土壤全氮含量和氮肥种类对棉花产量和氮素吸收的影响

李鹏程，郑苍松，孙淼，冯卫娜，邵晶晶，余学科，朱海勇，李亚兵，董合林*

（1.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；2.中国农业科学院西部农业研究中心，新疆昌吉831100）

氮肥在农业生产中占有举足轻重的地位[1]，世界粮食的增产约有50%都归功于化学肥料的施用，其中化学氮肥的贡献最显著[2]。 氮肥按照含氮基团可分为氨态氮、酰胺态氮、铵态氮、硝态氮、硝铵态氮、氰氨态氮氮肥，其中生产中较常用的尿素、硫酸铵和硝酸钙分别属于酰胺态氮、铵态氮、硝态氮氮肥。有关不同种类氮肥在大田的淋溶损失的研究报道较多，张庆利等[3]报道不同氮肥施入土壤后氮素的淋失率差异显著， 其中硝酸钾的氮素淋失率最高，其次为尿素，硫酸铵和碳铵的氮素淋失量明显降低。 Ding 等[4]报道施用不同种类氮肥氮素的NH3和N2O 排放损失差异较大， 硝酸铵的N2O 排放量最高，硝酸钙最低，尿素和碳酸氢铵居中。习金根等[5]采用室内土柱模拟方法研究了滴灌条件下不同种类氮肥（硝态氮、铵态氮和尿素）在土壤中的迁移、淋溶和转化特征，3 种氮肥在砂壤土和粘壤土中的淋失量均是硝态氮肥＞尿素＞铵态氮肥，淋失的氮素主要为肥料氮。 凌德等[6]报道，4 种不同氮肥在土壤表层下方10 cm 点施条件下保持能力为尿素、磷酸铵＞硫酸铵＞氯化铵。 姜超强等[7]报道磷酸二铵和尿素在土壤表层下方12 cm 点施90 d 后， 磷酸二铵较尿素具有更高的保持性。也有学者开展了不同种类氮肥在作物的肥效对比研究，叶振威等[8]报道氯化铵和硫酸铵有助于促进水稻分蘖，增加有效穗数；氯化铵有利于改善水稻株型；硫酸铵有利于提高水稻叶片叶绿素含量。 李小梅等[9]报道施用尿素的多花黑麦草的株高和产量显著高于碳铵和硝基复合肥处理。 桑姝丽等[10]比较了磷酸氢二铵、硝酸铵、 硫酸铵和尿素4 种氮肥及4 个不同用量（125、250、375、500 kg·hm－2）对青萝卜肉质根叶绿素含量的影响，施用375 kg·hm－2的磷酸氢二铵青萝卜肉质根的叶绿素含量最高。

有关棉花氮肥用量的研究报道较多[11]，但不同种类氮肥在棉花上的肥效研究报道较少。 董海荣等[12]水培试验发现混合态氮素营养有利于苗期棉花植株地上部、地下部生长量和棉株总干物质的积累，棉花植株地上部、 地下部生长量和棉株总干物质的积累量最大。 张淑英等[13-14]报道铵硝比为50︰50 可显著提高棉苗各器官的生物量、 地上部和根系干物质质量，低温胁迫下，增铵营养可显著提高氮素养分含量，促进棉苗生长，增加渗透调节物质积累，提高抗氧化酶活性，降低膜脂过氧化伤害，增强棉苗对低温的抗性。 刘盛林[15]报道盐渍化棉田氨态氮肥和磷肥条施、 花铃期滴施氨态氮肥能显著促进棉花养分吸收，提高棉花产量。 代建龙等[16]指出，盆栽条件下，无论是否存在盐胁迫， 施硝态氮棉花的生物量和叶片全氮含量都显著高于施铵态氮， 盐胁迫条件下施硝态氮棉花叶片Bt 蛋白含量略低于铵态氮处理。

