水分亏缺下有机无机肥配施比例对棉花水氮利用效率的影响

王宁，冯克云，南宏宇，丛安琪，张铜会

水分亏缺下有机无机肥配施比例对棉花水氮利用效率的影响

1甘肃省农业科学院作物研究所，兰州 730070；2中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州 730000；3中国科学院大学，北京 100049

【目的】探究不同水分条件下有机无机肥配施对棉花水氮利用效率和产量的影响，为河西走廊棉区合理利用有机肥提供理论依据。【方法】于2020—2021年进行田间定位试验，采用裂区试验设计，主区为充分灌溉（W1）和亏缺灌溉（W2）；副区为不施肥（CK）、单施化肥（CF）、25%有机肥+75%化肥（OF1）、50%有机肥+50%化肥（OF2）和75%有机肥+25%化肥（OF3），分析不同水分条件下施肥对棉花生育期土壤含水量、阶段耗水量、干物质和氮素积累及转运分配、水氮利用效率、籽棉产量和经济效益的影响。【结果】棉花籽棉产量和水氮利用特征受不同水肥处理及交互作用的显著影响。亏缺灌溉下棉田土壤含水量、总耗水量、植株干物质积累量、氮素积累量和籽棉产量显著下降，而水分利用效率显著提高。适宜的有机无机肥配施处理能够提高0—40 cm土层土壤含水量，降低棉花苗期和蕾期耗水，增加花铃期耗水量，提高棉花干物质和氮素积累量，并促进其向生殖器官中分配。充分灌溉条件下，25%有机肥配施处理（OF1）籽棉产量最高，两年平均较单施化肥（CF）提高10.5%；50%有机肥配施处理（OF2）与单施化肥（CF）无显著差异，但75%有机肥配施处理（OF3）显著降低。25%有机肥配施处理在各施肥处理中水氮利用效率最高，其中水分利用效率、氮素利用率和氮肥农学利用率分别较单施化肥提高8.9%、14.3%和28.9%。亏缺灌溉条件下，有机无机肥配施处理籽棉产量均高于单施化肥，其中50%有机肥配施处理表现最高，两年籽棉平均产量较单施化肥提高12.9%，同时50%有机肥配施处理水氮利用效率也表现为最高，其中水分利用效率、氮素利用率和氮肥农学利用率分别较单施化肥提高6.3%、35.5%和31.6%。【结论】适宜比例的有机无机肥配施能够协调土壤-作物水分养分供需关系，提高棉花籽棉产量和水氮利用效率。综合考虑产量、水氮利用效率和植棉效益，25%有机肥配施处理为河西走廊棉区适宜的有机肥配施模式。

棉花；有机肥；化肥；比例；籽棉产量；水氮利用效率

0 引言

【研究意义】棉花是我国重要的经济作物，在我国经济发展中占有重要地位[1]。近年来，随着我国棉花产业布局的调整，棉花种植不断向西北内陆棉区转移[2]。作为西北内陆棉区的重要组成部分，甘肃河西走廊棉区具有光热资源充足、昼夜温差大以及降水稀少等适宜棉花种植的自然条件，是我国优质棉花生产区[3]。但该区域为典型的干旱灌溉农业区，由于气候变化的影响以及水资源的不合理利用，区域地下水位不断下降，水资源短缺是限制当地棉花产业发展以及威胁区域生态安全的主要因素之一[4]。此外，棉田长期大量单一施用化肥而有机质投入不足，不仅造成土壤质量不断下降，氮素利用效率低下，而且导致一系列的环境问题，如土壤硝酸盐的大量残留和淋失、氮氧化物排放加剧、土壤酸化等[5-6]。因此，如何在水分亏缺下探究合理的施肥结构，减少化肥施用，协同提高作物的水氮利用效率，对于缓解区域水资源短缺、改善农田生态环境，推动当地农业可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】水资源短缺是影响干旱地区作物生产的主要因素[7]，水分亏缺不仅影响土壤中氮素的有效性，而且限制作物对氮素的吸收利用能力[8]，同时，良好的土壤氮素营养状况能够提高作物对水分胁迫的耐受性，提高作物水分利用效率[9]。因此，利用水肥耦合特性，通过合理的养分管理来调控作物的水分利用过程，实现以肥调水和以水促肥，是提高旱区作物水氮利用效率的关键[10-11]。广泛研究表明，有机无机肥配施不仅具有培肥土壤、提高产量、保护环境等积极效应[12-13]，而且能够调控土壤水氮供应过程，协调土壤-作物水氮供需关系。陶瑞等[14]研究发现，减少化肥配施有机肥能够增加棉株对氮、磷养分的吸收，且显著提高了氮肥利用率以及田间持水量。谢军红等[15]研究发现，等氮条件下适宜的有机肥与无机肥配施能够协调土壤-玉米供需水关系，提高水氮利用效率。周慧等[16]研究表明，有机无机肥配施能够调节盐渍土在玉米生育期的氮素释放，且适当的有机无机肥配施比例能显著提高玉米水氮利用效率。程煜等[17]对盐渍土向日葵施肥研究发现，化肥减量配施有机肥能够改善作物根区土壤水盐环境，提高作物产量及水氮利用效率。可见，通过有机无机肥配施是实现作物增产以及水肥资源高效利用的有效途径，但由于有机无机肥配施对土壤氮素供应以及作物产量的影响与土壤肥力、水分状况等因素有关[18-19]，不合理的有机无机肥配施比例不仅会造成作物的减产[17,20]，还会造成氮素的淋溶损失[21]。因此，在特定的地区和作物系统中，不同水分条件下有机无机肥配施比例对作物水氮利用效率的影响，还需进一步明确。【本研究切入点】有机无机肥配施对作物水分或氮素利用效率以及产量形成的影响已有较多研究，但不同水分供应条件下有机无机肥配施对土壤水氮利用效率和产量影响的研究较少。【拟解决的关键问题】本研究通过田间试验，研究不同水分条件下有机无机肥配施对棉花水氮利用效率和产量的影响，明确有机无机肥配施在不同水分条件下对水氮吸收利用的调控效应，为河西走廊棉区合理利用有机肥和提高水肥利用效率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

