增密減氮對(duì)滴灌棉花干物質(zhì)積累分配和產(chǎn)量的影響

李明華, 路 茜, 崔 靜, 樊 華, 趙文青, 劉 揚(yáng), 馬富裕

(1 石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆石河子 832003;2 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 南京 210095)

0 引 言

【研究意義】棉花是世界上最重要的天然紡織纖維作物，占世界纖維總量的35%左右。在我國，棉花種植面積居各經(jīng)濟(jì)作物之首[1]，國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)2018年全國棉花種植面積為335.4×104hm2，其中新疆種植面積174.4×104hm2，位居全國之首。新疆是我國棉花重要產(chǎn)區(qū)，但是存在高產(chǎn)棉田投入氮肥過量問題，使得肥料利用率低、生產(chǎn)成本高。降低氮肥用量并設(shè)置密度試驗(yàn)，對(duì)棉花合理密植及優(yōu)化施氮量有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】棉花高產(chǎn)的前提必須有較高的生物量，而生物量則是以養(yǎng)分吸收為基礎(chǔ)[2]。在棉花大田生產(chǎn)中，種植密度和施氮量是兩個(gè)重要調(diào)控因子，合理種植密度能為棉花群體提供最適宜的生物量，合理種植密度能調(diào)節(jié)個(gè)體與群體之間的矛盾，合理的施氮量能為群體的生長發(fā)育提供充足的養(yǎng)分，有利于平衡營養(yǎng)生長和生殖生長的關(guān)系。目前，有關(guān)施氮量和種植密度對(duì)作物干物質(zhì)積累和產(chǎn)量影響報(bào)道較多，研究者普遍認(rèn)為施氮量過多會(huì)引起棉花個(gè)體與群體矛盾、不利于營養(yǎng)生長和生殖生長的平衡，增加了干物質(zhì)積累量，造成蕾鈴大量脫落，顯著降低了經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，造成能源浪費(fèi)和環(huán)境污染[3-4]。種植密度在一定范圍內(nèi)，單位面積群體產(chǎn)量隨密度增加而增加，當(dāng)密度達(dá)到最佳范圍時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到最大，但再繼續(xù)增加密度，產(chǎn)量反而會(huì)下降[5-10]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】棉花生長中，只有維持種植密度和施氮量的平衡，才能發(fā)揮出最佳的互作效應(yīng)，確保棉花高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。在穩(wěn)定棉花產(chǎn)量、改善棉花品質(zhì)的同時(shí)，降低氮肥用量，減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性生產(chǎn)還有待研究。研究增密減氮對(duì)滴灌棉花干物質(zhì)積累分配和產(chǎn)量的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】設(shè)置3個(gè)種植密度和4個(gè)施氮量，研究種植密度和施氮量對(duì)棉花干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的影響，為棉花生產(chǎn)合理密植及優(yōu)化施氮提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2019年在新疆石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗(yàn)站進(jìn)行，選用當(dāng)?shù)刂髟缘碾s交棉花品種魯棉研24號(hào)，該雜交種具有抗枯耐黃、抗棉鈴蟲、植株生長穩(wěn)健及果枝節(jié)位較高等特征。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)3個(gè)種植密度，即低密度(D1，6.9×104株/hm2(4 600株/667m2)，株距19 cm)、中密度(D2，13.8×104株/hm2(9 200株/667m2)，株距9.5 cm)、高密度(D3，24×104株/hm2(16 000株/667m2)，株距11 cm)，寬窄行種植，行距66 cm+10 cm。圖1

