有机酸添加对不同磷肥用量新疆棉田磷素健康状况评价

马超 张凯 柳萍 杨川 张慧

摘要 ［目的］探明有機酸添加对不同磷肥用量新疆棉田磷素健康状况的综合评价。［方法］采用大田试验方法，在不同磷肥用量处理（0 、50 、100 、150  kg P2O5/hm2）的基础上，设置对照（CK）和有机酸添加（OA）处理。研究2019—2020年棉田土壤速效磷、微生物生物量磷、碱性磷酸酶活性、植株生物量、植株吸磷量、籽棉产量、经济效益、植物磷素盈余量8个向量指标进行基于雷达图分析的新疆棉田磷素健康综合评价。［结果］有机酸添加对不同磷肥用量新疆棉田磷素健康状况评价结果分别为0.254 5、0.381 3、0.390 4、0.390 2、0.406 5、0.437 2、0.394 0、0.395 1，最终排序为MAP100+OA>MAP100+CK>MAP150+OA> MAP150+CK>MAP50+CK>MAP50+OA>MAP0+OA>MAP0+CK。［结论］45 kg 有机酸+ 100 kg P2O5/hm2处理是新疆棉田磷素健康管理的最优处理，可为新疆棉田磷素健康状况评价提供一个更为客观和科学的参考。

关键词 棉花；磷肥用量；有机酸；雷达图；磷素健康

中图分类号 S 562  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）07-0160-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.07.037

Evaluation of Organic Acid Addition on  Phosphorus Health Status in Cotton Field with Different Phosphorus Fertilization Rates in Xinjiang

MA Chao1，ZHANG Kai2，LIU Ping2 et al

（1.Xinjiang Xinlianxin Energy Chemical Co.， Ltd.， Manas， Xinjiang  832200;2.  College of Resources and Environment， Xinjiang Agricultural University， Urumchi，Xinjiang 830052）

Abstract ［Objective］ To explore the comprehensive effect of organic acid addition on phosphorus health status of cotton field in Xinjiang with different phosphorus fertilizer dosage.［Method］ Field experiment method was adopted. The control （CK） and organic acid addition （OA） treatments were set on the basis of different P fertilizer dosage （0， 50， 100， 150 kg P2O5/hm2）. The comprehensive evaluation of phosphorus health in cotton field in Xinjiang was carried out based on radar chart analysis in 2019-2020 by studying eight vector indexes including soil available phosphorus， microbial biomass phosphorus， alkaline phosphatase activity， plant biomass， plant phosphorus uptake， seed cotton yield， economic benefit and plant phosphorus surplus. ［Result］The evaluation results of organic acid addition on phosphorus health status of cotton field in Xinjiang with different phosphorus fertilizer dosage were 0.254 5， 0.381 3， 0.390 4， 0.390 2， 0.406 5， 0.437 2， 0.394 0， 0.395 1， respectively. The final sequence was MAP100+OA>MAP100+CK>MAP150+OA>MAP150+CK>MAP50+CK>MAP50+OA>MAP0+OA>MAP0+CK. ［Conclusion］The treatment of 45 kg organic acid+100 kg P2O5/hm2 is the best treatment for phosphorus health evaluation of cotton fields in Xinjiang， providing a more objective and scientific method for phosphorus health evaluation of cotton fields in Xinjiang.

Key words Cotton;Phosphate fertilizer application rate;Organic acids;Radar Chart;Phosphate health

基金项目 国家自然科学基金项目（41761067）；新疆维吾尔自治区自然科学基金项目（2017D01A37）；国家重点研发专项子课题（2017YFD0200205-6）。

