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磷是棉花生长不可缺少的生命营养元素之一[1]，农业生产中为追求高产，通常化学磷肥是农田磷素的主要来源[2]，磷肥的过度施用导致耕地土壤中磷储量的积累[3]。过度施肥与自然矿物磷资源即将短缺形成鲜明对比，导致磷向自然环境的流失[4]，据报道，全球磷矿资源将在 200 年内枯竭[5]。新疆土壤（CaCO3>15%）属典型石灰性土壤，磷肥施入后磷素易被固持，降低作物当季利用率，有机肥配施可改善土壤磷素状况[2，6]，长期施肥特别是化肥、有机肥配合施用能快速提升土壤磷含量水平，是维持或提升土壤肥力的重要措施[7]。有研究表明，施用有机肥和秸秆还田可提高土壤养分[8]，提升作物增产效应[9]，降低土壤 pH[10]和含盐量[11]。化学磷肥和畜禽有机肥中磷素均能增加土壤中全磷、有效磷含量及提升作物产量[12]，与化肥相比，有机肥中的磷素具有同等甚至更高的作物有效性[13]，也有研究显示粪肥中磷素生物有效性低于化肥[14]。有机肥施用对小麦[15]、玉米[16]、水稻[17]等作物对磷素的吸收及磷肥的利用都有促进作用。有机肥磷替代化肥磷增加玉米苗期或拔节期土壤有效磷含量，与 100% 化肥磷处理相比，施 30% 有机肥磷替代化肥磷显著增加营养体磷素的再分配率和对子粒的贡献率，提高了磷素的农学效率[18]。粪肥磷和化肥磷均可提高土壤中有效磷含量，在短期内粪肥磷对土壤有效磷含量的提升效应稍弱于化肥磷，猪粪、鸡粪、牛粪能够分别代替 85.7%、77.6%、91.4% 的化肥磷素[19]。以往我国大多有机无机替代试验采用氮推荐[20]，但结果表明多数作物平均 N/P2O5>2.5，而有机肥有效 N/P2O5<2，如果较大程度施用有机肥而化肥磷不减量甚至盲目减量必然导致磷富集或磷亏缺，不仅造成磷资源浪费且影响作物生长[21-22]，另外，对适宜新疆石灰性土壤的磷素粪肥有机替代研究潜力较少，且大多仅是在推荐化肥用量基础上增施有机肥的质量而不考虑通过有机肥加入的养分数量，试验周期短，验证性不充分，对棉花连作模式的结合和长期性定位研究比较罕见。探明不同比例有机肥、秸秆还田等不同磷资源对土壤的化学性质和作物产量的变化，有利于确定磷肥有机替代的最佳施用量，最终实现最大潜力减少磷素径流损失和土壤磷素积累，满足作物对磷的正常需求。因此，本文通过等氮磷 5 年田间微区定位试验，在不同程度磷肥有机替代及秸秆还田下研究其土壤化学性质、磷素有效性特征和棉花产量及构成的变化，旨在为干旱区灰漠土棉田减量施用化学磷肥，合理配施有机肥提供科学依据和实践指导。
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1 材料与方法
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1.1 试验基本概况
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试验位于乌鲁木齐市以北 25 km 的安宁渠镇新疆农业科学院国家现代农业科技示范园区，“国家灰漠土肥力与肥料效益监测基地”。地处我国西北的天山北坡绿洲带中游，中温带干旱半干旱荒漠气候，地理位置为 43°56′32″N，87°28′27″E。区域光热资源丰富，适宜多种农作物生长，地势东高西低，南高北低，坡度 1/100～1/70，海拔高度 600 m，地下水位 30 m 以下。常年降水量 310 mm、蒸发量 2570 mm，年平均气温 7.7℃，有效积温 1734℃，年均日照时数 2594 h，无霜期 156 d。耕层土壤基础指标见表1。
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1.2 试验设计
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本试验始于 2018 年，设置 7 个施肥处理，T1：不施肥，T2：不施磷，T3：常规施化肥磷 100%， T4：有机肥磷替代 25% 化肥磷，T5：有机肥磷替代 50% 化肥磷，T6：化肥磷 100%+25% 有机肥磷，T7：化肥磷 100%+ 秸秆还田。各处理 4 次重复，采用完全随机区组设计，每个小区面积为 2 m2，小区间用 80 cm 深混凝土隔板区隔，防止水肥互串。有机肥和秸秆均在翻耕前撒施，有机肥为羊粪（全氮 16.416 g·kg-1、全磷 6.132 g·kg-1、全钾 9.683 g·kg-1），秸秆还田处理中将上季本田棉花秸秆粉碎后全量还田，棉花秸秆（全氮 22.51 g·kg-1、全磷 3.11 g·kg-1、全钾 20.75 g·kg-1），翻耕深度约 25 cm，平整土地。棉花品种为新陆早 53 号，采取一膜两带四行种植，地膜覆盖人工点播，株距 15 cm，播幅内宽、窄行距配置为 40、 10 cm，种植密度 24 万株·hm-2，出苗后保苗株数 20 万株·hm-2。磷肥有机替代长期性施肥试验设计（表2），在当地推荐化肥用量（以纯量计）的基础上，充分考虑通过有机肥带入的养分量，采用当地有机肥中所持氮磷钾的养分量对磷肥进行有机替代，各列间化肥氮磷钾总量以纯量计算，有机肥用量以磷肥有机替代后的替代部分计算，尿素、磷酸二铵、硫酸钾均以化肥实物量计算。有机替代和秸秆还田的外源肥料投入量（有机肥和化肥）均为等氮磷用量，钾肥只考虑化肥等量，磷肥部分利用有机肥替代，设计不同比例的替代率，氮钾不考虑有机肥替代率。有机无机配施处理中，化肥用量分别按无机处理化肥用量的 75%、50% 投入量计算，有机无机配施处理中，钾量为自然带入，化肥氮投入为实物尿素与磷酸二铵投入之和计算。有机肥、秸秆和磷钾肥在翻地前一次性施入，化肥氮以当地施肥习惯，按基肥 40%，追肥 60%，分别于头水 6 月初、6 月底、7 月中、8 月初分时期施用。各生育时期棉田灌溉及田间管理措施均与当地常规模式一致。经 5 年同等施肥棉花连作后，于 2022 年田间取样，探明不同比例磷肥有机替代和秸秆还田对土壤化学性质、磷素有效性特征和棉花产量及其构成的影响。磷肥有机替代长期性施肥方案如表3 所示。
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注：每区面积 2 m2，尿素 N 46%，磷酸二铵 P2O5 46%、N 18%，硫酸钾 K2O 51%。
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1.3 样品采集及分析
