不同水氮處理對北疆棉花生長特性及產量的影響

忠智博，翟國亮，鄧 忠，蔡九茂，谷少委，王國棟

(1. 中國農業科學院農田灌溉研究所/農業農村部節水農業重點實驗室，河南 新鄉 453002;2. 中國農業科學院研究生院，北京 100081; 3. 新疆農墾科學院農田水利與土壤肥料研究所，新疆 石河子 832000)

0 引 言

新疆地處內陸干旱區，降水稀少，蒸發強烈，鹽堿土分布廣泛，水資源嚴重匱乏[1]。為保證新疆棉花的增產增收, 發展節水灌溉技術是必由之路，膜下滴灌技術則是目前最為有效的節水灌溉方式。眾多國內研究結果表明，膜下滴灌技術具有省水、省肥、省工的特點，而且在提高棉花產量和改善品質方面也具有顯著的作用[3]。針對這項技術，以往研究主要集中在棉花全生育期合理灌溉制度的探究。石巖等[4]研究認為棉花全生育期灌水4～6 次，灌水定額20 m3/hm2，灌溉定額80～120 m3/hm2的灌溉制度，是一管多行的高產灌溉模式。姚寶林等[5]和黃曉敏等[6]研究了棉田的土壤鹽分時空變化規律，也得出了適合棉花生長的灌溉定額和灌水次數。張燕等[7]研究認為灌溉水量顯著增加了棉花葉片，莖稈和棉鈴質量，從而增加了干物質量和籽棉產量，同時灌溉水量顯著增加氮累積量和氮肥利用率。吳立峰等[8]認為當灌水量在80%ETC，施肥量在250-100-50 kg/hm2時，可以獲得較高的籽棉產量，并且水分利用效率達到最大。邢小寧[9]等認為增加灌水量和灌水次數可以促進棉花營養生長，相同灌水量下，灌水16次比灌水12次更有利于棉花生殖器官的形成。

盡管有關棉田灌溉制度和施肥策略的研究較多，但在不同區域膜下滴灌技術所選用的灌溉制度和施肥策略也不同，主要體現在灌水施肥量和灌水施肥次數。本文在以往研究基礎上，降低水氮施量的范圍和水氮施用次數，研究不同水氮施量對棉花的生長特性及產量的影響，以期為北疆地區棉花膜下滴灌技術的發展提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2018年4-10月在農業部作物高效用水石河子科學觀測實驗站(45°38′N，86°09′E)進行，該區域具有典型干旱半干旱大陸性氣候，降水稀少、空氣干燥、光熱集中，年平均降雨量204 mm，蒸發量1 742 mm左右，年均氣溫8.6 ℃。試驗田土壤質地為灌耕灰漠土， 0～20 cm土層內有機質含量平均為7.14 g/kg，堿解氮含量34.30 mg/kg，速效磷含量18.08 mg/kg，速效鉀含量130.46 mg/kg，土壤pH值8.2，0～40 cm土壤體積質量均值1.4 g/cm3，田間質量持水率17.7%。棉花生育期內降雨量為109.4 mm，平均溫度為23.4 ℃；單日降雨量除5月7日(13.9 mm)和5月24日(20 mm)外，均未有超過10 mm的降雨。

1.2 試驗設計

供試棉花品種為“新陸早60號”，采用膜下滴灌技術，覆膜寬2.05 m，小區長14 m，播幅2.3 m，小區面積102 m2。采用內徑16 mm的聚乙烯樹脂內鑲式薄壁迷宮滴灌帶，滴頭流量為2.0 L/h，滴頭間距為20 cm，小區灌水量以水表讀數為依據。根據當地傳統棉花種植模式，播種、覆膜和滴灌帶鋪設一次性完成，采用1膜3管6行種植方式，即1膜種植6行棉花。

試驗采用二因素完全隨機設計，根據北疆棉花生育期需水需肥特性，設置灌水量4個水平(W1:5 250 m3/hm2、W2:4 500 m3/hm2、W3:3 750 m3/hm2和W4:3 000 m3/hm2)和施氮量3個水平(N1:300 kg/hm2、N2:262.5 kg/hm2和N3:225 kg/hm2)，磷、鉀肥各處理施量相同，總量為180 kg/hm2，氮、磷、鉀3種肥料全部作為追肥滴施。灌水次數、3種肥料的滴施次數和比例見表1。所施肥料為：尿素(N≥46%)、磷酸氫二銨(N 12.2%，P2O543.7%)、硫酸鉀肥(K2O 83%)，均采用壓差施肥罐隨水滴施，自現蕾期開始控制灌水施肥。試驗共計12個處理，每個處理3次重復，總計36個小區。其他管理同一般大田。

