刘冬碧1，陈琼星2，肖习明3，杨永成3，熊桂云1，夏 颖1，周建华3，张胜陶3
（1．湖北省农业科学院植保土肥研究所，武汉 430064；2．湖北生物科技职业学院，武汉 430070；
3．荆门市农业局，湖北 荆门 434500）
摘要：采用定位试验连续3年研究了江汉平原棉花—小麦种植制氮、磷肥料的合理分配，结果表明，在周年氮、磷肥料施用总量不变的条件下（N 375 kg/hm2 和P2O5 150 kg/hm2 ），棉花—小麦种植制氮、磷肥料最佳分配方式为棉花季N 270 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2，N 小麦季105 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2。根据市场上棉花和小麦的销售价格，仅从增产增收的角度，在棉花预期产量为中、高水平的情况下，可以酌情将小麦季的部分氮肥（＜50％）前移到棉花季，适当增加棉花季的产量和收入，从而增加两季作物的总收入；但从环境保护的角度出发，氮、磷肥料的分配方式仍以推荐施肥更好，这样可以提高整个种
收稿日期：2014－11－20
基金项目：国家科技支撑计划项目（2012BAD15B01）；湖北省自然科学基金项目（ZRY1750）；湖北省农业科学院青年基金项目（2014NKYJJ33）
作者简介：刘冬碧（1971－），女，湖北恩施人，副研究员，硕士，主要从事农业面源污染防治和作物优化施肥技术研究，（电话）027－88430571
（电子信箱）dbliu@ipni．ac．cn；通信作者，熊桂云，（电子信箱）xionggy@sina．com。
在农业生产发展中，需要研究土壤—作物系统内养分的循环和平衡，使有限的养分得到最大限度的利用［1］，并加强土壤—作物系统内养分的调控，使养分循环向有利于人类的方向发展［2］。有利于人类的方向即经济效益和环境效应的协调统一。“土壤对氮肥的环境承受力”［3］和“土壤—作物系统对氮肥的缓冲能力”［4］等概念的提出均是为了试图解决这一问题［5］。在现代农业生产中，施肥的环境效应正受到越来越多学者的关注［5－7］。江汉平原是湖北省最大的棉花主产区和优质棉生产基地， 也是全国棉花单产水平较高的棉区之一［8］，在棉花生产中，氮肥施用过量的问题比较突出［9］。江汉平原地区水网密集、降雨量丰富，肥料中的氮、磷等养分易随雨后产生的地表径流损失［7］。20世纪90年代在江汉平原棉花—小麦种植制上开展了较多钾肥合理分配的定位试验研究［10，11］，棉花—油菜轮作制中磷、钾肥料的合理分配也有涉及［12］，氮肥方面的相关研究则未见报道。本研究在棉花—小麦种植制周年氮、磷肥料施用总量不变的基础上，探讨不同氮磷肥料分配方式对作物产量、经济效益、土壤养分平衡和氮素残留的影响，为提出江汉平原乃至整个南方水网农区棉花—小麦种植制中兼顾增产增收与减少氮磷流失风险的肥料分配方式提供依据。
1 材料与方法
1．1 供试材料
试验安排在湖北省沙洋县李市镇光芒村棉田，供试土壤为长江冲积物母质发育的灰潮土，质地轻壤。前作为小麦，土壤pH 8．06，有机质14．2 g/kg，全氮0．998 g/kg，全钾22．9 g/kg，碱解氮68．0 mg/kg，有效磷2．48 mg/kg，速效钾85．0 mg/kg。
供试棉花品种为龙祥棉1号，小麦为郑麦9023。
1．2 试验设计
试验设计为定位试验，并从棉花季即2007年5月开始试验。每个棉花—小麦种植周期共施N 375 kg/hm2、P2O5 150 kg/hm2 和K2O 300 kg/hm2 ，其中棉花和小麦分别施N 225 kg/hm2和K2O 75 kg/hm2，棉花另施硼砂7．5 kg/hm2。在此基础上，设置5个氮、磷肥分配方案，处理1：推荐施肥，即棉花季N 270 kg/hm2、75 kg/hm2 P2O5，小麦季N 105 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2；处理2：小麦季一半氮肥前移到棉花季，即棉花季N 322．5 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2，小麦季N 52．5 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2（以下类推）；处理3：小麦季一半氮肥和一半磷肥前移到棉花季；处理4：小麦季全部氮肥前移到棉花季；处理5：小麦季全部磷肥前移到棉花季。