于2020—2021年在甘肃省农业科学院敦煌试验站（甘肃省敦煌市肃州镇魏家桥村，94°38′E，40°17′N）进行田间定位试验。该地区海拔1 138 m，年均降雨量约39.9 mm，蒸发量2 486 mm，年平均气温10.5 ℃，无霜期145 d，属典型的大陆干旱性气候。试验区土壤为灌淤土，田间持水量19.5%、饱和持水量31.25%，凋萎含水量2.58%。播前1 m土体平均容重1.29 g·cm-3。连续两年土壤基础理化性质见表1，棉花生育期内降雨量和平均气温见图1。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，主区为灌溉处理，分别为充分灌溉（W1），生育期总灌溉量为520 mm（当地棉田正常灌溉量）；亏缺灌溉（W2），生育期总灌溉量380 mm。副区为施肥处理，分别为不施肥（CK）、单施化肥（CF）、25%有机肥+75%化肥（OF1）、50%有机肥+50%化肥（OF2）、75%有机肥+25%化肥（OF3）。灌溉量用灌水管末端的水表控制计量，各处理在播前统一灌溉140 mm造墒以保证出苗，在棉花全生育期灌溉4次，于现蕾后（2020年6月18日，2021年6月25日）开始每隔15 d 灌水1 次，W1每次灌溉量为120 mm，W2 每次灌溉量为60 mm。施肥处理中有机无机肥配施比例根据肥料氮含量计算，除不施肥（CK）外，其余各施肥处理氮、磷、钾含量保持相同，均为N 450 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 40 kg·hm-2，当磷和钾不足时用化肥补充。

试验所用商品有机肥由甘肃苏地肥业有限公司生产，其主要原料为发酵腐熟的纯羊粪，含有机质450.0 g·kg-1、全氮72.4 g·kg-1、全磷26.7 g·kg-1、全钾22.8 g·kg-1，在播种前作基肥施入；化肥为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O511%）、硫酸钾（K2O 50%），其中磷、钾以及50%化肥氮作底肥播前施入，剩余50%化肥氮按等比例分4次随灌水施入。试验棉花品种为陇棉10 号，为当地主栽品种。试验采用1膜4行等行距种植模式，行距40 cm，株距15 cm，膜宽140 cm，小区面积38.4 m2（8 m×4.8 m），各处理重复3次。理论种植密度为16.5万株/hm2，小区间设2 m的隔离带，并垂直铺埋80 cm地膜以防水肥渗透。播种时底墒充足，以保证出苗齐整，其他田间管理与当地大田生产保持一致。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤水分及阶段耗水量 在播种前、棉花苗期、蕾期、花铃期、吐絮期采用烘干法测定0—120 cm土层土壤含水量，每20 cm为一个层次，取样点位于地膜中心位置，3次重复，其平均值作为每个处理的土壤含水量。

土壤贮水量计算公式：

SWS=θ×h×r×10

式中，SWS为土壤贮水量（mm），θ为土壤含水量（%），h为土层深度（cm），r为土壤容重（g·cm-3）。

耗水量采用水分平衡公式[22]计算：

ETi=Pi+Ii-ΔSi

式中，ETi为作物i阶段耗水量；Pi为i 阶段的降雨量；Ii为i 阶段灌溉量；ΔSi为i 阶段末与阶段初的土壤贮水量差值（mm）。由于试验区地下水位在20 m以下，同时试验地地势平坦，因此，忽略地下水上移补给、地表径流和深层渗漏的影响。

1.3.2 干物质及氮素积累量 在棉花苗期、蕾期、花铃期、吐絮期，各小区选取代表性植株5株，按茎、叶、蕾、铃壳和纤维等不同器官分开，105 ℃杀青30 min，之后在80 ℃恒温烘干至恒重，测定干物质量，并将烘干的各组织样品经粉碎，采用H2SO4-H2O2消解，半微量凯氏定氮仪测定氮素含量。

表1 试验地播前0-20 cm土层土壤化学性质

图1 2020—2021年棉花生育期内日平均降雨量和温度

采用Logistic 方程y=k/[1+e(a+bt)] 对棉花干物质积累过程进行模拟[7]。以出苗后天数（t）为自变量，地上部干物质量（y）为因变量，干物质最大增长速率vm=-bk/4，干物质最大增长速率出现时间t0=-a/b。

