水氮耦合對(duì)棉田土壤水分時(shí)空分布及產(chǎn)量效應(yīng)的影響

徐彥軍，廉葦佳，劉翔宇，斯拉依丁·司馬義，唐秋菊，艾尼瓦爾·阿不都拉

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院吐魯番農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆吐魯番 838000；2.阿拉山口海關(guān)，新疆阿拉山口 833418)

0 引 言

【研究意義】土壤中水分作為植物可以直接吸收利用的水源更是關(guān)系著植物的一切生理活動(dòng)[1]。不同水氮施用比例對(duì)土壤水分空間結(jié)構(gòu)分布存在著不同影響。水分分布直接關(guān)聯(lián)著棉花對(duì)水分的吸收和利用效率[2]。過(guò)度灌水施肥時(shí)有發(fā)生[3-4]。新疆化肥消耗量由1975年的13.0×104t到2002年的194.0×104t年均增長(zhǎng)量7.0×104t[5]。棉田施氮量顯著高于其他大田作物[6]。水肥施用量相對(duì)較低的組合為棉花生長(zhǎng)發(fā)育提供了更有利的條件，有效的控制水肥施用量，對(duì)棉花水肥管理有重要意義。【前人研究進(jìn)展】汪昌樹等[7]在研究中發(fā)現(xiàn)基于不同灌水下對(duì)棉花生育期內(nèi)的生長(zhǎng)有顯著影響在灌溉量達(dá)到5 172.4 m3/hm2，可獲得最高的水鹽利用率。王海江等[8]研究發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)水氮組合為灌水4 800.0 m3/hm2、施氮肥300.0 kg/hm2。在這個(gè)組合下,棉花干物質(zhì)積累、水分利用效率和產(chǎn)量均達(dá)到最大。何懷杰等[9]在研究中發(fā)現(xiàn)，棉花在滴灌施氮條件下，棉花各項(xiàng)生理指標(biāo)隨施肥量的增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，在灌溉量5 250.0 m3/hm2、施氮量500.0 kg/hm2時(shí)棉花產(chǎn)量達(dá)到最大值5 433.4 kg/hm2，百鈴質(zhì)量432.2 g，平均單株鈴數(shù)9.2個(gè)。【本研究切入點(diǎn)】前人研究大多基于灌溉量或施肥量等單因素對(duì)作物生長(zhǎng)的影響[10-12]，而對(duì)水氮耦合效應(yīng)的探究多集中在對(duì)棉田水分運(yùn)移的影響[13-14]，而水氮耦合效應(yīng)對(duì)棉田水鹽消耗情況鮮有報(bào)道。在不同時(shí)期干物質(zhì)積累量和最終棉花產(chǎn)量多方面的聯(lián)合研究始終存在空缺?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】研究不同水氮施用比例對(duì)棉田不同地區(qū)水分時(shí)空分布的影響，分析棉花不同時(shí)期生物量及最終棉花產(chǎn)量變化，總結(jié)出棉花不同生育期水氮施用的合適施用量，以提高棉花有效產(chǎn)量。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以灌溉量為主區(qū)，設(shè)2 250.0 m3/hm2(低灌溉量)、3 450.0 m3/hm2(常規(guī)灌溉量)和4 650.0 m3/hm2(高灌溉量)，3個(gè)灌溉量(以W1、W2和W3)。設(shè)0 kg/hm2(空白)、300.0 kg/hm2(常規(guī)施肥量)和600.0 kg/hm2(高施氮量)，3個(gè)純氮投入量(N1、N2和N3)重復(fù)3次，共27個(gè)小區(qū)。整個(gè)生育期灌水10次，灌水時(shí)施肥。(6月20日開(kāi)始灌頭水，8月22日最后1次灌水)。小區(qū)總面積1 345.5 m2。采用1膜2管6行，行距采用寬行66.0 cm，窄行10.0 cm，株間距10.0 cm的種植方式。表1

表1 水氮施用配比組合Table 1 Combination Table of Water and Nitrogen Application Ratio

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)

