不同配肥模式下滴灌棉花氮素吸收利用规律

2020-10-20阮世进任江静王艺晗印彩霞马露露

新疆农业科学 2020年10期

阮世进，吕新，刘阳，任江静，王艺晗，印彩霞，马露露，张泽

(石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832000)

0 引言

【研究意义】2018年新疆棉花实播面积为230.47×104hm2(3 457万亩)，同比增长2.2%，其种植面积占全国总面积的比例为70%，是我国最大的优质商品棉生产基地。滴灌是目前干旱缺水地区最有效的一种节水灌溉方式，滴灌条件下施用氮肥能够增加叶片叶绿素含量、促进光合速率，并且滴灌施肥能使肥效加快，养分利用率提高，既可节约氮肥又可保护环境[1]。以N-W-N的滴灌水肥配施模式为基础，在滴灌棉花不同生育时期开展小区试验，研究不同施肥时段对氮素吸收利用的影响，分析滴灌棉花生长需求的最佳配肥时段，建立滴灌棉花不同生育时期的追肥制度，为提高滴灌棉花氮素利用效率提供理论和技术支撑。【前人研究进展】滴灌技术在新疆大面积推广以来，滴灌棉花的产量和氮素利用率得到显著提高[2]。滴灌棉花早期的生长受水分与养分及其耦合效应的影响[3];而棉花后期生长发育主要受水、肥等土壤养分的影响[2]。合理的氮肥运筹不仅减少盐分对作物生长和产量的不利影响[4]，也减少因过量施氮造成的环境污染[5]。目前我国棉花氮肥利用率仅为30%～40%[6]，与发达国家氮肥利用率60%相比仍有较大差距，棉花生产中合理的氮肥运筹不仅可以提高棉花的产量和品质，还可以提高氮素的利用效率，减少因过量施氮造成的环境污染[7]。棉花对氮素的吸收利用受水肥条件的影响很大，侯振安等[8-9]研究表明，不同的施肥策略显著影响棉花氮素的吸收量，氮肥在一次灌溉施肥的前期施用有利于提高氮肥的利用率，减少氮肥淋洗损失。张国龙等[10]研究表明，棉花氮素吸收量和产量受施肥模式的影响，N-W-N 处理质量含水率分布呈中间多两端少的趋势，施肥过程的前期和后期施氮肥中间1/3时间灌水(N-W-N)，能够调节土壤水，使氮素集中分布在 30～40 cm 土层利于棉花根系的吸收保持在中间土层，降低了氮素淋失的风险。能够促进棉花生殖器官的生长发育，加植株全氮在生殖器官中的分配量，显著提高氮素的利用效率，而达到增加产量的效果。【本研究切入点】陶垿[11]研究不同滴灌施肥方式下，土壤硝态氮分布及棉株氮素利用率，在不同的施肥模式之间,N-W-N模式下的滴灌棉花氮素吸收总量高于其他的施肥模式;且N-W-N施肥模式下花铃中全氮含量占植株总氮量的比例最大、籽棉产量高于其他施肥模式,且差异性明显。N-W-N施肥模式能够通过增加滴灌棉花氮素的吸收量和调节氮素在棉株体内的运移分配来提高氮肥的利用效率,实现棉花增产。【拟解决的关键问题】在滴灌大田试验，研究N-W-N模式下不同配肥时段,即W1(1/3时间浇水，1/3时间施肥，1/3时间浇水)处理、W2处理、W3处理、W4处理对滴灌棉花氮素利用率的影响，分析在高产下对N-W-N模式下不同配肥时段的灌溉技术进行优化。分析滴灌棉花不同生育时期的最佳配肥时段，优化滴灌棉花追肥制度，为滴灌棉花氮肥高效利用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2018年4～10月在新疆石河子市北泉镇145团场进行(E86°01′，N44°26.5′)，该地海拔429 m，年日照时数为2 721～2 818 h，无霜期为168～171 d，≥0℃的活动积温为4 023～4 118℃，≥10℃的活动积温为3 570～3 729℃，属典型的温带大陆性气候，冬季长而严寒，夏季短而炎热。土壤质地为壤土，0～20 cm土层有机质含量19.13 g/kg，碱解氮50.8 mg/kg，速效磷19.8 mg/kg，速效钾160.1 mg/kg，田间持水量29.6 g/m3，耕层土壤容重为1.43 g/cm3，作物为棉花品种新陆早50号。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

