中国棉花生产格局与施肥研究现状——基于CNKI数据计量分析

李继福，何俊峰，陈佛文，谭京红，吴启侠，万鹏

（1.长江大学农学院/湿地生态与农业利用教育部工程研究中心，湖北 荆州 434025；2.湖北省农业科学院植保土肥研究所，武汉 430064）

棉花是世界上重要的经济作物，在中国和世界经济发展中占有重要地位[1]。我国棉花种植主要分布在黄河流域、 长江流域和西北内陆三大主产棉区，其中2018年仅新疆地区的产量就占到全国总量的83.8%。因此，保持我国棉花生产的健康稳定发展，对促进农业增效、农民增收、农村经济稳定具有重要意义[2-3]。然而，自2011年以来，我国棉花生产成本逐年上升，现金收益逐年减少，净利润下降趋势尤为明显，导致农户植棉积极性和信心大减，尤以长江流域棉区和黄河流域棉区的种植规模萎缩最为明显，对我国棉花产业的持续发展提出新挑战[4]。因而，在有限棉花种植面积条件下，降低生产成本和提高单产及纤维品质成为棉花产业持续发展的重要途径[3]。施用化肥是农作物增产的基础，是最有效、 最重要的增产措施。联合国粮农组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations）统计数据表明，化肥的增产作用占到农作物产量的30%～50%[5]。研究表明，科学施肥可以优化棉花冠层结构，改善棉花的生长环境，提高其光合效率，并增加棉花对养分的吸收和利用，从而奠定高产基础[6-8]。与雨养农业和常规灌溉的施肥方式相比，西北内陆植棉区的膜下滴灌可实现水肥一体化，养分直达根区，提高作物产量和水肥利用效率[9-12]。由于长江流域、黄河流域和新疆棉区的生态条件、棉花生长发育特点和产量水平不同，新疆棉区单位面积产量最高，棉花生育的养分需求总量也最大[6]。氮磷钾合理配比能显著促进棉花的生长发育和提高产量。邓忠等[11]研究表明，与氮磷钾全部滴施相比，基肥施用磷钾肥且滴施氮肥可显著提高单株有效铃数和衣分。王伟妮等[13]研究结果显示，作物单位面积化肥（N＋P2O5＋K2O）施用量的大小顺序依次是棉花、油菜、水稻、小麦，即纤维作物＞油料作物＞谷类作物。当前生产条件下，肥料对水稻、小麦、 油菜和棉花产量的平均贡献率分别为29.6%、48.6%、56.2%和38.0%。因此，在棉花产业格局变动和主要农作物“减肥减药”的新形势要求下，棉花科学施肥研究显得尤为重要，同时棉花产业格局的变化也会对我国三大棉区的科研机构发展和改革产生较大的影响。中国知网（CNKI）是目前我国收录文献最全、更新时间最快、涉及学科范围最广的中文全文数据库。本研究依托CNKI 提供的文献可视化计量分析功能，对国内棉花生产和科学施肥研究进行统计分析，以期为我国棉花科学施肥提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究的数据来源于中国知网数据库，包括文献（期刊、杂志和硕博士学位论文）和国家农业统计数据。为保证检索文献的查全率与查准率，选择以“主题”进行检索，检索标准：主题＝“棉花”和“施肥”，时间跨度＝“1999-01-01”至“2018-09-30”；学科领域＝“全选”。

1.2 研究方法

文献计量分析[14]采用数理统计方法，对文献的研究机构、发表期刊、出版年份和关键词等信息进行描述和评价，以获取某学术领域的研究现状并预测其发展趋势。本研究主要运用中国知网系统开发的计量可视化分析功能，对国内棉花施肥研究的文献增长规律、 文献的学科领域分布等进行统计，并运用MS Excel 2016 和Origin 9.0 进行数据处理和图形绘制。

