,, 唐薇,*, 罗振, 孔祥强, 李振怀, 徐士振, 辛承松,*山东棉花研究中心 / 山东省棉花栽培生理重点实验室, 山东济南 250100Effects of commercial organic fertilizer substituting chemical fertilizer partially on soil nutrients, plant development, and yield in cotton
LU He-Quan,, TANG Wei,*, LUO Zhen, KONG Xiang-Qiang, LI Zhen-Huai, XU Shi-Zhen, XIN Cheng-Song,*Cotton Research Center, Shandong Academy of Agricultural Sciences / Shandong Key Laboratory for Cotton Culture and Physiology, Jinan 250100, Shandong, China通讯作者: * 唐薇, E-mail:tangweijn@163.com;辛承松, E-mail:xin5306@126.com
收稿日期:2020-12-21接受日期:2021-04-14网络出版日期:2021-06-18
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Corresponding authors: * E-mail:tangweijn@163.com;E-mail:xin5306@126.com
Received:2020-12-21Accepted:2021-04-14Published online:2021-06-18
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作者简介 About authors
E-mail:hqlu780708@163.com
摘要
研究商品有机肥替代部分化肥对连作棉田土壤养分变化、棉花生长发育及产量的影响, 探索有机肥替代部分化肥实现化肥减量增效的可行性, 为黄河流域棉区棉花科学施肥提供理论依据和技术支撑。2016—2018年在山东省临清市安排3年定位施肥试验, 以陆地棉(Gossypium hirsutium L.)品种K836为试验材料, 随机区组设计, 设置不施肥(NF)、化肥常规用量(NPK)、商品有机肥用量(COF)、化肥常规用量与商品有机肥用量配施(NPK+COF)、化肥常规用量的70%与商品有机肥用量配施(0.70NPK+COF)共5个处理。结果表明, 0.70NPK+COF处理较NF显著提高棉田土壤肥力、棉花干物质积累量、SPAD值和叶面积指数, 协调改善了棉花产量构成, 籽棉产量逐年增加9.63%、26.18%和59.96%。0.70NPK+COF处理较NPK提高棉田土壤有机质含量, 而土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量、棉花干物质积累量、SPAD值、叶面积指数、籽棉产量和产量构成因素均无显著差异, 3年内0.70NPK+COF与NPK处理的籽棉产量均保持在一个相对稳定的产量水平(3976~4105 kg hm-2)。NPK+COF处理较NPK和0.70NPK+COF均增加土壤养分含量, 提高棉花叶绿素SPAD值和净光合速率, 但没有显著提高棉花产量。据此, 商品有机肥替代部分化肥(0.70NPK+COF)能够培肥连作棉田地力、促进棉花生长发育和持续高产稳产, 是一种节肥增效环保的施肥技术模式。
关键词：
Abstract
The objective of this study is to investigate the effects of commercial organic fertilizer replacing partial chemical fertilizer on soil nutrients, plant development, and yield in cotton, and to assess the feasibility of achieving stable yield by reducing chemical fertilizer, thus providing theoretical basis and technical support for scientific fertilization and soil nutrient improvement in Yellow River Basin. A three-year field experiment from 2016 to 2018 was carried out using variety K836 with five treatments including no fertilizer (NF), traditional chemical fertilizer (NPK), commercial organic fertilizer (COF), traditional chemical fertilizer plus commercial organic fertilizer (NPK+COF), and traditional chemical fertilizer reduction 30% plus commercial organic fertilizer (0.70NPK+COF) by a randomized blocks design at Linqing city of Shandong province. Results showed that 0.70NPK+COF increased soil nutrients, dry matter accumulation, leaf SPAD value, and LAI at different growth stages in cotton, and compared with NF, the yields were annually increased by 9.63%, 26.18%, and 59.96% during three years. Compared with NPK, 0.70NPK+COF increased soil organic matter, but there was no significant difference in alkaline hydrolysis nitrogen, available phosphorus, and potassium contents of soil, dry matter accumulation, leaf SPAD value, LAI, yield and yield components between 0.70NPK+COF and NPK. Both 0.70NPK+COF and NPK had similar yield of 3976-4105 kg hm-2 from 2016 to 2018; COF+NPK increased soil organic matter, LAI, and leaf SPAD value, but there was not significantly increase in yield and yield components compared with NPK and 0.70NPK+COF. In conclusion, replacing partial chemical fertilizer with commercial organic fertilizer (0.70NPK+COF) was an economic, environmental, and feasible fertilization method for increasing soil nutrients, promoting cotton growth, maintaining high and stable yield.
Keywords：
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本文引用格式
卢合全, 唐薇, 罗振, 孔祥强, 李振怀, 徐士振, 辛承松. 商品有机肥替代部分化肥对连作棉田土壤养分、棉花生长发育及产量的影响. 作物学报, 2021, 47(12): 2511-2521 DOI:10.3724/SP.J.1006.2021.04279
LU He-Quan, TANG Wei, LUO Zhen, KONG Xiang-Qiang, LI Zhen-Huai, XU Shi-Zhen, XIN Cheng-Song.
