施氮量對油后直播棉花產量、品質及生物量的影響

李 飛 郭利雙 李彩紅 郭莉莉 劉冰蕾 張志剛 梅正鼎

(湖南省棉花科學研究所，湖南 常德 415101)

油后直播棉花技術作為一種新型的耕作模式，不僅可以省工節(jié)本，降低勞動強度，而且符合棉花生產輕簡化和機械化的發(fā)展需求，為洞庭湖棉區(qū)棉花產業(yè)的穩(wěn)定和發(fā)展開辟了新的方向[1-4]。但洞庭湖棉區(qū)棉花生長期雨水較多，直播棉密植模式易造成群體營養(yǎng)生長與生殖生長失調，進而影響產量。因此，關于油后直播棉花增產、提質、增效的理論與技術研究已成為洞庭湖棉區(qū)研究的熱點[5-7]。

合理的生物量積累是棉花高產優(yōu)產的前提和基礎[8-10]。研究表明，棉花群體生物量與產量密切相關，協(xié)調的棉花群體生物量累積動態(tài)與積累量是構建高效棉花群體結構的關鍵[11-13]。生產上多以增加施氮量來獲得較大的生物量[14-15]，并結合化學調控獲取高產，但造成了資源浪費，并增加了經濟及生態(tài)成本[16]。施氮過多，不僅會降低氮肥利用率，而且會導致棉花營養(yǎng)器官與生殖器官比例偏大[17]，影響后期干物質向生殖器官轉移，導致棉花減產[18-19]。已有研究顯示，氮素對作物生物量累積影響顯著，不會影響其“S”型基本累積形態(tài)，但可對“S”型方程特征參數(shù)及最大生物量累積量產生顯著影響[14，20-22]。因此，通過調控氮肥運籌，調節(jié)植株群體生物量生長特征值是獲得優(yōu)質、高產的重要技術手段。在洞庭湖棉區(qū)，氮肥運籌對油后直播棉花密植模式生物量累積動態(tài)和特征值的影響尚需進一步研究。

本研究基于油后直播棉花高密度種植模式，比較不同施氮量對直播棉花群體生物量積累、皮棉產量及纖維品質的影響差異，明確氮肥的適宜施用量，提高棉花肥水管理水平和生產效率，以期為環(huán)境友好型的棉花資源高效利用栽培技術提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

試驗于2016-2017年在湖南省棉花科學研究所茅灣基地(28°57′7″N，111°40′35″E)進行。試點土壤為河潮土，耕層土壤有機質含量為15.6 mg·kg-1、堿解氮98.0 mg·kg-1、有效磷14.1 mg·kg-1、速效鉀186.8 mg·kg-1、pH 值7.34。試驗棉花品種為湘FZ001，由湖南省棉花科學研究所提供。

1.2 試驗設計

試驗種植密度75 000 株·hm-2，共設置5 個氮素水平，分別為0、90、180、270、360 kg·hm-2，以N0、N1、N2、N3、N4表示。開溝施肥，30%氮肥和全部磷鉀肥作基肥，播種時施入，70%氮肥見花后追肥。試驗于5月25日播種，6月14日定苗。每小區(qū)面積30.4 m2，隨機區(qū)組設計，3 次重復。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 農藝性狀 每小區(qū)于9月28日選取連續(xù)且長勢均勻的棉花10 株，調查果節(jié)數(shù)、蕾花鈴數(shù)和脫落數(shù)。

1.3.2 生物量 分別于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(即定苗后15、30、45、60、75、90、105 d)，每小區(qū)取長勢一致的棉株2 株，按營養(yǎng)器官(真葉、主莖、果枝、根)和生殖器官(蕾、花、鈴)進行分解，于105℃殺青30 min后，80℃烘至恒重，測定生物量。

1.3.3 產量構成因素 于各小區(qū)標記好的10 棵植株上拾花，記錄鈴數(shù)和重量，計算單鈴重和衣分；分小區(qū)收花計產。

1.3.4 纖維品質 各小區(qū)收取中上部自然吐絮較好的棉鈴20 個，軋花后送至農業(yè)部棉花品質監(jiān)督檢驗測試中心進行纖維品質、斷裂比強度、馬克隆值、伸長率和整齊度的測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SAS(9.1.3)進行方差分析、模型構建和灰色關聯(lián)度分析，用Excel 2003 進行繪圖。

