不同施氮量對棉花花鈴期的生長特性與產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響

陳夢妮，李永山，王 慧，范巧蘭，席吉龍，席天元，張鵬飛

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花研究所，山西運城044000）

棉花是我國主要的經(jīng)濟作物之一，種植面積約533 萬hm2，約占世界棉花種植面積的15%[1]。棉花的應(yīng)用除了在紡織工業(yè)生產(chǎn)中作為主要的原材料外，也在汽車工程、醫(yī)藥、國防等方面被廣泛應(yīng)用，因而，棉花生產(chǎn)在國民經(jīng)濟中具有不可取代的地位，保持我國棉花生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2]。

農(nóng)作物增產(chǎn)最有效的基礎(chǔ)措施是施用化肥，據(jù)統(tǒng)計，化肥的增產(chǎn)作用占到農(nóng)作物產(chǎn)量的30%～50%[3]。其中，氮素在作物產(chǎn)量、品質(zhì)形成中起著關(guān)鍵的作用，棉花種植過程中調(diào)整氮肥運籌，可改善作物生長發(fā)育和光合作用，從而提高產(chǎn)量[4-6]?，F(xiàn)已有大量關(guān)于棉花施氮的研究，陳靜等[7]研究表明，施氮240 kg/hm2與不施氮肥相比，棉花上部果枝長度和葉面積顯著增加，果枝的葉綠素含量和可溶性蛋白含量也顯著增加，促進光合作用，提高鈴質(zhì)量，所以，適量的氮肥能增強棉花果枝的“源- 庫”協(xié)調(diào)性。鄒芳剛等[8]研究表明，在長江流域地區(qū)，濱海鹽土施氮量301～374 kg/hm2，棉花產(chǎn)量、氮肥表觀利用率相對較高。李永旗等[9]研究表明，花鈴期葉面施氮，可以增加葉面積、提高葉綠素含量，且促進光合作用、提高棉花產(chǎn)量?？傊┑窟^低，導(dǎo)致氮素供應(yīng)不足，氮累積量減少，生物量積累少，進而導(dǎo)致產(chǎn)量降低；施氮量過高，超過適宜施氮量，棉花產(chǎn)量同樣會降低、貪青晚熟。目前，我國氮肥在農(nóng)田生產(chǎn)上施用量過大，肥料利用率明顯下降，帶來了資源浪費、環(huán)境惡化，因而，合理施用氮肥是可持續(xù)發(fā)展、保證產(chǎn)量和質(zhì)量的必然要求[4]。

在前人研究基礎(chǔ)上，為了能更好把控棉花后期生長，避免植株貪青晚熟影響產(chǎn)量，觀察棉花生長后期關(guān)鍵時期花鈴期和收獲時期的生長狀態(tài)，也為了提高當季氮肥的利用率，最大可能地降低氮肥投入成本，本試驗對棉花適宜的氮肥用量進行深入研究，設(shè)5 種施氮量，研究棉花花鈴期的生長特性和收獲時期干物質(zhì)積累、生物產(chǎn)量、籽棉產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的響應(yīng)變化，揭示氮素供應(yīng)量對棉花生長后期的營養(yǎng)生長和生殖生長變化規(guī)律的影響，以期為棉花的合理氮肥運籌及高效優(yōu)質(zhì)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019 年在山西省運城市鹽湖區(qū)金井鄉(xiāng)西王村進行。該試驗區(qū)位于北緯34°48′～35°30′，東經(jīng)110°12′～111°41′，地處運城盆地中部，地勢開闊平坦，海拔300～400 m。屬大陸溫帶季風(fēng)氣候，光熱資源豐富，雨熱同季集中，年平均降雨量559.3 mm，年平均日照時數(shù)2 247.4 h，年平均氣溫13.6 ℃，全年無霜期208 d 左右，歷年總積溫平均為513.8 ℃。

