機(jī)采棉氮素吸收及產(chǎn)量的最佳水氮組合

廖 歡，甘浩天，劉 凱，殷 星，劉少華，唐新愿，侯振安

（石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆石河子 832000）

新疆地區(qū)是我國最重要的商品棉生產(chǎn)基地[1]。近年來，隨著棉花栽培技術(shù)和生產(chǎn)成本的提升，推廣機(jī)械采收已成為新疆棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路[2–3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北疆地區(qū)機(jī)采棉占比已達(dá)到90% 以上，南疆地區(qū)棉花采收機(jī)械化率也在逐年增長[4–6]。適宜機(jī)械采收的棉花需具有早熟性好、成熟(結(jié)鈴、吐絮)相對集中、單鈴重及衣分高、植株緊湊、高矮適中的特點(diǎn)[7]。但新疆的機(jī)采棉仍處于起步階段，部分技術(shù)還不成熟。為了滿足機(jī)械采收，機(jī)采棉生育后期需要脫葉與催熟，噴施脫葉劑會使棉鈴?fù)滦趼曙@著降低[8–9]，且棉花機(jī)采追求過高的采凈率會導(dǎo)致籽棉含雜率過高[10]，對纖維造成較大的損傷，進(jìn)而使棉花質(zhì)量下滑，市場競爭力降低[11]。導(dǎo)致這些問題的原因除了缺少適宜機(jī)械采收的棉花品種之外，栽培管理措施和機(jī)采棉不相適宜也是主要因素之一[12]。灌水和施肥是促進(jìn)作物生長發(fā)育的重要措施，合理的水肥運(yùn)籌可以構(gòu)建棉花合理的群體和個(gè)體結(jié)構(gòu)，為機(jī)械收獲奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也能促進(jìn)棉花早熟，提高棉花產(chǎn)量和品質(zhì)[13–15]。相反，若水肥過多，容易引起棉株瘋長，造成棉田蔭蔽，導(dǎo)致棉花后期貪青晚熟；若水、肥不足，又會使棉株易于早衰，引起大量的蕾鈴脫落，影響產(chǎn)量和品質(zhì)[16]。因此，科學(xué)合理的確定機(jī)采棉所需的最佳灌水量與施肥量，對實(shí)現(xiàn)棉花增產(chǎn)高效具有十分重要的意義。

水、氮是作物實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)不可或缺的必要條件[17]。氮素只有溶解在水中才能被作物吸收，且水分狀況在很大程度上會決定氮肥的吸收量和利用率，即二者之間存在著互作效應(yīng)[18–19]。張燕等[20]的研究結(jié)果表明，當(dāng)?shù)喂嗔繛?80 mm，N、P2O5、K2O施用量分別為250、100、50 kg/hm2時(shí)，可協(xié)調(diào)棉花營養(yǎng)生長與生殖生長，使棉花產(chǎn)量、氮肥利用率均有顯著提高。忠智博[13]對滴灌棉花的生長及土壤水氮分布進(jìn)行了研究，結(jié)果表明當(dāng)施氮量和滴灌量分別為262.5 kg/hm2和3750 m3/hm2時(shí)，棉花單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量以及產(chǎn)量、品質(zhì)均可處于相對較高的水平。趙愛琴[21]通過建立大尺度的水氮耦合模型，發(fā)現(xiàn)北疆地區(qū)最佳灌水量為552 mm，最佳氮肥施用量為354 kg/hm2。李志軍等[22]研究了滴灌施肥對棉花生長和產(chǎn)量的水肥耦合效應(yīng)，結(jié)果表明灌水量為100%ETc、施氮量為300 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量、水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力均達(dá)到最高。這與Wang等[23]研究結(jié)果一致，充分灌溉(100%ETc)和N、P2O5、K2O分別為300、120、60 kg/hm2是提高籽棉產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的最佳施肥策略。由此可知，在合適的時(shí)間投入合理的水、氮就會對作物的生長狀況、生理特性等產(chǎn)生積極的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[24]。但是受地域、氣候等因素的影響，棉花的水氮施用制度各不相同。前人關(guān)于水氮互作對棉花產(chǎn)量、氮素吸收等影響的研究主要以傳統(tǒng)種植模式(手采棉)為主，而機(jī)采棉種植模式與傳統(tǒng)種植模式存在一定差異?；诒苯貐^(qū)的生態(tài)條件，迫切需要建立和完善與機(jī)采棉生產(chǎn)相匹配的水氮管理措施[25–27]。因此，本研究結(jié)合水肥一體化技術(shù)，通過農(nóng)田實(shí)際蒸散量制定灌水量，研究不同水氮對棉花氮素吸收及產(chǎn)量的影響，以期在資源緊缺日益嚴(yán)峻和環(huán)境惡化的壓力下，提出適宜北疆地區(qū)機(jī)采棉的水氮施用策略。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間試驗(yàn)于2020年在石河子大學(xué)農(nóng)科綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心 (44°33′N，85°98′E)進(jìn)行。該地區(qū)為典型的溫帶大陸性氣候，多年平均降水量為200 mm左右，平均年蒸發(fā)量1700～2200 mm。土壤類型為灰漠土，質(zhì)地為壤土。0—100 cm的土壤基礎(chǔ)性質(zhì)如表1所示。供試棉花品種為‘新陸早84號’。

