2023, Vol. 55
新疆棉花在我国占有重要战略地位。据国家统计局数据显示，截至2020年底，新疆棉花播种面积达全国棉花播种面积的78.9%，总产量已达全国棉花总产量的87.3%。由于降水量少，新疆棉田主要采用膜下滴灌(在灌溉水中加入肥料，对水、肥进行同步控制)的方式进行灌溉[1]。适合滴灌使用的肥料主要包括高溶解度的固体肥料和液体肥料。在农业发达国家如美国、英国、德国等，液体肥料很早就得到了广泛使用，以美国为例，液体肥料占其肥料总用量的35% 左右[2]。我国液体肥料应用起步较晚，加之滴灌设备的不完善，农业上普遍使用的滴灌肥料仍是溶解度较好的固体肥料，液体肥料应用较少。相比固体肥料，液体肥料更适合灌溉系统应用，且生产费用低，在运输、施肥过程中没有粉尘、烟雾等污染物质；同时，液体肥料颗粒微小，易被作物根系吸收，配方简便灵活，可以根据实际需要将各种养料成分在液体中充分混合[3]。
在新疆，棉花种植农户的化肥过量施用率占到实际施用量的59.6%，过量单施化肥将导致土壤肥效降低、质量恶化等问题发生[4]。而在液体肥的基础上添加有机质制成的液体有机肥，不仅能满足植物生长所需的养分，还可以改善土壤的物理和化学性质，提高土壤连续生产能力，并且对环境的负面影响较小[5]。
目前，液体有机肥料主要以腐殖酸、氨基酸为原料研制，以有机肥浸提液为基础研制的酸性液体有机肥研究较少[6]。氨基酸有机肥通常以植物性、动物性原料进行制备，其不仅能够为植物提供氮素和小分子有机碳源，还能直接参与光合作用，提高光合效率，且对土壤微生物具有刺激作用，能缓解土壤的连作障碍[7-9]。腐殖酸有机肥通常以泥炭、褐煤等为原料，通过与各类营养物质进行组合制备而成。前人研究表明，腐殖酸作为腐殖质的重要组分之一，不仅能够改善土壤理化性状，其所含的羧基、羟基、酚羟基等官能团在促进作物生长、增强作物抗逆性等方面也具有重要作用[10-12]。而有机肥浸提液是一种由有机、无机物及微生物组成的混合物，其最大化地提取了堆肥中的微生物群落、功能性物质和养分[13]，不仅在提高作物叶绿素含量、增强光合作用、促进作物生长方面有积极作用[14-16]，而且还能够与土壤中致病微生物产生竞争作用，有效预防土传病害[17-18]。此外，液体有机肥便于与新疆滴灌技术相结合，方便施用，具有广阔的应用前景。而新疆有机肥资源丰富[19]，制备液体有机肥还能在减少环境污染的同时使农业废弃物资源化利用。
由于不同类型的液体有机肥具有不同的养分含量和理化特性，对作物生长发育的影响也不尽相同，同时不同作物对液体有机肥的响应也必然存在差异。目前关于不同液体有机肥在棉花上的应用与研究较少，利用液体有机肥提供棉花全生育期生长所需养分，从而取代种肥、基肥的作法也较少见。本研究通过研制不同液体有机肥，探究其对棉花生长发育及生理特性的影响，筛选最适宜提高棉花产量的液体有机肥类型，旨在为新疆滴灌棉田应用液体有机肥，促进农业可持续发展，提高作物产量提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验材料试验于2020年4—10月在新疆石河子市石河子大学农学院试验站(44°23′N，85°41′E)进行。试验所取土壤为0 ~ 20 cm耕层土壤，经风干，过5 mm筛混匀备用。供试土壤为灰漠土，土壤基础理化性质为：pH 8.09，有机质18.64 g/kg，碱解氮52.97 mg/kg，有效磷17.32 mg/kg，速效钾173.93 mg/kg。供试化肥中氮肥、磷肥、钾肥分别为尿素(含N 460 g/kg)，磷酸一铵(含N 120 g/kg、P2O5 610 g/kg)，硫酸钾(含K2O 520 g/kg)。供试液体有机肥3种：含氨基酸液体有机肥(AF)、含腐殖酸液体有机肥(HF)、酸性有机肥浸提液(BF)，根据液体肥中的氮、磷、钾含量，补加尿素(含N 460 g/kg，小颗粒)、磷酸一铵(含N 120 g/kg、P2O5 610 g/kg，料浆法)、硫酸钾(含K2O 520 g/kg，罗布泊)，保持各液体肥氮、磷、钾总养分含量一致，均为N 70 g/L、P2O5 70 g/L、K2O 70 g/L。液体有机肥养分含量及性质如表 1。
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表 1 液体有机肥肥料性质及养分含量 Table 1 Liquid organic fertilizer properties and nutrient contents |
