有机肥替代对棉花养分积累、产量及土壤肥力的影响

汪苏洁，贵会平，董强，张恒恒，王香茹，牛静，张西岭，宋美珍

（中国农业科学院棉花研究所／棉花生物学国家重点实验室，河南安阳455000）

施肥是作物增产最有效的途径，20 世纪全世界作物产量增加的一半来自化肥的贡献[1]，近些年的研究表明，生产中大量施用化肥并没有显著提高作物产量[2]。 过量的化肥投入不仅造成生产资源的浪费，导致土壤酸化[3]，而且造成生态环境污染[4-5]。 有机肥具有改善土壤理化性质，提高作物对养分的吸收和利用[6]。研究表明，有机肥部分替代化肥可以减少化肥的用量， 提高肥料利用率，改善土壤理化性质，提升土壤肥力，促进作物高产优质，降低环境污染风险[7-9]。

棉花是世界范围干旱、半干旱地区重要的纤维作物[10]，在我国国民经济中具有举足轻重的地位。 田间合理施用化学氮肥能够获得较高的籽棉产量[11]，而配施有机肥能够显著提高棉花单株成铃数， 能促进棉花生长发育和地上部干物质积累[12]。滴灌条件下，与单施化肥相比，有机氮肥部分替代化学氮肥有利于棉株养分积累，可提高棉花氮素表观利用率、偏生产力、肥料氮贡献率和农学效率[13]；综合养分吸收、氮素利用率、产量及经济效益等方面，有机氮肥替代10%化学氮肥处理是最有效、合理的施肥方式。 因此，有机肥部分替代化肥是一种能改善棉田土壤环境， 提高土壤肥力，提高氮肥利用率，进而提高棉花产量的施肥方式，但最佳有机氮肥替代率还需进一步试验研究。 本研究在黄河流域棉区进行连续3 年定位试验基础上，对有机肥不同替代率进行研究，探讨其对棉株生物量、养分积累、产量、土壤肥力及棉株氮磷化学计量比的影响，研究有机肥替代化肥的适宜替代率，以期为有机肥、无机肥在黄河流域棉田中合理施用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

定位试验田位于中国农业科学院棉花研究所试验基地 （河南省安阳县，36°4'28''N，114°31'33''E）。 供试土壤为潮土，2016 年4 月开始试验时， 土壤基础养分含量为有机质17 g·kg－1，全氮0.93g·kg－1，碱解氮74 mg·kg－1，速效磷10 g·kg－1，速效钾199 mg·kg－1，pH 8.68。

1.2 供试材料

供试品种为中棉所100[14]。 供试肥料为尿素（N 46%）、重过磷酸钙（P2O546%）、硫酸钾（K2O 50%）；有机肥为腐熟猪粪，其含有机质24.8%，N 2.3%，P2O52.22%，K2O 2.22%。

1.3 试验设计

试验基于课题2016 年定位试验， 播种日期为4 月25 日。 试验设6 个处理：T1（对照）：不施肥，T2：100%化肥，T3：20%有机肥+80%化肥，T4：40%有机肥+60%化肥，T5：50%有机肥+50%化肥，T6：100%有机肥。 T2、T3、T4、T5 总氮磷钾用量一致，有机肥替代处理替代比例按照氮肥（纯N）计算。 试验采取随机区组排列，每个处理3 次重复。 氮肥45%基施、55%追施，优先施有机肥（6 月20 日追肥，其中T5 处理基施50%，追施50%），磷肥、钾肥、有机肥全部基施。 采用80 cm 等行距种植模式， 密度为每667 m23 500株，小区面积为66.64 m2。

1.4 样品采集

1.4.1 植株样品采集与测定。 连续3 年施肥后，2018 年每个重复分别于6 月15 日 （蕾期）、7 月16 日（花期）、8 月13 日（铃期）、9 月11 日（吐絮期）采集具有代表性的棉株2 株，蕾期棉株分根、茎、叶3 部分，其余时期棉株分根、茎、叶、生殖器官四部分， 全部于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重， 冷却至室温后称量不同器官生物量，取其平均值。 称量后的棉株样品磨碎过100 目筛（筛孔直径0.150 mm） 后， 称取0.120 0 g， 用浓H2SO4-H2O2法消煮制备待测液， 用流动分析仪AA3 测定全氮、全磷含量[15]；火焰光度计法测全钾含量[16]。 2016、2017、2018 年棉花收获期，每个重复随机选取10 株，统计吐絮数，晒干后室内轧花考种，计算铃重和衣分，以小区实收棉花记产。

