江漢平原麥后移栽棉適宜施氮量研究

譚京紅, 吳啟俠, 朱建強, 柯鑫瑤, 馬泓雨

(長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434025)

棉花是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，2019年我國棉花種植面積333.92萬hm2[1]。江漢平原是湖北省的主要棉產(chǎn)區(qū)，占湖北省棉花種植總面積的70%左右[2]，是湖北省最大的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地和單產(chǎn)水平較高的棉區(qū)[3]。

氮是棉花生長發(fā)育必需的主要營養(yǎng)元素，棉花對氮的需求大于其他植物[4]。在棉花生產(chǎn)過程中，減氮增效一直是研究熱點，并且已有研究表明，合理的施氮水平能顯著提高棉花的產(chǎn)量、氮肥利用率和減少氮肥損失[5-6]。減氮增效技術(shù)的基礎(chǔ)是確定合理施氮量。目前，關(guān)于棉花合理施氮量，張敏敏等[2]在不減產(chǎn)的情況下，從產(chǎn)量、氮肥利用率和土壤氮素殘留3方面驗證了江漢平原營養(yǎng)缽移栽棉在中高產(chǎn)棉田施氮量為240～280 kg·hm-2；田紹仁[7]研究表明，長江流域一熟高產(chǎn)棉田純氮經(jīng)濟(jì)施用量范圍為300～450 kg·hm-2；王肖娟等[8]研究了不同灌溉方式(漫灌和滴灌)對新疆棉花生物量、氮素吸收量、皮棉產(chǎn)量以及氮肥利用率的影響，結(jié)果顯示，施氮量為360 kg·hm-2時，棉花產(chǎn)量最高。近年來，在麥?zhǔn)諜C械化的背景下，傳統(tǒng)的麥棉套種模式已不適應(yīng)生產(chǎn)要求，麥后移栽棉得到迅速發(fā)展。麥后移栽棉基本無伏前桃，以伏桃、秋桃為主，在管理措施上要求施足蕾肥和重施花桃肥[9]。與傳統(tǒng)麥棉套種模式相比，麥后移栽棉在施肥量、施肥技術(shù)上都有所差異，因此，確定高產(chǎn)棉田麥后移栽棉適宜施氮量是獲取麥后移栽棉高產(chǎn)的基礎(chǔ)。本研究選取江漢平原高產(chǎn)棉田(皮棉產(chǎn)量高于1 050 kg·hm-2)，于2018—2019年連續(xù)2年開展不同施氮量對麥后移栽棉的影響試驗，綜合考慮棉花葉片SPAD值、植株生長、氮素遷移和利用以及最終產(chǎn)量，確定江漢平原麥后移栽棉適宜施氮量，旨在為棉花減氮增效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018—2019年在長江大學(xué)農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)業(yè)園(30°37’N，112°08’E)同一塊試驗田中進(jìn)行。試驗田2年0～20 cm耕層土壤養(yǎng)分含量見表1。試驗期間日均氣溫和日降雨量變化如圖1所示。

圖1 2018—2019年試驗期逐日降水量和平均氣溫

1.2 試驗設(shè)計

本試驗設(shè)置6個施氮量處理，分別為N0(0 kg·hm-2)、N90(90 kg·hm-2)、N180(180 kg·hm-2)、N270(270 kg·hm-2)、N360(360 kg·hm-2)、N450(450 kg·hm-2)，氮肥按苗肥∶蕾肥∶花鈴肥=3∶3∶4的比例施用。各處理磷(P2O5)、鉀(K2O)用量分別為90、150 kg·hm-2，磷肥、鉀肥按苗期和蕾期6∶4、3∶7的比例施用。試驗在田間小區(qū)中進(jìn)行，每個小區(qū)的面積為41 m2(22 m×1.88 m)，每小區(qū)種植2行棉花共88株(行距1.0 m，株距0.5 m)，每小區(qū)為1個重復(fù)，每處理設(shè)3次重復(fù)，采用完全隨機設(shè)計。小區(qū)之間起壟包膜，以防相互串水，影響試驗效果。

