基于养分专家系统的棉花推荐施肥效应

佘玲艺,哈丽哈什·依巴提,张 炎,陈创洲,樊林鑫,张 优

(1.新疆农业大学资源与环境学院,乌鲁木齐 830052;2.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所,乌鲁木齐 830091;3.农业农村部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室,乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】新疆棉花面积、总产、单产连续多年位居全国第一[1]。2021年新疆棉花播种面积为2 506.1×103hm2,约占全国的82.76%,产量为512.9×104t,约占全国的89.5%[2]。合理施用化肥,能够优化棉花冠层结构,增加棉花对氮、磷、钾养分的吸收和利用,提高棉花产量和纤维品质。农作物肥料利用率需要提高[3],棉田化肥也有过量施用现象[4]。目前,国内棉花的推荐施肥方法主要是基于土壤测试的推荐施肥方法[6],但该类方法推荐施肥不及时,无法根据小农户的不同地力水平及时推荐施肥量。【前人研究进展】基于产量反应和农学效率的养分专家(Nutrient Expert,以下简称NE)系统是新的有关作物施肥推荐系统[7-12]。养分管理和肥料推荐原则基于改进的实地养分管理技术(Site-specific nutrient management, SSNM)和QUEFTS模型指导的养分管理,并综合考虑氮、磷、钾养分的科学施肥[13]。2009年至今我国养分专家系统推荐施肥已在棉花[14,15]、小麦[16]、水稻[17]、玉米[18,19]、马铃薯[20]、萝卜[21]、大葱[22]等作物上进行了研究分析和应用验证,与当地的常规习惯性施肥相比,均能增产增收。棉花养分专家系统是以实地养分管理为基础,结合“4R”(合适的肥料品种、合适的肥料用量、合适的施肥时间和合适的施肥位置)养分管理原则,应用大量的田间试验,分析各农学参数的内在联系而建立的一种平衡推荐施肥方法[23]。【本研究切入点】现已在新疆南北疆开展田间验证试验,均取得增产增收的效果[14,15]。但由于新疆棉花种植面积广,尚未完成在不同气候、土壤和肥力条件下进行田间验证。需研究棉花养分专家系统推荐施肥在新疆南疆棉花生产中应用的可行性。【拟解决的关键问题】研究通过田间试验,分析棉花养分专家推荐施肥对沙雅县棉花产量、效益、养分吸收及肥料利用的影响,验证棉花养分专家系统的可行性,为沙雅县棉花科学施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

2021年在新疆沙雅县海楼镇海楼村(41°28′30″N,82°71′84″E)和库木巴格村(41°16′48″N,82°41′19″E)布置田间试验。

表1 供试土壤基础理化性质

海楼村棉花供试品种为新陆早66号,2021年5月20日播种,10月15日收获。库木巴格村的棉花供试品种为新陆中80号,2021年4月10播种,10月16日收获。两地均采取膜下滴灌机采棉种植模式,1膜6行,行距((10+66+10+66+10)+66) cm,株距10.5 cm,理论株数为25.4×104株/hm2。表1

供试氮肥为尿素(46%N),供试基施磷肥为三料磷肥(46%P2O5)、追施磷肥为磷酸一铵(12%N,60%P2O5),供试钾肥为硫酸钾(50%K2O)。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

设8个处理:NE,基于养分专家系统的推荐施肥;NE+OM,养分专家系统推荐施肥基础上,施用有机肥代替部分化肥;FP,常规习惯施肥;OPTS,当地农技推广部门推荐施肥;CK,不施肥;NE-N,NE推荐基础上不施氮肥;NE-P,NE推荐基础上不施磷肥;NE-K,NE推荐基础上不施钾肥。

