不同施氮量对棉花花铃期的生长特性与产量及经济效益的影响

陈梦妮，李永山，王 慧，范巧兰，席吉龙，席天元，张鹏飞

（山西农业大学棉花研究所，山西运城044000）

棉花是我国主要的经济作物之一，种植面积约533 万hm2，约占世界棉花种植面积的15%[1]。棉花的应用除了在纺织工业生产中作为主要的原材料外，也在汽车工程、医药、国防等方面被广泛应用，因而，棉花生产在国民经济中具有不可取代的地位，保持我国棉花生产的持续发展具有重要意义[2]。

农作物增产最有效的基础措施是施用化肥，据统计，化肥的增产作用占到农作物产量的30%～50%[3]。其中，氮素在作物产量、品质形成中起着关键的作用，棉花种植过程中调整氮肥运筹，可改善作物生长发育和光合作用，从而提高产量[4-6]。现已有大量关于棉花施氮的研究，陈静等[7]研究表明，施氮240 kg/hm2与不施氮肥相比，棉花上部果枝长度和叶面积显著增加，果枝的叶绿素含量和可溶性蛋白含量也显著增加，促进光合作用，提高铃质量，所以，适量的氮肥能增强棉花果枝的“源- 库”协调性。邹芳刚等[8]研究表明，在长江流域地区，滨海盐土施氮量301～374 kg/hm2，棉花产量、氮肥表观利用率相对较高。李永旗等[9]研究表明，花铃期叶面施氮，可以增加叶面积、提高叶绿素含量，且促进光合作用、提高棉花产量。总之，施氮量过低，导致氮素供应不足，氮累积量减少，生物量积累少，进而导致产量降低；施氮量过高，超过适宜施氮量，棉花产量同样会降低、贪青晚熟。目前，我国氮肥在农田生产上施用量过大，肥料利用率明显下降，带来了资源浪费、环境恶化，因而，合理施用氮肥是可持续发展、保证产量和质量的必然要求[4]。

在前人研究基础上，为了能更好把控棉花后期生长，避免植株贪青晚熟影响产量，观察棉花生长后期关键时期花铃期和收获时期的生长状态，也为了提高当季氮肥的利用率，最大可能地降低氮肥投入成本，本试验对棉花适宜的氮肥用量进行深入研究，设5 种施氮量，研究棉花花铃期的生长特性和收获时期干物质积累、生物产量、籽棉产量及经济效益的响应变化，揭示氮素供应量对棉花生长后期的营养生长和生殖生长变化规律的影响，以期为棉花的合理氮肥运筹及高效优质栽培提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2019 年在山西省运城市盐湖区金井乡西王村进行。该试验区位于北纬34°48′～35°30′，东经110°12′～111°41′，地处运城盆地中部，地势开阔平坦，海拔300～400 m。属大陆温带季风气候，光热资源丰富，雨热同季集中，年平均降雨量559.3 mm，年平均日照时数2 247.4 h，年平均气温13.6 ℃，全年无霜期208 d 左右，历年总积温平均为513.8 ℃。

1.2 试验材料

供试作物为棉花，品种为冀丰1982，具有高衣分、大铃、丰产等优势的转基因抗虫棉，由山西省农业科学院棉花研究所提供。

1.3 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，置5 个氮肥用量处理，纯氮肥用量分别为0、90、180、270、360 kg/hm2，分别以N1、N2、N3、N4 和N5 表示，磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）用量均为120、90 kg/hm2，其中，氮肥30%用于基施，70%在开花期作追肥，磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）一次性基施。重复3 次，共15 个小区。棉花种植采用机械化覆膜条播，1 膜2 行，每个小区2 膜，小区长8.0 m、宽2.5 m，面积为20 m2。于4 月8 日播种，播种密度为6 万株/hm2，按正常的田间管理，适时灌溉；8 月14 日棉花生长处于花铃期，取样测量并观察其生长状况；棉花吐絮后及时采摘，最后一次摘花取植株样。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 花铃期农艺性状测定 每个小区内选取具有代表性的连续5 株进行田间调查，调查株高、果枝数、有效铃数，数据取平均值。

