基于冬灌咸水的滨海重盐碱地植棉的施肥策略

2021-01-11杨莉琳于海英侯建伟朱向梅

浙江大学学报（农业与生命科学版） 2020年6期

杨莉琳，于海英，侯建伟，朱向梅

（铜仁学院农林工程与规划学院，贵州铜仁554300）

淡水资源匮乏、耕地面积缩减、肥料盲目施用、农业面源污染、气候变暖等是我国当前农业生产面临的严重挑战。开发利用咸水与盐碱地等后备资源、研究节肥增产技术、提升耐盐适生作物的生产潜力、发展绿色农业是解决我国当前生态环境问题的重要途径。我国华北低平原滨海重盐碱地因盐、碱、旱、贫等土壤障碍，绝大多数作物难以种植成活。同时，该区受季风气候影响，春季返盐现象强烈[1]。而春季又是作物萌发与幼苗生长的关键时期[2-3]，在自然条件下，重盐碱地区只有极少数盐生植物能出苗成活。近年来，冬季灌溉咸水，利用冷冻天气自然结冰，早春咸水冰融化时覆盖地膜，可有效淋洗土壤耕层盐分，为相对耐盐的棉花等作物种子在重盐碱地萌发生长创造了咸水淡化的土壤环境[1,3-5]。但是，经过阶段性淡化后重盐碱地相应的施肥量、施肥时间、施肥方式以及肥料品种等技术尚缺乏科学系统的研究。盐碱地对肥料用量要求较为严格，施肥量不足难以满足作物需求，施肥过量不仅造成资源浪费和环境污染，还会引起土壤次生盐渍化[6-7]。肥料剂型对施肥效果和环境的影响很大[8]。辛承松等研究表明，普通氮（N）肥可有效缓解盐害对棉花生长的抑制，但氨挥发问题不容忽视[9]；而控释肥则能显著减少氨挥发[10]。棉花是相对耐盐的经济作物，可以在含盐量2.5 g/kg 以下的盐碱地种植，其生长期较长，对养分的需求量较大，不少学者认为有必要在棉花生育期追施尿素[11-12]，而实际生产中大多数农户也习惯于大量施用氮肥，并且将尿素分为基肥、追肥2次施用。然而，在盐碱地施追肥势必破坏地膜，容易引起土壤盐分上移，加大铵态氮的挥发。当前农村劳动力普遍缺乏，棉花生育期田间管理烦琐，如病虫害防治、去顶、整枝等都需人工作业，追肥无疑更加重了农户的田间劳作强度。实际生产中磷（P）、钾（K）肥更是普遍盲目施用，如灌溉咸水前在滨海重盐碱地上施用高达1 500 kg/hm2的过磷酸钙[13-14]。根据磷肥施入土壤后的转化规律[15]，冬季灌溉咸水前施入如此大量的磷肥到翌年春季棉花播种前历时110～120 d 的时间，肥料中的有效磷经过转化几乎全部被土壤固定为闭蓄态磷，难以被棉花幼苗吸收利用，造成磷资源的极大浪费。此外，人们一直普遍认为盐碱地不缺钾，生产或科学研究中也很少考虑施用钾肥，但盐碱地施用钾肥是否有效尚需进一步研究[8-9]。鉴于此，本研究开展了基于滨海重盐碱地冬季灌溉咸水条件下的施肥量、肥料剂型及施肥方式的关键技术探索，旨在为滨海重盐碱地种植棉花提供适宜的施肥量、合适的肥料剂型及科学的施肥方式等关键技术，并提高咸水、盐碱地以及化肥等资源的高效利用，实现盐碱地节肥增效的绿色农业发展目标。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区设在河北省海兴县小山乡。该区地处河北省东南部，属暖温带半湿润半干旱季风气候区，年均气温12.1 ℃，1月均温－4.5 ℃，极端最低气温－19.9 ℃，初霜期和终霜期多分别出现在10月下旬和4月中旬；多年平均降水量为582.3 mm，四季分布极为不均，6—8 月降水量约占全年降水量的74%，冬季降水量极少。该区地势低洼平坦，为渤海低平原区，土壤为滨海砂壤质盐碱土，中度以上盐渍化土壤面积达2 万hm2，0～100 cm 土层含盐量周年不低于5.0 g/kg；地下水位埋深1.5～2.0 m，矿化度9.3～12.0 g/L；土壤耕层的盐分含量随季节变化波动明显，冬春季积盐，夏季雨水期相对脱盐[5]。播种前采集试验地土壤剖面样品，并测定其基本理化性状，结果见表1。