试验为盆栽试验，共设置5个处理(表 2)，每个处理重复4次，棉花全生育期取样2次，共计40盆。试验过程中，取干净塑料盆(直径21 cm，高28 cm) 装入供试风干土10 kg。供试棉花品种为新陆早42号，于4月28日播种，每盆经定苗后保留3株长势一致的棉花幼苗。棉花各生育期施肥随水滴灌，使用医用点滴袋模拟滴灌施肥，每次水肥总量均为600 mL/盆。根据棉花的需肥规律，采取少量多次的原则，出苗水带肥(播种)2%、苗期(出苗后27 d)3%、蕾期(出苗后47 d)10%、盛蕾期(出苗后57 d)20%、初花期(出苗后67 d)20%、盛花期(出苗后76 d)25%、花铃期(出苗后85 d)10%、盛铃期(出苗后98d)10%，共计施肥8次，试验各处理肥料施用量如表 2所示。
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表 2 试验各处理肥料施用量 Table 2 Fertilizer application amount of each treatment |
在棉花花铃期(出苗后75 d)和吐絮期(出苗后126 d)，各处理采集4盆，并将植株分为不同器官(根、茎、叶、蕾铃、籽棉)后待测。植物样品收获后，将盆栽土混匀，采集约500 g土壤样品用于测定土壤养分指标。
1.4 测定项目及方法土壤样品的测定：将采集的土壤样品风干过1 mm和0.15 mm筛，备用。土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法；全氮测定采用凯氏定氮法；碱解氮测定采用碱解扩散法；有效磷测定采用碳酸氢钠提取钼蓝比色法；速效钾测定采用乙酸铵浸提火焰光度计法[20]。
株高、茎粗测定：株高和茎粗分别采用直尺和游标卡尺测量。从棉花蕾期开始(出苗后55 d)每隔7 d测定1次株高、茎粗，至棉花吐絮期(出苗后111 d)。
SPAD值及光合参数测定：棉花功能叶SPAD值使用SPAD-502叶绿素仪测定，从棉花蕾期开始(出苗后56 d)每隔7 d测定1次，至棉花盛铃期(出苗后98 d)。选择棉花盛铃期晴天上午11:00— 12:00，使用便携式光合作用系统测定仪LI-6400 (LI- COR Lincoln，USA) 测定棉花功能叶光合参数：净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)。测定时光源为LED光源，光强为1 500 μmol /(m2·s)，温度控制在25 ℃左右，相对湿度控制在70% 左右，安装CO2钢瓶，人工设置CO2浓度为400 μmol/mol，流速为500 μmol/s。
根系形态测定：使用Epson Perfection 4870 Photo扫描，Win RHIZO分析根系参数。
产量构成及干物质量测定：植物各器官样品，经105 ℃杀青40 min，在75 ~ 80 ℃烘干至恒重，用天平称量各部位干重。
1.5 数据分析养分利用率计算公式：
肥料农学效率(AE，kg/kg)=(施肥处理的产量−对照产量)/施肥量；
肥料偏生产力(PFP，kg/kg)=施肥处理的产量/施肥量；
肥料贡献率(%)= (施肥处理产量−对照产量)/施肥处理产量×100%。
数据统计和绘图采用Excel 2010和R studio 4.0.5；采用SPSS 21.0进行方差分析(LSD法)和显著性检验(P < 0.05)。文中数据均为平均值±标准差(n=4)。
2 结果与分析 2.1 不同处理对棉花株高、茎粗的影响如图 1所示，棉花株高和茎粗的动态变化规律基本一致。与CK处理相比，施肥处理均促进了棉花株高和茎粗的增加。在施肥处理中，不同类型液体有机肥对棉花株高和茎粗的促进作用均比CF处理高，说明使用液体有机肥更有利于促进棉花的生长发育，其中HF处理的棉花株高和茎粗值最高。
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图 1 不同施肥处理下棉花株高、茎粗动态变化 Fig. 1 Dynamic changes of cotton plant heights and stem diameters under different fertilization treatments |
棉花叶片SPAD值在一定程度上能够反映叶片叶绿素含量，叶片叶绿素含量的高低及变化又能在一定程度上反映叶片衰老、受害的情况。如图 2所示，各处理棉花叶片SPAD值总体呈现先上升后下降的趋势。与CK处理相比，各施肥处理均提高了棉花叶片SPAD值。其中，CK处理叶片SPAD值在出苗后63 d达到最大，施肥处理中CF、AF、HF处理叶片SPAD值均在出苗后77 d达到最大，BF处理叶片SPAD值在出苗后84 d达到最大。说明施肥均能提高叶片叶绿素含量，延缓叶片衰老。
