袁 芳,馬 丹,趙 庫,沙木河別克·阿咱別克,張 凱*
(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆土壤與植物生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830052)
【研究意義】棉花是我國主要經(jīng)濟(jì)作物之一。新疆地處我國西北內(nèi)陸,具有充足的光熱資源,加之長期農(nóng)業(yè)實(shí)踐形成的“矮、密、早、膜下滴灌”棉花栽培技術(shù),棉花產(chǎn)量高、品質(zhì)好,已成為中國最大的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地[1-4]。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局報(bào)道,截至2019年,新疆棉花種植面積254.05萬hm2,占全國的76 %,產(chǎn)量500.2萬噸,占全國84.9 %[5-6]。磷是棉花生長發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素之一[7-9],在棉花生長發(fā)育和產(chǎn)量形成過程中具有重要作用[10-11]。但由于新疆偏堿性的鈣質(zhì)土壤磷素固持嚴(yán)重,導(dǎo)致棉田磷肥當(dāng)季利用率低,農(nóng)民磷肥施用普遍過量,這不僅造成了磷肥資源的浪費(fèi),也會產(chǎn)生潛在的磷素流失風(fēng)險(xiǎn)[12-18]。因此,明確適合新疆棉田的磷肥用量及其對棉花生長和產(chǎn)量形成的影響,可為新疆棉田減磷增效和磷素可持續(xù)管理提供科學(xué)依據(jù)?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】磷是植物生長發(fā)育必需的重要營養(yǎng)元素之一,磷素供應(yīng)不足和過量均會影響作物產(chǎn)量。王斌等[19]研究了新疆棉花相對產(chǎn)量和土壤Olsen-P之間的關(guān)系,在土壤Olsen-P為0~15 mg·kg-1時(shí),隨土壤Olsen-P含量增加,棉花相對產(chǎn)量增加;當(dāng)土壤Olsen-P達(dá)到15~25 mg·kg-1時(shí),棉花相對產(chǎn)量最高;當(dāng)土壤Olsen-P超過25 mg·kg-1時(shí),隨土壤Olsen-P含量增加,棉花產(chǎn)量保持平穩(wěn)或略有下降。陳波浪等[20]研究表明,隨著施磷量增加,籽棉產(chǎn)量增加,當(dāng)磷肥用量達(dá)到150 kg P2O5· hm-2時(shí),籽棉產(chǎn)量最高,而磷肥用量達(dá)到300 kg P2O5· hm-2時(shí),籽棉產(chǎn)量略有下降。王海東等[21]研究發(fā)現(xiàn)滴灌磷肥施用量在100 kg P2O5· hm-2時(shí)最優(yōu),不僅可以達(dá)到較高籽棉產(chǎn)量,促進(jìn)干物質(zhì)向生殖器官轉(zhuǎn)移,增加有效鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量,又可節(jié)約肥料、保護(hù)環(huán)境。磷肥用量也會改變棉田磷素收支平衡,進(jìn)而影響土壤磷素水平和土壤肥力的長期演變。胡國智等[15]研究了不同磷肥用量對棉花產(chǎn)量和棉田磷平衡的影響,施用75 kg P2O5· hm-2時(shí)棉花產(chǎn)量達(dá)到最高,其利用率也最優(yōu)。候云鵬等[22]研究發(fā)現(xiàn)不同施磷量對土壤磷素收支平衡有影響,低磷處理的土壤磷素表現(xiàn)為虧缺,高磷處理的土壤磷素表現(xiàn)為盈余?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】合理的磷肥用量有利于棉花生長和高產(chǎn),但其具體機(jī)理仍有待進(jìn)一步研究;在保證棉花產(chǎn)量的同時(shí),統(tǒng)籌分析棉田的磷素收支平衡,可為棉田磷素衡量監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)和棉田磷素可持續(xù)管理提供科學(xué)基礎(chǔ)?!緮M解決的關(guān)鍵問題】本文通過研究不同磷肥用量處理對土壤速效磷、植株磷吸收和分配、籽棉產(chǎn)量和構(gòu)成、棉田磷效率和磷素收支平衡的影響,明確了磷肥用量對棉花生長發(fā)育和產(chǎn)量構(gòu)成的影響,分析了不同磷肥用量時(shí)的棉田磷素收支平衡,可為新疆棉田減磷增效提供科學(xué)依據(jù)。