表1 棉花播种前土壤的基本理化性状Table 1 Physicochemical property of soil used for experiment prior to sowing cotton seed

1.2 试验设计

试验周期为4 年，2010、2011 和2013 年种植棉花，2012年种植甜高粱用以均衡土壤地力并防止棉花连作障碍。每年试验前于冬季地表温度稳定在－4 ℃时抽取当地地下咸水，进行地表漫灌或喷灌，灌水量100～180 mm。待翌年开春3 月初咸水冰开始融化时立即覆膜。4 月20—25 日掀膜，随即施肥，播种，再次覆膜，以防止春季土壤返盐，保障出苗。

肥料试验按肥料剂型[控释（失）肥、传统肥]、施肥方式（一次性基施、基施+追施）和施肥量（高量、低量）进行完全试验设计，共6个处理（表2）。其中：控释肥（34% N）于2010—2012 年施用，控失肥（N-P2O5-K2O为26-12-10且含有凹凸棒土）于2013年施用；传统肥为尿素（46%）、过磷酸钙（12%）和硫酸钾（60%）。施肥量：2010 年参照华北平原农户种植棉花的传统施用量的上限和下限确定，之后根据上一年的产量效应分别确定2011 和2013 年度的施肥量；2012年甜高粱施肥量沿用2011年低肥组控释肥（LNPC）处理。

田间布设按照施肥量裂区设计，区组之间间隔0.3 m。区组内的小区按顺序排列，每个处理重复3次，南北走向，小区面积为54 m2（图1）。基肥在播种前手工均匀撒施在每个小区内，追肥赶在雨前垄间破膜穴施。棉花品种为鲁棉-28，播种行距为60 cm，株距为28～30 cm，栽植密度为3 600 株/667 m2，播种后立即覆膜，出苗2叶时即在苗位处捅破地膜，露出子叶，全生育期无须掀膜，无灌溉。其他田间管理按照农户常规操作进行。9月初棉花吐絮，正常开裂后及时收摘籽棉，到11月下旬前全部采收完毕。

1.3 测定项目与方法

于冬季灌溉前和春季播种前按照每10 cm一层采取土样，采至100 cm，用于测定土壤理化性状和盐分含量。棉花收获后，分别取0～30 cm和＞30～60 cm 土层土壤用于测定无机氮（N）和盐分含量。每个小区随机选取6株棉挂牌，在蕾期、铃期和成熟期定点调查；生育期结束后收获这6株挂牌植株，每株按部位剪短混合，于105 ℃烘箱中杀青1 h，然后在75 ℃条件下烘至恒量。样品粉碎后过60 目筛，分别测定棉花植株各部位的N、P、K含量，所有指标的测定方法参见《土壤农化分析》[16]。

1.4 数据分析

采用SAS 9.1 软件对数据进行方差分析，并用最小显著性差异法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 冬灌咸水淡化重盐碱地土壤的效果

2010 年冬季至2011 年春季棉花播种前对0～80 cm 土壤剖面的盐分含量进行检测显示：冬季灌溉咸水的试验田比相邻未灌溉的土壤含盐量大幅度降低，尤其是0～20 cm土壤剖面的根系活动层的盐分含量降低至2.0 g/kg 以下，为棉花发芽出苗创造了低盐环境；在冬灌咸水后的土壤上种植棉花的出苗率高达82.2%，而不灌溉的土壤在春季含盐量极高，作物无法生长（表3）。

表2 2010—2013年棉花施肥剂型、方式及施肥量试验设计方案Table 2 Experimental design scheme for cotton fertilization type,mode and rate during 2010—2013

图1 棉花试验地施肥小区布设排列Fig.1 Arrangement of fertilization experiment plot for cotton plant

表3 冬灌咸水对试验田土壤盐分含量及棉花出苗率的影响Table 3 Effects of irrigation with saline water on saline content of experimental soil and rate of cotton seedling emergence