1.4.2 花铃期叶绿素含量测定 每个小区内选取具有代表性的连续5 株，选取生长一致的叶片（主茎倒四叶，打顶后倒三叶）使用CCM-200＋叶绿素测定仪测定叶绿素含量，尽量避免主脉和有伤害的区域，在叶片中部主脉两边各重复测定3 次，取平均值；使用PAM-2500 型便携式叶绿素荧光仪测定叶绿素荧光参数，在当日11：00—13：00，选定标记棉叶暗适应30 min 后，测定叶片的初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）；并计算最大光化学效率（Fv/Fm）和PSⅡ潜在活性（Fv/Fo）。

1.4.3 收获时期形态指标和产量测定 每个小区内选取具有代表性的连续5 株，用蒸馏水洗净并解剖植株，105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干后分别称取根质量、茎秆等干物质质量。

1.4.4 收获期经济效益计算 肥料投入是指单位面积各种肥料的总投入；棉花收益是指单位面积籽棉带来的收入；经济效益本研究仅考虑肥料投入成本，其他成本每个小区均一致，因而，不计其他投入成本。2019 年籽棉市场价格为5.6 元/kg2，试验所用肥料纯N、P2O5、K2O 价格依次为3.46、5.40、6.00 元/kg。

1.5 数据分析

采用SPSS 19.0 软件（Duncan 法）对各项指标不同处理的差异显著性进行比较；采用Excel 2010 统计并制图、制表，并进行多项回归分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对棉花花铃期生长特性的影响

从图1 可以看出，随着施氮量增加株高先增高后趋于稳定，其中，N1 处理株高最低（67.75 cm），显著低于N3、N4 和N5 处理，田间调查可以明显观察到N1 处理植株矮小；N5 处理株高最高（72.25 cm），但与N2、N3 和N4 处理间均无显著差异。可见，施氮肥可以促进植株生长。随氮施氮量增加果枝数呈先增多后减少的趋势，N3 处理单株果枝数最多（17个），显著多于N1、N2、N5 处理；N1 处理单株果枝数最少（13 个），显著低于N3、N4 处理。单株有效铃数随施氮量的增加呈先增多后减少的趋势，N3处理达最大值，且与N1 处理间的有效铃数差异显著，较N1 处理提高27.03%。

2.2 不同施氮量对棉花花铃期叶绿素含量的影响

从图2 可以看出，在花铃期，叶绿素CCI 值随施氮量增加呈增加趋势，N2、N3、N4 和N5 处理较N1 处理分别增加了6.59%、19.23%、22.77%和24.46%，其中，N3、N4、N5 处理较N1 差异显著，但N3、N4 和N5 处理间差异不显著。叶绿素荧光参数最大光化学效率Fv/Fm 和PSⅡ潜在活性Fv/Fo 随施氮量增加呈先升高后下降趋势，其中，N3 处理的最大光化学效率Fv/Fm 和PSⅡ潜在活性Fv/Fo 最高，分别为0.829 和4.858，均显著高于N1 处理，但与N2、N4 和N5 处理间差异不显著。

2.3 不同施氮量对棉花成熟期形态指标的影响

由表1 可知，施氮肥处理单株平均根质量显著高于不施氮肥，施氮肥的4 个处理根质量间差异不显著。棉花单株的茎秆质量和生物产量均随氮量增加呈增加趋势，且各处理间差异显著，其中，N5 处理茎秆质量和生物产量均最高，茎秆质量较N1、N2、N3 处理分别显著提高了24.41%、11.42%、14.15%，生物产量较N1、N2 处理显著增加了17.95%、5.86%；与N1 处理相比，N2、N3 和N4 处理也显著增加了茎秆质量和生物产量，茎秆质量分别显著增加了11.80%、9.12%、18.59%，生物产量分别显著增加了11.42%、14.14%、16.50%。施氮肥不同对根冠比无显著影响。收获指数随施氮量的增加呈先升高后下降的趋势，其中，N3 处理收获指数最高，较N1、N2、N4、N5 处理分别显著高了4.05%、4.30%、5.71%、9.49%；N5 处理最低，较N1、N2、N3处理分别显著降低4.98%、4.73%、8.67%。

