不同连作年限对棉花磷肥利用率和产量的影响

耿文超，杨 路，李 杰，焦天奇，高 波，许世武，刘启斌

(1.新疆沃达农业科技股份有限公司，新疆石河子 832000；2.国家棉花工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830091)

新疆棉花面积之大在世界棉花生产中都占有重要地位[1]，相关研究显示，新疆磷肥施用量呈现以每年7.7%的递增率逐年增加[2]，植物生产发育必不可少的磷元素，能有效促进植物的生长发育和产量提升[3]。如何提高磷肥的利用率，对于众多研究者来说，都是较为艰难的课题之一，磷素的缺失会成为限制棉花产量、延长生育期、增加冻害概率的重要影响因子[4]。新疆棉田土壤基本为石灰性土壤，虽然全磷含量较高，但以固态磷为主，难以被利用[5]。相比其他矿质养分，磷的移动性很差，根际磷的快速消耗不能得到根际周围土壤迅速补充，而磷肥施入后以磷酸盐残留于土壤中，难以移动[6]，因此不利于根系对磷的吸收和利用[7]。据2011年统计，新疆棉田磷肥平均施用量为 164.2 kg/hm2，超出推荐用量150 kg/hm2[8]，因棉花连年种植不利于棉田土壤理化性状的良性发展，而棉农为追求棉花高产，大量施入磷肥但被土壤固定，难以被良好利用，不利于磷肥的吸收[9-11]，不仅造成了大量的资源浪费，而且与环境保护的理念也背道而驰。本研究探讨随着棉田连作年限的增加，棉花各生育时期对磷肥的利用规律，分析在现有施肥技术措施下，随着连作年限增加，棉花对磷肥吸收利用情况，为新疆棉花种植提供更加科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试棉花品种为新陆早78号，品种特性见表1。本试验在新疆兵团第六师新湖农场4场22连(86°29′E，44°28′N)进行。该地区的气候特征是温带大陆性气候，昼夜温差明显，气候干燥，周年降水量不多，无霜期短，大致为 160～170 d。

表1 供试棉花品种特性

1.2 方法

1.2.1 试验设计 2021年，在新疆兵团第六师新湖农场4场22连4队，选取不同连作年限但土壤质地一致且管理水平相近的棉田进行田间试验。本研究将不同棉田的连作年限设置为单一影响因子，分别为连作5年(记为C1)、连作7年(记为C2)、连作12年(记为C3)、连作20年(记为C4)，不同连作年限的棉田，在地中间选取棉花长势一致的小区，小区共三膜，小区面积25.8 m2(长3 m，宽8.6 m)。

C1、C2、C3、C4处理氮肥用尿素，按纯氮 300 kg/hm2施用，按照总量的40%在播前以基肥深翻施入，60%分7次随水滴施，磷肥使用三料磷肥(46% P2O5)150 kg/hm2，钾肥使用硫酸钾(33% K2O) 1 050 kg/hm2，磷、钾肥作为基肥在播种前一次性施入，后续不再投入。所选地块试验小区的农艺管理措施不单独设置，均与当地生产管理措施相同。每个处理3次重复，同时每个重复边设置1个小区(小区长3 m，宽8.6 m，面积25.8 m2)为不施磷肥小区，作为对照(对应不同处理分别记为CK1、CK2、CK3、CK4)。

种植模式采用宽窄行(宽行66 cm、窄行10 cm)的膜下滴灌模式，使用2.2 m宽的膜，膜间距 0.5 m，平均株距14 cm，理论株数为1.8万株/667 m2。滴灌模式采用一膜三管的膜下滴灌，灌量统一为400 m3/667 m2。供试土壤类型为灰漠土，在不同棉田采用棋盘法选点，对棉田的土壤理化性状进行测定，各处理测定棉田0～20、>20～40 cm的土壤理化性状(表2)。

表2 试验地土壤理化性质

1.2.2 样品采集和测定

1.2.2.1 生物量的测定 2021年7月25日、8月10日、9月 15 日(分别为棉花主要生育期花蕾期、花铃期、吐絮期)，每小区随机采集棉花5株，将各株棉花器官包括根、茎、叶和蕾/铃(壳、絮、籽)，分离后分别在 105 ℃下杀青1 h，最后在 75 ℃ 条件下烘干48 h并称质量，测定不同处理棉株在不同生育时期的生物量。

1.2.2.2 土壤速效磷含量的测定 将不同处理棉田棉花植株带回实验室后充分烘干并粉碎，使用硫酸-双氧水消煮法和钒钼黄比色法[12]分析和比较棉花在不同生育时期时不同器官含磷量。同时将不同处理小区近滴灌带旁及正下方，按5 cm将土壤分层，分别采集0～20 cm 共4层土壤样品，带回实验室充分风干后，采用 0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法[12]测定土壤速效磷含量。