1.2 試驗材料

供試作物為棉花，品種為冀豐1982，具有高衣分、大鈴、豐產(chǎn)等優(yōu)勢的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所提供。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，置5 個氮肥用量處理，純氮肥用量分別為0、90、180、270、360 kg/hm2，分別以N1、N2、N3、N4 和N5 表示，磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）用量均為120、90 kg/hm2，其中，氮肥30%用于基施，70%在開花期作追肥，磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）一次性基施。重復(fù)3 次，共15 個小區(qū)。棉花種植采用機械化覆膜條播，1 膜2 行，每個小區(qū)2 膜，小區(qū)長8.0 m、寬2.5 m，面積為20 m2。于4 月8 日播種，播種密度為6 萬株/hm2，按正常的田間管理，適時灌溉；8 月14 日棉花生長處于花鈴期，取樣測量并觀察其生長狀況；棉花吐絮后及時采摘，最后一次摘花取植株樣。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 花鈴期農(nóng)藝性狀測定 每個小區(qū)內(nèi)選取具有代表性的連續(xù)5 株進行田間調(diào)查，調(diào)查株高、果枝數(shù)、有效鈴數(shù)，數(shù)據(jù)取平均值。

1.4.2 花鈴期葉綠素含量測定 每個小區(qū)內(nèi)選取具有代表性的連續(xù)5 株，選取生長一致的葉片（主莖倒四葉，打頂后倒三葉）使用CCM-200＋葉綠素測定儀測定葉綠素含量，盡量避免主脈和有傷害的區(qū)域，在葉片中部主脈兩邊各重復(fù)測定3 次，取平均值；使用PAM-2500 型便攜式葉綠素熒光儀測定葉綠素熒光參數(shù)，在當日11：00—13：00，選定標記棉葉暗適應(yīng)30 min 后，測定葉片的初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）；并計算最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）和PSⅡ潛在活性（Fv/Fo）。

1.4.3 收獲時期形態(tài)指標和產(chǎn)量測定 每個小區(qū)內(nèi)選取具有代表性的連續(xù)5 株，用蒸餾水洗凈并解剖植株，105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干后分別稱取根質(zhì)量、莖稈等干物質(zhì)質(zhì)量。

1.4.4 收獲期經(jīng)濟效益計算 肥料投入是指單位面積各種肥料的總投入；棉花收益是指單位面積籽棉帶來的收入；經(jīng)濟效益本研究僅考慮肥料投入成本，其他成本每個小區(qū)均一致，因而，不計其他投入成本。2019 年籽棉市場價格為5.6 元/kg2，試驗所用肥料純N、P2O5、K2O 價格依次為3.46、5.40、6.00 元/kg。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0 軟件（Duncan 法）對各項指標不同處理的差異顯著性進行比較；采用Excel 2010 統(tǒng)計并制圖、制表，并進行多項回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對棉花花鈴期生長特性的影響

從圖1 可以看出，隨著施氮量增加株高先增高后趨于穩(wěn)定，其中，N1 處理株高最低（67.75 cm），顯著低于N3、N4 和N5 處理，田間調(diào)查可以明顯觀察到N1 處理植株矮小；N5 處理株高最高（72.25 cm），但與N2、N3 和N4 處理間均無顯著差異?？梢姡┑士梢源龠M植株生長。隨氮施氮量增加果枝數(shù)呈先增多后減少的趨勢，N3 處理單株果枝數(shù)最多（17個），顯著多于N1、N2、N5 處理；N1 處理單株果枝數(shù)最少（13 個），顯著低于N3、N4 處理。單株有效鈴數(shù)隨施氮量的增加呈先增多后減少的趨勢，N3處理達最大值，且與N1 處理間的有效鈴數(shù)差異顯著，較N1 處理提高27.03%。

