非充分滴灌下施氮量对棉花生长特性、产量及水氮利用率的影响

石洪亮，张巨松，严青青，田立文，崔建平，林 涛，郭仁松

(1.新疆农业大学教育部棉花工程研究中心， 新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆农业科学院经济作物研究所， 新疆 乌鲁木齐 830091)

非充分滴灌下施氮量对棉花生长特性、产量及水氮利用率的影响

石洪亮1，张巨松1，严青青1，田立文2，崔建平2，林 涛2，郭仁松2

(1.新疆农业大学教育部棉花工程研究中心， 新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆农业科学院经济作物研究所， 新疆 乌鲁木齐 830091)

以新陆中54号为试材，采用裂区试验设计，主区为总灌溉量为2 800 m3·hm-2(非充分滴灌)和3 800 m3·hm-2(常规滴灌)，副区为4个施氮(纯 N)水平，N0(0 kg·hm-2)、N1(150 kg·hm-2)、N2(300 kg·hm-2)、N3(450 kg·hm-2)，研究棉花在非充分滴灌条件下最佳的施氮量。结果表明：同一滴灌量下，生育进程随着施氮量的增加而明显延迟，株高、真叶数和果枝数随着施氮量的增加而增加，倒四叶宽和有效果枝数随着施氮量的增加呈先增后减的趋势；同一氮肥处理下，株高随着滴灌量的增加而增大，真叶数、倒四叶宽、茎粗随着滴灌量的增加略有降低；现蕾数、成铃数、干物质积累量、持续时间和最大积累速率随着施氮量的增加呈先升后降的趋势，以N2处理较高，生长特征值较为协调；两灌溉量间单铃重、皮棉产量及水氮利用效率差异不显著，但随着施氮量的增加其呈先增后降的趋势，以N2处理最高，分别比N0、N1、N3平均增产39.9%、20.1%、4.3%，水分利用效率分别提高了40.97%、19.02%、4.88%，氮肥利用率较N1、N3分别提高了53.91%、21.36%。因此，在南疆阿克苏地区，棉花滴灌量在2 800 m3·hm-2条件下，施氮量以300 kg·hm-2适宜。

棉花；氮肥；滴灌；生长特性；产量

新疆是我国最重要的棉区，也是最大的内陆灌溉棉区，光热资源充足，十分适宜棉花产业的发展[1]。但新疆棉区年降雨少，尤其是南疆地区年降雨量不足100 mm，农业生产对灌溉水的需求大，水资源紧缺已成为新疆绿洲区制约作物产量和农业发展的重要因素[2]。非充分灌溉是针对水资源的紧缺和用水效率低下的普遍性而提出的[3]。非充分灌溉研究表明，作物对水分亏缺具有适应性和补偿性，适度的水分亏缺有助于作物生长及产量的形成[4-6]。膜下滴灌技术以其先进的节水、节肥、增产、增效和改善作物品质等优点，促进了新疆棉花的发展[7-10]。关于干旱区棉花滴灌已有报道，灌溉水量过多会降低水分利用率，同时也会造成贪青晚熟，灌溉量过少会抑制氮肥增产效应的发挥，同时也不利于棉花增产[11-12]。有研究表明为了取得高产和提高水分利用率，棉花全生育期的滴灌水量应在5 175～5 700 mm·hm-2[13]。施肥一直对棉花的增产发挥着巨大的作用，尤其氮肥是影响棉花产量和品质的关键因素之一，氮肥的合理施用一直是调控作物生长发育和产量的主要措施[14-15]。前人在常规滴灌下氮肥的合理施用研究较多，但在非充分滴灌下施氮量对棉花生长发育的影响方面还鲜见报道。因此，本试验针对非充分滴灌下施氮量对棉花生长发育、产量及水氮利用率的影响进行研究，以期为干旱地区棉花水肥高效管理技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015年4—10月在新疆农业科学院经济作物研究所实验基地进行。该实验基地位于新疆阿克苏市阿瓦提县丰收二场一连，地处北纬39°31′～40°50′、东经79°45′～81°5′之间，属暖温带大陆性干旱气候，无霜期183～227 d，年均日照2 750～3 029 h，全年≥10℃积温3 802.9℃，多年平均降水量46.7 mm，多年平均蒸发量1 890.7 mm，试验区耕作层(0～40 cm)土壤为砂壤土，土壤平均容重1.43 g·cm-3。供试土壤背景值见表1。

