優化行管配置和施氮量提高機采棉養分吸收及產量

劉 凱，侯振安，王方斌，孫嘉璘，殷 星

（石河子大學 農學院/新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆 石河子 832003）

0 引 言

【研究意義】新疆作為我國最大的優質商品棉生產基地，棉花種植面積占新疆總耕地面積的1/3，產量占全國的80%以上[1]。近年來，隨著棉花生產成本提升，推廣機械采收已成為新疆棉花產業發展的必由之路，北疆地區機采棉占比已達到70%以上[2-3]。為了適應采棉機采收的需要，北疆滴灌機采棉的行距和滴灌管配置模式（簡稱行管配置）一般為1 膜6 行3管，行距為寬行66 cm+窄行10 cm，滴灌毛管鋪設在作物窄行中間。但實際生產中，為了避免播種時損壞滴灌毛管，很多農戶將滴灌毛管鋪設在作物寬行間靠近作物位置；同時，行距也出現了（72+4）cm、76 cm等行距（1 膜3 行，滴灌帶鋪設在距作物行10 cm 處）不同配置模式[4-8]。因此，行管配置已經成為影響機采棉生長和產量的主要因素之一[9-10]?！狙芯窟M展】目前，關于機采棉株行距配置對棉花生長發育[6,11]、冠層結構[6,11-12]、干物質累積分配[13]、產量構成[14-15]等方面的影響雖然開展了大量研究，但對不同配置模式的研究仍主要集中在農藝性狀及對機械作業的適應方面，而對棉花水、肥利用效率的研究結果依舊不明確，關于機采棉不同行管配置對土壤水氮分布及氮肥利用影響方面的研究更是鮮有報道。因此，研究行管配置對于機采棉產業的健康發展具有重要意義?！厩腥朦c】氮素對于作物產量形成具有重要作用，合理施氮是作物高產的關鍵[16]。當前新疆棉花生產氮肥投入普遍過量[17]，氮肥過量不僅影響作物產量，降低肥料利用率，還會導致生態環境污染[18-19]。在高施氮量下，棉花產量與氮肥利用率不僅顯著下降[20-22]，還顯著影響其對磷、鉀等的吸收[23]。因此，在綜合應用作物高產栽培措施的基礎上，合理減少氮肥施用量是實現農業綠色增產增效的重要途徑[24]?！緮M解決的關鍵問題】通過田間試驗，探討不同行管配置與施氮量對機采棉生長、養分吸收、產量及氮肥利用率的影響，為機采棉行管配置模式與氮肥用量管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018 年在新疆石河子市天業生態示范園（86°4'11″E，44°21'14″N，海拔443 m）進行。該地區氣候屬溫帶干旱區大陸性氣候，平均年降水量210 mm，平均年蒸發量1 660 mm。試驗田土壤類型為灌溉灰漠土，質地為壤土。耕層土壤肥力基礎指標為：有機質量16.44 g/kg，硝態氮量15.16 mg/kg，有效磷量14.56 mg/kg，速效鉀量411 mg/kg。供試棉花品種為新陸早72 號。

1.2 試驗設計

試驗設置4 種機采棉行管配置模式：①1 膜6 行3 管，行距（66+10）cm（66），滴灌帶鋪設在作物窄行中間（B66）；②1 膜6 行3 管，行距（66+10）cm（66），滴灌帶鋪設在作物寬行間靠作物10 cm 處（S66）；③1 膜6 行3 管，行距（72+4）cm（S72），滴灌帶鋪設在作物寬行間靠作物10 cm 處；④1 膜6行3 管，76 cm 等行距（S76），滴灌帶鋪設在靠近作物10 cm 處。同時，S66 行管配置下設置3 個氮肥用量水平，分別為0、240、300 kg/hm2（分別以N0、N240、N300 表示）。其中，施氮（N）量300 kg/hm2為當地機采棉氮肥一般推薦用量；施N 量240 kg/hm2為減N 20%的優化施N 處理，其余3 種行管配置施氮量均為240 kg/hm2。試驗共6 個處理，各處理行管配置及施N 量見表1。每個處理重復3 次，共18 個試驗小區，小區面積45 m2。

