江汉平原麦后移栽棉适宜施氮量研究

谭京红, 吴启侠, 朱建强, 柯鑫瑶, 马泓雨

(长江大学农学院，湿地生态与农业利用教育部工程研究中心，湖北 荆州 434025)

棉花是我国重要的经济作物，2019年我国棉花种植面积333.92万hm2[1]。江汉平原是湖北省的主要棉产区，占湖北省棉花种植总面积的70%左右[2]，是湖北省最大的优质棉生产基地和单产水平较高的棉区[3]。

氮是棉花生长发育必需的主要营养元素，棉花对氮的需求大于其他植物[4]。在棉花生产过程中，减氮增效一直是研究热点，并且已有研究表明，合理的施氮水平能显著提高棉花的产量、氮肥利用率和减少氮肥损失[5-6]。减氮增效技术的基础是确定合理施氮量。目前，关于棉花合理施氮量，张敏敏等[2]在不减产的情况下，从产量、氮肥利用率和土壤氮素残留3方面验证了江汉平原营养钵移栽棉在中高产棉田施氮量为240～280 kg·hm-2；田绍仁[7]研究表明，长江流域一熟高产棉田纯氮经济施用量范围为300～450 kg·hm-2；王肖娟等[8]研究了不同灌溉方式(漫灌和滴灌)对新疆棉花生物量、氮素吸收量、皮棉产量以及氮肥利用率的影响，结果显示，施氮量为360 kg·hm-2时，棉花产量最高。近年来，在麦收机械化的背景下，传统的麦棉套种模式已不适应生产要求，麦后移栽棉得到迅速发展。麦后移栽棉基本无伏前桃，以伏桃、秋桃为主，在管理措施上要求施足蕾肥和重施花桃肥[9]。与传统麦棉套种模式相比，麦后移栽棉在施肥量、施肥技术上都有所差异，因此，确定高产棉田麦后移栽棉适宜施氮量是获取麦后移栽棉高产的基础。本研究选取江汉平原高产棉田(皮棉产量高于1 050 kg·hm-2)，于2018—2019年连续2年开展不同施氮量对麦后移栽棉的影响试验，综合考虑棉花叶片SPAD值、植株生长、氮素迁移和利用以及最终产量，确定江汉平原麦后移栽棉适宜施氮量，旨在为棉花减氮增效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018—2019年在长江大学农业科技产业园(30°37’N，112°08’E)同一块试验田中进行。试验田2年0～20 cm耕层土壤养分含量见表1。试验期间日均气温和日降雨量变化如图1所示。

图1 2018—2019年试验期逐日降水量和平均气温

1.2 试验设计

本试验设置6个施氮量处理，分别为N0(0 kg·hm-2)、N90(90 kg·hm-2)、N180(180 kg·hm-2)、N270(270 kg·hm-2)、N360(360 kg·hm-2)、N450(450 kg·hm-2)，氮肥按苗肥∶蕾肥∶花铃肥=3∶3∶4的比例施用。各处理磷(P2O5)、钾(K2O)用量分别为90、150 kg·hm-2，磷肥、钾肥按苗期和蕾期6∶4、3∶7的比例施用。试验在田间小区中进行，每个小区的面积为41 m2(22 m×1.88 m)，每小区种植2行棉花共88株(行距1.0 m，株距0.5 m)，每小区为1个重复，每处理设3次重复，采用完全随机设计。小区之间起垄包膜，以防相互串水，影响试验效果。

试验采用江汉平原广泛推广的麦棉两熟模式，小麦季N0处理不施肥，其余处理施肥量(N-P2O5-K2O)均为180-75-90 kg·hm-2。其中，70%氮肥、全部磷钾肥以基肥施入，基肥为复合肥，30%氮肥为腊肥以尿素追施。小麦腊熟末期，使用全喂入履带式联合收获机收获，留茬高度控制在150 mm以内，联合收割机安装秸秆切碎还田机，切碎秸秆全量均匀抛撒在田间，2019年小麦平均产量为4 290 kg·hm-2(N0产量为1 364 kg·hm-2)。小麦收获后采用旋耕机耕整田块2遍，一次性完成旋耕和起垄作业，确保小麦秸秆还田深度不低于10 cm，厢宽1.88 m，厢沟深0.2～0.3 m。耕整田块后，视天气情况移栽棉花，棉花采用营养钵育苗，供试品种为中棉所63(中国农业科学院棉花研究所选育)。2018年5月24日移栽，6月8日开沟施苗肥，沟深15～20 cm，距棉株15～20 cm，7月8日、7月21日开沟追施蕾肥、花铃肥。2019年5月23日移栽，6月1日、7月15日、7月29日开沟施苗肥、蕾肥、花铃肥。其余田间管理依照常规进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1SPAD 在苗期(2018年6月25日、2019年6月24日)、蕾期(2018年7月18日、2019年7月19日)、花铃期(2018年8月8日、2019年8月8日)和吐絮期(2018年9月9日、2019年8月15日)上午9:00—12:00，采用SPAD-502型手持式叶绿素仪(日本)测量叶片SPAD。每片叶片测量3个点(测定时避开叶脉)，取其平均值作为该叶片的SPAD，每小区采集10片挂牌棉花倒4叶(主茎上最新完全功能叶)，取其平均值作为1个样本结果。

