膜下滴灌棉花氮素优化管理方法初报

董鹏，危常州，王娟，郭永盛

膜下滴灌棉花氮素优化管理方法初报

董鹏，危常州，王娟，郭永盛

（石河子大学农学院／新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，石河子832003）

在研究膜下滴灌条件下，设置了农民习惯施氮、过量施氮、基于无机氮储量（Nmin）的氮素推荐施肥以及基于计算机视觉的氮素营养诊断和氮素推荐施肥技术（Ncv）四种管理模式，比较研究了几种氮素管理模式方法对棉花的产量及氮素吸收量的影响，并推荐优化氮素管理的方法。试验设置了农民习惯施氮、过量施氮、基于无机氮储量（Nmin）的氮素推荐施肥以及基于计算机视觉的氮素营养诊断和氮素推荐施肥技术（Ncv）四种管理模式，并比较各种模式下作物的产量和氮素吸收量。结果表明：基于计算机视觉的氮素营养诊断施肥技术和基于土壤Nmin的优化氮肥管理模式比农民习惯施肥模式分别减少了氮肥施肥量37.8%和56.3%；但产量与常规施肥量相同；且营养器官和生殖器官氮素吸收量均无显著差异。Nmin和Ncv两种氮素管理方法可以优化作物氮素管理，大幅度节约氮素投入，提高氮肥利用率，是膜下滴灌条件下较好的氮素管理方法。

棉花；氮素管理；方法；产量；吸氮量

氮素是影响棉花产量最活跃的营养元素之一，棉花生产中氮素的合理运筹可在提高棉花产量、品质的同时，提高氮素利用率，减少因过量施氮所造成的环境污染［1］。合理施肥提高氮肥利用率是农业生产的重要管理目标。关于棉花生产中氮素运筹问题，前人已从不同角度进行了研究，如棉花统计施肥模型［2］，精确施肥技术［3－4］，施肥管理专家系统［5］以及特定栽培模式下施肥方案［6－7］等。王平等［8］的研究结果显示新疆农民平均施氮量已达346～432 kg／h m2，大大超过当年棉花的实际需氮量［9］和棉花高产适宜推荐施氮量［10］。不少研究表明，施氮量在300 kg／h m2以上时，氮肥的增产效果已经不再显著［10］。施肥过多不仅导致其利用率降低，而且造成棉株营养器官茂盛，棉株虽可获得较大的干物质和氮素累积，但不能适时向生殖器官转移，从而导致棉花产量降低，且增加田间管理难度［11－12］。过量施用氮肥会导致作物收获后土壤累积大量的硝态氮［13］。由于膜下滴灌技术在新疆棉花生产中的推广应用，棉花的种植面积迅速扩大，迫切需要一套合理的氮肥推荐方法。

本研究通过对几种氮肥管理方法下氮肥施肥量、棉花产量和氮素吸收进行系统分析，目的在于为棉花氮肥优化施肥管理方法提供一种较为优化的氮肥追肥管理方法。

1 材料与方法

1.1 试验区域基本情况

试验于2009、2010年在石河子大学农学院试验站大田中进行。试验地位于东经86°05′93″，北纬44°31′50″，前茬作物2009年为棉花，2010年为番茄，秋灌的灌量为900 m3／h m2。

试验地土壤质地为中壤土，有机质17.27 g／kg，全氮0.71 g／kg，碱解氮81.9 mg／kg，速效磷18.44 mg／kg，速效钾155.45 mg／kg。

