氮肥后移对花铃期水分亏缺棉花产量的补偿效应研究

代健敏， 何庆雨， 谢 玲， 窦巧巧， 张巨松

（1.新疆农业大学农学院，新疆乌鲁木齐 830052；2.教育部棉花工程研究中心，新疆乌鲁木齐 830052）

在干旱、半干旱地区限制作物生长发育和产量的重要因素是水分和养分［1-2］，棉花花铃期对水肥需求最为敏感，花铃期季节性缺水会严重影响其生长发育［3-4］。干旱或供水不足将对作物养分吸收产生不利影响［5］。适量的氮肥施用能够调节作物地上部分的生长、增强作物的抗旱性［6-9］。氮肥过量，将导致氮肥利用率低下，土壤生产力下降、生态环境恶化以及增加生产成本［10］，因此，通过氮肥运筹应对花铃期水分供应不足具有重要意义。

亏缺灌溉显著影响棉花生长发育，水分过度亏缺导致棉花产量下降，造成棉花的早衰［11］、降低棉花的株高［12］、叶面积指数、单铃重及结铃数［13］，降低生殖生长的分配比例和干物质积累量［14］。研究发现，合理的氮肥施用策略能够改善棉花的生育进程［7］、提高叶面积指数及净光合速率［15］，提高快速累积期的平均积累速率以及快速累积期积累的干物质量，最终有利于获得较高的棉花产量［16］。在干旱或水分亏缺条件下适量施用氮肥可减轻干旱胁迫对作物生长发育的影响，促进产量提高［17-18］。前人在棉花［7］、小麦［19］、水稻［20］、花生［1］、荞麦［21］等作物研究中发现，在水分不足时，增加适量氮肥的施用有利于增强作物的抗旱性。

水分调控和氮素管理与水分胁迫的时期、程度和施氮量有关［22-23］，前人在不同程度的干旱胁迫、水分亏缺等条件下的氮肥施用量［7,24］、氮肥的施用运筹对棉花生长及氮素利用有不同层次的研究［16,25］，有关棉花花铃期水分供应不足时如何进行氮肥运筹的报道尚缺乏。因此，在此施氮量下，本试验通过模拟棉花花铃期水分亏缺，研究氮肥后移对花铃期水分亏缺棉花生长发育及籽棉产量的影响，为北疆棉花机采棉栽培技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

于2020 年4—10 月在新疆沙湾县四道河子镇渠边村（44°29′N、85°57′E，海拔352 m）开展试验。该地区属温带大陆性干旱气候，无霜期170～190 d，年均降水量140～200 mm，年蒸发量1500～2000 mm，年日照2800～2870 h，年平均气温6.9 ℃。试验田前茬为棉花，土壤质地是黏质壤土，土壤理化性质见表1。

表1 土壤理化性质Tab.1 Soil basic physical and chemical properties

1.2 数据来源与处理

1.2.1 试验设计 试验采用裂区试验设计，供试品种为‘新陆早45 号’。主区设置为2 个花铃期灌水量：2410 m3·hm-2（常规灌水量W1）、1668 m3·hm-2（亏缺灌水量W2)，全生育期内总灌水量分别为3750 m3·hm-2（W1）、2950 m3·hm-2（W2）；副区为3 种花铃期施肥比例，分别为常规施氮（N1，花期肥：铃期肥为3:3）、氮肥后移（N2，花期肥：铃期肥为2:4）、氮肥前移（N3，花期肥：铃期肥为4:2）。各处理总施氮量为纯氮320 kg·hm-2。采用1 膜3 管6 行棉花种植模式，行距配置66+10 cm，株距10 cm，理论株数2.25×105株·hm-2，共6个处理，重复3次，18个小区，幅宽2.3 m；小区长10 m，宽6.9 m，小区面积（3 膜）：69 m2，总占地面积共1242 m2。在棉花整个生育期，一共滴灌8 次，自棉花现蕾，每10 d 滴灌1 次水，花铃期滴灌5 次（表2），基肥与蕾期各施入全生育期20%的纯氮，花铃期追施60%纯氮。水表控制滴灌量，称取所需氮肥，放入各处理的施氮罐中，随水滴施，其他管理同大田管理一致。

