索俊宇，马兴旺，龚双凤，杨 涛，牛新湘，陈宝燕

(1.新疆农业大学 草业与环境科学学院,乌鲁木齐 830052；2．新疆农科院 土壤肥料与农业节水研究所,乌鲁木齐 830091；3．乌鲁木齐市米东区农产品质量安全检测中心,乌鲁木齐 830000)

膜下滴灌棉田土壤氮素变化特征及合理施氮量

索俊宇1，2，马兴旺2，龚双凤1，2，杨 涛2，牛新湘2，陈宝燕3

(1.新疆农业大学 草业与环境科学学院,乌鲁木齐 830052；2．新疆农科院 土壤肥料与农业节水研究所,乌鲁木齐 830091；3．乌鲁木齐市米东区农产品质量安全检测中心,乌鲁木齐 830000)

棉花；膜下滴灌；土壤氮素；施氮量

新疆地处欧亚大陆腹地，热量丰富，光照时间、自然条件十分适宜棉花生长，是中国著名的棉花高产区之一。近10年新疆棉花呈快速发展态势,新疆植棉面积和总产量占全国的比例高达38.9%和53.9%，在面积、总产、单产等方面连续多年位居全国第一[1-2]。施用氮肥是提高新疆棉花产量的重要措施，化学氮肥增加棉花产量占棉花单产的33.5%，最高占到单产的56.1%[3]。然而，过量施用的氮肥通过土壤氨挥发、硝化-反硝化、径流与淋洗等途径损失[4]，造成土壤、大气、地下水污染等环境污染问题[5-6]。因此，如何兼顾氮肥施用的经济效益和环境安全，寻找棉花高产和环境安全的最佳施氮量，成为国内外学者关注的焦点问题。不少研究通过棉花各生育期养分吸收量来确定施氮量。潘薇薇[7]研究表明，棉花从苗期到现蕾期35 d，养分吸收0.181 8 g，占养分吸收积累总量的4.15%；从现蕾到开花期27 d，养分吸收占总量的27.6%；开花期到吐絮期66 d，养分积累占总量的66.42%，在此基础上确定合理的施氮量。还有研究通过反射仪法[8-9]、地面数字图像技术法[10-11]、高光谱遥感监测法[12]、叶绿素计SPAD无损诊断技术[13-15]等诊断棉花氮素营养及确定棉花等作物的施氮量。基于安全的土壤无机氮残留量与棉花经济产量双赢的膜下滴灌棉田施氮技术研究较少，本研究以不同施氮水平下土壤无机氮总储量和氮素盈素余率的变化规律为切入点。在优化氮肥用量的基础上，采用田间试验，研究提出南疆巴州地区棉花生产化学氮肥的合理施用量，为有效减少农业面源污染，保障生态安全提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材 料

于新疆巴州库尔勒市包头湖农场新疆农业科学院棉花育种基地2号试验地(85°52′E，41°41′N)进行试验。试验区属于典型的大陆性干旱气候，年平均降雨量为56.2 mm，年平均蒸发量2 497.4 mm，年均日照时数2 878 h，≥10 ℃的积温4 252.2 ℃，无霜期205 d，地下水位2.0～2.5 m，为纯灌溉农业，植棉规模、技术及产量都具有典型代表性。试验于2013年4月至10月和2014年4月至10月进行。前茬作物为棉花，供试土壤为砂壤土，属于中等肥力土壤，耕层土壤0～30 cm土壤有机质为8.1 g/kg，速效氮为43.2 mg/kg，速效磷为19.9 mg/kg，速效钾为129 mg/kg，pH为7.9。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计 试验以不施化学氮肥、有机肥为对照(N0)，以施氮量为纯氮(尿素含N 46%)238 kg/hm2(N1)、317 kg/hm2(N2)、395 kg/hm2(N3)、476 kg/hm2(N4)、634 kg/hm2(N5)共6个处理，所有处理施纯P2O5186 kg/hm2(重过磷酸钙含P2O546%)，K2O为68 kg/hm2(硫酸钾含K2O 为40%)，所有处理全部磷肥和钾肥作基肥，磷肥和钾肥混匀后于播前撒施翻入土壤，氮肥的40%作为基肥，60%作为追肥进行施用。小区随机区组排列，重复3次，18个小区，小区面积为33.3 m2。

