2023, Vol. 60
2. 新疆农垦科学院农田水利与土壤肥料研究所, 新疆石河子 832000;
3. 石河子大学农学院, 新疆石河子 832003;
4. 和布克赛尔蒙古自治县农业技术推广站, 新疆塔城 834400;
5. 以色列农业部吉拉特农业研究中心, 以色列 7505101
2. Research Institute of Farmland Water Conservancy and Soil Fertilizer, Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Sciences, Shihezi, Xinjiang 832000, China;
3. Agricultural College of Shihezi University, Shihezi, Xinjiang 832003, China;
4. Agricultural Technology Extension Station of Mongolian Autonomous County of Hoboksar, Tacheng, Xinjiang 834400, China;
5. Gilat Research Center, Agricultural Research Organization of Israel's Ministry of Agriculture, 7505101, Israel
我国土壤-作物体系的磷肥当季利用率很低，其主要原因是土壤铁、铝、钙、镁离子含量高，施入的磷肥很快被化学固定，黏土矿物、碳酸钙和铁铝氧化物等构成的土壤胶体颗粒对正磷酸根的物理吸附降低了肥料磷素在土壤溶液中的活度[1-2]；同时磷肥性质与土壤类型-作物体系的不匹配以及过量施磷肥导致土壤磷素大量累积，在提高土壤有效磷含量的同时也抑制了作物高效吸收利用磷的生物学潜力的发挥[3-5]。
提高磷肥利用率有多种途径。根区集中施磷，通过磷肥条施或者应用水肥一体化进行根区施肥、磷肥与生理酸性肥料（例如硫酸铵）混合条施、磷肥在土壤孔隙度最大的阶段通过滴灌分期施用等，可以提高水肥利用效率[6]。通过磷肥与土壤-作物体系匹配，在碱性土壤中选择酸性磷肥或在酸性土壤上选用碱性磷肥[3]；对于根系活化磷能力强的作物（如澳洲坚果、油菜、豆科作物）配施钙镁磷肥等枸溶性磷肥[7-8]。施用生物有机肥，强化有机物料和解磷微生物、菌根真菌菌剂的综合效应，在磷肥中添加螯合剂或酸性物质减小正磷酸根在土壤中有效性的降低。然而，采用上述方法时如果不考虑减少磷肥用量是难以大幅度提高磷肥利用率的。
土壤供磷强度过高、过低均不利于作物磷高效活化吸收利用的生物学潜力发挥，仅有在适宜的供磷强度下（即有效磷的农学阈值附近，大多数旱作粮食作物为15~20 mg·kg–1）作物根系形态、生理、解磷微生物的功能、菌根真菌菌丝生物量等磷吸收利用相关的性状才能达到相对最佳状态，此时作物可实现85%~90%的产量潜力[4-5，9-10]。在过去的40年间，由于过量施肥我国农田土壤磷素肥力有了极大提升（有效磷平均为24.7 mg·kg–1）[11]，当前35%的农田土壤有效磷较低（低于15 mg·kg–1）、45%的农田土壤有效磷处于适宜水平（15~25 mg·kg–1），另有约20%农田土壤有效磷较高（大于25 mg·kg–1）。这意味着我国通过大量施用磷肥提升土壤磷素肥力的阶段性任务已基本完成，当前农田的磷肥用量推荐应当在考虑作物目标产量需磷量和将土壤有效磷供应强度维持在20 mg·kg–1这两个前提下来进行总量控制，从而大幅度提高磷肥利用效率[12]。当前农业生产中磷肥用量远远大于作物目标产量的需磷量，如果上述假设能够获得验证，就有可能大幅度降低作物生产中的磷肥用量、提高磷肥利用效率。
