水氮施量對膜下滴灌棉花生長及水氮分布的影響

忠智博，翟國亮，鄧忠*，蔡九茂，谷少委，王國棟

水氮施量對膜下滴灌棉花生長及水氮分布的影響

忠智博1,2，翟國亮1，鄧忠1*，蔡九茂1，谷少委1,2，王國棟3

（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）

【】探究北疆地區膜下滴灌棉花最優水氮施量及土壤水氮分布特征。采用二因素完全隨機試驗，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），研究了不同水氮施量對植株形態、土壤含水率分布及土壤氮素分布的影響。施氮量對植株形態指標的影響程度低于灌水量，但植株形態指標不能反映產量；棉花盛蕾期，表層土壤含水率較低，直至盛花期，表層土壤含水率穩定在20%左右。且灌水量為3 750 m3/hm2時，更有利于土壤保持濕潤，并且向深層流失的水分較少；0～20 cm土層內硝態氮和銨態氮量相對較高，隨著灌水量和施氮量的增加，氮素向深層土壤的淋移程度不斷增加，當施氮量為262.5 kg/hm2時，根系層內的硝態氮含量相對較高，尿素轉化的銨態氮也更多；當施氮量為262.5 kg/hm2，灌水量為3 750 m3/hm2時，棉花產量達到最大，為6 460.5 kg/hm2。施氮量為262.5 kg/hm2，灌水量為3 750 m3/hm2，可作為該地區最優水氮施量組合。

膜下滴灌；植株形態；含水率；土壤硝態氮；土壤銨態氮

0 引 言

新疆是中國最大的棉花種植區，在總產、單產、質量等方面位居全國第一[1]。棉花是當地主要耗水作物[2]，但極度干旱的氣候環境造成當地水資源短缺[3-4]，水資源稀缺和土壤貧瘠導致棉花低產[5]。研究表明，避免缺乏水肥而產生協同效應是提高產量的關鍵因素[6]，還有研究指出過度灌溉是導致缺水地區的水分和養分利用率低下的原因之一[7]，但一些地區仍將過度的施肥灌溉作為傳統農業生產手段[8]。因此，無論是灌溉，還是施肥，都應該遵循合理的制度，過度和不足均會導致負面效應。有研究認為，經過優化后的水肥制度可以最大限度地提高水和肥料的使用效率和作物產量[9]，并且可以通過適當的氮供應來提高水分利用效率[10]，而如何確定適宜的施氮量是關鍵[11]。即便是施肥量的細微差異，也會對作物產量和土壤中的養分產生不同的影響[12]，只有合理的水肥管理措施才能確保水肥利用的持續高效[13]。因此，采用合理的節水節肥技術，是實現農業可持續發展的重要手段[14]。

高效利用灌溉水是干旱地區農業可持續發展的關鍵所在[15]，研究表明，滴灌相比溝灌更有利于提高水分利用率，促進棉花生長[16]。在干旱地區，滴灌確實具有較大的節水潛力[17-18]，作物在滴灌條件下的水分利用效率更高[19]，并且能使水肥同步到達作物根區，使作物對養分的吸收更加高效[20-21]。而且滴灌還具有低流量、高頻率、長時間施水的特點[22]，可以使施肥更加均勻。新疆棉田應用最為廣泛的是膜下滴灌技術，也就是滴灌技術結合覆膜種植，覆膜能有效保持土壤水分、調節土壤溫度、控制雜草和提高水分利用效率[23]。針對膜下滴灌技術，前人研究了不同水肥條件下的水分利用效率和肥料利用率[24-29]，還研究了不同施肥策略下的水氮鹽運移規律以及氮素的累積殘留等[30-42]。然而，在不同的生育階段，大田棉花營養生長與生殖生長之間的協調以及土壤中水分和養分的保持均與水氮施量有關，將棉花生長與土壤水氮分布共同分析，更能體現最優水氮施量的合理性。為此，本研究將在棉花不同生育階段通過監測棉花生長特征及不同水氮施量下的土壤含水率和氮素分布規律，探索北疆膜下滴灌條件下最為合理的水氮施量組合。以期為新疆膜下滴灌棉花科學的水氮管理提供理論依據和技術支撐。

