缓释氮肥对小麦后直播棉产量及氮素吸收利用的影响

徐景丽，李亚兵，胡大鹏，周明园，梁潘潘，吴慧敏，张祥，陈源，陈德华*

（1.扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室，江苏扬州225009；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）

棉花是我国重要的经济作物之一[1]，而长江流域是我国棉花生产主要产区之一， 过去主要采用营养钵育苗移栽种植技术[2]。 但是近年来随着农村劳动力老龄化、城市化的进程不断加快，该技术用工成本高、劳动强度大等问题逐渐显现出来[3]。 而麦后直播棉具有劳动强度低、轻简、利于机械化操作等优点[4]。 研究表明：麦后直播棉技术可以缓解棉粮的争地矛盾， 实现棉粮双丰收[5]。 因此，近几年在该棉区推广的面积越来越大。

肥料运筹是棉花优质高产的重要调控措施之一，并影响其营养元素的吸收和利用[6]。我国耕地面积占全球耕地面积总量的7%左右， 但化肥施用量却达到全球总量的30%[7]。 另外，农业生产的肥料利用率较低，氮肥当季利用率仅有30%～35%，肥料利用率与发达国家相差十几百分点[7-8]。为使棉花获得更高的产量，传统种植方法通常是基施加多次追肥，但施肥量大，利用率低，易造成面源污染, 不仅费时费力， 而且在追肥时还会对棉花果枝造成机械损伤，降低棉花产量和经济效益[9]。 缓释肥是一种新型的肥料，因具有缓释特性，肥料利用率高，不仅能降低施肥量，而且能减少施肥次数，已成为棉田减少肥料施用、实现轻简高效施肥的主要研究方向[10]。胡伟等[11]认为，与同等施氮量下的普通尿素处理相比，控释尿素氮180 kg·hm－2的处理平均增产 21.47%，控释尿素氮120 kg·hm－2的处理平均增产为14.76%，缓释氮肥比普通氮肥减少30%的氮肥施用量不会引起棉花减产。 羿国香等[12]也认为同等施氮量条件下，缓控释尿素比普通尿素处理增产。 但是缓释肥对于长江流域小麦后直播棉氮素吸收和利用研究较少，本文拟研究缓释氮肥运筹对小麦后直播棉产量及氮素吸收和利用的影响，以期明确缓释肥最佳施用量和施用时间，为棉花轻简高效生产提供理论与实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验于2016―2017 年在扬州大学农学院试验田进行， 试验地为沙壤土， 土壤全氮含量1.23 g·kg－1、有机质含量 19.6 g·kg－1、水解氮69.1 mg·kg－1、速效磷 35.8 mg·kg－1、速效钾86.22 mg·kg－1。 采用小麦后直播方式播种，分别于 2016 年 6 月 13 日、2017 年 6 月 5 日播种，供试品种为中棉所50。试验用缓释肥为缓释长效肥聚氨酯包膜尿素（N：44%，由山东大茂生态肥业有限公司提供）。 采用随机区组设计，设氮素用量和施用时间2 个因素，以常规氮肥（CK1）和不施氮肥（CK2）为对照。 缓释肥设3 个用量水平和2个 施 肥 时 期 。 纯 氮 用 量 分 别 为 45 kg·hm－2（102.27 kg·hm－2缓释氮肥）、90 kg·hm－2（204.55 kg·hm－2缓释氮肥）和 135 kg·hm－2（306.82 kg·hm－2缓释氮肥），分别以 A1、A2、A3 表示；2 个施肥时间分别为2 叶期和4 叶期施肥，分别以B1、B2 表示， 采用一次性施入的方式。 常规施肥为纯氮90 kg·hm－2（肥料为尿素）， 分别于苗期 （2 叶 1心）和初花期施用，分别占比为40%、60%。 具体见表1。 磷、钾肥为过磷酸钙（P2O514%）和氯化钾 （K2O 60 %）， 用量分别为 82.5 kg·hm－2、165 kg·hm－2。 试验共 8 个处理，3 次重复，5 行区， 小区面积 32.4 m2。 种植密度为 140 000 株·hm－2。 分别于 2016 年 10 月 20 日和 2017 年 10月 15 日喷施脱叶催熟剂 2 250 mL·hm－2（中国农业大学提供）。 其他管理措施按当地高产要求进行。

