基于養分專家系統的棉花推薦施肥效應

佘玲藝,哈麗哈什·依巴提,張 炎,陳創洲,樊林鑫,張 優

(1.新疆農業大學資源與環境學院,烏魯木齊 830052;2.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所,烏魯木齊 830091;3.農業農村部荒漠綠洲作物生理生態與耕作重點實驗室,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】新疆棉花面積、總產、單產連續多年位居全國第一[1]。2021年新疆棉花播種面積為2 506.1×103hm2,約占全國的82.76%,產量為512.9×104t,約占全國的89.5%[2]。合理施用化肥,能夠優化棉花冠層結構,增加棉花對氮、磷、鉀養分的吸收和利用,提高棉花產量和纖維品質。農作物肥料利用率需要提高[3],棉田化肥也有過量施用現象[4]。目前,國內棉花的推薦施肥方法主要是基于土壤測試的推薦施肥方法[6],但該類方法推薦施肥不及時,無法根據小農戶的不同地力水平及時推薦施肥量。【前人研究進展】基于產量反應和農學效率的養分專家(Nutrient Expert,以下簡稱NE)系統是新的有關作物施肥推薦系統[7-12]。養分管理和肥料推薦原則基于改進的實地養分管理技術(Site-specific nutrient management, SSNM)和QUEFTS模型指導的養分管理,并綜合考慮氮、磷、鉀養分的科學施肥[13]。2009年至今我國養分專家系統推薦施肥已在棉花[14,15]、小麥[16]、水稻[17]、玉米[18,19]、馬鈴薯[20]、蘿卜[21]、大蔥[22]等作物上進行了研究分析和應用驗證,與當地的常規習慣性施肥相比,均能增產增收。棉花養分專家系統是以實地養分管理為基礎,結合“4R”(合適的肥料品種、合適的肥料用量、合適的施肥時間和合適的施肥位置)養分管理原則,應用大量的田間試驗,分析各農學參數的內在聯系而建立的一種平衡推薦施肥方法[23]。【本研究切入點】現已在新疆南北疆開展田間驗證試驗,均取得增產增收的效果[14,15]。但由于新疆棉花種植面積廣,尚未完成在不同氣候、土壤和肥力條件下進行田間驗證。需研究棉花養分專家系統推薦施肥在新疆南疆棉花生產中應用的可行性。【擬解決的關鍵問題】研究通過田間試驗,分析棉花養分專家推薦施肥對沙雅縣棉花產量、效益、養分吸收及肥料利用的影響,驗證棉花養分專家系統的可行性,為沙雅縣棉花科學施肥提供依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

2021年在新疆沙雅縣海樓鎮海樓村(41°28′30″N,82°71′84″E)和庫木巴格村(41°16′48″N,82°41′19″E)布置田間試驗。

表1 供試土壤基礎理化性質

海樓村棉花供試品種為新陸早66號,2021年5月20日播種,10月15日收獲。庫木巴格村的棉花供試品種為新陸中80號,2021年4月10播種,10月16日收獲。兩地均采取膜下滴灌機采棉種植模式,1膜6行,行距((10+66+10+66+10)+66) cm,株距10.5 cm,理論株數為25.4×104株/hm2。表1

供試氮肥為尿素(46%N),供試基施磷肥為三料磷肥(46%P2O5)、追施磷肥為磷酸一銨(12%N,60%P2O5),供試鉀肥為硫酸鉀(50%K2O)。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

設8個處理:NE,基于養分專家系統的推薦施肥;NE+OM,養分專家系統推薦施肥基礎上,施用有機肥代替部分化肥;FP,常規習慣施肥;OPTS,當地農技推廣部門推薦施肥;CK,不施肥;NE-N,NE推薦基礎上不施氮肥;NE-P,NE推薦基礎上不施磷肥;NE-K,NE推薦基礎上不施鉀肥。

