施肥对棉花养分吸收、分配、利用和产量的影响

哈丽哈什· 依巴提,张 炎,李青军,胡 伟

(新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，农业部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830091)

棉花是新疆主要经济作物，据统计2015年新疆棉花种植面积已达165.9万hm2，总产350.3万t[1]，其种植面积、总产量、单产、调出量连续20年居全国第一，棉花生产已成为新疆国民经济的主导产业和农民增收的主要途径[2]。近年来，随着新疆棉花生产水平的提高，棉农收入增加，出现了化肥施用量偏高、重施氮磷肥、少施或不施钾肥、微肥和有机肥等不平衡的施肥现象[3-5]，使土壤中氮、磷、钾比例失调，不仅棉花产量没有得到提高，反而增加了棉花生产成本，导致了肥料利用率低、土壤生产力与农产品品质下降、温室气体N2O增多、土壤微生态环境破坏等一系列环境问题，制约着新疆棉花产业的可持续发展[6-8]。

有效提高棉花产量，或者在维持当前产量水平前提下减少化肥施用量是绿洲农业持续发展的首要任务，因此，在新疆绿洲农业生产中，获得棉花稳产高产，不仅要优化作物品种，还要根据作物的需肥规律、土壤的供肥特性与肥料效应，合理地利用农业资源，实现棉花平衡施肥。养分平衡可以作为一种衡量土壤养分投入产出的方法[9]，国际上已被广泛应用于农业政策制定[10]、 环境趋势分析等方面，近年来还在面源污染控制[11]、 畜禽养殖环境承载力[12]等方面开展了应用。很多研究表明，通过平衡施肥可以获得作物高产，还能减少资源浪费[13]。本研究将平衡施肥与农民习惯施肥对比，通过田间试验，研究施肥对棉花养分吸收、分配、利用、产量及效益的影响，为新疆棉花持续高产、养分高效利用和环境友好提供科学施肥依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验2010年安排在新疆玛纳斯县试验站上兵湖村五队，前茬作物为冬小麦，供试品种为中棉297-5。株距为11 cm，播覆内宽、窄行距配置为50-32.5-50-32.5 cm，一膜4行，采取膜下滴灌。供试土壤为砂壤质灰漠土，0～20 cm基本理化性状见表1。

1.2 试验设计

试验设8个处理：平衡施肥处理(OPT)；平衡施肥处理基础上的减氮处理(OPT-N)；平衡施肥处理基础上的减磷处理(OPT-P)；平衡施肥处理基础上的减钾处理(OPT-K)；农民习惯施肥处理(FP)；农民习惯施肥减氮处理(FP-N)；农民习惯施肥减磷处理(FP-P)；不施肥处理(CK)。平衡施肥处理推荐施肥量以ASI法测试土壤养分和目标产量来确定。

表1 供试土壤的有机质和养分状况(ASI法)

全部磷钾肥和微肥于4月13日基施并深翻，次日播种，磷肥用三料磷肥(P2O544%) ，钾肥用硫酸钾(K2O 51%)。所用氮肥为尿素(N 46%)，全部氮肥都用做追肥随水施入，按照棉花生长发育规律在各生育期分5 次随水滴施，追肥比例为蕾期15%、初花期35%、花铃期25%、盛铃期20%、吐絮期5%。

表2 不同处理的施肥量 (kg·hm-2)

1.3 测定项目与方法

在棉花主要生育期苗期(5月27日)、蕾期(6月27日)、花期(7月25日)、花铃期(8月11日)、吐絮期(9月11日)采集棉花地上部分的植株样品，每小区随机选取有代表性的植株3 株(苗期取5株) ，按茎、叶、蕾+ 花、壳、絮、籽不同器官分离开，在105℃下杀青30 min，然后在75℃条件下烘干至恒重，称重，记录干物质重。植株样本粉碎后，分析其氮、磷、钾养分含量，采取H2SO4-H2O2法消煮，全氮用奈氏比色法，全磷用钼锑抗比色法，全钾用火焰光度法进行测定。

