施氮量对低肥力棉田土壤氮素及棉花养分吸收利用影响

秦宇坤 ，李鹏程 ，郑苍松 ，孙淼 ，刘帅 ，董合林 *，徐文修

（1.新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052；2.中国农业科学院棉花研究所／棉花生物学国家重点实验室，河南 安阳 455000）

合理施用氮肥可提高棉花产量，过量施氮反而会导致氮肥的产量报酬递减。调查显示，黄河流域棉花平均单产增长速率远低于棉花施氮的增长速率，棉花氮肥利用率较低[1]；施氮量增加易导致棉花氮肥利用率降低[2-3]；过量施氮会造成冗余氮素在土壤中的残留，增加土壤硝态氮向下淋溶的风险，对地下水安全造成威胁[4]。棉花减氮增效一直是研究热点，已有研究表明合理的施氮水平能显著提高棉花产量和氮肥利用率，减少氮肥损失[5-6]。脲酶广泛存在于土壤中，参与尿素的水解过程，其酶促产物——氨是植物主要吸收利用的氮源之一[7]。土壤脲酶活性与土壤速效氮含量呈正相关，其活性强弱可以表征土壤氮素供应动态，对施入土壤尿素的有效利用具有重要意义[8]。土壤脲酶活性对尿素施用量的响应规律因作物种类及土壤特性不同而存在差异。关于黄河流域棉区施氮量效应，夏冰等[9]研究了秸秆还田条件下氮肥用量对棉花产量、氮肥利用率的影响，提出较低的氮肥用量可获得较高的产量和氮肥偏生产力及回收率，证明了黄河流域棉田减氮增效的可行性。李鹏程等[10]的棉花不同氮肥用量试验表明，中等肥力棉田施氮量超过270 kg·hm－2时棉花氮农学利用率下降，施氮量360 kg·hm－2时籽棉产量高于施氮量 270 kg·hm－2和450 kg·hm－2。薛晓萍等[11]研究了不同氮素水平对棉花生物产量、氮素积累及氮素利用率动态变化，并建立了棉花临界需氮量动态定量模型和氮素动态需求定量诊断模型，结果表明施纯氮360 kg·hm－2时模拟曲线各特征参数最协调。前人研究多集中在施氮量对棉花产量及氮肥利用率的影响等方面[12-17]，缺乏施氮量对棉花耕作层土壤铵态氮、硝态氮含量的影响及脲酶活性对氮肥施用量的响应等相关报道。本试验采用连续定位施氮研究低肥力棉田施氮量对土壤速效氮、土壤脲酶活性、棉花产量、干物质积累量、养分吸收量、氮肥利用率的影响，为黄河流域棉田减氮增效、降低氮肥残留造成的环境风险提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

田间试验于2016 和2017年在中国农业科学院棉花研究所试验农场 （河南省安阳县白璧镇，114°35′E，36°13′N）进行。试验田块为多年连作棉田，土壤为壤质潮土。两年试验于同一块试验田中进行，2016年0―20 cm 基础土壤养分含量：有机质为 10.6 g·kg－1，全氮为 0.72 g·kg－1，速效氮为 44.3 mg·kg－1，速效磷为 22.8 mg·kg－1，速效钾为141.6 mg·kg－1。供试棉花品种为中熟品种中棉所79[18]。

1.2 试验设计

试验设 6个处理，施氮（N）量分别为 0、90、180、270、360、450 kg·hm－2，分 别 以 N0、N90、N180、N270、N360、N450 表示。施用氮肥为尿素（含纯氮 46.4%）、磷肥为重过磷酸钙 （P2O5占44%）、钾肥为硫酸钾（K2O 占 51%）。氮肥基施与初花期追施各占一半；磷钾肥全部底施，施用量均为 120 kg·hm－2。

