减施氮肥对北疆滴灌棉花干物质积累及产量的影响

2019-05-23李鹏兵李明华马富裕

新疆农业科学 2019年1期

文明，李鹏兵，王乐，李明华，刘扬，马富裕

(石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态重点实验室，新疆石河子，832003)

0 引言

【研究意义】20世纪90年代中期以来，以新疆为主产区的西北内陆棉区成为全国优势产区，2013～2014年新疆棉花总产达450余×104t，棉花产量占全国60%以上，目前新疆已成为我国最大的产棉区[1-2]。氮肥是植物生长发育过程中的必需元素之一，增加经济效益，施用氮肥是有效的栽培措施之一。但是过量施用氮肥和氮肥施用的不合理增加了棉花生产成本，一定程度上制约了棉花产业发展，造成环境污染，土壤酸化、养分不平衡等问题[3]。合理降低施氮量对棉花高产高效栽培具有重要意义。【前人研究进展】施足量氮肥有利于棉花中期叶和蕾花铃的物质积累，但过量氮肥使棉花生育后期生殖器官的分配比例显著下降，明显提高茎叶的分配比例，使棉花群体过大、叶片贪青、营养生长过盛，不利于后期棉铃的生长发育[4]。前人在减量施氮方面做了不少研究[5-7]，刘小明等[8]研究了减施氮肥对玉米-大豆套作系统产量的影响，发现减施氮肥处理提高了两种作物的干物质积累量和产量，提高了大豆的经济系数。韩瑛祚等[9]发现减少施氮不仅能增加辣椒产量，还能减少纯氮投入，有效降低辣椒硝酸盐含量，提高辣椒品质和氮肥利用率。李有兵等[10]研究了15%减氮处理降低了小麦/玉米轮作的作物秸秆氮磷钾周年总吸收量，增加作物籽粒氮磷钾周年总吸收量，30%减氮处理显著降低了籽粒氮素和秸秆磷、钾周年总吸收量，确定了当地最佳氮肥施用量为玉米季施氮 159 kg/hm2，小麦季施氮127.5 kg/hm2。蒋士东等[11]发现在氮素背景较高的土壤上，减少氮肥用量可以缩短烤烟的生育期、提高产值和均价。【本研究切入点】针对新疆棉花生产中过量施用氮肥，但产量不增，肥料利用效率低等问题，有关新疆棉花生产中减施氮肥的相关研究较少。在保证产量稳定的前提下，研究减施氮肥对新疆棉花干物质积累及产量的影响，减少氮肥投入和造成的环境污染。【拟解决的关键问题】通过对不同氮素水平对北疆滴灌棉花干物质积累及产量的影响，研究减施氮肥对棉花干物质积累和产量的影响，以及适宜当地棉花种植的氮肥施用量，提高肥料利用率和供需平衡，为新疆棉区棉花生产减少施氮量提供参考。对棉花产业的可持续发展、高产栽培和农民节本增收提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2018年在新疆生产建设兵团第八师石河子市石总场四分场三连进行(N44°29′48.7″E86°1′32.0″)。小区土壤基础肥力为碱解氮145.47 mg/kg、速效磷36.18 mg/kg、速效钾67.30 mg/kg、有机质31.50 g/kg，电导率665.66 us/cm，pH 8.15采样深度0～30 cm等。当地属于典型的温带大陆性气候，冬季长而严寒，夏季短而炎热，年平均降水量100～190 mm，年平均蒸发量在1 200 mm左右。无霜期为170 d左右。≥0℃的活动积温为4 100℃左右，≥10℃的活动积温为3 600℃左右。该地区日照充沛，年日照时数为2 800 h左右。

1.2 方法

试验以鲁棉研24号为供试材料，设置4个不同施氮水平，分别为506(N1)、402.5(N2)、299(N3)和195.5 kg/hm2(N4)，其中N2为当地农户常规施氮量。磷肥(P2O5)和钾肥(K2O)施用量分别为108和97.2 kg/hm2。肥料均随水滴施，全生育期共滴施8次。采用随机区组排列，重复3次，共12个小区。采用2.25 m宽膜，一膜3行稀植模式(76 cm等行距种植)，小区长15 m，面积33.75 m2。于4月21日播种，5月1日出苗，6月23日第一次滴水，7月13日打顶，10月1日开始收获。其他栽培管理措施按照大田栽培要求进行。