表1 供试土壤基本化学性质

1.2 试验方案

采用裂区试验设计，主区为总灌溉量，分别为非充分滴灌2 800 m3·hm-2和常规滴灌3 800 m3·hm-2；副区为4个施氮(N)水平，即0、150、300、450 kg·hm-2，分别用N0、N1、N2、N3表示。供试棉花品种为新陆中54号。采用机采棉种植模式，行距配置(66+10) cm，膜间行距60 cm，株距11 cm，理论株数为24.25 万株·hm-2。小区(3膜)面积29 m2，重复3次，重复间距50 cm，占地面积为756 m2。

根据棉花生育期需水情况，本试验共10次滴灌，自现蕾开始滴灌，每7 d滴灌1次；每次滴灌量由水表控制，施氮量经电子秤称量后，对应各处理放入施氮罐中，随水滴施，按照1水1肥进行。施用的肥料为尿素(N 46%)、颗粒状过磷酸钙(P2O512%)和农用颗粒钾肥(K2O 40%)。基肥：尿素施用总量的20%，颗粒状过磷酸钙200 kg·hm-2，农用颗粒钾肥100 kg·hm-2；追肥：全部施用尿素(总量的80%)，如表3。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生育时期 记载苗期、盛蕾期、初花期、盛花期、盛铃期、吐絮期的日期，各生育时期的确定以达到调查数量50%为标准。

表2 滴灌方案/(m3·hm-2)

表3 施肥方案

1.3.2 农艺性状 自现蕾开始调查各生育时期的现蕾数、成铃数，在8月25日调查株高、真叶数、主茎到3叶宽、茎粗、果枝数等主要农艺性状。在定点区域选择长势均匀具有代表性连续10株棉花，内外行各5株，取平均值。

1.3.3 干物质 蕾期至吐絮期(5月30日—9月15日)的各个生育时期，每隔15 d取样一次，选取具有代表性的6株棉花，按照茎枝、叶、蕾花铃等器官分开，放入电热恒温鼓风干燥箱105℃杀青30 min，然后80℃恒温至恒重，测定其干物质质量。

1.3.4 经济产量 吐絮后对每小区株数和铃数记数，选取有代表性的棉株，分上(30朵)、中(40朵)、下(30朵)取样，测其铃重和衣分，重复3次。

1.3.5 水分利用效率 水分利用效率(Water use efficiency，WUE)：WUE(kg·m-3)=总产量(籽棉产量)/总灌水量。

1.3.6 氮肥利用率 氮肥利用率(Nitrogen use efficiency，NUE)：NUE(%)=(施氮条件下作物吸氮量-不施氮条件下作物吸氮量)/施氮量×100%

1.4 数据分析

采用Excel 2013、SPSS19.0进行统计分析，方差分析均为0.05水平，采用Duncan新复极差多重比较法。

2 结果与分析

2.1 非充分滴灌下施氮量对棉花生育进程的影响

如表4、表5所示，不同处理间生育进程在初花期前差异不大，初花期后各处理间差异显著。同一氮肥处理下，生育进程随着滴灌量的减少而明显提前，从整个生育期来看，滴灌量2 800 m3·hm-2处理下各施氮量比3 800 m3·hm-2提前2～4 d，差异主要表现在初花期至盛铃期。同一滴灌量下，在初花期后，生育进程随着施氮量的增加而明显延迟，N1、N2、N3较N0处理平均延迟2.5、4.5、6 d；从整个生育期来看，N1、N2、N3较N0处理平均延迟4、7、10 d。N0、N1自初花后出现轻度早衰现象，至吐絮期N0处理出现严重早衰。

2.2 非充分滴灌下施氮量对棉花农艺性状的影响

由表6可知，同一氮肥处理下，株高随着滴灌量的增加而增加，真叶数、倒四叶宽、茎粗随着滴灌量的增加略有降低。同一滴灌量下，株高、真叶数和果枝数随着施氮量的增加而增加，均表现为N3>N2>N1>N0，倒四叶宽和有效果枝数随着施氮量的增加呈先增后减的趋势，均表现为N2>N3>N1>N0。综上所述，轻度水分胁迫虽然株高较常规滴灌低，但真叶数、倒四叶宽、茎粗优于常规滴灌，且增加效果明显；氮肥处理方面表现为N2处理最优。

