优化行管配置和施氮量提高机采棉养分吸收及产量

2020-06-16侯振安王方斌孙嘉璘

灌溉排水学报 2020年5期

刘凯，侯振安，王方斌，孙嘉璘，殷星

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

0 引言

【研究意义】新疆作为我国最大的优质商品棉生产基地，棉花种植面积占新疆总耕地面积的1/3，产量占全国的80%以上[1]。近年来，随着棉花生产成本提升，推广机械采收已成为新疆棉花产业发展的必由之路，北疆地区机采棉占比已达到70%以上[2-3]。为了适应采棉机采收的需要，北疆滴灌机采棉的行距和滴灌管配置模式（简称行管配置）一般为1 膜6 行3管，行距为宽行66 cm+窄行10 cm，滴灌毛管铺设在作物窄行中间。但实际生产中，为了避免播种时损坏滴灌毛管，很多农户将滴灌毛管铺设在作物宽行间靠近作物位置；同时，行距也出现了（72+4）cm、76 cm等行距（1 膜3 行，滴灌带铺设在距作物行10 cm 处）不同配置模式[4-8]。因此，行管配置已经成为影响机采棉生长和产量的主要因素之一[9-10]。【研究进展】目前，关于机采棉株行距配置对棉花生长发育[6,11]、冠层结构[6,11-12]、干物质累积分配[13]、产量构成[14-15]等方面的影响虽然开展了大量研究，但对不同配置模式的研究仍主要集中在农艺性状及对机械作业的适应方面，而对棉花水、肥利用效率的研究结果依旧不明确，关于机采棉不同行管配置对土壤水氮分布及氮肥利用影响方面的研究更是鲜有报道。因此，研究行管配置对于机采棉产业的健康发展具有重要意义。【切入点】氮素对于作物产量形成具有重要作用，合理施氮是作物高产的关键[16]。当前新疆棉花生产氮肥投入普遍过量[17]，氮肥过量不仅影响作物产量，降低肥料利用率，还会导致生态环境污染[18-19]。在高施氮量下，棉花产量与氮肥利用率不仅显著下降[20-22]，还显著影响其对磷、钾等的吸收[23]。因此，在综合应用作物高产栽培措施的基础上，合理减少氮肥施用量是实现农业绿色增产增效的重要途径[24]。【拟解决的关键问题】通过田间试验，探讨不同行管配置与施氮量对机采棉生长、养分吸收、产量及氮肥利用率的影响，为机采棉行管配置模式与氮肥用量管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018 年在新疆石河子市天业生态示范园（86°4'11″E，44°21'14″N，海拔443 m）进行。该地区气候属温带干旱区大陆性气候，平均年降水量210 mm，平均年蒸发量1 660 mm。试验田土壤类型为灌溉灰漠土，质地为壤土。耕层土壤肥力基础指标为：有机质量16.44 g/kg，硝态氮量15.16 mg/kg，有效磷量14.56 mg/kg，速效钾量411 mg/kg。供试棉花品种为新陆早72 号。

1.2 试验设计

试验设置4 种机采棉行管配置模式：①1 膜6 行3 管，行距（66+10）cm（66），滴灌带铺设在作物窄行中间（B66）；②1 膜6 行3 管，行距（66+10）cm（66），滴灌带铺设在作物宽行间靠作物10 cm 处（S66）；③1 膜6 行3 管，行距（72+4）cm（S72），滴灌带铺设在作物宽行间靠作物10 cm 处；④1 膜6行3 管，76 cm 等行距（S76），滴灌带铺设在靠近作物10 cm 处。同时，S66 行管配置下设置3 个氮肥用量水平，分别为0、240、300 kg/hm2（分别以N0、N240、N300 表示）。其中，施氮（N）量300 kg/hm2为当地机采棉氮肥一般推荐用量；施N 量240 kg/hm2为减N 20%的优化施N 处理，其余3 种行管配置施氮量均为240 kg/hm2。试验共6 个处理，各处理行管配置及施N 量见表1。每个处理重复3 次，共18 个试验小区，小区面积45 m2。

棉花采用干播湿出法种植，于2018 年4 月21 日播种，4 月25 日滴出苗水30 mm。棉花生长期间灌溉定额450 mm，共灌水9 次，灌水周期7～10 d。灌水从6 月16 日开始，8 月24 日结束。各施肥处理磷钾肥用量一致，磷施用量P2O5105 kg/hm2，钾施用量K2O 75 kg/hm2。试验中，氮、磷、钾肥全部随水滴施，在棉花生长期间共施肥6 次，每次磷、钾肥用量相同，氮肥按不同比例施用，具体灌溉用量及氮肥分配比例见表2。其他田间管理措施同当地大田滴灌机采棉。