圖1 小區(qū)棉花種植模式
Fig. 1 Cotton planting pattern

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)施氮量，分別為195.5 (N1)、299(N2)、402.5(N3)和506 (N4)kg/hm2，其中N3為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)純氮施用量，所有肥料處理均為追施。各處理統(tǒng)一施磷肥180 kg/hm2，以磷酸一銨為磷肥源，施鉀肥180 kg/hm2，以硫酸二氫鉀為鉀肥源。氮肥，蕾期和花鈴期追施比例為3∶7；磷鉀肥，蕾期和花鈴期追施比例為2∶8。所有肥料蕾期分3次施用，追施比例為35%∶40%∶25%，花鈴期分6次施用，花鈴期追施比例10%∶20%∶20%∶20%∶20%∶10%。采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為密度，副區(qū)為氮素，重復(fù)3次；小區(qū)面積為2.28 m×13 m。采用寬膜覆蓋膜下滴灌栽培，先鋪膜后點(diǎn)播，2條滴灌毛管置于窄行中間。播種前不灌水造墑。2019年4月24日播種，4月29日補(bǔ)出苗水，7月5日人工打頂。全生育期噴施縮節(jié)胺(含N, N-二甲基哌啶氯化物≥96%)，化學(xué)調(diào)控9次，用量453 g/hm2，其中出苗期1次，用量0.5 g/hm2;現(xiàn)蕾期噴施2次，用量均為16.7 g/hm2；盛蕾前期噴施2次，用量各為33.3和38.9 g/hm2；盛蕾期噴施1次，用量27.7 g/hm2；盛花期噴施1次，用量83.3 g/hm2；盛花結(jié)鈴期噴施1次，用量166.7 g/hm2；盛鈴前期噴施1次，用量69.4 g/hm2。其他田間管理措施同膜下滴灌高產(chǎn)棉田。表1

表1 水肥一體化灌溉時(shí)間及每次灌溉各肥料成分施用量占總量的比例 Table 1 Irrigation schedule and the proportion of fertilizer application amount under fertigation(%)

1.2.2 葉面積指數(shù)

在棉花關(guān)鍵時(shí)期(盛蕾前期(EFC)、盛蕾期(FS)、盛花期(FF)、盛鈴前期(EFB)、盛鈴后期(LFB)、吐絮期(BO))，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取長勢一致的3株棉花，將棉株從子葉以上分解成主莖葉、葉枝葉和果枝葉，將分揀好的葉片鋪平排放整齊鋪放在黑布上，隨后進(jìn)行拍照，每個(gè)處理重復(fù)3次，利用Matlab 2016a軟件提取葉面積。利用公式計(jì)算葉面積指數(shù)：LAI(m2/m2)= 單株葉面積(m2/plant)×單位面積株數(shù)(plant)/單位土地面積(m2)。

1.2.3 棉株農(nóng)藝性狀

打頂前后，每個(gè)處理選取長勢均勻具有代表性的15株棉花(兩邊行、中行各連續(xù)5株)，重復(fù)3次，在盛蕾前期、盛蕾期、盛花期3個(gè)時(shí)期定點(diǎn)定株調(diào)查棉花株高(子葉節(jié)至頂端)。

1.2.4 干物質(zhì)積累量

取樣與LAI測量同步，分別在每個(gè)處理選取代表性的3株棉花，根據(jù)植株器官發(fā)育情況，將棉株樣分離為莖、葉和蕾花鈴，置于105℃ 烘箱中殺青30 min，以80℃恒溫烘干至恒重時(shí)稱量，測定其干生物量。然后計(jì)算單位土地面積的地上部干物質(zhì)累積量。計(jì)算公式如下：

干物質(zhì)累積量(g/m2)=單株干生物量重(g/plant)×單位面積株數(shù)(plant)/單位土地面積(m2)

1.2.5 產(chǎn)量及構(gòu)成因素

于吐絮期在每個(gè)處理選取6.67 m2的樣點(diǎn)，重復(fù)3次，調(diào)查樣點(diǎn)內(nèi)全部株數(shù)和鈴數(shù)，選擇長勢一致的棉株取棉鈴50個(gè)，重復(fù)3次，分開裝袋、稱量，測定鈴重，折算出單株結(jié)鈴數(shù)和單位面積總鈴數(shù)，并估算產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Office 2010軟件整理，采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行兩因素方差分析，不同處理之間所得的均值采用Duncan新復(fù)極差法(SSR)進(jìn)行多重比較，然后經(jīng)過t檢驗(yàn)(α=0.05)，采用R3.6.1軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 增密減氮對(duì)棉花干物質(zhì)積累與分配的影響

