施氮量对棉花养分吸收利用及产量和品质的影响

郭小琰，孙桂兰，熊世武，陈焕轩，韩迎春，王国平， 李存东，李亚兵，张永江，王占彪,,

(1.棉花生物学国家重点实验室河北基地 / 河北农业大学农学院，河北保定 071000； 2.棉花生物学国家重点实验室 /中国农业科学院棉花研究所，河南安阳 455000； 3.棉花生物学国家重点实验室郑州研究基地 / 郑州大学，郑州 450000)

0 引 言

【研究意义】过量和不合理的肥料运筹会带来土壤养分失衡等[1-4]。在保障棉花产量基础上，减少氮肥用量，以降低因过量施氮造成的环境污染风险[5,6]，研究施氮量对棉花养分吸收利用及产量和品质的影响，对提高肥料利用效率和施肥效益，以及棉花生产提质增效具有重要意义。【前人研究进展】研究表明，氮素在作物产量形成中扮演着重要的角色，并与磷和钾元素的吸收存在密切关系[7]，建立合理的施氮水平不仅能提高棉花产量和氮肥利用率，还能减少氮肥损失[8,9]。秦宇坤等[10]研究了低肥力棉田条件下氮肥用量对棉花产量、棉花养分吸收利用的影响，提出较低的氮肥用量可获得较高的氮肥偏生产力和氮农学利用率，当施氮量超过360 kg/hm2时，棉花养分积累量降低，氮肥利用率降低，证明了棉田减氮增效的可行性。李鹏程等[11]研究表明，黄河流域棉区施氮量为360 kg/hm2时，籽棉的平均产量最高，中等肥力棉田施氮量超过270 kg/hm2时，棉花氮素生理利用率和氮肥农学利用率下降。李伶俐等[12]研究了在高产条件下，不同施氮量对杂交棉氮、磷、钾养分吸收利用及产量品质的影响，提出氮、磷、钾养分利用效率随施氮量的增加而提高，氮肥利用率则随施氮量的增加而下降。【本研究切入点】氮素在营养器官和生殖器官中的积累与分配是决定作物产量和品质的重要因素[13,14]，氮素分配效率和氮肥利用率也是决定作物产量的重要条件之一[15]。前人研究多集中在施氮量对棉花产量及氮肥利用率的影响等方面[16-20]，缺乏施氮量对棉花各器官氮磷钾养分吸收与利用的影响等相关报道。研究施氮量对棉花养分吸收利用及产量和品质的影响。【拟解决的关键问题】在磷钾肥施用量一致的基础上，研究不同施氮量对棉花产量、纤维品质、干物质积累、养分吸收量及氮肥利用率的影响，分析适宜的氮肥用量，为棉花生产的氮肥减施及制定高产高效的养分管理策略提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

田间试验于2018～2019年在中国农业科学院棉花研究所东场试验基地进行(中国河南省安阳县，36°06′N，114°21′E)。供试棉花品种为中棉所60号。土壤类型为潮褐土，耕层土壤(0～20 cm)基础理化性质：pH 值8.12，有机质含量16.27 g/kg，全氮含量1.16 g/kg，全磷含量0.71 mg/kg，速效磷含量12.27 mg/kg，速效钾含量162.00 mg/kg。2018和2019年的年平均气温分别为15.8、15.9℃；全年总降水量分别为602.0、470.0 mm；全年日照时数分别为1 996.4、2 058.3 h；全年活动积温(≥15℃)分别为4 934.0、4 861.9℃。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

设置4个施氮水平，分别为0(CK)、112.5(N1)、168.75(N2)、225(N3)kg/hm2，其中225 kg/hm2的施氮量是当地棉田常规施氮量。氮肥(尿素)苗期基施与花铃期追施各占一半，磷肥(过磷酸钙)和钾肥(硫酸钾)全部底施，施用量均为102 kg/hm2。

采用随机区组设计，每个处理3次重复，共计12个小区。各小区均为8行区，行长10 m、宽6 m，小区面积60 m2。等行距76 cm播种，130 cm宽膜双行覆盖，各小区播种密度均为9.0×104株/hm2。2018年，棉花于4月21日播种，于11月6日完成收花；2019年，棉花于4月24日播种，于11月6日完成收花。两年大田试验均在棉花播种前和花铃期灌水2次，其他管理均为常规田间管理。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 棉花生物量及氮、磷、钾含量