1.2.2.1 土壤水分鹽分

于第1次灌水前1 d和灌水后1 d為1組間隔7 d采用時(shí)域反射儀(Time Domain Reflectometry,簡(jiǎn)稱TDR,TRIME-PICO 64,IMKO,Germany)金屬探針測(cè)定土壤電常數(shù)換算成土壤體積含水量，寬行水平測(cè)定位點(diǎn)距滴5.0 cm，窄行水平測(cè)定位點(diǎn)位于窄行中間。各點(diǎn)每10.0 cm為一層，每層測(cè)定3次，測(cè)深80.0 cm，采用寬行和窄行數(shù)據(jù)均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖1

圖1 土壤水分鹽分測(cè)定示意Fig.1 Schematic diagram of soil moisture and salt fraction determination

1.2.2.2 干物質(zhì)含量

自5月20日開(kāi)始取樣，測(cè)定干物質(zhì)含量，后每間隔30 d測(cè)定1次干物質(zhì)。分別取邊行3.0株和中行3.0株，整株棉花分別分離根、莖、棉桃3個(gè)組份進(jìn)行干物質(zhì)測(cè)定，求出總干物質(zhì)量，求取平均值。分別將采集的不同植物組織部分放入烘箱，105.0℃烘干至恒重稱重[15]，測(cè)定干物質(zhì)。

1.2.2.3 產(chǎn)量

吐絮期分別測(cè)定個(gè)處理棉鈴數(shù)及株數(shù)，在每小區(qū)長(zhǎng)勢(shì)均勻且連續(xù)的棉花處選取150.0個(gè)棉鈴稱重、計(jì)算鈴重，風(fēng)干后軋花，用電子天平測(cè)定皮棉質(zhì)量，計(jì)算衣分率，折算產(chǎn)量。

1.2.2.4 鹽分余量P值

不同水氮施用處理對(duì)土壤水分時(shí)空分布的影響分析：對(duì)采取的土壤水分及鹽分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分類，以每1次澆水后測(cè)定數(shù)值和下1次澆水前測(cè)定數(shù)值為1組，測(cè)定固定時(shí)間內(nèi)，土壤中鹽分余量P值，土壤中鹽分的消耗情況I值[16]；土壤中水分余量D值，土壤中水分消耗情況Y值。

P=下一次氮前測(cè)定值/前一次氮后測(cè)定值。

(1)

I=1-P.

(2)

D=下1次施水前測(cè)定值/前1次施水后測(cè)定值。

(3)

Y=1-D.

(4)

而I值和Y值可以間接的表達(dá)棉花植株對(duì)土壤中不同層次的鹽分及水分吸收利用情況。

1.2.2.5 各階段干物質(zhì)及最終產(chǎn)量

將采集的各階段干物質(zhì)數(shù)據(jù)及最終產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，而后將分類好的數(shù)據(jù)按組打包導(dǎo)入DPS Version 7.05(Data Processing System Software, Inc.CHN)進(jìn)行最小顯著差異LSD法進(jìn)行顯著性測(cè)驗(yàn)[17-18]，不同字母表示為二者間的差異顯著(P<0.05)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用DPS Version 7.05(Data Processing System Software, Inc.CHN)和Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉田土壤鹽分時(shí)空分布變化

研究表明，不同時(shí)期不同水氮施用處理情況下I值存在著不同變化，在棉花生長(zhǎng)全生育期內(nèi)各個(gè)不同時(shí)期都有著隨著水氮施用量的不斷增加，I值漸漸上升，但在到達(dá)W3N2水氮施用量后就會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的規(guī)律，過(guò)高的水肥施用量并不能有助于棉花植株吸收鹽分。其中6月27日不同處理下土壤中鹽分的消耗量并無(wú)差異，8月1日不同處理下土壤中鹽分的消耗量最大。在8月1日這一時(shí)間段W3N2水氮施用組合下對(duì)土壤中鹽分的消耗量達(dá)到了最大值10.4%。相較W1N1處理鹽分消耗量高出64.2%，與其他處理組相比較在各個(gè)不同的時(shí)期都有著一定的優(yōu)異性，7月18日、7月25日、8月8日幾個(gè)時(shí)間段W3N2水氮施用組合下土壤鹽分消耗情況皆顯著高出其他處理組。分別高出W1N1處理組65.0%、85.4%和67.1%。間接的反映出棉花植株在這一時(shí)期對(duì)鹽分的吸收量達(dá)到峰值，W3N2水氮施用組合最有利于棉花植株對(duì)土壤中無(wú)機(jī)鹽的吸收利用。圖2

