机采棉氮素吸收及产量的最佳水氮组合

廖 欢，甘浩天，刘 凯，殷 星，刘少华，唐新愿，侯振安

（石河子大学农学院/新疆建设兵团绿洲生态农业重点实验室,新疆石河子 832000）

新疆地区是我国最重要的商品棉生产基地[1]。近年来，随着棉花栽培技术和生产成本的提升，推广机械采收已成为新疆棉花产业发展的必由之路[2–3]。据统计，北疆地区机采棉占比已达到90% 以上，南疆地区棉花采收机械化率也在逐年增长[4–6]。适宜机械采收的棉花需具有早熟性好、成熟(结铃、吐絮)相对集中、单铃重及衣分高、植株紧凑、高矮适中的特点[7]。但新疆的机采棉仍处于起步阶段，部分技术还不成熟。为了满足机械采收，机采棉生育后期需要脱叶与催熟，喷施脱叶剂会使棉铃吐絮率显著降低[8–9]，且棉花机采追求过高的采净率会导致籽棉含杂率过高[10]，对纤维造成较大的损伤，进而使棉花质量下滑，市场竞争力降低[11]。导致这些问题的原因除了缺少适宜机械采收的棉花品种之外，栽培管理措施和机采棉不相适宜也是主要因素之一[12]。灌水和施肥是促进作物生长发育的重要措施，合理的水肥运筹可以构建棉花合理的群体和个体结构，为机械收获奠定基础，同时也能促进棉花早熟，提高棉花产量和品质[13–15]。相反，若水肥过多，容易引起棉株疯长，造成棉田荫蔽，导致棉花后期贪青晚熟；若水、肥不足，又会使棉株易于早衰，引起大量的蕾铃脱落，影响产量和品质[16]。因此，科学合理的确定机采棉所需的最佳灌水量与施肥量，对实现棉花增产高效具有十分重要的意义。

水、氮是作物实现高产不可或缺的必要条件[17]。氮素只有溶解在水中才能被作物吸收，且水分状况在很大程度上会决定氮肥的吸收量和利用率，即二者之间存在着互作效应[18–19]。张燕等[20]的研究结果表明，当滴灌量为380 mm，N、P2O5、K2O施用量分别为250、100、50 kg/hm2时，可协调棉花营养生长与生殖生长，使棉花产量、氮肥利用率均有显著提高。忠智博[13]对滴灌棉花的生长及土壤水氮分布进行了研究，结果表明当施氮量和滴灌量分别为262.5 kg/hm2和3750 m3/hm2时，棉花单株铃数、单铃质量以及产量、品质均可处于相对较高的水平。赵爱琴[21]通过建立大尺度的水氮耦合模型，发现北疆地区最佳灌水量为552 mm，最佳氮肥施用量为354 kg/hm2。李志军等[22]研究了滴灌施肥对棉花生长和产量的水肥耦合效应，结果表明灌水量为100%ETc、施氮量为300 kg/hm2时，产量、水分利用效率和肥料偏生产力均达到最高。这与Wang等[23]研究结果一致，充分灌溉(100%ETc)和N、P2O5、K2O分别为300、120、60 kg/hm2是提高籽棉产量和经济效益的最佳施肥策略。由此可知，在合适的时间投入合理的水、氮就会对作物的生长状况、生理特性等产生积极的影响，进而实现作物的优质高产[24]。但是受地域、气候等因素的影响，棉花的水氮施用制度各不相同。前人关于水氮互作对棉花产量、氮素吸收等影响的研究主要以传统种植模式(手采棉)为主，而机采棉种植模式与传统种植模式存在一定差异。基于北疆地区的生态条件，迫切需要建立和完善与机采棉生产相匹配的水氮管理措施[25–27]。因此，本研究结合水肥一体化技术，通过农田实际蒸散量制定灌水量，研究不同水氮对棉花氮素吸收及产量的影响，以期在资源紧缺日益严峻和环境恶化的压力下，提出适宜北疆地区机采棉的水氮施用策略。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2020年在石河子大学农科综合教学实验中心 (44°33′N，85°98′E)进行。该地区为典型的温带大陆性气候，多年平均降水量为200 mm左右，平均年蒸发量1700～2200 mm。土壤类型为灰漠土，质地为壤土。0—100 cm的土壤基础性质如表1所示。供试棉花品种为‘新陆早84号’。