试验采取随机区组排列，每个处理重复4次，共24个小区。试验小区为5 行，行距0.8 m，行长 3.6 m，小区面积为 28.8 m2；2016年种植密度为 59 000 株·hm－2，2017年种植密度为 60 000株·hm－2。2016年4月20日播种，出苗期 4月30日，蕾期 6月8日、开花期 7月1日，吐絮期 8月18日；7月5日追施尿素，7月15日打顶。2017年4月23日播种，出苗期 5月1日，现蕾期 6月1日，开花期 6月27日，吐絮期 8月15日，6月28日追施尿素。其它管理措施同当地大田生产。

1.3 测定项目与方法

1.3.1棉花产量测定。2016年与2017年分别于棉花收获期按小区调查单株铃数，采摘50个棉铃，计算铃重与衣分，并按小区实收籽棉。

1.3.2棉花生物量及氮、磷、钾含量测定。于2016年与2017年收获期在各小区选长势均匀的棉株3 株，按根、茎、叶、籽棉、铃壳等不同部位分开，105 ℃下杀青 30 min 后，于 70℃烘干至恒量，测定其干物质质量。将烘干的棉株样品粉碎，过0.5 mm 筛，测定整株氮、磷、钾含量。全氮测定用H2SO4-H2O2消煮、蒸馏定氮法测定； 全磷用H2SO4-H2O2消煮、钼蓝比色法和原子吸收法测定；全钾用H2SO4-H2O2消煮、火焰光度法测定。

1.3.3土壤水分、收获期速效氮含量测定。2017年棉花收获期采集各小区0―20 cm、21―40 cm、41―60 cm、61―80 cm、81―100 cm 土层土样，装入自封袋混匀后过20 目筛。取部分筛过的土样放入干燥的铝盒中，用烘干法测定土壤含水率。将部分鲜样带回实验室放入－20 ℃冰箱低温保存，剩余部分土样放入风干土盘自然风干。称取10 g 土壤鲜样，加入 0.01 mol·L－1CaCl2提取液100.0 mL，在振荡机上4 ℃条件下振荡1 h 后过滤，取滤液用AA3 连续流动分析仪测定土壤铵态氮、硝态氮含量[19]。

1.3.4土壤脲酶活性测定。土壤脲酶活性测定采用苯酚钠比色法[20-21]。2016年与2017年棉花收获期取各小区风干土样0.25 g，于37 ℃水浴恒温培养24 h 后，用离心机10 000 g 条件下常温离心10 r·min－1，取上层清液测定土壤脲酶活性。

1.3.5氮素利用率及其计算方法。氮农学利用率＝（施氮区籽棉产量－不施氮区籽棉产量）/ 施氮量；氮肥偏生产力＝施氮区籽棉产量/ 施氮量；氮肥贡献率＝（施氮区籽棉产量－不施氮区籽棉产量）/ 施氮区籽棉产量×100%； 氮生理利用率＝（施氮区籽棉产量－不施氮区籽棉产量）/（施氮区吸收氮量－不施氮区吸收氮量）； 氮素经济学利用率＝经济学产量/ 植株氮素吸收量；氮素生物学利用率＝生物学产量/ 植株氮素吸收量[22-24]。

1.4 数据分析

试验数据采用SPSS19.0 进行显著性方差分析，用Microsoft Excel 2007 进行处理及作图。所有数据均为3 次重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 施氮量对棉花产量及其构成因素的影响

