水氮运筹对新疆无膜滴灌棉花生长发育及土壤温室气体排放的影响

李国辉，王兴鹏,3，唐茂淞，赵泽艺，徐雪雯，李明发，王洪博*

（1.塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.塔里木大学现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔843300；3.农业农村部西北绿洲节水农业重点实验室，新疆 石河子 832000；4.新疆生产建设兵团第一师水文水资源管理中心，新疆 阿拉尔 843300）

膜下滴灌技术的大面积推广应用极大地推动了新疆棉花产业的发展[1]。据统计，2021 年新疆棉花种植面积为250.61 万hm2，皮棉总产量为512.9 万t，分别占全国的82.76%和89.50%[2]。膜下滴灌栽培技术在提高新疆地区棉花产量和经济效益的同时，也造成了较为严重的土壤环境污染[3]，限制了棉花的可持续生产。无膜滴灌栽培技术为解决南疆棉田残膜污染问题提供了一条可选择的途径[4-5]。然而由于缺乏地膜的增温、保墒作用，棉花减产风险增大，但通过合理调整水肥运筹模式，也可达到“以肥调水，以水促肥”的目的，从而提高棉花水氮利用效率及产量[6]。另外，还需考虑水肥运筹对土壤温室气体排放的影响，防止农业措施对大气环境造成污染。因此，必须通过改善土壤质量、调控水肥资源以及采取综合管理措施等来挖掘作物的产量潜力，同时达到保护生态环境的目的[7-8]。

土壤水分和养分是农业生产中的重要因素，直接影响作物的生长发育和产量[9]。研究表明，适宜的灌水量有利于提升氮素利用效率；但过量灌水会降低产量和水分利用效率[10-11]。过量施氮不仅显著抑制棉花的生长发育，而且会降低棉株对氮素的吸收并增加土壤硝态氮淋失风险[12]。而适当地灌溉和施肥有利于提高棉花的产量、水分利用效率和肥料偏生产力[13]。邓忠等[14]研究发现南疆棉田的灌水量和施氮量分别为5 850 m3·hm－2和300 kg·hm－2时，棉花的结铃数、铃重、籽棉产量和衣分均显著提高。忠智博等[15]通过田间试验发现，北疆植棉区棉田的灌水量和施氮量分别为5 530 m3·hm－2和262.5 kg·hm－2时，可以获得较高的铃重、单株结铃数和产量。赵爱琴[16]基于大尺度水肥耦合模型估算出南疆棉田的最佳灌水量和施氮量分别为6 040 m3·hm－2和325 kg·hm－2，相应的籽棉产量潜力为6 773 kg·hm－2；北疆棉田的最佳灌水量和施氮量分别为5 520 m3·hm－2和354 kg·hm－2，相应的籽棉产量潜力为5 961 kg·hm－2。王军等[17]通过研究发现，北疆地区膜下滴灌棉田优化灌水量为2 800～3 070 m3·hm－2。而王谊等[18]研究表明北疆植棉区棉田总灌水量为4 500 m3·hm－2时，棉花产量最高，且分8 次灌溉最合理。高效的水肥管理措施是实现作物高产、生态环境可持续发展的重要保障[19]。农田土壤温室气体排放主要受外源肥料输入、灌溉方式及耕作措施等因素的影响[20]。灌溉水的入渗及再分配方式造成土壤水分在时间及空间分布上的差异，进而对CO2与N2O 的产生和排放量及其时空分布产生重要影响[21]。过量施用氮肥易造成大量过剩的氮素残留在土壤中，为土壤中的硝化、反硝化微生物提供充足的底物，增加硝化、反硝化过程中N2O 的产生与排放[22]，因此合理地施肥和灌溉是农田土壤固碳减排的主要措施[23-24]。