1.3.3 产量及水氮利用效率 在棉花成熟后各小区取5株代表性植株，考查记载单株结铃数、单铃重等产量构成因素，按小区收获籽棉产量计产。

水分利用效率WUE（kg·hm-2·mm-1）=籽棉产量（kg·hm-2）/生育期总耗水量（mm）；

氮肥利用率（NUE，%）=（施氮区植株总吸氮量-不施氮区植株总吸氮量）/施氮量×100；

氮肥农学利用率（NAUE，kg·kg-1）=（施氮区籽棉产量-不施氮区籽棉产量）/施氮量；

氮素转运率（%）=（盛铃期前营养体氮素积累量-吐絮期营养体氮素积累量）/盛铃期前营养体氮素积累量×100。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016 进行试验数据整理与分析，SPSS 20.0软件进行处理间方差分析和显著性检验（Duncan’s），Origin Pro 2018软件作图。

2 结果

2.1 不同水肥处理下棉田土壤含水量变化

不同水肥处理下棉田0—120 cm土层重量含水量在棉花不同生育时期和不同土层具有明显差异性（图2）。亏缺灌溉W2下土壤含水量在盛蕾期、花铃期和吐絮期均显著低于充分灌溉W1。同时，各施肥处理土壤含水量均高于不施肥对照CK。W1条件下，不同生育时期各施肥处理0—40 cm土壤含水量差异显著（＜0.05），其中，盛蕾期和花铃期有机无机肥配施土壤含水量显著高于单施化肥和不施肥处理，盛蕾期OF1、OF2、OF3较CF两年平均分别提高4.1%、3.3%和2.5%，花铃期分别提高7.1%、6.1%和5.9%。各施肥处理间60—120 cm土层含水量无显著差异，吐絮期有机无机肥配施处理0—120 cm土层含水量均高于CK和CF处理，其中OF1土壤含水量在20—80 cm土层最高。W2条件下，有机无机肥配施处理在盛蕾期、花铃期及吐絮期0—60 cm土层含水量均显著高于CF和CK（＜0.05），其中，盛蕾期OF1、OF2、OF3较CF两年平均分别提高7.3%、13.9%和9.9%，花铃期分别提高5.6%、10.5%和6.4%，吐絮期分别提高5.4%、7.0%和2.5%。盛蕾期和花铃期，各有机无机肥配施与单施化肥在深层80—120 cm中土壤含水量无显著差异，而在吐絮期，OF1、OF2、OF3在80—120 cm土层含水量较CF两年平均分别提高4.9%、4.3%和3.5%。各有机无机肥配施处理中，OF2在0—60 cm土层含水量最高，但与OF1和OF2间无显著差异。综合两年试验结果，有机无机肥配施处理显著提高了0—40 cm土层含水量，充分灌溉（W1）下，OF1土壤含水量最高，而在亏缺灌溉（W2）下，OF2土壤含水量最高。

图2 不同生育时期各处理0—120 cm土层土壤含水量垂直变化

2.2 不同水肥处理下棉花阶段耗水量变化

图3显示，不同水肥条件下棉花各生育阶段耗水量总体呈先升高后降低的趋势，其中花铃期为耗水量最高的生育阶段。充分灌溉（W1）下棉花各生育阶段耗水量较亏缺灌溉（W2）增加，其中在花铃期差异显著（＜0.05）。W1条件下，各施肥处理在蕾期、花铃期和吐絮期耗水量均显著高于不施肥处理CK，各施肥处理中，CF在苗期和蕾期耗水量最高，而在花铃期，OF1显著高于其余各施肥处理，其中OF1较CF在花铃期两年耗水量分别提高9.2%和12.1%，OF2和OF3与CF在2020年无显著差异，2021年OF2显著高于CF，但与OF3差异不显著。在吐絮期，各施肥处理间无显著差异，但耗水量均显著高于CK。W2条件下，苗期各施肥处理间耗水量无显著差异，但均显著高于CK，蕾期CF耗水量表现最高，显著高于有机无机肥配施处理，而OF1、OF2和OF3之间无显著差异。在花铃期，有机无机肥配施处理均显著高于CF，其中OF2、OF1和OF3较CF两年平均分别提高16.8%、8.3%和7.2%，OF1与OF3无显著差异。吐絮期OF2耗水量最高，显著高于其余施肥处理，其中较CF两年分别提高18.6%和13.3%，OF1、OF3及CF间无显著差异。两年试验结果显示，有机无机肥配施能够调节棉花耗水进程，与单施化肥相比，有机无机肥配施下棉花在苗期和蕾期耗水量降低，而在花铃期增加。同时，在不同灌水条件下各有机无机肥配施对阶段耗水量的调控效应不同，充分灌溉W1下，OF1在花铃期和吐絮期耗水量最高，而在亏缺灌溉W2下，OF2在花铃期和吐絮期耗水量最高。

