水培条件下供氮水平对不同棉花品种氮吸收分配与氮效率的影响

2022-07-13齐芙蓉宋海英陈波浪刘美娟唐雪霞侯天钰

新疆农业科学 2022年6期

梁悦，齐芙蓉，宋海英，陈波浪,，刘美娟，唐雪霞，侯天钰

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052； 2.新疆生产建设兵团第三师四十二团学校，新疆图木舒克 844405； 3.新疆慧尔农业集团股份有限公司，新疆昌吉 831100)

0 引言

【研究意义】2018年新疆棉花产量达到609.6×104t，占全球棉花产量的1/5，纱产量达到2 976×104t占全球纱产量的2/3，纺织品的服装出口额2 767.3×108美元[1]。2019年新疆棉花占全国总产量比例已经达到84.9%。棉花是一种喜肥作物，土壤养分显著影响棉花的产出，其中氮营养是棉花产量限制的第一营养元素。氮参与棉株体内叶绿素的合成，增强棉叶光合效能，为棉花生育后期尤其花铃期储备充足的光合产物，保障棉花产量[2]。氮肥运筹是棉花氮素吸收分配、氮效率和产量与品质调控的重要措施。【前人研究进展】滴灌棉花产量在2 000～3 000 kg/hm2时，其氮肥主要以水溶性尿素为主，氮肥用量为225～450 kg/hm2[3-7]，氮肥依据灌溉制度主要采用深层基施和浅层滴施或者全生育期浅层滴施的方式进行，整个生育期氮肥基施1次加滴施6～8次不等或者全部滴施8～10次，氮肥分配采用前轻中重后轻原则[7-11]。苗期是棉花氮素管理的关键时期，刘翠等[12]认为，施氮量380 kg/ hm2时，南疆杂交棉在基肥：追肥=2∶8的条件下干物质量及氮素累积最为协调，并且有助于增加单株结铃数和铃重，实现增产。陈求柱等[13]研究表明，氮肥施用总量固定为225 kg/hm2的情况下，底肥∶初花肥∶盛花肥=3∶7∶0 的施肥方式有利于提高氮肥吸收利用效率并获得棉花高产。汪玲等[11]试验表明，在棉花所需水分充足的条件下，在氮肥基施40%、蕾期追施2次分别是5.96%和4.47%、花铃期前期2次追施18.63%和16.4%、花铃期盛期分别追施4.47%和9.69%的情况下，能获得最大的棉花产量。新疆中等肥力棉田氮肥施用策略为：基肥40%、蕾期15%、初花期23%、盛铃期或花铃期22%时，棉花产量较高[14]。【本研究切入点】前人对棉花苗期氮肥的管理大多基于棉花苗期氮素吸收量或吸收比率或者管理经验，而从棉花苗期自身需求的氮素养分供应强度即氮素浓度方面开展的研究较少，尤其是能促进棉花生长、养分吸收和氮素利用的适宜氮素浓度。需研究水培条件下供氮水平对不同棉花品种氮吸收分配与氮效率的影响。【拟解决的关键问题】以不同株型Ⅰ式果枝的新陆早48号(适宜机械采收的棉花)和Ⅱ式果枝的新陆早45号(不宜机械采收的棉花)为研究对象，采用水培方法研究不同供氮水平对棉花生育前期氮素吸收分配与氮效率的影响，分析有助于棉花生长的最适氮肥基施浓度，膜下滴灌棉花生产中氮肥基施和追施的分配以及氮肥利用率的提高提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料

营养液培养试验在新疆农业大学培养室进行，选用棉花品种分别是新陆早45号和新陆早48号。营养液以霍格兰营养液和阿农微量营养液为基础液，N处理设为6个水平(浓度为mmol/L)：0、7.5、10、15、17.5、30.0，其中0为缺氮处理，7.5～10为低氮处理，15～17.5为适氮处理，30为高氮处理，每处理设6次重复，培养液pH调控在6.5。

