種植密度和水氮互作對(duì)南疆棉花生長(zhǎng)和水氮利用的影響

李越鵬，張富倉(cāng)，侯翔皓，嚴(yán)富來(lái)，肖 超，李 菊，成厚亮

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌712100)

新疆是我國(guó)重要的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)棉區(qū)，其農(nóng)業(yè)灌溉用水占到總用水量的95%左右[1-2]。膜下滴灌技術(shù)早已應(yīng)用于棉花、番茄等作物，可實(shí)時(shí)、精量控制水分，有效減少棵間蒸發(fā)、深層滲漏和地表徑流[3]，較傳統(tǒng)灌溉模式節(jié)約灌溉用水50%以上，明顯提高了作物的水分利用效率[4]，且滴灌施肥方法可以調(diào)整土壤水、肥的時(shí)空分布。因此膜下滴灌作為適合新疆鹽堿地的有效灌溉技術(shù)得到廣泛應(yīng)用[5-6]，2014年全疆膜下滴灌技術(shù)的推廣面積達(dá)到200萬(wàn)hm2，且取得了顯著的節(jié)水和增產(chǎn)效益[7]。

種植密度、灌水量和施氮量是影響棉花生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素。適宜的種植密度可以塑造合理的群體結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)棉花群體與個(gè)體間的矛盾，最大程度地利用光熱等資源，從而實(shí)現(xiàn)棉花高產(chǎn)[8]。邢晉等[9]研究表明，群體干物質(zhì)量隨種植密度增加呈先增后減趨勢(shì)。牛玉萍等[10]研究表明，在有限滴灌條件下，種植密度36萬(wàn)株/hm2時(shí)的棉花產(chǎn)量、灌溉水利用效率等較12和24萬(wàn)株/hm2處理高。劉梅先等[11]在北疆的研究表明，滴灌水量少于300 mm時(shí)雖能獲得較高的水分利用效率，但棉花產(chǎn)量嚴(yán)重降低，而灌水量過(guò)多增產(chǎn)不顯著，北疆膜下滴灌棉田應(yīng)以滴灌水量375 mm的中低頻(每隔7～10 d灌水1次)滴灌制度為宜。在一定氮肥用量條件下，棉花產(chǎn)量隨施氮量增加呈增加趨勢(shì)，氮肥過(guò)量施用會(huì)導(dǎo)致棉花產(chǎn)量和氮肥利用率下降[12-14]；竇海濤等[15]認(rèn)為，施氮量300 kg/hm2時(shí)的南疆籽棉產(chǎn)量顯著高于施氮量150和450 kg/hm2處理。增密減氮能顯著增加棉花鈴數(shù)，在長(zhǎng)江流域采用與氮素相當(dāng)?shù)拟浰嘏浔纫部色@得客觀的收益[16-17]。充足的灌水施氮能夠提高棉花地上干物質(zhì)的積累[18]，但灌水和施氮過(guò)多不僅會(huì)浪費(fèi)水肥資源，還會(huì)導(dǎo)致土壤鹽漬化，進(jìn)而導(dǎo)致棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)下降[19]。李培嶺等[20-21]對(duì)北疆棉花水氮高效利用的水氮耦合效應(yīng)模式進(jìn)行了研究，指出當(dāng)灌溉量為430.71～440.12 mm、施氮量為270.95～318.45 kg/hm2時(shí)，棉花水分利用效率、產(chǎn)量和氮素利用效率可同時(shí)達(dá)到最大值的90%[22-23]。

