施氮對膜下滴灌棉花生長發(fā)育及土壤硝態(tài)氮的影響

馬騰飛，李 杰，陳 志，郭 峰，韓詠香，婁善偉，郭 蕾，何 紅，馬興旺，張鵬忠

(1.國家棉花工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830091；2.博樂市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，新疆博樂 833400；3.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)

0 引 言

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2017～2018年在博樂高產(chǎn)示范區(qū)進行，地理位置為44°87'N、82°13'E，海拔500 m，屬典型的溫帶大陸性干旱半荒漠和荒漠氣候，日照時間長，降水量少，蒸發(fā)量大，年均氣溫5.6℃，年均降水181 mm，年蒸發(fā)量1 500～2 000 mm，無霜期171 d，年均日照時長2 721 h，≥10℃積溫3 137℃。試驗區(qū)土壤質(zhì)地為沙壤土，土壤含有機質(zhì)為 7.51 g/kg，全氮為 0.95 g/kg，有效磷為 247 mg/kg，速效鉀為219.62 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

供試棉花品種為新陸早52號，分別于2017年4月16日和2018年4月19日進行膜上點播，于2017年10月5日和2018年10月10日收獲，試驗共設(shè)5個處理，即N0(不施氮)、N150(150 kg/hm2)、N250(250 kg/hm2)、N350(350 kg/hm2)、N450(450 kg/hm2)，氮肥使用尿素全部作追肥，在棉花生長期間分6次隨水滴施，試驗按隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，采用一膜6行種植，行距配置(10+66+10+66+10)cm，株距10.5 cm，小區(qū)面積5×10=50(m2)，各小區(qū)均不施基肥，氮、磷、鉀肥均追施，按各生育需肥比例隨水追施，先滴灌清水30 min后開始施肥，在滴灌結(jié)束前30分完成施肥，其它生產(chǎn)均按大田統(tǒng)一管理。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 干物質(zhì)量

于播種后36 d開始每12 d取1次樣，各處理選代表性棉株5株，從棉株子葉節(jié)部位剪開，按葉、莖、蕾、鈴等不同器官分開，在105℃殺青30 min 后，80℃烘干至質(zhì)量恒定，測定其干物質(zhì)質(zhì)量。

1.2.2.2 葉面積指數(shù)

在棉花生育期各階段于各小區(qū)選取生長狀況良好、長勢基本一致的棉花各5株，用LI-300C(LI-COR Inc,Lincoln,NE,USA)葉面積儀測定植株葉面積，取其平均值，計算葉面積指數(shù)(LAI)。

1.2.2.3 土壤硝態(tài)氮

用土鉆分層取0～20、20～40、40～60 cm土體土樣，取后立即冰凍保存。樣品處理和測定步驟如下：解凍后，將樣品充分混勻過2 mm篩，稱取10 g土壤樣品，加入100 mL 0.01 mol/L的CaCl2溶液，振蕩 30 min后過濾，浸提液立刻冰凍保存。測定前將浸提液解凍，利用流動分析儀測定土壤硝態(tài)氮含量。

1.2.2.4 產(chǎn)量

棉花吐絮期，調(diào)查 6.67 m2面積的棉花株數(shù)、鈴數(shù)，并采收各部位棉鈴 100 個測鈴重，實測每個小區(qū)棉花產(chǎn)量作為最終的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，并化為每公頃產(chǎn)量。

1.2.2.5 氮素

氮肥利用率=(施氮區(qū)植株養(yǎng)分吸收量-不施肥區(qū)植株養(yǎng)分吸收量)/ 施氮量×100%；

氮肥農(nóng)學利用率=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/ 施氮量；

氮肥貢獻率=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/ 施氮區(qū)產(chǎn)量×100%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2007 對數(shù)據(jù)計算和歸一化處理，用SPSS 16.0 進行方差分析、LSD 法做多重比較分析，OriginPro8.5 擬合與繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥對單株干物質(zhì)影響及累積模型

