施氮水平對(duì)油棉連作棉花氮磷鉀吸收、分配與利用的影響

李 飛，郭利雙，李景龍，肖才升

(湖南省棉花科學(xué)研究所，湖南 常德 415101)

油棉連作技術(shù)作為一種全新的種植方式，不僅緩解了油棉爭(zhēng)地的矛盾，提高了周年棉田效益，而且可以進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)與輕簡(jiǎn)化栽培，為洞庭湖棉區(qū)棉花產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定和發(fā)展開(kāi)辟了新的方向[1-3]。洞庭湖棉區(qū)作為我國(guó)的優(yōu)質(zhì)棉產(chǎn)區(qū)之一，關(guān)于油棉連作棉花增產(chǎn)、提質(zhì)、增效的理論與技術(shù)研究已成為當(dāng)前湖南省農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。目前，化學(xué)肥料的合理應(yīng)用是提高棉花產(chǎn)量的主要技術(shù)手段[4]，但是在生產(chǎn)中，化肥的盲目施用現(xiàn)象越來(lái)越多，尤其是氮肥的施用量不斷增加[5-7]，不僅造成氮肥利用率下降與化肥資源浪費(fèi)[8-9]，而且導(dǎo)致棉花產(chǎn)量下降，影響棉田收益。此外，引發(fā)的環(huán)境污染、生態(tài)系統(tǒng)失調(diào)以及纖維品質(zhì)下降等一系列問(wèn)題，影響了我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

本研究基于油棉連作棉花密植模式，比較不同施氮量對(duì)直播棉群體生物量積累、皮棉產(chǎn)量及纖維品質(zhì)的影響差異，摸清氮肥的適宜施用量，提高氮肥運(yùn)籌水平與生產(chǎn)效率，為環(huán)境友好型的棉花資源高效利用栽培技術(shù)提供實(shí)用的技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014，2015年在湖南省棉花科學(xué)研究所茅灣科研基地進(jìn)行。試點(diǎn)土壤為河潮土，耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為15.6 mg/kg，堿解氮98.0 mg/kg，有效磷14.1 mg/kg，速效鉀186.8 mg/kg，pH值7.34。

試驗(yàn)棉花品種為中棉所915，種植密度7.5萬(wàn)株/hm2。試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)氮素水平：0，120，180，270，360 kg/hm2，分別以N0、N1、N2、N3、N4表示，施肥方式為溝施，總施氮量中，30%氮肥作基肥，播種時(shí)施入，70%氮肥于見(jiàn)花后追肥。隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，小區(qū)面積30.4 m2。

1.2 測(cè)定內(nèi)容與方法

1.2.1 農(nóng)藝性狀 6月29日、7月14日、7月29日、8月13日、8月28日、9月13日和9月28日每個(gè)處理選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的棉花10株調(diào)查株高及蕾、花、鈴和脫落數(shù)等。

1.2.2 生物量 6月29日、7月14日、7月29日、8月13日、8月28日、9月13日和9月28日取生長(zhǎng)發(fā)育一致的棉株2株，3次重復(fù)，按器官分為真葉、果枝、主莖、生殖器官(蕾花鈴)與根系，105 ℃殺青30 min后，80 ℃烘至恒重，測(cè)定生物量。

1.2.3 產(chǎn)量構(gòu)成因素調(diào)查 10株標(biāo)記好的植株上拾花，記錄鈴數(shù)并稱重，計(jì)算單鈴重和衣分；分小區(qū)收花計(jì)產(chǎn)。

1.2.4 纖維品質(zhì)調(diào)查 各小區(qū)收獲中上部自然吐絮較好的棉鈴20個(gè)，軋花后送交農(nóng)業(yè)部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心(安陽(yáng))。

1.3 棉花氮肥利用率的計(jì)算方法

氮肥表觀利用率(NARE，%)=(施氮區(qū)棉株吸氮量-不施氮區(qū)棉株吸氮量)/施氮量×100%；

氮肥農(nóng)學(xué)利用率(NAE，kg/kg)=(施氮區(qū)皮棉產(chǎn)量-不施氮區(qū)皮棉產(chǎn)量)/施氮量；

氮肥偏生產(chǎn)力(NPP，kg/kg)=施氮區(qū)單位面積產(chǎn)量/單位面積施氮量；

氮素生產(chǎn)效率(NPE，kg/kg)=單位面積皮棉產(chǎn)量/單位面積棉株吸氮量[10]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SAS(9.1.3)進(jìn)行方差分析、模型構(gòu)建，用Excel 2003進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量構(gòu)成因素分析

