不同施磷方式对滴灌棉田土壤磷动态及无机磷组分的影响

张曼玉，李小伟，杨海昌*，张凤华，杨 磊，马文新，范吉虎

（1.石河子大学 农学院，新疆 石河子832003；2.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】化肥投入是现代农业生产的重要条件之一。我国化肥用量大，据2015年FAO 数据显示，我国化肥施用量约为美国3.3 倍，欧盟5.8 倍，并且每年的施肥量以2.8%的速率增长[1]，但化肥利用率仅为世界平均水平的55%。“十四五”期间，农业农村部规划减少农作措施中化肥的不合理用量，保证化肥供给的及时性，将肥料利用率再提高3%[2]。据统计，我国的氮肥当季利用率为30%～35%，钾肥利用率为35%～50%，磷肥利用率较低，仅为7.3%～30%[3-4]。磷肥利用率低不仅造成肥料浪费，而且严重影响作物的产量。因此，提高磷肥利用率是改善土壤环境，促进农业可持续发展的重要一步[5]。

【研究进展】磷肥利用率低主要是因为磷在土壤中移动性差，容易和土壤中游离的钙、铁等离子结合，形为难溶解的化合物，从而降低了磷的有效性[6]。在传统施肥方式中，经常通过增加施肥量提高土壤有效磷，以满足作物生长需求，但是增施磷肥也会使过量的磷残留在土壤中，造成土壤磷的富集，破坏土壤磷素平衡[7-8]。褚贵新等[9]研究表明，1979―2012年新疆棉区磷肥的施用量年递增率为7.7%，但是磷肥偏生产力降低到21.5 kg/kg，投入量远远大于作物的吸收量。因此，提高磷肥的有效性可避免磷的浪费，增加棉花产量与品质，棉花合理施用磷肥对新疆农业发展具有重要意义。

棉花在生育期内需磷量整体呈现先增加后减少的趋势，在花铃期需磷量最大，占全生育期吸磷量的64.4%～67.1%[10]。【切入点】新疆位于干旱区，水资源缺乏，水肥一体化技术不仅可以高效节水，而且可以有效提高水肥之间的耦合，增大肥效。因此，水肥一体化技术作为一种现代农业技术被大力推广并应用，新疆地区现有的施磷方式以施底肥与后期追肥相结合，底肥在播种前施入土壤，而追肥时期以水施磷，水肥互作效应并未得到完全发挥，另外，棉花在现蕾之前对磷的需求较少，导致底肥施入的磷素不能立即被作物吸收利用，容易被土壤所固定，底肥中的磷素发挥水平较低[11]。

【拟解决的关键问题】因此，本研究针对新疆地区磷肥利用率低这一问题，通过调整磷肥施肥方式，分析磷肥不同施入方式对棉田土壤磷素状况、土壤无机磷组分和作物产量的影响，为新疆地区棉花生产中磷肥的合理施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

于2019―2020年在新疆昌吉州农业园区牛圈子湖丘内进行2 a 试验。供试试验田土壤质地为轻壤土，土壤性质为石灰性土壤，土壤基本理化性质数据如表1 所示。

表1 土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of soil

供试农田种植棉花，棉花品种为新陆早57 号，于2019年4月12日播种，2019年10月11日收获，2020年4月15日播种，2020年10月20日收获。种植模式为1 膜2 管6 行，采用66 cm+10 cm 宽窄行种植，种植密度为18 万株/hm2。灌水方式为膜下滴灌，全生育期灌溉量为5 025 m3/hm2，在播种后灌出苗水后停止灌水，直至苗期开始灌溉，苗期至收获期灌水周期均为7～10 d，滴头的工作压力为0.02～0.25 MPa，在工作压力下流量是额定流量，一般为1.8～2.6 L。