作者简介 马超（1997—），男，吉林大安人，硕士研究生，研究方向：新型肥料产品开发。通信作者，副教授，博士，从事农田土壤养分循环研究。

收稿日期 2022-05-19

棉花是新疆农业经济的重要组成部分之一。据统计，新疆棉花播种面积约为316.99万hm2，占全国种植面积的78.92%，棉花产量为2 062.5 kg/hm2，占全国棉花总产量的87.3％［1］。新疆光热资源丰富、棉花品质优异等［2］，新疆棉花总产、单产、种植面积等连续26年位居全国第一［3］，确保国家棉花生产安全［4］。磷素是新疆棉田的主要养分限制因子之一［5］。由于磷肥在石灰性土壤上固持严重［6］，棉田磷肥当季利用率仅为10%～25%［7］，导致新疆棉田普遍存在磷肥过量施用的现象。有机酸是提高土壤磷素有效性［8］、促进作物磷素吸收［9］、改善棉田磷素健康的有效途径之一［10-11］。这是因为有机酸通过配位交换［12］、有机态磷在pH降低时部分水解［13-14］、螯合溶解作用［15］等提高土壤磷素有效性进而提高棉花产量。但基于雷达图分析的新疆棉田土壤磷素健康状况评价鲜见报道。雷达图分析法（Radar Chart）是一种直接并形象地反映评价结果的综合特性［16］，利用评价结果构建多变量相对比的分析方法［17］。研究表明雷达图分析法应用于农业领域中具有较好效果。程君奇等［16］利用雷达图分析烤烟中化学成分之间的协调性，其结果可对研究对象进行准确评价；邓禄军等［18］通过雷达图分析了马铃薯产量、薯型等9个指标，结果表明雷达图分析法能够对马铃薯品种进行客观、科学评价其优劣，说明雷达图分析法对农业生产进行评价的方法是可行的。因此，笔者运用雷达图分析方法，从土壤肥力、土壤微生物量、作物生长情况、作物产量、经济效益、棉田养分平衡6个方面进行有机酸添加对不同磷肥用量新疆棉田磷素健康状况评价，建立基于雷达图平均面积和平均周长的综合评价函数，结合评价结果为新疆棉田磷素健康状况评价提供一个更为客观和科学的参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取新疆阜康市彭家湾村冰湖三队（88°0′44.30″E、44°10′21.05″N）。阜康市地属大陆性干旱气候，年均无霜期174 d，光热资源充足。该试验区土壤背景值分别为有机质18.10 g/kg，碱解氮46.23 mg/kg，速效磷13.55 mg/kg，pH（水∶土=5∶1）8.14，电导率226.74 μS/cm。

1.2 试验设计

以当地测土配方施肥磷肥推荐用量（150 kg P2O5/hm2）为上限，设置了0、50 、100和150 kg/hm2 P2O5（MAP0、MAP50、MAP100和MAP150）4个磷肥用量处理，每个磷肥用量处理下设不添加有机酸对照（CK）和有机酸添加处理（OA，主要成分为黄腐酸，有机酸用量为45 kg/hm2，单价为4 500元/t），每个处理4个重复，共32个小区，小区面积为5 m×4 m（20 m2）。棉花种植模式为膜下滴灌，1膜1带2行种植，棉花株距15 cm。棉田磷肥采用磷酸一铵（云南常青树化工有限公司，N含量12%，P2O5含量61%，单价为110元/25 kg），氮肥采用尿素（新疆鸿基焦化有限责任公司，N含量46.2%，单价为75元/40 kg），施氮量为250 kg N/hm2（尿素与磷酸一铵中氮的总和），钾肥采用农用硫酸钾（新疆新雅泰化工有限公司，K2O含量51%，单价为130元/25 kg），施用量为30 kg K2O/hm2，棉种采用新路早64号，所用物品单价见表1，2019、2020年在棉花各生育期分6次随水滴施，其他田间管理和农艺措施均与新疆棉田普遍采用的模式保持一致。

1.3 测定项目与方法

土壤速效磷：2019、2020年在小区滴灌带附近进行取土，随机采集0～20 cm土样5份，混匀后风干并拣去杂物。待测土样过1 mm筛后用NaHCO3-钒钼蓝比色法测定土壤有效磷含量。土壤微生物生物量磷（MBP）采用氯仿熏蒸-NaHCO3浸提法测定［19］。土壤磷酸酶活性（ALP）测定参照吴金水等［19］的方法。