研究表明,不同施氮量棉花地上部單株干物質(zhì)隨著生育進程的推進呈現(xiàn)出“慢—快—慢”的S型變化，先增加后降低的趨勢。各處理播種后0～50 d單株生物累積量沒有明顯的差異，介于8～14 g，播種后60～96 d以后單株生物量累積隨施氮量的增加而顯著增加，各施氮處理顯著大于不施氮肥處理，N450>N350>N250>N150>N0。播種后96至120 d，各處理單株干物質(zhì)了累積增長緩慢，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，N350處理最大，N450處理次之，可能是由于棉花生長發(fā)育后期隨施氮量增加，棉花徒長，下部成鈴數(shù)少所致。圖1

圖1 不同施氮量下棉花單株干物質(zhì)變化

Fig.1 Effect of different nitrogen application rates on dry matter of cotton plants

對5個處理單株干物質(zhì)累積變化與生育進程歸一化處理后進行擬合發(fā)現(xiàn)，各處理單株干物質(zhì)累積變化隨棉花生育進程的推進符合Logistic 曲線模型，即：Y=a/(1+b×exp(-k×t))，研究表明，各處理參數(shù)沒有顯著的變化，變化動態(tài)趨勢基本一致，最大積累速率出現(xiàn)時間在71～77 d，在56～60 d的時候單株干物質(zhì)量進入快速積累期，在播種后90 d左右單株干物質(zhì)量快速累積期結(jié)束，單株干物質(zhì)快速積累持續(xù)時間N350處理最長，各處理分別為31.25～34.1和30.89～35.01 d。單株干物質(zhì)最大積累速率均為N450處理最大分別為2.73和2.94 g/d，N350次之，最大干物質(zhì)累積量N350最高為138.01和148.48 g，較不施氮肥處理相比，N150處理最低為106.14和106.39 g。表1

圖2 不同施氮量下棉花葉面積指數(shù)變化

Fig.2 Effects of different nitrogen fertilizer treatment on LAI of cotton

2.2 氮肥處理對棉花LAI的影響

研究表明,LAI隨生育時期的推進表現(xiàn)為先增加后降低的拋物線變化形式，鈴期最大，全生育期表現(xiàn)為鈴期>花期>吐絮期>蕾期>苗期。在不同的生育期，各處理間LAI變化不同，苗期各施氮處理無顯著差異，在1.1～1.3?，F(xiàn)蕾至吐絮階段，不施氮N0處理顯著低于其他處理，現(xiàn)蕾期，N350和N450無明顯差異，顯著高于N150和N250，花期至吐絮期N450顯著高于其他處理，N350和N250無明顯變化，最顯著高于N150。各處理LAI為N450>N350>N250>N150 >N0，最大可達4.51～4.81。圖2

表1 棉花單株干物質(zhì)積累 Logistic 模型

Table 1 The Logistic equation of cotton dry matter accumulation

處理Treatments模型參數(shù)Logisticparametersabkt0(d)t1(d)t2(d)Δt(d)Vm(g/d)Ym(g/plant)R22017N0106.14512.230.08375.1659.2990.9431.642.2106.140.993N150114.82476.940.08473.4257.748931.262.41114.820.996N250121.46394.860.08272.956.8488.8732.072.49121.460.987N350138.01318.530.07774.8557.7591.8534.12.66138.010.976N450129.79419.350.08471.8856.2187.4731.252.73129.790.9942018N0106.39356.650.07875.3458.4592.1233.672.07106.390.997N150120.66322.850.07676.0258.6893.2434.552.29120.660.981N250137.99347.080.07676.9759.6394.1934.552.62137.990.978N350148.48336.840.07577.5960.0395.0535.012.78148.480.965N450138.58505.350.08573.2357.7488.6430.892.94138.580.986