国内外诸多学者针对膜下滴灌模式下的棉田水肥运筹措施开展了大量研究[25-27]，但受地域与气候等因素的影响，棉田水肥管理制度有所不同。此外，无膜滴灌条件下的土壤水肥分布、氮素利用效率及增产效应与覆膜条件下明显不同。目前在国内尤其是新疆地区，无膜条件下水肥运筹的相关研究报道较少。而国外学者在无膜条件下开展的相关研究因气候、土壤条件等的差异，其结果并不适于新疆南疆地区参考应用。因此，为提高南疆地区无膜滴灌棉田的产量及水分、养分的利用效率，研究了水氮运筹对无膜滴灌棉花的含氮量、籽棉产量、水分利用效率和氮肥偏生产力等的影响，同时探究了不同水肥处理对棉田土壤温室气体排放的影响，以期为南疆无膜滴灌棉花优质增产及水肥高效管理提供理论依据。

田间试验于2021 年4－10 月在新疆生产建设兵团第一师水文水资源管理中心节水与灌溉试验站（81°17′56.52″E，40°32′36.90″N）进行。试验区年降水量46 mm 左右，地表蒸发强烈，年蒸发量2 100 mm 左右，相对湿度47%～60%，全年≥10 ℃积温4 100 ℃左右，无霜期207 d。田间气象数据（包括降水量、风速、气温等）由试验站内安装的HOBO 自动气象站（美国Onset 公司）提供，试验周期内棉田部分气象数据如图1 所示。试验田土壤的物理性质及全氮含量如表1所示。

表1 土壤物理性质及全氮含量Table 1 Soil physical properties and total nitrogen content

图1 2021 年棉花生育期的气象条件变化Fig.1 Meteorological changes during cotton growth period in 2021

采用裂区试验设计，以灌水定额为主区，施氮量为副区。设置450 m3·hm－2（W1）和540 m3·hm－2（W2）2 个灌水定额；低氮（F1）、中氮（F2）和高氮（F3）3 个施氮水平，其纯氮用量分别为150 kg·hm－2、225 kg·hm－2和300 kg·hm－2。P2O5和K2O追施用量均为150 kg·hm－2，与氮肥一同随水滴施。

供试棉花品种为中棉619，4 月25 日播种，采用40 cm 等行距种植模式，株距为10 cm。每个处理重复3 次，共18 个小区，每个小区面积为60m2（15 m×4 m），处理间预留4～6 行保护行。采用1带2 行的毛管铺设形式，选用内镶式贴片滴灌带，滴头间距为30 cm，滴头额定流量为3.0 L·h－1，工作压力为0.1 Mpa。其他田间管理措施同当地常规棉田。

灌溉频率通过有效降水累积值即参考作物蒸发蒸腾量（ET0）减去降水量（P）进行确定，当累积值达到（45±3）mm 时进行灌溉，ET0计算如公式（1）所示。棉花生育期内共灌水10 次，其中第2、4、6、8、10 次灌溉时随水施肥[28-29]，共施肥5 次，具体灌溉施肥措施如表2 所示。

表2 灌溉施肥处理Table 2 Treatments of irrigation and fertilization

式中，ET0为参考作物蒸发蒸腾量（mm），Rn为净辐射量（MJ·m－2·d－1），G 为土壤热通量（MJ·m－2·d－1），γ为湿度计常数（kPa·℃－1），T为日平均气温（℃），μ2为距地面2 m 高处风速（m·s－1），es为饱和水气压（kPa），ea为实际水汽压（kPa），Δ为温度- 饱和水汽压关系曲线中温度为T时的切线斜率（kPa·℃－1）。