施肥是影响土壤肥力[1,2,3]、作物养分吸收利用[3,4]、生长发育及产量[5,6,7]最重要的农艺措施之一。传统有机肥兼有全养分、缓效性等功能, 可增加土壤有机质、提高作物产量[2], 与化肥配施在更新土壤有机质、改善土壤理化性状、增加作物产量和提高氮素利用率方面具有显著效果[8,9,10,11,12]。但是传统有机肥(农家肥)存在体积大、施用不便、劳动强度大、用工成本高等现实问题[8,9,10,11,12,13,14], 导致传统有机肥基本上被化肥取代。随着化工业的发展和化肥生产量的不断增加, 化肥在提高和保障作物产量方面发挥了重要促进作用。正是由于化肥在作物增产中的重要作用, 近年来棉花生产中盲目过量施用化肥现象很普遍、也非常严重[15,16], 但过量施用化肥并没有明显提高棉花产量和品质, 反而导致棉田土壤板结, 降低了肥料利用率和肥料报酬[4], 土壤中大量的盈余养分淋溶流失, 还造成了环境污染[17]。为推进生态高效农业的发展, 2015年2月17日农业农村部制订了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》, 确定到2020年, 主要农作物化肥使用量实现零增长。在保障作物产量的前提下, 减少化肥用量, 配施有机肥是实现中国化肥零增长, 减少环境污染的重要技术途径之一[18,19]。近年来, 商品有机肥利用自身技术和加工优势, 克服了传统有机肥无害化水平低、劳动强度大等弊端, 已经成为有机肥利用的新途径, 逐步在市场上获得认可, 在生产中的应用范围日趋扩大[20,21,22]。国内外很多****在有机肥等量替代部分化肥养分的条件下, 对小麦、玉米、水稻等作物开展了大量试验研究[20,21,22,23,24,25], 一致认为, 合理的替代比例能够促进作物的生长, 有效改善产量构成, 具有增加作物产量、提高土壤养分含量和肥料利用率的效应。截至目前, 商品有机肥与化肥减量配施对棉田土壤肥力、棉花生长发育、产量及产量构成因素的影响尚少见报道。本文通过连续3年定位施肥试验, 深入研究了商品有机肥替代部分化肥对连作棉田土壤养分变化、棉花生长发育和产量的影响, 旨在为指导商品有机肥替代部分化肥在棉花生产中的应用、建立黄河流域棉区棉花施肥技术新模式、提高养分利用效率提供理论依据和技术指导。
1 材料与方法
1.1 试验地点
试验于2016—2018年在山东棉花研究中心临清试验站(115º72′E、36º68′N)棉花连作定位试验田进行。该试验田位于山东省临清市临馆街166号, 属暖温带半湿润季风气候, 年均气温12.9℃, ≥10℃积温4404℃, 多年平均降水量557.1 mm, 年蒸发量1882 mm, 平均无霜期200 d, 年日照时数2567 h。小区定位施肥处理前试验田为连续植棉多年的一熟棉田, 沙壤土, 中等偏上地力, 具有广泛代表性, 有良好的灌、排水条件。安排试验之前耕层(0~20 cm)土壤的基础养分含量为: 碱解氮43.39 mg kg-1、有效磷28.53 mg kg-1、速效钾120.30 mg kg-1、有机质11.22 g kg-1。1.2 试验处理及设计
以山东省主栽棉花(Gossypium hirsutium L.)品种K836为材料, 设置不施肥(NF)、化肥常规用量(NPK)、商品有机肥用量(COF)、化肥常规用量与商品有机肥配施(NPK+COF)、化肥常规用量的70%与商品有机肥配施(0.70NPK+COF)共5个处理。施肥量和施肥方式见表1。Table 1
表1
表1施肥处理及施用方式
Table 1
| 处理 Treatment | 肥料用量及施肥方式 Amounts and methods of fertilizer applications |
|---|---|
| NF | 不施化肥, 也不施有机肥。No fertilizer. |
| NPK | 基肥: 尿素(N 46%) 67.80 kg hm-2+复合肥(16-22-6) 442.50 kg hm-2+硫酸钾(K2O 50%) 54.90 kg hm-2; 见花时追肥: 尿素332.55 kg hm-2+硫酸钾162.00 kg hm-2。 Urea 67.80 kg hm-2, compound fertilizer 442.50 kg hm-2, and K2SO4 54.90 kg hm-2 were applied as basal fertilizer; urea 332.55 kg hm-2, and K2SO4 162.00 kg hm-2 were applied as topdressing when seeing first flower. |
| COF | 基肥: 商品有机肥(有机质50%, N 2.0%、P2O5 1.5%、K2O 2.5%) 1200.00 kg hm-2。 Commercial organic fertilizer (organic matter 50%, N 2.0%, P2O5 1.5%, K2O 2.5%) 1200 kg hm-2 were applied as basal fertilizer. |
| NPK+COF | 基肥: 尿素(N 46%) 67.80 kg hm-2+复合肥(16-22-6) 442.50 kg hm-2+硫酸钾(K2O 50%) 54.90 kg hm-2+商品有机肥(有机质50%, N 2.0%、P2O5 1.5%、K2O 2.5%) 1200.00 kg hm-2; 见花时追肥: 尿素332.55 kg hm-2+硫酸钾162.00 kg hm-2。 Urea (N 46%) 67.80 kg hm-2, compound fertilizer (16-22-6) 442.50 kg hm-2, K2SO4 (K2O 50%) 54.90 kg hm-2, and commercial organic fertilizer (organic matter 50%, N 2.0%, P2O5 1.5%, K2O 2.5%) 1200 kg hm-2 were applied as basal fertilizer; urea 332.55 kg hm-2 and K2SO4 162.00 kg hm-2 were applied as topdressing when seeing first flower. |
