水分和種植密度對棉花氮素積累分配及產(chǎn)量的影響

肖振雷，李 慧，劉連濤，張永江，白志英，張 科，孫紅春，李存東

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，省部共建華北作物改良與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北省作物生長調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071000)

河北省位于華北平原，作為全國的農(nóng)業(yè)大省，水資源卻十分短缺，因此，提高水資源利用是地區(qū)發(fā)展的必然選擇[1]。作物氮素吸收特性與土壤含水量密切相關(guān)，土壤含水量不僅影響土壤中氮素的有效性，也影響著作物對氮素吸收、同化和轉(zhuǎn)運(yùn)[2-3]。灌溉量過多或過少都不利于作物氮素吸收，適當(dāng)?shù)乃痔澣笨梢源龠M(jìn)作物生殖器官的氮素積累和吸收[4-5]。棉花蕾期是對水分敏感時(shí)期，蕾期輕度水分虧缺可以在節(jié)水的同時(shí)發(fā)揮棉花高產(chǎn)潛力[6-7]。在河北地區(qū)，棉花蕾期是缺水時(shí)期[8]。密植有利于作物吸收土壤中的氮素[9]，減少土壤污染。增加種植密度可以提高作物群體氮素積累量[10-11]，同時(shí)種植密度一直是調(diào)節(jié)作物群體生物量的重要手段[12-13]，密植可以顯著增加作物產(chǎn)量[14-15]，但過大種植密度會(huì)導(dǎo)致營養(yǎng)器官和生殖器官矛盾加劇，經(jīng)濟(jì)系數(shù)降低[16-17]。氮素是干物質(zhì)積累的前提，較高的生物量則是作物高產(chǎn)的基礎(chǔ)[18-19]，研究表明作物氮素積累量與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)性[20]。

前人對水分和種植密度對氮素積累和產(chǎn)量的影響進(jìn)行了許多研究[21-24]，但對棉花不同器官的氮素分配和積累鮮有報(bào)道。本研究通過對不同水分和種植密度條件下，棉花各個(gè)器官氮素積累量和產(chǎn)量的測定，植株氮素積累、轉(zhuǎn)運(yùn)及產(chǎn)量構(gòu)成因素特征的分析，以期為有限的供水措施和適宜種植密度來實(shí)現(xiàn)棉花高產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019-2020年在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)清苑試驗(yàn)站開展。試驗(yàn)地位于E115°47′，N38°76′，屬暖溫帶季風(fēng)氣候，土質(zhì)為壤土，基礎(chǔ)地力如表1所示，整體地力水平處于中等地力。

表1 2018-2020年試驗(yàn)地基礎(chǔ)地力Tab.1 Basic soil fertility of the experimental site in 2018-2020

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以農(nóng)大棉601品種為試驗(yàn)材料，采取二因素裂區(qū)設(shè)計(jì)方法，主區(qū)是水分處理，土壤相對含水量60%～70%設(shè)為對照(W1)，干旱處理(W2)為40%～50%；副區(qū)設(shè)置3個(gè)種植密度：D6(6萬株/hm2)、D9(9萬株/hm2)、D12(12萬株/hm2)。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積為120 m2。

采用機(jī)械播種，人工覆膜，等行距種植，行距為76 cm。2019年5月4日進(jìn)行播種，5月14日出苗，土壤水分脅迫從出苗期到苗后70 d左右時(shí)；2020年5月6日進(jìn)行播種，出苗期為5月13日，土壤水分脅迫從苗后41 d時(shí)到苗后60 d左右。底肥使用硫酸鉀型復(fù)合肥(N∶P∶K=15∶15∶15)，氮素用量為56.25 kg/hm2，相當(dāng)于正常推薦施肥量的25%[25]；其他同常規(guī)高產(chǎn)棉田管理。

1.3 棉花生育時(shí)期的氣象條件

2 a間棉花生育時(shí)期的氣象條件如圖 1 所示，2019年降雨量主要集中在棉花生長發(fā)育后期，2020年較于2019年，降雨量有明顯增加，且在棉花生長發(fā)育前期有較多的降雨量。

圖1 棉花生育時(shí)期氣象條件Fig.1 Meteorological conditions of cotton growth period

1.4 測定項(xiàng)目與方法

氮素測定：2019年，于吐絮期按小區(qū)取3株代表性植株，將每株棉花分為生殖器官和營養(yǎng)器官兩部分；2020年，則在吐絮期按小區(qū)取3株代表性植株，將每株棉花分為主莖(主莖+主莖葉)、果枝(果枝+果枝葉)、葉枝(葉枝+葉枝葉)、蕾鈴、根五部分，放入烘箱105 ℃殺青0.5 h，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，測定干物質(zhì)。