我院男护生选择护理学专业31.73%的护生是因为好就业，54.33%的男护生对本专业积极主动且没有想过更换专业，75.69%的男护生优先选择的医院为三级医院，29.81%的男护生最想在手术室工作。从以上数据我们可以看到我院男护生对男护生就业处于相对看好状态。从表2我们可以看出影响男护生就业观高的因素如下。

于2018年和2019年棉花吐絮期，在各小区随机选取2株长势均匀的棉花，按茎、叶、生殖等不同部位进行分解，分别称量其鲜重，将分解后的鲜样放入烘箱105℃杀青30 min后，于80℃干燥箱中烘干至恒重，称量计算其干物质质量。

将烘干的样品粉碎，过0.5 mm筛，测定棉花地上部全氮 、全磷、全钾含量。称取磨好的植株样0.500 0 g，用H2SO4-H2O2法消煮植株样，消煮后的样液加水定容到100 mL，全氮采用半微量凯氏定氮法，全磷采用钒钼黄吸光光度法，全钾采用火焰光度法进行测定。

1.2.2.2 产量及产量构成因素

2018年和2019年分别于棉花成熟后，按小区分2次实收全小区吐絮铃计产，每次分小区收花后装入网袋，晒干、称重、轧花，计算各小区籽棉产量和皮棉产量。每次产量收获前分小区收取全株吐絮铃100个，晒干后称重，单铃重用100铃籽棉产量除以总铃数计算，衣分由100铃的皮棉产量除以100铃的籽棉产量计算得出，群体成铃数由籽棉产量除以单铃重计算得出。

1.2.2.3 纤维品质

棉花纤维品质主要包括：纤维长度、纤维整齐度指数、断裂比强度、马克隆值和断裂伸长率。从每个试验材料的皮棉中随机称取纤维样品20 g，送至中国河南省安阳市农业农村部棉花品质监督检验测试中心检测。

1.2.2.4 氮素利用率及其计算

氮素表观利用率(%)=(N-N0)/F×100.

氮素农学效率(kg/kg)=(Y-Y0)/F.

氮素偏生产力(kg/kg)=Y/F.

氮肥贡献率(%)=(Y-Y0)/Y×100.

氮素生理利用率(kg/kg)=

(Y-Y0)/(N-N0).

式中，Y和Y0分别为施氮处理和CK处理所获得的棉花籽粒产量，N和N0分别为施氮处理和CK处理地上部总吸氮量，F为施氮量[21-23]。

1.3 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2016进行数据处理与分析，通过SPSS 23.0进行单因素方差分析和差异显著检验，采用Origin 2018进行绘图，所有数据均为3次重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 施氮量对棉花产量及其构成因素的影响

研究表明，2018年各施氮(N1～N3)处理比不施氮肥(CK)处理分别增产240.21、287.44、403.49 kg/hm2，增产幅度为8.21%～13.78%；2019年分别增产357.78、450.57、688.27 kg/hm2，增产幅度为9.86%～18.97%。2018年N3处理成铃数较CK处理显著增加，增幅为12.34%；2019年N1、N2、N3处理成铃数较CK处理显著增加，分别增加了8.43%、11.27%、17.50%。2018和2019年各处理间单铃重和衣分差异不显著。与常规施肥(N3)相比，氮肥减施25%(N2)，2018年，籽棉和皮棉产量分别降低了3.48%和3.58%，无显著差异；2019年，籽棉和皮棉产量分别降低了5.51%和6.36%，2个处理间差异显著。表1

表1 不同施氮量下棉花产量及其构成因素变化Table 1 Effects of nitrogen application rate on cotton yield and yield components

