施氮量對棉花養(yǎng)分吸收利用及產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

郭小琰，孫桂蘭，熊世武，陳煥軒，韓迎春，王國平， 李存東，李亞兵，張永江，王占彪,,

(1.棉花生物學國家重點實驗室河北基地 / 河北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，河北保定 071000； 2.棉花生物學國家重點實驗室 /中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所，河南安陽 455000； 3.棉花生物學國家重點實驗室鄭州研究基地 / 鄭州大學，鄭州 450000)

0 引 言

【研究意義】過量和不合理的肥料運籌會帶來土壤養(yǎng)分失衡等[1-4]。在保障棉花產(chǎn)量基礎(chǔ)上，減少氮肥用量，以降低因過量施氮造成的環(huán)境污染風險[5,6]，研究施氮量對棉花養(yǎng)分吸收利用及產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，對提高肥料利用效率和施肥效益，以及棉花生產(chǎn)提質(zhì)增效具有重要意義。【前人研究進展】研究表明，氮素在作物產(chǎn)量形成中扮演著重要的角色，并與磷和鉀元素的吸收存在密切關(guān)系[7]，建立合理的施氮水平不僅能提高棉花產(chǎn)量和氮肥利用率，還能減少氮肥損失[8,9]。秦宇坤等[10]研究了低肥力棉田條件下氮肥用量對棉花產(chǎn)量、棉花養(yǎng)分吸收利用的影響，提出較低的氮肥用量可獲得較高的氮肥偏生產(chǎn)力和氮農(nóng)學利用率，當施氮量超過360 kg/hm2時，棉花養(yǎng)分積累量降低，氮肥利用率降低，證明了棉田減氮增效的可行性。李鵬程等[11]研究表明，黃河流域棉區(qū)施氮量為360 kg/hm2時，籽棉的平均產(chǎn)量最高，中等肥力棉田施氮量超過270 kg/hm2時，棉花氮素生理利用率和氮肥農(nóng)學利用率下降。李伶俐等[12]研究了在高產(chǎn)條件下，不同施氮量對雜交棉氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收利用及產(chǎn)量品質(zhì)的影響，提出氮、磷、鉀養(yǎng)分利用效率隨施氮量的增加而提高，氮肥利用率則隨施氮量的增加而下降?！颈狙芯壳腥朦c】氮素在營養(yǎng)器官和生殖器官中的積累與分配是決定作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素[13,14]，氮素分配效率和氮肥利用率也是決定作物產(chǎn)量的重要條件之一[15]。前人研究多集中在施氮量對棉花產(chǎn)量及氮肥利用率的影響等方面[16-20]，缺乏施氮量對棉花各器官氮磷鉀養(yǎng)分吸收與利用的影響等相關(guān)報道。研究施氮量對棉花養(yǎng)分吸收利用及產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】在磷鉀肥施用量一致的基礎(chǔ)上，研究不同施氮量對棉花產(chǎn)量、纖維品質(zhì)、干物質(zhì)積累、養(yǎng)分吸收量及氮肥利用率的影響，分析適宜的氮肥用量，為棉花生產(chǎn)的氮肥減施及制定高產(chǎn)高效的養(yǎng)分管理策略提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

田間試驗于2018～2019年在中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所東場試驗基地進行(中國河南省安陽縣，36°06′N，114°21′E)。供試棉花品種為中棉所60號。土壤類型為潮褐土，耕層土壤(0～20 cm)基礎(chǔ)理化性質(zhì)：pH 值8.12，有機質(zhì)含量16.27 g/kg，全氮含量1.16 g/kg，全磷含量0.71 mg/kg，速效磷含量12.27 mg/kg，速效鉀含量162.00 mg/kg。2018和2019年的年平均氣溫分別為15.8、15.9℃；全年總降水量分別為602.0、470.0 mm；全年日照時數(shù)分別為1 996.4、2 058.3 h；全年活動積溫(≥15℃)分別為4 934.0、4 861.9℃。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

設(shè)置4個施氮水平，分別為0(CK)、112.5(N1)、168.75(N2)、225(N3)kg/hm2，其中225 kg/hm2的施氮量是當?shù)孛尢锍Ｒ?guī)施氮量。氮肥(尿素)苗期基施與花鈴期追施各占一半，磷肥(過磷酸鈣)和鉀肥(硫酸鉀)全部底施，施用量均為102 kg/hm2。

采用隨機區(qū)組設(shè)計，每個處理3次重復(fù)，共計12個小區(qū)。各小區(qū)均為8行區(qū)，行長10 m、寬6 m，小區(qū)面積60 m2。等行距76 cm播種，130 cm寬膜雙行覆蓋，各小區(qū)播種密度均為9.0×104株/hm2。2018年，棉花于4月21日播種，于11月6日完成收花；2019年，棉花于4月24日播種，于11月6日完成收花。兩年大田試驗均在棉花播種前和花鈴期灌水2次，其他管理均為常規(guī)田間管理。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 棉花生物量及氮、磷、鉀含量

