氮肥減施對滴灌棉田NH3揮發及棉花養分吸收和產量的影響

王方斌，劉 凱，孫嘉璘，殷 星，侯振安

(石河子大學農學院資環系/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】氮肥過量施用現象較為普遍[1]。我國氮肥用量占全球的1/3，平均施氮量達300 kg/hm2，氮肥利用率為35%左右[2]。由于氮肥利用率低，氮肥通過NH3揮發、N2O排放、淋溶和徑流等途徑損失數量較大，同時引發了一系列環境污染的問題[3]。其受氣候條件、土壤狀況、肥料種類等多種因素影響。合理的施肥措施是減少NH3揮發的有效途徑之一。【前人研究進展】農田土壤NH3揮發是氮素氣態損失的主要途徑。每年施入農田氮素的10%～30% 以NH3形式損失[4-5]。研究表明，隨著施氮量的增加，NH3損失顯著增加，而棉花產量呈現先升高后降低的趨勢[6]。近年來，新型肥料的應用對于減少農田氮肥NH3損失產生了較好效果。研究表明，控釋肥配施無機肥能夠降低稻田土壤NH3揮發損失[7]。施用沼液+豬糞有機肥在保證水稻產量的前提下減少氨揮發和氮流失風險[8]。施用控釋肥可在減少施氮量、保證玉米產量的同時，顯著降低土壤NH3揮發[9]。合理的減氮措施是在增加或保證作物產量的同時，提高氮肥利用率，減少氮素氣態損失，降低環境污染風險的關鍵[10]。【本研究切入點】新疆是我國重要的陸地棉和長絨棉種植基地，氮肥用量平均在345 kg/hm2以上，超過棉花生長發育的實際需氮量[11]，氮肥利用率降低。研究氮肥減施對滴灌棉田NH3揮發及棉花養分吸收和產量的影響。【擬解決的關鍵問題】采用田間試驗，研究氮肥減施對滴灌棉田NH3揮發、棉花產量及養分利用的影響，為提高滴灌棉田氮肥利用率，減少NH3揮發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗在新疆石河子市天業試驗基地進行，土壤類型為灌耕灰漠土，質地為壤土。該地區年平均降水量為210 mm，年平均蒸發量1 600 mm，耕層土壤基本理化性狀：pH 8.12，有機質15.86 g/kg，有效磷20.34 mg/kg，有效鉀452.58 mg/kg。供試作物為棉花品種新陸早71號。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗采用田間小區試驗，設4個處理，分別為(1)對照(CK，不施氮肥)；(2)常規化肥習慣施肥(施N 300 kg/hm2，T300)；(3)常規化肥減氮20%(常規化肥，施N 240 kg/hm2，T240)；(4)酸性液體肥減氮20%(施N 240 kg/hm2，L240)；(5)酸性液體肥減氮35%(施N 200 kg/hm2，L200)。每個處理重復3次，共15個試驗小區，小區面積40 m2。常規化肥使用尿素、磷酸一銨、硫酸鉀；酸性液體肥養分含量為20-12-0、19-9-2、19-5-5，pH值2～3。各處理磷、鉀肥施用量相同，分別為P2O5105 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。

棉花采用膜下滴灌，1膜3管6行，行距配置為(66+10)cm，株距為12 cm，毛管間距為76 cm。棉花于2018年4月21日播種，采用“干播濕出”的方式，播種后滴40 mm出苗水。棉花生長期間共灌水9次，總灌水量450 mm。灌水周期為7～9 d，從開花前(6月19)開始至吐絮前(8月24日)結束。試驗中，氮、磷、鉀肥全部作追肥，在棉花生長期間分6次隨水滴施(播種后59、68、77、86、95、104 d)。其他管理措施與當地大田生產保持一致。

1.2.2 測定指標

土壤NH3揮發：采用密閉室法，以0.01 mol H2SO4作吸收液收集。在棉花灌水施肥期間(6月19日～8月22日)，進行土壤NH3揮發的全程監測。每個試驗小區布置2個氨揮發監測裝置，分別在棉花寬行(66 cm)和窄行(10 cm)內各安裝1個。在每次灌水施肥前1 d放入裝置，并于下一次灌水施肥前1 d取回裝置，每個監測周期為8 d(1個灌水施肥周期)。灌水施肥期間，共取樣6次。采用靛酚藍比色法測定吸收液，計算NH3揮發損失量[12]。

