不同氮素处理下棉花冠层光合有效辐射与其产量及构成因素的相关分析

韩 鹏，黄春燕，王登伟，肖从和

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

0 引 言

【研究意义】氮素影响着作物的生长状况和农田小气候，是限制作物优质高产的重要因素之一[1-3]。由光合有效辐射(PAR)衍生的吸收光合有效辐射(APAR)与光合有效辐射吸收系数(FAPAR)被认为是作物吸收利用太阳辐射的重要指标，可以反映作物的光合作用能力及其生物产量[4-6]。研究不同氮素水平下的棉花冠层 APAR、FAPAR随生育期的变化特征，建立与棉花产量和其构成因素之间的相关关系，监测棉花的生长状况和产量，对预测新疆棉花产量具有重要意义。【前人研究进展】毛家伟等[7]研究了随着施氮量的增加，烟叶PAR截获量也逐渐增多。吴晓丽等[8]通过多地试验发现，小麦在不同氮素管理条件下，冠层PAR截获率在生育期表现出一致的变化趋势，且不施氮处理下的PAR截获率最低。Hou等[9]通过改变水稻的种植密度和施氮量，研究了水稻的PAR截获量，发现随着施氮量的增加，水稻的PAR截获量先升高，在较高的施氮量下趋于稳定。李艳大等[6]研究了水稻不同氮素栽培条件的冠层PAR与水稻产量之间相关关系，发现随着氮素投入的增多，PAR截获量增多，水稻产量与PAR利用率有着极显著的正相关关系，且不同水稻品种的PAR截获量和利用率均存在显著差异。Eloy等[10]研究黑荆的光合有效辐射的转化效率，发现干物质的增加量与光合有效辐射截获累积量呈极显著的线性正相关，且决定系数值较高(R2=0.92)。Cherbiy-Hoffmann等[11]通过遮荫对牛油果产量与PAR的相关关系的研究证明，PAR与牛油果产量构成因子之间均存在显著或极显著的双线性关系。Wang等[12]研究玉米和白菜的间作效应，发现其产量与PAR之间存在着极显著的正线性关系。【本研究切入点】虽然有研究对作物冠层APAR、FAPAR的生育期特征与产量进行了分析，但较少涉及不同氮素处理下与产量构成因素之间的相关关系。研究2个棉花品种不同氮素条件下的冠层APAR、FAPAR随生育期的变化规律。【拟解决的关键问题】采用裂区试验设计，研究棉花新陆早61号和新陆早72号在不同氮素条件下的冠层APAR、FAPAR随生育期的变化规律。分析棉花产量和其产量构成因素与APAR、FAPAR之间的相关关系，利用线性及非线性的方法建立二者之间的相关模型，为科学调控棉花的栽培管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2019年在新疆石河子大学农学院试验站(N44°18′，E86°03′)进行。试验小区面积为25 m2，试验地前茬种植作物为棉花，土壤类型为灰漠土，碱解氮含量16.2 mg/kg、有效磷含量4.3 mg/ kg、有效钾含量130.1 mg/ kg、有机质含量14.2 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验采取两因素裂区试验设计，氮素处理为主区，设置4个氮素处理，氮肥(尿素，含N 46.4%)用量为过量施氮N3(纯氮450 kg/hm2)、适量施氮N2(纯氮300 kg/hm2)、少量施氮N1(纯氮150 kg/hm2)和不施氮N0(纯氮0 kg/hm2)，设3次重复；品种处理为副区，供试品种为长势稳健、早熟性好、吐絮集中、适合机采的新陆早61号和新陆早72号，其中新陆早61号为Ⅱ式果枝，新陆早72号为Ⅰ-Ⅱ式果枝。

棉花种植模式采用宽膜覆盖，膜下铺设滴灌带， 每幅宽膜上66 cm+10 cm宽窄行的6行种植模式，种植密度为17.40×104株/hm2，膜上点播，是通过PLC控制的水肥一体化设备自动完成膜下氮肥随水滴施，每次自动记录灌水量和施肥量，共滴水10次，其中出苗水滴施432 m3/hm2，滴水总量为4 320 m3/hm2，施肥7次。2019年4月24日播种，7月13日打顶，整个生育期使用缩节胺化学调控，化控共7次，田间及时防控病虫害，其余管理方式与大田相同。表1