1.3.2器官生物量 分别在苗期(2018年6月19日、2019年6月10日)、蕾期(2018年7月7日、2019年7月27日)、花铃期(2018年8月14日、2019年8月20日)、吐絮期(2018年10月28日、2019年10月8日)取棉花植株样，每小区随机选取具有代表性的棉株5株，按茎、叶、蕾(花)、铃壳、籽棉不同器官分开，在105 ℃杀青30 min，然后70 ℃烘至恒重，称重，记录器官生物量。

1.3.3氮积累量 将烘干的棉花植株各器官粉碎，采用H2SO4-H2O2消煮，Alliance-Futura II连续流动分析仪(法国Alliance公司)测定各器官的氮素积累量和植株氮素总积累量[10-11]。

1.3.4产量 2年的籽棉产量实收，人工采摘小区11月3日之前的所有吐絮铃，并于自然条件下晾晒后称重测产；单铃重为2018年10月3日(2019年9月28日)采收50个吐絮棉铃，籽棉称重后扎花计算衣分；在收花前调查小区的单株铃数。

1.4 数据分析

采用线性加平台模型拟合最佳氮肥用量。线性加平台肥效模型如下。

Y=a+bx(x≤C)；Y=P(x>C)

式中，Y为棉花产量(kg·hm-2)，x为氮肥用量(kg·hm-2)，a为截距，b为回归系数，C为直线与平台的交点，P为平台产量(kg·hm-2)。

各器官氮素积累量(kg·hm-2)=植株各器官氮素含量×植株各器官干质量

植株氮素总积累量(kg·hm-2)=Σ各器官氮素积累量

氮肥表观利用率=(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(kg·kg-1)=(施氮区皮棉产量-不施氮区皮棉产量)/施氮量

氮肥偏生产力(kg·kg-1)=施氮区单位面积产量/单位面积施氮量

氮肥贡献率=(施氮区的产量-不施氮区的产量)/施氮区产量×100%

利用DPS对试验数据进行方差分析，其中多重比较借助最小显著差异法(LSD法)。采用Microsoft Excel作图。

2 结果与分析

2.1 施氮量对棉花叶片SPAD的影响

2.1.1不同施氮处理下棉花SPAD 植株功能叶片(倒4叶)的SPAD可以诊断植株氮素的营养盈缺状况，图2显示了不同施氮量处理倒4叶SPAD。总体趋势表现为施氮量越高，SPAD越大，整个生育期施氮处理的SPAD显著高于不施氮处理，且SPAD随着施氮量的增加而增加，说明充足的氮肥供应提高了上部功能叶的相对叶绿素含量，从而有助于植株叶片的光合能力提高。2018年棉花生育期间施氮处理与不施氮处理呈显著性差异。花铃期N0～N360处理增幅较N360～N450处理大。2019年整个生育期施氮处理的SPAD显著高于不施氮处理，且SPAD随着施氮量的增加而增加。其中，2019年蕾期、花铃期、吐絮期均表现为施氮量在0～360 kg·hm-2范围，SAPD值增加显著；而施氮量在360～450 kg·hm-2范围内，SPAD虽有所增加，但没有270～360 kg·hm-2增加幅度大。因此，可以推测，施氮量为270～360 kg·hm-2时，能够满足棉株生长氮素所需。

注：同一生育期不同小写字母表示差异在P<0.05水平具有统计学意义。

2.1.2SPAD与施氮量关系分析 图3表明，棉花叶片SPAD受氮肥用量的影响，在一定氮肥用量范围内，叶片SPAD总体随施氮量的增加而增加，2018、2019年花铃期和2019年吐絮期的SPAD和施氮量呈极显著一元二次关系(R2分别为0.833、0.870和0.794)。而2018年吐絮期的SPAD和施氮量间未呈显著性相关，2018年吐絮期测样时间是9月9日，已进入生育末期，植株体内氮素主要向生殖器官转移，表明棉花花铃期和吐絮前期最新完全展开叶SPAD可作为植株氮素营养诊断指标，而吐絮后期则不能。

