降的趨勢，并且在連作年限7～12年時(shí)達(dá)到最高值。

表3 連作年限對棉株不同生育期各個(gè)器官生物量的影響

2.2 不同連作年限棉田對棉花不同生育時(shí)期不同器官含磷量的影響

在不同連作年限的棉花田內(nèi)，總體上，其不同生育時(shí)期的含磷量差異顯著(表4)。在棉花不同生育時(shí)期，棉花各器官的含磷量隨著連作年限的增加，同樣表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢?；ɡ倨跁r(shí)，在施磷肥和不施磷條件下的棉花根、莖含磷量，連作7年的棉田大于連作20年的棉田，與連作5年和連作12年的棉田差異不顯著；而葉、蕾/殼的含磷量表現(xiàn)為連作7年的棉田要高于其他連作年限棉田；同時(shí)，花鈴期連作7年的棉田棉花絮、籽的含磷量最高；吐絮期時(shí)，無論施磷或不施磷的棉田中，連作7年的棉田各生育器官的含磷量最高。

2.3 不同連作年限棉田對棉花不同生育時(shí)期累積吸磷量的影響

從圖1可以看出，棉花不同生育時(shí)期隨著棉花種植年限的增加，連作7年的施磷棉田累積吸磷量要顯著高于其他處理。施磷處理?xiàng)l件下，連作7年棉田棉花在花蕾期、花鈴期、吐絮期的累積吸磷量分別為11.98、47.82、86.87 kg/hm2，不施磷處理?xiàng)l件下連作7年棉田棉花在花蕾期、花鈴期、吐絮期的累積吸磷量分別為8.49、33.73、63.96 kg/hm2。土壤適當(dāng)補(bǔ)磷可有效增加棉花在各生育時(shí)期植株吸磷量，在花蕾期、花鈴期、吐絮期，連作5年時(shí)分別增加吸磷量0.92、7.52、19.84 kg/hm2，連作7年時(shí)分別增加吸磷量3.49、14.09、22.91kg/hm2，連作12年時(shí)分別增加吸磷量1.22、7.88、19.91 kg/hm2，連作20年分別增加吸磷量1.55、5.94、22.57 kg/hm2。隨著連作年限的增加，棉花的累積吸磷量表現(xiàn)出先升后降的趨勢，在連作7年時(shí)棉花各生育期的累積吸磷量為最高；同時(shí)適當(dāng)土壤補(bǔ)磷在棉花生育前期對于棉花累積吸磷量的提升不明顯，而在中后期增加顯著。

表4 不同連作年限棉田對棉花不同生育時(shí)期不同器官含磷量的影響

2.4 不同連作年限棉田對不同磷肥用量下棉花各器官累積吸磷量比例的影響

棉田隨著種年限對于棉花各生育器官累積吸磷量也有著明顯的影響(圖2)。在棉花花蕾期時(shí)，施磷可以促進(jìn)根和葉的累積吸磷量的增加，棉花根、莖、葉的累積吸磷量隨著連作年限的增加，表現(xiàn)為先降低后增加的趨勢，而蕾/殼的累積吸磷量隨著連作年限的增加則表現(xiàn)出相反的趨勢。在花鈴期時(shí)，棉籽的累積吸磷量在不同連作年限的棉田中均表現(xiàn)為施磷條件下要低于不施磷條件下，但花鈴期、吐絮期時(shí)，施磷可以有效促進(jìn)棉絮的累積吸磷量的增加。

2.5 不同連作年限棉田對棉花籽棉產(chǎn)量的影響

根據(jù)測產(chǎn)結(jié)果，隨著連作年限的增加，施磷也會促進(jìn)棉田產(chǎn)量增加(表5)。單鈴質(zhì)量和單株鈴數(shù)隨著連作年限的增加，各處理間差異不顯著，但施磷可有效增加單鈴質(zhì)量。收獲株數(shù)隨著棉田連續(xù)棉花種植年限的增加，在連作7年時(shí)最大，在連作12年時(shí)最小。同時(shí)，隨著連作年限的增加，棉田棉花產(chǎn)量在連作7年時(shí)達(dá)到最高，施磷處理?xiàng)l件下為 7 062.6 kg/hm2，不施磷處理?xiàng)l件下為 6 343.40 kg/hm2。