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图 2 不同施肥处理下棉花叶片SPAD值动态变化 Fig. 2 Dynamic changes of SPAD values of cotton leaves under different fertilization treatments |
如图 3对棉花盛铃期各处理的Pn(图 3A)、Tr(图 3B)和GS(图 3C)的分析可知，相比CK处理，施肥处理均显著提高了棉花叶片Pn、Tr和Gs。对于Pn，AF、HF、BF处理相比CF处理分别提高了9.08%、8.76%和9.47%，差异显著；BF处理叶片Pn最高，达21.03 µmol/(m2·s)。对于Tr，HF、BF处理相比CF处理分别提高了11.01% 和10.36%，差异显著；其中，HF处理Tr最高，达9.40 mmol/(m2·s)。对于Gs，AF处理Gs最高，相比CF处理提高了11.01%，达9.40 mol/(m2·s)。Ci(图 3D)的变化规律与Pn、Tr和Gs相反，相比CK处理，施肥处理均显著降低了棉花叶片Ci，其中HF和BF处理相比CF和AF处理显著降低，BF处理棉花叶片Ci最低。说明施用液体肥有利于增大棉花叶片的气孔开度，提高蒸腾速率，从而提高CO2转化率。
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(柱图上方不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05)；下同) 图 3 不同施肥处理对棉花光合参数的影响 Fig. 3 Cotton photosynthetic parameters under different fertilization treatments |
如表 3所示，在花铃期，各施肥处理棉花总根长、总根表面积、总根体积和根尖数均高于CK处理(根尖数除外)，同时在吐絮期这种差异更加显著。在各施肥处理中，AF、HF和BF处理总根长和总根表面积均显著高于CF处理，其中BF处理总根长在花铃期和吐絮期分别显著提高了49.48% 和41.21%，HF处理总根表面积在花铃期和吐絮期分别显著提高了14.52% 和11.84%；在花铃期，AF、HF和BF处理总根体积显著高于CF处理，同时AF、HF和BF处理间无显著差异，但在吐絮期，总根体积表现出在HF处理最高，根尖数呈现相似趋势。
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表 3 不同处理对不同时期棉花根系形态参数的影响 Table 3 Morphological parameters of cotton roots at different growth stages under different treatments |
如表 4所示，与CK处理相比，各施肥处理均能显著提高棉花花铃期和吐絮期各器官的干物质量。其中，在花铃期与CF处理相比，AF、HF和BF处理显著提高了棉花蕾铃和地下部的干物质量；HF和BF处理显著提高了棉花整株干物质量；BF处理显著提高了棉花茎干物质量；此外，BF处理棉花叶、茎、地下部及整株干物质量均显著高于AF和HF处理。在吐絮期，HF处理棉花茎和地下部干物质量最高，较CF处理显著提高了2.68% 和7.99；BF处理棉花蕾铃、籽棉和整株干物质量最高，较CF处理显著提高了27.91%、11.83% 和9.76%。
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表 4 不同施肥处理对不同生育时期棉花干物质累积的影响(g/pot) Table 4 Cotton dry matter mass at different growth stages under different fertilization treatments |
如表 5所示，施肥处理与CK处理相比均显著提高了棉花单株有效铃数、株高、茎粗和衣分含量。其中，BF处理的单株成铃数最高，显著高于其他处理。HF处理株高最高，显著高于其他处理。AF、HF和BF处理茎粗显著高于CF处理，其中HF处理茎粗最大，较CF处理提高了3.92%。AF、HF、BF处理棉花衣分较CF处理分别提高了1.74%、1.12% 和3.09%，其中BF处理棉花衣分最高，显著高于CF处理。