我院男護生選擇護理學專業(yè)31.73%的護生是因為好就業(yè)，54.33%的男護生對本專業(yè)積極主動且沒有想過更換專業(yè)，75.69%的男護生優(yōu)先選擇的醫(yī)院為三級醫(yī)院，29.81%的男護生最想在手術(shù)室工作。從以上數(shù)據(jù)我們可以看到我院男護生對男護生就業(yè)處于相對看好狀態(tài)。從表2我們可以看出影響男護生就業(yè)觀高的因素如下。

于2018年和2019年棉花吐絮期，在各小區(qū)隨機選取2株長勢均勻的棉花，按莖、葉、生殖等不同部位進行分解，分別稱量其鮮重，將分解后的鮮樣放入烘箱105℃殺青30 min后，于80℃干燥箱中烘干至恒重，稱量計算其干物質(zhì)質(zhì)量。

將烘干的樣品粉碎，過0.5 mm篩，測定棉花地上部全氮 、全磷、全鉀含量。稱取磨好的植株樣0.500 0 g，用H2SO4-H2O2法消煮植株樣，消煮后的樣液加水定容到100 mL，全氮采用半微量凱氏定氮法，全磷采用釩鉬黃吸光光度法，全鉀采用火焰光度法進行測定。

1.2.2.2 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

2018年和2019年分別于棉花成熟后，按小區(qū)分2次實收全小區(qū)吐絮鈴計產(chǎn)，每次分小區(qū)收花后裝入網(wǎng)袋，曬干、稱重、軋花，計算各小區(qū)籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量。每次產(chǎn)量收獲前分小區(qū)收取全株吐絮鈴100個，曬干后稱重，單鈴重用100鈴籽棉產(chǎn)量除以總鈴數(shù)計算，衣分由100鈴的皮棉產(chǎn)量除以100鈴的籽棉產(chǎn)量計算得出，群體成鈴數(shù)由籽棉產(chǎn)量除以單鈴重計算得出。

1.2.2.3 纖維品質(zhì)

棉花纖維品質(zhì)主要包括：纖維長度、纖維整齊度指數(shù)、斷裂比強度、馬克隆值和斷裂伸長率。從每個試驗材料的皮棉中隨機稱取纖維樣品20 g，送至中國河南省安陽市農(nóng)業(yè)農(nóng)村部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心檢測。

1.2.2.4 氮素利用率及其計算

氮素表觀利用率(%)=(N-N0)/F×100.

氮素農(nóng)學效率(kg/kg)=(Y-Y0)/F.

氮素偏生產(chǎn)力(kg/kg)=Y/F.

氮肥貢獻率(%)=(Y-Y0)/Y×100.

氮素生理利用率(kg/kg)=

(Y-Y0)/(N-N0).

式中，Y和Y0分別為施氮處理和CK處理所獲得的棉花籽粒產(chǎn)量，N和N0分別為施氮處理和CK處理地上部總吸氮量，F(xiàn)為施氮量[21-23]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理與分析，通過SPSS 23.0進行單因素方差分析和差異顯著檢驗，采用Origin 2018進行繪圖，所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

研究表明，2018年各施氮(N1～N3)處理比不施氮肥(CK)處理分別增產(chǎn)240.21、287.44、403.49 kg/hm2，增產(chǎn)幅度為8.21%～13.78%；2019年分別增產(chǎn)357.78、450.57、688.27 kg/hm2，增產(chǎn)幅度為9.86%～18.97%。2018年N3處理成鈴數(shù)較CK處理顯著增加，增幅為12.34%；2019年N1、N2、N3處理成鈴數(shù)較CK處理顯著增加，分別增加了8.43%、11.27%、17.50%。2018和2019年各處理間單鈴重和衣分差異不顯著。與常規(guī)施肥(N3)相比，氮肥減施25%(N2)，2018年，籽棉和皮棉產(chǎn)量分別降低了3.48%和3.58%，無顯著差異；2019年，籽棉和皮棉產(chǎn)量分別降低了5.51%和6.36%，2個處理間差異顯著。表1

表1 不同施氮量下棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素變化Table 1 Effects of nitrogen application rate on cotton yield and yield components