氮(磷、钾)肥料利用效率=[施氮(磷、钾)区地上部吸氮(磷、钾)量-无氮(磷、钾)区地上部吸氮(磷、钾)量]/施氮(磷、钾)量×100%

氮(磷、钾)肥料农学利用效率=[施氮(磷、钾)区产量-无氮(磷、钾)区产量]/施氮(磷、钾)量

养分吸收量=植株干重×植株养分含量

2 结果与分析

2.1 施肥对棉花养分吸收和分配的影响

2.1.1 施肥对棉花氮吸收和分配的影响

由图1可知，在棉花生育期内，苗期分配到叶中氮素的比例高于茎，占全株氮素的74.9%～83.0%，以OPT处理最高。蕾期分配到茎的氮素比例有所增加，占到总量的19.4%～25.0%，生殖器官蕾在此期分配到的氮素比例占8.2%～10.2%。花期，茎中氮素分配比例变化不大，而叶中明显下降，此时，花中氮素分配比例提高，占总量的27.0%～41.6%。到花铃期，花中氮素分配比例迅速提高，占总量的44.8%～59.4%。盛铃期，营养器官的氮素分配比例逐渐降低，而生殖器官中氮素占总量的57.4%～63.7%。进入吐絮期，生殖器官中籽的氮素分配量迅速增加，占总量的63.9%～69.4%，各处理氮素吸收量分别为OPT 152.2 kg·hm-2、OPT-N 93.2 kg·hm-2、OPT-P 84.6 kg·hm-2、OPT-K 94.9 kg·hm-2、FP 112.0 kg·hm-2、FP-N 96.9 kg·hm-2、FP-P 95.3 kg·hm-2、CK 94.4 kg·hm-2，其中OPT处理的氮素吸收量显著高于其他处理，其次是FP处理，说明平衡施肥更好地促进棉花各器官氮素吸收分配。

2.1.2 施肥对棉花磷吸收和分配的影响

由图2可知，棉花磷素分配总体规律和氮素分配一致，在苗期分配到叶中的磷素占到70.8%～74.3%，随着生育期的进行分配到叶中的磷素占全株的比例逐渐降低，到吐絮期只占总量的2.4%～3.6%；而生殖器官的磷素从蕾期开始迅速增加，由蕾期占总量的14.2%～17.5%增加到吐絮期的87.5%～93.0%，尤其是籽中磷素的分配量在吐絮期占总量的71.3%～75.7%，其中OPT处理的磷素吸收量为63.3 kg·hm-2，显著高于FP处理的磷素吸收量49.2 kg·hm-2以及其他处理。

图1 各器官氮素分配

图2 各器官磷素分配

2.1.3 施肥对棉花钾吸收和分配的影响

棉花钾素分配到茎中的比例高于叶，在苗期分配到茎中的钾素占到70.8%～74.3%，随着生育期的进行分配到茎中的钾素占全株的比例逐渐降低，到吐絮期只占总量的14.3%～15.7%；而生殖器官的钾素从蕾期开始迅速增加，由蕾期占总量的2.8%～3.5%增加到吐絮期71.9%～84.5%，尤其是籽中钾素的分配量在吐絮期占总量的39.7%～44.0%，其中OPT处理的钾吸收量为100.2 kg·hm-2，显著高于其他处理(图3)。说明OPT处理平衡了氮、磷、钾和微量元素铁、锰、锌等养分，更好地促进棉花苗期到吐丝期各器官钾素吸收分配。

2.2 施肥对棉花肥料利用效率与肥料农学利用效率的影响

棉花肥料利用效率与肥料农学利用效率结果表明(表3)，OPT处理与FP处理相比，OPT处理的肥料利用效率与肥料农学利用效率均显著高于FP处理，其中氮肥和磷肥肥料利用效率分别提高29.5和10.8 个百分点，氮肥和磷肥农学利用效率分别提高0.4和0.7 kg·kg-1。说明推荐施肥提高作物对氮、磷养分的吸收和利用，从而减少肥料的损失。

图3 各器官钾素分配

处理肥料利用效率(%)肥料农学利用效率(kg·kg-1)NP2O5K2ONP2O5K2OOPT41.7a17.5a29.51.4a2.2a2.5FP12.2b6.7b—1.0ab1.5b—