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 ℃。試驗田土壤質地為砂壤土（見表1），0～20 cm土層有機質量平均值為7.14 g/kg，堿解氮量34.30 mg/kg，速效磷量18.08 mg/kg，速效鉀量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。該試驗地于上年11月進行傳統翻耕，作業深度30 cm，來年春季進行土地平整。之后，根據當地棉花種植模式，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。

表1 試驗地粒徑組成

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2。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%），均采用壓差式施肥罐隨水滴施，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。

表2 棉花各生育期灌水施肥次數和比例

1.3 測定項目與方法

1）植株形態指標。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，記錄葉片數、果枝數、蕾數和鈴數。

2）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，最終換算為每公頃產量。

3）土壤含水率。在盛蕾期，初花期，盛花期，盛鈴期，分別在灌水2 d后用土鉆采取土樣，每小區取3個點位，取樣點位于滴頭正下方，分別取0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm土層土樣。采用烘干法測定土壤含水率。

4）土壤硝態氮質量濃度。在盛花期和盛鈴期，分別在灌水2 d后用土鉆采取土樣，取樣點位和測定深度與土壤含水率的測定一致。根據GB/T 32737—2016《土壤硝態氮的測定紫外分光光度法》測定土壤硝態氮質量濃度。

5）土壤銨態氮質量濃度。取樣時間、取樣點位和測定深度與土壤硝態氮的測定一致。根據HJ634—2012《土壤氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的測定氯化鉀溶液提取-分光光度法》測定土壤銨態氮質量濃度。

1.4 數據分析

采用Excel2010和SPSS25.0軟件進行數據處理和統計分析，用Excel2010繪圖。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（<0.05），則進行Duncan新復極差法比較。

2 結果與分析

2.1 不同水氮施量對棉花生長及產量的影響

不同水氮施量下的棉花生長及產量特征如表3所示。

表3 不同水氮施量處理棉花生長情況及產量

由表3可以看出，相同灌水水平下，在盛蕾期和盛鈴期，不同施氮量處理的葉片數均無顯著差異。盛鈴期，N2處理的果枝數總是大于N1和N3處理，但差異也不顯著。棉花蕾數在盛蕾期雖已較高，但是直至盛花期，蕾數仍在增長。在W1灌水水平下，N1和N2處理的鈴數顯著大于N3處理，但在W3和W4灌水水平下，各施氮處理的鈴數差異均不顯著。還可以發現，N2處理的產量總是顯著高于N3處理，且在W3灌水水平下，N2處理的產量顯著高于N1處理。綜上得出，在盛鈴期，相同灌水處理下，不同施氮處理對葉片數、果枝數無顯著影響；在W1灌水水平下，N3處理不利于鈴數的增長，降低灌水量后，各施氮處理的鈴數無顯著差異；最終產量在N2施氮處理下更為顯著。

不同灌水處理間比較得出，W1和W2處理下的葉片數、果枝數、蕾數和鈴數均明顯大于W3和W4處理，且W1、W2和W3處理下，鈴期的蕾鈴數之和小于花期，而W4處理下，盛鈴期的蕾數還在繼續增長，說明灌水量對棉花生長有顯著的影響，灌水量較高時，棉花的營養生長過盛，并在鈴期提前開始蕾鈴的脫落，而較低灌水量處理下的棉花營養生長與生殖生長則更為協調。此外，W3處理下的棉花產量明顯高于W1和W4處理，但與W2處理差異不大，說明較高或者較低的灌水量都不利于增產，適當的灌水施肥更有利于作物吸收養分，最終形成產量。

產量及不同生長階段棉株形態指標的方差分析見表4。由表4可知，水氮交互作用對棉花產量的影響不顯著，但灌水處理和施氮處理的主效應均顯著。施氮處理在各生育階段對棉株形態指標的影響均不顯著。盛蕾期，灌水處理對葉片數的影響極顯著，水氮交互作用對果枝數和蕾數的影響顯著；盛花期，灌水處理對葉片數、果枝數和蕾數影響顯著，且水氮交互作用對葉片數的影響極顯著；盛鈴期，灌水處理對果枝數和鈴數的影響極顯著，且水氮交互作用對蕾數和鈴數影響顯著。綜上得出，灌水處理對植株形態指標的影響效應大于施氮處理，其中，水肥交互作用在盛蕾期促進了果枝和蕾的增長，在盛花期促進了葉片增長，在盛鈴期促進了蕾和鈴的增長，這也清晰的表明棉花各生育期營養生長與生殖生長之間的協調。

表4 產量及不同生長階段棉株形態指標方差分析

注>0.05表示差異不顯著；0.01 <<0.05表示差異顯著，用*表示；<0.01表示差異極顯著，用**表示。

Note>0.05 means the difference is not significant; 0.01<<0.05 means the difference is significant, expressed by *;<0.01 means the difference is very significant, expressed by * *.

