不同水氮處理對北疆棉花生長特性及產(chǎn)量的影響

忠智博，翟國亮，鄧 忠，蔡九茂，谷少委，王國棟

(1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002;2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 100081; 3. 新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)田水利與土壤肥料研究所，新疆 石河子 832000)

0 引 言

新疆地處內(nèi)陸干旱區(qū)，降水稀少，蒸發(fā)強烈，鹽堿土分布廣泛，水資源嚴重匱乏[1]。為保證新疆棉花的增產(chǎn)增收, 發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)是必由之路，膜下滴灌技術(shù)則是目前最為有效的節(jié)水灌溉方式。眾多國內(nèi)研究結(jié)果表明，膜下滴灌技術(shù)具有省水、省肥、省工的特點，而且在提高棉花產(chǎn)量和改善品質(zhì)方面也具有顯著的作用[3]。針對這項技術(shù)，以往研究主要集中在棉花全生育期合理灌溉制度的探究。石巖等[4]研究認為棉花全生育期灌水4～6 次，灌水定額20 m3/hm2，灌溉定額80～120 m3/hm2的灌溉制度，是一管多行的高產(chǎn)灌溉模式。姚寶林等[5]和黃曉敏等[6]研究了棉田的土壤鹽分時空變化規(guī)律，也得出了適合棉花生長的灌溉定額和灌水次數(shù)。張燕等[7]研究認為灌溉水量顯著增加了棉花葉片，莖稈和棉鈴質(zhì)量，從而增加了干物質(zhì)量和籽棉產(chǎn)量，同時灌溉水量顯著增加氮累積量和氮肥利用率。吳立峰等[8]認為當(dāng)灌水量在80%ETC，施肥量在250-100-50 kg/hm2時，可以獲得較高的籽棉產(chǎn)量，并且水分利用效率達到最大。邢小寧[9]等認為增加灌水量和灌水次數(shù)可以促進棉花營養(yǎng)生長，相同灌水量下，灌水16次比灌水12次更有利于棉花生殖器官的形成。

盡管有關(guān)棉田灌溉制度和施肥策略的研究較多，但在不同區(qū)域膜下滴灌技術(shù)所選用的灌溉制度和施肥策略也不同，主要體現(xiàn)在灌水施肥量和灌水施肥次數(shù)。本文在以往研究基礎(chǔ)上，降低水氮施量的范圍和水氮施用次數(shù)，研究不同水氮施量對棉花的生長特性及產(chǎn)量的影響，以期為北疆地區(qū)棉花膜下滴灌技術(shù)的發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2018年4-10月在農(nóng)業(yè)部作物高效用水石河子科學(xué)觀測實驗站(45°38′N，86°09′E)進行，該區(qū)域具有典型干旱半干旱大陸性氣候，降水稀少、空氣干燥、光熱集中，年平均降雨量204 mm，蒸發(fā)量1 742 mm左右，年均氣溫8.6 ℃。試驗田土壤質(zhì)地為灌耕灰漠土， 0～20 cm土層內(nèi)有機質(zhì)含量平均為7.14 g/kg，堿解氮含量34.30 mg/kg，速效磷含量18.08 mg/kg，速效鉀含量130.46 mg/kg，土壤pH值8.2，0～40 cm土壤體積質(zhì)量均值1.4 g/cm3，田間質(zhì)量持水率17.7%。棉花生育期內(nèi)降雨量為109.4 mm，平均溫度為23.4 ℃；單日降雨量除5月7日(13.9 mm)和5月24日(20 mm)外，均未有超過10 mm的降雨。

1.2 試驗設(shè)計

供試棉花品種為“新陸早60號”，采用膜下滴灌技術(shù)，覆膜寬2.05 m，小區(qū)長14 m，播幅2.3 m，小區(qū)面積102 m2。采用內(nèi)徑16 mm的聚乙烯樹脂內(nèi)鑲式薄壁迷宮滴灌帶，滴頭流量為2.0 L/h，滴頭間距為20 cm，小區(qū)灌水量以水表讀數(shù)為依據(jù)。根據(jù)當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)棉花種植模式，播種、覆膜和滴灌帶鋪設(shè)一次性完成，采用1膜3管6行種植方式，即1膜種植6行棉花。