有关棉花不同土壤肥力条件下的施氮研究报道较少，李鹏程等[17]采用盆栽试验，比较了不同土壤全氮含量水平下棉花的氮肥施用量效应，发现土壤全氮含量0.58～0.74 g·kg－1时，高氮（3.5 g/35 kg土） 可实现棉花增产增效， 土壤全氮含量0.83～1.29 g·kg－1时，低氮（1.75 g N/35 kg 土）能维持较高的产量和氮肥利用率。 Dong 等[18]提出较低土壤肥力条件下（碱解氮含量49.4 mg·kg－1）增加种植密度可提高产量，而较高土壤肥力条件下（碱解氮含量68.5 mg·kg－1）增密减氮可实现高产。 罗新宁等[19]比较了新疆砂壤土、重壤土条件下氮肥施用效果，发现在相同施氮量条件下，砂壤土（碱解氮含量80.2 mg·kg－1）棉花的氮、磷、钾积累量高于重壤土（碱解氮含量98.4 mg·kg－1）， 砂壤土施氮量315 kg·hm－2、 重壤土施氮210 kg·hm－2棉株可获得较大的氮、磷、钾积累量。 侯振安等[20]提出了北疆棉田砂壤土、壤土、粘土棉田氮肥最佳经济施N 量分别为206.7～286.2 kg·hm－2、256.8～311.1 kg·hm－2、231.90～312.45 kg·hm－2。 在低施氮量条件下，壤土的氮肥利用率最高，砂壤土次之，粘土最低；而施氮量较高时，氮肥利用率结果正好相反。

目前缺乏不同种类氮肥在棉花不同土壤肥力条件下的肥效的研究报道。 本试验采用桶栽试验，选择5 种不同土壤全氮含量的土壤，在纯氮用量相等条件下，比较尿素、硫酸铵、硝酸钙3 种氮肥的施用效果，研究结果将为棉田氮肥合理选择和高效施用提供理论依据。

1 材料和方法

桶栽试验于2016 年在河南省安阳市白壁镇中国农业科学院棉花研究所试验农场（36°06′N，114°21′E） 进行，4 至10 月平均气温22.3 ℃，≥20 ℃积温3 709.6 ℃·d， 日照时间1 347.3 h， 降水量519.2 mm。 试验用桶为PVC 材料，上部内径35 cm，底部内径30 cm，高39 cm，每桶装土30 kg。 试验为裂区设计，主区为5 种不同全氮含量的土壤，土壤类型为潮土壤质土， 肥力梯度由多年不同氮肥用量的盆栽试验形成， 土壤全氮含量分别为1.30、0.93、0.86、0.71、0.67 g·kg－1，分别用S1、S2、S3、S4、S5 表示，有机质、速效磷、速效钾含量及土壤pH 等指标见表1。副区为3 种不同氮肥，分别为尿素（N 含量46%）、硫酸铵（N 含量21%）、硝酸钙（N 含量17%）。 试验共15 个处理，每个处理重复10 次，即播种10 桶，于棉花2 片真叶时留1 株棉苗。 3 种氮肥纯氮总用量均为每盆3 g，分底肥和初花期追肥2 次等量施用。磷、钾肥作底肥一次施用，磷肥为重过磷酸钙（P2O5含量42%）， 每盆用量7.14 g， 钾肥为硫酸钾（K2O 含量51%），每桶用量5.88 g。 试验用品种为中棉所100，由中国农业科学院棉花研究所提供。 4 月30 日播种，5 月10 日出苗，6 月11 日现蕾，7 月8 日开花，8月18 日吐絮。整枝、化调、病虫害防治等常规管理参照当地棉花高产管理水平，棉花营养枝、老叶均搜集后烘干称重，计入棉花全株干物质质量。吐絮期调查单株成铃数，于棉花单株成铃吐絮60%时，每个处理挑选棉花健株5 株，采集棉花全株样品，单株分根（子叶节以下部分）、茎、叶、铃壳、籽棉（包括未吐絮棉铃）烘干称重，采用凯氏定氮法测定氮吸收量，计算整株棉花氮吸收总量。 土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定，土壤速效磷含量采用0.5 mol·L－1碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定， 土壤速效钾含量采用1 mol·L－1乙酸铵提取—火焰光度法测定[21]。