表1 不同施氮量对成熟期形态指标的影响

2.4 不同施氮量对棉花成熟期产量、 氮肥利用率和经济效益的影响

从表2 可以看出，籽棉产量随施氮量增加呈先升高后下降的趋势，其中，N3 处理籽棉产量最高，较N1、N2 处理分别显著提高18.65%、6.82%；与N4、N5 处理间差异不显著。在产量构成因素中，各处理间单个铃质量差异不显著；单株有效铃数随施氮量增加呈先升高后下降趋势，施氮肥的处理间差异不显著，但不施肥的N1 处理显著小于N3 处理。籽棉产量的多少直接影响棉花皮棉的产量，皮棉产量变化同籽棉产量变化规律一致。不同施氮量下衣分也受到影响，施氮肥处理的衣分均高于不施氮肥处理N1，且N3、N4 处理与N1 处理间差异显著，因而施氮肥提高了棉花的衣分，改善了棉花品质。

表2 不同施氮量对产量的影响

由表3 可知，氮肥农学效率和氮肥偏生产力随着氮肥施用量增加呈显著下降趋势，其中，N3、N4和N5 处理的氮农学效率较N2 处理分别下降了15.79%、55.89%和72.93%；氮偏生产力分别下降了46.59%、65.60%和74.79%。棉花收益和经济效益备受关注，施氮量增加，收益和经济效益均呈先升高后下降趋势，其中，N3 处理收益和经济效益最高；而N4、N5 处理施氮量虽高于N3 处理，肥料投入增加，但是经济效益较N3 处理分别降低了5.29%、9.27%。

表3 不同氮肥用量对氮肥利用率、经济效益的影响

2.5 氮肥投入与籽棉产量和经济效益的关系

本研究运用多项回归分析方法，分析了施氮量与经济效益间的线性关系。由图3 可知，肥料投入中，磷钾肥用量相同，仅考虑氮肥用量不同，氮肥用量与籽棉产量和经济效益都呈二次函数关系。受氮肥投入成本的影响，氮肥用量与籽棉产量和经济效益的二次函数顶点不同，籽棉产量最高时的施氮量下经济效益并不是最高。利用回归分析推测当地适宜的施氮量得出，当氮肥用量为223.55 kg/hm2时，籽棉产量最高，达到3 809.53 kg/hm2；当氮肥用量为196.66 kg/hm2时，经济效益最高，为19 428.3 元/hm2。

3 结论与讨论

棉花具有无限生长习性，可在适宜的环境和自身生理年龄条件下进行横向、纵向生长，生长期不断延长。株型具有很大的可塑性[8]，株型受环境条件、栽培措施的影响，其大小、长相、群体长势等会发生调整。本研究表明，施氮肥可促进植株生长，施氮肥处理的植株株高高于不施氮肥处理，果枝数和有效铃数在施氮量≤180 kg/hm2时，随施氮量增加而增多；而施氮量＞180 kg/hm2时，果枝数和有效铃数较180 kg/hm2减少。已有研究表明，超过适宜的施氮量，棉花植株的中下部光合产物和氮素向生殖器官的转运会受到抑制，生育后期氮素增多，植株贪青晚熟，且产量降低。本研究中，施氮量高的处理吐絮慢于施氮量低的处理，低于适宜施氮量时氮素供应不足，氮累积量和生物量减少，导致产量降低，与文献[10-11]的研究结果一致。

合理的氮肥运筹不仅能改善作物生长发育，也能调控作物叶片光合速率和光系统Ⅱ（PSⅡ）的Fv/Fo、Fv/Fm[12-15]。氮不仅仅是构建植物组织重要的物质，也是构成叶绿素主要的成分，对叶绿素含量、植物光合速率等都会有明显影响[16]。王彬等[17]研究表明，施氮肥可提高玉米叶片的叶绿素含量、光合速率，但施氮肥过量又会导致光合速率降低，原因可能是由于施氮肥过多导致叶片中的钾离子缺乏，影响气孔开放调节，进而降低了光合速率。本试验研究表明，花铃期叶绿素CCI 值随施氮量增加呈增加趋势，叶绿素荧光参数最大光化学效率Fv/Fm 和PSⅡ潜在活性Fv/Fo 随施氮量增加呈先升高后下降趋势，与前人研究结果一致[17]。

