基于4年定位試驗的膜下滴灌棉花最高產(chǎn)量施肥量

索俊宇，楊濤，龔雙鳳，牛新湘，陳寶燕，馬興旺

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830052；2. 新疆農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091；3. 烏魯木齊市米東區(qū)農(nóng)產(chǎn)品質量安全檢測中心，烏魯木齊 830000)

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基于4年定位試驗的膜下滴灌棉花最高產(chǎn)量施肥量

索俊宇1,2，楊濤2，龔雙鳳1,2，牛新湘2，陳寶燕3，馬興旺2

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830052；2. 新疆農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091；3. 烏魯木齊市米東區(qū)農(nóng)產(chǎn)品質量安全檢測中心，烏魯木齊 830000)

【目的】比較4年田間定位氮肥效應試驗與1年試驗的結果，確定最高產(chǎn)量施肥量的較優(yōu)方法?！痉椒ā吭囼炘O6個施氮量處理，采用純氮單因子隨機區(qū)組設計，進行田間小區(qū)試驗?！窘Y果】1年試驗和4年定位試驗，肥料效應函數(shù)計算棉花最高產(chǎn)量分別為2 816.5和2 670.2 kg/hm2，需要的最高產(chǎn)量施肥量分別為381.8和367.4 kg/hm2，處于100%推薦施肥量和125%推薦施肥量之間。施肥量沒有達到推薦施肥量，或在最高產(chǎn)量施肥量上下的區(qū)間內(nèi)時，連續(xù)施用等量肥料會維持產(chǎn)量在一個合理水平；但施肥量超過最高產(chǎn)量施肥量區(qū)間時，連續(xù)施用等量肥料會使產(chǎn)量逐漸降低。【結論】通過四年定位試驗獲得的棉花最高產(chǎn)量施肥量較一年田間試驗結果更科學，更具統(tǒng)計學意義。在南疆庫爾勒地區(qū)的最高產(chǎn)量施肥量是367.4 kg/hm2，在此施氮量上下浮動20 kg都能維持比較高的棉花產(chǎn)量。