2.2 不同施肥处理对棉花营养生长的影响

田间调查结果（表4）显示：2011 年棉花蕾期低肥组的株高、茎粗、果枝数、果枝铃数、果枝蕾数和叶枝蕾数均显著高于高肥组；肥料剂型及施肥方式对株高、茎粗、果枝数和叶枝数也有显著影响，此外，低量控释肥（LNPC）对直接影响产量的果枝铃和叶枝蕾效果优于其他处理；无论是高肥组还是低肥组，尿素一次性基施对棉花的株高、茎粗和叶枝数均比基肥+追肥2 次施用的效果明显。对2011年棉铃后期的调查显示，高肥组控释肥（HNPC）的果枝花和叶枝蕾数显著多于其他处理。2013 年花铃期低肥组的果枝数、果枝蕾和叶枝数均显著少于高肥组，相同施肥量下控失肥与传统肥料组合作为基肥一次性施用对果枝蕾数的效果接近；而在棉花采摘期，尿素一次性基施的果枝铃数少于控失肥和尿素分2次施用。可见：施肥量直接影响蕾铃数，进而控制籽棉产量；而肥料剂型及施肥方式直接影响植株生长发育，进而影响籽棉产量。

2.3 不同施肥处理的棉株关键器官的养分含量比较

2011年棉花收获后对植株N含量检测结果（表5）表明：棉株叶枝和叶片（果枝叶、叶枝叶和铃位叶）中的N 含量较高，是果枝、根和主茎的2～3 倍。高肥组果枝叶、叶枝叶和铃位叶的平均N含量比低肥组高0.13 百分点（P＜0.01）。施肥量对果枝和叶枝的N含量没有显著影响，肥料剂型及施肥方式对根、主茎、果枝、叶枝叶和铃位叶的N含量影响显著。低肥组中尿素分2 次施用（LNPU-2）的棉花主茎和铃位叶的N含量显著高于控释肥和传统肥料组合一次性基施；而高肥组中施用控释肥（HNPC）的根、主茎、果枝、叶枝叶和铃位叶的N含量显著高于尿素，特别是比尿素分2次施用显著提高（HNPU-2）。

由表5 可见：收获期棉株铃位叶和叶枝叶的P含量较高，大约是茎、果枝和叶枝中的2倍。施肥量对根、枝条（果枝和叶枝）和铃位叶的P 含量影响显著，高肥组极显著提高了铃位叶的P 含量。肥料剂型及施肥方式对根、主茎、枝条（果枝和叶枝）与铃位叶的P 含量影响显著，其中施用控释肥的效果总体比施用尿素优。

收获期棉株中含K 素最多的部位是果枝、叶枝、叶枝叶和铃位叶，其次是主茎、果枝叶和根。施肥量对主茎、枝条（果枝和叶枝）和铃位叶的K含量有显著影响，低肥组棉株的主茎、枝条（果枝和叶枝）和铃位叶的K 含量显著高于高肥组，低肥组铃位叶的平均K 含量比高肥组高0.16 百分点（P＜0.01），但对根、果枝叶和叶枝叶的K 含量没有显著影响（表5）。

2.4 不同施肥处理的籽棉产量效应

对籽棉产量的统计分析（图2）表明：2010 年高肥组的籽棉产量比低肥组平均减产21.1%（P＜0.05），相同施肥量下不同肥料剂型及施肥方式对籽棉产量没有显著影响。2011 年各处理对籽棉产量没有显著影响。2013 年低肥组的籽棉产量比高肥组平均减产24.1%（P＜0.05），低肥组中施用传统肥料比控失肥平均减产29.5%（P＜0.05），低肥组中尿素一次性基肥（LNPU-1）与基肥+追肥2 次施用（LNPU-2）没有显著差异；高肥组中控失肥与传统肥料一次性施用的籽棉产量没有显著差异，均约为3.2 t/hm2，分别比尿素分2 次施用的处理组合（HNPU-2）增产45.4%和45.1%（P＜0.05）。