表1 試驗(yàn)地土壤基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of test soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置灌水量和施肥量2個(gè)因素，隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)氮素水平：0、150、225、300、375 kg/hm2(記作 N0、N150、N225、N300、N375)，和3個(gè)滴灌量水平：60%ETc、80%ETc、100%ETc，共計(jì)15個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，45個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為共45 m2。各處理每次及總灌水量和施氮量如表2所示。ETc為農(nóng)田實(shí)際蒸散量，計(jì)算公式如下：

表2 各處理每次及總灌水量和施氮量Table 2 Individual and the total amount of water and N in each treatment during the cotton growth period

式中：ET0為參考作物蒸散量，采用FAO推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算；Kc為作物系數(shù)，棉花生長初期、快速期、中期和成熟期Kc值為0.35、0.76、1.18 和 0.60[28]。

棉花種植采用機(jī)采棉模式，一膜6行，行距配置為 66 cm +10 cm，種植密度為 26 萬株/hm2，株距為10 cm。2020年4月28日播種，干播濕出。棉花生長期間灌水8次，灌水周期7～10 天。滴灌的肥料為尿素 (N 46%)、磷酸二氫鉀 (P2O552%、K2O 34%)和氯化鉀(K2O 57%)，氮、磷、鉀肥全部作追肥，分6次隨水滴施。各處理磷鉀肥施用量相同，磷肥(P2O5) 105 kg/hm2，鉀肥 (K2O) 75 kg/hm2。9 月 14 日噴灑脫葉劑，10月12日進(jìn)行采收，其他管理措施參照當(dāng)?shù)貦C(jī)采棉田管理措施。

1.3 樣品采集與測定

在棉花苗期(6月4日)、蕾期(6月14日)、初花期(7月3日)、盛花期(7月23日)、盛鈴期(8月22日)、吐絮期(9月13日)進(jìn)行樣品采集。每個(gè)處理取連續(xù)5株棉花的地上部，分為莖、葉、蕾鈴部位，鮮樣于105℃ 下殺青30 min，然后在80℃下烘至恒重后稱重。采用H2SO4–H2O2消煮，凱氏定氮法測定棉花植株氮素累積量。

在棉花收獲前統(tǒng)計(jì)各小區(qū)有效鈴數(shù)，計(jì)算平均單株鈴數(shù)；分別摘取各小區(qū)部分正常吐絮棉株上層、中層和下層棉鈴30、40和30個(gè)，用電子天平稱重，最后實(shí)收計(jì)產(chǎn)。

灌溉水利用率(IWUE)計(jì)算公式如下：

式中：Y為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量 (kg/hm2)；W為生育期內(nèi)總灌水量 (m3/hm2)。

氮肥表觀利用率(NUE)計(jì)算公式如下：

式中：U為施氮區(qū)作物吸氮量；U0為不施氮區(qū)作物吸氮量，N為氮肥投入量。

采用min-max最值歸一化方法，將原始值X映射成在區(qū)間[0，1]中的值 XA：

式中：XA為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值；X為樣本實(shí)際值；Xmax為樣本數(shù)據(jù)最大值；Xmin為樣本數(shù)據(jù)最小值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的常規(guī)處理和制圖使用Microsoft Excel 2010。應(yīng)用SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的方差分析和方程擬合，方差分析達(dá)到顯著性水平后(P< 0.05)，采用Duncan法進(jìn)行處理間的多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理對棉花生長的影響

