一次性减量施用控释肥对棉花群体冠层结构及产量构成的影响

郑曙峰，徐道青，陈 敏，刘小玲，王 维，阚画春，李淑英

(安徽省农业科学院棉花研究所，安徽合肥 230031)

0 引 言

【研究意义】一定范围内，作物产量随着化肥投入量增加而增长。但近年来，过量的化肥投入并不能带来作物产量正增长，高投入并不能获得更高产量，同时过量的施用化肥不仅降低了肥料利用率、增加了生产成本，还带来了土壤酸化、地下水污染等问题。缓释肥料作为一种新型肥料，其养分释放速率与作物需肥规律基本同步，一次性施肥可满足作物整个生育期对养分的需求；减少养分损失，提高肥料利用率，缓释肥料的研制与施用已成为当期化肥减施技术的一个重要方向。缓释肥料可减少施肥次数，实现节本增产增效[1-3]。【前人研究进展】棉花是一种对养分需求量较大的经济作物，其生长和光能利用率与群体冠层结构紧密相关。合理施肥能够协调群体与个体的生长关系，可使其群体结构理想，最终达到高产优质。对不同作物群体冠层构成研究表明，适宜的冠层结构是构建高产优质的基础[4-5]。陈宝燕[6]、李志强[7]等通过不同施肥量对棉花群体冠层结构的研究表明，适宜的施肥量能构造理想的群体结构，提高光合生产率，达到优质高产。【本研究切入点】控释肥其做基肥一次施用，省工、环保已经在生产中得到了验证，但不同地区适宜施肥量不尽相同；其所塑造的棉花群体结构是否合理，以及冠层结构与产量构成的关系目前报道较少。研究一次性减量施用控释肥对棉花群体冠层结构及产量构成的影响。【拟解决的关键问题】分析一次性施用不同量控释肥条件下棉花群体冠层结构及产量变化，研究该地区适宜的缓释肥用量，为化肥高效利用、减施增效技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验分别于2017～2018年在安徽省东至县大渡口镇试验点进行(N30°27′8.07″ E116°58′40.44″)，该地区属亚热带季风性气候，年平均气温16.9℃左右，年平均降水量1 554.4 mm左右，无霜期223 d。试验田块前茬作物为棉花，土壤基础肥力中等，土壤有机质为15.8 g/kg，碱解氮为116.2 mg/kg，速效磷为25.1 mg/kg，速效钾为111.3 mg/kg，pH为7.7。

试验以中棉所63号F1为供试材料；采用营养钵育苗移栽，种植密度为2.7×104株/hm2。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

田间试验设置5个处理，T1：不施氮肥对照，磷钾肥于棉花移栽后1周内一次性施用；T2：普通氮肥全量(300.0 kg/hm2)，其中40%与磷钾肥掺混后于棉花移栽后1周内条施，60%于盛花期条施；T3：控释氮肥全量(300.0 kg/hm2)，一次性与磷钾肥掺混后于棉花移栽后1周内条施；T4：普通氮肥减量(225.0 kg/hm2)，其中40%与磷钾肥掺混后于棉花移栽后1周内条施，60%于盛花期条施；T5：控释氮肥减量(225 kg/hm2)，一次性与磷钾肥掺混后于棉花移栽后1周内条施。其中一次性施用控释氮肥为安徽省农科院棉花所与合肥工业大学联合研制的包膜尿素，释放期为90 d。各处理磷钾肥用量相同，分别为K2O 135.0 kg/hm2，P2O5270.0 kg/hm2。试验设4次重复，5行区，行长10.50 m，行宽1.27 m，小区面积66.7 m2，随机区组设计。

1.2.2 测定指标

农艺性状：在大田选择长势均匀具有代表性的棉株连续10株，重复4次。调查棉花不同生育时期营养生长、生殖生长进程。

冠层结构：采用美国CD公司生产的CI-110数字式冠层结构分析仪测定，测定时期分别为：播种55 d后每间隔20 d测定1次，直至棉花吐絮。每处理小区选取3点，选择阴天或晴天的傍晚，将安装有鱼眼探测头的观测棒分别定点在行间和株间中央，距地表约1 cm，调好水平，从计算机显示屏上观察，当无人影等其它外界影响时开始拍照。通过计算机进行图像数字化处理，用专用软件分析后，可得到冠层叶面积指数(LAI)、平均叶簇倾斜角度(MFIA)、散射辐射透过系数(TC)等参数。