本研究在新疆塔城地區(qū)沙灣縣新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花育種實(shí)驗(yàn)基地(85°45′34.30″E,44°29′26.94″N)進(jìn)行。沙灣縣地處新疆天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣,屬于大陸性干旱氣候,無霜期長,光熱資源充足,年均溫度6.3~6.9 ℃,降雨量140~250 mm。該地區(qū)耕地土壤類型主要有潮土、棕鈣土、灰漠土等,其中潮土面積最大,約占全縣總面積的48 %。棉花是沙灣縣的重要經(jīng)濟(jì)作物,種植面積6.67萬hm-2左右。本實(shí)驗(yàn)區(qū)土壤耕層的理化性質(zhì)狀況如表1所示。
表1 試驗(yàn)地土壤基本養(yǎng)分特征
1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 為明確磷肥用量對棉花生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響,設(shè)置5個(gè)施磷量處理:0、50、75、150、300 kg P2O5·hm-2,分別用CK、TSP50、TSP75、TSP150、TSP300表示,每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)小區(qū),小區(qū)面積為8 m×9 m。磷肥采用重過磷酸鈣(云南云天化,含磷量P2O561 %),施肥方式為基施,于2018年4月25日均勻撒入田中,機(jī)器翻耕,深度約25 cm,平整土地。棉花種植模式為膜下滴灌,1膜2帶6行,寬窄行種植(圖1),棉花株距14 cm,寬行距離65 cm,窄行距離12 cm。棉田氮肥(220 kg·hm-2)和鉀肥(90 kg·hm-2)都用做追肥按照棉花生長發(fā)育規(guī)律在棉花各生育期分6次隨水滴施。灌水時(shí)間和灌水量如表2所示。
表2 灌水時(shí)間及灌水量
1.2.2 樣品采集和分析 2018年,在棉花主要生育期花蕾期(7月22日)、花鈴期(8月7日)、吐絮期(9月7日),每小區(qū)隨機(jī)采集棉花8株,按根、莖、葉、鈴(殼、絮、籽)分離,在105 ℃下殺青1 h,然后在75 ℃條件下烘干至恒重,稱重,計(jì)算植株生物量。植株樣本粉碎后,采用硫酸-雙氧水消煮法,釩鉬黃比色法分析植株各部位含磷量[23]。同時(shí),在各小區(qū)滴灌帶下、種植行間,采集0~20和20~40 cm土層深度土壤樣品,風(fēng)干后,采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定土壤速效磷含量[23]。
2018年9月18日進(jìn)行棉花測產(chǎn),在各試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)設(shè)置1個(gè)面積為4 m2的樣方,記錄該樣方內(nèi)的棉花株數(shù),并統(tǒng)計(jì)每株棉花上的鈴數(shù)和單鈴重。
總產(chǎn)量=單位面積株數(shù)×單株鈴數(shù)×單鈴重
1.2.3 計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析 磷肥利用率=(施磷區(qū)作物吸磷量-不施磷區(qū)作物吸磷量)/施磷區(qū)磷肥用量×100
磷肥累積利用率=施磷處理的植株吸磷量/施磷量
