棉花施氮閾值與產(chǎn)量、無機(jī)氮儲(chǔ)量的關(guān)系研究

婁善偉，馬興旺，托乎提·艾買提，牛新湘，楊濤，張鵬忠

(1.國家棉花工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830091；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091)

棉花施氮閾值與產(chǎn)量、無機(jī)氮儲(chǔ)量的關(guān)系研究

婁善偉1，馬興旺2，托乎提·艾買提1，牛新湘2，楊濤2，張鵬忠1

(1.國家棉花工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830091；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091)

【目的】研究施氮對(duì)棉花產(chǎn)量和土壤無機(jī)氮的影響，明確施氮閾值與棉花產(chǎn)量和土壤無機(jī)氮儲(chǔ)量的關(guān)系。【方法】2012～2013年，分別采集不同施氮水平下(0、237.9、317.1、396.5、475.7、634.2 kg/hm2)棉花植株樣品和0～100 cm深土壤剖面樣品，測定棉花的吸氮量，分析土壤無機(jī)氮的濃度?！窘Y(jié)果】在0～396.5 kg/hm2增加施氮量可以促進(jìn)棉花生長，盛鈴時(shí)施氮量與棉花生長量的相關(guān)性最高，但太多并不再利于棉花生長；在0～60 cm土層無機(jī)氮濃度隨著施氮量增加而增加，而60 cm土層以下無機(jī)氮濃度開始降低，隨施氮量增加而增加的趨勢變?nèi)?，?guī)律不明顯；施氮量與棉花產(chǎn)量是二次方程關(guān)系，施氮量為N3(396.5 kg/hm2)時(shí)棉花產(chǎn)量最高；棉花的氮素利用率與產(chǎn)量有相同的變化趨勢，最高為29.73%。施氮量在332～397 kg/hm2的閾值范圍內(nèi)，有利于棉花形成高產(chǎn)和提高肥料利用率?！窘Y(jié)論】施氮閾值與產(chǎn)量、無機(jī)氮儲(chǔ)量具有一定相關(guān)性。