植物生物量、吸磷量：2019、2020年在花蕾期、花铃期和吐絮期对植株进行采集，在75 ℃条件下烘干36 h至恒重，记录生物量，将样品粉碎，称取相对应植物重量，采用硫酸-双氧水消煮法消至无色。用钒钼黄比色法测定棉花的含磷量。

籽棉产量：2019、2020年每个试验小区在地膜内设置面积为1 m2的样方，并根据该样方内的棉花株数、单株铃数和单铃重计算籽棉产量。

经济效益：经济效益=（籽棉产量×棉花单价）-成本-人工

式中，棉花单价采取2019和2020年平均单价7.9元/kg；成本包括肥料和有机酸成本、农药和脱叶剂成本、种子及小区所用滴灌带成本、土地租赁费用等；人工费用（铺地膜机械、滴灌带铺设、人工除虫和无人机喷洒脱叶剂等费用）按37.5元/20 m2计算。

土壤磷素盈余量：磷素盈余量=磷素输入的P2O5量-磷素输出的P2O5量。

雷达图的绘制及分析计算：根据公式（1）、（2）将指标按照正向、逆向指标划分并对指标进行无量纲化转化，将数值控制在［0，1］。

Rij=rijmaxrij（正向指標）（1）

Rij=1-rijmaxrij（逆向指标）（2）

式中，Rij代表各指标处理后无量纲化数值，rij为方差分析后各指标值，maxrij为各指标重复处理内最大值。

在雷达图分析评价中m个测定指标对应雷达图中m条数轴，各指标的权重需要根据2条相邻指标之间的夹角转化计算，根据公式（3）、（4）、（5）计算各指标的相关变异系数、权重和两指标夹角角度。

Ci=DXi（3）

Wi=Cini=1Ci（4）

θi=360Wi（5）

式中，D代表第i个指标的标准差，Ci代表第i个指标的变异系数，Wi代表第i个指标的权重，θi为夹角角度，∑θij=360°。

由于在雷达图中各指标所在的位置不同，计算出的雷达图面积、周长等影响最终评价结果，但雷达图中三角形平均面积和平均周长保持不变。因此根据公式（6）、（7）计算x和x。

x=mm-1i=1mi<jRiRjsinθij2C2m（6）

x=mm-1i=1mi<jR2iR2j-2RicosθijC2m（7）

式中，x代表各处理雷达图的平均面积，x代表各处理雷达图的平均周长，m为测定指标数，Ri和 Rj为测定指标中的第i和第j指标，θ为两测定指标夹角角度。

计算x和x，以x和x为基础，x代表处理效应总体优势的好劣程度，根据公式（8）计算各处理间的评价函数x，x反映各指标均衡性和综合贡献，数值越大代表效果越好。根据公式（9）计算各处理间的评价值Y。

x=xπ（x/2π）2（8）

Y=XxVx（9）

采用SPSS 23.0和origin 2018进行数据整理分析并绘制雷达图，通过各处理在雷达图上表现出的平均面积和平均周长，构建综合评价函数，用评价函数值的大小说明有机酸对不同磷肥用量新疆棉田磷素健康状况。