1.3 测定指标与方法

1）土壤水分与硝态氮分布。第3 次滴灌施肥结束24 h 后（第3 次滴灌施肥时间为2018 年7 月20日，棉花处于盛花期），采集土壤样品。在每个处理随机选择3 个采样区，在垂直滴灌带方向分别采集距离滴头0、10、20、30 cm，深度为0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm 土壤样品。土壤含水率采用烘干法测定，硝态氮量采用2 mol/L KCl 浸提，紫外分光光度法测定。

2）植株干物质量和含养分量。在花铃期采集棉花植株样品，每个处理选取连续3 株长势均匀的植株，从子叶节处剪断，采集棉花地上部，分成茎、叶、铃3 部分，105 ℃杀青30 min 后，于75 ℃下烘干至恒质量，称量各器官干物质量。之后将各植株样品烘干后粉碎，过0.5 mm 筛后置于自封袋保存。植株样品采用H2SO4-H2O2消解，用凯氏法测定全氮量，钒钼黄比色法测定全磷量，火焰光度计法测定全钾量[25]。

3）产量：棉花产量测定采用样方法，样方面积6.67 m2。在吐絮期测定样方内所有株数及铃数，同时随机采集30 铃测定单铃质量，最后采收样方内棉花记产。

1.4 数据处理与分析

数据处理及作图采用Microsoft Excel 2003 进行。土壤含水率与硝态氮量空间分布图用Surfer Version 10.0 绘制。采用SPSS 21.0 软件进行单因素方差分析，Duncan 法进行多重比较，统计显著性假设为p<0.05。

2 结果与分析

2.1 不同行管布置下土壤水分及硝态氮的空间分布

2.1.1 土壤水分空间分布

机采棉不同行管配置显著影响土壤水分分布（图1）。灌水施肥结束24 h 后，S66（行距（66+10）cm，滴灌毛管铺设在作物行外侧）处理土壤水分主要分布在0～40 cm 深度土层（土壤含水率≥17%）。B66（行距66+10 cm，滴灌带铺设在作物行中间）处理水分主要分布0～30 cm 深度土层，30 cm 以下土壤含水率主要分布在横向距滴头15～30 cm。S76（76 cm 等行距，滴灌带铺设在作物行外侧）处理土壤水分集中分布在横向距滴头0～20 cm、深15～30 cm 的土壤区域内。S72（株行距（72+4） cm，滴灌毛管在作物行外侧）处理土壤含水率较低，集中分布在横向距滴头0～10 cm、深20 cm 土壤。总体上，B66 和S66 处理土壤水分在0～60 cm 分布较均匀。

2.1.2 土壤硝态氮量空间分布

S66 和B66 处理土壤硝态氮（≥25 mg/kg）均主要分布在0～40 cm 土层（图2），最大值集中分布在横向距滴头15～25 cm、深25～30 cm 区域（B66 处理已偏离作物行）。S76 处理硝态氮集中分布于0～25 cm土层中；S72 处理硝态氮集中分布在横向距滴头0～5 cm 和25～30 cm 区域，中间区域（距滴头10～14 cm作物行附近）的硝态氮量相对较低。

图2 土壤硝态氮空间分布 Fig.2 Spatial Distribution of Soil NO3-N

2.2 不同行管布置对棉花干物质量的影响

在不同行管布置下，S66-N240 和B66-N240 处理棉花各部分干物质量均显著高于其他处理，其中，总干物质量高26%～28%（表3），茎干物质高29%～36%，叶片干物质高42%～62%，铃干物质高15%～17%。不同施氮量下，S66-N240 和B66-N240 处理棉花总干物质量与S66-N300 处理无显著差异，但铃质量显著高于 S66-N300 处理，分别提高 17.6%和 12.2%。S72-N240 处理除铃质量外，棉花总干物质及茎叶干物质量均显著低于S66-N300 处理。S76-N240 处理棉花总干物质量与各器官干物质量均显著低于S66-N300 处理。

表3 不同处理棉花干物质量 Table 3 Dry matter weight of different treatments

2.3 棉花养分吸收

2.3.1 氮素吸收量

不同行管布置下，S66-N240 处理氮吸收量显著高于S76-N240 和S72-N240 处理分别提高了29.6%和30.5%。B66-N240 处理氮吸收量显著高于S76-N240和S72-N240 处理，分别提高22.8%和23.2%。

不同施氮量下，S66-N240 和B66-N240 处理棉花氮素吸收量与S66-N300 处理差异不显著（图3，图3中不同小写字母表示差异达5%显著水平，下同）。S76-N240 和S72-N240 处理棉花氮素吸收量显著低于S66-N300 处理，分别减少29.4%和30.2%。