2.1.1 干物質(zhì)積累量 由表3可以看出，60%ETc處理對棉花苗期至蕾期的干物質(zhì)積累無明顯抑制作用，初花期后60%ETc處理的干物質(zhì)積累量較80%ETc、100%ETc處理顯著降低。80%ETC處理的干物質(zhì)積累量在棉花苗期至盛花期時(shí)較100%ETc處理顯著降低，但盛鈴期至吐絮期時(shí)有利于棉花的干物質(zhì)積累。100%ETc處理在苗期至盛鈴期時(shí)均較60%ETc、80%ETc處理促進(jìn)了棉花的干物質(zhì)積累量，但吐絮期時(shí)100%ETc處理的干物質(zhì)積累量有所降低。此外，在60%ETc、80%ETc灌水條件下，施氮對棉花干物質(zhì)積累量的影響規(guī)律相似，均隨施氮量的增加有所增加，但吐絮期80%ETc+N150、80%ETc+N225、80%ETc+N300處理的干物質(zhì)積累量無顯著差異。100%ETc灌水條件下，除盛花期、盛鈴期時(shí)棉花干物質(zhì)積累量會隨著施氮量的增加而增加，其余生長階段N300、N375處理的干物質(zhì)積累量差異均不顯著。

表3 不同水氮組合處理棉花地上部干物質(zhì)積累量(×103 kg/hm2)隨生育期的動態(tài)變化Table 3 Dry matter accumulation (×103 kg/hm2) of cotton shoot across the growth stages under different water and N combination

2.1.2 干物質(zhì)積累速率 不同水氮處理棉花地上部干物質(zhì)積累量(y)隨生長時(shí)間(t) 的變化符合Logistic函數(shù)y=k/[1+ ae?bt)]。由表4可知，在各灌水條件下，棉花地上部干物質(zhì)快速積累時(shí)間段分別出現(xiàn)在出苗后 40～123 天 (60%ETc)、43～98 天 (80%ETc)、34～144 天(100%ETc)。當(dāng)灌水量為60%ETc時(shí)，N225、N300處理分別較N0處理干物質(zhì)快速積累持續(xù)時(shí)間縮短了10、2天，但N150、N375處理分別較N0處理增加了1、6天。且N150、N225、N300處理的干物質(zhì)最大積累速率分別較N0處理提高了33.76%、9.25%、7.30%；當(dāng)灌水量為80%ETc時(shí)，N150、N225、N300、N375處理分別較N0處理干物質(zhì)快速積累持續(xù)時(shí)間縮短了11、11、6、6天，干物質(zhì)最大積累速率分別提高了87.54%、89.85%、71.91%、67.97%；當(dāng)灌水量為100%ETc時(shí)，N225、N300、N375處理分別較N0處理干物質(zhì)快速積累持續(xù)時(shí)間增加了12、17、13天，但N150處理較N0處理縮短了13天，N150、N300、N375處理的干物質(zhì)最大積累速率分別較N0處理提高了85.44%、3.92%、16.46%。說明不同水氮處理對棉花干物質(zhì)快速積累持續(xù)的時(shí)間影響不同，且除60%ETc+N375、100%ETc+N225處理外，其余處理的干物質(zhì)最大積累速率均隨著施氮量的增加有一定程度的增加，進(jìn)而促進(jìn)了棉花地上部的干物質(zhì)積累。

表4 棉花地上部干物質(zhì)積累的Logistic模型及特征值Table 4 Logistic models and characteristic values of dry matter accumulation in cotton shoot

