磷肥用量对新疆棉田磷素状况、籽棉产量和磷平衡的影响

袁 芳，马 丹，赵 库，沙木河别克·阿咱别克，张 凯*

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆土壤与植物生态过程重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

【研究意义】棉花是我国主要经济作物之一。新疆地处我国西北内陆，具有充足的光热资源，加之长期农业实践形成的“矮、密、早、膜下滴灌”棉花栽培技术，棉花产量高、品质好，已成为中国最大的优质棉生产基地[1-4]。据国家统计局报道，截至2019年，新疆棉花种植面积254.05万hm2，占全国的76 %，产量500.2万吨，占全国84.9 %[5-6]。磷是棉花生长发育所必需的大量营养元素之一[7-9]，在棉花生长发育和产量形成过程中具有重要作用[10-11]。但由于新疆偏碱性的钙质土壤磷素固持严重，导致棉田磷肥当季利用率低，农民磷肥施用普遍过量，这不仅造成了磷肥资源的浪费，也会产生潜在的磷素流失风险[12-18]。因此，明确适合新疆棉田的磷肥用量及其对棉花生长和产量形成的影响，可为新疆棉田减磷增效和磷素可持续管理提供科学依据。【前人研究进展】磷是植物生长发育必需的重要营养元素之一，磷素供应不足和过量均会影响作物产量。王斌等[19]研究了新疆棉花相对产量和土壤Olsen-P之间的关系，在土壤Olsen-P为0～15 mg·kg-1时，随土壤Olsen-P含量增加，棉花相对产量增加；当土壤Olsen-P达到15～25 mg·kg-1时，棉花相对产量最高；当土壤Olsen-P超过25 mg·kg-1时，随土壤Olsen-P含量增加，棉花产量保持平稳或略有下降。陈波浪等[20]研究表明，随着施磷量增加，籽棉产量增加，当磷肥用量达到150 kg P2O5· hm-2时，籽棉产量最高，而磷肥用量达到300 kg P2O5· hm-2时，籽棉产量略有下降。王海东等[21]研究发现滴灌磷肥施用量在100 kg P2O5· hm-2时最优，不仅可以达到较高籽棉产量，促进干物质向生殖器官转移，增加有效铃数和单铃质量，又可节约肥料、保护环境。磷肥用量也会改变棉田磷素收支平衡，进而影响土壤磷素水平和土壤肥力的长期演变。胡国智等[15]研究了不同磷肥用量对棉花产量和棉田磷平衡的影响，施用75 kg P2O5· hm-2时棉花产量达到最高，其利用率也最优。候云鹏等[22]研究发现不同施磷量对土壤磷素收支平衡有影响，低磷处理的土壤磷素表现为亏缺，高磷处理的土壤磷素表现为盈余。【本研究切入点】合理的磷肥用量有利于棉花生长和高产，但其具体机理仍有待进一步研究；在保证棉花产量的同时，统筹分析棉田的磷素收支平衡，可为棉田磷素衡量监控技术实现和棉田磷素可持续管理提供科学基础。【拟解决的关键问题】本文通过研究不同磷肥用量处理对土壤速效磷、植株磷吸收和分配、籽棉产量和构成、棉田磷效率和磷素收支平衡的影响，明确了磷肥用量对棉花生长发育和产量构成的影响，分析了不同磷肥用量时的棉田磷素收支平衡，可为新疆棉田减磷增效提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究在新疆塔城地区沙湾县新疆农业大学棉花育种实验基地(85°45′34.30″E,44°29′26.94″N)进行。沙湾县地处新疆天山北麓、准噶尔盆地南缘,属于大陆性干旱气候,无霜期长,光热资源充足,年均温度6.3～6.9 ℃，降雨量140～250 mm。该地区耕地土壤类型主要有潮土、棕钙土、灰漠土等，其中潮土面积最大,约占全县总面积的48 %。棉花是沙湾县的重要经济作物，种植面积6.67万hm-2左右。本实验区土壤耕层的理化性质状况如表1所示。

表1 试验地土壤基本养分特征

1.2 方法

1.2.1 实验设计 为明确磷肥用量对棉花生长发育和产量的影响，设置5个施磷量处理：0、50、75、150、300 kg P2O5·hm-2，分别用CK、TSP50、TSP75、TSP150、TSP300表示，每个处理4个重复小区，小区面积为8 m×9 m。磷肥采用重过磷酸钙(云南云天化,含磷量P2O561 %)，施肥方式为基施，于2018年4月25日均匀撒入田中，机器翻耕，深度约25 cm，平整土地。棉花种植模式为膜下滴灌，1膜2带6行，宽窄行种植(图1)，棉花株距14 cm，宽行距离65 cm，窄行距离12 cm。棉田氮肥(220 kg·hm-2)和钾肥(90 kg·hm-2)都用做追肥按照棉花生长发育规律在棉花各生育期分6次随水滴施。灌水时间和灌水量如表2所示。