2.2 施氮量對棉花干物質(zhì)積累、氮、磷、鉀吸收與分配的影響

2.2.1 施氮量對棉花干物質(zhì)、氮、磷、鉀積累量的影響

研究表明，2018年，N2處理干物質(zhì)積累量與氮積累量較CK分別顯著增加32.4%和33.6%，磷和鉀積累量較CK分別顯著增加22.9%和6.2%；2019年，N2處理干物質(zhì)積累量與氮積累量較CK分別顯著增加34.1%和14.2%，磷和鉀積累量較CK分別顯著增加24.2%和6.2%。各施氮處理棉花干物質(zhì)積累量較CK分別增加22.7%～32.4%和22.2%～34.1%；氮積累量較CK分別增加13.8%～33.6%和4.5%～14.2%；磷積累量較CK分別增加7.4%～22.9%和5.4%～24.2%；鉀積累量較CK分別增加1.8%～6.2%和2.6%～6.2%。表2

表2 不同處理下干物質(zhì)和氮磷鉀積累量變化Table 2 Accumulation of dry matter weight, nitrogen, phosphorus and potassiumaccumulation under different treatments

2.2.2 施氮量對棉花氮素吸收與分配的影響

研究表明，2018年，N1、N2、N3處理的莖氮素吸收量比CK處理增加了0.5～0.8倍，2019年增加了0.6～1.0倍；2018年，N1、N2、N3處理的葉氮素吸收量比CK處理增加了0.7～0.9倍，2019年差異較小；2018和2019年的各處理棉花生殖器官氮素吸收量均在N2處理有最大值。棉花吐絮期，氮素分配到莖和葉的比例較小，分配到生殖器官的比例約為57%～64%，各處理氮素積累量為N2> N1> N3> CK，且CK處理的棉花莖、葉和生殖氮素吸收量都顯著小于各施氮處理，N2處理顯著高于其他處理。圖1

2.2.3 施氮量對棉花磷素吸收與分配的影響

研究表明，2018年，各處理的莖、葉、生殖磷素吸收量分別占比10.6% ～15.0%、12.1% ～15.6%、70.8% ～75.2%；2019年，各處理的莖、葉、生殖磷素吸收量分別占比14.1% ～17.4%、6.5% ～10.3%、72.7% ～79.3%。2019年棉花莖對磷素吸收量提高，而葉對磷素吸收量降低。在吐絮期，各處理棉花生殖器官磷素積累量高于營養(yǎng)器官，各處理磷素積累量為N2> N1> N3> CK，且CK處理的棉花莖、葉和生殖磷素吸收量都顯著小于各施氮處理，N2處理顯著高于其他處理。圖2

2.2.4 施氮量對棉花鉀素吸收與分配的影響

研究表明，同氮素和磷素吸收量一樣，棉花地上部鉀素吸收量是N2處理最高。2018年，各處理的莖、葉、生殖鉀素吸收量分別占比7.6%～9.8%、1.7%～2.7%、87.5%～90.7%；2019年，各處理的莖、葉、生殖鉀素吸收量分別占比18.9%～21.6%、7.7%～8.2%、70.7% ～73.2%。與2018年相比，2019年各處理棉花生殖器官鉀素吸收量降低，營養(yǎng)器官鉀素吸收量升高，但地上部鉀素總吸收量差別較小。在棉花吐絮期，各處理棉花生殖器官鉀素積累量高于營養(yǎng)器官，且CK處理的棉花莖、葉和生殖器官鉀素吸收量都顯著小于各施氮處理，N2處理顯著高于其他處理，施用氮肥有利于棉花生殖器官中鉀素的吸收。圖3

2.3 施氮量對棉花氮肥利用率的影響

研究表明，N1處理棉株的氮肥表觀利用率顯著高于其他處理，與常規(guī)施肥(N3)處理相比，2年均增長8%；同氮肥表觀利用率一樣，氮肥農(nóng)學效率和氮肥偏生產(chǎn)力均在N1處理有最大值，均隨施氮量的增加而降低，這與各處理對氮素的吸收效率表現(xiàn)出了相類似的規(guī)律；氮肥貢獻率隨施氮量的增加，2018年表現(xiàn)先升高后降低的趨勢，N2處理顯著高于其他處理，2019年則持續(xù)升高，N3處理比N1、N2處理高4%～5%；氮肥的生理利用率2年均無顯著差異(P< 0.05)。表3

2.4 施氮量對棉花纖維品質(zhì)的影響

研究表明，各處理的棉纖維長度、纖維整齊度和纖維伸長率隨施氮量的改變無明顯變化規(guī)律，且各處理之間差異不顯著；N1處理的棉纖維斷裂比強度均為最大值，比不施氮肥(CK)處理分別增加1.9%和2.5%；馬克隆值隨施氮量的增加而增加，在N3處理有最大值。與2018年各項纖維品質(zhì)指標對比，2019年各處理的棉纖維長度和斷裂比強度均有所提高，馬克隆值整體下降。表4