表1 棉花2个品种全生育期的随水施肥

1.2.2 指标测定

1.2.2.1 光合有效辐射

在2个棉花品种的盛蕾期、盛花期、开花结铃期、盛铃期以及吐絮初期，用美国Li-cor公司的Li-190SA线性光量子传感器在晴朗、无云、无风的天气，选取长势一致，无病虫害、具有代表性的样点位置，于当天12:00和14:00时采集光量子数据。测定时先将Li-190SA光量子传感器垂直于棉花行方向放置，使传感器受光面朝上，水平泡居于水平球中心位置，距离棉花冠层上方15 cm测得冠层光合有效辐射，后放置于垂直棉花行方向的地面测得棉花下层光合有效辐射，再将光量子传感器分别顺棉花宽行和窄行的行向的地面上水平放置，测定棉花宽窄行的光合有效辐射，将测定的3个地面的光合有效辐射值平均作为下层的光合有效辐射，每个样点测3次，取其平均值，最后把棉花2个时段的光合有效辐射的平均值，作为各处理冠层上层和下层的PAR。

1.2.2.2 吸收光合有效辐射和光合有效辐射吸收系数

根据每次测得的棉花冠层的光合有效辐射，记作PARt，测得的下层及宽窄行的光合有效辐射的平均值作为棉花下部的光合有效辐射，记作PARb，根据公式①，分别计算棉花2个时段的吸收光合有效辐射APAR。另外通过公式②，计算棉花2个时段的光合有效辐射吸收系数FAPAR。将同一时期测定的2个时间段数据计算得到的APAR、FAPAR分别平均，作为该时期的APAR、FAPAR。

APAR=PARt-PARb.

①

②

1.2.2.3 棉花产量

在棉花的收获期分别于2个品种各重复每一处理间选取一定单位面积(2.28 m×1.46 m)的植株用于产量的测定，通过测定单位面积总株数、单株有效结铃数、单铃重等产量构成因子，将所有测得的数据整理并计算出各重复每一处理的籽棉产量。

1.3 数据处理

采用Excel对数据进行初步处理，并使用Rstudio-1.2对各指标进行分析及作图。

不同氮素下光合有效辐射相关参量对棉花产量的估测中，不仅需要进行显著性检验，还可以通过均方根误差(Root Mean Square Error，RMSE)来判断预测值于实际值之间的精确度，如公式③所示。

③

2 结果与分析

2.1 2个棉花品种不同氮素处理的冠层APAR随生育时期的变化特征

研究表明，新陆早61号和新陆早72号的APAR，均在盛花期、盛铃期达到较高值，盛蕾期、开花结铃期和吐絮前期较低，呈现出“M”型的变化特征。新陆早61号的APAR在开花结铃期N0处理与其它3个氮素处理之间存在显著差异，在盛铃期及吐絮初期4个氮素处理间不存在显著差异；新陆早72号的APAR在盛花期4个氮素处理之间差异不显著，但在开花结铃期N3处理和N0、N1处理间产生了显著差异，N2和N1间并没有显著差异，在盛花期N0、N1处理和N2、N3处理间存在显著差异，在生长的中后期营养器官消耗的氮素养分较多，氮素供应限制了光合器官生长从而导致APAR值下降。在开花结铃期，2个棉花品种N0处理的冠层APAR值均显著低于其它3个氮素处理的APAR。图1