2 结果与讨论

2.1 中国棉花种植现状

2.1.1棉花播种面积和产量变化。图1结果显示，1995年我国棉花种植面积约为542万hm2，皮棉产量477万t，皮棉单产为879 kg·hm－2。2007年棉花种植面积达到最大，为593万hm2，皮棉产量和单产分别达736万t 和1 265 kg·hm－2。与2007年的种植规模相比，2008－2017年间，我国棉花种植面积和皮棉产量均不同程度波动并趋于动态稳定，而皮棉单产却呈增加趋势。2017年我国棉花播种面积为323万hm2，总产量为549万t，而皮棉单产则提高到1 699 kg·hm－2。

图1 1995－2017年中国棉花种植变化

2.1.2棉花主产区格局变化情况。由表1 农业统计数据可知，棉花种植面积主要分布在黄河流域棉区（河北、山东、河南、山西和陕西5省）、长江流域棉区（湖北、湖南、浙江、安徽、江西、江苏和四川7省）和西北内陆棉区（新疆和甘肃）。2014－2016年结果显示，黄河流域棉区、长江流域棉区和西北内陆棉区的种植面积分别为104.2万、80.7万和191.4万hm2； 皮棉总产量则分别为112.9万、89.6万和363.4万t。2017年新疆地区的种植面积和皮棉总产量约占全国的60.8%和74.4%。就皮棉单产而言，西北内陆棉区最高，达到1 760 kg·hm－2；其次是黄河流域棉区和长江流域棉区，但两者差别不明显。根据原农业部“十三五”种植业结构调整规划，到2020年我国棉花种植规模要稳定在333万hm2，向优势区域集中、向高效种植模式区集中，从而形成黄河流域、长江流域和西北内陆三大棉区的格局[3]。

然而，2014－2016年棉区产量和面积的变异系数显示，黄河流域棉区中山西、河南和河北3省的种植规模和产量变幅较大；长江流域棉区除湖南外，其他省份种植规模变幅均较大；而西北内陆棉区中甘肃种植规模变幅较大，新疆较为稳定。这表明受棉花生产比较成本的上涨和棉花栽培管理过程复杂、用工多以及粮食作物机械化生产普及等综合因素影响[3-4,15]，黄河流域棉区和长江流域棉区的农户植棉积极性存在较大波动，种植规模仍在萎缩，而新疆植棉的优势地位则显著提高。因此，积极推动黄河流域棉区和长江流域棉区的轻简化生产，降低成本，提高效益是恢复俩区域棉花种植的根本途径。

表1 2014－2016年棉花主产区种植情况

2.2 棉花施肥研究现状

图2 1995－2018年中国棉花施肥研究文献量

2.2.1棉花施肥研究发表文献趋势。施肥作为棉花生产过程中的1个重要环节，受到科研和生产者的普遍重视[2,6,10-11,16]。由图2 可知，2005年棉花施肥研究达到98 篇，之后每年均保持在120 篇以上。仅新疆地区以棉花施肥为主题的文献数量年际变化同全国总量变化趋势相似，2009－2018年间年均文献占全国比例为43.9%。近10年来，棉花施肥研究的全国硕博士学位论文平均每年达到16 篇。

2.2.2棉花施肥主要研究机构。通过文献计量可视化分析，涉及棉花施肥研究的主要单位如表2所示。从表2 可知，黄河流域棉区的主要研究机构分别是中国农业科学院、中国农业大学、西北农林科技大学、山东省农业科学院、山东农业大学、河南农业大学、山西农业大学、河北省农林科学院和青岛农业大学，累计发表相关文献196 篇，占全国发文比例为19.8%。长江流域棉区的主要研究机构是华中农业大学、南京农业大学、安徽省农业科学院、湖南省农业科学院、江西省农业科学院、湖南农业大学、安徽农业大学、湖北省农技推广部门和湖南省农技推广部门，累计发表相关文献162 篇，占比14.9%。西北内陆棉区主要研究机构集中在新疆，分别为新疆生产建设兵团、新疆农技推广部门、石河子大学、新疆农业大学、新疆农业科学院、新疆农垦科学院、中国科学院新疆生态与地理研究所、塔里木大学和新疆大学，合计发表施肥文献759 篇，占比达到75.4%。