2.1.3 吐絮期干物質(zhì)積累與分配 棉花生長進(jìn)入吐絮期后，如表5所示，各處理棉花地上部干物質(zhì)重和各器官的分配率差異顯著(P< 0.05)。60%ETc灌水條件下，棉花莖、葉、鈴的干物質(zhì)量均顯著低于80%ETc、100%ETc處理，且各器官的干物質(zhì)積累量均隨施氮量的增加有所增加，以60%ETc+N375處理最高，但N300、N375處理的分配比例差異不顯著。80%ETc和100%ETc處理的莖、葉平均干物質(zhì)量無顯著差異，但均顯著高于60%ETc處理，而棉鈴平均干物質(zhì)量3個(gè)水分處理間差異達(dá)到顯著水平，表現(xiàn)為80%ETc >100%ETc>60%ETc。說明灌水量為60%ETc會明顯抑制棉花各器官的干物質(zhì)積累，為不適宜的水分條件。

表5 棉花吐絮期地上部干物質(zhì)積累與分配Table 5 Accumulation and distribution of aboveground dry matter in cotton at the boll opening stage

在100%ETc灌水條件下，棉鈴干物質(zhì)量隨施氮量的增加先增加后降低，以N300處理最高，N375處理的棉鈴干物質(zhì)量較N300處理顯著降低。表明高施氮量主要促進(jìn)了棉花莖、葉干物質(zhì)積累，而不利于棉鈴干物質(zhì)量的積累。而在80%ETc條件下，各施氮處理棉鈴干物質(zhì)量較N0處理均顯著增加，且棉花積累的干物質(zhì)更多地向棉鈴轉(zhuǎn)移。

2.2 不同水氮處理對棉花氮素吸收的影響

2.2.1 氮素積累動態(tài) 由表6可知，棉花氮素吸收量隨著生育進(jìn)程逐漸增加，且不同水氮處理對棉花氮素吸收量的影響效應(yīng)也隨著生育期的推進(jìn)而變大。苗期至盛花期灌水虧缺(60%ETc、80%ETc)會顯著抑制棉花的氮素吸收量，盛鈴期至吐絮期80%ETc、100%ETc處理的氮素吸收量無顯著差異且均較60%ETc處理顯著增加。在60%ETc灌水條件下，吐絮期棉花氮素吸收量均隨施氮量的增加而增加。但80%ETc、100%ETc灌水條件下，棉花吐絮期的氮素吸收量以N300水平最高，繼續(xù)增施氮肥(N375)對棉花氮素吸收無明顯的促進(jìn)作用。

表6 不同水氮組合下各生育期棉花氮素吸收量(kg/hm2)Table 6 Nitrogen uptake of cotton at different growth stages under different water and N combination

2.2.2 氮素吸收速率 根據(jù)各處理棉花氮素吸收量(y)與生長時(shí)間(t)的Logistic函數(shù)擬合方程(表7)可知，在t1～t2時(shí)間段內(nèi)氮素吸收量快速增加，此時(shí)應(yīng)保證水氮供應(yīng)充足。但在不同灌水與施肥條件下，棉花最大氮素吸收增長速率及到達(dá)最大氮素吸收速率的時(shí)間均有所不同。各滴灌處理(60%ETc、80%ETc、100%ETc)下，施氮處理最大氮素吸收增長速率分別較N0處理增加了0.28～2.79、0.19～1.70、0.25～0.75倍。但當(dāng)?shù)喂嗔繛?0%ETc時(shí)，N150處理到達(dá)最大氮素吸收增長速率的時(shí)間較N0處理推遲了3天，N225、N300、N375處理卻分別較N0處理提前了13、6、10 天；當(dāng)?shù)喂嗔繛?0%ETc時(shí)，N375處理到達(dá)最大氮素吸收增長速率的時(shí)間較N0處理提前了3天，N150、N225、N300處理卻分別較N0處理推后了9、14、16天；當(dāng)?shù)喂嗔繛?00% ETc時(shí)，N0與N150處理到達(dá)最大氮素吸收增長速率的時(shí)間相同，N225、N300、N375處理分別較N0處理推后了15、21、5天。說明在各滴灌量水平下，最大氮素吸收增長速率均在N375處理達(dá)到最大，但不同滴灌量會影響N375處理達(dá)到最大氮素吸收增長速率的時(shí)間。

表7 棉花氮素吸收的Logistic模型及特征值Table 7 Logistic models and characteristic values of cotton N uptake