表1 试验地土壤基本性质Table 1 Basic properties of test soil

1.2 试验设计

试验设置灌水量和施肥量2个因素，随机区组排列。试验设置5个氮素水平：0、150、225、300、375 kg/hm2(记作 N0、N150、N225、N300、N375)，和3个滴灌量水平：60%ETc、80%ETc、100%ETc，共计15个处理，每个处理重复3次，45个小区，小区面积为共45 m2。各处理每次及总灌水量和施氮量如表2所示。ETc为农田实际蒸散量，计算公式如下：

表2 各处理每次及总灌水量和施氮量Table 2 Individual and the total amount of water and N in each treatment during the cotton growth period

式中：ET0为参考作物蒸散量，采用FAO推荐的Penman-Monteith公式计算；Kc为作物系数，棉花生长初期、快速期、中期和成熟期Kc值为0.35、0.76、1.18 和 0.60[28]。

棉花种植采用机采棉模式，一膜6行，行距配置为 66 cm +10 cm，种植密度为 26 万株/hm2，株距为10 cm。2020年4月28日播种，干播湿出。棉花生长期间灌水8次，灌水周期7～10 天。滴灌的肥料为尿素 (N 46%)、磷酸二氢钾 (P2O552%、K2O 34%)和氯化钾(K2O 57%)，氮、磷、钾肥全部作追肥，分6次随水滴施。各处理磷钾肥施用量相同，磷肥(P2O5) 105 kg/hm2，钾肥 (K2O) 75 kg/hm2。9 月 14 日喷洒脱叶剂，10月12日进行采收，其他管理措施参照当地机采棉田管理措施。

1.3 样品采集与测定

在棉花苗期(6月4日)、蕾期(6月14日)、初花期(7月3日)、盛花期(7月23日)、盛铃期(8月22日)、吐絮期(9月13日)进行样品采集。每个处理取连续5株棉花的地上部，分为茎、叶、蕾铃部位，鲜样于105℃ 下杀青30 min，然后在80℃下烘至恒重后称重。采用H2SO4–H2O2消煮，凯氏定氮法测定棉花植株氮素累积量。

在棉花收获前统计各小区有效铃数，计算平均单株铃数；分别摘取各小区部分正常吐絮棉株上层、中层和下层棉铃30、40和30个，用电子天平称重，最后实收计产。

灌溉水利用率(IWUE)计算公式如下：

式中：Y为经济产量 (kg/hm2)；W为生育期内总灌水量 (m3/hm2)。

氮肥表观利用率(NUE)计算公式如下：

式中：U为施氮区作物吸氮量；U0为不施氮区作物吸氮量，N为氮肥投入量。

采用min-max最值归一化方法，将原始值X映射成在区间[0，1]中的值 XA：

式中：XA为数据标准化值；X为样本实际值；Xmax为样本数据最大值；Xmin为样本数据最小值。

1.4 数据处理

数据的常规处理和制图使用Microsoft Excel 2010。应用SPSS 22.0进行数据的方差分析和方程拟合，方差分析达到显著性水平后(P< 0.05)，采用Duncan法进行处理间的多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理对棉花生长的影响

2.1.1 干物质积累量 由表3可以看出，60%ETc处理对棉花苗期至蕾期的干物质积累无明显抑制作用，初花期后60%ETc处理的干物质积累量较80%ETc、100%ETc处理显著降低。80%ETC处理的干物质积累量在棉花苗期至盛花期时较100%ETc处理显著降低，但盛铃期至吐絮期时有利于棉花的干物质积累。100%ETc处理在苗期至盛铃期时均较60%ETc、80%ETc处理促进了棉花的干物质积累量，但吐絮期时100%ETc处理的干物质积累量有所降低。此外，在60%ETc、80%ETc灌水条件下，施氮对棉花干物质积累量的影响规律相似，均随施氮量的增加有所增加，但吐絮期80%ETc+N150、80%ETc+N225、80%ETc+N300处理的干物质积累量无显著差异。100%ETc灌水条件下，除盛花期、盛铃期时棉花干物质积累量会随着施氮量的增加而增加，其余生长阶段N300、N375处理的干物质积累量差异均不显著。

