长江流域棉花减量简化一次性施肥技术研究

郑曙峰，韩效钊，徐道青，王维，阚画春，刘小玲，陈敏，金国清，金政辉

（1.安徽省农业科学院棉花研究所，合肥230031；2.合肥工业大学，合肥230001；3.安徽省司尔特肥业股份有限公司，安徽 宁国242300）

棉花具有生育期长、无限生长、营养生长与生殖生长重叠并进时间长大等生物学特性，使得棉花的施肥问题更加复杂和重要，施肥技术（施肥量、配方及施用时期）对产量的贡献率大。 为满足棉花生长发育和产量品质形成的需求，通常采用多次施用速效肥的方法，施肥技术烦琐复杂。 棉花生产中常规肥料和施肥技术存在如下难题[1]：一是施肥次数多，除需在播种或移栽时施用基肥外，还需多次追肥，如送嫁肥（移栽肥）、苗肥（平衡肥）、蕾肥、花铃肥（当家肥）、盖顶肥等，需要花费大量劳动力；二是施肥工序和技术复杂，对施肥技术要求严格，每次施肥需要开沟或打洞、施肥、盖土等，特别是棉花生长中后期，操作非常不便，如果不同生育期施肥量和配方掌握不好，会造成棉花脱肥或徒长，蕾铃脱落增加，进而影响棉花产量和品质；三是肥料用量大、利用率低，棉花生产的化肥使用量在主要农作物中占首位且居高不下，棉花肥料成本占物质成本的50%以上，施肥受天气影响大，若遇干旱，肥料难以发挥作用，施肥后遇雨涝灾害，容易造成肥害，因此一方面施肥量难以精确掌握，另一方面不得不加大用量，极易造成肥料损失和对环境的污染；四是农村劳动力大量转移，导致了从事农业生产的劳动力相对不足，许多农民已不愿意在追肥等农艺操作上花费太多的时间和精力，棉花生产迫切要求减少劳动力投入。 而缓控释肥可以根据作物养分需求，控制养分释放速率和释放量， 具有提高化肥利用率、减少使用量与施肥次数、降低生产成本、减少环境污染等优点，可以较好地解决以上问题，具有重要意义[2-3]。近年来我国大力推广新型农业技术与产品，先后在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020 年）》与多年中央“一号文”中重点提出“重点研究开发环保型肥料、农药创制关键技术，专用复（混）型缓释、控释肥料及释肥技术与相关设备”“优化化肥结构，加快发展适合不同土壤、不同作物特点的专用肥、缓释肥”。缓控释肥只有与具体作物结合，在满足作物对养分需求的同时，做到肥料养分释放速率与作物生长所需基本同步，才能真正达到提高肥料利用率、简化施肥工序、增产增收的目的[4-7]。

针对以上棉花生产面临的形势和施肥技术难题，安徽省农业科学院棉花研究所、合肥工业大学和安徽省司尔特肥业股份有限公司等单位进行了联合攻关，在农业部公益性行业（农业）科研专项、科技部国家农业科技成果转化资金、国家重点研发计划和安徽省科技攻关等项目的资助下，通过研究主栽棉花品种营养特征， 开发了系列棉花专用配方，研制了多种易降解缓控释包膜新材料，创建了以配方造粒、尿素料浆涂层、缓控释剂两步喷涂包裹等为关键技术的棉花缓控释肥生产工艺，通过调整原料配比控制产品各养分含量，采用控制缓释剂种类和投入量实现了肥料养分释放与棉花营养需求的基本匹配， 成功研制出棉花专用配方缓控释肥，获得农业部颁发的肥料登记证，获得专利8 项，制定国家农业行业标准1 项、 省级地方标准5 项，获得国家和省重点新产品或高新技术产品证书。自2010 年起，“棉花专用配方缓控释肥” 连续多年被农业部确定为主推技术[8-12]，2015—2017 年被集成到农业部主推技术“棉花轻简栽培技术”[13-14]和“棉花减肥减药高效生产技术”[15]， 被集成到2020—2021 年安徽省农业农村领域主推技术 “棉花绿色（减肥减药）轻简（机械化）增效集成技术”。 2012 年被农业部列为农业轻简化技术[16]。 在安徽、湖南、湖北、江西等省进行了大面积推广应用。 以棉花专用配方缓控释肥为核心技术，建立了棉花绿色轻简高效栽培技术体系。 “棉花专用配方缓释肥的研制和应用” 获2014—2015 年度农业部中华农业科技奖二等奖，以棉花减量简化一次性施肥（棉花专用配方缓控释肥）为核心技术之一，形成的“棉花轻简化栽培技术体系” 先后获得省部级科技奖一等奖（“棉花轻简化丰产栽培关键技术与区域化应用”获2016—2017 年度农业部中华农业科技奖一等奖，“棉花轻简化丰产栽培技术体系及在主产棉区的应用”获2017 年度山东省科技进步奖一等奖）。本文对棉花减量简化一次性施肥技术及产品的研制和应用的总体技术路线、 过程及体会等进行了总结评述。