2.3 非充分滴灌下施氮量对棉花LAI的影响

叶面积指数(LAI)是衡量棉花群体冠层结构是否合理的重要指标之一。如图1所示，在初花期(出苗后50 d)各处理差异不大，初花期后各处理差异显著。同一氮肥处理下，随着滴灌量的增加，LAI呈增加趋势，同2 800 m3·hm-2相比，3 800 m3·hm-2LAI平均增加了11.32%。同一滴灌量下，不同氮肥处理LAI呈先上升后下降的趋势，在盛铃期(出苗后82 d)达到最大值，各氮肥处理LAI均表现为N2>N3>N1>N0，在2 800 m3·hm-2滴灌量下N1、N2、N3处理LAI较N0处理分别增加了5.61%、37.52%、33.40%，在3 800 m3·hm-2滴灌量下N1、N2、N3处理LAI较N0处理分别增加了3.81%、36.02%、31.19%，且2 800 m3·hm-2较3 800 m3·hm-2滴灌量下N1、N2、N3处理增加效果显著，分别提高了32.12%、4.01%、6.58%。至吐絮期，N2、N3处理仍然保持较高水平，说明N2、N3处理保证了棉花后期叶片的光合有效面积，提高了光合产物积累能力。

表4 不同处理下棉花生育进程(M-d)

表5 不同处理下棉花生育期/d

表6 不同处理下棉花农艺性状比较

注：不同小写字母表示差异达P<0.05显著水平，下同。

Note: different lowercase letters mean significant differences atP<0.05, the same below.

图1 不同处理下棉花LAI的比较

Fig.1 The comparison of cotton LAI under different treatments

2.4 非充分滴灌下施氮量对棉花蕾铃消长的影响

由图2可知，同一氮肥处理下，随着滴灌量的增加，现蕾数呈增加趋势，与2 800 m3·hm-2相比，3 800 m3·hm-2滴灌量下现蕾数平均增加了0.5个·株-1。同一滴灌量下，随着施氮量的增加，现蕾数表现为先增加后下降的趋势，初花期达到峰值，各处理现蕾数均表现为N2>N3>N1>N0。由图3可知，同一氮肥处理下，随着滴灌量的增加，成铃数呈增加趋势，与2 800 m3·hm-2相比，3 800 m3·hm-2滴灌量下成铃数平均增加了0.2 个·株-1。同一滴灌量下，随着施氮量的增加，成铃数表现为增加趋势，盛铃期达到峰值，各处理成铃数均表现为N2>N3>N1>N0。综上所述，不同处理蕾铃消长情况表现为此消彼长的关系，现蕾数、成铃数均表现为2 800 m3·hm-2滴灌量下N2处理增加幅度最大，较3 800 m3·hm-2滴灌量下N2处理现蕾数、成铃数分别提高了3.8%、13.3%，说明在一定干物质积累与分配的前提下，较多的现蕾数与成铃数是获得产量的关键。

图2 不同处理下棉花现蕾数动态变化

Fig.2 The dynamic changes of bud number under different treatments

2.5 非充分滴灌下施氮量对棉花地上部干物质积累与分配的影响

2.5.1 非充分滴灌下施氮量对棉花干物质积累的影响 较高的干物质积累是棉花获得高产的物质基础，不同水肥处理直接影响棉花干物质积累。各处理棉花单株地上部总干物质(y)依出苗后天数(t)的增长可依据Logistic方程得出快速积累时间及最快积累速率，从表7可知，棉花单株地上部总干物质快速积累时间段出现在出苗后52～110 d。同一氮肥处理下，滴灌量2 800 m3·hm-2处理比3 800 m3·hm-2处理的持续时间短2～3 d，但最大干物质积累速率提高了4.5%～6.6%。同一滴灌量下，随着施氮量的增加，棉株干物质积累量、持续时间及最大积累速率呈先升后降的趋势，均表现为N2>N3>N1>N0；至吐絮期，在2 800 m3·hm-2滴灌量下，N1、N2、N3处理分别较N0处理干物质积累量增加了3.4、41.9、31.7 g·株-1，持续时间缩短了4 d 、7 d、6 d，最大积累速率提高了9.69%、37.6%、31.95%；在3 800 m3·hm-2滴灌量下，N1、N2、N3处理分别较N0处理干物质积累量增加了15.7、47.1、31.9 g·株-1，持续时间缩短了2、7、3 d，最大积累速率提高了18.1%、36.8%、31.7%。说明不同滴灌量下N2处理能够有效地协调植株的营养生长与生殖生长关系，前期积累较高的干物质为后期生殖生长阶段提供物质基础，有利于棉花产量及品质的形成。