1.2.2.3 产量测定 2021年 10 月1日对不同连任年限条件下的棉田进行籽棉产量的测定，各小区内随机选取1 m2，数出1 m2内的棉花株数，并分别统计出每株棉株上的铃数，同时测定单铃质量，由此计算出1 hm2的籽棉产量，计算公式如下：

籽棉产量(kg/hm2)=单位面积株数×单株铃数×单铃质量(kg)×10 000(m2)。

1.2.2.4 磷肥利用率

采用以下公式计算[13-17]：

1.3 数据统计

使用SPSS 20.0软件进行数据分析，使用Microsoft Office Excel 2010软件进行数据汇总整理及作图 。

2 结果与分析

2.1 不同连作年限棉田对棉花不同生育期植株各器官生物量的影响

不同连作年限棉田中，棉花在各生育时期的生物量见表3。总体上，除花蕾期根系生物量外，在棉花各生育时期，施磷条件下的棉花器官生物量显著高于不施磷处理。首先在花蕾期，在施磷处理条件下，各器官的生物量随着种植年限的增加呈现先增加后降低的趋势，而不施磷肥条件下，根的生物量在随着连作年限增加呈现先降低再增加最后再降低的趋势，且当连作年限达到12年时根系生物量达到最大，在20年时降至最低，总体上各器官的生物量与连作年限呈反比关系。其次，花铃期时，连作5、7年的棉田棉花叶和絮、籽的生物量有显著差异，根、茎、叶、蕾/壳的生物量差异不显著，且连作7年叶、絮的生物量显著高于其他连作年限棉田棉花的生物量。吐絮期时，施肥条件下，连作7年棉田棉花根和茎的生物量显著高于其他处理，而连作5、12、20年棉田在施磷和不施磷条件下各器官生物量差异均不显著。花铃期、吐絮期，随着连作年限的增加棉花各器官的生物量总体表现为先增后降的趋势，并且在连作年限7～12年时达到最高值。

表3 连作年限对棉株不同生育期各个器官生物量的影响

2.2 不同连作年限棉田对棉花不同生育时期不同器官含磷量的影响

在不同连作年限的棉花田内，总体上，其不同生育时期的含磷量差异显著(表4)。在棉花不同生育时期，棉花各器官的含磷量随着连作年限的增加，同样表现为先增加后降低的趋势。花蕾期时，在施磷肥和不施磷条件下的棉花根、茎含磷量，连作7年的棉田大于连作20年的棉田，与连作5年和连作12年的棉田差异不显著；而叶、蕾/壳的含磷量表现为连作7年的棉田要高于其他连作年限棉田；同时，花铃期连作7年的棉田棉花絮、籽的含磷量最高；吐絮期时，无论施磷或不施磷的棉田中，连作7年的棉田各生育器官的含磷量最高。

2.3 不同连作年限棉田对棉花不同生育时期累积吸磷量的影响

从图1可以看出，棉花不同生育时期随着棉花种植年限的增加，连作7年的施磷棉田累积吸磷量要显著高于其他处理。施磷处理条件下，连作7年棉田棉花在花蕾期、花铃期、吐絮期的累积吸磷量分别为11.98、47.82、86.87 kg/hm2，不施磷处理条件下连作7年棉田棉花在花蕾期、花铃期、吐絮期的累积吸磷量分别为8.49、33.73、63.96 kg/hm2。土壤适当补磷可有效增加棉花在各生育时期植株吸磷量，在花蕾期、花铃期、吐絮期，连作5年时分别增加吸磷量0.92、7.52、19.84 kg/hm2，连作7年时分别增加吸磷量3.49、14.09、22.91kg/hm2，连作12年时分别增加吸磷量1.22、7.88、19.91 kg/hm2，连作20年分别增加吸磷量1.55、5.94、22.57 kg/hm2。随着连作年限的增加，棉花的累积吸磷量表现出先升后降的趋势，在连作7年时棉花各生育期的累积吸磷量为最高；同时适当土壤补磷在棉花生育前期对于棉花累积吸磷量的提升不明显，而在中后期增加显著。

表4 不同连作年限棉田对棉花不同生育时期不同器官含磷量的影响

2.4 不同连作年限棉田对不同磷肥用量下棉花各器官累积吸磷量比例的影响

棉田随着种年限对于棉花各生育器官累积吸磷量也有着明显的影响(图2)。在棉花花蕾期时，施磷可以促进根和叶的累积吸磷量的增加，棉花根、茎、叶的累积吸磷量随着连作年限的增加，表现为先降低后增加的趋势，而蕾/壳的累积吸磷量随着连作年限的增加则表现出相反的趋势。在花铃期时，棉籽的累积吸磷量在不同连作年限的棉田中均表现为施磷条件下要低于不施磷条件下，但花铃期、吐絮期时，施磷可以有效促进棉絮的累积吸磷量的增加。