表1表明，不同施氮量處理之間單株成鈴數(shù)差異較大，隨施氮量的增加，表現(xiàn)為先上升后下降，在270 kg/hm2時(shí)最多；單鈴重的變化趨勢(shì)與單株成鈴數(shù)表現(xiàn)一致；衣分在施氮量270～360 kg/hm2時(shí)最高，且各處理間差異不顯著。脫落率隨施氮量增加先下降后上升；2年間的數(shù)據(jù)表現(xiàn)基本一致；整體來(lái)看，隨著施氮量的變化，2015年各處理產(chǎn)量構(gòu)成因素變幅較2014年大。

皮棉產(chǎn)量隨施氮量的增加，表現(xiàn)為先上升后下降。2014，2015年皮棉產(chǎn)量均在270 kg/hm2時(shí)達(dá)到最大。以施氮量(kg/hm2)為自變量，皮棉產(chǎn)量(kg/hm2)為因變量，進(jìn)行擬合，得出氮效應(yīng)方程：y=b0+b1x+b2x2+b3x3。當(dāng)邊際產(chǎn)量(增加單位量氮肥所增加的產(chǎn)量，即dy/dx=b1+2b2x+3bx2)等于零時(shí)，產(chǎn)量最高，此時(shí)的施氮量即為產(chǎn)量最佳施氮量；當(dāng)邊際產(chǎn)量等于氮肥與皮棉的價(jià)格比值(即dy/dx=px/py)時(shí)，單位面積的施肥收益最優(yōu)，此時(shí)的施肥量即為收益最佳施氮量；將產(chǎn)量最佳和收益最佳施氮量分別帶入方程可求出相應(yīng)的最佳產(chǎn)量與收益最佳產(chǎn)量[11]。

表1 施氮量對(duì)棉株產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響Tab.1 Effect of nitrogen application rate on cotton yield and yield components

注：不同字母表示其在0.05水平上差異顯著。表2-7同。

Note：Different letters mean significantly different at the 0.05 probability leve1.The same as Tab.2-7.

從圖1可以看出，2年方程擬合的決定系數(shù)均在0.98以上，這說(shuō)明方程的擬合度較高，計(jì)算出的最佳施氮量比較準(zhǔn)確。經(jīng)計(jì)算得出，2015年產(chǎn)量最佳施氮量為277.1 kg/hm2，收益最佳施氮量為259.5 kg/hm2；2014年產(chǎn)量最佳施氮量為280.1 kg/hm2，收益最佳施氮量為265.2 kg/hm2。因此，綜合產(chǎn)量與收益得出，推薦施氮量為250～270 kg/hm2。

2.2 纖維品質(zhì)構(gòu)成因素分析

統(tǒng)計(jì)分析2年不同施氮水平下、不同果枝棉纖維品質(zhì)指標(biāo)(表2)，可以看出，隨施氮量的增加不同果枝部位棉纖維品質(zhì)變化趨勢(shì)存在一定差異。

纖維長(zhǎng)度隨著施氮量的增加表現(xiàn)為先上升后下降的變化趨勢(shì)，2014，2015年均在施氮270 kg/hm2的條件下纖維長(zhǎng)度最長(zhǎng)。總體來(lái)看，2年的纖維長(zhǎng)度變幅均不大，其中，2014年的各處理間差異均不顯著。

2年的馬克隆值變化趨勢(shì)一致，均隨著施氮量的增加呈下降趨勢(shì)；不同施氮處理之間馬克隆值變幅較小，且各處理之間差異不顯著。

圖1 施氮量與棉花產(chǎn)量的關(guān)系Fig.1 Relationship between nitrogen application rate and cotton yield