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表 5 不同施肥处理对棉花产量构成因素的影响 Table 5 Cotton yield components under different fertilization treatments |
如表 6所示，花铃期和吐絮期施肥处理土壤pH显著低于CK处理。其中，花铃期不同施肥处理之间土壤pH变化没有显著差异，而在吐絮期BF处理pH显著低于CF处理，下降了1.28%。
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表 6 不同施肥处理对土壤理化性质的影响 Table 6 Soil physiochemical properties under different fertilization treatments |
花铃期，HF和BF处理土壤有机质含量较CK处理分别提高了3.31% 和6.89%，差异显著；其中，BF处理土壤有机质含量最高，显著高于其他处理。吐絮期，AF、HF和BF处理土壤有机质含量较CK处理分别提高了3.48%、4.33% 和7.06%，差异显著；其中，BF处理土壤有机质含量显著高于其他处理。
不同施肥处理均提高了棉花两个时期的土壤全氮含量，均呈现HF和BF处理土壤全氮含量显著高于CF处理，且BF处理土壤全氮含量最高。
不同时期，施肥处理与CK处理相比均显著提高了土壤碱解氮含量。花铃期，BF处理土壤碱解氮含量最高，与CF处理相比提高了4.18%，差异显著；吐絮期，土壤碱解氮含量规律与花铃期规律一致，BF处理土壤碱解氮含量也最高。
不同时期，施肥处理与CK处理相比均显著提高了土壤有效磷含量。花铃期，CF、AF、HF和BF处理与CK处理相比土壤有效磷含量分别提高了31.86%、43.13%、44.46% 和44.46%；吐絮期分别提高了79.51%、93.39%、93.84% 和93.84%。不同时期，AF、HF和BF处理土壤有效磷含量均显著高于CF处理。
不同时期，施肥处理与CK处理相比均显著提高了土壤速效钾含量。花铃期，HF和BF处理土壤速效钾含量与CF处理相比分别提高了3.60% 和3.66%。吐絮期，土壤速效钾含量变化规律与花铃期一致，BF处理土壤速效钾含量最高。
由图 4可知，液体有机肥的pH与土壤pH呈显著正相关(0.719**)，与整株干物质量呈显著负相关(–0.703*)。而土壤pH与土壤有机质(–0.768**)、全氮含量(–0.786**)呈显著负相关。肥料有机质含量与土壤有效磷含量呈显著正相关(0.584*)。土壤全氮与土壤有机质含量呈显著正相关(0.939***)，与土壤碱解氮含量呈显著正相关(0.650*)。整株干物质量与土壤有机质含量呈显著正相关(0.806**)。
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(*表示在P < 0.05水平上显著相关，**表示在P < 0.01水平上显著相关，***表示在P < 0.001水平上显著相关) 图 4 液体有机肥性质与土壤养分相关分析 Fig. 4 Correlation analysis between properties of liquid organic fertilizer and soil nutrients |
肥料偏生产力是反映当地土壤基础养分水平和化肥施用量综合效应的重要指标。由表 7可以看出，与CF处理相比施肥均显著提高了肥料偏生产力，各处理间差异显著，表现为BF > AF > HF > CF。与CF处理相比，AF、HF、BF处理肥料偏生产力分别增加了10.77%、4.57%、12.76%，其中BF处理肥料偏生产力最高，显著高于其他处理。
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表 7 不同施肥处理养分利用率 Table 7 Nutrient utilization rates under different fertilization treatments |
不同施肥处理的肥料农学效率和肥料贡献率与肥料偏生产力变化规律一致，均为BF > AF > HF > CF，各处理间差异显著。不同类型的液体有机无机肥中，BF处理肥料农学效率和肥料贡献率均最高，且显著高于其他处理，与CF处理相比分别高出19.33% 和5.83%。可见，BF处理养分利用率最优。