同一生育时期不同小写字母表示施肥处理间差异达0.05显著水平。下同

2.3 不同处理下棉花干物质积累与分配

不同水肥处理下棉花干物质积累特征显示（图4），棉花苗期（0—29 d）各处理干物质积累量差异不显著，现蕾后不同施肥处理间开始出现差异，整个生育期干物质积累动态呈“S”型。亏缺灌溉下棉花干物质积累量在花铃期（61—106 d）和吐絮期（107—130 d）显著低于充分灌溉，W2条件下花铃期和吐絮期两年平均干物质积累量较W1分别降低15.9%和19.8%。同一水分条件下，各施肥处理在花铃期和吐絮期表现出明显差异，其中充分灌溉下，单施化肥处理（CF）在蕾期（30—60 d）和花铃期干物质积累量表现最高，而到吐絮期，有机无机肥配施处理中OF1表现最高，两年平均干物质积累量较CF提高4.2%，OF2与CF干物质积累量无显著差异，而OF3较CF显著降低。有机无机肥配施处理较单施化肥能够提高干物质在生殖器官中的分配比例（图5），其中OF1、OF2和OF3分别较CF提高了10.7%、7.6%和5.4%。亏缺灌溉下，各施肥处理间干物质积累量在花铃期和吐絮期出现差异，各有机无机肥配施处理均高于单施化肥和不施肥对照，其中OF2处理在花铃期和吐絮期表现最高，两年平均干物质积累量较CF分别提高7.3%和13.4%，同时OF2干物质在吐絮期生殖器官中的分配比例最高，较CF提高了9.7%。干物质积累特征结果显示，适宜的有机无机肥配施比例能够提高干物质积累量，同时促进干物质在生殖器官中的分配比例。

图4 不同水肥处理下棉花干物质积累动态

图5 不同水肥处理下棉花吐絮期干物质分配

干物质积累速率能够衡量作物干物质积累快慢特征，不同水肥条件下干物质积累速率存在显著差异（图4）。充分灌溉下干物质最大增长速率较亏缺灌溉提高17.6%，最大增长速率的出现推迟4.2 d。充分灌溉条件下，各施肥处理中CF在生育前期较有机无机肥配施处理具有较高的积累速率，最大增长速率表现最高，且最大积累速率出现日期较有机无机肥配施处理提前4.2—7.6 d，随着生育期的推进，CF在花铃期和吐絮期干物质积累速率下降较快，而有机无机肥配施处理降低幅度较小，较单施化肥能保持较高的干物质积累速率，其中OF1在花铃期和吐絮期干物质积累速率表现最高。亏缺灌溉下，CF和CK干物质最大积累速率较有机无机肥配施处理显著下降，且出现日期提前，各有机无机肥配施处理中OF2干物质积累速率最大，两年平均较CF提高13.3%，同时最大积累速率出现日期推迟5.1 d。干物质积累特征结果显示，有机无机肥配施虽然推迟了最大积累速率出现日期，但在花铃期和吐絮期，能够维持较高的干物质积累速率，有利于提高干物质积累量。

2.4 不同水肥处理对棉花氮素吸收与分配的影响

不同水肥处理下棉花吐絮期氮素吸收量存在显著差异（图6）。水分亏缺显著影响植株对氮素的吸收，与W1相比，W2吐絮期氮素吸收量显著下降，两年分别降低9.9%和10.7%。W1条件下，施肥处理各器官氮素积累量均显著高于CK，各施肥处理中，CF处理的营养器官（茎、叶）氮素积累量最高，而OF1在生殖器官（铃壳、纤维）氮素积累显著高于其余施肥处理，其中铃壳氮素含量两年分别提高16.1%和12.8%，纤维中氮素含量分别提高16.6%和16.8%，同时植株氮素吸收总量也显著高于CF。W2条件下，各施肥处理间在营养器官（茎、叶）中氮素含量无显著性差异，但均显著高于CK。有机无机肥配施处理中OF2生殖器官（铃壳、纤维）氮素含量表现最高，其次为OF1，均显著高于CF，其中OF2较CF铃壳氮素含量两年分别提高7.9%和2.6%，纤维中氮素含量分别提高7.4%和9.9%。结果表明在水分亏缺下，适宜的有机无机肥配施比例能够提高生殖器官氮素吸收量。

花铃期和吐絮期各器官氮素分配及转运受水分和施肥及交互作用的显著影响（表2），与W1相比，W2条件下营养器官中氮素分配比例降低，同时花铃期茎叶氮素转移下降，但生殖器官中氮素分配比例提高。W1条件下，CF在花铃期营养器官（茎、叶）中氮素分配比例最高，但在生殖器官（花、铃）中氮素分配比例最低。CK生殖器官氮素分配比例最高，显著高于施肥处理。各施肥处理中有机无机肥配施在生殖器官氮素分配比例均显著高于CF，其中OF3表现最高，两年分别较CF提高了23.5%和15.4%。有机无机配施处理较CF显著提高了花铃期茎叶氮素转移率，其中OF1表现最高，较CF 茎叶两年平均分别提高了23.3%和22.9%。吐絮期各器官氮素分配与花铃期类似，在施肥处理中，有机无机肥配施较CF提高了氮素在生殖器官中的分配比例。W2条件下，花铃期和吐絮期除CK外，其余各施肥处理在营养器官和生殖器官中氮素分配比例无显著性差异，但有机无机肥配施提高了茎叶氮素转移率，其中OF2茎叶氮素转移率最高，较CF 2年平均分别提高了23.4%和15.7%。