近年來(lái)，有關(guān)種植密度和水氮耦合對(duì)作物產(chǎn)量互作效應(yīng)的研究報(bào)道均表明，在水氮供應(yīng)條件不足時(shí)，適當(dāng)增加密度有利于提高干物質(zhì)累積量；而在低種植密度條件下，灌水量是影響棉花生長(zhǎng)的主要因素，高種植密度下增加灌水、施氮有助于提高棉花群體的干物質(zhì)積累[24-25]，但并未見(jiàn)提出明確的種植密度和灌水施肥制度。為此，本研究在南疆研究了種植密度和水氮互作對(duì)棉花生長(zhǎng)、產(chǎn)量及水氮利用效率的影響，以期為南疆棉花的合理密植和水氮用量?jī)?yōu)化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019年4-9月在新疆庫(kù)爾勒市尉犁縣31團(tuán)試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)地位于東經(jīng)84°02′50″，北緯40°10′30″，年平均降雨量為58 mm，年蒸發(fā)量為2 417 mm，屬典型的大陸性干旱荒漠氣候。年平均氣溫為10.9 ℃，≥10 ℃的年平均積溫為4 218.3 ℃，平均日照時(shí)數(shù)為2 941.8 h，無(wú)霜期180～220 d。試驗(yàn)地0～0.6 m土壤以沙壤土為主，0.6～1.0 m以砂性土為主,0～0.8 m土層平均土壤體積質(zhì)量(干)為1.59 g/cm3，棉花生育期地下水埋深為1.2～1.5 m，田間持水量為19.39%，土壤全氮含量35.50 mg/kg，速效磷含量7.09 mg/kg，速效鉀含量658.39 mg/kg。試驗(yàn)期間氣象條件如圖1所示，蒸發(fā)蒸騰量在播后30～60 d(5-6月)達(dá)到最高。

圖1 試驗(yàn)期間降雨量和蒸發(fā)量的變化Fig.1 Changes in evaporation and precipitation during growing season

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，以種植密度為主區(qū)，灌水量為裂區(qū)，施氮量為裂裂區(qū)。種植密度設(shè)置26萬(wàn)株/hm2(D1，株距10 cm，當(dāng)?shù)胤N植密度)和32萬(wàn)株/hm2(D2，株距8 cm) 2個(gè)水平，灌水量設(shè)置80%ETC(W1，ETC為作物蒸發(fā)蒸騰量)和100%ETC(W2) 2個(gè)水平，施氮量設(shè)置200 kg/hm2(N1)、300 kg/hm2(N2)和400 kg/hm2(N3)3個(gè)水平，共12個(gè)處理。每個(gè)處理重復(fù)3次，共計(jì)36個(gè)小區(qū)。

供試棉花品種為“新陸中67號(hào)”，由塔里木大學(xué)培育。肥料分別選用尿素(含N 46%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、酸性二銨(含N 18%，P2O546%)和硫酸鉀(含K2O 60%)，磷、鉀肥施用量采用當(dāng)?shù)赜昧?，分別為120，45 kg/hm2，試驗(yàn)期間的打頂、噴藥、除草等田間管理措施均與當(dāng)?shù)卮筇锉３忠恢隆?/p>

2019年4月上旬播種，采用1膜2管4行種植模式，種植行距為10 cm×66 cm×10 cm，膜間裸地寬46 cm，一個(gè)小區(qū)4膜，寬6 m，長(zhǎng)7 m，地膜采用聚氯乙烯。各處理灌水日期相同，第1次灌水均為10 mm，其余每次灌水時(shí)間間隔7 d，每次計(jì)算灌水量采用的ETC為灌水當(dāng)日及前7 d之和。灌水從6月中旬開(kāi)始，至8月底停止，全生育期共灌水10次，滴頭流量2.4 L/h，肥料隨灌水施入。棉花種植密度由株距確定，滴灌灌水施肥實(shí)施方案見(jiàn)表1。

其中，ETC為作物蒸發(fā)蒸騰量(mm/d)，計(jì)算公式為：

ETC=ET0·KC。

(1)

式中：KC為棉花作物系數(shù)，生育前期取0.75，生育中期取1.15，生育后期取0.70；ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，按照FAO-56推薦使用的Penman-Monteith公式(1990年)計(jì)算。

表1 南疆棉花滴灌灌水施肥方案Table 1 Irrigation and fertilization treatments for cotton in southern Xinjiang

