施氮量及打頂方式對棉花營養積累與分配及產量的影響

張特, 康正華, 趙強, 聶志勇, 王蜜蜂, 崔延楠

(新疆農業大學農學院,棉花教育部工程研究中心, 烏魯木齊 830052)

打頂作為調控棉花生長的重要手段之一，也是整枝管理的中心環節。通過打頂可以消除棉花頂端優勢，調控無限生長習性，控制株高，塑造理想株型，促進棉株早結鈴、多結鈴，同時有助于棉花產量和品質的提升[1-2]。有關棉花打頂的研究一直受到國內外的高度關注[3-7]。隨著新疆棉花全程機械化管理技術需求愈發強烈，棉花人工打頂已嚴重制約了棉花生產全程機械化推進[8]。化學封頂技術或免打頂技術的出現，使棉花打頂方式發生了革新，減少了人工勞動力的投入，提高了打頂效率[9-11]。多位學者針對北疆地區棉花化學封頂劑的應用規律進行了試驗工作[12-14]，同時隨著化學封頂應用和推廣面積的不斷增加，有關化學封頂研究也從時間、次數和劑量等應用性研究向生長機理方向發展。

施用氮素是一項重要的增產措施，如何合理有效地施氮仍是高產植棉中的重要課題[15-17]。有關人工打頂條件下氮素施用量對棉花農藝性狀、經濟性狀、干物質積累、氮素吸收、光合特性、葉綠素熒光參數、纖維品質等影響研究較多[18-22]，但有關不同施氮量對化學封頂棉花生長發育、產量變化和纖維品質的影響研究較少。前人研究已基本探明北疆棉區應用750 mL·hm-2的25%縮節胺水劑較為合理[14]。在此基礎上，本文研究了不同施氮量(0、100、200、300、400 kg·hm-2)對化學封頂棉花葉片、莖稈的干物質積累與氮素積累及其分配比例的影響，結合Logistic方程與產量指標探明了施氮量及打頂方式對棉花營養積累與分配及產量的影響，旨在為化學封頂棉花合理氮肥運籌、改善棉花光合性能、提高產量與品質提供理論依據，同時為推進北疆棉區棉花全程機械化發展提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2016年在新疆瑪納斯縣六戶地鎮進行，棉花品種為‘新陸早57號’(由新疆農業科學院經濟作物研究所提供)，化學封頂劑為25%縮節胺水劑(新疆金棉科技有限責任公司生產)。試驗地前茬作物為棉花，土質為黏質壤土，地下水位深10 m以下。土壤容重1.51 g·cm-3，堿解氮含量51.05 mg·kg-1、速效鉀含量221.88 mg·kg-1、速效磷含量15.53 mg·kg-1、有機質含量1.95 g·kg-1。

1.2 試驗設計

田間小區試驗采用裂區設計，主區為打頂方式，共設人工打頂和化學打頂兩種打頂方式；副區為施氮量，設0、100、200、300、400 kg·hm-2，共5個施氮(純N)水平，分別用N0、N1、N2、N3、N4表示。灌水量為4 800 m3·hm-2，每次施肥隨水滴施，共滴施8次。施用的肥料為尿素(N 46%)。基肥：尿素施用總量的30%；追肥：尿素施用總量的70%(具體施肥量見表1)。采用機采棉種植模式，1膜6行，滴灌管理，行距配置(66+10)cm，小區面積66.7 m2，重復3次。4月12日播種，7月1日打頂，兩種打頂方式同一天進行，化學封頂劑(劑量為750 mL·hm-2)采用背負式噴霧器噴施。小區其他管理同大田管理一致。

表1 不同處理下施氮量

1.3 測定項目及方法

1.3.1棉花干物質積累量測定 各處理自打頂后每隔10 d選代表性棉株5株，將莖、葉、生殖器官分開。在105 ℃殺青30 min后，80 ℃烘至恒重，用百分之一天平稱量棉花各部分的干物質質量。

1.3.2Logistic方程模擬 棉花干物質積累用Logistic方程擬合。

y=ym/1+e(a+bt)

(1)

式中，y為棉花干物質積累量，ym為相應的理論最大值，t為棉花出苗后天數，a、b為待定系數。

當t0=-a/b時，Vm=-bym/4

(2)