表1 结果显示，除 2016年N90 处理外，其它施氮处理相比N0 籽棉产量均显著提高。在施氮量0～360 kg·hm－2范围内，随施氮量的增加籽棉产量呈上升趋势，当施氮量超过360 kg·hm－2时籽棉产量降低。2016年各处理籽棉增产率为14.5%～26.9%；2017年各处理籽棉增产率为23.8% ～34.0%。由图1 可知，2016年籽棉产量（Y）随纯氮（X）用量的效应方程为Y＝－0.011X2＋6.616 6X＋3 529.4 （R2＝0.982 6），按照每千克氮（N）价格4.35 元、每千克籽棉价格6.0 元计算，最高籽棉产量施氮量、经济最佳施氮量分别为300.8、266.6 kg·hm－2，最高籽棉产量、经济最佳籽棉产量分别为 4 524.4、4 511.5 kg·hm－2；2017年籽棉产量（Y）随纯氮（X）用量的效应方程为Y＝－0.009 4X2＋6.184 5X＋3 345.2（R2＝0.925 7），按每千克纯氮价格4.35 元、每千克籽棉价格5.8元计算，最高籽棉产量施氮量、经济最佳施氮量分别为 329.0、289.1 kg·hm－2，最高籽棉产量、经济最佳籽棉产量分别为 4 362.4、4 347.5 kg·hm－2。综合两年结果，籽棉产量（Y）随纯氮（X）用量的效应方程为Y＝－0.010 2X2＋6.400 5X＋3 437.3（R2＝0.978 5），按每千克纯氮价格 4.35 元，每千克籽棉价格5.8 元计算，经济最佳施氮量为277.0 kg·hm－2，经济最佳籽棉产量为 4 427.6 kg·hm－2。2016年N270 处理与N360 处理单株铃数较 N0显著增加，分别增加了26.4%和27.4%；2017年N360、N450 处理单株铃数较N0 显著增加，分别增加了31.9%和30.9%。2016年各处理铃重差异不显著，2017年N270 处理铃重最高，较N0 处理显著增加8.8%，与其余施氮处理差异不显著。各处理之间衣分差异不显著。

表1 施氮量对棉花产量及其构成因素的影响Table 1 Effect of nitrogen application rate on cotton yield and yield components

图1 2016年和2017年施氮量与棉花籽棉产量的关系Fig.1 Relationship between nitrogen application rate and cotton seed yield in 2016 and 2017

2.2 施氮量对棉花干物质、氮、磷、钾积累量及氮素利用率的影响

由表2 可知，除2017年N450 处理磷积累量与N0 无显著差异外，各施氮处理较N0 干物质积累量与氮、磷积累量均显著增加，N270 处理、N360处理、N450 处理钾积累量较N0 显著增加。2016年N270 处理干物质积累量与氮积累量最大，较N0 分别显著增加74.1%和47.6%，与 N180 处理和N360 处理差异不显著；2017年N360 处理干物质积累量与氮积累量最大，较N0 分别显著增加54.1%和49.5%，与N450 处理差异不显著。两年试验结果显示，各施氮处理棉花干物质积累量较N0分别增加46.4%～74.1%和22.3%～54.1%； 氮积累量较 N0 分别增加 27.0%～47.7%和36.0%～49.4%。N0 处理氮素经济学利用率最高，2016年N270 处理氮素生物学利用率最高；2017年N360处理氮素生物学利用率最高，各处理之间氮素生物学利用率差异不显著。

表2 不同处理的干物质、氮磷钾积累量及氮素利用率Table 2 Accumulation of dry matter weight,nitrogen,phosphorus and potassium accumulation and nitrogen utilization under different treatments

2.3 施氮量对土壤NH4＋-N、NO3－-N含量的影响

由图2，随施氮量的增加，0―100 cm 土层NH4＋-N 含量增加但均不超过 10 mg·kg－1，各处理间NH4＋-N 含量差异不显著。随土层深度的增加，各处理 NH4＋-N 含量呈降低趋势，NH4＋-N在 0―20 cm 与 41―60 cm 土层含量较高。随施氮量的增加，0―100 cm 土层 NO3－-N 含量增加，各施氮处理 0―40 cm 土层 NO3－-N 含量差异不显著。N0 处理与 N90 处理 NO3－-N 含量较低；除N90 处理处，其余各施氮处理在41―80 cm 土层NO3－-N 含量较 N0 显著提高，N270、N360、N450处理 NO3－-N 含量显著高于 N0、N90 与 N180 处理。N450 处理NO3－-N 含量在各土层中始终高于其它处理。各处理NO3－-N 含量最高峰均出现在41―60 cm 土层。各处理 61―80 cm 土层 NO3－-N含量较41―60 cm 土层显著下降，各施氮处理在81―100 cm 土层 NO3－-N 含量高于 N0，但与 N0差异不显著。

