不同形态氮肥对膜下滴灌棉花15N回收率和产量的影响

李鹏程，郑苍松，孙 淼，邵晶晶，冯卫娜，董合林*

（1.中国农业科学院棉花研究所，棉花生物学国家重点实验室，河南 安阳 455000；2.中国农业科学院西部农业研究中心，新疆 昌吉 831100）

硝态氮和铵态氮是植物生长发育所能吸收的氮素形态，作物通过根系吸收硝态氮和铵态氮，然后将其同化为氨基酸转运到地上部，从而满足作物生长发育的氮素养分需求。植物对氮形态利用具有偏好性和可塑性，这可能是由于植物对土壤氮形态特性的长期适应而形成的［1］。不同作物对铵态氮和硝态氮的喜好不同，而且施用不同形态氮肥对作物生长发育、产量的影响还受土壤类型、栽培条件、水分管理等因素的影响，因此作物对不同形态氮肥的响应结果也不一致。不同形态氮肥在小麦、水稻、油菜、大豆等作物上均有研究。酰胺态氮肥在中氮（150 kg/hm2）条件下能显著提高强筋小麦产量和籽粒含氮量，在高氮（225 kg/hm2）条件下能显著改善强筋小麦品质［2］。轻度适宜的干湿交替灌溉配合施用一定比例的铵硝混合氮肥可以充分发挥水肥的耦合效应，促进强健根系形态的建成，提高根系的碳氮代谢及养分吸收利用，从而促进水稻的高产稳产［3-4］。旱地土壤中，与单施硝态氮相比，单施铵态氮更能促进油菜地上部生物量和籽粒产量的提高［5］。施氮可提高大豆根、茎、叶、豆荚的生物量，硝态氮肥效果优于铵态氮肥［6］。适宜浓度的铵态氮素可促进甘薯块根的生长，提高块根产量［7］。施用铵态氮还能促进作物对重金属的吸收，在施氮量一致的条件下，施用生理酸性氮肥有利于促进八宝景天吸收镉［8］。铵态氮和硝态氮肥料混合施用可以提高某些作物的施氮效果，铵态氮和硝态氮等比例施用可提高烤烟的产量［9］；铵硝比为25∶75可提高辣椒单果重、维生素C、可溶性蛋白质、总酚及类黄酮的含量［10］。

氮肥不同用量在棉花中的研究报道较多［11-12］，国内不同形态氮肥在棉花上的施用效果研究报道较少，多为盆栽和水培条件结果。桶栽条件下，尿素、硫酸铵、硝酸钙3种氮肥对棉花单株干物质质量、单株成铃数、铃重、籽棉产量、单株氮素吸收量的影响未达到显著水平［13］。盆栽条件下，受盐胁迫的棉花对铵态氮和硝态氮的响应结果不一致，施硝态氮棉花的生物量和叶片全氮含量显著高于施铵态氮，但棉花叶片的Bt蛋白含量略低于铵态氮处理［14］。水培条件下，铵硝混合态氮素营养有利于苗期棉株干物质的积累［15］；铵硝等比例混合营养可显著提高棉苗干物质质量。低温胁迫下，增施铵态氮肥可显著提高氮素养分积累，促进棉苗生长，同时可增加渗透调节物质积累，提高抗性［16-17］。不同形态氮肥在大田的研究报道较少，盐渍化棉田铵态氮肥和磷肥条施、花铃期滴施铵态氮肥能显著促进棉花养分吸收，提高棉花产量［18］。国外有不同形态氮肥在棉花大田施用效果的报道。Babaria等［19］在印度的田间试验表明，尿素、硫酸铵、硝酸铵钙等氮肥施用（氮用量160 kg/hm2）对棉花的生长、产量和品质无显著影响，从当地肥料价格成本考虑，尿素更适宜。Flávio等［20］报道巴西棉田追施硝酸铵效果优于追施尿素。Reiter［21］报道美国田纳西州棉田施用尿素硝铵的增产效果优于硝铵。Watts等［22］报道美国阿拉巴马州农业试验站棉花播种后施用尿素硫酸铵（尿素和硫酸铵按50∶50的等质量混合，氮含量34%）和硫酸铵较施用尿素能促进棉花生长（氮用量101 kg/hm2），提高皮棉产量，但对棉花纤维品质无显著影响。新疆一膜三行等行距密植机采棉模式可加快棉花生长发育进程，提高伏前桃比例，脱叶效果好，可减少碎叶杂质，增加棉纤维上半部平均长度，提高棉花产量［23-26］，具有很好的推广应用前景，研究该种植模式下正确地选择氮肥形态、高效施氮对棉花的提质增效具有重要的理论意义。本研究采用氮同位素示踪技术，在等量供氮条件下，研究膜下滴灌棉花对尿素、硫酸铵、硝酸钙3种不同形态氮肥的响应，以期为膜下滴灌棉田氮肥合理选择和高效运筹提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019～2020年在新疆生产建设兵团农一师阿拉尔市中国农业科学院棉花研究所南疆生态试验站进行。试验地位于塔克拉玛干沙漠北缘，属于典型的暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，年均气温10.6℃，年均≥10℃日照时数1793 h，无霜期208 d，≥10℃年积温5695℃。试验地土壤质地为砂壤土，0～20 cm土层土壤含有机质10.58 g/kg、碱解氮84.87 mg/kg、全氮0.64 g/kg、有效磷25.38 mg/kg、速效钾190.5 mg/kg，pH 7.7。