磷酸一铵（NH4H2PO4）是应用最广泛的高浓度磷肥之一，pH为3~5，在石灰性土壤上的肥效通常高于过磷酸钙、磷酸二铵等磷肥[13-14]。磷酸脲（CO（NH2）2·H3PO4）易溶于水，pH 1.6~2.4，呈强酸性，施入土壤后可降低土壤pH、减少石灰性土壤对磷的固定。聚磷酸铵（（NH4）（n+2）PnO（3n+1））施入土壤后能逐步水解为正磷酸盐，避免了土壤对磷的快速固定，能增加磷肥在土壤中的移动距离[15-16]。因此，本文以中等供磷强度（有效磷23.6 mg·kg–1）的灰漠土-膜下滴灌棉花体系为具体场景，通过两年的田间试验验证如下假设：在土壤供磷强度处于农学阈值附近时，通过施用移动性与土壤固定率不同的高浓度水溶肥磷酸一铵、强酸性肥料磷酸脲和缓释肥聚磷酸铵，将棉花生育期内根区的供磷强度维持在适宜范围，控制磷素输入-输出基本平衡，维持收获后土壤磷素肥力不降低，从而实现作物高产和磷肥高效利用的目标。
1 材料与方法 1.1 试验概况试验于2018年和2019年在新疆石河子新疆农垦科学院试验田（44°31′33″N，85°99′16″E）进行。试验区海拔450 m，属典型的温带大陆性干旱气候，年均≥10℃积温3 650℃，年均降水量166 mm。供试土壤为壤质灰漠土，耕层土壤有机质13.8 g·kg–1，铵态氮3.1 mg·kg–1，硝态氮7.5 mg·kg–1，全氮0.90 g·kg–1，有效磷（Olsen-P）23.6 mg·kg–1，速效钾378 mg·kg–1，pH 8.20，电导率242 µS·cm–1。供试棉花品种为新石K18（Gossypium hirsutum，var. Xinshi K18），以“干播湿出”的方式分别于2018年4月21日和2019年4月25日播种。种植模式为膜下滴灌，一膜6行3条滴灌带，株距10 cm，播幅内宽、窄行距配置为（20+55+20+55+20 cm）。滴灌带滴头流量为2.0 L·h–1，播种后滴出苗水，6月10日左右滴第2水，之后视棉花长势每7~10天灌溉1次，8月下旬停水，全生育期灌溉10次，单次灌水量300~450 m3·hm–2，生育期总灌溉量4 500 m3·hm–2。棉花化控、打顶及其他管理措施按照生产实际进行。
1.2 试验设计皮棉目标产量为2.7~3.0 t·hm–2时，棉花地上部吸磷量为43.2~64.2 kg·hm–2（以P计，下同）[17]，前期研究发现皮棉产量2.7 t·hm–2时地上部吸磷量约48.0~50.2 kg·hm–2。本研究的目标产量为2.7 t·hm–2，根据磷素输入-输出平衡原则，磷肥施用量设为52.4 kg·hm–2（P2O5120 kg·hm–2）。试验设4个处理，重复4次，共16个试验小区，小区面积72 m2。4个处理分别为：不施磷肥（CK）；滴施磷酸一铵52.4 kg·hm–2（MAP，含氮12%，含P2O5 61%，湖北祥云（集团）化工股份有限公司）；滴施磷酸脲52.4 kg·hm–2（UP，含氮17%，含P2O5 44%，四川胜丰磷化工有限责任公司）；滴施聚磷酸铵52.4 kg·hm–2（APP，含氮18%，含P2O5 58%，云南天耀化工有限公司）。根据李青军[18]的研究结果，蕾期和花铃期滴施磷肥能够提高磷肥在土壤中的迁移距离、提高磷肥当季利用率，因此，本研究施磷处理的磷肥在棉花蕾期（1次，50%）和花铃期（1次，50%）分两次随水滴施，磷肥带入的氮素计入总的施氮量。棉花整个生育期内，施氮肥225 kg·hm–2（以N计），施钾肥75 kg·hm–2（以K2O计），试验所用氮肥为尿素，钾肥为硫酸钾。棉花蕾期滴施15%氮肥，初花期滴施15%氮肥，盛花期滴施氮肥20%，花铃期滴施氮肥30%、滴施钾肥50%，盛铃期滴施氮肥20%、滴施钾肥50%。
1.3 取样与分析方法为评价基于作物需求与磷肥用量平衡的磷肥管理能否保障棉花根区土壤供磷强度，开展了动态采样。（1）基础土样：2018年5月20日（开始施磷肥前）在每个小区采集基础土壤，每个小区随机取3个点混合为一个样品，取样深度分为0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm和20~30 cm四个土层。（2）生育期取样：分别于2018年棉花花铃期（7月11日）和2019年棉花花铃期（7月24日）取地上部样品测定植株生物量，同时在每个小区取土壤剖面样品测定有效磷，在每个小区棉花窄行间随机取3个点混合为一个样品，取样深度分为0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm和20~30 cm四个土层。（3）成熟期采样：为了更加细致地研究磷在表层土壤中的移动特征，于2019年棉花吐絮期，在滴头位置下方分4层取0~2 cm、2~4 cm、4~6 cm和6~10 cm土壤样品（取样位置见图 1）；同时取滴头对应位置（图 1 A点和图 1D点）和远离滴头位置（图 1 B点和图 1C点）棉花植株上部未衰老的叶片，测定磷浓度。
