氮肥用量及其后效对棉花产量和生物质累积动态的影响

宋兴虎，Tufail Ahmed Wagan，Biangkham Souliyanonh，Saif Ali，黄颖，袁源，杨国正

（华中农业大学/农业部长江中游作物生理生态与耕作重点实验室，武汉430070）

当前棉花生产中，增施氮肥对棉花增产效果不明显，却增加了成本投入，更会造成环境污染、加重环境负担；因此，减投、增产、增效对棉花生产至关重要。通过优化栽培，减少氮肥投入、提高氮肥利用率而实现棉花稳产（高产）已经成为主要的研究方向之一[1-3]。

氮肥施入土壤之后，对于当季来说是肥料氮，而对下季作物来说为土壤氮。然而，关于氮肥残留是否影响棉花产量形成，至今鲜见报道。通过分析确定棉花产量形成之间的相互关系及生物质转移和分配对棉花生产的重要作用，是实现棉花高效栽培的重要前提条件[4-11]。单株成铃数、铃重和衣分是棉花产量形成的基本因素，而生物质累积是产量形成的基础，其中向生殖器官分配的多少决定了棉花的经济产量[12-15]。在影响棉花产量的众多因素中，肥料起着重要作用，尤其是氮肥；然而，氮肥过多或不足都会引起棉花产量降低[16-21]。氮肥后效研究可从侧面反映施入土壤中的氮肥对下一季棉花的影响，从而确定棉田适宜的氮肥用量，为减肥、增产、增效提供一定的理论依据。

本试验采用15N同位素示踪技术，研究了不同氮肥（15N标记尿素）水平对棉花生育进程、产量及其构成以及生物质累积动态，棉株氮素累积动态，土壤残留氮素的吸收利用行为等的影响，从而确定在迟播高密度下在见花期施用氮肥量进一步减少的可行性，同时研究氮肥后效，为棉花简化栽培、提高肥料利用效率提供依据。限于篇幅，本文重点讨论第1项内容。

1　材料与方法

1.1　试验条件

盆（桶）栽试验，于2014年、2015年在华中农业大学盆栽场（30°37′N，114°21′E，海拔 23 m）进行，品种为华棉 3109（Gossypium hirsutumL.），土壤类型为黄棕黏壤土，土壤养分含量中等（表1）。

1.2　试验设计

PVC盆（桶）高40 cm，口径35 cm，装土22.5kg，底部有1个直径为1 cm的小孔用于沥水，每处理有20盆，每盆3株棉花。

表1　土壤养分含量Table 1　Pre-sowing soil analysis

2014 年设 5 个氮肥用量处理：120、150、180、210、240 kg·hm－2（代 号 分 别 为 N120、N150、N180、N210、N240），换算为每盆用量分别为 1.6、2.0、2.4、2.8、3.2 g。磷、钾肥用量按 N180 水平mN∶mP∶mK=1∶0.3∶1 计算。氮肥为尿素（ωN=46.3%），磷肥为过磷酸钙（ωP2O5=12%），钾肥为氯化钾（ωK2O=59%），此外每盆施硼砂（ωB=10%）0.200 g。2015年试验使用2014年不同氮肥用量试验的土壤，所有处理施肥180 kg·hm－2（每盆2.4 g），仍延用2014年处理代号。

1.3　材料种植

每桶播种棉花3穴，三角形分布，每穴4～5粒。2014年6月14日播种，2015年5月21日播种。出苗后喷施波尔多液，1叶期间苗，3叶期定苗至3株（每穴1株）。高温干旱期间每天傍晚每桶浇水2 L，花铃期在每桶正中插入1根竹竿，用塑料绳将棉株与竹竿固定，防止棉花倒伏，适时上移塑料绳。全部肥料于见花当天（2014年8月10日，2015年7月21日）配制成水溶液 （体积比＜0.4%）浇施于棉株根部周围，不整枝，不打顶，不施用调节剂。

1.4　测定项目与方法

1.4.1生育进程。固定连续5盆15株，调查出苗、现蕾、开花、吐絮的实际日期。

1.4.2生物质累积。2014年从出苗后36 d起，每25 d取棉株样6次；2015年按生育期（蕾期、初花期、盛花期、吐絮期、拔秆期）取棉株样5次。每次取3盆，每盆3株平均视为1次重复。将棉株分成3组：营养器官（含根、主茎、主茎叶、营养枝）、生殖器官（含蕾、花、铃）和生殖相关器官（包括果枝、果枝叶），装入牛皮纸袋，105℃杀青30 min，60℃烘干至质量恒定，称量。