棉花；產(chǎn)量；土壤無機(jī)氮儲(chǔ)量；施氮閾值

0 引 言

【研究意義】新疆自1995年開始，棉花總產(chǎn)一直是全國第一，到2014年棉花種植面積已經(jīng)超過130×104hm2，產(chǎn)量占全國總產(chǎn)的60%[1-2]。棉花產(chǎn)量的提高離不開氮肥的使用，但隨著棉農(nóng)對(duì)棉花產(chǎn)量的追求，施氮量不斷加大，而利用率卻持續(xù)下降。所以，展開新疆棉田施氮對(duì)土壤無機(jī)氮素分布和棉花產(chǎn)量的影響研究，對(duì)合理利用新疆土壤養(yǎng)分資源，改善肥料利用率和提高棉花產(chǎn)量具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】研究顯示，施氮量高于300 kg/hm2時(shí)增產(chǎn)效果已經(jīng)不顯著[3-4]。危常州等[5]對(duì)新疆超高密度棉田氮肥運(yùn)籌對(duì)產(chǎn)量和氮肥利用的影響研究，發(fā)現(xiàn)隨著氮肥的投入氮肥表觀利用率降低。張旺鋒等[6-7]發(fā)現(xiàn)棉株對(duì)氮的吸收利用高峰期出現(xiàn)在棉花播種后的75或76 d，并對(duì)北疆棉花的養(yǎng)分吸收動(dòng)態(tài)作了細(xì)致研究。但氮素與植物的關(guān)系不僅僅局限于植株本身，植物的根系和耕層，以及較深土層的養(yǎng)分含量也對(duì)植物生長具有較大影響[8-9]。不同土層的養(yǎng)分含量受土壤條件、種植制度、栽培管理等因素的影響，無機(jī)氮是其重要的組成部分，黨廷輝等[10]研究發(fā)現(xiàn)，長期過量或不平衡使用氮肥將導(dǎo)致NO3--N在土壤深層的嚴(yán)重積累，累積深度隨氮肥用量的遞增而加深。巨曉棠等[11-12]也認(rèn)為，土壤剖面中的NO3--N隨施氮量的增加而顯著升高，且在施氮量在小于120 kg/hm2條件下，NO3--N主要在0～40 cm土層內(nèi)移動(dòng)，而在施氮量高于240 kg/hm2條件下，即有相當(dāng)數(shù)量的氮移出0～100 cm土體?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】針對(duì)新疆滴灌棉田，對(duì)其土壤剖面無機(jī)氮濃度及其累積的研究較少。采用田間試驗(yàn)，對(duì)采取的棉花植株樣品和土壤剖面樣品進(jìn)行測定分析，以明確施氮閾值與棉花產(chǎn)量和土壤無機(jī)氮儲(chǔ)量的關(guān)系?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究施氮對(duì)土壤剖面中無機(jī)氮的分布規(guī)律及其差異性，采用田間試驗(yàn)，對(duì)采取的棉花植株樣品和土壤剖面樣品進(jìn)行測定分析，以明確施氮閾值與棉花產(chǎn)量和土壤無機(jī)氮含量的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2012～2013年在新疆農(nóng)科院棉花育種家基地(E41°41′，N85°52′)進(jìn)行，該基地地處新疆庫爾勒市包頭湖農(nóng)場，在塔里木盆地北緣，屬典型干旱區(qū)氣候，年平均降雨量56.2 mm，年平均蒸發(fā)量2 497.4 mm，無霜期205 d。該地區(qū)屬于塔里木盆地北緣山前平原區(qū)，是國家優(yōu)質(zhì)棉基地，棉花種植面積占農(nóng)作物種植面積的60%以上。土壤類型為棕漠土，土壤母質(zhì)以碳酸鹽為主，土壤質(zhì)地為壤土，土壤肥力為中等肥力水平，土壤耕層0～100 cm有機(jī)質(zhì)含量為8.02 g/kg，全氮0.36 g/kg，有效氮為57.85 mg/kg，有效磷為6.52 mg/kg，有效鉀為122.48 mg/kg，pH為8.6。

供試棉花品種為新陸中36號(hào)。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)氮素水平，即0、237.9、317.1、396.5、475.7、634.2 kg/hm2，分別用N0、N1、N2、N3、N4、N5表示，以不施氮肥處理為對(duì)照。各處理均施用12.42 kg(以P2O5計(jì))過磷酸鈣、4.5 kg(以K2O計(jì))硫酸鉀，各處理的氮肥(尿素)30%做基肥，70%在棉花生育期，按高產(chǎn)田施肥標(biāo)準(zhǔn)分6次隨水滴施。每年4月10日開始播種，種植模式為一膜四行單管。采用幅寬為125 cm寬膜覆蓋，行距配置為(15+60+15+60)cm，株距為10 cm。隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次，小區(qū)面積8 m×5 m=40 m2，每小區(qū)3膜12行。試驗(yàn)區(qū)總面積為750 m2，田間管理按照高產(chǎn)田標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.2.2 測定項(xiàng)目

無機(jī)氮的測定：在棉花的播種前和收獲后取土樣，采用環(huán)刀分層取土的方法采集0～100 cm土壤剖面，測定土壤容重，每20 cm為一層，用土鉆取土至100 cm，將每層3個(gè)樣點(diǎn)相同土壤混合，裝于塑料袋中，先放置在冰盒中冷藏，帶回室內(nèi)后于冰柜中冷凍。鮮土樣解凍后混勻，過2 mm 篩，稱取12 g 土，加入 0.01 mol/L CaCl2浸提液 100 mL 振蕩 30 min 后過濾，采用流動(dòng)分析儀( Autoanalyser 3，BRAN + LUEBBE，Hamburg, Ger-many) 測定無機(jī)氮 ( NO3--N 和 NH4+- N)含量。土壤硝態(tài)氮含量和累積量用酚二磺酸比色法，計(jì)算公式：mg/kg=(N)·V·D/m.

