中国棉花土壤有效磷丰缺指标与适宜施磷量研究

吕志伟，孙洪仁，张吉萍，吕玉才，程文忠，董伟良

（1．聊城大学生命科学学院，山东 聊城 252000；2．中国农业大学草业科学与技术学院，北京 100193；3．北京六凯农业科技有限公司，北京 100095；4．新疆沙湾县天忠农民专业合作社，新疆 沙湾 834700）

棉花是我国的重要经济作物，2019 年全国种植面积约334 万hm2，总产量约589 万t［1］。新疆为特大产棉区，种植面积约254 万hm2，皮棉产量约500 万t；河北、山东、湖北、湖南、安徽、江西、河南和江苏等省份为主要的传统产棉区，种植面积约75 万hm2，皮棉产量约81 万t［1］。

肥料是作物的“粮食”，施肥不足妨碍产量、质量和效益的提高。而施肥过量不仅增加成本，还会降低产量，并且破坏耕地、水系和大气生态环境。土壤养分丰缺指标法是目前常用的一种确定作物施肥量的方法，其特点是时间有效性长、地域有效性广、简单易行，已成为我国测土推荐施肥的经典和标准方法［2-3］，至今诸多地域已经建立了诸如水稻、小麦、玉米等一些作物的土壤养分丰缺指标推荐施肥系统［4-11］，但针对棉花的相关研究颇为薄弱。

马冬菊等［12］率先开展了山东邹平棉花土壤养分丰缺指标研究。随后王向平等［13］对湖北洪湖棉花土壤养分丰缺指标进行了探索，王晓丽［14］研究了湖北棉花土壤速效钾丰缺指标，李树凤等［15］建立了内蒙古额济纳旗棉花土壤氮磷钾丰缺指标推荐施肥系统，李青军等［16］建立了新疆棉花土壤有效磷丰缺指标推荐施磷系统。虽然还有少量学者开展了其他地域的研究［17-19］，但我国棉花土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究数量少、地域覆盖面小，而且部分研究未能给出推荐施肥量［12-14］。

作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究要求开展多年、多点施肥试验，需要大量的人力和财力支撑，而棉花等诸多小作物的专业技术人员数量和科研经费投入较少，因此，土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究普遍薄弱。近年来，中国农业大学孙洪仁研究团队创建了以“零散实验数据整合法”和“养分平衡－地力差减法”新应用公式为核心内容的作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究新方法，克服了上述困难，并成功建立了紫花苜蓿、燕麦、甜菜及甘蔗等土壤养分丰缺指标推荐施肥系统［20-25］。本研究采用作物土壤养分丰缺指标推荐施肥系统研究新方法，开展全国棉花土壤有效磷丰缺指标和推荐施磷量研究，为我国棉花测土施磷提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 中国棉花土壤有效磷丰缺指标

采用“零散实验数据整合法”，从中国知网、维普和万方等数据库中检索、搜集多年来公开发表的全国各地棉花施肥试验文献，提取其中的土壤有效磷含量及对应的全肥处理产量数据和缺磷处理产量数据，并据此计算相应的缺磷处理相对产量。

缺磷处理相对产量=（缺磷处理产量÷全肥处理产量）×100%

利用Excel 2007，选择适当模型建立棉花缺磷处理相对产量与土壤有效磷含量回归方程。鉴于东、西部地区的自然条件存在较大差异，因而分别建立东部地区、西部地区和全国的棉花缺磷处理相对产量与土壤有效磷含量回归方程。为了适当提高推荐施肥精准度，参考孙洪仁等［26］的“测土施肥土壤养分丰缺分级改良方案”，确定第1 ～11 级缺磷处理相对产量下限依次为100%、90%、……、10%和0%。将各级别缺磷处理相对产量起始点数值0%、10%、……、90%和100%，分别代入本研究建立的棉花缺磷处理相对产量与土壤有效磷含量回归方程，计算得出相应的土壤有效磷含量，即可获得各丰缺级别的起点指标。

1.2 推荐施磷量

利用孙洪仁等［27］的“养分平衡－地力差减法”新应用公式和“测土施肥不同丰缺级别土壤适宜施肥量检索表”［28］计算得到棉花不同丰缺级别土壤的适宜施磷量。计算公式为：