3 讨论前人研究结果表明，滴施含氨基酸水溶肥和含腐殖酸液体有机肥均能显著提高作物株高、茎粗[21-22]。施用堆肥浸提液能显著提高番茄、黄瓜种苗的株高和茎粗，有利于种苗后期地上部的生长发育[23]。可见，不同类型液体有机肥对作物的生长发育均有显著的促进作用。对于棉花，液体肥能有效改善棉花植株的长势，促进棉花的生长[24]，本研究结果验证了这一结论。本研究中，HF(含腐殖酸液体有机肥)处理对棉花株高和茎粗的促进效果最佳，并且吐絮期总根体积、总根表面积和根尖数均最高，这可能由以下原因所致：①腐殖酸对根系生长具有刺激作用，从而提高根系对养分的吸收能力，最终表现出促进棉花生长。前人研究表明，腐殖酸能促进根系中H+-ATP酶相关基因的表达，酸化非原质体，从而使细胞壁松弛，允许细胞伸长[25-26]；②腐殖酸能够刺激与地上部生长和代谢相关的酶类的基因表达，从而引起植株体内养分的吸收和代谢，进而影响地上部生长[27]。但本研究还发现，在棉花生长后期干物质积累与分配中，HF处理下棉花根系和茎的干物质积累显著高于其他处理，这可能不利于产量的形成。而AF(含氨基酸液体有机肥)处理对棉花株高和茎粗的促进以及棉花根系形态的影响低于HF和BF(酸性有机肥浸提液)处理，其原因可能是：①虽然氨基酸对植物有促进作用，但一定时间内由于根系氨基酸转运蛋白数量有限，导致其对氨基酸的吸收和转运量有限[28]，这可能导致一部分氨基酸有机肥无效化；②氨基酸还可能被土壤微生物直接利用或者降解[29-30]，产生竞争吸收作用，降低其有效性。
叶绿素是植物叶片光合作用能够顺利进行的关键物质，其含量可以反映植物的光合作用能力，并与植物干物质累积有着密切关系[31]。研究表明，在作物生长发育过程中，适时适量地补给液体有机肥能够提高植株叶片SPAD值，增加叶片Tr、Gs和Pn，从而促进CO2同化和根系生长，最终有利于提高作物干物质积累[32-34]，本研究与前人研究结果一致。3种液体有机肥中，BF处理棉花叶片Pn和叶片CO2的同化能力最强，干物质积累量最高，这可能是由于BF处理能够促进根系微生物生长，促进其分泌促生长物质，增大根系接触面积，促进植物对养分的吸收，进而提高了植物的光合作用，最终有利于干物质积累[35-37]。
施用液体有机肥能显著提高土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的含量[38]。本研究中，与CF处理相比，施用3种液体有机肥均不同程度地提高土壤有效养分含量，且对土壤碱解氮、速效钾、有效磷的增加差异不大，但BF处理下土壤有机质、碱解氮和速效钾含量最高。这一方面可能是有机肥浸提液中特有的微生物及代谢产物促进了土壤养分释放，从而提高了土壤的养分含量[39]；另一方面可能是BF的施入显著降低了石灰性土壤的pH，从而活化了土壤养分[40]。此外，AF、HF和BF处理土壤有效磷含量均显著高于CF处理，这可能与有机质输入量有关，而施用有机肥料能显著提高土壤中活性和中等活性有机磷含量，其中活性和中等活性有机磷含量与土壤有效磷含量呈显著正相关[41]。
液体有机肥能显著提高肥料偏生产力、农学效率和贡献率[42]。本研究中，施用3种液体有机肥均显著提高了肥料农学效率、偏生产力和贡献率，其中BF处理显著高于AF和HF处理。本阶段试验主要筛选滴灌液体有机肥类型，3种液体有机肥AF、HF和BF成本分别为2.03、2.18和2.06元/L。其中，补充的无机肥料尿素2 500元/t，磷酸一铵6 000元/t，硫酸钾4 800元/t，浸提所用工业磷酸(85%)7 900元/t，氨基酸原粉(植物性、动物性)3 500元t，矿源腐殖酸5 000元/t，鸡粪有机肥2 000元/t，成本将在后续试验中进行优化。
4 结论与施用化肥相比，3种液体有机肥(AF、HF和BF)均提高了土壤有效养分含量，促进了棉花根系生长，从而促进了根系对土壤养分的吸收；同时，3种液体有机肥提高了棉花株高、茎粗和叶片光合作用能力，促进了棉花各器官干物质的积累，最终提高了棉花产量和养分利用率。在3种液体有机肥中，BF处理下土壤有机质、碱解氮和速效钾含量最高，棉花叶片Pn、总根长、干物质积累量以及衣分最高，且BF处理显著提高了肥料的偏生产力、农学效率和贡献率。因此，BF是3种液体有机肥中更加适合滴灌棉田的液体有机肥。
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