所有施肥处理氮肥用尿素分6次按10∶20∶25∶25∶10∶10的比例随水滴施,海楼村分别于2021年6月9日、6月25日、7月5日、7月21日、8月2日和8月13日施入;库木巴格村分别在2021年6月14日、7月1日、7月6日、7月14日、7月28日和8月13日施入。磷肥70%做基肥,使用三料磷肥,海楼村和库木巴格村分别于在4月9日、4月8日撒施后深翻;30%磷肥以磷酸一铵在苗期随水追施,海楼村在6月9日,库木巴格村在6月14日施入。钾肥以硫酸钾分2次在蕾期和铃期各50%随水滴施,海楼村分别于6月25日和7月21日,库木巴格村分别在7月1日和7月14日施入。

2个试验小区均随机排列,每个处理重复3次,小区面积为9.12 m×6.46 m=58.9 m2。表2

1.2.2 测定指标

土壤养分:全氮采用凯氏定氮法,全磷采用酸熔-钼锑抗比色法,全钾采用用酸溶-火焰光度计法,有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法,碱解氮采用碱解扩散法,有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法,速效钾采用乙酸铵提取-火焰光度法,pH值和电导率采用浸提电位法(水土比2.5∶1),方法参照《土壤农化分析》[24]。

棉花植株养分:全氮、全磷、全钾均采用H2SO4-H2O2消煮,流动分析仪测定[25]。

产量:棉花吐絮期调查每个小区的总铃数、总株数、计算单株铃数和公顷收获株数;各小区分3次取棉株上、中、下部位共50朵,测定单铃重。

表2 各处理施肥

1.2.3 肥料利用率

氮肥表观利用率(%)=(施氮区棉株吸氮量-不施氮区棉株吸氮量)/施氮量×100%;

氮肥偏生产力(kg/kg)=施肥区籽棉产量/施氮量;

氮肥农学效率[kg/kg]=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量;

磷、钾肥料利用率计算与以上氮肥计算公式相同。

1.3 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2022和SSPS 17统计软件进行整理和分析,多重比较采用Ducan法(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对棉花产量和产量构成影响

研究表明,2个试验施肥均显著增加了棉花的产量。其中海楼村NE、NE+OM、FP和OPTS相比于CK,分别增产38.01%、39.27%、25.23%和27.85%;其中NE+OM产量最高,NE次之,较FP和OPTS分别增产11.21%、9.26%和8.94%、7.95%。NE相比于NE-N、NE-P和NE-K,分别增产27.81%、22.82%和17.14%。库布巴格村NE、NE+OM、FP和OPTS较CK,产量分别提高47.22%、44.34%、31.85%和33.68%;其中NE产量最高,显著高于FP和OPTS,分别增产11.66和10.13%;NE+OM的产量次之,显著高于FP。NE相比于NE-N、NE-P和NE-K,分别增产36.04%、33.64%和13.92%。两地呈现相同规律,均为氮肥对棉花产量影响最大,其次是磷肥,钾肥最小。

相比于NE、NE+OM、FP和OPTS,不施肥和缺素处理都显著降低了棉花单铃重。其中,海楼村CK的单铃重最低;库木巴格村除CK之外,其他各处理之间没有显著性差异。在单株铃数上,海楼村NE、NE+OM、FP、OPTS和NE-K之间无显著性差异,但都显著高于CK、NE-N和NE-P;库木巴格村NE和NE+OM显著高于其他各施肥处理。试验地点对株数、单株铃数和产量有显著影响,试验地点和处理对于单株铃数和单铃重有显著交互作用。表3

2.2 不同施肥处理对棉花经济效益影响

研究表明,施肥显著提高了植棉的经济效益。海楼村NE、NE+OM、FP和OPTS较CK,分别增收11 752.3、8 366.4、4 240.8和6 330.7 元/hm2,库木巴格村NE、NE+OM、FP和OPTS较CK,分别增收16 694.7、11 684.8、3 991.6和9 419.5元/hm2。2个试验NE经济效益均为最高,海楼村NE相比于NE+OM、FP和OPTS效益分别增加了7.40%、18.04%和12.40%;库木巴格村NE相比于NE+OM、FP和OPTS效益分别增加了9.68%、28.82%和14.70%。海楼村和库木巴格村NE的产投比显著高于NE+OM、FP和OPTS,分别增加了12.73、11.9、9.26和16.87、20.34、13.24,在氮、磷、钾肥推荐量相同的情况下,由于NE+OM施用有机肥,导致肥料投入显著高于NE,产投比显著降低。表4