表1 棉花各生育期灌水施肥次數和比例

1.3 測定項目與方法

株高和莖粗。在蕾期，開花期，花鈴期和盛鈴期，每個小區隨機取5株長勢均勻植株，采用卷尺測量株高(子葉節至主莖頂端的高度)，采用游標卡尺測量莖粗。

葉面積指數(LAI)。采用干重法，在盛蕾期，盛花期和盛鈴期，每小區取3株植株，將所有植株的葉片取下，采用試驗打孔器(直徑為1.5 cm)進行打孔，將打孔葉片和未打孔葉片分別裝袋，放入烘箱烘干稱重。公式為：葉面積=打孔葉片數×單孔面積÷打孔葉片干重×(打孔葉片干重+未打孔葉片干重)，3株植株葉面積的平均值即為該小區單株葉片總面積。計算葉面積指數(LAI)[8]：葉面積指數=葉片總面積/所占土地面積 。式中：所占土地面積=出苗率×膜長×株距/棉花行數，出苗率將在出苗后觀測，用已出苗穴數除以全部穴數得到。

干物質量。在盛蕾期，盛花期和盛鈴期，每個小區隨機取3株長勢均勻的植株，以子葉處為界取植株地上部分，裝入紙袋放入烘箱在105 ℃下殺青30 min，80 ℃下烘干至恒重并用電子天平稱重。各小區平均干物質量為3株棉花干物質量的平均值。

棉花產量。試驗采用實產數據，分小區人工拾測，并記錄各小區棉花總質量，最終換算為公頃產量。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel2010和SPSS25.0分析，對不同指標先得出小區內平均值，然后利用3個重復，對二因素進行方差分析，如果差異顯著(P<0.05)，則進行Duncan比較。

2 結果與分析

2.1 不同水氮施量對棉花株高的影響

不同水氮施量對棉花株高的影響見圖1。從不同施氮處理來看，相同灌水水平下，3種施氮處理的株高始終表現為N1>N2>N3。且在W1處理下，N1處理的棉花株高顯著高于N2和N3處理(p<0.05)，但在W2處理下，盛鈴期N2和N3處理的株高無顯著差異，甚至在繼續降低灌水量后，各施肥處理之間的差異性也減小。綜上得出，棉花株高隨施氮量的增加而增加，但降低灌水量后，施肥量對棉花株高的影響也會隨之減少。

圖1 不同水氮施量下棉花生育期株高變化注:圖中同一時期不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同。

從不同灌水處理來看，相同施氮水平下，4種灌水處理的株高均表現為W1>W2>W3>W4。但在花鈴期至盛鈴期，W3和W4處理的株高增長幅度為0.42～1.69 cm，W1和W2處理的增長幅度為1.24～5.38 cm。綜上得出，棉花株高隨灌水量的增加而增長，但灌水量也影響棉花營養生長和生殖生長的協調關系，在花鈴期，較高的灌水量持續促進株高增長，產生“徒長”現象。

總體看，W1N1處理的棉花株高達到最大，隨灌水量和施氮量的降低，棉花株高也逐漸減小。

2.2 不同水氮施量對棉花莖粗的影響

不同水氮施量對棉花莖粗的影響見圖2，在棉花生育期，不同水氮施量下的莖粗變化規律為：盛蕾期到盛花期迅速增長，增長幅度為0.83～2.43 mm，盛花期到盛鈴期增長緩慢，增長幅度為0.63～1.95 mm。從不同施氮處理來看，在棉花盛蕾期，N1處理的莖粗都大于N2和N3處理，到盛花期依然保持此規律，但N2處理的增長幅度大于N1處理，尤其是W3灌水水平下，N2處理的增長幅度最大。在棉花盛鈴期，W1，W2和W3水平下，N1和N2處理的莖粗無顯著差異，但都顯著大于N3處理。綜上得出，棉花莖粗隨施氮量的增加而增加，但不同施氮處理對莖粗的影響較小，增長幅度均不大，其中，N2處理在生育前期更有利于莖粗的增長。

圖2 不同水氮施量下棉花生育期莖粗變化

從不同灌水處理來看，相同施氮水平下，4種灌水處理的莖粗均表現為W1>W2>W3>W4，但是差異較小。圖2中還可以看出，W1，W2和W3處理的莖粗增長較為明顯，而W4處理的莖粗僅在N1施氮水平下增長較大。綜上得出，棉花莖粗隨灌水量的增加而增加，但不同灌水處理對莖粗的影響也較小，其中，W4灌水處理不利于棉花莖粗的增長。

