氮肥用量及其后效對棉花產(chǎn)量和生物質(zhì)累積動態(tài)的影響

宋興虎，Tufail Ahmed Wagan，Biangkham Souliyanonh，Saif Ali，黃穎，袁源，楊國正

（華中農(nóng)業(yè)大學/農(nóng)業(yè)部長江中游作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，武漢430070）

當前棉花生產(chǎn)中，增施氮肥對棉花增產(chǎn)效果不明顯，卻增加了成本投入，更會造成環(huán)境污染、加重環(huán)境負擔；因此，減投、增產(chǎn)、增效對棉花生產(chǎn)至關重要。通過優(yōu)化栽培，減少氮肥投入、提高氮肥利用率而實現(xiàn)棉花穩(wěn)產(chǎn)（高產(chǎn)）已經(jīng)成為主要的研究方向之一[1-3]。

氮肥施入土壤之后，對于當季來說是肥料氮，而對下季作物來說為土壤氮。然而，關于氮肥殘留是否影響棉花產(chǎn)量形成，至今鮮見報道。通過分析確定棉花產(chǎn)量形成之間的相互關系及生物質(zhì)轉(zhuǎn)移和分配對棉花生產(chǎn)的重要作用，是實現(xiàn)棉花高效栽培的重要前提條件[4-11]。單株成鈴數(shù)、鈴重和衣分是棉花產(chǎn)量形成的基本因素，而生物質(zhì)累積是產(chǎn)量形成的基礎，其中向生殖器官分配的多少決定了棉花的經(jīng)濟產(chǎn)量[12-15]。在影響棉花產(chǎn)量的眾多因素中，肥料起著重要作用，尤其是氮肥；然而，氮肥過多或不足都會引起棉花產(chǎn)量降低[16-21]。氮肥后效研究可從側(cè)面反映施入土壤中的氮肥對下一季棉花的影響，從而確定棉田適宜的氮肥用量，為減肥、增產(chǎn)、增效提供一定的理論依據(jù)。

本試驗采用15N同位素示蹤技術，研究了不同氮肥（15N標記尿素）水平對棉花生育進程、產(chǎn)量及其構(gòu)成以及生物質(zhì)累積動態(tài)，棉株氮素累積動態(tài)，土壤殘留氮素的吸收利用行為等的影響，從而確定在遲播高密度下在見花期施用氮肥量進一步減少的可行性，同時研究氮肥后效，為棉花簡化栽培、提高肥料利用效率提供依據(jù)。限于篇幅，本文重點討論第1項內(nèi)容。

1　材料與方法

1.1　試驗條件

盆（桶）栽試驗，于2014年、2015年在華中農(nóng)業(yè)大學盆栽場（30°37′N，114°21′E，海拔 23 m）進行，品種為華棉 3109（Gossypium hirsutumL.），土壤類型為黃棕黏壤土，土壤養(yǎng)分含量中等（表1）。

1.2　試驗設計

PVC盆（桶）高40 cm，口徑35 cm，裝土22.5kg，底部有1個直徑為1 cm的小孔用于瀝水，每處理有20盆，每盆3株棉花。

表1　土壤養(yǎng)分含量Table 1　Pre-sowing soil analysis

2014 年設 5 個氮肥用量處理：120、150、180、210、240 kg·hm－2（代 號 分 別 為 N120、N150、N180、N210、N240），換算為每盆用量分別為 1.6、2.0、2.4、2.8、3.2 g。磷、鉀肥用量按 N180 水平mN∶mP∶mK=1∶0.3∶1 計算。氮肥為尿素（ωN=46.3%），磷肥為過磷酸鈣（ωP2O5=12%），鉀肥為氯化鉀（ωK2O=59%），此外每盆施硼砂（ωB=10%）0.200 g。2015年試驗使用2014年不同氮肥用量試驗的土壤，所有處理施肥180 kg·hm－2（每盆2.4 g），仍延用2014年處理代號。