2.3 不同施肥处理对棉花养分吸收、分配影响

研究表明,海楼村和库木巴格村各施肥处理都显著增加了棉花氮、磷、钾养分吸收,无论是棉花秸秆还是籽棉,减素处理的氮、磷、钾积累量都显著降低。另外,海楼村NE秸秆和籽棉氮磷钾积累量分别占地上部氮、磷、钾积累量的52.19%、46.36%、81.90%和47.81%、53.64%、18.10%;库木巴格村NE秸秆和籽棉氮、磷、钾积累量分别占地上部氮、磷、钾积累量的37.80%、29.68%、79.18%和62.20%、70.32%、20.82%。图1

表3 不同施肥处理下棉花产量及产量构成变化

海楼村籽棉氮素和磷素积累量NE+OM均为最高,其中氮素显著高于FP,与NE和OPTS之间无显著性差异,分别高出10.13%、4.33%和5.84%;磷素显著高于OPTS,与NE和FP之间无显著性差异,分别高出11.36%、1.94%和3.99%;钾积累量NE显著高于NE+OM、FP和OPTS,分别高出23.66%、17.75%和24.44%。库木巴格村籽棉氮积累量NE+OM最高,显著高于NE、FP和OPTS,分别高6.72%、11.05%和50.96%,其中NE和FP之间无明显差异,但都显著高于OPTS;磷积累量FP显著高于NE、NE+OM和OPTS,分别高出12.76%、15.83%和40.15%;钾积累量NE、NE+OM和FP显著高于OPTS,分别高出17.64%、18.69%和23.21%。

两地施肥处理的养分积累都显著高于不施肥和缺素,其中氮肥对棉花秸秆养分吸收的影响最为明显。海楼村氮素积累量表现为NE氮素吸收量最高,显著高于NE+OM、FP和OPTS,分别高出8.9%、15.07%和9.77%;磷、钾积累量NE均最高,其中磷积累量NE、FP和OPTS之间无显著差异,但都显著高于NE+OM,分别高出21.73%、15.21%和24.46%;钾积累量NE、NE+OM和FP均显著高于OPTS,分别高出15.73%、10.17%和4.68%。库木巴格村氮积累量NE和OPTS显著高于NE+OM和FP,其中NE高出11.73%和5.93%,OPTS高出20.26%和14.02%;磷积累量OPTS和FP显著高于NE和NE+OM,其中OPTS高出22.42%和16.72%,FP高出16.94%和11.49%;钾积累量NE、NE+OM和FP之间无显著差异,但NE和FP显著高于OPTS,分别高出8.05%和8.9%。

海楼村和库木巴格村NE 100 kg籽棉吸收N、P2O5、K2O量分别为4.96、2.42、7.34 kg和4.77、2.28、5.89 kg;NE+OM 100 kg籽棉吸收N、P2O5、K2O量分别为4.8、2.23、6.74 kg和4.87、2.31、5.82 kg;FP 100 kg籽棉吸收N、P2O5、K2O量分别为4.95、2.57、7.24 kg和5.08、2.9、6.68 kg;OPTS 100 kg籽棉吸收N、P2O5、K2O量分别为5.07、2.52、6.76 kg和4.45、2.33、5.9 kg。图1

表4 不同施肥处理下棉花经济效益变化

图1 不同施肥处理下吐絮期棉花养分吸收及分配变化Fig.1 Effects of fertilization on nutrient uptake and distribution of cotton during flocculation