式中：

V—浸提液體積，mL(50 mL)；

D—浸出液稀釋倍數(shù)，或不稀釋則D=1；

m—土壤質(zhì)量，g。

土壤銨態(tài)氮含量和累積量用2 mol/L KCl浸提—靛酚藍(lán)比色法計(jì)算[13]。計(jì)算公式：

土壤中NH4+-N含量(mg/kg)=c×V×ts/m.

式中：

c—顯色液銨態(tài)氮的質(zhì)量濃度(μg/mL)；

V—顯色液體積(mL)；

Ts—分取倍數(shù)；

m—土樣質(zhì)量(g)。

土壤無機(jī)氮含量和累積量為硝態(tài)氮和銨態(tài)氮相應(yīng)值之和。

生育進(jìn)程調(diào)查：自3葉期開始調(diào)查各處理的生育進(jìn)程。

棉花生長量：是指隨著棉花的生長發(fā)育，棉株各生育期時(shí)段根、莖、葉等營養(yǎng)器官干物質(zhì)的量。

植株干物質(zhì)與氮素含量測定：棉花吐絮后選6株棉花，挖出后分根、莖、葉、鈴等器官，于105℃下殺青30 min，80℃下烘干48 h，稱干重并粉碎，用H2SO4-H2O2消煮，奈氏比色法測氮素含量。

植株含氮量(kg/hm2)=地上部植株生物量(kg/hm2)×地上部植株氮素含量(g/kg)/1 000。

產(chǎn)量: 吐絮后對(duì)小區(qū)進(jìn)行測產(chǎn)計(jì)算。

無機(jī)氮總儲(chǔ)量：0～100 cm各土層無機(jī)氮積累量的和。

氮肥利用率(%)=(施氮處理植株含氮量-CK處理吸氮量)/施氮量(kg/hm2)×100%。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)分析采用Microsoft Excel、DPS9.5專業(yè)版等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和新復(fù)極差法方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對(duì)棉田不同土層無機(jī)氮濃度的影響

研究表明，2012年與2013年各土壤層次無機(jī)氮濃度的變化基本相同，在0～100 cm各土壤層次的無機(jī)氮濃度隨著施氮量增加而增大，0～60 cm的土層的無機(jī)氮含量較高，且各處理的無機(jī)氮濃度明顯高于N0。對(duì)2012年0～60 cm土層無機(jī)氮計(jì)算得出，各處理無機(jī)氮濃度平均高出N0 12.4%、85.5%、147.5%、250%和469%；當(dāng)土層深度超過60 cm后無機(jī)氮濃度開始有下降趨勢，其中N5處理下降值最大，超過了0.9 mg/kg。2013年也基本如此，各處理間差異沒有大的變化。圖1

2.2 施氮量與棉花不同生長發(fā)育時(shí)期生長量的關(guān)系

2012～2013年的平均棉花生長量顯示，棉花生長量隨施氮量增加而先增后減，且初花至盛鈴期趨勢明顯。施氮量與棉花生長量具有一定的相關(guān)性，為拋物線狀曲線，但在不同生育時(shí)期，相關(guān)性又存在差異。初花期，施氮量與棉花生長量的相關(guān)系數(shù)為0.880，至盛鈴時(shí)，二者相關(guān)性達(dá)到最高，相關(guān)系數(shù)為0.926，而盛花期和吐絮期的相關(guān)系數(shù)相對(duì)較低，僅為0.465和0.726，說明不同時(shí)期追施氮肥的作用不同，還要根據(jù)田間實(shí)際需要合理搭配。圖2

圖1 不同施氮量下棉田0～1 m土壤剖面中無機(jī)氮濃度

Fig.1 Effects of nitrogen application amount on different soil(0-1 m) inorganic nitrogen concentration in cotton field

