减施氮肥运筹对棉花冠层光合有效辐射及产量的影响

姚青青，孙绘健，罗 静，邓永明，李卫平

(新疆巴音郭楞蒙古自治州农业科学研究院，新疆库尔勒 841000)

0 引 言

【研究意义】光合有效辐射(PAR)是能够被作物吸收进行光合作用的绿色光能，对作物群体的生长发育和产量产生重要影响[1,2]。优良冠层形态结构是作物获得高产的重要保证[3]，其直接影响作物群体的光截获能力和光分布特征，影响群体的光合效率，合理优化作物群体冠层结构来提高绿色光能利用率，是对作物群体进行精准调控管理的重要措施[4-6]，对提高群体绿色光能利用率和产量具有重要意义。【前人研究进展】作物群体吸收的光合有效辐射和其产生的光能利用率，对作物产量及产量构成产生重要影响[7-9]。光合有效辐射显著影响作物的生物产量，作物的生物量与其所吸收的APAR呈近似线性关系[10,11]。黄春燕等[12]研究表明,不同水分条件下棉花群体的APAR 、FAPAR 与生育期内光合生产能力变化趋势一致，认为通过监测APAR 、FAPAR 可以对棉花的生长状况进行调控管理。吴杨焕等[13]表明，自作物群体冠层上部向下部PAR透光率逐渐降低，并且随密度和向下累积叶面积指数的增加而递减。江东等[14]表明,冬小麦的APAR值与其产量呈正相关关系。吸收光合有效辐射(APAR)是太阳辐射中能够被植物冠层吸收并用来进行光合作用的绿色光能，是用于反映作物群体生长状况的重要指标[1,2]。光合有效辐射截获量(FAPAR)是反映作物生长、生物产量形成和绿色植物光能截获量的重要生物参数，对监测作物的生长状况起着重要作用[1,2]。【本研究切入点】氮肥施用量急剧上升，加剧土壤中氮肥淋失状况，降低氮肥利用率、土壤生产力下降等[15-17]。研究不同减施氮肥运筹条件下的棉花光合有效辐射的变化特征。【拟解决的关键问题】对膜下滴灌棉花减施氮肥运筹管理下棉花光合有效辐射的动态变化进行监测分析，研究不同减施氮肥运筹对棉花光合有效辐射和产量的影响，为合理优化棉花群体结构达到高产提供依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验点设在新疆库尔勒市巴州农科院试验地，于2017年4～10月进行。试验区属于典型暖温带大陆性干旱气候，总日照数为2 990 h，无霜期平均210 d，年均气温11.4℃，最低为-28℃，年平均降雨量58.6 mm，年最大蒸发量为2 788.2 mm。前茬作物均为棉花，供试土壤为壤土，属于中等肥力土壤，耕层土壤0～30 cm 土壤有机质为22.27 g/kg，全氮1.09 g/kg，碱解氮93.6 mg/kg，速效磷46.3 mg/kg，速效钾179 mg/kg，pH为8.55。

供试棉花品种为新陆中81号，采用膜下滴灌一膜双管四行的种植模式，机械覆膜，人工点播，行距为(15+45+15+73) cm，精播穴距为12 cm，化学调控技术、植保技术及其他管理技术与当地相同。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验施氮运筹设5个施氮肥水平，即各处理基施氮肥用量相同，在追施氮肥用量上设计5个处理，N1为当地大田常规追施氮肥量，N2为减施10%常规追施氮肥量，N3为减施20%常规追施氮肥量，N4为减施30%常规追施氮肥量，N5为减施40%常规追施氮肥量，小区随机区组排列，重复3次，共计15个小区。小区长9 m，宽9 m，面积为81 m2。

各处理基肥施用量相同，均为基施尿素为150 kg/hm2，磷酸二铵为375 kg/hm2，硫酸钾为225 kg/hm2。氮磷钾肥随基施在犁地时施入，生育期氮肥随水追施，用施肥罐控制追氮量。灌溉方式为膜下有压滴灌，灌溉定额为 4 800 m3/hm2，从 6 月中旬蕾期开始灌溉，用水表控制灌溉量。表1