图3 不同处理下棉花成铃数动态变化

Fig.3 The dynamic changes of boll number under different treatments

2.5.2 非充分滴灌下施氮量对棉花干物质分配的影响 由图4可知，营养器官干物质积累至盛铃期最大，随后降低；生殖器官干物质积累和分配比例均随生育进程而逐渐增加。同一氮肥处理下，滴灌量2 800 m3·hm-2处理比3 800 m3·hm-2处理营养器官和生殖器官分别平均降低了9.1%、0.3%。同一滴灌量下，随着施氮量的增加，营养器官干物质积累比例呈增加趋势，表现为N3>N2>N1>N0；生殖器官干物质积累比例呈先升后降的趋势，表现为N2>N3>N1>N0。不同滴灌量下N2处理均有利于营养生长及时向生殖生长转化，促进最终产量的形成。

表7 棉花干物质累积的Logistic模型及其特征值

注：t为棉花出苗后的天数(d)；y为棉花干物质积累量(g·株-1)；t0为干物质积累最大速率出现时间；t1、t2分别为Logistic生长函数的两个拐点；Δt为干物质快速积累持续时间；Vm为干物质最大增长速率。

Note:trepresents days after the emergence of cotton;yrepresents dry matter accumulation(g·plant-1);t0represents days when the maximum dry matter accumulation rate occurred;t1,t2are the two inflexions of the logistic equations respectively; Δtrepresents the duration time taken by dry matter rapid accumulation;Vmrepresents the maximum increase rate of dry matter.

图4 不同处理棉花干物质累积分配的动态变化

Fig.4 Dynamic changes of dry matter accumulation and distributionof cotton under different treatments

2.6 非充分滴灌下施氮量对棉花产量及水氮利用率的影响

如表8所示，N2、N3处理除水、氮利用率均无显著性差异，但与N0、N1均达到显著性差异。同一氮肥处理下，随着滴灌量的增加单株结铃数、单铃重、皮棉产量呈上升趋势，但水分利用率及氮肥利用率呈下降趋势，与3 800 m3·hm-2相比，滴灌量为2 800 m3·hm-2的处理单株结铃数减少了0.89%～3.79%、单铃重下降了0～3.19%、皮棉产量降低了14.1～129.1 kg·hm-2、水分利用率提高了20.66%～26.51%、氮肥利用率提高了27.37%～35.96%。同一滴灌量下，不同处理随着施氮量的增加单株结铃数、单铃重、皮棉产量、水分利用效率及氮肥利用率呈先增后降的趋势，表现为N2>N3>N1>N0；在2 800 m3·hm-2滴灌量下，N1、N2、N3处理较N0处理单株结铃数分别增加了14.41%～28.03%、单铃重增加了15.15%～16.17%、水分利用率提高了27.11%～40.98%、氮肥利用率提高了17.24%～37.41%、皮棉产量分别增产了26.8%、40.4%、39.6%；在3 800 m3·hm-2滴灌量下，N1、N2、N3处理较N0处理单株结铃数分别增加了11.83%～26.17%、单铃重增加了10.89%～13.91%、水分利用率提高了21.31%～36.84%、氮肥利用率提高了11.04%～27.17%、皮棉产量分别增产了20.7%、36.3%、33.7%。说明2 800 m3·hm-2滴灌量与N2处理组合水、氮利用效率最高，且增产效果最优。

表8 不同处理对棉花产量及水氮利用率的影响

3 讨论与结论

近年来，为了提高棉花产量，氮肥施用量已超过棉花生长所需，造成了贪青晚熟、产量和品质大幅度下降，氮利用效率不高，生产成本增加及生态环境恶化等问题[16-17]。大量研究表明适宜的施氮能优化株型，改善生育进程，减少蕾铃脱落[18-19]。本研究表明，在初花期后，生育进程随着施氮量的增加而明显延迟，从整个生育期来看，N1、N2、N3较N0处理平均延迟4 d、7 d、10 d。N0、N1自初花后出现轻度早衰现象，至吐絮期N0处理出现严重早衰，不利于产量形成。同一氮肥处理下，株高随着滴灌量的增加而增加，真叶数、倒四叶宽、茎粗随着滴灌量的增加略有降低。同一滴灌量下，株高、真叶数和果枝数随着施氮量的增加而增加，倒四叶宽和有效果枝数随着施氮量的增加呈先增后减的趋势。不同氮肥处理LAI呈先上升后下降的趋势，在盛铃期(出苗后82 d)达到最大值，各氮肥处理LAI均表现为N2>N3>N1>N0。综上所述，非充分滴灌虽然株高和LAI较常规滴灌低，但真叶数、倒四叶宽、茎粗优于常规滴灌，且增加显著；氮肥处理方面以N2处理下株高、真叶数、果枝数和LAI最高；显著提高了水分利用效率，并且没有限制氮肥利用效率提高，最终有利于产量的形成。