叶片叶绿素含量用采用日本生产的SPAD-502测定仪测定棉花倒四叶叶片的SPAD值，每个叶片测不同位置的5～7个点，取平均值。

冠层叶绿素密度用叶绿素含量SPAD值与对应时间所测得的棉花叶面积指数的乘积表示。

产量及构成因素调查在不同吐絮时期给小区重复收取正常吐絮棉铃50个进行考种，测定单铃重、衣分等指标，籽棉产量以实收产量为准。

1.3 数据处理

数据处理与分析采用Excel 2013、处理间差异显著采用SPSS 20.0软件分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对棉花群体冠层结构的影响

2.1.1 不同处理对棉花叶面积指数的影响

研究表明，各处理LAI(leaf area index)随棉花的生育进程表现出的趋势一致，即先增加后减少，在播种后115 d左右达到峰值，各处理间LAI差异较大，以T2值最大，对照T1最小，T2比T1大47.1%。随棉花生育进程推进，处理间最大差值也在不断加大，播种后55～115 d内，各调查时期棉花叶面积指数极差分别为0.30、0.51、1.21、1.24、1.14，并均已不施氮肥T1处理最小；除播种后115 d时期外，其它时期均已T3处理叶面积指数最大。播种115 d后各处理LAI开始下降，处理间下降速率不尽相似，T2下降最快，T4次之；这可能与施用常规肥料不能持续提供养分，造成棉花养分供应不足，棉株体内碳氮代谢减弱，叶片衰老和光合功能衰退加速。播种后95～135 d，一次性施用控释肥处理T3、T5变化幅度较小，极差分别为0.72、0.63；常规肥料处理T2、T4变化幅度较大，极差分别为1.40、1.27， T1处理极差为0.94。缓控释肥能够延长叶片叶绿素含量较高的持续时间，减缓叶片老化和光合功能衰退速度。图1

图1 平均叶面积指数变化Fig. 1 The change of LAI

2.1.2 不同处理对棉花平均叶簇倾斜角度影响

研究表明，各处理棉花平均叶簇倾角与叶面积指数基本相似，均随生育进程推进先增后减，呈现单峰曲线变化。棉花生长前期，MFIA逐渐增加，叶片逐渐由平展变得直立，利于透光，可以促进棉花中下层叶片截获更多的光能，形成较为合理的冠层结构，至播种后115 d达到峰值；播种135 d前后，因养分耗损，棉花绿叶面积减少，光合功能衰退，叶片开始变得平展，MFIA值开始下降。从55～135 d，不施氮肥对照处理T1MFIA变化最小，最大变化值仅为16.45°，其生育过程一直处于养分亏损状态中，叶片保持较一致的状态截获光能。T3在棉花播种115 d MFIA最大，此后下降幅度亦较小；降幅最大的为T4处理， 115～135 d范围内其MFIA值下降了42.71°。播种后115 d各处理叶簇倾角大小顺序为T3>T2>T5>T4>T1，播种后135 d各处理叶簇倾角大小顺序为T3>T2>T5>T1>T4。图2

图2 平均叶簇倾角变化Fig.2 The change of MFLA

2.1.3 不同处理对散射辐射透过系数的影响

研究表明，随棉花生育进程推进，TCDP在播种后55～115 d快速下降，至播种后115 d各处理均达到最小值，后逐渐上升，各处理间最小值差异较小。播种后95～115 d，处理T3、T5、T2变化较小，散射辐射透过系数分别减小了5.6%、9.5%、12.5%； T1处理变化最大，减少了25%；播种后115～135 d，散射辐射透过系数上升最快的为T4、T2处理，分别增加了105.9%、81.0%。135 d各处理散射辐射透过系数大小为T2>T4>T1>T5>T3，T2比T3处理大46.1%；缓释肥能减少棉花中后期群体冠层漏光损失，增加群体光合速率，从而增加产量。图3

图3 群体散射辐射透过系数变化Fig.3 The change of canopy TCDP

2.2 不同氮肥处理对棉花群体光合作用的影响

2.2.1 不同氮肥处理在棉花各生育期对主茎功能叶叶片叶绿素的影响

研究表明，2017～2018年所测得的叶片叶绿素含量中，盛花期、盛铃期均以不施氮肥T1处理的SPAD值最低。2017年棉花生长盛花期各处理间差异不显著，最大差值仅为2.1；盛铃期各处理间差异达显著，T1处理与其它处理均达极限值水平，T3与T4处理达显著水平，最大差值为T3与T1之间，两者相差12.4。2018年为2017年基础上的重复试验，各试验处理小区位置不变。各处理在棉花盛花期、盛铃期均存在不同的差异，棉花盛花期T1处理与其它各处理达显著水平，与T2、T3、T5均达极显著水平，T3与T4处理达显著水平，各处理SPAD大小顺序为T3>T5>T2>T4>T1；棉花盛铃期T1处理与其它各处理均达极显著水平，T2与T4处理达显著水平，各处理SPAD大小顺序为T2>T3>T5>T4>T1，其中SPAD值最大的T2处理比T1处理高31.1%。表1