試驗采用二因素完全隨機設(shè)計，根據(jù)北疆棉花生育期需水需肥特性，設(shè)置灌水量4個水平(W1:5 250 m3/hm2、W2:4 500 m3/hm2、W3:3 750 m3/hm2和W4:3 000 m3/hm2)和施氮量3個水平(N1:300 kg/hm2、N2:262.5 kg/hm2和N3:225 kg/hm2)，磷、鉀肥各處理施量相同，總量為180 kg/hm2，氮、磷、鉀3種肥料全部作為追肥滴施。灌水次數(shù)、3種肥料的滴施次數(shù)和比例見表1。所施肥料為：尿素(N≥46%)、磷酸氫二銨(N 12.2%，P2O543.7%)、硫酸鉀肥(K2O 83%)，均采用壓差施肥罐隨水滴施，自現(xiàn)蕾期開始控制灌水施肥。試驗共計12個處理，每個處理3次重復(fù)，總計36個小區(qū)。其他管理同一般大田。

表1 棉花各生育期灌水施肥次數(shù)和比例

1.3 測定項目與方法

株高和莖粗。在蕾期，開花期，花鈴期和盛鈴期，每個小區(qū)隨機取5株長勢均勻植株，采用卷尺測量株高(子葉節(jié)至主莖頂端的高度)，采用游標卡尺測量莖粗。

葉面積指數(shù)(LAI)。采用干重法，在盛蕾期，盛花期和盛鈴期，每小區(qū)取3株植株，將所有植株的葉片取下，采用試驗打孔器(直徑為1.5 cm)進行打孔，將打孔葉片和未打孔葉片分別裝袋，放入烘箱烘干稱重。公式為：葉面積=打孔葉片數(shù)×單孔面積÷打孔葉片干重×(打孔葉片干重+未打孔葉片干重)，3株植株葉面積的平均值即為該小區(qū)單株葉片總面積。計算葉面積指數(shù)(LAI)[8]：葉面積指數(shù)=葉片總面積/所占土地面積 。式中：所占土地面積=出苗率×膜長×株距/棉花行數(shù)，出苗率將在出苗后觀測，用已出苗穴數(shù)除以全部穴數(shù)得到。

干物質(zhì)量。在盛蕾期，盛花期和盛鈴期，每個小區(qū)隨機取3株長勢均勻的植株，以子葉處為界取植株地上部分，裝入紙袋放入烘箱在105 ℃下殺青30 min，80 ℃下烘干至恒重并用電子天平稱重。各小區(qū)平均干物質(zhì)量為3株棉花干物質(zhì)量的平均值。

棉花產(chǎn)量。試驗采用實產(chǎn)數(shù)據(jù)，分小區(qū)人工拾測，并記錄各小區(qū)棉花總質(zhì)量，最終換算為公頃產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel2010和SPSS25.0分析，對不同指標先得出小區(qū)內(nèi)平均值，然后利用3個重復(fù)，對二因素進行方差分析，如果差異顯著(P<0.05)，則進行Duncan比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮施量對棉花株高的影響

不同水氮施量對棉花株高的影響見圖1。從不同施氮處理來看，相同灌水水平下，3種施氮處理的株高始終表現(xiàn)為N1>N2>N3。且在W1處理下，N1處理的棉花株高顯著高于N2和N3處理(p<0.05)，但在W2處理下，盛鈴期N2和N3處理的株高無顯著差異，甚至在繼續(xù)降低灌水量后，各施肥處理之間的差異性也減小。綜上得出，棉花株高隨施氮量的增加而增加，但降低灌水量后，施肥量對棉花株高的影響也會隨之減少。

圖1 不同水氮施量下棉花生育期株高變化注:圖中同一時期不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同。

從不同灌水處理來看，相同施氮水平下，4種灌水處理的株高均表現(xiàn)為W1>W2>W3>W4。但在花鈴期至盛鈴期，W3和W4處理的株高增長幅度為0.42～1.69 cm，W1和W2處理的增長幅度為1.24～5.38 cm。綜上得出，棉花株高隨灌水量的增加而增長，但灌水量也影響棉花營養(yǎng)生長和生殖生長的協(xié)調(diào)關(guān)系，在花鈴期，較高的灌水量持續(xù)促進株高增長，產(chǎn)生“徒長”現(xiàn)象。