2.2 不同施氮量對棉花花鈴期葉綠素含量的影響

從圖2 可以看出，在花鈴期，葉綠素CCI 值隨施氮量增加呈增加趨勢，N2、N3、N4 和N5 處理較N1 處理分別增加了6.59%、19.23%、22.77%和24.46%，其中，N3、N4、N5 處理較N1 差異顯著，但N3、N4 和N5 處理間差異不顯著。葉綠素熒光參數(shù)最大光化學(xué)效率Fv/Fm 和PSⅡ潛在活性Fv/Fo 隨施氮量增加呈先升高后下降趨勢，其中，N3 處理的最大光化學(xué)效率Fv/Fm 和PSⅡ潛在活性Fv/Fo 最高，分別為0.829 和4.858，均顯著高于N1 處理，但與N2、N4 和N5 處理間差異不顯著。

2.3 不同施氮量對棉花成熟期形態(tài)指標的影響

由表1 可知，施氮肥處理單株平均根質(zhì)量顯著高于不施氮肥，施氮肥的4 個處理根質(zhì)量間差異不顯著。棉花單株的莖稈質(zhì)量和生物產(chǎn)量均隨氮量增加呈增加趨勢，且各處理間差異顯著，其中，N5 處理莖稈質(zhì)量和生物產(chǎn)量均最高，莖稈質(zhì)量較N1、N2、N3 處理分別顯著提高了24.41%、11.42%、14.15%，生物產(chǎn)量較N1、N2 處理顯著增加了17.95%、5.86%；與N1 處理相比，N2、N3 和N4 處理也顯著增加了莖稈質(zhì)量和生物產(chǎn)量，莖稈質(zhì)量分別顯著增加了11.80%、9.12%、18.59%，生物產(chǎn)量分別顯著增加了11.42%、14.14%、16.50%。施氮肥不同對根冠比無顯著影響。收獲指數(shù)隨施氮量的增加呈先升高后下降的趨勢，其中，N3 處理收獲指數(shù)最高，較N1、N2、N4、N5 處理分別顯著高了4.05%、4.30%、5.71%、9.49%；N5 處理最低，較N1、N2、N3處理分別顯著降低4.98%、4.73%、8.67%。

表1 不同施氮量對成熟期形態(tài)指標的影響

2.4 不同施氮量對棉花成熟期產(chǎn)量、 氮肥利用率和經(jīng)濟效益的影響

從表2 可以看出，籽棉產(chǎn)量隨施氮量增加呈先升高后下降的趨勢，其中，N3 處理籽棉產(chǎn)量最高，較N1、N2 處理分別顯著提高18.65%、6.82%；與N4、N5 處理間差異不顯著。在產(chǎn)量構(gòu)成因素中，各處理間單個鈴質(zhì)量差異不顯著；單株有效鈴數(shù)隨施氮量增加呈先升高后下降趨勢，施氮肥的處理間差異不顯著，但不施肥的N1 處理顯著小于N3 處理。籽棉產(chǎn)量的多少直接影響棉花皮棉的產(chǎn)量，皮棉產(chǎn)量變化同籽棉產(chǎn)量變化規(guī)律一致。不同施氮量下衣分也受到影響，施氮肥處理的衣分均高于不施氮肥處理N1，且N3、N4 處理與N1 處理間差異顯著，因而施氮肥提高了棉花的衣分，改善了棉花品質(zhì)。

表2 不同施氮量對產(chǎn)量的影響

由表3 可知，氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥偏生產(chǎn)力隨著氮肥施用量增加呈顯著下降趨勢，其中，N3、N4和N5 處理的氮農(nóng)學(xué)效率較N2 處理分別下降了15.79%、55.89%和72.93%；氮偏生產(chǎn)力分別下降了46.59%、65.60%和74.79%。棉花收益和經(jīng)濟效益?zhèn)涫荜P(guān)注，施氮量增加，收益和經(jīng)濟效益均呈先升高后下降趨勢，其中，N3 處理收益和經(jīng)濟效益最高；而N4、N5 處理施氮量雖高于N3 處理，肥料投入增加，但是經(jīng)濟效益較N3 處理分別降低了5.29%、9.27%。