注：**表示相关性在P<0.01水平具有统计学意义。

2.2 施氮量对棉花生物量的影响

在不同施氮量处理下，2018年和2019年棉花不同生育期不同器官的生物量如图4所示。施氮量显著影响棉花生物量分配(P<0.05)，基本趋势为施氮量越高整株和各器官生物量越大。在棉花生长苗期，2018年N450处理棉花整株的生物量最大，但不同处理间整株棉花的生物量没有规律性，其原因跟最初移栽时植株大小有关。在棉花蕾期阶段，整株生物量以N450处理为最大，其次为N360处理。N360处理比N270处理增加了9.73 g，而N450处理比N360处理的叶和茎仅增加了1.59和2.83 g，显然生物量随着施氮水平的增加而增加，到施氮量为360 kg·hm-2之后，增加幅度开始有所降低。在棉花花铃期阶段，整株生物量以N450处理为最大，除了蕾的生物量高于其他处理外，N450处理的棉花叶、茎和铃的生物量超过其他处理。在棉花吐絮期，棉花叶、茎和籽棉的生物量以N450为最大，但施氮量在270～360 kg·hm-2之间籽棉占整株生物量比例最大，表明450 kg·hm-2会造成棉花有贪青晚熟的趋势。因此，施氮量在270～360 kg·hm-2范围时最佳。2019年数据显示，苗期和蕾期N450处理的各器官生物量大于其他处理。到花铃期N450处理的整株生物量高于其他处理，与N360处理差异不显著(P>0.05)，与其他处理呈显著性差异(P<0.05)。说明生物量整体趋势是随着施氮量的增加整株生物量呈增加趋势，但0～360 kg·hm-2处理随施氮量增加其整株生物量显著增加，而N360处理后随着施氮量的增加整株生物量亦增加但不显著(P>0.05)。在棉花吐絮期，N90、N180、N270、N360和N450处理的整株生物量比N0处理分别高45.57%、62.58%、100.53%、151.74%和158.88%，该时期N360处理的生殖器官生物量占比最大，分别比N90、N180、N270和N450处理高了32.31%、20.64%、8.96%、0.62%。

图4 不同施氮处理下棉花各生育期器官生物量

2.3 施氮量对棉花产量的影响

2.3.1不同施氮处理下棉花产量 从表2可以看出，施氮量对棉花产量及其构成因素有显著影响。施氮量与棉花株高呈显著正相关关系，不施氮处理棉花株高最低，施氮量450 kg·hm-2时棉花株高最高，N360处理次之。施氮量过低会导致植株营养体矮小，施氮过高会导致植株徒长。果枝数随着施氮量的增加而增多，2018年N360处理与N450处理单株铃数分别增加了89.7%和75.9%(与N0对比)；2019年分别增加了127.0%、119.2%，可以看出，N360处理较N450处理的增幅大。随着施氮量的增加，单铃重和衣分呈现先增加后降低的趋势，单铃重和衣分均以N360处理最大。N0处理产量显著低于各施氮处理，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。以N360处理的产量最高，分别为4 682.02 kg·hm-2(2018年)和4 717.13 kg·hm-2(2019年)，主要原因是铃数显著高于其他处理，单铃重和衣分也高于其他处理。2019年的产量比2018年的产量高，其原因可能是2019年棉花吐絮期多以晴朗天气为主，有助于棉花吐絮。

表2 不同施氮处理下棉花产量及其构成因素

2.3.2麦后移栽棉适宜施氮量分析 研究表明，施氮量与产量的肥效关系符合一元二次方程或线性加平台模型[12-13]。根据表2的产量和施氮量数据可知，本研究的肥料效应方程更符合线性加平台模型(图5)。拟合得出江汉平原麦后移栽棉最适宜施氮量为310.64～318.75 kg·hm-2，产量潜力达4 643.58～4 662.53 kg·hm-2。

