新疆棉花化肥利用效率研究

汤明尧，沈重阳，张 炎，闫翠侠，傅国海，徐 洋，唐光木，耿庆龙

（1.新疆维吾尔自治区土壤肥料工作站，新疆 乌鲁木齐 830006；2.中国农业大学土地科学与技术学院，北京 100193；3.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，新疆 乌鲁木齐 830091；4.全国农业技术推广服务中心，北京 100125）

新疆是我国最大的优质棉生产基地，棉花产业是新疆农业的支柱产业，棉花是新疆宜植棉区农民主要的种植作物和收入来源［1］。2019年，新疆棉花种植面积为2.54×106hm2，总产量为500.2万t，产量在全国占比高达84.94%［2］。施肥是提高棉花产量的重要手段［3-7］，也是在棉花生产中物质投入最大的一块。据国家发展改革委价格司测算，2018年，棉花化肥投入成本为3295.65元·hm-2，占物质与服务费用的比例为29.08%［8］。经过多年测土配方施肥技术的推广普及，新疆棉花科学施肥技术水平较以往已有大幅提升，但部分地区仍然存在施肥结构不合理、比例不协调、分配不平衡等问题［9-10］，而不合理施用化肥，不仅会导致棉花产量品质下降，还会降低化肥利用效率，增加生产成本，造成耕地质量下降、环境污染等［11］。陈同斌等［12］研究表明，我国各区域化肥利用率存在较大差异，化肥施肥量愈大则化肥利用率愈低。徐亚新等［13］汇总了大量马铃薯田间试验数据，测算出我国马铃薯氮、磷和钾素养分回收率平均值分别为36.4%、18.5%和27.6%，且马铃薯氮、磷、钾素养分利用率与产量和施肥量关系密切。王肖娟等［14］、张允昔等［15］研究均表明，棉田随着施氮量的增加，氮肥利用率、农学利用率和偏生产力会显著降低。张炎等［16］田间试验数据显示，棉花磷肥的表观利用率在1.14%～28.43%之间，且陆地棉磷的农学利用率、表观利用率和偏生产力明显高于海岛棉。王西和等［17］通过长期定位试验得出，在灰漠土小麦-玉米-棉花轮作体系下钾肥的表观利用率在7%～81%之间，且钾亏缺正在逐步加大。虽然有关学者对新疆棉花化肥利用效率进行了大量必要而卓越的研究，并取得了相应成果，但研究结论主要建立在单点（或极少量）田间试验数据的基础上，区域代表性欠缺，较难真实反映新疆当前棉花化肥利用效率的现状，对指导棉花实际生产的意义有限。本研究通过在新疆棉区实施大量的棉花肥料利用率田间试验，从区域尺度分析棉花氮、磷、钾肥利用效率现状，为解决新疆棉花单位面积化肥用量偏高、施肥结构不合理、化肥利用效率低等问题提供基础数据及技术支持，进而指导新疆棉花科学合理施肥，提高化肥利用率，减少不合理化肥投入，实现棉花化肥减量增效，增加农民收入，减轻因不合理施用化肥带来的农业面源污染。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

新疆地处欧亚大陆腹地，73°40′～96°18′E，34°25′～48°10′N，气候干旱、日照充足、温差大，是典型温带大陆性气候，属干旱荒漠、半荒漠灌溉植棉区。新疆棉区土壤以潮土、灰漠土、灌淤土、草甸土等为主，盐碱重，pH值多在7.5～8.5之间［18］，根据多年测土配方施肥取土化验数据得到的棉区耕层土壤有机质和养分平均含量情况见表1［19］。

表1 棉区耕层土壤有机质和养分平均含量情况

1.2 试验方法

棉花肥料利用率试验参照农业农村部《基于田间试验的三大粮食作物化肥利用率测算规范（试行）》在2018～2019年实施。

1.2.1 试验点布局

2018～2019年共实施棉花肥料利用率田间试验34个，其中2018年14个，2019年20个。试验点遍布新疆棉花主要种植区，试验所选地块形状整齐、肥力均匀、具有代表性，避开居民区、道路、堆肥场所、树木遮阴、土传病害严重和其他人为活动的影响。具体分布情况见图1。

