有机肥替代化肥对棉花生长发育和产量的影响

孙桂兰，冯克云，赵欣欣，王占彪，李亚兵

(1. 中国农业科学院棉花研究所，河南安阳 455000；2. 甘肃省农业科学院作物研究所，兰州 730070)

0 引 言

【研究意义】棉花是我国的主要经济作物、纤维作物和油料作物之一[1]，施肥是棉花增产的重要途径，施用化肥可增加棉花单株铃数，降低蕾铃脱落率，提高棉花产量[2-3]。棉花种植中需使用大量化肥，然而，化肥的大量施用会造成诸多环境问题[4-9]。长期施用化肥可能造成土壤养分流失、土壤氨挥发和温室气体排放量增加。研究棉田合理的施肥措施对减少化肥用量，提升棉田土壤质量，促进农业可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】有机肥中含有大量的氨基酸和有机质，以及氮、磷、钾等植物生长所需的养分，可以优化根际细菌，改善土壤的物理和化学性质，提高土壤的连续生产能力等，对环境的负面影响较小[10-11]。目前，有机肥主要分为粪尿肥、堆沤肥、杂肥以及野生绿肥和栽培绿肥4大类。我国农作物种植面积广阔，产生的作物秸秆、栽培绿肥数量庞大。但是，我国秸秆、绿肥、商业有机肥等有机肥利用率较低[12]。有机肥替代化肥，能够合理利用有机肥资源，是实现中国化肥零增长目标的重要途径[13]。而生物有机肥是在普通有机肥的基础上加入了菌群，除具有有机肥可对土壤增肥的效果外，还具有增菌的作用[14-15]。近年来，国内外关于有机肥对番茄、辣椒、马铃薯、小麦、水稻、豇豆等作物生长发育和产量的影响有诸多报道[14, 16-20]。【本研究切入点】关于有机肥对棉花生长发育和产量的影响鲜有报道。研究有机肥替代化肥对棉花生长发育和产量的影响。【拟解决的关键问题】研究有机肥替代化肥对棉花生育期、各生育时期营养器官和生殖器官干重、叶面积指数、花铃期光合速率、产量及其构成的影响，通过施用有机肥来替代化肥，实现化肥减量，为我国棉花生产的化肥减施与可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2017年在甘肃省敦煌市肃州庙村(E 94.64°，N 40.18°)进行。试验地属甘肃河西走廊内陆棉区，该区地处黑河、疏勒河、石羊河流域，海拔低于1 300 m的内陆河灌区，属于西北内陆特早熟棉区，该地区海拔1 138 m，年平均气温10.5℃，年平均降雨量39 mm，蒸发量2 486 mm，无霜期145 d，是典型的大陆干旱性气候。试验地土壤为灌淤土，各处肥力均匀。耕层土壤基础理化性状：有机质含量13.4 g/kg、全氮0.62 g/kg、碱解氮48 mg/kg、有效磷27.89 mg/kg、速效钾191 mg/kg。供试作物棉花，品种为陇棉3号。列出供试肥料的种类。表1

表1 试验所用肥料Table 1 Fertilizer used in the test

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验设置6个处理(T2处理的施肥用量为当地农户施肥用量)，每个处理重复4次，共计24个小区，随机区组分布排列。小区长8 m，宽4.8 m，小区面积38.4 m2。每小区种12行棉花，地膜覆盖栽培，株距15 cm，行距40 cm，播种密度为16.7×104株/hm2。灌水及其它田间管理同当地大田。表2

