有机肥氮替代部分化肥氮对棉花养分吸收、氮素利用和产量的影响

哈丽哈什·依巴提，李青军，张 炎

（新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所/农业农村部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830091）

有机肥替代部分化肥，合理利用有机肥资源，是实现中国化肥零增长目标的重要途径。新疆有机肥料种类多、数量大，资源丰富，但绝大多数未被利用未经处理的有机废弃物被直接排入环境，仅有10%～20%被处理或利用［1］。仇焕广等［2］研究表明，如果不进行政策干预，到2020年全疆畜禽粪便总排放量400万t，总污染量为100万t。在新疆，棉花生产中肥料施用普遍存在化肥的施用量偏高、重施氮磷肥、少施或不施钾肥和有机肥等不平衡的施肥现象，导致了肥料利用率低，土壤生产力与农产品品质下降，同时造成有机肥资源浪费和环境污染。因此在新疆棉花生产中探讨有机肥氮替代化肥氮的可行性及其增产增效作用显得尤为重要。

张绪成等［3］研究表明，氮肥减量与部分有机肥替代化肥显著提高了马铃薯产量、氮肥利用率。张晶等［4］研究表明，有机肥与氮磷肥配施使旱地小麦灌浆持续延长，干物质累积增加，产量提高。张昊青等［5］研究表明，在渭北旱地冬小麦生产中，有机肥与氮肥合理配施，可以保证小麦高产优质，并降低氮素淋溶风险。邢鹏飞等［6］研究表明，有机肥替代部分无机肥既能保证作物产量，又能在一定程度上提高土壤肥力。谢军等［7］研究表明有机肥氮替代50%化肥氮显著提高了玉米经济产量和生物产量，提高了产量的稳定性和可持续性；促进了玉米对氮素的吸收和向籽粒的转运，提高了氮的利用效率。

在作物实际生产中，需要根据作物种类、品种、有机肥料的原料来源、土壤类型及土壤肥力等综合确定有机肥料替代无机肥料的养分最适量。目前有关有机肥替代化肥的研究较多集中在水稻、小麦、玉米，但对有机肥替代部分化肥对新疆棉花影响的研究鲜见报道。通过切实有效的途径，找出有机肥替代化肥氮的替代比例，才是实现减氮增效、环境友好的真正目标。本研究在昌吉市兵团灌溉试验站，在等氮量条件下，设计不同数量有机肥氮替代化肥氮的比例，通过两年定位试验，探索不同数量有机氮替代化肥氮的比例对棉花养分吸收、氮素利用率和产量的影响，旨在证明有机肥替代部分氮肥的可行性，找出棉花高产高效的最佳有机无机配比，为新疆化肥零增长和棉花科学施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

本试验于2015～2016年在昌吉市兵团灌溉试 验站（44°00′13″N，87°23′28″E）进行，该地区海拔700 m，属于典型的内陆性荒漠气候，多年平均降水量183～200 mm，平均蒸发量1 787 mm，年平均温度6.6℃，有效积温3 400～3 584℃，地下水埋深大于5 m。供试土壤为灰漠土，其基本理化性状为：pH值8.4，有机质12.87 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，全磷 0.27 g·kg-1，碱解氮 51.6 mg·kg-1，有效磷7.3 mg·kg-1，速效钾194 mg·kg-1。

1.2 试验设计与实施

试验采用随机区组设计，将上季棉花秸秆全量还田（试验地两年平均秸秆返回土壤的氮磷钾养分分别为95、45和103 kg·hm-2）的条件下，设CK：不施氮；OM：牛粪堆肥3 000 kg·hm-2；CF：单施化肥（N 为 220 kg·hm-2，P2O5为 110 kg·hm-2，K2O为80 kg·hm-2）；OF1：在等氮量条件下有机肥氮替代化肥氮10%；OF2：在等氮量条件下有机肥氮替代化肥氮20%；OF3：在等氮量条件下有机肥氮替代化肥氮30%。每个处理重复3次，小区面积为6 m×8 m=48 m2。各小区地势平整、地力均衡。本试验中所用的牛粪堆肥为商品有机肥，是牛粪等原料充分发酵腐熟后制成的有机肥，其各项技术指标及安全指标均符合国家农业行业标准（NY 525-2012），其基本性质为：有机质含量47.80%，N、P2O5、K2O的含量分别为1.25%、1.28%、1.80%，含水量26%。有机肥替代处理以有机肥中测定出的氮含量为基准进行计算，磷、钾肥不足时分别用重过磷酸钙和氯化钾补齐，磷钾肥和牛粪堆肥作为基肥一次施用。CF（农民习惯施肥）处理，20%氮肥作基肥、80%用于追肥。其余各处理的氮肥全部作追肥，按照棉花生育期需肥规律，在棉花生育期间分6次随水滴施。所用氮肥为尿素（N 46%），磷肥为重过磷酸钙（P2O546%），钾肥为氯化钾（K2O 60%）。CF、OF1、OF2、OF3中化肥氮追肥比例为蕾期∶盛蕾期∶初花期∶盛花期∶花铃期∶盛铃期＝15%∶15%∶15%∶20%∶20%∶15%。