图6 不同水肥处理对棉花地上部各器官氮素累积与分配的影响

表2 不同水肥处理对棉花各器官氮素分配率和转运率的影响

2.5 不同水肥处理对棉花产量和水氮利用率的影响

由表3可知，棉花籽棉产量受水分、施肥及两因素间互作效应的显著影响。W1条件下籽棉产量显著高于W2，两年分别提高14.8%和16.6%，各施肥处理籽棉产量均显著高于CK。同一水分条件下，不同施肥处理对籽棉产量影响不同。W1下，各施肥处理籽棉产量随有机肥配施比例的增加先升高再下降，其中OF1籽棉产量显著高于其余施肥处理，两年分别较CF提高9.8%和11.1%，OF2与CF无显著差异，而OF3籽棉产量较CF在2021年无显著差异，但2020年显著低于CF；W2下各施肥处理中，有机无机肥配施处理棉花籽棉产量均高于CF，其中OF1和OF2与CF差异达到显著水平（＜0.05），OF2籽棉产量表现最高，较CF两年分别提高16.0%和13.7%。

W1下棉花生育期耗水量显著高于W2，在W1下，各施肥处理中OF1耗水量最高，显著高于OF2、OF3和CK，但和CF无显著差异；W2下，OF2耗水量显著高于其余各施肥处理，而CF与OF1和OF3之间无显著差异。不同水肥处理及两因素的交互效应对水分利用效率的影响均达到显著水平，W1下棉花水分利用效率低于W2。同一水分处理中，W1下，OF1水分利用效率显著高于其余各处理，两年平均较CF提高8.9%，OF1、OF2与CF无显著差异；W2下，2020年各有机无机肥配施处理均显著高于CF，2021年OF1和OF2显著高于CF，而OF3与CF无显著差异。

水分对棉花氮素利用率的影响存在年际间不一致结果，2020年W2下氮素利用效率高于W1，而2021年W1高于W2。W1下，随有机肥配施比例的提高，氮素利用率先升高后下降，其中OF1表现最高，显著高于其余施肥处理，较CF 2年分别提高14.2%和14.4%；W2下OF2为最高的氮肥利用率施肥处理，较CF两年分别提高10.4%和6.9%。W1条件下氮肥农学利用效率显著高于W2，两年分别提高12.3%和4.8%。与氮素利用率趋势一致，W1条件下各施肥处理中OF1氮肥农学利用效率表现最高，较CF两年分别提高26.3%和31.4%，而W2下OF2为最高的氮肥利用率施肥处理，较CF 2年分别提高38.7%和32.3%。结果总体显示，水肥处理对棉花籽棉产量及水氮利用效率有显著影响，同时两因素表现出交互效应。与W1相比，W2下棉花籽棉产量、氮肥农学效率降低，而水分利用效率提高。W1下，OF1处理籽棉产量和水氮利用效率表现最高，而W2下OF2处理籽棉产量和水氮利用效率表现最高。结果表明，适宜的有机无机肥配施比例较单施化肥能够提高棉花产量和水氮利用效率，特别是在水分亏缺下，能缓解水分亏缺的影响，促进棉花对水氮的吸收利用，最终提高产量。

表3 不同处理棉花籽棉产量及水氮利用效率

Y：籽棉产量；NUE：氮肥利用率；NAUE：氮肥农学利用率；ET：耗水量；WUE：水分利用效率。W：土壤水分；F：施肥；W×F：水分与施肥交互效应；同一水分条件下，不同小写字母表示施肥处理间差异显著（P＜0.05）；*表示差异显著（P＜0.05），**表示差异极显著（P＜0.01），ns 表示差异不显著（P＞0.05）。下同

Y: Seed cotton yield; NUE: Nitrogen use efficiency; NAUE: Nitrogen agronomic use efficiency; ET: Evapotranspiration; WUE: Water use efficiency. W: Soil water condition; F: Fertilization; W×F: Interaction effects between soil water condition and fertilization. The different lowercase letters means significant difference among fertilizer treatments at the 0.05 level under the same soil water condition. * Indicates significance (P＜0.05), ** Indicates highly significance (P＜0.01), ns: Indicates no significance (P＞0.05). The same as below

2.6 棉花籽棉产量与水氮利用效率的相关性

籽棉产量与水氮利用效率的相关性分析结果显示（图7），两年籽棉产量与干物质积累量、氮素积累量、生育期总耗水量呈极显著正相关，与水分利用效率和氮肥农学利用率呈显著正相关。干物质积累量与氮素积累量和总耗水量呈极显著正相关，氮素积累量与总耗水量呈极显著正相关，与水分利用效率呈显著正相关，氮肥利用率和氮肥农学利用率呈显著的正相关。适宜的有机无机肥配施比例能够通过协调棉花对水分和养分的吸收利用，促进对干物质和氮素的积累并向生殖器官中的转运，提高水氮利用率最终实现增产。

