不同施氮量對秸稈還田條件下棉麥輪作生產(chǎn)的影響

閆振華 趙樹琪 張華崇 黃曉莉 戴寶生 張欣 李蔚 童瑞金

摘要：為了研究長江流域棉區(qū)棉（Gossypium spp.）麥（Triticum aestivum L.）輪作兩熟種植模式下如何降低氮肥投入而提高棉田的綜合效益，試驗設置了5個氮肥用量處理，分別為低氮（N1，50% N3）、少氮（N2，75% N3）、中氮（N3，棉花季和小麥單季純氮用量分別為180.0、150.0 kg/hm2）、高氮（N4，125% N3）、富氮（N5，150% N），分析了不同施氮量對小麥和棉花的生育進程、農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量性狀及棉花纖維品質(zhì)的影響，并對不同處理間的經(jīng)濟效益、土地利用率和生產(chǎn)效率進行了分析。結(jié)果表明，棉麥輪作總的生產(chǎn)周期在344 d左右，在長江流域棉區(qū)發(fā)展棉麥輪作是可行的；不同施氮量間小麥的有效穗、穗粒數(shù)、產(chǎn)量隨著施氮量的增加先增加后減少，綜合2年的試驗結(jié)果，當?shù)仕綖楦叩?87.5 kg/hm2）時，小麥產(chǎn)量最高；不同施氮量間棉花株高、單株結(jié)鈴數(shù)、子棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量差異顯著，當?shù)仕綖楦叩?25.0 kg/hm2）時，子棉產(chǎn)量最高；棉麥周年生產(chǎn)中總產(chǎn)出、生產(chǎn)效率、凈利潤、收益率和產(chǎn)投比隨施氮量的增加呈先增后減的趨勢，當施肥量為高氮時值最大，總生產(chǎn)周期和土壤利用率隨施氮量的增加而增加。

關(guān)鍵詞：氮肥；棉花（Gossypium spp.）；小麥（Triticum aestivum L.）；輪作；生產(chǎn)效益；秸稈還田

中圖分類號：S511；S562；S318 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2023）11-0011-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.11.003 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effect of different nitrogen application rates on cotton-wheat rotation production under straw returning conditions

YAN Zhen-hua， ZHAO Shu-qi， ZHANG Hua-chong， HUANG Xiao-li，

DAI Bao-sheng， ZHANG Xin， LI Wei， TONG Rui-jin

（Huanggang Academy of Agricultural Sciences， Huanggang ?438000， Hubei， China）

Abstract： In order to study how to reduce nitrogen fertilizer input and improve the comprehensive benefits of cotton fields under the dual cropping system of cotton （Gossypium spp.） and wheat （Triticum aestivum L.） rotation in the cotton region of the Yangtze River Basin， five nitrogen fertilizer dosage treatments were set up in the experiment， which were low nitrogen （N1，50% of N3）， relative low nitrogen（N2，75% of N3）， medium nitrogen（N3， pure nitrogen in the cotton season and wheat season were 180.0 and 150.0 kg/hm2， respectively）， high nitrogen（N4， 125% of N3） and rich nitrogen （N5， 150% of N3）. The effects of different nitrogen fertilizer application rates on the growth process， agronomic traits and yield traits of wheat and cotton and cotton fiber quality were analyzed， and the economic benefits， land use efficiency and production efficiency of different treatments were analyzed. The results showed that the total production cycle of cotton-wheat rotation was about 344 days， and it was feasible to develop cotton wheat rotation in the cotton region of the Yangtze River Basin. The effective number of ears， grains per ear and yield of wheat among different nitrogen fertilizer application rates first increased and then decreased with the increase of nitrogen fertilizer application rate. Based on two years of experimental results， when the nitrogen fertilizer application rate was high （N of 187.5 kg/hm2）， the yield of wheat was highest. There were significant differences in cotton plant height， number of bolls per plant， seed cotton yield， and lint yield among different nitrogen fertilizer application amounts. When the nitrogen fertilizer application amount was high nitrogen （225.0 kg/hm2）， the seed cotton yield was the highest. In the annual production of cotton and wheat， the total output， production efficiency， net profit， return rate and input-output ratio showed a trend of first increasing and then decreasing with the increase of nitrogen fertilizer application， and the maximum value was reached when the fertilizer application level was high nitrogen（N4）. The total production cycle and soil utilization rate increased with the increase of nitrogen fertilizer application amount.