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 株高、莖粗和葉面積指數(shù)的測(cè)定 在棉花苗期、蕾期、花期、鈴期和吐絮期，每小區(qū)隨機(jī)選取3株可以代表整體長(zhǎng)勢(shì)的棉花，測(cè)定各生長(zhǎng)指標(biāo)，其中株高用米尺測(cè)量，莖粗用游標(biāo)卡尺測(cè)量。棉花的葉面積采用打孔稱重(質(zhì)量)法[26]測(cè)定，即先用打孔器獲取已知面積的葉片，將其烘干至質(zhì)量恒定，稱量植株總?cè)~片與已知面積葉片的干物質(zhì)量并進(jìn)行比較，得出轉(zhuǎn)換系數(shù)，進(jìn)而求得單株植物葉面積，再計(jì)算葉面積指數(shù)(leaf area index，LAI)：葉面積指數(shù)=單株葉面積×種植密度/小區(qū)面積。

1.3.2 棉花干物質(zhì)量測(cè)定 在棉花苗期、蕾期、花期、鈴期和吐絮期，各小區(qū)隨機(jī)選取3株可以代表整體長(zhǎng)勢(shì)的棉花，分離棉花的根、莖、葉等組分，去掉表面塵土后分別放入烘箱，于105 ℃殺青0.5 h，75 ℃烘干至質(zhì)量恒定，用電子天平稱量其質(zhì)量。

1.3.3 棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成要素測(cè)定 在棉花吐絮期，各小區(qū)隨機(jī)選取具有代表性的3處區(qū)域測(cè)定棉花籽棉產(chǎn)量，實(shí)收計(jì)產(chǎn)。在每個(gè)區(qū)域內(nèi)棉株的上、中、下層分別摘取5個(gè)棉鈴，用電子天平稱取15個(gè)棉鈴的質(zhì)量并計(jì)算單鈴質(zhì)量。在各小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取8株可以代表整體長(zhǎng)勢(shì)的棉花，測(cè)定其有效鈴數(shù)。

1.3.4 植株氮素吸收量測(cè)定 在棉花各生育期取整株樣品，將苗期棉花分為根、莖、葉3部分，其他時(shí)期分為根、莖、葉和蕾4部分。將各樣品在105 ℃殺青0.5 h，75 ℃烘干至質(zhì)量恒定，粉碎并過(guò)1 mm篩，經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后用連續(xù)流動(dòng)分析儀(AutoAnalyzer-Ⅲ，德國(guó)Bran Luebbe公司)測(cè)定植株各組織器官的全氮含量。

1.3.5 相關(guān)指標(biāo)及計(jì)算方法 收獲指數(shù)=籽棉產(chǎn)量(kg/hm2)/地上部干物質(zhì)累積量(生物學(xué)產(chǎn)量)(kg/hm2)；水分利用效率(WUE，kg/m3)=籽棉產(chǎn)量(kg/hm2)/耗水量(mm)；植株氮素累積量(kg/hm2)=植株氮素含量(%)×干物質(zhì)質(zhì)量(kg/hm2)；氮素利用效率(NUE，kg/kg)=籽棉產(chǎn)量(kg/hm2)/植株氮素吸收量(kg/hm2)；氮素吸收效率(UPE，kg/kg)=植株氮素累積量(kg/hm2)/施氮量(kg/hm2)；氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP，kg/kg)=籽棉產(chǎn)量(kg/hm2)/施氮量(kg/hm2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步整理、統(tǒng)計(jì)與分析，分別采用SPSS 23.0、Origin 9.0 Pro軟件進(jìn)行差異顯著性分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植密度和水氮互作對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響

2.1.1 株高和莖粗 種植密度和水氮互作對(duì)棉花株高和莖粗的影響及其方差分析結(jié)果見(jiàn)表2和表3。由表2可知，在棉花吐絮期，低種植密度(D1)條件下，不同灌水處理棉花株高和莖粗均隨施氮量增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，D1W1N2處理株高和莖粗較D1W1N1、D1W1N3處理分別提高了7.63%，4.06%和5.05%，3.08%，D1W2N2處理較D1W2N1、D1W2N3分別提高了10.10%，6.40%和6.69%，3.65%；而在高種植密度(D2)條件下，棉花株高和莖粗均隨施氮量增加呈增加趨勢(shì)，如在高密度低水條件下，高施氮處理的株高較低、中施氮處理分別提高了9.39%，7.13%和10.14%，3.53%。 總體來(lái)看，不同處理棉花的株高和莖粗在全生育期內(nèi)不斷增加，苗期各處理差異不顯著，蕾期時(shí)增長(zhǎng)量最大，花期后株高和莖粗增長(zhǎng)速率變緩。收獲時(shí)，棉花株高和莖粗均以低密度高水中氮處理(D1W2N2)下達(dá)到最大值，分別為105.33 cm和11.16 mm。此外，增加密度會(huì)顯著抑制單個(gè)植株的生長(zhǎng)，低密度(D1)高施氮處理也會(huì)在一定程度上抑制棉花的生長(zhǎng)，而D2處理棉花群體對(duì)灌水量、氮素的需求量有所增加。

