減施氮肥運(yùn)籌對(duì)棉花冠層光合有效輻射及產(chǎn)量的影響

姚青青，孫繪健，羅 靜，鄧永明，李衛(wèi)平

(新疆巴音郭楞蒙古自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，新疆庫(kù)爾勒 841000)

0 引 言

【研究意義】光合有效輻射(PAR)是能夠被作物吸收進(jìn)行光合作用的綠色光能，對(duì)作物群體的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量產(chǎn)生重要影響[1,2]。優(yōu)良冠層形態(tài)結(jié)構(gòu)是作物獲得高產(chǎn)的重要保證[3]，其直接影響作物群體的光截獲能力和光分布特征，影響群體的光合效率，合理優(yōu)化作物群體冠層結(jié)構(gòu)來(lái)提高綠色光能利用率，是對(duì)作物群體進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控管理的重要措施[4-6]，對(duì)提高群體綠色光能利用率和產(chǎn)量具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】作物群體吸收的光合有效輻射和其產(chǎn)生的光能利用率，對(duì)作物產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成產(chǎn)生重要影響[7-9]。光合有效輻射顯著影響作物的生物產(chǎn)量，作物的生物量與其所吸收的APAR呈近似線性關(guān)系[10,11]。黃春燕等[12]研究表明,不同水分條件下棉花群體的APAR 、FAPAR 與生育期內(nèi)光合生產(chǎn)能力變化趨勢(shì)一致，認(rèn)為通過(guò)監(jiān)測(cè)APAR 、FAPAR 可以對(duì)棉花的生長(zhǎng)狀況進(jìn)行調(diào)控管理。吳楊煥等[13]表明，自作物群體冠層上部向下部PAR透光率逐漸降低，并且隨密度和向下累積葉面積指數(shù)的增加而遞減。江東等[14]表明,冬小麥的APAR值與其產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系。吸收光合有效輻射(APAR)是太陽(yáng)輻射中能夠被植物冠層吸收并用來(lái)進(jìn)行光合作用的綠色光能，是用于反映作物群體生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)[1,2]。光合有效輻射截獲量(FAPAR)是反映作物生長(zhǎng)、生物產(chǎn)量形成和綠色植物光能截獲量的重要生物參數(shù)，對(duì)監(jiān)測(cè)作物的生長(zhǎng)狀況起著重要作用[1,2]。【本研究切入點(diǎn)】氮肥施用量急劇上升，加劇土壤中氮肥淋失狀況，降低氮肥利用率、土壤生產(chǎn)力下降等[15-17]。研究不同減施氮肥運(yùn)籌條件下的棉花光合有效輻射的變化特征。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】對(duì)膜下滴灌棉花減施氮肥運(yùn)籌管理下棉花光合有效輻射的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，研究不同減施氮肥運(yùn)籌對(duì)棉花光合有效輻射和產(chǎn)量的影響，為合理優(yōu)化棉花群體結(jié)構(gòu)達(dá)到高產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)在新疆庫(kù)爾勒市巴州農(nóng)科院試驗(yàn)地，于2017年4～10月進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)屬于典型暖溫帶大陸性干旱氣候，總?cè)照諗?shù)為2 990 h，無(wú)霜期平均210 d，年均氣溫11.4℃，最低為-28℃，年平均降雨量58.6 mm，年最大蒸發(fā)量為2 788.2 mm。前茬作物均為棉花，供試土壤為壤土，屬于中等肥力土壤，耕層土壤0～30 cm 土壤有機(jī)質(zhì)為22.27 g/kg，全氮1.09 g/kg，堿解氮93.6 mg/kg，速效磷46.3 mg/kg，速效鉀179 mg/kg，pH為8.55。

供試棉花品種為新陸中81號(hào)，采用膜下滴灌一膜雙管四行的種植模式，機(jī)械覆膜，人工點(diǎn)播，行距為(15+45+15+73) cm，精播穴距為12 cm，化學(xué)調(diào)控技術(shù)、植保技術(shù)及其他管理技術(shù)與當(dāng)?shù)叵嗤?/p>

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)施氮運(yùn)籌設(shè)5個(gè)施氮肥水平，即各處理基施氮肥用量相同，在追施氮肥用量上設(shè)計(jì)5個(gè)處理，N1為當(dāng)?shù)卮筇锍Ｒ?guī)追施氮肥量，N2為減施10%常規(guī)追施氮肥量，N3為減施20%常規(guī)追施氮肥量，N4為減施30%常規(guī)追施氮肥量，N5為減施40%常規(guī)追施氮肥量，小區(qū)隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次，共計(jì)15個(gè)小區(qū)。小區(qū)長(zhǎng)9 m，寬9 m，面積為81 m2。

各處理基肥施用量相同，均為基施尿素為150 kg/hm2，磷酸二銨為375 kg/hm2，硫酸鉀為225 kg/hm2。氮磷鉀肥隨基施在犁地時(shí)施入，生育期氮肥隨水追施，用施肥罐控制追氮量。灌溉方式為膜下有壓滴灌，灌溉定額為 4 800 m3/hm2，從 6 月中旬蕾期開(kāi)始灌溉，用水表控制灌溉量。表1

