有機酸添加對不同磷肥用量新疆棉田磷素健康狀況評價

馬超 張凱 柳萍 楊川 張慧

摘要 ［目的］探明有機酸添加對不同磷肥用量新疆棉田磷素健康狀況的綜合評價。［方法］采用大田試驗方法，在不同磷肥用量處理（0 、50 、100 、150? kg P2O5/hm2）的基礎上，設置對照（CK）和有機酸添加（OA）處理。研究2019—2020年棉田土壤速效磷、微生物生物量磷、堿性磷酸酶活性、植株生物量、植株吸磷量、籽棉產量、經濟效益、植物磷素盈余量8個向量指標進行基于雷達圖分析的新疆棉田磷素健康綜合評價。［結果］有機酸添加對不同磷肥用量新疆棉田磷素健康狀況評價結果分別為0.254 5、0.381 3、0.390 4、0.390 2、0.406 5、0.437 2、0.394 0、0.395 1，最終排序為MAP100+OA>MAP100+CK>MAP150+OA> MAP150+CK>MAP50+CK>MAP50+OA>MAP0+OA>MAP0+CK。［結論］45 kg 有機酸+ 100 kg P2O5/hm2處理是新疆棉田磷素健康管理的最優處理，可為新疆棉田磷素健康狀況評價提供一個更為客觀和科學的參考。

關鍵詞 棉花；磷肥用量；有機酸；雷達圖；磷素健康

中圖分類號 S 562? 文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2023）07-0160-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.07.037

Evaluation of Organic Acid Addition on? Phosphorus Health Status in Cotton Field with Different Phosphorus Fertilization Rates in Xinjiang

MA Chao1，ZHANG Kai2，LIU Ping2 et al

（1.Xinjiang Xinlianxin Energy Chemical Co.， Ltd.， Manas， Xinjiang? 832200;2.? College of Resources and Environment， Xinjiang Agricultural University， Urumchi，Xinjiang 830052）

Abstract ［Objective］ To explore the comprehensive effect of organic acid addition on phosphorus health status of cotton field in Xinjiang with different phosphorus fertilizer dosage.［Method］ Field experiment method was adopted. The control （CK） and organic acid addition （OA） treatments were set on the basis of different P fertilizer dosage （0， 50， 100， 150 kg P2O5/hm2）. The comprehensive evaluation of phosphorus health in cotton field in Xinjiang was carried out based on radar chart analysis in 2019-2020 by studying eight vector indexes including soil available phosphorus， microbial biomass phosphorus， alkaline phosphatase activity， plant biomass， plant phosphorus uptake， seed cotton yield， economic benefit and plant phosphorus surplus. ［Result］The evaluation results of organic acid addition on phosphorus health status of cotton field in Xinjiang with different phosphorus fertilizer dosage were 0.254 5， 0.381 3， 0.390 4， 0.390 2， 0.406 5， 0.437 2， 0.394 0， 0.395 1， respectively. The final sequence was MAP100+OA>MAP100+CK>MAP150+OA>MAP150+CK>MAP50+CK>MAP50+OA>MAP0+OA>MAP0+CK. ［Conclusion］The treatment of 45 kg organic acid+100 kg P2O5/hm2 is the best treatment for phosphorus health evaluation of cotton fields in Xinjiang， providing a more objective and scientific method for phosphorus health evaluation of cotton fields in Xinjiang.

Key words Cotton;Phosphate fertilizer application rate;Organic acids;Radar Chart;Phosphate health

基金項目 國家自然科學基金項目（41761067）；新疆維吾爾自治區自然科學基金項目（2017D01A37）；國家重點研發專項子課題（2017YFD0200205-6）。

