一次性減量施用控釋肥對棉花群體冠層結構及產量構成的影響

鄭曙峰，徐道青，陳 敏，劉小玲，王 維，闞畫春，李淑英

(安徽省農業科學院棉花研究所，安徽合肥 230031)

0 引 言

【研究意義】一定范圍內，作物產量隨著化肥投入量增加而增長。但近年來，過量的化肥投入并不能帶來作物產量正增長，高投入并不能獲得更高產量，同時過量的施用化肥不僅降低了肥料利用率、增加了生產成本，還帶來了土壤酸化、地下水污染等問題。緩釋肥料作為一種新型肥料，其養分釋放速率與作物需肥規律基本同步，一次性施肥可滿足作物整個生育期對養分的需求；減少養分損失，提高肥料利用率，緩釋肥料的研制與施用已成為當期化肥減施技術的一個重要方向。緩釋肥料可減少施肥次數，實現節本增產增效[1-3]。【前人研究進展】棉花是一種對養分需求量較大的經濟作物，其生長和光能利用率與群體冠層結構緊密相關。合理施肥能夠協調群體與個體的生長關系，可使其群體結構理想，最終達到高產優質。對不同作物群體冠層構成研究表明，適宜的冠層結構是構建高產優質的基礎[4-5]。陳寶燕[6]、李志強[7]等通過不同施肥量對棉花群體冠層結構的研究表明，適宜的施肥量能構造理想的群體結構，提高光合生產率，達到優質高產。【本研究切入點】控釋肥其做基肥一次施用，省工、環保已經在生產中得到了驗證，但不同地區適宜施肥量不盡相同；其所塑造的棉花群體結構是否合理，以及冠層結構與產量構成的關系目前報道較少。研究一次性減量施用控釋肥對棉花群體冠層結構及產量構成的影響。【擬解決的關鍵問題】分析一次性施用不同量控釋肥條件下棉花群體冠層結構及產量變化，研究該地區適宜的緩釋肥用量，為化肥高效利用、減施增效技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗分別于2017～2018年在安徽省東至縣大渡口鎮試驗點進行(N30°27′8.07″ E116°58′40.44″)，該地區屬亞熱帶季風性氣候，年平均氣溫16.9℃左右，年平均降水量1 554.4 mm左右，無霜期223 d。試驗田塊前茬作物為棉花，土壤基礎肥力中等，土壤有機質為15.8 g/kg，堿解氮為116.2 mg/kg，速效磷為25.1 mg/kg，速效鉀為111.3 mg/kg，pH為7.7。

試驗以中棉所63號F1為供試材料；采用營養缽育苗移栽，種植密度為2.7×104株/hm2。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

田間試驗設置5個處理，T1：不施氮肥對照，磷鉀肥于棉花移栽后1周內一次性施用；T2：普通氮肥全量(300.0 kg/hm2)，其中40%與磷鉀肥摻混后于棉花移栽后1周內條施，60%于盛花期條施；T3：控釋氮肥全量(300.0 kg/hm2)，一次性與磷鉀肥摻混后于棉花移栽后1周內條施；T4：普通氮肥減量(225.0 kg/hm2)，其中40%與磷鉀肥摻混后于棉花移栽后1周內條施，60%于盛花期條施；T5：控釋氮肥減量(225 kg/hm2)，一次性與磷鉀肥摻混后于棉花移栽后1周內條施。其中一次性施用控釋氮肥為安徽省農科院棉花所與合肥工業大學聯合研制的包膜尿素，釋放期為90 d。各處理磷鉀肥用量相同，分別為K2O 135.0 kg/hm2，P2O5270.0 kg/hm2。試驗設4次重復，5行區，行長10.50 m，行寬1.27 m，小區面積66.7 m2，隨機區組設計。

1.2.2 測定指標

農藝性狀：在大田選擇長勢均勻具有代表性的棉株連續10株，重復4次。調查棉花不同生育時期營養生長、生殖生長進程。

冠層結構：采用美國CD公司生產的CI-110數字式冠層結構分析儀測定，測定時期分別為：播種55 d后每間隔20 d測定1次，直至棉花吐絮。每處理小區選取3點，選擇陰天或晴天的傍晚，將安裝有魚眼探測頭的觀測棒分別定點在行間和株間中央，距地表約1 cm，調好水平，從計算機顯示屏上觀察，當無人影等其它外界影響時開始拍照。通過計算機進行圖像數字化處理，用專用軟件分析后，可得到冠層葉面積指數(LAI)、平均葉簇傾斜角度(MFIA)、散射輻射透過系數(TC)等參數。