表2 不同處理對(duì)棉花株高和莖粗的影響Table 2 Effects of different treatments on cotton plant height and stem thickness

表3 不同處理對(duì)棉花株高和莖粗影響的方差分析(F值)Table 3 Variance analysis on effects of different treatments on cotton plant height and stem thickness (F value)

由表3可知，在苗期時(shí)，種植密度對(duì)棉花株高和莖粗有極顯著影響(P<0.01)，而在其他生育期，種植密度、灌水量和施氮量對(duì)棉花株高和莖粗均有極顯著影響(P<0.01)，種植密度與灌水量、種植密度與施氮量的互作效應(yīng)也對(duì)棉花株高和莖粗有極顯著影響(P<0.01)。在鈴期和吐絮期，灌水量與施氮量以及種植密度、灌水量和施氮量三因素的互作效應(yīng)對(duì)棉花株高影響顯著(P<0.05)，對(duì)棉花莖粗影響不顯著(P>0.05)。

2.1.2 葉面積指數(shù)(LAI) 不同處理下棉花葉面積指數(shù)隨生育期的變化見(jiàn)表4，方差分析結(jié)果見(jiàn)表5。由表4可以看出，低種植密度(D1)條件下，在除苗期外的其他生育期內(nèi)，不同灌水處理棉花的LAI整體均隨施氮量增加呈先增加后降低的趨勢(shì)。如在鈴期時(shí)，D1W1N2處理LAI較D1W1N1、D1W1N3分別提高46.25%和3.34%，D1W2N2處理LAI較D1W2N1、D1W2N3分別提高3.80%和1.90%；而在高種植密度(D2)條件下，棉花全生育期內(nèi)的LAI大體均隨施氮量增加呈增加趨勢(shì)。如在鈴期，D2W1N3處理LAI較D2W1N1、D2W1N2分別提高44.48%和22.46%?？傮w來(lái)看，全生育期各處理LAI均在鈴期達(dá)到最大值，且以高種植密度和高水高氮處理(D2W2N3)最高，為5.76。葉面積指數(shù)隨施氮量的變化和株高、莖粗的變化趨勢(shì)一致。另外，在低灌水量條件下，增加種植密度可以顯著降低全生育期LAI，而高種植密度下提高灌水水平可顯著提高棉花的LAI，這可能是因?yàn)槊芏仍黾又率姑藁ㄈ后w對(duì)水分、養(yǎng)分的需求增大，而較小的灌水量不能滿足其生長(zhǎng)需求所致。

表4 不同處理對(duì)棉花葉面積指數(shù)的影響Table 4 Effects of different treatments on cotton leaf area index

表5 不同處理對(duì)棉花葉面積指數(shù)影響的方差分析(F值)Table 5 Variance analysis on effects of different treatments on cotton leaf area index (F value)

由表5可以看出，在全生育期內(nèi)，灌水量和施氮量對(duì)棉花LAI有極顯著影響 (P<0.01)，種植密度與灌水量、灌水量與施氮量的互作效應(yīng)對(duì)棉花LAI均有極顯著影響(P<0.01);種植密度對(duì)除花期外的棉花LAI影響均達(dá)極顯著水平(P<0.01)；種植密度與施氮量的互作效應(yīng)對(duì)除苗期外的棉花LAI均有極顯著影響(P<0.01)；種植密度、灌水量和施氮量三因素的互作效應(yīng)對(duì)蕾期、花期棉花LAI有極顯著影響(P<0.01)。