随着氮肥施用量的增加，棉花生物量积累和籽棉产量增加，但因各地气候、土壤条件及栽培品种的差异，不同棉区棉花高产氮肥用量不一致[8，18-19]。为了更为直观看到棉株生长后期生长特性对产量的影响，大量研究表明，施氮肥可以改善作物生长发育，促进光合作用。本研究表明，单个铃质量和根冠比处理间差异不显著，故对棉花的产量构成因素进行了研究。张友昌等[11]研究表明，施氮肥量在一定范围内对单位成铃数、单铃质量以及衣分均无显著影响，可能与棉株本身的生物学特性有关，与本研究结果一致。本试验中，N5 处理生物产量最多，而收获指数和籽棉产量随施氮量的增加呈先升高后下降的趋势，N3 处理收获指数和籽棉产量均最高。马宗斌等[20]研究表明，产量随不同施氮量的增加呈先升高后下降的变化趋势，与本研究结果一致，这是由于外源氮肥投入可明显影响土壤速效氮含量变化，高的土壤速效氮能够满足植株对养分的吸收利用，促进生长并且提高了产量。氮肥投入过多生育后期氮素增多，植株贪青晚熟，且产量降低。席吉龙等[4]研究表明，随着施氮量的增加，氮素收获指数、氮素利用效率、氮肥偏生产力却降低，可见，过高地施用氮肥并不利于作物对氮肥的吸收利用，与本研究结果一致。

从收益和经济效益角度来看，N3 处理最高，N4、N5 处理施氮量高于N3 处理，肥料投入过多，增加了投资成本，氮肥利用率下降并未带来可观的经济效益。较多研究采用回归分析确定当地最适宜的施肥量，秦宇坤等[21]利用一元二次回归分析，对当地的籽棉产量与施氮量进行拟合函数，得出最佳的经济施氮量为277.0 kg/hm2，最佳的经济籽棉产量为4 427.6 kg/hm2。本研究仅考虑氮肥施用量，忽略磷钾肥的投入，氮肥用量与经济效益呈二次函数关系，但籽棉产量最高时的施氮量下经济效益并不是最高。利用回归分析推测当地适宜的施氮量得出，当氮肥投入为196.66 kg/hm2时经济效益最高，为19 428.3 元/hm2。基于YANG 等[22]“减投不减产”棉花低耗高效植棉增效策略考虑，除考虑氮肥投入，也应结合其他肥源和施肥技术，应多角度减少投入，保证产量。

本试验施用氮肥浓度梯度下，氮肥用量为180 kg/hm2时可获得最高产量，为3 848.58 kg/hm2，该施氮量下棉花的品质指标衣分也相比较高。观察花铃期到成熟期棉株变化，超过该施氮量的处理小区棉株植株高大，果枝数减少，吐絮较晚，生理生长和生殖生长并进，棉株整体表现为“贪青晚熟”状态，进而导致产量降低；施氮量低于180 kg/hm2时，棉株因氮肥供应不足生物量较少，籽棉产量、衣分均降低。并观察施氮肥对成熟棉株影响的相关指标，依据单个铃质量和根冠比很难判断氮肥对棉花生长和产量的影响。利用回归分析推测，当地适宜的施肥量，各处理磷钾肥投入一致，当每公顷氮肥用量为223.55 kg 时籽棉产量最高，为3 809.53 kg/hm2；当每公顷氮肥用量为196.66 kg 时，经济效益最高，为19 428.3 元/hm2。基于“减投不减产”增效途径出发，考虑投入肥料用量相对应的籽棉产量产生经济效益最大化。因而，合理施用氮肥，可促进棉花生长发育，促进光合作用，增加干物质量，提高棉花产量，提高氮肥利用率。