表2 棉花各生育时期水氮配比Tab.2 Drip irrigation scheme and fertilization scheme

1.2.2 农艺性状与生育进程的测定 在棉花吐絮期，在每个小区的中膜选取长势均匀的棉株，中行5株、边行5 株，使用卷尺测定棉花的株高，游标卡尺测定茎粗，果枝数、有效果枝数直接数取；调查并记录各小区50%棉花达到初花、盛花、盛铃、吐絮的日期。

1.2.3 叶面积指数（LAI）、净光合速率（Pn）的测定 在棉花的盛蕾期、盛花期、盛铃期、吐絮期使用CI-110植物冠层分析仪于19:00—21:00 无强烈直射光时，将鱼眼探测器放置于小区棉株主茎处采集图像。测定方法：测定垂直地面20 cm 处的膜间和行间平均值作为1 次测量值，各样点重复5 次，图像采用Plant Canopy Analysis System 专用软件分析，测定棉花的叶面积指数（LAI）。利用便携式光合仪器ciras-2，在晴朗无云的天气条件下，于11:30—1:30 测定主茎功能叶的净光合速率（Pn）。打顶前取主茎倒四叶，打顶后取主茎倒三叶。在测量过程中，避开主叶脉，每个处理测量3片叶子，取平均值。

1.2.4 地上部分干物质积累与分配 在棉花初花期、盛花期、盛铃期和吐絮期，每个小区选取具有代表性的棉株2 株，每个处理共6 株，以茎、叶作为营养器官，蕾花铃作为生殖器官分开处理，在105 ℃杀青30 min 后，在80 ℃恒温烘干至恒重，称量干物质量，并计算出营养器官与生殖器官的分配量。

1.2.5 产量及产量构成因素 在棉花吐絮期，在每个小区中膜量取6.67 m2，数取范围内的株数和铃数为实际收获株数及总铃数，在每个小区摘取棉株下部30 朵吐絮棉铃（1～3 果枝），中部40 朵吐絮棉铃（4～6果枝），上部30朵吐絮棉铃（7果枝以上），晾干扎花，计算棉花单铃重和衣分。依据棉花产量构成因素，计算各小区籽棉产量。

1.2.6 耗水量 本研究中采用水量平衡法测定棉田耗水量（Evapotranspiration，ET），耗水量的计算公式为：

式中：ET为阶段耗水量，mm；i为土壤层次号数；n为土壤层次总数，本试验为3；γi为第i层土壤干容重，g·cm-3，本试验为1.448 g·cm-3；Hi为第i层土壤厚度，本试验为0.2 m；θi1为第i层土壤初时段的含水率，以占干土重的百分数计(%)；θi2为第i层土壤末时段的含水率，以占干土重的百分数计(%)；I为时段内的灌水量，mm；P为时段内的有效降水量，mm；K为时段内的地下水补给量，mm；本试验地下水埋深在5 m 以下，无地下水补给。

1.2.7 水分利用效率 水分利用效率计算公式为：

式中：WUE为水分利用率（kg·hm-2）；Y为籽棉产量（kg·hm-2）；ET为耗水量。

1.2.8 氮肥偏生产力 肥料偏生产力计算公式为：

式中：PFP为氮肥偏生产率（kg·kg-1）；Y为籽棉产量（kg·hm-2）；FN为棉花全生育期投入的纯氮量（320 kg·hm-2）。

1.2.9 数据分析 试验数据使用SPSS 23.0 进行方差分析，使用Duncan 法进行处理间多重比较（P＜0.05），利用GraphPad和Excel 2019整理数据并绘图。

2 结果与分析

2.1 氮肥运筹对花铃期水分亏缺下棉花生育进程的影响

如表3、表4 所示，自盛花期各处理间的棉花生育进程开始出现差异。在相同氮肥处理下，亏缺灌溉生育期较常规灌溉提前了4～10 d；在相同灌溉量下，N2处理使棉花生育期明显滞后，常规灌溉下N2处理最为明显；从整个生育时期来看，常规灌溉量下N1 处理与亏缺灌溉下N2 处理最为合理，仅相差2 d；常规灌溉下N3处理、亏缺灌溉下N1、N3处理造成棉花早衰；其中，亏缺灌溉下的N3 处理表现出严重早衰，生育期缩短2～10 d。

