漫灌和滴灌棉花土壤有效磷豐缺指標與臨界值研究

李青軍，張 炎，哈麗哈什?依巴提，馮 固

（1 中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100193；2 新疆農業(yè)科學院土壤肥料與農業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091；3 農業(yè)部荒漠綠洲作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，烏魯木齊 830091）

磷是植物生長所必需的三大營養(yǎng)元素之一，磷不僅是植物體內許多重要化合物的組成成分，還以多種途徑參與植物體內的各種代謝過程，影響植物的生長發(fā)育。施用磷肥是獲得作物持續(xù)高產穩(wěn)產的重要途徑，但農民習慣施磷量常常超過最佳推薦用量[1]，磷肥的當季作物利用率一般僅為10%～25%[2–3]，導致大量未被作物吸收的磷素被土壤固定而累積于土壤。因此，客觀評價土壤有效磷測定值及確定作物土壤有效磷豐缺指標，是科學施用磷肥的基礎。當土壤中有效磷超過一定含量時，作物產量對増施的磷肥沒有響應，此時土壤有效磷的測定值叫做土壤有效磷的農學臨界值或農學閾值[4]。根據作物產量效應關系，當土壤有效磷含量低于農學臨界值時，作物產量會隨著施磷量的增加而增加，施磷肥可以促進作物增產；當土壤有效磷含量超過作物需求的水平，作物產量不再隨施磷量的增加而提高，此時施用磷肥幾乎沒有增產作用[5–6]。由于連續(xù)多年施用磷肥，新疆棉花土壤中已出現了磷的積累，土壤有效磷含量有較大幅度的增加[7,8]，因此，建立新的棉花土壤有效磷豐缺指標，明確土壤有效磷的臨界值，可以有效指導棉花合理施用磷肥。

李樹鳳等[9]將內蒙古棉花土壤有效磷劃分為極低(＜ 3.43 mg/kg)、低 (3.43～5.83 mg/kg)、中(5.83～8.31 mg/kg)、高 (8.31～14.11 mg/kg)、較高(14.11～16.83 mg/kg)、極高 (＞ 16.83 mg/kg) 6 個等級；而張炎等將新疆棉花土壤有效磷劃分為4個等級[10]，即＜7 mg/kg (極低)、7～13 mg/kg (低)、13～30 mg/kg (中)、＞ 30 mg/kg (高)。英國洛桑試驗站的研究表明，作物達到最高產量所需要的土壤有效磷約為25 mg/kg[10]。國外研究結果表明，冬小麥高產土壤有效磷臨界值為7～20 mg/kg[11]，夏玉米有效磷臨界值為7～15 mg/kg[12]。國內遼河平原長期定位試驗結果顯示，玉米和大豆的有效磷產量臨界值分別為12.0和10.8 mg/kg[13]。鄭州、楊凌和昌平3 地區(qū)玉米的產量臨界值分別為12.1、16.4和17.3 mg/kg，冬小麥的臨界值分別為12.5、17.3和19.0 mg/kg[4]。陜西“國家黃土肥力與肥料效益監(jiān)測基地”24 年長期肥料定位試驗表明，塿土冬小麥土壤有效磷臨界值為 26.2 mg/kg，夏玉米為 13.9 mg/kg[14]。寧波平原早稻田有效磷缺乏臨界值為25 mg/kg，高于農業(yè)部《測土配方施肥》項目推薦的水稻土有效磷臨界值(20 mg/kg)[15]。廣西甘蔗土壤Olson-P含量低于6.5 mg/kg時，隨著土壤有效磷含量的增加，株高、莖粗及干物質積累量的增長非常迅速；當土壤Olsen-P含量高于13.7 mg/kg，隨著土壤有效磷含量的增加，株高和莖粗的增加不明顯，以最高產量的95%作為臨界產量，蔗園土壤磷素豐缺臨界值為14.5 mg/kg[16]。新疆阿克蘇地區(qū)春玉米最高產量施磷量所對應的土壤Olsen-P為18.7 mg/kg[17]。新疆是中國最大的優(yōu)質棉生產基地，種植面積占全國的30%，產量約占40%[18–19]，施用磷肥可以提高棉花產量、養(yǎng)分吸收量[20–22]。新疆棉花磷肥 (P2O5) 施用量平均為 158.70 kg/hm2，高于新疆平均施磷量，也高于小麥和玉米施磷量[23]，長期大量施用磷肥會導致磷養(yǎng)分在土壤中累積，從而使土壤有效磷含量超過作物生長的需求量[24–26]。根據土壤磷素恒量監(jiān)控技術原理，通過對磷肥施用量的調控，將土壤有效磷水平逐漸調整到合理范圍[27–29]。有效磷含量低 (＜ 14 mg/kg) 的土壤建議施磷量大于作物收獲帶走的量，以滿足作物需求和增加土壤肥力，但施磷量不超過作物帶走量的1.5倍；有效磷含量中等 (14～30 mg/kg) 時則施磷量等于作物收獲帶走的量，以維持土壤肥力；有效磷含量高 (＞ 30 mg/kg) 的土壤時施用磷肥的增產潛力不大，建議少施或者不施磷肥，以節(jié)約磷養(yǎng)分資源。