| 0.70NPK+COF | 基肥: 尿素(N 46%) 47.46 kg hm-2+复合肥(16-22-6) 309.75 kg hm-2+硫酸钾(K2O 50%) 38.43 kg hm-2+商品有机肥(有机质50%, N 2.0%、P2O5 1.5%、K2O 2.5%) 1200.00 kg hm-2; 见花时追肥: 尿素232.78 kg hm-2+硫酸钾113.40 kg hm-2。 Urea (N 46%) 47.46 kg hm-2, compound fertilizer (16-22-6) 309.75 kg hm-2, K2SO4 (K2O 50%) 38.43 kg hm-2, and commercial organic fertilizer (organic matter 50%, N 2.0%, P2O5 1.5%, K2O 2.5%) 1200 kg hm-2 were applied as basal fertilizer; urea 232.78 kg hm-2 and K2SO4 113.40 kg hm-2 were applied as topdressing when seeing first flower. |
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采用随机区组设计, 每个小区四周设置1.5 m深的加厚优质塑料薄膜隔离(小区之间的土壤完全隔离、底部不封), 施肥处理小区3年固定不变, 重复3次, 小区面积40 m2, 6行区, 行长8.78 m, 76 cm等行距种植。
1.3 试验田管理
连续3年皆于4月5日前后灌水造墒, 4月15日左右整地备播。播前精选棉种, 发芽率93%以上。分别于2016年4月25日、2017年4月28日和2018年4月27日人工穴播, 每穴3粒, 播种后均采用厚度0.008 mm的地膜覆盖, 留苗密度6.0万株 hm-2。棉花生育期内依天气和长势情况进行合理化控和灌溉, 除试验处理的要求外, 所有处理的管理一致, 管理措施同一般高产田管理。1.4 试验数据采集与方法
1.4.1 土壤主要养分的测定 当年棉花收获结束后每个小区均取0~20 cm土样测定养分含量。采用K2Cr2O7-H2SO4消煮、FeSO4容量法测定土壤有机质含量; 用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量; 用Olsen法测定有效磷含量; 用中性NH4Ac浸提、火焰光度法测定速效钾含量。1.4.2 单株生物量与叶面积 以化肥常规用量处理(NPK)的生育进程为参照, 分别在现蕾期、初花期、盛铃期和始絮期取样测定。每个小区随机选3株代表性棉株, 将棉株分成根(子叶节以下)、茎(枝)、叶(子叶、主茎叶、果枝叶)、果(蕾花铃), 用LI-3100C叶面积仪测定单株叶面积, 计算叶面积指数(leaf area index, LAI), 分器官烘干称重。
1.4.3 叶绿素含量和净光合速率 于棉花始絮期, 每小区选择具有代表性的6株棉花, 首先利用SPAD-502叶绿素测定仪测定主茎倒二叶的SPAD值, 分别夹取叶片5个不同部位, 取其平均值表示该处理叶片的叶绿素含量;
然后采用便携式光合作用系统测定仪LI-6400 (LI-COR Lincoln, USA)测定主茎倒二叶的净光合速率(Pn)。
1.4.4 产量和产量结构 吐絮后分3期(霜前2期, 霜后1期)收获每个小区的籽棉, 晒干后称重计产; 每次收获时收取代表性的50铃, 晾干后称重, 取平均数作为全株平均铃重, 根据籽棉产量和全株平均铃重计算单位面积铃数。然后按小区轧花, 测定衣分。
1.4.5 棉柴比与早熟性测定 在收花结束后, 将每小区中间2行棉株自然拔出, 晾晒30 d后称重。以籽棉与棉柴重量之和作为其近似的生物产量, 以两者的重量比(棉柴比)作为光合产物分配情况和经济系数的指标, 以霜前收获的籽棉占总籽棉重量的百分比(%), 即霜前花率, 作为早熟性的指标。
1.5 数据统计分析
Microsoft Excel 2003初步处理数据, DPS7.05统计软件进行方差分析, LSD法检验处理间差异显著性。2 结果与分析
2.1 商品有机肥替代部分化肥对0~20 cm土层土壤养分的影响
2.1.1 商品有机肥替代部分化肥对连作棉田0~20 cm土层土壤有机质含量的影响 2016—2018年不同施肥处理0~20 cm土壤有机质含量的测定结果(表2)表明, 与供试前土壤相比, 施用商品有机肥处理(COF、NPK+COF和0.70NPK+COF)能够增加土壤有机质含量, 而不施肥(NF)和化肥常规用量(NPK)则没有增加土壤有机质含量, 并呈逐年下降趋势。2016年COF、NPK+COF和0.70NPK+COF的有机质含量较NF分别增加0.90%、1.08%和0.81%, 2017年和2018年分别增加2.26%、2.53%、1.90%和4.88%、5.07%、4.15%。2016年COF、NPK+COF和0.70NPK+COF的有机质含量较NPK分别增加0.54%、0.72%和0.45%, 2017年和2018年分别增加1.62%、1.89%、1.26%和3.27%、3.45%、2.54%。尽管连续3年COF、NPK+COF和0.70NPK+COF处理的有机质含量较NPK没有达到差异显著水平, 但是随年限的延续仍呈现持续升高的趋势, 表明施用外源有机质是增加土壤有机质含量的主要途径之一。Table 2
表2
表22016-2018年商品有机肥替代部分化肥对0~20 cm土层土壤养分的影响
Table 2