DA：干物质积累量；NA：氮素积累量

2.7 不同水肥处理棉花经济效益

由表4可知，受水分、化肥和商品有机肥投入量、籽棉产量和年际间籽棉价格等因素影响，不同处理间总投入、总收入和净收益也不同。W1处理水分投入较W2高600元/hm2，但由于总体产量较高，最终净效益较W2处理显著提高23.2%。由于有机无机肥配施的价格较单施化肥高，因此，随有机肥配施比例的增加，其生产资料总成本也随之增加。W1条件下，OF1施肥处理净效益最高，两年较CF分别提高3.9%和9.5%，其余有机无机肥配施处理较CF净效益均降低。2020年籽棉价格较低，W2条件下，由于OF2和OF3净收益均显著低于CF，而OF1与CF无显著差异。2021年籽棉价格较高，其中OF1和OF2净收益与CF无显著差异，但OF3净收益在各施肥处理中表现最低。总体来看，充分灌溉和亏缺灌溉下，OF1净收益与CF净收益均无显著性差异，而OF2在水分亏缺下，当籽棉价格较高（11. 0元/kg）时才与CF具有无显著差异的净收益，OF3由于投入成本较高，净收益较CF均呈显著下降。

表4 不同水肥处理棉花经济效益

生产资料包括种子（1 500 元/hm2）、地膜（750元/hm2）、灌溉水电费（W1：1 500元/hm2，W2：900元/hm2）、施肥（CK：0，CF：4 200元/hm2，OF1：6 300元/hm2，OF2：8 400元/hm-2，OF3：10 500元/hm2）、农药（150元/hm2）；田间管理成本包括播种、灌溉及收获用工或机械（3 000元/hm2）及植保措施（200元/hm2）。2020年和2021年当地籽棉收购价格分别为6.0和11.0元/kg

The production materials include seeds (1 500 yuan/hm2), plastic film (750 yuan/hm2), irrigation water and electricity costs (W1: 1 500 yuan/hm2, W2: 900 yuan/hm2), fertilizer (CK: 0, CF: 4 200 yuan/hm2, OF1: 6 300 yuan/hm2, OF2: 8 400 yuan/hm2, OF3:10 500 yuan/hm2). Field management includes sowing, irrigation, harvesting labor or machinery (3 000 yuan/hm2) and plant protection measures (200 yuan/hm2). The local price of seed cotton in 2020 and 2021 was 6.0 and 11.0 yuan/kg, respectively

3 讨论

3.1 土壤-棉花水分供需特征及水分利用效率

土壤水分亏缺是限制干旱地区作物生长的主要因子，直接影响作物生长及对养分的吸收利用[23]，协调土壤水分和养分的供应以及提高水分养分利用效率是干旱地区作物高产高效的关键[24]。有机无机肥配施能够改善土壤结构，有效调节土壤水、肥、气、热关系，从而提高土壤蓄水保水性[25]。本研究结果显示，有机无机肥配施较单施化肥提高了盛蕾期、花铃期和吐絮期0—40 cm土层含水量，与已有研究结果一致[17, 20]。有机肥能够降低土壤容重和孔隙度，有利于水分入渗和持水量的增加[17]，同时可以抑制蒸发[26]，最终提高土壤有效含水量。花铃期是棉花营养生长和生殖生长同时进行的重要生育阶段，充足的水分供应是保证干物质积累与产量形成的必要条件，本研究中有机无机肥配施能够在水分亏缺条件下提高土壤含水量，一定程度上有利于缓解干旱胁迫对棉花生长发育的影响。本研究中，不同比例的有机无机肥配施在充分灌溉和亏缺灌溉下0—40 cm土层含水量不同，其中充分灌溉下25%有机肥配施处理土壤含水量最高，而亏缺灌溉下50%有机肥配施处理土壤含水量表现最高，其原因可能是充足的水分条件下，低比例的有机肥配施处理，由于化肥氮比例高，较其他比例的有机肥配施处理生长发育旺盛，干物质积累速率以及积累量高，具有较大的冠层，对土壤的遮阴面积大，抑制土壤蒸发效果较好；而在水分亏缺下，高比例的化肥氮进一步降低了土壤水势，同时过高的有机肥配施比例导致氮素营养供应缺乏，导致干物质积累速率及积累量较低，棉花生长发育较慢，冠层面积较小，土壤蒸发较大。

调节作物耗水进程是提高水分利用效率和抵御生育期干旱的主要途径之一[11]。本研究结果表明，在棉花苗期和蕾期单施化肥耗水量高于有机无机肥配施，而在花铃期，适宜的有机无机肥配施比例显著提高了花铃期棉花耗水量，其原因可能是有机肥中的有机氮必须矿化为无机氮才能被作物吸收利用[27]，有机肥的氮素矿化是由多种微生物和土壤酶参与的一系列过程，受土壤温度、水分及质地等的影响[28]。在棉花生育前期，单施化肥处理其氮素释放较快，充足的氮素营养有利于棉花前期生长发育，干物质积累速率以及干物质积累量较高，植株生长发育旺盛，对土壤水分的消耗利用较多，而有机无机肥配施在棉花生长前期，由于土壤温度较低，土壤酶活性及微生物活性受到影响使有机肥氮素矿化速率较低，影响了土壤前期氮素供应，其干物质积累速率较低，棉花生长发育较为缓慢。进入花铃期，随着土壤温度的上升，土壤中微生物群落结构及数量发生改变，有机肥氮素矿化速率也随之增加[27]，释放的大量有效氮素养分有利于促进了棉花在花铃期的生长，干物质积累速率上升，从而增加了花铃期的耗水量。因此，适宜的有机无机肥配施比例能够通过对棉花生长发育进程的影响从而协调棉花不同生育阶段耗水特性，提高水分利用效率。