磷肥農(nóng)學(xué)利用率(kg·kg-1)=(施磷區(qū)籽棉的產(chǎn)量-不施磷區(qū)籽棉產(chǎn)量)/施磷區(qū)磷肥用量
磷肥偏生產(chǎn)力(kg·kg-1)=施磷區(qū)籽棉產(chǎn)量/施磷區(qū)磷肥用量
各處理間土壤速效磷含量、植株生物量和含磷量、磷素累積吸收量、產(chǎn)量及構(gòu)成、磷肥利用率和棉田磷素平衡均采用單因素方差分析,多重比較采用Duncan法。數(shù)據(jù)整理所用軟件為Microsoft Office Excel 2010(Microsoft,Redmond,Washington,U.S.A.),數(shù)據(jù)分析軟件為SPSS20.0(SPSS,Inc.,Chicago,IL,U.S.A.),作圖軟件為orgrin8.0(Origin Lab,Northampton,Massachusetts,U.S.A.)。
在花蕾期,0~20、20~40 cm土壤速效磷表現(xiàn)出隨施磷量增加而增加的趨勢,當(dāng)施磷量超過150 kg P2O5·hm-2后,趨于平穩(wěn)或略有降低;與CK相比,TSP150處理土壤速效磷含量增加了24.78 %,TSP50、TSP75和TSP300處理則分別增加了6.25 %、3.39 %和19.94 %(圖2-A)。在花鈴期,0~20、20~40 cm土層中,各處理間土壤速效磷含量無顯著變化(圖2-B)。在吐絮期,0~20、20~40 cm土壤速效磷表現(xiàn)出隨施磷量增加而增加的趨勢;在0~20 cm土層,TSP150、TSP300土壤速效磷含量顯著高于其它處理;在20~40 cm土層,TSP300土壤速效磷含量顯著高于其他處理,比對照增高113.6 %,表現(xiàn)為TSP300>TSP150>TSP75>TSP50>CK(圖2-C)。整體而言,土壤速效磷表現(xiàn)出隨施磷量增加而增加的趨勢,在TSP150處理時(shí),土壤速效磷有效性最高,當(dāng)施磷量超過150 kg·hm-2后,趨于平穩(wěn)或略有降低。
在花蕾期,相比CK處理,TSP75處理顯著增加了根、莖、葉和蕾生物量(表3),分別比CK高40.50 %、50.03 %、78.56 %和56.36 %。在花鈴期,相比于CK處理,TSP150處理顯著增加了根、莖和蕾生物量,分別比CK高26.80 %、16.94 %和45.67 %;TSP50處理顯著提高了葉生物量,比CK高30.37 %。在吐絮期,不同施磷用量中根的生物量無顯著性差別;相比于CK處理,TSP150處理顯著增加了棉花莖、葉和殼生物量,分別比CK高20.04 %、43.20 %和17.96 %;TSP50處理顯著增加了棉花絮和籽生物量,分別比CK高22.54 %、42.68 %。從植株生物量角度看,TSP150處理各器官生物量較高,效果較優(yōu)。
表3 磷肥用量對棉花不同生育期各器官生物量的影響
不同施磷量下,花蕾期TSP50、TSP150、TSP300處理顯著增加了根含磷量(表4),CK處理中莖、葉、花蕾等地上部分含磷量比TSP50、TSP75、TSP150和TSP300處理高35.81 %~40.06 %;在花鈴期,TSP300處理根的含磷量略高于其他處理,比CK處理高20.63 %,CK處理莖吸磷量略高于其他處理27.13 %~36.70 %,葉吸磷量高于其他處理30.03 %~49.83 %;在吐絮期,TSP75處理根、葉、籽、絮和殼吸磷量略高于其他處理,分別比CK處理高46.07 %、38.48 %、29.66 %,12.01 %和44.61 %。在棉花整個(gè)生育期中,花蕾期CK處理地上部分的吸磷量較高,在吐絮期TSP75處理地上部分吸磷量較高。
表4 磷肥用量對棉花不同生育期各器官含磷量的影響
不同施磷量下,整個(gè)生育期棉花累積吸磷量呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(圖3)。在花蕾期,TSP150處理的棉花吸磷量顯著高于其他處理,CK、TSP50、TSP75、TSP300之間無顯著性差異。在花鈴期,TSP150處理棉花吸磷量顯著高于其他處理,TSP75處理顯著高于TSP50、CK。在吐絮期,TSP150、TSP75處理的棉花吸磷量顯著高于其他處理,TSP50處理的棉花吸磷量顯著高于TSP300、CK,TSP300和CK處理間無顯著差異性。綜合來看,在不同生育期不同磷肥用量處理中,TSP150效果較優(yōu),顯著增加了棉花累積吸磷量。