2 结果与分析

2.1 指标选取及评价指标

根据新疆地区充足的光热资源和棉花生产经验，结合新疆地区大规模种植棉花对土壤及环境的影响［2］。最终确定土壤速效磷含量、植株生物量、植株吸磷量、微生物生物量磷、碱性磷酸酶、籽棉产量、经济效益和磷素盈余量8个指标进行基于雷达图分析的有机酸添加对不同磷肥用量新疆棉田磷素健康状况评价。由表2可知，在不添加有机酸处理时，土壤速效磷含量和植株吸磷量随磷肥用量的增加表现出先升高后降低的趋势，且在MAP100处理时达到最大；植株生物量、碱性磷酸酶活性、籽棉产量、经济效益随磷肥用量的增加呈波浪形变化趋势，在MAP150处理时达到最大；微生物生物量磷和磷素盈余量随磷肥用量的增加表现出逐渐升高趋势，在MAP150处理时达到最大。添加有机酸在适宜磷肥用量下提高了各指标含量，土壤速效磷、植株吸磷量、碱性磷酸酶活性、籽棉产量、经济效益随磷肥用量的增加表现出先升高后降低的趋势；植株生物量随磷肥用量的增加呈波浪形变化趋势，在MAP150处理时达到最大；微生物生物量磷和磷素盈余量随磷肥用量的增加表现出逐渐升高的趋势，在MAP150处理时达到最大。

2.2 基于雷达图对新疆棉田磷素健康状况综合评价

2.2.1 评价指标的无量纲化及权重计算。

根据表3中各指标的数据特性进行标准化处理分组，其中土壤速效磷、植物生物量、吸磷量、微生物生物量磷、碱性磷酸酶活性、籽棉产量和经济效益属于正向指标，其数值越大代表该处理表现越好；磷素盈余量以接近0为理想状态，为逆向指标。根据公式（1）、（2）对指标进行无量纲化转化。

2.2.2 雷达图绘制。

从有机酸添加对不同磷肥用量棉田磷素健康状况评价雷达图可以看出（图1），MAP0+CK各项指标表现为中等但不突出；MAP0+OA、MAP50+CK表现为植物吸磷量和碱性磷酸酶活性2个指标较为突出；MAP50+OA除在微生物生物量和磷素盈余量外，其余各个评价指标优势均较突出；MAP100+CK在植物吸磷量、碱性磷酸酶活性、籽棉产量、磷素盈余量表现较好外，其他指标特色不突出；MAP100+OA在植物生物量、植物吸磷量、碱性磷酸酶活性、籽棉产量、经济效益、磷素盈余量等指标表现较好；MAP150+CK和MAP150+OA表现出磷素盈余量很差的特点。

2.2.3 有机酸添加对不同磷肥用量新疆棉田磷素健康状况分析。

从表4可以看出，在不同磷肥用量的基础上，设置不添加有机酸和有机酸添加处理的综合评价结果分别为0.254 5、0.381 3、0.390 4、0.390 2、0.406 5、0.437 2、0.394 0、0.395 1，因此棉田综合评价的最终排序为MAP100+OA> MAP100+CK> MAP150+OA> MAP150+CK> MAP50+CK> MAP50+OA> MAP0+OA>MAP0+CK。

3 结论与讨论

磷是作物生长发育的主要限制因子［20］，磷肥施入土壤除被当季作物吸收利用外，大部分磷素被土壤吸收固定［21］，因此可被作物直接吸收的磷素多少直接影响土壤磷素有效性和作物正常生长发育［22］。在该研究中，适当提高磷肥施用量能显著提高土壤速效磷含量、植株吸磷量、碱性磷酸酶活性、籽棉产量、经济效益，添加有机酸后在适量磷肥用量下提高了各指标含量。这与前人研究结果一致，这是因为适宜的磷肥用量能够通过提高土壤速效磷含量［20］，刺激棉花根系和根表面积增加［13］，促进植株干物质和植株磷素的积累［23］，进而增加了棉花单株铃数［24］和籽棉产量［25］。而磷肥过多投入会抑制根系生長和土壤微生物活性，加之土壤中存在的磷素吸附解吸平衡、溶解沉淀平衡等反应［26］，导致土壤速效磷含量和籽棉产量降低。有机酸添加后，可通过与磷酸二氢根竞争吸附位点，络合钙离子以减少钙磷沉淀生成，酸化溶解矿物态磷等途径［27-28］，在较低磷肥用量下提高土壤磷素有效性［29-31］，活化磷素有效性和促进磷素在植物器官中的移动［32-33］，使其更多磷素向籽粒转运［34］，增加籽粒磷素累积量［35-36］，从而提高棉花产量。