表3 不同处理下对棉花生育进程的影响Tab.3 Effects of different treatments on cotton growth process

表4 不同处理对棉花生育阶段的影响Tab.4 Effect of different treatments on the growth stage of cotton

2.2 氮肥运筹对花铃期水分亏缺下棉花农艺性状的影响

如表5所示，相同氮肥处理下，亏缺灌溉较常规灌溉处理的棉花株高、茎粗、有效果枝、真叶数有所下降，主茎倒四叶宽有所提高。在相同灌水处理，棉花的株高、茎粗、主茎倒四叶宽随着氮肥后移而增大，表现为：N2＞N1＞N3，真叶数无显著性差异；在常规灌溉下的株高、茎粗、主茎倒四宽均无显著差异；N1 较N2、N3 处理有效果枝数显著增加，增加了18.29%、23.3%；亏缺灌溉下，N2较N1、N3处理的株高、茎粗增加、主茎倒四叶宽无显著差异，有效果枝数增加了4.63%、13.04%。

表5 各处理对棉花主要农艺性状的影响Tab.5 Effects of various treatments on main agronomic traits of cotton

2.3 氮肥运筹对花铃期水分亏缺下棉花LAI 的影响

从整个生育时期来看（图1），棉花叶面积指数先升后降，在盛铃期达到最大值。在不同生育期，亏缺灌溉条件下氮肥处理的棉花叶面积指数较常规灌溉条件下显著降低，开花初期后显著降低，盛花期、盛铃期、盛铃后期、吐絮期平均下降了21.4%、29%、22.4%、9.7%。在盛铃期棉花各处理叶面积指数差异性显著，在常规灌溉下N1 较N2、N3 处理分别增加了31.29%、52.36%；亏缺灌溉下N2较N1、N3处理分别增加了17.79%、32.38%。

图1 不同处理对棉花花铃期LAI的影响Fig.1 Effects of different treatments on LAI of cotton at flowering and boll stage

2.4 氮肥运筹对花铃期水分亏缺下棉花净光合速率（Pn）的影响

由图2可知，各处理的棉花Pn随着生育期的推进先增后减，2 个灌溉量自初花期后各氮肥处理的棉花Pn存在显著性差异。亏缺灌溉较常规灌溉处理棉花Pn在盛花期、盛铃期、盛铃后期、吐絮期均有所下降，盛铃后期至吐絮期，Pn快速下降。随着生育期的推进，除初花期外，常规灌溉各氮肥处理呈现为：N1＞N2＞N3，亏缺灌溉为：N2＞N1＞N3。常规灌溉N2、N3 较N1 处理棉花Pn在盛花期分别减少了10.46%、19.67%，盛铃期减少了9.07%、23.65%；亏缺灌溉N2 较N1、N3 处理棉花Pn在盛花期、盛铃期分别增加了20.07%和28.84%、8.48%和23.95%。

图2 各处理对各时期棉花净光合速率（Pn）的影响Fig.2 Effect of each treatment on the net photosynthetic rate(Pn)of cotton in each period

2.5 氮肥运筹对花铃期水分亏缺下棉花地上部分干物质积累的影响

从表6可以看出，亏缺灌溉处理下Vm出现时间较常规灌溉平均提前了0.26～0.61 d，t1平均提前了1～7 d，Δt延长了4～8 d。同一水分处理下各氮肥处理Vm、t1、t2及Δt均表现为：N2＞N1＞N3；常规灌溉下Vm与GT表现为：N1＞N2＞N3，N2、N3较N1处理棉花Vm、GT分别降低了5.2%和8.98%，32.83%和78%；亏缺灌溉下各氮肥处理棉株Vm 与GT表现为：N2＞N1＞N3，且N2 较N1、N3 处理棉花干物质Vm、GT分别增加了21.49%和31.25%，38.18%和90%。