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分别于磷肥有机替代、秸秆还田初期（1 年， 2018 年）和长期棉花连作等量施肥后（5 年，2022 年）采集棉花成熟期耕层（0～20 cm）土样，五点取样法土钻取土混合成 1 个样，剔除砾石、植物残体等，风干研磨过 1.00 和 0.149 mm 尼龙筛后制样待测。
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2022 年 10 月 5 日对棉花进行测产，对 2 m2 内试验小区的全部棉花株数、总铃数进行调查，各小区内随机摘收 50 朵棉花（上、中、下部位），自然晒干后在室内压花拷种，统计单铃质量、衣分、实收记产。
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1.4 测定项目及方法
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土壤全磷采用 HClO4-H2SO4 消煮，钼锑抗比色法测定[23]；土壤有效磷采用 NaHCO3 溶液（0.5 mol/L）浸提-钼锑抗比色法测定[23]；土壤有机质采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定；土壤 pH 值采用水浸提（水土比为 5∶1）电位法测定；土壤速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定；土壤全钾采用氢氧化钠熔融法测定[23]；土壤速效氮采用碱解扩散法测定；土壤全氮采用半微量凯氏法测定；土壤盐分离子待测液的制备采用去离子水按土水比 1∶5 提取，振荡 5 min 后过滤。测定方法参照鲁如坤主编的《土壤农业化学分析方法》[24]。
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1.5 数据处理方法
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（1） 土壤磷活化系数（PAC，%）= 有效磷 （mg·kg-1）/[全磷（g·kg-1）×1000]×100[25]；
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（2）棉花总产量 = 总面积 × 单位面积株数 × 单株成铃数 × 单铃重；
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数据均采用 Excel 2019 与 SPSS 26.0 进行统计分析，Origin 2021 进行绘图，用最小差异显著法 （LSD）（P<0.05）进行多重比较确定差异的显著性。
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2 结果与分析
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2.1 磷肥有机替代对土壤化学性质及磷素有效性特征的影响
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2.1.1 磷肥有机替代对土壤速效养分的影响
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棉田速效养分含量随不同施肥处理表现出差异性（表4），在速效氮上，各处理速效氮含量为 T6>T5>T7>T4>T2>T3>T1，平均含量在 54.40～68.18 mg·kg-1 之间，最小增量 T1～T3 与最大增量 T1～T6 相比，增幅为 3.0%～25.3%。T6 处理下土壤速效氮提升速度最快，年均增长 3.12 mg·kg-1。与 T1 相比，不同施肥处理速效氮含量均显著增加， T6、T5 处理土壤速效氮含量分别显著增长 25.3%、 24.9%，T7、T4 处理间土壤速效氮含量差异不显著，T7 处理对土壤速效氮的贡献远小于 T6、T5 处理，T4 处理土壤速效氮增量最小（3.58 mg·kg-1），各有机替代、增施有机肥和秸秆还田的土壤速效氮含量均显著高于单施化肥和不施磷处理。整体上增施有机肥和 50% 的有机替代对土壤速效氮含量的提升效果均显著最高，秸秆还田对土壤速效氮的贡献能力和 25% 的有机替代相当，但远小于 50% 的有机替代。说明适当配施有机肥和秸秆还田均有提升土壤速效氮的作用，效果比单施化肥好。综合肥料投入，50% 的有机替代最能加速土壤氮素转化。
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在有效磷上，各处理有效磷含量为 T5>T6>T7>T4>T3>T2>T1，平均含量在 9.60～21.13 mg·kg-1 之间，最小增量 T1～T2 与最大增量 T1～T5 相比，增幅为 29.2%～120.1%。T5 处理下土壤有效磷含量最高（21.13 mg·kg-1），其提升速度最快，年均增长 1.69 mg·kg-1，相比不施化学磷肥的 T1、T2 处理分别增长 120.1%、70.4%。T5、T6、T7、T4 处理的土壤有效磷含量差异不显著，但均显著高于 T3、T2 处理，整体上随着有机肥替代量的减少，土壤有效磷含量呈递减趋势。说明适度配施有机肥和秸秆还田均能增加土壤有效磷含量，施肥效应显著高于单施化肥，50% 的有机替代对土壤有效磷的提升效果最佳。
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在速效钾上，各处理速效钾含量与有效磷含量显著性相一致，其含量为 T5>T6>T4>T7>T3>T2>T1，平均含量在 146.50～291.75 mg·kg-1 之间，最小增量 T1～T2 与最大增量 T1～T5 相比，增幅为 70.1%～99.1%。T5 处理下土壤速效钾提升速度最快，年均增长 30.75 mg·kg-1。各有机替代、增施有机肥和秸秆还田处理的土壤速效钾含量差异不显著，但各有机替代、增施有机肥对土壤速效钾的贡献均优于秸秆还田，表现为 T5>T6>T4>T7。T2、T3 处理间土壤速效钾含量相当，但均显著低于各有机替代、增施有机肥和秸秆还田处理。说明适度配施有机肥和秸秆还田均能增加土壤速效钾含量，配施有机肥和秸秆还田对土壤速效钾的贡献要比单施化肥好， 50% 的有机替代对土壤速效钾的提升效果最佳。
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注：数值为平均值 ± 标准差；同列数字后小写字母不同表示处理间在 0.05 水平差异显著。下同。