表3 不同水氮组合处理棉花地上部干物质积累量(×103 kg/hm2)随生育期的动态变化Table 3 Dry matter accumulation (×103 kg/hm2) of cotton shoot across the growth stages under different water and N combination

2.1.2 干物质积累速率 不同水氮处理棉花地上部干物质积累量(y)随生长时间(t) 的变化符合Logistic函数y=k/[1+ ae−bt)]。由表4可知，在各灌水条件下，棉花地上部干物质快速积累时间段分别出现在出苗后 40～123 天 (60%ETc)、43～98 天 (80%ETc)、34～144 天(100%ETc)。当灌水量为60%ETc时，N225、N300处理分别较N0处理干物质快速积累持续时间缩短了10、2天，但N150、N375处理分别较N0处理增加了1、6天。且N150、N225、N300处理的干物质最大积累速率分别较N0处理提高了33.76%、9.25%、7.30%；当灌水量为80%ETc时，N150、N225、N300、N375处理分别较N0处理干物质快速积累持续时间缩短了11、11、6、6天，干物质最大积累速率分别提高了87.54%、89.85%、71.91%、67.97%；当灌水量为100%ETc时，N225、N300、N375处理分别较N0处理干物质快速积累持续时间增加了12、17、13天，但N150处理较N0处理缩短了13天，N150、N300、N375处理的干物质最大积累速率分别较N0处理提高了85.44%、3.92%、16.46%。说明不同水氮处理对棉花干物质快速积累持续的时间影响不同，且除60%ETc+N375、100%ETc+N225处理外，其余处理的干物质最大积累速率均随着施氮量的增加有一定程度的增加，进而促进了棉花地上部的干物质积累。

表4 棉花地上部干物质积累的Logistic模型及特征值Table 4 Logistic models and characteristic values of dry matter accumulation in cotton shoot

2.1.3 吐絮期干物质积累与分配 棉花生长进入吐絮期后，如表5所示，各处理棉花地上部干物质重和各器官的分配率差异显著(P< 0.05)。60%ETc灌水条件下，棉花茎、叶、铃的干物质量均显著低于80%ETc、100%ETc处理，且各器官的干物质积累量均随施氮量的增加有所增加，以60%ETc+N375处理最高，但N300、N375处理的分配比例差异不显著。80%ETc和100%ETc处理的茎、叶平均干物质量无显著差异，但均显著高于60%ETc处理，而棉铃平均干物质量3个水分处理间差异达到显著水平，表现为80%ETc >100%ETc>60%ETc。说明灌水量为60%ETc会明显抑制棉花各器官的干物质积累，为不适宜的水分条件。

表5 棉花吐絮期地上部干物质积累与分配Table 5 Accumulation and distribution of aboveground dry matter in cotton at the boll opening stage

在100%ETc灌水条件下，棉铃干物质量随施氮量的增加先增加后降低，以N300处理最高，N375处理的棉铃干物质量较N300处理显著降低。表明高施氮量主要促进了棉花茎、叶干物质积累，而不利于棉铃干物质量的积累。而在80%ETc条件下，各施氮处理棉铃干物质量较N0处理均显著增加，且棉花积累的干物质更多地向棉铃转移。

2.2 不同水氮处理对棉花氮素吸收的影响

2.2.1 氮素积累动态 由表6可知，棉花氮素吸收量随着生育进程逐渐增加，且不同水氮处理对棉花氮素吸收量的影响效应也随着生育期的推进而变大。苗期至盛花期灌水亏缺(60%ETc、80%ETc)会显著抑制棉花的氮素吸收量，盛铃期至吐絮期80%ETc、100%ETc处理的氮素吸收量无显著差异且均较60%ETc处理显著增加。在60%ETc灌水条件下，吐絮期棉花氮素吸收量均随施氮量的增加而增加。但80%ETc、100%ETc灌水条件下，棉花吐絮期的氮素吸收量以N300水平最高，继续增施氮肥(N375)对棉花氮素吸收无明显的促进作用。