图1 棉花肥料利用率试验点分布示意图

1.2.2 试验处理

棉花肥料利用率田间试验采用多点对比重复试验设计，每点均设置4个处理，分别为氮磷钾处理（NPK）、无氮处理（PK）、无磷处理（NK）、无钾处理（NP），每个处理设置3次重复，随机排列。每个点的氮磷钾肥用量基于该点前期农户调研结果确定，施肥方式和方法与当地相同，确保施肥情况代表当地实际水平。

1.2.3 试验小区

试验小区形状为长方形，长宽比为（2～3）∶1，面积为30～50 m2。小区外设置保护行，小区间设置隔离，各小区单排单灌，避免串排串灌。

1.2.4 田间管理

试验小区除施肥不同外，其他灌水、除草、病虫防治、化控等田间管理措施均一致，且符合当地生产习惯，并由专人在同一天内完成。

1.2.5 收获计产和样品采集处理

每个小区划定5～10 m2（同一试验点，不同小区的划定规则及面积一致）的测产区，分次采收、计产，最后累加计算单位面积籽棉产量。文中所述棉花产量均为籽棉产量。在成熟期每小区的测产区选4～10株（同一试验点，不同小区的采样株数一致）代表性棉花，分为籽棉和地上其他器官（包含茎秆、叶片、空桃壳、脱落物等）2个部分，在60℃条件下烘干至恒重，记录生物量，将样品粉碎，以备测试棉花不同部分的养分含量。脱落物包括生长期间掉落的叶片和蕾铃等。

1.2.6 化验分析

棉花植株的全氮、全磷、全钾含量分别采用凯氏定氮法、钼锑抗比色法、火焰光度法测定。

1.3 相关指标计算

1.4 数据分析

数据采用Excel 2016进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 棉花施肥及产量特征

对新疆棉花施肥及产量特征进行描述性统计（表2），34个试验点NPK处理棉花平均单位面 积 产 量 为5543.52 kg·hm-2（3661.50～7123.50 kg·hm-2），其第25%和第75%位数分别为4942.50和6054.00 kg·hm-2。试验点氮肥的平均施用量为289.76 kg·hm-2（118.50～555.00 kg·hm-2），其第25%和第75%位数的施用量分别为243.90和285.00 kg·hm-2；试验点磷肥的平均施用量为167.49 kg·hm-2（64.50～241.50 kg·hm-2），其第25%和第75%位数的施用量分别为150.00和207.00kg·hm-2；试验点钾肥的平均施用量为76.46 kg·hm-2（39.60～120.00 kg·hm-2），其 第25%和第75%位数的施用量分别为60.00和97.50 kg·hm-2。新疆棉花施氮、磷和钾肥的相对产量 分 别 为75.82%（58.69%～91.95%）、84.88%（66.34%～98.09%）和90.02%（71.60%～98.26%）。进一步分析施氮、磷和钾的相对产量结果表明，施氮相对产量最低，其第25%和第75%位数的相对产量分别为73.74%和79.97%；施磷相对产量高于施氮，其第25%和第75%位数的相对产量分别为79.65%和90.90%；施钾相对产量最高，其第25%和第75%位数的相对产量分别为84.80%和95.27%。

表2 新疆棉花施肥及产量特征描述统计

产量反应结果显示（图2），棉花施用氮肥的产 量 反 应 为1357.79 kg·hm-2（372.15～2344.50 kg·hm-2），其第25%和第75%位数的产量反应分别为904.50和1486.50 kg·hm-2；施用磷肥的产量反应为842.25 kg·hm-2（102.30～1882.50 kg·hm-2），其第25%和第75%位数的产量反应分别为534.00和1207.50 kg·hm-2；施用钾肥的产量反应为550.47 kg·hm-2（69.00～1313.25 kg·hm-2），其第25%和第75%位数的产量反应分别为227.25和718.05 kg·hm-2。从施氮、磷和钾肥的增产效果来分析，棉花施用氮肥的增产作用最大，增产率在8.75%～70.38%之间，平均增产率为31.89%；磷肥的增产作用次之，增产率在1.94%～50.73%之间，平均增产率为17.82%；新疆棉花施用钾肥也有明显的增产效果，平均增产率为11.08%，最高增产率可达39.66%，但不同条件下增产效果差异较大。