作者簡介 馬超（1997—），男，吉林大安人，碩士研究生，研究方向：新型肥料產品開發。通信作者，副教授，博士，從事農田土壤養分循環研究。

收稿日期 2022-05-19

棉花是新疆農業經濟的重要組成部分之一。據統計，新疆棉花播種面積約為316.99萬hm2，占全國種植面積的78.92%，棉花產量為2 062.5 kg/hm2，占全國棉花總產量的87.3％［1］。新疆光熱資源豐富、棉花品質優異等［2］，新疆棉花總產、單產、種植面積等連續26年位居全國第一［3］，確保國家棉花生產安全［4］。磷素是新疆棉田的主要養分限制因子之一［5］。由于磷肥在石灰性土壤上固持嚴重［6］，棉田磷肥當季利用率僅為10%～25%［7］，導致新疆棉田普遍存在磷肥過量施用的現象。有機酸是提高土壤磷素有效性［8］、促進作物磷素吸收［9］、改善棉田磷素健康的有效途徑之一［10-11］。這是因為有機酸通過配位交換［12］、有機態磷在pH降低時部分水解［13-14］、螯合溶解作用［15］等提高土壤磷素有效性進而提高棉花產量。但基于雷達圖分析的新疆棉田土壤磷素健康狀況評價鮮見報道。雷達圖分析法（Radar Chart）是一種直接并形象地反映評價結果的綜合特性［16］，利用評價結果構建多變量相對比的分析方法［17］。研究表明雷達圖分析法應用于農業領域中具有較好效果。程君奇等［16］利用雷達圖分析烤煙中化學成分之間的協調性，其結果可對研究對象進行準確評價；鄧祿軍等［18］通過雷達圖分析了馬鈴薯產量、薯型等9個指標，結果表明雷達圖分析法能夠對馬鈴薯品種進行客觀、科學評價其優劣，說明雷達圖分析法對農業生產進行評價的方法是可行的。因此，筆者運用雷達圖分析方法，從土壤肥力、土壤微生物量、作物生長情況、作物產量、經濟效益、棉田養分平衡6個方面進行有機酸添加對不同磷肥用量新疆棉田磷素健康狀況評價，建立基于雷達圖平均面積和平均周長的綜合評價函數，結合評價結果為新疆棉田磷素健康狀況評價提供一個更為客觀和科學的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取新疆阜康市彭家灣村冰湖三隊（88°0′44.30″E、44°10′21.05″N）。阜康市地屬大陸性干旱氣候，年均無霜期174 d，光熱資源充足。該試驗區土壤背景值分別為有機質18.10 g/kg，堿解氮46.23 mg/kg，速效磷13.55 mg/kg，pH（水∶土=5∶1）8.14，電導率226.74 μS/cm。

1.2 試驗設計

以當地測土配方施肥磷肥推薦用量（150 kg P2O5/hm2）為上限，設置了0、50 、100和150 kg/hm2 P2O5（MAP0、MAP50、MAP100和MAP150）4個磷肥用量處理，每個磷肥用量處理下設不添加有機酸對照（CK）和有機酸添加處理（OA，主要成分為黃腐酸，有機酸用量為45 kg/hm2，單價為4 500元/t），每個處理4個重復，共32個小區，小區面積為5 m×4 m（20 m2）。棉花種植模式為膜下滴灌，1膜1帶2行種植，棉花株距15 cm。棉田磷肥采用磷酸一銨（云南常青樹化工有限公司，N含量12%，P2O5含量61%，單價為110元/25 kg），氮肥采用尿素（新疆鴻基焦化有限責任公司，N含量46.2%，單價為75元/40 kg），施氮量為250 kg N/hm2（尿素與磷酸一銨中氮的總和），鉀肥采用農用硫酸鉀（新疆新雅泰化工有限公司，K2O含量51%，單價為130元/25 kg），施用量為30 kg K2O/hm2，棉種采用新路早64號，所用物品單價見表1，2019、2020年在棉花各生育期分6次隨水滴施，其他田間管理和農藝措施均與新疆棉田普遍采用的模式保持一致。

1.3 測定項目與方法

土壤速效磷：2019、2020年在小區滴灌帶附近進行取土，隨機采集0～20 cm土樣5份，混勻后風干并揀去雜物。待測土樣過1 mm篩后用NaHCO3-釩鉬藍比色法測定土壤有效磷含量。土壤微生物生物量磷（MBP）采用氯仿熏蒸-NaHCO3浸提法測定［19］。土壤磷酸酶活性（ALP）測定參照吳金水等［19］的方法。

植物生物量、吸磷量：2019、2020年在花蕾期、花鈴期和吐絮期對植株進行采集，在75 ℃條件下烘干36 h至恒重，記錄生物量，將樣品粉碎，稱取相對應植物重量，采用硫酸-雙氧水消煮法消至無色。用釩鉬黃比色法測定棉花的含磷量。