表2 灌水时间及灌水量

1.2.2 样品采集和分析 2018年，在棉花主要生育期花蕾期(7月22日)、花铃期(8月7日)、吐絮期(9月7日)，每小区随机采集棉花8株，按根、茎、叶、铃(壳、絮、籽)分离，在105 ℃下杀青1 h，然后在75 ℃条件下烘干至恒重，称重，计算植株生物量。植株样本粉碎后，采用硫酸-双氧水消煮法，钒钼黄比色法分析植株各部位含磷量[23]。同时，在各小区滴灌带下、种植行间，采集0～20和20～40 cm土层深度土壤样品，风干后，采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定土壤速效磷含量[23]。

2018年9月18日进行棉花测产，在各试验小区随机设置1个面积为4 m2的样方，记录该样方内的棉花株数，并统计每株棉花上的铃数和单铃重。

总产量=单位面积株数×单株铃数×单铃重

1.2.3 计算和统计分析 磷肥利用率=(施磷区作物吸磷量-不施磷区作物吸磷量)/施磷区磷肥用量×100

磷肥累积利用率=施磷处理的植株吸磷量/施磷量

磷肥农学利用率(kg·kg-1)=(施磷区籽棉的产量-不施磷区籽棉产量)/施磷区磷肥用量

磷肥偏生产力(kg·kg-1)=施磷区籽棉产量/施磷区磷肥用量

各处理间土壤速效磷含量、植株生物量和含磷量、磷素累积吸收量、产量及构成、磷肥利用率和棉田磷素平衡均采用单因素方差分析，多重比较采用Duncan法。数据整理所用软件为Microsoft Office Excel 2010(Microsoft,Redmond,Washington,U.S.A.)，数据分析软件为SPSS20.0(SPSS,Inc.,Chicago,IL,U.S.A.)，作图软件为orgrin8.0(Origin Lab,Northampton,Massachusetts,U.S.A.)。

2 结果与分析

2.1 磷肥用量对棉田土壤速效磷的影响

在花蕾期，0～20、20～40 cm土壤速效磷表现出随施磷量增加而增加的趋势，当施磷量超过150 kg P2O5·hm-2后，趋于平稳或略有降低；与CK相比，TSP150处理土壤速效磷含量增加了24.78 %，TSP50、TSP75和TSP300处理则分别增加了6.25 %、3.39 %和19.94 %(图2-A)。在花铃期，0～20、20～40 cm土层中，各处理间土壤速效磷含量无显著变化(图2-B)。在吐絮期，0～20、20～40 cm土壤速效磷表现出随施磷量增加而增加的趋势；在0～20 cm土层，TSP150、TSP300土壤速效磷含量显著高于其它处理；在20～40 cm土层，TSP300土壤速效磷含量显著高于其他处理，比对照增高113.6 %，表现为TSP300>TSP150>TSP75>TSP50>CK(图2-C)。整体而言，土壤速效磷表现出随施磷量增加而增加的趋势,在TSP150处理时，土壤速效磷有效性最高，当施磷量超过150 kg·hm-2后，趋于平稳或略有降低。

2.2 磷肥用量对棉花各器官生物量的影响

在花蕾期，相比CK处理，TSP75处理显著增加了根、茎、叶和蕾生物量(表3)，分别比CK高40.50 %、50.03 %、78.56 %和56.36 %。在花铃期，相比于CK处理，TSP150处理显著增加了根、茎和蕾生物量，分别比CK高26.80 %、16.94 %和45.67 %；TSP50处理显著提高了叶生物量，比CK高30.37 %。在吐絮期，不同施磷用量中根的生物量无显著性差别；相比于CK处理，TSP150处理显著增加了棉花茎、叶和壳生物量，分别比CK高20.04 %、43.20 %和17.96 %；TSP50处理显著增加了棉花絮和籽生物量，分别比CK高22.54 %、42.68 %。从植株生物量角度看，TSP150处理各器官生物量较高，效果较优。