2.2 種植密度和水氮互作對(duì)棉花干物質(zhì)累積量的影響

種植密度和水氮互作對(duì)棉花干物質(zhì)累積量的影響見(jiàn)表6，其方差分析結(jié)果見(jiàn)表7。由表6可以看出，在低種植密度(D1)條件下，不同灌水處理吐絮期棉花的干物質(zhì)累積量均隨施氮量增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，D1W1N2處理棉花的干物質(zhì)累積量較D1W1N1、D1W1N3處理分別提高29.04%和5.62%，D1W2N2處理較D1W2N1、D1W2N3分別提高13.26%和5.63%；而在高種植密度(D2)條件下，吐絮期棉花的干物質(zhì)累積量均與施氮量呈正相關(guān)關(guān)系，D2W1N3處理棉花的干物質(zhì)累積量較D2W1N1、D2W1N2分別提高43.78%和25.49%，D2W2N3處理較D2W2N1、D2W2N2分別提高5.36%和3.11%。說(shuō)明高施氮量會(huì)抑制低密植棉花的生長(zhǎng)，選擇適當(dāng)?shù)氖┑坑兄谔岣呙苤裁藁ㄉ诘母晌镔|(zhì)積累量?？傮w來(lái)看，全生育期內(nèi)各處理棉花的干物質(zhì)積累量均以花期到鈴期最大，鈴期和吐絮期時(shí)2種種植密度相比，二者在低灌水量下有顯著差異，在低灌水和低、中施氮條件下表現(xiàn)為“D1>D2”，而在低灌水高施氮條件下表現(xiàn)為“D1

表6 不同處理對(duì)棉花干物質(zhì)積累的影響Table 6 Effects of different treatments on cotton dry matter accumulation kg/hm2

表7 不同處理對(duì)棉花干物質(zhì)積累影響的方差分析(F值)Table 7 Variance analysis on effects of different treatments on cotton dry matter accumulation(F value)

由表7可知，在棉花全生育期內(nèi)，種植密度、灌水量對(duì)棉花干物質(zhì)積累均有極顯著影響(P<0.01)；施氮量及灌水量與施氮量的互作效應(yīng)對(duì)苗期棉花的干物質(zhì)積累有顯著影響(P<0.05)，對(duì)其他時(shí)期均有極顯著影響(P<0.01)；在棉花鈴期和吐絮期，種植密度和施氮量、種植密度和灌水量以及種植密度、灌水量和施氮量的互作效應(yīng)對(duì)干物質(zhì)累積量均有極顯著影響(P<0.01)。

2.3 種植密度和水氮互作對(duì)棉花產(chǎn)量及構(gòu)成要素的影響

種植密度和水氮互作對(duì)棉花產(chǎn)量及構(gòu)成要素的影響及其方差分析結(jié)果見(jiàn)表8和表9。由表8可以看出，在低種植密度條件下，不同灌水處理棉花的籽棉產(chǎn)量均隨施氮量增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，D1W1N2處理較D1W1N1、D1W1N3處理分別增加6.34%和2.86%，D1W2N2處理較D1W2N1、D1W2N3分別增加12.32%和0.94%；而在高種植密度條件下，D2W1N3處理的籽棉產(chǎn)量較D2W1N1、D2W1N2分別增加20.79%和5.07%，D2W2N3處理較D2W2N1、D2W2N2分別增加6.99%和2.80%。

表9 不同處理對(duì)棉花籽棉產(chǎn)量及其構(gòu)成要素影響的方差分析(F值)Table 9 Variance analysis on effects of different treatments on cotton yield and its components(F value)

由表9可知，灌水量和施氮量對(duì)籽棉產(chǎn)量、生物學(xué)產(chǎn)量、單鈴質(zhì)量和收獲指數(shù)有極顯著影響(P<0.01)；種植密度對(duì)有效鈴數(shù)、收獲指數(shù)影響不顯著(P>0.05)；種植密度與施氮量、種植密度與灌水量的互作效應(yīng)對(duì)籽棉產(chǎn)量、生物學(xué)產(chǎn)量、單鈴質(zhì)量影響極顯著(P<0.01),對(duì)有效鈴數(shù)影響不顯著(P>0.05)；種植密度、施氮量和灌水量三因素的互作效應(yīng)對(duì)籽棉產(chǎn)量、生物學(xué)產(chǎn)量和收獲指數(shù)影響極顯著(P<0.01)。