图1 不同氮素处理下2个棉花品种冠层吸收光合有效辐射 (APAR) 随生育期的变化特征

2.2 2个棉花品种不同氮素处理的冠层FAPAR随生育时期的变化特征

研究表明，棉花新陆早61号和新陆早72号盛蕾期的冠层FAPAR均为最低，盛铃期的冠层FAPAR达到最高，随后逐渐降低；棉花盛蕾期相比于其它时期，植株小，叶片少，叶片面积小，光合能力较弱，因此，棉花冠层FAPAR低；在盛花期、开花结铃期营养生长逐渐向生殖生长转化，植株叶面积增加，光合作用能力增强，光能利用率提高，其吸收的光合有效辐射大量用于植株生物量的积累，冠层FAPAR则高于盛蕾期和吐絮初期的；棉花吐絮期的各器官的生长量已趋于停止，对光合有效辐射的吸收利用减少，光能利用降低，FAPAR降低。在开花结铃期时，2个棉花品种N0、N1处理的冠层FAPAR出现下降的现象，N2、N3处理的冠层FAPAR并未出现较大幅度的增加，在棉花开花结铃期对氮素养分的需求较多，在这一阶段氮素的缺乏会导致棉花光合作用能力的下降；同时较高的氮素供应会增加棉花进行光合作用的能力。除盛花期外，其它4个生育时期2个棉花品种4个氮素处理的冠层FAPAR趋势变化的高低顺序都是N3>N2>N1>N0的，且N0、N1处理和N2、N3处理之间均存在显著性差异，不同氮素供应影响棉花冠层FAPAR的变化。图2

图2 不同氮素处理下2个棉花品种冠层光合有效辐射吸收系数 (FAPAR) 随生育期的变化特征

2.3 2个棉花品种不同氮素处理的产量及其构成因素

研究表明，不同施氮水平对2个棉花品种的产量及单株有效结铃数均有显著影响，随施氮水平的增加，产量增加，不施氮的N0处理的棉花产量与其它3个氮处理之间存在极显著的差异性。新陆早61号N2处理的籽棉产量为5 949.08 kg/hm2， N0处理的产量仅为4 125.94 kg/hm2，相差1 823.14 kg/hm2；新陆早72号的N3处理与其它3个氮素处理之间存在显著差异，与N0处理的籽棉产量相差1 319.18 kg/hm2。2棉花品种的单株有效结铃数随施氮水平的增加而增加，且不施氮处理下的单株有效结铃数与施氮处理之间的差异性也达到显著水平。2个棉花品种4个氮素处理的单铃重未达到显著性差异，且2个品种单铃重之间只有0～0.14 g的区别。氮素缺乏主要体现在棉花单株有效结铃数的变化，而不是通过单铃重体现。不施氮均没有使其产量增加，但是新陆早72号的产量降低的幅度要小于新陆早61号，过量施氮也没有增加新陆早61号的产量，而新陆早72号却增加了产量，N3处理的施氮水平并未限制新陆早72号产量的增加。表2

表2 2个棉花品种不同氮素处理产量及其构成因子差异性

2.4 棉花不同时期冠层APAR、FAPAR与产量因子的相关性

研究表明，2个棉花品种4氮素处理5个生育期冠层APAR、FAPAR与棉花籽棉产量和产量构成因素的单株有效铃数达到显著和极显著相关，且只有开花结铃期的APAR与籽棉产量和产量构成因素单株有效铃数的相关性达极显著，5个生育时期的FAPAR与棉花籽棉产量和产量构成因素的单株有效铃数都达到显著和极显著相关，且FAPAR与籽棉产量和单株有效铃数相关性高于APAR与二者相关性。籽棉产量与冠层APAR、FAPAR相关性最好的时期在开花结铃期，与开花结铃期为棉花产量形成的关键时期是相吻合的，该时期的APAR和FAPAR与籽棉产量的相关系数均达到极显著水平(RAPAR-籽棉产量=0.666**，RFAPAR-籽棉产量=0.775**，P<0.01，n=24)；与单株有效结铃数的相关性也都达到极显著水平(RAPAR-单株结铃数=0.632**，RFAPAR-单株结铃数=0.779**，P<0.01，n=24)。图3