2.4 不同施肥处理对棉花肥料利用率影响

2.4.1 表观利用率

研究表明,海楼村和库木巴格村NE和NE+OM的氮、磷、钾肥的表观利用率都显著高于FP和OPTS。海楼村NE氮、磷、钾肥的表观利用率都显著高于NE+OM、FP和OPTS,分别高出4.56、17.27、26.43;5.13、18.47、5.83和4.86、36.82、33.38个百分点。库木巴格村氮肥的表观利用率NE+OM与NE之间无显著差异,但显著高于FP和OPTS,NE+OM高出25.72、31.24个百分点,NE高出23.83、29.35个百分点;磷肥和钾肥的表观利用率呈现相同趋势,即NE显著高于FP和OPTS,同时高于NE+OM,但没有显著性差异。供试土壤的基础肥力对磷钾肥料的表观利用率有显著影响,不同试验地点,施用不同数量的肥料都能对棉花氮、磷、钾肥的表观利用率产生显著交互影响。表5

2.4.2 农学效率

研究表明,海楼村氮肥和磷肥的农学效率都表现为NE+OM>NE>FP>OPTS,其中氮肥农学效率NE和NE+OM都显著高于FP和OPTS,NE分别高出2.22和2.8 kg/kg,NE+OM分别高出2.39和2.97 kg/kg;磷肥农学效率NE较FP和OPTS高出8.24和8.5kg/kg,NE+OM较FP和OPTS高出8.71和8.97 kg/kg;而钾肥的农学效率则呈现出NE+OM>NE>OPTS>FP,其中NE与NE+OM都显著高于FP和OPTS。库木巴格村氮、磷、钾肥的农学效均率呈现出NE>NE+OM>OPTS>FP,其中NE的氮、磷、钾肥的农学利用率显著高于NE+OM、OPTS和FP,分别高出0.44、1.57、1.83 kg/kg,4.06、11.24、9.83 kg/kg和4.23、18.47、11.19 kg/kg。试验地点对农学效率有显著的影响并试验地点和处理对氮、磷、钾肥的农学效率显著交互作用。表5

2.4.3 偏生产力

研究表明,海楼村和库木巴格村NE氮、磷、钾肥的偏生产力都显著高于FP和OPTS。海楼村NE+OM氮、磷、钾肥的偏生产力显著高于FP和OPTS,同时也高于NE,但是并不显著。库木巴格村NE+OM的氮、磷、钾肥的偏生产力同样高于FP和OPTS,但都低于NE,其中氮肥的偏生产力显著低于NE,磷肥和钾肥与NE之间没有显著性差异。试验地点对磷肥偏生产力有显著的影响,试验地点和处理对氮、磷、钾肥的偏生产力有显著交互作用。表5

表5 不同施肥处理下棉花偏生产力、农学效率及表观利用率变化

3 讨 论

3.1合理施肥是提高棉花产量、提升品质、增加经济效益的重要物质基础。肥料过度投入会导致营养生长过于旺盛,并且不能及时将养分转化到生殖生长中,从而导致棉花产量降低[15]。

棉花养分专家系统是基于产量反应和农学效率的推荐施肥方法,将棉花产量形成时所需的养分、土壤肥力水平和生长环境等因素进行了综合考虑,通过科学规划氮、磷、钾肥的施用时期,优化了氮、磷、钾肥料的投入配比,实现了养分供应与棉花养分需求的相互同步,确保了棉花养分供应的同时,大幅度地提高了肥料的利用效率,实现棉花产量和收益双提高的生产目标[14,15]。研究中,海楼村和库木巴格村的棉花养分专家系统推荐施肥在比FP减施氮肥17.05%和50.85%,减施磷肥71.64%和85.23%,减施钾肥62.5%和84.73%的情况下,海楼村和库木巴格村NE的产量增加10.2%和11.66%,经济效益提高7 511.5和12 703.1元/hm2;NE+OM产量增加11.21%和9.48%,经济效益提高4 125.5和7 693.3元/hm2。两地NE推荐施肥量在比OPTS减施氮肥48.89%和50.1%,减施磷肥5%和30%,均减施钾肥42.86%的情况下,海楼村和库木巴格村NE的产量增加7.95%和10.13%,经济效益分提高5 421.6和7 275.2元/hm2;NE+OM的产量增加13.54%和8.94%,经济效益提高2 035.6和2 265.4元/hm2。棉花养分专家系统推荐施肥无论是与FP相比还是与OPTS相比,海楼村和库木巴格村均在减少肥料投入的情况下,增产增收。棉花养分专家系统是以不施某种肥料的棉花产量反应为依据代替土壤测试值,对土壤基础肥力进行评判,同时综合考虑了作物目标产量和气候条件,该推荐方法更加科学、灵活[23]。