2.2 施氮量对棉花干物质积累、氮、磷、钾吸收与分配的影响

2.2.1 施氮量对棉花干物质、氮、磷、钾积累量的影响

研究表明，2018年，N2处理干物质积累量与氮积累量较CK分别显著增加32.4%和33.6%，磷和钾积累量较CK分别显著增加22.9%和6.2%；2019年，N2处理干物质积累量与氮积累量较CK分别显著增加34.1%和14.2%，磷和钾积累量较CK分别显著增加24.2%和6.2%。各施氮处理棉花干物质积累量较CK分别增加22.7%～32.4%和22.2%～34.1%；氮积累量较CK分别增加13.8%～33.6%和4.5%～14.2%；磷积累量较CK分别增加7.4%～22.9%和5.4%～24.2%；钾积累量较CK分别增加1.8%～6.2%和2.6%～6.2%。表2

表2 不同处理下干物质和氮磷钾积累量变化Table 2 Accumulation of dry matter weight, nitrogen, phosphorus and potassiumaccumulation under different treatments

2.2.2 施氮量对棉花氮素吸收与分配的影响

研究表明，2018年，N1、N2、N3处理的茎氮素吸收量比CK处理增加了0.5～0.8倍，2019年增加了0.6～1.0倍；2018年，N1、N2、N3处理的叶氮素吸收量比CK处理增加了0.7～0.9倍，2019年差异较小；2018和2019年的各处理棉花生殖器官氮素吸收量均在N2处理有最大值。棉花吐絮期，氮素分配到茎和叶的比例较小，分配到生殖器官的比例约为57%～64%，各处理氮素积累量为N2> N1> N3> CK，且CK处理的棉花茎、叶和生殖氮素吸收量都显著小于各施氮处理，N2处理显著高于其他处理。图1

2.2.3 施氮量对棉花磷素吸收与分配的影响

研究表明，2018年，各处理的茎、叶、生殖磷素吸收量分别占比10.6% ～15.0%、12.1% ～15.6%、70.8% ～75.2%；2019年，各处理的茎、叶、生殖磷素吸收量分别占比14.1% ～17.4%、6.5% ～10.3%、72.7% ～79.3%。2019年棉花茎对磷素吸收量提高，而叶对磷素吸收量降低。在吐絮期，各处理棉花生殖器官磷素积累量高于营养器官，各处理磷素积累量为N2> N1> N3> CK，且CK处理的棉花茎、叶和生殖磷素吸收量都显著小于各施氮处理，N2处理显著高于其他处理。图2

2.2.4 施氮量对棉花钾素吸收与分配的影响

研究表明，同氮素和磷素吸收量一样，棉花地上部钾素吸收量是N2处理最高。2018年，各处理的茎、叶、生殖钾素吸收量分别占比7.6%～9.8%、1.7%～2.7%、87.5%～90.7%；2019年，各处理的茎、叶、生殖钾素吸收量分别占比18.9%～21.6%、7.7%～8.2%、70.7% ～73.2%。与2018年相比，2019年各处理棉花生殖器官钾素吸收量降低，营养器官钾素吸收量升高，但地上部钾素总吸收量差别较小。在棉花吐絮期，各处理棉花生殖器官钾素积累量高于营养器官，且CK处理的棉花茎、叶和生殖器官钾素吸收量都显著小于各施氮处理，N2处理显著高于其他处理，施用氮肥有利于棉花生殖器官中钾素的吸收。图3

2.3 施氮量对棉花氮肥利用率的影响

研究表明，N1处理棉株的氮肥表观利用率显著高于其他处理，与常规施肥(N3)处理相比，2年均增长8%；同氮肥表观利用率一样，氮肥农学效率和氮肥偏生产力均在N1处理有最大值，均随施氮量的增加而降低，这与各处理对氮素的吸收效率表现出了相类似的规律；氮肥贡献率随施氮量的增加，2018年表现先升高后降低的趋势，N2处理显著高于其他处理，2019年则持续升高，N3处理比N1、N2处理高4%～5%；氮肥的生理利用率2年均无显著差异(P< 0.05)。表3

2.4 施氮量对棉花纤维品质的影响

研究表明，各处理的棉纤维长度、纤维整齐度和纤维伸长率随施氮量的改变无明显变化规律，且各处理之间差异不显著；N1处理的棉纤维断裂比强度均为最大值，比不施氮肥(CK)处理分别增加1.9%和2.5%；马克隆值随施氮量的增加而增加，在N3处理有最大值。与2018年各项纤维品质指标对比，2019年各处理的棉纤维长度和断裂比强度均有所提高，马克隆值整体下降。表4