最佳施氮量；棉花；定位試驗；膜下滴灌

0 引 言

【研究意義】在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨資源與環(huán)境雙重約束的情況下，確定區(qū)域內(nèi)作物最佳施肥量可以為化肥減施、防控面源污染等提供重要支撐。氮素是棉花生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素之一，當前世界各產(chǎn)棉國針對棉花增產(chǎn)仍然以氮肥的高投入為基礎[1]。棉花是新疆重要的經(jīng)濟作物[2]，種植面積達133.33×104hm2，年施氮肥約125×104t，確定相對科學的區(qū)域最佳施肥量，對于指導實現(xiàn)大面積化肥減施有重要意義[3]?！厩叭搜芯窟M展】隨著施氮量的不斷增加，棉花產(chǎn)量也會顯著增加，但投入氮量達到一定水平，即常說的最佳施肥量或適宜施氮量，繼續(xù)施氮不僅會導致氮肥用量過剩，而且棉花產(chǎn)量也會下降[4-6]。生產(chǎn)上通過肥料效應函數(shù)法、養(yǎng)分平衡法等確定農(nóng)田尺度作物最佳施肥量的方法很常用[7-9]。朱兆良[10]提出多點試驗確定作物區(qū)域平均適宜施氮量和張福鎖等[11]提出氮肥總量控制點的方法，均是進一步計算或估算區(qū)域最佳施氮量的方法。對不同地區(qū)棉花適宜及最佳施氮量也有研究。李鵬程等[12]研究表明，黃河流域棉區(qū)華北平原亞區(qū)中等肥力棉田施氮量超過 270 kg/hm2時，棉花氮素內(nèi)在利用率、氮肥農(nóng)學利用率、氮肥回收率、氮素生理利用率開始下降，該區(qū)棉田推薦經(jīng)濟施氮量為299.7 kg/hm2。王嬌等[4]對新疆呼圖壁大豐鎮(zhèn)棉田棉花產(chǎn)量和施氮量建立的氮肥效益方程，獲得棉花最高產(chǎn)量的施氮肥量為332.4 kg/hm2，經(jīng)濟施氮量為290.1 kg/hm2。過量施入氮肥導致較低的氮素利用效率以及較高的氮素損失，這些損失通過淋洗、土壤徑流、反硝化等途徑，造成嚴重的環(huán)境污染，甚至影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性發(fā)展[13]?！颈狙芯壳腥朦c】絕大多數(shù)的最高或最佳施肥量是從1年的肥料試驗獲得，必然存在氣候、土壤和試驗誤差影響，同時無法衡量肥料后效的影響。研究基于4年定位試驗的膜下滴灌棉花最高產(chǎn)量施肥量?！緮M解決的關鍵問題】研究設置6水平施氮量，以不施氮為對照，進行4年田間定位氮肥效應試驗，把提出的最高產(chǎn)量施氮量與1年試驗的結果進行比較，為該棉區(qū)棉花合理施氮提供理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2011～2014年在新疆巴音郭楞州庫爾勒市包頭湖農(nóng)場新疆農(nóng)業(yè)科學院棉花育種基地2號試驗地進行，該地處中緯度地區(qū)，屬典型的大陸氣候，植棉規(guī)模、技術及產(chǎn)量都能代表庫爾勒和尉犁縣棉區(qū)狀況。試驗區(qū)屬于典型干旱氣候，年平均降水量為56.2 mm，年平均蒸發(fā)量2 497.4 mm，年均日照時數(shù)2 878 h，≥10℃的積溫4 252.2℃，無霜期205 d，地下水位2.0～2.5 m，灌溉農(nóng)業(yè)。前茬作物為棉花，供試土壤為沙壤土，屬于中等肥力土壤，耕層土壤0～30 cm土壤有機質為8.1 g/kg，速效氮為43.2 mg/kg，速效磷為19.9 mg/kg，速效鉀為129 mg/kg，pH為7.9。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗設6個施氮量處理，100%推薦施肥量是當?shù)赝扑]的中等肥力棉田高產(chǎn)施肥量。N0：對照(不施化學氮肥，不施有機肥；磷肥用量為優(yōu)化用量，以下處理均相同)；N1：75%推薦施氮量，N2：317 kg/hm2，N3：395 kg/hm2；N4：476 kg/hm2；N5：634 kg/hm2。推薦施氮量為純N 317 kg/hm2(尿素含N 46%)，所有處理施純P2O5186 kg/hm2(重過磷酸鈣含P2O546%)，K2O為68 kg/hm2(硫酸鉀含K2O 為40%)，所有處理全部磷肥和鉀肥作基肥，磷肥和鉀肥混勻后于播前撒施翻入土壤，氮肥的40%作為基肥，60%作為追肥進行施用。小區(qū)隨機區(qū)組排列，重復3次，18個小區(qū)，小區(qū)面積為4.8×6.9=33.33 m2。滴灌方式下施肥方式為隨水滴施。采用棉花膜下滴灌一膜單管方式，覆膜種植，行距(11+66+11+66+11)cm，株距10 cm，1膜6行精量播種。灌溉方式為膜下有壓滴灌，灌溉定額為4 800 m3/hm2，從6月中旬蕾期開始灌溉，用水表控制灌溉量，肥料隨水滴施。其他管理技術與當?shù)叵嗤?。?

表1 試驗處理Table 1 Test treatment content

1.2.2 測定項目

棉花產(chǎn)量的測定：棉花吐絮期調查小區(qū)總鈴數(shù)、總株數(shù)，計算單株鈴數(shù)和公頃收獲株數(shù)；各小區(qū)分3 次取棉株上、中、下部位各50朵，測定單鈴重。公頃籽棉產(chǎn)量=公頃收獲株數(shù)×單鈴重×單株鈴數(shù)×0.85來計算籽棉產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

試驗研究監(jiān)測的數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel、SPSS.19.0等軟件對數(shù)據(jù)進行整理分析，均值比較、方差分析以及相關性分析等。

2 結果與分析

2.1 1年試驗數(shù)據(jù)獲得的最高產(chǎn)量施肥量

2011年為田間定位試驗的第一年，是在均衡施肥的土壤基底上進行。根據(jù)棉花產(chǎn)量隨施入氮肥量的變化趨勢，采用一元二次方程式Y=aX2+bX+c對2011年棉花產(chǎn)量(Y)與氮肥用量(X)之間的關系進行擬合分析。研究表明：2011年在灌水量及磷肥、鉀肥用量一致的條件下，皮棉產(chǎn)量(Y)與氮肥用量(X)之間符合二次方程：Y=-0.006 2X2+4.735 9X+1 750.1(R2=0.970 9)。

對肥料效應方程求導，皮棉邊際產(chǎn)量(邊際產(chǎn)量說明當?shù)释度朐黾訒r所引起的產(chǎn)量變動率，即每增加 1 kg 施氮量所增加的皮棉產(chǎn)量) 的變化曲線顯示。邊際產(chǎn)量的變化率為-0.012 4，2011年皮棉邊際產(chǎn)量在施氮量為381.8 kg/hm2時降低為0，該施氮量為皮棉產(chǎn)量最高(2 816.5 kg/hm2)時的理論施氮量，隨著施氮量再增加，邊際產(chǎn)量為負值，實際產(chǎn)量隨之降低，說明此時越增加氮肥投入產(chǎn)量減少越嚴重，已屬棉花生產(chǎn)上的絕對不合理階段。圖1