适宜施磷量=目标产量棉花磷素移出量×（1-缺磷处理相对产量）/磷肥当季利用率

其中，单位经济产量棉花磷素（P2O5）的移出量，皮棉确定为45 kg/t，籽棉确定为18 kg/t［16，29］。我国棉花目标产量范围为1.0 ～3.6 t/hm2（皮棉）和2.5 ～9.0 t/hm2（籽棉）［16，29］。根据实际需要，确定10 个具体目标产量，皮棉分别为1.0、1.2、1.5、1.8、2.1、2.4、2.7、3.0、3.3 和3.6 t/hm2， 籽棉目标产量分别为2.5、3.0、3.75、4.5、5.25、6.0、6.75、7.5、8.25 和9.0 t/hm2。

将各丰缺级别的缺磷处理相对产量下限作为该级别的棉花缺磷处理相对产量，即第1 ～11 级的棉花缺磷处理相对产量依次为100%、90%、……10%和0%。我国目前包括棉花在内的各种作物的磷肥当季利用率一般为10%～30%［28］，本研究设置10%、15%、20%、25%和30%共5 个磷肥当季利用率。

2 结果与分析

2.1 中国棉花施磷试验文献及与土壤有效磷丰缺指标研究相关信息

本研究共搜集到含有“土壤有效磷含量”、“缺磷处理产量”和“全肥处理产量”信息的棉花 施 磷 试 验 文 献98 篇（1990 ～1999 年6 篇，2000 ～2009 年27 篇，2010 ～2020 年65 篇）［30-127］，从中提取出183 组试验数据，涉及14 个省份（自治区），基本涵盖了我国棉花的主要种植地区（相关信息见表1）。计算“缺磷处理相对产量”后，得到“土壤有效磷含量”和“缺磷处理相对产量”配套数据共183 对。

表1 我国棉花施磷试验文献中与土壤有效磷丰缺指标研究相关信息

2.2 中国棉花土壤有效磷丰缺指标

去除6 对明显不合理数据后，利用64 对配套数据建立西部地区棉花缺磷处理相对产量与土壤有效磷含量回归方程，结果如图1 所示。其中我国西部地区棉花缺磷处理相对产量和土壤有效磷含量的试验数据范围分别为52.95%～103.06%和1.9 ～27.4 mg/kg。

去除13 对明显不合理数据后，利用100 对配套数据建立东部地区棉花缺磷处理相对产量与土壤有效磷含量回归方程，结果如图2 所示。其中我国东部地区棉花缺磷处理相对产量和土壤有效磷含量的试验数据范围分别为60.47%～104.98%和3.3 ～38.9 mg/kg。

图1 中国西部棉花土壤有效磷含量与缺磷处理相对产量回归关系（n=64）

图2 中国东部棉花土壤有效磷含量与缺磷处理相对产量回归关系（n=100）

进一步利用上述东、西部共164 对配套数据，建立全国棉花缺磷处理相对产量与土壤有效磷含量回归方程，结果如图3 所示。全国棉花缺磷处理相对产量和土壤有效磷含量的试验数据范围分别为52.95%～104.98%和1.9 ～38.9 mg/kg。

图3 中国棉花土壤有效磷含量与缺磷处理相对产量回归关系（n=164）

由图1 ～3 可见，西部、东部和全国的缺磷处理相对产量与土壤有效磷含量回归方程均达到了极显著水平（P＜0.01）；西部和东部两大区域回归方程的决定系数较为接近，但皆明显高于全国；同一区域直线型和自然对数型回归方程的决定系数颇为接近。

根据获得的缺磷处理相对产量和土壤有效磷含量回归方程，计算得出我国西部、东部和全国棉花土壤丰缺级别第1 ～6 级起讫点有效磷含量。对于超出试验范围的外推数据，低端（70%及以下）保留1 个，剔除全部负值，并对小数进位取整后，获得西部、东部和全国棉花土壤有效磷丰缺指标，如表2 所示。

表2 中国棉花土壤有效磷丰缺指标

采用直线型和自然对数型回归方程的计算结果差别明显。直线型回归方程计算结果中，缺磷处理相对产量70%及其以下对应的土壤有效磷含量皆为负值。自然对数型回归方程计算结果中，西部缺磷处理相对产量90%～100%、东部缺磷处理相对产量100%和全国缺磷处理相对产量95%～100%对应的土壤有效磷含量均为外推数据。但缺磷处理相对产量80%～90%对应的土壤有效磷含量，二者计算结果较为接近。