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图 1 滴头下土壤分层取样示意图 Fig. 1 Schematic diagram of soil layer sampling under the dripper |
测产方法：棉花成熟期（2018年9月23日和2019年9月25日），在每个小区随机采集5株棉花地上部样品，按照器官分开烘干称重；同时在各试验小区调查6.67 m2内棉花株数和铃数，并随机采收小区内植株上、中、下层棉花共100朵，测单铃生物量和衣分，计算产量。
土壤和植株样品测量方法：所有土壤样品风干，过孔径1 mm筛后待测。土壤有效磷用pH 8.5的0.5 mol·L–1 NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定。植株样品105℃杀青后，70℃烘干至恒重。植物样品粉碎后过孔径0.5 mm的筛，用浓H2SO4-H2O2消煮，钒钼黄比色法测定样品磷含量，根据成熟期棉花各器官的生物量和磷含量计算作物吸磷量。2018年花铃期所取土壤样品，按照Guppy法[19]进行磷分级，测定土壤中树脂磷（Resin-P）、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、HCl-Pi和残渣磷（Residual-P）的含量。
1.4 磷肥效率计算磷素表观平衡用于表征磷肥在农田的盈余状况。用收获时作物地上部磷素吸收量与磷肥用量的百分比反映农田磷素输入与输出的平衡状况，将此指标定义为当季磷肥回收率（P recovery index，PRI）。PRI等于100%表示农田磷素输入与输出处于平衡状态，小于100%代表存在磷盈余，大于100%则表示土壤磷素存在耗竭。在维持土壤供磷强度稳定的前提下，PRI越接近100%表示作物对磷肥的当季利用率越高[20]，PRI数值越低则说明作物对磷肥的回收率越低。PRI同时受作物吸磷量和施磷量影响，能够反映作物产量水平、磷肥吸收效率和利用效率等综合效应。磷肥当季利用率（PUE）是磷肥利用效率最常用的一个综合评价指标，受磷肥性质、施肥区和空白区作物产量水平、吸磷量以及施磷量等因素影响。磷肥偏生产力（PFP）反映了施用磷肥的作物生产率，受产量水平和施磷量的影响。磷肥农学效率（AEP）是施肥增产效应的综合体现，磷肥施用量、管理措施均会影响磷肥的农学效率。上述各指标的计算公式如下：
磷素表观平衡/（kg·hm–2）=施磷量/（kg·hm–2）–作物吸磷量/（kg·hm–2）；
当季磷肥回收率/%=施磷区作物吸磷量/（kg·hm–2）/施磷量/（kg·hm–2）×100；
磷肥当季利用率/% =（施磷区作物吸磷量/（kg·hm–2）–不施磷区作物吸磷量/（kg·hm–2））/施磷量/（kg ·hm–2）×100；
磷肥偏生产力/（kg·kg–1）=施磷区皮棉产量/（kg·hm–2）/施磷量/（kg ·hm–2）；
磷肥农学效率/（kg·kg–1）=（施磷区皮棉产量/（kg·hm–2）–不施磷区皮棉产量/（kg·hm–2））/施磷量/（kg·hm–2）。
1.5 数据处理与统计分析数据用Microsoft Excel 2016进行整理，用SAS 9.4软件进行统计分析，所有结果作图采用SigmaPlot（Version 14.0）软件完成。用单因素方差分析和多重比较（最小显著差异法，LSD）分析各年份不同施肥处理对棉花产量、地上部生物量、地上部吸磷量、磷肥利用效率等指标的影响。使用配对数据T检验分析滴头对应位置和远离滴头位置棉花叶片磷浓度的差异，确定有效磷空间分布对棉花磷营养的影响。使用SigmaPlot对耕层土壤有效磷分布及磷分级进行可视化，据此分析棉花根区土壤供磷强度的变化。将不同处理滴头下0~10 cm土层同一深度和同一位置4个重复的有效磷取平均值，根据平均值和空间位置（水平位置和土层深度），在SigmaPlot中做有效磷分布的2D图像，图像中横轴代表取样点和滴头的位置关系，纵轴代表不同土层深度，颜色表示有效磷值的大小。