2.5 不同连作年限棉田对棉花籽棉产量的影响

根据测产结果，随着连作年限的增加，施磷也会促进棉田产量增加(表5)。单铃质量和单株铃数随着连作年限的增加，各处理间差异不显著，但施磷可有效增加单铃质量。收获株数随着棉田连续棉花种植年限的增加，在连作7年时最大，在连作12年时最小。同时，随着连作年限的增加，棉田棉花产量在连作7年时达到最高，施磷处理条件下为 7 062.6 kg/hm2，不施磷处理条件下为 6 343.40 kg/hm2。

2.6 不同连作年限棉田磷肥利用率的差异性

从表6可以看出，随着棉田连续种植棉花年限的增加，施磷处理施肥利用率、磷肥农学利用率和磷肥偏生产率均无显著差异，但在连7年时最高，且磷肥累积利用率要显著高于其他连作年限的棉田。同时，施磷也提高了不同连作年限棉花的磷肥偏生产力、磷肥累积利用率、磷肥农学效率及施肥利用率。

3 讨论与结论

3.1 连作年限的增加对棉花生长发育的影响

土壤有效磷素的含量与土壤理化性质密切相关[18-19]，随着棉田连作年限的增加，土壤理化性质不断发生变化。本研究结果显示，随着连作年限增加，棉田中的速效磷呈现增加的趋势[20]，在新疆第六师新湖的研究表明，连作7年棉田棉花生物量显著高于其他连作年限棉田棉花生物量，并且施磷可显著增加棉花器官生物量。吐絮期时，施肥条件下，连作7年棉田棉花根和茎的生物量显著高于其他处理，而花铃期、吐絮期，随着棉田连续种植棉花的时间推移，棉花在各生育阶段的生物量总体上表现出先增后降的趋势。表明在连作年限较短的棉田内，棉花在前期时若未能及时补充磷素，不利于生物量的累积，随着连作年限的增加，土壤施肥量增加，即使不补充磷素，在土壤中有较多的速效磷可供吸收，但若达到一定连作年限，土壤中的磷将转变为固态磷，难以被利用，也不利于棉花生物量的累积。因此在长期连作的条件下，适当及时补充磷，可有效增加棉花生物量累积，可持续获得稳产、高产。因为生物量累积是作物高产的基础条件[21]。

3.2 连作年限的增加对植株累积吸磷量和产量的影响

相关研究指出，棉花长期连作后，平衡施肥与否直接决定棉花产量高低[22]，本研究中，在长期连作的棉田中，施磷可有效增加棉花累积吸磷量，总体上累积吸磷量随着连作年限的增加表现出先增加后降低的趋势，在连作年限低于7年时，施磷对于棉花累积吸磷量的促进作用不明显，而连作超过7年时，适当补磷可在棉花生育中后期对于棉花累积吸磷量的提升明显，前期不明显。随着棉田种植年限的增加，施磷对棉花生育前期各器官累积吸磷量提升不明显，在中后期时，可促进棉絮的累积吸磷量的增加。这是由于前期棉花个体小，而随着连作年限的增加，补充进土壤中未被利用的大部分养分会通过化学反应固定于土壤中，但亦足够棉花营养生长所需；中期时棉花营养生长与生殖生长并重，若不适量补充养分，难以维持棉花植株生长；而后期棉花生长处于衰退期，生长减缓，并且主要以供应棉絮发育为主，因此所需养分进一步减少，施磷可有效增加单铃质量。施磷处理条件下连作7年的棉田棉花产量显著高于其他连作年限棉田的棉花产量，与前人研究成果[23-25]基本一致。

表5 不同连作年限条件下对棉花产量的影响

表6 不同连作年限对棉田磷肥利用率的影响

3.3 连作年限对棉花磷肥利用效率的影响

随着连作年限增加，土壤中的有机质含量呈现先上升后下降趋势[26-27]，速效磷含量有所下降[20]。本试验结果表明，随着连作年限的增加棉田磷肥施肥利用率、磷肥农学利用率和磷肥偏生产率无显著差异，但在连作7年时最高，并且连作7年的棉田施磷累积利用率要显著高于其他处理，与前人的研究成果[28]基本一致。

棉田连作年限在7年时，棉田土壤理化性质较好，在适当补施磷肥的情况下有利于棉花获得较好的生物量和产量，超过12年时土壤中的速效磷容易被固定，不利于植株的吸收，因此要加强中后期棉花的磷肥补施才能有利于获得高产。