施氮对膜下滴灌棉花生长发育及土壤硝态氮的影响

2020-03-12马腾飞韩咏香娄善伟马兴旺张鹏忠

新疆农业科学 2020年2期

关键词：吐絮硝态氮量

马腾飞，李杰，陈志，郭峰，韩咏香，娄善伟，郭蕾，何红，马兴旺，张鹏忠

(1.国家棉花工程技术研究中心，乌鲁木齐 830091；2.博乐市农业技术推广中心，新疆博乐 833400；3.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引言

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2017～2018年在博乐高产示范区进行，地理位置为44°87'N、82°13'E，海拔500 m，属典型的温带大陆性干旱半荒漠和荒漠气候，日照时间长，降水量少，蒸发量大，年均气温5.6℃，年均降水181 mm，年蒸发量1 500～2 000 mm，无霜期171 d，年均日照时长2 721 h，≥10℃积温3 137℃。试验区土壤质地为沙壤土，土壤含有机质为 7.51 g/kg，全氮为 0.95 g/kg，有效磷为 247 mg/kg，速效钾为219.62 mg/kg。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

供试棉花品种为新陆早52号，分别于2017年4月16日和2018年4月19日进行膜上点播，于2017年10月5日和2018年10月10日收获，试验共设5个处理，即N0(不施氮)、N150(150 kg/hm2)、N250(250 kg/hm2)、N350(350 kg/hm2)、N450(450 kg/hm2)，氮肥使用尿素全部作追肥，在棉花生长期间分6次随水滴施，试验按随机区组设计，3次重复，采用一膜6行种植，行距配置(10+66+10+66+10)cm，株距10.5 cm，小区面积5×10=50(m2)，各小区均不施基肥，氮、磷、钾肥均追施，按各生育需肥比例随水追施，先滴灌清水30 min后开始施肥，在滴灌结束前30分完成施肥，其它生产均按大田统一管理。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 干物质量

于播种后36 d开始每12 d取1次样，各处理选代表性棉株5株，从棉株子叶节部位剪开，按叶、茎、蕾、铃等不同器官分开，在105℃杀青30 min 后，80℃烘干至质量恒定，测定其干物质质量。

1.2.2.2 叶面积指数

在棉花生育期各阶段于各小区选取生长状况良好、长势基本一致的棉花各5株，用LI-300C(LI-COR Inc,Lincoln,NE,USA)叶面积仪测定植株叶面积，取其平均值，计算叶面积指数(LAI)。

1.2.2.3 土壤硝态氮

用土钻分层取0～20、20～40、40～60 cm土体土样，取后立即冰冻保存。样品处理和测定步骤如下：解冻后，将样品充分混匀过2 mm筛，称取10 g土壤样品，加入100 mL 0.01 mol/L的CaCl2溶液，振荡 30 min后过滤，浸提液立刻冰冻保存。测定前将浸提液解冻，利用流动分析仪测定土壤硝态氮含量。

1.2.2.4 产量

棉花吐絮期，调查 6.67 m2面积的棉花株数、铃数，并采收各部位棉铃 100 个测铃重，实测每个小区棉花产量作为最终的产量数据，并化为每公顷产量。

1.2.2.5 氮素

氮肥利用率=(施氮区植株养分吸收量-不施肥区植株养分吸收量)/ 施氮量×100%；

氮肥农学利用率=(施氮区产量-不施氮区产量)/ 施氮量；

氮肥贡献率=(施氮区产量-不施氮区产量)/ 施氮区产量×100%。

1.3 数据处理

用Microsoft Excel 2007 对数据计算和归一化处理，用SPSS 16.0 进行方差分析、LSD 法做多重比较分析，OriginPro8.5 拟合与绘图。

2 结果与分析

2.1 氮肥对单株干物质影响及累积模型

研究表明,不同施氮量棉花地上部单株干物质随着生育进程的推进呈现出“慢—快—慢”的S型变化，先增加后降低的趋势。各处理播种后0～50 d单株生物累积量没有明显的差异，介于8～14 g，播种后60～96 d以后单株生物量累积随施氮量的增加而显著增加，各施氮处理显著大于不施氮肥处理，N450>N350>N250>N150>N0。播种后96至120 d，各处理单株干物质了累积增长缓慢，趋于稳定状态，N350处理最大，N450处理次之，可能是由于棉花生长发育后期随施氮量增加，棉花徒长，下部成铃数少所致。图1