Key words： nitrogen fertilizer； cotton（Gossypium spp.）； wheat（Triticum aestivum L.）； rotation； production efficiency； straw returning

中國人口眾多，但可利用的耕地資源有限，隨著日益尖銳的國內(nèi)外糧食供需矛盾，糧食安全變得更加重要，糧棉爭地矛盾也隨之出現(xiàn)［1，2］。緩解糧棉爭地矛盾、穩(wěn)定棉花（Gossypium spp.）面積同時增加糧食產(chǎn)量的有效途徑是發(fā)展棉麥兩熟栽培［3］。中國長江流域棉區(qū)傳統(tǒng)的種植制度主要以小麥（Triticum aestivum L.）田套作棉花或麥后移栽棉花為主，這兩種種植模式明顯提高了土地利用效率和生產(chǎn)效率。但是這兩種種植模式均存在著諸多缺點，首先，棉花套種或者移栽費時費工，勞動強度大［4-6］；其次，棉花生產(chǎn)周期長（200 d以上），吐絮收花時間長，采收不集中；再次，氮肥施用量較高，一般純氮用量超300 kg/hm2，施肥次數(shù)3～4次；最后，難以開展機械化生產(chǎn)，植棉效益不高。由此可知，傳統(tǒng)棉田兩熟制已無法適應現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求。黃岡市農(nóng)業(yè)科學院對傳統(tǒng)種植模式進行了優(yōu)化，集成了早熟優(yōu)質(zhì)品種、棉麥輪作雙直播、增密減氮、簡化施肥、機械收獲等技術(shù)，發(fā)展和創(chuàng)新了適合本區(qū)域的棉麥輪作兩熟種植新模式［6］。

氮素是作物生長過程中必不可少的元素，能提高作物的單產(chǎn)及改善品質(zhì)［7］。王海洋等［4］的研究發(fā)現(xiàn)，不同施氮量對短季棉的生長發(fā)育、子棉產(chǎn)量等影響較大。合理施用氮肥能夠促進小麥的生長發(fā)育，但氮肥施用過量則會降低冬小麥的產(chǎn)量、品質(zhì)及氮素利用率，甚至會造成環(huán)境污染［7-11］。王志勇等［12］指出，中國棉花施肥量特別是化肥用量不斷增加，氮肥不合理施用及過量施用現(xiàn)象突出，造成棉田養(yǎng)分不平衡，并影響棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)，甚至會導致地下水硝酸鹽超標、水體富營養(yǎng)化等一系列問題。

研究棉麥輪作兩熟種植模式下如何降低氮肥投入，避免作物貪青晚熟和協(xié)調(diào)兩季作物的茬口期，提高棉田的綜合效益十分有必要。因此，本研究于2020—2022年開展了3季棉麥連作兩熟種植模式下適宜施氮量試驗，以期為發(fā)展和創(chuàng)新該區(qū)域的棉麥輪作兩熟種植模式提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 基本情況

試驗于2020年10月至2022年5月在黃岡市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園開展。供試小麥品種為襄麥25（由襄陽市農(nóng)業(yè)科學院提供），棉花品種為晶華棉116。試驗地耕作方式為直播小麥和棉花，秸稈采用旋耕還田方式，土壤類型為壤土，其有機質(zhì)含量為11.2 g/kg，堿解氮含量為91 mg/kg，速效磷含量為9.9 mg/kg，速效鉀含量為231.0 mg/kg。試驗田間管理及病蟲害的防治均按一般大田常規(guī)管理。

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區(qū)組排列，3次重復。小區(qū)長度為10 m，寬度為3.04 m，面積為30.4 m2，南北向種植。小麥播種量為150 kg/hm2，每個小區(qū)播11行，行距為27.6 cm；棉花種植密度為67 500株/hm2，每個小區(qū)播4行，行距0.76 m，株距0.19 m。