1.4.1 棉花生物量累積量及累積特征值的計算方法

棉株生物量的累積呈“S”型曲線，符合Logistic 方程[23-24]，其方程基本形式為:

式中，W 代表棉株生物量，Wm代表棉株生物量理論最大值，t 代表定苗后天數(shù)，a、b 代表生長參數(shù)。Logistic 模型包含多種生物生態(tài)學特性信息，通過這些信息參數(shù)解析棉株生物量的增長特點，并使之定量化[23-25]。對式(1)分別求1 階、2 階和3 階導數(shù)，根據(jù)公式計算相應生長曲線的最快生長起始時間(T1)、快速生長終止時間(T2)、最大相對生長速率(Vm)及其出現(xiàn)時間(Tm)，快速累積持續(xù)期(ΔT):

1.4.2 棉花的最高產量和經濟最佳產量計算方法以各處理施氮量(kg·hm-2)為自變量，皮棉產量(kg·hm-2)為因變量，進行氮肥效應方程擬合:y＝b0＋b1x＋b2x2＋b3x3。對方程進行求導:dy/dx＝b1＋2b2x＋3bx2，即為邊際產量，當邊際產量等于0 時，產量最高，此時的施氮量即為產量最高施氮量；邊際產量等于氮肥與皮棉的價格比時，收益最優(yōu)，此時的施肥量即為經濟最佳施氮量；將產量最高和經濟最佳施氮量分別帶入氮肥效應方程可求出相應的最高產量和經濟最佳產量[26]。

2 結果與分析

2.1 產量構成因素分析

由表1可知，不同處理之間單株果節(jié)數(shù)、單株成鈴數(shù)、單鈴重衣分表現(xiàn)一致，均隨施氮量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，且均在N3(施氮量270 kg·hm-2)達到最大值；脫落率隨著施氮量的增加未呈規(guī)律性變化，且不同處理之間差異均不顯著。

表1 施氮量對棉株產量及其構成的影響Table1 Effect of nitrogen application rate on cotton yield and yield components

圖1 施氮量與皮棉產量的關系Fig.1 Relationship between nitrogen application rate and lint yield

經擬合，氮效應方程為y＝1.118×103＋1.894x＋1.269×10-4x2-1.1×10-5x3(圖1)。隨著施氮量的增加，皮棉產量呈先上升后下降的趨勢，且在N3達到最大值。2016-2017年，洞庭湖棉區(qū)氮肥價格為3. 8 元·kg-1，皮棉價格為10 元·kg-1。經計算得出產量最高施氮量為281 kg·hm-2，效益最佳施氮量為256 kg·hm-2。

2.2 纖維品質構成因素分析

統(tǒng)計分析不同施氮量下棉纖維品質指標，如表2所示，隨施氮量的增加棉纖維品質變化趨勢存在一定差異。纖維長度和斷裂比強度均隨著施氮量的增加表現(xiàn)為先增加后下降的趨勢，且均在N3達到最大值；馬克隆值隨施氮量的增加呈下降趨勢，但各處理之間差異不顯著；纖維整齊度和伸長率隨施氮量的增加無明顯變規(guī)律，且各處理之間差異不顯著。

表2 施氮量對棉花纖維品質指標的影響Table2 Efects of nitrogen application rate on the cotton fiber quality characters

2.3 氮素對棉花生物量動態(tài)變化特征的影響

由表3可知，施氮量對單株生物量以及棉株根冠比、莖葉比、生殖器官/營養(yǎng)器官、單株子棉經濟系數(shù)的影響呈規(guī)律性變化。隨著施氮量的增加，單株生物量、生殖器官/營養(yǎng)器官、單株子棉經濟系數(shù)均表現(xiàn)為先上升后下降趨勢，均在N3達到最大值；根冠比表現(xiàn)為下降的趨勢；莖葉比表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢，其中N3的莖葉比最小。

表3 施氮量對棉株干物質分配的影響Table3 Effect of N application rate on biomass partitioning in cotton plant