2.5 棉花收获后不同施肥处理的土壤无机N 含量比较

2011 年籽棉采摘后测定土壤中无机态N 含量的结果（图3）表明：在0～30 cm土层，高肥组的硝态N（NO-N）平均含量比低肥组高48.2%，而＞30～60 cm土层则相反，低肥组的NO-N含量略高于高肥组。2011 年高肥组0～30 和＞30～60 cm土层的铵态N（NH-N）平均含量是低肥组的3.16 倍和2.52 倍；高肥组中，HNPU-2 处理在0～30 和＞30～60 cm土层的NH-N含量分别是控释肥（HNPC）的13.3 倍和5.4 倍，是HNPU-1 处理的3.6 倍和5.6 倍，控释肥与尿素一次性基施的肥料组合（HNPU-1）的土壤NH-N含量没有显著差异。2013年棉花采收后各处理的土壤NO-N 残留比2011 年减少49.4%～81.6%；高肥组与低肥组在0～60 cm土层的NO-N 含量没有显著差异；高肥组中，在0～30 cm土层尿素分2 次施用（HNPU-2）的NO－3 -N 含量是控失肥（HNPC）的1.37倍，是传统肥料基施（HNPU-1）的1.73倍；而施肥量与肥料剂型及施肥方式均对NH-N 含量没有显著影响（图3）。

2.6 不同施肥处理对棉花收获后土壤盐分含量和电导率的影响

籽棉采摘后对土壤盐分含量和电导率（electrical conductivity,EC）测定结果（图4）表明：2013年的土壤盐分含量和电导率均比2011年显著降低，尤其是高肥组0～30 和＞30～60 cm 土层含盐量分别下降12.5%和28.1%，土壤电导率分别下降15.8%和26.1%，但不同施肥处理的盐分含量间和电导率间差异均无统计学意义。2011年高肥组0～30 cm土层的电导率比低肥组高30.6%（P＜0.1），低肥组中2011年施用控释肥和2013年施用控失肥的0～60 cm土层的电导率及盐分含量均比其他处理有明显降低的趋势。

表4 花铃期与吐絮期棉花植株性状调查（单株）Table 4 Investigation on cotton plant characters from flowering and boll-setting stage to boll-opening stage(per plant)

表5 收获期棉花植株各器官的养分含量Table 5 Nutrient content in cotton plant during the harvest season %

3 讨论

3.1 咸水冬灌是淡化重盐碱地春季土壤盐分的必要条件

棉花属耐盐性较强的作物，但是棉花种子发芽和幼苗生长对盐分敏感[4,11]，其中棉花发芽和出苗的耐盐临界值分别为2.8和2.5 g/kg[17]。北方滨海重盐碱地区春季多是干旱大风天气，加剧了春季盐碱地的返盐；自然状态下该地区春季0～10 cm土层的盐分在7.7 g/kg以上，盐胁迫导致棉花无法发芽出苗。本研究中实施的冬季灌溉咸水结冰技术，既保证了春季棉花播种时的土壤墒情，又使得土壤0～20 cm耕层盐分大幅度降低到2.0 g/kg 左右，为棉花播种出苗创造了良好的水盐环境，研究结果与前人报道的结论[1-2,4-5]一致。

图2 2010—2013年不同施肥处理下收获的籽棉产量Fig.2 Seed cotton yield under different fertilization treatments during 2010—2013

图3 2011与2013年不同施肥处理下棉花采摘后土壤硝态氮（NO-N）与铵态氮（NH-N）含量Fig.3 Soil NO-N and NH-N contents under different fertilization treatments after cotton harvest in 2011 and 2013

图4 2011与2013年不同施肥处理下籽棉采摘后土壤盐分含量及电导率Fig.4 Soil saline content and electrical conductivity(EC)under different fertilization treatments after cotton harvest in 2011 and 2013