結(jié)合表8和表9可知，種植密度和水氮互作效應(yīng)主要通過(guò)影響棉花有效鈴數(shù)與單鈴質(zhì)量進(jìn)而影響籽棉產(chǎn)量，在低密度高水中氮(D1W2N2)條件下，由于有效鈴數(shù)與單鈴質(zhì)量的乘積相對(duì)較高，故該處理的籽棉產(chǎn)量最高，為7 421.0 kg/hm2，顯著高于除D1W2N3、D2W2N3外的其他處理。而D2W2N3處理產(chǎn)量接近最大產(chǎn)量，說(shuō)明高種植密度條件下，增加灌水量和施氮量有利于棉花增產(chǎn)，選擇合理的氮肥用量與生育期灌水100%ETC相耦合，有助于棉花根系對(duì)水、肥等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用，進(jìn)而獲得高產(chǎn)。

2.4 種植密度和水氮互作對(duì)棉花水氮利用效率的影響

種植密度和水氮互作對(duì)棉花水氮利用效率的影響及其方差分析結(jié)果見(jiàn)表10和表11。由表10可以看出，在低種植密度條件下，不同灌水處理棉花的水分利用效率均隨施氮量增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，D1W1N2處理水分利用效率較D1W1N1、D1W1N3處理分別提高8.57%和2.01%，D1W2N2處理較D1W2N1、D1W2N3分別提高14.50%和2.04%；而在高種植密度條件下，棉花水分利用效率與施氮量呈正相關(guān)關(guān)系，D2W1N3處理的水分利用效率較D2W1N1、D2W1N2分別提高19.49%和2.17%，D2W2N3處理較D2W2N1和D2W2N2分別提高11.45%和2.10%。另外，低種植密度下增加灌水量會(huì)降低水分利用效率，而高種植密度下的水分利用效率隨著灌水量的增加而增大。各處理中，以低種植密度低灌水中氮(D1W2N2)處理的水分利用效率最高，為1.52 kg/m3。

由表10還可知，在相同種植密度和灌水量條件下，棉花的氮素累積量均隨施氮量的增加而增加，如D1W2N3處理較D1W2N1、D1W2N2分別提高12.49%和15.96%；而氮素利用效率(NUE)、氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)和氮素吸收效率(UPE)基本均隨施氮量增加而降低。在高種植密度條件下，各處理NUE均無(wú)顯著性差異，且均低于大部分低密度處理。另外，D2W2N1處理的UPE最高，為0.77 kg/kg，但其產(chǎn)量較產(chǎn)量最高的D1W2N2處理降低約7.0%。

表10 不同處理對(duì)棉花水氮利用效率的影響Table 10 Effects of different treatments on water and nitrogen use efficiency

表11顯示，種植密度、灌水量和施氮量對(duì)水分利用效率(WUE)、氮素累積量、氮素利用效率、氮素吸收效率和氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)均有極顯著影響(P<0.01)，種植密度和灌水量的互作效應(yīng)對(duì)上述指標(biāo)也均有極顯著影響(P<0.01)，而種植密度、灌水量和施氮量三因素交互效應(yīng)對(duì)WUE、NPFP有極顯著影響(P<0.01)。

表11 不同處理對(duì)棉花水氮利用效率影響的方差分析(F值)Table 11 Variance analysis on effects of different treatments on cotton water and nitrogen use efficiency (F value)