圖2 不同時(shí)間段不同處理下土壤鹽分I值均值比較Fig.2 Comparison of mean values of soil salinity I under different treatments in different time periods

2.2 棉田土壤水分時(shí)空分布變化

研究表明，不同時(shí)期不同水氮施用處理情況下Y值存在著不同變化，在棉花生長(zhǎng)全生育期內(nèi)各個(gè)不同時(shí)期都有著隨著水氮施用量的不斷增加，Y值漸漸上升，但在到達(dá)W3N2水氮施用量后就會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的規(guī)律，過(guò)高的水肥施用量并不能有助于棉花植株吸收水分。其中6月27日之間不同處理下土壤中水分的消耗量差異性相對(duì)較少，8月1日間不同處理下土壤中水分的消耗量的差異性最大。在8月1日這一時(shí)間段W3N2水氮施用組合下對(duì)土壤中鹽分的消耗量達(dá)到了最大值11.7%，相較W1N1處理水分消耗量高出92.4%，與其他處理組相比較在各個(gè)不同的時(shí)期都有著顯著的提高，7月18日、7月25日、8月8日幾個(gè)時(shí)間段W3N2水氮施用組合下土壤鹽分消耗情況分別比W1N1處理顯著高64.8%、88.2%和68.3%。8月1日這一時(shí)期棉花植株對(duì)水分的吸收利用率達(dá)到了最大。

土壤中鹽分及水分在不同時(shí)期的消耗量情況不同，W3N2水氮施用組合下棉花植株對(duì)土壤中水分及鹽分的吸收利用效率有著顯著提升，并且棉花植株對(duì)水分和鹽分的吸收利用率存在著一定的相似性。圖3

圖3 不同時(shí)間段不同處理下土壤鹽分Y值均值比較Fig.3 Comparison of mean values of soil salinity Y under different treatments in different time periods

2.3 不同水氮施用處理對(duì)棉花生長(zhǎng)各個(gè)階段干物質(zhì)的影響

研究表明，在不同時(shí)期的不同處理?xiàng)l件下干物質(zhì)總量間存在著不同的變化，不同處理棉花干物質(zhì)積累特征值，表現(xiàn)為隨生育時(shí)期推進(jìn)不斷呈“慢-快-慢”的趨勢(shì)，擬合系數(shù)均大于0.99。

花期(6月20日)，鈴期(7月20日)及吐絮期(8月20日)各不同處理間存在著顯著差異性關(guān)系，而苗期(5月20日)各不同處理同干物質(zhì)之間并不存在顯著性差異，不同水氮施用量對(duì)棉花各個(gè)不同生育時(shí)期都有著不同的影響。在花期W3N2水氮施用組合下棉花植株干物質(zhì)積累量最多，在該時(shí)期W3N2水氮施用組合下棉花植株總干物質(zhì)積累量達(dá)到42.8 g，相較于W1N1處理水平下高出39.0%。但是在花期W3N2、W2N2、W2N3、W3N3等4個(gè)水氮施用組合下棉花對(duì)干物質(zhì)的積累量與W3N2，并無(wú)顯著性差異。

鈴期，W2N2水氮施用組合干物質(zhì)積累量顯著高于其他處理。該水氮施用組合下棉花平均總干物質(zhì)積累量達(dá)到了90.9 g，相較于W1N1水氮施用組合下平均干物質(zhì)積累量增加了38.0%。吐絮期，W3N2水氮施用組合下棉花植株干物質(zhì)積累量最多，在該時(shí)期W3N2水氮施用組合下棉花植株總干物質(zhì)積累量達(dá)到143.5 g，相較于W1N1處理水平下高出40.0%?；ㄆ?、鈴期、吐絮期隨著水氮施用量的逐漸升高棉花的干物質(zhì)積累量也逐漸增加，在W3N2處理下花期和吐絮期干物質(zhì)積累量達(dá)到峰值，隨后逐漸呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。相比較于W1N1處理W3N2處理下干物質(zhì)積累量有著顯著提高。表2