表3 磷肥用量对棉花不同生育期各器官生物量的影响

2.3 磷肥用量对棉花累积吸磷量的影响

不同施磷量下，花蕾期TSP50、TSP150、TSP300处理显著增加了根含磷量(表4)，CK处理中茎、叶、花蕾等地上部分含磷量比TSP50、TSP75、TSP150和TSP300处理高35.81 %～40.06 %；在花铃期，TSP300处理根的含磷量略高于其他处理，比CK处理高20.63 %，CK处理茎吸磷量略高于其他处理27.13 %～36.70 %，叶吸磷量高于其他处理30.03 %～49.83 %；在吐絮期，TSP75处理根、叶、籽、絮和壳吸磷量略高于其他处理，分别比CK处理高46.07 %、38.48 %、29.66 %，12.01 %和44.61 %。在棉花整个生育期中，花蕾期CK处理地上部分的吸磷量较高，在吐絮期TSP75处理地上部分吸磷量较高。

表4 磷肥用量对棉花不同生育期各器官含磷量的影响

不同施磷量下，整个生育期棉花累积吸磷量呈现先增高后降低的趋势(图3)。在花蕾期，TSP150处理的棉花吸磷量显著高于其他处理，CK、TSP50、TSP75、TSP300之间无显著性差异。在花铃期，TSP150处理棉花吸磷量显著高于其他处理，TSP75处理显著高于TSP50、CK。在吐絮期，TSP150、TSP75处理的棉花吸磷量显著高于其他处理，TSP50处理的棉花吸磷量显著高于TSP300、CK，TSP300和CK处理间无显著差异性。综合来看，在不同生育期不同磷肥用量处理中，TSP150效果较优，显著增加了棉花累积吸磷量。

2.4 磷肥用量对棉花各器官磷素分配的影响

在棉花的不同生育期，磷素在植株体内的分配有所不同。在花蕾期，花蕾中磷素累积量明显高于根茎叶中磷素累积量约占整株的46 %(图4); 在花铃期，花铃中的磷素累积比例达到64.7 %～71.5 %；在吐絮期，籽絮壳生殖器官磷素累积比例占整株54.4 %～68.0 %。

在棉花的不同生育期，生殖器官中磷素累积量比例均随磷肥用量表现出先增高后降低的趋势，特别是吐絮期时，该趋势最为明显。在吐絮期，CK处理的籽絮壳磷素累积比例为54.4 %；随施磷量增加，该比例增加，在TSP75处理时，籽絮壳磷素累积比例最高为68.0 %；超过TSP75处理后，该比例降低，在TSP300处理时为60.0 %。

2.5 磷肥用量对籽棉产量、磷肥利用率和棉田磷平衡的影响

不同施磷量下，施磷处理的籽棉产量均高于不施磷肥的处理(表5)，增产幅度3.21 %～7.98 %；随磷肥用量增加，籽棉产量呈先增后略有降低的趋势，施磷量在0～150 kg·hm-2范围内，随着施磷量增加籽棉产量显著提高，当施磷量超过150 kg·hm-2，籽棉产量略有下降趋势。在不同施磷量下，施磷处理与不施磷处理相比单铃重增加0.31～0.16 g，单株铃数增加0.47～1.34个；各处理单铃重表现为TSP75 >TSP50 >TSP300 >TSP150>CK，单株铃数表现为TSP75> TSP300> TSP50> TSP150> CK。

表5 磷肥用量对籽棉产量构成的影响

不同施磷量处理下，磷肥利用率呈现先增高后降低的趋势，在TSP75处理时最高，达到21.92 %，在TSP300处理时磷素利用率显著降低，为7.56 %(表6)。磷肥累积利用率、磷肥农学效率和肥料偏生产力均随着施磷量的增加呈现递减趋势，TSP300处理中磷肥累积利用率、磷肥农学效率和肥料偏生产力最低，分别为27.93 %、2.63 %和18.41 %(表6)。

从表7可知，随施磷量的增加，处理中磷素盈余由负值逐渐增长为正值，土壤磷素盈余量呈现逐渐增大的趋势，磷肥投入的越多，盈余的也越多。除对照外，各处理磷素盈余量均为正增长。从TSP300的磷肥利用率和磷素盈余可以看出，过量的磷肥不能被作物吸收,反而会降低磷肥的利用效率。

表7 磷肥用量对棉田磷素收支平衡的影响

3 讨 论

3.1 不同供磷水平对棉田土壤速效磷的影响

土壤速效磷是表征土壤供磷能力的重要指标[24]。本研究表明，在花蕾期和吐絮期，随着施磷量增加，土壤速效磷的含量呈增加趋势，这与赵靓等[25]研究一致，表明磷肥施用可显著提高土壤磷素有效性。在花蕾期，施磷量在0～75 kg·hm-2范围内土壤速效磷含量增幅较缓慢，速效磷含量从19.36 mg·kg-1增加到20.57 mg·kg-1。而陈波浪等[20]研究发现在75～150 kg· hm-2范围内土壤速效磷含量增幅较缓慢，这可能是由于不同研究地点的土壤质地和速效磷本底值不同所致。在花铃期，不同处理土壤速效磷之间的差异不显著，可能与该时期棉花磷素需求量大[15]，土壤速效磷被大量吸收，导致土壤速效磷含量较低，各处理间差异不显著。