氮肥用尿素，棉花季40％基肥＋30％蕾肥＋30％花铃肥，小麦季80％基肥＋20％越冬肥；磷肥用普钙（P2O5 12％），棉花季和小麦季磷肥全部基施；钾肥用氯化钾（K2O 60％），棉花季60％基肥＋40％蕾肥，小麦季钾肥全部基施；棉花季硼肥也全部基施。
试验每小区30 m2，重复3次，随机区组排列。棉花采用营养钵育苗移栽的方式，移栽密度为18 000株/hm2；小麦条播，播种量为112．5 kg/hm2。及时防治病虫草害。分区记录每季作物经济产量和秸秆产量。其他田间管理方式与当地农户相同。
1．3 测定内容和方法
1．3．1 土壤样品 在试验开始前采集0－20 cm和20－40 cm土样，风干后制样，用常规方法分析土壤基本理化性状［13］。棉花第一季和第三季（总第五季）收获结束后，采集各小区0－20 cm和20－40 cm土样，紫外分光光度法测定鲜土样NO3－－N（硝态氮）和NH4＋－N（铵态氮）含量［13］。
1．3．2 植株干物质重及氮素含量 棉花收获中期各小区单独收获50铃，晒干后称重，按皮棉和子棉分别制样，拔棉秆前采集代表性棉秆样，小麦收获前采集代表性样本按子粒和秸秆分别制样。所有样品分别测定全氮和全磷含量［13］，计算作物收获时从土壤携出的总氮、总磷量，估算土壤养分平衡状况。
1．3．3 数据处理 试验数据的一般统计在Microsoft Excel中进行，方差分析采用spss 11．5统计软件。
2 结果与分析
2．1 不同氮、磷分配方式对作物产量和经济效益的影响
第一至三个种植周期产量结果表明（表1），将试验中推荐施肥处理（处理1）的产量相对值设为100.0，将小麦季一半氮肥前移到棉花季（处理2）、一半氮肥和一半磷肥前移到棉花季（处理3）、或者全部氮肥前移到棉花季（处理4），棉花产量均为基本平产，产量相对值为93.0～104.0，小麦产量除了处理3和处理4在第一轮作周期显著下降以外，其他均不显著；将小麦季全部磷肥前移到棉花季（处理5），棉花产量略有增加，但各年均不显著，而小麦产量则显著下降，相对产量值下降到87.0以下。
从3个种植周期的年均产量来看（表2），处理3或处理4的棉花和小麦均略有减产，但减产不显著；处理2的棉花略有增产，小麦基本平产；处理5的棉花增产5％，但不显著，小麦则显著减产，产量相对值仅为86．1。可见，小麦对磷的供应比较敏感，这与供试土壤有效磷含量较低，冬季作物生长发育需要较高的磷浓度有关。
从两季作物的综合经济效益来看（表2），以处理1为对照，处理2棉花季净增收入增加，小麦季净增收入减少，总体表现为略有增收；处理3和处理4的两季作物净增收入均表现为减少；处理5棉花季净增收入增加较高，但小麦季净增收入减少得更多，总体表现为净增收入下降。
综上所述，在棉花—小麦种植制中，从增产增收的角度来看，氮、磷肥料的合理分配方式以“推荐施肥”和“小麦季一半氮肥前移”2个处理较好，即棉花季N 270 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2，小麦季N 105 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2，或者棉花季N 322．5 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2，小麦季N 52．5 kg/hm2 、P2O5 75 kg/hm2。近几年来江汉平原棉花和小麦的价格比平均为3．65。在本研究中，处理2比处理1平均多收棉花30 kg/hm2，少收小麦70 kg/hm2，因此，只要棉花与小麦的价格比不发生太大的波动（即大于2．30），在棉花预期产量为中、高水平又不明显影响小麦产量的情况下，可以酌情考虑将小麦季的部分氮肥（＜50％）前移到棉花季，适当增加棉花产量，以便增加两季作物的总收入。
值得一提的是，从区域生产水平来看，本研究中第一、第二个种植周期，棉花产量均因气候等条件的影响而明显低于该区域常年平均水平，而3季小麦产量均与区域平均产量水平相当［14］。因此可以预期，如果大田生长期间无明显异常气象条件出现，棉花产量可能会更高，小麦季部分氮肥前移到棉花季的经济效益可能会更明显。
2．2 不同氮、磷分配方式对作物养分携出量和土壤养分平衡的影响
由表3中结果可见，第一至三个棉麦种植周期，在氮、磷肥料施用总量一定的条件下，处理2、3、4、5的棉花氮携出量均有一定增加，但不显著；处理5的棉花磷携出量显著增加。与此同时，小麦季减施氮肥和（或）磷肥，氮携出量显著降低，磷携出量也有不同程度降低。从不同处理两季作物吸收并从农田携出的年均养分总量来看，氮携出量大小顺序为处理1＞处理4＞处理2＞处理5＞处理3，且处理5和处理3显著低于处理1；磷携出量大小顺序为处理1＞处理5＞处理4＞处理3＞处理2，且处理3和处理2显著低于处理1。与处理1相比较，其他氮、磷分配方式处理都有一定量的氮、磷盈余，携出量越低，土壤盈余量越大。