研究表明,葉片、莖稈的干物質(zhì)增長在盛蕾期之前比較緩慢，盛蕾期以后增長迅速，在盛鈴前期至盛鈴后期達(dá)到高峰，而蕾鈴花干物質(zhì)的積累量在盛花期之前基本為零，進(jìn)入盛花期以后逐漸增大，至吐絮期達(dá)到最大。在盛花期至盛鈴前期，與低密度(D1)處理相比，中密度(D2)和高密度(D3)處理的植株總干物質(zhì)平均分別升高了31%和36%，D3較D2處理升高了6%。盛鈴前期以后，D1處理的植株總干物質(zhì)較D2和D3處理平均分別下降31%和40%，D2較D3處理則下降僅為12%。

種植密度和氮素互作表現(xiàn)為，D3N1、D3N4、D2N2和D3N2處理的植株總干重最大，D3N3、D2N1、D2N3和D2N4處理次之，D1N2、D1N1、D1N3和D1N4處理最小，中高密度有利于增加群體生物量，密度過低不利于棉花群體生物量積累，不同處理的蕾鈴花總干重和植株總干重基本一致。中高密度的總干物質(zhì)積累量都是先快速增后趨于平緩，蕾鈴花干物質(zhì)與總干物質(zhì)變化趨勢一致，且都有N2處理下的總干物質(zhì)和蕾鈴花干物質(zhì)最大。圖2

圖2 不同處理下棉花干物質(zhì)積累與分配
Fig. 2 Effects of different treatments on cotton dry matter accumulation and distribution

研究表明,隨種植密度的提高群體干物質(zhì)呈升高趨勢，且群體干物質(zhì)最大值出現(xiàn)在D2N2處理，最大值為25 010 kg/hm2，其次是D3N1處理。在不同密度下，各N1處理均獲得較高的群體干物質(zhì)。由各器官干物質(zhì)分配系數(shù)來看，低密度處理的莖和葉的干物質(zhì)分配率隨施氮量的增加而呈升高趨勢，而中高密度隨施氮量的增加而呈先減后增的趨勢。由各器官干物質(zhì)分配系數(shù)來看，高密度處理下莖和葉的干物質(zhì)分配率低于中密度處理，提高了鈴的干物質(zhì)分配系數(shù)。種植密度和施氮量均能顯著影響棉花植株莖和鈴干物質(zhì)的積累(P<0.05)，二者對(duì)莖和鈴中干物質(zhì)的積累有顯著的交互作用。表2

2.2 增密減氮對(duì)棉花株高、葉面積指數(shù)的影響

研究表明,株高隨生育期的推進(jìn)逐漸增高，盛花期株高基本維持穩(wěn)定。低密度和中密度處理?xiàng)l件下的株高高于高密度處理，且低密度和中密度處理?xiàng)l件下，均有N2處理株高最高。在盛雷期，3種密度處理?xiàng)l件下，均有N1、N2、N3處理下的株高顯著高于N4處理；在盛花期，則是N1、N2處理下的株高顯著高于N3、N4處理 。圖3

研究表明,低密度(D1)和中密度(D2)處理?xiàng)l件下的主莖葉面積占比，隨著生育期的推進(jìn)逐漸減少，到了盛鈴前期右有所上升，后又急劇降低，到吐絮期降到最低；而果枝葉面積占比則隨著生育期而增大，在盛鈴前期有所下降，而后又逐漸增大，到吐絮期達(dá)到最大。高密度(D3)處理?xiàng)l件下，在盛蕾前期，主莖葉面積的占比都在70%以上，明顯高于D1、D2處理；無論何種施氮水平，主莖葉面積的占比隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)逐漸下降，在盛鈴前期至盛鈴后期期間，急劇下降，到吐絮期降到最低，果枝葉面積的占比隨著生育期的推進(jìn)而逐漸增大，到吐絮期達(dá)到最大。

從最終的主莖葉面積(吐絮期)占比來看，無論何種施氮水平，均D3>D2>D1，葉枝葉面積占正好相反，D1>D2>D3，而果枝葉面積占比，在N1、N2、N3條件下，均有D2處理的果枝葉面積占比最大。在盛花期之前，低密度的主莖葉面積占比較低，果枝葉面積和葉枝葉面積占比較高，而中高密度處理的主莖葉面積在前期占比較高，果枝葉面積和葉枝葉面積占比較低。圖4

表2 不同處理下棉花地上部干物質(zhì)積累與分配Table 2 Effects of different treatments on dry matter accumulation and distribution in cotton