總體看，棉花莖粗隨水氮施量的增加而增加，增加水氮施量可以使莖枝更加粗壯，但不同水氮施量對棉花莖粗的影響差異都不大。

2.3 不同水氮施用量對棉花LAI的影響

不同水氮施用量對棉花LAI的影響如圖3所示。隨著棉花生育期的推移，棉花LAI呈現出不斷增加的趨勢，在棉花盛鈴期LAI達到最大。從不同施氮處理來看，W1灌水水平下，盛蕾期N2處理的LAI顯著大于N1和N3處理，盛花期和盛鈴期N2處理的LAI也較大。W2，W3和W4灌水水平下，各施氮處理的LAI無顯著差異。綜上得出，W1灌水水平下，N2處理更適宜LAI的增長，其他灌水水平下，不同施氮處理對LAI的影響無顯著差異。

不同灌水處理間比較，在相同的施氮量水平下，不同灌水處理的LAI大小均是W1>W2>W3>W4，從圖3中還可以發現，W4處理的棉花LAI顯著低于其他灌水處理。綜上得出，棉花LAI隨著灌水量的增加而增長，但較低灌水量會限制LAI的增長。

總體看，灌水量對棉花LAI的影響效應大于施氮量，且低灌水量和低施氮量都會限制棉花LAI的增長。

圖3 不同水氮施量下棉花生育期LAI變化

2.4 不同水氮施量對棉花地上部干物質量的影響

棉花地上部干物質量可以反映不同水氮施量對光合產物合成和運輸的影響[11]。如表2所示，棉花地上部干物質量隨著生育期的推進不斷地積累。不同施氮處理間比較，在棉花盛蕾期，W1灌水水平下，N2處理的棉花地上部干物質量顯著高于N1和N3處理(p<0.05)。在盛鈴期，不同灌水水平下，N2處理的棉花地上部干物質量都高于N1、N3處理干物質量。綜上得出，N2施氮處理更有利于棉花地上部干物質量的增加。

表2 不同水氮施量下棉花生育期干物質量

不同灌水處理間比較，N1和N2施氮水平下，盛鈴期4種灌水處理的地上部干物質量均表現為W1>W2>W3>W4，說明在較高施氮水平下，地上部干物質量隨著灌水量的增加而增加。從圖4中還可以看出，W1和W2處理的地上部干物質量在盛蕾期至盛花期增長量較大，但在盛花期至盛鈴期增長量減小，而W3和W4處理則相反。分析原因，較高灌水量可以促進棉花地上部干物質量的積累，但是較高灌水量也會導致棉花營養生長與生殖生長不平衡，從而影響盛花期至盛鈴期的干物質增長量。而W3和W4灌水更有利于蕾鈴的形成，并進一步促進地上部干物質量在盛花期至盛蕾期的增長。

由表3可知，在棉花生育期內，施氮量對棉花地上部干物質量的影響都不顯著，而灌水量對棉花地上部干物質量的影響均達到極顯著水平，說明灌水量對地上部干物質量的影響效應大于施氮量。從表中還可以看出，水氮交互作用僅在盛蕾期對棉花干物質量的影響達到極顯著水平，在盛花期和盛鈴期水氮交互作用也不顯著。分析原因，一是盛蕾期地上部干物質量以莖葉為主，而莖葉都隨著水氮施量的增加而增長；二是在盛花期和盛鈴期，營養生長與生殖生長并重，生殖生長逐漸占優，棉花生長對水氮的需求發生變化。

表3 不同生育期棉花干物質量方差分析(F檢驗)

2.5 不同水氮施量對棉花產量及其構成因素的影響

單株鈴數、單鈴質量和衣分是棉花產量的主要構成因子[11]。如表4所示，不同水氮施量對棉花產量及其產量構成因素的影響不同。從施氮處理來看，同一灌水水平下，單株鈴數和單鈴質量在N2處理下達到最大，表明增加或者減少施氮量都不利于單株鈴數和單鈴質量的增加，只有適當的施氮量才能促進單株鈴數、單鈴質量的增加。表3中還可以看出，在W1和W2灌水水平下，N1處理的衣分總是顯著高于N2處理(p<0.05)，并大于N3處理。而在W3灌水水平下，N1處理的衣分和N2處理無顯著差異，甚至在W4灌水水平下，N2處理顯著大于N1和N3處理。表明在較高灌水量條件下，隨著施氮量的增加，衣分也逐漸增長，而降低灌水量后，N2處理更有利于衣分的增長。從灌水處理來看，隨著灌水量的增加，單株鈴數和單鈴質量先增后減，在W3處理下達到最大，且W3處理的衣分高于其他灌水處理，表明適當的灌水量有利于單株鈴數、單鈴質量和衣分的增長。