1.3　材料種植

每桶播種棉花3穴，三角形分布，每穴4～5粒。2014年6月14日播種，2015年5月21日播種。出苗后噴施波爾多液，1葉期間苗，3葉期定苗至3株（每穴1株）。高溫干旱期間每天傍晚每桶澆水2 L，花鈴期在每桶正中插入1根竹竿，用塑料繩將棉株與竹竿固定，防止棉花倒伏，適時上移塑料繩。全部肥料于見花當天（2014年8月10日，2015年7月21日）配制成水溶液 （體積比＜0.4%）澆施于棉株根部周圍，不整枝，不打頂，不施用調(diào)節(jié)劑。

1.4　測定項目與方法

1.4.1生育進程。固定連續(xù)5盆15株，調(diào)查出苗、現(xiàn)蕾、開花、吐絮的實際日期。

1.4.2生物質(zhì)累積。2014年從出苗后36 d起，每25 d取棉株樣6次；2015年按生育期（蕾期、初花期、盛花期、吐絮期、拔稈期）取棉株樣5次。每次取3盆，每盆3株平均視為1次重復。將棉株分成3組：營養(yǎng)器官（含根、主莖、主莖葉、營養(yǎng)枝）、生殖器官（含蕾、花、鈴）和生殖相關器官（包括果枝、果枝葉），裝入牛皮紙袋，105℃殺青30 min，60℃烘干至質(zhì)量恒定，稱量。

1.4.3產(chǎn)量及其構(gòu)成。2014年因故未獲取棉花產(chǎn)量數(shù)據(jù)。2015年分2次（9月22日、29日）收獲籽棉，曬干，稱量，累計產(chǎn)量。其中第2次收獲前取正常吐絮棉鈴，考察鈴重、衣分。

1.4.4數(shù)據(jù)分析。用MS Excel 2010整理數(shù)據(jù)及作圖，Spss17.0進行方差分析，DPS擬合棉花生

表2　試驗期間主要氣象數(shù)據(jù)Table 2　Meteorological data during 2014 and 2015 growth seasons

物質(zhì)累積的Logistic方程：

式中：Y為出苗后td 的干物質(zhì)累積量（g·plant－1）；t為出苗后時間 （d）；K為干物質(zhì)累積量的最大值；a、b 為待定系數(shù)。

VT=（Y2－Y1）/（t2－t1）.Y2、Y1分別是t2、t1時的生物質(zhì)質(zhì)量；VT為生物質(zhì)快速累積期的平均累積速率。

2　結(jié)果與分析

2.1　棉花生育進程

2年播種時間差異較大，但各生育階段時間差異均不顯著；2014年苗期最長，花鈴期其次，而2015年二者相當（表3）。

2014年，雖然6月中旬才播種，苗期仍長達44 d，但蕾期很短（14～16 d），花鈴期 37～39 d，生育期96～98 d；不同氮肥用量之間無顯著差異。2015年于5月下旬播種，苗期和花鈴期分別為36 d和 37～38 d，而蕾期長達26～28 d，生育期100 d；2014年不同氮肥用量對2015年棉花生育期沒有顯著影響。與2014年相比，2015年苗期縮短8 d，蕾期延長11～13 d，花鈴期相當，生育期延長2～4 d。

2.2　棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

2015年不同處理雖然氮肥用量相同，但是棉花單株產(chǎn)量差異顯著，其差異源于單株鈴數(shù)、鈴重和衣分（表4）。

單株籽棉產(chǎn)量最高為59.5 g，最低為36.3 g。N210處理和N180處理籽棉產(chǎn)量差異不顯著，但都顯著高于其他處理，可見在施氮肥180 kg·hm－2的基礎上進一步增加氮肥對棉花產(chǎn)量增長作用不明顯。在單株鈴數(shù)上，N210處理＞N180處理＞N120處理；鈴重和皮棉產(chǎn)量變化一致，都隨氮肥用量增加先增加后降低，N180處理鈴重和皮棉產(chǎn)量最大。衣分高是華棉3109顯著的特點之一。在本試驗中，各處理衣分都超過50%，最高達 55%；施氮 120～210 kg·hm－2范圍內(nèi)，施氮量與衣分負相關，氮肥后效對產(chǎn)量影響說明適宜的氮肥用量有利于棉花產(chǎn)量的提高。