2.2.3 吐絮期棉花氮素吸收量 表8表明，吐絮期100%ETc和80%ETc處理的棉花氮素吸收量無顯著差異，但分別較60%ETc處理顯著增加了26.64%、25.55%。60%ETc下棉花氮素吸收量均隨施氮量增加而增加，但在80%ETc與100%ETc條件下，N300處理最高。無論氮素施用水平高低，氮素在各器官中的積累量和分配率均表現(xiàn)為鈴>葉>莖。說明灌水嚴(yán)重虧缺(60%ETc)會導(dǎo)致棉花氮素吸收量有所降低，80%的水分供應(yīng)(80%ETc)即可保證棉花吸收和積累氮素的需求。

表8 不同水氮組合下棉花氮素的吸收量及其在莖葉和鈴中的分配比例Table 8 N absorption and distribution in cotton under different water and N rate

2.3 不同水氮處理對棉花產(chǎn)量的影響

由表9可知，3個(gè)灌水處理的棉花產(chǎn)量表現(xiàn)為80%ETc>100%ETc>60%ETc，但 80%ETc與100%ETc處理無顯著差異，且分別較60%ETC處理顯著增加了15.09%和14.81%。在同一滴灌量條件下，各施氮處理棉花單株結(jié)鈴數(shù)、單鈴重、產(chǎn)量較N0處理均有所增加。當(dāng)灌水量為60% ETc時(shí)，N300與N375處理的棉花產(chǎn)量無顯著差異，N150、N225、N300、N375處理分別較N0處理增產(chǎn)9.84%、22.06%、33.44%、32.36%；當(dāng)灌水量為80%ETc和100% ETc時(shí)，N375處理棉花產(chǎn)量較N300處理分別顯著降低13.97%、14.87%，各施氮處理分別較N0處理增產(chǎn)12.66%～55.79%、8.90%～41.64%。

表9 棉花產(chǎn)量及構(gòu)成因子Table 9 Cotton yield and its components

2.4 不同水氮處理對棉花水、氮利用率的影響

由圖1可知，不同灌水量與施氮量及其二者的交互作用對棉花氮肥利用率與灌溉水分利用率均有顯著（P< 0.05）影響。在相同灌水條件下，施氮能顯著增加棉花的水、氮利用率，在N300水平時(shí)達(dá)到最高，但60%ETc+N300處理較80%ETc+N300、100%ETc+N300處理的氮肥利用率分別降低了18.36%、14.64%，水分利用率分別增加了5.14%、36.68%說明過高施氮量不僅對提高氮肥利用率與灌溉水分利用率無積極影響，還會造成氮肥資源的浪費(fèi)。3個(gè)灌水處理之間的氮肥利用率表現(xiàn)為80%ETc>100%ETc>60%ETc，灌溉水分利用率表現(xiàn)為60%ETc>80%ETc>100%ETc。說明灌溉水分利用率隨著灌水量的增加而降低，且灌水虧缺40%會顯著抑制氮肥肥效的發(fā)揮，而灌水虧缺20%則有利于提高棉花的氮肥利用率。

圖1 不同水氮處理對棉花氮肥利用率及灌溉水分利用率的影響Fig. 1 Effects of different water and N rate on water and N use efficiency of cotton

2.5 多目標(biāo)優(yōu)化

以灌水量和施氮量為自變量，產(chǎn)量、氮肥利用率和灌溉水分利用率為因變量，分別建立二元二次回歸方程(表10）。由表10可知，當(dāng)?shù)喂嗔繛?70 mm、施氮量為375 kg/hm2時(shí)，可達(dá)到棉花產(chǎn)量最大值；當(dāng)?shù)喂嗔繛?48 mm、施氮量為291 kg/hm2時(shí)，可達(dá)到氮肥利用率最大值；當(dāng)?shù)喂嗔繛?48 mm、施氮量為375 kg/hm2時(shí)，可達(dá)到灌溉水分利用率最大值。設(shè)定80%ηmax與90%ηmax兩個(gè)優(yōu)化梯度，尋找3項(xiàng)指標(biāo)的重疊區(qū)域。將不同水氮條件下產(chǎn)量、氮肥利用率、灌溉水分利用率各值歸一化，制作具有統(tǒng)一單位的3張三維曲面圖(圖2)，可得到各優(yōu)化目標(biāo)達(dá)到最大值的80%、90%以上時(shí)所對應(yīng)的灌水與施氮區(qū)間。