| 年份 Year | 处理 Treatment | 有机质 Organic matter (g kg-1) | 碱解氮 Alkaline hydrolysis nitrogen (mg kg-1) | 有效磷 Available phosphorus (mg kg-1) | 速效钾 Available potassium (mg kg-1) |
|---|---|---|---|---|---|
| 2016 | NF | 11.14 b | 36.00 b | 24.71 b | 103.00 b |
| NPK | 11.18 b | 43.55 a | 28.61 a | 120.11 a | |
| COF | 11.24 a | 43.25 a | 28.36 a | 119.05 a | |
| NPK+COF | 11.26 a | 43.65 a | 28.64 a | 120.22 a | |
| 0.70NPK+COF | 11.23 a | 43.45 a | 28.55 a | 120.00 a | |
| 2017 | NF | 11.05 c | 25.71 c | 22.03 c | 85.20 c |
| NPK | 11.12 b | 43.73 a | 28.72 a | 120.34 a | |
| COF | 11.30 a | 40.11 b | 25.71 b | 100.25 b | |
| NPK+COF | 11.33 a | 43.82 a | 28.77 a | 122.32 a | |
| 0.70NPK+COF | 11.26 ab | 43.70 a | 28.57 a | 120.22 a | |
| 2018 | NF | 10.85 c | 20.30 c | 20.11 b | 59.00 c |
| NPK | 11.02 ab | 43.95 a | 28.77 a | 122.01 a | |
| COF | 11.38 a | 38.07 b | 23.33 b | 93.75 b | |
| NPK+COF | 11.40 a | 44.08 a | 28.90 a | 123.25 a | |
| 0.70NPK+COF | 11.30 a | 43.88 a | 28.57 a | 120.22 a |
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2.1.2 商品有机肥替代部分化肥对连作棉田0~20 cm土层土壤碱解氮含量的影响 由表2可知, 2016—2018年连续3年NF和COF处理的碱解氮含量均逐年显著下降, 较NPK逐年分别减少17.34%、41.21%、53.81%和0.69%、8.28%、13.38%; NPK和NPK+COF的碱解氮含量均呈逐年升高趋势, 但年际间尚未达到差异显著水平, 而0.70NPK+COF处理的碱解氮含量较稳定, 与NPK比较, 差异未达显著水平。
2.1.3 商品有机肥替代部分化肥对连作棉田0~20 cm土层土壤有效磷含量的影响 连续3年NF和COF处理的有效磷含量均逐年显著下降, 较NPK处理逐年分别减少13.63%、23.29%、30.10%和0.87%、10.48%、18.91%; NPK、NPK+COF和0.70NPK+COF处理的有效磷含量差异不显著, 说明短期内单施化肥或配施有机肥对土壤有效磷含量均没有显著影响(表2)。
2.1.4 商品有机肥替代部分化肥对连作棉田0~20 cm土层土壤速效钾含量的影响 各施肥处理的速效钾含量变化和有效磷含量变化一致(表2)。连续3年NF和COF的土壤速效钾含量逐年显著下降, 较NPK处理逐年分别减少14.25%、29.20%、51.64%和0.88%、16.69%、23.16%; NPK、NPK+COF和0.70NPK+COF的有效磷含量差异不显著, 说明短期内单施化肥或配施有机肥对0~20 cm土层土壤有效磷含量影响效果不明显。
2.2 商品有机肥替代部分化肥对棉花干物质积累和叶面积指数的影响
2.2.1 商品有机肥替代部分化肥对棉株干物质积累的影响 由图1可知, 2016—2018年, 不论在哪个生育时期, NF的单株干物质积累量均逐年显著下降, NPK、COF、NPK+COF和0.70NPK+COF的单株干物质积累量均显著高于NF。2017—2018年初花期至始絮期COF的单株干物质积累量均显著小于NPK、NPK+COF和0.70NPK+COF。各生育时期0.70NPK+COF和NPK的单株干物质积累量均基本一致, 而NPK+COF高于NPK和0.70NPK+COF, 但差异不显著。说明, 施肥显著促进了棉株的生长发育, 0.70NPK+COF和NPK对促进棉花生长发育的效应基本相同。图1
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处理同
Fig. 1Effects of commercial organic fertilizer replacing partial chemical fertilizer on dry matter accumulation at different growth stages in cotton from 2016 to 2018
Treatments are the same as those given in