總體看，W1N1處理的棉花株高達到最大，隨灌水量和施氮量的降低，棉花株高也逐漸減小。

2.2 不同水氮施量對棉花莖粗的影響

不同水氮施量對棉花莖粗的影響見圖2，在棉花生育期，不同水氮施量下的莖粗變化規(guī)律為：盛蕾期到盛花期迅速增長，增長幅度為0.83～2.43 mm，盛花期到盛鈴期增長緩慢，增長幅度為0.63～1.95 mm。從不同施氮處理來看，在棉花盛蕾期，N1處理的莖粗都大于N2和N3處理，到盛花期依然保持此規(guī)律，但N2處理的增長幅度大于N1處理，尤其是W3灌水水平下，N2處理的增長幅度最大。在棉花盛鈴期，W1，W2和W3水平下，N1和N2處理的莖粗無顯著差異，但都顯著大于N3處理。綜上得出，棉花莖粗隨施氮量的增加而增加，但不同施氮處理對莖粗的影響較小，增長幅度均不大，其中，N2處理在生育前期更有利于莖粗的增長。

圖2 不同水氮施量下棉花生育期莖粗變化

從不同灌水處理來看，相同施氮水平下，4種灌水處理的莖粗均表現(xiàn)為W1>W2>W3>W4，但是差異較小。圖2中還可以看出，W1，W2和W3處理的莖粗增長較為明顯，而W4處理的莖粗僅在N1施氮水平下增長較大。綜上得出，棉花莖粗隨灌水量的增加而增加，但不同灌水處理對莖粗的影響也較小，其中，W4灌水處理不利于棉花莖粗的增長。

總體看，棉花莖粗隨水氮施量的增加而增加，增加水氮施量可以使莖枝更加粗壯，但不同水氮施量對棉花莖粗的影響差異都不大。

2.3 不同水氮施用量對棉花LAI的影響

不同水氮施用量對棉花LAI的影響如圖3所示。隨著棉花生育期的推移，棉花LAI呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢，在棉花盛鈴期LAI達到最大。從不同施氮處理來看，W1灌水水平下，盛蕾期N2處理的LAI顯著大于N1和N3處理，盛花期和盛鈴期N2處理的LAI也較大。W2，W3和W4灌水水平下，各施氮處理的LAI無顯著差異。綜上得出，W1灌水水平下，N2處理更適宜LAI的增長，其他灌水水平下，不同施氮處理對LAI的影響無顯著差異。

不同灌水處理間比較，在相同的施氮量水平下，不同灌水處理的LAI大小均是W1>W2>W3>W4，從圖3中還可以發(fā)現(xiàn)，W4處理的棉花LAI顯著低于其他灌水處理。綜上得出，棉花LAI隨著灌水量的增加而增長，但較低灌水量會限制LAI的增長。

總體看，灌水量對棉花LAI的影響效應(yīng)大于施氮量，且低灌水量和低施氮量都會限制棉花LAI的增長。

圖3 不同水氮施量下棉花生育期LAI變化

2.4 不同水氮施量對棉花地上部干物質(zhì)量的影響

棉花地上部干物質(zhì)量可以反映不同水氮施量對光合產(chǎn)物合成和運輸?shù)挠绊慬11]。如表2所示，棉花地上部干物質(zhì)量隨著生育期的推進不斷地積累。不同施氮處理間比較，在棉花盛蕾期，W1灌水水平下，N2處理的棉花地上部干物質(zhì)量顯著高于N1和N3處理(p<0.05)。在盛鈴期，不同灌水水平下，N2處理的棉花地上部干物質(zhì)量都高于N1、N3處理干物質(zhì)量。綜上得出，N2施氮處理更有利于棉花地上部干物質(zhì)量的增加。

表2 不同水氮施量下棉花生育期干物質(zhì)量

不同灌水處理間比較，N1和N2施氮水平下，盛鈴期4種灌水處理的地上部干物質(zhì)量均表現(xiàn)為W1>W2>W3>W4，說明在較高施氮水平下，地上部干物質(zhì)量隨著灌水量的增加而增加。從圖4中還可以看出，W1和W2處理的地上部干物質(zhì)量在盛蕾期至盛花期增長量較大，但在盛花期至盛鈴期增長量減小，而W3和W4處理則相反。分析原因，較高灌水量可以促進棉花地上部干物質(zhì)量的積累，但是較高灌水量也會導(dǎo)致棉花營養(yǎng)生長與生殖生長不平衡，從而影響盛花期至盛鈴期的干物質(zhì)增長量。而W3和W4灌水更有利于蕾鈴的形成，并進一步促進地上部干物質(zhì)量在盛花期至盛蕾期的增長。