2.3.2 磷吸收量

不同行管布置下，B66-N240 处理棉花磷吸收量最高，较S66-N240、S72-N240、S76-N240 处理分别增加8.2%、16.2%、27.7%（图4）。不同施氮量下，S76-N240 处理棉花磷吸收量最低，其次是S72-N240处理，较S66-N300 处理分别减少18.8%和8.2%。

图3 不同处理氮素吸收量 Fig.3 Nitrogen uptake by different treatments

图4 不同处理磷吸收量 Fig.4 Phosphorus uptake by different treatments

2.3.3 钾吸收量

不同行管布置下，B66-N240 处理棉花钾素吸收量最高，较S66-N240、S76-N240 和S72-N240 处理分别增加18.0%、30.1%和31.9%（图5）。在不同施氮量下，与S66-N300 处理相比，S66-N240 处理棉花钾吸收量无显著差异；B66-N240 处理棉花钾吸收量显著增加17.3%；而S76-N240 和S72-N240 处理钾吸收量显著降低，分别降低9.9%和11.2%。

图5 不同处理钾吸收量 Fig.5 Potassium uptake by different treatments

2.4 产量

在不同行管布置下，S66-N240 处理籽棉产量较S72-N240 和S76-N240 处理分别增加18.4%和24.8%；B66-N240 处理较S72-N240 和S76-N240 处理分别提高14.9%和21.1%。在不同施氮量下，S66-N240 和B66-N240 处理籽棉产量显著高于S66-N300 处理，分别增加10.5%和7.2%（表4）。S72-N240 与S76-N240处理籽棉产量较S66-N300 处理分别降低11.5%和6.7%。

2.5 氮肥利用率

S66-N300 处理氮肥偏生产力显著低于4 个优化施氮处理；S66-N240 处理氮肥偏生产力最高，较S66-N300 处理增加38.1%（表5）。S66-N240 处理氮肥农学利用率最高，其次是B66-N240 处理；S76-N240处理氮肥农学利用率最低，较S66-N300 处理降低11.2%。4 个优化施氮处理S66-N240、B66-N240、S76-N240、S72-N240 氮肥生理利用率均显著高于S66-N300 处理；其中，S72-N240 处理氮肥生理利用率最高，较S66-N300 处理增加44.7%。S66-N240 处理氮肥表观利用率最高，其次是B66-N240 处理，较S66-N300 处理分别增加28.7%和12.7%。S76-N240和S72-N240 处理氮肥表观利用率显著低于S66-N300处理，分别下降27.1%和28.2%。

表4 不同处理棉花产量及其构成因子 Table 4 Cotton yield and components under different treatments

表5 不同处理氮肥利用率 Table 5 Fertilizer N use efficiency of different treatments

3 讨论

滴灌棉花的株行配置和滴灌毛管铺设位置直接影响土壤水分和硝态氮的运移与分布，进而影响棉花生长和氮素吸收[26-27]。本研究中氮肥随水滴施后，土壤水分和硝态氮主要分布在0～40 cm 土层，这与前人的研究结果基本一致[28-29]。不同行管铺设下，土壤硝态氮与水分空间分布差异显著。机采棉行距配置（66+10）cm 处理（B66、S66）土壤水分和硝态氮量在0～40 cm 土壤分布较为均匀，但滴灌毛管铺设在作物行间（B66）时，土壤硝态氮量最大值的分布区域已偏离作物行。行距配置（72+4）cm（S72 处理）和76 cm 等行距（S72 处理）模式下，土壤含水率总体偏低，可能是由于作物生长中前期的植被覆盖度较低，土壤水分蒸发损失较大所致。同时，行距配置（72+4）cm 处理作物行区域的硝态氮量相对较低。主要是因为作物行距较小，根系分布密集，对作物行区域土壤氮素的吸收较为集中。有研究认为窄行布管更利于作物水肥利用[30]，窄行布管水分和肥料集中在窄行根系密集处，有利于根系吸收利用，因此水分养分消耗的多；宽行布管处理毛管距另一单行20 cm 左右, 在高频低定额的滴灌方式下，一部分根系必然在湿润峰之外, 根系对水分和养分吸收受到影响，在棉花营养生长和生殖生长并进旺盛的花铃期，窄行布管的土壤耗水量会高于宽行布管。本研究结果表明，在相同株行配置下宽行布管更利于水氮向作物行运移，这与前人的研究结果存在分歧。根系对于作物吸收水肥有重要作用，对于不同行管配置，根系生长分布势必受到影响，但目前行管配置对根系生长影响的研究不明确。因此，对于不同行管配置下水氮运移分布的研究还需要进一步深入。