表10 棉花產(chǎn)量、氮肥利用率、灌溉水利用率與水氮處理的非線性回歸方程及其達(dá)到最高值對應(yīng)的水氮組合Table 10 Nonlinear regression equation of water and N coupling with cotton yield,NUE,and IWUE and the water and N combination corresponding to the maximum value was reached

圖2 水氮互作與各優(yōu)化指標(biāo)間的關(guān)系Fig. 2 Relationship between water and N interaction and optimization indexes

當(dāng)?shù)喂嗔繛?75.76～343.14 mm，施氮量為249.2～342.1 kg/hm2時(shí)，可使產(chǎn)量、氮肥利用率、灌溉水分利用率同時(shí)達(dá)到最大值的80%以上。當(dāng)灌水量為307.65～321.59 mm，施氮量為271.2～325.3 kg/hm2時(shí)，可使產(chǎn)量、氮肥利用率、灌溉水分利用率同時(shí)達(dá)到最大值的90%以上，此時(shí)為研究區(qū)最佳的水氮施用量區(qū)間（表11）。

表11 水氮區(qū)間尋優(yōu)方案Table 11 Optimized scheme of water and N interval

3 討論

水、氮是作物進(jìn)行光合作用合成碳水化合物，積累干物質(zhì)的基本原料[29]。本研究對滴灌棉田干物質(zhì)的積累與分配進(jìn)行了測定，結(jié)果表明，不同水、氮及水氮互作效應(yīng)對棉花各生育期干物質(zhì)積累的影響有所不同。這與王海江等[30]和張燕等[20]的研究結(jié)果一致，施肥處理棉花各生育期干物質(zhì)量不同程度高于不施肥處理，且灌溉量較施氮量對棉花干物質(zhì)積累的影響更加明顯。此外，本研究中的棉花干物質(zhì)量隨著施氮量的增加而增加，適度灌水虧缺(80%ETc)也對棉花干物質(zhì)積累速率有明顯促進(jìn)作用，但當(dāng)施氮量過高(100%ETc+N375)時(shí)對棉鈴干物質(zhì)的積累不利。這與林濤等[31]對南疆機(jī)采棉干物質(zhì)積累與分配的研究結(jié)果相同，不同灌溉量和施氮量會影響棉花干物質(zhì)的積累速率和快速積累量，在灌溉量為3450 m3/hm2，施氮量為 300 kg/hm2條件下，花后干物質(zhì)貢獻(xiàn)率有所提高。石洪亮等[32]研究表明，非充分灌溉條件下 (2800 m3/hm2)增施氮肥 (300 kg/hm2)可使傳統(tǒng)手采棉干物質(zhì)積累最大生長速率、快速積累時(shí)期有所增加，具有補(bǔ)償效果，但與本研究所得結(jié)果(表4)相比仍有所推遲。這說明適宜的灌水量與施氮量有互作正效應(yīng)，可以增加棉花光合產(chǎn)物，并提高棉花干物質(zhì)積累速率，促進(jìn)棉花早熟，有利于機(jī)械采收。

作物對氮素的吸收利用狀況也是直接影響其產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素之一，不同水氮互作方式下作物對氮素的吸收利用情況也有所不同[33–34]。有研究表明，水氮互作效應(yīng)存在閾值，在灌水量和施肥量未達(dá)到閾值之前，增加水氮投入具有明顯的增加作物氮素吸收量及產(chǎn)量的效果，而超過此閾值則無明顯的促進(jìn)作用[14,35]。本研究中，施氮有效增加了棉花氮素吸收速率，60%ETc、80%ETc、100%ETc灌水條件下，施氮處理的最大氮素吸收速率分別較N0處理增加了0.28～2.79、0.19～1.70、0.25～0.75倍。且與傳統(tǒng)手采棉相比，氮素快速積累期持續(xù)的時(shí)間有所延長[36]。但施氮量過高(N 375 kg/hm2)則會造成機(jī)采棉的營養(yǎng)生長過剩，棉株個(gè)體及群體過大，抑制棉花氮素累積，從而使氮肥利用率有所降低。且灌水虧缺20% (80%ETc)也能滿足棉花一定的水分生理需求，促進(jìn)棉花氮素吸收，各器官干物質(zhì)積累分配也較為協(xié)調(diào)。這與鄒欣等[37]報(bào)道的在水氮交互影響下，一定范圍內(nèi)隨著施氮量的增加，氮素積累量也隨之增加，但超過一定值后隨著施氮量的繼續(xù)增加，氮素積累量并未持續(xù)增加的研究結(jié)果一致。此外，嚴(yán)富來等[38]的研究結(jié)果也表明，玉米地上部干物質(zhì)和氮素累積速率均隨施氮量的增加先增加后減小，且在中灌水(0.8 KcET0)水平下的營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量較大。這可能是由于施用氮肥對一定的水分虧缺造成的氮素吸收、分配阻礙起到了一定的緩解作用，但氮肥施用量過高會對營養(yǎng)器官氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)產(chǎn)生抑制作用，進(jìn)而造成減產(chǎn)[39]。