表6 不同水氮组合下各生育期棉花氮素吸收量(kg/hm2)Table 6 Nitrogen uptake of cotton at different growth stages under different water and N combination

2.2.2 氮素吸收速率 根据各处理棉花氮素吸收量(y)与生长时间(t)的Logistic函数拟合方程(表7)可知，在t1～t2时间段内氮素吸收量快速增加，此时应保证水氮供应充足。但在不同灌水与施肥条件下，棉花最大氮素吸收增长速率及到达最大氮素吸收速率的时间均有所不同。各滴灌处理(60%ETc、80%ETc、100%ETc)下，施氮处理最大氮素吸收增长速率分别较N0处理增加了0.28～2.79、0.19～1.70、0.25～0.75倍。但当滴灌量为60%ETc时，N150处理到达最大氮素吸收增长速率的时间较N0处理推迟了3天，N225、N300、N375处理却分别较N0处理提前了13、6、10 天；当滴灌量为80%ETc时，N375处理到达最大氮素吸收增长速率的时间较N0处理提前了3天，N150、N225、N300处理却分别较N0处理推后了9、14、16天；当滴灌量为100% ETc时，N0与N150处理到达最大氮素吸收增长速率的时间相同，N225、N300、N375处理分别较N0处理推后了15、21、5天。说明在各滴灌量水平下，最大氮素吸收增长速率均在N375处理达到最大，但不同滴灌量会影响N375处理达到最大氮素吸收增长速率的时间。

表7 棉花氮素吸收的Logistic模型及特征值Table 7 Logistic models and characteristic values of cotton N uptake

2.2.3 吐絮期棉花氮素吸收量 表8表明，吐絮期100%ETc和80%ETc处理的棉花氮素吸收量无显著差异，但分别较60%ETc处理显著增加了26.64%、25.55%。60%ETc下棉花氮素吸收量均随施氮量增加而增加，但在80%ETc与100%ETc条件下，N300处理最高。无论氮素施用水平高低，氮素在各器官中的积累量和分配率均表现为铃>叶>茎。说明灌水严重亏缺(60%ETc)会导致棉花氮素吸收量有所降低，80%的水分供应(80%ETc)即可保证棉花吸收和积累氮素的需求。

表8 不同水氮组合下棉花氮素的吸收量及其在茎叶和铃中的分配比例Table 8 N absorption and distribution in cotton under different water and N rate

2.3 不同水氮处理对棉花产量的影响

由表9可知，3个灌水处理的棉花产量表现为80%ETc>100%ETc>60%ETc，但 80%ETc与100%ETc处理无显著差异，且分别较60%ETC处理显著增加了15.09%和14.81%。在同一滴灌量条件下，各施氮处理棉花单株结铃数、单铃重、产量较N0处理均有所增加。当灌水量为60% ETc时，N300与N375处理的棉花产量无显著差异，N150、N225、N300、N375处理分别较N0处理增产9.84%、22.06%、33.44%、32.36%；当灌水量为80%ETc和100% ETc时，N375处理棉花产量较N300处理分别显著降低13.97%、14.87%，各施氮处理分别较N0处理增产12.66%～55.79%、8.90%～41.64%。

表9 棉花产量及构成因子Table 9 Cotton yield and its components

2.4 不同水氮处理对棉花水、氮利用率的影响

由图1可知，不同灌水量与施氮量及其二者的交互作用对棉花氮肥利用率与灌溉水分利用率均有显著（P< 0.05）影响。在相同灌水条件下，施氮能显著增加棉花的水、氮利用率，在N300水平时达到最高，但60%ETc+N300处理较80%ETc+N300、100%ETc+N300处理的氮肥利用率分别降低了18.36%、14.64%，水分利用率分别增加了5.14%、36.68%说明过高施氮量不仅对提高氮肥利用率与灌溉水分利用率无积极影响，还会造成氮肥资源的浪费。3个灌水处理之间的氮肥利用率表现为80%ETc>100%ETc>60%ETc，灌溉水分利用率表现为60%ETc>80%ETc>100%ETc。说明灌溉水分利用率随着灌水量的增加而降低，且灌水亏缺40%会显著抑制氮肥肥效的发挥，而灌水亏缺20%则有利于提高棉花的氮肥利用率。