表1 不同氮肥下棉花叶片SPAD值变化Table 1 Effects of different nitrogen fertilizer applications on SPAD value of leaf of cotton

2.2.2 棉花冠层叶绿素密度

研究表明，棉花两生育时期冠层叶绿素密度均以T1最低；盛花期棉花冠层叶绿素密度以T3最高、T2次之，其中T3>T2、T5>T4；进入盛铃期，各处理棉花冠层叶绿素密度均增加，增幅最大的为T2处理、比盛花期增加了67.6%，增幅最小的为对照T1处理、增加了30.8%，其中T2>T3、T4>T5。图4

图4 不同氮肥下棉花叶绿素密度变化Fig.4 Effects of different nitrogen fertilizer on chlorophyll density of cotton

2.3 不同处理对棉花产量及其构成因子的影响

研究表明，2年均以T5处理最多、T3次之，T1处理最少，T1与各施氮肥处理差异达极显著水平，2018年T4处理的总成铃数显著少于T3、T5；2年试验结果显示低施肥量常规肥料处理T4分别比高施肥量处理T2减少1.61%、11.53% ，而一次性减量施用控释肥处理T5分别比高施肥量处理T3增加4.34%、0.33%，差异均未达显著水平。测定分析各处理棉花单铃重，2年不施氮肥T1处理单铃重均最小，分别与其它处理差异达极显著水平；T4处理单铃重2017年与T3、T5处理差异达显著水平，2018年仅与T3达显著水平；2年试验结果均以T3处理单铃重最大，T5次之，两者间差异均不显著。在棉花生长后期调查分析各处理僵烂铃比例，2017年因吐絮期雨水较少，各处理僵烂铃比例均较小，处理间差异显著，T1处理僵烂铃比例极显著低于其它处理，T2处理最高，显著高于T3、T52处理、比最低的T1处理高52.3%；2018年T1处理僵烂铃比例同样最低，与T2、T3、T4达极显著水平，T5处理僵烂铃比例仅高于T1处理、与T2和T32处理达极显著水平，僵烂铃比例最高的为T2处理，比最低的T1处理高135.5%。各小区重复随机称取3.0 kg籽棉进行轧花、测定各处理衣分，表中可知2017年各处理棉花衣分均高于2018年对应的处理，2017年以T4处理最高、2018年以T1处理最高，但2年各处理间差异均未达显著水平。分析2年各处理皮棉产量，均已T1产量最低，分别与其它处理达极显著水平；2年皮棉产量最高的均为T5处理、T3处理次之，2017年T4处理与T5处理间差异达显著水平，2018年T4处理与T2、T3、T53处理均达显著差异；2年各处理皮棉产量大小顺序均为T5>T3>T2>T4>T1，T5处理皮棉产量与T3、T2、T4、T1比较，2017年分别高4.95%、7.34%、9.96%、41.44%，2018年分别高0.83%、3.72%、19.82%、60.48%。表2

表2 不同氮肥下棉花产量及其构成因子变化Table 2 Effects of different nitrogen on yield and yield components of cotton

2.4 棉花群体叶面积指数与产量及其构成因子相关性

研究表明，棉花现蕾期叶面积指数与各产量构成因子均未达显著相关；初花期叶面积指数与单铃重达显著相关，相关系数达0.92；盛花期叶面积指数与单铃重、单位面积成铃数、籽棉产量及皮棉产量均达极显著相关，相关系数均在0.96以上；盛铃期与棉花僵烂铃占比极显著相关，相关系数达0.99；研究还显示棉花吐絮前期与单铃重、亩成铃数达极显著相关，与籽棉产量和皮棉产量显著相关，相关系数均在0.96以上。表3

表3 叶面积指数与棉花产量的相关系数Table 3 Correlation coefficients between LAI and cotton yield parameters