滴灌方式下施肥方式为随水滴施。采用棉花膜下滴灌一膜单管方式，覆膜种植，行距(10+66+10+66+10)cm，株距10 cm，1膜6行精量播种，双膜覆盖。2013-04-20播种、2013-04-29出苗，2014-04-18播种、2014-04-28出苗。灌溉方式为膜下有压滴灌，潜水泵抽水，灌溉定额为4 800 m3/hm2，从6月中旬蕾期开始灌溉，用水表控制灌溉量，其他管理技术与当地相同。

1.2.2 试验方法 土壤样品采集与测定：采取各小区基础土壤土样、生育期土样，以及收获后土样时，每个小区采集5钻土壤样品，每20 cm一个样品分层混合制样，采样深度为0～100 cm。取新鲜土壤样品200 g冷冻保存。测定土壤硝态氮时, 先将新鲜土壤样品解冻混匀过2 mm筛，称取12 g土样放入振荡瓶,加入100 mL 0.01 mol/L的CaCl2溶液浸提,振荡1 h后过滤,滤液冷冻保存。测定前将浸提液解冻 ,用流动分析仪测定滤液中的铵态氮、硝态氮质量分数[16-17]。

植株样品采集与测试指标：田间小区试验测定地上部植株含氮量时，剪取植株子节以上部分，把植株分解成小块，取3棵棉株在105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒量，称量后粉碎样品，用浓H2SO4-H2O2法制备待测液后，用半微量蒸馏凯氏定氮法[18]分析含氮量质量分数。

棉花产量的测定：棉花吐絮期调查小区总铃数、总株数，计算单株铃数和每公顷收获株数；各小区分3 次取棉株上、中、下部位各50朵，测定单铃质量。公顷籽棉产量=公顷收获株数×单铃质量×单株铃数×0.859。

1.2.3 指标计算公式 养分投入仅包括化肥施入量，不考虑降水、灌溉、大气沉降等带入的养分。养分支出仅包括因作物收获而带出的养分，不考虑因淋洗、挥发和反硝化造成的养分损失。相关指标计算公式如下[19-20]：

土壤硝态氮存储量=土层厚度×土壤体积质量×收获期土壤硝态氮质量分数/10

土壤铵态氮存储量=土层厚度×土壤体积质量×收获期土壤铵态氮质量分数/10

土壤无机氮储量=土壤硝态氮存储量+土壤铵态氮存储量

氮素养分表观平衡值=养分投入量-作物携出量

养分盈余率=氮素养分表观平衡值/作物携出量×100%。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2007、SPSS 19.0等对试验所得数据进行分析及均值比较、方差分析和相关性分析等。

2 结果与分析

2.2 膜下滴灌棉田土壤无机氮储量与施氮量的关系

由图2中施氮量与0～100 cm土层无机氮储量的相关关系可以看出，随着施氮量的增加，0～100 cm土层内无机氮储量也不断增加，2013年无机氮储量与施氮量相关系数(R2)达到0.850 9，2014年R2达到0.851 3。因此，选择优化施氮量，有利于降低棉田土壤无机氮的残留量，从而降低硝态氮向90 cm以下土壤淋洗的风险。