試驗設置5個氮肥用量，N1：低氮，50% N3；N2：少氮，75% N3；N3：中氮；N4：高氮，125% N3；N5：富氮，150% N3。棉花季N3氮肥用量（純氮用量）設定為180.0 kg/hm2，小麥單季N3氮肥用量設定為150.0 kg/hm2。按N∶P2O5∶K2O=1.0∶0.3∶1.0，配合施用磷、鉀肥，棉花季所有肥料采用見花期一次施用，小麥季全部肥料作底肥一次施用。

1.3 數(shù)據(jù)調(diào)查

1.3.1 小麥農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀 在小麥的整個生育期，適時記載小麥的播種、出苗、抽穗和成熟的時間；在立春前后調(diào)查小麥的最高苗，在小麥成熟前調(diào)查有效穗數(shù)；成熟收獲前在田塊中間取50穗考種，計算穗粒數(shù)、千粒重等；按小區(qū)收獲脫粒計算單位面積產(chǎn)量。

1.3.2 棉花農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量性狀和品質(zhì)性狀 在棉花的整個生育期，適時記載其出苗、現(xiàn)蕾、開花及吐絮的時間；9月15日每個處理選取中間20株棉花，調(diào)查株高、單株果枝數(shù)、單株成鈴數(shù)等性狀；10月30日前按小區(qū)收獲吐絮鈴，曬干至含水量低于12%后稱重，累計實收產(chǎn)量；取正常吐絮棉鈴50個，考察鈴重、衣分，取20 g皮棉測定纖維品質(zhì)5項指標（由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部國家棉花纖維檢測中心進行）。

1.3.3 經(jīng)濟效益統(tǒng)計分析 采用土地利用效率、生產(chǎn)效率和效益來評估棉麥周年生產(chǎn)中的效益。土地利用效率為耕作時間與全年時間的比值；生產(chǎn)效率是通過將種植系統(tǒng)的總產(chǎn)量除以一年的總天數(shù)來確定的；效益采用凈收益除以耕作時間得到。土地利用效率、生產(chǎn)效率、效益的計算式如下。

土地利用率=[D1+D2365×100%] ? ? （1）

生產(chǎn)效率=[Y1+Y2D1+D2] ? ? ? （2）

收益率=[凈收益耕作時間] ? ? ? ? ?（3）

式中，D1和D2為分別小麥和棉花耕作季的總天數(shù)；Y1和Y2分別為小麥和棉花的產(chǎn)量。

經(jīng)濟效益依據(jù)Mukher-Jee公式來計算，作物價格按照黃岡市當?shù)厥召弮r格，生產(chǎn)系統(tǒng)中成本核算依據(jù)見表1。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用WPS Office軟件進行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析，差異顯著性采用鄧肯多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對小麥和棉花生育進程及農(nóng)藝性狀的影響

不同施氮量對小麥生育進程和農(nóng)藝性狀的影響如表2所示。結(jié)果顯示，2020—2021年不同施氮量對小麥出苗時間、抽穗時間、成熟時間、生育期及株高影響不顯著；低氮（N1）處理與高氮（N4）和富氮（N5）處理的最高苗存在極顯著差異（P<0.01）；處理間分蘗率差異顯著（P<0.05或P<0.01）。2021—2022年不同施氮量對小麥出苗時間和基本苗影響不顯著；低氮（N1）、少氮（N2）與高氮（N4）、富氮（N5）處理間小麥抽穗時間、生育期、最高苗和株高存在顯著差異（P<0.05或P<0.01）；處理間小麥分蘗率差異顯著（P<0.05或P<0.01）；低氮（N1）與其他處理間小麥從抽穗到成熟的時間差異極顯著（P<0.01）；小麥抽穗時間、最高苗、分蘗率和株高隨施氮量的增加而增加。