3.2 不同供磷水平对植株累积吸磷量和磷分配的影响

随施磷量增加，植物累计吸磷量表现出增加的趋势，这与姜宗庆等[26]、刘德平等[27]研究结果一致，表明磷肥施用可提高植物磷素吸收。过量施磷时，棉花的累积吸磷量有所下降，这可能是由于过量施用磷肥引起植株养分吸收不平衡等原因导致[28]；陈波浪等[20]研究发现，棉花吸收养分的总量变化不大，过量施用磷肥可能造成棉花植株磷素过剩，导致植株生物量低，累积吸磷量下降。

过低或过高的磷肥用量均不利于棉花根系和整株生物量积累，这与崔水利等[29]研究结果一致。磷对棉花根系具有刺激作用，施磷能使棉花根系长度、根表面积和根密度增大，从而促进棉花的生长[29]，但过量施用磷肥可能会抑制棉花根系的生长[30]，从而影响棉株的生长发育，最终抑制棉株对磷素的吸收[31]。

磷肥用量也会影响棉花的磷素分配。随施磷量增加，磷素在生殖器官中的分配比例呈现先增加后降低趋势，在施磷量为75 kg P2O5· hm-2时，磷素向生殖器官分配的比例最高。这可能是因为磷素有利于植物生殖生长相对提前，随着磷素供应水平增加，棉花开花结铃提前，将更多磷素分配到生殖器官(蕾、花、铃)。而磷素水平过高时，则提高棉花植株细胞中原生质胶体的水合程度和细胞结构的充水度，提高原生质胶体保持水分的能力，减少细胞水分损失[32-36]，延长植物的营养生长，导致磷素在生殖器官中的分配比例降低，最终影响棉花产量[37]。

3.3 不同供磷水平对籽棉产量和磷肥利用效率的影响

在本研究中，随施磷量的增加，籽棉产量表现出先增加后略有降低的趋势，这与吴克宁[38]、陈书强[39]、王海江等[40]等研究一致。合理施磷可显著提高作物单铃重和单株铃数，从而提高产量；但产量并不随施磷量的增加无限增加，当施磷量超过一定用量后，单铃重和单株铃数不再增加，产量趋于平稳。从本研究产量构成来看，籽棉产量的差异主要是由于单铃重和单株铃数受磷肥施用量影响导致：单铃数和单株铃数在75 kg P2O5· hm-2施磷量时最高，可能是由于合理的磷肥用量调控了棉花营养生长和生殖生长，促进碳水化合物的合成与运输及桃铃的形成，使单铃重和单株铃数得到提高，提高光合产物转化为经济产量的能力[41-42]。

磷肥用量显著影响棉花磷肥利用率和棉田磷素。不施磷肥的CK处理中磷素盈余为-39.87 kg P2O5· hm-2，土壤磷库处于亏缺状态，不适宜磷素的可循环利用，长期下去会导致土壤肥力匮乏，作物减产[43]。TSP300处理施用过多磷肥，土壤磷素盈余为253.54 kg P2O5· hm-2，利用率仅为7.56 %，不仅没有提高磷肥的利用率，还造成土壤磷素过量，易被土壤吸附和固定，造成磷肥资源的浪费，增大了土壤磷素的迁移性和环境风险[44]。因此，从培肥地力或维持地力考虑，种植棉花应施用适量的磷肥，TSP75处理中磷肥利用率最高达到21.97 %，其磷素盈余为5.59 kg P2O5·hm-2，在保持较高磷肥利用率和产量的同时，使土壤磷素维持在平衡状态，有利于棉田磷素的可持续管理。

4 结 论

综上可见，棉田土壤速效磷表现出随施磷量增加而增加的趋势，超过150 kg P2O5· hm-2施磷量时，土壤速效磷不再增加；植株累积吸磷量和生殖器官磷素吸收比例呈现出随施磷量增加而先升高降低的趋势，150 kg P2O5· hm-2施磷量时最高；籽棉产量和磷肥利用率随施磷量增加表现出先增加后略有降低的趋势，在75 kg P2O5· hm-2施磷量时最高；随施磷量的增加，棉田土壤速效磷盈余量呈现增加的趋势在施磷量75 kg P2O5· hm-2时，棉田磷素收支开始出现盈余。因此，在综合考虑土壤速效磷有效性、棉花磷素吸收和产量、磷肥利用率和棉田磷素收支平衡的基础上，建议新疆棉田磷肥施用量为50～150 kg P2O5· hm-2。