表2 不同處理棉花干物質(zhì)積累的Logistic函數(shù)生長(zhǎng)模型及相關(guān)參數(shù)Table 2 Logistic function growth model and related parameters of cottons bioaccumulation under different treatments

各處理間干物質(zhì)積累總量差異主要表現(xiàn)在開(kāi)花期至吐絮期，而苗期至開(kāi)花期各處理間差異較小。吐絮期時(shí)，在灌溉量一定的條件下，各灌溉量下棉花干物質(zhì)積累總量均隨施肥量的增加呈N2>N3>N1的特點(diǎn)，其中N2處理分別比N1處理高41.5%、53.0%和28.0%。在施肥量一定的條件下，各施肥量下棉花干物質(zhì)積累總量均隨灌溉量的增加而增加，W3處理分別較最低的W1處理高56.7%、41.8%和71.6%。施肥量過(guò)高會(huì)在一定程度上抑制干物質(zhì)積累，而增加灌溉量可提高植株對(duì)氮素的吸收利用，干物質(zhì)積累總量隨之增加。圖2

圖4 各生育時(shí)期不同處理棉花干物質(zhì)積累總量Fig.4 Cotton bioaccumulation in different growth stages under different treatments

2.4 不同水氮施用處理對(duì)棉花產(chǎn)量的影響

研究表明，W3N3水氮施用比例為相較于其他組合產(chǎn)量有著顯著提高，該處理下平均單株結(jié)鈴數(shù)可達(dá)到6.2個(gè)，與W1N1處理組相比產(chǎn)量提高了30.0%，有著顯著提高，但是W3N3、W3N2、W2N33組水氮施用組合之間不存在顯著性差異。該處理水平下的單鈴重達(dá)到了5.4 g，與W1N1處理組相比產(chǎn)量提高了32.5%，在W3N3、W3N2、W2N33組水氮施用組合之間不存在顯著性差異。籽棉產(chǎn)量這一指標(biāo)同樣是在W3N3處理水平下達(dá)到最高值，與W3N2處理無(wú)顯著差異。中單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、籽棉產(chǎn)量3項(xiàng)指標(biāo)存在高度一致性，W3N3處理組情況下單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、籽棉產(chǎn)量，3項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到峰值。比較W3N2和W3N32個(gè)處理組情況下單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、籽棉產(chǎn)量3項(xiàng)產(chǎn)量指標(biāo)并不存在顯著性差異，但是W3N2處理水平下氮肥施用量更低，因此，W3N2處理水平下的水氮施用量在保證棉花高產(chǎn)的前提下更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保。灌溉量對(duì)單株成鈴和單鈴質(zhì)量有顯著影響，對(duì)產(chǎn)量有極顯著影響；施肥量對(duì)單株成鈴有顯著影響，對(duì)產(chǎn)量有極顯著影響；二者交互作用對(duì)單鈴質(zhì)量及產(chǎn)量有顯著影響。表3

表3 不同處理下產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素變化Table 3 yield and yield components under different treatments

3 討 論

3.1 水氮耦合對(duì)棉田水鹽運(yùn)移的影響

不同水氮施用量情況下棉田土壤水分及鹽分構(gòu)象存在不同的變化，不同的土壤水鹽構(gòu)象影響著棉花植株的生長(zhǎng)，李冬冬等[19]在研究中表明，適當(dāng)?shù)耐寥利}分含量有利于降低棉花生育期耗水量，在不影響棉花干物質(zhì)積累的閾值內(nèi)，有利于提高棉田的水分利用效率，在額定灌水量4 500.0 m3/hm2，施肥量456.4 kg3/hm2時(shí)，棉花對(duì)鹽分及水分的吸收量達(dá)到最大值。試驗(yàn)結(jié)果表明，W3N2水氮施用組合下棉花植株對(duì)土壤中水分及鹽分的吸收利用效率有著顯著提升，試驗(yàn)中W3N2水氮施用組合的灌溉量為4 650.0 m3/hm2，施氮量為300.0 kg/hm2。比較灌溉量與前人研究略有升高，施肥量相比于前人發(fā)現(xiàn)的最適施用量422.6 kg3/hm2，試驗(yàn)研究結(jié)論中300.0 kg/hm2的施氮量有著顯著減少。相較于前人在棉田土壤水鹽運(yùn)移[20]和田間最適灌溉量，肥量的研究[21]，試驗(yàn)更加注重水氮耦合效應(yīng)對(duì)土壤水分和鹽分的實(shí)時(shí)變化情況及棉花植株對(duì)土壤中鹽分和水分的吸收情況。水氮耦合效應(yīng)的研究能夠更加準(zhǔn)確的把握在大田管理中，對(duì)水和肥的合理施用。