表1 试验处理设计及代号Table 1 Experimental design and code

1.2 调查与测定项目

1.2.1产量及其构成。产量：于9 月20 日调查每小区中间2 行的棉铃个数， 计算单株成铃数；11月1 日一次采收并计实产。铃重、衣分：11 月1 日每小区选取连续10 株代表性植株， 待吐絮后称取50 个棉铃籽棉重，计算铃重，轧花后称取纤维重，计算衣分。

1.2.2田间取样。两年均于 7 月 30 日、8 月 15日、8 月 30 日、9 月 15 日进行棉株取样， 各处理每期取棉株5 株，带回实验室后采用常压烘箱干燥法对样品进行处理，105 ℃杀青 0.5 h，80 ℃烘干至恒重，然后测干物质质量及氮素含量。

1.2.3氮素积累量、干物质积累量、利用率。氮素含量：用奈氏比色法测定[13]；氮素积累量：干物质质量×氮素含量[13-14]。氮肥回收利用率NARE（%）＝（施氮区地上部分吸收的氮量－无肥区地上部分吸收的氮量）/施氮量×100[13-14]。氮肥农学利用效率 NAE （kg·kg－1）＝（施氮区棉花皮棉产量－无氮区的棉花皮棉产量）/ 施氮量[13-14]。 氮肥偏生产力：NPFP （kg·kg－1）＝棉花产量 / 施氮量[13-14]。氮肥生理利用率：NPE （kg·kg－1）＝（施氮区籽棉产量－无氮区的籽棉产量）/ （施氮区植株吸氮量－无氮区的植株吸氮量）[15]。

1.3 数据处理

采用Excel 2013、SPSS19.0 等软件系统进行数据整理、统计分析并作图。

2 结果与分析

2.1 缓释氮肥对小麦后直播棉产量及其构成因素的影响

表2 表明，不同处理对产量有明显影响。 随着氮素用量的增加，籽棉和皮棉产量呈先增加后降低的特征， 其中A2B1、A2B2 处理籽棉产量明显高于其它处理， 且分别比CK2 处理高9.1%、25.0%（2016 年）；14.4%、9.6%（2017 年）。 说明缓释肥氮素90 kg·hm－2时有利于提高产量水平。两个施肥时期相比，2016 年表现为B2 （4 叶期）施用产量高，2017 年结果正好相反。 上述结果表明缓释肥施氮 90 kg·hm－2，并于 2 叶期或 4 叶期施用有利于小麦后直播获得高的产量。

产量构成分析进一步表明，各处理间群体成铃数存在显著差异，其中2017 年A2B1、A2B2 处理显著高于其他处理。 在铃重、衣分方面，各处理间差异不显著。 上述结果说明不同处理间籽棉产量的差异主要由群体成铃数引起，提高小麦后直播棉产量应主攻群体成铃数。

2.2 缓释氮肥对小麦后直播棉干物质积累的影响

图1 表明，2 年试验的群体营养器官干物质积累量均随生育进程呈增加的趋势，且缓释氮肥处理营养器官干物质积累量总体上均高于CK1、CK2。 缓释氮肥处理间相比，A3B1 处理最高，A2B1、A3B2 其次，A1B2 最低。 施氮量相同条件

下，2 叶期缓释氮肥处理营养器官干物质积累量均大于4 叶期处理。 施肥时期相同条件下，营养器官干物质积累量随施氮量的增加而增加。 可见，缓释肥氮素施用量和施用时期均对小麦后直播棉花群体营养器官生物量有显著影响。

表2 不同处理对小麦后直播棉产量及构成因素的影响Table 2 Effect of different treatments on yield and component factor of direct seeded cotton after wheat

图1 不同处理对棉花群体营养器官干物质积累的影响Fig.1 Effect of different treatments on dry matter accumulation of vegetative organs

图2 表明，群体生殖器官干物质积累均随生育进程呈不断增加，尤其以秋桃形成期增长幅度更大。施氮量相同条件下，2 叶期缓释氮肥处理的营养器官干物质积累量均大于4 叶期缓释氮肥处理。施肥时期相同条件下，生殖器官干物质积累量总体表现随施氮量的增加呈先增加后下降的趋势。此外，秋桃形成期（8 月 30 日— 9 月20 日），处理 A2B1、A2B2 生殖器官干物质积累量都能保持较高的水平。 说明缓释肥氮素用量90 kg·hm－2更利于生育后期生殖器官干物质积累。