表6 棉花干物质积累的Logistic模型及其特征值Tab.6 The logistic model and its characteristics on dry matter accumulation of cotton

2.6 氮肥运筹对花铃期水分亏缺下棉花地上部分干物质分配比例的影响

从图3 和表7 可以看出，棉花单株干物质积累随生育期的推进而增加，生殖器官干物质积累在初花期后逐渐增加，营养器官干物质积累先增后减。在相同氮肥处理下，亏缺灌溉的干物质积累量比常规灌溉平均降低了34.85%、12.21%。常规灌溉量下，不同氮肥处理的营养器官干物质比例呈现N3＞N2＞N1，生殖器官干物质比例呈现N1＞N2＞N3；在亏缺灌溉条件下，氮肥处理的棉花营养器官和生殖器官干物质积累比例为N2＞N1＞N3。在亏缺灌溉条件下，N2 处理的营养生长向生殖生长的转移率为68.25%，常规灌溉条件下N1 处理的转运率为65.47%。亏缺灌溉下N2 处理生殖器官积累比例提高显著，比常规灌溉N1处理提高了2.78%。

表7 吐絮期棉花营养器官与生殖器官分配比例的比较Tab.7 Comparison of the distribution ratio of vegetative organs and reproductive organs in cotton

图3 不同生育时期各处理棉花营养器官与生殖器官干物质积累分配的动态变化Fig.3 Dynamic change of dry matter accumulation and distribution of vegetative organs and reproductive organs at different growth stages

2.7 氮肥运筹对花铃期水分亏缺下棉花产量、水分利用和氮肥偏生产力的影响

如表8 所示，不同处理对棉花的收获株数与衣分没有显著性影响，同常规灌溉相比，亏缺灌溉显著减少了单株铃数、单铃重和籽棉产量，其中单株铃数、单铃重平均降低了11.7%，45.6%，籽棉产量平均降低了17.3%，耗水量平均降低了35.49%，水分利用率平均增加了16.77%，氮肥偏生产力平均降低了15.97%。在常规灌溉下，N2，N3 较N1 处理棉花单株结铃数分别减少了7.19%、12.24%，单铃重分别减少了7.03%、10.63%，产量分别降低了13.44%、18.24%，耗水量、水分利用效率、氮肥偏生产力表现为N1＞N2＞N3；在亏缺灌溉条件下，与N1和N3处理相比，N2处理的棉花单株铃数、单铃重、籽棉产量分别增加了10.40%、16.02，8.41%、11.61%，7.32%、13.88%，耗水量、水分利用效率、氮肥偏生产力表现为：N2＞N1＞N3。在相同氮肥处理下，花铃期水分不足造成棉花减产，N2处理能够防止水分不足引起的大幅度减产。

表8 不同处理对棉花产量、水分利用和氮肥偏生产力的影响Tab.8 Effects of different treatments on cotton yield,water use and nitrogen fertilizer partial productivity

3 讨论

水分亏缺使作物的生长发育变得十分敏感［26-30］。在相同水分条件下，施用氮肥在一定程度上可以防止作物出现早衰现象［17］。陈玉梁等［28］对棉花水分亏缺研究发现，花铃期水分亏缺会使棉花果枝数、蕾铃数随灌水量呈正相关；闻磊等［31］研究表明，在同一氮肥水平下，水分亏缺会抑制作物的株高、叶面积指数等生长指标的增长。这与本研究亏缺灌溉较常规灌溉处理的株高、茎粗、主茎倒三叶宽及有效果枝数均降低，叶面积指数、净光合速率显著降低的研究结果一致。在干旱或水分胁迫下，施用氮肥可以促进生长。研究表明［32］，适量施氮可以改善棉花的生长过程，并在后期保持较高的叶面积指数和净光合速率。本试验在初花期后，氮肥后移使生育期滞后，N1、N3 生育期提前，导致棉花早熟。从整个生长期来看，N3 的生长进程明显提前，生长期缩短2～9 d；在亏缺灌溉条件下，N1 和N3 在初花后出现早衰，N3在自铃期后表现最为严重。在相同灌水量下，不同氮肥处理的叶面积指数和净光合速率随着氮肥的倒运先升高后降低，在盛铃期达到最大值。常规灌溉条件下，各氮肥处理表现为：N1＞N2＞N3，亏缺灌溉条件下为：N2＞N1＞N3。综上所述，在花铃期水分亏缺条件下，氮肥倒运有利于提高棉花株高、茎粗、主茎倒四叶宽、真叶数和有效果枝数；棉花后期叶面积指数显著增加，保持较高的净光合速率，有利于产量的形成。