提高作物的水氮利用效率和產(chǎn)量，有利于農(nóng)業(yè)資源的合理利用[40]。有研究結(jié)果表明，水氮存在明顯的互作效應(yīng)，有利于促進(jìn)棉花營養(yǎng)生長和生殖生長，發(fā)揮植株個(gè)體優(yōu)勢，增加單株結(jié)鈴數(shù)與單鈴重，是實(shí)現(xiàn)棉花增產(chǎn)的有效途徑。本研究中，80%ETc+N300處理的單株結(jié)鈴數(shù)及單鈴重均高于其他處理，說明不同水氮施用量會影響機(jī)采棉的產(chǎn)量構(gòu)成因子，進(jìn)而影響最終產(chǎn)量[41]。一定范圍內(nèi)增加灌溉水量會使氮肥利用率增加，但過量灌水會導(dǎo)致氮肥利用率下降，水分利用效率也不能達(dá)到較高水平，同時(shí)會造成作物減產(chǎn)[42–43]。本試驗(yàn)中，灌水與施肥及二者的交互效應(yīng)對棉花產(chǎn)量、水氮利用率的影響顯著，灌溉水分利用率隨著灌水量的增加而降低，且灌水虧缺40%會顯著抑制氮肥肥效的發(fā)揮，而灌水虧缺20%則有利于提高棉花的氮肥利用率。這與楊黎等[44]和Mohamed 等[45]的研究結(jié)果相一致，水分利用率與灌水量呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且隨著施氮量的提高，作物的產(chǎn)量和氮素利用率變化趨勢為先增加后降低。但多數(shù)研究所得的單一的水氮施用組合無法滿足各優(yōu)化目標(biāo)同時(shí)達(dá)到最大值。本研究綜合考慮產(chǎn)量和水氮利用率3個(gè)評價(jià)指標(biāo)，得到滴灌量為307.65～321.59 mm、施氮量為 271.20～325.33 kg/hm2時(shí)，棉花產(chǎn)量、氮肥利用率及灌溉水分利用率能同時(shí)達(dá)到最大值的90%以上，是最有利于在北疆滴灌機(jī)采棉種植生產(chǎn)中推廣的水氮施用區(qū)間 (表11)。這與前人推薦的灌水量與施氮量相差不大[46–47]，可為建立和完善與北疆滴灌機(jī)采棉生產(chǎn)相匹配的水氮管理措施提供一定理論依據(jù)。但本研究只為一年試驗(yàn)結(jié)果，還需在后續(xù)研究進(jìn)一步驗(yàn)證，進(jìn)而獲得最佳的滴灌與施氮策略。

4 結(jié)論

灌水量和氮肥用量對棉花生長、氮素吸收速率及產(chǎn)量有顯著的交互作用?？偟膩碇v，滴灌量為80% ETc (330 mm)時(shí)，可滿足棉花的水分需求，施用N 300 kg/hm2有利于促進(jìn)棉花各器官干物質(zhì)和氮素積累，氮素吸收速率與分配比例最為合理，適宜機(jī)械采收模式，單株結(jié)鈴數(shù)及單鈴重也優(yōu)于其他施氮處理。綜合考慮產(chǎn)量和水、氮利用率3個(gè)評價(jià)指標(biāo)及機(jī)采棉的適應(yīng)性狀，80%ETc+N300處理為本研究區(qū)機(jī)采棉最適宜的水氮組合模式。