表1 不同处理的施肥量Table 1 Fertilizer amount of different treatments kg·hm－2

1.4.2 土壤样品采集与测定。 连续施肥第3 年（2018 年）收获后采集试验区土壤样品，采样深度为0～20 cm，每小区选5 个样点，混合为1 个样品，剔除砾石和植物残根，风干过20 目筛（筛孔直径0.850 mm），取出少许过100 目筛。土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法；土壤全氮测定采用凯氏蒸馏法；土壤碱解氮测定采用扩散法；土壤速效磷测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；土壤速效钾测定采用醋酸铵浸提-火焰光度计法； 土壤pH 测定采用水浸提-电位法 （土水比1∶2.5）[16]。

1.5 计算方法

1.5.1 棉株养分积累量计算方法。 植株氮 （磷、钾）积累量（mg）＝植株生物量（g）×植株氮（磷、钾）含量（%）×103.

1.5.2 棉株氮磷化学计量比计算方法。 棉株氮磷化学计量比 （N∶P）＝棉株全氮积累量（mg）／棉株全磷积累量（mg）。

1.6 数据处理方法

采用Excel 2010、SPSS 22 和SAS 9.2 软件进行数据处理及分析。

2 结果与分析

2.1 有机肥不同替代比例对棉株生物量的影响

表2 结果表明，在各个生育阶段，施肥处理整株及茎、叶、生殖器官生物量均高于不施肥处理，其中有机肥替代50%化肥处理整株及生殖器官生物量均为最高。 与单施化肥相比，单施有机肥处理在各生育时期对棉株整株及各器官生物量的积累无显著差异。 有机肥与化肥配施处理中，棉株整株及根、茎、生殖器官生物量随着有机肥替代化肥比例的增加而逐渐增加；在吐絮期之前，有机肥替代50%化肥处理整株及根生物量均显著高于有机肥替代20%化肥处理和有机肥替代40%化肥处理。 说明使用一定量有机肥替代化肥能够增加棉株干物质积累。

表2 有机肥不同替代比例对棉花生物量的影响Table 2 Effect of applications with manure and inorganic fertilizers in different propertions on cotton biomass g·plant－1

表2 （续）Table 2 (Continued)g·plant－1

2.2 有机肥不同替代比例对棉花氮磷钾吸收积累的影响

2.2.1 有机肥不同替代比例对棉花氮吸收积累的影响。 表3 结果显示，在各个生育阶段，施肥处理整株及茎、 叶中氮积累量均高于不施肥处理，其中有机肥替代50%化肥处理整株及根、茎中氮积累量均为最高。 与单施化肥相比，单施有机肥处理在吐絮期以前棉株整株及各器官中氮积累量的积累无显著差异。 有机肥与化肥配施处理中，棉株整株及茎中氮积累量随着有机肥替代化肥比例的增加而逐渐增加，有机肥替代20%化肥处理生殖器官中氮积累量显著低于有机肥替代40%化肥处理和有机肥替代50%化肥处理。 说明使用一定量有机肥替代化肥能够增加棉株氮积累量，尤其能够增加生殖器官的分配数量。

2.2.2 有机肥不同替代比例对棉花磷吸收积累的影响。 由表4 可知，在各个生育阶段，施肥处理整株及茎、 叶中磷积累量均高于不施肥处理，其中有机肥替代50%化肥处理整株及根、茎、生殖器官中磷积累量均为最高。 除了铃期，与单施化肥相比，单施有机肥处理棉株整株及各器官中磷积累量无显著差异。 有机肥与化肥配施处理中，棉株整株及生殖器官中磷积累量随着有机肥替代化肥比例的增加而逐渐增加，有机肥替代50%化肥处理整株及生殖器官磷积累量显著高于有机肥替代20%化肥处理。 说明使用一定量有机肥替代化肥能够增加棉株磷积累量，尤其能够增加生殖器官的分配数量。