表1 供试土壤基本化学性质

采用DPS 软件进行数据统计分析， 多重比较采用Duncan’s 新复极差法，采用Origin 软件作图。

2 结果与分析

2.1 土壤全氮含量和氮肥种类对棉花单株籽棉产量和氮素吸收的影响

由表2 可知，土壤全氮含量对棉花单株干物质质量、单株成铃数、籽棉产量的影响达到了显著水平，但对铃重、棉花单株氮素吸收量无显著影响。土壤全氮含量1.30 g·kg－1处理棉花单株干物质质量、单株成铃数、籽棉产量显著高于土壤全氮含量0.67、0.71、0.86 g·kg－1处理， 但与土壤全氮含量0.93 g·kg－1处理无显著差异。氮肥种类对棉花单株干物质质量、单株成铃数、铃重、籽棉产量、单株氮素吸收量的影响未达到显著水平。土壤全氮含量和氮肥种类对棉花单株干物质质量、 单株成铃数、籽棉产量、单株氮素吸收量的互作效应不显著。 结果表明，土壤全氮含量较高时（0.93 g·kg－1和1.30 g·kg－1）时，施氮的效果优于土壤全氮含量较低处理。

表2 不同土壤全氮含量条件下氮肥种类对棉花单株干物质质量、籽棉产量和氮素吸收的影响

2.2 不同土壤全氮含量条件下棉花单株干物质质量和籽棉产量比较

由图1，在相同土壤全氮含量条件下，不同氮肥种类处理棉花单株干物质质量、籽棉产量均无显著差异。 土壤全氮含量1.30 g·kg－1条件下，硫酸铵和硝酸钙处理棉花铃重显著高于尿素处理；土壤全氮含量0.86 g·kg－1条件下， 尿素处理棉花铃重显著高于硫酸铵，和硝酸钙处理间无显著差异；土壤全氮含量0.67 g·kg－1条件下， 硫酸铵处理棉花铃重显著高于尿素处理， 和硝酸钙处理间无显著差异；而土壤全氮含量0.71、0.93 g·kg－1条件下，3 种氮肥处理棉花铃重无显著差异。除了土壤全氮含量1.30 g·kg－1条件下尿素处理棉花单株成铃数显著高于硫酸铵和硝酸钙处理外， 其他土壤条件下，3种氮肥处理间棉花单株成铃数无显著差异。尿素处理除在土壤全氮含量0.86 g·kg－1条件下单株成铃数略低外，在其他土壤全氮含量处理均显示了单株成铃数的优势。 硫酸铵处理在土壤全氮含量0.67、0.93、1.30 g·kg－1条件下籽棉产量略高于尿素和硝酸钙处理， 硫酸铵处理在土壤全氮含量0.67、0.93 g·kg－1条件下铃重略高于尿素和硝酸钙处理。

3 讨论

硝态氮和铵态氮是作物吸收氮肥的主要形式。铵态氮和硝态氮占作物吸收的阴离子和阳离子总数的70%以上[22]。铵态氮和硝态氮均能被作物很好地吸收，除了硝态氮进行合成代谢之前必须先还原成NH3之外，其他同化过程是完全一样的。 由于这个原因，长期以来科研工作者认为在相同施氮量条件下， 施用铵态氮和硝态氮具有相同的营养功能，对作物产量有相同的效果，但许多试验与这个结论不一致。 硝态氮和铵态氮对小麦、玉米等作物的营养、生长和产量有不同的效果[23-26]，因此不同作物可能对硝态氮和铵态氮这两种氮源有不同的反应和偏好[27-29]。 作物对铵态氮和硝态氮偏好的研究主要是通过作物单施铵态氮和硝态氮的生物量、产量来评价。 值得注意的是作物对硝态氮、铵态氮的喜好特别取决于作物自身对不同形态氮的本质需求，大多数情况下， 是作物需求和环境共同作用的结果，尤其是介质pH。 前人采用水培、盆栽、大田试验等方式针对作物对铵态氮、硝态氮的偏好开展了大量研究，但至今很多问题还没有解决，结果和观点还存在分歧。