注：Y為棉花干物質(zhì)積累量(g/plant)；t為棉花出苗后的時間(d)；t0為最大積累速率出現(xiàn)時間(d)；t1為進入快速積累期時間拐點(d)；t2為結(jié)束快速積累期時間拐點(d)；Δt為快速積累持續(xù)時間(d)；Vm為最大積累速率(g/d)；Ym為最大干物質(zhì)累積量(g/plant)

Note: Y is the cotton dry matter accumulation(g/plant); t is the time after the emergence of cotton(d); t0 is the time of the maximum accumulation rate occurred(d); t1 is inflection point of the beginning of rapid accumulation(d); t2 is inflection point of the end time of rapid accumulation(d); Δt is duration of rapid accumulation(d); Vm is the maximum increase rate; Ym is the maximum dry matter accumulation(g/plant)

2.3 氮肥處理對棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

研究表明,氮肥處理棉花株數(shù)、鈴數(shù)及鈴重和產(chǎn)量年際間沒有明顯的變化，趨勢基本一致，不施氮肥N0處理顯著低于施氮肥處理。就產(chǎn)量構(gòu)成因子而言，株數(shù)各施氮處理N450最高，N150最少，且各處理間無顯著差異，在1.74×105～1.83×105株/hm2；鈴數(shù)各施氮肥處理間隨施氮量的增加而先增加后減少的趨勢，N350處理最多，顯著高于其他施氮處理，單株鈴數(shù)均在10個以上，分別為10.4和11.6；鈴重各施氮處理間顯著差異，隨氮肥用量的增加變?yōu)橄仍龃蠛笙陆档哪Ｊ?，N350處理最重，N250處理次之，N150處理最小，介于4.69～5.56 g。就籽棉產(chǎn)量而言，各處理N350顯著高于其他施氮處理，分別為7 477.5和7 731.7 kg/hm2，N250次之且與N450間無顯著差異，N150最小僅為5 680.5和5 764.6 kg/hm2。對產(chǎn)量和氮肥用量之間進行回歸模擬發(fā)現(xiàn)，當?shù)视昧吭谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)，隨氮量的增加，籽棉產(chǎn)量隨之增加，當?shù)视昧砍鲆欢ǖ姆秶?，籽棉產(chǎn)量隨施氮量的增加反而下降，產(chǎn)量與施氮量間存在二次函數(shù)關(guān)系，具體模擬方程為：2017年Y=-0.037N2+24.25N+3 172.4，(R2=0.952)；2018年Y=-0.037N2+25.21N+3 398.3，(R2=0.956)。對以,模擬方程求導(dǎo)可知,滴灌棉花理論適宜施氮量分別為327.70和340.67 kg/hm2，理論產(chǎn)量分別8 009.95和8 959.16 kg/hm2。表2，圖3

表2 不同施肥處理下棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素變化

Table 2 Effects of different treatments on cotton yield and yield components

處理Treatments2017年2018年株數(shù)Numberofplants(No./hm2)單株鈴數(shù)Numberofbellsperplant(No.)鈴重Bellweight(g)籽棉產(chǎn)量seedcotton(kg/hm2)株數(shù)Numberofplants(No./hm2)單株鈴數(shù)Numberofbellsperplant(No.)鈴重Bellweight(g)籽棉產(chǎn)量Seedcotton(kg/hm2)N0151335b5.3d4.32e3282.9d156589b5.5c4.46e3322.8dN150174495a6.6c4.69d5680.5c178623a7.3b4.78d5764.6cN250177495a8.9b5.05b6942.7b181571a9.2b5.17b7334.3bN350179505a10.4a5.38a7477.5a185689a11.6a5.56Va7731.7VaN450183180a7.3b4.82c6402.3b189635a8.5b5.06c6849.2b

注:表格中同一列有相同字母表示處理間差異未達到顯著性水平(P <0.05)，下同

Note:The same letters following the data in the same column mean insignificant difference at P <0.05，The same as below