表1 氮肥追施設(shè)計(jì)Table 1 The design system of N fertilizer application

1.2.2 光合有效輻射(PAR)測(cè)定

在棉花出苗后50 d(蕾期)、65 d(初花期)、80 d(盛花期)、95 d(花鈴期)、110 d(盛鈴期)、125 d(吐絮初期)，選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻一致、無(wú)病蟲(chóng)危害的樣點(diǎn)區(qū)，用 SL-S02A植物冠層測(cè)量?jī)x在14:00進(jìn)行觀測(cè)，分別對(duì)棉花各處理冠層上方和下部的光合有效輻射進(jìn)行測(cè)定，并同時(shí)測(cè)定棉花寬行和窄行下部的光合有效輻射，每次測(cè)定時(shí)水平放置測(cè)量?jī)x。每個(gè)處理測(cè)定3 次，取平均值。

1.2.3 光合有效輻射

吸收光合有效輻射(APAR)的計(jì)算

根據(jù)各生育期棉花冠層上方測(cè)定的光合有效輻射(PARc)和將冠層寬行下部和窄行下部的光合有效福射平均值即作為冠層下方的光合有效輻射(PARg)，通過(guò)(1)式計(jì)算APAR。

APAR=PARc-PARg.

(1)

光合有效輻射截獲量(FAPAR)的計(jì)算

根據(jù)(2)式計(jì)算FAPAR:

FAPAR=(PARc-PARg)/PARc.

(2)

1.3 數(shù)據(jù)處理

用 Microsoft Excel 2007 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用 SPSS20.0軟件進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同減施氮肥運(yùn)籌對(duì)棉花產(chǎn)量組成及產(chǎn)量的影響

研究表明,大田常規(guī)追施氮肥處理(N1)、減施10%常規(guī)追施氮肥處理(N2)和減施20%常規(guī)追施氮肥處理(N3)的棉花單位面積結(jié)鈴數(shù)、鈴重、籽棉產(chǎn)量上存在一定的差異，均未達(dá)到顯著水平；但大田常規(guī)追施氮肥處理(N1)、減施10%常規(guī)追施氮肥處理(N2)和減施20%常規(guī)追施氮肥處理(N3)的棉花單位面積結(jié)鈴數(shù)、鈴重、籽棉產(chǎn)量均極顯著高于減施30%常規(guī)追施氮肥處理(N4)、減施40%常規(guī)追施氮肥處理(N5)，在膜下滴灌條件下，在現(xiàn)有的施肥技術(shù)上適量的減施氮肥措施對(duì)棉花產(chǎn)量構(gòu)成和產(chǎn)量均沒(méi)有較大影響，而過(guò)量的減施氮肥措施會(huì)使單位面積結(jié)鈴數(shù)和鈴重銳減導(dǎo)致棉花產(chǎn)量大幅下降。表2

表2 不同減施氮肥處理的下棉花的產(chǎn)量構(gòu)成要素變化Table 2 Yield components of cotton under different nitrogen reduction treatments

2.2 不同減施氮肥運(yùn)籌下棉花冠層APAR的變化特征

研究表明,各處理APAR在蕾期(出苗后50 d)均處于較低水平，在盛花期(出苗后80 d)達(dá)到最高值，隨后逐漸下降至吐絮初期(出苗后125 d)處于最低值，各處理APAR在生育期的動(dòng)態(tài)變化特征與棉花群體生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程相一致。從整個(gè)生育期來(lái)看，N1、N2、N3處理的APAR值均要高于N4、N5處理。在施氮量充足的情況下，棉花群體生長(zhǎng)旺盛，較處于氮肥脅迫條件下的棉花群體能夠截獲更多的光合有效輻射。圖1

圖1 不同減施氮肥處理的棉花吸收光合有效輻射APAR隨生育期變化Fig. 1 The variation curve of cotton APAR under different nitrogen reduction treatments at the growth

2.3 不同減施氮肥運(yùn)籌下棉花冠層FAPAR的變化特征

研究表明,各處理的FAPAR均從蕾期(出苗后50 d)逐漸緩慢上升至盛花期(出苗后80 d)、花鈴期(出苗后95 d)處于較高水平，隨后急劇下降至吐絮初期達(dá)到最低值。這說(shuō)明盛花期、花鈴期棉花群體葉面積增大，光截獲能力增強(qiáng)，自花鈴期開(kāi)始，棉花群體由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)逐漸轉(zhuǎn)向生殖生長(zhǎng)，使群體底部葉片逐漸脫落，光合速率下降，最終使棉花群體FAPAR下降。各處理FAPAR在整個(gè)生育期的變化趨勢(shì)為N1>N2>N3>N4>N5，不同的減施氮肥運(yùn)籌對(duì)棉花群體FAPAR產(chǎn)生不同的影響，同時(shí)也反映棉花群體結(jié)構(gòu)的營(yíng)養(yǎng)狀況和生長(zhǎng)狀況。圖2