图1 棉花收获期 0～100 cm土层硝态氮质量分数

图2 1 m土层无机氮储量与施氮量关系

2.3 施氮量与氮素养分平衡值的关系

对2013年和2014年的施氮量和棉花产量、氮素养分平衡值分别进行相关性分析，结果如图3。棉花产量和施氮量符合二次函数变化关系。当2013年、2014年施氮量分别低于375.54 kg/hm2、357.61 kg/hm2时棉花产量随着施氮量的增加而增加；当施氮量分别高于375.54 kg/hm2、357.61 kg/hm2时，棉花产量增幅不显著，氮素淋溶到环境中的风险增大。氮素养分平衡值和施氮量呈指数函数变化关系。综合2 a试验结果来看，当施氮量小于357.61～375.54 kg/hm2时，养分平衡值越高产量也越高，当施氮量等于357.61～375.54 kg/hm2时，氮素投入量和携出量基本持平；当施氮量高于357.61～375.54 kg/hm2时，养分平衡值增加，产量增加不明显，氮素投入量的增幅逐渐大于氮素携出量的增幅，氮素残留污染土壤环境的风险逐渐加大。综合考虑棉花产量和氮素养分平衡值2个因子对环境的影响，试验区在单个种植季中，氮肥合理投入量为357.61～375.54 kg/hm2。

2.4 施氮量与氮素盈余率的关系

采用线性函数模型对2013年、2014年氮素盈余率和施氮量进行拟合。从图4可以看出，随着施氮量的增加，氮素盈余率呈显著增加趋势。当氮肥施用量为 317 kg/hm2时，氮素盈余率为16%。此后，随着施氮量的增加，氮素盈余率增幅减缓。根据南疆棉花生产实际情况，按照最高产量施氮量的90%来计算试验区棉花产量氮肥合理投入量下限，结果为285.30 kg/hm2。为保证棉花产量安全，将施氮量后移至最高产量施氮量的 125%处，作为氮肥合理投入量的上限，结果为396.25 kg/hm2。

图3 产量、氮素养分平衡值与施氮量的关系

图4 氮肥施用量与氮素盈余率的关系

3 讨 论

土壤-作物体系的氮素平衡是评价氮肥合理施用与否的关键。施入氮肥和种植前上茬残留无机氮是主要氮素输入项，其次当季矿化氮量，以及灌溉水中带入小部分氮素；氮素的输出主要包括地上部吸氮、土壤残留无机氮和表观损失，而土壤残留无机氮是氮素损失的主要途径[21]。施肥造成土壤硝态氮在各个剖面层次累积，但由于高频率的灌水作用，累积的土壤硝态氮不断向下层土壤淋洗直至到根区以下，发生淋失[22]。因此，施肥影响0～100 cm土壤硝态氮总累积大小，尤其是在地面灌模式下，大水大肥对土壤硝态氮的淋洗作用很强。本研究认为，在滴灌方式下，随着时间推移，高频灌溉、施肥对土壤中硝态氮向深层土壤残留累积有一定的推动作用，这与已有研究结果相似。虽然滴灌方式下采用“少量多次”的灌溉，但多年持续的高频灌水施肥，也存在对硝态氮向根区以下淋洗的风险。

马腾飞等[23]研究表明，从0～100 cm 土层中硝态氮分布情况来看, 滴灌各施肥处理主要集中在40～60 cm，与本研究结果比较类似。胡明芳等[24]研究表明，施用氮肥可显著提高各生育期0～40 cm土层土壤矿质氮质量分数，且高氮处理>低氮处理。宫亮等[19]研究认为，线性加平台模型可以在保证产量不会过分降低的情况下使推荐施肥量较低。本研究表明，滴灌模式下，选择优化施氮量，有利于降低棉田土壤无机氮的残留量，从而降低硝态氮向90 cm以下土壤淋洗的风险。

本试验通过研究施氮量与氮素养分平衡值的关系得到的氮肥合理投入量为357.61～375.54 kg/hm2，而通过施氮量与氮素盈余率的线性加平台模型计算得到的氮肥合理投入量为285.30～396.25 kg/hm2，综合考虑土壤环境安全和棉花经济产量，表明氮肥投入量合理有效的范围为357.61～375.54 kg/hm2。这对新疆农民通过膜下滴灌高效施肥，保护农田土壤环境，取得环境和生态效益的双赢有一定的指导意义。