注：**表示1%水平上的差異顯著性,*表示5%水平上的差異顯著性
Note:**and*indicate significant different at 0.01 and 0.05 level

圖2 施氮量與不同生育時(shí)期棉花生長量之間關(guān)系

Fig.2 Correlation between cotton dry matter weight and the N application ratio under different growth stage

2.3 施氮量對(duì)棉花產(chǎn)量的影響

對(duì)2012～2013年棉花的平均產(chǎn)量及其構(gòu)成因素分析發(fā)現(xiàn)，各處理的產(chǎn)量隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，二者是二次方程曲線關(guān)系。N3處理的產(chǎn)量最高，為7 486.00 kg/hm2，比產(chǎn)量最低的N0處理高出了1倍以上，隨后N4、N5處理的產(chǎn)量開始下降，說明施氮增產(chǎn)效果明顯，但并不是越多越好。產(chǎn)量構(gòu)成中，畝株數(shù)、單鈴重和衣分差異不大，造成產(chǎn)量差異的關(guān)鍵因素是單株鈴數(shù)，大小之差達(dá)3.11個(gè)，施氮量主要影響棉花成鈴，引起產(chǎn)量差異。表1

表1 不同處理下棉花產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素

Table 1 The yield and yield component Under different treatment

注：同一列不同小寫字母表示差異顯著，下同Note:Values followed by a different letter are signiflcantly different at the 0.05 probability level, the same as below

2.4 施氮量對(duì)棉花氮素利用率的影響

對(duì)2012～2013年平均氮素利用效率分析發(fā)現(xiàn)，氮素利用效率與產(chǎn)量有類似的變化趨勢，也是先增后減，N3的利用效率最高，為29.73%?？偟獢y出量N3、N4處理相差不大，分別為156.51和156.11 kg/hm2，比N0處理高出近118 kg/hm2，植株含氮量則表現(xiàn)為一直增加。施氮量增多，植株吸氮量會(huì)跟著增多，但氮素的利用效率增到一定值后就會(huì)下降。表2

表2 不同施氮量下棉花氮素利用率變化

Table 2 The effects of nitrogen use efficiency in different different nitrogen rates

處理Treatment籽棉含氮量TheNcontentofcotton(kg/hm2)植株含氮量TheNcontentoftheplant(kg/hm2)總氮攜出量TotalNuptake(kg/hm2)氮素利用率Thenitrogenuseefficiency(%)N025.5413.1338.67/N167.7413.4881.2217.88N2102.2515.61117.8624.98N3139.2917.22156.5129.73N4137.1718.94156.1124.69N5132.5020.62153.1118.05

2.5 施氮量閾值與棉花產(chǎn)量、土壤無機(jī)氮總儲(chǔ)量的關(guān)系

對(duì)兩年的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，分析施氮量、無機(jī)氮總儲(chǔ)量和產(chǎn)量三者之間關(guān)系可以看出，施氮量與產(chǎn)量是二次曲線關(guān)系y=-0.011x2+12.56x+3 291，施氮能促進(jìn)產(chǎn)量的增加，當(dāng)施氮量達(dá)到一定值時(shí)，再增加施肥，產(chǎn)量反而會(huì)下降，氮素利用效率降低；而無機(jī)氮總儲(chǔ)量與產(chǎn)量的關(guān)系方程為y=-4.33 5x2+353.8x+351.0，相關(guān)系數(shù)為0.927，比施氮量相關(guān)性更好，當(dāng)土壤無機(jī)氮總儲(chǔ)量達(dá)到31 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量最高，此時(shí)的施氮量在397 kg/hm2左右，達(dá)到了最高產(chǎn)量的施氮閾值；根據(jù)施氮量與無機(jī)氮總儲(chǔ)量指數(shù)函數(shù)方程y=8.915e0.003x，得出施氮量為332 kg/hm2時(shí)，無機(jī)氮被棉花吸收的量快速減少，無機(jī)氮含量迅速增加。所以綜合分析，在施氮量332～397 kg/hm2的閾值范圍內(nèi)，利于棉花形成高產(chǎn)和提高肥料利用率。圖3