1.3.1土壤及棉花植株全氮含量测定。在苗期（6月18 日）、蕾期（7 月13 日）、花铃前期（8 月1日）和花铃后期（8 月28 日）取土样测定其全氮含量。在各个小区分别取0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm 土层土壤各20 g 左右；经过风干磨细过筛后，取0.3 g 样品置于洁净干燥的消煮管中；缓慢加入5 mL 浓硫酸（质量分数为95%）溶液浸泡样品0.5 h；加入2 mL 双氧水（质量分数为30%）在消煮炉中消煮，当反应消失时继续加双氧水，直至溶液透亮清澈；待消煮液冷却后定容至100 mL 容量瓶中，用Smartchem 200全自动化学分析仪 （深圳一正科技有限公司）测定土壤样品的全氮含量。

同时，在各小区随机选取3 株长势一致的棉花，置于105 ℃烘箱内杀青30 min，于75 ℃烘干至质量恒定后测定单株干物质质量，并按照上述土壤全氮含量测定方法对棉花植株全氮含量进行测定。

1.3.2棉花株高和茎粗的测定。在每个小区随机标记3 株长势均匀一致的棉花，分别于播种后43 d（苗期）、53 d（苗期）、70 d（蕾期）、86 d（花铃期）、102 d（花铃期）和117 d（花铃期）分别用钢尺（1 mm 精度）和电子游标卡尺（0.01 mm 精度）测定棉花的株高和茎粗（子叶上部主茎直径）。

1.3.3籽棉产量测定。于棉花吐絮期（10 月下旬）在每个小区随机选取有代表性的面积为4 m2（2 m×2 m）的样点，实收测定籽棉产量。

1.3.4灌溉水利用效率和氮肥偏生产力测定。灌溉水利用效率 （irrigation water use efficiency,IWUE）的计算如公式（2）所示。

式中，Y为籽棉产量 （kg·hm－2），I为生育期内棉田的总灌水量（m3·hm－2）。

氮肥偏生产力（partial factor productivity from applied nitrogen,NPFP）的计算如公式（3）所示。

式中，Y为籽棉产量（kg·hm－2），F为生育期内的施氮量（kg·hm－2）。

1.3.5土壤温室气体排放测定。随机从各小区中选择3 个样点，采用静态箱（60 cm×60 cm×60cm）法采集土壤温室气体。在每次追施氮肥后第3 天上午10：00－12：00，将静态箱底座（60 cm×60 cm×10 cm）定植于作物间滴灌带下，埋入深度为5 cm，底座外部水槽加水封闭后第0、10、20、30 min 分别使用100 mL 注射器抽取箱内气体，储存于集气袋中，用GC-2014C 气相色谱仪（北京中惠普分析技术研究所）测定CO2、CH4和N2O 的排放量，运用公式（4）计算土壤温室气体排放通量。

式中，L是土壤温室气体N2O、CO2或CH4的排放通量 （kg·m－2·h－1）；ρ是标准状态下测定的气体密度（kg·m－3），h为箱体高度（m）；p为当地大气压强（kPa），p0为标准大气压（kPa）；dc/dt为箱内气体浓度随时间变化的回归曲线斜率；T为静态箱内温度（℃）。

土壤温室气体累积排放量计算如公式（5）。

式中，Ec为CO2、CH4或N2O 的累积排放量 （kg·hm－2）；（ti－ti＋1）为第i次和第（i＋1）次采样的时间间隔（d）；n为观测期间总测定次数。

已知CH4和N2O 在100 年尺度上的全球增温潜势（global warming potential，GWP）分别为CO2的25 倍和298 倍[30]。不同水肥处理排放CO2、CH4和N2O 产生的综合温室效应及单位籽棉产量的全球增温潜势的计算分别如公式（6）、（7）所示。

式中，GHGI（greenhouse gas emission intensity）为土壤温室气体排放强度（kg·kg－1）；Y为籽棉产量（kg·hm－2）。

采用Microsoft Excel 2010 进行数据处理，运用DPS 16.05 高级版软件进行两因素方差分析，采用Duncan 新复极差法进行多重比较，用Origin 2021 软件进行绘图。