籽棉產量：2019、2020年每個試驗小區在地膜內設置面積為1 m2的樣方，并根據該樣方內的棉花株數、單株鈴數和單鈴重計算籽棉產量。

經濟效益：經濟效益=（籽棉產量×棉花單價）-成本-人工

式中，棉花單價采取2019和2020年平均單價7.9元/kg；成本包括肥料和有機酸成本、農藥和脫葉劑成本、種子及小區所用滴灌帶成本、土地租賃費用等；人工費用（鋪地膜機械、滴灌帶鋪設、人工除蟲和無人機噴灑脫葉劑等費用）按37.5元/20 m2計算。

土壤磷素盈余量：磷素盈余量=磷素輸入的P2O5量-磷素輸出的P2O5量。

雷達圖的繪制及分析計算：根據公式（1）、（2）將指標按照正向、逆向指標劃分并對指標進行無量綱化轉化，將數值控制在［0，1］。

Rij=rijmaxrij（正向指標）（1）

Rij=1-rijmaxrij（逆向指標）（2）

式中，Rij代表各指標處理后無量綱化數值，rij為方差分析后各指標值，maxrij為各指標重復處理內最大值。

在雷達圖分析評價中m個測定指標對應雷達圖中m條數軸，各指標的權重需要根據2條相鄰指標之間的夾角轉化計算，根據公式（3）、（4）、（5）計算各指標的相關變異系數、權重和兩指標夾角角度。

Ci=DXi（3）

Wi=Cini=1Ci（4）

θi=360Wi（5）

式中，D代表第i個指標的標準差，Ci代表第i個指標的變異系數，Wi代表第i個指標的權重，θi為夾角角度，∑θij=360°。

由于在雷達圖中各指標所在的位置不同，計算出的雷達圖面積、周長等影響最終評價結果，但雷達圖中三角形平均面積和平均周長保持不變。因此根據公式（6）、（7）計算x和x。

x=mm-1i=1mi<jRiRjsinθij2C2m（6）

x=mm-1i=1mi<jR2iR2j-2RicosθijC2m（7）

式中，x代表各處理雷達圖的平均面積，x代表各處理雷達圖的平均周長，m為測定指標數，Ri和 Rj為測定指標中的第i和第j指標，θ為兩測定指標夾角角度。

計算x和x，以x和x為基礎，x代表處理效應總體優勢的好劣程度，根據公式（8）計算各處理間的評價函數x，x反映各指標均衡性和綜合貢獻，數值越大代表效果越好。根據公式（9）計算各處理間的評價值Y。

x=xπ（x/2π）2（8）

Y=XxVx（9）

采用SPSS 23.0和origin 2018進行數據整理分析并繪制雷達圖，通過各處理在雷達圖上表現出的平均面積和平均周長，構建綜合評價函數，用評價函數值的大小說明有機酸對不同磷肥用量新疆棉田磷素健康狀況。

2 結果與分析

2.1 指標選取及評價指標

根據新疆地區充足的光熱資源和棉花生產經驗，結合新疆地區大規模種植棉花對土壤及環境的影響［2］。最終確定土壤速效磷含量、植株生物量、植株吸磷量、微生物生物量磷、堿性磷酸酶、籽棉產量、經濟效益和磷素盈余量8個指標進行基于雷達圖分析的有機酸添加對不同磷肥用量新疆棉田磷素健康狀況評價。由表2可知，在不添加有機酸處理時，土壤速效磷含量和植株吸磷量隨磷肥用量的增加表現出先升高后降低的趨勢，且在MAP100處理時達到最大；植株生物量、堿性磷酸酶活性、籽棉產量、經濟效益隨磷肥用量的增加呈波浪形變化趨勢，在MAP150處理時達到最大；微生物生物量磷和磷素盈余量隨磷肥用量的增加表現出逐漸升高趨勢，在MAP150處理時達到最大。添加有機酸在適宜磷肥用量下提高了各指標含量，土壤速效磷、植株吸磷量、堿性磷酸酶活性、籽棉產量、經濟效益隨磷肥用量的增加表現出先升高后降低的趨勢；植株生物量隨磷肥用量的增加呈波浪形變化趨勢，在MAP150處理時達到最大；微生物生物量磷和磷素盈余量隨磷肥用量的增加表現出逐漸升高的趨勢，在MAP150處理時達到最大。