在棉花的不同生育期,磷素在植株體內(nèi)的分配有所不同。在花蕾期,花蕾中磷素累積量明顯高于根莖葉中磷素累積量約占整株的46 %(圖4); 在花鈴期,花鈴中的磷素累積比例達(dá)到64.7 %~71.5 %;在吐絮期,籽絮殼生殖器官磷素累積比例占整株54.4 %~68.0 %。
在棉花的不同生育期,生殖器官中磷素累積量比例均隨磷肥用量表現(xiàn)出先增高后降低的趨勢,特別是吐絮期時(shí),該趨勢最為明顯。在吐絮期,CK處理的籽絮殼磷素累積比例為54.4 %;隨施磷量增加,該比例增加,在TSP75處理時(shí),籽絮殼磷素累積比例最高為68.0 %;超過TSP75處理后,該比例降低,在TSP300處理時(shí)為60.0 %。
不同施磷量下,施磷處理的籽棉產(chǎn)量均高于不施磷肥的處理(表5),增產(chǎn)幅度3.21 %~7.98 %;隨磷肥用量增加,籽棉產(chǎn)量呈先增后略有降低的趨勢,施磷量在0~150 kg·hm-2范圍內(nèi),隨著施磷量增加籽棉產(chǎn)量顯著提高,當(dāng)施磷量超過150 kg·hm-2,籽棉產(chǎn)量略有下降趨勢。在不同施磷量下,施磷處理與不施磷處理相比單鈴重增加0.31~0.16 g,單株鈴數(shù)增加0.47~1.34個(gè);各處理單鈴重表現(xiàn)為TSP75 >TSP50 >TSP300 >TSP150>CK,單株鈴數(shù)表現(xiàn)為TSP75> TSP300> TSP50> TSP150> CK。
表5 磷肥用量對籽棉產(chǎn)量構(gòu)成的影響
不同施磷量處理下,磷肥利用率呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢,在TSP75處理時(shí)最高,達(dá)到21.92 %,在TSP300處理時(shí)磷素利用率顯著降低,為7.56 %(表6)。磷肥累積利用率、磷肥農(nóng)學(xué)效率和肥料偏生產(chǎn)力均隨著施磷量的增加呈現(xiàn)遞減趨勢,TSP300處理中磷肥累積利用率、磷肥農(nóng)學(xué)效率和肥料偏生產(chǎn)力最低,分別為27.93 %、2.63 %和18.41 %(表6)。
從表7可知,隨施磷量的增加,處理中磷素盈余由負(fù)值逐漸增長為正值,土壤磷素盈余量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢,磷肥投入的越多,盈余的也越多。除對照外,各處理磷素盈余量均為正增長。從TSP300的磷肥利用率和磷素盈余可以看出,過量的磷肥不能被作物吸收,反而會降低磷肥的利用效率。
表7 磷肥用量對棉田磷素收支平衡的影響
土壤速效磷是表征土壤供磷能力的重要指標(biāo)[24]。本研究表明,在花蕾期和吐絮期,隨著施磷量增加,土壤速效磷的含量呈增加趨勢,這與趙靚等[25]研究一致,表明磷肥施用可顯著提高土壤磷素有效性。在花蕾期,施磷量在0~75 kg·hm-2范圍內(nèi)土壤速效磷含量增幅較緩慢,速效磷含量從19.36 mg·kg-1增加到20.57 mg·kg-1。而陳波浪等[20]研究發(fā)現(xiàn)在75~150 kg· hm-2范圍內(nèi)土壤速效磷含量增幅較緩慢,這可能是由于不同研究地點(diǎn)的土壤質(zhì)地和速效磷本底值不同所致。在花鈴期,不同處理土壤速效磷之間的差異不顯著,可能與該時(shí)期棉花磷素需求量大[15],土壤速效磷被大量吸收,導(dǎo)致土壤速效磷含量較低,各處理間差異不顯著。
隨施磷量增加,植物累計(jì)吸磷量表現(xiàn)出增加的趨勢,這與姜宗慶等[26]、劉德平等[27]研究結(jié)果一致,表明磷肥施用可提高植物磷素吸收。過量施磷時(shí),棉花的累積吸磷量有所下降,這可能是由于過量施用磷肥引起植株養(yǎng)分吸收不平衡等原因?qū)е耓28];陳波浪等[20]研究發(fā)現(xiàn),棉花吸收養(yǎng)分的總量變化不大,過量施用磷肥可能造成棉花植株磷素過剩,導(dǎo)致植株生物量低,累積吸磷量下降。