氮是影响作物生长的主要元素[31]，施用氮肥利于促进作物生长[32]，随施氮量的增加棉花干物质量随之增加[33]。但本试验中施氮量240 kg/hm2的S66-N240和B66-N240 处理棉花干物质量与S66-N300 处理无显著差异。主要是因为S66-N300 处理施氮量较大，棉花营养生长旺盛，生长茎秆和叶片干物质量较高，其生殖器官（蕾铃）干物质量较S66-N240和B66-N240处理显著降低。宋兴虎等[34]和秦宇坤等[35]研究也表明，施氮量增加能促进棉花营养器官生物量积累，但高施氮量会降低生殖器官干物质所占比例。高施氮量S66-N300 处理可能由于氮素投入量过大导致其营养生长过剩，蕾铃脱落增加，从而影响其总干物质积累。

本研究中，在不同行管铺设下，76 cm 等行距（1膜3 行）处理棉花干物质量显著低于2 种（66+10）cm配置处理。1 膜3 行配置虽然单株生长具有优势，在生育前期叶面积指数和光吸收率较快增加，但密度下降会直接影响其总干物质积累量[12]。同时，本研究中（72+4）cm（1 膜6 行）处理棉花干物质量也显著降低。而前人研究表明[4]，机采棉（66+10）cm 配置下棉花生长协调促进干物质积累，（72+4）cm 行距配置由于2 作物行间距离过小，棉株对营养、水分、阳光等竞争加剧，致使其棉株长势较弱，干物质积累量减少。

本研究表明，高施氮量处理（S66-N300）棉花氮素吸收量较高，但与S66-N240 和B66-N240 2 个氮肥优化处理无差异。前人研究表明，氮肥的施用影响作物对氮素的吸收利用[36]，过量施用氮肥不仅造成氮素损失还影响作物吸收利用[16]。氮素供应不足或过量都不利于棉花对于氮素的吸收。随氮肥的增加，玉米对氮素吸收量也呈现先增后减的趋势[37]。因此，本研究认为在（66+10）cm 模式下施氮量240 kg/hm2与300 kg/hm2相比，240 kg/hm2已经足够棉花对氮的需求，从“减肥增效”考虑，应提倡当地减少机采棉氮肥一般推荐用量。同时本研究中土壤水分与硝态氮分布结果显示，S66-N240 和B66-N240 处理水分与硝态氮主要分布在作物行下方根区，而B66-N240 处理不仅对氮吸收量较高，且其磷钾吸收量显著高于其他处理，这可能由于不同行管铺设对作物养分吸收具有影响。滴灌毛管铺设在作物行间时，滴头距离作物行近，水肥移动到作物下方距离短，而滴灌毛管铺设在作物行侧边时，距离作物行远，水肥移动到作物下方距离较远。有研究认为，氮施用利于棉花对磷素和钾素的吸收[23]，而新疆多为石灰性土壤，磷在土壤中易被固定，其移动性较弱[38-40]。因此，相同灌水量和施氮量条件下，滴灌毛管铺设在作物行间，水肥施入距离作物根系较近，有利于作物对磷和钾的吸收。

氮肥对于作物产量形成具有重要意义，氮肥不足或过量施用均会导致棉花产量下降[41-42]。机采棉行距配置也会直接影响棉花产量，梁亚军[6]研究表明，机采棉1 膜6 行模式（S66）相比1 膜3 行模式（S76），具有良好的冠层结构和较高的光能利用率及群体优势，籽棉产量高。徐新霞[14]研究表明，（66+10）cm行距配置棉株分布合理，降低作物行间郁蔽程度，增加通风透光性，提高光合作用促进茎和叶片的生长及蕾铃发育，棉花产量显著提高。但目前关于行管配置和施氮量对机采棉产量影响方面的研究还很少。本试验表明优化施氮S66-N240 和B66-N240 处理棉花产量显著高于S66-N300 处理，而S72-N240 和S72-N240处理产量则显著降低。说明合理的行管配置和施氮量管理可以实现机采棉“减氮增产”的双赢。

大量研究表明[43-45]，氮肥偏生产力、氮肥农学利用效率、氮肥生理利用率和氮肥表观利用率随氮素施用量的降低而增加。本试验中氮肥优化处理（减氮20%）S66-N240 和B66-N240 氮肥表观利用率均显著高于高施氮量处理S66-N300，但是S76-N240 和S72-N240 处理氮肥表观利用率显著降低。可见不同行距配置与滴灌毛管铺设位置直接影响水氮运移和氮素吸收利用，选择适宜的行管配置模式，是提高滴灌机采棉氮肥利用率的途径之一。

本研究探讨了不同行管配置与施氮量对滴灌棉田土壤水氮分布、棉花产量及氮肥利用率的影响。但试验仅在特定的灌水量和土壤质地条件下开展，土壤性质（质地、结构等）和灌水量会直接影响滴灌农田土壤水氮运移和分布，进而影响棉花生长和养分吸收。因此，还需要进一步开展不同灌水量和土壤质地的机采棉行管配置和氮肥优化研究。