表2 各处理中施肥种类及用量Table 2 Types and dosages of fertilizer applied in each treatment

1.2.2 测定指标

调查记载各处理生育期、叶面积等生育动态；调查各处理的产量及产量构成因子。

测量叶长和叶宽，按叶面积=叶长×叶宽× 0.75计算叶面积指数。

干物质重量将棉株分成营养器官和生殖器官两部分，采用烘干法测定。

棉花产量测定：每小区选定中间2行，调查成铃数。收获10株絮铃，测定铃重和衣分，计算产量。

在花铃期(7月10日)上午10:00利用开放式气体交换LI-6400光合仪测定各处理主茎功能叶(倒3叶)的光合速率，每个小区连续测定5株，结果取平均值。

1.3 数据处理

数据处理和作图均采用Excel 2013完成，用SPSS 19.0进行统计检验分析。

2 结果与分析

2.1 有机肥替代化肥对棉花生育期的影响

研究表明，在化肥减施条件下，配施普通有机肥和生物有机肥均能够延长棉花全生育期，且生物有机肥用量越大，生育期越长。处理T6较不施肥T1和当地普通施肥T2，其全生育期延长6 d，较配施普通有机肥延长4 d。棉花生长前期，从播种期至现蕾期，除T5处理外，其他各处理所需天数一样；棉花生长后期，现蕾期至吐絮期，处理T3、T4、T5和T6较不施肥处理T1和常规施肥处理T2分别延长了3、2、1和4 d。有机肥替代化肥对棉花生长前期的影响不大，但有利于棉花后期生长，同时使棉花全生育期延长。表3

2.2 有机肥替代化肥对棉花营养器官和生殖器官干重的影响

研究表明，不同处理对营养器官及生殖器官干重影响显示，T6处理各生育时期的营养器官干重均显著大于其他处理，盛花期和盛铃期的生殖器官干重也均显著大于其他处理。T6处理与T2处理(当地普通施肥)相比，棉花营养器官在盛花期、盛铃期及吐絮期干重分别增加了693.0、346.5和1 526.2 kg/hm2，增幅分别为18.1%、8.0%和28.5%；生殖器官在盛花期和盛铃期干重分别增加了32.9和363.0 kg/hm2，增幅为17.6%和28.7%。T6处理与T1处理(不施肥)相比，营养器官干重在各生育时期分别增加了688.5、276.3和3 531.0 kg/hm2，增幅分别为18.0%、6.3%和105.4%；生殖器官在盛花期和盛铃期干重分别增加了76.7和684.8 kg/hm2，增幅为53.4%和72.5%。生物有机肥替代40%化肥对植物营养器官干物质的积累有促进作用，同样对生殖器官干物质形成也具有促进作用。表4

表3 棉花生育期(月/日)Table 3 Cotton growth period statistics(M/D)

表4 不同肥料处理下不同生育时期棉花营养器官和生殖器官干重变化Table 4 Effects of different fertilizer treatments on dry weight of vegetative organs and reproductive organs in cotton at different growth stages

注：同列数据后标记不同小写字母表示差异显著(P< 0.05)
Note: Different lowercase letters behind data in the same column indicate significant difference (P< 0.05)

2.3 有机肥替代化肥对棉花叶面积指数的影响

研究表明，棉花的叶面积指数从苗期到花铃期上升，花铃期有最大值，随后在吐絮期下降。在苗期与蕾期，T2处理的叶面积指数较其它处理叶面积指数高；在花铃期，处理T3、T4、T5、T6的叶面积指数之间差异不显著，处理T5与T1和T2之间差异显著；在吐絮期，各处理叶面积指数差异不显著。不施肥处理T1在各生育时期叶面积指数均较其他处理最低，施肥可以增加棉花叶面积指数。表5

2.4 有机肥替代化肥对棉花花铃期光合速率的影响

研究表明，T1、T4光合速率最小，分别为27.2、27.5 μmol/(m2· s)，与其它处理差异达到显著水平。配施生物有机肥条件下(T5和T6)，植株光合速率略高于当地普通施肥方式(T2)，但差异不显著。图1

图1 不同肥料处理的棉花主茎功能叶光合速率
Fig.1 Leaf photosynthetic rate of main stems of different fertilizer treatments

表5 不同肥料处理下不同生育时期棉花叶面积指数变化Table 5 Effects of different fertilizer treatments on leaf area index of cotton in different growth stages

注：同列数据后标记不同小写字母表示差异显著(P< 0.05)
Note: Different lowercase letters behind data in the same column indicate significant difference (P< 0.05)

2.5 有机肥替代化肥对棉花产量及其构成影响

研究表明，对棉花产量构成调查显示，当地常规施肥处理T2下单株铃数最大，为10.7铃/株；其次为配施生物有机肥处理T6，为10.3铃/株，与其它处理T3、T4、T5差异达到显著水平；不同施肥处理对单铃重影响不大；T6处理下绒长最长，为29.6 mm，其次为T5和常规施肥T2；常规施肥处理T2条件下衣分最高，为40.2%。

