化肥减量有机替代对新疆滴灌棉花产量及土壤养分的影响

朱倩倩, 武雪萍, 张淑香, 许咏梅, 吉丽丽,赵来明, 李小伟, 马文新

(1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所, 乌鲁木齐 830091; 2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081; 3. 新疆慧尔农业集团股份有限公司, 新疆昌吉 831100)

0 引 言

【研究意义】新疆棉花产业的持续稳定发展对我国经济的发展起着十分重要的作用[1-2]。伴随着新疆棉花生产水平的升高，存在化肥施用量过高、氮肥用量高、少施或不施有机肥等失衡的施肥现象[3-5], 使得土壤中的养分比例失调, 造成产量降低, 还增加了生产成本, 致使肥料的整体利用率降低、土壤的生产力与农产品品质均有不同程度下降, 制约着新疆棉花产业结构的可持续发展[6]。化肥长期不均衡施用将导致土壤结构遭受破坏, 土壤的质量和养分下降[7]。肥料的过量及不合理施用造成的减产、品质降低、环境污染等问题越来越严重；合理平衡的施肥以及科学合理的利用是当前亟待需要解决的重要问题。【前人研究进展】前人关于施肥对棉花产量、构成因素以及土壤肥力的报道多集中于有机无机肥配施, 过量施用氮肥等方面[8-11]。张美良等[12]采用模拟试验的方法, 研究了棉花产量及其构成因素、干物质积累和分配与棉田生态系统中有机无机肥配施的相互作用, 结果表明与单施无机氮肥相比, 在施入等量N、P、K条件下, 有机无机氮肥配施使棉花单位面积总铃数提高, 籽棉产量增加了 2.71%～8.65%。张磷等[13]在对经过16 a耕作后的土壤肥力和肥料利用率进行测定, 施用有机无机配施处理的肥料与单施无机肥相比能够有效减缓土壤酸化, 且有机无机配施处理肥料的利用率明显高于单施无机肥处理, 并达到61%以上。随着滴灌棉花氮肥施用量的逐年升高, 氮肥利用效应收益递减趋向日益明显[14]；并且施用过量的氮肥不仅造成氮素利用率低, 还导致皮棉产量降低[15]。能有效的增加滴灌棉花产量或保障当前滴灌棉花产量水平前提下, 降低化肥总的施用量。作物的养分均衡可以作为一种评估土壤养分投入产出的措施[16], 已被普遍应用于相关农业政策的制定[17]等。【本研究切入点】通过均衡施肥不仅可以提高作物产量, 还可以降低资源的不充分利用[18]。棉花产量及土壤肥力与肥料的平衡施肥响应关系存在明显差异, 而这方面的文献鲜见报道。研究化肥减量增施生物菌剂对棉花产量及土壤养分的影响。【拟解决的关键问题】研究新疆昌吉棉花品质产量及土壤养分变化, 以优化施肥, 减氮30%加氮肥抑制剂, 减氮, 减氮30%加微生物菌剂和习惯施肥为研究对象, 通过田间试验, 研究不同施肥对棉花产量、效益及土壤养分的影响, 确定合理平衡经济高效的施肥组合。优化施肥策略构建化肥减施有机替代的长效机制，分析适合新疆滴灌棉花生产的优化施肥模式。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验 2018 年安排在新疆昌吉佃坝乡进行, 试验区位于天山北麓, 东距乌鲁木齐市35 km, 地理坐标E 86°24′至87°37′, N 43°06′至45°20′, 属中温带大陆性干旱气候, 主要土壤类型为灰漠土, 质地为壤土、轻沙壤、轻粘和粘土, 土壤有机质含量一般在0.6%～1.0%。前茬作物为棉花, 供试品种新陆早52号。株距为 11 cm, 播幅内宽、窄行距配置为50～32.5～50～32.5 cm, 1膜 4 行, 采取膜下滴灌。0～20 cm 基本理化性状为pH值8.28，电导率557 μs/cm，有机质16.28 g/kg，速效钾371.55 mg/kg，速效磷26.88 mg/kg，碱解氮24.70 mg/kg，全氮0.84 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验采用完全随机设计, 设5个处理: 优化施肥处理 (OPT), 充分考虑当地习惯施肥用量过大且比例不协调, 依据昌吉地区的测土配方试验结果得出更为合理的氮磷钾肥的用量以及配比, 优化施肥处理; 优化施肥处理基础上的减氮30%加0.1%的氮肥抑制剂处理 (OPT+NFI-N30%) ;优化施肥处理基础上不施氮肥 (PK) ;优化施肥处理基础上的减氮30%增加30 L/hm2的微生物菌剂处理(OPT+M-N30%) ;农民习惯施肥处理( CF), 每个处理设置3个重复, 小区面积各20 m2, 共15个小区。优化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。