目前棉花土壤有效磷豐缺指標仍沿用2003年的標準[7]，導致棉花施磷量過高，磷肥利用率降低，土壤磷素大量盈余。因此，需要建立新的棉花土壤有效磷豐缺指標，以進行精準施用磷肥。本研究采用2007—2012年新疆棉花測土配方施肥“3414”試驗中的N2P0K2和N2P2K2兩個處理，對新疆281個試驗地點的棉花施磷效果進行研究，通過線性 + 平臺模型擬合的方法計算出棉花土壤有效磷豐缺指標，求得有效磷的臨界值，進行推薦施用磷肥，以實現棉花對磷肥的高效利用，為棉花磷肥減施增效提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

利用2007—2012年新疆棉花測土配方施肥“3414”試驗中的N2P0K2和N2P2K2兩個處理，總計9個地州市的28個縣市農場的281個試驗點的數據，其中188個試驗采用覆膜漫灌種植，播種方式為趁墑播種，一膜4行，平均灌水量5212 m3/hm2；93個試驗采用覆膜滴灌種植，播種方式為“干播濕出”，一膜4行2條滴灌帶，平均灌水量5024 m3/hm2。土壤養(yǎng)分狀況見表1。

阿克蘇地區(qū)共56個試驗，包括42個漫灌試驗和14個滴灌試驗，棉花株距為10 cm，行距為30–60–30–60 cm，播種密度為 21.0 × 104株/hm2，其中阿克蘇市6個，阿瓦提縣10個，庫車縣15個，沙雅縣8個，溫宿縣3個，新和縣14個，平均產量4934 kg/hm2。巴州共44個試驗，包括28個漫灌試驗和16個滴灌試驗，棉花株距為10 cm，行距為30–50–30–60 cm，播種密度為 22.5 × 104株/hm2；其中庫爾勒市38個，且末縣3個，尉犁縣3個，平均產量4941 kg/hm2。博州共29個試驗，全部滴灌種植，棉花株距為 10 cm，行距為 30–50–30–60 cm，播種密度為22.5 × 104株/hm2；其中博樂市16個，精河縣13個，平均產量5094 kg/hm2。昌吉州共34個試驗，包括16個漫灌試驗和18個滴灌試驗，棉花株距為 10 cm，行距為 30–50–30–60 cm，播種密度為 22.5 × 104株/hm2；其中昌吉市 14個，呼圖壁縣6個，瑪納斯縣14個，平均產量5119 kg/hm2。哈密地區(qū)共17個棉花試驗，全部漫灌種植，棉花株距為10 cm，行距為 30–50–30–60 cm，播種密度為 22.5 ×104株/hm2；試驗均在哈密市，平均產量5196 kg/hm2。和田地區(qū)共7個試驗，全部漫灌種植，棉花株距為 11 cm，行距為 30–60–30–60 cm，播種密度為19.5 × 104株/hm2；試驗均在墨玉縣，平均產量4315 kg/hm2?？κ驳貐^(qū)共58個試驗，包括53個漫灌試驗和5個滴灌試驗，棉花株距為11 cm，行距為 30–60–30–60 cm，播種密度為 19.5 × 104株/hm2；其中巴楚縣4個，伽師縣15個，麥蓋提縣6個，疏附縣6個，葉城縣1個，英吉沙縣11個，岳普湖縣5個，澤普縣10個，平均產量3857 kg/hm2。塔城地區(qū)共35個試驗，包括25個漫灌試驗和10個滴灌試驗，棉花株距為 10 cm，行距為 30–50–30–60 cm，播種密度為22.5 × 104株/hm2；其中和豐縣4個，沙灣縣22個，烏蘇市9個，平均產量4928 kg/hm2。烏魯木齊市1個試驗，滴灌種植，棉花株距為10 cm，行距為 30–50–30–50 cm，播種密度為 22.5 × 104株/hm2，平均產量 4540 kg/hm2。