该研究利用雷达图分析方法对其有机酸添加对不同磷肥用量新疆棉田磷素健康状况评价。有机酸添加在各磷肥用量的表现能直观地反映在雷达图中，通过棉田磷素健康状况的9个指标构建雷达图，根据雷达图的平均面积、平均周长可评价棉田磷素健康状况，得出评价向量综合评价函数，在不同磷肥用量处理的基础上，设置对照和有机酸添加处理的综合评价分别为0.254 5、0.381 3、0.390 4、0.390 2、0.406 5、0.437 2、0.394 0、0.395 1，因此棉田综合评价的最终排序为MAP100+OA> MAP100+CK> MAP150+OA> MAP150+CK> MAP50+CK> MAP50+OA> MAP0+OA>MAP0+CK。综合分析认为，在较低磷肥用量（45 kg 有机酸+100 kg P2O5/hm2）是新疆棉田磷素健康状况的最佳处理，为新疆棉田磷素健康状况评价提供一个更为客观和科学的方法。但由于尚未考虑棉花叶面积指数、叶绿素含量及生理特性等指标，对评价结果在一定程度上有所影响。还应扩大指标覆盖范围，更加全面、系统、深入研究，使研究结果更具有应用价值。

参考文献

［1］ 晓婷.国家统计局：2020年全国棉花产量持平略增［J］.中国纤检，2021（1）：97.

［2］ 徐达剑，王治泽.新疆棉花规模化种植对生态环境的影响分析及建议［J］.农业环境与发展，2010，27（4）：71-73.

［3］ 梁亚军，李雪源，郑巨云，等.新疆2019年棉花产业情况概述及存在问题与策略［J］.棉花科学，2020，42（1）：14-20.

［4］ 肖海峰，俞岩秀.中国棉花生产布局变迁及其比较优势分析［J］.农业经济与管理，2018（4）：38-47.

［5］ 马丹，赵库，沙木和别克·阿咱别克，等.磷肥种类和施用方式对新疆棉田磷素利用及棉花产量的影响［J］.干旱地区农业研究，2020，38（2）：86-92.

［6］ 陈哲，吴敏娜，秦红灵，等.土壤微生物溶磷分子机理研究进展［J］.土壤学报，2009，46（5）：925-931.

［7］ 杜艳玲，周怀平，杨振兴，等.长期施肥下褐土中不同磷组分对磷素盈余的响应［J］.华北农学报，2018，33（3）：224-231.

［8］ 陈宇晖，李方敏.有机酸对土壤磷吸附的影响［J］.湖北农学院学报，1998（2）：121-124.

［9］ 李迟园.低磷土壤施用有机酸和根外施磷对玉米磷吸收及生长的影响［D］.杨凌：西北农林科技大学，2011.

［10］ VANCˇURA V.Root exudates of plants［J］.Plant and soil，1964，21（2）：231-248.

［11］ NAGARAJAH S，POSNER A M，QUIRK J P.Competitive adsorption of phosphate with polygalacturonate and other organic anions on kaolinite and oxide surfaces［J］.Nature，1970，228（5266）：83-85.

［12］ GERKE J，BEIβNER L，RMER W.The quantitative effect of chemical phosphate mobilization by carboxylate anions on P uptake by a single root.Ⅰ.The basic concept and determination of soil parameters［J］.Journal of plant nutrition and soil science，2000，163（2）：207-212.

［13］ 朱静，李敏，滕泽栋.外源有机酸对土壤磷有效性影响的研究进展［C］//中国环境科学学会.2016中国环境科学学会学术年会论文集（第三卷）.［出版地不详］：［出版者不详］，2016：1137-1144.

［14］ 王斌.腐植酸对棉田土壤磷素有效性影响研究［D］.乌鲁木齐：新疆农业大学，2007.

［15］ YANG L T，JIANG H X，TANG N，et al.Mechanisms of aluminum-tolerance in two species of citrus：Secretion of organic acid anions and immobilization of aluminum by phosphorus in roots［J］.Plant science，2011，180（3）：521-530.