2 结果 2.1 不同磷肥品种对皮棉产量和地上部生物量的影响施磷肥显著提高了皮棉产量，不同磷肥处理的皮棉产量有显著差异（P < 0.001）。2018年，MAP、UP和APP处理的皮棉产量较CK处理分别提高13.7%、20.1%和11.5%，其中UP、APP处理与CK不施磷肥之间差异显著，而APP处理与CK之间无显著差异。2019年，MAP、UP和APP处理的皮棉产量较CK处理分别提高29.1%、31.3%和10.9%，MAP和UP处理的皮棉产量显著高于CK和APP处理（图 2）。
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注：CK：不施磷肥；MAP：施用磷酸一铵；UP：施用磷酸脲；APP：施用聚磷酸铵。不同小写字母表示同一年份不同处理间差异显著（P < 0.05）。下同。 Note: CK: without P fertilizer; MAP: mono ammonium phosphate; UP: urea phosphate; APP: ammonium polyphosphate. Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments in the same year(P < 0.05). The same as below. 图 2 不同磷肥品种处理皮棉产量的比较 Fig. 2 Lint yield in different P fertilizer type treatments |
在2018年播种后68 d，不同磷肥品种处理的棉花地上部生物量无显著差异（P=0.77），短时间内（第一次施肥一周后）施用不同磷肥对棉花的生长无显著影响；播种后81 d，施磷肥处理的生物量显著高于不施磷肥处理（P=0.006，图 3a）；播种155 d后，与CK相比，MAP、UP和APP处理的地上部生物量分别增加了16.7%、30.2%和29.7%（P=0.009，图 3a）。2019年播种90 d后，UP和APP处理的地上部生物量显著增加，较CK提高了24.1%和32.4%（P=0.024，图 3b）；播种后153 d，与CK相比，MAP、UP和APP处理的地上部生物量分别增加了19.5%、23.6%和19.7%（P=0.009，图 3b）。
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注：不同小写字母表示相同生长阶段不同处理间差异显著（P < 0.05），ns表示无显著差异。 Note: Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments(P < 0.05), ns mean no significant differences. 图 3 不同磷肥品种处理2018年（a）和2019年（b）地上部生物量的比较 Fig. 3 Above-ground biomass in different P fertilizer type treatments in 2018(a)and 2019(b) |
施用磷肥显著提高了棉花的地上部吸磷量（P < 0.001）。2018年，与CK相比，MAP、UP和APP处理的地上部吸磷量增加了31.4%、36.0%和35.2%，不同磷肥品种处理的地上部吸磷量之间无显著差异（图 4）。2019年，MAP、UP和APP的地上部吸磷量分别较CK显著增加30.0%、36.3%和35.1%，UP处理的地上部吸磷量显著高于MAP处理（图 4）。
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图 4 不同磷肥品种处理地上部吸磷量的比较 Fig. 4 Shoot P content in different P fertilizer type treatments |