3.2 棉花氮素吸收、转运及氮素利用效率

作物对氮素的吸收、转运、积累和分配与作物产量形成密切相关[16]。水分不仅影响土壤中氮素的有效性，而且影响着作物生长发育中氮素的吸收、转运和同化。水分对作物氮素的吸收和利用的影响，与不同生育期干旱程度有关，严重干旱会影响植株对氮素的吸收利用，而作物后期的轻度干旱反而能够促进氮素的积累[29]。本研究中水分亏缺主要在生长发育关键阶段花铃期，因此在亏缺灌溉下棉花植株对氮素的积累量显著降低，虽然在水分亏缺下氮素在生殖器官中分配比例提高，但由于植株总体氮素含量较低，最终影响生殖器官氮素含量，与已有研究结果一致[7,24]。谢军等[30]研究表明，等氮条件下有机氮替代化肥氮能促进玉米对氮素的吸收和向籽粒的转运，提高了氮的利用效率。高洪军等[31]研究表明，长期有机无机配施，不仅能有效调节氮素积累和转运，还能提高氮肥利用效率。本研究结果与相关研究结果一致，适宜的有机无机肥配施比例不仅能够提高棉花花铃期茎叶氮素转移率，而且增加了植株总氮素的积累与向生殖器官中的氮素分配。其原因主要是一方面有机无机肥配施能够调控土壤含水量和作物耗水量间的供需关系，促进作物在关键生育期对水分的吸收利用；另一方面有机无机肥配施能够改善土壤对氮素的供应过程[15]，使土壤养分能够平稳释放[31]，能够在关键期满足棉花的养分需求，实现水肥协调。

棉花氮素利用率受不同灌溉方式和施氮量等因素的显著影响。王肖娟等[32]研究表明，滴灌能够促进土壤与作物氮素供需在时间和空间的同步，降低氮素淋溶损失，较漫灌能显著提高棉花氮素吸收利用率。邹芳刚等[33]等研究表明，长江流域下游滨海盐土区施氮量以300—374 kg·hm-2为理论适宜施氮量，可以兼顾较高的氮素利用率和产量效益。廖欢等[34]研究表明，新疆机采棉灌水量控制在80%ETc时，施氮量为300 kg·hm-2可实现棉花产量和水氮利用率综合效益最大化。秦宇坤等[35]研究表明，黄河流域低肥力棉田最佳施氮量为277 kg·hm-2，超过360 kg·hm-2时，氮肥利用率降低，棉花增产效果不明显。本研究主要基于河西走廊棉区农户习惯性灌溉及施肥模式，其氮素利用率与已有研究结果相比表现较低，分析其原因主要有，一方面本研究采用漫灌方式，增加了氮肥在土壤中转化的时间及损失的强度；另一方面所采用的氮肥用量为当地植棉区多年来与漫灌相匹配的习惯性施氮量，较目前主要植棉区滴灌模式下推荐施氮量偏高。因此，需要在提高当地氮素利用效率的研究中进一步探讨不同灌溉方式下最优施氮量，以实现减肥增效。

3.3 棉花产量及经济效益

有机无机肥配施或替代对作物产量的影响会因不同的配施比例而存在显著差异[19]。申长卫等[36]研究表明，施用有机肥替代20%化肥氮能显著增加小麦产量，而有机肥比例为40%时会出现减产。吕凤莲等[19]研究表明，有机氮替代75%化肥氮能够显著提高作物产量，而100%有机肥替代时会出现减产。本研究中在充分灌溉条件下，25%有机肥配施处理较单施化肥显著增加了籽棉产量，而50%和75%有机肥配施处理，籽棉产量较单施化肥出现不同程度下降，而在亏缺灌溉下，50%有机肥配施处理产量及水氮利用率表现最高，其余有机无机肥配施处理籽棉产量虽然高于单施化肥处理，但水氮利用效率与单施化肥无显著差异甚至降低。不同试验结果的差异性与土壤本身的肥力及水热环境等因素有关[19,37]。充分灌溉条件下，25%有机肥配施处理不仅在生育前期具有较高的干物质积累速率，同时在生育中后期较单施化肥能够维持较高的干物质积累速率，使其下降缓慢，有利于干物质的积累与最终产量的形成。在水分亏缺下，高比例的化肥氮配施处理进一步降低了土壤水势，同时过高的有机肥配施比例由于氮素营养供应缺乏，50%有机肥配施处理能够同时降低两者不利因素，既能保证生育前期较高的干物质积累速率，同时在生育后期具有较高的氮素供应能力以维持较高的干物质积累速率，有利于在水分亏缺下提高籽棉产量。因此，不同水分条件下需要合理的有机肥配施比例，以提高棉花产量。