选取籽粒饱满的棉花种子，在洗净的珍珠砂中进行育苗，每天给盆钵表面喷洒少量的水，保持湿度不影响种子的发芽，等待棉苗长到 8～10 cm时，开始往盆钵中加1/4浓度的霍格兰完全营养液继续砂培1周，选取长势均一的棉株进行营养液培养，采用规格为20 L的溶液培养钵，每盆定植8株，培养温度基本维持在 20～30℃，光照基本维持12 h以上。待移栽后，根据植株生长的状况选择更换营养液，每天定时加氧2次，15 min /次。

1.2 方法

在棉苗移栽到第43 d( 苗期) 将棉株采收，将棉苗按根、茎、叶分开，在 105℃杀青30 min，70℃烘干 8～10 h用于植物养分测定。植株养分(N、P、K)：用98%的浓硫酸—双氧水消煮，奈氏比色法测氮；钒钼黄比色法测磷；火焰光度计法测钾[15]。

(1)氮利用效率(g/mg)=植株总干物质量/全株吸氮量；(2)氮吸收效率(mg/g)=全株吸氮量/根干重；(3)氮运转效率(%)=(地上部分吸氮量/地下部分吸氮量)×100[16]。

1.3 数据处理

用 Microsoft Excel 对试验数据进行初步处理后，用 IBM SPSS 20.0 对数据进行单变量和多变量统计分析，用 LSD 法进行差异显著性分析 (P= 0.05)；用 SigmaPlot 10.0进行线性回归拟合；用Origin2018制作箱型图。

2 结果与分析

2.1 供氮水平对不同品种棉花干物质量积累的影响

研究表明，棉花根、茎、叶、地上部和整株干物质存在显著的氮水平和品种的差异，但氮水平和品种的交互作用不明显。2个棉花品种的各器官干物质量、地上部干物质量以及整株干物质量与供氮水平之间表现为显著的二次曲线函数关系，在N17.5的处理达最大值。新陆早45号和新陆早48号在N7.5、N10、N15、N17.5、N30的处理条件下，整株干物质量较N0处理的分别增大58.18%、75.69%、101.83%、108.75%、66.38%和73.71%、102.51%、134.05%、142.85%、86.74%。

棉花根冠比存在显著的氮水平、品种及其交互作用的差异，随供氮水平的增加而下降，呈显著的指数衰减函数关系。

除N0处理外，其它供氮处理下新陆早48号的根、茎、叶、地上部分及整株干物质量均显著高于新陆早45号，在N17.5条件下，新陆早48号的根、茎、叶、地上部分及整株干物质量分别是新陆早45号的1.25、1.22、1.32、1.28和1.27倍。图1

注：N-氮处理；C-品种；N×C-氮处理与品种的交互作用；XLZ45和XLZ48分别代表棉花品种新陆早45号和新陆早48号；sig表示显著；ns表示不显著；0.01

2.2 供氮水平对不同棉花品种氮素吸收的影响

研究表明，棉花单株氮含量、地上部分氮含量、氮积累量、氮吸收效率以及氮利用效率存在显著的氮水平、品种及其交互作用的差异。除了新陆早48号的单株氮含量和地上部分氮含量与供氮水平之间的二次曲线函数关系不显著以外，2个棉花品种的其余氮含量、氮积累量、氮吸收效率与供氮水平之间同样表现为显著的二次曲线函数关系，并在N17.5处理时达到最大值。新陆早45号和新陆早48号在N7.5、N10、N15、N17.5、N30处理条件下，单株氮含量分别较N0处理增加了28.72%、30.23%、42.87%、44.49%、33.78%和46.92%、105.95%、50.98%、118.68%、34.74%；地上部分氮含量分别较N0增加了16.96%、24.44%、32.73%、36.15%、24.21%和24.78%、77.56%、28.09%、91.66%、26.94%；氮素积累量分别较N0处理的增加了102.62%、111.22%、192.65%、196.17%、132.74%和150.05%、251.90%、242.31%、300.51%、152.28%；氮素吸收效率分别较N0处理的增加了67.84%、56.20%、96.89%、96.65%、73.36%和116.95%、206.07%、151.75%、228.20%、90.55%。