从棉花、小麦各季氮、磷施入量和携出量的相对大小来看（表3），棉花季不同处理均有较高的氮盈余（148．2～250．4 kg/hm2）和一定量的磷盈余（16．7～47．9 kg/hm2），氮盈余量大小顺序为处理4＞处理2＞处理3＞处理1＞处理5，磷盈余量大小顺序为处理5＞处理3＞处理2＞处理1＞处理4；小麦季氮素均有不同程度的亏缺，亏缺量大小顺序与棉花季氮盈余量大小顺序相同，磷素除了处理5表现为亏缺、处理3基本平衡之外，其他处理均有一定的盈余。有研究表明，当季盈余的化学肥料氮绝大部分并不能在土壤中积累起来，而是以各种途径损失，如进入大气或水体环境［15］，从而增加对周边水体环境的污染风险。尽管棉花氮素需求量相对较高，但在大田生长期有较多的落花、落蕾、落桃和落叶发生，棉花氮素最大吸收量明显高于其最终从土壤携出的量［16，17］，当季氮肥往往出现较高的盈余［9］。江汉平原棉花肥料氮、磷的地表径流平均流失率分别为5．4％和3．1％，且主要发生在3～8月降雨比较集中的时段［7］。由此看来，氮、磷肥料的分配还是以尽量减少棉花季的盈余量为宜。
综上所述，在一定的施肥总量和最大限度保证增产增收的前提下，从提高当季肥料养分利用率，减少农田氮、磷面源污染风险的角度，棉花—小麦种植制中氮、磷肥料的分配方式仍然以推荐施肥最好。
2．3 不同氮、磷分配方式对土壤速效氮累积的影响
棉花第1季收获后土壤分析结果表明（表4），小麦季氮肥全部前移到棉花季处理（处理4）表层和底层土壤中的硝态氮含量均显著高于推荐施肥处理（处理1），其他不同氮磷分配处理之间差异不显著；表层和底层土壤中的铵态氮含量，不同氮磷分配处理之间的差异也不显著；硝态氮与铵态氮之和，表层土壤处理4比处理1高2．24 mg/kg（高17．4％），底层土壤处理4比处理1高3．36 mg/kg（高39．4％），从相对值来看，其他处理之间相差不大。
棉花第三季（总第五季）收获后土壤分析结果表明（表4），不同处理、试验小区之间硝态氮含量的变异随试验进程增大，不同土层硝态氮含量在不同氮、磷分配处理之间差异不显著，但仍然表现出棉花施氮量越高则硝态氮含量越高的变化趋势，且以底层土壤表现更明显；各土层铵态氮含量变化规律不明显；不同氮、磷分配处理硝态氮与铵态氮之和，表层土壤处理4比处理1高6．83 mg/kg（高35．6％），底层土壤处理4比处理1高5．93 mg/kg（高63．8％）；从棉花第一季（总第一季）到棉花第三季（总第五季），不同氮、磷分配处理硝态氮和铵态氮含量之和均随试验进程而增加，并且棉花季施氮量越高，土壤速效氮残留量越大。
硝态氮较易从表层土壤随水淋失下移，而铵态氮则更趋于累积在土壤表层［6］。当季施氮量越高，土壤中累积的硝态氮越多［6］，虽然这些累积的氮素容易被下一季作物吸收利用，但在降雨条件下其淋失风险也较高，容易形成周边水体的污染源。研究区域试验土壤质地较轻，而砂质土壤比粘质土壤更有利于硝态氮的深层迁移［18］，因此从减少土壤硝态氮素累积、减轻周边水体环境污染风险出发，棉花—小麦种植制中氮磷分配方式仍然以推荐施肥最好。
3 小结与讨论
在江汉平原棉花—小麦种植制周年氮、磷肥料施用总量一定的条件下，氮、磷肥料最佳分配方式为棉花季N 270 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2，小麦季N 105 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2（推荐施肥）。根据目前市场上棉花和小麦的销售价格，仅从增产增收的角度考虑，在棉花预期产量为中、高水平且又不明显影响小麦产量的情况下，可以酌情将小麦季的部分氮肥（＜50％）前移到棉花季，适当增加棉花季的产量和收入，从而增加两季作物的总收入；但从环境保护的角度出发，氮、磷肥料的分配方式仍以推荐施肥更好，这样可以提高整个种植周期氮、磷肥料的累计利用率，减少土壤剖面硝态氮素累积，降低氮、磷流失（氮素还有气态损失）风险。由此看来，在本研究条件下，施肥的经济效益和环境效应难以完全协调统一。要进一步提高棉花氮肥的当季利用率，减少氮肥流失，还要采用施缓控释氮肥、应变式施肥等多种措施，并加强田间管理，使棉花的产量水平得到最大程度的发挥。
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