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2.1.2 磷肥有机替代对土壤全量养分的影响
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不同施肥处理影响了棉田全量养分含量（表5），在全氮上，各处理土壤全氮含量为 T6>T4>T5>T2>T7>T3>T1，平均含量在 0.57～0.82 g·kg-1 之间，最小增量 T1～T3 与最大增量 T1～T6 相比，增幅为 21.1%～43.9%。与 T1 处理相比，各处理全氮含量均呈显著提高趋势，T6 处理的土壤全氮含量最高且增长速度最快，年均增长 0.04 g·kg-1。T4、T5、T6 处理的土壤全氮含量均显著高于 T2、T3、T7 处理，T2、T3、T7 处理间差异不显著，但秸秆还田对土壤全氮的贡献优于常规施肥处理。整体上各有机肥替代、增施有机肥和秸秆还田均能提高土壤全氮含量，有机肥对土壤全氮的作用效果显著高于秸秆还田。
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在全磷上，各处理全磷含量为 T6>T7>T3>T4>T5>T2>T1，平均含量在 0.63～0.89 g·kg-1 之间，最小增量 T1～T2 与最大增量 T1～T6 相比，增幅为 1.6%～41.3%。与不施化学磷肥的 T1、T2 处理相比，各有机替代、增施有机肥、秸秆还田和常规施肥处理的土壤全磷含量均显著提高，T6、T7、T3 处理土壤全磷含量差异不显著，但均显著高于 T4、 T5 处理，其中 T6 处理的土壤全磷含量最高（0.89 g·kg-1），年均增长 0.05 g·kg-1，相比不施化学磷肥的 T1、T2 处理分别显著提高 41.3%、39.1%，而 T1、T2 处理间土壤全磷含量差异不显著。说明适当配施有机肥和秸秆还田均能提高土壤全磷含量，整体上增施有机肥、秸秆还田和常规施肥对土壤全磷的提升效果相当，增施有机肥和秸秆还田对土壤全磷的提升效果均显著高于 25% 和 50% 的有机替代。
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在全钾上，各处理全钾含量为 T5>T6>T4>T7>T3>T2>T1，平均含量在 21.03～28.10 g·kg-1 之间， T5 处理的土壤全钾含量最高，为 28.10 g·kg-1，年均增长 1.36 g·kg-1。与 T1 处理相比，各处理全钾含量均显著提高，最小增量 T1～T2 与最大增量 T1～T5 相比，增幅为 9.3%～33.6%，T5、T6、T4 处理之间土壤全钾含量差异不显著，但均显著高于 T7、T3、T2 处理。整体上各有机替代、增施有机肥和秸秆还田均能增加土壤全钾含量，有机替代和增施有机肥对土壤全钾的贡献能力显著高于秸秆还田和单施化肥处理。
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2.1.3 磷肥有机替代对土壤有效磷含量和土壤磷活化系数的影响
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土壤 PAC 是土壤有效磷在全磷中的占比，代表土壤磷的活化能力。土壤中全磷和有效磷之间处于相互转化的过程，供作物可吸收利用的磷主要是土壤总磷中的有效磷，PAC 作为权衡施磷效果的重要指标，可体现土壤总磷向有效磷转化的难易程度[26]。PAC 值越高，则有效磷在全磷中的比例越大，磷素有效性水平也越高，通常土壤全磷的含量越高，有效磷含量也越高，磷素有效性也越高[25]。磷肥有机替代对土壤有效磷和对土壤 PAC 的影响规律见图1，其 PAC 顺序为 T5>T4>T7>T6>T2>T3>T1，有机替代、增施有机肥和秸秆还田均能显著提升土壤有效磷含量及 PAC， T4 处理土壤有效磷含量显著提升，T4、T5 处理间随着有机替代量的增加土壤 PAC 显著提高，即在羊粪投入量为 4892～9784 kg·hm-2 时对土壤 PAC 提升效果呈递增趋势，土壤中总磷向有效磷转化程度越来越高，其中 T5 处理，即羊粪投入量为 9784 kg·hm-2 时土壤有效磷含量和 PAC 提升效果均显著最强，与 T3 处理相比，PAC 从 1.62% 提升到 2.78%，不施化学磷肥 T1 和 T2 处理的土壤 PAC 相对较低，分别为 1.52% 和 1.93%，T6、T7 处理的 PAC 相当，但显著高于常规施肥，均在 2.22% 左右，说明一定时期内在常规施肥的基础上增施有机肥和秸秆还田对土壤磷素活化能力提升效果不明显，秸秆还田对土壤磷素活化能力的提升显著强于常规施肥，50% 有机替代处理中土壤全磷最容易向有效磷转化，这与适宜的有机替代通过有机肥自身特性活化土壤磷并保持有效磷浓度和降低有效磷固定的相互作用有关。
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图1 磷肥有机替代对土壤有效磷含量和土壤磷活化系数的影响
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注：柱上不同小写字母代表各处理间在 0.05 水平差异显著。下同。
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2.2 磷肥有机替代对土壤有机质及 pH、总盐的影响
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耕层土壤有机质含量随有机肥替代量的增加而增加，总体表现为正效应（图2）。T5 处理有机质含量显著最高，为 12.21 g·kg-1，年均增长 0.4 g·kg-1，其后依次是 T6>T4>T7>T3>T2>T1，各施肥处理与 T1 处理相比，土壤有机质含量均显著提高，最小增量 T1～T2 与最大增量 T1～T5 相比，增加 1.04～3.44 g·kg-1，增幅为 11.86%～39.22%。秸秆还田处理的土壤有机质含量均低于各配施有机肥处理。从土壤有机质含量提升效果来看，施用有机肥对土壤有机质提升效果优于秸秆还田，单施化肥效果差；在 pH 上，T1 处理的土壤 pH 最高，为 8.05，其后依次是 T3>T2>T7>T6>T4>T5，范围在 7.81～8.05 之间，与 T1 处理相比，T4、T5 处理的土壤 pH 显著降低，均在 7.8 左右，年均下降 0.13。 T3、T2、T7、T6 处理的土壤 pH 呈递减趋势，但差异不显著，总体表现为负效应，起到调节作用， T6、T7 处理对土壤 pH 改善效果不明显。说明有机肥和秸秆还田均有降低土壤 pH 的作用，但在一定时期内效果不显著；在总盐上，通过外源肥料的投入后随着土壤有机质含量的增加，土壤总盐含量呈降低趋势，总体表现为负效应，起到抑制作用。 T5 处理土壤总盐含量最低，为 1.43 g·kg-1，其后依次是 T6<T4<T7<T1<T2<T3，范围在 1.43～1.78 g·kg-1 之间，有机肥和秸秆还田均能降低土壤总盐含量，随有机肥用量的增加降幅不断增大，最小减量 T2～T3 与最大减量 T5～T3 相比，降幅为 1.4%～24.5%，但整体变化差异不显著。说明在农业生产中适度的有机肥用量、秸秆还田均有降低土壤总盐的作用，效果均比单施化肥好，有机肥对降低土壤总盐的效应优于秸秆还田，但在一定时期内整体上对土壤总盐含量的效应不显著。