4 结 论

通过对棉田土壤中的无机氮质量分数(mg/kg)、土壤无机氮储量(1 m土体，kg/hm2)，以及氮素养分平衡值(mg/kg)、氮素盈余率(%)的计算分析比较，氮素养分平衡值与施氮量呈指数函数变化关系，且相关性最好。氮素养分平衡值相对稳定，适宜作土壤环境风险评价指标。

滴灌方式下，随着时间推移，高频灌溉、施肥对土壤中硝态氮向深层土壤残留累积有一定的推动作用。选择优化施氮量，有利于降低棉田土壤无机氮的残留量，从而降低硝态氮向90 cm以下土壤淋洗的风险。以棉花产量为指标，通过施氮量与氮素养分平衡值的关系得到的氮肥投入量为357.61～375.54 kg/hm2。综合考虑棉花高产和环境安全，南疆巴州棉区的氮肥合理投入量为285.30～375.54 kg/hm2。

Reference：

[1] 王 平,田长彦,陈新平,等.南疆棉花施氮量及氮素平衡分析[J].干旱地区农业研究,2006,24(11)：77-83.

WANG P,TIAN CH Y,CHEN X P,etal.Investigation of N fertilization practice and N equilibrium analysis in cotton fields in south Xinjiang[J].AgriculturalResearchintheAridAreas,2006,24(11)：77-83(in Chinese with English abstract).

[2] 毛树春,李亚兵,冯 璐,等.新疆棉花生产发展问题研究[J].农业展望,2014,10(11)：43-51.

MAO SH CH,LI Y B,FENG L,etal.Study on the development of Xinjiang cotton production[J].AgriculturalOutlook,2014,11(11)：43-51(in Chinese with English abstract).

[3] 张 炎,毛端明,王讲利,等.新疆棉花平衡施肥技术的发展现状[J].土壤肥料,2003,36(4)：7-10,23.

ZHANG Y,M D M,WANG J L,etal.Developing status of balanced fertilization technology of cotton in Xinjiang[J].SoilsandFertilizers,2003,36(4)：7-10,23(in Chinese with English abstract).

[4] 朱兆良.中国土壤氮素研究[J].土壤学报,2008,45(5)：778-783.

ZHU ZH L.Research on soil nitrogen in China[J].ActaPedologicaSinica,2008,45(5)：778-783(in Chinese with English abstract).

[5] 巨晓棠,谷保静.我国农田氮肥施用现状、问题及趋势[J].植物营养与肥料学报,2014,20(4)：783-795.

JU X T,GU B J.Status-quo,problem and trend of nitrogen fertilization in China[J].JournalofPlantNutritionandFertilizer,2014,20(4)：783-795(in Chinese with English abstract).

[6] 蔡祖聪,颜晓元,朱兆良.立足于解决高投入条件下的氮污染问题[J].植物营养与肥料学报,2014,20(1)：1-6.

CAI Z C,YAN X Y,ZHU ZH L.A great challenge to solve nitrogen pollution from intensive agriculture[J].JournalofPlantNutritionandFertilizer,2014,20(1)：1-6(in Chinese with English abstract).

[7] 潘薇薇.应用叶绿素仪进行棉花氮素营养诊断[D].新疆石河子：石河子大学,2008.

PAN W W.Study on chlorophyll meter application on nitrogen nutritional diagnosis for cotton plants [D].Shihezi Xinjiang:Shihezi University,2008(in Chinese with English abstract).

[8] 危常州,张福锁,朱和明,等.新疆棉花氮营养诊断及追肥推荐研究[J].中国农业科学,2002,35(12)：1500-1505.

WEI CH ZH,ZHANG F S,ZHU H M,etal.Study on cotton nitrogen diagnosis and topdressing recommendation in north Xinjiang[J].ScientiaAgriculturaSinica,2002,35(12)：1500-1505(in Chinese with English abstract).