棉花采用干播濕出法種植，于2018 年4 月21 日播種，4 月25 日滴出苗水30 mm。棉花生長期間灌溉定額450 mm，共灌水9 次，灌水周期7～10 d。灌水從6 月16 日開始，8 月24 日結束。各施肥處理磷鉀肥用量一致，磷施用量P2O5105 kg/hm2，鉀施用量K2O 75 kg/hm2。試驗中，氮、磷、鉀肥全部隨水滴施，在棉花生長期間共施肥6 次，每次磷、鉀肥用量相同，氮肥按不同比例施用，具體灌溉用量及氮肥分配比例見表2。其他田間管理措施同當地大田滴灌機采棉。

1.3 測定指標與方法

1）土壤水分與硝態氮分布。第3 次滴灌施肥結束24 h 后（第3 次滴灌施肥時間為2018 年7 月20日，棉花處于盛花期），采集土壤樣品。在每個處理隨機選擇3 個采樣區，在垂直滴灌帶方向分別采集距離滴頭0、10、20、30 cm，深度為0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm 土壤樣品。土壤含水率采用烘干法測定，硝態氮量采用2 mol/L KCl 浸提，紫外分光光度法測定。

2）植株干物質量和含養分量。在花鈴期采集棉花植株樣品，每個處理選取連續3 株長勢均勻的植株，從子葉節處剪斷，采集棉花地上部，分成莖、葉、鈴3 部分，105 ℃殺青30 min 后，于75 ℃下烘干至恒質量，稱量各器官干物質量。之后將各植株樣品烘干后粉碎，過0.5 mm 篩后置于自封袋保存。植株樣品采用H2SO4-H2O2消解，用凱氏法測定全氮量，釩鉬黃比色法測定全磷量，火焰光度計法測定全鉀量[25]。

3）產量：棉花產量測定采用樣方法，樣方面積6.67 m2。在吐絮期測定樣方內所有株數及鈴數，同時隨機采集30 鈴測定單鈴質量，最后采收樣方內棉花記產。

1.4 數據處理與分析

數據處理及作圖采用Microsoft Excel 2003 進行。土壤含水率與硝態氮量空間分布圖用Surfer Version 10.0 繪制。采用SPSS 21.0 軟件進行單因素方差分析，Duncan 法進行多重比較，統計顯著性假設為p<0.05。

2 結果與分析

2.1 不同行管布置下土壤水分及硝態氮的空間分布

2.1.1 土壤水分空間分布

機采棉不同行管配置顯著影響土壤水分分布（圖1）。灌水施肥結束24 h 后，S66（行距（66+10）cm，滴灌毛管鋪設在作物行外側）處理土壤水分主要分布在0～40 cm 深度土層（土壤含水率≥17%）。B66（行距66+10 cm，滴灌帶鋪設在作物行中間）處理水分主要分布0～30 cm 深度土層，30 cm 以下土壤含水率主要分布在橫向距滴頭15～30 cm。S76（76 cm 等行距，滴灌帶鋪設在作物行外側）處理土壤水分集中分布在橫向距滴頭0～20 cm、深15～30 cm 的土壤區域內。S72（株行距（72+4） cm，滴灌毛管在作物行外側）處理土壤含水率較低，集中分布在橫向距滴頭0～10 cm、深20 cm 土壤?？傮w上，B66 和S66 處理土壤水分在0～60 cm 分布較均勻。

2.1.2 土壤硝態氮量空間分布

S66 和B66 處理土壤硝態氮（≥25 mg/kg）均主要分布在0～40 cm 土層（圖2），最大值集中分布在橫向距滴頭15～25 cm、深25～30 cm 區域（B66 處理已偏離作物行）。S76 處理硝態氮集中分布于0～25 cm土層中；S72 處理硝態氮集中分布在橫向距滴頭0～5 cm 和25～30 cm 區域，中間區域（距滴頭10～14 cm作物行附近）的硝態氮量相對較低。