磷肥用三料磷肥 (P2O546% ), 钾肥用硫酸钾 (K2O 51% ) 。所用氮肥为尿素 (N 46% ), 全部肥料都用做追肥随水施入, 按照棉花生长发育规律分6 次随水滴施, 追肥比例为6月8日10%、6月15日15%、6月25日20%、7月9日25% 、7月16日20% 、7月24日10%。微生物菌剂液体有机肥采用等量施入, 每次用量为5 L/hm2, 共施用6次，采用随水施滴施的方法。氮肥抑制剂用量为氮施用量的千分之一, 氮肥抑制剂与化肥混合均匀后随水滴施。表1

表1 不同处理施肥量Table 1 The different treatments fertilization amount

1.2.2 测定项目

1.2.2.1 棉花产量和衣分

于棉花收获前, 选择每个小区中部进行3个点位连续1 m样段采用对角线法选取3个样点的, 测定单位株数、单株铃数、单铃重并计算棉花产量。待棉花全部收获后称取籽棉的质量并计算铃重, 然后扎取皮棉, 称出纤维质量, 计算衣分。

棉花产量(kg/hm2)=株数(株/hm2)×单株铃数(个/株)×单铃重(g/个)/1 000。

棉花衣分(%)=皮棉产量(kg/hm2)/籽棉产量(kg/hm2)。

1.2.2.2 土壤pH值和电导率

于棉花收获后，采集各小区0～20 cm土壤样品。

土壤pH值利用PHS-3C精密pH计(水土质量比为2.5∶1)测定, 土壤电导率利用电导率仪(水土质量比为 5∶1, d S/m)测定。

1.2.2.3 土壤养分

土壤有机质利用重铬酸钾容量法-外加热法进行测定, 土壤全氮利用凯氏定氮仪(QSY-I)进行测定, 土壤全磷利用H2SO4-HClO4联合消煮, 钼锑抗比色法进行测定, 土壤全钾采用NaOH熔融, 火焰光度法, 土壤碱解氮采用碱解扩散法, 土壤有效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定, 土壤速效钾采用NH4Ac浸提-火焰光度法测定[19]。

1.3 数据处理

利用Excel2007进行数据整理，SPSS 22.0 统计软件进行统计分析和不同处理间显著性检验。利用Excel进行数据统计和作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对棉花产量和构成因素的影响

研究表明，习惯施肥处理的单铃重最高, 较PK、OPT和OPT+NFI-N30%处理分别增加了7.13%、5.65%和5.31%；OPT+M-N30%处理的单铃重与CF处理差异不显著。优化施肥处理的单铃数最高, 较CF处理增加了62.97%；OPT+M-N30%、PK的单铃数与CF处理差异不显著, 分别增加了16.42、14.95; OPT+M-N30%和PK处理的单铃数比OPT+NFI-N30%处理分别增加了35.76%、34.03%。不同施肥处理单铃数依次为OPT﹥OPT+M-N30%﹥PK﹥CF﹥OPT+NFI-N30%。OPT+M-N30%处理的籽棉产量最高, 显著高于PK和OPT+NFI-N30%处理, 分别增加了7.63%、30.33%；OPT+M-N30%处理的籽棉产量与OPT和CF处理差异不显著, 较CF处理增加了5.09%, PK和OPT+NFI-N30%处理的籽棉产量比CF处理分别降低了2.41%、19.36%。不同施肥处理籽棉产量依次为OPT+M-N30%﹥OPT﹥CF﹥PK﹥OPT+NFI-N30%；各施肥处理间棉花衣分未达到显著差异, 保持在38.76%～41.13%, CF处理的棉花衣分含量最低, 不同处理间皮棉产量与籽棉产量差异一致。表2

表2 不同施肥处理下棉花产量和产量构成因素Table 2 The different fertilization treatments on the cotton yield and yield components

2.2 不同施肥处理对土壤pH值的影响

研究表明，OPT+NFI-N30%处理的pH值最高, 较OPT+M-N30%、PK、OPT和CF处理分别升高了0.37、0.35、0.54和0.64个单位；不同施肥处理土壤pH值依次为OPT+NFI-N30%﹥PK﹥OPT+M-N30%﹥OPT﹥CF。图1