［16］ 程君奇，曹景林，李亚培，等.基于雷达图的湖北烤烟主要化学成分协调性综合评价［J］.湖北农业科学，2016，55（13）：3387-3389，3392.

［17］ 白伟，孙占祥，张立祯，等.基于雷达图分析的耕层构造效应综合评价［J］.生态学杂志，2020，39（4）：1369-1376.

［18］ 邓禄军，夏锦慧，卢扬，等.雷达图分析法在马铃薯品种特征综合评价中的应用［J］.贵州农业科学，2013，41（7）：59-62，66.

［19］ 吴金水，林启美，黄巧云，等.土壤微生物生物量测定方法及其应用［M］.北京：气象出版社，2006：79-127.

［20］ 赵靓，侯振安，柴颖，等.长期施磷对灰漠土无机磷形态的影响［J］.水土保持学报，2014，28（3）：236-242.

［21］ 李杰，石元亮，陈智文.我国南方红壤磷素研究概况［J］.土壤通报，2011，42（3）：763-768.

［22］ 叶思诚，谭晓风，袁军.植物低磷适应机制研究进展［J］.经济林研究，2012，30（2）：128-133.

［23］ 王帅，杨劲峰，韩晓日，等.不同施肥处理对旱作春玉米光合特性的影响［J］.中国土壤与肥料，2008（6）：23-27.

［24］ 张炎，姚银坤，胡伟，等.施磷对棉花磷素积累、分配、利用及产量的影响［J］.新疆农业科学，2020，57（11）：2004-2011.

［25］ 王海江，崔静，侯振安，等.膜下滴灌条件下水磷效应对棉花产量和水分利用率的影响［J］.石河子大学学报（自然科学版），2010，28（5）：551-554.

［26］ 付立东，王宇，李旭，等.磷肥不同施用量对水稻产量及磷肥利用率的影响［J］.北方水稻，2011，41（4）：20-24.

［27］ 王新民，侯彦林.有机物料对石灰性土壤磷素形态转化及吸附特性的影响研究［J］.环境科学学报，2004，24（3）：440-443.

［28］ 陆文龙，张福锁，曹一平，等.低分子量有机酸对石灰性土壤磷吸附动力学的影响［J］.土壤学报，1999，36（2）：189-197.

［29］ 郭玉冰，刘建玲，郭巨秋，等.长期施用磷肥和有机肥对菜地土壤磷素有效性的影响［J］.河北农业大学学报，2020，43（4）：76-82.

［30］ 徐祥玉，张敏敏，翟丙年，等.不同夏玉米品种生育后期干物质及氮素积累分配的研究［J］.西北植物学报，2006，26（4）：772-777.

［31］ 倪海峰，朱尤东，刘树堂，等.保水剂及有机酸土壤调理剂对盐碱地的改良效果及小麦产量的影响［J］.山东农业科学，2020，52（4）：121-125.

［32］ 刘建玲，廖文华，张凤华，等.菜园土各形态磷库的变化及空间分布［J］.河北农业大学学报，2004，27（6）：6-11.

［33］ 李迟园，田霄鸿，曹翠玲.外源有机酸对玉米磷吸收及其生长发育的影响［J］.西北植物学报，2011，31（7）：1376-1383.

［34］ 郝中明，李翠兰，刘杭，等.施磷对春玉米磷肥利用及土壤磷素转化的影响［J/OL］.吉林农业大学学报，2020-07-03［2022-02-17］.https：//doi.org/10.13327/j.jjlau.2020.5761.

［35］ 張学昕，刘淑英，王平.施磷量对棉花磷素吸收利用和产量的影响［J］.农业科技与信息，2019（10）：36-41.

［36］ 崔福星，宋金凤，杨迪.养分缺乏下外源有机酸对暗棕壤磷有效性及落叶松幼苗吸收积累磷的影响［J］.水土保持学报，2012，26（6）：116-121.