15N同位素标记氮肥减施棉田养分利用效率分析

2024-02-23成志慧李红梅赵红梅涂永峰宋海英盛建东

新疆农业科学 2024年1期

成志慧 ,李红梅 ,赵红梅 ,涂永峰 ,宋海英 ,盛建东

(1.新疆农业大学资源与环境学院/新疆土壤与植物生态过程重点实验室,乌鲁木齐 830052;2. 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】新疆是我国重要的棉花生产区,2021年新疆棉花播种面积250.61×104hm2,总产量512.9×104t,播种面积、单产、总产量均列全国第一。氮素是棉花生长发育所必需的大量营养元素之一,是限制棉花高产的重要因子[1]。氮肥用量的增长,若氮肥利用率不高,将导致氮肥流失量很大[2-4]。因此,为提高氮肥利用率,有必要研究分析棉株对化肥氮素的吸收利用规律。【前人研究进展】15N同位素示踪技术可以明确氮素的来源,直观反映作物对肥料氮的实际利用情况,是目前普遍且较为精确的一种测定方法[5-6]。王士红等[7]研究显示,施氮量在105 kg/hm2时,棉花收获期的氮肥利用率到达最高。侯振安等[8]研究发现,在一次灌溉过程中,先滴1/2时间的肥液,后滴1/2时间清水的施肥策略明显提高了棉花的氮素吸收量。李鹏程等[9]研究表明,增加初花期施氮比例或蕾期、初花期一次性施肥可以提高棉花的氮肥利用率。也有研究认为低肥力土壤棉花的肥料氮利用率显著高于中、高肥力土壤[10]。马丽娟等[11]和张文等[12]研究发现,高盐度的咸水灌溉会降低棉花的氮肥利用率。新疆滴灌棉田氮肥适宜用量为220～270 kg/hm2[13-15]。【本研究切入点】前人借助15N同位素示踪技术已从不同角度对棉株氮素的吸收利用进行了研究,但关于氮肥减施对棉株氮素吸收、肥料氮在各器官的分配以及氮肥利用率的研究还有待进一步加强。因此,量化滴灌条件下肥料-土壤-棉花系统中氮素吸收、转运及利用效率研究迫在眉睫。【拟解决的关键问题】以新疆北疆棉区典型灰漠土滴灌棉田为研究对象,采用盆栽试验,在合理施氮的条件下,设置不施氮肥、氮肥减施(225 kg/hm2)和当地推荐施肥(300 kg/hm2)3个处理,利用15N示踪技术开展氮肥减施对棉花氮素吸收利用的影响研究,分析肥料氮在棉株体内的量化吸收分配规律,为新疆滴灌棉田氮肥合理施用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验地概况

试验在新疆慧尔农业集团股份有限公司昌吉分公司的自动化温室(87°05′18″ E,44°10′06″ N)进行。供试土壤为砂壤质灰漠土,取自新疆昌吉市二六工镇(87°09′18″ E,43°59′38″ N),采集0～20 cm耕层土壤,将土壤自然晾干,过2 mm孔筛备用。试验使用底部密封的绿色塑料桶,上部口径26 cm,底径20 cm,高30 cm,每盆装干土15 kg。供试土壤的基本理化性状:有机质含量6.70 g/kg,全氮含量0.56 g/kg,有效磷含量37.16 mg/kg,碱解氮含量32.16 mg/kg,速效钾含量210 mg/kg,pH(水土比5∶1)为7.75。参照全国土壤养分分级标准[16],供试土壤为低氮富磷富钾,有机质为低等水平土壤。

1.1.2 样品采集

在棉花吐絮期取样,将收集的棉花植株按器官(根、茎、叶、絮、壳、籽)分开,并做好标记,在105℃下杀青30 min后,继续在70℃烘箱中烘至恒重,称重并记录样品的干重。根系的采集用0.5 mm土筛结合人工手检的方法将棉花根系从土壤中筛选出来,挑出混杂物后用去离子水洗净,烘干称重。而后将各器官样品分取一小份用球磨仪细磨备用,测定棉株各器官的全氮含量和15N丰度。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

设置3个施氮处理:(1)不施氮肥(N0);(2)氮肥减施(N1225 kg/hm2);(3)当地推荐施肥(N2300 kg/hm2),即每盆施纯氮0 g(N0)、1.5 g(N1)、2 g(N2);每盆P2O5(重过磷酸钙,含P2O546%)和K2O(硫酸钾,含K2O 51%)施用量分别为2.173 9和1.181 4 g,分别对应大田用量150 kg P2O5/hm2、75 kg K2O/hm2,磷钾肥在播种前装土时全部一次性施入做基肥。氮肥以普通尿素(含N 46%)和15N标记尿素(含N 46%,15N丰度为10.14%,由上海化工研究院提供)作为肥料来源,2种尿素混合施用(混合比例1∶1)。其中,20%尿素做基肥,80%做追肥,分别在棉花蕾期(20%)、初花期(40%)和花铃期(20%)按1∶2∶1分3次施用。