表3 有机肥不同替代比例对棉花氮积累的影响Table 3 Effect of applications with manure and inorganic fertilizers in different proportions on cotton nitrogen accumulation g·plant－1

2.2.3 有机肥不同替代比例对棉花钾吸收积累的影响。 表5 表明，在各个生育阶段，施肥处理整株及根、茎、叶钾积累量均高于不施肥处理，其中有机肥替代50%化肥处理整株及根、 茎中钾积累量均为最高。与单施化肥相比，单施有机肥处理棉株整株及根、叶、生殖器官中钾积累量的积累大多无显著差异。有机肥与化肥配施处理中，棉株整株钾积累量随着有机肥替代化肥比例的增加而逐渐增加， 有机肥替代50%化肥处理整株及生殖器官钾积累量显著高于有机肥替代20%化肥处理。 说明使用一定量有机肥替代化肥能够增加棉株钾积累量，尤其能够增加生殖器官的分配数量。

表4 有机肥不同替代比例对棉花磷积累的影响Table 4 Effect of applications with manure and inorganic fertilizers in different propovtions on cotton phosphorus accumulation g·plant－1

2.3 有机肥不同替代比例对棉花籽棉产量及其构成因素的影响

从表6 看出，有机肥处理籽棉产量随试验年限有增加趋势，但差异不显著。 2016―2018 年不同处理间铃重差异不显著。 2017 年T6 处理衣分显著低于T2 处理；2016 和2018 年T2、T3、T4、T5、T6 处理间衣分没有显著差异。 总体来说，黄河流域棉田连续3 年进行有机肥替代可维持与化肥相当的产量， 并且随着施肥年限的增加，有机肥替代处理产量高于单施化肥处理，有机肥替代50%化肥效果最好。

2.4 有机肥不同替代比例对土壤肥力的影响

由表7 可知，不同施肥处理与不施肥（T1）处理间，土壤有机质、速效钾、碱解氮含量和pH 没有显著性差异；与单施化肥处理相比，施用有机肥处理土壤有机质、全氮、速效磷、碱解氮含量均有增高趋势，变化范围分别为1.2%～5.7%、4.0%～5.0%、9.8%～40.0%、3.7%～11.6%， 且单施有机肥处理（T6）处理速效磷含量显著高于单施化肥（T2）处理。

表5 有机肥不同替代比例对棉花钾积累的影响Table 5 Effect of applications with manure and inorganic fertilizers in different propovtions on cotton potassium accumulation g·plant－1

2.5 有机肥不同替代比例对棉株氮磷化学计量比的影响

由图1 可知，不同比例有机肥替代处理氮磷比为5.175～10.275，棉株叶中氮磷比最高。 不同处理间棉株根、茎、叶氮磷比没有显著差异。 生殖器官中， 与对照T1 处理相比，T5 处理氮磷比显著降低；与T2 处理相比，差异不显著。

表6 有机肥不同替代比例对棉花产量及其构成因素的影响Table 6 Effect of applications with manure and inorganic fertilizers in different propertions on cotton yield and yield component factors

表7 有机肥不同替代比例对土壤肥力的影响Table 7 Effect of applications with manure and inorganic fertilizers in different propertions on soil fertility

由表8 可知，棉株全氮、全磷积累量与棉株生物量极显著正相关， 相关系数分别为0.925、0.936，表明棉株生物量随棉株全氮、全磷积累量增加而增大。 棉株根、茎氮磷比与籽棉产量呈极显著负相关，相关系数分别为－0.881、－0.654，表明籽棉产量随棉株根、茎氮磷比的降低而增加。

3 讨论

3.1 有机肥不同替代比例对棉花养分积累及产量的影响

棉花各生育期干物质的积累及分配是产量形成的基本保证，影响棉花经济产量的高低和品质的优劣， 养分吸收又是生物量积累的基础，它反映养分的有效吸收状况[17]。研究表明，有机肥能增加棉花干物质积累[18]。 本试验中不同生育期有机肥替代50%化肥处理较单施化肥处理提高棉花整株生物量，与前人研究结论基本一致。