由图2（详见附表1）可知，在棉花不同生育时期（苗期、蕾期、花铃前期和花铃后期），各处理的土壤全氮含量均随土层深度的增加呈降低趋势，0～20 cm 土层土壤全氮含量明显高于20～80 cm 土 层。花 铃 后 期W1F1、W1F2、W1F3、W2F1、W2F2 和W2F3 处理的0～80 cm 土层平均全氮含量较播种期分别减少21.17%、16.28%、20.19%、16.25%、24.18%和36.97%。

图2 水氮运筹对无膜滴灌棉田土壤全氮含量的影响Fig.2 Effect of water and nitrogen management on total nitrogen content of soil in cotton field under non-film drip irrigation

W1 处理下，苗期和蕾期0～80 cm 土层平均全氮含量随施氮量增多而增加，花铃前期0～80 cm 土层平均全氮含量随施氮量增加呈先减后增趋势，花铃后期0～80 cm 土层平均全氮含量随施氮量增加呈先增后减趋势；苗期、蕾期和花铃前期F3 处理的0～80 cm 土层平均全氮含量较F2 及F1 处理分别增加6.55%和14.60%、12.41%和15.37%、16.11%和10.85%，花铃后期F2 处理的0～80 cm 土层平均全氮含量较F1 和F3 处理分别增加6.21%和4.90%。W2 处理下，各生育时期0～80 cm 土层平均全氮含量均随施氮量增加呈降低趋势；F1 处理的0～80 cm 土层平均全氮含量较F2 和F3 处理分别增加25.41%和31.22%（苗期）、21.37%和29.84%（蕾期）、27.74%和32.92%（花铃前期）、10.45%和32.87%（花铃后期）。

F1 处理下，0～80 cm 土层平均全氮含量随灌水定额增大而增加，W2 较W1 处理分别增加3.40%（苗期）、3.76%（蕾期）、4.24%（花铃前期）和6.24%（花铃后期）。F2 和F3 处理的0～80 cm 土层平均全氮含量随灌水定额增大而降低。F2 处理下，W1 的0～80 cm 土层平均全氮含量较W2 分别增加30.45%（苗期）、20.05%（蕾期）、17.00%（花铃前期）和10.42%（花铃后期）；F3 处理下，W1 的0～80 cm 土层平均全氮含量较W2 分别增加45.43%（苗期）、44.35%（蕾期）、41.36%（花铃前期）和26.62%（花铃后期）。棉花生育期内，W1F3 处理的0～80 cm 土层平均全氮含量最高，较W2F3（生育期内各土层平均全氮含量最低）处理增加39.31%。

由图3（详见附表2 和附表3）可知，棉花的株高和茎粗随灌水定额和施氮量的增加而增加。W1 处理下，播种后117 d（花铃期），F3 处理的棉花株高较F1 和F2 处理分别显著增加16.36%和7.15%，F3 处理的棉花茎粗较F1 和F2 处理分别显著增加19.14%和14.33%。W2 处理下，播种后117 d，F3 处理的棉花株高较F1 和F2 处理分别增加15.91%和4.65%，F3 与F2 处理差异不显著；F3 处理的棉花茎粗较F1 和F2 处理分别显著增加20.17%和15.35%。播种后117 d，W2 的株高较W1 处理增加2.56%～5.01%、W2 的茎粗比W1 处理增加0.61%～1.50%。播种后117 d，W1F3、W2F2、W2F3 处理的株高差异不显著，但均显著高于W1F1、W1F2 和W2F1 处理；W1F3、W2F3 处理的茎粗显著高于W1F1、W1F2、W2F1和W2F2 处理。

表3 水氮运筹下籽棉产量、灌溉水利用效率和氮肥偏生产力的变化Table 3 Changes of seed cotton yield, IWUE and NPFP under water and nitrogen management