圖3 施氮量與產(chǎn)量擬合模型

Fig.3 Fitting chart of nitrogen fertilization and Yield

2.4 氮肥用量對棉花不同生育期土壤硝態(tài)氮變化的影響

研究表明,0～60 cm土層土壤硝態(tài)氮含量變化趨勢基本一致，在棉花整個生育期，不同施氮量處理間土壤硝態(tài)氮含量差異顯著，不施氮N0處理顯著低于施氮處理。各處理苗期土壤硝態(tài)氮含量顯著高于其他生育時期，在現(xiàn)蕾階段迅速下降，花期又有所升高，鈴期相對偏低，吐絮期略有會升高，在現(xiàn)蕾階段和鈴期消耗土壤硝態(tài)氮較多。不同土壤深度硝態(tài)氮含量20～40 cm最高，不施氮肥處理各生育期土壤硝態(tài)氮含量介于5～10 mg/kg，各施氮肥處理介于12.5～25 mg/kg，2017年苗期至花期N450和N350間沒有顯著差異，2018年吐絮期N450和N350間沒有明顯差異。0～20 cm苗期和吐絮期土壤硝態(tài)氮含量高于其他時期，N0、N150和N250在現(xiàn)蕾期硝態(tài)氮含量最低，N350在鈴期最低，N450現(xiàn)蕾至吐絮期顯著高于其他處理，且各生育期硝態(tài)氮含量上下波動較小。就40～60 cm土層而言，N450和N350變化趨勢略有不同，2017年苗期至花期N450和N350沒有顯著差異，N350處理略高于N450處理；不施氮N0處理各生育期為7.61～8.33 mg/kg，施氮處理介于9.5～19.6 mg/kg。各土層硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為隨土壤深度的增加先增大后降低的趨勢。圖4

圖4 不同處理棉花主要生育期 0～60 cm 土壤硝態(tài)氮含量變化

2.5 不同處理氮素利用

研究表明,氮肥利用率隨氮肥用量的增加表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，各施氮處理中N350處理氮肥利用效率最高，顯著高于其他用氮量處理，分別可達40.32%和43.24%，N250和N450處理間無顯著差異，N150處理最小僅為24.21%和23.57%。氮肥利用效率均隨施氮量的增加而降低，N450處理最小，分別為6.93%和7.83%。就氮肥貢獻率而言，年際間變化不顯著，為隨用氮量的增加先增加后降低的趨勢，各施氮量處理間差異顯著，N350處理貢獻率最高，分別為56.09%和57.02%，年N250次之，N150最低為42.20%和42.36%。表3

表3 不同處理的氮素利用情況

Table 3 Nitrogen use under different treatment

處理Treatments20172018氮肥利用率Nutilizationrate(%)氮肥農(nóng)學效率Nagronomicefficiency(kg/kg)氮肥貢獻率Ncontributionrate(%)氮肥利用率Nutilizationrate(%)氮肥農(nóng)學效率Nagronomicefficiency(kg/kg)氮肥貢獻率NcontributionRate(%)N0//////N15024.21c15.98a42.2d23.57c16.27a42.36dN25035.87b14.63a52.71b38.65b16.04a54.69bN35040.32a11.98b56.09a43.24a12.59b57.02aN45032.56b6.93c48.72c34.96b7.83c51.48c