图1 不同水氮处理对棉花氮肥利用率及灌溉水分利用率的影响Fig. 1 Effects of different water and N rate on water and N use efficiency of cotton

2.5 多目标优化

以灌水量和施氮量为自变量，产量、氮肥利用率和灌溉水分利用率为因变量，分别建立二元二次回归方程(表10）。由表10可知，当滴灌量为370 mm、施氮量为375 kg/hm2时，可达到棉花产量最大值；当滴灌量为348 mm、施氮量为291 kg/hm2时，可达到氮肥利用率最大值；当滴灌量为248 mm、施氮量为375 kg/hm2时，可达到灌溉水分利用率最大值。设定80%ηmax与90%ηmax两个优化梯度，寻找3项指标的重叠区域。将不同水氮条件下产量、氮肥利用率、灌溉水分利用率各值归一化，制作具有统一单位的3张三维曲面图(图2)，可得到各优化目标达到最大值的80%、90%以上时所对应的灌水与施氮区间。

表10 棉花产量、氮肥利用率、灌溉水利用率与水氮处理的非线性回归方程及其达到最高值对应的水氮组合Table 10 Nonlinear regression equation of water and N coupling with cotton yield,NUE,and IWUE and the water and N combination corresponding to the maximum value was reached

图2 水氮互作与各优化指标间的关系Fig. 2 Relationship between water and N interaction and optimization indexes

当滴灌量为275.76～343.14 mm，施氮量为249.2～342.1 kg/hm2时，可使产量、氮肥利用率、灌溉水分利用率同时达到最大值的80%以上。当灌水量为307.65～321.59 mm，施氮量为271.2～325.3 kg/hm2时，可使产量、氮肥利用率、灌溉水分利用率同时达到最大值的90%以上，此时为研究区最佳的水氮施用量区间（表11）。

表11 水氮区间寻优方案Table 11 Optimized scheme of water and N interval

3 讨论

水、氮是作物进行光合作用合成碳水化合物，积累干物质的基本原料[29]。本研究对滴灌棉田干物质的积累与分配进行了测定，结果表明，不同水、氮及水氮互作效应对棉花各生育期干物质积累的影响有所不同。这与王海江等[30]和张燕等[20]的研究结果一致，施肥处理棉花各生育期干物质量不同程度高于不施肥处理，且灌溉量较施氮量对棉花干物质积累的影响更加明显。此外，本研究中的棉花干物质量随着施氮量的增加而增加，适度灌水亏缺(80%ETc)也对棉花干物质积累速率有明显促进作用，但当施氮量过高(100%ETc+N375)时对棉铃干物质的积累不利。这与林涛等[31]对南疆机采棉干物质积累与分配的研究结果相同，不同灌溉量和施氮量会影响棉花干物质的积累速率和快速积累量，在灌溉量为3450 m3/hm2，施氮量为 300 kg/hm2条件下，花后干物质贡献率有所提高。石洪亮等[32]研究表明，非充分灌溉条件下 (2800 m3/hm2)增施氮肥 (300 kg/hm2)可使传统手采棉干物质积累最大生长速率、快速积累时期有所增加，具有补偿效果，但与本研究所得结果(表4)相比仍有所推迟。这说明适宜的灌水量与施氮量有互作正效应，可以增加棉花光合产物，并提高棉花干物质积累速率，促进棉花早熟，有利于机械采收。