所有施肥處理氮肥用尿素分6次按10∶20∶25∶25∶10∶10的比例隨水滴施,海樓村分別于2021年6月9日、6月25日、7月5日、7月21日、8月2日和8月13日施入;庫木巴格村分別在2021年6月14日、7月1日、7月6日、7月14日、7月28日和8月13日施入。磷肥70%做基肥,使用三料磷肥,海樓村和庫木巴格村分別于在4月9日、4月8日撒施后深翻;30%磷肥以磷酸一銨在苗期隨水追施,海樓村在6月9日,庫木巴格村在6月14日施入。鉀肥以硫酸鉀分2次在蕾期和鈴期各50%隨水滴施,海樓村分別于6月25日和7月21日,庫木巴格村分別在7月1日和7月14日施入。

2個試驗小區均隨機排列,每個處理重復3次,小區面積為9.12 m×6.46 m=58.9 m2。表2

1.2.2 測定指標

土壤養分:全氮采用凱氏定氮法,全磷采用酸熔-鉬銻抗比色法,全鉀采用用酸溶-火焰光度計法,有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法,堿解氮采用堿解擴散法,有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法,速效鉀采用乙酸銨提取-火焰光度法,pH值和電導率采用浸提電位法(水土比2.5∶1),方法參照《土壤農化分析》[24]。

棉花植株養分:全氮、全磷、全鉀均采用H2SO4-H2O2消煮,流動分析儀測定[25]。

產量:棉花吐絮期調查每個小區的總鈴數、總株數、計算單株鈴數和公頃收獲株數;各小區分3次取棉株上、中、下部位共50朵,測定單鈴重。

表2 各處理施肥

1.2.3 肥料利用率

氮肥表觀利用率(%)=(施氮區棉株吸氮量-不施氮區棉株吸氮量)/施氮量×100%;

氮肥偏生產力(kg/kg)=施肥區籽棉產量/施氮量;

氮肥農學效率[kg/kg]=(施氮區產量-不施氮區產量)/施氮量;

磷、鉀肥料利用率計算與以上氮肥計算公式相同。

1.3 數據處理

試驗數據采用Microsoft Excel 2022和SSPS 17統計軟件進行整理和分析,多重比較采用Ducan法(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對棉花產量和產量構成影響

研究表明,2個試驗施肥均顯著增加了棉花的產量。其中海樓村NE、NE+OM、FP和OPTS相比于CK,分別增產38.01%、39.27%、25.23%和27.85%;其中NE+OM產量最高,NE次之,較FP和OPTS分別增產11.21%、9.26%和8.94%、7.95%。NE相比于NE-N、NE-P和NE-K,分別增產27.81%、22.82%和17.14%。庫布巴格村NE、NE+OM、FP和OPTS較CK,產量分別提高47.22%、44.34%、31.85%和33.68%;其中NE產量最高,顯著高于FP和OPTS,分別增產11.66和10.13%;NE+OM的產量次之,顯著高于FP。NE相比于NE-N、NE-P和NE-K,分別增產36.04%、33.64%和13.92%。兩地呈現相同規律,均為氮肥對棉花產量影響最大,其次是磷肥,鉀肥最小。

相比于NE、NE+OM、FP和OPTS,不施肥和缺素處理都顯著降低了棉花單鈴重。其中,海樓村CK的單鈴重最低;庫木巴格村除CK之外,其他各處理之間沒有顯著性差異。在單株鈴數上,海樓村NE、NE+OM、FP、OPTS和NE-K之間無顯著性差異,但都顯著高于CK、NE-N和NE-P;庫木巴格村NE和NE+OM顯著高于其他各施肥處理。試驗地點對株數、單株鈴數和產量有顯著影響,試驗地點和處理對于單株鈴數和單鈴重有顯著交互作用。表3

2.2 不同施肥處理對棉花經濟效益影響

研究表明,施肥顯著提高了植棉的經濟效益。海樓村NE、NE+OM、FP和OPTS較CK,分別增收11 752.3、8 366.4、4 240.8和6 330.7 元/hm2,庫木巴格村NE、NE+OM、FP和OPTS較CK,分別增收16 694.7、11 684.8、3 991.6和9 419.5元/hm2。2個試驗NE經濟效益均為最高,海樓村NE相比于NE+OM、FP和OPTS效益分別增加了7.40%、18.04%和12.40%;庫木巴格村NE相比于NE+OM、FP和OPTS效益分別增加了9.68%、28.82%和14.70%。海樓村和庫木巴格村NE的產投比顯著高于NE+OM、FP和OPTS,分別增加了12.73、11.9、9.26和16.87、20.34、13.24,在氮、磷、鉀肥推薦量相同的情況下,由于NE+OM施用有機肥,導致肥料投入顯著高于NE,產投比顯著降低。表4