西部和东部的棉花土壤有效磷丰缺指标差异很大，西部明显高于东部。对应于缺磷处理相对产量100%的全国高端指标高于西部和东部，对应于缺磷处理相对产量80%～90%的全国中段指标介于西部和东部之间，对应于缺磷处理相对产量70%及以下、源于自然对数模型计算结果的全国低端指标低于西部和东部。采用直线模型，西部、东部和全国棉花土壤有效磷丰缺级别皆划分出4 级；采用自然对数模型，西部棉花土壤有效磷丰缺级别划分出6 级，东部和全国均划分出5 级。

2.3 中国棉花土壤不同丰缺级别下的适宜施磷量

本研究得到的我国棉花土壤不同丰缺级别下的适宜施磷量见表3。其中，棉花的适宜施磷量与土壤有效磷丰缺级别为线性负相关。第1 级的适宜施磷量为0，以第2 级的适宜施磷量为基数，每降低1 个级别，适宜施磷量提高1 倍（实际计算中取整）。如：皮棉（籽棉）目标产量为1.0（2.5）t/hm2，磷肥当季利用率为20%时，第1 级的适宜施磷量为0，第2 级为23 kg/hm2，第3 级为45 kg/hm2。

表3 中国棉花土壤适宜施磷量

（续表）

棉花的适宜施磷量与目标产量呈线性正相关。以皮棉（籽棉）目标产量1.0（2.5）t/hm2的适宜施磷量为基数，皮棉（籽棉）目标产量为1.2（3.0）、1.5（3.75）、1.8（4.5）、2.1（5.25）、2.4（6.0）、2.7（6.75）、3.0（7.5）、3.3（8.25）和3.6（9.0）t/hm2时的适宜施磷量依次为其的1.2、1.5、1.8、2.1、2.4、2.7、3.0、3.3 和3.6 倍。

同时，棉花的适宜施磷量与磷肥当季利用率为线性负相关，磷肥当季利用率越高，适宜施磷量越低。如：磷肥当季利用率为15%时的适宜施磷量为10%时的0.67 倍，磷肥当季利用率为20%时的适宜施磷量为10%时的0.5 倍。

磷肥当季利用率为20%、皮棉（籽棉）目标产量为1.0 ～3.6（2.5 ～9.0）t/hm2时，土壤有效磷丰缺级别第1 ～6 级的适宜施磷量范围依次为0 ～0、23 ～81、45 ～162、68 ～243、90 ～324和113 ～405 kg/hm2。

3 讨论

3.1 棉花缺磷处理相对产量与土壤有效磷含量回归方程及丰缺指标的确定

本研究结果表明，未做西部和东部区分的全国棉花缺磷处理相对产量与土壤有效磷含量回归方程的决定系数明显低于西部和东部；土壤有效磷丰缺指标的高端（100%）偏高、低端（70%及以下）偏低，可信度和实用性不如西部和东部独立建立的回归方程和确定的丰缺指标；而且西部和东部棉花土壤有效磷丰缺指标差异很大，西部明显高于东部。鉴于此，应该采用西部和东部各自独立确定的棉花土壤有效磷丰缺指标，不应采用全国指标。

同时，本研究结果中同一区域直线型和自然对数型回归方程的决定系数颇为接近，但采用直线模型计算得到的棉花土壤有效磷丰缺指标低端（70%及以下）均是负值，而利用自然对数模型计算得到的丰缺指标高端（100%）均为外推；基于两种模型分别计算得到的中段指标（80%～90%）较为接近。无论采纳直线型回归方程计算结果，还是采纳自然对数型回归方程计算结果，都存在问题。将基于两种模型分别计算结果整合起来，可能是一个较好的选择。具体作法是：西部地区第1 ～3 级和东部地区第1 ～2 级丰缺指标的起讫点均采用基于两种模型分别计算结果之平均值，其余指标则采用基于自然对数模型计算结果。于是确定我国西部棉花土壤有效磷第1 ～6 级丰缺指标依次为≥62、27 ～62、11 ～27、4 ～11、2 ～4 和＜2 mg/kg，东部棉花土壤有效磷第1 ～5 级丰缺指标依次为≥44、16 ～44、4 ～16、2 ～4 和＜2 mg/kg。

我国西部棉花土壤有效磷丰缺指标分级明显高于东部，可能原因：一是长期以来东部耕地施肥量远高于西部，且远超出作物移出养分量，导致磷累积于土壤之中，使0 ～20 cm 表层土壤和底层土壤有效磷含量均明显高于西部［128］；二是西部光照资源优于东部，棉花单产水平明显高于东部，因而需肥强度明显高于东部，导致西部棉花土壤有效磷丰缺指标分级高于东部。