3.2 水氮耦合對(duì)棉花干物質(zhì)積累的影響

雷詠雯等[22]在研究中發(fā)現(xiàn)，棉花干物質(zhì)的積累量隨著水氮施用量的增加而增加，但是當(dāng)灌溉量達(dá)到5 125.3 m3/hm2、施氮量達(dá)到305.5 kg/hm2時(shí)，棉花植株干物質(zhì)的積累量不再增加。試驗(yàn)中水氮施用量與棉花植株的干物質(zhì)積累量之間也存在相似的關(guān)系，試驗(yàn)中W3N2處理下棉花的干物質(zhì)積累量達(dá)到峰值，試驗(yàn)中W3N2水氮施用組合的灌溉量為4 650.0 m3/hm2，施氮量為300.0 kg/hm2。施氮量與前人研究達(dá)到一致，但適于干物質(zhì)積累的灌溉量相比于前人研究中發(fā)現(xiàn)的5 125.3 m3/hm2，試驗(yàn)中的灌溉量4 650.0 m3/hm2有著顯著降低。比較前人在水氮耦合對(duì)棉花干物質(zhì)積累方面的研究[23-24]，試驗(yàn)更加注重棉花各個(gè)時(shí)期干物質(zhì)積累量之間存在的統(tǒng)一關(guān)系。發(fā)現(xiàn)對(duì)棉花生長(zhǎng)和干物質(zhì)積累有利的水氮施用組合。

3.3 水氮耦合對(duì)棉花產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

作物高產(chǎn)基于合理的田間管理及事宜的生長(zhǎng)環(huán)境[10]，在一定的生長(zhǎng)環(huán)境條件下田間管理就顯得格外重要，灌溉量和施肥量的合理把控為作物高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。楊首樂(lè)等[15]在研究中發(fā)現(xiàn)，棉花產(chǎn)量隨著水氮施用量的增加而增加，但灌溉量達(dá)到3 900.0 m3/hm2，施氮量達(dá)到300 kg/hm2棉花產(chǎn)量不再增加，試驗(yàn)中單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、籽棉產(chǎn)量3項(xiàng)指標(biāo)最高的水氮施用組合均是W3N3。W3N3為灌溉量最多，施氮量最多的組合，在試驗(yàn)中，隨著灌溉量和施肥量的增加棉花產(chǎn)量始終處于上升階段，并沒(méi)有出現(xiàn)臨界值。在研究中[21]最佳水氮施用組合需要通過(guò)大量的試驗(yàn)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型去得出最佳預(yù)測(cè)，通過(guò)預(yù)測(cè)結(jié)果設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)計(jì)劃去完成驗(yàn)證。對(duì)于影響棉花高產(chǎn)的水氮施用組合結(jié)果還需要再次開(kāi)展基于試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證試驗(yàn)。

4 結(jié) 論

不同的水氮施用量處理下土壤水分，鹽分的吸收量，棉花植株不同時(shí)期干物質(zhì)的積累量以及最終的產(chǎn)量都有著不同的變化，在W3N2處理下土壤中的鹽分和水分有著相對(duì)較好的吸收量，相較于W1N1處理鹽分消耗量高出64.2%，水分消耗量高出92.4%，有著顯著的提高。6月20日、7月20日、8月20日這個(gè)時(shí)期，水氮施用的最佳組合分別為W3N2、W2N2、W3N2，相較于W1N1處理分別高出39.0%、38.0%和40.0%。W3N3水氮施用組合下棉花植株產(chǎn)量最高，比W1N1處理高30.0%。