小区设计为1膜6行，种植行距配置模式为610+66+10+66+10(cm)，膜宽2.05 m，膜间距0.5 m，单因素设计，以N-W-N的水肥配施制度下进行研究从而建立棉花追肥制度(W表示滴水，N表示滴肥液)，采用完全随机区组设计，，4个配肥梯度，即W1(1/3时间施肥，1/3时间浇水，1/3时间施肥)、W2(1/2时间施肥，1/4时间浇水，1/4时间施肥)、W3(1/4时间施肥，1/4时间浇水，1/2时间施肥)、W4(1/4时间施肥，1/2时间浇水，1/4时间施肥)，每处理重复3次，以及空白对照，分为13个试验小区，模拟试验同步进行。4月覆膜播种，整个棉花生育期分4次追施氮肥，9月底收获。图1

图1 小区设计

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 棉花各器官全氮测定及棉花全氮

分别在棉花花铃期、盛铃期、吐絮期采集植株地上部样品，每个小区取3株长势均一的棉花植株，在室内分器官(茎、叶、花蕾、花铃)将植株分开，105℃杀青30 min后于烘箱中80℃烘干至恒重，称量并记录干物质重。烘干的植株样经粉碎后过0.5 mm筛，待测，选取经过烘干磨细预处理后的植株叶片0.100 0 g，采用H2SO4-H2O2消煮，用凯氏定氮法获取棉花各器官全氮含量。公式为：

全氮=C(V-V0)×0.014×D×1 000/m.

注：V1为样品测定所消耗标准酸体积(mL)；V0为空白试验所消耗标准酸体积(mL)；C表示标准酸的当量浓度(mol/L)；14表示氮原子的摩尔质量(g/mol)；100表示第1次定容体积(mL)；10表示吸取体积(mL)；m为棉株样本各器官的质量(g)

1.2.2.2 氮肥利用率

氮肥农学利用率(g/g)=(施氮棉花植株籽棉产量-不施氮棉花植株籽棉产量)/施氮量;

氮肥偏生产力=施氮区产量/施氮量。

1.3 数据处理

运用Microsoft Excel2010软件进行数据计算和SigmaPlot12.5作图，采用SPSS19.0软件进行方差分析和差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同配肥时段对棉花全氮吸收的影响

研究表明，不同处理下棉花对氮素吸收量随生育期增长而逐渐降低，在棉花吐絮期的测量中发现在各个处理下的棉花植株全氮量出现2次高峰的现象。W1处理下的棉花氮素吸收影响效果在棉花生长发育后期明显高于其他各处理，在棉花发育前期和后期W3处理下的对滴灌棉花氮素的吸收量都相对其他处理较低，在花铃期(7月14日)、铃期前期(7月20日)、盛铃期(7月24日)都表现出W2处理下对滴灌棉花氮素的吸收影响效果的优越性，对比的生育前期各阶段配肥方式对氮素吸收的影响均不同，表现为W2>W4>W1>W3，W2处理对滴灌棉花氮素的吸收效果最佳，W3处理对滴灌棉花氮素的吸收效果相对最差。

在盛铃期(7月31日、8月5日)时，均没有表现出在各自生长时期下应有处理的优越性，可能是与因为生育前期向生育后期的转换，使W2处理在生育后期失去了在前期的优越性，而W1处理还没有表现出滴灌棉花生长后期的优越性。在棉花生育后期的铃后期(8月10日、8月15日)、吐絮期(8月20日)W1处理均表现出对滴灌棉花氮素吸收的优越性，滴灌棉花氮素的吸收量表现为W1>W3>W4>W2。棉花盛铃期(8月5日)W3方式对氮素吸收效果最佳，但吐絮盛期及吐絮后期W1方式对氮素吸收效果最佳。图2

图2 不同处理下各生育时期的棉花植株全氮

不同处理下棉花对氮素的吸收量随生育期的增长而逐渐降低，在花铃期(7月14日)、铃前期(7月20日)、盛铃期(7月31日)时，各处理之间的滴灌棉花氮素的吸收影响效果显著性差异不明显。在铃前期(7月20日)，W1处理下对滴灌棉花氮素的吸收影响效果最佳。在滴灌棉花生长发育前期，W1处理下的滴灌棉花氮素的吸收影响效果最佳。

在铃后期(8月10日、8月15日)、吐絮期(8月20日)W1处理下对滴灌棉花氮素的吸收影响效果最佳，W4处理下对滴灌棉花氮素的吸收影响效果最差,盛铃期(8月5日)表现出W3处理最佳。在滴灌棉花生长发育后期，W1处理表现出了滴灌棉花氮素的吸收影响效果最佳，W4处理下的滴灌棉花氮素的吸收影响效果最差。