2.2.2 商品有机肥替代部分化肥对棉花叶面积指数的影响 对2016—2018年各时期棉花叶面积指数(LAI)进行显著性比较分析发现(图2), 盛铃期以前, 所有处理的LAI均随生育进程递增, 盛铃期到始絮期, 所有处理的LAI均下降。2016—2018年, NF和COF同一时期的叶面积指数均呈逐年下降趋势, NPK、NPK+COF和0.70NPK+COF同一时期的叶面积指数基本一致, 均显著高于NF处理。2016年, 在现蕾期、初花期、盛铃期、始絮期, NPK的群体叶面积指数较同期的NF分别增加5.71%、7.74%、8.42%和4.41%; COF分别增加5.71%、7.10%、7.11%和4.41%; NPK+COF分别增加8.57%、8.39%、8.42%和4.71%; 0.70NPK+COF分别增加5.71%、7.74%、8.42%和4.71%。2017年, NPK的群体叶面积指数较同期的NF分别增加11.76%、11.33%、13.70%和9.01%; COF分别增加5.88%、6.67%、6.85%和5.11%; NPK+COF分别增加14.71%、12.00%、13.97%和9.61%; 0.70NPK+COF分别增加11.76%、11.33%、13.70%和8.11%。2018年, NPK的群体叶面积指数较同期的NF分别增加19.35%、25.66%、32.69%和19.21%; COF分别增加16.12%、14.29%、22.44%和13.25%; NPK+COF分别增加22.58%、26.32%、33.01%和20.20%, 0.70NPK+COF分别增加19.35%、25.56%、32.69%和19.54% (图2)。连续3年, NF各生育期的叶面积指数显著降低; 由于试验前土壤基础肥力为中等偏上, 因此, 2016年COF、NPK+COF和0.70 NPK+COF的叶面积指数与NPK差异不显著, 2017—2018年除现蕾期外, 初花期至始絮期COF的叶面积指数显著降低, 而NPK+COF和0.70 NPK+COF的叶面积指数与NPK无显著差异。
图2
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处理同
Fig. 2Effects of commercial organic fertilizer replacing partial chemical fertilizer on leaf area index (LAI) in cotton from 2016 to 2018
Treatments are the same as those given in
2.3 商品有机肥替代部分化肥对棉花叶绿素含量和净光合速率的影响
2.3.1 商品有机肥替代部分化肥对连作棉田棉花叶绿素含量的影响 由表3可知, 2016—2018年NPK处理的棉花叶绿素含量年际间基本一致; NF处理的叶绿素含量逐年显著下降, 较NPK处理分别减少6.33%、11.96%和21.08%; 2016年, COF、NPK+COF、0.70NPK+COF和NPK的叶绿素含量基本相同; 2017—2018年, 0.70NPK+COF和NPK的叶绿素含量基本相同, 均显著高于COF处理, 略低于NPK+COF。Table 3
表3
表32016-2018年商品有机肥替代部分化肥对棉花叶绿素含量和净光合速率的影响
Table 3
| 处理 Treatment | 叶绿素含量 SPAD value | 净光合速率 Pn (μmol CO2 m-2 s-1) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2016 | 2017 | 2018 | 2016 | 2017 | 2018 | |
| NF | 51.8±1.3 b | 48.6±1.4 c | 43.8±2.0 c | 27.1±1.4 b | 25.7±1.3 c | 22.2±1.1 c |
| NPK | 55.3±2.2 a | 55.2±1.5 a | 55.5±1.8 a | 27.7±1.2 a | 28.1±1.3 a | 28.1±0.9 a |
| COF | 54.7±1.1 a | 53.3±1.3 b | 53.0±1.6 b | 27.5±1.5 a | 26.5±1.8 b | 25.7±1.2 b |
| NPK+COF | 56.0±1.8 a | 56.2±1.4 a | 56.3±1.5 a | 28.2±1.4 a | 28.3±1.5 a | 29.3±1.7 a |
| 0.70NPK+COF | 55.2±1.3 a | 55.3±1.8 a | 55.6±1.6 a | 27.5±1.3 a | 28.0±1.8 a | 28.2±1.4 a |
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2.3.2 商品有机肥替代部分化肥对连作棉田棉花净光合速率的影响 各处理棉花净光合速率的变化趋势与叶绿素含量的变化趋势基本一致(表3)。2016—2018年NPK的净光合速率年际间基本一致, NF逐年显著下降, 较NPK分别减少2.17%、8.54%和21.00%; 2016年COF、NPK+COF、0.70NPK+COF和NPK基本相同; 2017—2018年0.70NPK+COF的叶绿素含量和NPK基本相同, 较NF逐年分别高8.95%和26.13%, 较COF分别高5.66%和8.95%, 较NPK+COF分别低1.06%和3.75%。
2.4 商品有机肥替代部分化肥对棉柴比和早熟性的影响
由表4可知, 连续3年NF和COF的棉柴比呈逐年下降趋势, 0.70NPK+COF的棉柴比与NPK处理基本相同,显著大于NPK+COF处理。说明, 不施肥(NF)和仅施有机肥(COF)处理, 由于养分供应偏少, 不仅影响了棉花营养生长, 还减少了光合产物向生殖器官的分配; NPK+COF处理的施肥量偏多, 能较好地促进棉花营养生长, 但不利于光合产物向生殖器官的分配。NF的早熟性显著高于其他处理, NPK+COF的早熟性最低, 0.70NPK+COF和NPK的早熟性介于二者之间。说明, 0.70NPK+COF促进了干物质向生殖器官转运, 使棉柴比更为协调, 早熟性更适宜。Table 4
表4
表42016-2018年商品有机肥替代部分化肥对棉柴比和早熟性的影响
Table 4