由图4（详见附表4）可知，棉株的全氮含量随生育进程推进呈先升高后降低再升高趋势，蕾期棉株的全氮含量最高。W1F1、W1F2、W1F3、W2F1、W2F2 和W2F3 处理蕾期的棉株全氮含量较苗期分别增加71.22%、90.48%、88.34%、71.83%、94.26%和85.30%。

图4 水氮运筹对棉花植株全氮含量的影响Fig.4 Effect of water and nitrogen management on total nitrogen content of cotton plant

W1 处理下，棉株的全氮含量随施氮量增加呈先增后减趋势；F2 处理的棉株全氮含量最高，较F1 和F3 处理分别增加6.30%和0.55%（苗期）、18.25%和1.69%（蕾期）、8.32%和1.65%（花铃前期）、8.82%和0.41%（花铃后期）；不同生育时期，F2 处理的棉株全氮含量显著高于F1 处理，但与F3 处理差异不显著。W2 处理下，植株全氮含量与W1 处理下的变化趋势基本一致，F2 处理的棉株全氮含量较F1 和F3 分别增加4.47%和1.05%（苗期）、18.10%和5.94%（蕾期）、5.80%和0.34%（花铃前期）、7.09%和4.60%（花铃后期）。蕾期、花铃前期和花铃后期W2F2 与W2F1 处理的植株全氮含量差异显著，蕾期和花铃后期W2F2 与W2F3 处理的植株全氮含量差异显著。

苗期，在F1 施氮水平下W1 处理的棉株全氮含量较W2 处理减少1.66%；而在F2 和F3 处理下，W1 处理的棉株全氮含量较W2 分别增加0.06%和0.56%，同一施氮量下植株全氮含量差异不显著。蕾期，F1 和F2 处理下，W2 处理的棉株全氮含量较W1 分别增加2.05%和1.92%，而在F3 处理下W2 的棉株全氮含量较W1 减少2.16%；同一施氮量下植株全氮含量差异不显著。花铃前期棉株全氮含量随灌水定额增大而增加，F1、F2、F3 处理下，W2 处理的棉株全氮含量较W1 处理分别显著增加11.16%、8.56%和9.98%。花铃后期，F1、F2 处理下，W2 处理的植株全氮含量较W1 处理分别增加3.79%和2.14%，而在F3处理下W2 处理的植株全氮含量较W1 处理减少1.95%。不同生育时期W2F2 处理的植株全氮含量较高，苗期、蕾期、花铃前期和花铃后期较W1F1（棉株全氮含量最低）处理分别显著增加6.23%、20.53%、17.60%和11.15%。

由表3 可知，灌水定额、施氮量及其交互作用均显著或极显著影响籽棉产量、IWUE 和NPFP。W1 处理下，籽棉产量随施氮量增多而增加；F3 处理的籽棉产量较F1 和F2 处理分别显著增加15.44%和7.91%。W2 处理下，籽棉产量随施氮量增加呈现先增后减趋势，F2 处理的籽棉产量较F3 和F1 处理分别增加8.12%和2.84%，其中F1 和F2 处理显著高于F3 处理，但F1 和F2 处理的籽棉产量差异不显著。F1 和F2 处理的籽棉产量随灌水定额增大而增加，分别显著增加14.42%和10.00%；F3 处理下的籽棉产量随灌水定额增大而减小，W2F3 较W1F3 显著下降5.72%。W1F3、W2F1 和W2F2 处理的籽棉产量无显著差异，且显著高于另外3 个处理。

在F1、F2 和F3 处理下，IWUE 随灌水量增大而降低，分别降低4.00%、8.21%和21.38%，F2和F3 处理下差异显著。同一灌水量下，NPFP 随施氮量增加而降低；W1 处理下，F3 的NPFP 较F1 和F2 分别显著降低42.26%和19.05%；W2 处理下，F3 处理的NPFP 较F1 和F2分别显著降低52.45%和30.64%。综上，W1F3 处理的IWUE 最高，显著高于其他处理；而W2F1 处理的NPFP 显著高于其他处理。