2.3 施肥对棉花产量及经济效益的影响

由表4可知，棉花产量以OPT处理最高，OPT处理的棉花产量较FP处理增产4.5%，增加收入774元·hm-2，但两者间差异不明显，CK处理产量最低。虽然农民习惯施用氮、磷肥总量高于平衡施肥，但平衡施肥处理平衡了氮、磷、钾和微量元素铁、锰、锌等养分，使养分能够被作物充分的吸收和利用，促进棉花更好的生长发育，从而提高棉花产量。肥料的增产效益用每千克养分增产皮棉的产量表示，OPT处理每千克N增产皮棉1.4 kg，

每千克P2O5增产皮棉2.21 kg，每千克K2O增产皮棉2.46 kg，均显著高于FP处理的肥料增产效益。与OPT处理相比，减素处理的棉花产量均有不同程度降低，其中，氮素是供试土壤的第一养分限制因子，OPT-N处理的产量减产幅度最高，为17.5%；磷素是第二养分限制因子，OPT-P处理减产16.2%；其次是钾素，OPT-K处理减产9.6%。FP减素处理也是相同的趋势，与FP处理相比，FP-N处理减产7.2%，FP-P处理减产3.3%。

表4 不同处理的棉花产量及经济效益

注：N 4.08元·kg-1,P2O55.39元·kg-1,K2O 4.17元·kg-1,FeSO40.5元·kg-1,MnSO44.8元·kg-1,ZnSO47.2元·kg-1,皮棉的价格为14.3元·kg-1。

3 讨论

养分的吸收和分配直接影响着作物的生长和发育，从而影响作物的产量[14]，养分累积量的高低直接影响肥料利用率[15]。本研究表明，棉花植株养分吸收量顺序为氮>钾>磷，平衡施肥养分吸收量、生殖器官的氮磷钾养分分配量和肥料利用率均高于农民习惯施肥处理，说明平衡施肥有利于棉花养分吸收累积、生殖器官中的分配和提高肥料利用率，这与平衡施肥在玉米、春小麦、葡萄[16-19]上的研究结果一致。

平衡施肥能够保证养分的均衡供应，有利于作物的生长发育和产量形成[20]。本研究表明，与农民习惯施肥相比，平衡施肥增产4.5%，增加农民收入774元·hm-2，虽然农民习惯施肥的氮磷总量高于平衡施肥，由于养分不平衡并没有提高棉花产量，导致了氮磷肥料浪费。同时不同减素处理对棉花产量均有不同程度减产。营养元素缺乏和不均衡供给都会成为土壤养分限制因子和潜在限制因子[15]，影响作物稳产、增产和养分收支平衡，本试验研究结果表明，该地区棉花产量限制因子依次为氮、磷、钾，这与张炎等[21]研究结果相一致。

本研究结果可为玛纳斯县肥料的合理施用提供重要的理论依据。但由于棉花产量、养分吸收及肥料的利用率还受土壤类型、气候、施肥及品种等多种因素的影响，不同地区、不同品种之间肥料用量有一定的差异，尚需进一步研究。因此，应根据各地区的具体情况如气候、土壤肥力特征等选取适宜的棉花品种，采取平衡施肥措施，尤其要注意氮、磷、钾肥的合理配施，使推荐施肥处理不断优化，以避免肥料浪费，实现棉花高产高效的目标。

4 结论

平衡施肥有利于棉花关键生育期内对氮、磷、钾养分的吸收利用，每生产100 kg皮棉所需吸收的N、P2O5、K2O分别为9.02、3.75、5.94 kg。与农民习惯施肥相比，平衡施肥处理的棉花氮肥和磷肥肥料利用效率分别提高29.5和10.8个百分点，氮肥和磷肥的农学利用效率分别提高0.4和0.7 kg·kg-1。

平衡施肥有利于棉花产量和效益增加。与农民习惯施肥相比，该地区平衡施肥处理增产4.5%，增收774元·hm-2。

氮是该地区棉花产量的主要土壤限制因子，磷是第二个限制因子，其次是钾。

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