2.3　棉花生物質(zhì)累積動態(tài)

2.3.1生物量。隨著生育進程的推移，生物量呈現(xiàn)生長曲線，施肥之前處理之間沒有顯著差異，之后差異逐漸增大，而后效作用不明顯（圖1）。

2014年在出苗后86 d內(nèi)生物量增長緩慢，之后快速增長，然后進入穩(wěn)定期，最終下降，經(jīng)過快速增長階段（出苗后86～111 d）各處理生物量明顯增加，其中N210處理顯著高于其他處理，而其他處理間差異不大：適宜的氮肥用量更有利于生物量的累積，氮肥不足或過量均對棉花生長不利。2015年雖然施肥（氮肥用量相同）后生物量快速增加，但是處理間差異不顯著，可見氮肥后效在本試驗中對棉花生物量沒有影響。

表3　棉花生育進程和生育期Table 3　Cotton growth stages and periods under different treatments during 2014 and 2015 growth seasons

表4　棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素（2015年）Table 4　Cotton yield and its components under different treatments in 2015

2.3.2營養(yǎng)器官生物質(zhì)累積。棉花營養(yǎng)器官生物質(zhì)累積 （圖2）與生物量 （圖1）在出苗后86 d（2014 年）、63 d（2015 年）內(nèi)變化趨勢極為相似，施肥以后營養(yǎng)器官生物質(zhì)質(zhì)量先快速上升后下降或逐漸趨于穩(wěn)定。

圖1　棉花生物量累積動態(tài)Fig.1　Cotton plant biomass accumulation

圖2　棉花營養(yǎng)器官生物質(zhì)累積動態(tài)Fig.2　Vegetative organs biomass accumulation of cotton

2014年棉花營養(yǎng)器官生物質(zhì)累積隨氮肥用量的增加而增加，施肥顯著提高了營養(yǎng)器官生物質(zhì)累積。在出苗后111 d時，N180與N210處理間營養(yǎng)器官生物質(zhì)累積量差異不大，但都顯著高于N120與N150處理，136 d時N210處理顯著高于其他處理，而在159 d時處理間差異不大。氮肥后效試驗（2015年）中，見花之前棉花主要吸收土壤氮，處理間營養(yǎng)器官生物質(zhì)累積量差異不大，可能是因為苗期棉花對氮肥的需求量??；施肥以后營養(yǎng)器官累積速率增大，進入盛花期（出苗后81 d）處理間差異變大，此時棉花對氮肥的需求較多，從土壤中吸收的氮素增加。然而不論是不同氮肥用量試驗還是氮肥后效試驗，N210處理營養(yǎng)器官的生物質(zhì)累積量都是最高的，說明氮肥用量在210 kg·hm－2時更有利于棉花營養(yǎng)器官的累積。

2.3.3生殖器官生物質(zhì)累積。在出苗后80 d內(nèi)生殖器官生物質(zhì)累積量小、累積速率小，之后累積量和累積速率均快速增長，不同氮肥用量的影響主要表現(xiàn)在花鈴期和吐絮期，隨氮肥用量增加生殖器官生物質(zhì)累積量增加；而后效則主要影響花鈴期（圖 3）。

2014年施肥（見花）之后生殖器官生物質(zhì)累積量開始緩慢增加，因為在此時生殖器官較少而且以蕾和花為主；但進入花鈴期后迅速增加，處理之間差異也逐漸增大，在出苗后159 d時N150處理與N120處理間差異不顯著，但二者都與其余3個處理差異顯著。后效試驗中，生殖器官生物質(zhì)累積量隨生育進程的推移持續(xù)增加，多數(shù)時期處理間差異不大，僅出苗后102 d（吐絮期）時N210處理和N240處理顯著低于其他處理，說明氮肥后效對生殖器官生物質(zhì)累積有一定影響，主要表現(xiàn)在吐絮期。

圖3　棉花生殖器官生物質(zhì)累積動態(tài)Fig.3　Reproductive organs biomass accumulation of cotton

2.3.4生殖相關器官生物質(zhì)累積。生殖相關器官生物質(zhì)累積量增加先于生殖器官而晚于營養(yǎng)器官，隨氮肥用量的增加而增大（出苗后159 d）；氮肥后效主要影響前期生長（圖4）。

