施氮水平对油棉连作棉花氮磷钾吸收、分配与利用的影响

李 飞，郭利双，李景龙，肖才升

(湖南省棉花科学研究所，湖南 常德 415101)

油棉连作技术作为一种全新的种植方式，不仅缓解了油棉争地的矛盾，提高了周年棉田效益，而且可以进行机械化作业与轻简化栽培，为洞庭湖棉区棉花产业的稳定和发展开辟了新的方向[1-3]。洞庭湖棉区作为我国的优质棉产区之一，关于油棉连作棉花增产、提质、增效的理论与技术研究已成为当前湖南省农业领域研究的热点。目前，化学肥料的合理应用是提高棉花产量的主要技术手段[4]，但是在生产中，化肥的盲目施用现象越来越多，尤其是氮肥的施用量不断增加[5-7]，不仅造成氮肥利用率下降与化肥资源浪费[8-9]，而且导致棉花产量下降，影响棉田收益。此外，引发的环境污染、生态系统失调以及纤维品质下降等一系列问题，影响了我国农业的可持续发展。

本研究基于油棉连作棉花密植模式，比较不同施氮量对直播棉群体生物量积累、皮棉产量及纤维品质的影响差异，摸清氮肥的适宜施用量，提高氮肥运筹水平与生产效率，为环境友好型的棉花资源高效利用栽培技术提供实用的技术指导。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验于2014，2015年在湖南省棉花科学研究所茅湾科研基地进行。试点土壤为河潮土，耕层土壤有机质含量为15.6 mg/kg，碱解氮98.0 mg/kg，有效磷14.1 mg/kg，速效钾186.8 mg/kg，pH值7.34。

试验棉花品种为中棉所915，种植密度7.5万株/hm2。试验设置5个氮素水平：0，120，180，270，360 kg/hm2，分别以N0、N1、N2、N3、N4表示，施肥方式为沟施，总施氮量中，30%氮肥作基肥，播种时施入，70%氮肥于见花后追肥。随机区组排列，3次重复，小区面积30.4 m2。

1.2 测定内容与方法

1.2.1 农艺性状 6月29日、7月14日、7月29日、8月13日、8月28日、9月13日和9月28日每个处理选取长势均匀的棉花10株调查株高及蕾、花、铃和脱落数等。

1.2.2 生物量 6月29日、7月14日、7月29日、8月13日、8月28日、9月13日和9月28日取生长发育一致的棉株2株，3次重复，按器官分为真叶、果枝、主茎、生殖器官(蕾花铃)与根系，105 ℃杀青30 min后，80 ℃烘至恒重，测定生物量。

1.2.3 产量构成因素调查 10株标记好的植株上拾花，记录铃数并称重，计算单铃重和衣分；分小区收花计产。

1.2.4 纤维品质调查 各小区收获中上部自然吐絮较好的棉铃20个，轧花后送交农业部棉花品质监督检验测试中心(安阳)。

1.3 棉花氮肥利用率的计算方法

氮肥表观利用率(NARE，%)=(施氮区棉株吸氮量-不施氮区棉株吸氮量)/施氮量×100%；

氮肥农学利用率(NAE，kg/kg)=(施氮区皮棉产量-不施氮区皮棉产量)/施氮量；

氮肥偏生产力(NPP，kg/kg)=施氮区单位面积产量/单位面积施氮量；

氮素生产效率(NPE，kg/kg)=单位面积皮棉产量/单位面积棉株吸氮量[10]。

1.4 数据分析

数据采用SAS(9.1.3)进行方差分析、模型构建，用Excel 2003进行绘图。

2 结果与分析

2.1 产量构成因素分析

表1表明，不同施氮量处理之间单株成铃数差异较大，随施氮量的增加，表现为先上升后下降，在270 kg/hm2时最多；单铃重的变化趋势与单株成铃数表现一致；衣分在施氮量270～360 kg/hm2时最高，且各处理间差异不显著。脱落率随施氮量增加先下降后上升；2年间的数据表现基本一致；整体来看，随着施氮量的变化，2015年各处理产量构成因素变幅较2014年大。