作物干物质积累量对氮肥极为敏感，干物质的积累与分配是高产的基础；水分胁迫和营养不足是作物生长及产量的重要限制因子［33-34］。石洪亮等［7］研究表明，同一氮素水平下水分亏缺处理的作物干物质积累量、干物质最大积累速率以及生殖器官比例均低于常规灌溉处理。王钊［35］、苏继霞［8］等通过试验发现，适量氮肥后移能够使作物形成较多的干物质，达到增产增效的目的，这与本研究结果一致。本研究表明，亏缺灌溉较常规灌溉下快速生长时期缩短了0.6～3.7 d，使生殖器官干物质和营养器官的干物质积累量降低了12.21%、34.85%；常规灌溉下，Vm 与GT及干物质积累量均表现为：N1＞N2＞N3；在亏缺灌溉条件下，随着氮肥的倒运，快速生长期的Vm 与GT先增大后减小，N2 处理最为协调，与N1 和N3 处理相比，棉花Vm 分别提高了21.49%和31.25%；快速生长期，GT分别增加了38.18%和90%。谷晓博等［23］研究显示，通过合适的氮肥施用对水分胁迫存在一定的补偿效果，对产量表现出一定的补偿作用。本研究还表明，亏缺灌溉条件下，单株铃数、单铃重和籽棉产量显著降低，灌水量对衣分无显著差异；亏缺灌溉下N2 较N1 处理棉花单株结铃数增加了10.40%，单铃重降低了8.41%，籽棉产量增加了7.32%。在同一氮肥处理下，亏缺灌溉较常规灌溉减产，但是氮肥后移对亏缺灌溉的补偿效应明显。

氮肥后移在棉花［36］、冬小麦［37］、玉米［38］等作物均有研究，目前在棉花上集中在施氮量或不同生育时期配施比例，并且多在全生育期不同滴灌量下。本试验通过精准控水控肥，尝试通过花铃期氮肥运筹探索花铃期水分不足情况下提高产量的途径，并取得了一定的成果。但如何从棉花本身氮素代谢及运移等方面分析氮肥运筹对花铃期水分亏缺的作用，维持棉花在花铃期水分不足时的生长发育及产量，还需进一步探究。

4 结论

（1）花铃期水分亏缺使棉花生育期提前，并降低了棉花株高、茎粗以及有效果枝数，此外花铃期水分亏缺显著降低了棉花叶面积指数及净光合速率，最终导致干物质积累量的降低、减少棉花单株结铃数及单铃重，最终造成减产20.47%。

（2）花铃期追施不同比例的氮肥有助于改善花铃期供水不足带来的负面影响，与正常灌溉相比，花铃期水分亏缺下，N2处理生育时期最为合理只相差2 d，N3和N1处理从初花期到吐絮期表现出不同程度的早衰，至吐絮期N3处理表现出严重的早衰；且N2处理的株高、茎粗、主茎倒四叶宽和真叶数均高于N1和N3处理，有效果枝数显著高于N1和N3；N2处理提高了花期叶面积指数和净光合速率，并在后期保持较高水平，自盛花期后始终表现为：N2＞N1＞N3。

（3）N2 处理的棉花单株铃数、单铃重较N1、N3处理分别增加了10.40%、16.02和8.41%、11.61%；籽棉产量分别增加了7.32%、13.88%；耗水量、水分利用效率、氮肥偏生产力均表现为：N2＞N1＞N3。因此，在北疆棉花花铃期水分供应不足的情况下，氮肥后移（花期肥：铃期肥为2：4）对棉花产量的补偿作用最为明显，可以防止棉花大幅度减产。