圖2 土壤硝態氮空間分布 Fig.2 Spatial Distribution of Soil NO3-N

2.2 不同行管布置對棉花干物質量的影響

在不同行管布置下，S66-N240 和B66-N240 處理棉花各部分干物質量均顯著高于其他處理，其中，總干物質量高26%～28%（表3），莖干物質高29%～36%，葉片干物質高42%～62%，鈴干物質高15%～17%。不同施氮量下，S66-N240 和B66-N240 處理棉花總干物質量與S66-N300 處理無顯著差異，但鈴質量顯著高于 S66-N300 處理，分別提高 17.6%和 12.2%。S72-N240 處理除鈴質量外，棉花總干物質及莖葉干物質量均顯著低于S66-N300 處理。S76-N240 處理棉花總干物質量與各器官干物質量均顯著低于S66-N300 處理。

表3 不同處理棉花干物質量 Table 3 Dry matter weight of different treatments

2.3 棉花養分吸收

2.3.1 氮素吸收量

不同行管布置下，S66-N240 處理氮吸收量顯著高于S76-N240 和S72-N240 處理分別提高了29.6%和30.5%。B66-N240 處理氮吸收量顯著高于S76-N240和S72-N240 處理，分別提高22.8%和23.2%。

不同施氮量下，S66-N240 和B66-N240 處理棉花氮素吸收量與S66-N300 處理差異不顯著（圖3，圖3中不同小寫字母表示差異達5%顯著水平，下同）。S76-N240 和S72-N240 處理棉花氮素吸收量顯著低于S66-N300 處理，分別減少29.4%和30.2%。

2.3.2 磷吸收量

不同行管布置下，B66-N240 處理棉花磷吸收量最高，較S66-N240、S72-N240、S76-N240 處理分別增加8.2%、16.2%、27.7%（圖4）。不同施氮量下，S76-N240 處理棉花磷吸收量最低，其次是S72-N240處理，較S66-N300 處理分別減少18.8%和8.2%。

圖3 不同處理氮素吸收量 Fig.3 Nitrogen uptake by different treatments

圖4 不同處理磷吸收量 Fig.4 Phosphorus uptake by different treatments

2.3.3 鉀吸收量

不同行管布置下，B66-N240 處理棉花鉀素吸收量最高，較S66-N240、S76-N240 和S72-N240 處理分別增加18.0%、30.1%和31.9%（圖5）。在不同施氮量下，與S66-N300 處理相比，S66-N240 處理棉花鉀吸收量無顯著差異；B66-N240 處理棉花鉀吸收量顯著增加17.3%；而S76-N240 和S72-N240 處理鉀吸收量顯著降低，分別降低9.9%和11.2%。

圖5 不同處理鉀吸收量 Fig.5 Potassium uptake by different treatments

2.4 產量

在不同行管布置下，S66-N240 處理籽棉產量較S72-N240 和S76-N240 處理分別增加18.4%和24.8%；B66-N240 處理較S72-N240 和S76-N240 處理分別提高14.9%和21.1%。在不同施氮量下，S66-N240 和B66-N240 處理籽棉產量顯著高于S66-N300 處理，分別增加10.5%和7.2%（表4）。S72-N240 與S76-N240處理籽棉產量較S66-N300 處理分別降低11.5%和6.7%。

2.5 氮肥利用率

S66-N300 處理氮肥偏生產力顯著低于4 個優化施氮處理；S66-N240 處理氮肥偏生產力最高，較S66-N300 處理增加38.1%（表5）。S66-N240 處理氮肥農學利用率最高，其次是B66-N240 處理；S76-N240處理氮肥農學利用率最低，較S66-N300 處理降低11.2%。4 個優化施氮處理S66-N240、B66-N240、S76-N240、S72-N240 氮肥生理利用率均顯著高于S66-N300 處理；其中，S72-N240 處理氮肥生理利用率最高，較S66-N300 處理增加44.7%。S66-N240 處理氮肥表觀利用率最高，其次是B66-N240 處理，較S66-N300 處理分別增加28.7%和12.7%。S76-N240和S72-N240 處理氮肥表觀利用率顯著低于S66-N300處理，分別下降27.1%和28.2%。

