棉花生产上新型肥料研究进展

吕冬青，孙 瀚，张铭谷，李成亮

(土肥资源高效利用国家工程实验室/国家缓控释肥工程技术研究中心/山东农业大学资源与环境学院，山东 泰安 271018)

0 引 言

【研究意义】棉花是我国重要的经济作物之一，保证棉花的优质高产对国民经济发展有着重要意义。施肥是提高棉花产量和品质的一个重要措施，但施用常规肥料养分较为单一，需要多种肥料配合施用，且肥料利用率低，难以满足棉花的长周期、高养分需求。同时化肥的不合理施用易造成土壤退化、环境污染等问题。新型肥料能够直接或间接的为作物提供所需养分，同时又能改良土壤结构，改善植物营养状况，改良肥料品质和性质，增进土壤肥力，提高肥料的利用率，提升作物产量和品质[1]。这些新型肥料在棉花生产过程中应用，结果表明，施用新型肥料能够适应农业发展对棉花生产的要求，提高了棉花单位面积产量，对我国棉花产业健康可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】前人针对目前棉花生产存在的问题研发出不同种类的新型肥料，并在不同地区和管理条件下进行了肥效试验，得出大量棉花产量及产量构成、品质和生理指标的研究结果。19世纪40年代至60年代，化肥生产以单质低浓度肥料为主；60年代至80年代，发达国家开始了复合肥和掺混肥料的研制；随着普通化肥使用过程中暴露的养分损失和环境污染问题越来越严重，20世纪70、80年代至今，世界各国纷纷开始了新型肥料的研制工作。新型肥料是指以提供养分为基础，在物理、化学或生物作用下，土壤和作物的营养功能得到增强的肥料[2]。新型肥料作为肥料家族中不断出现的新成员、新类型、新品种，极大地推动了肥料产业的创新发展[3]。目前市面上新型肥料的种类繁多，基于现在的新型肥料研究热点，按照其功能和性质主要分为以下五种类型，缓/控释肥料、水溶性肥料、微生物肥料、微量元素肥料和商品有机肥。为了解决传统肥料不合理施用造成的问题，而去开发新的肥料，往往有较强的针对性和适用条件[4]。新型肥料作为新开发的产品，其市场发展速度快。【本研究切入点】将前人在不同土壤类型、地区、年限的试验结果进行整合，按照肥料功能对新型肥料进行分类，从各类型新型肥料的作用原理出发，对棉花产量、品质以及土壤理化性质的影响进行综述。【拟解决的关键问题】将新型肥料的研究现状及前人在棉花上利用新型肥料的最新研究结果进行综述，探讨新型肥料在棉花上应用存在的问题及前景，为棉花的科学选肥和新型肥料在棉花上的合理施用提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

查阅的国内外相关文献、文献包括中国知网、百度学术和中国产业信息网，Science Direct。参考文献引用时间段为1999～2018年。

1.2 方 法

分类、整程与分析文献。系统概述市面上新型肥料种类、特点和使用状况，论述新型肥料改善棉花产量、品质及生理特性的研究进展。

2 结果与分析

2.1 缓/控释肥在棉花上的应用

受人工成本的制约，农业生产中多简化施肥技术，将普通肥料一次性施入，其中只有一小部分被作物吸收利用，大部分肥料养分由于挥发、淋溶作用而损失，造成肥料利用率低，土壤质量下降等问题[5]。缓/控释肥料可以延缓或控制肥料养分的释放率和释放时间，使肥料养分释放与作物养分吸收规律相吻合，一次性施肥可满足作物整个生长期所需且不会造成“烧苗”，做到简化施肥技术，节约用工成本，提高肥料利用率[2]。缓/控释肥料包括物理型和化学型两种，物理型缓(控)释肥料就是通过简单的物理处理，使肥料具有缓控性，其大多为包膜肥料，包括无机包膜型肥料、有机化合物及聚合物包膜型肥料；化学型缓(控)释肥料养分释放机理比较复杂，不仅包括化学过程，同时也包括物理过程，主要有包衣尿素、脲甲醛尿素、缓释复混肥料、控释复混肥料和长效复混肥料等[1]。