3.2棉花养分积累是棉花生长、根系吸收能力和土壤养分有效性动态变化的结果,也是提高棉花产量和肥料利用率的基础[26]。相比其他的推荐施肥方法,棉花养分专家系统通过基于大量田间试验数据的QUEFTS模型进行目标产量与养分吸收的模拟,同时还考虑了氮、磷、钾养分之间的两两相互作用,因此,模拟的目标产量与养分吸收的关系曲线更接近于实测值[27]。研究表明,FP和OPTS两个处理的施磷量显著高于棉花养分专家系统的推荐施肥量,但产量并没有显著高于NE,两个处理中棉株对磷素存在奢侈吸收现象。两个试验点,施肥均能够促进棉花生长发育、增加产量和养分吸收,其中,NE处理在降低氮、磷、钾肥料投入的同时,养分吸收较FP和OPTS没有显著下降,推荐施肥量在合理范围内,沙雅县减少氮、磷、钾肥的施用量对棉花养分吸收影响不大,同时还能提高棉花产量和肥料利用率。

肥料利用率是施肥增产的重要依据,也是权衡施肥是否合理、是否具有先进性的重要参考指标[28]。氮肥的过量施用,会影响棉花后期对于氮素的吸收[29],造成氮肥的利用率下降。科学施肥能够有效提高棉花对氮、磷、钾肥的肥料利用率及农学效率[30]。孙绘健等[19]研究表明,施肥能够有效提高棉花对氮、磷、钾的养分吸收,但和NE相比,FP和OPTS的肥料利用率显著降低。胡斌等[31]研究表明,相比习惯性施肥,测土配方施肥更为合理,氮、磷、钾配比更为平衡,能够有效提高氮、磷、钾肥的利用率,分别提高9.71%、3.47%和11.55%,所呈现的规律均与研究规律相同。研究表明,棉花养分专家系统是更科学的施肥推荐,不仅提高棉花产量,同时显著提高了化肥利用率。海楼村和库木巴格村都呈现同样的趋势。海楼村和库木巴格村NE和NE+OM的肥料利用率均显著高于FP,两地NE和NE+OM的肥料利用率高于OPTS的原因主要是由于棉花养分专家系统的氮磷钾肥的推荐施肥方式更为合理,棉花养分专家系统推荐施肥考虑了上季作物的养分残余和秸秆还田归还的养分,与基于土壤测试的推荐施肥方式相比,肥料总投入量更为合理。

4 结 论

2块试验地的土壤基础供肥能力,棉花养分专家系统进行的推荐施肥量均显著降低。海楼村和库木巴格村NE较FP分别减施氮肥17.07%、50.85%;减施磷肥71.64%、85.23%和减施钾肥62.5%、84.73%;较OPTS分别减施氮肥48.89%、50.1%;减施磷肥5%、30%,均减施钾肥42.86%的情况下,两地NE均显著提高植棉的产量和经济效益,同时显著提高了肥料利用率。棉花养分专家系统推荐施肥相比于常规习惯性施肥配比更为科学,肥料用量、施肥方式和施肥时期更适宜。