2.2 不同水氮施量對土壤含水率分布的影響

圖1中主要體現不同灌水量條件下，棉花不同生育階段下土壤含水率分布情況。在盛蕾期，土壤含水率隨著土層深度的增加而增加，在土壤表層，含水率在10%左右，初花期的表層含水率較盛蕾期增長了7%～11%，直到盛花期，土壤含水率分布范圍趨于穩定，達到了20%左右。不同灌水處理比較得出，W3處理在各生長階段0～40 cm土層的土壤含水率均表現為持平或者上漲的趨勢。但在40～80 cm土層內，初花期和盛花期時，W3處理的含水率分布表現為下降趨勢，而W1和W2處理的含水率仍表現為增長趨勢。同時還發現，在初花期至盛鈴期，W4處理的土壤含水率在20～80 cm土層土壤內均表現為最低，甚至在盛花期后，含水率從表層往下逐漸降低。綜上，W1處理和W2處理會導致水分流失，W4處理的土壤較為干旱，而W3處理在各個時期更有利于保持土壤的濕潤，并且向深層流失的水分較少。

2.3 不同水氮施量對土壤硝態氮分布的影響

圖2為棉花不同生育階段土壤硝態氮分布情況，花鈴期是棉花生長的需水關鍵期。如圖2所示，在花鈴期，相同灌水量條件下，0～20 cm土層硝態氮量相對較高。在盛花期，W1和W2灌水量條件下，N1處理的土壤表層硝態氮量較高，在40～80 cm土層，3種施氮處理的硝態氮量差異不大，說明較高的灌水量條件下，氮肥隨著水分的下滲而流失，土壤所能保持的氮肥較少，較高施氮處理下的硝態氮含量相對較高。W3和W4灌水量條件下，土壤硝態氮量大致表現為N1處理>N2處理>N3處理，其中，N1處理下的硝態氮量在土壤深層累積較多，N3處理在土壤表層量相對較高，而N2處理在0～40 cm土層硝態氮量較大，40～80 cm量減少。由此說明，N2處理在根層內的硝態氮量更高，并且向深層淋移較少，這有利于棉花對養分的吸收。在盛鈴期，土壤硝態氮量隨土層深度的增加表現為先減后增的趨勢，N2處理的土壤硝態氮量在0～80 cm土層均趨于穩定，N1和N3處理波動較為明顯，存在肥力忽高忽低的情況，不利于根系對養分的吸收。綜上，在花鈴期，N2處理的硝態氮分布相對穩定，在根系層內的硝態氮量也相對較高，有利于棉花根系對養分的吸收。

圖1 不同生育階段土壤含水率分布變化

圖2 不同生育階段土壤硝態氮分布變化

2.4 不同水氮施量對土壤銨態氮分布的影響

不同水氮施量對土壤銨態氮分布情況如圖3所示。尿素水解生成銨態氮，少量的銨態氮轉化為硝態氮，在種植作物的土壤中銨態氮量明顯高于土壤硝態氮量[43]。相同灌水量條件下，表層土壤銨態氮量相對較高，這與硝態氮分布規律相似。在盛鈴期，N2處理的土壤銨態氮量大于其他施氮處理，說明在N2處理施氮量條件下，尿素轉化的銨態氮較多，可以被作物吸收利用的氮水平則相對較高，更利于棉花的生長。還發現，在盛花期和盛鈴期，W1處理的土壤銨態氮分布規律大致表現為先減后增的趨勢，說明較高灌水量也會造成土壤銨態氮在深層積累。W4處理的土壤銨態氮量明顯低于其他灌水處理，這可能是由于較低的灌水量導致轉化的銨態氮量減少或者轉化速度減慢。綜上，N2處理能促進棉花對養分的吸收，但過量或較低的灌水量均會導致養分流失，甚至抑制棉花生長。