將烘干的樣品磨細(xì)保存。用連續(xù)流動(dòng)分析儀(Auto Analyzer3，德國 SEAL)測定全氮含量，計(jì)算植株氮素積累量。

各器官氮素積累量(kg/hm2)=器官干物質(zhì)質(zhì)量(g)×種植密度/1 000×各器官含氮量(%)；

器官氮素分配率=(器官氮素累積量/地上部組織氮素累積量)×100%；

產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測定：分別于7月15日、8月15日、9月10日調(diào)查各處理不同時(shí)期結(jié)鈴數(shù)，每個(gè)處理選取4行。棉花吐絮后分3次收獲，測定單鈴質(zhì)量和衣分，計(jì)算棉花產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分和種植密度對棉株各器官氮素積累的影響

由表2，3 可以得出，2 a期間，種植密度和水分對棉花生殖器官氮素積累量和氮素總積累量都有顯著影響，且具有互作效應(yīng)。2019年，生殖器官和營養(yǎng)器官氮素積累量及氮素積累總量都隨種植密度增加極顯著提高；水分處理間，W1條件下生殖器官氮素積累量和氮素總積累量顯著高于W2，分別升高了33.60%，24.63%；營養(yǎng)器官氮素積累量無顯著差異；在種植密度和水分條件作用下，W1D12處理氮素總積累量最高，與均值相比提高37.26%。2020年，葉枝氮素積累量以W1D9條件下最高，其余器官氮素積累量則隨種植密度增加極顯著提升；水分處理間，W1生殖器官氮素積累量和氮素總積累量比W2顯著升高，分別升高了24.4%，17.5%；相較于W1，W2葉枝的氮素積累量極顯著降低；在種植密度和水分互作效應(yīng)下，W2D12處理下氮素總積累量最高，與W1D9和W1D12處理差異不顯著，與均值相比升高了23.2%。

表2 水分和種植密度對棉株各器官氮素積累的影響(2019年)Tab.2 Effects of moisture and planting density on nitrogen accumulation in cotton organs in 2019 kg/hm2

表3 水分和種植密度對棉株各器官氮素積累的影響(2020年)Tab.3 Effects of moisture and planting density on nitrogen accumulation in cotton organs in 2020 kg/hm2

2.2 水分和種植密度對棉株各器官氮素分配比例的影響

由表 4，5可知，綜合2 a數(shù)據(jù)來看，棉花吐絮期氮素分配比例以生殖器官為主，49.41%～66.54%。2019年，種植密度對生殖器官和營養(yǎng)器官氮素分配比例有極顯著影響；隨種植密度增加營養(yǎng)器官分配比例極顯著降低，生殖器官分配比例極顯著升高；W1生殖器官的分配比例高于W2，升高了3.66%，營養(yǎng)器官分配比例與之相反，兩者之間差異不顯著。2020年，主莖氮素分配比例的變化趨勢為D12>D9>D6，處理間差異顯著；W2顯著高于W1；隨種植密度增加，果枝和果枝葉以及葉枝和葉枝葉的氮素分配比例呈先升高后降低的趨勢，W1條件下葉枝氮素分配比例顯著高于W2，果枝氮素分配比例則相反，但未達(dá)到顯著差異；不同種植密度處理，生殖器官氮素分配比例表現(xiàn)為D6>D12>D9，不同水分處理間差異不顯著。

表4 水分和種植密度對棉株氮素不同器官分配比例的影響(2019年)Tab.4 Effects of water content and planting density on nitrogen distribution ratio of cotton organs in 2019 %

表5 水分和種植密度對棉株氮素不同器官分配比例的影響(2020年)Tab.5 Effects of water content and planting density on nitrogen distribution ratio of cotton organs in 2020 %

2.3 水分和種植密度對棉花產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表6，7 可知，年份間種植密度對棉花籽棉產(chǎn)量有極顯著影響，W1條件下高于W2條件下，衣分主要受品種特性影響，栽培措施和環(huán)境因素對其影響較小。2019年，隨種植密度增加，籽棉產(chǎn)量呈升高趨勢，與D6相比，D9、D12條件下籽棉產(chǎn)量顯著提高了28.68%，35.47%，W2條件下籽棉產(chǎn)量比W1降低了13.74%；由產(chǎn)量構(gòu)成因素可知，單位面積鈴數(shù)隨密度增加而顯著提高，W1條件下單位面積鈴數(shù)顯著高于W2；單鈴質(zhì)量以D9條件下最高，顯著高于其余2個(gè)處理。2020年，種植密度對棉花籽棉產(chǎn)量有極顯著影響，籽棉產(chǎn)量隨種植密度的增加而增加，相比于D6條件下，D9和D12條件下籽棉產(chǎn)量分別提高了12.41%，36.73%；水分處理下，W2條件下籽棉產(chǎn)量僅比W1條件下低2.54%，可以得出節(jié)水條件下增加密度可以維持棉花高產(chǎn)；進(jìn)一步分析產(chǎn)量構(gòu)成因子可以看出，不同水分處理下棉花單位面積鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量有顯著差異，隨密度增加單位面積鈴數(shù)升高，單鈴質(zhì)量無顯著變化；W1單位面積鈴數(shù)高于W2 11.31%，單鈴質(zhì)量卻降低了6.66%。說明節(jié)水栽培有利于同化物向生殖器官分配。