注：同列中標(biāo)的相同字母表示 Duncan’s 分析中 5%水平上沒有顯著性差異; “ns”表示差異不顯著
Note:Means within a column followed by the same letter are not significantly different (P= 0.05) according to Duncan’s multiple range test.“ns”= non-significant. IWUE: yield and irrigation water use efficiency

注：不同字母表示處理間差異達(dá)到0.05顯著水平

Note：Different letters represented significant difference at 0.05 level

圖3 不同處理的棉花株高變化
Fig. 3 Changes in cotton plant height under different treatments

圖4 不同處理的棉花葉面積占比變化
Fig. 4 Changes in the percentage of cotton leaf area under different treatments

研究表明,LAI都有隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)先逐漸增大，至盛鈴后期達(dá)到最大，而后又逐漸下降；低密度的最大值范圍在2.9～3.6，中密度的的最大值范圍在5.3～6.0，高密度的最大值范圍在5.5～6.9。4種施氮水平下的LAI，均有D3>D2>D1。在盛鈴后期，D2和D3處理的LAI較D1處理的LAI分別升高了44%和47%，而D3較D2僅升高了5%。在低密度處理?xiàng)l件下，N1、N2較N3、N4的LAI要高，而在中密度處理下，N2、N4較N1、N3的LAI要高。 圖5

圖5 不同處理的棉花葉面積指數(shù)變化
Fig. 5 Changes of cotton leaf area index in different treatments

2.3 增密減氮對(duì)棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

研究表明,種植密度和施氮量對(duì)籽棉產(chǎn)量、收獲指數(shù)、鈴數(shù)和鈴重?zé)o顯著影響，但是種植密度和施氮量對(duì)籽棉產(chǎn)量、生物學(xué)產(chǎn)量和收獲指數(shù)的影響極為顯著。不同種植密度條件下的籽棉產(chǎn)量、生物學(xué)產(chǎn)量和鈴數(shù)都有D3>D2>D1，D3處理相較于D1處理增加27%，D2處理相較于D1處理增加了22%。在低密度和中密度處理下，隨著施氮量的增加，籽棉產(chǎn)量和鈴數(shù)都有先降低后增加后再降低的趨勢，生物學(xué)產(chǎn)量則是先增后減。表3

表3 棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 3 Cotton production and production composition

注：同列中標(biāo)的相同字母表示 Duncan’s 分析中 5%水平上沒有顯著性差異; “ns”表示差異不顯著
Note:Means within a column followed by the same letter are not significantly different (P<0.05) according to Duncan’s multiple range test. “ns”= non-significant

3 討 論

3.1 種植密度和施氮量對(duì)棉花干物質(zhì)積累與分配的影響

種植密度和施氮量作為棉花生產(chǎn)最主要的2個(gè)調(diào)控因子，不僅影響干物質(zhì)積累量，還影響棉花的產(chǎn)量。棉花高產(chǎn)是以干物質(zhì)積累為物質(zhì)基礎(chǔ)，只有群體干物質(zhì)積累量保持在適宜的范圍內(nèi)，才有利于平衡營養(yǎng)生長與生殖生長間的矛盾，從而建立合理的群體基礎(chǔ)[11-12]。王士紅等[13]研究表明,群體干物質(zhì)隨種植密度的增加而升高，且群體干物質(zhì)最大值出現(xiàn)在8.25×104株/hm2處。支曉宇等[14]研究表明,隨密度增加最大生物量累計(jì)值減少，且營養(yǎng)器官占單株總干物質(zhì)的比例增加，而生殖器官所占比例下降。宋興虎等[15]發(fā)現(xiàn)氮肥用量顯著影響棉花生物質(zhì)累積和產(chǎn)量，施氮量為180 kg/hm2時(shí)籽棉產(chǎn)量最高，生物質(zhì)累積量較大，且生物質(zhì)快速累積期生殖器官生物量所占比例最大。

試驗(yàn)表明，中高密度的總干物質(zhì)積累量都是先快速增后趨于平緩，蕾鈴花干物質(zhì)與總干物質(zhì)變化趨勢一致，且都有N2處理下的總干物質(zhì)和蕾鈴花干物質(zhì)最大，但該處理下的籽棉產(chǎn)量較低，這可能是營養(yǎng)生長過盛、葉片貪青，不利于后期棉鈴的生長發(fā)育。高密度在較低的施氮量條件下也能獲得較高的干物質(zhì)積累量，蕾鈴花干物質(zhì)積累量的提高是高密條件下獲得較高干物質(zhì)積累量的保證。