试验小区及滴灌带的布设如图1 所示。采用单因素完全随机设计，共12 个小区，小区面积为20.5 m2，试验共设置4 种不同处理为DF1：底肥全部基施（追肥以氨基酸水溶肥为主）；DF2：底肥全部基施（追肥以微生物复合肥为主）；NF1：底肥全部追施（追肥以氨基酸水溶肥为主）；NF2：底肥全部追施（追肥以微生物复合肥为主），本研究中底肥全部基施的施肥方式和底肥全部追肥的施肥方式互为对照，而不同追肥类型只是为了进一步验证试验结果，因此不同的肥料种类之间不做比较。2019年和2020年各处理施肥量相同，均按照棉花所需养分进行折算，所需N总量为467.0 kg/hm2；P2O5总量为177.8 kg/hm2；K2O总量为120.6 kg/hm2。试验中底肥均施过磷酸钙，施用量为430.0 kg/hm2，追肥分别选用2 种不同的水溶性肥料为主（氨基酸水溶肥和微生物复合肥），其中，氨基酸水溶肥分别为慧聚能、慧聚丰、慧聚钾，其中慧聚能为18%的氮、2%的钾；慧聚丰为15%的氮、15%的磷、5%的钾；慧聚钾为8%的氮、30%的钾；复合微生物肥料的配比为12%的氮、5%的磷、2%的钾、10%的氨基酸、18%的有机质，具体追肥量以及追肥时间见表2、表3，除表中之外，各处理还配施尿素、磷酸一铵和硫酸钾，DF1处理尿素配施672.4 kg/hm2；NF1处理尿素配施589.3 kg/hm2，磷酸一铵配施318.5 kg/hm2；DF2处理尿素配施83.1 kg/hm2，硫酸钾212.0 kg/hm2，磷酸一铵配施302.9 kg/hm2；NF2处理硫酸钾配施212.0 kg/hm2，磷酸一铵配施621.5 kg/hm2。其他管理方式相同，并与大田保持一致。试验所需肥料均由新疆慧尔农业集团股份有限公司提供。

图1 试验小区及滴灌带的布设Fig.1 Design drawing of test plot and drip irrigation belt

表2 棉花全生育期施肥时间及施肥量Table 2 Time and amount of fertilizer applied during the whole growth period of cotton

表3 棉花全生育期复合微生物肥料施肥时间及施肥量Table 3 Time and amount of application of compound microbial fertilizer during the whole growth period of cotton

1.2 样品采集

分别在棉花蕾期、花铃期、吐絮期和收获期采集各处理土样，采样深度为0～20、20～40、40～60 cm，样品采集采用“S”形五点取样法，将每个小区的同一土层土壤样品进行充分混合，形成一个混合样品，混合土样采用“四分法”，保留1 kg。土壤样品分别装入自封袋，做好标记，带回实验室。每个土壤样品被分为2 部分，一部分保存于4 ℃的冰箱中用于微生物量磷的分析；另一部分放置阴凉干燥处自然风干，分别过0.15 mm 筛和1 mm 筛，用于土壤有效磷和磷分级的测定。

在棉花收获期对每个小区选取20 株棉花，记录每株棉花成铃数，计算平均结铃数；采集成熟棉絮100 朵并烘干，测定并计算单铃质量；计算棉花籽棉产量[11]。

1.3 测试指标

土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；土壤微生物量磷采用熏蒸培养-NaHCO3提取方法测定；土壤无机磷形态分级测定[12]：①用NH4Cl浸提-钼锑抗比色法测定Al-P；②用NaOH 浸提-钼锑抗比色法测定Fe-P；③用NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定Ca2-P；④用NH4OAC 浸提，钼锑抗比色法测定Ca8-P；⑤用H2SO4浸提-钼锑抗比色法测定Ca10-P。棉花产量计算：亩产籽棉＝收获密度（株/亩）×平均单株成铃数（个/株）×单铃质量（g/个）/（1 000）×测产校正系数（85%）。

1.4 数据处理

试验数据处理采用Excel 2017 和Origin 2017 软件进行数据处理和图表绘制。数据分析采用SPSS 19.0 软件进行方差分析、多重比较和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 棉花各生育期土壤有效磷变化

棉花不同生育期0～60 cm 土层有效磷的分布特征如图2 所示。不同施磷方式在0～20 cm 土层有效磷差异显著，其他土层差异不显著，这是由于各处理施入的磷肥均集中在土壤耕层，造成磷肥在0～20 cm土层的积累。在蕾期，0～20 cm 土层，DF1、DF2处理有效磷分别显著高于NF1、NF2处理。而花铃期、吐絮期和收获期DF1、DF2处理的有效磷分别显著低于NF1、NF2处理，其中，2019年DF1处理有效磷分别低于NF1处理的13.1%、14.6%和5.4%，2020年则分别低4.7%、16.4%、14.9%；DF2处理在2019年有效磷量分别比NF2处理的6.9%、9.7%和8.7%，在2020年则分别低于13.9%、9.2%和5.5%。随着生育期的延长，各处理在0～20 cm 土层有效磷量均呈先增加后降低的变化，在蕾期有效磷量最低，花铃期达到最高。

