施氮水平對油菜收獲后直播棉花光合特性和產(chǎn)量的影響

摘要 為探討長江流域棉區(qū)基于“增產(chǎn)不增投”理念的油菜收獲后直播棉花合理施氮量，選用早熟棉品種華棉3097，于2022?2023 年開展大田試驗(yàn)，考查施氮180（N180）、210（N210）、240（N240）、270（N270）、300（N300）、330（N330） kg/hm2 棉花生長發(fā)育、光合特性和產(chǎn)量表現(xiàn)。結(jié)果顯示：N270 和N300棉花產(chǎn)量相當(dāng)，但高于N180和N330。N270水平下2 a 平均籽棉產(chǎn)量比N180和N330分別提高7.0% 和5.4%，該施氮量的單位面積鈴數(shù)比N180和N330分別高24.9% 和21.6%，各施氮水平間株高、果枝數(shù)、果枝起始高度、綠葉數(shù)和節(jié)位數(shù)表現(xiàn)類似。棉花冠層透光率隨生育進(jìn)程降低，隨施氮量增加而降低，冠層高度30～50 cm 和棉行20 cm 內(nèi)，N270 比N330 高23.9%，比N180 低10.0%，與N300相當(dāng)。N270（N300）凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度高于N180和N330；N270胞間CO2濃度低于N180和N330。可見，油菜收獲后直播棉花施氮270 kg/hm2有利于棉花生長發(fā)育，可以增加單位面積鈴數(shù)，改善冠層透光狀況，提高光合性能，從而獲得較高產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞 直播棉花； 施氮水平； 冠層透光率； 光合特性； 產(chǎn)量；“ 增產(chǎn)不增投”

中圖分類號 S562 ； S143.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1000-2421（2024）06-0201-09

針對湖北省棉花生產(chǎn)勞動力密集、管理工序繁多、生產(chǎn)成本高的問題，前人通過改育苗移栽為小麥（油菜）收獲后直播，配合高密、低氮、秸稈還田、閾值管理等栽培措施，在維持棉花產(chǎn)量相當(dāng)?shù)那疤嵯?，降低了生產(chǎn)投入，提高了植棉效益［1-2］，實(shí)現(xiàn)了“減投不減產(chǎn)”的高效生產(chǎn)，因而在大面積生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。然而，降低棉花生產(chǎn)成本不是我們的目標(biāo)，而提高棉花產(chǎn)量以滿足人們對棉花產(chǎn)品的需求［3-4］、實(shí)現(xiàn)“增產(chǎn)不增投”的棉花高效生產(chǎn)才是我們努力的方向。為此，我們有必要探討小麥（油菜）收獲后直播棉花高產(chǎn)栽培技術(shù)。