[9] 董 鹏,危常州,雷咏雯,等.基于计算机视觉和土壤Nmin的棉田氮素养分管理系统的建立与验证[J].新疆农业科学,2011,48(4)：606-610.

DONG P,WEI CH ZH,LEI Y W,etal.Construction of cotton field N management system based on computer vision and soil Nmin[J].XinjiangAgriculturalSciences,2011,48(4)：606-610(in Chinese with English abstract).

[10] 王晓静,张 炎,李 磐,等.地面数字图像技术在棉花氮素营养诊断中的初步研究[J].棉花学报,2007,19(2)：106-113.

WANG X J,ZHANG Y,LI P,etal.Study on cotton N status diagnosis using digital image processing[J].CottonScience,2007,19(2)：106-113(in Chinese with English abstract).

[11] 李岚涛,张 萌,任 涛,等.应用数字图像技术进行水稻氮素营养诊断[J].植物营养与肥料学报,2015,21(1)：259-268.

LI L T,ZHANG M,REN T,etal.Diagnosis of N nutrition of rice using digital image processing technique[J].JournalofPlantNutritionandFertilizer,2015,21(1)：259-268(in Chinese with English abstract).

[12] 潘文超.基于高光谱遥感的棉田土壤含氮量监测模型研究[D].新疆石河子：石河子大学,2009.

PAN W CH.A model study on monitoring soil nitrogen of cotton field based on hyperspectral remote sensing[D].Shihezi Xinjiang:Shihezi University,2009(in Chinese with English abstract).

[13] 薛向荣.棉花功能叶不同位点SPAD值与植株氮素、施氮量相关性研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学,2013.

XUE X R.Correlation between SPAD value in different sites of cotton leaf and nitrogen content of plant,nitrogen application ratio[D].Urumqi:Xinjiang Agricultural University,2013(in Chinese with English abstract).

[14] 陈宝燕,马兴旺,杨 涛,等.棉花生育时期SPAD值准确性与样本数的关系[J].中国农业科学,2011,44(22)：4748-4755.

CHEN B Y,MA X W,YANG T,etal.Research on the relationship between the accuracy of SPAD value and sample number in growing period of cotton[J].ScientiaAgriculturaSinica,2011,44(22)：4748-4755(in Chinese with English abstract).

[15] FRITSCHI F B,RAY J D.Soybean leaf nitrogen,chlorophyll content,and chlorophyll a/b ratio [J].Photosynthetica,2007,45(1):92-98.

[16] 陈志超,田长彦,马英杰,等.应用土壤无机氮测试进行棉花氮肥推荐研究[J].棉花学报,2006,18(4)：242-247.

CHEN ZH CH,TIAN CH Y,MA Y J,etal.Study on cotton nitrogen recommendation based on soil inorganic nitrogen test[J].CottonScience,2006,18(4)：242-247(in Chinese with English abstract).

[17] 周洪华,陈亚宁,李卫红.土壤Nmin在南疆棉花氮肥推荐中的应用研究[J].土壤通报,2008,39(6)：1353-1357.

ZHOU H H,CHEN Y N,LI W H.The study of applying soil Nmin to cotton nitrogen recommendation[J].ChineseJournalofSoilScience,2008,39(6)：1353-1357(in Chinese with English abstract).

[18] 李合生.植物生理生化实验原理和技术[M].北京:高等教育出版社,2000.

LI H SH.Principles and Techniques for Plant Physiology and Biochemistry Experiment [M].Beijing: Higher EducationPress,2000(in Chinese).

[19] 宫 亮,隽英华,王建忠,等.盘锦地区稻田田面水氮素动态变化及化学氮肥投入阈值研究[J].农业资源与环境学报,2013,30(6)：96-100.

GONG L,JUAN Y H,WANG J ZH,etal.Variations of nitrogen in surface water body of a paddy field and input threshold of chemical N fertilizer in panjin city,China[J].JournalofAgriculturalResourcesandEnvironment,2013,30(6)：96-100(in Chinese with English abstract).