皮棉产量随施氮量的增加，表现为先上升后下降。2014，2015年皮棉产量均在270 kg/hm2时达到最大。以施氮量(kg/hm2)为自变量，皮棉产量(kg/hm2)为因变量，进行拟合，得出氮效应方程：y=b0+b1x+b2x2+b3x3。当边际产量(增加单位量氮肥所增加的产量，即dy/dx=b1+2b2x+3bx2)等于零时，产量最高，此时的施氮量即为产量最佳施氮量；当边际产量等于氮肥与皮棉的价格比值(即dy/dx=px/py)时，单位面积的施肥收益最优，此时的施肥量即为收益最佳施氮量；将产量最佳和收益最佳施氮量分别带入方程可求出相应的最佳产量与收益最佳产量[11]。

表1 施氮量对棉株产量及其构成的影响Tab.1 Effect of nitrogen application rate on cotton yield and yield components

注：不同字母表示其在0.05水平上差异显著。表2-7同。

Note：Different letters mean significantly different at the 0.05 probability leve1.The same as Tab.2-7.

从图1可以看出，2年方程拟合的决定系数均在0.98以上，这说明方程的拟合度较高，计算出的最佳施氮量比较准确。经计算得出，2015年产量最佳施氮量为277.1 kg/hm2，收益最佳施氮量为259.5 kg/hm2；2014年产量最佳施氮量为280.1 kg/hm2，收益最佳施氮量为265.2 kg/hm2。因此，综合产量与收益得出，推荐施氮量为250～270 kg/hm2。

2.2 纤维品质构成因素分析

统计分析2年不同施氮水平下、不同果枝棉纤维品质指标(表2)，可以看出，随施氮量的增加不同果枝部位棉纤维品质变化趋势存在一定差异。

纤维长度随着施氮量的增加表现为先上升后下降的变化趋势，2014，2015年均在施氮270 kg/hm2的条件下纤维长度最长。总体来看，2年的纤维长度变幅均不大，其中，2014年的各处理间差异均不显著。

2年的马克隆值变化趋势一致，均随着施氮量的增加呈下降趋势；不同施氮处理之间马克隆值变幅较小，且各处理之间差异不显著。

图1 施氮量与棉花产量的关系Fig.1 Relationship between nitrogen application rate and cotton yield

年份Year处理Treatment纤维长度/mmFiber length整齐度/%Uniformity比强度/(cN/tex)Strength马克隆值Micronaire伸长率/%Elongation2015N030.00±0.82bc86.67±0.41a32.37±0.62a5.37±0.14a6.97±0.13aN130.53±0.31bc87.03a±0.1132.47±0.44a5.33±0.06a7.10±0.06aN230.53±0.35ab86.67±0.39a33.17±0.14a5.30±0.10a7.10±0.02aN331.43±0.44a86.60±0.58a32.53±0.48a5.23±0.08a7.13±0.08aN429.50±0.51c86.20±0.09a31.87±0.19a5.20±0.09a7.03±0.03a2014N030.41±0.66a86.10±0.96a30.98±0.69a5.42±0.08a6.80±0.10aN130.85±0.57a84.83±0.55a31.37±1.15a5.41±0.09a6.83±0.06aN230.98±0.11a86.13±0.71a31.57±1.62a5.38±0.24a7.00±0.17aN331.05±0.61a85.13±0.21a32.32±0.62a5.34±0.08a6.90±0.10aN430.90±0.60a85.40±0.53a30.69±1.00a5.30±0.08a6.87±0.12a

纤维比强度的变化均在30.69～33.17 cN/tex，随着施氮量的增加，纤维比强度未呈规律性变化，不同处理之间差异不显著；2014，2015年的比强度分别在施氮量270，180 kg/hm2条件下最大。纤维整齐度和伸长率随施氮水平的提高，差异表现不显著。因此，综合纤维品质各项指标得出，推荐施氮量为180～270 kg/hm2。

2.3 施氮量对棉花生物量动态变化特征的影响

表3表明，随着施氮水平的提高，单株生物量、根冠比、生殖营养器官比例、茎叶比及经济系数均呈现规律性变化，具体如下：

随施氮量的增加，单株生物量表现为先上升后下降，2年的单株生物量均在施氮270 kg/hm2条件下最大。不同施氮水平下，棉花根/冠随施氮量的变化均呈下降趋势，2年的变化趋势表现一致；随着施氮量的增加，生殖器官/营养器官表现为先上升后下降，2年均在270 kg/hm2施氮量条件下达到最大；茎叶比随施氮水平的变化趋势表现为先下降后上升，均在270 kg/hm2施氮量条件下茎叶比最小。