長期以來，棉花產(chǎn)量的提高依賴于化學(xué)肥料的大量投入［5］，但氮肥施用顯著影響棉花的農(nóng)藝性狀［6-8］。唐江華等［5］、馬云珍等［6］和劉成敏［9］都認(rèn)為，在一定范圍內(nèi)，增加施氮量可增加棉花株高和莖粗，促進(jìn)棉花生產(chǎn)發(fā)育，提高棉花產(chǎn)量。秦鴻德等［8］和王燕等［7］也發(fā)現(xiàn)，隨施氮量（在設(shè)置范圍內(nèi)）增加，棉花果枝數(shù)、果枝長度和單位面積鈴數(shù)增加，棉花產(chǎn)量得以提高。也有學(xué)者認(rèn)為施氮量會影響棉花群體對光能的有效利用，適當(dāng)增加施氮量可以增加冠層有效光截獲量，有利于群體的光能利用，從而獲得更高產(chǎn)量［10-11］。但是，在長江流域麥（油）后直播、增加種植密度條件下，適當(dāng)減少氮肥用量，且集中在開花期施用也可獲得較高棉花產(chǎn)量［12］，因?yàn)槊藁▽Φ实奈崭叻寮性陂_花后20 d 內(nèi)［13］。本研究設(shè)置不同氮肥用量水平，采用以見花當(dāng)日為重點(diǎn)的多次施肥方法，以期探討獲得油菜收獲后直播棉花最高產(chǎn)量的適宜氮肥用量。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2022 年和2023 年在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場（30°46′N，114°36′E，海拔23 m）進(jìn)行，前茬作物為冬油菜，油菜收獲后秸稈還田。供試土壤為黃棕壤土，耕層（0～20 cm）土壤含堿解氮74.0 mg/kg、速效磷12.7 mg/kg、速效鉀136.0 mg/kg。棉花生長期間，日平均氣溫分別為27.4 ℃（2022 年）和27.7 ℃（2023 年），總降水量分別為169.9 mm（2022 年）和267.4 mm（2023 年）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，6 個施氮水平（kg/hm2）分別為180（N180，小麥或油菜收獲后直播棉花適宜用量）、210（N210）、240（N240）、270（N270）、300（N300，常規(guī)育苗移栽棉花適宜用量）、330（N330），按1∶6∶2∶1 分4 次（播種前、見花0 d、見花7 d、見花14 d）施用（表1）。小區(qū)面積28.8 m2（12 m × 2.4 m），4 次重復(fù)，其中第4重復(fù)用于破壞性取樣。

選用大田生產(chǎn)推廣棉花品種‘華棉3097’（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)選育），分別于2022 年5 月13 日和2023 年5 月21 日播種。種植密度9 株/m2，行距60 cm，株距18.52 cm。除氮肥按處理要求用量施用外，鉀肥（K2O）施用量為240 kg/hm2，播種前和見花0 d 各占50%，磷肥（P2O5）84 kg/hm2 和硼肥（B）1.5 kg/hm2，播種前一次性施用。所用肥料為尿素（N，46%）、氯化鉀（K2O，60%）、過磷酸鈣（P2O5，12%）和硼砂（B，10%）。其他田間管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)一致。

1.3 農(nóng)藝性狀測定

現(xiàn)蕾期在1～3 重復(fù)的每小區(qū)中同一行固定連續(xù)的15 株，于8 月15 日調(diào)查棉花株高、株寬、果枝數(shù)、第1 果枝高度、主莖節(jié)位數(shù)、主莖綠葉數(shù)、高節(jié)比等農(nóng)藝性狀。

1.4 冠層透光率測定

將木質(zhì)框架（高100 cm，寬60 cm，長100 cm）置于行間，其垂直高度分為4 層（離地面30、50、70、100cm），左右寬度分為7 點(diǎn)（從框架一側(cè)起，每點(diǎn)相距10cm）。分別于初花期、盛花期、結(jié)鈴期、吐絮期，的12：00 時采用植物冠層分析儀（SunScan，DELTA-T，UK）測定棉花各層光合有效輻射強(qiáng)度，以頂層光合有效輻射強(qiáng)度為比較基數(shù)，計算各層透光率（各層透光率為所在層光合有效輻射強(qiáng)度占頂層光合有效輻射強(qiáng)度的百分比）。

1.5 光合特性測定

采用LI-6800 光合熒光全自動測量系統(tǒng)（美國LI-COR 公司），分別于蕾期、初花期、盛花期、結(jié)鈴期和吐絮期測定棉花功能葉凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度。

1.6 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素考查

每年分3 次（2022 年8 月25 日、9 月27 日、10 月24 日，2023 年9 月4 日、9 月27 日、10 月21 日）人工收獲籽棉，曬干，稱質(zhì)量，即為實(shí)際籽棉產(chǎn)量。其中，第1 次采收前取正常吐絮棉鈴100 個，考查棉鈴質(zhì)量和衣分。

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2021（Microsoft， Bothell，WA， US）整理數(shù)據(jù)，Statistix 9.1（Analytical Software，Tallahassee， FL， US）進(jìn)行方差分析，LSD（least significance difference）比較處理間差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平下棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