T2、T3、T4、T5籽棉产量差异不显著，普通有机肥和生物有机肥替代复合肥和尿素，能够获得与常规施肥T2相应的产量。T6处理下籽棉产量和皮棉产量均最高，与其它处理差异达到显著水平。其中，与当地常规施肥T2处理相比，籽棉产量和皮棉产量分别增加了33.0和8.2 kg/667 m2，增幅为10.3%和6.4%；与不施肥T1处理相比，籽棉产量和皮棉产量分别增加了92.9和37.7 kg/667 m2，增幅为35.8%和38.1%，用生物有机肥替代40%的化肥，能够显著提高棉花产量。表6

表6 棉花产量及其构成Table 6 Cotton yield and its composition

注：同列数据后标记不同小写字母表示差异显著(P< 0.05)
Note: Different lowercase letters behind data in the same column indicate significant difference (P< 0.05)

3 讨 论

研究中，棉花生长前期，从播种期至现蕾期，除T5处理外，其他各处理所需天数一样；棉花生长后期，现蕾期至吐絮期，普通有机肥和生物有机肥替代化肥的处理均较不施肥处理T1和常规施肥处理T2延长了。另外，从棉花盛花期、盛铃期和吐絮期来看，化肥减施而增加生物有机肥用量的情况下，棉花3个生育时期的营养器官和生殖器官的干重均较其它处理大，达到显著水平。这表明，化肥减量条件下配施有机肥可以增加肥效时间，有利于棉花后期的生长，可促进棉花生长后期的干物质积累，同时使棉花全生育期延长。与柏琼芝等[17]的研究结果相似。段庆博[21]研究发现37.5%有机肥替代化肥处理的棉花在盛花期、盛玲期和吐絮期与常规施肥相比，均有较大的叶面积指数。研究中，40%普通有机肥和生物有机肥替代化肥的处理在棉花的花铃期和吐絮期的叶面积指数均比常规施肥大。这表明，施用有机肥可促进棉花生育后期的生长。

张睿等[22]研究表明，氮磷肥与有机肥配合施用, 对提高不同茎蘖功能叶光合速率效应比单独施用化肥或有机肥效果更好。研究发现，施肥增加了花铃期棉花主茎功能叶光合速率，但不同有机肥替代化肥处理的棉花主茎功能叶光合速率差异不显著，这可能是因为研究年限较短，没有表现出所致。

研究结果表明，利用生物有机肥替代化肥提高了单铃重和绒长，显著提高了籽棉产量和皮棉产量，且生物有机肥用量越大，增产效果越明显，这与张燕等[23]的研究结果一致。可能是因为生物有机肥是一种将生物肥、有机肥和化学肥料结合起来的肥料,这种肥料具有生物肥的长效性, 微量元素的增效性和化学肥料的速效性[24]，使用过程中可以发挥3种肥料的整体优势。施用生物有机肥后，不仅可以改善土壤结构和质量，提高土壤肥力，而且可以为作物的生长提供氮、磷、钾等多种养分，提高作物的产量和养分吸收[25-26]。这可能是生物有机肥替代部分化肥使作物产量增加的重要原因之一。

研究对有机肥与化肥不同配施比例对棉花生育期、营养器官和生殖器官干重、叶面积指数、花铃期光合速率、产量及其构成的影响进行了探究。但未探究参试肥料中含有的枯草芽孢杆菌等微生物对棉田的作用机制，还需考虑微生物对棉田棉花根部的影响，来进一步探究有机肥对棉花增产的机制。

4 结 论

普通有机肥和生物有机肥替代化肥延长了棉花生育期，且生物有机肥量越多，生育期越长；部分有机肥替代，能够有效增加棉花群体营养器官和生殖器官干物质积累，其中T6处理，即生物有机肥替代40%的化肥，效果最明显；与单施化肥相比，普通有机肥和生物有机肥替代，均能增加或不减少籽棉产量，其中生物有机肥替代40%化肥条件下，棉花籽棉产量增加10.3%，皮棉产量增加6.4%，能较容易实现化肥零增长的目标。