氮肥运筹是有效地提高作物产量和品质的关键[20-21]。对于棉花滴灌条件下的施氮量，王肖娟等研究得出，随施氮量的增加，棉花产量呈先增大后减小的趋势，当施氮量为360 kg·hm-2时，棉花产量和氮肥利用率达最高[22]。但也有研究表明，施氮量在300 kg·hm-2以上时，氮肥的增产效果已经不显著[23]。本研究表明，现蕾数和成铃数表现为随着施氮量的增加呈先增加后下降的趋势，以N2处理较多。滴灌量2 800 m3·hm-2比3 800 m3·hm-2的快速生长期持续短2～3 d，使营养器官和生殖器官干物质平均降低了9.1%、0.3%，但最大干物质积累速率提高了4.5%～6.6%；干物质积累量、持续时间和最大积累速率随着施氮量的增加呈先升后降的趋势，以N2处理最为协调，有利于营养生长及时向生殖生长转化，促进最终产量的形成。两灌溉量间单铃重与皮棉产量差异不显著，但随着施氮量的增加呈先增后降的趋势，以N2处理最高，分别比N0、N1、N3平均增产39.9%、20.1%、4.3%。因此棉花在非充分滴灌(2 800 m3·hm-2)条件下施氮量(纯N)以300 kg·hm-2较为适宜。

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Effects of different nitrogen fertilizer levels on growth, yield, water and nitrogen use efficiency of cotton under non-sufficient drip irrigation

SHI Hong-liang1, ZHANG Ju-song1, YAN Qing-qing1, TIAN Li-wen2, CUI Jian-ping2, LIN Tao2, GUO Ren-song2

(1.XinjiangAgriculturalUniversity/ResearchCenterofCottonEngineering,Urumqi,Xinjiang830052,China;2.InstituteofEconomicCrops,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi,Xinjiang830091,China)

The optimal amount of nitrogen fertilizer oncotton was investigated under the condition of non-sufficient drip irrigation to provide scientific basis for highly efficient use of water and fertilizer of cotton in arid regions. Xinluzhong 54 was used as test material in split plot experiment design, the total drip-irrigation amount of 2 800 m3·hm-2(non full irrigation) and 3 800 m3·hm-2(conventional drip irrigation) for the main plot, four nitrogen (N) level, N0 (0 kg·hm-2), N1 (150 kg·hm-2), N2 (300 kg·hm-2), N3 (450 kg·hm-2) for sub-plot. Results showed that with the same irrigation amount, the growth process prolonged significantly with the increase in nitrogen fertilization. The plant height, the number of main leaf and fruit spur increased with the increase in nitrogen fertilization. The fourth from top leaf width, and effective fruit spur number first increased and then decreased with the increase in nitrogen fertilization. With the same nitrogen fertilization, plant height increased,and the number of main leaf, the fourth from top leaf width, stem diameter slightly decreased with the increase indrip irrigation. The number of bud and boll, the accumulation amount of dry matter, time of duration and the maximum rate of accumulation of dry matter first increased and then decreased with the increase in nitrogen fertilization, which was more significantin N2, and the growth characteristic value was more coordinated in N2. The difference in single boll weight and lint yield between the two irrigation quantity was not significant, but single boll weight and lint yield first increased and then decreased with the increase in nitrogen fertilization. Those in N2 wasthe highest, 39.9%, 20.1% and 4.3 % higher than N0, N1, N3 respectively in average yield. Compared with N1 and N3,the water use efficiency increased by 40.97%, 19.02% and 4.88% respectively. The nitrogen utilization efficiency increased by 53.91% and 21.36% respectively compared with N1 and N3.Therefore, in the Nanjiang Akesu area,drip irrigation of 2 800 m3·hm-2, and 300 kg·hm-2nitrogen fertilization was the optimal condition for cotton.

cotton; nitrogen fertilizer; irrigation amount; growth characteristics; yield

1000-7601(2017)04-0129-08

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.20

2016-04-27

国家“十二五”科技支撑计划项目“棉花高产高效关键技术研究与示范”(2014BAD11B02)；新疆农业大学产学研联合培养研究生项目(xjaucxy-yjs-20151010)

石洪亮(1990—)，男，吉林双辽人，硕士研究生，主要从事棉花高产栽培生理生态研究。 E-mail: xjndshl@163.com。

张巨松(1963—)，男，江苏江都人，教授，主要从事棉花高产栽培生理生态研究。 E-mail: xjndzjs@163.com。

S562; S143.1

A