2.6 不同連作年限棉田磷肥利用率的差異性

從表6可以看出，隨著棉田連續(xù)種植棉花年限的增加，施磷處理施肥利用率、磷肥農(nóng)學(xué)利用率和磷肥偏生產(chǎn)率均無顯著差異，但在連7年時(shí)最高，且磷肥累積利用率要顯著高于其他連作年限的棉田。同時(shí)，施磷也提高了不同連作年限棉花的磷肥偏生產(chǎn)力、磷肥累積利用率、磷肥農(nóng)學(xué)效率及施肥利用率。

3 討論與結(jié)論

3.1 連作年限的增加對棉花生長發(fā)育的影響

土壤有效磷素的含量與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)[18-19]，隨著棉田連作年限的增加，土壤理化性質(zhì)不斷發(fā)生變化。本研究結(jié)果顯示，隨著連作年限增加，棉田中的速效磷呈現(xiàn)增加的趨勢[20]，在新疆第六師新湖的研究表明，連作7年棉田棉花生物量顯著高于其他連作年限棉田棉花生物量，并且施磷可顯著增加棉花器官生物量。吐絮期時(shí)，施肥條件下，連作7年棉田棉花根和莖的生物量顯著高于其他處理，而花鈴期、吐絮期，隨著棉田連續(xù)種植棉花的時(shí)間推移，棉花在各生育階段的生物量總體上表現(xiàn)出先增后降的趨勢。表明在連作年限較短的棉田內(nèi)，棉花在前期時(shí)若未能及時(shí)補(bǔ)充磷素，不利于生物量的累積，隨著連作年限的增加，土壤施肥量增加，即使不補(bǔ)充磷素，在土壤中有較多的速效磷可供吸收，但若達(dá)到一定連作年限，土壤中的磷將轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)磷，難以被利用，也不利于棉花生物量的累積。因此在長期連作的條件下，適當(dāng)及時(shí)補(bǔ)充磷，可有效增加棉花生物量累積，可持續(xù)獲得穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。因?yàn)樯锪坷鄯e是作物高產(chǎn)的基礎(chǔ)條件[21]。

3.2 連作年限的增加對植株累積吸磷量和產(chǎn)量的影響

相關(guān)研究指出，棉花長期連作后，平衡施肥與否直接決定棉花產(chǎn)量高低[22]，本研究中，在長期連作的棉田中，施磷可有效增加棉花累積吸磷量，總體上累積吸磷量隨著連作年限的增加表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，在連作年限低于7年時(shí)，施磷對于棉花累積吸磷量的促進(jìn)作用不明顯，而連作超過7年時(shí)，適當(dāng)補(bǔ)磷可在棉花生育中后期對于棉花累積吸磷量的提升明顯，前期不明顯。隨著棉田種植年限的增加，施磷對棉花生育前期各器官累積吸磷量提升不明顯，在中后期時(shí)，可促進(jìn)棉絮的累積吸磷量的增加。這是由于前期棉花個(gè)體小，而隨著連作年限的增加，補(bǔ)充進(jìn)土壤中未被利用的大部分養(yǎng)分會通過化學(xué)反應(yīng)固定于土壤中，但亦足夠棉花營養(yǎng)生長所需；中期時(shí)棉花營養(yǎng)生長與生殖生長并重，若不適量補(bǔ)充養(yǎng)分，難以維持棉花植株生長；而后期棉花生長處于衰退期，生長減緩，并且主要以供應(yīng)棉絮發(fā)育為主，因此所需養(yǎng)分進(jìn)一步減少，施磷可有效增加單鈴質(zhì)量。施磷處理?xiàng)l件下連作7年的棉田棉花產(chǎn)量顯著高于其他連作年限棉田的棉花產(chǎn)量，與前人研究成果[23-25]基本一致。

表5 不同連作年限條件下對棉花產(chǎn)量的影響

表6 不同連作年限對棉田磷肥利用率的影響

3.3 連作年限對棉花磷肥利用效率的影響

隨著連作年限增加，土壤中的有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)先上升后下降趨勢[26-27]，速效磷含量有所下降[20]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著連作年限的增加棉田磷肥施肥利用率、磷肥農(nóng)學(xué)利用率和磷肥偏生產(chǎn)率無顯著差異，但在連作7年時(shí)最高，并且連作7年的棉田施磷累積利用率要顯著高于其他處理，與前人的研究成果[28]基本一致。

棉田連作年限在7年時(shí)，棉田土壤理化性質(zhì)較好，在適當(dāng)補(bǔ)施磷肥的情況下有利于棉花獲得較好的生物量和產(chǎn)量，超過12年時(shí)土壤中的速效磷容易被固定，不利于植株的吸收，因此要加強(qiáng)中后期棉花的磷肥補(bǔ)施才能有利于獲得高產(chǎn)。