2.3 不同施肥處理對棉花養分吸收、分配影響

研究表明,海樓村和庫木巴格村各施肥處理都顯著增加了棉花氮、磷、鉀養分吸收,無論是棉花秸稈還是籽棉,減素處理的氮、磷、鉀積累量都顯著降低。另外,海樓村NE秸稈和籽棉氮磷鉀積累量分別占地上部氮、磷、鉀積累量的52.19%、46.36%、81.90%和47.81%、53.64%、18.10%;庫木巴格村NE秸稈和籽棉氮、磷、鉀積累量分別占地上部氮、磷、鉀積累量的37.80%、29.68%、79.18%和62.20%、70.32%、20.82%。圖1

表3 不同施肥處理下棉花產量及產量構成變化

海樓村籽棉氮素和磷素積累量NE+OM均為最高,其中氮素顯著高于FP,與NE和OPTS之間無顯著性差異,分別高出10.13%、4.33%和5.84%;磷素顯著高于OPTS,與NE和FP之間無顯著性差異,分別高出11.36%、1.94%和3.99%;鉀積累量NE顯著高于NE+OM、FP和OPTS,分別高出23.66%、17.75%和24.44%。庫木巴格村籽棉氮積累量NE+OM最高,顯著高于NE、FP和OPTS,分別高6.72%、11.05%和50.96%,其中NE和FP之間無明顯差異,但都顯著高于OPTS;磷積累量FP顯著高于NE、NE+OM和OPTS,分別高出12.76%、15.83%和40.15%;鉀積累量NE、NE+OM和FP顯著高于OPTS,分別高出17.64%、18.69%和23.21%。

兩地施肥處理的養分積累都顯著高于不施肥和缺素,其中氮肥對棉花秸稈養分吸收的影響最為明顯。海樓村氮素積累量表現為NE氮素吸收量最高,顯著高于NE+OM、FP和OPTS,分別高出8.9%、15.07%和9.77%;磷、鉀積累量NE均最高,其中磷積累量NE、FP和OPTS之間無顯著差異,但都顯著高于NE+OM,分別高出21.73%、15.21%和24.46%;鉀積累量NE、NE+OM和FP均顯著高于OPTS,分別高出15.73%、10.17%和4.68%。庫木巴格村氮積累量NE和OPTS顯著高于NE+OM和FP,其中NE高出11.73%和5.93%,OPTS高出20.26%和14.02%;磷積累量OPTS和FP顯著高于NE和NE+OM,其中OPTS高出22.42%和16.72%,FP高出16.94%和11.49%;鉀積累量NE、NE+OM和FP之間無顯著差異,但NE和FP顯著高于OPTS,分別高出8.05%和8.9%。

海樓村和庫木巴格村NE 100 kg籽棉吸收N、P2O5、K2O量分別為4.96、2.42、7.34 kg和4.77、2.28、5.89 kg;NE+OM 100 kg籽棉吸收N、P2O5、K2O量分別為4.8、2.23、6.74 kg和4.87、2.31、5.82 kg;FP 100 kg籽棉吸收N、P2O5、K2O量分別為4.95、2.57、7.24 kg和5.08、2.9、6.68 kg;OPTS 100 kg籽棉吸收N、P2O5、K2O量分別為5.07、2.52、6.76 kg和4.45、2.33、5.9 kg。圖1

表4 不同施肥處理下棉花經濟效益變化

圖1 不同施肥處理下吐絮期棉花養分吸收及分配變化Fig.1 Effects of fertilization on nutrient uptake and distribution of cotton during flocculation