試驗(yàn)結(jié)果顯示，棉花產(chǎn)量受年份、施氮水平的影響，其差異主要來源于單位面積鈴數(shù)，而棉鈴質(zhì)量主要受年份影響，衣分比較穩(wěn)定（表2）。

與2022 年相比，2023 年棉花籽棉和皮棉產(chǎn)量分別增加了26.9% 和27.9%，單位面積鈴數(shù)增加了8.5%，棉鈴質(zhì)量增加了19.6%，衣分相當(dāng)。

N300 籽棉產(chǎn)量（2 a 平均2 893 kg/hm2）最高（但2023 年與N270 無差異），而N270 皮棉產(chǎn)量（2 a 平均1 141 kg/hm2）最高（但與N300 無差異），均顯著高于N180和N330。

施氮量增加時，衣分沒有變化，而單位面積鈴數(shù)先增后降。后者表現(xiàn)為，N300 （77.5 個/m2）最多，N180最少（59 個/m2），其中2022 年N300gt;N270（N240）gt;N330gt;N210（N180），2023 年N270（N300）gt;N240（N210）gt;N180gt;N330。

棉花產(chǎn)量（y）與施氮量（x）呈二次函數(shù)關(guān)系（圖1），其中籽棉產(chǎn)量與施氮量關(guān)系式為y=1143.34 +10.66x-0.021x2（2022 年，圖1A）和y=396.71 +21.08x-0.040x2（2023 年，圖1B），當(dāng)施氮量為252.4和263.5 kg/hm2 時，籽棉產(chǎn)量分別可達(dá)理論最大值2 496.1 和3 174.0 kg/hm2。

皮棉產(chǎn)量與施氮量關(guān)系式為y=166.39+6.27x-0.012x2（2022 年，圖2A）和y=51.06+8.87x-0.016x2（2023 年，圖2B），當(dāng)施氮量為261.2和277.2 kg/hm2 時，皮棉產(chǎn)量分別可達(dá)理論最大值985.4 和1 280.4 kg/hm2 （圖2）。

2.2 不同施氮水平下棉花的農(nóng)藝性狀

田間調(diào)查結(jié)果顯示，隨施氮量增加，棉花株高、果枝數(shù)、果枝起始高度、主莖綠葉數(shù)和主莖節(jié)位數(shù)增加（表3）。總體來看，N270 的這些性狀較N300 和N330低或無差異，但較N180～ N240高。其中2022 年株高、果枝數(shù)、果枝起始高度和主莖節(jié)位數(shù)N270 比N180～N240 平均值分別高1.8%、8.0%、8.8% 和4.0%，2023年高10.8%、3.5%、36.7% 和6.2%。

不同年份間，株高、果枝數(shù)、主莖綠葉數(shù)和高節(jié)比2023 年比2022 年份分別增加4.3%、13.0%、32.0% 和5.1%。2 a 間株寬、果枝起始高度和主莖節(jié)位數(shù)相近。

2.3 不同施氮水平下棉花的葉面積指數(shù)

棉花葉面積指數(shù)隨生育進(jìn)程持續(xù)增加（2022 年，圖3A），或在結(jié)鈴期達(dá)最大值后下降（2023 年，圖3B）。結(jié)鈴期和吐絮期N300 與N330 處理下葉面積指數(shù)無差異，N270低于N330，但顯著高于N180；但結(jié)鈴期N270處理2 a 平均葉面積指數(shù)較N180增加45.7%。

2.4 農(nóng)藝性狀與棉花產(chǎn)量相關(guān)性分析

由圖4 可見，皮棉產(chǎn)量與鈴數(shù)、棉鈴質(zhì)量、果枝數(shù)、主莖綠葉數(shù)、高節(jié)比和株高正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.61、0.86、0.79、0.91、0.59 和0.49。鈴數(shù)和棉鈴質(zhì)量與果枝數(shù)、主莖綠葉數(shù)、高節(jié)比和株高正相關(guān)。