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图2 磷肥有机替代对土壤有机质及 pH、总盐的影响
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2.3 磷肥有机替代对土壤 C/N、C/P、N/P 的影响及相关性分析
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土壤碳、氮、磷比值是判断土壤碳氮磷平衡特征的重要参数[27]，土壤 C/N 水平可以反映土壤中有机质的分解程度和有机质对土壤肥力的贡献潜能。若 C/ N 偏高（>25 质量比）时，则表示当下土壤有机质累积速率大于分解速率，有机质处于积累过程；若 C/ N 在 12 和 16 之间，表明有机质已被土壤微生物很好地分解[28]，通常农田耕层土壤 C/N 处于 10 和 12 之间，底层土壤的 C/N 一般低于 10[29]。试验结果分析（图3），土壤 C/N 在 7.16～9.01 之间，整体上各施肥处理的 C/N 处于较低水平，T4、T6 处理的土壤 C/N 均低于秸秆还田和单施化肥处理，处于最低水平，说明适度施用有机肥可以提升土壤有机质的分解效率和有机质对土壤肥力的贡献潜能，效果优于秸秆还田。综合 C/N 表明，本试验条件下土壤有机质处于缺乏状态，由于受“最少养分定律”限制，对当下棉田作物而言即便补充大量氮素也不是最优选择。土壤 C/P 是土壤中磷素矿化能力的标志，其比值高低对作物生长发育具有重要影响[30]。当 C/P 较低时，有利于微生物分解有机质过程中对养分的释放，促进土壤有效磷含量的提升，反之，会出现微生物在分解有机质的过程中因磷素缺乏而受到限制，致使微生物与植物形成与磷素的竞争关系，不利于植物生长。试验结果显示，土壤 C/P 在 6.60～9.31 之间，整体处于较低水平，但变化幅度较大，整体降低了 41%。T6、T7 处理的土壤 C/P 最低，说明增施有机肥和秸秆还田均能促进土壤有效磷含量的提升，而且生物与环境间的相互作用相对最为活跃，T5 处理土壤 C/P 最高，其原因是 50% 的有机替代显著提高了土壤有机质含量，进而显著提高了土壤有机碳含量。土壤 N/P 是有机质可分解性的有效指标，其比值可用来判定土壤中养分的限制状况，即明确限制了有机质分解的元素组成[31]。试验结果显示，土壤 N/P 在 0.79～1.11 之间，整体变化幅度较小。 T3、T7 处理的土壤 N/P 相对最低，表明本试验中常规施肥和秸秆还田处理的土壤更倾向于受氮限制，对于有机替代和增施有机肥而言其有机质可分解性效果相对较好。
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土壤碳氮磷含量、碳氮磷比之间的相关性分析 （表6）表明，土壤有机碳与全氮、全磷、C/N、C/P、N/P均呈正相关，与全氮呈极显著正相关（P<0.01）。全氮与全磷呈极显著正相关（P<0.01），与 C/N 呈极显著负相关（P<0.01），与 N/P 呈显著正相关（P<0.05）。全磷与 C/N、C/P、N/P 均呈负相关，与 C/P、N/P 呈极显著负相关（P<0.01），C/N 与 C/P 呈显著正相关 （P<0.05），C/P 与 N/P 呈极显著正相关（P<0.01）。
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图3 磷肥有机替代对土壤有机碳、全氮、全磷含量及 C/N、C/P、N/P 的影响
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总体上，本试验土壤有机碳含量在 5.09～7.08 g·kg-1 之间，最小增量 T1～T2 与最大增量 T1～T5 相比，增幅为 11.8%～39.1%，T5 处理的土壤有机碳含量最高，年均增长 0.24 g·kg-1。整体而言，土壤有机碳含量并不丰富，土壤全氮、全磷含量分别在 0.57～0.82、0.63～0.89 g·kg-1 之间，土壤含氮量处于欠缺状态。通过土壤 C/N、C/P、 N/P 分析，制约土壤养分供应能力的主要因素还是源于有机碳，这与灰漠土本身养分含量较低和在一定时期内通过磷肥有机替代、秸秆还田对土壤有机质、有机碳含量整体提升效果较慢有关。另外，受气候条件的影响对土壤碳氮磷化学计量特征的变化最为重要。通常 C/P 和 N/P 较低的原因是温带沙漠地区年均降水量、年均温度较低，受干旱低温的气候影响致使土壤磷的淋溶损失小，同时该气候条件下的初级生产力造成土壤中碳、氮含量相对较低，相对于土壤碳、氮来说，土壤磷的含量相对较高。因此，试验中土壤 C/P 和 N/P 较低的原因与我国新疆属于中温带干旱半干旱荒漠气候类型有关。
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注：*、** 分别表示相关显著（P<0.05）、相关极显著（P<0.01）。
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2.4 磷肥有机替代对棉花产量及其构成的影响