植棉效益的高低是影响商品有机肥推广使用的重要因素。本研究结果显示，25%有机肥配施处理能够达到与单施化肥无显著差异的植棉效益，同时在籽棉价格较高的条件下能够显著提高净收益。50%有机肥配施仅仅在籽棉价格较高的前提下与单施化肥净收益无显著差异，随着有机肥配施比例的进一步提高，植棉效益也逐渐降低，显著低于单施化肥。因此，综合考虑产量、资源利用效率及植棉效益等因素，25%有机肥配施化肥处理为河西走廊棉区适宜的有机肥配施比例。

4 结论

与单施化肥相比，适宜的有机无机肥配施比例能够提高棉花生育期0—40 cm土层含水量，降低棉花苗期和蕾期耗水，增加花铃期耗水量，提高棉花干物质积累速率和茎叶氮素转移率，植株干物质和氮素积累量，并促进干物质和氮素向生殖器官中的分配。充分灌溉下25%有机肥配施处理以及亏缺灌溉下50%有机肥配施处理不仅能够提高籽棉产量，而且能够协同提高水氮利用效率。综合考虑产量、水氮利用效率及植棉效益等因素，25%有机肥配施化肥为河西走廊棉区有机肥配施的最佳比例。

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Effects of Combined Application of Organic Manure and Chemical FertilizerRatio on Water and Nitrogen Use Efficiency of Cotton Under Water Deficit

1Institute of Crop Sciences, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070;2Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000;3University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049

【Objective】The aim of this study was to explore the effects of combined application of organic manure and chemical fertilizer on water and nitrogen use efficiency and yield of cotton under different water conditions, so as to provide a theoretical basis for the rational use of organic fertilizer in the cotton area of Hexi corridor.【Method】Field experiments were carried out from 2020 to 2021. The experiment was designed by split block, the main plot treatment consisted of full irrigation (W1) and deficit irrigation(W2), and the split-plot treatment was composed of five fertilizer treatments: no fertilizer (CK), single application of chemical fertilizer (CF), 25% organic manure with 75% chemical fertilizer (OF1), 50% organic manure with 50% chemical fertilizer (OF2) and 75% organic manure with 25% chemical fertilizer (OF3), while the nutrient content of each fertilization treatment was equal. The effects of fertilization under different water conditions on soil water content, periodical evapotranspiration, dry matter accumulation, nitrogen accumulation, transport and distribution, water and nitrogen use efficiency, seed cotton yield and economic benefits were analyzed.【Result】The seed cotton yield, water and nitrogen utilization characteristics of cotton were significantly affected by different water and fertilizer treatments and interactions. Soil water content, total evapotranspiration, dry matter accumulation, total nitrogen uptake and seed cotton yield decreased significantly, while water use efficiency increased significantly under deficit irrigation. The suitable combined application of organic manure and chemical fertilizer treatment could increase the soil water content of 0-40 cm soil layer, and reduce the evapotranspiration at seedling stage and budding stage, while increase the evapotranspiration at flower-boll stage, increase dry matter and nitrogen accumulation, and promote distribution to reproductive organs. Under the condition of full irrigation, the yield of the OF1 treatment was the highest in all fertilization treatments, with an average increase of 10.5% over single application of chemical fertilizer in two years, there was no significant difference between OF2 and CF, while the treatment of OF3 was significantly lower than that under single application of chemical fertilizer. The treatment of OF1 had the highest water and nitrogen use efficiency in each fertilization treatment, in which water use efficiency, nitrogen use efficiency and nitrogen agronomic use efficiency were 8.9%, 14.3% and 28.9% higher than CF, respectively.Under the condition of deficit irrigation, the seed cotton yield of the combined application of organic manure and chemical fertilizer treatments were higher than that of CF among which OF2 was the highest, and the average seed cotton yield of two years was 12.9% higher than that of CF, meanwhile, the treatment of OF2 also had the highest water and nitrogen use efficiency, in which the water use efficiency, nitrogen use efficiency and nitrogen agronomic use efficiency were 6.3%, 35.5% and 31.6% higher than that of CF, respectively.【Conclusion】The appropriate proportion of combined application of organic manure and chemical fertilizer could coordinate the supply and demand relationship of soil and crop for water and nutrients, and improve the seed cotton yield and the water and nitrogen use efficiency. Considering yield, water and nitrogen use efficiency and economic benefits, the treatment of 25% organic manure was the suitable mode of organic fertilizer application in Hexi corridor.

cotton; organic manure; chemical fertilizer; ratio; seed cotton yield; water and nitrogen use efficiency

2022-03-28；

2022-04-19

国家自然科学基金（32060466）、甘肃省农业科学院重点研发计划（2020GAAS26）

王宁，E-mail：wangning@nieer.ac.cn。通信作者冯克云，E-mail：fengkymh@163.com。通信作者张铜会，E-mail：zhangth@lzb.ac.cn

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.08.009

（责任编辑 李云霞）