由表4 可知，灌水定额极显著影响CH4的累积排放量[Ec（CH4）]，显著影响CO2的累积排放量[Ec（CO2）]、N2O 的累积排放量[Ec（N2O）]、全球增温潜势（GWP）和土壤温室气体排放强度（GHGI）；施氮量对土壤Ec（CO2）、Ec（CH4）、Ec（N2O）、GWP和GHGI 均产生极显著影响；而水氮交互作用极显著影响Ec（CH4）。

W1 处理下土壤Ec（CO2）、Ec（CH4）、GWP 和GHGI 均随施氮量增加而减小，F1 处理较F2 和F3 处理分别显著增加31.37%和43.29%、13.81%和15.07%、34.66%和41.22%、45.35%和64.47%。W2 处理下Ec（CO2）、Ec（CH4）和GWP 的变化趋势与W1 处理一致，F1 处理较F2 和F3 处理分别显著增加41.01%和55.46%、7.59%和9.97%、41.86%和51.72%；GHGI 随施氮量增加呈先降低后升高趋势，F1 较F2 和F3 处理分别显著增加45.83%和43.84%。同一灌水定额下，Ec（N2O）随施氮量增加均呈先减少后增加趋势。W1 处理下，F2 的Ec（N2O）较F1 和F3 分别减少36.76%和28.22%；W2 处理下，F2 的Ec（N2O）较F1 和F3分别减少36.36%和31.82%。

同 一 施 氮 量 下，土 壤Ec（CO2）、Ec（CH4）、Ec（N2O）、GWP 和GHGI 均随灌水定额的增加而减少。150 kg·hm－2施氮量下，W1 较W2 处理的Ec（CO2）、Ec（CH4）、Ec（N2O）、GWP 和GHGI 分别增加2.70%、17.50%、12.12%、3.61%和19.05%；225 kg·hm－2施 氮 量 下，W1 处 理 的Ec（CO2）、Ec（CH4）、Ec（N2O）、GWP 和GHGI 较W2分 别增 加10.23%、11.55%、11.43%、9.14%和19.44%；300 kg·hm－2施 氮 量 下，W1 处 理 的Ec（CO2）、Ec（CH4）、Ec（N2O）、GWP 和GHGI 较W2 分别增加11.42%、12.54%、5.84%、11.31%和4.11%。W1F1、W2F1 处 理 的Ec（CO2）、GWP 显 著 高 于其他处理，但二者差异不显著；W1F1 处理的Ec（CH4）、Ec（N2O）和GHGI 均 显 著 高 于 其 他处理。

由图5 可知，在W1 和W2 灌水定额下，施氮量与籽棉产量、施氮量与GWP 均为一元二次抛物线关系。在一定施氮量范围内 （W1 处理150.00 ～272.50 kg·hm－2；W2 处 理150.00 ～276.63 kg·hm－2），GWP 随着施氮量增加而降低。W1 处理下，籽棉产量随施氮量增加逐渐增加，当施氮量达到190.09 kg·hm－2时籽棉产量拟合曲线与GWP 拟合曲线相交，2 条拟合曲线的决定系数（R2）分别为0.94 和0.95。在W2 处理下，籽棉产量随施氮量增加呈现先增后减趋势，施氮量达到157.35 kg·hm－2时籽棉产量拟合曲线与GWP 拟合曲线相交，2 条拟合曲线的决定系数分别为0.64 和0.97。W1 处理的籽棉产量拟合曲线与W2 处理的籽棉产量拟合曲线在施氮量为278.07 kg·hm－2时相交。

图5 不同灌水定额下施氮量与籽棉产量和GWP 的拟合曲线Fig.5 Fitting curves of nitrogen application rate and seed cotton yield and GWP under different irrigation quota