由表3可知，在棉花生育期內(nèi)，施氮量對棉花地上部干物質(zhì)量的影響都不顯著，而灌水量對棉花地上部干物質(zhì)量的影響均達到極顯著水平，說明灌水量對地上部干物質(zhì)量的影響效應(yīng)大于施氮量。從表中還可以看出，水氮交互作用僅在盛蕾期對棉花干物質(zhì)量的影響達到極顯著水平，在盛花期和盛鈴期水氮交互作用也不顯著。分析原因，一是盛蕾期地上部干物質(zhì)量以莖葉為主，而莖葉都隨著水氮施量的增加而增長；二是在盛花期和盛鈴期，營養(yǎng)生長與生殖生長并重，生殖生長逐漸占優(yōu)，棉花生長對水氮的需求發(fā)生變化。

表3 不同生育期棉花干物質(zhì)量方差分析(F檢驗)

2.5 不同水氮施量對棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量和衣分是棉花產(chǎn)量的主要構(gòu)成因子[11]。如表4所示，不同水氮施量對棉花產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響不同。從施氮處理來看，同一灌水水平下，單株鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量在N2處理下達到最大，表明增加或者減少施氮量都不利于單株鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量的增加，只有適當(dāng)?shù)氖┑坎拍艽龠M單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量的增加。表3中還可以看出，在W1和W2灌水水平下，N1處理的衣分總是顯著高于N2處理(p<0.05)，并大于N3處理。而在W3灌水水平下，N1處理的衣分和N2處理無顯著差異，甚至在W4灌水水平下，N2處理顯著大于N1和N3處理。表明在較高灌水量條件下，隨著施氮量的增加，衣分也逐漸增長，而降低灌水量后，N2處理更有利于衣分的增長。從灌水處理來看，隨著灌水量的增加，單株鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量先增后減，在W3處理下達到最大，且W3處理的衣分高于其他灌水處理，表明適當(dāng)?shù)墓嗨坑欣趩沃赈彅?shù)、單鈴質(zhì)量和衣分的增長。

表4 不同水氮施量下棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

不同施氮處理棉花產(chǎn)量比較，從施氮處理來看，在W1和W2灌水水平下，3種施氮處理的產(chǎn)量表現(xiàn)為N1>N2>N3，且N1處理的產(chǎn)量顯著高于N3處理(p<0.05)。而在W3、W4灌水水平下，3種施氮處理的產(chǎn)量表現(xiàn)為N2>N1>N3，且N2處理的產(chǎn)量顯著高于N1和N3處理(p<0.05)。綜上得出，較高的灌水量條件下，高施氮量有利于產(chǎn)量的增長，但是降低灌水量后，N2處理更有利于產(chǎn)量的提升。從灌水處理來看，同一施氮水平下，W3處理棉花產(chǎn)量高于W1、W2和W4處理，表明W3處理促進了產(chǎn)量的增加，增加或者減少灌水量都不利于棉花產(chǎn)量的增加。在本次試驗中，W3N2處理產(chǎn)量最高，說明適當(dāng)?shù)墓嗨亢褪┑肯嘟Y(jié)合能獲得較高的產(chǎn)量。

總體看，不同水氮施量對棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素有顯著影響，單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量和衣分能較好地反映產(chǎn)量，表中W3N2處理的單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、衣分和產(chǎn)量都大于其他處理，表明適當(dāng)?shù)乃┝肯嘟Y(jié)合，可以更有效地促進棉花的生長。