图1 不同土壤全氮含量下棉花单株干物质质量和产量构成比较

Cramert 等[30-31]指出作物在生育前期一般喜好铵态氮，而生育后期则喜好硝态氮。 水稻单独施用铵态氮肥或者生育前期施用铵态氮肥后期施用硝态氮肥能获得较高产量[32-33]。 国内外学者在玉米上的研究结果不尽一致，Lewis 等[34]报道玉米吸收的硝态氮占氮吸收总量的90%以上，而Anderson 等[35]认为与施用硝态氮相比，施用铵态氮玉米能生产较高的生物量，Pan 等[36]也发现玉米在铵态氮供应条件下生长更好。Li 等[37]报道玉米对硝态氮和铵态氮的响应取决于施氮量，在氮量较低条件下，硝态氮较铵态氮效果好，而氮量较高条件下，铵态氮施用效果好，总体来说铵态氮效果要优于硝态氮。 冬小麦—燕麦—饲料玉米—饲料玉米4 季轮作的氮同位素示踪结果表明，铵态氮较硝态氮具有较高的回收率和残留效应[38]。在大豆上的研究结果也不一致。大豆水培试验结果表明[39]，大豆对铵态氮和硝态氮的吸收比取决于水培溶液的pH 值，pH 为6 时大豆吸收铵氮和硝态的比例为2:1。 单独使用硝态氮肥和硝态铵态2 种氮肥同时施用时， 大豆生长受pH值影响程度较低，混合使用2 种氮肥效果优于单独使用一种氮肥，单独使用铵氮出现了离子毒害[40]。

本试验为桶栽试验， 供试土壤pH 差异不大，均为碱性土，从主效应统计结果来看，随土壤全氮含量升高棉花单株籽棉产量和干物质质量呈上升趋势，2 个较高土壤全氮含量处理显著高于3 个较低土壤全氮含量处理，而3 个较低土壤全氮含量处理的棉花籽棉产量和单株干物质质量没有显著差异， 说明较高的土壤全氮含量提高了氮肥施用效果，与文献[17]报道结果一致。 从氮肥种类的平均结果来看，尿素处理获得了较高的单株成铃数和单株干物质质量，尽管铃重相对较低，但未影响其获得较高的籽棉产量结果，属于产量水平较稳定的处理。 硫酸铵作为生理酸性肥料，在碱性土壤上也显示了其肥效优势， 在土壤全氮含量0.67、0.93、1.30 g·kg－1条件下硫酸铵处理籽棉产量略高于尿素和硝酸钙处理， 在土壤全氮含量0.67、0.71 g·kg－1条件下铃重高于尿素和硝酸钙处理。硝酸钙处理在土壤全氮含量1.30 g·kg－1条件下铃重较大， 在土壤全氮含量0.86 g·kg－1条件下单株成铃数较多，单株干物质质量和籽棉产量略优于硫酸铵处理，与代建龙[16]的盆栽试验棉株干物质质量结果一致。

4 结论

本试验条件下，土壤全氮含量对棉花单株干物质质量、单株成铃数、籽棉产量的影响达到了显著水平，但对棉花铃重、单株氮素吸收量未产生显著影响。 氮肥种类未对棉花单株干物质质量、籽棉产量和氮素吸收量产生显著影响。土壤全氮含量和氮肥种类对棉花单株干物质质量、籽棉产量、单株氮素吸收量的互作效应不显著。 土壤全氮含量较高（0.93 g·kg－1和1.30 g·kg－1）时，施氮的效果优于土壤全氮含量较低的土壤。