圖4　棉花生殖相關器官生物質(zhì)累積動態(tài)Fig.4　Biomass accumulation of cotton organs related to reproduction

如圖4所示，不同氮肥用量處理中后期生殖相關器官生物質(zhì)累積差異顯著，出苗后111 d時，N210處理累積量最大，顯著高于N120和N150處理，而與N180和N240處理差異不顯著。說明施氮不足或過量都不利于生殖相關器官生物質(zhì)累積，本試驗中氮肥用量與生物質(zhì)累積不存在直線相關關系。后效試驗中，在施肥之前累積速率較氮肥用量試驗大，主要是因為2014年未被棉花吸收的氮肥在2015年轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥赖Ｊ┓手罄鄯e速度和累積量均增加，然而102 d后二者逐漸趨于穩(wěn)定亦或增長速度非常緩慢，處理間累積量差異不顯著，可見氮肥后效對生殖相關器官生物質(zhì)累積影響較小。

2.4　生物質(zhì)累積模型

用Logistic方程擬合2015年棉花生物質(zhì)累積，盡管處理間回歸方程的決定系數(shù)不同，但都達到了顯著水平（P＜0.05）（表5）。各處理平均生物量最大累積速率（0.93 g·plant－1·d－1）比平均累積速率（0.81 g·plant－1·d－1）高 14.8%。處理間生物量累積進程存在差異：N120、N150和N180處理快速累積期起始與終止時間不同，但是持續(xù)時間、最大速率和平均速率差異不大；N120處理的快速累積期持續(xù)時間最短（38.9 d），最大和平均累積速率最大，分別為 1.05 g·plant－1·d－1、0.92 g·plant－1·d－1；N210 與 N240 處理快速累積期起始和終止時間較晚，持續(xù)時間相差4 d，N210比N240處理累積速率大，最高速率和平均速率分別 相差 0.11 g·plant－1·d－1、0.10 g·plant－1·d－1。N210和N240處理累積速率小于其他處理，但快速累積期的持續(xù)時間最長?？梢?，氮肥后效主要是通過延長快速累積期的持續(xù)時間而實現(xiàn)生物量的增加。

表5　棉花生物質(zhì)累積Logistic模型及其特征值（2015年）Table 5　Equation of cotton plant biomass accumulation and its eigenvalues in 2015

相比于生物量、生殖器官和生殖相關器官，營養(yǎng)器官生物質(zhì)快速累積起始和終止時間最早，然而快速累積期的持續(xù)時間和累積速率均比生物量和生殖器官低；最大累積速率出現(xiàn)時間分別比生物量、生殖器官和生殖相關器官早24 d、41 d和20 d。營養(yǎng)器官生物質(zhì)快速累積期持續(xù)時間為23.9～40.5 d，累積速率隨氮肥用量增加表現(xiàn)為先上升后下降。其中N120處理持續(xù)時間最長（40.5 d），而累積速率最?。?.26 g·plant－1·d－1），N150處理具有最大的營養(yǎng)器官生物質(zhì)累積速率（0.43 g·plant－1·d－1）。

生殖器官快速累積期起始和終止最晚（分別為出苗后85 d和118 d左右），說明前期棉花主要以營養(yǎng)生長為主。氮肥后效推遲生殖器官進入快速累積期的起始與終止時間，而對持續(xù)時間影響不大（處理N150～N240），最大速率出現(xiàn)時間比生殖相關器官、營養(yǎng)器官和生物量分別晚21 d、41 d和17 d左右。N180處理雖然生物質(zhì)累積不高，但是生殖器官所占的比例最大，收獲指數(shù)也最大，因此棉花的產(chǎn)量最高，也反映出N180處理光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)化至生殖器官的效率高。雖然N120處理生殖器官最大和平均累積速率最大，分別為 0.98 g·plant－1·d－1、0.86 g·plant－1·d－1，但快速累積期持續(xù)時間最短，所以累積量最少。