图2 2017年施氮量对收获期0-100 cm 土层铵态氮、硝态氮含量的影响Fig.2 Effects of nitrogen application on NH4+-N、NO3－-N content in 0—100 cm soil layer at harvest stage in 2017

2.4 施氮量对土壤脲酶活性的影响

由图3 可知，2016年和 2017年0―100 cm土壤脲酶活性随施氮量增加呈先增加后降低趋势，随土层深度的增加呈持续降低趋势。2016年与2017年N360 处理0―20 cm 土层土壤脲酶活性均最高，较 N0 分别显著增加 42.6%与107.6%。N360 处理 0―100 cm 各土层土壤脲酶活性较N270 差异不显著。N270 和N360 处理除了 2016年81—100 cm和2017年61―80 cm 土层处，其余各土层土壤脲酶活性较N90 处理显著增加。在 0―20 cm 土层，N90 处理土壤脲酶活性较N0 显著增加。

2.5 施氮量对氮肥利用率的影响

由表3 可知，棉花氮农学利用率、氮肥偏生产力受施氮量影响显著。随着施氮量的增加，各处理氮农学利用率、氮肥偏生产力降低，氮肥贡献率先升高后降低；N90 处理氮农学利用率显著高于N450 处理，氮肥偏生产力显著高于其它处理。2017年各处理氮肥偏生产力差异达显著水平（P＜0.05）。N450 处理氮农学利用率、氮肥偏生产力最低。两年试验结果表明，N360 处理氮肥贡献率与氮生理利用率均最高，除在2017年较N90处理氮肥贡献率显著增加，与其余各处理氮肥贡献率与氮生理利用率未达差异显著水平 （P＜0.05）。

3 讨论

3.1 施氮量与棉花养分吸收利用及产量的关系

本研究结果显示，在一定范围内增施氮肥能显著增加棉花氮、磷、钾积累量，2016年N180、N270、N360 与 N450 处理氮、磷、钾积累量均显著高于N0，这与李伶俐等的结论一致[25]。N450 处理2016年氮、磷、钾积累量较N360 处理降低，2017年磷积累量较 N90、N180、N270和N360 处理显著降低，说明过高施氮量对棉花氮、磷、钾积累量提升效果不显著，甚至有阻碍作用，这与哈丽哈什·依巴提等[26]研究结果一致。N450 处理氮素经济学利用率与氮素生物学利用率较N360 处理均降低，说明过量施氮不利于棉花对氮的吸收利用，这与赵双印等[27]的研究结果一致。

图3 不同施氮量对土壤脲酶活性的影响Fig.3 Effect of different nitrogen application rate on soil urease activity

相关研究显示，随着施氮量的增加，棉花干物质积累量增大，籽棉产量增加，但不同棉区因土壤条件、气候及栽培品种的差异，棉花高产施氮量不一致[28-30]。马宗斌等[31]选用杂交种中棉所72 研究黄河滩地施氮量对棉花产量影响的结果表明，N300 处理产量显著高于 N0 与 N150 处理，与N450 处理产量差异不显著。本试验2016年与2017年棉花籽棉产量变化趋势基本一致，当施氮量小于 360 kg·hm－2时，棉花籽棉产量随施氮量增加呈上升趋势。N270 处理与N360 处理籽棉产量两年分别平均比N0 处理显著增加29.0%与30.3%，N360 处理籽棉产量两年平均比N270 处理增加1.0%，说明施氮量在270～360 kg·hm－2范围内棉花可获得较高籽棉产量，但当施氮量从270 kg·hm－2增至 360 kg·hm－2时，棉花未明显增产。N450 处理较N360 处理籽棉增产率降低，说明高施氮处理增产效果不显著，甚至导致棉花减产，这与薛晓萍等[32]的研究结果一致。本试验为了确定最佳施氮量，利用一元二次回归函数将当地棉花籽棉产量与施氮量进行拟合分析，得出经济最佳施氮量为277.0 kg·hm－2，经济最佳籽棉产量为 4 427.6 kg·hm－2。