1.2.2 样品采集

于出苗后52、62、72、82、92、102、122 d从各小区随机选取3株棉株，从子叶节部位剪开，按叶、茎、蕾花铃等不同器官分开，在105℃杀青 30 min 后，80℃烘干至质量恒定，测定其干物质质量。

产量测定：完全吐絮后，每个处理小区选取6.75 m2面积，3 m长度范围内，收获株数、单株结铃数，并连续取50株吐絮铃测其铃重，轧花后测算衣分，并以各处理收获株数、铃重计算籽棉产量。

通过Logistic方程[12]对棉花干物质积累变化进行拟合。Logistic方程的形式和特征值如下：Y=Ym/[1+e(a+bt)]，其中Y为棉花干物质积累量，t为棉花出苗后天数，Ym为干物质最大积累量；a、b、Ym为待定系数。当t=t0时，Vm=-bYm/4,此为干物质积累速率达到最大；t1和t2是拟合曲线上的两个点，将“S”型曲线分为三段，在0-t1时间段内，干物质积累速度缓慢，t1-t2时间段内干物质积累速度加快，几乎呈线性关系，为干物质旺盛生长期，在t2以后，干物质积累速率缓慢，使得干物质积累趋于最大值。Δt表示干物质旺盛生长期的长短，Δt=t2-t1。GT=-bYm/4,称“生长特征值”(棉花干物质关键时期积累达到最大积累量的65%以上)。

1.4 数据处理

数据处理与分析采用Excel 2013，方差分析采用SPSS20.0软件，绘图采用Sigmaplot 12.0。

1990年，阿替普酶用于治疗AIS的双盲多中心临床试验结果首次发表［37］。这次试验使用阿替普酶或尿激酶治疗364例AIS患者，治疗时，36.2%患者发生AIS的时间在24 h内，69.5%患者在48 h内，最终两组间未见差异，但提示阿替普酶在AIS发生后极早期治疗可能会比较有效。

表1 减施氮肥下棉花干物质分配变化
Table 1 Effects of reduced nitrogen application rate on distribution dry biomass in cotton

出苗后天数(d)Days after emergence处理Treatments干物质分配比例(%) Dry matter distribution proportion叶片Leaves茎枝Stems branches蕾铃花Buds flower bolls 52N149.5047.842.66N249.7249.041.24N350.5047.352.16N452.9845.471.5562N144.6450.095.27N246.4148.335.25N345.1049.155.75N446.3348.535.1472N141.8643.0815.06N242.5343.7213.75N339.4345.9514.62N432.7153.1214.1782N134.2832.5333.19N230.9839.6829.34N333.9236.7229.36N433.8838.7627.3692N125.7738.4435.79N224.9933.0541.96N329.0633.9337.01N427.2834.5938.13102N124.1031.6444.26N221.6129.3749.02N324.5128.2947.20N423.5628.9047.55122N116.8525.8757.28N215.9722.1161.92N315.2819.6265.09N414.4520.3165.24

2 结果与分析

2.1 减施氮肥对棉株干物质积累与分配的影响

研究表明，棉花干物质分配动态为叶片和茎枝的干物质积累随着时间的推移而呈现先上升后下降趋势，生殖器官干物质积累随着生育期的推进逐渐升高。叶片的干物质百分比随着生育期的推移，由出苗后52 d的49.5%～52.98%降低到出苗后122 d的14.45%～16.85%，茎枝所占地上部干物质百分比由出苗后52 d的45.47%～49.04%降低到出苗后122 d的19.62%～25.87%，蕾铃花干物质百分比由出苗后1.24%～2.66%逐渐增加到出苗后122 d的57.28%～65.24%。棉花在出苗62 d左右时，以营养生长为主，各处理叶片的干物质百分比占总干物质的44%以上，茎枝干物质占总干物质的48%以上，出苗72 d左右时是棉花营养生长和生殖生长并进时期，但这时仍然以营养生长为主，蕾铃花干物质积累不断增加，生殖生长逐渐旺盛。出苗122 d左右时，叶片干物质比重从大到小依次为：N1>N2>N3>N4，N1分别比N2、N3和N4处理高出5.50%、10.28%和16.65%，茎枝干物质比重从大到小依次为：N1>N2>N4>N3，N1处理分别比N2、N3和N4处理高17%、31.82%和27.36%，除N4处理外，N3的蕾铃花干物质比例均高于其他处理。表1