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连续 5 年长期定位试验棉花产量及其构成随磷肥不同比例的有机替代及秸秆还田有明显影响（表7），各配施有机肥和秸秆还田均增加了籽棉和皮棉产量，棉花的总铃数、单株成铃与单铃重呈升高趋势。籽棉产量表现 T6>T7>T5>T4>T3>T2>T1 的趋势，籽棉产量与 T1 处理相比，依次分别提高了 26.27%、21.14%、20.49%、5.24%、4.46%、1.58%，与 T2 处理相比，依次分别提高了 24.31%、19.26%、 18.62%、3.60%、3.02%、-1.55%，与 T3 处理相比，依次分别提高了 20.67%、15.76%、15.14%、0.57%、-2.93%、-4.44%。试验表明，T6 处理的籽棉产量达显著最高水平，皮棉产量也均高于其他施肥处理。T7、T5 处理的籽棉产量差异不显著，但显著低于 T6 处理。T4、T3 处理的籽棉和皮棉产量差异均不显著，但均显著高于 T2、T1 处理，T2、T1 处理间差异不显著。T6、T5、T7 处理下皮棉产量差异不显著，但均显著高于其他施肥处理，T3～T7 处理的棉花衣分显著高于 T1、T2 处理，其他处理间衣分无显著影响。磷肥有机替代和秸秆还田均能够维持或促进棉花增产，综合肥料投入、棉花产量等指标，50% 的有机替代能在减少磷肥用量的前提下对棉花的增产效果最好，在密度为 24 万株·hm-2 的试验种植模式下，50% 的有机替代其籽棉产量可达 4805.10 kg·hm-2，与 T1、T2、T3 相比，分别显著增产 20.49%、18.62%、15.14%。分析其棉花增产的原因是显著提高了单株成铃数和单铃重，50% 的有机替代处理能在节约化学磷肥的同时提高棉花单株成铃数和单铃重，进而促进棉花增产。综上所述，在棉田施肥管理中，应用 50% 的有机替代技术，即施磷（P2O5）60 kg·hm-2 和配施羊粪 9784 kg·hm-2，能最大潜力实现棉花减磷增效的目标。
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2.5 土壤化学性质与棉花产量的相关性
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对耕层土壤化学性质与产量的相关性分析 （图4），棉花产量与土壤速效养分、全量养分、有机质、有机碳含量均呈极显著正相关（P<0.01），说明各施肥处理均增加了土壤全量养分、速效养分、有机质、有机碳含量，进而在促进棉花生产能力方面发挥重要作用。棉花产量与土壤 pH、总盐含量呈负相关，相关系数分别为-0.30 和-0.14，说明相对较高的 pH 和总盐含量是限制棉花高效生产的主要因素。同时土壤 pH 与速效氮、有效磷、全氮、全钾含量均呈显著负相关（P<0.05），与速效钾呈极显著负相关（P<0.01），与土壤有机质、有机碳呈负相关，相关系数分别为-0.27 和-0.26，pH 与总盐呈显著正相关（P<0.05）。本试验区有机质含量的提高主要归结于施用有机肥和秸秆还田，在提高有机质含量的同时也增加了土壤全量养分、速效养分含量，有机质与土壤养分呈极显著正相关 （P<0.01）。速效养分和全量养分之间除速效氮与全磷、全磷与全钾呈显著正相关外（P<0.05），其余各养分间均呈极显著正相关（P<0.01）。
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图4 土壤化学性质与棉花产量的相关性
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注：*、** 分别表示指标间的相关性达显著（P<0.05）、极显著（P<0.01） 水平。
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3 讨论
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3.1 磷肥有机替代对土壤养分含量的影响
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速效养分在短期内可以被作物吸收利用，能反映土壤对养分的供应能力，其含量的高低是作物是否高产的关键指标[32]，全量养分作为土壤养分的 “库”，是土壤中各形态氮磷钾养分的总量，对土壤养分供应起重要作用。有机肥持有丰富的有机质和无机养分，配施后可以有效改善土壤物理环境，显著增加土壤微生物活性，促进养分循环与有机物质的分解，提升养分可利用效率，从而增加土壤肥力[33-34]。有研究表明，施用生物有机肥后，土壤的全氮、速效氮、有效磷、速效钾养分含量有明显提升[35-36]。本试验连续 5 年有机替代、秸秆还田后与 T1 处理相比，土壤速效养分、全量养分均显著提高，这与 Du 等[37]长期施用有机肥增加土壤总养分含量，提升了土壤矿化有机物质的能力和积极影响土壤肥力的研究结果一致。配施有机肥能够增加土壤有效磷含量[38]，有机肥替代化肥的比例越高，土壤有效磷含量也越高[39]，此结论与本试验结果相似。本试验中各施肥处理相比不施化学磷肥的 T1、T2 处理，显著增加了耕层土壤有效磷、全磷含量，配施有机肥处理的土壤有效磷含量整体高于未配施有机肥的处理，这与高菊生等[40]、刘星等[41]的研究结果一致，其原因是有机肥本身含有一定数量的有机质和有效磷，有机质可以减少对无机磷的固定，同时有机质的腐解过程产生了有机酸等物质，能溶解土壤中难溶性的磷，有机肥增强了土壤中相关微生物和酶的活性并能促进无机磷的溶解，最终增加了土壤有效磷含量[42]。相比 T3 处理显著增加了耕层土壤全氮、速效钾含量。配施有机肥、秸秆还田有利于促进土壤氮素转化过程，本试验有机替代、增施有机肥显著增加了耕层土壤全氮、速效氮含量，整体上增强了土壤的供氮能力，这与张国娟等[43]的研究结果一致。配施有机肥对土壤氮素的贡献优于秸秆还田，这与 Li 等[44]的研究结果一致，其原因可能是有机肥中有机质含量高且持有较丰富的糖等易被利用有机碳，致使对土壤微生物的促进作用大于秸秆，进而提高了土壤微生物的活性[45]，增强了对土壤碳氮养分的固持作用。
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3.2 磷肥有机替代对土壤有机质及总盐、pH 的影响
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本试验连续 5 年有机替代、增施有机肥、棉花秸秆全量还田均显著增加了耕层土壤有机质含量，这与常汉达等[46]、秦都林等[47]的研究结果一致。长期配施有机肥具有防治土壤酸化，稳定及降低土壤 pH 的作用[39，48]，本研究也表明连续 5 年有机替代、增施有机肥和秸秆还田均有降低耕层土壤 pH 的作用，与 T1 处理相比，25% 和 50% 的有机替代对降低耕层土壤 pH 效果显著，但各施肥处理间土壤 pH 的影响不明显，这与本试验田属石灰性土壤，其缓冲能力强、施肥年限短，造成土壤酸碱度变化幅度小有关。冯国艺等[49]研究表明，棉花秸秆还田可显著降低耕层土壤含盐量，与本研究结果一致。