注：不同的小写字母分别表示数据间差异分别达到显著水平(P<0.05)。下同

2.3 不同施肥处理对土壤电导率的影响

研究表明， OPT+M-N30%、PK、OPT和OPT+NFI-N30%处理的电导率较CF处理分别降低了50.40%、44.46%、28.70%和30.16%；不同施肥处理土壤电导率依次为CF﹥OPT﹥OPT+NFI-N30%﹥PK﹥OPT+M-N30%。图2

图2 不同施肥处理对土壤电导率的影响Fig. 2 Effect of different fertilization treatments on soil EC

2.4 不同施肥处理对土壤有机质的影响

研究表明，OPT+M-N30%处理的有机质显著高于其余施肥处理, 较PK、OPT、OPT+NFI-N30%和CF处理分别增加了23.08%、9.32%、13.82%和7.74%；不同施肥处理土壤有机质依次为OPT+M-N30%﹥CF﹥OPT﹥OPT+NFI-N30%﹥PK。OPT+M-N30%施肥处理有利于提高土壤有机质含量。图3

图3 不同施肥处理对土壤有机质的影响Fig. 3 Effect of different fertilization treatments on soil Organic

2.5 不同施肥处理对土壤速效钾的影响

研究表明， OPT+M-N30%、PK、OPT、OPT+NFI-N30%处理的速效钾含量较CF处理分别显著降低了7.06%、12.37%、7.99%和3.90%；OPT+M-N30%处理的速效钾含量与OPT处理差异不显著, 在试验条件下OPT+NFI-N30%施肥处理土壤速效钾含量仅次于CF处理。不同施肥处理土壤速效钾含量依次CF﹥OPT+NFI-N30%﹥OPT+M-N30%﹥OPT﹥PK。图4

图4 不同施肥处理下土壤有效钾变化Fig. 4 Effect of different fertilization treatments on soil available potassium

2.6 不同施肥处理对土壤速效磷的影响

研究表明, PK处理的土壤有效磷含量与CF处理差异不显著, 仅比CF处理降低了5.9%, 而OPT+M-N30%、OPT、OPT+NFI-N30%处理的土壤速有磷较CF处理分别显著降低了14.66%、21.96%、9.15%；在试验条件下PK施肥处理土壤速效钾含量仅次于CF处理。不同施肥处理土壤有机质依次为CF﹥PK﹥OPT+M-N30%﹥OPT+NFI-N30%﹥OPT。图5

图5 不同施肥处理下土壤有效磷变化Fig. 5 Effect of different fertilization treatments on soil available phosphorus

2.7 不同施肥处理对土壤碱解氮的影响

研究表明，不同施肥处理对土壤碱解氮均有显著影响, OPT+M-N30%处理的碱解氮含量与CF处理差异不显著, 较CF处理增加了5.97%; OPT+M-N30%处理的碱解氮显著高于PK、OPT和OPT+NFI-N30%处理, 分别增加了140.35%、21.93%和63.02%； PK处理的碱解氮含量最低, 且显著低于OPT、OPT+NFI-N30%处理; 不同施肥处理土壤碱解氮依次为OPT+NFI-N30%﹥CF﹥OPT﹥OPT+M-N30%﹥PK。且土壤碱解氮的变化趋势与土壤有机质的变化趋势一致。图6

图6 不同施肥处理下土壤碱解氮变化Fig. 6 Effect of different fertilization treatments on soil alkali - hydrolyzable nitrogen

2.8 不同施肥处理对土壤全氮的影响

研究表明, OPT+M-N30%处理的全氮含量与CF处理差异不显著, 全氮含量仅增加了1.70%, OPT+M-N30%处理的全氮显著高于PK、OPT、OPT+NFI-N30%施肥处理, 分别增加了15.11%、4.99%、11.35%；PK处理的全氮含量与OPT+NFI-N30%处理差异不显著, 不同施肥处理土壤全氮依次为OPT+M-N30%﹥CF﹥OPT﹥OPT+NFI-N30%﹥PK。由此可以看出，土壤全氮的变化趋势与土壤有机质及碱解氮的变化一致。图7

图7 不同施肥处理对土壤全氮的影响Fig. 7 Effect of different fertilization treatments on soil total nitrogen