表1 新疆各地區(qū)0—20 cm土壤養(yǎng)分狀況Table1 Soil nutrient status in 0–20 cm in Xinjiang different areas

磷肥以磷酸二銨 (18% N，46% P2O5) 在翻地前作基肥一次性施入；氮肥除去磷酸二銨所含N量以外，其余以尿素 (46% N) 施入，總N的30%作基肥，70%氮肥作追肥，在棉花生育時期分4次隨水滴施；鉀肥以硫酸鉀 (K2O 51%) 作基肥一次性施入。各地州市的平均施肥量見表2。

1.2 測定方法

土壤有效磷測定：施肥前在試驗區(qū)按“S”型多點采集耕層 (0—20 cm) 土壤混合樣，帶回實驗室風干，手工揀去植物根系、動物殘體和石塊等雜物，研磨，過 1 mm 篩，用 pH 值 8.5 的 0.5 mol/L NaHCO3浸提，用釩鉬藍比色法測定。

植株磷含量測定：在成熟期采集棉花地上部植株樣品，分為籽棉和秸稈，在105℃下殺青30分鐘，然后在75℃下烘干至恒重，稱重，記錄干物質重。將烘干的植株樣品粉碎，過0.5 mm篩，用H2SO4–H2O2消煮，用釩鉬黃比色法測定植株磷養(yǎng)分含量。

產量測定：成熟期采收各小區(qū)吐絮的棉花，稱重，計算棉花籽棉產量。

1.3 計算方法

相對產量 = 不施磷區(qū)產量/施磷區(qū)產量 × 100%

磷肥利用率 = (施磷區(qū)作物吸磷量?不施磷區(qū)作物吸磷量)/施磷量 × 100%，表示被植物吸收的肥料磷占施入土壤的肥料磷的比例。

表2 不同灌溉方式下新疆各地區(qū)的平均施肥量 (kg/hm2)Table2 Average rates of fertilizers in Xinjiang different areas under flooding and drip irrigation

1.4 數據處理

試驗數據采用 Microsoft Excel 2003 和 SPSS17.0統(tǒng)計軟件進行分析，各處理的平均值通過T檢驗或單因素方差分析來比較差異的顯著性 (P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 新疆棉田土壤有效磷豐缺指標

棉花缺磷區(qū)相對產量與土壤有效磷的相關分析顯示 (圖1)，棉花缺磷區(qū)相對產量最低值為63%，說明試驗點在相對產量為60%以下的土壤上沒有分布，因此，棉花相對產量為70%時對應的土壤有效磷為最低等級的臨界值，將土壤有效磷的指標劃分為5 級，即極低 (＜ 70%)、低 (70%～80%)、中 (80%～90%)、高 (90%～95%)、極高 (＞ 95%)。利用線性、指數、對數3種回歸分析模型對棉花相對產量與土壤有效磷含量進行擬合，分別獲得3個回歸方程：y =0.6877x + 70.43 (R2= 0.50**)，y = 70.682e0.0084x(R2=0.47**)，y = 12.787 Ln (x) + 48.622 (R2= 0.59**)。

圖1 土壤有效磷與棉花相對產量關系Fig.1 Relations between soil Olsen-P and the relative yield of cotton[注（Note）：**—P＜0.01， n=281.]