表3 不同氮肥用量對氮肥利用率、經(jīng)濟效益的影響

2.5 氮肥投入與籽棉產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的關(guān)系

本研究運用多項回歸分析方法，分析了施氮量與經(jīng)濟效益間的線性關(guān)系。由圖3 可知，肥料投入中，磷鉀肥用量相同，僅考慮氮肥用量不同，氮肥用量與籽棉產(chǎn)量和經(jīng)濟效益都呈二次函數(shù)關(guān)系。受氮肥投入成本的影響，氮肥用量與籽棉產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的二次函數(shù)頂點不同，籽棉產(chǎn)量最高時的施氮量下經(jīng)濟效益并不是最高。利用回歸分析推測當?shù)剡m宜的施氮量得出，當?shù)视昧繛?23.55 kg/hm2時，籽棉產(chǎn)量最高，達到3 809.53 kg/hm2；當?shù)视昧繛?96.66 kg/hm2時，經(jīng)濟效益最高，為19 428.3 元/hm2。

3 結(jié)論與討論

棉花具有無限生長習(xí)性，可在適宜的環(huán)境和自身生理年齡條件下進行橫向、縱向生長，生長期不斷延長。株型具有很大的可塑性[8]，株型受環(huán)境條件、栽培措施的影響，其大小、長相、群體長勢等會發(fā)生調(diào)整。本研究表明，施氮肥可促進植株生長，施氮肥處理的植株株高高于不施氮肥處理，果枝數(shù)和有效鈴數(shù)在施氮量≤180 kg/hm2時，隨施氮量增加而增多；而施氮量＞180 kg/hm2時，果枝數(shù)和有效鈴數(shù)較180 kg/hm2減少。已有研究表明，超過適宜的施氮量，棉花植株的中下部光合產(chǎn)物和氮素向生殖器官的轉(zhuǎn)運會受到抑制，生育后期氮素增多，植株貪青晚熟，且產(chǎn)量降低。本研究中，施氮量高的處理吐絮慢于施氮量低的處理，低于適宜施氮量時氮素供應(yīng)不足，氮累積量和生物量減少，導(dǎo)致產(chǎn)量降低，與文獻[10-11]的研究結(jié)果一致。

合理的氮肥運籌不僅能改善作物生長發(fā)育，也能調(diào)控作物葉片光合速率和光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）的Fv/Fo、Fv/Fm[12-15]。氮不僅僅是構(gòu)建植物組織重要的物質(zhì)，也是構(gòu)成葉綠素主要的成分，對葉綠素含量、植物光合速率等都會有明顯影響[16]。王彬等[17]研究表明，施氮肥可提高玉米葉片的葉綠素含量、光合速率，但施氮肥過量又會導(dǎo)致光合速率降低，原因可能是由于施氮肥過多導(dǎo)致葉片中的鉀離子缺乏，影響氣孔開放調(diào)節(jié)，進而降低了光合速率。本試驗研究表明，花鈴期葉綠素CCI 值隨施氮量增加呈增加趨勢，葉綠素熒光參數(shù)最大光化學(xué)效率Fv/Fm 和PSⅡ潛在活性Fv/Fo 隨施氮量增加呈先升高后下降趨勢，與前人研究結(jié)果一致[17]。