表1 氮肥追施设计Table 1 The design system of N fertilizer application

1.2.2 光合有效辐射(PAR)测定

在棉花出苗后50 d(蕾期)、65 d(初花期)、80 d(盛花期)、95 d(花铃期)、110 d(盛铃期)、125 d(吐絮初期)，选择长势均匀一致、无病虫危害的样点区，用 SL-S02A植物冠层测量仪在14:00进行观测，分别对棉花各处理冠层上方和下部的光合有效辐射进行测定，并同时测定棉花宽行和窄行下部的光合有效辐射，每次测定时水平放置测量仪。每个处理测定3 次，取平均值。

1.2.3 光合有效辐射

吸收光合有效辐射(APAR)的计算

根据各生育期棉花冠层上方测定的光合有效辐射(PARc)和将冠层宽行下部和窄行下部的光合有效福射平均值即作为冠层下方的光合有效辐射(PARg)，通过(1)式计算APAR。

APAR=PARc-PARg.

(1)

光合有效辐射截获量(FAPAR)的计算

根据(2)式计算FAPAR:

FAPAR=(PARc-PARg)/PARc.

(2)

1.3 数据处理

用 Microsoft Excel 2007 软件进行数据整理，采用 SPSS20.0软件进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同减施氮肥运筹对棉花产量组成及产量的影响

研究表明,大田常规追施氮肥处理(N1)、减施10%常规追施氮肥处理(N2)和减施20%常规追施氮肥处理(N3)的棉花单位面积结铃数、铃重、籽棉产量上存在一定的差异，均未达到显著水平；但大田常规追施氮肥处理(N1)、减施10%常规追施氮肥处理(N2)和减施20%常规追施氮肥处理(N3)的棉花单位面积结铃数、铃重、籽棉产量均极显著高于减施30%常规追施氮肥处理(N4)、减施40%常规追施氮肥处理(N5)，在膜下滴灌条件下，在现有的施肥技术上适量的减施氮肥措施对棉花产量构成和产量均没有较大影响，而过量的减施氮肥措施会使单位面积结铃数和铃重锐减导致棉花产量大幅下降。表2

表2 不同减施氮肥处理的下棉花的产量构成要素变化Table 2 Yield components of cotton under different nitrogen reduction treatments

2.2 不同减施氮肥运筹下棉花冠层APAR的变化特征

研究表明,各处理APAR在蕾期(出苗后50 d)均处于较低水平，在盛花期(出苗后80 d)达到最高值，随后逐渐下降至吐絮初期(出苗后125 d)处于最低值，各处理APAR在生育期的动态变化特征与棉花群体生长发育过程相一致。从整个生育期来看，N1、N2、N3处理的APAR值均要高于N4、N5处理。在施氮量充足的情况下，棉花群体生长旺盛，较处于氮肥胁迫条件下的棉花群体能够截获更多的光合有效辐射。图1

图1 不同减施氮肥处理的棉花吸收光合有效辐射APAR随生育期变化Fig. 1 The variation curve of cotton APAR under different nitrogen reduction treatments at the growth

2.3 不同减施氮肥运筹下棉花冠层FAPAR的变化特征

研究表明,各处理的FAPAR均从蕾期(出苗后50 d)逐渐缓慢上升至盛花期(出苗后80 d)、花铃期(出苗后95 d)处于较高水平，随后急剧下降至吐絮初期达到最低值。这说明盛花期、花铃期棉花群体叶面积增大，光截获能力增强，自花铃期开始，棉花群体由营养生长逐渐转向生殖生长，使群体底部叶片逐渐脱落，光合速率下降，最终使棉花群体FAPAR下降。各处理FAPAR在整个生育期的变化趋势为N1>N2>N3>N4>N5，不同的减施氮肥运筹对棉花群体FAPAR产生不同的影响，同时也反映棉花群体结构的营养状况和生长状况。图2