棉花養分含量：在棉花不同生育時期采集棉花植株樣品。每個小區隨機取3株，自莖基部剪下，分成莖、葉、蕾鈴3個部分。新鮮植物樣品在105℃下殺青 30 min 后，70℃下烘干至恒重，稱量植株干物質重。將植株樣品粉碎后過1 mm篩，經H2SO4-H2O2消煮后，采用凱氏定氮法、釩鉬黃比色法、火焰光度法分別測定植株全氮、全磷、全鉀含量[13]。

棉花產量：在棉花收獲前測定棉花產量，實收計產。

1.3 數據處理

數據計算和繪圖使用 Microsoft Excel 2003 軟件進行。方差分析和數據變異用SPSS 21.0 統計分析軟件進行。

2 結果與分析

2.1 土壤NH3揮發

研究表明，減少施氮量可顯著降低土壤NH3揮發損失。常規化肥減氮20%(T240)、酸性液體肥減氮20%(L240)和35%處理(L200)在各灌水施肥周期的土壤NH3揮發損失量均顯著低于農民習慣施肥處理(T300)。在第3、4、5個灌水施肥周期，T240處理土壤氨揮發積累量較T300處理降低22.1%～38.8%，L240處理降低67.1%～74.6%，L200處理降低74.6%～81.9%。L240處理在3個灌水施肥周期的土壤氨揮發損失量均顯著低于T240處理，較T240處理分別降低54.6%、57.7%和58.9%。圖1

研究表明，在棉花整個灌水施肥期間(6月19日～8月22日)，不同處理土壤NH3揮發累積量差異顯著。T240、L240和L200處理土壤NH3揮發累積量較T300處理分別減少31.1%、73.4%、78.8%。在同一施氮水平下，L240處理土壤NH3揮發累積量較T240處理減少61.4%。對酸性液體肥料而言，L200處理的土壤NH3揮發累積量較L240處理減少20.6%。圖2

圖2 不同處理在灌水施肥期間(6月19日～8月22日)的土壤NH3揮發累積量

2.2 棉花干物質重

研究表明，L240處理棉花總干物質重和T300處理無顯著差異，均顯著高于T240和L200處理。T240、L200處理總干物質重較T300分別降低了4.9%、9.2%。

T300處理棉花莖和葉干重最高，尤其葉干重顯著高于其他處理。L240和T240處理棉花鈴干重無明顯差異，均顯著高于其他處理；但L240處理莖、葉干重顯著高于T240處理，分別增加15.6%和12.5%。表1

表1 不同處理棉花干物質重

2.3 棉花養分吸收

研究表明，T240和L240處理棉花氮素吸收量無顯著差異，均顯著高于T300處理，分別增加了9.1%和12.6%。L200處理棉花氮素吸收和T300處理差異不顯著。圖3

圖3 不同處理棉花氮素養分吸收

研究表明，L240處理棉花磷素吸收量最高，分別較T300、T240、L200處理增加了11.7%、15.8%、17.7%。T240和L200處理棉花磷素吸收量與 T300處理無顯著差異。圖4

圖4 不同處理棉花磷素養分吸收

研究表明，各處理中以T300處理鉀素吸收量最高，分別較T240、L240、L200處理增加12.0%、13.3%、23.6%。T240處理與L240處理差異不顯著，L240處理較L200處理鉀素吸收量提高8.2%。圖5

圖5 不同處理棉花鉀素養分吸收

2.4 棉花產量及構成因子

研究表明，L240和T240處理棉花產量無顯著差異，均顯著高于T300處理；較T300處理分別提高了12.6%和9.6%。L200處理棉花產量與T300處理無顯著差異，較L240處理降低11.2%。

L240和T240處理棉花結鈴密度無顯著差異，均顯著高于T300處理；較T300處理分別提高了8.6%和12.2%。L240處理棉花結鈴密度較L200處理增加10.2%。不同處理棉花單鈴重差異不顯著(P>0.05)。表2

表2 不同處理棉花產量及其構成因子

2.5 氮肥利用率

研究表明，3個減氮處理(T240、L240和L200)棉花氮肥偏生產力均顯著高于常規化肥處理(T300)，較T300處理分別提高了36.7%、39.8%和46.6%。L240處理棉花氮肥偏生產力與T240處理無顯著差異。