在滴灌棉花生长发育过程中，均表现出W1处理下滴灌棉花氮素吸收效果的优越性，W4处理下的滴灌棉花氮素的吸收影响效果最差。表1

表1 不同处理下各生育时期之间植株全氮指标变化

2.2 不同配肥时段对棉花氮素分配规律影响

2.2.1 茎

研究表明，茎的氮素吸收量在滴灌棉花生长发育整个生育时期表现为随生育期的增加而降低，在后期处于相对平衡状态。在滴灌棉花生长发育前期，对氮素的吸收量表现出W4>W3>W2>W1，W4处理下的茎的氮素吸收影响效果最佳，W1处理下的茎的氮素吸收影响效果最差。在滴灌棉花生长发育后期，对氮素的吸收量表现出W1>W2>W3>W4，W1处理下的茎的氮素吸收影响效果最佳，W4处理下的茎的氮素吸收影响效果最差。

2.2.2 花蕾

研究表明，花蕾的氮素吸收量在滴灌棉花生长发育前期表现为随生育期的增加而下降，在后期处于相对平衡状态。在滴灌棉花生长发育前期，对氮素的吸收量表现出W1>W2>W3>W4，W1处理下的花蕾的氮素吸收影响效果最佳，W4处理下的花蕾的氮素吸收影响效果最差。在滴灌棉花生长发育后期，对氮素的吸收量表现出W1>W3>W4>W2，W1处理下的花蕾的氮素吸收影响效果最佳，W2处理下的花蕾的氮素吸收影响效果最差。

2.2.3 叶

研究表明，叶的氮素吸收量在滴灌棉花生长发育整个生育时期表现为随生育期的增加而先升高后降低。滴灌棉花生长发育前期，对氮素的吸收量表现出W1>W2>W4>W3，W1处理下的叶的氮素吸收影响效果最佳，W3处理下的叶的氮素吸收影响效果最差。在滴灌棉花生长发育后期，对氮素的吸收量表现出W2>W1>W4>W3，W2处理下的叶的氮素吸收影响效果最佳，W3处理下的叶的氮素吸收影响效果最差。

2.2.4 花铃

研究表明，花铃的氮素吸收量在滴灌棉花生长发育整个生育时期表现为随生育期的增加而降低。在滴灌棉花生长发育前期，对氮素的吸收量表现出W2>W4>W1>W3，W1处理下的花铃的氮素吸收影响效果最佳，W3处理下的花铃的氮素吸收影响效果最差。在滴灌棉花生长发育后期，对氮素的吸收量表现出W1>W3>W4>W2，W1处理下的花铃的氮素吸收影响效果最佳，W2处理下的花铃的氮素吸收影响效果最差。

滴灌棉花的含氮量随生育期呈递减趋势，不同处理下棉花各器官对氮素的吸收量均随生育期的增长而逐渐降低。在滴灌棉花生长发育前期，W1处理下对茎、花蕾、叶以及花铃等滴灌棉花器官的氮素吸收影响效果最佳。在滴灌棉花生长发育后期，W1处理下对茎、叶以及花铃的氮素吸收影响效果最佳，对花蕾的氮素吸收影响效果最佳的是W3处理，但花蕾的氮素吸收在滴灌棉花生长后期是不需要的。

在滴灌棉花生长发育时期，W1处理下的滴灌棉花各器官氮素的吸收影响效果最佳，前期W3处理下不利于滴灌棉花各器官氮素的吸收，后期W2处理下不利于滴灌棉花各器官氮素的吸收。表2

表2 不同处理下各生育时期之间含氮量指标变化

整株棉花的含氮量随生育期呈递减趋势，不同处理下除花蕾外棉花各器官对氮素的吸收量均随生育期的增长而逐渐降低，在棉花生育后期中各器官都出现了2次高峰，花蕾对氮素的吸收量表现出先升高后降低再升高再降低的状态。叶片中氮素含量所占比例最高，花蕾中氮素仅次于叶子中的含氮量，铃中的含氮量有比花蕾的低但比茎秆中的高，茎秆中的含氮量所占的比例最少，整体表现为叶片>铃>花蕾>茎秆。图3