施氮量对棉株经济系数的影响(棉株经济系数=籽棉生物量/单株生物量)表现为：经济系数随施氮水平的提高先增加后下降，在270 kg/hm2施氮水平下最高，2年趋势一致。

表3 施氮量对棉株干物质分配的影响Tab.3 Effect of N application rate on biomass partitioning in cotton plant

2.4 施氮量对氮磷钾吸收、分配与利用的影响

2.4.1 施氮量对氮积累及分配动态的影响 由表4可知，棉株的氮积累随着施氮量的增加而提高。从棉株各器官氮积累来看，叶片、茎枝与根部的氮积累均随着施氮水平的提高呈上升趋势，均在N4水平(施氮量360 kg/hm2)下达到最大；而棉铃的氮积累则表现为先上升后下降的变化，在N3水平(施氮量270 kg/hm2)下达到最大。从各器官氮分配比例来看，在N4水平(施氮量360 kg/hm2)下，叶片、茎枝和根的分配比例均为最大，而棉铃的分配比例则为最小。这反映出施用氮肥可以促进植株的生长和各器官的氮积累，同时也影响植株营养器官与生殖器官的氮分配比例，施氮水平过高或不足则会促进叶、茎枝和根等营养器官的生长与氮积累，从而影响棉铃等生殖器官的生长和氮积累。

表4 不同施氮水平下棉株氮素的积累与分配Tab.4 Nitrogen accumulation and distribution of cotton under different nitrogen levels

2.4.2 施氮量对磷积累及分配动态的影响 由表5可知，施氮水平的提高促进了棉株的磷积累，这与氮积累表现一致。从棉株各器官磷积累来看，叶片、茎枝和棉铃的磷积累均在N4水平(施氮量360 kg/hm2)下达到最大；根的磷积累则在N2水平(施氮量180 kg/hm2)下达到最大。从各器官磷分配比例来看，叶片、茎枝和根的分配比例均呈现先升高后下降再升高的曲线变化，其中叶片的分配比例在N1水平(施氮量90 kg/hm2)下最大，茎枝和根的分配比例均在N2水平(施氮量180 kg/hm2)下最大；在施氮的4个处理中，棉铃的分配比例在N3水平(施氮量270 kg/hm2)下最大。从施氮水平对磷在各个器官的分配比例来看，和氮的影响表现基本一致，氮积累量和分配与磷积累和分配呈现较好的同步性。

表5 不同施氮水平下棉株磷素的积累与分配Tab.5 Phosphorus accumulation and distribution of cotton under different nitrogen levels

2.4.3 施氮量对钾积累及分配动态的影响 由表6可知，棉株的钾积累与氮积累表现一致，随着施氮水平的提高，钾积累提高。从棉株各器官钾积累来看，叶片、茎枝、根部和棉铃的钾积累均在N4水平(施氮量360 kg/hm2)达到最大。从各器官钾分配比例来看，叶片、茎枝和根的分配比例均呈现先升高后下降再升高的曲线变化，其中叶片的分配比例在N4水平(施氮量360 kg/hm2)最大，茎枝和根的分配比例均在N2水平(施氮量180 kg/hm2)最大；在施氮的4个处理中，棉铃的分配比例在N3水平(施氮量270 kg/hm2)最大。从施氮水平对钾在各个器官的分配比例来看，和氮的影响表现一致。氮的积累量和分配与钾积累和分配呈现较好的同步性，即表现为氮积累随施氮水平提高，钾积累也提高。

表6 不同施氮水平下棉株钾素的积累与分配Tab.6 Potassium accumulation and distribution of cotton under different nitrogen levels

2.4.4 施氮量对氮、磷、钾养分利用效率的影响 随着施氮水平的提高，氮肥的利用率、农学利用率、偏生产力和生产效率均呈下降趋势；磷和钾的吸收量则随施氮量的提高呈上升趋势，其中，施氮量360 kg/hm2条件下，P2O5吸收量较不施氮处理增加62%以上，K2O吸收量较不施氮处理增加96%以上(表7)。