水氮运筹显著影响土壤全氮含量以及植株对氮素的吸收，适宜的水氮供应能够促进土壤氮素积累并显著提高植株对氮素的吸收[31-32]。本研究发现，W1（450 m3·hm－2）处理下，苗期和蕾期0～80 cm 土层土壤平均全氮含量随施氮量增加而增加，花铃前期0～80 cm 土层平均全氮含量随施氮量增加先减后增，花铃后期0～80 cm 土层平均全氮含量随施氮量的增加先增后减；W2（540 m3·hm－2）处理下，在棉花不同生育时期的土壤全氮含量均随施氮量的增加而降低。在中氮（225 kg·hm－2纯氮，F2）和高氮（300 kg·hm－2纯氮，F3）水平下，增加灌水量降低了土壤全氮含量，说明同时增加灌溉量和施氮量能够抑制土壤氮素累积，可能是因为较大的灌溉量加强了土壤中的水分对氮素的淋洗作用，导致土壤肥力降低[33]。花铃后期各处理的0～80 cm 土层平均全氮含量均较播种期降低，且高水高氮（W2F3）处理下的减少幅度最大，说明高水高氮条件不利于土壤氮素的累积，且可能会加剧土壤氮素损失[34]。灌水定额相同条件下，植株全氮含量随着施氮量增加呈现先升高后降低趋势；施氮量相同条件下，花铃前期棉株全氮含量随着灌水量的增加而增加，并且在高氮F3 处理下，苗期、蕾期和花铃后期棉株全氮含量随着灌水量的增加而降低。说明适当增加灌溉量和施氮量能够促进棉株对氮素的吸收利用；过量灌溉或施氮都会降低棉株对氮素的吸收利用[11,35]。高氮和低氮（150 kg·hm－2纯氮，F1）处理的棉株含氮量低于中氮处理，说明过度施用氮肥会抑制棉株对氮素的吸收[36]，而较低的氮肥用量却不能满足棉花生长发育及产量提高的需求。同时，水氮耦合效应也改变了土壤中细菌的群落结构[37]和作物根系对水分、养分的吸收[38]，在一定程度上提高棉花植株对土壤氮素的利用效率。土壤全氮含量较低，而棉株全氮含量较高，说明棉株对氮素的吸收受到促进；土壤全氮含量较高，而棉株全氮含量较低，说明棉株对氮素的吸收受到抑制；而当土壤全氮含量和棉花植株全氮含量均较低时，说明氮素在土壤中损失。W1 处理下，籽棉产量和IWUE 随施氮量增加而升高；在W2 处理下，籽棉产量和IWUE 随施氮量增加呈先增加后降低趋势，出现高氮抑制产量、降低水分利用效率的现象。在低氮和中氮处理下NPFP 随灌水定额增加而升高，在高氮处理下表现为随灌水量增加而降低，说明水氮运筹对作物产量、灌溉水利用效率和氮肥偏生产力具有显著影响[39]。这是因为施用氮肥能够促进作物地上部生长，显著提高地上部生物量，但当施氮量超过阈值时，植株对氮素的吸收利用会受到抑制，造成作物产量降低[40]。因此，适宜的水氮运筹有利于促进棉花的生长发育及产量的提升。

水氮运筹对农田土壤温室气体排放具有显著影响，适宜的水氮运筹不仅能减缓温室气体排放带来的环境效应，还能提高作物产量，最终实现稳产缓排[41-42]。无膜滴灌棉田Ec（CO2）随灌溉定额和施氮量的增加而减少，说明灌水量或施氮量过多均会对Ec（CO2）起抑制作用，可能是由于对土壤中微生物的活动产生了负效应[43]。Ec（CH4）随灌溉量和施氮量的增加而减少，且均为负值，说明CH4表现为土壤内源吸收，这是因为在有氧环境下土壤中的CH4可被氧化成CO2[44]。水分和氮素含量作为影响土壤N2O 排放的重要环境因子，适当增加灌溉量会影响土壤中氮素的分布结构，促进植株对氮素的吸收，并改变土壤环境，也会影响N2O 的排放。Ec（N2O）随施氮量增加呈先减小后增大趋势，中氮处理下N2O 排放减少，这是因为棉株在中氮处理下对氮素的吸收利用效率较高，而高氮处理会抑制棉株对土壤氮素的吸收利用，使得硝化作用与反硝化作用受到影响[45-46]。GWP 主要受CO2影响，其次是N2O，有氧环境下CH4的排放对GWP 的影响可忽略不计。本试验中GWP 的变化趋势与Ec（CO2）的基本一致，其中CO2贡献占比达到90%以上，N2O 的贡献占比约5%左右，CH4的贡献占比可以忽略不计，这与杜世宇等[46]的研究结果相似。