棉花供试品种为新陆早26号，采取膜下滴灌种植，一膜4行，株距为9 cm，播幅内宽、窄行距配置为25-50-25-50（cm），2015年4月25日播种，5月2日出苗，2016年4月28日播种，5月6日出苗，生育期灌溉10次，总灌水量4 200 m3·hm-2。

表1 不同施肥处理氮磷钾施用量 （kg·hm-2）

1.3 样品采集与测定

养分测定：在棉花的成熟期采棉花植株地上部分样品，每小区随机选取有充分代表性的棉株3株，将其分为茎、叶、棉壳、棉纤维、棉籽，在105℃下杀青，70℃下烘干测定其干物质积累量。植株样用H2SO4-H2O2消煮，全氮采用奈氏比色法，全磷采用钼锑抗比色法，全钾采用火焰光度法进行测定。

棉花产量：在吐絮期各小区调查面积为3 m×2.4 m=7.2 m2内的棉花株数、铃数，并采收小区内棉花100朵测单铃重。根据每公顷株数，单株平均结铃数和平均单铃重，计算各处理棉花产量。

氮素的利用效率的计算方法［7-8］如下：

氮素表观利用率（%）=（N-N0）/F×100

氮素偏生产力（kg·kg-1）=Y/F

肥料氮贡献率（%）=（Y-Y0）/Y×100

氮素农学效率（kg·kg-1）=（Y-Y0）/F

式中，Y和Y0分别为施氮处理和CK处理所获得的棉花籽粒产量，N和N0分别为施氮处理和CK处理地上部总吸氮量，F为施氮量。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2007和SPSS 18.0统计软件进行整理和分析，多重比较采用Duncan法（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对棉花氮素吸收的影响

从图1可以看出，CK与OM处理的氮素吸收量显著低于单施化肥与不同有机肥氮替代化肥氮处理，且不同有机肥氮替代化肥氮处理氮素吸收量高于单施化肥处理，2015年，OF1、OF2与OF3处理的氮素吸收量比单施化肥处理分别增加了14.4%、6.9%与1.8%，2016年，OF1、OF2与OF3处理的氮素吸收量比单施化肥处理分别增加了10.9%、10.3%与5.7%。各替代处理间的氮素吸收量相比，OF1氮素吸收量最高，比OF2与OF3，2015年分别增加了6.9%和12.3%，2016年分别增加了0.5%和4.9%。

图1 不同年份棉花地上部氮素吸收量

2.2 不同施肥处理对棉花磷素吸收的影响

从图2可知，CK和OM处理的棉花地上部磷素吸收量显著低于单施化肥与各替代处理。有机肥氮替代10%化肥氮的OF1处理的磷素吸收量最高，2015年OF1和OF2显著高于CF处理，分别增加了10.0%和6.2%，2016年各替代处理间没有差异，但显著高于CF处理，分别比CF增加了13.2%、9.8%和10.8%。

图2 不同年份棉花地上部磷素吸收量

2.3 不同施肥处理对棉花钾素吸收的影响

图3 不同年份棉花地上部钾素吸收量

同氮素和磷素吸收量一样，棉花地上部钾素吸收量是OF1处理最高，且2015年显著高于OF2、OF3和CF处理，OF1分别比它们增加了12.6%、9.5%和12.0%。2016年替代处理钾素吸收量显著高于单施化肥处理，OF1、OF2和OF3分别比CF增加了12.4%、11.5%和8.2%。

2.4 不同施肥处理对棉花氮素利用率的影响

对两年定位试验不同施肥处理棉花氮素利用效率，进行平均统计可知（表2），各替代处理的氮素表观利用率显著高于单施化肥处理，其中OF1氮素表观利用率最高，且OF1、OF2和OF3氮素表观利用率分别比CF增加了10.5、7.9和3.4个百分点。氮肥偏生产力是各替代处理均高于单施化肥，且OF1、OF2和OF3分别比CF增加了7.6%、2.3%和4.7%，但其中只有OF1处理氮肥偏生产力显著高于CF处理。各替代处理的肥料氮贡献率和农学效率均显著高于单施化肥处理，其中OF1处理最高，OF1、OF2和OF3肥料氮贡献率分别比CF增加了13.6%、7.8%和12.1%，OF1、OF2和OF3处理农学效率分别比CF增加了42.9%、31.4%和37.1%。