图2 不同减施氮肥处理的光合有效辐射截获量FAPAR随生育期的变化Fig. 2 The variation curve of cotton FAPAR under different nitrogen reduction treatments at the growth

2.4 棉花光合有效辐射与产量构成因素的相关关系

研究表明,APAR和FAPAR与棉花籽棉产量之间呈线性正相关，并且达到极显著水平。在盛花期、花铃期和盛铃期的APAR和FAPAR与棉花籽棉产量的线性相关系数均高于蕾期、初花期、吐絮期，生育期施肥调控措施造成的棉花群体冠层吸收光合有效辐射和光合有效辐射截获量变化直接显著影响棉花产量，棉花群体在各生育时期的APAR和FAPAR均可以反映棉花产量水平，其中以花铃期的APAR和盛花期的FAPAR的最具有代表性。表3

表3 各生育时期棉花光合有效辐射参数与籽棉产量的相关性Table 3 Correlation between the cotton photosythetically active radiation parameters and seed cotton yield at different growth periods

3 讨 论

3.1 研究了新陆中81号在不同减施氮肥运筹条件下吸收光合有效辐射和光合有效辐射截获量在生育期的动态变化规律，说明在整个生育进程中，由于早期棉株生长较小，叶片小且数量少，群体光合能力弱，使得棉花群体吸收光合有效辐射和光合有效辐射截获量较少；而盛花期和花铃期期间，棉花营养生长旺盛，群体叶片数量增多，叶面积增大，植株截获有效光能增多、光合速率增强，吸收光合有效辐射和光合有效辐射截获量均在这时处于较高水平；花铃期过后，由于群体生殖生长加强，中下部叶片发黄脱落，群体光截获能力减弱，光合速率降低，至吐絮初期棉花吸收光合有效辐射和光合有效辐射截获量降至最低水平。

3.2 适宜的减氮施肥运筹能使棉花群体冠层能够获得更多的光能，提高光合效率，显著增加单位面积结铃数和铃重，最终显著提高棉花产量。已有研究表明，不同施肥量对棉花群体的生长状况产生重要影响[16-17]；适宜的施氮措施，可合理优化的棉花群体结构，以达到增产目的[18-21]。在整个生育时期中，不同减氮施肥处理的棉花吸收光合有效辐射和光合有效辐射截获量的动态变化与黄春燕[11-14,22]等研究的不同水分、品种、密度条件下的吸收光合有效辐射和光合有效辐射截获量的变化特征一致。

3.3 试验条件下，棉花的吸收光合有效辐射范围区间为781.00～1 313.17， 光合有效辐射截获量范围区间为0.868 4～0.988 0，与已有研究存在较大差异[12-14]，可能受棉花品种、种植方式等因素的影响。

3.4 研究显示棉花吸收光合有效辐射和光合有效辐射截获量与籽棉产量之间呈线性正相关，并且达到极显著水平，其中以花铃期的吸收光合有效辐射和盛花期的光合有效辐射截获量的最具有代表性，这与已有研究论断类似[10,11,14]。

4 结 论

在不同减施氮肥运筹条件下，棉花的吸收光合有效辐射和光合有效辐射截获量均自蕾期逐渐增大，至盛花期和花铃期处于较高水平，随后下降至吐絮初期处于最小值。不同减施氮肥处理的吸收光合有效辐射和光合有效辐射截获量排列次序相一致，均为N1>N2>N3>N4>N5，减施氮肥运筹对棉花的吸收光合有效辐射和光合有效辐射截获量的动态变化存在明显调控作用，可以通过棉花的吸收光合有效辐射和光合有效辐射截获量在生育期的变化特征，对棉花群体结构的进行合理化调控管理。

棉花吸收光合有效辐射和光合有效辐射截获量与子棉产量之间呈极显著的线性正相关性，其中以花铃期的吸收光合有效辐射和盛花期的光合有效辐射截获量的最具有代表性。