滴施不同磷肥处理的磷素表观平衡无显著差异（表 1），磷盈余量在2.2~4.8 kg·hm–2。2018年，UP处理的磷肥偏生产力显著高于MAP和APP处理7.6%和8.5%；2019年MAP和UP处理的磷肥偏生产力相当，分别高于APP处理14.0%和15.3%（表 1）。2018年，UP处理磷肥的农学效率最高，较MAP和APP处理高66%和79%；2019年MAP和UP处理磷肥的农学效率分别较APP处理高1.4倍和1.5倍。2018年和2019年，UP处理的磷肥当季利用率均最高，分别为25.5%和25.6%，MAP的磷肥当季利用率平均较UP处理低3.9个百分点，APP处理的磷肥当季利用率介于UP和MAP处理之间。2018年，三种肥料处理的当季磷肥回收率为92.6%~95.8%，2019年当季磷肥回收率为90.0%~95.3%（表 1）。
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表 1 不同处理的磷表观平衡、磷肥偏生产力、磷肥农学效率、磷肥当季利用率和当季磷肥回收率 Table 1 Phosphorus balance, partial productivity of P fertilizer, agronomic efficiency, P use efficiency, and P recovery index in different treatments |
综合2018年和2019两年的结果，UP处理的磷盈余为2.3 kg·hm–2，低于MAP处理（4.4 kg·hm–2）；MAP、UP和APP处理的磷肥偏生产力分别为53.0、54.9和48.7 kg·kg–1；UP处理的磷肥农学效率最高，为10.8 kg·kg–1，MAP为8.5 kg·kg–1，APP最低，仅有5.0 kg·kg–1；UP处理的磷肥当季利用率最高，为25.6%，MAP处理最低，为21.7%，APP处理为24.8%；UP处理的当季磷肥回收率最高，达到95.6%，APP处理为94.8%，MAP处理最低，为91.7%。
2.3 不同磷肥品种对土壤有效磷及不同形态磷含量的影响施磷肥显著提高了0~20 cm土层的有效磷。试验开始前0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm和20~30 cm土层有效磷分别为26.1、26.6、27.9和25.1 mg·kg–1（图 5a）。2018年，第二次施磷肥2周后，MAP、UP和APP处理0~5 cm土层的有效磷较CK提高了148%、117%和275%；5~10 cm土层的有效磷较CK提高了157%、126%和92%；10~20 cm土层的有效磷较CK提高了35%、32%和10%；在MAP处理中，20~30 cm土层的有效磷较CK提高了24%，而UP和APP处理中，20~30 cm土层的有效磷分别降低了2.6 mg·kg–1和3.7 mg·kg–1（图 5b）。2019年，第二次施磷肥2周后，MAP、UP和APP处理0~5 cm土层的有效磷较CK提高了87%、69%和330%；5~10 cm土层的有效磷较CK提高了132%、81%和116%；10~20 cm土层的有效磷较CK提高了68%、51%和125%；在MAP和APP处理中，20~30 cm土层的有效磷较CK提高了38%和62%，而UP处理中20~30 cm土层的有效磷降低了5.4 mg·kg–1（图 5c）。
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图 5 施肥前（a）、2018年（b）和2019年（c）不同处理土壤有效磷的垂直分布 Fig. 5 The vertical distribution of soil Olsen-P before fertilization(a), 2018(b)and 2019(c) |