過低或過高的磷肥用量均不利于棉花根系和整株生物量積累,這與崔水利等[29]研究結(jié)果一致。磷對棉花根系具有刺激作用,施磷能使棉花根系長度、根表面積和根密度增大,從而促進(jìn)棉花的生長[29],但過量施用磷肥可能會抑制棉花根系的生長[30],從而影響棉株的生長發(fā)育,最終抑制棉株對磷素的吸收[31]。
磷肥用量也會影響棉花的磷素分配。隨施磷量增加,磷素在生殖器官中的分配比例呈現(xiàn)先增加后降低趨勢,在施磷量為75 kg P2O5· hm-2時(shí),磷素向生殖器官分配的比例最高。這可能是因?yàn)榱姿赜欣谥参锷成L相對提前,隨著磷素供應(yīng)水平增加,棉花開花結(jié)鈴提前,將更多磷素分配到生殖器官(蕾、花、鈴)。而磷素水平過高時(shí),則提高棉花植株細(xì)胞中原生質(zhì)膠體的水合程度和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的充水度,提高原生質(zhì)膠體保持水分的能力,減少細(xì)胞水分損失[32-36],延長植物的營養(yǎng)生長,導(dǎo)致磷素在生殖器官中的分配比例降低,最終影響棉花產(chǎn)量[37]。
在本研究中,隨施磷量的增加,籽棉產(chǎn)量表現(xiàn)出先增加后略有降低的趨勢,這與吳克寧[38]、陳書強(qiáng)[39]、王海江等[40]等研究一致。合理施磷可顯著提高作物單鈴重和單株鈴數(shù),從而提高產(chǎn)量;但產(chǎn)量并不隨施磷量的增加無限增加,當(dāng)施磷量超過一定用量后,單鈴重和單株鈴數(shù)不再增加,產(chǎn)量趨于平穩(wěn)。從本研究產(chǎn)量構(gòu)成來看,籽棉產(chǎn)量的差異主要是由于單鈴重和單株鈴數(shù)受磷肥施用量影響導(dǎo)致:單鈴數(shù)和單株鈴數(shù)在75 kg P2O5· hm-2施磷量時(shí)最高,可能是由于合理的磷肥用量調(diào)控了棉花營養(yǎng)生長和生殖生長,促進(jìn)碳水化合物的合成與運(yùn)輸及桃鈴的形成,使單鈴重和單株鈴數(shù)得到提高,提高光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的能力[41-42]。
磷肥用量顯著影響棉花磷肥利用率和棉田磷素。不施磷肥的CK處理中磷素盈余為-39.87 kg P2O5· hm-2,土壤磷庫處于虧缺狀態(tài),不適宜磷素的可循環(huán)利用,長期下去會導(dǎo)致土壤肥力匱乏,作物減產(chǎn)[43]。TSP300處理施用過多磷肥,土壤磷素盈余為253.54 kg P2O5· hm-2,利用率僅為7.56 %,不僅沒有提高磷肥的利用率,還造成土壤磷素過量,易被土壤吸附和固定,造成磷肥資源的浪費(fèi),增大了土壤磷素的遷移性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[44]。因此,從培肥地力或維持地力考慮,種植棉花應(yīng)施用適量的磷肥,TSP75處理中磷肥利用率最高達(dá)到21.97 %,其磷素盈余為5.59 kg P2O5·hm-2,在保持較高磷肥利用率和產(chǎn)量的同時(shí),使土壤磷素維持在平衡狀態(tài),有利于棉田磷素的可持續(xù)管理。
綜上可見,棉田土壤速效磷表現(xiàn)出隨施磷量增加而增加的趨勢,超過150 kg P2O5· hm-2施磷量時(shí),土壤速效磷不再增加;植株累積吸磷量和生殖器官磷素吸收比例呈現(xiàn)出隨施磷量增加而先升高降低的趨勢,150 kg P2O5· hm-2施磷量時(shí)最高;籽棉產(chǎn)量和磷肥利用率隨施磷量增加表現(xiàn)出先增加后略有降低的趨勢,在75 kg P2O5· hm-2施磷量時(shí)最高;隨施磷量的增加,棉田土壤速效磷盈余量呈現(xiàn)增加的趨勢在施磷量75 kg P2O5· hm-2時(shí),棉田磷素收支開始出現(xiàn)盈余。因此,在綜合考慮土壤速效磷有效性、棉花磷素吸收和產(chǎn)量、磷肥利用率和棉田磷素收支平衡的基礎(chǔ)上,建議新疆棉田磷肥施用量為50~150 kg P2O5· hm-2。