圖2 不同減施氮肥處理的光合有效輻射截獲量FAPAR隨生育期的變化Fig. 2 The variation curve of cotton FAPAR under different nitrogen reduction treatments at the growth

2.4 棉花光合有效輻射與產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)關(guān)系

研究表明,APAR和FAPAR與棉花籽棉產(chǎn)量之間呈線性正相關(guān)，并且達(dá)到極顯著水平。在盛花期、花鈴期和盛鈴期的APAR和FAPAR與棉花籽棉產(chǎn)量的線性相關(guān)系數(shù)均高于蕾期、初花期、吐絮期，生育期施肥調(diào)控措施造成的棉花群體冠層吸收光合有效輻射和光合有效輻射截獲量變化直接顯著影響棉花產(chǎn)量，棉花群體在各生育時(shí)期的APAR和FAPAR均可以反映棉花產(chǎn)量水平，其中以花鈴期的APAR和盛花期的FAPAR的最具有代表性。表3

表3 各生育時(shí)期棉花光合有效輻射參數(shù)與籽棉產(chǎn)量的相關(guān)性Table 3 Correlation between the cotton photosythetically active radiation parameters and seed cotton yield at different growth periods

3 討 論

3.1 研究了新陸中81號(hào)在不同減施氮肥運(yùn)籌條件下吸收光合有效輻射和光合有效輻射截獲量在生育期的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，說(shuō)明在整個(gè)生育進(jìn)程中，由于早期棉株生長(zhǎng)較小，葉片小且數(shù)量少，群體光合能力弱，使得棉花群體吸收光合有效輻射和光合有效輻射截獲量較少；而盛花期和花鈴期期間，棉花營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)旺盛，群體葉片數(shù)量增多，葉面積增大，植株截獲有效光能增多、光合速率增強(qiáng)，吸收光合有效輻射和光合有效輻射截獲量均在這時(shí)處于較高水平；花鈴期過(guò)后，由于群體生殖生長(zhǎng)加強(qiáng)，中下部葉片發(fā)黃脫落，群體光截獲能力減弱，光合速率降低，至吐絮初期棉花吸收光合有效輻射和光合有效輻射截獲量降至最低水平。

3.2 適宜的減氮施肥運(yùn)籌能使棉花群體冠層能夠獲得更多的光能，提高光合效率，顯著增加單位面積結(jié)鈴數(shù)和鈴重，最終顯著提高棉花產(chǎn)量。已有研究表明，不同施肥量對(duì)棉花群體的生長(zhǎng)狀況產(chǎn)生重要影響[16-17]；適宜的施氮措施，可合理優(yōu)化的棉花群體結(jié)構(gòu)，以達(dá)到增產(chǎn)目的[18-21]。在整個(gè)生育時(shí)期中，不同減氮施肥處理的棉花吸收光合有效輻射和光合有效輻射截獲量的動(dòng)態(tài)變化與黃春燕[11-14,22]等研究的不同水分、品種、密度條件下的吸收光合有效輻射和光合有效輻射截獲量的變化特征一致。

3.3 試驗(yàn)條件下，棉花的吸收光合有效輻射范圍區(qū)間為781.00～1 313.17， 光合有效輻射截獲量范圍區(qū)間為0.868 4～0.988 0，與已有研究存在較大差異[12-14]，可能受棉花品種、種植方式等因素的影響。

3.4 研究顯示棉花吸收光合有效輻射和光合有效輻射截獲量與籽棉產(chǎn)量之間呈線性正相關(guān)，并且達(dá)到極顯著水平，其中以花鈴期的吸收光合有效輻射和盛花期的光合有效輻射截獲量的最具有代表性，這與已有研究論斷類似[10,11,14]。

4 結(jié) 論

在不同減施氮肥運(yùn)籌條件下，棉花的吸收光合有效輻射和光合有效輻射截獲量均自蕾期逐漸增大，至盛花期和花鈴期處于較高水平，隨后下降至吐絮初期處于最小值。不同減施氮肥處理的吸收光合有效輻射和光合有效輻射截獲量排列次序相一致，均為N1>N2>N3>N4>N5，減施氮肥運(yùn)籌對(duì)棉花的吸收光合有效輻射和光合有效輻射截獲量的動(dòng)態(tài)變化存在明顯調(diào)控作用，可以通過(guò)棉花的吸收光合有效輻射和光合有效輻射截獲量在生育期的變化特征，對(duì)棉花群體結(jié)構(gòu)的進(jìn)行合理化調(diào)控管理。

棉花吸收光合有效輻射和光合有效輻射截獲量與子棉產(chǎn)量之間呈極顯著的線性正相關(guān)性，其中以花鈴期的吸收光合有效輻射和盛花期的光合有效輻射截獲量的最具有代表性。