1.2 方法

1.2.1 试验方案

试验设置5种氮肥管理方法模式，包括：

1）不施肥的对照（N0）；

2）农民习惯施氮量（FP）。施 N 360 kg／h m2，其中基肥占1／3，该施肥量与目前普遍产量棉田接近；

3）基于Nmin的氮肥管理（Nmin）。生育期根据土壤无机氮储量（Nmin）测试值结合棉花实现目标产量需氮量推荐各阶段氮肥追肥量，不施用基肥；

4）过量施氮（NO）。施 N 420 kg／h m2，基肥占1／3，该施肥量与目前新疆兵团团场高产施肥接近；

5）基于计算机视觉的氮素管理（Ncv）。

生育期采用计算机视觉氮素营养诊断进行棉花冠层吸氮量诊断并进行追肥诊断，氮素做基肥75 kg／h m2。每个处理重复3次，田间随机区组排列。供试棉花品种为惠远710号，采用一膜四行种植模式，行距30 c m－60 c m－30 c m，株距10 c m。理论株数2.67×105株／h m2，保苗株数2.1×105株／h m2左右。播前施用足量磷肥（P2O5135 kg／h m2）和钾肥（K2O 90 kg／h m2）。全生育期灌水施肥10次，其中出苗水灌量150 m3／h m2。各处理的灌量见表1。

表1 生育期灌溉量分配m3／hm2Tab.1 Quota of irrigation in various growth period

1.2.2 样品的采集与分析

1）土壤硝态氮含量：生育期每次灌水前用土钻每20 c m一层取0～1 m土样，取后立即冷冻保存。将样品充分混匀过2 mm筛，称取定量土壤样品用2 mol／L KCl浸提，AA3全自动流动注射分析仪测定，同时取样测定各土层土壤含水量。

2）数字图像：取土样的同时，用数码相机在2 m高度、60°角度、顺光条件下拍摄冠层影像，拍摄时关闭照相机白平衡功能和自动曝光功能。将图片下载至计算机，通过本课题资助开发的计算机视觉技术软件（Ferti EXP）分析棉花群体氮素吸氮量，并确定该阶段棉花的氮素营养状况并计算推荐施肥量［14］。

3）植株生物量和养分吸收的测定：生育期灌水前以子叶节为界取棉花地上部生物量，称鲜重，按茎、叶、蕾、铃分开植物样品，60℃烘干后称干物质量。氮养分吸收用H2SO4－H2O2消煮，半自动定氮仪测定。

4）产量测定：9月初进行测产。收获期每小区选取有代表性长势均匀的棉株，调查其成铃数，测定各次收获的单铃重，并测定全部小区收获株数并根据小区面积换算成亩收获株数。测产产量＝亩收获株数×单株结铃数×单铃重／1000。

1.2.3 基于Nmin和计算机视觉技术进行氮素管理的简要方法描述

基于Nmin的管理在棉花生育期每隔10 d采集0～80 c m深度土壤样品，分析土壤NO3－含量并根据土壤容重换算成氮素储量。本方法假定Nmin和肥料的肥效等效且预设氮素的利用率为50%，设追肥量为Nt，ΔN为棉花在t2时刻和t1时刻实现目标产量的氮素吸收量，则Nt＝2ΔN－Nmin，其中ΔN根据棉花实现目标产量氮素吸收量l ogistic曲线获得，Nmin由土壤采样分析硝酸盐含量并根据土壤容重换算获得。Ncv处理在棉花全生育期中每隔10 d拍摄冠层图像，下载至计算机，在本课题组开发的基于计算机视觉的氮素营养诊断和施肥推荐软件Cotton Exp可自动对棉花吸氮量进行计算，并根据目标产量与实际吸氮量的差值进行氮肥追肥推荐。记录棉花全生育期的氮肥用量即为总施氮量。计算机视觉氮素追肥基本公式：Ntop＝2ΔN＋2（Nt－Nr）。Ntop为氮素追肥量，ΔN为目标产量下棉花阶段性氮素需求量，由不同产量下棉花氮素吸收l ogistic曲线计算求得，Nt为目标产量下追肥起始日的目标吸收量，Nr为棉花氮素实际吸收量，由计算机视觉技术进行氮素营养诊断获取。

1.2.4 数据计算与分析

氮肥表观利用率（URE，%）＝（施氮区地上部的吸氮量－对照区地上部的吸氮量）／施氮量×100。

采用SPSS 11.5统计软件和EXCEL对所得数据进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同氮素管理方法下的施氮量