注：图中的*、**分别表示0.05、0.01的显著水平

2.5 基于棉花冠层FAPAR的产量因子估算模型

研究表明，棉花籽棉产量和以开花结铃期的冠层FAPAR为自变量的线性函数模型的R2、F值较大，且RMSE最小 (R2=0.769**、F=20.199，RMSE=0.392)，籽棉产量预测值与实测值呈极显著的线性关系(R2=0.852**，P-value=9.46e-07<0.01)，模型精度为93.20%；而在对单株有效铃数的所有估算模型中，指数函数模型R2、F值最大(R2=0.792**、F=23.574，RMSE=0.413)，其该方程计算的单株有效铃数的预测值与实测值也存在极显著的线性关系(R2=0.844**，P-value=1.53e-06<0.01)，模型精度为93.25%。棉花单株有效铃数和籽棉产量与开花结铃期的冠层FAPAR之间均存在着较好的相关性，模型精度均高于90%以上。表3，图4

表3 基于棉花开花结铃期的冠层FAPAR与籽棉产量和单株有效结铃数的估算模型(建模集∶检验集=16∶8)

3 讨 论

影响棉花产量的主要因素取决于其群体对太阳辐射的吸收利用效率，合理的氮肥供应可以改善棉花的生长状态，改良棉花冠层结构，增强棉花对太阳辐射的截获和吸收转化能力，增加棉花产量。氮素影响着作物冠层对太阳辐射的截获和吸收效率。李迪秦等[16]认为，水稻的群体光合辐射利用率与氮肥有着密切的关系，适宜的氮肥管理技术更有利于群体光合辐射利用率的提高。研究表明，棉花冠层APAR，FAPAR的变化特征与棉花各生育期的生长状态一致，随着生育期的推进，不同氮素水平下棉花冠层APAR、FAPAR表现出先上升后下降的趋势，这与前人研究结论相一致[5-6]。研究还发现不同氮素处理下，棉花各生育期冠层APAR、FAPAR均表现出随氮素施用量的增加而增加，在适宜氮素处理下，棉花冠层面积增大，所接受的光合有效辐射增多，减少了对光能的损耗，这与前人在多种作物上得到的结论统一[5,7-8,11,15-16]。另外，2个棉花品种相比，新陆早72号的APAR显著高于新陆早61号，但是其FAPAR要低于后者，说明当棉花群体APAR到达一定程度后，若继续提高APAR，反而FAPAR下降，影响棉花产量的提高，所以一定的光能损失反而有利于高产，这与前人在水稻上的研究结果相一致[11]。因此，通过比较不同氮素水平下2棉花品种的APAR、FAPAR之间的差异特性，能够间接获得更多准确的棉花群体生长状况信息，监测棉花的生长状况。

氮素是通过影响单株结铃数来影响其产量的，而且不同棉花品种对氮素的响应不同，这与前人对不同品种棉花的研究结论相同[1-2，17]。对比棉花不同发育时期冠层APAR、FAPAR分别与棉花单株结铃数和籽棉产量相关性，发现FAPAR与二者的相关性高于APAR，棉花开花结铃期的冠层APAR、FAPAR与棉花单株结铃数和籽棉产量的相关性优于其它时期，与开花结铃期为棉花产量形成的关键时期相一致。分析了2个棉花品种冠层APAR 和FAPAR 随生育期的变化规律，以及二者分别与棉花产量及产量构成因素的相关关系，并建立相关估算模型，可以通过冠层APAR和FAPAR较好的估算上述棉花产量及棉花单株有效结铃数。

4 结 论

棉花冠层APAR随着生育期表现出“M”型的变化趋势；冠层FAPAR在棉花的生育期内的变化规律为先上升后下降，于盛铃期出现最大值，盛蕾期出现最小值，且不同氮素水平下棉花冠层FAPAR的变化整体表现为N3>N2>N1>N0的特征。棉花冠层APAR、FAPAR可以作为监测棉花生长状态的指标之一。

除棉花盛蕾期外，其余各生育期的冠层APAR、FAPAR与棉花单株结铃数、籽棉产量均有着显著或极显著的正线性相关关系，FAPAR与二者的相关性高于APAR。其中开花结铃期的冠层FAPAR与二者相关关系最高，基于此建立的定量模型中，其中一元线性函数模型可以较好的估算棉花单株结铃数和籽棉产量，估算精度分别为95.13%、93.26%。