在2018年第二次施磷肥2周后，测定了0~30 cm土层不同形态无机磷的含量。在0~5 cm土层，UP和APP处理的树脂磷（Resin-P）比例显著高于CK；MAP、UP和APP处理中，NaHCO3-Pi、NaOH-Pi均显著高于CK，而三个施肥处理之间无显著差异；HCl-Pi的比例在CK处理中最高，在APP处理中最低。在5~10 cm土层中，MAP和APP处理的Resin-P高于UP和CK处理；NaHCO3-Pi和NaOH-Pi的变化规律与0~5 cm土层一致；HCl-Pi的比例在CK处理中最高。在10~20 cm土层，UP处理的Resin-P比例显著高于APP和CK，而MAP处理的Resin-P比例介于UP和APP之间。总之，滴施磷肥能够提高0~10 cm土层的Resin-P、NaHCO3-Pi和NaOH-Pi，磷肥在垂直迁移过程中仍能保持较高的有效性，说明田间条件下基于作物需求与磷肥用量平衡的磷肥管理能够保障棉花根区土壤供磷强度（图 5，图 6）。
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注：不同小写字母表示同一土层相同形态磷的比例在不同处理间差异显著（P < 0.05）。Resin-P：树脂提取态磷；NaHCO3-Pi：碳酸氢钠提取态无机磷；NaOH-Pi：氢氧化钠提取态无机磷；HCl-Pi：盐酸提取态无机磷；Residual-P：残渣磷。 Note: Different lowercase letters indicate significant differences in P fertilizer type treatments in the same P forms under the same soil layer(P < 0.05). Resin-P: resin-extracted P, NaHCO3-Pi: sodium bicarbonate-extractable inorganic P, NaOH-Pi: inorganic P extracted in sodium hydroxide, HCl-Pi: inorganic P extracted in hydrochloric acid, Residual-P: residual P fraction. 图 6 不同处理各土层不同形态磷所占的比例 Fig. 6 The proportion of different P forms in each soil layer under different P fertilizer type treatments |
在2019年棉花吐絮期，分析了滴头下方10厘米土层有效磷的空间分布。结果表明，不施磷肥处理6~10 cm土层出现了磷消耗区，有效磷降低6 mg·kg–1。MAP处理磷素主要累积在0~4 cm土层，其有效磷较CK处理增加了13 mg·kg–1，而6~10 cm土层的有效磷仅增加了5 mg·kg–1。滴施磷酸脲在土壤中的垂直移动距离大于磷酸一铵，6~10 cm土层有效磷增加了9 mg·kg–1。聚磷酸铵在土壤中的移动性最好，6~10 cm土层有效磷较CK增加了13 mg·kg–1（图 7e-h）。表层土壤有效磷的空间分布与滴头位置密切相关（图 7）。UP处理滴头正下方4~6 cm区域出现了明显的有效磷富集区；APP处理形成了以滴头位置为中心的有效磷富集区，在两个滴头中间的位置6~10 cm土层有效磷增加幅度较小（图 7）。通过测定滴头位置（图 7，位置A和D）和远离滴头位置（图 7，位置B和C）棉花叶片的磷浓度发现，CK和MAP处理中，滴头位置和滴头远端位置棉花叶片磷浓度比较接近，UP和APP处理中，滴头位置的叶片磷浓度分别较远离滴头位置提高了11.3%和10.5%（图 7a-d）。上述结果说明，磷的空间有效性能够影响棉花的磷营养。
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注：A和D代表滴头位置，B和C代表远离滴头位置。 Note：A and D：dripper position；B and C：away from the dripper. 图 7 不同处理滴头下0~10 cm土层有效磷的空间分布以及不同位置棉花叶片的磷浓度 Fig. 7 The spatial distribution of Olsen-P in the 0~10 cm soil layer and cotton leaf P concentration at different locations under different P fertilizer treatments |