試驗采用江漢平原廣泛推廣的麥棉兩熟模式，小麥季N0處理不施肥，其余處理施肥量(N-P2O5-K2O)均為180-75-90 kg·hm-2。其中，70%氮肥、全部磷鉀肥以基肥施入，基肥為復(fù)合肥，30%氮肥為臘肥以尿素追施。小麥臘熟末期，使用全喂入履帶式聯(lián)合收獲機收獲，留茬高度控制在150 mm以內(nèi)，聯(lián)合收割機安裝秸稈切碎還田機，切碎秸稈全量均勻拋撒在田間，2019年小麥平均產(chǎn)量為4 290 kg·hm-2(N0產(chǎn)量為1 364 kg·hm-2)。小麥?zhǔn)斋@后采用旋耕機耕整田塊2遍，一次性完成旋耕和起壟作業(yè)，確保小麥秸稈還田深度不低于10 cm，廂寬1.88 m，廂溝深0.2～0.3 m。耕整田塊后，視天氣情況移栽棉花，棉花采用營養(yǎng)缽育苗，供試品種為中棉所63(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所選育)。2018年5月24日移栽，6月8日開溝施苗肥，溝深15～20 cm，距棉株15～20 cm，7月8日、7月21日開溝追施蕾肥、花鈴肥。2019年5月23日移栽，6月1日、7月15日、7月29日開溝施苗肥、蕾肥、花鈴肥。其余田間管理依照常規(guī)進(jìn)行。

1.3 測定項目與方法

1.3.1SPAD 在苗期(2018年6月25日、2019年6月24日)、蕾期(2018年7月18日、2019年7月19日)、花鈴期(2018年8月8日、2019年8月8日)和吐絮期(2018年9月9日、2019年8月15日)上午9:00—12:00，采用SPAD-502型手持式葉綠素儀(日本)測量葉片SPAD。每片葉片測量3個點(測定時避開葉脈)，取其平均值作為該葉片的SPAD，每小區(qū)采集10片掛牌棉花倒4葉(主莖上最新完全功能葉)，取其平均值作為1個樣本結(jié)果。

1.3.2器官生物量 分別在苗期(2018年6月19日、2019年6月10日)、蕾期(2018年7月7日、2019年7月27日)、花鈴期(2018年8月14日、2019年8月20日)、吐絮期(2018年10月28日、2019年10月8日)取棉花植株樣，每小區(qū)隨機選取具有代表性的棉株5株，按莖、葉、蕾(花)、鈴殼、籽棉不同器官分開，在105 ℃殺青30 min，然后70 ℃烘至恒重，稱重，記錄器官生物量。

1.3.3氮積累量 將烘干的棉花植株各器官粉碎，采用H2SO4-H2O2消煮，Alliance-Futura II連續(xù)流動分析儀(法國Alliance公司)測定各器官的氮素積累量和植株氮素總積累量[10-11]。

1.3.4產(chǎn)量 2年的籽棉產(chǎn)量實收，人工采摘小區(qū)11月3日之前的所有吐絮鈴，并于自然條件下晾曬后稱重測產(chǎn)；單鈴重為2018年10月3日(2019年9月28日)采收50個吐絮棉鈴，籽棉稱重后扎花計算衣分；在收花前調(diào)查小區(qū)的單株鈴數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用線性加平臺模型擬合最佳氮肥用量。線性加平臺肥效模型如下。

Y=a+bx(x≤C)；Y=P(x>C)

式中，Y為棉花產(chǎn)量(kg·hm-2)，x為氮肥用量(kg·hm-2)，a為截距，b為回歸系數(shù)，C為直線與平臺的交點，P為平臺產(chǎn)量(kg·hm-2)。

各器官氮素積累量(kg·hm-2)=植株各器官氮素含量×植株各器官干質(zhì)量

植株氮素總積累量(kg·hm-2)=Σ各器官氮素積累量

氮肥表觀利用率=(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(kg·kg-1)=(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(kg·kg-1)=施氮區(qū)單位面積產(chǎn)量/單位面積施氮量

氮肥貢獻(xiàn)率=(施氮區(qū)的產(chǎn)量-不施氮區(qū)的產(chǎn)量)/施氮區(qū)產(chǎn)量×100%

利用DPS對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，其中多重比較借助最小顯著差異法(LSD法)。采用Microsoft Excel作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對棉花葉片SPAD的影響