3 討 論

3.1 種植密度和水氮互作對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響

適宜的種植密度和施氮量有利于棉花建成合理群體，提高光能利用率，促進(jìn)光合產(chǎn)物形成，進(jìn)而提高棉花產(chǎn)量[27]。水氮互作效應(yīng)對(duì)棉花株高和葉面積指數(shù)(LAI)影響顯著[28]，棉花的株高、莖粗和LAI隨灌水量的增加而增加，隨施氮量的增加呈先增加后降低趨勢(shì)[29]。牛玉萍等[30]在南疆的研究表明，棉花株高隨種植密度的增加而降低，LAI隨種植密度增大而增大。王潭剛等[31]在南疆的研究表明，棉花全生育期葉面積指數(shù)隨種植密度增大呈增大趨勢(shì)。本研究結(jié)果表明，在高、低2種種植密度下，低灌水量時(shí)增大種植密度會(huì)降低LAI，而高灌水量時(shí)的LAI則隨種植密度的增大而增大。這些研究結(jié)果存在差異的原因可能有三：一是由于低灌水量時(shí)棉花葉片生長(zhǎng)差；二是試驗(yàn)地土壤基礎(chǔ)條件不同，施肥量、氣候條件也不同；三是試驗(yàn)的棉花品種不一樣。種植密度的增加會(huì)提高氮素的需求量，恰當(dāng)比例水肥與種植密度的互作效應(yīng)可顯著促進(jìn)密植棉花生育期的生長(zhǎng)，有利于光合作用的進(jìn)行，為后期增加籽棉產(chǎn)量提供基礎(chǔ)。

3.2 種植密度和水氮互作對(duì)棉花干物質(zhì)累積量的影響

種植密度和水氮供應(yīng)作為棉花生長(zhǎng)的主要措施，影響棉花的干物質(zhì)累積，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)，進(jìn)而為棉花高產(chǎn)建立群體基礎(chǔ)[32-33]。Rochester等[34]研究表明，增加施氮量有利于棉花干物質(zhì)累積，但過(guò)量施氮會(huì)使棉花晚熟、品質(zhì)下降。馬宗斌等[35]在黃河流域的研究表明，施氮量影響棉花干物質(zhì)積累，當(dāng)施氮量為300 kg/hm2時(shí)干物質(zhì)積累量較大。郭琛等[25]的研究表明，高種植密度下增加灌水量和施氮量有利于增加棉花群體的干物質(zhì)積累量。本研究結(jié)果表明，在高種植密度條件下，高灌水高施氮處理棉花的干物質(zhì)積累量顯著高于除高灌水中施氮處理外的其他處理，在低種植密度條件下，高灌水中施氮處理的干物質(zhì)積累量最大，為24 595.50 kg/hm2，且顯著高于其他處理，這與文獻(xiàn)[25,34-35]的研究結(jié)果一致。對(duì)于種植密度來(lái)說(shuō)，棉花群體的干物質(zhì)累積量隨種植密度的增加而增加[9]，而本試驗(yàn)顯示，在低灌水量和低、中施氮條件下,高、低種植密度間有顯著性差異，表現(xiàn)為“D1>D2”，而在低灌水高施氮條件下表現(xiàn)為“D1

3.3 種植密度和水氮互作對(duì)棉花產(chǎn)量的影響

因?yàn)樯鷳B(tài)氣候、栽培管理措施不同，不同地區(qū)達(dá)到最高產(chǎn)量的灌水量、施氮量和種植密度相差較大。吳立峰等[28]認(rèn)為，新疆膜下滴灌在灌水量為100%ETC、施氮量為250 kg/hm2時(shí)可以獲得最高籽棉產(chǎn)量。施氮是增產(chǎn)的重要措施，但過(guò)多的施氮會(huì)給土壤和水環(huán)境帶來(lái)負(fù)面影響，也會(huì)降低氮素吸收率。鄧忠等[36]在南疆的研究結(jié)果表明，在不同灌水量下施氮量為300 kg/hm2時(shí)，棉花單位面積鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量均較高。郭琛等[25]認(rèn)為，灌水量為5 400 m3/hm2、施氮量為300 kg/hm2、種植密度為18萬(wàn)株/hm2時(shí)，籽棉產(chǎn)量較高。本研究發(fā)現(xiàn)，在南疆灌水量為100%ETC(3 119.8 m3/hm2)、施氮量為300 kg/hm2和種植密度為26萬(wàn)株/m2的處理(D1W2N2)條件下，籽棉產(chǎn)量達(dá)到最大值，為7 421.0 kg/hm2。而對(duì)于種植密度而言，北疆皮棉在種植密度為18萬(wàn)株/hm2時(shí)的產(chǎn)量較6.0和30.0萬(wàn)株/hm2處理高[37]，有限滴灌條件下籽棉產(chǎn)量隨種植密度增加而增加[9]。本試驗(yàn)顯示，低種植密度(26萬(wàn)株/hm2)處理可以獲得最高產(chǎn)量，這與文獻(xiàn)[37]的結(jié)果并不一致，造成這種差異的原因可能有兩方面：一是施氮量不同，本試驗(yàn)高產(chǎn)處理的施氮量為300 kg/hm2，而文獻(xiàn)[37]的施氮量為531 kg/hm2；二是試驗(yàn)地土壤基礎(chǔ)條件不同，氣候條件也不同。本研究結(jié)果表明，在產(chǎn)量構(gòu)成因素中，單位面積鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量是能否獲得高產(chǎn)的重要因素，相比常規(guī)種植密度，增密條件下雖然單位面積鈴數(shù)有所增加，但差異并不顯著(P>0.05)，這是因?yàn)檫^(guò)高的種植密度會(huì)抑制棉花群體的光合作用，導(dǎo)致單鈴質(zhì)量顯著降低(P<0.05)，且從偏低的收獲指數(shù)(0.31)可以看出，種植密度過(guò)大時(shí)無(wú)效鈴數(shù)也較多，進(jìn)而影響最高產(chǎn)量的獲得。盡管高種植密度下增加灌水量、施氮量會(huì)得到較大產(chǎn)量，但并不利于資源的高效利用。