目前缓/控释肥在棉花上的应用研究主要集中在其对棉花生理指标、产量指标、棉花品质及对土壤肥力的影响探究上。试验田结果表明，棉花专用缓/控释肥的养分释放符合棉花生育期需肥特点，维持棉花前期正常生长，中后期促进棉花生长，增加开花结铃数，提高棉花产量[6]。李成亮等[7]的研究也表明，缓/控释肥料可以适量的提供棉花所需养分，有助于硝态氮的平稳供应，提高氮肥利用率，优化棉株生长，棉花产量较复合肥处理增加18.9%。施用控释氮肥保证了土壤氮素的持续供应，提高了硝酸还原酶、过氧化物酶活性和光合速率，增加纤维长度和强度，提高氮素利用率[8]。田晓飞等[9]研究表明，基施条件下，施用控释钾肥比普通钾肥显著增加了棉花的成铃数和单铃重，皮棉产量显著增产16.9%～30.9%。李伶俐等[10]研究表明，施用控释氮肥可提高中后期棉叶叶肉细胞PSⅡ实际光化学效率(ФPSⅡ)和PSⅡ潜在光化学活性(Fv/Fo)，改善棉花的光合作用，从而提高单株结铃数和铃重。棉花纤维品质是品种遗传特性、资源环境和栽培措施共同作用的结果[11]。可以通过施用缓/控释肥调控土壤养分供应，提高光合速率，改善棉花纤维品质。杨修一等[12]在滨海盐化潮土上的试验表明，施用控释肥显著增加叶绿素含量，提高光合特性指标，提高棉花产量。研究表明，施用缓/控释肥提高了纤维马克隆值，增加了断裂比强度，提高了纤维成熟度[13]。李学刚等[11]研究表明，施用缓/控释肥提高了植株上部叶片的叶绿素含量，提高叶片净光合速率，积累足够的光合产物，提高棉花产量，改善棉花纤维品质。

2.2 水溶性肥在棉花上的应用

水肥一体化技术能够提高水分和水溶肥养分的利用率而在农业生产中迅速发展，是蔬菜和果树生产的常用肥料之一。水溶性肥料是一种可以完全溶于水的多元复合肥料，可以迅速地溶解于水中，更容易被作物吸收，且吸收利用率相对较高。更为突出的优点是可以应用于喷灌、滴灌等设施农业，实现水肥一体化，达到省水、省肥、省工的效能[1]。自2009年我国水溶肥产量持续增长，在2016年水溶肥产量达410×104t。同时，在农业部登记的水溶肥产品数量也逐年增长，截止到2015年6月在农业部登记的水溶肥产品数量达6 545个[14]。目前我国农业部行业标准规定的水溶肥类型，包括大量元素水溶肥料 NY1 107～2 010、中量元素水溶肥料 NY2 266～201 2、微量元素水溶肥料 NY1 428～2 010、氨基酸水溶肥料 NY1 429～2 010和腐植酸水溶肥料 NY1 106～2010[15]。

图1 2009-2016年我国水溶肥产量及增长率[14]
Fig.1 Water-soluble fertilizer yield and growth rate in china from 2009 to 2016

图2 2002-2015年农业部水溶肥产品登记数量趋势图[14]
Fig.2 Trend map of water-soluble fertilizer products registered by the ministry of agriculture, 2002-2015