2.2.3文献发表期刊和研究层次。发表棉花施肥文献数量居前10位的期刊依次为农村科技、中国棉花、新疆农垦科技、新疆农业科技、现代农业科技、江西棉花、新疆农业科学、安徽农学通报、石河子科技和石河子大学学报，文献占比分别为16.0%、12.5%、7.6%、7.1%、6.5%、6.5%、4.8%、4.2%、3.5%和3.1%（图3），其中新疆的期刊发表文献累计达到总量的26.1%，说明新疆棉花施肥研究在全国具有重要地位和影响力。

但从载文的期刊类型来看，以应用型为主，集中在工程技术、专业实用技术、行业技术与指导等领域（图4），这表明棉花施肥研究文献更多的是指导生产实践，应用性较强。从项目支持经费来看，国家自然科学基金、国家科技支撑计划、“863”计划和国家科技攻关计划等国家项目，四者资助研究的文献合计占到总量的69.4%。另外，还有中国科学院知识创新工程、“948”项目、农业科技成果转化资金专项、 高等学校博士学科点专项经费等项目支持。可见，棉花施肥技术或者棉花养分管理受到国家、高校和地方政府的普遍重视。

2.2.4关键词共现网络情况。在文献计量学中，关键词共现常用来确定所选文献集所代表学科中各主题之间的关系。以“棉花”和“施肥”为主题文献集的关键词共现情况如图5 所示。由图5A 结果可知，期刊论文的共现网络关键词为棉花、 棉田、产量、喷施等，表明近20年来，棉花施肥的研究核心是提高棉花产量，涉及水肥管理、效益评估、棉花品质、种植地区和栽培技术等多方面的研究。棉田水肥药的管理又涉及肥效、用量、施用方式和生长调节剂等，其中氮肥管理最为凸显。

图5B结果表明，全国硕博士学位论文研究更具有系统性和深入性，中心节点词包括籽棉产量、氮肥利用率、膜下滴灌和土壤养分等。棉花个体研究涉及产量、光合特性、成铃数、铃重、果枝数以及纤维品质。施肥研究仍以氮素养分管理及其诊断为主，并拓展到滴灌条件、常规灌水量、氮肥利用率、施肥时期（如花铃期和蕾期等）。可见，科学施用氮肥对棉花产量依然最为重要，其次是磷钾肥[6]；关于中量元素如硫、钙，微量元素如硼、锌等以及各种营养元素之间的互作效应的研究不足。

表2 棉花施肥主要研究机构

图3 期刊发表棉花施肥研究文献比例

图4 发表棉花施肥研究文献的期刊类型（A）和资助项目分布（B）

2.3 棉花推荐施肥与现状

2018年3月，农业农村部种植业管理司、全国农业技术推广服务中心、农业农村部科学施肥专家指导组联合发布了2018年春季主要农作物科学施肥指导意见[17]。棉花肥料用量分黄河流域棉区、长江流域棉区和西北内陆棉区进行推荐，且提倡有机肥和无机肥配合施用。由表3 可知，棉花推荐肥料用量根据地区和产量水平而定，其特点：（1） 相近籽棉产量水平下，即黄河流域棉区3 825～4 500 kg·hm－2、 长江流域棉区4 050～4 950 kg·hm－2和西北内陆常规灌溉棉区4 050～4 950 kg·hm－2，西北内陆棉区推荐的氮肥和磷肥用量较多、 钾肥较少，而长江流域棉区钾肥推荐用量最高。（2）西北内陆膜下滴灌棉区的籽棉产量水平高于常规灌溉棉区，且在相近产量水平下滴灌棉花的肥料用量可适当减少，但在高产（6 750～8 100 kg·hm－2）条件下应注意增加钾肥用量。

依据棉花施肥指导意见中的籽棉产量水平划分标准，对2013－2018年在中国知网发表的棉花施肥论文进行整合分析，得到三大棉花主产区不同产量水平下的施肥现状（图6），具体如下：

（1）常规灌溉条件下，黄河流域棉区高产区平均籽棉产量为5 188 kg·hm－2，N、P2O5和K2O 的平均施用量分别为229、93 和160 kg·hm－2；黄河流域棉区低产区平均籽棉产量为3 604 kg·hm－2，N、P2O5和K2O 的平均施用量分别为156、77 和112 kg·hm－2。