图2 棉花不同生育期0～60 cm 土层有效磷Fig.2 Available P in 0～60 cm soil layer at different growth stages of cotton

2.2 棉花各生育期土壤表层微生物量磷和无机磷组分变化

棉花各生育期土壤表层（0～20 cm）微生物量磷变化如图3 所示。在花铃期、吐絮期和收获期NF1、NF2处理微生物量磷分别显著高于DF1、DF2处理，其中，NF1处理微生物量磷相比于DF1处理，在2019年分别高34.5%、26.0%和36.1%，2020年分别高28.3%、22.1%和10.9%。NF2处理微生物量磷显著高于DF2处理，2019年分别高32.5%、18.2%和35.1%，2020年分别高35.6%、23.7%和20.9%。NF1、NF2处理分别比DF1、DF2处理土壤供磷能力更强。

图3 棉花不同生育期0～20 cm 土层微生物量磷变化Fig.3 Changes of microbial biomass and phosphorus in 0～20 cm soil layer at different growth stages of cotton

随着生育进程推进各处理微生物量磷呈先增加后降低的趋势，在花铃期微生物量磷达到最高。底肥全部追施的施磷方式使土壤微生物量磷增加，可能是由于分次施肥使更多的磷被同化合成到微生物体内，增大了微生物量磷的周转通量。

棉花在不同生育期土壤表层各形态无机磷变化见图4 所示。从图4 可以看出，在2 a 的田间试验中，各无机磷组分随棉花生育期的变化规律相似。NF1、NF2处理的Ca2-P 在棉花生育期均升高后降低，花铃期时达到最高；而AL-P 和Ca10-P 则出现相反的变化趋势，在花铃期最低；Ca8-P 在蕾期至吐絮期升高，在收获期降低。DF1、DF2处理Ca2-P 在棉花生育期始终处于降低的趋势，而Ca8-P 随生育期出现降低后升高再降低的变化，AL-P 和Ca10-P 降低后升高，并在收获期高于其他3 个时期。各处理Fe-P 在棉花生育期变化规律表现相同，均升高后降低。

图4 棉花不同生育期土壤表层无机磷组分变化Fig.4 Changes of inorganic phosphorus components in soil surface at different growth stages of cotton

在棉花蕾期，除Ca10-P 外，NF1、NF2处理其他无机磷组分均分别低于DF1、DF2处理；花玲期，NF1、NF2处理Ca2-P 发生变化，和Ca10-P 均分别高于DF1、DF2处理，其他无机磷组分均分别低于DF1、DF2处理；吐絮期，NF1、NF2处理Ca2-P 仍然分别高于DF1、DF2处理；收获期，除Ca2-P 以外，NF1、NF2处理的Ca8-P 同样分别高于DF1、DF2处理，NF1、NF2处理的AL-P 在棉花各生育期始终分别低于DF1、DF2处理。因施肥类型不同，NF1、NF2处理土壤Ca10-P 分别低于DF1、DF2处理的变化有时发生在吐絮期，有时发生在收获期。NF1、NF2处理使土壤中无机磷组分中的直接磷源增加，缓效磷源降低。

2.3 土壤有效磷与磷组分的关系

表4 为土壤有效磷和无机磷组分相关性分析。有效磷与Ca2-P 呈显著正相关关系；与C10-P 和AL-P呈显著负相关关系；AL-P 与Ca10-P 呈显著正相关关系；Ca2-P 与Ca10-P 和AL-P 呈显著负相关关系。AL-P与有效磷具有极显著负相关，AL-P 与有效磷的相关性与前人研究略有不同，可能是由于本研究中是无底肥，而前人研究[13]是减少整体施肥用量，施肥方式不同影响了土壤无机磷组分的积累，作物品种也具有差异，不同作物对无机磷组分的利用能力也具有差异，导致无机磷组分的有效性具有差异。

表4 2019―2020年土壤磷组分与有效磷的相关性分析Table 4 Correlation analysis of soil P components and available P during 2019―2020

2.4 棉花产量

棉花成熟收获后各处理棉花产量见图5。NF1、NF2处理棉花产量分别显著高于DF1、DF2处理，其中，NF1处理与DF1处理相比，2019年棉花产量显著增加了2.2%，2020年棉花产量增加了6.6%。NF2处理比DF2处理在2019年棉花产量显著增加了10.6%，2020年增产了10.5%。相比底肥全部基施的施肥方式，底肥全部追施的施肥方式可使棉花产量平均增加7.5%。