3 讨 论

3.1 一次性减量施用控释肥对棉花冠层结构的影响

植物光合作用的冠层形态结构对作物群体光分布和光合能力有重要的影响[8]，合理的肥水调控技术可有效改善作物冠层结构，增加作物群体光合作用，提高作物产量[9-10]。叶片是棉花进行光合作用的最主要器官，研究表明，随生育进程推移，棉花冠层叶面积指数呈先增后减趋势，这与前人[6-7,11]研究结果一致；棉花生长至盛花期，一次性施用控释肥处理LAI高于对应施肥量的常规肥料处理并趋于稳定；进入棉花盛铃期，各处理棉花叶面积指数达到峰值，随后一次性施用控释肥处理LAI缓慢下降、常规肥料处理快速下降；其中盛花期至吐絮期，常规肥料处理叶面积指数先快速上升，至盛铃期后快速下降，此时期其对应的棉花冠层叶绿素密度也高于对应的一次性施用控释肥处理；这一现象可能为常规肥料处理第2次施肥所致，但其肥效、时效较短，加之棉花生长后期耗肥量较大，导致LAI快速下降。对棉花群体冠层光能截获和叶片分布状况分析，一次性施用控释肥处理在整个棉花生育时期MFIA均高于对应施肥量的常规肥料处理；同时施肥量高的一次性施用控释肥处理整个棉花生育时期的散射透过系数均低于对应施肥量的常规肥料处理，施肥量低的一次性施用控释肥处理在棉花中后期散射透过系数低于常规肥料处理，保持较低的透过系数，有效提高了光能利用，合理的冠层结构有利于棉花群体光合作用，为形成高产奠定了基础。试验说明同等氮素条件下，缓释肥能够保持较长时间的理想叶面积指数和群体冠层结构，能够延缓叶片衰老、提高棉花群体光合速率。

3.2 肥料减施条件下棉花产量及其构成因子变化

一定范围内，棉花产量随施肥量的增加而增加，但过量施肥会对棉花产量造成不利影响，同时导致肥料利用率低下，环境污染严重[12-13]。尹彩侠[14]、陈敏[15]等研究表明，适量减少控释氮肥施用量，作物产量不受影响。研究通过2年试验结果分析，一次性减量施用控释肥与对应施氮量的常规肥料比较，能提高棉花总成铃数、单铃重及产量；并以75%施氮量的控释肥处理总成铃数、产量最高，同时减量控释肥处理能减少棉花僵烂铃比重，提高棉花品质。研究结果显示，与农民习惯施肥比较，氮肥减量25%条件下，施用控释肥没有降低作物产量，并实现了棉花一次性施肥，达到了棉花生产轻简高效的目的，这与芮秋治等[16]研究结果相吻合。

3.3 棉花群体冠层结构与产量构成因子间的关系

构建高光效的冠层结构是获得高产的前提，冠层叶面积指数能有效反映作物群体光合效能。研究对棉花不同生育时期LAI与产量构成因子间的相关性分析发现，棉花生长前期对产量构成因子的相关性不显著，进入生殖生长旺盛期，特别是盛花期后，各产量构成因子与LAI显著相关，这与李春艳[17]、姚青青[18]等专家研究结果基本一致。盛花期、吐絮前期均与单铃重、亩总成铃数、籽棉产量、皮棉产量达到显著相关或极显著相关，相关系数均在0.96以上；盛铃期LAI则与僵烂铃比重极显著相关，与籽棉产量显著相关，而与单铃重、亩总成铃数、皮棉产量相关性不显著，这可能与常规肥料第2次施肥造成盛铃期棉花短暂快速生长，特别是短暂的高肥量诱导棉花营养器官迅猛生长，LAI指数迅速上升，中下层叶片受光弱、通透性差，冠层光能分布不均匀有关，这也导致了棉花僵烂铃增多。

4 结 论

一次性适度减量施用控释肥能构建合理的棉花群体光合冠层结构，能在棉花进入生殖生长后快速保持较适宜的叶面积指数，延缓棉花叶片衰老进程，达到棉花高产稳产要求。一次性减量施用控释氮肥(225 kg/hm2)，能在棉花盛花期后达到较适宜的高叶面积指数且持续时间长，延长了棉花叶片光合功能期，提高了中下层透光性、增强了光能截获能力、减少了群体漏光损失，显著增加了单株成铃数和棉花产量，与一次性施用300 kg/hm2控释氮肥及300 kg/hm2的常规尿素比较，产量有所增加；与施用等量的常规尿素比较，皮棉产量平均增加14.89%。

棉花生长中后期LAI与产量及其构成因子具有较好的相关性。研究表明，盛花期是棉花产量形成的关键时期，其LAI与单位面积成铃数、单铃重及产量极显著相关，相关系数达0.96以上；盛铃期LAI与僵烂铃比重极显著相关，相关系数达0.99。