不同施氮量對棉花生育進程和農(nóng)藝性狀的影響如表3所示。結(jié)果顯示，不同施氮量間棉花的生育進程和單株果枝數(shù)差異不顯著；隨著施氮量的增加，棉花株高呈增加趨勢，低氮（N1）處理與少氮（N2）處理間差異顯著（P<0.05），與中氮（N3）、高氮（N4）、富氮（N5）處理間差異極顯著（P<0.01），少氮（N2）與富氮（N5）處理間差異顯著（P<0.05）；低氮（N1）、少氮（N2）的棉花果枝始節(jié)與中氮（N3）處理間存在顯著差異（P<0.05），與富氮（N5）處理間存在極顯著差異（P<0.01）。隨著施氮量的增加，棉花單株成鈴數(shù)先增加后降低，低氮（N1）與中氮（N3）、高氮（N4）、富氮（N5）處理間差異顯著（P<0.05），少氮（N2）、中氮（N3）與高氮（N4）處理間差異顯著（P<0.05）。

2.2 不同施氮量對小麥和棉花產(chǎn)量性狀的影響

不同施氮量對小麥產(chǎn)量性狀的影響如表4所示。結(jié)果顯示，2020—2021年，隨著施氮量的增加小麥有效穗數(shù)、千粒重、穗粒數(shù)及產(chǎn)量先增加后降低，當?shù)适┯盟綖橹械∟3）時達最大值，且中氮（N3）處理的小麥千粒重和產(chǎn)量與低氮（N1）和富氮（N5）處理間差異顯著（P<0.05或P<0.01）。2021—2022年，不同處理間小麥有效穗數(shù)、千粒重、穗粒數(shù)及產(chǎn)量結(jié)果同樣存在差異，隨著施氮量的增加，其有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量均先增加后降低，當施氮量為高氮（N4）時達最大值，且高氮（N4）處理的有效穗數(shù)、產(chǎn)量與低氮（N1）、少氮（N2）和富氮（N5）處理間差異顯著（P<0.05或P<0.01）；5個施氮處理間，僅低氮（N1）與富氮（N5）處理的小麥千粒重差異顯著（P<0.05）。2年的試驗結(jié)果存在差異，但同時也有共同之處，小麥獲得高產(chǎn)與其產(chǎn)量三要素密切相關(guān)，2年的試驗結(jié)果中均當有效穗和穗粒數(shù)取得高值時產(chǎn)量最高。綜合2年的試驗結(jié)果，當?shù)仕綖楦叩∟4）時，平均田間實際收獲產(chǎn)量最高，為5 161.5 kg/hm2；其次為中氮（N3）時，平均田間實際收獲產(chǎn)量為 ? ? ? ?5 152.5 kg/hm2。

不同施氮量對棉花產(chǎn)量性狀的影響如表5所示。結(jié)果顯示，不同處理間棉花衣分、單鈴重和百粒重差異不顯著。與中氮（N3）處理相比，低氮（N1）、少氮（N2）處理的子棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量減產(chǎn)均不顯著，高氮（N4）、富氮（N5）處理的增產(chǎn)也均不顯著，但是高氮（N4）處理的子棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量與低氮（N1）、少氮（N2）處理間差異均達顯著水平（P<0.05），其子棉產(chǎn)量最高，為4 021.5 kg/hm2，當?shù)仕綖楦坏∟5）時皮棉產(chǎn)量最高，為1 657.5 kg/hm2，顯著高于低氮（N1）、少氮（N2）處理（P<0.05）。

2.3 不同施氮量對棉花纖維品質(zhì)的影響

不同施氮量對棉花纖維品質(zhì)的影響如表6所示。結(jié)果顯示，不同施氮量間棉花上半部纖維長度、纖維強度、馬克隆值和整齊度指數(shù)的變化趨勢不明顯，對伸長率沒有影響；其中當?shù)仕綖橹械∟3）時，纖維品質(zhì)相對較好，上半部纖維長度為30.0 mm，纖維強度為31.0 cN/tex，馬克隆值為4.9。

2.4 不同施氮量生產(chǎn)效益的分析

不同施氮量棉麥周年生產(chǎn)中的經(jīng)濟效益如表7所示。小麥售價以2021年6月和2022年6月黃岡市的市場價為主，單價分別為1.9元/kg和2.9元/kg；子棉售價以2021年11月黃岡市的市場價為主，單價為9.6元/kg。棉麥周年生產(chǎn)中的總投入隨施氮量的增加而增加，總產(chǎn)出、凈利潤和產(chǎn)投比隨施氮量的增加呈先增后減的趨勢，當?shù)仕綖楦叩∟4）時，總產(chǎn)出、凈利潤和產(chǎn)投比最大。