2.4 棉花生物量累積量動態(tài)模型特征值分析

2.4.1 營養(yǎng)器官生物量累積量動態(tài)模型特征值分析

以Logistic 模型對營養(yǎng)器官生物量的動態(tài)累積量進行統(tǒng)計分析，結果如表4所示，各處理Wm的大小順序均為N4>N3>N2>N1>N0。各處理最快生長起始時間(T1)基本接近，但隨著施氮量的增加逐漸提前；快速生長終止時間(T2)隨著施氮量的增加表現(xiàn)為先提前后延后的趨勢，其中N3的T2最早；快速累積持續(xù)期(ΔT)表現(xiàn)為N3＜N2＜N4＜N1＜N0，其中N3的ΔT 最短。各處理最大相對生長速率(Vm)表現(xiàn)為N3>N4>N2>N1>N0；Vm出現(xiàn)時間(Tm)隨著施氮量的增加表現(xiàn)為先提前后延后的趨勢，其中N3的Tm最早。根據(jù)有關研究，營養(yǎng)器官T1及Vm出現(xiàn)日期越早，ΔT 越短，越有利于前期生物量的累積[24]。本試驗以N3營養(yǎng)器官生物量的ΔT 最短、Vm最快、Tm最早，說明N3的棉株營養(yǎng)器官生長模型各項特征參數(shù)最協(xié)調，有利于協(xié)同提高棉花的產量和品質。

表4 棉株營養(yǎng)器官生物量動態(tài)累積模型分析Table4 Dynamic accumulation model analysis of biomass of vegetative growth of cotton

2.4.2 生殖器官生物量累積量動態(tài)模型特征值分析

由表5可知，各處理Wm表現(xiàn)為N3>N4>N2>N1>N0。各處理間T1、T2出現(xiàn)時間的早晚順序為N3、N4、N2、N1、N0；ΔT 隨著施氮量的增加表現(xiàn)為先縮短后延長的趨勢，其中N3的ΔT 最短。各處理Ⅴm表現(xiàn)為N3>N4>N2>N1>N0；Tm隨著施氮量的增加表現(xiàn)為先提前后延后的趨勢，其中N3的Vm最早。

綜合表4、5 分析，N3下棉株營養(yǎng)器官生物量的T2為定苗后60～61 d，生殖器官生物量的T1為定苗后63～64 d，由營養(yǎng)生長向生殖生長的過度比較協(xié)調。另外生殖器官Ⅴm出現(xiàn)在定苗后74 ～75 d，快速生長期較為集中，ΔT 僅為21 ～22 d，有利于多結伏桃和早秋桃。

表5 棉株生殖器官生物量動態(tài)累積模型分析Table5 Dynamic accumulation model analysis of biomass of procreate growth of cotton

2.4.3 生物量與產量灰色關聯(lián)度分析 對不同氮肥處理最終產量與生殖生長生物量的動態(tài)監(jiān)測值進行灰色關聯(lián)度分析，結果如表6所示，棉花產量與定苗后90 d 生殖生長生物量的監(jiān)測值關聯(lián)度最大，而生殖器官的T2為定苗后85～95 d(表5)，這說明生殖器官干物重快速生長期終止時的生物量對最終產量起著決定性的作用。

由于營養(yǎng)器官生物量是高產的前提和基礎，故將定苗后90 d 的生殖生長生物量與前期營養(yǎng)器官生物量進行灰色關聯(lián)度分析，結果如表7所示，定苗后90 d的生殖生長生物量與定苗后60 d 的營養(yǎng)器官生物量關聯(lián)度最大，而營養(yǎng)器官T2為定苗后60 ～68 d，說明定苗后90 d 的生殖器官生物量與快速生長期終止時營養(yǎng)器官的生物量關系極為密切。

表6 產量與生殖生長生物量的關聯(lián)度Table6 Correlation of cotton yield and biomass of procreate growth

本試驗中營養(yǎng)器官生物量Vm出現(xiàn)在定苗后47 ～53 d，而定苗后45～60 d 的營養(yǎng)器官生物量積累占定苗后60 d 營養(yǎng)器官生物量積累的53%～58%(表8)，表明營養(yǎng)器官生物量T1到T2的生物量積累極為關鍵，即提高此期間的營養(yǎng)器官生物量累積成為獲得高產的關鍵。因此，生產中加強7月下旬或8月初的肥水管理尤為重要。