Nmin和Ncv的施氮量由常规施氮量的360 kg／h m2降低到157.30 kg／h m2和223.7 kg／h m2，分别减少了56%和38%的施氮量，比过量施氮处理减少的比例更大。其原因是土壤中氮素储量丰富，播前土壤Nmin储量达到了157.65 kg／h m2，土壤中较高的硝态氮含量也是导致2种优化施氮模式在追肥前期氮素推荐施用量为零的主要原因（表2）。

可见通过监测土壤硝态氮含量或采用计算机视觉分析技术都达到了合理／优化施氮的目的，在土壤氮素基础肥力较高的情况下，减少了氮素的盲目投放。

表2 各处理氮肥用量及分配（推荐量） kg／hm2Tab.2 Nitrogen rates in different treat ment

2.2 不同氮肥管理方法下棉花产量和氮肥利用率

不施肥处理棉花籽棉产量也达到了5374.65 kg／h m2（表3），说明土壤基础肥力较高；施肥处理棉花经济产量显著高于不施肥处理，各施肥处理棉花的经济产量随着施肥水平的增加而略有提高，但是施肥的增产效果并不明显，这表明过量施肥不利于棉花成熟和吐絮，无效生产量较大；虽然Nmin和Ncv大大减少了氮肥施用量，但其经济产量和生物产量与常规施氮处理差异不显著，这表明已经满足棉花的氮素需求；各种氮肥管理模式中随着施肥量的增加氮肥利用率降低。

Nmin和Ncv两种优化施肥模式减少了氮肥施用量，提高了氮肥利用率。在氮素累积吸收量方面，施氮处理的氮素吸收量显著高于不施氮处理；施肥处理随着施肥量的增加，氮素吸收量差异并不显著；虽然Ncv和土壤Nmin推荐施肥的2种优化氮肥管理模式降低了氮肥的投入，但氮素的吸收量与常规施肥模式无差异。

表3 不同氮肥管理模式对棉花产量和氮肥利用率Tab.3 Cotton yield and NUE by different N management

2.3 不同氮素管理方法下棉花干物质累积量

不同处理棉花各时期干物质重见表4。在前期，由于施肥处理施肥量不大，施肥处理和不施肥处理各器官干物质量无差异；随着棉花需肥量的增加，施肥处理和不施肥处理棉花的生殖器官差异明显，但营养器官差异不大；在棉花整个生育期，虽然Nmin和Ncv施肥量较FP和NO大大减少，但无论是营养器官还是生殖器官，棉花的干物质量均无明显的差别。结果表明，施用氮肥有助于促进棉花的生长发育，尤其是生殖器官的干物质积累量；但氮肥用量过大并不能显著提高棉花的干物质积累量。

表4 不同氮素管理方法棉花各器官干物质累积量 gTab.4 Dry matter weight of different plant parts by differeng N management

2.4 不同氮素管理方法下棉花的吸氮量

不同氮素管理方法下棉花各生育期的氮素养分吸收量的试验结果见表5。

由表5可见，在苗期，各处理氮素吸收量无差异；从花铃期开始，随着棉花需肥量的增加，无论是营养器官还是生殖器官，施肥处理的吸氮量逐渐高于不施肥处理，其中施肥对棉花生殖器官的影响较大；施肥处理的比较，棉花茎、叶、蕾铃受不同施氮量的影响不大，NO处理由于施肥量高，棉株各器官吸氮量较高，Nmin和Ncv与常规施肥模式无显著差异。

表5显示：虽然Nmin和Ncv减少了氮肥用量，但对于棉花的营养器官和生殖器官的氮素吸收未造成影响，2种优化施氮方法的施肥量已经满足了作物的生长需求。

表5 不同氮素管理方法下棉花单株吸氮量 gTab.5 Nuptake of whole plant by different N management

3 讨论

不同氮肥管理模式下棉花的施氮量有显著的差别，优化氮肥管理模式下氮肥的施用量明显减少，较Nmin和Ncv2种优化模式的施氮量分别减少了56%和38%。

从产量方面来看，施用氮肥对棉花有显著的增产作用，不同氮肥管理模式氮肥施用量差别明显（157.30～420 kg／h m2），但对棉花增产作用差异不明显。本试验中，0～30 c m表层土壤硝态氮含量达到了157.65 kg／h m2，不施用氮肥的处理产量也达到了358.31 kg／667 m2。说明在本试验土壤基础肥力较高的条件下，优化氮肥管理大幅度减少氮肥施用量的同时也保证了棉花的高产，兼顾了作物高产和氮素资源高效利用的需要。