葉片葉綠素含量用采用日本生產的SPAD-502測定儀測定棉花倒四葉葉片的SPAD值，每個葉片測不同位置的5～7個點，取平均值。

冠層葉綠素密度用葉綠素含量SPAD值與對應時間所測得的棉花葉面積指數的乘積表示。

產量及構成因素調查在不同吐絮時期給小區重復收取正常吐絮棉鈴50個進行考種，測定單鈴重、衣分等指標，籽棉產量以實收產量為準。

1.3 數據處理

數據處理與分析采用Excel 2013、處理間差異顯著采用SPSS 20.0軟件分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對棉花群體冠層結構的影響

2.1.1 不同處理對棉花葉面積指數的影響

研究表明，各處理LAI(leaf area index)隨棉花的生育進程表現出的趨勢一致，即先增加后減少，在播種后115 d左右達到峰值，各處理間LAI差異較大，以T2值最大，對照T1最小，T2比T1大47.1%。隨棉花生育進程推進，處理間最大差值也在不斷加大，播種后55～115 d內，各調查時期棉花葉面積指數極差分別為0.30、0.51、1.21、1.24、1.14，并均已不施氮肥T1處理最小；除播種后115 d時期外，其它時期均已T3處理葉面積指數最大。播種115 d后各處理LAI開始下降，處理間下降速率不盡相似，T2下降最快，T4次之；這可能與施用常規肥料不能持續提供養分，造成棉花養分供應不足，棉株體內碳氮代謝減弱，葉片衰老和光合功能衰退加速。播種后95～135 d，一次性施用控釋肥處理T3、T5變化幅度較小，極差分別為0.72、0.63；常規肥料處理T2、T4變化幅度較大，極差分別為1.40、1.27， T1處理極差為0.94。緩控釋肥能夠延長葉片葉綠素含量較高的持續時間，減緩葉片老化和光合功能衰退速度。圖1

圖1 平均葉面積指數變化Fig. 1 The change of LAI

2.1.2 不同處理對棉花平均葉簇傾斜角度影響

研究表明，各處理棉花平均葉簇傾角與葉面積指數基本相似，均隨生育進程推進先增后減，呈現單峰曲線變化。棉花生長前期，MFIA逐漸增加，葉片逐漸由平展變得直立，利于透光，可以促進棉花中下層葉片截獲更多的光能，形成較為合理的冠層結構，至播種后115 d達到峰值；播種135 d前后，因養分耗損，棉花綠葉面積減少，光合功能衰退，葉片開始變得平展，MFIA值開始下降。從55～135 d，不施氮肥對照處理T1MFIA變化最小，最大變化值僅為16.45°，其生育過程一直處于養分虧損狀態中，葉片保持較一致的狀態截獲光能。T3在棉花播種115 d MFIA最大，此后下降幅度亦較小；降幅最大的為T4處理， 115～135 d范圍內其MFIA值下降了42.71°。播種后115 d各處理葉簇傾角大小順序為T3>T2>T5>T4>T1，播種后135 d各處理葉簇傾角大小順序為T3>T2>T5>T1>T4。圖2

圖2 平均葉簇傾角變化Fig.2 The change of MFLA

2.1.3 不同處理對散射輻射透過系數的影響

研究表明，隨棉花生育進程推進，TCDP在播種后55～115 d快速下降，至播種后115 d各處理均達到最小值，后逐漸上升，各處理間最小值差異較小。播種后95～115 d，處理T3、T5、T2變化較小，散射輻射透過系數分別減小了5.6%、9.5%、12.5%； T1處理變化最大，減少了25%；播種后115～135 d，散射輻射透過系數上升最快的為T4、T2處理，分別增加了105.9%、81.0%。135 d各處理散射輻射透過系數大小為T2>T4>T1>T5>T3，T2比T3處理大46.1%；緩釋肥能減少棉花中后期群體冠層漏光損失，增加群體光合速率，從而增加產量。圖3

圖3 群體散射輻射透過系數變化Fig.3 The change of canopy TCDP

2.2 不同氮肥處理對棉花群體光合作用的影響

2.2.1 不同氮肥處理在棉花各生育期對主莖功能葉葉片葉綠素的影響

研究表明，2017～2018年所測得的葉片葉綠素含量中，盛花期、盛鈴期均以不施氮肥T1處理的SPAD值最低。2017年棉花生長盛花期各處理間差異不顯著，最大差值僅為2.1；盛鈴期各處理間差異達顯著，T1處理與其它處理均達極限值水平，T3與T4處理達顯著水平，最大差值為T3與T1之間，兩者相差12.4。2018年為2017年基礎上的重復試驗，各試驗處理小區位置不變。各處理在棉花盛花期、盛鈴期均存在不同的差異，棉花盛花期T1處理與其它各處理達顯著水平，與T2、T3、T5均達極顯著水平，T3與T4處理達顯著水平，各處理SPAD大小順序為T3>T5>T2>T4>T1；棉花盛鈴期T1處理與其它各處理均達極顯著水平，T2與T4處理達顯著水平，各處理SPAD大小順序為T2>T3>T5>T4>T1，其中SPAD值最大的T2處理比T1處理高31.1%。表1