表3 施氮量对棉花氮肥利用率的影响Table 3 Effect of nitrogen application rate on nitrogen fertilization efficiency of cotton

3.2 施氮量与土壤氮素含量的关系

土壤速效氮作为植株可快速吸收利用的氮素，其丰缺状况代表土壤供氮能力的强弱[33]。土壤速效氮含量高，能满足植株对养分的吸收利用，促进植株生长，提高植株产量[34]。外源氮肥投入明显影响土壤速效氮含量，影响效果取决于氮肥施用量与施用时间[35-36]。Gao 等[37]研究表明，添加无机氮不能显著改变土壤中NH4＋-N 含量，而土壤NO3－-N 含量随施氮水平增加而显著增加。本研究表明0―100 cm 土壤NH4＋-N 含量随施氮量增加而增加，但增加效果不显著，各施氮处理0―100 cm 土壤 NH4＋-N 含量均处于较低水平。随着土层深度的增加，铵态氮含量呈降—升—降的变化趋势，各施氮处理在20―40 cm 土层附近铵态氮含量最低，可能是收获期40 cm 土层附近棉花根系分布较多，对外源 NH4＋-N 需求量大、NH4＋-N也更易被棉花吸收，且NH4＋-N 在一定程度上转化为 NO3－-N，这也是施氮量对土壤 NH4＋-N 含量无显著影响且低于NO3－-N 含量的主要原因[38]；施氮 90～450 kg·hm－2，40―60 cm 土层 NO3－-N含量随施氮量的增加显著增加，这与胡艳玲等[39]的研究结果一致。土壤速效氮除被作物吸收利用外，剩余部分以无机氮或有机结合形态残留在土壤中，为后季作物提供氮源；或通过氨挥发、硝化-反硝化、淋洗或径流等各种途径损失[40]。如果土壤速效氮损失过多，不仅无法促进本季作物生长，降低氮肥利用率，而且会对下季作物尿素的施用效果产生影响，并带来环境污染的风险[41-42]。因此,合理施氮量不仅考虑产量、经济效益等指标，还应考虑土壤氮素残留问题。本试验结果显示，随施氮量增加，0―100 cm 土层 NO3－-N 残留量增加，各处理在 0―60 cm 土层 NO3－-N 含量最高。当土层深度超过 60 cm，NO3－-N 含量降低，表现出“上高下低”的趋势，这与李静等[43]研究结果一致。索俊宇等[44]研究结果显示，过量施氮会造成土壤NO3－-N 在各个剖面层次累积，由于高频率灌水作用，累积的土壤NO3－-N 不断向下层土壤淋洗直至到根区以下，发生淋失现象。本研究结果显示，N450 处理在 0―100 cm 土层内 NO3－-N含量最高，40―60 cm 土层 NO3－-N 含量超过 20 mg·kg－1。当施氮量超过 360 kg·hm－2，61―100 cm 土层NO3－-N 含量随施氮量增加而显著增加。过量施氮易导致深层土壤硝态氮残留量增加，污染深层土的风险增大，这与栗丽等[45]研究结果一致。

4 结论

在施氮0～360 kg·hm－2范围内增加施氮量，有利于提高棉花籽棉产量，施氮360 kg·hm－2较未施氮和施氮90 kg·hm－2显著提高棉花单株铃数，施氮 450 kg·hm－2较 360 kg·hm－2棉花籽棉产量降低。本试验条件下，氮肥经济最佳施氮量为 277.0 kg·hm－2，经济最佳籽棉产量为 4 427.6 kg·hm－2。