T240、L240和L200處理棉花氮肥農學利用率均顯著高于常規化肥處理，較T300處理分別提高66.1%、78.2%和46.8%。L240處理棉花氮肥農學利用率較L200處理提高了21.4%。

減少施氮量均可提高棉花氮肥表觀利用率。T240、L240和L200處理棉花氮肥表觀利用率無顯著差異，均顯著高于習慣施肥處理，分別較T300處理提高了20.1%、23.9%和24.9%。表3

表3 不同處理棉花氮肥利用率

3 討 論

施氮量顯著影響土壤NH3揮發。隨著施氮量的增加，土壤NH3揮發量也呈線性增加[14]。研究中表明，3個減氮處理土壤NH3揮發積累量常規化肥處理(習慣施肥)均較顯著降低，這與前人的研究結果一致[15]。研究還發現2個減氮比例相同處理，酸性液體肥減氮20%(L240)土壤NH3揮發積累量顯著低于常規化肥減氮處理(T240)。可能是由于酸性液體滴灌肥在一定程度上會降低土壤 pH 值，從而減少了NH3揮發損失量。一般認為土壤 pH 值是影響土壤NH3揮發的重要因素，隨著pH的增加，NH3揮發會顯著增加[16]。也有研究表明，當灌溉溶液pH 值為1.5、3.5時，土壤氨揮發總量較 pH 為7時，降低了68.34%和22.39%[17]。

合理的施氮量能夠促進作物植株生長，是形成高產的基礎[18]。過高的施氮量會導致棉花莖葉的生長過旺，蕾鈴脫落嚴重[19]，這與研究中常規化肥(施氮量300 kg/hm2)處理莖稈生物量高而鈴生物量不高的結果相似。研究中發現當施氮量為240 kg/hm2，酸性液體肥和常規化肥處理鈴生物量均顯著高于習慣施肥處理。說明較常規化肥施氮量減氮20%有利于促進棉花生殖器官生物量積累。也有不同研究表明，當施氮量為225～300 kg/hm2時，棉花具有較高的結鈴密度和產量[20]。產生這種現象差異的主要原因是不同地區的土壤狀況、施肥方式等有所不同。此外研究還發現在同一減氮水平下，酸性液體肥處理地上部總生物量顯著高于常規化肥處理。也有研究表明，液體滴灌肥有助于促進棉花的生長，從而促進高產[21]。

施氮量顯著影響棉花養分吸收。過量施氮會造成植株貪青旺長，大量氮素殘留在莖稈中，不利于氮素向籽粒中轉移，造成氮素資源浪費；而氮素供應不足，也會影響生長發育，致使氮素吸收量低[22]。研究中的結果表明，當施氮量240 kg/hm2，氮素吸收量為最優，顯著高于施氮量為300和200 kg/hm2處理。研究還發現，酸性液體肥減氮20%時，棉花磷素吸收量顯著優于各處理，而減氮35%時仍與常規化肥及其減氮處理無顯著差異，說明酸性液體肥可以促進棉花的磷素吸收。產生這種現象可能的原因是在酸性條件下，有助于降低土壤中磷素的固持，提高磷素的有效性[23]，促進棉花磷素的吸收。研究中還發現減少施氮量，會顯著降低棉花鉀素的吸收。鄒芳剛等[24]的結果也表明，當施氮量在0～300 kg/hm2時，植株的鉀素吸收量隨著施氮量的增加而增加。

棉花氮肥偏生產力、農學利用效率和表觀利用率受施氮量顯著影響。一般認為隨著施氮量的增加，棉花氮肥利用效率隨著施氮量的增加而降低[25-26]，這與研究棉花氮肥偏生產力結果相一致。此研究還發現，酸性液體肥減氮35%農學利用效率顯著低于酸性液體肥減氮20%處理，而氮肥生理利用率無顯著差異。產生這種現象的主要原因可能是施氮量過低，不利于棉花生長，進而降低了其利用率。也有研究表明，施氮過高或過低均不利于氮肥農學利用率(NAE)、生理利用率(NPE)的增加[27]。

4 結 論

與習慣施肥相比，常規化肥和酸性液體肥減氮20%均顯著降低土壤NH3揮發，提高棉花氮肥利用率；其中，酸性液體肥減氮20%土壤NH3揮發顯著降低73.4%，棉花氮磷素養分吸收分別提高12.6%和11.7%，產量增加12.6%，是滴灌棉田氮肥合理施用的優化措施。