水溶性肥料的生产原料、包装及运输成本偏高，且生产过程复杂，再加上它主要通过冲施、喷灌、滴灌的方式施用，对设备的依赖性较高，因此，水溶肥价格居高不下，这就限制了其产业推广和应用范围[16]。目前水溶性肥料主要应用在设施蔬菜和果树上，随着规模农业的发展，水溶肥将在大田作物上得到进一步推广。新疆是我国棉花最大产区，但是因为其降水量少，蒸发量大，大部分棉田是盐碱化土壤等特点，使得水肥一体化技术在棉花生产上得到大面积推广，同时也促进了水溶肥在棉田上的应用。王西和等[17]对不同大量元素水溶肥在新疆棉花滴灌体系中的应用研究结果表明，不同类型的大量元素水溶肥均能够有效提高棉花铃数、单铃重等产量构成指标，最终提高棉花产量；施用硝基氯化钾水溶肥的氮磷钾农学效率为2.7 kg/kg，氮素利用率为65.0%，较其他肥料平均高出18.9%，增加了经济效益661.5～2 032.5元/hm2。姚虞等[18]的研究表明，与常规施肥棉花产量相比，施用大量元素水溶肥皮棉产量增加了5.10%，且差异达显著水平。自1987年以来，中国科学院南京土壤研究所对全国土壤中微量元素的含量进行了调查，结果表明，我国大部分地区都存在不同程度的微量元素缺乏[19]。在棉田上有针对性地施用中微量元素水溶肥，可以平衡植物所需营养，提高作物产量和品质。研究表明，施用中量元素水溶肥处理可以做到平衡施肥，皮棉产量较常规施肥提高4.36%，籽棉产量增加15.61 kg/667 m2，增收124.88元/667 m2[20]。王晓瑜[21]研究表明，常规施肥与中量元素搭配使用，可以使棉花更全面的吸收营养，促进植株生长，提高单株结铃数和单铃重，显著提高棉花产量，较空白增产6.6%。张洪浩等[22]对氨基酸微量元素水溶肥在棉田应用效果的研究表明，施用氨基酸微量元素水溶肥可以改善棉花生长状况，增加棉花的单株有效果枝数和单株结铃数，籽棉产量比常规施肥的同等肥力地块提高64.01 kg/667 m2，增收效果明显。

2.3 微生物肥在棉花上的应用

微生物肥料又称生物肥料、接种剂或菌肥，是一类以微生物生命活动及其产物为核心，使农作物得到特定肥料效应的微生物活体制品[3]。微生物肥料的菌种是经过大量试验筛选获得，可以通过微生物的生命活动，改良土壤质地，增加土壤肥力，促进植物生长，提高作物抗逆和抗病能力，改善作物品质。微生物肥料种类繁多，按其作用机理可分为根瘤菌肥料、固氮菌肥料、解磷菌类肥料、解钾菌类肥料等[23]。

目前微生物肥料较多的应用在禾谷类作物上，其次是油料类和纤维类作物。许前欣等[24]在新疆棉区增施含有芽孢杆菌、固氮菌等多种菌的微生物肥料，研究发现施菌肥可以提高棉花的纤维长度和衣分率，提高棉花品质，增加经济效益。生物磷钾菌肥可以加速棉花生殖生长，促进棉花蕾铃发育[25]。范正义等[26]研究表明，盆栽试验中采用复合微生物菌肥浸种、浸根都可以促进棉花幼苗生长，大田喷施微生物菌肥相比灌施效果好，喷施微生物菌肥处理的籽棉、皮棉分别增产8.28%和7.06%。孙中涛等[27]单施微生物肥料或与有机肥混施研究表明，施用微生物肥料提高了土壤微生物总量，微生物的生命活动可以改良土壤，提高土壤酶活性，增加土壤肥力，促进棉株生长，棉花产量分别提高19.2%和31.6%。而吴江利等[28]将微生物菌肥应用于种植棉花的荒漠土壤，发现菌肥处理增加了土壤微生物量、AWCD、Shannon指数(H)和Simpson指数(D)，与土壤中有机质、全氮、全磷、全钾的含量呈现显著的正相关。棉花黄、枯萎病是我国棉花种植中最常见的病害。随着现代基因工程技术的发展，利用 PGPR 诱导植物抗病性，研究者筛选和培育出更加优良的菌种，制成具有促生防病功能的微生物肥料，能有效的防治棉花病害的发生，还能显著的促进棉花的生殖生长，提高棉花产量[29]。