图1 减量施氮下棉花干物质动态积累变化
Fig.1 Effects of reduced nitrogen application rate on dynamic dry biomass in cotton

2.2 棉株干物质积累动态模拟

2.2.1 棉株干物质积累的动态模拟

研究表明，棉花地上部干物质积累最快时期出现在出苗后63～107 d，其中N1、N2、N4处理的t1相同，都为63 d；N3处理最晚，比其他处理推迟2 d。N2处理旺盛生长期结束时间最早，比N1和N4早4 d，比N3处理早21 d。在N3处理下，干物质快速积累期时间持续最长，为42 d，分别比N1、N2和 N4处理多15 和19 d。N3处理下，干物质积累最大速率Vm最小，分别比N1、N2、N4处理低13.3%、24.2%和10.74%；但干物质最大积累量Wm： N3>N1>N2>N4，N3处理分别比N1、N2和N4高36.16%、40.06%和40.45%。表2

表2 棉花单株干物质积累Logistic模型
Table 2 The Logistic equation of cotton dry matter accumulation

处理 (Treatment)回归方程(Regression equation)t1(d)t2(d)Δt(d)t0(d)Vm(g/d)Wm(g)GT (g)R2N1Y=109.579 4/[1+e(7.511 3-0.098 6t)]63 90 27 76 2.700 2109.579 472.155 70.989 9N2Y=106.5273/[1+e(8.643 7-0.116 t)]63 86 23 75 3.088 8106.527 370.1460.931 2N3Y=149.204 9/[1+e(5.384-0.062 8t)]65 107 42 86 2.341 2149.204 998.248 30.986 3N4Y=106.233 1/[1+e(7.543 5-0.098 8t)]63 90 27 76 2.622 9106.233 169.952 30.975 5

注：t1为棉花干物质快速积累期(d)，t2为棉花干物质快速积累结束期(d)，Δt=t2-t1为棉花干物质快速积累持续期(d)，t0为棉花干物质积累速率最大时刻(d)，Vm为棉花干物质积累最大值(g/d)，Wm为棉花干物质积累最大值(g)，GT为生长特征值，R2为相关系数。下表相同

Note:t1means beginning time of cotton dry matter quick accumulation,t2means finish time of cotton dry matter quick accumulation, Δt=t2-t1means during of rapid accumulation of cotton dry matter quick accumulation,t0means maximum rate time of cotton dry matter accumulation, Vm means rate of maximum rate time of cotton dry matter accumulation,Wmmeans maximum value of cotton dry matter accumulation,GTmeans growth eigenvalue,R2means related coefficient.The same as below.

2.2.2 棉株地上部分营养器官干物质积累的动态模拟

研究表明，棉花地上部分营养器官干物质积累最快时期出现在出苗54～77 d，其中，N1处理t1最早为54 d，N4处理的t1最晚，比N1处理晚3 d。N2、N3和N4处理旺盛生长期结束时间均为72 d，比N1处理提前5 d。各处理下，N1营养器官干物质快速积累期持续时间最长，为23 d，N4最短，其中N3处理比N1处理少7 d，比N4处理多1 d，和N2处理持平。N3处理营养器官干物质积累速率Vm最大，分别比N1、N2和N4处理高35.92%、3.48%、0.67%。地上部营养器官干物质最大积累量Wm：N1>N3>N2>N4，N3处理的Wm比N2和N4高4.09%和9.29%，比N1处理低2.76%。表3