图1 不同施氮量下棉花单株干物质变化

Fig.1 Effect of different nitrogen application rates on dry matter of cotton plants

对5个处理单株干物质累积变化与生育进程归一化处理后进行拟合发现，各处理单株干物质累积变化随棉花生育进程的推进符合Logistic 曲线模型，即：Y=a/(1+b×exp(-k×t))，研究表明，各处理参数没有显著的变化，变化动态趋势基本一致，最大积累速率出现时间在71～77 d，在56～60 d的时候单株干物质量进入快速积累期，在播种后90 d左右单株干物质量快速累积期结束，单株干物质快速积累持续时间N350处理最长，各处理分别为31.25～34.1和30.89～35.01 d。单株干物质最大积累速率均为N450处理最大分别为2.73和2.94 g/d，N350次之，最大干物质累积量N350最高为138.01和148.48 g，较不施氮肥处理相比，N150处理最低为106.14和106.39 g。表1

图2 不同施氮量下棉花叶面积指数变化

Fig.2 Effects of different nitrogen fertilizer treatment on LAI of cotton

2.2 氮肥处理对棉花LAI的影响

研究表明,LAI随生育时期的推进表现为先增加后降低的抛物线变化形式，铃期最大，全生育期表现为铃期>花期>吐絮期>蕾期>苗期。在不同的生育期，各处理间LAI变化不同，苗期各施氮处理无显著差异，在1.1～1.3。现蕾至吐絮阶段，不施氮N0处理显著低于其他处理，现蕾期，N350和N450无明显差异，显著高于N150和N250，花期至吐絮期N450显著高于其他处理，N350和N250无明显变化，最显著高于N150。各处理LAI为N450>N350>N250>N150 >N0，最大可达4.51～4.81。图2

表1 棉花单株干物质积累 Logistic 模型

Table 1 The Logistic equation of cotton dry matter accumulation

处理Treatments模型参数Logisticparametersabkt0(d)t1(d)t2(d)Δt(d)Vm(g/d)Ym(g/plant)R22017N0106.14512.230.08375.1659.2990.9431.642.2106.140.993N150114.82476.940.08473.4257.748931.262.41114.820.996N250121.46394.860.08272.956.8488.8732.072.49121.460.987N350138.01318.530.07774.8557.7591.8534.12.66138.010.976N450129.79419.350.08471.8856.2187.4731.252.73129.790.9942018N0106.39356.650.07875.3458.4592.1233.672.07106.390.997N150120.66322.850.07676.0258.6893.2434.552.29120.660.981N250137.99347.080.07676.9759.6394.1934.552.62137.990.978N350148.48336.840.07577.5960.0395.0535.012.78148.480.965N450138.58505.350.08573.2357.7488.6430.892.94138.580.986

注：Y为棉花干物质积累量(g/plant)；t为棉花出苗后的时间(d)；t0为最大积累速率出现时间(d)；t1为进入快速积累期时间拐点(d)；t2为结束快速积累期时间拐点(d)；Δt为快速积累持续时间(d)；Vm为最大积累速率(g/d)；Ym为最大干物质累积量(g/plant)

Note: Y is the cotton dry matter accumulation(g/plant); t is the time after the emergence of cotton(d); t0 is the time of the maximum accumulation rate occurred(d); t1 is inflection point of the beginning of rapid accumulation(d); t2 is inflection point of the end time of rapid accumulation(d); Δt is duration of rapid accumulation(d); Vm is the maximum increase rate; Ym is the maximum dry matter accumulation(g/plant)