年份Year處理Treatment纖維長(zhǎng)度/mmFiber length整齊度/%Uniformity比強(qiáng)度/(cN/tex)Strength馬克隆值Micronaire伸長(zhǎng)率/%Elongation2015N030.00±0.82bc86.67±0.41a32.37±0.62a5.37±0.14a6.97±0.13aN130.53±0.31bc87.03a±0.1132.47±0.44a5.33±0.06a7.10±0.06aN230.53±0.35ab86.67±0.39a33.17±0.14a5.30±0.10a7.10±0.02aN331.43±0.44a86.60±0.58a32.53±0.48a5.23±0.08a7.13±0.08aN429.50±0.51c86.20±0.09a31.87±0.19a5.20±0.09a7.03±0.03a2014N030.41±0.66a86.10±0.96a30.98±0.69a5.42±0.08a6.80±0.10aN130.85±0.57a84.83±0.55a31.37±1.15a5.41±0.09a6.83±0.06aN230.98±0.11a86.13±0.71a31.57±1.62a5.38±0.24a7.00±0.17aN331.05±0.61a85.13±0.21a32.32±0.62a5.34±0.08a6.90±0.10aN430.90±0.60a85.40±0.53a30.69±1.00a5.30±0.08a6.87±0.12a

纖維比強(qiáng)度的變化均在30.69～33.17 cN/tex，隨著施氮量的增加，纖維比強(qiáng)度未呈規(guī)律性變化，不同處理之間差異不顯著；2014，2015年的比強(qiáng)度分別在施氮量270，180 kg/hm2條件下最大。纖維整齊度和伸長(zhǎng)率隨施氮水平的提高，差異表現(xiàn)不顯著。因此，綜合纖維品質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)得出，推薦施氮量為180～270 kg/hm2。

2.3 施氮量對(duì)棉花生物量動(dòng)態(tài)變化特征的影響

表3表明，隨著施氮水平的提高，單株生物量、根冠比、生殖營(yíng)養(yǎng)器官比例、莖葉比及經(jīng)濟(jì)系數(shù)均呈現(xiàn)規(guī)律性變化，具體如下：

隨施氮量的增加，單株生物量表現(xiàn)為先上升后下降，2年的單株生物量均在施氮270 kg/hm2條件下最大。不同施氮水平下，棉花根/冠隨施氮量的變化均呈下降趨勢(shì)，2年的變化趨勢(shì)表現(xiàn)一致；隨著施氮量的增加，生殖器官/營(yíng)養(yǎng)器官表現(xiàn)為先上升后下降，2年均在270 kg/hm2施氮量條件下達(dá)到最大；莖葉比隨施氮水平的變化趨勢(shì)表現(xiàn)為先下降后上升，均在270 kg/hm2施氮量條件下莖葉比最小。

施氮量對(duì)棉株經(jīng)濟(jì)系數(shù)的影響(棉株經(jīng)濟(jì)系數(shù)=籽棉生物量/單株生物量)表現(xiàn)為：經(jīng)濟(jì)系數(shù)隨施氮水平的提高先增加后下降，在270 kg/hm2施氮水平下最高，2年趨勢(shì)一致。

表3 施氮量對(duì)棉株干物質(zhì)分配的影響Tab.3 Effect of N application rate on biomass partitioning in cotton plant

2.4 施氮量對(duì)氮磷鉀吸收、分配與利用的影響

2.4.1 施氮量對(duì)氮積累及分配動(dòng)態(tài)的影響 由表4可知，棉株的氮積累隨著施氮量的增加而提高。從棉株各器官氮積累來(lái)看，葉片、莖枝與根部的氮積累均隨著施氮水平的提高呈上升趨勢(shì)，均在N4水平(施氮量360 kg/hm2)下達(dá)到最大；而棉鈴的氮積累則表現(xiàn)為先上升后下降的變化，在N3水平(施氮量270 kg/hm2)下達(dá)到最大。從各器官氮分配比例來(lái)看，在N4水平(施氮量360 kg/hm2)下，葉片、莖枝和根的分配比例均為最大，而棉鈴的分配比例則為最小。這反映出施用氮肥可以促進(jìn)植株的生長(zhǎng)和各器官的氮積累，同時(shí)也影響植株?duì)I養(yǎng)器官與生殖器官的氮分配比例，施氮水平過(guò)高或不足則會(huì)促進(jìn)葉、莖枝和根等營(yíng)養(yǎng)器官的生長(zhǎng)與氮積累，從而影響棉鈴等生殖器官的生長(zhǎng)和氮積累。

表4 不同施氮水平下棉株氮素的積累與分配Tab.4 Nitrogen accumulation and distribution of cotton under different nitrogen levels