3.4 種植密度和水氮互作對(duì)棉花水氮利用效率的影響

提高水氮利用效率有利于農(nóng)業(yè)資源的高效合理利用。在一定氮素供應(yīng)范圍內(nèi)，植物吸收利用的土壤水分與氮素供應(yīng)量呈正相關(guān)關(guān)系，提高水分利用效率(WUE)有利用產(chǎn)量的增加，而適宜灌水量、施氮量均可以有效增大棉花的WUE[28]。蔡煥杰等[38]的研究表明，生育期滴灌量為345～380 mm時(shí)，棉花產(chǎn)量和水分利用效率均較高。本試驗(yàn)結(jié)果表明，D1W2N2處理的WUE較高，為1.50 kg/m3，此時(shí)的灌水量為322 mm(100%ETC)，這與文獻(xiàn)[38]的結(jié)論相似。同一種植密度下，氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)隨施氮量增加而顯著下降[39]。謝志良等[40]在新疆的研究表明，水分脅迫條件下氮素利用效率(NUE)隨施氮量增加而降低。本試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[39-40]一致，且在低灌水處理?xiàng)l件下，盡管提高了棉花的氮素利用效率，但是經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量過(guò)低，不利于資源的高效利用。而在高灌水量時(shí)，低種植密度條件下的施氮處理可在獲得高產(chǎn)的前提下兼顧水氮的高效利用，因而更利于實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 論

在南疆膜下滴灌施肥條件下，種植密度和水氮交互對(duì)棉花生長(zhǎng)、干物質(zhì)累積量、產(chǎn)量和水氮利用效率均有顯著影響。相比低種植密度處理，高密度種植對(duì)棉花群體生長(zhǎng)無(wú)顯著促進(jìn)作用，生育期灌水100%ETC和中施氮互作對(duì)棉花生長(zhǎng)有顯著影響，可以提高水分利用效率和氮肥利用率，促進(jìn)干物質(zhì)積累，使單位面積鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量獲得較大值，最終實(shí)現(xiàn)棉花高產(chǎn)。在低種植密度高水處理?xiàng)l件下，施氮量300 kg/hm2與施氮量200,400 kg/hm2處理相比,可獲得最高的籽棉產(chǎn)量，為7 421.0 kg/hm2，此時(shí)水氮利用效率也最高。

在高種植密度高水低氮(D2W2N1)處理時(shí)，棉花的氮素吸收率最高，為0.77 kg/kg，但其產(chǎn)量較最高產(chǎn)量的低種植密度高水中氮處理(D1W2N2)降低了7.0%。因此，在南疆地區(qū)，棉花生育期灌水量100%ETC(3 119.8 m3/hm2)、施氮量300 kg/hm2、種植密度26萬(wàn)株/hm2是最優(yōu)的水、氮、種植密度組合栽培方式，可為當(dāng)?shù)孛尢锔咝a(chǎn)提供理論依據(jù)。