棉花氮利用效率随供氮水平的增加而下降，新陆早45号的氮素利用率与供氮水平呈显著的指数衰减函数关系，而新陆早48号的氮素利用率与供氮水平之间的指数函数关系不显著。新陆早45号在N15、N17.5和N30处理间的氮素利用效率差异不显著，显著低于N0处理；新陆早48号在N10处理的条件下氮素利用效率最低，显著低于其他处理。

在N10、N17.5处理下新陆早48号的单株氮含量、地上部分氮含量、氮积累量、氮吸收效率均显著高于新陆早45号，在N17.5处理下，新陆早48号的氮含量、氮积累量及氮吸收效率分别是新陆早45号的1.42、1.14和1.28倍。图2

图2 不同供氮水平下不同棉花品种氮含量、氮积累量、氮吸收效率和氮利用效率变化Fig.2 Effects of nitrogen supply level on nitrogen content, nitrogen accumulation, nitrogen uptake efficiency and nitrogen use efficiency of different cotton cultivars

研究表明，棉花N运转效率存在显著的氮水平和品种及其交互作用的差异。新陆早45号的N运转效率随着营养液中氮浓度的增加呈现先增加后减少的趋势，在N17.5处理条件下N运转效率最大，其值达到84.66%，在N17.5处理条件下棉花N运转效率的数据较为集中，达到这个氮浓度时有助于棉花中氮素的运转。新陆早48号N运转效率随着供氮水平的增加而逐渐增大，而在N30处理条件下棉花N运转效率的均值是89.34%达到最大，但其N30处理的数据集中性较差，除N30处理之外，N17.5处理的N运转效率的均值最大，数据也较为集中。图3

图3 不同供氮水平下不同棉花品种氮运转效率变化Fig.3 Effect of nitrogen supply level on nitrogen translocation efficiency of different cotton cultivars

2.3 供氮水平对不同棉花品种磷素和钾素吸收的影响

研究表明，棉花磷、钾积累量存在显著的氮水平、品种及其交互作用的差异。2个棉花品种的钾素积累量与供氮水平之间也表现为显著二次曲线函数关系，而磷素积累量与供氮水平之间的二次曲线函数关系不显著，同时磷素积累量和钾素积累量均是在N17.5处理时达到最大值。新陆早45号和新陆早48号在N7.5、N10、N15、N17.5、N30处理条件下，植株磷积累量分别较N0处理增加了12.39%、27.58%、30.33%、48.67%、10.43%和17.20%、18.62%、17.76%、33.40%(其中新陆早48号 N30处理的磷素积累量小于N0)；钾素积累量分别较N0处理的增加了69.33%、72.70%、93.35%、101.73%、45.49%和119.98%、152.42%、114.01%、222.38%、82.81%。

在N7.5、N10、N15、N17.5、N30处理下，新陆早48号的植株磷素和钾素积累量均显著高于新陆早45号，磷素分别是新陆早45号的1.27、1.33、1.18、1.15、1.14、1.05倍；钾素分别是新陆早45号的1.20、1.35、1.17、1.48、1.16倍。图4

图4 不同供氮水平下不同棉花品种磷积累量和钾积累量变化Fig.4 Effects of nitrogen supply level on phosphorus and potassium accumulation of different cotton cultivars