圖3 不同生育階段土壤銨態氮分布變化

3 討 論

灌水量與施氮量間的相互協調至關重要，水氮的合理調控可以有效協調棉花營養生長和生殖生長的平衡[26]，并保證土壤養分盡可能少的淋洗至根系層以下，提高肥料利用率。研究發現，較高灌水量導致營養生長過盛，葉片過多使株間透氣性降低，從而導致蕾鈴脫落增加[44-45]，最終導致產量下降，這與司轉運等[28]的研究結果相似。由此可見，營養生長過盛并不是形成產量的有利因素，只有通過合理水氮調控，才能有效促進棉花生長，進而提高產量。本試驗中，W3N2處理的水氮施量能有效促進棉花的葉片數、果枝數及蕾鈴數的增長，進而提高棉花產量。可見，當灌水量為3 750 m3/hm2，施氮量為262.5 kg/hm2時，最有利于棉花生長。

不同土質條件下，膜下滴灌棉田土壤含水率的空間結構性不同[46]，土壤含水量、土壤蓄水量也存在差異，黏土明顯強于沙土[47]。播種前，土壤經過深松處理，打破了耕作犁底層，并提升了土壤通透性，在作物生長前半階段土壤含水率偏低[48]。本研究發現，棉花生長前期，土壤表層含水率較低，隨著水分入滲，含水率也逐漸增大，分析原因，一是棉花根系較淺，吸收了淺層水分[49]；二是40～80 cm土層多為犁底層，由于長期受到犁的擠壓和灌水時黏粒隨水沉積所致，土壤結構較為穩定。W4處理的土壤含水率隨土層深度的增加逐漸降低，不能滿足根系層所需的水分，這與王平等[40]的研究結果一致。由此可見，過量或者較低的灌水量都不利于棉花的生長，尤其在棉花生長前期，應合理把控灌水量。

導致土壤氮素淋移的主要因素包括土壤中氮濃度較高[37]、過量灌溉[40]及土壤質地[43]。有研究表明，土壤硝態氮分布主要集中在40～60 cm土層[36]，這與本研究結果相悖。本研究中，0～20 cm土層硝態氮和銨態氮含量相對較高，分析原因，一是灌水量對銨態氮和硝態氮影響顯著，增加灌水有利于銨態氮的形成[50]，進而促進了硝態氮的轉化；二是棉花生育期，耕層銨態氮含量明顯高于深層[51]；三是尿素要在土壤脲酶的作用下水解為銨離子才能被植物吸收利用，但產生肥效慢，需要一定的時間[52]。W1處理的土壤銨態氮分布規律大致表現為先減后增的趨勢，分析原因，一是增加灌水量，促進了氮素在土壤中的移動，同時銨態氮的轉化也會發生在土壤深層；二是尿素肥料會隨灌水向下層土壤移動，且土壤質地越黏重，對銨態氮的吸附力越強[53-55]，該試驗土質則表現為隨著土壤深度的增加，黏粒占比逐漸大于砂粒?；ㄢ徠冢寥赖谋Ｋ在呌诜€定，土壤中的硝態氮和銨態氮也能很好地被作物吸收利用，但N1處理的氮素仍在深層累積較多，應適當減少施氮量，盡量控制氮素在根系層供棉花吸收利用。

研究表明長期進行肥力試驗，才能闡明土壤與作物之間的聯系[20]。田間試驗中，土壤結構及其肥力狀況易受到環境的影響，為確定土壤質地的變化特征、棉花根系吸水特性及高效的灌溉施肥方案，有必要長期監測土壤的物理化學特性，進而確定合理有效的灌水量和施氮量組合。棉花生長特性及水氮分布特征可以有效地體現灌水施肥的優劣之處，因此，須長期進行此類研究。

土壤中氮素的分布特征影響著棉花對養分的吸收[44]，不同深度的土壤氮素分布特征不但受到施氮量的影響[45]，而且與施肥時段有關[31]。因此，還需要進一步開展不同施肥時段對棉花生長及水氮分布影響的田間試驗，并結合土壤質地情況，合理有效地進行灌水施肥。

4 結 論

1）灌水處理對棉花生長及產量的影響效應大于施氮處理，在較高灌水處理下，葉片數、果枝數、蕾數和鈴數都相對較高，但植株形態指標不能反映產量，營養生長與生殖生長不協調嚴重影響產量的增長。