| 处理 Treatment | 2016 | 2017 | 2018 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 棉柴比 Seed cotton/stalk | 早熟性 Earliness (%) | 棉柴比 Seed cotton/stalk | 早熟性 Earliness (%) | 棉柴比 Seed cotton/stalk | 早熟性 Earliness (%) | |||
| NF | 0.66 b | 94.5 a | 0.62 c | 95.4 a | 0.50 c | 95.8 a | ||
| NPK | 0.70 a | 92.9 b | 0.72 a | 93.9 b | 0.72 a | 91.9 b | ||
| COF | 0.70 a | 92.0 b | 0.66 b | 93.7 b | 0.62 b | 90.1 b | ||
| NPK+COF | 0.68 b | 89.4 c | 0.69 b | 90.4 c | 0.66 b | 88.6 c | ||
| 0.70NPK+COF | 0.71 a | 92.8 b | 0.73 a | 94.0 b | 0.75 a | 91.5 b | ||
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2.5 商品有机肥替代部分化肥对棉花产量和产量构成因素的影响
由表5可知, NF的单位面积铃数逐年减少, 铃重也逐年下降。与NF比较, 2016—2018年NPK处理的单位面积铃数逐年分别增加3.35%、18.67%和43.10%, NPK+COF分别增加3.81%、18.67%和42.89%, COF分别增加3.05%、12.22%和26.36%, 0.70NPK+COF分别增加3.35%、17.80%和41.84%; NPK的铃重逐年分别增加1.90%、8.18%和16.09%, NPK+COF分别增加3.28%、9.09%和16.47%, COF分别增加1.72%、8.00%和4.60%, 0.70NPK+COF分别增加1.72%、8.18%和12.45%; NPK的衣分逐年分别增加3.13%、3.61%和4.16%, NPK+COF分别增加3.68%、3.69%和4.16%, COF分别增加3.63%、3.66%和4.16%, 0.70NPK+COF分别增加3.63%、3.66%和3.90%。表明, 施肥各处理均比不施肥处理(NF)逐年增加了单位面积棉花成铃数、铃重和衣分, 而0.70NPK+COF的铃数、铃重和衣分和NPK、NPK+COF 3年内差异不显著。Table 5
表5
表52016-2018年商品有机肥替代部分化肥对棉花籽棉产量和产量构成因素的影响
Table 5
| 年份 Year | 处理 Treatment | 籽棉产量 Seed cotton yield (kg hm-2) | 单位面积铃数 Boll density (bolls m-2) | 铃重 Boll weight (g) | 衣分 Lint percentage (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 2016 | NF | 3666.55±25.27 b | 65.6±5.1 b | 5.80±0.31 b | 38.60±1.50 b |
| NPK | 4020.17±22.25 a | 67.8±4.3 a | 5.91±0.23 a | 39.81±2.03 a | |
| COF | 4000.90±27.81 a | 67.7±4.2 a | 5.90±0.32 a | 40.00±1.40 a | |
| NPK+COF | 4031.30±36.57 a | 68.1±3.6 a | 5.99±0.42 a | 40.02±1.12 a | |
| 0.70NPK+COF | 4019.81±29.82 a | 67.8±4.4 a | 5.90±0.30 a | 40.00±1.50 a | |
| 2017 | NF | 3151.66±28.62 c | 57.3±5.5 c | 5.50±0.32 b | 38.51±1.80 b |
| NPK | 4073.40±35.71 a | 68.0±5.0 a | 5.95±0.22 a | 39.90±2.00 a | |
| COF | 3756.88±32.22 b | 64.3±5.1 b | 5.94±0.33 a | 39.92±1.61 a | |
| NPK+COF | 4105.04±37.60 a | 68.0±4.7 a | 6.00±0.31 a | 39.93±1.56 a | |
| 0.70NPK+COF | 3976.80±32.42 a | 67.5±6.1 a | 5.95±0.35 a | 39.92±1.60 a | |
| 2018 | NF | 2495.28±25.75 c | 47.8±4.0 c | 5.22±0.33 b | 38.50±1.84 b |
| NPK | 4105.25±38.00 a | 68.4±5.0 a | 6.06±0.25 a | 40.10±1.40 a | |
| COF | 3605.35±37.50 b | 60.4±5.0 b | 5.46±0.27 b | 40.10±1.42 a | |
| NPK+COF | 4152.85±34.31 a | 68.3±6.5 a | 6.08±0.27 a | 40.10±1.35 a | |
| 0.70NPK+COF | 3991.36±46.32 a | 67.8±4.4 a | 5.97±0.31 a | 40.00±1.77 a |