2.2.3 棉株生殖器官干物质积累的动态模拟

研究表明，棉花地上部生殖器官干物质积累最快时期出现在出苗后77～113 d，N1的t1出现的最早，N3最晚，N3分别比N1、N2和N4晚10、9和5 d。N3旺盛生长期结束时间最晚，分别比N1、N2和N4处理晚11、14和9 d。各处理下， N3处理生殖器官干物质快速积累期持续时间最长，为26 d，分别比N1、N2和N4处理多1、5和4 d。此外，N3处理下生殖器官干物质积累速率Vm和生殖器官干物质积累量Wm最大，其中N3处理的Vm分别比N1、N2和N4高52%、22%和19%。N3处理处理的Wm分别比N1、N2和N4高61%、55%和45%。表4

表3 棉花单株营养器官干物质积累Logistic模型
Table 3 The Logistic model and characteristic value of the vegetative organs of dry matter accumulation

处理(Treatment)回归方程(Regression equation)t1(d)t2(d)Δt(d)t0(d)Vm(g/d)Wm(g)GT(g)R2N1Y=54.328 4/[1+e(7.464 8-0.114 6t)]54 77 23 65 1.557 154.328 435.774 10.884 2N2Y=50.754 3/[1+e(10.353 6-0.161 2 t)]56 72 16 64 2.045 250.754 333.420 60.792 4N3Y=52.831 5/[1+e(10.143 8-0.160 2t)]55 72 16 63 2.116 452.831 534.788 40.974 1N4Y=48.338 6/[1+e(11.244-0.174 t)]57 72 15 65 2.102 448.338 631.830.830 9

表4 棉花单株生殖器官干物质积累Logistic模型
Table 4 The Logistic model and characteristic value of the reproductive organs of dry matter accumulation

处理(Treatment)回归方程(Regression equation)t1(d)t2(d)Δt(d)t0(d)Vm(g/d)Wm(g)GT(g)R2N1Y=60.874 5/[1+e(9.435 7-0.105 3t)]7710225901.602 660.874 540.084 60.994 3N2Y=63.467 4/[1+e(11.162 5-0.126 4t)]789921882.006 363.467 441.7920.978 2N3Y=98.265 3/[1+e(9.934 3-0.099 4t)]87113261002.443 198.265 364.705 70.988 6N4Y=67.891 9/[1+e(11.152 3-0.120 5t)]8210422932.044 867.891 944.705 40.992 8

2.3 减施氮肥下产量及产量构成

研究表明，随着施氮量的增加，棉花单铃重呈现先增加后减小的趋势，其中N3处理单铃重达到最大5.93 g，并与其他处理差异达到显著(除N2处理外)。从单株铃数来看，单株铃数同单铃重一样，随着施氮量增加呈现先增加后减小趋势，单株铃数从大到小依次是：N2>N1>N3>N4，其中N2处理显著高于其他各处理，分别比N1、N3和N4处理高6.46%、15.81%和16.23%。不同施氮量下衣分变化不同，除N4处理外，其它各处理间差异不显著。在不同氮素处理下，产量也随着施氮量的增加呈现先增加后降低的趋势，N2处理下籽棉产量最高，达到5 938.34 kg/hm2，显著高于N1和N4处理，但与N3处理间差异不显著。表5

表5 减施氮肥下棉花产量及其构成因素变化
Table 5 Effects of reduced nitrogen application rate on yield and yield components of cotton

处理(Treatment)单铃重Single boll weight (g)单株铃数Boll number per plant 衣分Lint (%)籽棉产量Yield ( kg/hm2)N15.35±0.12b9.12±0.11b0.42±0.01ab5 387.11±4.02bN25.54±0.06ab9.71±0.03a0.43±0.01a5 938.34±3.37aN35.93±0.33a8.38±0.29c0.43±0.01a5 496.69±32.61abN45.26±0.21b8.35±0.04c0.41±0.01b4 858.87±14.45c