图2 不同处理对棉花生殖器官干物质积累的影响Fig.2 Effect of different treatments on dry matter accumulation of reproductive organs

表3 表明，不同处理间群体总干物质积累量有显著差异，且2 年基本表现为：施氮量相同条件下，2 叶期缓释氮肥处理的干物质积累量大于4 叶期缓释氮肥处理。在施肥时期相同条件下，施肥量90 kg·hm－2的处理干物质积累量总体上高于其他处理。 不同处理间 A2B1、A2B2、A3B1 显著大于CK2，其他处理与CK2 差异不明显。 说明缓释肥中高氮素处理更有利于小麦直播棉群体总干物质积累量增加，且促进群体总干物质积累有利于产量提高。

2.3 缓释氮肥对小麦后直播棉氮素积累量的影响

图3 表明，不同处理营养器官氮素积累量随生育进程而不断增加。 缓释氮肥处理间比较，施氮量相同时，2 叶期缓释氮肥处理的营养器官氮素积累大于4 叶期处理。 施肥时期相同时，秋桃形成期（8 月 30 日－9 月 20 日），氮素积累量表现为A2＞A3＞A1。 至有效结铃临界期（9 月 20日）， 缓释肥中高氮素处理更有利于营养器官氮素吸收积累。 如 2017 年 A2B1、A2B2、A3B1 处理分别比 CK2 高 22.6 kg·hm－2、22.2 kg·hm－2、18.2 kg·hm－2，且差异达显著水平。 相关分析进一步表明营养器官氮素积累量与干物重呈现显著的线性正相关 （2016 年、2017 年的相关系数分别为0.862 7**、0.845 3**）。 因此氮素吸收过多会引起营养器官生物量过多，不利于产量形成。

图4 表明， 生殖器官氮素积累呈先缓慢增加、后快速增加的趋势，且2 年间趋势基本相似。缓释氮素用量相同情况下，2 叶期缓释氮肥处理的生殖器官氮素积累量明显高于4 叶期处理。 施肥时期相同条件下，A2 生殖器官氮素积累量最高，A3 其次，A1 最低。 至有效结铃临界期（9 月20 日），缓释肥中高氮素处理同样有利于生殖器官氮素吸收积累。多元回归分析（图5）进一步表明，两年吸收氮素在 80～140 kg·hm－2时，群体生殖器官干物质积累量最高。 因此保持适宜的氮素供给有利于产量器官的发育， 获得更高的产量。

表3 不同处理对小麦后直播棉群体总干物质积累量的影响Table 3 Dry matter accumulation of direct seeded cotton after wheat harvest under different treatments/（kg·hm－2）

图3 不同处理对小麦后直播棉营养器官氮素积累的影响Fig.3 Effect of different treatments on nitrogen accumulation in vegetative organs of direct seeded cotton after wheat harvest

图4 不同处理对小麦后直播棉生殖器官氮素积累的影响Fig.4 Effect of different treatments on nitrogen accumulation in reproductive organs of directseeded cotton after wheat harvest

图5 小麦后直播棉生殖器官氮素积累与干物质积累量的关系Fig.5 Relationship between nitrogen accumulation and yield in reproductive organs of direct seeded cotton after wheat harvest

2.4 缓释氮肥对小麦后直播棉氮素吸收利用效率的影响

表4 表明，氮肥回收利用率、氮肥农学利用率、氮肥偏生产力、氮肥生理利用率在施肥时期相同条件下，随着施氮量的增加呈现下降的趋势。 缓释肥氮素 45 kg·hm－2时，氮肥回收利用率、氮肥农学利用率、氮肥偏生产力、氮肥生理利用率最大。施氮量相同时，2 叶期施用的氮肥回收利用率、氮肥农学利用率、氮肥偏生产力明显高于4 叶期。 氮肥生理利用率则表现出相反的趋势。 不同处理间利用率差异显著，总体均表现为：A1B1、A1B2、A2B1 显著高于CK2，A2B2 与 CK2 差异不显著， 但 A3B1、A3B2 却显著低于CK2。 说明每公顷施用45～90 kg 氮肥时，更有利于提高小麦后直播棉对氮素的吸收利用。