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NF和COF的籽棉产量均逐年迅速下降, 2017年、2018年NF的产量较2016年分别减产14.04%和31.94%, COF分别减产6.10%和9.89%, 其他施肥处理(NPK、NPK+COF和0.70NPK+COF)的籽棉产量均显著高于NF(表5)。其中0.70NPK+COF和NPK的籽棉产量3年内均保持在一个相对稳定的产量水平(3976~4105 kg hm-2), 处理间没有显著差异。NPK+COF的产量略高于NPK和0.70NPK+COF, 差异未达到显著水平。表明, 化肥常规用量基础上再增加有机肥并没有起到显著的增产作用, 适量减施化肥配施有机肥(0.70NPK+COF)能够获得化肥常规施用量的产量效果。
3 讨论
3.1 商品有机肥替代部分化肥对棉田土壤肥力的影响
近二十多年来, 在作物生产过程中, 普遍存在重施化肥, 轻施或不施有机肥的现象[15,16], 从而导致土壤质量下降。因此, 改进施肥方式, 适当减少化肥用量, 保护农业生态环境刻不容缓。近几年来, 减施化肥与增施有机肥对土壤肥力的影响成为研究热点[22,23,24,25]。研究表明, 有机肥替代部分化肥后, 能协调有机与无机养分的平衡供应, 增加土壤养分含量[20,24]。何浩等[25]研究表明, 减氮10%配施商品有机肥可以提高玉米生育期内的土壤碱解氮、有效磷、速效钾的含量。温延臣等[20]通过定位试验发现, 与单施化肥相比, 商品有机肥替代部分化肥3年后, 土壤有机碳增加了19.5%, 土壤全氮提高了12.3%。徐明岗等[26]报道, 化肥与有机肥配合施用, 5年后土壤有机质含量提高了18.5%, 均显著高于单施化肥处理。何浩等[19]和唐宇等[27]均发现, 商品有机肥替代部分化肥较常规施肥和不施肥, 土壤碱解氮、速效磷、速效钾、有机质含量均显著提高。赵满兴等[28]报道, 与常规化肥处理比较, 化肥减量配施有机肥能够显著增加土壤有机质质量分数, 但显著降低了碱解氮和速效磷质量分数。本试验结果表明, 与NPK处理比较, 2016年COF、NPK+COF和0.70NPK+COF处理的土壤有机质含量分别提高0.54%、0.72%和0.45%, 2017年和2018年分别提高1.62%、1.89%、1.26%和3.27%、3.45%、2.54%。由此可知, 有机肥的施用是土壤有机质含量增加的主要来源之一。尽管0.70NPK+COF的氮肥用量显著减少, 但其土壤碱解氮含量较稳定, 与NPK差异不显著, 本试验结果与宇万太等[29]、梁尧等[30]的结论基本一致。分析认为, 低量有机肥虽然不能保证土壤氮的大量供给, 但是有机质可能通过改善土壤结构, 促进了速效氮与土壤的结合, 减少了氮素流失, 因而有利于耕层土壤碱解氮含量的稳定。连续3年NF处理的土壤有效磷和速效钾含量逐年显著下降, 较NPK处理逐年分别减少13.63%、23.29%、30.10%和14.25%、29.20%、51.64%, 而NPK、NPK+COF和0.70NPK+COF处理的土壤有效磷和速效钾含量差异不显著。进一步说明, 适量减施化肥与有机肥配施, 能够增加土壤有机质含量, 改善土壤理化特性和养分供应, 培肥了棉田土壤肥力。3.2 商品有机肥替代部分化肥对棉花叶面积指数、光合速率和干物质积累的影响
叶面积指数(LAI)动态和光合速率影响作物干物质积累和产量形成, 不同的施肥方式对叶面积动态和光合能力的影响也不尽相同。罗洋等[31]研究发现, 化肥和有机肥配合施用提高了叶面积和光合速率, 促进了玉米生长发育, 干物质积累加快; 王立刚等[32]研究表明, 施用有机肥促进了玉米叶片的生长, 在到达LAI最大值后稳定时间较长, 以后缓慢下降, 这使得玉米在生育后期还能保持较大的叶面积, 叶片SPAD值也显著增加, 有利于籽粒的充实。李占等[33]报道, 有机肥与无机肥合理配施能够增加冬小麦、夏玉米的单株叶面积, 有利于地上部干物质积累。何浩等[19]指出, 等养分条件下有机肥替代化肥处理促进玉米的生长, 在不同生育期的玉米株高、茎粗、叶片数和叶片SPAD值均有所增加; 谭军利等[34]研究表明, 施用生物有机肥显著促进前期西瓜瓜蔓生长及叶片的发生和生长。冯克云等[35]报道, 化肥减量配施有机肥较单施化肥能够显著提高棉花盛蕾期以后棉花LAI, 使生育后期LAI下降缓慢, 有利于维持较高的光合物质生产力; 充分灌溉量下各有机肥配施光合速率表现为M1 (75%化肥+25%有机肥)>M2 (50%化肥+50%有机肥)>M3 (25%化肥+75%有机肥), 而在亏缺灌溉下表现为M2>M1>M3, 分析认为, 低比例有机肥配施量处理中无机氮含量高, 充足的水分有助于氮肥肥效的发挥, 而在水分亏缺下, 过量施氮或施氮不足均不利于提高棉花叶片光合性能。本研究发现, 化肥减施配施有机肥(0.70NPK+COF)处理的棉花干物质积累量、叶绿素含量和净光合速率与常规化肥用量处理(NPK)基本一致, 而常规化肥用量配施有机肥处理(NPK+COF)虽然提高了棉花干物质积累量、叶绿素含量和净光合速率, 但与0.70NPK+COF和NPK处理没有达到差异显著水平, 分析认为, 作物养分吸收量有最佳阈值, 棉花干物质积累量、叶绿素含量和光合速率的大小并不一定随着施肥量的显著增加而升高。3.3 商品有机肥替代部分化肥对棉花产量和产量构成的影响