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3.3 磷肥有机替代对土壤有效磷含量和土壤磷活化系数及 C/N、C/P、N/P 的影响
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本试验条件下，磷肥有机替代、增施有机肥和秸秆还田显著提高了土壤磷含量与磷素有效性，主要是有机肥施入土壤后，能促进无机磷的溶解，增加了土壤有效磷含量[42]，T5 处理下，羊粪投入量为 9784 kg·hm-2 时对土壤 PAC 提升效果最明显，土壤有效磷含量和 PAC 提升效果较佳，这与张珂珂等[50]、Zhang 等[51]的研究趋势一致。研究证明，C/N 影响秸秆的分解速率和养分释放，反映了土壤氮素矿化能力[52]，有机肥矿化速率与 C/N 呈显著负相关关系[53]，本试验中 T4 处理的 C/N 最低，为 7.15，整体上配施有机肥有利于增强土壤供氮能力，但各施肥处理 C/N 均处于较低水平，表明土壤有机质处于缺乏状态。粪肥中持有的磷素形态、有机物料的 C/P 等因素深刻影响着磷素对作物的增产作用[54]。本试验显示，T6、T7 处理的土壤 C/P 最低，施肥量分别在羊粪 4892.4 kg·hm-2、磷（P2O5）120 kg·hm-2（T6）和秸秆全量还田施磷（P2O5）60 kg·hm-2（T7）时，最有利于微生物分解有机质对养分的释放，对有效磷含量提升效果最明显。土壤 N/P 可用来判定土壤中养分的限制状况，是有机质可分解性的有效指标[31]，本试验 N/P 整体变化幅度较小，在 0.79～1.11 之间，试验土壤整体上倾向于受氮限制，对于配施有机肥而言效果相对较好。
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3.4 磷肥有机替代对土壤化学性质、棉花产量及其构成的影响
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已有研究表明，施用有机肥、棉花秸秆还田可以促使棉花增产[47，55]，本试验条件下各施肥处理均增加了籽棉和皮棉产量，T6 处理的籽棉产量达到显著最高水平，皮棉产量均高于各施肥处理， T7、T5 处理的籽棉产量差异不显著，但显著低于 T6 处理，综合肥料投入、棉花产量等指标，50% 的有机替代能节约磷肥用量且对棉花产量的提升效果最佳，显著高于 25% 的有机替代和单施化肥处理。本研究对耕层土壤化学性质与产量的相关分析表明，棉花产量与土壤 pH、总盐呈负相关关系，与有效磷呈正相关关系，这与粪肥具有后效效果对于土壤有效磷的提高可能是一个长期的过程有关[56]。本试验区有机质含量的提高主要归结于施用有机肥和秸秆还田，在提高有机质含量的同时也增加了土壤全量养分、速效养分含量，有机质含量与其土壤养分含量呈极显著正相关。分析棉花增产的主要原因是合理的有机肥替代量、秸秆还田能提高土壤有机质含量，提升土壤肥力，确保了整个生育时期棉株的养分供应并促进棉株对养分的吸收利用，进而提高棉花总铃数、单株成铃数和单铃重，而限制棉花增产的原因之一是相对较高的 pH 和盐含量，使土壤碱性化。
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4 结论
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（1）综合土壤养分、肥料投入、棉花产量指标，本研究认为在北方干旱区灰漠土棉田中实施 50% 的磷肥有机替代技术要比单施化肥能更好地提升土壤肥力，有利于加速土壤养分转化，增加全量养分、速效养分含量，并能够维持或促进棉花增产，即施磷（P2O5）60 kg·hm-2 和配施羊粪 9784 kg·hm-2 是一种节肥、增效、环保的施肥模式，能最大潜力实现棉花减磷增效的目标，值得推广应用。
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（2）相对较高的土壤 pH 和盐含量是限制棉花高效生产的主要因素，适度配施有机肥和秸秆还田能降低土壤 pH 和盐含量，促进土壤有机质、有机碳含量的提升，增强土壤供氮能力，其效果比单施化肥好。随着有机肥替代量的增加，磷素活化能力逐渐增强，应用 50% 的磷肥有机替代技术对土壤 PAC 的提升效果最强。
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摘要
新疆有机肥资源丰富，探索磷肥有机替代、秸秆还田的外源肥料投入对土壤化学变化、棉花产量及其构成的影响，为深入了解当前棉田肥力和确定棉花减磷增效的技术服务着力点提供参考依据。经国家灰漠土肥力与肥料效益监测基地 5 年田间微区定位试验，在膜下滴灌条件下设置 7 个施肥处理，T1：不施肥，T2：不施磷，T3：常规施化肥磷 100%，T4：有机肥磷替代 25% 化肥磷，T5：有机肥磷替代 50% 化肥磷，T6：化肥磷 100%+25% 有机肥磷，T7：化肥磷 100%+ 秸秆还田。于 2022 年采集土壤样品，探明不同比例磷肥有机替代、秸秆还田对土壤化学性质、磷素有效性特征和棉花产量及其构成的影响。研究结果表明：（1）在外源肥料投入量 （有机肥和化肥）均为等氮磷用量的条件下，磷肥有机替代、秸秆还田有利于加速土壤养分转化，增加土壤速效养分、全量养分含量。速效氮、有效磷、速效钾含量增幅分别在 3.0% ～ 25.3%、29.2% ～ 120.1%、70.1% ～ 99.1% 之间，各速效养分含量依次与外源肥料投入后增量最高的 T6、T5、T5 处理相比，年均分别增长 3.12、1.69、 30.75 mg·kg-1。全氮、全磷、全钾含量增幅分别在 21.1% ～ 43.9%、1.59% ～ 41.3%、9.3% ～ 33.6% 之间，各全量养分含量依次与外源肥料投入后增量最高的 T6、T6、T5 处理相比，年均分别增长 0.04、0.05、1.36 g·kg-1。整体上有机替代、增施有机肥和秸秆还田对促进土壤养分的转化效果比单施化肥好，且长期施用有机肥的效应优于秸秆还田。（2）耕层土壤有机质含量随有机肥替代量的增加而增加，50% 的有机替代其有机质含量显著最高 （12.21 g·kg-1），年均增长 0.4 g·kg-1，最小增量 T1 ～ T2 与最大增量 T1 ～ T5 相比，增加 1.04 ～ 3.44 g·kg-1，增幅为 11.86% ～ 39.22%，总体表现为正效应。