2.2 基于雷達圖對新疆棉田磷素健康狀況綜合評價

2.2.1 評價指標的無量綱化及權重計算。

根據表3中各指標的數據特性進行標準化處理分組，其中土壤速效磷、植物生物量、吸磷量、微生物生物量磷、堿性磷酸酶活性、籽棉產量和經濟效益屬于正向指標，其數值越大代表該處理表現越好；磷素盈余量以接近0為理想狀態，為逆向指標。根據公式（1）、（2）對指標進行無量綱化轉化。

2.2.2 雷達圖繪制。

從有機酸添加對不同磷肥用量棉田磷素健康狀況評價雷達圖可以看出（圖1），MAP0+CK各項指標表現為中等但不突出；MAP0+OA、MAP50+CK表現為植物吸磷量和堿性磷酸酶活性2個指標較為突出；MAP50+OA除在微生物生物量和磷素盈余量外，其余各個評價指標優勢均較突出；MAP100+CK在植物吸磷量、堿性磷酸酶活性、籽棉產量、磷素盈余量表現較好外，其他指標特色不突出；MAP100+OA在植物生物量、植物吸磷量、堿性磷酸酶活性、籽棉產量、經濟效益、磷素盈余量等指標表現較好；MAP150+CK和MAP150+OA表現出磷素盈余量很差的特點。

2.2.3 有機酸添加對不同磷肥用量新疆棉田磷素健康狀況分析。

從表4可以看出，在不同磷肥用量的基礎上，設置不添加有機酸和有機酸添加處理的綜合評價結果分別為0.254 5、0.381 3、0.390 4、0.390 2、0.406 5、0.437 2、0.394 0、0.395 1，因此棉田綜合評價的最終排序為MAP100+OA> MAP100+CK> MAP150+OA> MAP150+CK> MAP50+CK> MAP50+OA> MAP0+OA>MAP0+CK。

3 結論與討論

磷是作物生長發育的主要限制因子［20］，磷肥施入土壤除被當季作物吸收利用外，大部分磷素被土壤吸收固定［21］，因此可被作物直接吸收的磷素多少直接影響土壤磷素有效性和作物正常生長發育［22］。在該研究中，適當提高磷肥施用量能顯著提高土壤速效磷含量、植株吸磷量、堿性磷酸酶活性、籽棉產量、經濟效益，添加有機酸后在適量磷肥用量下提高了各指標含量。這與前人研究結果一致，這是因為適宜的磷肥用量能夠通過提高土壤速效磷含量［20］，刺激棉花根系和根表面積增加［13］，促進植株干物質和植株磷素的積累［23］，進而增加了棉花單株鈴數［24］和籽棉產量［25］。而磷肥過多投入會抑制根系生長和土壤微生物活性，加之土壤中存在的磷素吸附解吸平衡、溶解沉淀平衡等反應［26］，導致土壤速效磷含量和籽棉產量降低。有機酸添加后，可通過與磷酸二氫根競爭吸附位點，絡合鈣離子以減少鈣磷沉淀生成，酸化溶解礦物態磷等途徑［27-28］，在較低磷肥用量下提高土壤磷素有效性［29-31］，活化磷素有效性和促進磷素在植物器官中的移動［32-33］，使其更多磷素向籽粒轉運［34］，增加籽粒磷素累積量［35-36］，從而提高棉花產量。

該研究利用雷達圖分析方法對其有機酸添加對不同磷肥用量新疆棉田磷素健康狀況評價。有機酸添加在各磷肥用量的表現能直觀地反映在雷達圖中，通過棉田磷素健康狀況的9個指標構建雷達圖，根據雷達圖的平均面積、平均周長可評價棉田磷素健康狀況，得出評價向量綜合評價函數，在不同磷肥用量處理的基礎上，設置對照和有機酸添加處理的綜合評價分別為0.254 5、0.381 3、0.390 4、0.390 2、0.406 5、0.437 2、0.394 0、0.395 1，因此棉田綜合評價的最終排序為MAP100+OA> MAP100+CK> MAP150+OA> MAP150+CK> MAP50+CK> MAP50+OA> MAP0+OA>MAP0+CK。綜合分析認為，在較低磷肥用量（45 kg 有機酸+100 kg P2O5/hm2）是新疆棉田磷素健康狀況的最佳處理，為新疆棉田磷素健康狀況評價提供一個更為客觀和科學的方法。但由于尚未考慮棉花葉面積指數、葉綠素含量及生理特性等指標，對評價結果在一定程度上有所影響。還應擴大指標覆蓋范圍，更加全面、系統、深入研究，使研究結果更具有應用價值。

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