施肥是作物增产的有效措施, 作物产量是评价施肥效果的重要指标之一。相关研究表明, 有机肥替代部分化肥能有效协调有机与无机养分的供应, 满足作物生长对养分的需求, 并能获得高产[8]。宋日等[36]研究表明, 有机无机肥配施, 通过提高玉米中下层根系数量, 延缓玉米根系的衰老, 增加了春玉米产量。大部分****认为, 作物产量还受有机肥替代化肥比例的影响。刘占军等[37]研究表明, 用30%有机肥氮替代化肥氮与100%化肥氮的产量相当。陶磊等[38]研究发现, 在新疆北疆棉区, 施用3000 kg hm-2和6000 kg hm-2的有机或生物有机肥, 替代20%、40%常规化肥用量, 可保证棉花正常生长, 并达到与单施化肥处理相同的产量。柯蓓[39]报道, 有机肥替代10%、20%、30%化肥, 甘薯的产量均比单施化肥处理显著增加, 其中有机肥替代20%化肥的增产效果最好。刘增兵等[22]研究发现, 在作物秸秆还田条件下, 商品有机肥替代80%、60%、40%和20%无机肥处理的双季稻周年产量较对照分别增加了2.10%、7.19%、10.32%和7.99%, 在全量化肥条件下增施50%有机肥处理的产量较常规单施化肥处理增加了12.25%。何浩等[19]报道, 等量养分条件下有机肥替代化肥处理改善了玉米穗部性状, 增加了玉米产量。冯克云等[35]研究表明, 在不同的灌溉水分条件下有机肥最佳配施比例不同, 其中在充分灌溉下, M1处理(75%化肥+25%有机肥)的籽棉产量平均较单施化肥和不施肥分别提高了6.9%和62.1%, 而在亏缺灌溉下, M2处理(50%化肥+50%有机肥)表现最佳, 籽棉产量平均较CF和CK分别提高了19.9%和79.3%。但是, 也有研究表明, 生物有机肥替代化肥的产量与常规化肥处理持平, 差异不显著[27]。作物产量的提高归因于产量构成因子的协调和改善。何浩等[25]报道, 商品有机肥等养分量替代部分化肥较常规化肥(NPK)处理有效改善了玉米穗部性状和产量构成, 其中显著增加了穗粗和穗粒数, 一定程度增加了穗长、穗行数、行粒数和千粒重。冯克云等[35]发现, 养分等量替代条件下, 化肥减量配施有机肥较单施化肥显著提高了棉花单株铃数、单铃重。温延臣等[20]研究表明, 与不施肥对照相比, 施肥显著增加了冬小麦单位面积的穗数和穗粒数, 也增加了夏玉米的穗粒数和千粒重; 但是等养分投入条件下, 单施化肥和商品有机肥替代化肥处理之间产量构成指标未表现出显著性差异。本试验结果表明, 在3年定位施肥试验期间, 不施肥处理(NF)的棉花籽棉产量逐年显著下降, 0.70NPK+COF和NPK处理的籽棉产量水平趋于一致, 3年均保持在一个相对稳定的高产水平, 处理间无显著差异。NPK+COF处理的籽棉产量略高于NPK和0.70NPK+COF处理, 差异未达到显著水平。本试验结果还表明, 化肥合理减量并配施有机肥可以获得常规单施化肥的产量效果。与单施化肥比较, 商品有机肥替代部分化肥处理对棉花产量构成因素(单位面积铃数、铃重和衣分)未表现出显著影响, 这一试验结果与温延臣等[20]报道基本一致。
在棉花生产实践中, 中等偏上肥力的棉田存在过量施用化肥的问题, 不仅没有明显提高棉花产量和品质, 反而导致棉田土壤板结, 降低了肥料报酬, 还造成了环境污染。与化肥常规用量(NPK)比较, 商品有机肥替代部分化肥(0.70NPK+COF)处理减施N素20%, 减施P素10%左右, 减施K素10%左右, 该处理不仅增加了耕层土壤有机质含量, 土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量、棉花干物质积累量、SPAD值、叶面积指数、籽棉产量和产量构成因素与NPK处理无显著差异, 而且3年内0.70NPK+COF与NPK的籽棉产量均保持在一个相对稳定的产量水平(3976~4105 kg hm-2)。
需要注意的是, 虽然商品有机肥具有较好的培肥地力效果, 但由于市场价格较高, 为降低投入成本, 商品有机肥不宜等量替代化肥减施的氮、磷、钾养分量。因此, 在棉花生产中, 提倡适当减少化肥用量(30%以内)并适量施用商品有机肥, 既能改良土壤、培肥地力, 又能实现棉花稳产和增效的目标。
参考文献 原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子
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于2017年和2018年进行田间定位试验, 采用裂区试验设计, 主区为充分灌溉W<sub>1</sub> (灌水量4800 m<sup>3</sup> hm<sup>-2</sup>)和亏缺灌溉W<sub>2</sub> (灌水量2400 m<sup>3</sup> hm<sup>-2</sup>), 副区为不施肥(CK)、单施化肥(CF)、75%化肥+25%有机肥(M<sub>1</sub>)、50%化肥+50%有机肥(M<sub>2</sub>)、25%化肥+75%有机肥(M<sub>3</sub>) 5个处理, 研究了化肥减量配施有机肥对棉花光合特性及产量的影响, 以期为水分亏缺下合理利用有机肥、减少化肥投入提供理论依据。结果表明, 亏缺灌溉下棉花叶面积指数(leaf area index, LAI)、净光合速率(P<sub>n</sub>)、气孔导度(G<sub>s</sub>)、地上部干物质积累量和籽棉产量均低于充分灌溉, 但灌溉水生产力(irrigation water productivity, IWP)和胞间CO<sub>2</sub>浓度(C<sub>i</sub>)高于充分灌溉。化肥减量配施有机肥较单施化肥能显著提高盛蕾期后棉花LAI, 提高棉花各生育期P<sub>n</sub>和G<sub>s</sub>, 增加棉花营养器官和生殖器官干物质积累量, 并促进干物质向生殖器官转运, 提高籽棉产量和IWP, 能在盛铃期和吐絮期提高土壤耕层含水量。充分灌溉下, 各有机肥配施处理间棉花LAI、P<sub>n</sub>和籽棉产量均表现为M<sub>1</sub>>M<sub>2</sub>>M<sub>3</sub>, 其中M<sub>1</sub>籽棉产量2年平均分别较CF、CK提高了6.9%和62.1%; 亏缺灌溉下, 各有机肥配施处理间棉花LAI、P<sub>n</sub>和籽棉产量表现为M<sub>2</sub>>M<sub>1</sub>>M<sub>3</sub>, 其中M<sub>2</sub>籽棉产量2年平均分别较CF、CK提高了19.9%和79.3%。化肥减量配施有机肥在水分亏缺下有利于籽棉增产, 缓解水分亏缺对棉花生长发育的影响, 其中M<sub>2</sub> (50%化肥+50%有机肥)为最佳施肥处理。
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