1.4.3产量及其构成。2014年因故未获取棉花产量数据。2015年分2次（9月22日、29日）收获籽棉，晒干，称量，累计产量。其中第2次收获前取正常吐絮棉铃，考察铃重、衣分。

1.4.4数据分析。用MS Excel 2010整理数据及作图，Spss17.0进行方差分析，DPS拟合棉花生

表2　试验期间主要气象数据Table 2　Meteorological data during 2014 and 2015 growth seasons

物质累积的Logistic方程：

式中：Y为出苗后td 的干物质累积量（g·plant－1）；t为出苗后时间 （d）；K为干物质累积量的最大值；a、b 为待定系数。

VT=（Y2－Y1）/（t2－t1）.Y2、Y1分别是t2、t1时的生物质质量；VT为生物质快速累积期的平均累积速率。

2　结果与分析

2.1　棉花生育进程

2年播种时间差异较大，但各生育阶段时间差异均不显著；2014年苗期最长，花铃期其次，而2015年二者相当（表3）。

2014年，虽然6月中旬才播种，苗期仍长达44 d，但蕾期很短（14～16 d），花铃期 37～39 d，生育期96～98 d；不同氮肥用量之间无显著差异。2015年于5月下旬播种，苗期和花铃期分别为36 d和 37～38 d，而蕾期长达26～28 d，生育期100 d；2014年不同氮肥用量对2015年棉花生育期没有显著影响。与2014年相比，2015年苗期缩短8 d，蕾期延长11～13 d，花铃期相当，生育期延长2～4 d。

2.2　棉花产量及其构成因素

2015年不同处理虽然氮肥用量相同，但是棉花单株产量差异显著，其差异源于单株铃数、铃重和衣分（表4）。

单株籽棉产量最高为59.5 g，最低为36.3 g。N210处理和N180处理籽棉产量差异不显著，但都显著高于其他处理，可见在施氮肥180 kg·hm－2的基础上进一步增加氮肥对棉花产量增长作用不明显。在单株铃数上，N210处理＞N180处理＞N120处理；铃重和皮棉产量变化一致，都随氮肥用量增加先增加后降低，N180处理铃重和皮棉产量最大。衣分高是华棉3109显著的特点之一。在本试验中，各处理衣分都超过50%，最高达 55%；施氮 120～210 kg·hm－2范围内，施氮量与衣分负相关，氮肥后效对产量影响说明适宜的氮肥用量有利于棉花产量的提高。

2.3　棉花生物质累积动态

2.3.1生物量。随着生育进程的推移，生物量呈现生长曲线，施肥之前处理之间没有显著差异，之后差异逐渐增大，而后效作用不明显（图1）。

2014年在出苗后86 d内生物量增长缓慢，之后快速增长，然后进入稳定期，最终下降，经过快速增长阶段（出苗后86～111 d）各处理生物量明显增加，其中N210处理显著高于其他处理，而其他处理间差异不大：适宜的氮肥用量更有利于生物量的累积，氮肥不足或过量均对棉花生长不利。2015年虽然施肥（氮肥用量相同）后生物量快速增加，但是处理间差异不显著，可见氮肥后效在本试验中对棉花生物量没有影响。

表3　棉花生育进程和生育期Table 3　Cotton growth stages and periods under different treatments during 2014 and 2015 growth seasons

表4　棉花产量及其构成因素（2015年）Table 4　Cotton yield and its components under different treatments in 2015

2.3.2营养器官生物质累积。棉花营养器官生物质累积 （图2）与生物量 （图1）在出苗后86 d（2014 年）、63 d（2015 年）内变化趋势极为相似，施肥以后营养器官生物质质量先快速上升后下降或逐渐趋于稳定。

图1　棉花生物量累积动态Fig.1　Cotton plant biomass accumulation

图2　棉花营养器官生物质累积动态Fig.2　Vegetative organs biomass accumulation of cotton

2014年棉花营养器官生物质累积随氮肥用量的增加而增加，施肥显著提高了营养器官生物质累积。在出苗后111 d时，N180与N210处理间营养器官生物质累积量差异不大，但都显著高于N120与N150处理，136 d时N210处理显著高于其他处理，而在159 d时处理间差异不大。氮肥后效试验（2015年）中，见花之前棉花主要吸收土壤氮，处理间营养器官生物质累积量差异不大，可能是因为苗期棉花对氮肥的需求量小；施肥以后营养器官累积速率增大，进入盛花期（出苗后81 d）处理间差异变大，此时棉花对氮肥的需求较多，从土壤中吸收的氮素增加。然而不论是不同氮肥用量试验还是氮肥后效试验，N210处理营养器官的生物质累积量都是最高的，说明氮肥用量在210 kg·hm－2时更有利于棉花营养器官的累积。