试验采用新农大棉4号作为供试品种,于2021年6月4日,在每个花盆的中心播种6粒饱满均匀的种子,并在盆顶部覆盖塑料薄膜(模拟田间覆膜),待棉苗长到2片真叶时定苗,每盆保留3株长势均匀的棉苗;将2种尿素混合后溶于500 mL蒸馏水中,均匀施入土壤,其它管理措施一致。各处理每天称量桶重,保持土壤水分在田间持水量的60%～80%。各施肥处理每次灌水量为每桶3L,棉花生育期间共灌水10次(6月1日开始,10月27日结束),总灌水量每桶30L。

1.2.2 指标测定与计算

植物样品全氮含量采用元素分析仪测定(MM400,Retsch GmbH,Haan,Germany);植株中15N丰度用稳定同位素质谱仪(Delta V Advantage,Germany)测定;土壤pH值采用pH仪测定,碱解氮采用碱解扩散法,有效磷采用钼锑抗比色法,速效钾采用火焰光度法测定。

Ndff%表示植株各器官的氮素来源于肥料氮的比例,其大小可以反映植株各器官对15N肥料的吸收竞争能力,Ndfs%则表示植株各器官的氮素来源于土壤氮的比例。

Ndff(%)=(测试样品中15N丰度×2-15N自然丰度)×100/(肥料中15N丰度-15N自然丰度);

棉株氮素来源于土壤的比例(Ndfs,%)=1-Ndff%;

棉株氮素吸收量(g/株)=∑各器官的干物质量×各器官含氮量;

肥料氮(15N)吸收量(mg/株)=棉株氮素吸收量×Ndff%;

肥料氮(15N)分配率(%)=各器官肥料氮(15N)吸收量×100/肥料氮吸收总量;

肥料氮(15N)利用率(%)=肥料氮(15N)吸收量×100/氮肥施用量;

氮肥表观利用率(%)=(施氮处理棉株氮素吸收量-不施氮处理棉株氮素吸收量)×100/氮肥施用量。

1.3 数据处理

所有数据采用Microsoft Excel 2007、Origin 2021和SPSS Statistics 26软件统计和分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥处理对棉花干物质量和氮素吸收量

研究表明,N1、N2施氮处理的干物质积累量和氮素吸收量均显著高于不施氮处理(N0),但2个施氮处理之间,棉花干物质积累量和氮素总吸收量差异均不显著。图1

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)

除根外,2个施氮处理各器官的干物质量和氮素吸收量(茎、叶、絮、壳、籽)均显著高于N0不施氮处理。

2个施氮处理之间各器官的干物质量和氮素吸收量亦有差异。生殖器官中,N1处理壳和籽的干物质量(1.614 9、1.750 1 g/株)显著高于N2处理(1.509 0、1.638 5 g/株),分别增加7.02%和6.81%,营养器官的干物质量在2个施氮处理之间差异不显著。生殖器官籽的氮素吸收量在两个施氮处理之间差异显著,N1处理籽的氮素吸收量(63.40 mg/株)显著高于N2处理(54.38 mg/株),增加了16.59%,营养器官的氮素吸收量差异不显著。图2

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)

2.2 不同处理对棉花中肥料氮(15N)的吸收与分配的影响

研究表明,棉籽中肥料氮吸收量最高,占全株的26.02%～35.99%,其次为叶(22.40%～23.81%)和茎(14.48%～18.98%),絮中最少(3.05%～6.62%);营养器官中,2个施氮处理的肥料氮吸收量差异不显著;生殖器官中,絮、籽的肥料氮吸收量在2个施氮处理之间差异显著,其中,N1处理的籽比N2处理高43.58%,N2处理中絮较N1处理高106.20%;N2处理营养器官肥料氮吸收量较N1处理高10.24%,N1处理生殖器官的肥料氮吸收量比N2处理高19.02%。表1

表1 棉花不同器官吸收与分配肥料氮(15N)变化

2.3 棉株氮素的来源

研究表明,棉花整株的Ndff%为21.14%～21.70%,棉花吸收的氮素主要来源于土壤(Ndfs%为78.30%～78.86%);棉花整株和各器官的氮素来源于土壤氮的比例均显著高于肥料氮;N1处理根和棉籽的Ndff%显著高于N2处理,分别增加2.02%和4.51%;N2处理絮的Ndff%显著高于N1处理,增加了6.78%;絮和籽的Ndfs%则表现相反,其中,N1处理的籽比N2处理高4.51%,N2处理的絮较N1处理高6.78%。图3

注：Ndff%表示植株各器官的氮素来源于肥料氮的比例; Ndfs%表示植株各器官的氮素来源于土壤氮的比例; 不同小写字母表示同一氮素来源不同处理间差异显著(P<0.05)