2.3 氮肥处理对棉花产量及其构成因子的影响

研究表明,氮肥处理棉花株数、铃数及铃重和产量年际间没有明显的变化，趋势基本一致，不施氮肥N0处理显著低于施氮肥处理。就产量构成因子而言，株数各施氮处理N450最高，N150最少，且各处理间无显著差异，在1.74×105～1.83×105株/hm2；铃数各施氮肥处理间随施氮量的增加而先增加后减少的趋势，N350处理最多，显著高于其他施氮处理，单株铃数均在10个以上，分别为10.4和11.6；铃重各施氮处理间显著差异，随氮肥用量的增加变为先增大后下降的模式，N350处理最重，N250处理次之，N150处理最小，介于4.69～5.56 g。就籽棉产量而言，各处理N350显著高于其他施氮处理，分别为7 477.5和7 731.7 kg/hm2，N250次之且与N450间无显著差异，N150最小仅为5 680.5和5 764.6 kg/hm2。对产量和氮肥用量之间进行回归模拟发现，当氮肥用量在一定的范围内，随氮量的增加，籽棉产量随之增加，当氮肥用量超出一定的范围，籽棉产量随施氮量的增加反而下降，产量与施氮量间存在二次函数关系，具体模拟方程为：2017年Y=-0.037N2+24.25N+3 172.4，(R2=0.952)；2018年Y=-0.037N2+25.21N+3 398.3，(R2=0.956)。对以,模拟方程求导可知,滴灌棉花理论适宜施氮量分别为327.70和340.67 kg/hm2，理论产量分别8 009.95和8 959.16 kg/hm2。表2，图3

表2 不同施肥处理下棉花产量及其构成因素变化

Table 2 Effects of different treatments on cotton yield and yield components

处理Treatments2017年2018年株数Numberofplants(No./hm2)单株铃数Numberofbellsperplant(No.)铃重Bellweight(g)籽棉产量seedcotton(kg/hm2)株数Numberofplants(No./hm2)单株铃数Numberofbellsperplant(No.)铃重Bellweight(g)籽棉产量Seedcotton(kg/hm2)N0151335b5.3d4.32e3282.9d156589b5.5c4.46e3322.8dN150174495a6.6c4.69d5680.5c178623a7.3b4.78d5764.6cN250177495a8.9b5.05b6942.7b181571a9.2b5.17b7334.3bN350179505a10.4a5.38a7477.5a185689a11.6a5.56Va7731.7VaN450183180a7.3b4.82c6402.3b189635a8.5b5.06c6849.2b

注:表格中同一列有相同字母表示处理间差异未达到显著性水平(P <0.05)，下同

Note:The same letters following the data in the same column mean insignificant difference at P <0.05，The same as below

图3 施氮量与产量拟合模型

Fig.3 Fitting chart of nitrogen fertilization and Yield

2.4 氮肥用量对棉花不同生育期土壤硝态氮变化的影响

研究表明,0～60 cm土层土壤硝态氮含量变化趋势基本一致，在棉花整个生育期，不同施氮量处理间土壤硝态氮含量差异显著，不施氮N0处理显著低于施氮处理。各处理苗期土壤硝态氮含量显著高于其他生育时期，在现蕾阶段迅速下降，花期又有所升高，铃期相对偏低，吐絮期略有会升高，在现蕾阶段和铃期消耗土壤硝态氮较多。不同土壤深度硝态氮含量20～40 cm最高，不施氮肥处理各生育期土壤硝态氮含量介于5～10 mg/kg，各施氮肥处理介于12.5～25 mg/kg，2017年苗期至花期N450和N350间没有显著差异，2018年吐絮期N450和N350间没有明显差异。0～20 cm苗期和吐絮期土壤硝态氮含量高于其他时期，N0、N150和N250在现蕾期硝态氮含量最低，N350在铃期最低，N450现蕾至吐絮期显著高于其他处理，且各生育期硝态氮含量上下波动较小。就40～60 cm土层而言，N450和N350变化趋势略有不同，2017年苗期至花期N450和N350没有显著差异，N350处理略高于N450处理；不施氮N0处理各生育期为7.61～8.33 mg/kg，施氮处理介于9.5～19.6 mg/kg。各土层硝态氮含量表现为随土壤深度的增加先增大后降低的趋势。图4

图4 不同处理棉花主要生育期 0～60 cm 土壤硝态氮含量变化

2.5 不同处理氮素利用

研究表明,氮肥利用率随氮肥用量的增加表现为先增加后降低的趋势，各施氮处理中N350处理氮肥利用效率最高，显著高于其他用氮量处理，分别可达40.32%和43.24%，N250和N450处理间无显著差异，N150处理最小仅为24.21%和23.57%。氮肥利用效率均随施氮量的增加而降低，N450处理最小，分别为6.93%和7.83%。就氮肥贡献率而言，年际间变化不显著，为随用氮量的增加先增加后降低的趋势，各施氮量处理间差异显著，N350处理贡献率最高，分别为56.09%和57.02%，年N250次之，N150最低为42.20%和42.36%。表3