2.1.1不同施氮處理下棉花SPAD 植株功能葉片(倒4葉)的SPAD可以診斷植株氮素的營養(yǎng)盈缺狀況，圖2顯示了不同施氮量處理倒4葉SPAD?？傮w趨勢表現(xiàn)為施氮量越高，SPAD越大，整個生育期施氮處理的SPAD顯著高于不施氮處理，且SPAD隨著施氮量的增加而增加，說明充足的氮肥供應(yīng)提高了上部功能葉的相對葉綠素含量，從而有助于植株葉片的光合能力提高。2018年棉花生育期間施氮處理與不施氮處理呈顯著性差異?；ㄢ徠贜0～N360處理增幅較N360～N450處理大。2019年整個生育期施氮處理的SPAD顯著高于不施氮處理，且SPAD隨著施氮量的增加而增加。其中，2019年蕾期、花鈴期、吐絮期均表現(xiàn)為施氮量在0～360 kg·hm-2范圍，SAPD值增加顯著；而施氮量在360～450 kg·hm-2范圍內(nèi)，SPAD雖有所增加，但沒有270～360 kg·hm-2增加幅度大。因此，可以推測，施氮量為270～360 kg·hm-2時，能夠滿足棉株生長氮素所需。

注：同一生育期不同小寫字母表示差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2.1.2SPAD與施氮量關(guān)系分析 圖3表明，棉花葉片SPAD受氮肥用量的影響，在一定氮肥用量范圍內(nèi)，葉片SPAD總體隨施氮量的增加而增加，2018、2019年花鈴期和2019年吐絮期的SPAD和施氮量呈極顯著一元二次關(guān)系(R2分別為0.833、0.870和0.794)。而2018年吐絮期的SPAD和施氮量間未呈顯著性相關(guān)，2018年吐絮期測樣時間是9月9日，已進(jìn)入生育末期，植株體內(nèi)氮素主要向生殖器官轉(zhuǎn)移，表明棉花花鈴期和吐絮前期最新完全展開葉SPAD可作為植株氮素營養(yǎng)診斷指標(biāo)，而吐絮后期則不能。

注：**表示相關(guān)性在P<0.01水平具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2.2 施氮量對棉花生物量的影響

在不同施氮量處理下，2018年和2019年棉花不同生育期不同器官的生物量如圖4所示。施氮量顯著影響棉花生物量分配(P<0.05)，基本趨勢為施氮量越高整株和各器官生物量越大。在棉花生長苗期，2018年N450處理棉花整株的生物量最大，但不同處理間整株棉花的生物量沒有規(guī)律性，其原因跟最初移栽時植株大小有關(guān)。在棉花蕾期階段，整株生物量以N450處理為最大，其次為N360處理。N360處理比N270處理增加了9.73 g，而N450處理比N360處理的葉和莖僅增加了1.59和2.83 g，顯然生物量隨著施氮水平的增加而增加，到施氮量為360 kg·hm-2之后，增加幅度開始有所降低。在棉花花鈴期階段，整株生物量以N450處理為最大，除了蕾的生物量高于其他處理外，N450處理的棉花葉、莖和鈴的生物量超過其他處理。在棉花吐絮期，棉花葉、莖和籽棉的生物量以N450為最大，但施氮量在270～360 kg·hm-2之間籽棉占整株生物量比例最大，表明450 kg·hm-2會造成棉花有貪青晚熟的趨勢。因此，施氮量在270～360 kg·hm-2范圍時最佳。2019年數(shù)據(jù)顯示，苗期和蕾期N450處理的各器官生物量大于其他處理。到花鈴期N450處理的整株生物量高于其他處理，與N360處理差異不顯著(P>0.05)，與其他處理呈顯著性差異(P<0.05)。說明生物量整體趨勢是隨著施氮量的增加整株生物量呈增加趨勢，但0～360 kg·hm-2處理隨施氮量增加其整株生物量顯著增加，而N360處理后隨著施氮量的增加整株生物量亦增加但不顯著(P>0.05)。在棉花吐絮期，N90、N180、N270、N360和N450處理的整株生物量比N0處理分別高45.57%、62.58%、100.53%、151.74%和158.88%，該時期N360處理的生殖器官生物量占比最大，分別比N90、N180、N270和N450處理高了32.31%、20.64%、8.96%、0.62%。