相对较高的土壤 pH 和盐含量是限制棉花高效生产的主要因素，有机肥和秸秆还田对土壤 pH 和含盐量整体起到降低的作用，最大降幅 pH 的 T1 与 T5、盐含量 T5 与 T3 相比分别下降 3.07%、24.48%，总体表现为负效应。配施有机肥和秸秆还田增强了土壤供氮能力和磷素活化能力，土壤磷活化系数从 1.52% 提升到 2.78%。由于受新疆石灰性土壤自然特性及气候条件限制，综合 C/N、C/P、N/P 表明，灰漠土有机质处于缺乏状态。（3）磷肥有机替代和秸秆还田均能够维持或促进棉花增产，在密度为 24 万株·hm-2 的试验种植模式下，连续 5 年常规施肥、25% 的有机替代、50% 的有机替代、增施有机肥、秸秆还田其籽棉产量分别达 4173.13、4196.72、4805.10、5035.51、4830.98 kg·hm-2，综合土壤养分指标、肥料投入、棉花产量分析，50% 的有机替代在节约磷肥用量的前提下对棉花增产效果最佳，与 T1、T2、T3 相比，分别显著增产 20.49%、18.62%、15.14%。因此，研究认为当下应用 50% 的有机替代技术，即施磷（P2O5）60 kg·hm-2 和配施羊粪 9784 kg·hm-2，较为可行。
Abstract
Xinjiang was rich in organic fertilizer resources. This research aimed to explore the effects of organic replacement of phosphate fertilizer and exogenous fertilizer input of straw returning to field on soil chemical changes，cotton yield and its composition，so as to provide a reference for in-depth understanding of current cotton field fertility and determine the technical service focus of reducing phosphorus and increasing efficiency of cotton production. In this study，seven fertilization treatments were set up under the condition of membrane drip irrigation through the 5-year field micro-area positioning experiment of national gray desert soil fertility and fertilizer benefit monitoring station. Seven treatments were set up， including T1：no fertilization，T2：no phosphorus application，T3：100% fertilizer phosphorus application，T4：organic fertilizer phosphorus replacement 25% fertilizer phosphorus，T5：organic fertilizer phosphorus replacement 50% fertilizer phosphorus，and T6：fertilizer phosphorus 100%+25% organic fertilizer phosphorus，T7：fertilizer phosphorus 100%+ straw return to the field. Soil samples were collected in 2022 to investigate the effects of organic replacement of phosphorus fertilizer with different proportions and straw returning on soil chemical properties，phosphorus availability characteristics，cotton yield and its composition. The results showed that：（1）Under the condition that the amount of exogenous fertilizer nitrogen and phosphorus input（organic fertilizer and chemical fertilizer）was equal，the organic replacement of phosphate fertilizer and the return of straw to field could accelerate the transformation of soil nutrients and increase the content of soil available nutrients and total nutrients. The increases of available nitrogen，available phosphorus and available potassium content ranged from 3.0% to 25.3%，29.2% to 120.1% and 70.1% to 99.1%，respectively. Compared with the T6，T5 and T5 treatments with the highest increment after the application of exogenous fertilizer，the contents of each available nutrient were annually increased by 3.12，1.69 and 30.75 mg·kg-1 on average，respectively. Total nitrogen，total phosphorus and total potassium content increased by 21.1%-43.9%，1.59%-41.3% and 