2.4 中微量元素肥料在棉花上的应用

中微量元素对植物光合、呼吸、物质转换以及相关酶的合成均有着十分重要的作用[30]。近年来，农业生产中氮、磷、钾肥施用量急剧上升，但作物生长过程从土壤中带走的中微量元素并未得到有效补充，导致作物养分失调现象增加，限制了农产品产量和品质提高，有研究表明，我国中低产田地占总耕地面积的70%以上，其中大部分存在中微量元素缺乏的问题。20世纪30年代以后，各国开始重视Ca、Mg、S、Cu、Zn、B、Mo、Si等营养元素的作用，含有中微量元素的肥料应运而生[31]。我国中微量元素肥料发展较晚，在20世纪中期使用的中微量元素肥料主要以添加无机盐为主，20世纪70年代，我国开始引入国外螯合态的中高浓度复合型中微量元素肥料，到了20世纪末期，越来越多诸如氨基酸、腐殖酸类的有机中微量元素肥料投入使用。截至目前，我国的肥料市场加大了在常规肥料中添加中微量元素的力度，朝着养分平衡的方向进一步发展[32]。市场上主要的中、微量元素肥料品种有硫酸钾镁、硅肥、硫酸锰、硼砂、硫酸锌、钼酸铵、硫酸亚铁、硫酸铜及各种微量元素混合的叶面肥。

适量的中微量元素肥有助于棉花产量提高，但过量施加中微量元素肥会因元素间的拮抗作用降低肥料利用率，影响棉花的产量。杨建平等[33]在新疆石河子地区研究发现，相同氮、磷、钾施用量条件下，喷施微量元素肥料的处理较对照籽棉产量提高5.8%～17.0%，棉花成熟期提早4～8 d。袁国琦等[34]的研究则表明，基施中微量元素肥料的处理单铃数、衣分和皮棉产量分别较对照提高2.7%、2.5%和5.1%，增产效果显著。辛承松等[35]通过连续两年在滨海盐碱土的试验表明，每667 m2施用钙硅镁钾肥50 kg，皮棉产量较对照显著提高6.9%，同时能够提高棉花的抗逆性。不同的营养元素对棉花生长的影响不同，钙在植株细胞衰老中起重要的调节作用，细胞质内Ca2+浓度增加，能够通过提高叶片SOD酶活性，延缓叶片暗诱导的衰老[36]。张会玲[37]的研究表明，增施钙肥棉花产量较对照提高25.63%，棉花植株强壮，叶片厚度、铃重均有不同程度的提高，同时棉花枯萎病发病率显著降低。肉孜阿吉·买迪吐地等[38]的研究表明，叶面喷施一定量硼肥有助于棉花保花保蕾，并提高棉花产量。

2.5 商品有机肥在棉花上的应用

商品有机肥主要是将畜禽粪便、动植物残体、农产品或食品加工的废弃物通过工厂化处理，直接作为肥料或再添加一定量的氮、磷、钾或生物菌而制得的具有多种功能的肥料[1]。传统有机肥存在养分含量低，运输困难，对环境污染严重等问题。而商品有机肥经过了工厂化加工、无害化处理，既可以减少环境面源污染，施用后又能达到改善土壤理化性质、增加土壤肥力、提高作物品质的目的[39]。目前有机肥的主要发展方向是生产有机-无机复混肥和生物有机肥。