圖1 2011年棉花皮棉產(chǎn)量和邊際產(chǎn)量與施氮量的關系Fig.1 Relationships between lint yield and marginal yield and nitrogen application rate in 2011

2.2 4年定位試驗數(shù)據(jù)的最高產(chǎn)量施肥量

研究表明，利用一點多年的方差分析方法，根據(jù)4年田間定位試驗各處理的累積施氮量(X)與累積皮棉產(chǎn)量(Y)建立肥料效應方程：

Y=-0.002X2+5.878X+6 361.8(R2=0.988 5).

對方程求導得到皮棉累積產(chǎn)量的邊際產(chǎn)量變化曲線，邊際產(chǎn)量的變化率為-0.004。在皮棉累積產(chǎn)量的邊際產(chǎn)量降低為零時，累積施氮量為1 469.5 kg/hm2，此時皮棉累積產(chǎn)量最高為10 680.7 kg/hm2，當進一步增加施氮量，邊際產(chǎn)量為負值，實際產(chǎn)量降低。對累積施氮量和累積產(chǎn)量求平均，從4年的定位試驗結果得出，最高皮棉平均產(chǎn)量為2 670.2 kg/hm2時平均施氮量為367.4 kg/hm2。圖2

圖2 4年棉花累積皮棉產(chǎn)量和邊際產(chǎn)量與累積施氮量的關系Fig.2 Relationships between Accumulated lint yield and marginal yield and Accumulated nitrogen application rate of 4 years

處理Treatment皮棉產(chǎn)量Lintyield2011201220132014累積皮棉產(chǎn)量AccumulatedlintyieldN017644e16482d14749d14689d63564dN124417c26441b24428b25314ab100600bN226758ab27533ab26707a26365a107364aN327365a28250a26968a26243a108831aN425541bc26575b24068b24018b100202bN522695d21533c21174c19877c85279c

注: 同列數(shù)字后不同小寫字母表示不同氮肥處理間在0.05水平下差異顯著

Note:Values followed by different lowercase letters in the samecolumn are significantly different among treatments at the 5% level

2.3 兩種方法獲得的最高產(chǎn)量施肥量比較

通過一年試驗和四年定位試驗的肥料效應函數(shù)計算的棉花最高產(chǎn)量分別為2 816.5和2 670.2 kg/hm2，需要的最高產(chǎn)量施肥量分別為381.8和367.4 kg/hm2，處于100%推薦施肥量和125%推薦施肥量之間。如果根據(jù)一年的試驗結果確定施肥量進行推薦，那么在產(chǎn)量相對較高的情況下，投入的氮肥量也更多。

研究表明，每年N2和N3處理的棉花產(chǎn)量雖有不同，但沒有達到顯著差異，是6個處理中產(chǎn)量最高的。盡管每年定位施入等量肥料，但隨施肥量的增加產(chǎn)量也增加，施肥量到一定程度后產(chǎn)量下降的這種肥料效應還是很明顯的。

對連續(xù)4年施用等量肥料情況下的產(chǎn)量變化進行觀察，N0處理沒有施用氮肥，產(chǎn)量持續(xù)下降；N1、N2、N3三個處理的施氮量分別是推薦量的75%、100%、125%，在4年中棉花產(chǎn)量基本平穩(wěn)；N4、N5的施氮量分別是推薦量的150%、200%，隨時間延長，棉花產(chǎn)量有降低的趨勢?？傮w看，施肥量沒有達到推薦施肥量，或在最佳施肥量上下的變化不大的區(qū)間內(nèi)時，連續(xù)施用等量肥料會維持產(chǎn)量在一個合理水平；但施肥量超過最佳施肥量區(qū)間時，連續(xù)施用等量肥料會使產(chǎn)量逐漸降低?？梢姡S持高產(chǎn)的施肥量是有一個區(qū)間的，即邊際施肥量趨近于零的那個區(qū)間，所以在這個區(qū)間內(nèi)實際推薦的施肥量低也能維持高產(chǎn)量。表2

3 討 論

有研究表明，長期定位監(jiān)測試驗具有氣候的代表性和時間的長期性(即能克服氣候的年際變化對肥效的影響)等特點，數(shù)據(jù)準確可靠，信息量極豐富，解釋能力強，是常規(guī)試驗所不能比擬的，它能預測土壤的承載能力，系統(tǒng)地揭示土壤的肥力特征及養(yǎng)分平衡規(guī)律，在生產(chǎn)上提供決策性建議，為農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)[14-17]。定位試驗能夠克服由于氣候的變化對作物生長發(fā)育的影響，是一年常規(guī)試驗所不能比擬的。盡管棉花最高產(chǎn)量及最佳施肥量可通過一年試驗獲得，但獲得的結果受到當年環(huán)境因素的影響，缺乏代表性和平均性，遠不如長期定位試驗的結果精準[14-15]。研究通過4年定位試驗獲得的棉花最佳施肥量顯然比一年試驗獲得的數(shù)據(jù)更可靠。