表4 不同處理棉花產量及其構成因子 Table 4 Cotton yield and components under different treatments

表5 不同處理氮肥利用率 Table 5 Fertilizer N use efficiency of different treatments

3 討 論

滴灌棉花的株行配置和滴灌毛管鋪設位置直接影響土壤水分和硝態氮的運移與分布，進而影響棉花生長和氮素吸收[26-27]。本研究中氮肥隨水滴施后，土壤水分和硝態氮主要分布在0～40 cm 土層，這與前人的研究結果基本一致[28-29]。不同行管鋪設下，土壤硝態氮與水分空間分布差異顯著。機采棉行距配置（66+10）cm 處理（B66、S66）土壤水分和硝態氮量在0～40 cm 土壤分布較為均勻，但滴灌毛管鋪設在作物行間（B66）時，土壤硝態氮量最大值的分布區域已偏離作物行。行距配置（72+4）cm（S72 處理）和76 cm 等行距（S72 處理）模式下，土壤含水率總體偏低，可能是由于作物生長中前期的植被覆蓋度較低，土壤水分蒸發損失較大所致。同時，行距配置（72+4）cm 處理作物行區域的硝態氮量相對較低。主要是因為作物行距較小，根系分布密集，對作物行區域土壤氮素的吸收較為集中。有研究認為窄行布管更利于作物水肥利用[30]，窄行布管水分和肥料集中在窄行根系密集處，有利于根系吸收利用，因此水分養分消耗的多；寬行布管處理毛管距另一單行20 cm 左右, 在高頻低定額的滴灌方式下，一部分根系必然在濕潤峰之外, 根系對水分和養分吸收受到影響，在棉花營養生長和生殖生長并進旺盛的花鈴期，窄行布管的土壤耗水量會高于寬行布管。本研究結果表明，在相同株行配置下寬行布管更利于水氮向作物行運移，這與前人的研究結果存在分歧。根系對于作物吸收水肥有重要作用，對于不同行管配置，根系生長分布勢必受到影響，但目前行管配置對根系生長影響的研究不明確。因此，對于不同行管配置下水氮運移分布的研究還需要進一步深入。

氮是影響作物生長的主要元素[31]，施用氮肥利于促進作物生長[32]，隨施氮量的增加棉花干物質量隨之增加[33]。但本試驗中施氮量240 kg/hm2的S66-N240和B66-N240 處理棉花干物質量與S66-N300 處理無顯著差異。主要是因為S66-N300 處理施氮量較大，棉花營養生長旺盛，生長莖稈和葉片干物質量較高，其生殖器官（蕾鈴）干物質量較S66-N240和B66-N240處理顯著降低。宋興虎等[34]和秦宇坤等[35]研究也表明，施氮量增加能促進棉花營養器官生物量積累，但高施氮量會降低生殖器官干物質所占比例。高施氮量S66-N300 處理可能由于氮素投入量過大導致其營養生長過剩，蕾鈴脫落增加，從而影響其總干物質積累。

本研究中，在不同行管鋪設下，76 cm 等行距（1膜3 行）處理棉花干物質量顯著低于2 種（66+10）cm配置處理。1 膜3 行配置雖然單株生長具有優勢，在生育前期葉面積指數和光吸收率較快增加，但密度下降會直接影響其總干物質積累量[12]。同時，本研究中（72+4）cm（1 膜6 行）處理棉花干物質量也顯著降低。而前人研究表明[4]，機采棉（66+10）cm 配置下棉花生長協調促進干物質積累，（72+4）cm 行距配置由于2 作物行間距離過小，棉株對營養、水分、陽光等競爭加劇，致使其棉株長勢較弱，干物質積累量減少。