2.4 不同施肥處理對棉花肥料利用率影響

2.4.1 表觀利用率

研究表明,海樓村和庫木巴格村NE和NE+OM的氮、磷、鉀肥的表觀利用率都顯著高于FP和OPTS。海樓村NE氮、磷、鉀肥的表觀利用率都顯著高于NE+OM、FP和OPTS,分別高出4.56、17.27、26.43;5.13、18.47、5.83和4.86、36.82、33.38個百分點。庫木巴格村氮肥的表觀利用率NE+OM與NE之間無顯著差異,但顯著高于FP和OPTS,NE+OM高出25.72、31.24個百分點,NE高出23.83、29.35個百分點;磷肥和鉀肥的表觀利用率呈現相同趨勢,即NE顯著高于FP和OPTS,同時高于NE+OM,但沒有顯著性差異。供試土壤的基礎肥力對磷鉀肥料的表觀利用率有顯著影響,不同試驗地點,施用不同數量的肥料都能對棉花氮、磷、鉀肥的表觀利用率產生顯著交互影響。表5

2.4.2 農學效率

研究表明,海樓村氮肥和磷肥的農學效率都表現為NE+OM>NE>FP>OPTS,其中氮肥農學效率NE和NE+OM都顯著高于FP和OPTS,NE分別高出2.22和2.8 kg/kg,NE+OM分別高出2.39和2.97 kg/kg;磷肥農學效率NE較FP和OPTS高出8.24和8.5kg/kg,NE+OM較FP和OPTS高出8.71和8.97 kg/kg;而鉀肥的農學效率則呈現出NE+OM>NE>OPTS>FP,其中NE與NE+OM都顯著高于FP和OPTS。庫木巴格村氮、磷、鉀肥的農學效均率呈現出NE>NE+OM>OPTS>FP,其中NE的氮、磷、鉀肥的農學利用率顯著高于NE+OM、OPTS和FP,分別高出0.44、1.57、1.83 kg/kg,4.06、11.24、9.83 kg/kg和4.23、18.47、11.19 kg/kg。試驗地點對農學效率有顯著的影響并試驗地點和處理對氮、磷、鉀肥的農學效率顯著交互作用。表5

2.4.3 偏生產力

研究表明,海樓村和庫木巴格村NE氮、磷、鉀肥的偏生產力都顯著高于FP和OPTS。海樓村NE+OM氮、磷、鉀肥的偏生產力顯著高于FP和OPTS,同時也高于NE,但是并不顯著。庫木巴格村NE+OM的氮、磷、鉀肥的偏生產力同樣高于FP和OPTS,但都低于NE,其中氮肥的偏生產力顯著低于NE,磷肥和鉀肥與NE之間沒有顯著性差異。試驗地點對磷肥偏生產力有顯著的影響,試驗地點和處理對氮、磷、鉀肥的偏生產力有顯著交互作用。表5

表5 不同施肥處理下棉花偏生產力、農學效率及表觀利用率變化

3 討 論

3.1合理施肥是提高棉花產量、提升品質、增加經濟效益的重要物質基礎。肥料過度投入會導致營養生長過于旺盛,并且不能及時將養分轉化到生殖生長中,從而導致棉花產量降低[15]。

棉花養分專家系統是基于產量反應和農學效率的推薦施肥方法,將棉花產量形成時所需的養分、土壤肥力水平和生長環境等因素進行了綜合考慮,通過科學規劃氮、磷、鉀肥的施用時期,優化了氮、磷、鉀肥料的投入配比,實現了養分供應與棉花養分需求的相互同步,確保了棉花養分供應的同時,大幅度地提高了肥料的利用效率,實現棉花產量和收益雙提高的生產目標[14,15]。研究中,海樓村和庫木巴格村的棉花養分專家系統推薦施肥在比FP減施氮肥17.05%和50.85%,減施磷肥71.64%和85.23%,減施鉀肥62.5%和84.73%的情況下,海樓村和庫木巴格村NE的產量增加10.2%和11.66%,經濟效益提高7 511.5和12 703.1元/hm2;NE+OM產量增加11.21%和9.48%,經濟效益提高4 125.5和7 693.3元/hm2。兩地NE推薦施肥量在比OPTS減施氮肥48.89%和50.1%,減施磷肥5%和30%,均減施鉀肥42.86%的情況下,海樓村和庫木巴格村NE的產量增加7.95%和10.13%,經濟效益分提高5 421.6和7 275.2元/hm2;NE+OM的產量增加13.54%和8.94%,經濟效益提高2 035.6和2 265.4元/hm2。棉花養分專家系統推薦施肥無論是與FP相比還是與OPTS相比,海樓村和庫木巴格村均在減少肥料投入的情況下,增產增收。棉花養分專家系統是以不施某種肥料的棉花產量反應為依據代替土壤測試值,對土壤基礎肥力進行評判,同時綜合考慮了作物目標產量和氣候條件,該推薦方法更加科學、靈活[23]。