3 討 論

植株養(yǎng)分吸收是生物量積累的前提，養(yǎng)分的變化對其產(chǎn)量形成有一定的影響，同時不同的生育階段，對養(yǎng)分的需求和分配也不同[9-11]。研究發(fā)現(xiàn)，合理的氮肥運籌能提高快速積累期的最大速率、平均增長速度和快速積累期的干物質(zhì)[12]。研究表明，不同施氮量棉花地上部單株干物質(zhì)隨著生育進程的推進呈現(xiàn)出“慢—快—慢”的S型變化，擬合發(fā)現(xiàn)不同氮肥處理地上部生物累積量進符合Logistic 曲線模型Y=a/(1+b×exp(-k×t))，最大積累速率出現(xiàn)時間在71～77 d，進入快速積累期在56～60 d，在播種90 d內(nèi)干物質(zhì)累積隨施氮量的增加而增大，變現(xiàn)為N450>N350>N250>N150>N0，90 d之后隨施氮量增加表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，說明過高或過低的均不利于棉花后期單株干物質(zhì)積累，這與文明等[13]的研究結(jié)果一致。葉面積指數(shù)作為棉花群體生長發(fā)育的重要指標，直接影響群體光合同化能力和經(jīng)濟產(chǎn)量，其動態(tài)變化與特征值對于確定棉花高產(chǎn)群體結(jié)構(gòu)具有參考價值[14-15]。研究發(fā)現(xiàn)，LAI隨施氮量的增加而增大，在整個生育期變現(xiàn)為先增大后下降的拋物線趨勢，在鈴期達到最大，可達4.51～4.81，除苗期外，各生育期各處理間LAI差異顯著，施氮肥能促進群體葉面積指數(shù)的增加，增大群體光合作用，易于產(chǎn)量形成。

硝態(tài)氮是土壤中的速效性氮肥，可直接被作物吸收利用。研究表明,土壤剖面硝態(tài)氮含量具有隨著施氮量增加而增加的趨勢，由表層至深層土壤硝態(tài)氮含量呈下降趨勢[7]，土壤硝態(tài)氮累積量與施氮量呈正相關(guān)，而在蕾期和鈴期處于相對較低階段[16]。研究發(fā)現(xiàn)在0～60 cm土層，硝態(tài)氮含量變化表現(xiàn)為隨土層深入先增加后降低的趨勢，在20～40 cm土層硝態(tài)氮含量最高；在整個生育階段表現(xiàn)為波浪線波動，苗期顯著高于其他生育時期，在現(xiàn)蕾階段迅速下降，花期又有所升高，鈴期相對偏低，吐絮期略有會升，在現(xiàn)蕾階段和鈴期消耗土壤硝態(tài)氮較多。就產(chǎn)量和氮素利用情況而言，單株鈴數(shù)、鈴重和籽棉產(chǎn)量、氮肥利用率和氮肥貢獻率隨氮肥用量的增加表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，均表現(xiàn)為N350處理最高，顯著高于其他施氮處理，籽棉產(chǎn)量分別為7 477.5、7 731.7 kg/hm2，氮肥利用率40.32%、43.24%，氮肥貢獻率為56.09%、57.02%。對產(chǎn)量和氮肥用量之間進行回歸模擬發(fā)現(xiàn)，滴灌棉花理論適宜施氮量分別為327.70和340.67 kg/hm2，理論產(chǎn)量分別8 009.95和8 959.16 kg/hm2。不施氮肥或施氮肥較低生育中后期棉葉葉綠素含量降解速度快，凈光合速率低，光合產(chǎn)物少，過量施氮肥，氮代謝過旺，雖然能改善盛花期和盛鈴期棉葉的光合性能，光能轉(zhuǎn)化效率高，棉株生長快，但導(dǎo)致棉花群體過大，冠層內(nèi)光照條件惡化，光合產(chǎn)物分配失調(diào)，棉鈴庫強度降低，產(chǎn)量較低，只有合理的施氮量才能增加棉花產(chǎn)量，這與前人研究結(jié)果一致[17]。

4 結(jié) 論

4.1 不同氮肥處理地上部生物累積量進符合Logistic 曲線模型Y=a/(1+b×exp(-k×t))，最大積累速率出現(xiàn)時間在71～77 d，進入快速積累期在56～60 d。

4.2 0～60 cm土層，硝態(tài)氮含量變化表現(xiàn)為隨土層深入先增加后降低的趨勢，在20～40 cm土層硝態(tài)氮含量最高，現(xiàn)蕾階段和鈴期消耗土壤硝態(tài)氮較多。

4.3 N350(350 kg/hm2)處理效果最佳，產(chǎn)量、肥利用率、氮肥貢獻率分別為7 477.5、7731.7 kg/hm2，40.32%、43.24%和56.09%、57.02%。施氮量在327.70～340.67 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。