9.3%-33.6%，respectively. Compared with the T6，T6 and T5 treatments with the highest increment after the application of exogenous fertilizer，the contents of each total nutrient average annual increase rate were 0.04，0.05 and 1.36 g·kg-1，respectively. On the whole，the effect of organic replacement， increased application of organic fertilizer and straw returning to field was better than that of single chemical fertilizer，and the effect of long-term application of organic fertilizer was better than that of straw returning to field.（2）Organic matter content in the topsoil increased with the increase of organic fertilizer replacement amount. The maximum organic matter content of 50% organic replacement was 12.21 g·kg-1，with an average annual increase of 0.4 g·kg-1. The minimum increment of T1 and T2 increased by 1.04-3.44 g·kg-1，compared with the maximum increment of T1-T5. The increase rate was 11.86%- 39.22%，and the overall performance was positive. Relatively high soil pH and salt content were the main factors limiting the efficient production of cotton. The return of organic fertilizer and straw to the field could reduce soil pH and salt content as a whole. The maximum decrease of pH was T1 with T5 and salt content was T5 with T3，which decreased by 3.07% and 24.48%，respectively，showing a negative effect. Combined application of organic fertilizer and straw returning enhanced the nitrogen supply capacity and phosphorus activation capacity of soil，and soil phosphoras activation coefficient increased from 1.52% to 2.78%. Due to the limitation of calcareous soil and climatic conditions in Xinjiang，the C/N，C/P and N/P showed that the grey desert soil was in a state of lack of organic matter.（3）Organic replacement of phosphate fertilizer and straw returning could maintain or promote the increase of cotton yield. Under the experimental planting pattern with a density of 240000 plants·hm-2，the seed and cotton yield of conventional fertilization，25% organic replacement，50% organic replacement，increased application of organic fertilizer and straw returning to field reached 4173.13，4196.72，4805.10， 5035.51 and 4830.98 kg·hm-2，respectively，for 5 consecutive years. Comprehensive analysis of soil nutrient index， fertilizer input and cotton yield，50% organic substitution had the best effect on cotton yield under the premise of saving the amount of phosphate fertilizer，and significantly increased the yield by 20.49%，18.62% and 15.14%，compared with T1， T2 and T3，respectively. Therefore，the present study concluded that the application of 50% organic substitution technology， namely the application of phosphate（P2O5）60 kg·hm-2 and combination application of sheep manure 9784 kg·hm-2，is more feasible.
Keywords
cotton ； organic substitution ； chemical phosphate fertilizer ； soil chemical properties ； yield ； N/P