作物对氮素的吸收利用状况也是直接影响其产量和品质的重要因素之一，不同水氮互作方式下作物对氮素的吸收利用情况也有所不同[33–34]。有研究表明，水氮互作效应存在阈值，在灌水量和施肥量未达到阈值之前，增加水氮投入具有明显的增加作物氮素吸收量及产量的效果，而超过此阈值则无明显的促进作用[14,35]。本研究中，施氮有效增加了棉花氮素吸收速率，60%ETc、80%ETc、100%ETc灌水条件下，施氮处理的最大氮素吸收速率分别较N0处理增加了0.28～2.79、0.19～1.70、0.25～0.75倍。且与传统手采棉相比，氮素快速积累期持续的时间有所延长[36]。但施氮量过高(N 375 kg/hm2)则会造成机采棉的营养生长过剩，棉株个体及群体过大，抑制棉花氮素累积，从而使氮肥利用率有所降低。且灌水亏缺20% (80%ETc)也能满足棉花一定的水分生理需求，促进棉花氮素吸收，各器官干物质积累分配也较为协调。这与邹欣等[37]报道的在水氮交互影响下，一定范围内随着施氮量的增加，氮素积累量也随之增加，但超过一定值后随着施氮量的继续增加，氮素积累量并未持续增加的研究结果一致。此外，严富来等[38]的研究结果也表明，玉米地上部干物质和氮素累积速率均随施氮量的增加先增加后减小，且在中灌水(0.8 KcET0)水平下的营养器官氮素转运量较大。这可能是由于施用氮肥对一定的水分亏缺造成的氮素吸收、分配阻碍起到了一定的缓解作用，但氮肥施用量过高会对营养器官氮素的转运产生抑制作用，进而造成减产[39]。

提高作物的水氮利用效率和产量，有利于农业资源的合理利用[40]。有研究结果表明，水氮存在明显的互作效应，有利于促进棉花营养生长和生殖生长，发挥植株个体优势，增加单株结铃数与单铃重，是实现棉花增产的有效途径。本研究中，80%ETc+N300处理的单株结铃数及单铃重均高于其他处理，说明不同水氮施用量会影响机采棉的产量构成因子，进而影响最终产量[41]。一定范围内增加灌溉水量会使氮肥利用率增加，但过量灌水会导致氮肥利用率下降，水分利用效率也不能达到较高水平，同时会造成作物减产[42–43]。本试验中，灌水与施肥及二者的交互效应对棉花产量、水氮利用率的影响显著，灌溉水分利用率随着灌水量的增加而降低，且灌水亏缺40%会显著抑制氮肥肥效的发挥，而灌水亏缺20%则有利于提高棉花的氮肥利用率。这与杨黎等[44]和Mohamed 等[45]的研究结果相一致，水分利用率与灌水量呈现出明显的负相关关系，且随着施氮量的提高，作物的产量和氮素利用率变化趋势为先增加后降低。但多数研究所得的单一的水氮施用组合无法满足各优化目标同时达到最大值。本研究综合考虑产量和水氮利用率3个评价指标，得到滴灌量为307.65～321.59 mm、施氮量为 271.20～325.33 kg/hm2时，棉花产量、氮肥利用率及灌溉水分利用率能同时达到最大值的90%以上，是最有利于在北疆滴灌机采棉种植生产中推广的水氮施用区间 (表11)。这与前人推荐的灌水量与施氮量相差不大[46–47]，可为建立和完善与北疆滴灌机采棉生产相匹配的水氮管理措施提供一定理论依据。但本研究只为一年试验结果，还需在后续研究进一步验证，进而获得最佳的滴灌与施氮策略。

4 结论

灌水量和氮肥用量对棉花生长、氮素吸收速率及产量有显著的交互作用。总的来讲，滴灌量为80% ETc (330 mm)时，可满足棉花的水分需求，施用N 300 kg/hm2有利于促进棉花各器官干物质和氮素积累，氮素吸收速率与分配比例最为合理，适宜机械采收模式，单株结铃数及单铃重也优于其他施氮处理。综合考虑产量和水、氮利用率3个评价指标及机采棉的适应性状，80%ETc+N300处理为本研究区机采棉最适宜的水氮组合模式。