3.2 施肥量是重盐碱地棉花产量和土壤盐分含量消长的关键

2010 年的施肥量是参照植棉农户的常规施肥量，该试验地前身是寸草不长的滨海荒芜重盐碱地，2010 年棉花能出苗生长并收获籽棉，是对重盐碱地改良利用的首次成功尝试。2010 年高肥组的籽棉产量比低肥组平均减产21.1%（P＜0.05），说明农户传统施肥量过高，在重盐碱地过量施肥是减产的根本原因。2011年调减施肥量后，尽管各处理的棉花产量没有显著差异，但对生育期调查表明，高肥量会抑制棉花植株蕾铃期前的营养生长，表现在花铃期高肥组的果枝蕾（P＜0.05）、果枝铃（P＜0.001）比低肥组显著减少，高肥组后期的蕾和花数比低肥组多（P＜0.05），说明高施肥量对棉株后期的蕾、铃、花有贡献，但对籽棉总产量及品质提升意义不大。而从高肥组的果枝叶、叶枝叶和铃位叶的N含量比低肥组平均提高0.13百分点（P＜0.01）推测，高肥组在棉株后期仍向叶片供应N 素。从土壤无机N残留和土壤电导率（EC）结果分析，2011年高肥组0～30 cm 土层的NO-N 含量比低肥组平均高48.2%，NH-N 含量则是低肥组的3.16 倍；高肥组0～30 cm 土层的电导率比低肥组高30.6%（P＜0.1），表明2011 年的施肥量依然偏高，高施肥量提升了土壤溶液的离子浓度，加剧了土壤的盐胁迫环境。而棉花幼苗期的耐盐性最差，幼苗及早期营养生长势必受到抑制，后期随着植株长大，耐盐能力提高，加之雨季对土壤盐分的淋洗，土壤盐胁迫才得以缓解。因此，过量施肥除了抑制棉花幼苗生长外，还有引发土壤次生盐渍化的潜在风险，这与之前的报道[2-3,7,18]一致。2012 年种植甜高粱以防连作重茬，土壤进一步得到熟化。2013年再次调减N、P施用量，并增施K 肥，试验期内田间管理及气象条件与往年并无异常，2013年所有处理的产量几乎比前2年翻倍。该结果表明重盐碱地施用钾肥的必要性与紧迫性，也颠覆了农户传统施N、P而不施K的认知。2013 年土壤NO－3-N 含量比2011 年显著降低，盐分含量和电导率也均比2011 年显著降低，佐证了高施肥量是土壤NO－3-N含量增加和盐分含量上升的重要原因。2013 年不同施肥处理间的盐分含量和电导率的统计检验没有显著差异，与盐碱地土壤盐分分布不均匀导致采样和测定结果的重复间标准差较大有关。综合土壤无机N残留消减、盐分含量下降、低肥组籽棉产量比高肥组产量降低24.1%的结果，可以确定2013 年高肥组的养分用量是重盐碱地较为适宜的施肥量。

3.3 肥料剂型及施肥方式是重盐碱地籽棉产量及土壤肥力平衡的重要因素

综合棉株生育期田间调查、籽棉产量和土壤测定结果，无论是营养期生长和养分吸收还是籽棉产量，总体上均表现为同一施肥量下控释（失）肥的效果显著优于尿素；2011年高肥组施用控释肥处理的根、主茎、果枝和铃位叶的N 含量显著高于传统肥料组合，这一结果与已有报道[18-20]一致。2013 年籽棉产量大幅提升除了施肥量合理外，也与更换为控失肥剂型有关，控失肥除了增加了K 营养外，还含有凹凸棒土，对改良重盐碱地效果显著。关于控失肥提升棉花产量、减少盐碱地NO-N 残留和土壤盐分的机制还需进一步研究。另外，我们在该区其他作物上试验也发现了该肥料确切的效果（数据未发表）。

尿素分2次施用显著提高了根的N、P、K含量，表明追施尿素不仅增N，而且促进了P、K吸收，但是后期供应的这些营养仅限于根部，对籽棉增产已无意义。之前也有报道棉花追施N肥后效不明显[6,21]。此外，后期追施尿素，没能被完全吸收的N 素会引起土壤无机N及含盐量增加，特别是花铃期以后追施尿素导致0～60 cm 土壤的NO-N 残留量提高20%～37%，同时，导致NH-N含量急剧提高，容易引起氨挥发损失。2013 年低肥组中控失肥的增产效果显著优于等养分量的传统肥料组合，高肥组中控失肥与传统肥料一次性基施的籽棉产量没有显著差异，二者均显著高于等养分量尿素分2 次施用的籽棉产量（P＜0.05）。由此表明，在施肥量适宜的前提下，仅从产量考虑，控失肥与含等量N、P、K 的肥料组合全部作为基肥施用的效果接近。但综合籽棉产量、减少土壤NO-N 残留和降低土壤盐分含量的结果分析，肥料剂型宜首选控失肥。