2.5 不同施氮水平下棉花的冠層透光率

棉花冠層透光率在初花期、盛花期、結(jié)鈴期、吐絮期逐漸減小，并隨施氮量增加而下降（表5）。平均透光率，N270 和N300 結(jié)鈴期和吐絮期相當(dāng)，但N270相比于N180 結(jié)鈴期下降34.8%，吐絮期下降33.8%；相比于N330 結(jié)鈴期增加32.9%，吐絮期增加71.0%。同冠層高度的透光率，N270 與N300 相當(dāng)，但比N180在30 cm 處，盛花期下降28.8%，吐絮期下降34.8%。

2.6 不同施氮水平下棉花的光合特性

棉花凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度隨生育進(jìn)程下降，隨氮肥用量增加先升后降，但胞間CO2濃度變化不大（圖5）。

凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度，N270大于N180和N330，與N240或N300相當(dāng)。N270比N180和N330，凈光合速率平均分別高23.8% 和15.1%，蒸騰速率分別高18.1%和22.5%，氣孔導(dǎo)度分別高84.2%和77.1%。

3 討論

3.1 施氮水平與棉花農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量

棉花產(chǎn)量由鈴數(shù)、棉鈴質(zhì)量和衣分共同決定。最佳施氮量可通過增加果枝數(shù)、果節(jié)數(shù)和減少棉鈴脫落來增加鈴數(shù)［14］。過量施用氮肥，雖然可以增加果枝數(shù)、果節(jié)數(shù)，但也增加了蕾和幼鈴的脫落，收獲的總鈴數(shù)并不一定會增加，因而產(chǎn)量也不一定會增加［15］。棉花生長期長，對水肥需求量大［16］，蔡煥杰等［17］認(rèn)為，施氮量300～450 kg/hm2時，對產(chǎn)量和水分利用效率提高作用更為明顯。本研究中，棉花生長期間，2022 年降水較2023 年減少57.4%，尤其是7?9月（播種后60～150 d）持續(xù)近90 d 干旱和連續(xù)40 d 高溫。盡管試驗(yàn)期間灌水5 次，但棉花產(chǎn)量仍然低于正常年份（2023 年）；而且最高產(chǎn)量的氮肥用量，2023 年為270 kg/hm2，較2022 年（N300）減少10%。

施氮可以增加棉花株高［18］、果枝數(shù)［19］、主莖節(jié)位數(shù)、主莖葉片數(shù)［20］。王燕等［7］認(rèn)為冀南棉區(qū)棉花株高、果枝數(shù)、果枝始節(jié)高度隨施氮量的增加先升高后下降，農(nóng)藝性狀在施氮300 kg/hm2時最佳，與本研究結(jié)果基本一致。所以，適宜氮肥用量有利于棉花生長發(fā)育，能夠協(xié)調(diào)棉花營養(yǎng)生長和生殖生長的關(guān)系，從而增加單位面積鈴數(shù)，最終提高棉花產(chǎn)量［9］。

3.2 施氮水平與棉花光合特性的關(guān)系

冠層透光率和葉片凈光合速率能在一定程度上反映光能利用效率，因?yàn)槎哧P(guān)系到光能截獲、同化物的生產(chǎn)和生物質(zhì)的累積［21］。合理施氮有利于構(gòu)建合理冠層結(jié)構(gòu)，改善冠層微環(huán)境［6］。馬云珍等［6］認(rèn)為，施氮270 kg/hm2時，可獲得較優(yōu)的棉花群體冠層結(jié)構(gòu)，提高第7 及以上果枝光截獲率，且第1 果枝也有適宜光攔截率，群體呈現(xiàn)出良好的光環(huán)境，從而提高棉花產(chǎn)量。劉成敏［9］報道，與不施氮相比，施氮270 kg/hm2，播后90 d 凈光合速率顯著提高，但冠層透光率無差異；但播后120 d 冠層透光率降低。本研究中，棉花冠層透光率隨施氮量增加而減少（表5），而且冠層中部（50 cm）和下部（30 cm）透光率低，說明棉花群體對光能有效利用集中在中、下層。