生物有机肥是指特定功能微生物与有机物料复合而成的一类兼具微生物肥料和有机肥效应的肥料。生物有机肥含有低量的营养元素，肥效持久稳定，为作物提供养分，同时为微生物提供养料，微生物的生命活动可以加速有机质分解，促进作物生长。普通的微生物肥料本身不含营养物质，仅通过微生物的生命活动，把土壤中有机质分解并转化为作物可直接利用的成分，在微生物生命活动周期内均有良好的效果。张艳等[40]的研究表明，施用生物有机肥处理可以促进棉花生长，显著增加果枝台数、单株结铃数和单铃重。田小明等[41-42]通过盆栽试验，在种植棉花的不同土壤上连续三年施用生物有机肥，可以提高土壤中养分和脲酶活性，土壤微生物量随施肥年限的延长呈现先下降后上升的趋势；连续施用生物有机肥可以改善土壤有机质质量，促进棉花吸收土壤中的养分。李俊华等[43]将生物有机肥应用在新疆棉花上，发现施用生物有机肥可以提高土壤供肥能力，增加棉花产量，显著降低棉花黄萎病的病情指数和发病率。Lang等[44]研究也发现，施加生物有机肥防治棉花黄萎病，且可以增加根际土壤真菌多样性。可见，商品有机肥主要是通过改善土壤的理化性质进而影响棉花的生长。

有机-无机复混肥是一种既含有机质又含适量化肥的复混肥。它是将粪便、草炭等有机物料，通过微生物发酵进行无害化和有效化处理，并添加适量化肥、腐殖酸、氨基酸或有益微生物菌，经过造粒或直接掺混而制得的商品肥料。有机-无机复混肥既有无机化肥肥效快的优点，又具备有机肥料改良土壤、 肥效长的特点，有机肥料与无机肥料相结合，缓急相济，互补长短，可同时达到用地、养地的目的[45]。研究表明，追施有机无机复混肥可以降低棉铃脱落率，增加单铃重，提高棉花产量[46]。李俊华等[47]通过在新疆石河子进行的两年大田试验表明，施用氨基酸有机肥可以增加棉花根际和非根际土壤酶活性，增加土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量，且土壤pH随有机肥使用量的增加而下降。研究还发现，腐殖酸有机肥可以改良土壤，提高肥料利用率，在棉花前期生长中效果显著，但腐殖酸有机肥氮磷钾含量较低，后期出现脱肥现象，建议在棉花生长中后期追施肥料[48-49]。

3 讨 论

随着现代农业的发展，新型肥料的研制和应用符合农业可持续发展的要求，既能提高肥料利用率、增加棉花产量、改善棉花品质，又能改良土壤、减少环境污染。市面上新型肥料的种类繁多，其在棉花上的施用方法和施肥效果尚不清楚，缺少可供参考的试验数据；部分新型肥料的生产工艺和设备复杂、产业化水平低，导致新型肥料价格偏高，产量低，推广应用困难。产品质量参差不齐，市场混乱，缺少生产技术规范，产品的质量标准和评价标准有待完善。

4 结 论

我国棉花种植区分布辽阔，不同地区的土壤特征存在差异，但是因为种植的棉花品种多样，生长过程中对养分需求存在差异。首先明确不同区域不同棉花品种养分需求规律；根据上述需肥规律，研制棉花专用缓/控释肥，提高肥料利用率；配置水溶性肥料，在条件允许的棉花种植区推进水肥一体化，实现节水、节肥的目的；根据不同地力，不同环境条件等制约因素，研制新品微生物肥料，在棉花生产中合理选择并施用；随着氮、磷、钾复混肥的大量使用，土壤中微量元素的缺乏越来越严重，应及时补充中微量元素肥料。此外，单纯的使用无机肥料已不能满足棉花对养分的需求，商品有机肥与无机肥料配合施用，既能改良土壤，增加土壤肥力，又能实现棉花优质、高产。在实际生产过程中，综合各种肥料的优点，因地制宜制定合适的施肥方案，可以满足棉花生长过程中需肥规律，既提高肥料利用率又保护农业生产环境。