表7 施氮量对氮、磷、钾养分利用效率的影响Tab.7 Nitrogen，phosphorous and potassium utilization efficiencies different N fertilizer rates

3 结论与讨论

多数研究证明，棉花产量受施氮量影响较大，施氮量过高或过低均会造成产量下降[12-14]，本试验的结果也验证了这一点。本研究中，2年的棉花产量均以N3处理，即施氮270 kg/hm2最高，经过氮效应方程计算，2014，2015年的效益最佳施氮量分别为259.5，265.2 kg/hm2。因此，基于产量形成、氮肥高效利用与经济收益，在本试验的栽培模式及生态环境下，推荐施氮量为250～270 kg/hm2。

虽然关于施氮与纤维品质的研究较多，但由于试验条件、品种、肥料形态及施用方式的不同，研究结果也差异较大。本试验中马克隆值随施氮量的增加而降低，这与Rochhester等[15]的研究一致。纤维长度和断裂比强度则呈现先升高后下降的变化，这在宋为超等[16]的研究中也有所表现，其中2015年，纤维长度和比强度分别在N3(施氮270 kg/hm2)、N2(施氮180 kg/hm2)达到最大；2014年，纤维长度和比强度均在N3(施氮270 kg/hm2)达到最大。整齐度和伸长率均相差不大且各处理间差异不显著。目前，随着机械植棉发展脚步的加快，纺织企业对纤维品质的要求进一步提高，达到“双30”以上，即纤维长度≥30 mm，比强度≥30 cN/dtex。因此，结合检测结果与市场需求，施氮量在180～270 kg/hm2时，棉花纤维品质比较理想。

合理的生物量是作物产量和品质提高的重要前提[17]，而植株养分吸收则是生物量积累与产量形成的基础。从试验结果看，增施氮肥促进了棉株生物量积累与氮、磷、钾的吸收。当施氮水平提高到N3，即施氮270 kg/hm2，其增施效果不再显著；此外，氮素的积累与分配和磷、钾的积累与分配呈现良好的一致性。本试验中，棉株氮磷钾养分累积均在N4(施氮360 kg/hm2)最大，但是在施用氮肥(N1、N2、N3、N4)的4个处理中，棉铃氮、磷、钾的分配比例均在N3(施氮270 kg/hm2)最大，这与棉株生物量积累、棉花产量表现一致，因此，适宜的施氮量可以提高氮、磷、钾在生殖器官中所占的分配比例，进而促进生物量的积累，提高棉花产量。本试验中，施氮不足与过量均会影响营养器官与生殖器官的协调生长，致使氮、磷、钾在生殖器官中所占的分配比例下降，尤其是施氮水平过高，棉株营养生长过旺，表现为群体茂盛，贪青晚熟，过多的养分向营养器官转移，抑制了棉株的生殖生长，不利于棉铃的生长发育，产量下降，品质降低。

研究表明，棉田氮肥利用率受施氮量影响显著，随着施氮水平提高而下降[11，18-19]。本研究中，氮肥的利用率、农学利用率、偏生产力与生产效率均随施氮量的增加而降低，这与前人的研究结果表现一致，同时施氮水平的提高大大促进了棉株对P2O5与K2O的吸收。

总之，氮肥对提高棉花干物质积累、氮磷钾吸收、产量和品质作用显著，但是过量施用不仅会影响棉花产量和品质，而且造成肥料利用率低、化肥资源浪费，并且导致田间生态环境的恶化以及土壤肥力的下降[8-9]。向凤玲等[20]调研发现，同属洞庭湖棉区的大通湖，氮肥平均使用高达342.6 kg/hm2，而本研究提出了油棉连作棉花适宜的施氮量为250～270 kg/hm2，大幅度降低了氮肥的施用量，不仅符合国家提出的化肥农药减施增效的绿色增长模式，而且提高了棉花的田间收益，保障了国家生态环境安全和农产品质量安全，促进了农业环境改善。本研究针对洞庭湖棉区，提出了适宜的施氮量与合理的肥料运筹，为油棉连作棉花化肥减施增效提供了技术参考。

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