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组试验设计，设置3种不同形态氮肥，分别为尿素、硫酸铵、硝酸钙，全生育期氮用量为270 kg/hm2，分现蕾期、初花期、盛花期、盛铃期4 次等量追施，以不施氮处理为对照。种植方式为76 cm等行距，膜宽2.05 m，一膜三行，小区面积为73.2 m2，4次重复，每小区用施肥罐单独控制追肥。磷、钾肥作基肥施用，施用肥料分别为过磷酸钙和硫酸钾，用量分别为P2O5120 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2，灌溉方式为膜下滴灌，其他栽培管理措施同当地高产大田。机器铺膜，人工点播，株距7.3 cm，种植密度18×104株/hm2。供试棉花品种为‘中棉所96A’。播种时间、生育期和供应时间见表1。

表1 2019和2020年氮肥试验生育期和15N肥料标记时间（月-日）

在氮肥施用小区，分别设置微区试验，微区面积（0.8 m×2.28 m），微区中间1 行棉花施用15N标记的氮肥，施肥前将氮肥施用量精确计算到单株。15N标记的氮肥由上海化工研究院生产，施肥时先将15N标记的氮肥用水充分溶解，苗期在棉株旁10 cm处挖40 cm深的小洞，用医用注射器将15N氮肥溶液均匀注射入洞内，等溶液被土壤吸收后，用土将洞口盖实，减少挥发损失。1个重复连续标记5株棉花，每个处理标记20株棉花。对注射15N标记氮肥的棉株挂牌，便于精细病虫害管理和施肥。为保证15N肥料标记小区氮肥施用的一致性和均匀性，微区中未施用15N标记肥料的中行、边行棉株也要采取同样的方法和施用量进行非15N标记氮肥的注射。同时微区标记小区水肥单独控制，免受施肥小区滴肥的影响。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 棉株收获取样

对于15N标记的棉株，棉花生长期间单株进行精细管理，整枝及落叶分单株收集。棉花进入吐絮期以后，用大的尼龙网袋套住整株棉花，及时采集棉花黄叶，减少落叶损失。棉花吐絮85%时将整株棉花拨除，用剪刀分成根（子叶节以下）、茎、叶、籽棉4个部分，恒温干燥箱70℃烘干至恒重，用电子天平称取干物质质量，分部位磨碎后留样待测。

1.3.2 土壤样品取样

棉花收获后对应每个单株取1个0～60 cm土壤混合样，每个混合样由3个点混合而成，取样点分别分布在棉行上、距棉行20 cm、距棉行40 cm处。采用四分法留取土壤混合样，鲜样采用流动分析仪室内测定土壤硝态氮和铵态氮含量，其余土样自然晾干磨碎，过0.25 mm筛备用。

1.3.3 样品处理和送检

棉株和土壤样品处理完毕后，编号送至河北省农业科学院植物生理研究所，测定棉株和土壤的15N丰度、全氮含量。

1.3.415N回收率计算

根据送检结果进行棉株和土壤15N回收率计算，相关计算公式［27-28］如下：

棉株不同部位氮吸收量（g）＝棉株不同部位生物量（g）×全氮含量；

棉株吸收的氮素来自氮肥的百分比Ndff（%）＝（棉株15N丰度-0.3663）/（肥料15N丰度-0.3663）×100；

棉株不同器官15N累积量（mg）＝棉株全氮吸收量（g）×Ndff（%）×1000；

棉株15N回收率（%）＝棉株15N积累量／15N施入量×100；

土壤15N回收率（%）＝土壤15N积累量／15N施入量×100。

1.3.5 籽棉产量实收

于收获期在每小区选取具有代表性的连续10株棉花，籽棉产量实收，计算单株籽棉产量。

1.4 数据分析

采用DPS 19.05处理数据、Origin 2018制图。

2 结果与分析

2.1 不同形态氮肥对棉花单株干物质质量的影响

由图1可得，硫酸铵和尿素处理棉花单株干物质质量无显著差异，2019年尿素处理棉花单株干物质质量比硝酸钙处理显著高5.6%，但2020年3种不同形态处理棉花单株干物质质量无显著差异。