3 討 論

3.1 施氮量對棉花氮、磷、鉀吸收與分配的影響

研究結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)增施氮肥能顯著提高棉花氮、磷、鉀積累量，2018和2019年N1、N2與N3處理氮、磷、鉀積累量均顯著高于CK，這與李伶俐等[12]的結(jié)論一致。N3處理2018和2019年氮、磷、鉀積累量均比N2處理降低，施氮量過高對棉花養(yǎng)分積累量的提升效果不顯著，甚至有阻礙作用，這與哈麗哈什·依巴提等[24]的研究結(jié)果一致。

3.2 施氮量對棉花氮肥利用率的影響

氮肥利用率是評價農(nóng)田氮肥施用經(jīng)濟效益和環(huán)境效應(yīng)的重要指標，是指施入農(nóng)田的氮肥被作物吸收到體內(nèi)的比例，不包括氮肥的損失和殘留在土壤中的部分，反映了作物對施入土壤中的肥料氮的回收效率[25]。

隨施氮量的增加作物氮素吸收量增加，然而肥料利用效率降低[26-28]。綜合2018和2019兩年大田試驗，在施氮量低于112.5 kg/hm2時，隨施氮量的增加氮素表觀利用率和氮肥農(nóng)學利用率提高，當施氮量超過168.75 kg/hm2時，氮素表觀利用率和氮肥農(nóng)學利用率顯著下降，說明過量施氮不利于棉花對氮素的吸收利用，反而造成了氮肥的損失，這與趙雙印等[29]的研究結(jié)果一致。

3.3 施氮量對棉花產(chǎn)量及纖維品質(zhì)的影響

隨施氮量的增加，棉花籽棉產(chǎn)量增加，但不同棉區(qū)因氣候、土壤及栽培措施的差異，棉花高產(chǎn)施氮量不一致[30-32]。馬宗斌等[33]研究適宜黃河灘地植棉的施氮水平，結(jié)果表明，在施氮量為300 kg/hm2時，棉花干物質(zhì)積累量較大，且分配到生殖器官的比例較高，黃河灘地的棉花適宜施氮量為300 kg/hm2。試驗2018與2019年棉花籽棉產(chǎn)量變化趨勢基本一致，均隨施氮量的增加呈上升趨勢。N2處理與N3處理籽棉產(chǎn)量兩年分別平均比CK處理顯著增加11.2%和16.3%，N3處理籽棉產(chǎn)量兩年平均比N2處理增加4.7%，施氮量在168.75～225 kg/hm2范圍內(nèi)棉花可獲得較高籽棉產(chǎn)量。這與薛曉萍等[34]的研究結(jié)果一致。

2018年，不同施氮量的籽棉和皮棉產(chǎn)量均與不施氮處理差異顯著，但各施氮處理間差異沒有達到顯著水平，這可能與試驗?zāi)晗薅逃嘘P(guān)，并且各小區(qū)都進行了棉花秸稈還田，使得第1年試驗時各處理的表現(xiàn)差異不明顯。2019年，各處理的籽棉和皮棉產(chǎn)量均高于2018年，這可能是因為2019年的平均氣溫和日照時長均高于2018年，且2019年降雨量較小，導(dǎo)致棉花產(chǎn)量整體升高。

棉花纖維品質(zhì)主要由遺傳特性決定，但由于試驗環(huán)境、肥料種類及施用量的不同，研究結(jié)果也會有所差異。研究中，隨施氮量的增加，棉纖維斷裂比強度呈現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢，馬克隆值呈上升趨勢，這與宋為超等[35]的研究結(jié)果一致；而纖維長度、纖維整齊度和伸長率隨施氮量的變化未呈規(guī)律性變化，且各處理間差異不顯著。各處理纖維品質(zhì)性狀差異不顯著。

4 結(jié) 論

施氮量對棉花成鈴數(shù)、籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量的影響均有顯著差異。所有施氮處理棉花產(chǎn)量均顯著高于不施氮肥(CK)處理。施氮量對棉花干物質(zhì)和氮磷鉀積累量有顯著影響。隨施氮量的增加，棉花干物質(zhì)和氮磷鉀積累量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且均在氮肥減施25%(N2)處理有最大值。不同施氮水平下，棉花各器官氮素吸收量差異顯著。氮素供應(yīng)過量或不足都不利于棉花后期氮素吸收。不同施氮水平下，棉花各器官磷素吸收量差異顯著，但整體變化趨勢相同。施用氮肥有利于棉花生殖器官中磷素的累積和吸收。施氮量對棉花纖維品質(zhì)各項指標影響差異不顯著(P< 0.05)。合理施用氮肥可增加棉花產(chǎn)量，施氮過量或不足均導(dǎo)致棉花不同程度的減產(chǎn)，棉花施用量為112.5～168.75 kg/hm2較為適宜。