本研究表明，高施氮量處理（S66-N300）棉花氮素吸收量較高，但與S66-N240 和B66-N240 2 個氮肥優化處理無差異。前人研究表明，氮肥的施用影響作物對氮素的吸收利用[36]，過量施用氮肥不僅造成氮素損失還影響作物吸收利用[16]。氮素供應不足或過量都不利于棉花對于氮素的吸收。隨氮肥的增加，玉米對氮素吸收量也呈現先增后減的趨勢[37]。因此，本研究認為在（66+10）cm 模式下施氮量240 kg/hm2與300 kg/hm2相比，240 kg/hm2已經足夠棉花對氮的需求，從“減肥增效”考慮，應提倡當地減少機采棉氮肥一般推薦用量。同時本研究中土壤水分與硝態氮分布結果顯示，S66-N240 和B66-N240 處理水分與硝態氮主要分布在作物行下方根區，而B66-N240 處理不僅對氮吸收量較高，且其磷鉀吸收量顯著高于其他處理，這可能由于不同行管鋪設對作物養分吸收具有影響。滴灌毛管鋪設在作物行間時，滴頭距離作物行近，水肥移動到作物下方距離短，而滴灌毛管鋪設在作物行側邊時，距離作物行遠，水肥移動到作物下方距離較遠。有研究認為，氮施用利于棉花對磷素和鉀素的吸收[23]，而新疆多為石灰性土壤，磷在土壤中易被固定，其移動性較弱[38-40]。因此，相同灌水量和施氮量條件下，滴灌毛管鋪設在作物行間，水肥施入距離作物根系較近，有利于作物對磷和鉀的吸收。

氮肥對于作物產量形成具有重要意義，氮肥不足或過量施用均會導致棉花產量下降[41-42]。機采棉行距配置也會直接影響棉花產量，梁亞軍[6]研究表明，機采棉1 膜6 行模式（S66）相比1 膜3 行模式（S76），具有良好的冠層結構和較高的光能利用率及群體優勢，籽棉產量高。徐新霞[14]研究表明，（66+10）cm行距配置棉株分布合理，降低作物行間郁蔽程度，增加通風透光性，提高光合作用促進莖和葉片的生長及蕾鈴發育，棉花產量顯著提高。但目前關于行管配置和施氮量對機采棉產量影響方面的研究還很少。本試驗表明優化施氮S66-N240 和B66-N240 處理棉花產量顯著高于S66-N300 處理，而S72-N240 和S72-N240處理產量則顯著降低。說明合理的行管配置和施氮量管理可以實現機采棉“減氮增產”的雙贏。

大量研究表明[43-45]，氮肥偏生產力、氮肥農學利用效率、氮肥生理利用率和氮肥表觀利用率隨氮素施用量的降低而增加。本試驗中氮肥優化處理（減氮20%）S66-N240 和B66-N240 氮肥表觀利用率均顯著高于高施氮量處理S66-N300，但是S76-N240 和S72-N240 處理氮肥表觀利用率顯著降低?？梢姴煌芯嗯渲门c滴灌毛管鋪設位置直接影響水氮運移和氮素吸收利用，選擇適宜的行管配置模式，是提高滴灌機采棉氮肥利用率的途徑之一。

本研究探討了不同行管配置與施氮量對滴灌棉田土壤水氮分布、棉花產量及氮肥利用率的影響。但試驗僅在特定的灌水量和土壤質地條件下開展，土壤性質（質地、結構等）和灌水量會直接影響滴灌農田土壤水氮運移和分布，進而影響棉花生長和養分吸收。因此，還需要進一步開展不同灌水量和土壤質地的機采棉行管配置和氮肥優化研究。

4 結 論

1）機采棉（66+10）cm 行管配置下，利于水氮向作物根區移動，促進棉花生長；而（72+4）cm 行距配置和76 cm 等行距配置會導致棉花產量降低。

2）施氮量240 kg/hm2時，機采棉（66+10）cm行管配置下，滴灌帶鋪設在作物窄行間可顯著增加棉花對磷和鉀的吸收；滴灌帶鋪設在作物寬行靠近作物行10 cm 處時促進棉花氮素吸收，提高氮肥利用率。

3） 在（66+10）cm行管配置下，施氮量240 kg/hm2（減氮20%），能顯著促進棉花生長，增加棉花養分吸收量，提高產量及氮肥利用率。