图2 棉花NPK处理施肥产量反应

2.2 棉花养分吸收情况

由图3可见，棉花对氮、钾素的吸收量大，对磷素的吸收量相对较少，且施用氮、磷、钾肥可促进棉株对氮、磷、钾素的吸收，增加氮、磷、钾素积累量。34个试验点，NPK处理的平均氮素积累量为292.73 kg·hm-2（137.59～363.26 kg·hm-2），较不施氮肥的PK处理多积累氮素110.45 kg·hm-2（57.03～200.32 kg·hm-2），多积累比例达60.59%；NPK处理的平均磷素积累量为55.86 kg·hm-2（27.50～93.35 kg·hm-2），较不施磷肥的NK处理多积累磷 素24.05 kg·hm-2（4.20～51.59 kg·hm-2），多积累比例达75.59%；NPK处理的平均钾素积累量为272.38 kg·hm-2（114.05～562.62 kg·hm-2），较不施钾肥的NP处理多积累钾素37.87 kg·hm-2（14.34～74.86 kg·hm-2），多积累比例为16.15%。在本研究条件下，NPK处理每形成100 kg籽棉需要氮（N）5.29 kg（3.26～6.51 kg）、磷（P2O5）1.01 kg（0.61～1.52 kg）、钾（K2O）4.83 kg（3.11～8.22 kg）。

图3 不同处理棉花氮、磷、钾素吸收情况

2.3 棉花化肥利用效率情况

2.3.1 棉花化肥农学效率

由表3可见，棉花氮、磷、钾肥的农学效率分别 为4.95（1.46～10.28）、5.30（0.49～10.34）、7.44 （0.96～20.15） kg·kg-1，表现为氮肥＜磷肥＜钾肥。进一步分析可以看出，氮肥的农学效率最稳定，相对标准偏差最小，其第25%和第75%位数的农学效率分别为3.49和6.22 kg·kg-1；磷肥的农学效率较稳定，其第25%和第75%位数的农学效率分别为3.29和7.91 kg·kg-1；钾肥的农学效率变化大，相对标准偏差达68.55%，其第25%和第75%位数的农学效率分别为3.96和11.43 kg·kg-1。

表3 棉花化肥农学效率 （kg·kg-1）

2.3.2 棉花化肥利用率

由表4可见，棉花氮、磷、钾肥的利用率分别为38.68%（25.53%～57.25%）、14.76%（2.43%～34.00%）、49.25%（30.04%～74.79%），表现为钾肥＞氮肥＞磷肥，氮肥和钾肥的利用率较高，磷肥的利用率低。进一步分析可以看出，新疆棉花氮肥的利用率一般在34.08%～41.01%之间，相对标准偏差为17.09%，相对稳定；磷肥的利用率低，且变化较大，相对标准偏差达41.94%，其第25%和第75%位数利用率分别10.74%和18.72%；氮、磷、钾肥中钾的利用率最高，试验点中最高的利用率在70%以上，其第25%和第75%位数的利用率分别为41.15%和54.35%。

表4 棉花化肥利用率 （%）

2.4 施肥量对化肥利用效率的影响

由棉花化肥施用量与化肥农学效率和化肥利用率的关系（图4）可以看出，氮肥的农学效率随施氮量的增加而变小，且相关性分析显示，两者呈显著负相关，棉田每多施100 kg·hm-2氮肥（N），氮肥的农学效率下降0.9 kg·kg-1。棉田施磷量与磷肥农学效率呈极显著负相关，磷肥（P2O5）的农学效率也是随着棉田施磷量的增加而变小，棉田每多施100 kg·hm-2的磷肥（P2O5），磷肥的农学效率下降3.2 kg·kg-1，降幅远高于氮肥。对棉田施氮量与氮肥利用率、棉田施磷量与磷肥利用率进行线性方程模拟，根据模拟得到的方程，棉田每多施100 kg·hm-2氮肥（N），氮肥利用率下降2.0%；棉田每多施100 kg·hm-2磷肥（P2O5），磷肥利用率下降5.0%。但需要说明的是棉田施氮量与氮肥利用率、棉田施磷量与磷肥利用率方程模拟的R2分别只有0.0712（n=34）、0.0819（n=34），只达到了10%的显著水平，未达到5%的显著水平。在本研究条件下，棉田钾肥农学效率与施钾量、钾肥利用率与施钾量的相关性均不大。