1 总体技术路线

针对棉花生产中常规肥料和施肥技术存在施肥次数多、施肥技术（施肥时期、不同时期的肥料配方）复杂、肥料用量大、肥料利用率低、中后期土壤追肥操作不便、施肥易受天气影响等问题，以“作物（主栽棉花品种营养特性）—材料（缓控释材料、肥料配方）—装备、工艺—产品—标准—应用体系”为研究对象，总体技术路线见图1。

图1 总体技术路线

2 主栽棉花品种营养特性研究及专用配方研制

2007—2016 年，在安徽、湖南、湖北、江西等省开展多年多点田间试验，通过测定棉花植株氮磷钾养分吸收量动态及营养器官和生殖器官生物量累积动态，研究了皖杂棉9 号、中棉所63、湘杂棉8号等长江流域棉区主栽棉花品种不同生育期的营养特性和生长发育特性，通过研究将长江流域棉区主栽棉花品种分为早发型和晚发型2 种类型，为研制缓控释肥料配方及释放性能提供理论依据。

同时，在安徽、湖南、湖北、江西等省的不同类型棉花品种、不同类型土壤（潮土、黄棕壤、黄褐土、水稻土等）、不同种植制度（油棉两熟、麦棉两熟）、不同种植方式（棉花育苗油（麦）后移栽、油（麦）后直播棉花）、不同气候条件下开展了60 多点次田间试验，试验按“3414”方案[17]实施，研制了适合长江流域棉区的棉花专用配方缓控释肥配方多个。

3 棉花专用配方缓控释肥缓释材料创制

创制了凹凸棒石/ 聚丙烯酸钾复合膜、丙芬乳液、苯丙乳液等多种易降解缓控释包膜新材料。 通过调整各成分比例、交联剂类型和用量、聚合物分子量大小、溶剂水用量等参数，制成易降解棉花专用缓控释肥缓控释材料。

3.1 凹凸棒石/聚丙烯酸钾

以凹凸棒石与丙烯酸为主要原料，制备出具有较高吸水性和一定缓释性能的凹凸棒石/ 聚丙烯酸钾复合膜材料，具有良好的抗旱与缓释性能[18]。

3.2 丙芬乳液

通过实验室模拟试验和性能测试， 制成了以N- 羟甲基丙烯酰胺、 不饱和聚酯树脂为主要材料的包膜缓释材料[19-20]。

3.3 苯丙乳液

通过实验室模拟试验和性能测试，调整苯乙烯与丙烯酸酯比例、交联剂类型和用量、聚合物分子量大小、溶剂水用量等参数，制成适合生产缓控释肥的包膜材料[21-23]。

4 棉花专用配方缓控释肥生产工艺研制

综合氮磷钾复合（混）肥的化学法和物理法，综合考虑原有高氮低磷高钾复合肥在生产装置上的适应性、配方调整的灵活性，建立了棉花专用缓控释肥生产工艺，将含磷、钾的原材料及辅助材料按配方计量后，经搅拌、破碎，进入转鼓造粒机，尿素在溶解槽内经蒸汽作用熔融后，料浆泵送至造粒机内涂布在含磷、钾的物料上，利用料浆的液相经转鼓造粒机带动团聚成球；再通过尿液涂膜机给肥料颗粒表面喷涂尿素料浆涂层，最后在颗粒成品表面喷涂防结缓释材料，通过调整原料配比控制产品各养分含量，采用控制缓控释剂种类和投入量实现养分释放与需求的基本匹配[20-23]。

5 棉花减量简化一次性施肥生物学效应及环境效应研究

5.1 棉花专用配方缓控释肥生物学效应

2007—2019 年，在安徽、湖南、湖北、江西等省不同类型土壤（潮土、黄棕壤、黄褐土、水稻土等）、不同种植制度（油棉两熟、麦棉两熟）、不同种植方式（棉花育苗油（麦）后移栽、油（麦）后直播棉花）、不同气候条件下开展了多年多点田间试验和示范。