表1 不同氮肥下棉花葉片SPAD值變化Table 1 Effects of different nitrogen fertilizer applications on SPAD value of leaf of cotton

2.2.2 棉花冠層葉綠素密度

研究表明，棉花兩生育時期冠層葉綠素密度均以T1最低；盛花期棉花冠層葉綠素密度以T3最高、T2次之，其中T3>T2、T5>T4；進入盛鈴期，各處理棉花冠層葉綠素密度均增加，增幅最大的為T2處理、比盛花期增加了67.6%，增幅最小的為對照T1處理、增加了30.8%，其中T2>T3、T4>T5。圖4

圖4 不同氮肥下棉花葉綠素密度變化Fig.4 Effects of different nitrogen fertilizer on chlorophyll density of cotton

2.3 不同處理對棉花產量及其構成因子的影響

研究表明，2年均以T5處理最多、T3次之，T1處理最少，T1與各施氮肥處理差異達極顯著水平，2018年T4處理的總成鈴數顯著少于T3、T5；2年試驗結果顯示低施肥量常規肥料處理T4分別比高施肥量處理T2減少1.61%、11.53% ，而一次性減量施用控釋肥處理T5分別比高施肥量處理T3增加4.34%、0.33%，差異均未達顯著水平。測定分析各處理棉花單鈴重，2年不施氮肥T1處理單鈴重均最小，分別與其它處理差異達極顯著水平；T4處理單鈴重2017年與T3、T5處理差異達顯著水平，2018年僅與T3達顯著水平；2年試驗結果均以T3處理單鈴重最大，T5次之，兩者間差異均不顯著。在棉花生長后期調查分析各處理僵爛鈴比例，2017年因吐絮期雨水較少，各處理僵爛鈴比例均較小，處理間差異顯著，T1處理僵爛鈴比例極顯著低于其它處理，T2處理最高，顯著高于T3、T52處理、比最低的T1處理高52.3%；2018年T1處理僵爛鈴比例同樣最低，與T2、T3、T4達極顯著水平，T5處理僵爛鈴比例僅高于T1處理、與T2和T32處理達極顯著水平，僵爛鈴比例最高的為T2處理，比最低的T1處理高135.5%。各小區重復隨機稱取3.0 kg籽棉進行軋花、測定各處理衣分，表中可知2017年各處理棉花衣分均高于2018年對應的處理，2017年以T4處理最高、2018年以T1處理最高，但2年各處理間差異均未達顯著水平。分析2年各處理皮棉產量，均已T1產量最低，分別與其它處理達極顯著水平；2年皮棉產量最高的均為T5處理、T3處理次之，2017年T4處理與T5處理間差異達顯著水平，2018年T4處理與T2、T3、T53處理均達顯著差異；2年各處理皮棉產量大小順序均為T5>T3>T2>T4>T1，T5處理皮棉產量與T3、T2、T4、T1比較，2017年分別高4.95%、7.34%、9.96%、41.44%，2018年分別高0.83%、3.72%、19.82%、60.48%。表2

表2 不同氮肥下棉花產量及其構成因子變化Table 2 Effects of different nitrogen on yield and yield components of cotton

2.4 棉花群體葉面積指數與產量及其構成因子相關性

研究表明，棉花現蕾期葉面積指數與各產量構成因子均未達顯著相關；初花期葉面積指數與單鈴重達顯著相關，相關系數達0.92；盛花期葉面積指數與單鈴重、單位面積成鈴數、籽棉產量及皮棉產量均達極顯著相關，相關系數均在0.96以上；盛鈴期與棉花僵爛鈴占比極顯著相關，相關系數達0.99；研究還顯示棉花吐絮前期與單鈴重、畝成鈴數達極顯著相關，與籽棉產量和皮棉產量顯著相關，相關系數均在0.96以上。表3

表3 葉面積指數與棉花產量的相關系數Table 3 Correlation coefficients between LAI and cotton yield parameters