2.4 棉花氮肥利用率及表现利用率变化

研究表明,N1处理的肥料氮利用率和氮肥表观利用率均显著高于N2处理,分别增加2.36%和3.12%;差减法计算的氮肥表观利用率要稍高于示踪法的肥料氮利用率。图4

注：N1和N2对应的施氮量为500和667 mg/株; 不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)

3 讨论

3.1施氮量是影响棉花干物质积累量和氮素吸收量的主要影响因素。研究结果表明氮肥减施处理和当地推荐施肥处理显著高于不施氮处理,但两者之间差异不显著,氮肥减施(25%)可以维持棉花干物质积累量和氮素总吸收量不降低。随着生育期的进行,氮素分配到营养器官的比例减小,并逐渐向生殖器官转运。郭小琰等[17]得出,棉花吐絮期,氮素分配到生殖器官的比例约为57%～64%,研究得出相似结论,氮素分配到生殖器官的比例达到52.38%～55.89%。氮肥合理施用有利于干物质和氮素向生殖器官转移、积累,氮肥施用过量或不足均会影响生殖器官的干物质分配和氮素吸收量[18]。马宗斌等[19]和石洪亮等[20]研究表明,施氮量超过300 kg/hm2时,有利于棉花营养器官生长,而干物质量分配到生殖器官的比例下降。邹芳刚等[21]研究表明,施氮量在超过300 kg/hm2时,棉株中部(6～10果枝)的氮素向生殖器官的分配比例下降。研究得出,氮肥减施处理壳、籽的干物质量和籽的氮素吸收量均显著高于推荐施肥处理,氮肥减施可以显著提高棉籽的干物质量和氮素吸收量,实现氮肥减施增产增效。

3.2氮肥减施处理和当地推荐施肥处理虽然在干物质积累量和氮素总吸收量差异不明显,但施氮量对棉株各器官肥料氮的吸收及分配比例的差异很大。周瑞庆等[22]和晏娟等[23]得出水稻生殖生长期吸收的肥料氮主要集中于籽粒,研究棉花棉籽中的肥料氮分配率也是最高(26.02%～35.99%)。戴良香等[24]研究表明,适宜的施氮量(90 kg/hm2)促进了花生营养器官的氮素向生殖器官转运,并提高了籽仁的15N积累量。李灿东等[25]研究表明,随着施氮量的增加(0～4.5 kg/hm2),虽提高了大豆叶片的15N分配比例,却降低了15N在籽粒中的分配比例。徐聪等[26]研究同样表明,施氮过量(400 mg/kg)不利于肥料氮向甘蔗块根中转运。研究氮肥减施处理的生殖器官肥料氮积累量显著高于当地推荐施肥处理(高出19.02%),营养器官则相反,当地推荐施肥处理较氮肥减施处理高出10.24%。氮肥减施有利于棉株生殖器官肥料氮的积累,尤其有利于肥料氮向棉籽中转运。

3.3棉花吸收的氮素来源于肥料氮和土壤氮。李鹏程等[9]研究表明,收获期棉花单株吸收的氮素来源于肥料氮的比例为26.92%～54.14%。侯振安等[8]则表明,棉花各器官及整株吸收的氮素来源于肥料氮的比例为34.25%～49.38%。研究得出的棉花吸收的氮素来源于肥料氮的比例略低于上述研究成果,2个施氮处理下,棉花吸收肥料氮的比例为21.14%～21.70%,来自土壤氮的比例为77.92%～79.28%,与王士红等[7]的研究结果一致(来源于肥料氮的比例18.13%～33.65%,来源于土壤氮的比例66.35%～81.87%),棉花吸收的氮素主要来源于土壤中。棉花整株吸收的氮素来源于肥料氮的比例在2个施氮处理之间差异虽不显著,但减量施氮处理棉籽吸收肥料氮的比例显著高于当地推荐施肥处理,高出了4.51%。减量施氮处理可以显著增加棉籽对肥料氮的吸收比例,提高棉花产量和品质水平。

3.4王娟等[27]研究表明,施氮量在240 kg/hm2时,棉株的氮肥利用率达到最高,与研究得出的氮肥减施处理棉花整株的肥料氮利用率显著高于推荐施氮处理(高出2.36%)的结果相似。朱兆良等[28]和潘晓丽等[29]研究表明,差减法计算的棉花氮肥表观利用率要稍高于示踪法,研究也得出相同结论。研究的氮肥减施处理的氮肥表观利用率显著高于当地推荐施肥处理(高出3.12%)。氮肥减施可以显著提高棉株氮肥表观利用率和肥料氮利用率,从而降低土壤中的氮素盈余量。研究中棉花的氮肥利用率低于其他研究结果,可能与试验所处的自动化温室光照不足,湿度过大有关。