[20] 赵 靓,侯振安,黄 婷,等.新疆石河子地区玉米产量及氮素平衡的施氮量阈值研究[J].植物营养与肥料学报,2014,20(4)：860-869.

ZHAO J,HOU ZH A ,HUANG T,etal.Study on the nitrogen rate threshhold of maize yield and nitrogen balance in Shihezi,Xinjiang[J].JournalofPlantNutritionandFertilizer,2014,20(4)：860-869(in Chinese with English abstract).

[21] VILLAR-MIR J M,VILLAR-M PERE,STOCKLE C O,etal.On-farm monitoring of soil nitrate nitrogen in irrigated cornfields in the Ebro valley [J].MiquelAgronomyJournal,2002,94(2)：373-380.

[22] 栗 丽,洪坚平,王宏庭,等.施氮与灌水对夏玉米土壤硝态氮积累、氮素平衡及其利用率的影响[J].植物营养与肥料学报,2010,16(6)：1358-1365.

LI L,HONG J P,WANG H T,etal.Effects of nitrogen application and irrigation on soil nitrate accumulation,nitrogen balance and use efficiency in summer maize[J].JournalofPlantNutritionandFertilizer,2010,16(6)：1358-1365(in Chinese with English abstract).

[23] 马腾飞,危常州,王 娟,等.不同灌溉方式下土壤中氮素分布和对棉花氮素吸收的影响[J].新疆农业科学,2010,47(5)：859-864.

MA T F,WEI CH ZH,WANG J,etal.Soil nitrate-N distribution and effect on cotton plant N absorption under different irrigation method[J].XinjiangAgriculturalSciences,2010,47(5)：859-864(in Chinese with English abstract).

[24] 胡明芳,田长彦,王林霞.氮肥用量与施用时期对棉花生长发育及土壤矿质氮含量的影响[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2011,39(11): 103-109.

HU M F,TIAN CH Y,WANG L X.Effects of nitrogen rate,applying time on cotton growth and soil mineral nitrogen content[J].JournalNorthwestA&FUniversity(NatuaryScienceEdition),2011,39(11):103-109(in Chinese with English abstract).

(责任编辑：史亚歌 Responsible editor:SHI Yage)

Variation Characteristics of Soil Nitrogen and Proper Nitrogen Rate in Cotton Field under Mulch-drip Irrigation

SUO Junyu1,2, MA Xingwang2, GONG Shuangfeng1,2, YANG Tao2, NIU Xinxiang2and CHEN Baoyan3

(1.Faculty of Grassland and Environment Sciences, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052,China; 2.Institute of Soil,Fertilizer and Water-saving, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091,China; 3.Urumqi Midong District Agricultural Products Quality and Safety Testing Center, Urumqi 830000,China)

Cotton; Drip-irrigated under film; Soil nitrogen; N application

SUO Junyu, female, master student.Research area: cotton nutrition and fertilization.E-mail:sjy3028695@163.com

YANG Tao, male, Ph.D,associate research fellow.Research area: cotton high water fertilizer use efficiency and management.E-mail:yangling_2008@sina.com

文献类型和标志代码

日期：2017-05-22

2016-01-26

2016-03-24

国家科技支撑计划(2014BAD09B04，2014BAD111302) ; 国家自然科学基金(41361067);新疆科技支撑项目 (201231102)。

索俊宇，女，硕士研究生，研究方向为棉花营养与施肥。E-mail：sjy3028695@163.com

杨 涛，男，博士，副研究员，研究方向为棉花水肥高效利用与管理。E-mail：yangling_2008@sina.com

S143；S562

A

1004-1389(2017)05-0738-07

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20170522.0857.024.html

Received 2016-01-26 Returned 2016-03-24

Foundation item National Key Technology Support Program(No.2014BAD09B04,No.2014BAD111302); National Natural Science Fund (No.41361067); Sci-tech Support Program of Xinjiang (No.201231102).