圖3 施氮量、土壤無機(jī)氮總儲(chǔ)量、產(chǎn)量三者關(guān)系

Fig.3 The relationship between the amount of N application, soil inorganic N storages, production

3 討 論

土壤無機(jī)氮總儲(chǔ)量代表著土壤氮素水平[14]，施氮可以增加無機(jī)氮總儲(chǔ)量和棉花產(chǎn)量。劉學(xué)軍等[15]研究發(fā)現(xiàn)，1～2 m 土層中積累的硝態(tài)氮難以被作物吸收利用。李玉英等[16]研究發(fā)現(xiàn)無機(jī)氮含量隨著施氮量增加而顯著增加且不同耕作方式使0～100 cm土層的無機(jī)氮含量發(fā)生了變化。有研究認(rèn)為，硝酸鹽主要積聚在40～60 cm土層[17]，這與研究基本一致，在0～40 cm土層，無機(jī)氮含量隨著施氮量的增加而不斷增加，新疆棉田滴灌深度一般維持在0～20 cm，最深達(dá)40 cm，所以40 cm以上土層礦物氮變化規(guī)律性明顯，40 cm以下規(guī)律性變?nèi)?，與滴灌深度有一定的關(guān)系。Sulkava[18](1996)用15N標(biāo)記肥料研究了氮肥隨水滴施后氮素在土壤中的分布，結(jié)果指出銨態(tài)氮向下運(yùn)動(dòng)到150 cm，而硝態(tài)氮可以向下運(yùn)移至210～240 cm。武曉峰等[19]通過對(duì)冬小麥生長期田間氮素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究也發(fā)現(xiàn)，田間氮素運(yùn)移的情況與水分運(yùn)移有著密切的關(guān)系。在田間施肥上，大量研究表明，新疆棉田氮素合理用量一般在310～375 kg/hm2，但隨著對(duì)高產(chǎn)的追求，施氮量也在逐漸增加，要獲得皮棉200 kg/666.7 m2的目標(biāo)產(chǎn)量，施氮就要增加到390 kg/hm2，然而南疆地區(qū)農(nóng)戶施氮總量達(dá)426～430 kg/hm2，過量施氮普遍[20-21]。前人研究已證明[22]，氮素利用效率為拋物線形曲線，其最大利用效率有時(shí)與產(chǎn)量吻合，有時(shí)早于最高產(chǎn)量出現(xiàn)，主要受土壤、作物以及環(huán)境的影響。在氮素利用率大小上，婁長安等[23]指出，雜交棉的氮肥表觀利用率為41%～55%，氮肥適宜用量為310～340 kg/hm2。郭金強(qiáng)等[24]在膜下滴灌條件下，得出施氮為180～360 kg/hm2處理的氮肥利用率在27.6%～33.8%。馬騰飛等[25]通過試驗(yàn)研究得出，新疆地區(qū)氮素的利用效率在16.47%～28.37%，利用率并不高。試驗(yàn)同樣得出氮素利用效率在17.88%～29.73%，且根據(jù)氮素水平設(shè)置，施氮量為396.5 kg/hm2時(shí)棉花產(chǎn)量最高，可見目前新疆地區(qū)的氮素利用情況并不容樂觀，氮肥浪費(fèi)現(xiàn)象依然嚴(yán)重。

4 結(jié) 論

在0～100 cm各土壤層次的無機(jī)氮濃度隨著施氮量增加而增大；施氮量與棉株生長量為二次曲線關(guān)系，且初花至盛鈴期趨勢明顯；試驗(yàn)氮素利用效率在17.88%～29.73%，施氮量、土壤無機(jī)氮總儲(chǔ)量和產(chǎn)量三者相輔相成，N3(396.5 kg/hm2)處理的產(chǎn)量最高，為7 486.00 kg/hm2，施氮量在332～397 kg/hm2的閾值范圍內(nèi)，有利于棉花形成高產(chǎn)和提高肥料利用率。