图1 有机肥不同替代比例对植株氮磷比的影响Fig.2 Effect of applications with manure and inorganic fertilizers in different proportions on N:P ratio in cotton

表8 棉花生物量、产量和棉花养分指标的相关分析Table 8 Correlation analysis of biomass and yield of cotton with nutrient index of cotton

前人研究发现，在盐碱土上施用有机肥能够显著提高棉花氮磷钾积累，提高棉花产量[19]。而本文针对潮土棉田的研究结果显示，一定量有机肥替代化肥能够增加棉株对氮磷钾的积累，尤其能够增加养分在生殖器官中的分配。

适宜的有机肥替代比例能增加作物产量[20-21]。在本研究中，随着施肥年限的增加，有机肥替代处理较单施化肥处理增加了棉花产量，表明有机肥替代化肥的作用在大田作物上应用不是即时起效的，但是这种技术措施具有可持续性的环境生态效益[22]。汤春纯等[23]研究表明，有机无机肥配施质量比为1∶9 时， 对棉花籽棉产量、 皮棉产量、秸秆经济质量的效果最好。 但是，本文结果显示有机肥替代50%化肥处理籽棉产量最高，原因是有机肥替代化肥的作用效果不仅受作物品种的影响，还与有机肥的原料来源、土壤类型、土壤肥力水平等因素关系密切[13]。

3.2 有机肥不同替代比例对土壤肥力的影响

研究发现， 有机肥中的有机氮进入土壤后，需经过微生物的进一步转化分解才能释放出有效氮素供作物吸收利用[24]。本试验结果显示，有机肥替代处理与单施化肥处理间土壤pH 相近，这与前人研究结果不同[25-26]，可能原因是试验棉田属于石灰性潮土，土壤缓冲能力强；再者施肥年限短，土壤酸碱度变化幅度小。 在本研究中，单施有机肥处理土壤速效磷含量最高，显著高于单施化肥处理，主要是因为有机肥完全替代化肥本身增加磷的含量，有机肥施入土壤后，能促进无机磷的溶解，增加土壤速效磷含量[27]。 总体来看，有机肥替代处理可维持或一定程度增加土壤养分含量，保证棉株整个生育时期的养分供应。

3.3 有机肥不同替代比例对植株氮磷化学计量比的影响

氮磷比在植株不同器官的变化可看出氮和磷在植物体内的迁移转化过程[28]。 南学军等[29]研究显示，生物质炭配施不同量氮肥对植物氮磷比无显著影响，但与单施氮肥相比，生物质炭配施氮肥显著降低小麦的氮磷比。 本研究发现，有机肥替代部分化肥处理相比单施化肥处理降低棉株根、茎、叶、生殖器官及整株的氮磷比，但差异不显著。陈智伟[30]研究显示，小白菜生物量与植株氮磷比呈极显著负相关、与植株全氮积累量呈极显著负相关、 与植株全磷积累量呈极显著正相关。 而本文研究表明，棉株生物量与植株全氮、全磷积累量呈极显著正相关；而与根、茎、叶、生殖器官及整株氮磷比呈负相关， 但相关性不显著。 总体结果表明，根、茎氮磷比越高越限制棉株产量。

3.4 试验存在的不足及展望

本试验中根据棉花需肥特性和试验田土壤质地确定化肥基追比例（基施45%，追施55%），其中T5 处理由于5%的有机肥（相对于追施的尿素，用量较少且轻）不能均匀撒施应用，遂全部基施。 相对于速效氮肥，有机肥的矿化较慢，T5 处理中将需要追施的5%的有机肥基施入土壤，一般认为这种差异不会对试验产生显著影响。 本试验结果表明T5 处理替代效果最好， 是否因基追比例差异造成需进一步研究验证。

4 结论

本试验条件下，连续应用有机肥替代部分化肥具有增加其在土壤肥力的趋势，能够提高棉株氮磷钾积累量并增加生殖器官分配量。 施肥处理在各年度内籽棉产量无显著差异，但有机肥处理籽棉产量随试验年限有增加趋势。 从培肥地力对产量、生物量、养分积累量的影响综合来看，有机肥替代50%化肥效果最好。