注：** 表示相关性在P<0.01水平具有统计学意义。

2.4 施氮量对植株氮吸收利用的影响

2.4.1不同施氮处理下棉花不同时期的氮吸收量 图6表明，随生育进程，棉株氮吸收量呈逐渐增加趋势，增施氮肥提高了麦后移栽棉不同生育阶段的氮吸收量，以花铃期到吐絮期的氮吸收增量最大。苗期分配到叶中氮素的比例高于茎，棉花所吸收的氮素主要蕴藏在叶中，其中N450处理的氮吸收量显著高于其他处理(P<0.05)。蕾期、花铃期叶和茎中的氮素开始向生殖器官转移，且N270、N360处理向生殖器官的转移速率大于N450处理。当棉花进入吐絮期后，植株营养器官开始凋零，其中籽棉中的含氮量占整个棉花植株的比重最大，N450处理整株氮含量最高，但以N360处理籽棉含氮量最高，即施氮量超过360 kg·hm-2时，植株体内的含氮量不会再显著增加，并且不利于氮素向生殖器官转移。

图6 不同施氮处理下棉花不同时期的氮吸收量

2.4.2不同施氮处理对棉花氮肥利用率的影响 从表3可知，不同减氮施肥处理下，棉花的氮肥表观利用率随着施氮量的增加先提高后降低，其中N360处理最高，为37.33%(2018年)和39.62%(2019年)。氮肥偏生产力和氮肥农学利用率随着施氮量的增加明逐渐下降，棉花氮肥偏生产力和农学利用率均以N90处理为最高，N450处理为最低，因此，氮肥施入较高时，反而使得氮肥偏生产力和氮肥农学利用率降低，造成作物减产和氮肥资源的浪费。氮肥贡献率呈现先升高后降低的趋势，以N360处理为最高，2018和2019年分别为71.19%、69.01%。因此，从节约氮素的角度来说，施氮量为270～360 kg·hm-2时，既能保证棉花高产，又能最大限度地利用化肥资源，减少氮损失对环境造成的负面效应。

表3 不同施氮处理对棉花氮肥利用率的影响

3 讨论

麦后移栽棉模式有效地稳定了棉花种植面积，促进了粮棉双增产[14]。确定适宜施氮量是麦后移栽棉高产的基础。合理施用氮肥可提高棉花产量，氮缺乏或氮过多供应可能通过影响生长，导致作物籽粒干物质积累受阻、产量下降[15-18]。小麦的合理施氮量由目标产量和籽粒蛋白含量决定[19]，而调控棉花产量形成的重要措施之一也是合理施氮[20]。Rochester等[21]、罗新宁等[22]的研究均表明，氮素的增加虽然有利于棉株生物量的积累和养分的吸收，但过量施氮易造成营养器官生长旺盛而造成贪青晚熟。本文是针对江汉平原麦后移栽棉模式开展的两熟制棉花季作物最佳氮肥施用量研究，2年结果趋势基本一致，本研究结果表明：在一定范围内增加施氮量，棉花产量呈增加趋势。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；超过360 kg·hm-2时，产量则表现为下降。且江汉平原麦后移栽棉的施氮量与产量呈线性加平台模型关系，推荐该地区麦后移栽棉适宜施氮量为310.3～318.75 kg·hm-2。张敏敏等[2]研究得出，江汉平原中高产棉田施氮量为240～280 kg·hm-2，这与本研究结果不一致。分析其原因，一方面，可能是本研究采用的是尿素作为氮素来源，而张敏敏等[2]采用的是缓控释氮肥且配施硼，二者的释放周期不同；另一方面，可能是由于地区差异导致的土壤差异，且本研究是两熟制。

氮素吸收利用是干物质积累和产量形成的基础[23]，棉花生育前期吸收的氮主要是促进棉株营养器官发育，中后期吸收的氮素则对产量和品质形成至关重要[24-25]。N360处理籽棉的含氮量高于其他处理，其原因是施氮过低增加了麦后移栽棉盛花期之前氮的吸收比例，降低了盛花期之后的氮吸收比例，导致后期氮供应不足；反之，增加了棉花吐絮期氮的吸收比例，使吐絮期吸收量显著增加，造成棉花贪青晚熟、产量降低[26]。

本研究表明，随着施氮量的增加，而氮肥偏生产力和氮肥农学利用率则呈现下降的趋势。N90处理的氮肥偏生产力和氮肥农学利用率显著高于N450处理，这与张允昔等[27]的研究结果一致。N450处理氮肥表观利用率与氮素贡献率较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[28]的研究结果一致。可见，适宜的施氮量才能表现出氮素利用率提高，反之降低。

本研究仅从棉花叶片SPAD、植株生长、氮素迁移和利用以及最终产量确定江汉平原麦后移栽棉适宜施氮量，今后还应在江汉平原地区开展多品种和多点(不同肥力土壤)试验研究。