表6 水分和種植密度對棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響(2019年)Tab.6 Effects of moisture and planting density on cotton yield and yield components in 2019

表7 水分和種植密度對棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響(2020年)Tab.7 Effects of moisture and planting density on cotton yield and yield components in 2020

2.4 棉花氮素積累分配與產(chǎn)量及構(gòu)成因素相關(guān)性分析

通過相關(guān)性分析得出，棉花籽棉產(chǎn)量與吐絮期氮素總積累量和生殖器官氮素積累量極顯著正相關(guān)，與生殖器官氮素占比顯著正相關(guān)，單位面積鈴數(shù)與氮素總積累量和生殖器官氮素占比顯著正相關(guān)，與生殖器官氮素積累量達(dá)到極顯著正相關(guān)，可見氮素轉(zhuǎn)移和積累對棉花最終產(chǎn)量的形成有積極的促進(jìn)作用(表8)。

表8 棉花氮素積累分配與產(chǎn)量及構(gòu)成因素的相關(guān)性Tab.8 Correlation coefficient of nitrogen accumulation and distribution with yield and its constituent in cotton

3 討論與結(jié)論

3.1 水分和種植密度對棉株氮素積累和分配的影響

養(yǎng)分吸收是干物質(zhì)積累的前提，氮素積累的變化對產(chǎn)量的形成有一定的影響[19]。薛占琪[11]試驗(yàn)表明，隨種植密度增加，氮素積累量和生殖器官氮素分配比例也隨之增加。本試驗(yàn)與之結(jié)論相同，同一水分條件下，隨種植密度升高，棉花氮素總積累量極顯著升高；生殖器官氮素分配比例隨種植密度增加而增加，所以提高密度可以顯著增加氮素積累量，使更多的氮素轉(zhuǎn)移到生殖器官中。劉翔[21]研究表明，棉花生育時(shí)期水分虧缺會(huì)顯著降低棉花氮素吸收，閆曼曼等[4]研究表明，輕缺調(diào)虧有利于棉花氮素吸收。本試驗(yàn)表明，水分條件下，W1條件下的氮素積累量顯著高于W2，但是其生殖器官的氮素分配比例并無顯著差異，說明多吸收的氮素并未更多的轉(zhuǎn)移到生殖器官中。

3.2 種植密度和水分對棉花產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

種植密度和水分是調(diào)節(jié)棉花生長發(fā)育的重要手段，對棉花產(chǎn)量潛力具有較大的調(diào)控作用[26]。相關(guān)性分析表明，除單鈴質(zhì)量外，氮素積累和分配與棉花產(chǎn)量及構(gòu)成因素顯著正相關(guān)。在一定范圍內(nèi)單位面積群體產(chǎn)量隨密度的增加而增加，當(dāng)密度達(dá)到一定程度時(shí)，產(chǎn)量可達(dá)最高值，如再繼續(xù)增加密度，產(chǎn)量反而會(huì)下降[15]；研究表明，冀中棉區(qū)適宜種植密度6.0～8.7萬株/hm2[12-13]；也有研究發(fā)現(xiàn)，通過適度調(diào)虧灌溉，在不影響作物生長和產(chǎn)量的前提下，獲得節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)的效果[7]。本研究發(fā)現(xiàn)，籽棉產(chǎn)量和單位面積鈴數(shù)在D12條件下達(dá)到最高，單鈴質(zhì)量2 a趨勢不同；水分處理之間，2019年W2條件下產(chǎn)量比W1條件降低了13.74%，2020年，W2條件下產(chǎn)量僅比W1條件降低了2.54%，單位面積鈴數(shù)與籽棉產(chǎn)量變化趨勢相同。由此可以看出，灌水量降低，導(dǎo)致棉花單位面積鈴數(shù)減少，引起棉花籽棉產(chǎn)量下降，下降的幅度與當(dāng)年的氣象條件有關(guān)，在豐水年可以很好地維持棉花產(chǎn)量，達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)節(jié)水的效果。

綜上所述，適當(dāng)增加種植密度可以提高棉花氮素積累量和籽棉產(chǎn)量；減少灌水量，降低了氮素積累量，但生殖器官氮素分配比例未提高，多余的氮素吸收量并未更多的分配到生殖器官，2 a間，W1條件下籽棉產(chǎn)量高于W2條件下，2020年W1條件下籽棉產(chǎn)量和W2條件下基本持平。因此，推薦當(dāng)?shù)剡m當(dāng)減少灌水量，與常規(guī)種植密度6萬株/hm2相比，將密度提升到9～12萬株/hm2，可以達(dá)到棉花節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)的目的。