3 討 論

3.1 一次性減量施用控釋肥對棉花冠層結構的影響

植物光合作用的冠層形態結構對作物群體光分布和光合能力有重要的影響[8]，合理的肥水調控技術可有效改善作物冠層結構，增加作物群體光合作用，提高作物產量[9-10]。葉片是棉花進行光合作用的最主要器官，研究表明，隨生育進程推移，棉花冠層葉面積指數呈先增后減趨勢，這與前人[6-7,11]研究結果一致；棉花生長至盛花期，一次性施用控釋肥處理LAI高于對應施肥量的常規肥料處理并趨于穩定；進入棉花盛鈴期，各處理棉花葉面積指數達到峰值，隨后一次性施用控釋肥處理LAI緩慢下降、常規肥料處理快速下降；其中盛花期至吐絮期，常規肥料處理葉面積指數先快速上升，至盛鈴期后快速下降，此時期其對應的棉花冠層葉綠素密度也高于對應的一次性施用控釋肥處理；這一現象可能為常規肥料處理第2次施肥所致，但其肥效、時效較短，加之棉花生長后期耗肥量較大，導致LAI快速下降。對棉花群體冠層光能截獲和葉片分布狀況分析，一次性施用控釋肥處理在整個棉花生育時期MFIA均高于對應施肥量的常規肥料處理；同時施肥量高的一次性施用控釋肥處理整個棉花生育時期的散射透過系數均低于對應施肥量的常規肥料處理，施肥量低的一次性施用控釋肥處理在棉花中后期散射透過系數低于常規肥料處理，保持較低的透過系數，有效提高了光能利用，合理的冠層結構有利于棉花群體光合作用，為形成高產奠定了基礎。試驗說明同等氮素條件下，緩釋肥能夠保持較長時間的理想葉面積指數和群體冠層結構，能夠延緩葉片衰老、提高棉花群體光合速率。

3.2 肥料減施條件下棉花產量及其構成因子變化

一定范圍內，棉花產量隨施肥量的增加而增加，但過量施肥會對棉花產量造成不利影響，同時導致肥料利用率低下，環境污染嚴重[12-13]。尹彩俠[14]、陳敏[15]等研究表明，適量減少控釋氮肥施用量，作物產量不受影響。研究通過2年試驗結果分析，一次性減量施用控釋肥與對應施氮量的常規肥料比較，能提高棉花總成鈴數、單鈴重及產量；并以75%施氮量的控釋肥處理總成鈴數、產量最高，同時減量控釋肥處理能減少棉花僵爛鈴比重，提高棉花品質。研究結果顯示，與農民習慣施肥比較，氮肥減量25%條件下，施用控釋肥沒有降低作物產量，并實現了棉花一次性施肥，達到了棉花生產輕簡高效的目的，這與芮秋治等[16]研究結果相吻合。

3.3 棉花群體冠層結構與產量構成因子間的關系

構建高光效的冠層結構是獲得高產的前提，冠層葉面積指數能有效反映作物群體光合效能。研究對棉花不同生育時期LAI與產量構成因子間的相關性分析發現，棉花生長前期對產量構成因子的相關性不顯著，進入生殖生長旺盛期，特別是盛花期后，各產量構成因子與LAI顯著相關，這與李春艷[17]、姚青青[18]等專家研究結果基本一致。盛花期、吐絮前期均與單鈴重、畝總成鈴數、籽棉產量、皮棉產量達到顯著相關或極顯著相關，相關系數均在0.96以上；盛鈴期LAI則與僵爛鈴比重極顯著相關，與籽棉產量顯著相關，而與單鈴重、畝總成鈴數、皮棉產量相關性不顯著，這可能與常規肥料第2次施肥造成盛鈴期棉花短暫快速生長，特別是短暫的高肥量誘導棉花營養器官迅猛生長，LAI指數迅速上升，中下層葉片受光弱、通透性差，冠層光能分布不均勻有關，這也導致了棉花僵爛鈴增多。

4 結 論

一次性適度減量施用控釋肥能構建合理的棉花群體光合冠層結構，能在棉花進入生殖生長后快速保持較適宜的葉面積指數，延緩棉花葉片衰老進程，達到棉花高產穩產要求。一次性減量施用控釋氮肥(225 kg/hm2)，能在棉花盛花期后達到較適宜的高葉面積指數且持續時間長，延長了棉花葉片光合功能期，提高了中下層透光性、增強了光能截獲能力、減少了群體漏光損失，顯著增加了單株成鈴數和棉花產量，與一次性施用300 kg/hm2控釋氮肥及300 kg/hm2的常規尿素比較，產量有所增加；與施用等量的常規尿素比較，皮棉產量平均增加14.89%。

棉花生長中后期LAI與產量及其構成因子具有較好的相關性。研究表明，盛花期是棉花產量形成的關鍵時期，其LAI與單位面積成鈴數、單鈴重及產量極顯著相關，相關系數達0.96以上；盛鈴期LAI與僵爛鈴比重極顯著相關，相關系數達0.99。