圖4 不同施氮處理下棉花各生育期器官生物量

2.3 施氮量對棉花產(chǎn)量的影響

2.3.1不同施氮處理下棉花產(chǎn)量 從表2可以看出，施氮量對棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素有顯著影響。施氮量與棉花株高呈顯著正相關(guān)關(guān)系，不施氮處理棉花株高最低，施氮量450 kg·hm-2時棉花株高最高，N360處理次之。施氮量過低會導(dǎo)致植株營養(yǎng)體矮小，施氮過高會導(dǎo)致植株徒長。果枝數(shù)隨著施氮量的增加而增多，2018年N360處理與N450處理單株鈴數(shù)分別增加了89.7%和75.9%(與N0對比)；2019年分別增加了127.0%、119.2%，可以看出，N360處理較N450處理的增幅大。隨著施氮量的增加，單鈴重和衣分呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，單鈴重和衣分均以N360處理最大。N0處理產(chǎn)量顯著低于各施氮處理，在施氮量0～360 kg·hm-2范圍內(nèi)，隨施氮量的增加籽棉產(chǎn)量呈上升趨勢；當(dāng)施氮量超過360 kg·hm-2時，籽棉產(chǎn)量降低。以N360處理的產(chǎn)量最高，分別為4 682.02 kg·hm-2(2018年)和4 717.13 kg·hm-2(2019年)，主要原因是鈴數(shù)顯著高于其他處理，單鈴重和衣分也高于其他處理。2019年的產(chǎn)量比2018年的產(chǎn)量高，其原因可能是2019年棉花吐絮期多以晴朗天氣為主，有助于棉花吐絮。

表2 不同施氮處理下棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

2.3.2麥后移栽棉適宜施氮量分析 研究表明，施氮量與產(chǎn)量的肥效關(guān)系符合一元二次方程或線性加平臺模型[12-13]。根據(jù)表2的產(chǎn)量和施氮量數(shù)據(jù)可知，本研究的肥料效應(yīng)方程更符合線性加平臺模型(圖5)。擬合得出江漢平原麥后移栽棉最適宜施氮量為310.64～318.75 kg·hm-2，產(chǎn)量潛力達(dá)4 643.58～4 662.53 kg·hm-2。

注：** 表示相關(guān)性在P<0.01水平具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2.4 施氮量對植株氮吸收利用的影響

2.4.1不同施氮處理下棉花不同時期的氮吸收量 圖6表明，隨生育進(jìn)程，棉株氮吸收量呈逐漸增加趨勢，增施氮肥提高了麥后移栽棉不同生育階段的氮吸收量，以花鈴期到吐絮期的氮吸收增量最大。苗期分配到葉中氮素的比例高于莖，棉花所吸收的氮素主要蘊藏在葉中，其中N450處理的氮吸收量顯著高于其他處理(P<0.05)。蕾期、花鈴期葉和莖中的氮素開始向生殖器官轉(zhuǎn)移，且N270、N360處理向生殖器官的轉(zhuǎn)移速率大于N450處理。當(dāng)棉花進(jìn)入吐絮期后，植株營養(yǎng)器官開始凋零，其中籽棉中的含氮量占整個棉花植株的比重最大，N450處理整株氮含量最高，但以N360處理籽棉含氮量最高，即施氮量超過360 kg·hm-2時，植株體內(nèi)的含氮量不會再顯著增加，并且不利于氮素向生殖器官轉(zhuǎn)移。