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Fund project:National science and technology supporting project"The research and demonstration about key technology in high yield and high efficiency of cotton"(2014BAD11B02),"The research and integrated demonstration about key technology under the moderate scale of cotton picker machine arts integration"(2014BAD09B04)；NFSC" The SPAD diagnosis model establishment and regulation inYield by Leaf pattern of fertilization in Film Drip Irrigation"(41361067)；Funded project of the Research Institute of public welfare in the Autonomous Region"The key technology in high yield and high efficiency of cotton in xinjiang"(KY2013068)"The research and integrated demonstration about key technology of cotton picker machine arts integration"

Study on the Relationship between Nitrogen Application Threshold and Yield and Total Inorganic Nitrogen

LOU Shan-wei1, MA Xing-wang2, Tuohuti Aimaiti1, NIU Xin-xiang2,YANG Tao2, ZHANG Peng-zhong1

(1.NationalCottonEngineeringandTechnologyResearchCenter,Urumqi830091,China;2.ResearchInstituteofSoil,FertilizerandAgriculturalWaterConservation,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi830091,China)

【Objective】 Through the study on effects of nitrogen application on cotton yield and soil inorganic nitrogen, this project aims to make clear the relationship between nitrogen application threshold and yield and total inorganic nitrogen in Xinjiang from 2012 to 2013.【Method】Cotton plant samples came from different nitrogen levels (0, 237.9, 317.1, 396.5, 475.7, 634.2 kg/hm2) and 0-100 cm deep soil and the nitrogen uptake of cotton was measured and the concentration of inorganic nitrogen in soil analyzed.【Result】Increasing the amount of nitrogen fertilizer applied in the 0-396.5 kg/hm2range could promote the growth of cotton. The correlation coefficients of nitrogen fertilizer and cotton growth were the highest at peak boll period, but too much could not promote the growth of cotton. The inorganic nitrogen concentration in the 0-60 cm soil layer increased with the increase of N application rate, while under 60 cm of soil layer, the soil inorganic nitrogen concentration began to decrease, the increasing trend became weak and have no regularity. They are quadratic equation relationship about nitrogen fertilizer and yield, the yield was the highest when nitrogen fertilizer reached 396.5 kg/hm2. The nitrogen use efficiency and yield of cotton had the same changing trend. It was about 29.73%. If the amount of nitrogen applied was in the range of 332-397 kg/hm2threshold, it was conducive to the formation of high yield of cotton and improve the utilization rate of fertilizer.【Conclusion】Nitrogen application threshold, yield and inorganic nitrogen reserve has a certain correlation.

cotton; yield; soil total inorganic nitrogen; nitrogen application threshold

2016-05-24

國家科技支撐項(xiàng)目“棉花高產(chǎn)高效關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(2014BAD11B02)；“適度規(guī)模下機(jī)采棉機(jī)藝融合關(guān)鍵技術(shù)研究與集成示范”(2014BAD09B04)；國家自然科學(xué)基金“膜下滴灌棉花葉齡施肥SPAD診斷模式的建立及其對(duì)產(chǎn)量調(diào)控”(41361067)；自治區(qū)公益性科研院所資助項(xiàng)目“新疆棉花優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)關(guān)鍵栽培技術(shù)”(KY2013068)；“機(jī)采棉機(jī)藝融合關(guān)鍵技術(shù)集成研究與示范”(KY2013069)

婁善偉(1982-)，男，山東日照人，助理研究員，研究方向?yàn)槊藁ㄔ耘嗯c生理，(E-mail)wei.lou@163.com

張鵬忠(1974-)，男，甘肅人，副研究員，研究方向?yàn)槊藁ㄔ耘啵?E-mail)zhangpz@163.com

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.12.008

S561

：A

：1001-4330(2016)12-2217-08