绝大多数学者都选择缺素处理相对产量95%对应的土壤养分含量作为最高丰缺级别指标之下限。本研究认为，由于最高级别不予施肥，因此这样选择会造成0%～5%的产量损失。为了充分发挥耕地生产潜力，还是应该选择缺素处理相对产量100%对应的土壤养分含量作为高端指标。

3.2 中国棉花土壤有效磷丰缺指标

李树凤等［15］的研究表明，内蒙古额济纳旗棉花缺磷处理相对产量90%和95%对应的土壤有效磷指标分别为15 和17 mg/kg，本研究中的西部棉花研究结果明显较其为高。李青军等［16］的研究表明，新疆棉花缺磷处理相对产量70%、80%、90%和95%对应的土壤有效磷指标分别为5、12、25和38 mg/kg，本研究中的西部棉花研究结果与其颇为接近。张福锁等［29］将新疆棉花土壤有效磷最高级别下限（缺磷处理相对产量95%）指标确定为40 mg/kg，本研究中的西部棉花研究结果与其完全一致。

马冬菊等［12］的研究表明，山东邹平棉花缺磷处理相对产量90%对应的土壤有效磷指标为14 mg/kg，本研究中的东部棉花研究结果与其颇为接近。王向平等［13］的研究表明，湖北洪湖棉花土壤缺磷处理相对产量95%对应的土壤有效磷指标为17 mg/kg，本研究中的东部棉花研究结果明显较其为高。张福锁等［29］将华中地区棉花土壤有效磷最高级别下限（缺磷处理相对产量95%）指标确定为40 mg/kg，本研究中的东部棉花研究结果明显较其为低。

本研究得出的丰缺指标与上述李树凤等［15］（额济纳旗）、王向平等［13］（洪湖）以及和张福锁等［29］（华中地区）的结果之间存在一定差异，这可能与这些研究所采用的棉花品种特性、产量水平、栽培方式和土壤肥力等因素有关［16］。较少的棉花品种、较单一的栽培方式和土壤类型等因素以及较短的研究周期均会影响试验结果。本研究样本数量大、地域分布广、土壤类型丰富、棉花品种多样性高并且时间持续久，因此，有理由相信本棉花土壤养分丰缺指标研究结果较为可靠。

3.3 推荐施磷量

张福锁等［29］针对新疆地区目标产量1.5 ～2.4 t/hm2皮棉的推荐施磷量为70 ～170 kg/hm2，针对华中地区目标产量1.2 ～1.65 t/hm2皮棉的推荐施磷量为0 ～200 kg/hm2。当磷肥利用率为20%时，本研究丰缺级别第2 ～4 级的适宜施磷量与前者大体相当，第1 ～6 级的适宜施磷量与后者十分接近。新疆漫灌和滴灌棉花籽棉目标产量为4.5～9.0 t/hm2时的推荐施磷量为0 ～230 kg/hm2［16］，河北唐山地区籽棉目标产量3.0 ～3.75 t/hm2时的推荐施磷量为30 ～120 kg/hm2［17］，本研究相应目标产量下的推荐施磷量与其均一致。

内蒙古额济纳旗棉花最佳施磷量范围为157 ～224 kg/hm2［15］，湖北洪湖［18］与湖南桃源［19］的推荐施磷量范围为45 ～105 kg/hm2。在本研究所涉及的文献［30-127］中，西部地区棉花籽棉目标产量为2.7 ～6.7 t/hm2，推荐施磷量范围为50 ～600 kg/hm2；东部地区棉花籽棉目标产量为1.2～5.5 t/hm2，推荐施磷量范围为32 ～225 kg/hm2。本研究结果与上述基本一致。由此可见，本研究中棉花推荐施磷量较为可靠。

4 结论

本研究初步建立了我国西部和东部棉花土壤有效磷丰缺指标推荐施肥系统。其中中国西部棉花土壤有效磷丰缺指标可划分为6 级，第1 ～6 级依次为≥62、27 ～62、11 ～27、4 ～11、2 ～4 和＜2 mg/kg；中国东部棉花土壤有效磷丰缺指标可划分为5 级，第1～5 级依次为≥44、16 ～44、4 ～16、2 ～4 和＜2 mg/kg。当皮棉（籽棉）的目标产量为1.0 ～3.6（2.5 ～9.0）t/hm2，且磷肥当季利用率为20%时，土壤有效磷丰缺级别第1 ～6 级的适宜施磷量范围依次为0、23 ～81、45 ～162、68 ～243、90 ～324 和113 ～405 kg/hm2。相关结果为我国棉花磷肥的施用提供了科学依据。