圖6 不同施氮處理下棉花不同時期的氮吸收量

2.4.2不同施氮處理對棉花氮肥利用率的影響 從表3可知，不同減氮施肥處理下，棉花的氮肥表觀利用率隨著施氮量的增加先提高后降低，其中N360處理最高，為37.33%(2018年)和39.62%(2019年)。氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率隨著施氮量的增加明逐漸下降，棉花氮肥偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)利用率均以N90處理為最高，N450處理為最低，因此，氮肥施入較高時，反而使得氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率降低，造成作物減產(chǎn)和氮肥資源的浪費。氮肥貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，以N360處理為最高，2018和2019年分別為71.19%、69.01%。因此，從節(jié)約氮素的角度來說，施氮量為270～360 kg·hm-2時，既能保證棉花高產(chǎn)，又能最大限度地利用化肥資源，減少氮損失對環(huán)境造成的負(fù)面效應(yīng)。

表3 不同施氮處理對棉花氮肥利用率的影響

3 討論

麥后移栽棉模式有效地穩(wěn)定了棉花種植面積，促進(jìn)了糧棉雙增產(chǎn)[14]。確定適宜施氮量是麥后移栽棉高產(chǎn)的基礎(chǔ)。合理施用氮肥可提高棉花產(chǎn)量，氮缺乏或氮過多供應(yīng)可能通過影響生長，導(dǎo)致作物籽粒干物質(zhì)積累受阻、產(chǎn)量下降[15-18]。小麥的合理施氮量由目標(biāo)產(chǎn)量和籽粒蛋白含量決定[19]，而調(diào)控棉花產(chǎn)量形成的重要措施之一也是合理施氮[20]。Rochester等[21]、羅新寧等[22]的研究均表明，氮素的增加雖然有利于棉株生物量的積累和養(yǎng)分的吸收，但過量施氮易造成營養(yǎng)器官生長旺盛而造成貪青晚熟。本文是針對江漢平原麥后移栽棉模式開展的兩熟制棉花季作物最佳氮肥施用量研究，2年結(jié)果趨勢基本一致，本研究結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)增加施氮量，棉花產(chǎn)量呈增加趨勢。當(dāng)施氮量小于360 kg·hm-2時，棉花籽棉產(chǎn)量隨施氮量增加呈上升趨勢；超過360 kg·hm-2時，產(chǎn)量則表現(xiàn)為下降。且江漢平原麥后移栽棉的施氮量與產(chǎn)量呈線性加平臺模型關(guān)系，推薦該地區(qū)麥后移栽棉適宜施氮量為310.3～318.75 kg·hm-2。張敏敏等[2]研究得出，江漢平原中高產(chǎn)棉田施氮量為240～280 kg·hm-2，這與本研究結(jié)果不一致。分析其原因，一方面，可能是本研究采用的是尿素作為氮素來源，而張敏敏等[2]采用的是緩控釋氮肥且配施硼，二者的釋放周期不同；另一方面，可能是由于地區(qū)差異導(dǎo)致的土壤差異，且本研究是兩熟制。

氮素吸收利用是干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[23]，棉花生育前期吸收的氮主要是促進(jìn)棉株營養(yǎng)器官發(fā)育，中后期吸收的氮素則對產(chǎn)量和品質(zhì)形成至關(guān)重要[24-25]。N360處理籽棉的含氮量高于其他處理，其原因是施氮過低增加了麥后移栽棉盛花期之前氮的吸收比例，降低了盛花期之后的氮吸收比例，導(dǎo)致后期氮供應(yīng)不足；反之，增加了棉花吐絮期氮的吸收比例，使吐絮期吸收量顯著增加，造成棉花貪青晚熟、產(chǎn)量降低[26]。

本研究表明，隨著施氮量的增加，而氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率則呈現(xiàn)下降的趨勢。N90處理的氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率顯著高于N450處理，這與張允昔等[27]的研究結(jié)果一致。N450處理氮肥表觀利用率與氮素貢獻(xiàn)率較N360處理均降低，說明過量施氮不利于棉花對氮的吸收利用，這與趙雙印等[28]的研究結(jié)果一致。可見，適宜的施氮量才能表現(xiàn)出氮素利用率提高，反之降低。

本研究僅從棉花葉片SPAD、植株生長、氮素遷移和利用以及最終產(chǎn)量確定江漢平原麥后移栽棉適宜施氮量，今后還應(yīng)在江漢平原地區(qū)開展多品種和多點(不同肥力土壤)試驗研究。