3 討 論

株高，莖粗和LAI可以有效地反映棉花營養(yǎng)生長的結(jié)果，然而，協(xié)調(diào)好營養(yǎng)生長與生殖生長之間的平衡關(guān)系，才能有效促進棉花的產(chǎn)量。有研究表明，灌水量顯著影響株高的增長，施氮量顯著影響莖粗的增長[12]，但是在棉花生長過程中，必須嚴格控制營養(yǎng)生長與生殖生長的平衡。研究發(fā)現(xiàn)，較高的灌水量會持續(xù)促進株高增長，但降低灌水量后，施肥對株高的影響也會隨之減少，且不同處理的莖粗差異也不大。分析原因，一是較高的灌水量導(dǎo)致棉花產(chǎn)生“徒長”現(xiàn)象，營養(yǎng)生長過盛；二是氮隨水走，降低灌水量也會影響棉花對養(yǎng)分的吸收，但都要根據(jù)生育階段合理分配營養(yǎng)生長與生殖生長的關(guān)系；三是莖粗變化雖差異不大，但較高的水氮施量更能使莖枝粗壯。還有研究表明，LAI隨著施氮量的增加而增加[13]，這與本研究結(jié)果不同，本研究表明，較高灌水量條件下，N2處理更有利于LAI的增長，但降低灌水量后，不同施氮處理對LAI的影響無顯著差異。分析原因，灌水量對LAI的影響效應(yīng)大于施氮量，水氮交互作用只有在較高灌水量條件下才能有效發(fā)揮，降低灌水量后，施氮作用受到灌水量的影響，從而差異性也減小。

棉花各部分生物量的累積能直接反映水氮對作物營養(yǎng)生長和生殖生長的影響，研究表明，棉花地上部干物質(zhì)積累量隨灌水量的增加而增加，且在高水條件下適度增施氮肥對棉花地上部干物質(zhì)表現(xiàn)出促進作用[14]。這與本研究結(jié)果基本一致，本研究也表明地上部干物質(zhì)積累量隨著灌水量的增加而增加，且N2施氮處理的地上部干物質(zhì)積累量都高于其他施氮處理，但較高灌水量也會導(dǎo)致棉花營養(yǎng)生長與生殖生長不平衡，從而影響盛花期至盛鈴期的干物質(zhì)增長量。分析原因，地上部干物質(zhì)量主要由莖葉和蕾鈴組成，營養(yǎng)生長階段以莖葉為主，生殖生長階段形成的蕾鈴越多，地上部干物質(zhì)量也越大，但較高的灌水量會持續(xù)促進莖葉的增長，導(dǎo)致生長不平衡。

單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量和衣分作為棉花產(chǎn)量的主要構(gòu)成因子，可以反映棉花產(chǎn)量的高低。有研究表明，適宜的施氮量通過增加單株鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量提高了棉花產(chǎn)量以及適宜的水氮供應(yīng)能增加衣分[15]，這與本研究結(jié)果一致。本研究表明，在水氮共同作用下，W3N2處理(灌水量3 750 m3/hm2，施氮量262.5 kg/hm2)棉花的產(chǎn)量、單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量均達到最大。文中研究發(fā)現(xiàn)，棉花的營養(yǎng)生長和生殖生長在不同生長階段占比有所不同，可能是由不同的根系吸肥能力導(dǎo)致，為了提升根系對氮肥的吸收能力，將來可以研究不同施肥時段在各生長階段對根系吸肥能力的影響。

4 結(jié) 論

(1)隨著灌水量和施氮量的增加，棉花株高和莖粗呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢。低灌水量(W4處理)和低施氮量(N3處理)限制棉花株高和莖粗的增長。其中，灌水量和施氮量對棉花莖粗的影響都不顯著，各處理間莖粗差異不大。

(2)灌水量對棉花LAI和地上部干物質(zhì)量的影響效應(yīng)大于施氮量。棉花LAI和地上部干物質(zhì)量隨著灌水量的增加而增加，適當(dāng)?shù)氖┑扛欣贚AI和地上部干物質(zhì)量的增加。

(3)適當(dāng)?shù)墓嗨亢褪┑坑欣趩沃赈彅?shù)、單鈴質(zhì)量的增加。適當(dāng)?shù)墓嗨炕蛘咴黾邮┑磕艽龠M衣分增加。較高的灌水量條件下，高施氮量有利于產(chǎn)量的增長，但是降低灌水量后，適當(dāng)?shù)氖┑幚砀欣诋a(chǎn)量的提升。當(dāng)灌水量為3 750 m3/hm2，施氮量為262.5 kg/hm2時，棉花單株鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量均達到最大，也獲得了較高的棉花產(chǎn)量。因此，灌水量為3 750 m3/hm2，施氮量為262.5 kg/hm2可作為最優(yōu)水氮施量組合。