低定额灌溉下增加施氮量可显著提高棉花产量，高定额灌溉下增加施氮量会降低棉花产量和氮肥偏生产力。W1F3 处理的灌溉量和棉花产量分别为450 m3·hm－2和6 511.45 kg·hm－2，较W2F2 分别降低16.67%和1.90%。对于水资源短缺的南疆地区，气候变化将会进一步增加水资源利用压力[47]和灌溉用水需求[48]，为缓解南疆地区水资源压力，通过增加施氮量替代较大灌溉量的增产效应、提高灌溉水利用效率[49]是棉花可持续生产的一条可行途径。W1F3 处理的施氮量为300 kg·hm－2，较W2F2 处 理 的 施 氮 量 增 加33.33%，但土壤温室气体排放强度仅增加了5.56%。通过拟合曲线发现，450 m3·hm－2灌水定额和190.09 kg·hm－2施氮量下，籽棉产量拟合曲线和温室气体排放拟合曲线相交；540 m3·hm－2灌水定额和157.35 kg·hm－2施氮量下，籽棉产量拟合曲线和温室气体排放拟合曲线相交；W1 处理的籽棉产量拟合曲线与W2 处理的籽棉产量拟合曲线在施氮量为278.07 kg·hm－2时相交。综合分析可知，450 m3·hm－2灌水定额和300 kg·hm－2施氮量是南疆无膜滴灌棉花节水、增产、减排的高效水氮施用模式。由于关于南疆无膜滴灌棉花增肥节水增产的研究尚处于探索阶段，而年际间棉花的生长发育、产量和纤维品质也会随气候变化而存在差异。因此，还需开展进一步的试验研究。

增加灌水量和施氮量能够促进棉花生长，同时也会影响土壤氮素含量。同一施氮水平下，与540 m3·hm－2灌水定额相比，450 m3·hm－2灌水定额下土壤温室气体排放更高。450 m3·hm－2灌水定额下，增加施氮量可显著提高籽棉产量和灌溉水利用效率，但是氮肥偏生产力降低。同一灌水定额下，相比于150 kg·hm－2与300 kg·hm－2纯氮处理，225 kg·hm－2纯氮处理可促进植株对氮素的吸收利用；540 m3·hm－2灌水定额下，在一定范围内增加施氮量可提高灌溉水利用效率和籽棉产量，但随着施氮量的增加氮肥偏生产力降低；同一灌溉定额下增加施氮量可降低全球增温潜势。综合分析可知，对于水资源短缺的南疆地区，4 500 m3·hm－2总灌溉量和300 kg·hm－2施氮量是无膜滴灌棉花节水、增产、减排的高效水氮施用模式。

附表：详见本刊网站（http://journal.cricaas.com.cn/）本文网页版。

附表1 不同处理下土壤全氮含量

Table S1 Total nitrogen content of soil under different treatments

附表2 不同处理下棉花的株高

Table S2 Plant height of cotton under different treatments

附表3 不同处理下棉花的茎粗

Table S3 Stem diameter of cotton under different treatments

附表4 不同处理下棉株全氮含量

Table S4 Total nitrogen content of cotton plants under different treatments