2.3.3生殖器官生物质累积。在出苗后80 d内生殖器官生物质累积量小、累积速率小，之后累积量和累积速率均快速增长，不同氮肥用量的影响主要表现在花铃期和吐絮期，随氮肥用量增加生殖器官生物质累积量增加；而后效则主要影响花铃期（图 3）。

2014年施肥（见花）之后生殖器官生物质累积量开始缓慢增加，因为在此时生殖器官较少而且以蕾和花为主；但进入花铃期后迅速增加，处理之间差异也逐渐增大，在出苗后159 d时N150处理与N120处理间差异不显著，但二者都与其余3个处理差异显著。后效试验中，生殖器官生物质累积量随生育进程的推移持续增加，多数时期处理间差异不大，仅出苗后102 d（吐絮期）时N210处理和N240处理显著低于其他处理，说明氮肥后效对生殖器官生物质累积有一定影响，主要表现在吐絮期。

图3　棉花生殖器官生物质累积动态Fig.3　Reproductive organs biomass accumulation of cotton

2.3.4生殖相关器官生物质累积。生殖相关器官生物质累积量增加先于生殖器官而晚于营养器官，随氮肥用量的增加而增大（出苗后159 d）；氮肥后效主要影响前期生长（图4）。

图4　棉花生殖相关器官生物质累积动态Fig.4　Biomass accumulation of cotton organs related to reproduction

如图4所示，不同氮肥用量处理中后期生殖相关器官生物质累积差异显著，出苗后111 d时，N210处理累积量最大，显著高于N120和N150处理，而与N180和N240处理差异不显著。说明施氮不足或过量都不利于生殖相关器官生物质累积，本试验中氮肥用量与生物质累积不存在直线相关关系。后效试验中，在施肥之前累积速率较氮肥用量试验大，主要是因为2014年未被棉花吸收的氮肥在2015年转变为土壤氮。施肥之后累积速度和累积量均增加，然而102 d后二者逐渐趋于稳定亦或增长速度非常缓慢，处理间累积量差异不显著，可见氮肥后效对生殖相关器官生物质累积影响较小。

2.4　生物质累积模型

用Logistic方程拟合2015年棉花生物质累积，尽管处理间回归方程的决定系数不同，但都达到了显著水平（P＜0.05）（表5）。各处理平均生物量最大累积速率（0.93 g·plant－1·d－1）比平均累积速率（0.81 g·plant－1·d－1）高 14.8%。处理间生物量累积进程存在差异：N120、N150和N180处理快速累积期起始与终止时间不同，但是持续时间、最大速率和平均速率差异不大；N120处理的快速累积期持续时间最短（38.9 d），最大和平均累积速率最大，分别为 1.05 g·plant－1·d－1、0.92 g·plant－1·d－1；N210 与 N240 处理快速累积期起始和终止时间较晚，持续时间相差4 d，N210比N240处理累积速率大，最高速率和平均速率分别 相差 0.11 g·plant－1·d－1、0.10 g·plant－1·d－1。N210和N240处理累积速率小于其他处理，但快速累积期的持续时间最长。可见，氮肥后效主要是通过延长快速累积期的持续时间而实现生物量的增加。

表5　棉花生物质累积Logistic模型及其特征值（2015年）Table 5　Equation of cotton plant biomass accumulation and its eigenvalues in 2015

相比于生物量、生殖器官和生殖相关器官，营养器官生物质快速累积起始和终止时间最早，然而快速累积期的持续时间和累积速率均比生物量和生殖器官低；最大累积速率出现时间分别比生物量、生殖器官和生殖相关器官早24 d、41 d和20 d。营养器官生物质快速累积期持续时间为23.9～40.5 d，累积速率随氮肥用量增加表现为先上升后下降。其中N120处理持续时间最长（40.5 d），而累积速率最小（0.26 g·plant－1·d－1），N150处理具有最大的营养器官生物质累积速率（0.43 g·plant－1·d－1）。