隨著氮肥施用量的增加，棉花生物量積累和籽棉產(chǎn)量增加，但因各地氣候、土壤條件及栽培品種的差異，不同棉區(qū)棉花高產(chǎn)氮肥用量不一致[8，18-19]。為了更為直觀看到棉株生長后期生長特性對產(chǎn)量的影響，大量研究表明，施氮肥可以改善作物生長發(fā)育，促進光合作用。本研究表明，單個鈴質(zhì)量和根冠比處理間差異不顯著，故對棉花的產(chǎn)量構(gòu)成因素進行了研究。張友昌等[11]研究表明，施氮肥量在一定范圍內(nèi)對單位成鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量以及衣分均無顯著影響，可能與棉株本身的生物學(xué)特性有關(guān)，與本研究結(jié)果一致。本試驗中，N5 處理生物產(chǎn)量最多，而收獲指數(shù)和籽棉產(chǎn)量隨施氮量的增加呈先升高后下降的趨勢，N3 處理收獲指數(shù)和籽棉產(chǎn)量均最高。馬宗斌等[20]研究表明，產(chǎn)量隨不同施氮量的增加呈先升高后下降的變化趨勢，與本研究結(jié)果一致，這是由于外源氮肥投入可明顯影響土壤速效氮含量變化，高的土壤速效氮能夠滿足植株對養(yǎng)分的吸收利用，促進生長并且提高了產(chǎn)量。氮肥投入過多生育后期氮素增多，植株貪青晚熟，且產(chǎn)量降低。席吉龍等[4]研究表明，隨著施氮量的增加，氮素收獲指數(shù)、氮素利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力卻降低，可見，過高地施用氮肥并不利于作物對氮肥的吸收利用，與本研究結(jié)果一致。

從收益和經(jīng)濟效益角度來看，N3 處理最高，N4、N5 處理施氮量高于N3 處理，肥料投入過多，增加了投資成本，氮肥利用率下降并未帶來可觀的經(jīng)濟效益。較多研究采用回歸分析確定當?shù)刈钸m宜的施肥量，秦宇坤等[21]利用一元二次回歸分析，對當?shù)氐淖衙蕻a(chǎn)量與施氮量進行擬合函數(shù)，得出最佳的經(jīng)濟施氮量為277.0 kg/hm2，最佳的經(jīng)濟籽棉產(chǎn)量為4 427.6 kg/hm2。本研究僅考慮氮肥施用量，忽略磷鉀肥的投入，氮肥用量與經(jīng)濟效益呈二次函數(shù)關(guān)系，但籽棉產(chǎn)量最高時的施氮量下經(jīng)濟效益并不是最高。利用回歸分析推測當?shù)剡m宜的施氮量得出，當?shù)释度霝?96.66 kg/hm2時經(jīng)濟效益最高，為19 428.3 元/hm2。基于YANG 等[22]“減投不減產(chǎn)”棉花低耗高效植棉增效策略考慮，除考慮氮肥投入，也應(yīng)結(jié)合其他肥源和施肥技術(shù)，應(yīng)多角度減少投入，保證產(chǎn)量。

本試驗施用氮肥濃度梯度下，氮肥用量為180 kg/hm2時可獲得最高產(chǎn)量，為3 848.58 kg/hm2，該施氮量下棉花的品質(zhì)指標衣分也相比較高。觀察花鈴期到成熟期棉株變化，超過該施氮量的處理小區(qū)棉株植株高大，果枝數(shù)減少，吐絮較晚，生理生長和生殖生長并進，棉株整體表現(xiàn)為“貪青晚熟”狀態(tài)，進而導(dǎo)致產(chǎn)量降低；施氮量低于180 kg/hm2時，棉株因氮肥供應(yīng)不足生物量較少，籽棉產(chǎn)量、衣分均降低。并觀察施氮肥對成熟棉株影響的相關(guān)指標，依據(jù)單個鈴質(zhì)量和根冠比很難判斷氮肥對棉花生長和產(chǎn)量的影響。利用回歸分析推測，當?shù)剡m宜的施肥量，各處理磷鉀肥投入一致，當每公頃氮肥用量為223.55 kg 時籽棉產(chǎn)量最高，為3 809.53 kg/hm2；當每公頃氮肥用量為196.66 kg 時，經(jīng)濟效益最高，為19 428.3 元/hm2?；凇皽p投不減產(chǎn)”增效途徑出發(fā)，考慮投入肥料用量相對應(yīng)的籽棉產(chǎn)量產(chǎn)生經(jīng)濟效益最大化。因而，合理施用氮肥，可促進棉花生長發(fā)育，促進光合作用，增加干物質(zhì)量，提高棉花產(chǎn)量，提高氮肥利用率。