表4 缓释氮肥对小麦后直播棉氮素吸收利用率的影响Table 4 Effect of slow-release nitrogen fertilizer on nitrogen absorption and utilization of direct seeded cotton after wheat harvest

回归分析表明： 两年的氮肥回收利用率都与籽棉产量呈显著的抛物线关系， 其中y2016＝－1.2062x2＋99.474x＋1421.3 （r＝0.7391**）；y2017＝－1.195 6x2＋132.16x＋260.05（r＝0.772 7**），上述2 个方程表明， 氮素回收利用率在53%～58%时， 籽棉产量高。 因此保持适宜的氮素吸收效率更有利于提高产量。

3 讨论与结论

3.1 高密度（140 000株·hm－2）并于2叶期施用氮用量90 kg·hm－2的缓释肥能提高小麦后直播棉产量

前人研究表明，每公顷施用缓释肥氮素用量150～375 kg 时， 可提高移栽棉产量及氮肥利用率[16-18]。 但是本文研究结果则表明，在小麦后直播条件下，均以2 叶、4 叶期施入的缓释肥氮素用量90 kg·hm－2产量较高。 这与前人研究结果并不完全一致。 这可能是由于前人采用的主要为育苗移栽种植方式，其主要通过“小、壮、高”途径来实现高产，强调培育大个体，通过提高肥料用量提高单个植株的生长发育来促进产量增加[19－20]。 而本文采用的小麦后直播种植方式，其主要通过“矮、密、早”途径实现高产，强调通过合理协调个体和群体发育来实现高产，肥料用量有所下降。 由群体干物质积累量结果表明， 在高密度条件下，小麦后直播棉施入缓释肥氮素用量为90 kg·hm－2时其群体总干物质积累量达到约11 000 ～14 000 kg·hm－2，明显高于低施肥处理，与高施肥处理相差不大；且该施肥条件下棉花群体营养器官干物质积累量达到约5 500～8 500 kg·hm－2、生殖器官积累量达到约 4 000～6 000 kg·hm－2，说明群体干物质积累量分配到生殖器官的比例也大，有利于高产。 而移栽棉干物质积累量与之相似，产量水平也基本相当，但移栽棉纯氮施用量则达到了 300 kg·hm－2左右且施用了 3～4 次[21]。由此可见，小麦后直播棉栽培通过高密度配合缓释肥并于苗期一次施用，降低施用量，且施用时期前移，同样能获得与移栽棉相似的干物质生产量。 此外两年试验结果表明2016 年产量比2017年产量低，2016 年4 叶期处理产量高； 主要是由于2 叶期受台风影响，2 叶期处理由于当时长势长相更好，在花铃期反而受台风影响更大，因而产量更低。 而2017 年属于正常的年份，2 叶期处理产量虽与4 叶期没有显著差异，但产量水平更高且更有利于早熟（吐絮率和吐絮强度更高），从而有利于集中采收和机采，因此我们认为2 叶期施用缓释肥更好。 综上， 应用缓释肥氮素用量90 kg·hm－2并于2 叶期一次施肥既可实现施肥技术的轻简化，又能获得较高的产量水平，达到轻简高效的目的。

3.2 高密低肥条件下氮素利用效率的显著提高是该种植方式高产的营养基础

传统的育苗移栽棉氮肥利用率通常在30%～35%，且施肥次数多，施肥量大[22]。 这样的施肥方式不仅用工量大，肥料流失多，易对环境造成不良影响，不利于棉花生产可持续发展。 本研究则表明，在小麦后直播棉的种植方式下，缓释肥的应用，氮肥回收利用率、氮肥农学利用效率、氮肥偏生产力等吸收利用效率得到了显著提高。 在施用缓释肥氮素用量90 kg·hm－2时，两年回收利用率达到45.95%～60.89%，且氮素农学利用率、氮肥偏生产力和生理利用率也显著提高。 可见氮肥吸收利用效率的大幅度提高是该高密低肥种植方式同样高产的重要营养基础。

综合群体营养器官、生殖器官氮素积累量与产量的关系表明， 在本试验范围内，2 叶施纯氮90 kg·hm－2的缓释肥能有效提高了氮素利用效率，特别是回收利用率、农学利用率、偏生产率和生理利用率的提高，从而促进生殖器官和群体总生物量积累，为高产养分利用基础。 因此，该肥料运筹方式可为长江流域麦后直播棉肥料合理运筹提供实践指导。