生殖相關器官快速累積起始時間 （出苗后64 d）比營養(yǎng)器官晚20 d，而要比生殖器官早21 d，終止時間介于二者之間（出苗后81 d）；其快速累積期持續(xù)時間最短（17 d），最大與平均速率在4 個指標中最低， 分別為 0.20 g·plant－1·d－1、0.17 g·plant－1·d－1。 隨著氮肥用量的增加，生殖相關器官快速累積期的最大速率減小，其中N150和N180 處理最大，為 0.22 g·plant－1·d－1，比 N120、N210、N240處理分別增加 4.7%、15.8%、46.7%。

3　討論

氮肥的施用時期顯著影響棉花的生育進程，尤其是花鈴期[22-23]。本試驗中不同氮肥用量對棉花生育期和花鈴期持續(xù)時間影響不大，氮肥后效也不明顯，處理之間差異不顯著。這可能是由于：試驗中氮肥梯度較小，生育進程受施氮量的影響較小，但是2年播種時間不同，苗期和蕾期差別很大，主要是由于2014年于6月14日播種，此時環(huán)境溫度較高，導致苗期變長而蕾期縮短；而2015年由于前期溫度低，棉花在不良條件下具有縮短生育進程而完成生育周期的能力；不同人員調(diào)查尺度不同也可能造成結(jié)果差異較大。

隨著生育進程的推移生物質(zhì)的累積逐漸上升，前期以營養(yǎng)生長為主，養(yǎng)分需求少，到花鈴期養(yǎng)分的需求大[24]。見花期一次性施肥情況下，由于施肥時間推遲，氮肥在土壤中流失風險較大，所以通過研究氮肥后效確定適宜的氮肥用量。本試驗年際間施肥時間相近，但生物質(zhì)累積曲線差異較大，這主要是因為：2014年未收集脫落器官；2年取樣方式不同；2015年在快速累積期溫度較高，進入吐絮期累積速率較大。施肥后處理間增長加快，前期各處理之間差異并不明顯，但是后期各處理間的差異隨著氮肥用量的增加而增大。氮肥用量對棉花生物質(zhì)累積影響顯著，隨氮肥用量的增加而增加，其中N210處理不同器官生物質(zhì)累積最大（生殖相關器官除外），而氮肥后效不明顯，這說明有多余的氮肥可能被浪費掉，后效試驗也證明了這一點。

氮肥后效對棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素都有顯著影響，氮肥可以顯著提高棉花生物量、經(jīng)濟產(chǎn)量及地上部分總吸氮量[25-27]。增施氮肥可以有效增加單位面積成鈴數(shù)和鈴重從而增加棉花產(chǎn)量[28]，但過量施用對提高經(jīng)濟產(chǎn)量和生物產(chǎn)量作用不顯著，氮肥利用率會隨施氮量的增加而降低，而且容易造成貪青晚熟，僵鈴脫落增加，霜前花比例下降[29-31]。氮肥后效試驗中，N180處理生殖器官占到總干物質(zhì)質(zhì)量的比例最大，為64.4%；因此，本試驗中施氮 180 kg·hm－2棉花營養(yǎng)生長與生殖生長最為協(xié)調(diào)，繼續(xù)增加氮肥用量生殖器官比例下降，單株成鈴數(shù)、鈴重及衣分都顯著下降。可見，適宜的氮肥用量更有利于棉花產(chǎn)量形成，進而實現(xiàn)棉花產(chǎn)量的提高[32]。

4　結(jié)論

盡管2年播種時間差異較大，但花鈴期和生育期持續(xù)時間沒有差異，氮肥后效亦不明顯。增加氮肥用量可以增加棉花產(chǎn)量，而用量過大會導致產(chǎn)量下降，主要原因是生殖器官所占的比例下降。本試驗中N180處理皮棉產(chǎn)量和鈴重最高，雖然N210處理的籽棉產(chǎn)量最高，但與N180處理差異不大。同時N180處理生物質(zhì)快速累積期的累積速率較大，生殖器官累積量最大（64.4%）?？梢?，在中等肥力棉田氮肥用量減為180 kg·hm－2是可行的，因為其快速累積期生殖器官生物質(zhì)累積強度增加。

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