3.2棉花養分積累是棉花生長、根系吸收能力和土壤養分有效性動態變化的結果,也是提高棉花產量和肥料利用率的基礎[26]。相比其他的推薦施肥方法,棉花養分專家系統通過基于大量田間試驗數據的QUEFTS模型進行目標產量與養分吸收的模擬,同時還考慮了氮、磷、鉀養分之間的兩兩相互作用,因此,模擬的目標產量與養分吸收的關系曲線更接近于實測值[27]。研究表明,FP和OPTS兩個處理的施磷量顯著高于棉花養分專家系統的推薦施肥量,但產量并沒有顯著高于NE,兩個處理中棉株對磷素存在奢侈吸收現象。兩個試驗點,施肥均能夠促進棉花生長發育、增加產量和養分吸收,其中,NE處理在降低氮、磷、鉀肥料投入的同時,養分吸收較FP和OPTS沒有顯著下降,推薦施肥量在合理范圍內,沙雅縣減少氮、磷、鉀肥的施用量對棉花養分吸收影響不大,同時還能提高棉花產量和肥料利用率。

肥料利用率是施肥增產的重要依據,也是權衡施肥是否合理、是否具有先進性的重要參考指標[28]。氮肥的過量施用,會影響棉花后期對于氮素的吸收[29],造成氮肥的利用率下降。科學施肥能夠有效提高棉花對氮、磷、鉀肥的肥料利用率及農學效率[30]。孫繪健等[19]研究表明,施肥能夠有效提高棉花對氮、磷、鉀的養分吸收,但和NE相比,FP和OPTS的肥料利用率顯著降低。胡斌等[31]研究表明,相比習慣性施肥,測土配方施肥更為合理,氮、磷、鉀配比更為平衡,能夠有效提高氮、磷、鉀肥的利用率,分別提高9.71%、3.47%和11.55%,所呈現的規律均與研究規律相同。研究表明,棉花養分專家系統是更科學的施肥推薦,不僅提高棉花產量,同時顯著提高了化肥利用率。海樓村和庫木巴格村都呈現同樣的趨勢。海樓村和庫木巴格村NE和NE+OM的肥料利用率均顯著高于FP,兩地NE和NE+OM的肥料利用率高于OPTS的原因主要是由于棉花養分專家系統的氮磷鉀肥的推薦施肥方式更為合理,棉花養分專家系統推薦施肥考慮了上季作物的養分殘余和秸稈還田歸還的養分,與基于土壤測試的推薦施肥方式相比,肥料總投入量更為合理。

4 結 論

2塊試驗地的土壤基礎供肥能力,棉花養分專家系統進行的推薦施肥量均顯著降低。海樓村和庫木巴格村NE較FP分別減施氮肥17.07%、50.85%;減施磷肥71.64%、85.23%和減施鉀肥62.5%、84.73%;較OPTS分別減施氮肥48.89%、50.1%;減施磷肥5%、30%,均減施鉀肥42.86%的情況下,兩地NE均顯著提高植棉的產量和經濟效益,同時顯著提高了肥料利用率。棉花養分專家系統推薦施肥相比于常規習慣性施肥配比更為科學,肥料用量、施肥方式和施肥時期更適宜。