有效磷接近农学阈值的土壤上，根据皮棉目标产量的吸磷量施用52.4 kg·hm–2磷肥，既能维持土壤的供磷强度、满足棉花需求，也能在保证高产的同时实现磷素的输入-输出平衡并提高磷肥利用效率。有效磷23.6 mg·kg–1（略高于农学阈值）土壤上施用52.4 kg·hm–2磷肥，棉花花铃期（施肥两周后）根区（窄行间滴灌带下方）0~30 cm土层的平均有效磷达到了42 mg·kg–1，能够保证作物生长季土壤的供磷强度（图 4，图 5，图 6）。MAP、UP和APP处理的皮棉产量分别达到了2.77、2.88和2.55 t·hm–2，平均为2.73 t·hm–2，高于2019年新疆平均皮棉产量（1.97 t·hm–2）[21]，这说明基于磷素输入-输出平衡的磷肥管理能满足作物生长对磷素的需求，皮棉产量处于较高水平。皮棉目标产量2.7~3.0 t·hm–2水平下棉花地上部吸磷量在43.2~64.2 kg·hm–2 [17]，前期研究发现皮棉产量2.7 t·hm–2时棉花地上部吸磷量为48.0~50.2 kg·hm–2，与本文的结果（49.3 kg·hm–2，图 4）相近，UP和APP处理基本实现了磷的输入-输出平衡（表 1）。李青军等[10]利用新疆测土配方施肥的数据计算表明，滴灌条件下新疆棉花的磷肥利用率为17.1%；袁芳等[22]发现，皮棉产量2.5 t·hm–2水平下，施磷32.7 kg·hm–2时磷肥利用率为21.9%，施磷65.5 kg·hm–2时磷肥利用率仅为14.5%。在本研究中基本实现了磷素的输入-输出平衡，MAP、UP和APP处理的磷肥当季利用率为21.1%~25.6%（平均24.0%），当季磷肥回收率达到90.9%~95.8%（表 1）。
3.2 滴施强酸性、缓释磷肥能在磷素输入-输出平衡条件下维持土壤供磷强度增加滴施磷肥的移动距离、降低磷肥有效性的损失是磷素输入-输出平衡条件下保证棉花生育期内根区磷素供应的基础。棉花根系和菌根主要分布在5~30 cm范围，而传统的观点认为滴施磷肥主要聚集在土壤表层、很难到达根系和菌根的主要生长区域，导致磷肥利用率难以提高[4-5，23-24]。最近有研究表明，滴灌条件下水溶性磷肥随饱和流从土壤孔隙向下移动，最远可到达15~20 cm土层[18，25]，石灰性土壤上滴施酸性肥料或者缓释磷肥，磷的移动距离还能进一步增加[26]。本研究在棉花蕾期和花铃期集中滴施强酸性/缓释磷肥磷酸脲或聚磷酸铵，磷的垂直移动距离可达到20 cm土层（图 5，图 6，图 7），能保证棉花生育期内的土壤供磷强度。
连续滴施磷酸脲2年后，根区0~20 cm土层有效磷显著增加（图 5c），滴施聚磷酸铵可显著提高根区0~30 cm土层有效磷的含量，耕层Resin-P和NaHCO3-Pi比例也大幅度提高（图 6）。在滴头下方0~10 cm土层中，UP处理5~10 cm土层的有效磷更高，APP处理在滴头下方形成了一个有效磷富集区且5~10 cm土层Resin-P的比例也显著提高（图 7）。上述结果说明滴施强酸性肥料磷酸脲或缓释肥料聚磷酸铵均能使磷肥移动至棉花根系分布的主要土层，提高了有效磷分布和棉花根系分布的匹配程度[4-5，18，23-24]。磷酸脲施入土壤后能降低局部pH[27]，减少Ca2+对磷酸根的固定，增加磷肥在土壤中的移动距离、保证棉花根区养分供应。以往的研究也证明，滴施磷酸脲可促进作物根系生长、增加磷吸收[28]，减少棉铃脱落、增加单铃重，促进棉花增产[29]。聚磷酸铵施入土壤后当季并不能完全分解[30]，这减少了土壤黏粒和金属离子对磷素的吸附与沉淀[31-32]，提高磷在土壤中的迁移距离、维持棉花生育期内耕层土壤的供磷强度（图 5，图 6）。以往的研究中施用聚磷酸铵能促进作物生长和磷吸收[33]，但是本研究中APP处理的增产效果不理想（图 2，图 3，图 4）。可能是蕾期和花铃期滴施的聚磷酸铵短时间内不会完全分解[31]，导致后期供磷过多（图 5，图 7）延迟了棉花的生育进程[34]，降低了棉花产量。