图5 不同处理棉花产量Fig.5 Cotton yield under different treatments

3 讨论

3.1 施肥方式对土壤磷素状况的影响

磷的有效性与施用方式密切相关，目前农业措施中磷以底肥与追肥相结合的形式施入，随着水肥一体化技术在新疆地区的迅速发展，水分与肥料的耦合作用未得到完全发挥。前人研究表明，地上部分种植地甜椒和玉米时，底肥全部追施的施肥方式可显著提高土壤的有效磷，增强土壤的供磷能力[14-15]。土壤的磷流失临界值为45 mg/kg[16]，在本研究中，随着追肥的施入，0～20 cm 土层有效磷在棉花各生育期始终低于25 mg/kg，远远小于此阈值，因此，棉花生育期内的追肥施用量不会造成0～20 cm 土层的淋溶风险，磷的积累占据主导作用。

由于新疆地区石灰性土壤固磷的特性，磷肥在施肥点溶解或者开始向外扩散，由于滴灌将肥料随水分次滴施，而土壤中水分的移动是施肥点外高水势向施肥点的低水势运动，肥料与水分的运动方向相反，导致磷肥的扩散与移动受到限制[17]。磷肥施入点H2PO4－升高，容易和石灰性土壤中的钙结合形成沉淀，形成难溶的磷，有研究表明，通过在不同时期减少磷的输入量，可以降低土壤溶液中H2PO4－的质量浓度，吸附态磷仍然会保持较高的有效性[18-19]。相较于本研究，底肥施入土壤的形式为固体磷肥，土壤中的毛管水会分解一部分磷肥，使施肥点H2PO4－质量浓度升高，而石灰性土壤钙离子丰富，二者发生沉淀反应，使土壤磷的有效性降低，而底肥全部追施的施肥方式，磷肥随水施入，具有较好的流动性，水肥一体化技术使水肥耦合，在土壤中分布均匀，减少了土壤中某施肥点H2PO4－质量浓度高的现象，并且磷肥溶于水中，磷以离子态的形式更容易被作物吸收，减少了固体磷肥水解这一过程，土壤磷的有效性增加[20-21]。

3.2 施肥方式对土壤无机磷组分的影响

磷肥在土壤中发生的化学过程是溶解-沉淀过程，当土壤中的磷质量浓度较高时，磷以吸附为主，土壤中磷的质量浓度较低时，被吸附的磷会发生解吸。石灰性土壤中无机磷组分的转化趋势为H2O-P→Ca2-P→Ca8-P→Al-P→Fe-P→Ca10-P[22]，土壤无机磷中Ca2-P 对作物吸收磷素最有效，其他无机磷组分一般作为缓效磷源，Ca10-P 为无效态的磷[23]。前人研究表明，磷肥1 次施用为主时，大部分磷被土壤所固定，当磷肥分次滴施时，磷在土壤中的质量浓度小且分散，磷的有效性较高[24]，这与本研究结果达成一致。曹莹菲等[25]发现磷肥与有机肥配施会增加Ca2-P，单施过多的磷肥会导致土壤中磷素向无效态的转化，加快Ca2-P 向Ca10-P 转化的速率。本研究结果表明，底肥全部追施相比于底肥全部基施的施肥方式降低了无机磷组分中Ca2-P 向Ca10-P、AL-P 的转化量。底肥全部追施的施肥方式在棉花需肥时期进行分次追肥，使土壤中的施磷量与作物需磷量协调一致，配合滴灌技术，大大减缓了Ca2-P 向其他无机磷转化的风险；土壤中的Ca2-P 持续增加，使土壤所需钙的吸附位点达到饱和，Ca10-P 相应较少。并且，不施底肥减少了前期磷的输入，降低了土壤中磷与AL3+的结合，分次施入磷肥，减少过多的磷在土壤残留，土壤中AL-P的形成减少[26]。

4 结论

1）本研究依据棉花各生育期需磷规律和新疆石灰性土壤固磷特点，通过优化磷肥施入方式，底肥全部追施的施肥方式降低了棉花各生育期内0～20 cm土层中Ca2-P 向Ca10-P、AL-P 的转化量，有效磷量平均增加了10.3%，相比底肥全部基施，底肥全部追施的施肥方式更有利于提高土壤磷的有效性。

2）在滴灌条件下，相比底肥全部基施，底肥全部追施的施肥方式不仅可满足棉花生长所需，而且可使棉花产量平均增加7.5%。本研究为新疆地区棉区施磷模式提供理论依据，对当地农民生产提供指导。