侯秀玲等[6]研究表明，隨氮肥投入量增加其氮肥表觀利用率降低，土壤供氮能力變化不大，但當達到棉花經(jīng)濟最佳施肥量，再增加氮肥投入，氮肥對棉花產(chǎn)量的貢獻下降，勢必引起氮素揮發(fā)、淋溶等損失，污染環(huán)境。有研究表明，大于300 kg/hm2的中高量氮肥投入能顯著增加土壤無機氮積累量，土壤無機氮富集，土壤氮素氮素盈余量和表觀損失量隨氮肥用量增加而顯著增加，過量投入氮肥會加劇土壤氮素淋洗造成面源污染的風險[18]。研究中棉花產(chǎn)量在4年期間的變化佐證了上述的研究，同時也提示有必要進一步研究土壤中氮素積累對棉花生長和環(huán)境的影響。

4 結 論

4.1 通過4年定位試驗獲得的棉花最高產(chǎn)量施肥量，較一年田間試驗結果雖然數(shù)值小，但可以獲得相同的產(chǎn)量，而且克服了氣候變化的影響，可靠性更高，實用性更強，更具統(tǒng)計學意義。

4.2 施肥量沒有達到推薦施肥量，或在最佳施肥量上下的變化不大的區(qū)間內(nèi)時，連續(xù)施用等量肥料會維持產(chǎn)量在一個合理水平；但施肥量超過最佳施肥量區(qū)間時，連續(xù)施用等量肥料會使產(chǎn)量逐漸降低。

4.3 在南疆庫爾勒地區(qū)的最高產(chǎn)量施肥量是367.4 kg/hm2，在這個施氮量上下20 kg范圍都能維持比較高的棉花產(chǎn)量。

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Comparison of the Optimum Fertilizer Rate betweenA Four-year and One-year Experiment for Cotton under Mulch-drip Irrigation

SUO Jun-yu1,2，YANG Tao2，GONG Shuang-feng1,2，NIU Xin-xiang2，CHEN Bao-yan3，MA Xing-wang2

(1. College of Pratacultural and Environmental Sciences, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052,China; 2.ResearchInstituteofSoil,FertilizerandAgriculturalWaterConservation,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi,Xinjiang830091,China; 3.AgriculturalProductsQualityandSafetyTestingCenterofMidiongDistrict,Urumqi830000,China)

【Objective】 Through the comparison of effect of nitrogen fertilizer between a four-year and one-year experiment to explore the best ways to determine the optimal method of optimal fertilizer.【Method】6 levels Nitrogen application were set up by applying the pure nitrogen factor of randomized block designs, and then field biotope experiment was carried out.【Result】The fertilizer effect function of one year experiment and 4 years location experiment was calculated, which were 2,816.5 kg/hm2and 2,670.2 kg/hm2, respectively, Maximum yield fertilization required: 381.8 kg/hm2and 367.4 kg/hm2, which was between 100% and 125% of the recommended fertilizer. It did not reach the recommended amount of fertilizer application, or in the range of optimum fertilization. Under interval for applying the same amount of fertilizer would maintain a reasonable level; but when the fertilizer rate exceed the optimum range, continuous application of equivalent fertilizer would reduce the yield.【Conclusion】Through four years location experiment, the optimum fertilizer rate of cotton was obtained than that in one year experiment, which is more scientific and has more statistical significance. The recommended economical nitrogen application rate is 367.4 kg/hm2for cotton in the experimental area in Korla of Southern Xinjiang．The amount of nitrogen applied in the range of 20 kg can maintain a relatively high yield of cotton.

optimum nitrogen application rate；cotton；location test；drip irrigation under mulch film

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.08.008

2016-03-29

新疆科技支撐項目 (201231102)；國家科技支撐計劃課題(2014BAD09B04、2014BAD111302)；國家自然科學基金項目 (41361067)；

索俊宇(1991-)，女，新疆人，碩士研究生，研究方向為棉花水肥資源高效利用，(E-mail)sjy3028695@163.com

馬興旺(1970-)，男，寧夏人，研究員，博士，博士生導師，研究方向為養(yǎng)分資源高效利用，(E-mail)maxw@xaas.ac.cn

S143；S562

A

1001-4330(2016)08-1423-06