生殖器官快速累积期起始和终止最晚（分别为出苗后85 d和118 d左右），说明前期棉花主要以营养生长为主。氮肥后效推迟生殖器官进入快速累积期的起始与终止时间，而对持续时间影响不大（处理N150～N240），最大速率出现时间比生殖相关器官、营养器官和生物量分别晚21 d、41 d和17 d左右。N180处理虽然生物质累积不高，但是生殖器官所占的比例最大，收获指数也最大，因此棉花的产量最高，也反映出N180处理光合产物转化至生殖器官的效率高。虽然N120处理生殖器官最大和平均累积速率最大，分别为 0.98 g·plant－1·d－1、0.86 g·plant－1·d－1，但快速累积期持续时间最短，所以累积量最少。

生殖相关器官快速累积起始时间 （出苗后64 d）比营养器官晚20 d，而要比生殖器官早21 d，终止时间介于二者之间（出苗后81 d）；其快速累积期持续时间最短（17 d），最大与平均速率在4 个指标中最低， 分别为 0.20 g·plant－1·d－1、0.17 g·plant－1·d－1。 随着氮肥用量的增加，生殖相关器官快速累积期的最大速率减小，其中N150和N180 处理最大，为 0.22 g·plant－1·d－1，比 N120、N210、N240处理分别增加 4.7%、15.8%、46.7%。

3　讨论

氮肥的施用时期显著影响棉花的生育进程，尤其是花铃期[22-23]。本试验中不同氮肥用量对棉花生育期和花铃期持续时间影响不大，氮肥后效也不明显，处理之间差异不显著。这可能是由于：试验中氮肥梯度较小，生育进程受施氮量的影响较小，但是2年播种时间不同，苗期和蕾期差别很大，主要是由于2014年于6月14日播种，此时环境温度较高，导致苗期变长而蕾期缩短；而2015年由于前期温度低，棉花在不良条件下具有缩短生育进程而完成生育周期的能力；不同人员调查尺度不同也可能造成结果差异较大。

随着生育进程的推移生物质的累积逐渐上升，前期以营养生长为主，养分需求少，到花铃期养分的需求大[24]。见花期一次性施肥情况下，由于施肥时间推迟，氮肥在土壤中流失风险较大，所以通过研究氮肥后效确定适宜的氮肥用量。本试验年际间施肥时间相近，但生物质累积曲线差异较大，这主要是因为：2014年未收集脱落器官；2年取样方式不同；2015年在快速累积期温度较高，进入吐絮期累积速率较大。施肥后处理间增长加快，前期各处理之间差异并不明显，但是后期各处理间的差异随着氮肥用量的增加而增大。氮肥用量对棉花生物质累积影响显著，随氮肥用量的增加而增加，其中N210处理不同器官生物质累积最大（生殖相关器官除外），而氮肥后效不明显，这说明有多余的氮肥可能被浪费掉，后效试验也证明了这一点。

氮肥后效对棉花产量及其构成因素都有显著影响，氮肥可以显著提高棉花生物量、经济产量及地上部分总吸氮量[25-27]。增施氮肥可以有效增加单位面积成铃数和铃重从而增加棉花产量[28]，但过量施用对提高经济产量和生物产量作用不显著，氮肥利用率会随施氮量的增加而降低，而且容易造成贪青晚熟，僵铃脱落增加，霜前花比例下降[29-31]。氮肥后效试验中，N180处理生殖器官占到总干物质质量的比例最大，为64.4%；因此，本试验中施氮 180 kg·hm－2棉花营养生长与生殖生长最为协调，继续增加氮肥用量生殖器官比例下降，单株成铃数、铃重及衣分都显著下降。可见，适宜的氮肥用量更有利于棉花产量形成，进而实现棉花产量的提高[32]。

4　结论

尽管2年播种时间差异较大，但花铃期和生育期持续时间没有差异，氮肥后效亦不明显。增加氮肥用量可以增加棉花产量，而用量过大会导致产量下降，主要原因是生殖器官所占的比例下降。本试验中N180处理皮棉产量和铃重最高，虽然N210处理的籽棉产量最高，但与N180处理差异不大。同时N180处理生物质快速累积期的累积速率较大，生殖器官累积量最大（64.4%）。可见，在中等肥力棉田氮肥用量减为180 kg·hm－2是可行的，因为其快速累积期生殖器官生物质累积强度增加。

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