表7 生殖器官生物量與營養(yǎng)器官生物量的關聯(lián)度Table7 Correlation of procreate growth biomass and vegetative growth biomass

表8 定苗后45～60 d 營養(yǎng)器官生物量積累占定苗后60 d 營養(yǎng)器官生物量的比例Table8 The proportion of vegetative organ biomass accumulation in 45－60 days after seedling establishment to vegetative organ biomass in 60 days after seedling establishment

3 討論

研究表明，氮肥用量對棉花產量影響顯著，施氮不足或過量均會導致產量下降[17-18，27-29]，本研究結果也證實了這一點。本研究結果表明，N3的皮棉產量最高，且經過氮效應模型分析，產量最高施氮量為281 kg·hm-2，效益最佳施氮量為256 kg·hm-2，同時N2與N3的皮棉產量與單株子棉經濟系數(shù)均差異不顯著。因此，考慮成本投入，結合產量形成與經濟收益，在本試驗的栽培模式及生態(tài)環(huán)境下，推薦施氮量為180 ～250 kg·hm-2。

纖維品質主要由遺傳特性決定，但由于試驗環(huán)境、栽培條件、肥料種類及施用方式的不同，研究結果也有所差異。本研究中，隨著施氮量的增加，纖維長度和斷裂比強度呈現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢，這與宋為超等[30]的研究結果一致，纖維長度和斷裂比強度均在N3時最大；馬克隆值隨施氮量的增加而降低，這與Rochester 等[31]的研究結果一致；整齊度和伸長率隨著施氮量的增加未呈規(guī)律性變化，各處理間差異不顯著。目前隨著棉花生產全程機械化的推進，紡織業(yè)對棉纖維的品種提出了新要求——“雙30”，即纖維長度≥30 mm，斷裂比強度≥30 cN·tex-1。因此，結合紡織需求與研究結果，洞庭湖棉區(qū)條件下，施氮量在180 ～270 kg·hm-2之間，棉花纖維品質較為理想。

施氮量對生物量的積累影響顯著，適當提高施氮量可以促進棉株生物量的積累[32-34]。本研究中，棉株營養(yǎng)器官生物量隨施氮量的增加而增加；生殖器官生物量則隨施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢變化，其中以N3最高。有研究表明，施氮量可以調節(jié)生物量的T1、T2和ΔT，同時可以改變生物量的累積速率[23]。營養(yǎng)器官生物量的T1及Tm出現(xiàn)越早，越有利于前期營養(yǎng)器官生物量的累積[24]。本研究中，從生物量動態(tài)累積的特征值看，N3的T1早、ΔT 短、Ⅴm大，說明該施氮水平有利于棉花生長前期的營養(yǎng)器官生物量的快速積累。本研究中施氮量不足或過高均會影響營養(yǎng)器官與生殖器官的協(xié)調生長，尤其是施氮量過高，棉株營養(yǎng)生長過旺，抑制了棉株的生殖生長，致使產量下降。因此，可以通過調節(jié)氮肥的施用量與施用時間促使棉株各部位的生物量動態(tài)增長特征參數(shù)達到協(xié)調，進而獲得較高產量。

4 結論

氮肥對棉花干物質積累、產量和品質的提高作用顯著，合理的施氮量與肥料運籌是棉花優(yōu)質高產的重要保障。本研究結合品質、產量形成與經濟收益分析得出，洞庭湖棉區(qū)適宜的施氮量約為180 ～250 kg·hm-2； 營養(yǎng)體快速生長期為7月中旬至8月中旬(定苗后30～60 d)，此期間追肥可以加速營養(yǎng)體生物量的累積，調節(jié)棉株營養(yǎng)體生長參數(shù)，從而獲得更高的產量和更好的品質，其中生殖器官生物量Ⅴm出現(xiàn)時間為7月底至8月初，因此7月下旬為棉田肥水管理的關鍵期。但關于氮肥運籌對油后直播棉花光合作用及肥料作用機理的影響尚待進一步研究。