增施氮肥能夠提高棉花葉片凈光合速率，但施用過多氮肥時凈光合速率會由于葉片過度生長導(dǎo)致互相蔭蔽而受到抑制，不利于產(chǎn)量形成［12］。郭莉莉等［12］報道，隨施氮量（0～360 kg/hm2）的增加，棉花凈光合速率先升后降，在270 kg/hm2 時最高。本研究也表明，N270凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度等光合特性優(yōu)于其他處理，產(chǎn)量也最高。因此，氮肥過少時，棉株生長不良、器官之間不協(xié)調(diào)，棉鈴無法獲得足量的光合產(chǎn)物，無法獲得高產(chǎn)［22］；而氮肥過多，易造成棉花貪青晚熟，推遲生物質(zhì)快速累積期起始時間且延長快速累積期持續(xù)時間，也不利于光合產(chǎn)物向蕾鈴的分配而減產(chǎn)［7］。

3.3 “增產(chǎn)不增投”與“減投不減產(chǎn)”

地處長江中游的湖北省棉花生產(chǎn)普遍采用育苗移栽的兩熟制種植模式，即小麥預(yù)留棉行套栽或小麥/油菜收獲后移栽棉花幼苗。這種常規(guī)育苗移栽種植模式條件下，棉花氮肥用量以300 kg/hm2 為宜［23］，一般分3 次（播種前、初花期、盛花期）施用［24］。這種種植模式為解決糧棉矛盾做出了貢獻(xiàn)，但其投入高、效益低的弊端凸顯，導(dǎo)致農(nóng)民種植意愿降低、棉花面積減少。在此背景下，筆者所在團(tuán)隊(duì)基于“減投不減產(chǎn)”的理念，成功研制并應(yīng)用的麥（油）后直播種植模式，在氮肥用量減少至180 kg/hm2、且于見花期一次施用的前提下，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量不減和品質(zhì)不降的棉花高效生產(chǎn)［25］。

棉花生產(chǎn)的目的是保障棉花產(chǎn)品的有效供給，所以增加棉花產(chǎn)量才是硬道理。因此，我們提出“增產(chǎn)不增投”的理念，探討在保持與常規(guī)育苗移栽投入水平相當(dāng)前提下，提高棉花產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)棉花高效生產(chǎn)。本研究結(jié)果表明，在油菜收獲后直播種植、4 次（播種前、見花0 d、見花7 d、見花14 d）施肥條件下，2 a平均產(chǎn)量1 141 kg/hm2，超過同期湖北省平均產(chǎn)量（911 kg/hm2，國家統(tǒng)計局2023 年數(shù)據(jù)）25%，不僅實(shí)現(xiàn)了增產(chǎn)；而且，氮肥用量減至270 kg/hm2，較常規(guī)育苗移栽種植模式減少10%，同時減少了育苗移栽用工，但增加了施肥用工。不過據(jù)全國農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展統(tǒng)計公報（2021），相比“十二五”末，全國棉花綜合機(jī)械化率提高20.4%，所以棉花施肥可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化從而降低人工成本。

因此，油菜收獲后直播棉花，氮肥用量270kg/hm2、分4 次施用而且調(diào)整3 次追肥時間為見花0 d（占60%）、見花7 d（占20%）和見花14 d（占10%），有利于棉花株型塑造、提高光能利用效率，從而獲得高產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)棉花基于“增產(chǎn)不增投”的高效生產(chǎn)目標(biāo)。

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（責(zé)任編輯：張志鈺）

基金項(xiàng)目：湖北洪山實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（2021hszd006）