3.2 種植密度和施氮量對(duì)株高、葉面積指數(shù)的影響

作物生產(chǎn)是基于群體，而非個(gè)體，要獲得高產(chǎn)，就必須協(xié)調(diào)棉花個(gè)體與群體之間各生長參數(shù)達(dá)到最優(yōu)化[16]。試驗(yàn)中，在盛蕾期，3種密度處理?xiàng)l件下，均有N1、N2、N3處理下的株高顯著高于N4處理；在盛花期，則是N1、N2處理下的株高顯著高于N3、N4處理，此時(shí)株高基本維持穩(wěn)定。從葉面積占比來看，在盛蕾前期，高密度處理的主莖葉面積占比高于中低密度處理。最終主莖葉面積(吐絮期)占比來看，無論何種施氮水平，都有D3>D2>D1，葉枝葉面積占比正好相反，D1>D2>D3。在盛花期，D3N1處理主莖葉面積的占比較高，而果枝葉面積的占比卻最低，到吐絮期主莖葉面積與果枝葉面積和葉枝葉面積的占比接近1∶1∶1，而產(chǎn)量僅次于D3N1處理的D3N4處理，也有類似的規(guī)律。任何施氮處理下的LAI，均有D3>D2>D1，且中高密度處理下的LAI高于低密度下的LAI。低密度的最大值范圍在2.9～3.6，中密度的最大值范圍在5.3～6.0，高密度的最大值范圍在5.5～6.9。

棉花產(chǎn)量的高低不僅取決于干物質(zhì)積累量，還取決于干物質(zhì)向生殖器官的分配，只有光合產(chǎn)物向經(jīng)濟(jì)器官分配越多，產(chǎn)量才會(huì)越高。研究表明，種植密度和施氮量均能顯著影響棉花植株莖和鈴干物質(zhì)的積累，二者對(duì)莖和鈴中干物質(zhì)的積累有顯著的交互作用，由各器官干物質(zhì)分配系數(shù)來看，高密度處理下莖和葉的干物質(zhì)分配率低于中密度處理，但提高了鈴的干物質(zhì)分配系數(shù)。

3.3 種植密度和施氮量對(duì)棉花產(chǎn)量的影響

種植密度和施氮量對(duì)棉花產(chǎn)量潛力具有較大的調(diào)控作用[17-21]。不同棉區(qū)棉花的適宜密度不同，新疆棉區(qū)種植密度為18×104株/hm2時(shí)皮棉產(chǎn)量最高[22-23]。目前棉花大田生產(chǎn)上的種植密度13.8×104株/hm2、施氮量402.5 kg/hm2可得到較高產(chǎn)量，但是生產(chǎn)成本較D2N3相比，D3N1與D3N2卻分別增加2.7%和4.5%，其中主要為種子和人工投入的增加。鈴數(shù)、鈴重是獲得高產(chǎn)的2個(gè)主要因素。

4 結(jié) 論

增加種植密度可以顯著提高棉花中后期干物質(zhì)積累速率，而適當(dāng)增加施氮量則有利于協(xié)調(diào)營養(yǎng)生長和生殖生長，提高干物質(zhì)積累量，實(shí)現(xiàn)棉花高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。兩者互作條件下，增密減氮可充分調(diào)節(jié)個(gè)體與群體之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)協(xié)同發(fā)展，進(jìn)而發(fā)揮群體增產(chǎn)潛力，最終實(shí)現(xiàn)氮肥供應(yīng)與棉株需求之間的平衡。當(dāng)種植密度增加到適宜范圍時(shí)，可通過調(diào)控施氮量達(dá)到棉株最適鈴數(shù)和鈴重是高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，棉花種植密度從常規(guī)的13.8×104株/hm2增加到24×104株/hm2，施氮量從常規(guī)的402.5 kg/hm2減少為195.5 kg/hm2，增密減氮后鈴數(shù)顯著增加，棉花產(chǎn)量得到提高。