3 讨 论

3.1 施氮量对棉花氮、磷、钾吸收与分配的影响

研究结果表明，在一定范围内增施氮肥能显著提高棉花氮、磷、钾积累量，2018和2019年N1、N2与N3处理氮、磷、钾积累量均显著高于CK，这与李伶俐等[12]的结论一致。N3处理2018和2019年氮、磷、钾积累量均比N2处理降低，施氮量过高对棉花养分积累量的提升效果不显著，甚至有阻碍作用，这与哈丽哈什·依巴提等[24]的研究结果一致。

3.2 施氮量对棉花氮肥利用率的影响

氮肥利用率是评价农田氮肥施用经济效益和环境效应的重要指标，是指施入农田的氮肥被作物吸收到体内的比例，不包括氮肥的损失和残留在土壤中的部分，反映了作物对施入土壤中的肥料氮的回收效率[25]。

随施氮量的增加作物氮素吸收量增加，然而肥料利用效率降低[26-28]。综合2018和2019两年大田试验，在施氮量低于112.5 kg/hm2时，随施氮量的增加氮素表观利用率和氮肥农学利用率提高，当施氮量超过168.75 kg/hm2时，氮素表观利用率和氮肥农学利用率显著下降，说明过量施氮不利于棉花对氮素的吸收利用，反而造成了氮肥的损失，这与赵双印等[29]的研究结果一致。

3.3 施氮量对棉花产量及纤维品质的影响

随施氮量的增加，棉花籽棉产量增加，但不同棉区因气候、土壤及栽培措施的差异，棉花高产施氮量不一致[30-32]。马宗斌等[33]研究适宜黄河滩地植棉的施氮水平，结果表明，在施氮量为300 kg/hm2时，棉花干物质积累量较大，且分配到生殖器官的比例较高，黄河滩地的棉花适宜施氮量为300 kg/hm2。试验2018与2019年棉花籽棉产量变化趋势基本一致，均随施氮量的增加呈上升趋势。N2处理与N3处理籽棉产量两年分别平均比CK处理显著增加11.2%和16.3%，N3处理籽棉产量两年平均比N2处理增加4.7%，施氮量在168.75～225 kg/hm2范围内棉花可获得较高籽棉产量。这与薛晓萍等[34]的研究结果一致。

2018年，不同施氮量的籽棉和皮棉产量均与不施氮处理差异显著，但各施氮处理间差异没有达到显著水平，这可能与试验年限短有关，并且各小区都进行了棉花秸秆还田，使得第1年试验时各处理的表现差异不明显。2019年，各处理的籽棉和皮棉产量均高于2018年，这可能是因为2019年的平均气温和日照时长均高于2018年，且2019年降雨量较小，导致棉花产量整体升高。

棉花纤维品质主要由遗传特性决定，但由于试验环境、肥料种类及施用量的不同，研究结果也会有所差异。研究中，随施氮量的增加，棉纤维断裂比强度呈现先升高后下降的变化趋势，马克隆值呈上升趋势，这与宋为超等[35]的研究结果一致；而纤维长度、纤维整齐度和伸长率随施氮量的变化未呈规律性变化，且各处理间差异不显著。各处理纤维品质性状差异不显著。

4 结 论

施氮量对棉花成铃数、籽棉产量和皮棉产量的影响均有显著差异。所有施氮处理棉花产量均显著高于不施氮肥(CK)处理。施氮量对棉花干物质和氮磷钾积累量有显著影响。随施氮量的增加，棉花干物质和氮磷钾积累量均呈现先升高后降低的趋势，且均在氮肥减施25%(N2)处理有最大值。不同施氮水平下，棉花各器官氮素吸收量差异显著。氮素供应过量或不足都不利于棉花后期氮素吸收。不同施氮水平下，棉花各器官磷素吸收量差异显著，但整体变化趋势相同。施用氮肥有利于棉花生殖器官中磷素的累积和吸收。施氮量对棉花纤维品质各项指标影响差异不显著(P< 0.05)。合理施用氮肥可增加棉花产量，施氮过量或不足均导致棉花不同程度的减产，棉花施用量为112.5～168.75 kg/hm2较为适宜。