图4 棉花化肥施用量与农学效率和利用率的关系

3 讨论

本研究表明棉花施用氮、磷、钾肥的农学效率分别为4.95、5.30、7.44 kg·kg-1，与张炎等［20］1996～2002年在新疆棉田通过21组田间试验得到的氮、磷、钾肥农学效率1.62、1.85、2.71 kg·kg-1相比有大幅提高，提高幅度分别高达202.47%、186.49%、174.54%。本研究的棉花氮、磷、钾肥的利用率分别为38.68%（25.53%～57.25%）、14.76%（2.43%～34.00%）、49.25%（30.04%～74.79%），与国内外其他研究［21-24］得到的棉花化肥利用率相比，新疆棉花当前氮肥和钾肥利用率处在较高水平，磷肥的利用率差别不大，这可能与新疆棉花测土配方施肥、膜下滴灌等技术普及率较高有关。

本研究表明，新疆棉花施用氮、磷、钾肥均有明显的增产效果，增产率分别为31.89%、17.82%、11.08%，并且新疆棉花施肥仍以氮、磷肥为主，同时氮、磷、钾肥的配比差异大，如氮磷比，最高为1∶0.92，最低仅为1∶0.31；氮钾比最高为1∶0.41，最低仅为1∶0.15。棉花产量不是随着施肥总量的增加而增加，而是呈现一定的波动（图5）。

图5 各试验点棉花施肥量与产量的关系

从养分平衡的角度分析，34个试验点，NPK处理因籽棉收获带走氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）的 平 均 值 分 别 为189.99、34.00、88.66 kg·hm-2，在不考虑养分其他途径损失或补充的情况下，氮（N）、磷（P2O5）分别盈余99.78、133.49 kg·hm-2，钾（K2O）亏缺12.19 kg·hm-2。

对各试验点施磷量与棉花产量进行相关性分析（图6），用一元二次方程模拟达到显著水平，呈开口向下的抛物线，抛物线顶点为施磷量167.52 kg·hm-2，即当棉田施磷量高于167.52 kg·hm-2后，棉花产量随着施磷量的增加而减小。而34个试验点中施磷量大于167.52 kg·hm-2的有17个，所以说明新疆棉花可能存在一定的过量施用磷肥问题。

图6 棉花施磷量与产量

本研究条件下，虽然棉花施钾肥具有明显的增产效果，但施钾量与产量、农学效率、利用率的相关性分析均不显著，造成相关性差的主要原因有以下2个：一是新疆各地土壤中钾含量差异极大［25］，导致各地棉花施用钾肥的增产效果不同；二是现阶段钾肥施用还不甚合理，施用过量和施用不足并存，导致施钾增产效果没有充分发挥。相关研究已经证实新疆棉花施用钾肥具有明显的增产效果［6-7，24］，且已被农民普遍接受，农民开始广泛施用钾肥，但由于棉花合理施用钾肥的研究还不够深入、农民施用钾肥的经验不足等原因，各地在实际棉花生产中钾肥的施用量及施用时期较为随意，钾肥的增产效果没有得到充分发挥。

虽然经过多年测土配方施肥、膜下滴灌技术的推广，新疆科学施肥水平有所提升，农民施肥观念也有了较大改善，但在棉花上施肥结构比例不合理，重氮磷肥、轻钾肥等问题仍然存在，棉花施肥上还有继续优化提升的空间。

4 结论

新疆棉花施用氮、磷、钾肥均有明显的增产效果，增产率分别为31.89%、17.82%、11.08%，施用氮、磷、钾肥的产量反应分别为1357.79（372.15～2344.50）、842.25（102.30～1882.50 ）、550.47（69.00～1313.25）kg·hm-2。NPK处 理 每形成100 kg籽棉需要氮（N）5.29 kg（3.26～6.51kg）、 磷（P2O5）1.01 kg（0.61～1.52 kg）、 钾（K2O）4.83 kg（3.11～8.22 kg）。棉花氮、磷、钾肥的农学效率分别为4.95（1.46～10.28）、5.30（0.49～10.34）、7.44 （0.96～20.15） kg·kg-1，表现为钾肥＞磷肥＞氮肥。棉花氮、磷、钾肥的利用率分别为38.68%（25.53%～57.25%）、14.76%（2.43%～34.00%）、49.25%（30.04%～74.79%），氮、磷肥利用效率均随施用量的增大而减小。