有研究表明［11－12］，施肥过多不仅出现其利用率低，而且易造成棉株营养器官的比例加大，虽然棉株可获得较大的干物质和氮素累积，但不能适时向生殖器官转移，导致棉花产量降低。本研究结果表明不同推荐施肥方法氮肥施用量差别很大（157.30～420 kg／h m2），虽然 Nmin和 Ncv施肥量较 FP和 NO大大减少，但未对棉花的营养器官、生殖器官干物质量和氮素吸收量造成影响。这可能是由于土壤基础肥力较高，2种优化施氮方法的施肥量已经满足作物的生长需求，而增加施氮量导致氮肥利用率降低，但棉株氮素含量和吸收总量变化不大，并未造成营养器官的吸收比例加大。

4 结论

1）施用氮肥可以显著提高棉花产量，基于Nmin和基于计算机视觉诊断技术的优化氮肥管理模式获得了与常规施肥模式相同的产量，但大幅度节省了氮肥的施用量。

2）施用氮肥可以提高棉株干物质量和氮素吸收量，虽然Nmin和Ncv减少了氮肥用量，但未对于棉花的营养器官和生殖器官的氮素吸收造成显著影响，2种优化施氮方法的施肥量已经满足了作物的生长需求。

3）作为在欧洲和北美广泛应用的氮素推荐施肥管理方法，Nmin适合采用在新疆棉区作为氮素管理的工具。本课题组自主开发的基于计算机视觉的氮素营养诊断和氮肥推荐施肥系统（Ncv）具有成本低、速度快的优点，且在本研究中表现了与Nmin方法类似的作用，因此其是一种适合膜下滴灌条件下低成本、快速、便于推广应用的氮素营养诊断和施肥管理的新方法。

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Pri mary Report of N Opti mal Management in Cotton Cultivation under Fil m Mulch and Drip Irrigation

DONG Peng，WEI Changzhou，WANG Juan，GUO Yongsheng
（College of Agriculture，Shihezi University／Key Laboratory of Oasis Ecological Agricult ure，Xinjiang Production and Constr uction Gr oup，Shihezi 832003，China）

This study is proposed to check cotton yield and N uptake in different N fertilization management，and to find out an opti mal N nutrient management methods in cotton cultivation under fil m mulch and drip irrigation.Fertilization methods were set at far mer＇s conventional N fertilization practice（FP），over N application pattern（NO），N recommendation based on soil Nmin（Nmin）and N reco mmendation based on co mputer vision（Ncv）.The result showed that co mpared with FP，Ncv reduced N application by 37.8%and Nminreduced N application by 56.3%.While cotton yield sho wed no significance difference among FP，Ncvand Nmin.Nutrition and procreation organs N content under Nminor Ncvmanagements showed no significance difference as co mpared to FP.Nmin，NcvN management met hods can opti mal cotton N management pro mote N recover y rate，so t hese t wo methods are opti mal N management methods in cotton production in fil m mulch and drip irrigation.

cotton；N nutrient management；met hod；yield；N absor ption

S143.1；S562

A

1007-7383（2011）04-0432-05

2011-03-11

农业部行业公益性专项（200803030），国家科技支撑计划项目（2007BAC20B03）

董鹏（1987-），男，硕士，研究方向为作物营养与施肥；e-mail：dongpeng125＠163.com。

危常州（1966-），男，教授，博士生导师，从事作物信息技术与营养生理研究；e-mail：changzhouwei＠vip.126.com。