3 讨论

李伶俐等[17]研究表明，在氮肥基施比例为25%的情况下，增施氮肥促进了杂交棉生物量的积累，但当施氮量增加至300 kg/hm2后促进效果不显著，为获得高生物量，施氮量在225～300 kg/hm2为宜，而基肥用量对棉花营养器官干物重具有一定的影响[13]，所以苗期施肥量在56.25～75 kg/hm2有宜于棉花生物量的积累。刘翠等[12]通过氮肥基追比对南疆杂交棉生物量的影响研究发现，生产中施氮量为380 kg/hm2，基施量为76 kg/hm2时，能提高棉花花铃前期生物量的累积，有助于高产。试验条件下，棉花生物量随着供氮水平的增加而增加，但增加的幅度有所不同，氮水平为17.5 mmol/L时棉花生物量最高，结合前人大田棉花蕾期灌水量为228～392 m3/hm2[18-21]的结果，通过最佳供氮水平(17.5 mmol/L)与蕾期灌水量(228～392 m3/hm2)相乘的方式，推导换算出大田棉花苗期施氮量为55.86～96.04 kg/ hm2时有助于促进生物量的积累，这一结果与以上结论基本一致。试验的任一处理下新陆早48号各干物质量显著高于新陆早45号，新陆早48号对氮素的响应度高于新陆早45号。

侯秀玲等[5]研究结果表明，在棉花生育前期，超高密度栽培条件下氮肥基施量为64.5 kg/hm2时已能够满足棉花对氮素的需求，与试验结果相一致，氮浓度为17.5 mmol/L推算为大田氮肥施用量为55.86～96.04 kg/ hm2时，棉花幼苗中氮素积累量最大，在此氮浓度下棉花幼苗中磷、钾的积累量也是最高的，这与李伶俐等[17]试验中提出的氮肥基施量为56.25～75 kg/hm2时，氮磷钾累积量达最大是一致的。而秦宇坤等[22]在黄河流域低肥力棉田研究结果显示，中熟品种棉花在施氮肥为360 kg/hm2氮肥基施比为50%时，棉株体内氮、磷、钾的积累量显著增加，其氮肥基施量显著高于试验结果推算出的大田棉花氮肥基施量，造成这种显著差异可能是因为黄河流域棉区和新疆棉区种植模式完全不同，黄河流域棉区通常采用套种模式[23]。新疆大田棉花氮肥基施量在55.86～96.04 kg/hm2范围内有助于促进棉花对养分的吸收积累。郭金强等[24]研究结果显示，当施氮量为270 kg/hm2基施量为81 kg/hm2时，为膜下滴灌棉花合理施氮量，棉花苗期地上部分的氮含量为42.9 g/kg，而试验在17.5 mmol/L条件下新陆早45号和新陆早48号的地上部分氮含量分别为36.7和54.1 g/kg与郭金强等[25]结果较为接近，并且其研究的氮肥基施量与试验推导换算出的大田棉花苗期施氮量基本一致，研究推导换算出的大田棉花氮肥基施量与实际大田试验中的氮肥基施量相符。新陆早48号的氮、磷、钾积累量显著高于新陆早45号，棉花对氮素的吸收和利用在不同棉花品种间存在着明显的差异性，与闫靖华等[25]的研究结论相似。

养分利用率是衡量施肥合理性最直接的指标[26]，提高氮素利用率是确保棉花高产的方式之一。李伶俐等[17]研究表明，虽然氮肥利用率随施氮量的增加而下降，但是在施氮量为300 kg/hm2基肥比例为25%时，籽棉产量最高。胡国智等[27]研究认为，在氮肥基施比例为20%的情况下，氮素利用率随着施氮量的增加而降低，当施氮量达到281 kg/hm2时，棉花产量最高。试验中，氮素利用效率也是随供氮水平的增加而降低，而氮素吸收效率与供氮水平呈二次曲线函数关系，在氮浓度为17.5 mmol/L推算为大田氮肥施用量为55.86 ～96.04 kg/hm2时氮素吸收效率最高，这与前人的研究结果一致，适宜的氮肥施用量会使氮利用效率降低，但可以提升棉花对氮素的吸收从而获得高产。同种作物不同品种供给同样的养分，作物对氮素的吸收利用也不尽相同[28]，试验同样得此结论，在适宜棉花幼苗生长的氮浓度17.5 mmol/L的条件下，新陆早48号的氮素吸收效率显著高于新陆早45号，其氮素利用效率却显著低于新陆早45号。