由表8知，棉麥周年生產(chǎn)中總生產(chǎn)周期和土地利用率隨施氮量的增加而增加；總產(chǎn)量、生產(chǎn)效率和收益率則呈先增后減的趨勢，當?shù)綖楦叩∟4）時最大。

3 討論

3.1 長江流域棉區(qū)發(fā)展棉麥輪作的可行性

在長江流域棉區(qū)，麥后棉播種一般在5月下旬，最晚可至6月初，初霜期一般在11月上旬，從出苗到初霜期大約有155 d，麥后棉要獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)其主體鈴必須在初霜期之前吐絮收獲［3，6，13］；而小麥的播種一般在11月上旬完成，因此耕整地、施肥和播種的農(nóng)時相對比較緊張［5］，收獲一般在次年5月中旬左右，生產(chǎn)周期大約有185 d。本研究結(jié)果表明，麥后棉花生產(chǎn)周期在153 d左右，開花、結(jié)鈴及吐絮比較集中，小麥的生產(chǎn)周期在192 d左右，棉麥輪作總的生產(chǎn)周期在344 d左右。因此，在長江流域棉區(qū)發(fā)展棉麥輪作是可行的。但是，在生產(chǎn)上要注意小麥品種與棉花品種的配套，棉花品種需選用高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的早熟棉品種，小麥品種需是春性早熟品種且耐遲播［6］。

3.2 秸稈還田條件下棉麥輪作生產(chǎn)的施氮量

國內(nèi)一些學者研究認為，小麥子粒產(chǎn)量隨施氮量的增加先增加后減少［14-17］，合理施用氮肥可以實現(xiàn)小麥的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)［18，19］。本試驗結(jié)果表明，不同施氮量對小麥的最高苗、分蘗率影響顯著，有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、產(chǎn)量隨施氮量的增加先增加后減少。綜合2年的試驗結(jié)果，當?shù)剩僋）施用量為187.5 kg/hm2時，小麥產(chǎn)量最高，為5 161.5 kg/hm2。

李飛等［11］在研究不同施氮水平下油棉連作模式下棉花氮磷鉀吸收、分配與利用中發(fā)現(xiàn)最佳施氮量為250～270 kg/hm2 ；王海洋等［4］對麥后直播短季棉施氮量研究得出中等肥力土壤條件下施氮水平宜控制在225 kg/hm2 。本試驗結(jié)果表明，當?shù)仕綖楦叩兊昧繛?25.0 kg/hm2）時，子棉產(chǎn)量最高，為4 021.5 kg/hm2，當?shù)仕綖楦坏兊昧繛?70.0 kg/hm2）時，皮棉產(chǎn)量最高，為1 657.5 kg/hm2。

3.3 不同施氮量對秸稈還田條件下棉麥輪作生產(chǎn)效益的影響

國內(nèi)有很多學者開展了小麥與其他不同作物輪作模式下產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的研究［20，21］，而針對棉麥輪作方面的研究還較少。本研究發(fā)現(xiàn)，棉麥周年生產(chǎn)中總產(chǎn)出、凈利潤和產(chǎn)投比隨施氮量的增加呈先增后減的趨勢，總生產(chǎn)周期和土地利用率隨施氮量的增加而增加，總產(chǎn)量、生產(chǎn)效率和收益率則呈先增后減的趨勢，當?shù)綖楦叩兊昧棵藁緸?25.0 kg/hm2，小麥單季為187.5 kg/hm2）時，總產(chǎn)出、凈利潤、產(chǎn)投比、總產(chǎn)量、生產(chǎn)效率和收益率最大。這表明在長江中下游棉區(qū)開展棉麥輪作，合理施用氮肥，可以實現(xiàn)棉花和小麥純收益的提高，進而獲得較高的生產(chǎn)效益，同時能夠?qū)崿F(xiàn)糧食的增產(chǎn)。

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