表2 不同施肥处理对棉花氮素利用效率的影响

2.5 不同施肥处理对棉花产量、产量构成因素及效益的影响

由表3可见，不同有机肥氮替代化肥氮处理和单施化肥处理的籽棉产量显著高于CK和OM处理，增幅为27.4%～54.6%。2015年，有机肥氮替代10%化肥氮的OF1处理的产量最高，显著高于其他处理。OF1、OF2与OF3处理比单施化肥处理分别增产10.6%、1.2%与3.2%。棉花纯收益为OF1处理最高，其次是CF处理，但两者之间差异未达到显著水平。OF3处理的棉花纯收益与CK、OM处理相当。2016年，有机肥氮替代20%化肥氮的OF2处理的产量最高，且OF1与OF2处理产量显著高于CF处理。OF1、OF2与OF3处理比单施化肥处理分别增产6.8%、7.9%与5.3%。棉花纯收益为CF处理最高，但与OF1处理间差异未达到显著水平，其他处理趋势与2015年一致。

表3 不同施肥处理对棉花产量、产量构成因子及效益的影响

从产量构成各因素来看，与CK和OM处理相比，不同有机肥氮替代化肥氮处理和单施化肥处理提高棉花单铃重，但不同有机肥氮替代化肥氮处理和单施化肥处理之间无显著差异。对单株铃数来说，2015年处理间无显著差异。2016年，不同有机肥氮替代化肥氮处理和单施化肥处理显著高于CK和OM处理。

3 讨论

罗佳等［9］研究表明，在盐渍化耕地中增施有机肥促进了棉花生长，提高氮磷钾养分吸收。陶瑞等［10］研究表明，有机肥的施用促进滴灌棉田氮素转化，提高氮素肥力。要文倩等［11］研究表明，有机肥与化肥配施有效改善土壤养分平衡状况，提高作物对养分的吸收和积累，促进植株养分向生殖器官中转移和分配，提高肥料利用率。本试验条件下，部分有机肥氮替代化肥氮处理均不同程度提高棉花地上部的养分吸收量，氮磷钾吸收量分别增加1.8%～ 14.4%、2.4%～ 10.0%、0.4%～ 12.6%，且这种趋势第二年更为明显，氮磷钾吸收量分别增加10.3%～15.8%、9.8%～13.2%、7.1%～11.2%。同时，有机肥氮替代部分化肥氮处理均增加了棉花氮素表观利用率、偏生产力、农学利用效率和肥料氮贡献率，说明有机肥氮替代部分化肥氮有利于氮素的持续供应，促进氮素吸收和生殖器官中分配，减少了氮进入环境的量。其中，OF1的氮素利用效率最高，这可能是因为该替代比例时，土壤氮素释放较为平稳，减少了氮素的损失，促进了棉花对氮素的吸收，到成熟期时氮素累积量显著高于其他处理，从而提高氮肥利用率。

众多研究表明，与单施化肥相比，有机肥与化肥配施，改善作物群体质量，增加作物产量构成因素，从而实现作物的稳产增产，而且还可以减少化肥用量［12-16］。但由于有机肥料原料来源丰富，不同有机肥料的氮含量和碳氮比例也各不相同，因此有机肥替代部分化肥需要确定合适的替代比例，而且这一合适比例因作物种类与品种、土壤类型和肥料种类的差异而不同。孟琳等［17］研究表明，在不同施氮量条件下对4007和常优1号水稻的猪粪有机肥氮替代部分化肥氮最适比例在15%～25%。欧杨虹等［18］研究表明，等氮条件下有机肥氮替代化肥氮比例在25%时，小麦产量和氮肥利用率最高。朱宝国等［19］研究表明，有机肥替代50%化肥处理的大豆产量最高，且都显著高于单施化肥处理和其他比例配施处理。在本研究中，与不施氮和单施有机肥相比，单施化肥和部分有机肥氮替代化肥氮施用均能增加棉花产量、单株铃数和单铃重，这与前人研究结果一致［16，20］。与单施化肥相比，总施氮量一致情况下，2015年有机肥氮替代化肥氮10%，2016年有机肥氮替代化肥氮10%和有机肥氮替代化肥氮20%的情况下，均能显著增加棉花产量，当有机肥氮替代化肥氮30%时，仍然能够增加棉花产量但不显著，这可能是随着有机氮比例提高，土壤中碳数量也在增加，促进微生物繁殖，使微生物固持无机氮的数量也在增加，导致替代比例高的处理中矿质养分含量降低，影响了土壤氮素的早期供应和棉花的氮素吸收［21-22］。但对棉花收益来说，有机肥氮替代化肥氮10%处理的纯收益与单施化肥处理相当，其他替代处理因肥料成本的增加降低了棉花的经济效益。

4 结论

与单施化肥相比，有机肥氮替代部分化肥氮均有利于棉花氮磷钾养分吸收，在有机肥氮替代化肥氮比例10%、20%和30%的情况下，分别提高氮素表观利用率10.5、7.9和3.4个百分点。

滴灌棉田肥料施用中，与单施化肥相比，有机肥氮替代化肥氮10%～20%条件下，棉花产量显著增加，增产6.8%～7.9%。有机肥氮替代化肥氮30%情况下，获得与单施化肥相当的产量。棉花收入有机肥氮替代化肥氮10%与单施化肥相当，能较容易实现化肥零增长的目标。