图3 不同配肥时段对棉花氮素各器官分配规律

2.3 不同配肥模式对滴灌棉花氮素利用率的影响

研究表明，用360 kg/hm2的纯氮处理和N-W-N灌溉模式下设置不同灌溉时段处理，W1和W3的氮肥农学利用率和氮肥偏生产力均较高，W2和W4处理下的氮肥农学利用率和氮肥偏生产力均相对较低，其各处理间的氮肥农学利用率和氮肥偏生产力都表现为W1>W3>W2>W4,且W1处理下相比其他处理更好，W1处理下的滴灌棉花对氮素的吸收是最好的与通过对不同配肥时段对棉花氮素分配规律影响研究分析发现，W1处理与其他各处理差异显著，优于其他处理，茎秆、叶片和花铃都在W1处理下的含氮量与其他处理呈明显差异优于其他处理，W1处理下的棉花各器官对氮素的吸收是最好的。W1处理下的棉花产量也是最高的，在N-W-N滴灌灌溉模式下，由W1处理即1/3时间的氮水混合放在1/3时间放纯水最后在1/3时间的氮水混合放这样的灌溉模式会使棉花更有利于吸收更多的氮素，收获相比之下的最高产量。表3

表3 不同处理下棉花氮素利用效率

3 讨论

3.1 滴灌棉花氮素吸收量和产量受不同配肥模式的影响

W1(1/3时间施肥，1/3时间浇水，1/3时间施肥)在前期更有利于促进棉花生长发育，增加棉花生殖器官中的植株全氮的量，还增加了单株棉花的铃数，从而提高了氮素的利用效率，从而达到相对增产的效果；这与肖丽等[12]对氮肥滴灌施肥策略显著影响棉花的产量一致的研究，陶垿等[11]通过对滴灌施肥策略对棉花氮素利用率和产量影响研究发现的N-W-N(在1次施肥过程的两端施氮肥，间1/3时间灌水)在前期更有利于促进棉花营养器官的生长发育，增加植株全氮在生殖器官中的分配量，显著提高氮素的利用效率，而达到增加产量的效果与研究的棉花氮素吸收利用和产量最高的N-W-N模式下的最优配肥时段是W1(1/3时间施肥，1/3时间浇水，1/3时间施肥)处理相符。

3.2 不同配肥模式对滴灌棉花各器官氮素吸收和产量有着显著的影响

张泽等[13]研究发现，同种质地下棉花各器官全氮含量在铃期之前表现为叶>花蕾>茎; 铃期之后表现为叶> 铃>茎，棉花全生育期氮素积累总量随着生育期的推移而增加，在棉花花铃期达到最高，不同生育阶段，棉花各器官内的氮素水平不同[6]。试验结果表明，叶片中氮素含量所占比例最高，花蕾中氮素仅次于叶子中的含氮量，花铃中的含氮量有比花蕾的低但比茎秆中的高，茎秆中的含氮量所占的比例最少，整体表现为叶片>铃>花蕾>茎秆。W1处理下平均实收产量为 361.23 kg/667m2，比最低产量W4处理的实收产量336.07 kg/667m2高了25.16 kg/667m2，增加了7.49%；W1处理下的滴灌棉花全氮含量和氮素吸收量与氮肥利用效率高于其他处理。与张国龙等[10]研究不同的施肥方式影响棉花产量和植株全氮含量，变量施肥方式的平均实收产量为410.83 kg/667m2，比压差式施肥的产量增加了5.27%，尤其是N-W-N施肥模式前者比后者实收产量增加了7.58%相符。多项研究表明，棉花产量受多种因素影响，水肥在灌溉条件下作用显著并存在报酬递减效应[14]。李新伟等[15]通过对不同氮水平下棉花的产量效应研究认为，施氮量与棉花产量之间的关系可根据一元二次方程拟合回归方程与研究结果相符。

3.3 对不同配肥模式下滴灌棉花的氮素利用率

侯秀玲等[16]研究表明，随氮肥投入量的增加其氮肥表观利用率降低，土壤供氮能力没有变化，在达到棉花最佳施肥量后继续增加氮肥投入，氮肥对棉花产量的贡献下降，而造成氮素挥发、淋溶等损失，环境被污染。有研究表明，大于 300 kg/hm2的中高量氮肥投入能增加土壤无机氮的积累，土壤无机氮富集，土壤氮素盈余及氮肥损失量随氮肥量的增加而增加，过量投入氮肥会加剧土壤氮素损失而增大面源污染的风险[17]。W1处理下的氮肥农学利用率和氮肥偏生产力均高于其他各处理，在W1处理下的滴灌棉花的氮素利用率最佳，以达到高产和节肥的统一。