2.4.2 施氮量對(duì)磷積累及分配動(dòng)態(tài)的影響 由表5可知，施氮水平的提高促進(jìn)了棉株的磷積累，這與氮積累表現(xiàn)一致。從棉株各器官磷積累來(lái)看，葉片、莖枝和棉鈴的磷積累均在N4水平(施氮量360 kg/hm2)下達(dá)到最大；根的磷積累則在N2水平(施氮量180 kg/hm2)下達(dá)到最大。從各器官磷分配比例來(lái)看，葉片、莖枝和根的分配比例均呈現(xiàn)先升高后下降再升高的曲線變化，其中葉片的分配比例在N1水平(施氮量90 kg/hm2)下最大，莖枝和根的分配比例均在N2水平(施氮量180 kg/hm2)下最大；在施氮的4個(gè)處理中，棉鈴的分配比例在N3水平(施氮量270 kg/hm2)下最大。從施氮水平對(duì)磷在各個(gè)器官的分配比例來(lái)看，和氮的影響表現(xiàn)基本一致，氮積累量和分配與磷積累和分配呈現(xiàn)較好的同步性。

表5 不同施氮水平下棉株磷素的積累與分配Tab.5 Phosphorus accumulation and distribution of cotton under different nitrogen levels

2.4.3 施氮量對(duì)鉀積累及分配動(dòng)態(tài)的影響 由表6可知，棉株的鉀積累與氮積累表現(xiàn)一致，隨著施氮水平的提高，鉀積累提高。從棉株各器官鉀積累來(lái)看，葉片、莖枝、根部和棉鈴的鉀積累均在N4水平(施氮量360 kg/hm2)達(dá)到最大。從各器官鉀分配比例來(lái)看，葉片、莖枝和根的分配比例均呈現(xiàn)先升高后下降再升高的曲線變化，其中葉片的分配比例在N4水平(施氮量360 kg/hm2)最大，莖枝和根的分配比例均在N2水平(施氮量180 kg/hm2)最大；在施氮的4個(gè)處理中，棉鈴的分配比例在N3水平(施氮量270 kg/hm2)最大。從施氮水平對(duì)鉀在各個(gè)器官的分配比例來(lái)看，和氮的影響表現(xiàn)一致。氮的積累量和分配與鉀積累和分配呈現(xiàn)較好的同步性，即表現(xiàn)為氮積累隨施氮水平提高，鉀積累也提高。

表6 不同施氮水平下棉株鉀素的積累與分配Tab.6 Potassium accumulation and distribution of cotton under different nitrogen levels

2.4.4 施氮量對(duì)氮、磷、鉀養(yǎng)分利用效率的影響 隨著施氮水平的提高，氮肥的利用率、農(nóng)學(xué)利用率、偏生產(chǎn)力和生產(chǎn)效率均呈下降趨勢(shì)；磷和鉀的吸收量則隨施氮量的提高呈上升趨勢(shì)，其中，施氮量360 kg/hm2條件下，P2O5吸收量較不施氮處理增加62%以上，K2O吸收量較不施氮處理增加96%以上(表7)。

表7 施氮量對(duì)氮、磷、鉀養(yǎng)分利用效率的影響Tab.7 Nitrogen，phosphorous and potassium utilization efficiencies different N fertilizer rates

3 結(jié)論與討論

多數(shù)研究證明，棉花產(chǎn)量受施氮量影響較大，施氮量過(guò)高或過(guò)低均會(huì)造成產(chǎn)量下降[12-14]，本試驗(yàn)的結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。本研究中，2年的棉花產(chǎn)量均以N3處理，即施氮270 kg/hm2最高，經(jīng)過(guò)氮效應(yīng)方程計(jì)算，2014，2015年的效益最佳施氮量分別為259.5，265.2 kg/hm2。因此，基于產(chǎn)量形成、氮肥高效利用與經(jīng)濟(jì)收益，在本試驗(yàn)的栽培模式及生態(tài)環(huán)境下，推薦施氮量為250～270 kg/hm2。