相關分析表明，棉花缺磷區(qū)相對產量與相應的土壤有效磷含量存在很好的相關性，3個回歸方程的相關系數都達到了1%的顯著水平，其中以對數回歸方程相關性最好。因此，利用對數回歸方程擬合棉花相對產量與土壤有效磷含量的關系，將指標劃分中相對產量的臨界值作為y值代入到回歸方程，計算出有效磷的含量值，即為有效磷的豐缺指標值。新疆棉田土壤有效磷的豐缺指標體系見表3。

2.2 棉田有效磷臨界值

土壤有效磷臨界值的確定采用線性 + 平臺模型(Linear + platform mode)，該模型被定義為：

式中：Y—預測的相對產量 (%)；a—直線的斜率；b—截距 (%)，表示直線的起點；x—土壤Olsen-P含量 (mg/kg)；T—土壤 Olsen-P 臨界值 (mg/kg)；P—預測的平臺相對產量 (%)。

采用線性 + 平臺模型擬合棉花相對籽棉產量和土壤有效磷的關系，棉花相對籽棉產量對土壤有效磷含量的響應分成2段，拐點即為土壤有效磷臨界值，此時棉花土壤有效磷的臨界值為22.0 mg/kg (圖2)。當土壤有效磷臨界值 ≥ 22.0 mg/kg 時，y = 93.77，表明此時隨土壤有效磷的增加，棉花相對籽棉產量不變，施用磷肥幾乎沒有增產作用；當土壤有效磷臨界值＜22.0 mg/kg 時，y = 62.86 + 1.405x，施磷肥可以促進棉花增產 (R2= 0.63**)。

2.3 棉花推薦施肥

通過分析棉花產量與磷素吸收量的關系，獲得產量為 4500～6000 kg/hm2時，100 kg 籽棉的 P2O5吸收量為 1.89 kg；產量為 6000～7500 kg/hm2時，100 kg籽棉的P2O5吸收量為1.84 kg；產量為7500～9000 kg/hm2時，100 kg 籽棉的 P2O5吸收量為 1.72 kg。結合養(yǎng)分歸還定律和土壤磷素恒量監(jiān)控技術，建立不同棉花產量下的磷肥推薦用量。當有效磷＜5 mg/kg時，建議施磷量為棉花帶走量的1.5 倍；當有效磷5～12 mg/kg時，建議施磷量為棉花帶走量的1.2倍；當有效磷12～25 mg/kg時，建議施磷量等于棉花帶走量；當有效磷25～38 mg/kg時，從維持土壤肥力考慮，建議施磷量為棉花帶走量的0.5倍；當有效磷 ＞ 38 mg/kg時，建議不施磷肥。根據以上施肥原則，新疆不同棉花產量水平的推薦施磷量見表4。

表3 新疆棉田有效磷豐缺指標 (mg/kg)Table3 Abundance index of Olsen-P of cotton soils in Xinjiang

圖2 棉花籽棉相對產量與土壤有效磷的關系Fig.2 Relations between the relative yield of cotton and soil Olsen P[注（Note）：**—P＜0.01.]

2.4 棉花磷肥利用率分析

從表5可見，棉花的磷肥利用率隨土壤有效磷含量的增加而大幅度降低。當土壤有效磷＜5 mg/kg時，漫灌條件下磷肥的利用率為25.7%，大于滴灌的磷肥利用率，但兩者沒有達到顯著差異，這是由于數據樣本數較少而分布較分散造成的。當土壤有效磷為5～12 mg/kg時，漫灌和滴灌條件下磷肥的利用率沒有顯著差異；當土壤有效磷為12～25 mg/kg時，滴灌條件下磷肥的利用率為15.0%，比漫灌顯著增加4.6個百分點；當土壤有效磷為25～38 mg/kg、＞38 mg/kg時，漫灌和滴灌條件下磷肥的利用率都沒有顯著差異。滴灌條件下磷肥的平均利用率為17.1%，略大于漫灌，但二者沒有顯著差異。因此，中等磷土級別壤上滴灌能顯著提高磷肥利用率。