3.3 磷肥利用率的评价方法在本研究基于作物需求与磷肥用量平衡的磷肥管理中，根据皮棉目标产量吸磷量确定磷肥施用量，通过磷肥性质与土壤类型-作物体系的匹配并调整磷肥的施用时间和频率，基本实现了磷素的输入-输出平衡，磷肥当季利用率为21.1%~25.6%，当季磷肥回收率达到90.9%~95.8%（表 1）。该结果表明，在磷肥输入-输出平衡条件下施入土壤的磷肥绝大部分已被作物地上部回收，但是差减法计算的磷肥当季利用率仍然不超过26%（表 1）。实际上施磷肥处理的地上部吸磷量已接近施磷量，在这种情况下磷肥的当季利用率如此之低，显然是不合理的。
目前对作物磷肥利用率的评价主要有两种方法，即差减法计算的当季利用率[35]和磷素输入-输出比值计算的回收率[20，36]。利用差减法计算的磷肥当季利用率通常仅有10%~15%[35]，其原因有以下几点。首先，差减法计算磷肥当季利用率高度依赖于不施磷肥处理的吸磷量。土壤有效磷较高时，不施磷肥处理的产量与吸磷量也较高，差减法计算的磷肥当季利用率会随着土壤有效磷浓度的增加而降低[10]，低产田的磷肥当季利用通常要高于高产田[35]。其次，差减法计算磷肥当季利用率时，作为分母的施磷量越高则磷肥利用率越低[22]。用差减法计算磷肥当季利用率并据此确定磷肥施用量是低肥力条件下以培肥土壤为目标的一种磷肥管理策略，有利于通过磷肥的累积提高土壤有效磷水平。然而，在我国农田土壤有效磷普遍提升至农学阈值附近甚至高于农学阈值的背景下，再继续采用该方法评价磷肥的利用效率将不利于作物磷高效吸收利用的生物学潜力发挥，也不利于磷肥绿色增效和磷资源的可持续利用。
利用磷肥输入与作物磷素吸收输出平衡的原则计算的当季磷肥回收率能在更大程度上反映磷肥在土壤中的固定和累积，在磷肥的管理中应该得到更广泛的应用[20，36]。首先，平衡法计算当季磷肥回收率并据此确定磷肥推荐用量能够兼顾作物产量水平、磷肥吸收效率和利用效率等综合效应[20]。本研究根据作物产量水平和养分吸收量确定磷肥用量能实现磷肥的投入量与作物的吸收量基本保持平衡，当季磷肥回收率达到90.9%~95.8%（表 1），较好地反映了磷肥的实际利用效率。其次，用平衡法计算当季磷肥回收率并据此进行磷肥管理能将土壤有效磷维持在有利于作物磷高效利用的生物学潜力发挥的水平，这将大幅度提高磷肥利用效率。在本研究施肥处理根区0~20 cm土层的有效磷均有不同程度增加（图 5），棉花成熟期远离施肥位置（滴头）的土壤有效磷也并未降低（图 7），说明基于作物需求与磷肥用量平衡的磷肥管理能较好地维持土壤磷素肥力。此外，基于平衡法计算的当季磷肥回收率确定磷肥推荐用量可降低磷肥施用量，减少磷盈余，减轻磷资源和环境污染的压力。本研究中磷肥的施用量降至52.4 kg·hm–2，较新疆棉田的平均施磷量[37]减少了18.6 kg·hm–2，能将土壤磷素盈余控制在2.5 kg·hm–2以内，极大地降低了环境风险。
综上所述，磷肥高效管理中应该使用多个磷肥效率评价指标，综合考虑目标产量水平、土壤供磷强度、磷素输入-输出平衡、磷肥农学效率、当季磷肥回收率等因素，全面评价磷肥效率。未来的磷肥管理策略应该以维持土壤有效磷供应水平处于农学阈值附近，即以满足作物生长和维持土壤供磷能力、发挥作物磷高效吸收利用的生物学潜力的需求为依据确定施磷量，在石灰性土壤上选择强酸性、缓释或者生理酸性磷肥并在作物生育前期集中施用[10，20，38]，将有助于实现土壤磷的输入-输出平衡和磷肥高效利用。
4 结论将土壤有效磷维持在农学阈值附近、根据棉花目标产量的需磷量确定磷肥施用量，在石灰性土壤上选择强酸性、缓释磷肥磷酸脲或者聚磷酸铵，并于作物生育前期集中施用，可维持土壤供磷强度并发挥作物磷高效吸收利用的生物学潜力，能在磷素输入-输出平衡的条件下实现作物高产和磷肥高效。根据平衡法计算的当季磷肥回收率可达到96%，较好地反映了磷肥的实际利用效率。
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