雖然關(guān)于施氮與纖維品質(zhì)的研究較多，但由于試驗(yàn)條件、品種、肥料形態(tài)及施用方式的不同，研究結(jié)果也差異較大。本試驗(yàn)中馬克隆值隨施氮量的增加而降低，這與Rochhester等[15]的研究一致。纖維長(zhǎng)度和斷裂比強(qiáng)度則呈現(xiàn)先升高后下降的變化，這在宋為超等[16]的研究中也有所表現(xiàn)，其中2015年，纖維長(zhǎng)度和比強(qiáng)度分別在N3(施氮270 kg/hm2)、N2(施氮180 kg/hm2)達(dá)到最大；2014年，纖維長(zhǎng)度和比強(qiáng)度均在N3(施氮270 kg/hm2)達(dá)到最大。整齊度和伸長(zhǎng)率均相差不大且各處理間差異不顯著。目前，隨著機(jī)械植棉發(fā)展腳步的加快，紡織企業(yè)對(duì)纖維品質(zhì)的要求進(jìn)一步提高，達(dá)到“雙30”以上，即纖維長(zhǎng)度≥30 mm，比強(qiáng)度≥30 cN/dtex。因此，結(jié)合檢測(cè)結(jié)果與市場(chǎng)需求，施氮量在180～270 kg/hm2時(shí)，棉花纖維品質(zhì)比較理想。

合理的生物量是作物產(chǎn)量和品質(zhì)提高的重要前提[17]，而植株養(yǎng)分吸收則是生物量積累與產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。從試驗(yàn)結(jié)果看，增施氮肥促進(jìn)了棉株生物量積累與氮、磷、鉀的吸收。當(dāng)施氮水平提高到N3，即施氮270 kg/hm2，其增施效果不再顯著；此外，氮素的積累與分配和磷、鉀的積累與分配呈現(xiàn)良好的一致性。本試驗(yàn)中，棉株氮磷鉀養(yǎng)分累積均在N4(施氮360 kg/hm2)最大，但是在施用氮肥(N1、N2、N3、N4)的4個(gè)處理中，棉鈴氮、磷、鉀的分配比例均在N3(施氮270 kg/hm2)最大，這與棉株生物量積累、棉花產(chǎn)量表現(xiàn)一致，因此，適宜的施氮量可以提高氮、磷、鉀在生殖器官中所占的分配比例，進(jìn)而促進(jìn)生物量的積累，提高棉花產(chǎn)量。本試驗(yàn)中，施氮不足與過(guò)量均會(huì)影響營(yíng)養(yǎng)器官與生殖器官的協(xié)調(diào)生長(zhǎng)，致使氮、磷、鉀在生殖器官中所占的分配比例下降，尤其是施氮水平過(guò)高，棉株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)旺，表現(xiàn)為群體茂盛，貪青晚熟，過(guò)多的養(yǎng)分向營(yíng)養(yǎng)器官轉(zhuǎn)移，抑制了棉株的生殖生長(zhǎng)，不利于棉鈴的生長(zhǎng)發(fā)育，產(chǎn)量下降，品質(zhì)降低。

研究表明，棉田氮肥利用率受施氮量影響顯著，隨著施氮水平提高而下降[11，18-19]。本研究中，氮肥的利用率、農(nóng)學(xué)利用率、偏生產(chǎn)力與生產(chǎn)效率均隨施氮量的增加而降低，這與前人的研究結(jié)果表現(xiàn)一致，同時(shí)施氮水平的提高大大促進(jìn)了棉株對(duì)P2O5與K2O的吸收。

總之，氮肥對(duì)提高棉花干物質(zhì)積累、氮磷鉀吸收、產(chǎn)量和品質(zhì)作用顯著，但是過(guò)量施用不僅會(huì)影響棉花產(chǎn)量和品質(zhì)，而且造成肥料利用率低、化肥資源浪費(fèi)，并且導(dǎo)致田間生態(tài)環(huán)境的惡化以及土壤肥力的下降[8-9]。向鳳玲等[20]調(diào)研發(fā)現(xiàn)，同屬洞庭湖棉區(qū)的大通湖，氮肥平均使用高達(dá)342.6 kg/hm2，而本研究提出了油棉連作棉花適宜的施氮量為250～270 kg/hm2，大幅度降低了氮肥的施用量，不僅符合國(guó)家提出的化肥農(nóng)藥減施增效的綠色增長(zhǎng)模式，而且提高了棉花的田間收益，保障了國(guó)家生態(tài)環(huán)境安全和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)環(huán)境改善。本研究針對(duì)洞庭湖棉區(qū)，提出了適宜的施氮量與合理的肥料運(yùn)籌，為油棉連作棉花化肥減施增效提供了技術(shù)參考。

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