图 2 施氮量与产量拟合
Fig.2 Fitting Chart of Nitrogen Fertilization and Yield

通过对产量进行拟合表明，单产随着施氮量的增加呈二次曲线变化趋势，施氮量N2时产量最高，超过N2时，产量随着施氮量增加而降低。不同施氮量对产量影响效应方程为Y=-3E-05x2+ 0.021 4x+ 1.691 2(R2= 0.946 3，式中Y代表棉花产量，X代表施氮量)。由方程求得最高产施氮量为x=386.71 kg/hm2,对应的籽棉产量为5 833.69 kg/hm2。图2

3 讨论

棉花干物质积累与分配对棉花产量具有重要影响, 建立棉花高效群体结构依赖于棉花干物质生产[13～14]氮肥运筹可显著影响棉花氮素吸收最大速率及其出现时间，棉花对干物质和氮素的分配基本同步。前期干物质和氮素分配以营养器官为运输中心，花铃期后干物质和氮素分配逐渐向生殖器官转移，最终生殖器官中干物质和氮素所占比例较高[15]。汪玲等[16]研究结果表明，棉花干物质积累速率最快时间在初花期至盛铃期，在蕾期、花铃期前轻后重，盛铃期前重后轻的施肥策略能够获得较高的干物质积累量和产量。陈求柱[17]研究表明，棉花后期氮肥比例的加大会推迟植株干物质积累的起始时间，合理的氮肥运筹能提高快速积累期的最大速率、平均增长速度和快速积累期累积的干物质。棉花地上部营养器官、地上部生殖器官和总干物质都符合“S”型曲线，随着生育期的推移，干物质积累逐渐上升，但是到了后期由于棉花植株衰老、叶片脱落等原因导致干物质积累出现了缓慢下降的趋势。棉花出苗至开花阶段，干物质主要分配给茎叶，开花后干物质分配逐渐转向蕾铃，吐絮期铃干重占棉花总干物质的主要部分[18-19]。在棉花苗期，光合产物向茎分配比例最高，现蕾到初花期只有6%～ 9%的分配给蕾铃，后期蕾铃干物质比重逐渐增加，进入吐絮期后，绝大部分干物质分配给蕾铃，试验与前人研究规律一致[20], 在棉花生育前期分配系数会出现多次波动，后期可看出地上部营养器官干物质分配比例随着施氮量的增加而上升，N3处理的蕾铃花干物质所占比例较高，减氮有利于干物质最终向生殖器官分配，而高氮则使干物质更倾向于营养器官分配。

棉花单株干物质积累中除减氮处理外，各处理进入快速生长期时间相同，减氮处理推迟了3 d，高氮处理和低氮处理快速生长期持续时间相同，都使快速生长期提前，而农户常规施氮量虽然提高了这个时期的干物质积累速率，但是持续时间短，无法获得充足的时间积累干物质，四个处理中减氮处理的生长特征值(GT)比其他处理高，氮肥施用的多或少均不利于干物质积累。通过 Logistic 模型及其特征值的分析得出减氮处理N3单株干物质积累最好，快速生长期处于盛铃期，利于干物质的积累。在地上部营养器官干物质积累中，各处理旺盛生长期起始天数差距不大，但是高氮处理下旺盛生长期时间持续长，可以发现随着施氮量的增加，营养器官的旺盛生长期持续时间也增加，但是其最大生长速率最低，GT值最大，说明高氮处理明显延长了营养器官快速生长期时间，并且高氮处理下其最大干物质量也是最高的[21]。在生殖器官干物质积累中，减氮处理延长了快速生长期持续时间，同时提高了生殖器官干物质最大积累速率，干物质积累量最多，GT值最大，说明减氮有利于生殖器官干物质积累。从产量性状上可以发现，随着施氮量的增加，单株铃数、单铃重和籽棉产量都呈现先上升后下降的趋势，其中低氮处理的各项指标都低于其他处理，说明氮用量过低，会导致棉花养分不足而减产；高氮处理产量并不是最高，过高施用氮肥反而会使产量下降；其中减氮处理产量低于农户常规施氮量，但是差异并不显著，由此可以判断,适当降低氮肥使用量并不会显著降低棉花产量。