3 討論

土壤肥力指標法是國際上最通用的測土配方施肥方法。自全國第二次土壤普查以來，由于缺少全疆范圍田間試驗結果的積累數據，新疆測土配方施肥工作一直沿用以往的土壤養(yǎng)分豐缺指標。然而，新疆棉花的品種特性、產量水平、栽培方式、施肥方式和土壤肥力等要素都發(fā)生了很大變化。研究土壤測試值與相對產量的關系，可以從土壤測試值初步判定土壤的肥力水平。通過對棉花相對產量和土壤有效磷測試值之間建立數學關系，可以直觀地看出土壤有效磷含量對產量的影響情況，再依據棉花對磷養(yǎng)分的吸收量，可以初步指導合理施用磷肥。本研究將土壤有效磷劃分為5個等級，其中極低和低2個等級與張炎等[7]的研究結果大體一致；中等為12～25 mg/kg，有效磷范圍有所縮小，更為精確；有效磷 25～38 mg/kg 為高水平，優(yōu)于 ＞ 30 mg/kg (高)的劃分；而 ＞ 38 mg/kg為極高，對于新疆棉花生產現狀更為合理。內蒙古棉花土壤有效磷分了6個等級[9]，但豐缺指標范圍是3.43～16.83 mg/kg，整體上遠小于新疆有效磷豐缺指標，這可能是由于兩地間的棉花品種特性、產量水平、栽培方式和土壤肥力等因素造成的。

表4 不同棉花產量下的磷肥推薦用量 (P2O5, kg/hm2)Table4 Recommended rates of phosphate fertilizer (P2O5) for different cotton yields

表5 不同灌溉方式下的磷肥利用率 (%)Table5 Phosphate fertilizer utilization rates under different irrigation methods

土壤有效磷測試值是反映土壤供磷能力的一個指標，也是施用磷肥的重要依據。美國玉米–大豆輪作肥料定位試驗表明[30]，每年施磷肥 (P2O5) 52.5 kg/hm2可以長期將土壤有效磷 (Bray-P) 含量維持在16～20 mg/kg，并能獲得持續(xù)高產和最大經濟效益；當施磷肥 (P2O5) 105 kg/hm2時，土壤有效磷含量雖然逐年提高，但產量不再增加，因此土壤有效磷 (Bray-P) 為16～20 mg/kg是確定合理施磷量的臨界水平。王斌通過雙直線、直線–平臺及米切里西三種模型，對新疆干早區(qū)小麥、玉米、棉花單作3年循環(huán)輪作長期定位監(jiān)測系統(tǒng)研究，得到新疆干旱區(qū)灰漠土一年一季條件下，棉花土壤磷素臨界值分別為18.0、20.1 和 38.2 mg/kg，平均為 25.4 mg/kg[31]。本研究通過對28個縣市農場的281個試驗點棉花施磷效果研究，求得土壤有效磷平均臨界值為22 mg/kg，小于以上長期定位試驗的平均值，但與長期定位試驗的直線–平臺結果較為一致，這是由于所采用的模型不同所致，此外相對于王斌的單點試驗，本研究所為多年多點試驗，數據量大，因此本研究的結果更具代表性。

根據“磷鉀肥恒量監(jiān)控施肥法”，將土壤有效磷含量持續(xù)控制在臨界水平范圍內的施肥量是最佳施肥量，因而磷肥施用可以通過土壤測試監(jiān)控[27–29]。本研究認為，當土壤有效磷含量低于22 mg/kg時，磷肥管理的目標是通過增施磷肥提高作物產量和土壤有效磷含量，其中土壤有效磷在0～12 mg/kg時，磷肥用量以不超過棉花帶走量的1.5倍為宜，土壤有效磷在12～25 mg/kg時，磷肥用量等于棉花帶走量；當土壤有效磷在25～38 mg/kg時，磷肥管理的目標是維持現有土壤的有效磷水平，不施磷肥或磷肥施用量不超過棉花帶走量的0.5倍；當土壤有效磷大于38 mg/kg時，施用磷肥幾乎不增產，建議不施用磷肥。

4 結論

1) 調查的新疆棉區(qū)土壤有效磷含量均較高，相對于最高產量，棉花土壤速效磷劃分為極低 (＜ 5 mg/kg)、低 (5～12 mg/kg)、中 (12～25 mg/kg)、高(25～38 mg/kg) 和極高 (＞ 38 mg/kg) 5 個等級，土壤有效磷臨界值為22.0 mg/kg。

2) 磷肥利用率隨土壤有效磷含量的升高而逐漸降低，漫灌和滴灌均如此；漫灌和滴灌條件下的磷肥平均利用率分別為15.2%和17.1%，差異不顯著，但土壤有效磷為12～25 mg/kg時，滴灌條件下磷肥利用率顯著高于漫灌。