表4 不同水氮施量下棉花產量及其構成因素

不同施氮處理棉花產量比較，從施氮處理來看，在W1和W2灌水水平下，3種施氮處理的產量表現為N1>N2>N3，且N1處理的產量顯著高于N3處理(p<0.05)。而在W3、W4灌水水平下，3種施氮處理的產量表現為N2>N1>N3，且N2處理的產量顯著高于N1和N3處理(p<0.05)。綜上得出，較高的灌水量條件下，高施氮量有利于產量的增長，但是降低灌水量后，N2處理更有利于產量的提升。從灌水處理來看，同一施氮水平下，W3處理棉花產量高于W1、W2和W4處理，表明W3處理促進了產量的增加，增加或者減少灌水量都不利于棉花產量的增加。在本次試驗中，W3N2處理產量最高，說明適當的灌水量和施氮量相結合能獲得較高的產量。

總體看，不同水氮施量對棉花產量及其構成因素有顯著影響，單株鈴數、單鈴質量和衣分能較好地反映產量，表中W3N2處理的單株鈴數、單鈴質量、衣分和產量都大于其他處理，表明適當的水氮施量相結合，可以更有效地促進棉花的生長。

3 討 論

株高，莖粗和LAI可以有效地反映棉花營養生長的結果，然而，協調好營養生長與生殖生長之間的平衡關系，才能有效促進棉花的產量。有研究表明，灌水量顯著影響株高的增長，施氮量顯著影響莖粗的增長[12]，但是在棉花生長過程中，必須嚴格控制營養生長與生殖生長的平衡。研究發現，較高的灌水量會持續促進株高增長，但降低灌水量后，施肥對株高的影響也會隨之減少，且不同處理的莖粗差異也不大。分析原因，一是較高的灌水量導致棉花產生“徒長”現象，營養生長過盛；二是氮隨水走，降低灌水量也會影響棉花對養分的吸收，但都要根據生育階段合理分配營養生長與生殖生長的關系；三是莖粗變化雖差異不大，但較高的水氮施量更能使莖枝粗壯。還有研究表明，LAI隨著施氮量的增加而增加[13]，這與本研究結果不同，本研究表明，較高灌水量條件下，N2處理更有利于LAI的增長，但降低灌水量后，不同施氮處理對LAI的影響無顯著差異。分析原因，灌水量對LAI的影響效應大于施氮量，水氮交互作用只有在較高灌水量條件下才能有效發揮，降低灌水量后，施氮作用受到灌水量的影響，從而差異性也減小。

棉花各部分生物量的累積能直接反映水氮對作物營養生長和生殖生長的影響，研究表明，棉花地上部干物質積累量隨灌水量的增加而增加，且在高水條件下適度增施氮肥對棉花地上部干物質表現出促進作用[14]。這與本研究結果基本一致，本研究也表明地上部干物質積累量隨著灌水量的增加而增加，且N2施氮處理的地上部干物質積累量都高于其他施氮處理，但較高灌水量也會導致棉花營養生長與生殖生長不平衡，從而影響盛花期至盛鈴期的干物質增長量。分析原因，地上部干物質量主要由莖葉和蕾鈴組成，營養生長階段以莖葉為主，生殖生長階段形成的蕾鈴越多，地上部干物質量也越大，但較高的灌水量會持續促進莖葉的增長，導致生長不平衡。

單株鈴數、單鈴質量和衣分作為棉花產量的主要構成因子，可以反映棉花產量的高低。有研究表明，適宜的施氮量通過增加單株鈴數和單鈴質量提高了棉花產量以及適宜的水氮供應能增加衣分[15]，這與本研究結果一致。本研究表明，在水氮共同作用下，W3N2處理(灌水量3 750 m3/hm2，施氮量262.5 kg/hm2)棉花的產量、單株鈴數、單鈴質量均達到最大。文中研究發現，棉花的營養生長和生殖生長在不同生長階段占比有所不同，可能是由不同的根系吸肥能力導致，為了提升根系對氮肥的吸收能力，將來可以研究不同施肥時段在各生長階段對根系吸肥能力的影響。

4 結 論

(1)隨著灌水量和施氮量的增加，棉花株高和莖粗呈現逐漸增長的趨勢。低灌水量(W4處理)和低施氮量(N3處理)限制棉花株高和莖粗的增長。其中，灌水量和施氮量對棉花莖粗的影響都不顯著，各處理間莖粗差異不大。

(2)灌水量對棉花LAI和地上部干物質量的影響效應大于施氮量。棉花LAI和地上部干物質量隨著灌水量的增加而增加，適當的施氮量更有利于LAI和地上部干物質量的增加。

(3)適當的灌水量和施氮量有利于單株鈴數、單鈴質量的增加。適當的灌水量或者增加施氮量能促進衣分增加。較高的灌水量條件下，高施氮量有利于產量的增長，但是降低灌水量后，適當的施氮處理更有利于產量的提升。當灌水量為3 750 m3/hm2，施氮量為262.5 kg/hm2時，棉花單株鈴數和單鈴質量均達到最大，也獲得了較高的棉花產量。因此，灌水量為3 750 m3/hm2，施氮量為262.5 kg/hm2可作為最優水氮施量組合。