3 讨 论

一些研究结果表明[20-21], 土壤的原有肥力水平直接或间接的影响棉花产量的高低, 不论棉田土壤的肥力高低, 有机肥所表现出来的作用都十分明显, 且有机肥的肥效稳定, 有培肥土壤增加土壤养分的作用。棉田施用一定量的生物有机肥, 有利于提高棉花生长后期的干物质积累量及养分的累积量, 而且还可以增加棉花的产量。这与研究结果一致, 氮肥用量减施30%，同时与液态有机肥配合施用处理的籽棉产量最高, 显著高于PK和OPT+NFI-N30%处理, 分别增加了7.63%、30.33%, 皮棉产量与籽棉产量差异一致。邹晓棉等[22]通过研究不同土壤氮素供应水平对田间玉米产量的影响指出, 氮肥施用量减少10%的处理和施用量减少20%的处理与农民日常习惯的施肥方式相比, 玉米产量均没有下降。梁二等[23]就玉米减氮肥开展的试验认为, 氮肥减少15%不会造成玉米减产；这与研究结果一致, OPT+M-N30%和OPT施肥处理的棉花产量均高于农民常规施肥处理。与单一的施用化肥相比较, 有机肥与无机肥按照一定的比列一起施用对棉花的整体长势、单株铃数、单铃重等均有一定程度的促进作用, 这可能是由于生物菌剂有机肥的加入，带来大量的有益作物生长的微生物[21]。

周卫军等[24]指出, 有机无机复混肥施用能够改良土壤的物理化学性状, 并促进棉田土壤中氮素的矿化速率, 进而显著增加棉田土壤中的有效氮含量。有研究结果表明, 有机肥与无机肥配合施用含有丰富的碳源物质, 能够刺激棉田中所存在的微生物的活动, 固定一部分土壤中的化学态氮, 将作物暂时不能够吸收利用的那部分氮素同化为有机形态的氮, 待作物需要吸收利用更多的氮素养分时, 土壤中的微生物群体将会释放和分解之前所固定的化学形态的氮素供给作物的需求, 即能够实现养分的供应时期与强度和作物的需肥时期与需肥量保持相同, 进而提高氮素积累量, 提升氮肥的利用率[25-26]。这与研究结果相似, OPT+M-N30%处理的碱解氮、全氮含量均显著高于PK、OPT和OPT+NFI-N30%处理, 且含量也略高于农民的习惯施肥。田小明等[20]研究阐明,有机肥和化肥一定比例的混合施用可以提高棉田土壤有机质总量。与研究结果相似, 不同施肥处理土壤有机质依次为OPT+M-N30%﹥CF﹥OPT﹥OPT+NFI-N30%﹥PK。

各地域的肥料施用量与配比应因地制宜。因此，应根据土壤肥料特征选取合适的品种, 采取合理的施肥措施, 尤其控制氮肥的用量以及与有机肥的配施, 以减施和杜绝肥料的过量施用的现象, 促成新疆滴灌棉花高产量高品质的目标。

4 结 论

4.1 优化施肥减氮30%增加有机肥有利于棉花增产和提升品质, OPT+M-N30%处理的籽棉和皮棉产量均最高, 较PK和OPT+NFI-N30%处理分别增加了7.63%、30.33%；OPT+M-N30%处理的籽棉产量与OPT和CF处理无显著差异, 较CF处理增加了5.09%；CF处理的单铃重最高, 较PK、OPT和OPT+NFI-N30%处理分别增加了7.13%、5.65%和5.31%, 与OPT+M-N30%处理差异不显著, 而优化施肥处理的单株铃数最高，为7.74个；CF处理的棉花衣分含量最低为38.76%。

4.2 不同施肥处理对土壤pH值的影响没有达到显著水平, CF处理土壤pH值最低为8.36。优化施肥减氮30%增施微生物菌剂处理有利于降低土壤电导率, OPT+M-N30%、PK、OPT和OPT+NFI-N30%处理的电导率较CF处理分别降低了50.40%、44.46%、28.70%和30.16%。习惯施肥的土壤有效磷和有效钾均较其余施肥处理有所增加, 且有效磷和有效钾含量均为最多, 分别为23.10和371.55 mg/kg, 而优化施肥减氮30%增施微生物菌剂处理的土壤全氮、碱解氮及有机质含量均较当地常规施肥处理及其他减氮施肥处理有所增加, OPT+M-N30%处理的全氮含量较CF、PK、OPT、OPT+NFI-N30%施肥处理分别增加了1.70%、15.11%、4.99%、11.35%；OPT+M-N30%处理的碱解氮含量较CF、PK、OPT、OPT+NFI-N30%施肥处理分别增加了5.97%、140.35%、21.93%和63.02%；OPT+M-N30%处理的有机质显著高于其余施肥处理, 较PK、OPT、OPT+NFI-N30%和CF处理分别增加了23.08%、9.32%、13.82%和7.74%。优化施肥减氮30%增施微生物菌剂有利于提高棉花产量和土壤养分含量,促进棉花品质的提高及对养分的吸收。