阚画春等[24-34]在安徽，李景龙等[35]在湖南、湖北，张教海等[36-37]在湖北，淦城等[38]在江西，王维等[39]在新疆和田开展了试验和示范，结果表明：与等量养分常规施肥相比， 一次性施用棉花专用缓控释肥，棉花单产提高了3.8%～14.1%、增效10.1%～25.5%；施肥次数由3～6 次减为1 次，减少施肥用工50%以上，等产量情况下单位面积减少化肥使用量11.2%～52.3%；棉花纤维品质差异不显著；氮肥农学利用率提高了15.2%～28.8%， 磷肥农学利用率提高了12.3%～23.5%， 钾肥农学利用率提高了11.2%～19.7%。 进一步分析表明：棉花专用缓控释肥养分释放与棉花养分需求基本匹配，可以增加棉花中下部果枝的成铃率及各果枝内围第一、第二果节的成铃率，能增加伏桃、秋桃及总桃数，提高单株结铃性，棉花后劲足，不易早衰，从而达到提高产量、优化成铃、简化栽培、节本省工的目的。

5.2 棉花专用配方缓控释肥对环境的影响

用通气法连续测定施用专用缓控释肥后土壤氨挥发量，结果显示：等量养分专用缓控释肥累计氨挥发量比常规肥料减少16.7%～55.4%。通过连续多年多点定位监测，长期施用缓控释肥的情况下，150 cm 土层硝态氮含量减少20.5%～45.4%[40]。

6 以减量简化一次性施肥为核心技术的棉花绿色轻简高效栽培技术体系建立及标准制定

棉花专用配方缓控释肥经多年应用验证，产品成熟，技术完善，为规范产品性能和使用技术，制定了安徽省地方标准《DB34/T 2159-2014 棉花缓释复合（复混）肥料》[41]、《DB34/T 1336-2011 棉花专用配方缓控释肥使用技术规范》[42]、《DB34/T 1336-2020棉花专用缓控释肥料一次性减量施用技术规程》[43]和湖南省地方标准 《HNZ 051-2013 棉花专用缓释肥使用技术规程》[44]。

通过技术和产品熟化、组装配套，建立了以棉花减量简化一次性施肥（棉花专用配方缓控释肥）为核心技术的棉花绿色轻简高效栽培技术体系2套，包括：“以低密度（每公顷2.25 万株）轻简化育苗移栽、减量20%（与低密度育苗移栽、常规施肥比较）一次性基施（移栽时施用）专用配方缓控释肥为核心的轻简育苗移栽栽培技术体系”和“棉花在麦（油）后高密度（每公顷9 万株）免耕直播、减量50%（与低密度育苗移栽、常规施肥比较）一次性种肥同播（棉花专用配方专用缓控释肥）、集中吐絮、机械化或集中收获为核心的棉花油（麦）后直播栽培技术体系”。 制定了中华人民共和国农业行业标准《NY/T 2633-2014 长江流域棉花轻简化栽培技术规程》[45]、《DB34/T 3133-2018 棉花轻简绿色增产增效生产技术规程》[46]和《DB34/T 3292-2018 棉花化肥减施增效技术规程》[47]。 与常规技术相比，采用以棉花减量简化一次性施肥技术和产品（棉花专用配方缓控释肥）为核心技术的棉花绿色轻简高效栽培技术体系，棉花化肥使用量减少11.2%～52.3%，肥料利用率提高了12%以上，化肥减施棉花增产1%以上，单位面积用工减少50%以上，植棉效益增加25%。

7 结论

综上所述，根据长江流域主栽棉花品种营养需求，开发了系列棉花专用配方，研制了多种易降解缓控释包膜新材料， 研制了棉花专用缓控释肥，产品获得国家缓释肥肥料登记证，并获得国家重点新产品证书和安徽省高新技术产品证书，连续多年被农业部列为主推技术。 创建了以配方造粒、尿素料浆涂层、缓释剂两步喷涂包裹等为关键技术的棉花缓控释肥生产工艺，通过调整原料配比控制产品各养分含量，采用控制缓控释剂种类和投入量实现养分释放与需求的匹配。实现了棉花“苗肥同下、种肥同播”，施肥由3～6 次减为1 次，变革了棉花施肥技术，解决了常规技术中大量施肥期与干旱雨涝等灾害高发期重叠导致的无法追肥或肥害而减产的重大难题。建立了以棉花减量简化一次性施肥技术和产品（棉花专用配方缓控释肥）为主体的棉花绿色轻简高效栽培技术体系，制定了相关国家农业行业标准和省级地方标准，为实现棉花绿色化、轻简化/ 机械化、高效化的生产方式变革提供了技术支撑，丰富了作物营养施肥和肥料学的内容，对我国作物专用肥行业的发展和作物生产的科技进步产生重大影响。