表3 不同处理的氮素利用情况

Table 3 Nitrogen use under different treatment

处理Treatments20172018氮肥利用率Nutilizationrate(%)氮肥农学效率Nagronomicefficiency(kg/kg)氮肥贡献率Ncontributionrate(%)氮肥利用率Nutilizationrate(%)氮肥农学效率Nagronomicefficiency(kg/kg)氮肥贡献率NcontributionRate(%)N0//////N15024.21c15.98a42.2d23.57c16.27a42.36dN25035.87b14.63a52.71b38.65b16.04a54.69bN35040.32a11.98b56.09a43.24a12.59b57.02aN45032.56b6.93c48.72c34.96b7.83c51.48c

3 讨论

植株养分吸收是生物量积累的前提，养分的变化对其产量形成有一定的影响，同时不同的生育阶段，对养分的需求和分配也不同[9-11]。研究发现，合理的氮肥运筹能提高快速积累期的最大速率、平均增长速度和快速积累期的干物质[12]。研究表明，不同施氮量棉花地上部单株干物质随着生育进程的推进呈现出“慢—快—慢”的S型变化，拟合发现不同氮肥处理地上部生物累积量进符合Logistic 曲线模型Y=a/(1+b×exp(-k×t))，最大积累速率出现时间在71～77 d，进入快速积累期在56～60 d，在播种90 d内干物质累积随施氮量的增加而增大，变现为N450>N350>N250>N150>N0，90 d之后随施氮量增加表现为先增加后降低的趋势，说明过高或过低的均不利于棉花后期单株干物质积累，这与文明等[13]的研究结果一致。叶面积指数作为棉花群体生长发育的重要指标，直接影响群体光合同化能力和经济产量，其动态变化与特征值对于确定棉花高产群体结构具有参考价值[14-15]。研究发现，LAI随施氮量的增加而增大，在整个生育期变现为先增大后下降的抛物线趋势，在铃期达到最大，可达4.51～4.81，除苗期外，各生育期各处理间LAI差异显著，施氮肥能促进群体叶面积指数的增加，增大群体光合作用，易于产量形成。

硝态氮是土壤中的速效性氮肥，可直接被作物吸收利用。研究表明,土壤剖面硝态氮含量具有随着施氮量增加而增加的趋势，由表层至深层土壤硝态氮含量呈下降趋势[7]，土壤硝态氮累积量与施氮量呈正相关，而在蕾期和铃期处于相对较低阶段[16]。研究发现在0～60 cm土层，硝态氮含量变化表现为随土层深入先增加后降低的趋势，在20～40 cm土层硝态氮含量最高；在整个生育阶段表现为波浪线波动，苗期显著高于其他生育时期，在现蕾阶段迅速下降，花期又有所升高，铃期相对偏低，吐絮期略有会升，在现蕾阶段和铃期消耗土壤硝态氮较多。就产量和氮素利用情况而言，单株铃数、铃重和籽棉产量、氮肥利用率和氮肥贡献率随氮肥用量的增加表现为先增加后降低的趋势，均表现为N350处理最高，显著高于其他施氮处理，籽棉产量分别为7 477.5、7 731.7 kg/hm2，氮肥利用率40.32%、43.24%，氮肥贡献率为56.09%、57.02%。对产量和氮肥用量之间进行回归模拟发现，滴灌棉花理论适宜施氮量分别为327.70和340.67 kg/hm2，理论产量分别8 009.95和8 959.16 kg/hm2。不施氮肥或施氮肥较低生育中后期棉叶叶绿素含量降解速度快，净光合速率低，光合产物少，过量施氮肥，氮代谢过旺，虽然能改善盛花期和盛铃期棉叶的光合性能，光能转化效率高，棉株生长快，但导致棉花群体过大，冠层内光照条件恶化，光合产物分配失调，棉铃库强度降低，产量较低，只有合理的施氮量才能增加棉花产量，这与前人研究结果一致[17]。