2）在棉花生長前期，土壤含水率隨著土層深度的增加而增大。盛蕾期表層土壤含水率僅為10%左右，直到盛花期，表層土壤含水率穩定在20%左右。當灌水量為3 750 m3/hm2時，土壤表現較為濕潤，且流失的水分較少。

3）0～20 cm土層硝態氮和銨態氮量相對較高，隨著施氮量的增加，氮素深層淋移程度不斷加深。其中，施氮量為262.5 kg/hm2時，土壤氮素量在各土層分布較均勻，更有利于根系吸收利用，但在灌水量為5 250 m3/hm2時，氮素被大量淋移至根系層以下，并在深層大量累積。因此，合理的水氮調控才能更好地保持土壤中的水分和養分，并協調好營養生長和生殖生長的平衡，促進棉花產量提高。

4）當灌水量為3 750 m3/hm2，施氮量為262.5 kg/hm2時，不僅棉花的營養生長和生殖生長達到了較好平衡，土壤中的水分和養分也較好地滿足了棉花的生長，并獲得最大產量6 460.5 kg/hm2。

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The Impact of N Application and Drip Irrigation Amount on Cotton Growth and Water and N Distributions in Soil Mulched with Film

ZHONG Zhibo1,2, ZHAI Guoliang1, DENG Zhong1*, CAI Jiumao1, GU Shaowei1,2, WANG Guodong3

(1. Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Institute/ Key Laboratory of Water-saving Irrigation Engineering, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Xinxiang 453002, China; 2. Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 3. Institute of Water and Soil Fertilizer, Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation Sciences, Shihezi 832000, China)

【】The purpose of this paper is to experimentally determine the optimal water and nitrogen application for cotton grown in soil mulched with film and under drip irrigation.【】The experiment was conducted with four irrigation amounts: W1:5 250 m3/hm2,W2:4 500 m3/hm2,W3:3 750 m3/hm2and W4:3 000 m3/hm2; and three nitrogen applications: N1:300 kg/hm2, N2:262.5 kg/hm2and N3:225 kg/hm2. All treatments were organized in the two-factor randomized plots in the field. In each treatment, we measured plant morphology, soil water and soil nitrogen.【】Irrigation amount affected plant morphological traits more than nitrogen application, but the morphological traits were not closely related to cotton yield. Water content in the top soil decreased asymptotically to 20% from the budding stage to the flowering stage. It was found that irrigating 3 750 m3/hm2of water was the best comprise to keep soil moist while not losing too much water to percolation. Nitrate and ammonium content in the top 0~20 cm soil was comparatively high, and with increase in irrigation amount and nitrogen application, nitrogen leaching increased monotonically. When the nitrogen application amount was 262.5 kg/hm2, nitrate in root zone was comparatively high due to the apparently enhanced nitrification. The yield peaked at 6 460.5 kg/hm2when nitrogen application and irrigation amount were 262.5 kg/hm2and 3 750 m3/hm2respectively. 【】In terms of affecting cotton growth and water and nitrogen distribution in soil, applying 262.5 kg/hm2of nitrogen and irrigating 3 750 m3/hm2of water was optimal for cotton grown in the studied area.

drip irrigation; film mulching; plant morphology; soil water; soil nitrate; soil ammonium

S274.1；S275.6

A

10.13522/j.cnki.ggps.2019154

1672 - 3317（2020）01 - 0067 - 10

2019-08-01

中國農業科學院基本科研業務費項目(Y2018PT72, Y2019LM15)；經濟作物水肥一體化技術模式研究與應用項目(2017YFD0201506)

忠智博（1994-），男，新疆塔城人。碩士研究生，主要從事節水灌溉理論與技術研究。E-mail：zhong2933@126.com

鄧忠（1976-），男，甘肅武威人。副研究員，主要從事節水灌溉理論與技術研究。E-mail：dengzhong1976@126.com

忠智博, 翟國亮, 鄧忠, 等. 水氮施量對膜下滴灌棉花生長及水氮分布的影響[J]. 灌溉排水學報, 2020, 39(1):67-76.

ZHONG Zhibo, ZHAI Guoliang, DENG Zhong, et al. The impact of N application and drip irrigation amount on cotton growth and water and n distributions in soil mulched with film [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(1): 67-76.

責任編輯：韓 洋