图1 施用不同形态氮肥棉花单株干物质质量

2.2 不同形态氮肥对棉株15N回收率、土壤15N残留率、氮肥损失率和棉花单株籽棉产量的影响

由图2（A）可得，硫酸铵和尿素处理的棉株15N回收率显著高于硝酸钙处理，2019年分别显著高于硝酸钙处理1.1和1.6个百分点，2020年分别显著高于硝酸钙处理6.4和3.5个百分点。由图2（B）可得，硫酸铵和尿素处理土壤15N残留率显著低于硝酸钙处理。其中，2019年分别低10.0和10.7个百分点，2020年分别低8.6和10.9个百分点。由图2（C）可得，2019年硫酸铵和尿素处理氮肥损失率分别显著高于硝酸钙处理8.9和9.1个百分点，2020年尿素处理氮肥损失率分别显著高于硫酸铵和硝酸钙处理5.2和7.4个百分点。由图2（D）可得，硫酸铵和尿素处理间的籽棉产量无显著差异，但2019、2020年均分别显著高于硝酸钙处理13.7%和10.0%、5.7%和5.9%。

2.3 不同形态氮肥处理收获期土壤铵态氮和硝态氮含量比较

由图3可得，硫酸铵处理0～60 cm土层土壤铵态氮含量显著高于尿素和硝酸钙处理，尿素处理显著高于硝酸钙处理。硝酸钙处理0～60 cm土层土壤硝态氮显著高于硫酸铵和尿素处理，硫酸铵处理显著高于尿素处理。总体来看，棉花收获期硝酸钙处理0～60 cm土层土壤矿质氮含量显著高于硫酸铵和尿素处理，硫酸铵处理显著高于尿素处理。

图2 施用不同形态氮肥棉株15N回收率、土壤15N残留率、氮肥损失率和棉花单株籽棉产量

图3 不同形态氮肥处理收获期棉田0～60 cm土层土壤铵态氮和硝态氮含量

3 讨论

3.1 不同形态氮肥对棉花单株干物质质量和籽棉产量的影响

本试验条件下，硫酸铵和尿素处理棉花单株干物质质量在2019年显著高于硝酸钙处理，但在2020年棉花单株干物质质量未见显著差异。硫酸铵和尿素处理棉花单株籽棉产量无显著差异，与李鹏程等［13］、Babaria等［19］、Mullins等［29］试验结果一致。Watts等［22］大田试验报道硫酸铵肥效优于尿素，可能与其施氮时期和灌溉方式有关，其施氮时间为棉花播种后5～6周，采用人工土壤表层撒施，灌溉方式为喷灌，可能增加了氮肥的氨挥发损失，而尿素的氨挥发损失高于硫酸铵［30］。另外一个因素是硫酸铵的硫元素可能促进氮肥利用率和产量的提高［31］。硫酸铵和尿素处理棉花单株籽棉产量显著高于硝酸钙处理，结果与李鹏程等［13］盆栽的试验结果不一致，可能与种植方式、施氮量、水肥管理方式、产量水平不同有关。

3.2 不同形态氮肥对棉花15N回收率、土壤15N残留率、氮肥损失率的影响

本试验中，硫酸铵和尿素处理棉株15N回收率显著高于硝酸钙处理，与单株籽棉产量的结果一致，表明施用硫酸铵和尿素较施用硝酸钙更好地促进了棉株对氮的吸收和转化利用，从而获得了较高的籽棉产量。

习金根等［32］研究表明，硝态氮肥在土壤中的淋失量高于尿素和铵态氮肥，淋失的氮素主要为肥料氮，砂壤土上氮素的淋失量明显高于粘壤土。本试验2020年硝酸钙处理0～60 cm土层土壤硝态氮含量显著高于硫酸铵和尿素处理，这一结果与硫酸铵和尿素处理土壤15N残留率低于硝酸钙处理结果一致，说明土壤硝态氮中包含部分肥料氮转化的氮素。

本试验中棉花15N回收率变化范围为22.5%～28.9%，低于Rochester等［33］报道的15N回收率为35%～50%，与其试验施氮量较低80 kg/hm2、同时添加了硝化抑制剂氯唑灵有关；与Hou等［34］报道的15N回收率（35.5%～42.5%）较接近，其施氮量为240 kg/hm2，与本试验也较接近。本试验中土壤15N残留率变化范围为27.8%～40.6%，高于Hou等［34］报道的15.7%～20.7%，与文献［35-37］报道的棉田土壤15N残留率变化范围（12%～35%）较接近，可能与不同试验棉花产量水平不一致和棉区降水量不一致有关。本试验氮肥损失率变化范围为35.2%～44.3%，低于Torbert等［38］、Karlen等［39］报道的40%～60%。

4 结论

膜下滴灌棉花一膜三行种植模式下，在全生育期施氮总量一致、等量分次施用的条件下，施用硫酸铵和尿素相比施用硝酸钙获得了较高的籽棉产量、15N回收率和氮肥损失率，较低的土壤15N残留率、收获期土壤硝态氮含量。