（2）雨养灌溉条件下，长江流域高产区平均籽棉产量5 919 kg·hm－2，N、P2O5和K2O 的平均施用量分别为277、102 和205 kg·hm－2； 低产区平均籽棉产量为3 664 kg·hm－2，N、P2O5和K2O 的平均施用量分别为259、93 和199 kg·hm－2。

（3）膜下滴灌条件下，西北内陆高产区平均籽棉产量为7 446 kg·hm－2，N、P2O5和K2O 的平均施用量分别为296、141 和87 kg·hm－2；低产区平均籽棉产量为5 904 kg·hm－2，N、P2O5和K2O 的平均施用量分别为278、116 和75 kg·hm－2。

（4）常规灌溉条件下，西北内陆高产区平均籽棉产量为6 366 kg·hm－2，N、P2O5和K2O 的平均施用量分别为336、185 和49 kg·hm－2；低产区平均籽棉产量为4 613 kg·hm－2，N、P2O5和K2O 的平均施用量分别为254、131 和59 kg·hm－2。

可见，在同等产量水平下，各地区的肥料用量仍有较大差异，产量水平还受到地力、环境和管理等因素的影响。玛衣拉等[45]对新疆棉花主产区棉花种植农户的调查发现，新疆棉花化肥施用折纯量平均达到610 kg·hm－2，过量施用率占59.6%，是发达国家认定安全上限（225 kg·hm－2）的2.6 倍，过量施肥较为严重。从各棉区平均施肥量来看，与表3 国家推荐施肥量相比，当前施肥量仍有下调潜力。尤其在新疆高产水平下，采用膜下滴灌技术可以显著降低氮磷钾肥料用量。因此，面向新疆棉区积极推广膜下滴灌的水肥一体化技术和相关机理研究，将成为未来研究的主要方向。同时，应在黄河流域和长江流域棉区推动轻简化生产，如免耕直播、秸秆还田和研制专用肥以提高植棉效益，扩大规模。

图5 1999－2018年期刊论文（A）和硕博士学位论文（B）关键词共现情况

表3 2018年度棉花种植区国家推荐施肥用量

图6 2013—2018年研究文献中籽棉产量与实际肥料用量

然而，水资源紧缺已成为制约黄河流域棉区和西北内陆棉区作物产量和农业发展的重要因素[12,15,43]。中国三大棉区棉花，全生育期及各生育阶段均处于干旱胁迫下，降水均不能满足棉花的用水需求。尤其是棉花蕾期到吐絮期需要不断运输养分到地上部，需水量较其他生育期多。刘玉春等[46-47]对河北省棉花灌溉需水量的研究表明，灌溉需求指数平均为0.29。长江流域地区，多采用雨养农业模式，基本没有灌水条件。但近些年来，夏季常出现高温伏旱威胁到棉花生产[48]。新疆棉花种植根据地区和产量差异，年均灌水量为2 800～5 250 m3·hm－2[11-12,15,43]。因此，从现代农业生态建设和环境保护的角度来看，新疆棉花生产规模不宜持续扩大，应在现有规模下保障稳产并提高水肥利用效率。

3 结论

2007－2017年，我国棉花种植面积和皮棉产量呈缓慢下降趋势，尤以长江流域棉区和黄河流域棉区种植面积减幅最大，新疆棉花种植和产量优势地位显著提高。CNKI 数据显示，1995－2018年国内棉花施肥学术研究的年发文量呈显著增加的趋势。从发文机构地域来看，三大棉花产区均有分布，且新疆地区优势更加明显；但发文类型仍以技术应用为主，主要满足国内用户对信息的掌握和使用。当前我国棉花施肥研究仍以棉花产量、纤维品质和肥料用量为核心，并逐渐延伸到施肥技术、土壤养分动态和环境效应。与国家推荐肥料用量相比，当前三大棉花产区的施肥量偏高，仍有下调空间，尤其西北内陆棉区，采用膜下滴灌技术可显著降低氮磷钾肥料用量。