式中，t0表示干物質積累速率最大的時刻，Vm表示干物質積累最大速率(kg·d-1)。

t1、t2分別代表干物質快速積累期的開始與結束時間，t1和t2將Logistic生長函數“S”型曲線分為3個階段，在棉花出苗到t1時間段內，干物質積累呈緩慢上升的趨勢；在t1～t2時間段內干物質積累快速增長期；在t2時刻后，干物質積累速率緩慢下降，使y最終趨向于ym。

Δt=t2-t1

(3)

式中，Δt為時間特征值，表示干物質積累快速增長期。

在t1～t2時間內，GT=-bym/4×Δt

(4)

式中，GT為“生長特征值”，表示干物質積累量已達到最大積累量的65.8%。

1.3.3全氮含量測定 烘干的棉株樣品經粉碎，過0.50 mm篩，用H2SO4-H2O2消煮，奈氏比色法測定植株不同部位全氮含量。

1.3.4棉花產量及構成因素測定 9月20日調查霜前花率(下霜前吐絮鈴占最終吐絮鈴的百分比)，每小區隨機選取連續棉株80株記錄吐絮鈴與有效青鈴。吐絮期每小區選取6.67 m2，調查棉花株數及總鈴數，計算單株結鈴數；并在每個小區選取上、中、下果枝各40個吐絮鈴，風干后混合測其單鈴重、軋花后測算衣分。

1.4 數據分析

采用Excel 2010和DPS 7.05進行數據的整理和分析。

2 結果與分析

2.1 施氮量對打頂棉花葉片干物質積累量的影響

圖1顯示，兩種打頂方式下棉花葉片干物質積累量均與施氮量呈正比，打頂后棉花葉片干物質積累量均呈單峰曲線。在N0和N1處理下，化學封頂棉花葉片干物質積累量峰值出現在打頂后30 d，比人工打頂(打頂后10 d)晚；且在N0處理下，化學封頂棉花葉片干物質積累量峰值仍較人工打頂減少0.65 g·株-1。其余各施氮量處理化學封頂棉花葉片干物質積累量峰值出現時間(打頂后30 d)均比人工打頂(打頂后20 d)晚，平均延后10 d，同時其峰值均大于人工打頂，最高可增加5.31%。化學封頂方式下，N4與N0處理的棉花干物質積累量差值在打頂后50 d達到最大，為3.42 g·株-1；而人工打頂棉花在打頂后30 d，N4與N0處理的棉花干物質積累量差值最大，為2.60 g·株-1。說明隨施氮量增加，化學封頂棉花葉片干物質積累量或可較人工打頂增多。

圖1 不同處理下棉花葉片干物質積累量變化

2.2 施氮量對打頂棉花生殖器官干物質積累量的影響

從圖2可以看出，各施氮處理下兩種打頂方式棉花生殖器官干物質積累量均隨時間變化在不斷增大。在打頂后0～20 d，不同施氮量條件下棉花干物質積累量相差較小；從打頂后30 d開始，各施氮處理棉花生殖器官干物質積累量開始表現出較大不同。在打頂后0～20 d，化學封頂方式下各施氮處理棉花生殖器官干物質積累量少于人工打頂，同時低施氮量處理略高于高施氮量，說明化學封頂棉花在打頂后0～20 d營養生長向生殖生長轉換較慢。自打頂后30 d開始，兩種打頂方式下，N0、N1和N2處理的棉花生殖器官干物質積累量與施氮量成正比，而N3和N4處理卻表現出不同。化學封頂棉花從打頂至打頂后60 d，N4處理棉花生殖器官干物質積累量大于N3處理；而人工打頂方式下，棉花打頂后40 d開始，N3處理棉花生殖器官干物質積累量高于N4。造成這種差異的原因可能是兩種打頂方式下，棉花施氮量過高，造成營養生長旺盛，影響了向生殖生長轉化。

圖2 不同處理下棉花生殖器官干物質積累量的變化

2.3 施氮量對打頂棉花干物質分配的影響

圖3顯示，自打頂后，所有處理均表現為隨時間推移，生殖器官干物質分配比例逐漸增大的趨勢。同種打頂方式下，棉花在相同時間段內基本表現出生殖器官干物質分配比例與施氮量成反比，表明低施氮量可以使棉株更早地從營養生長向生殖生長轉化，而高施氮量則會使營養生長時間延長。同一施氮量下，在打頂后0～20 d，化學封頂棉花干物質分配比例小于人工打頂；但從打頂后30 d開始，化學封頂棉花生殖器官干物質分配比例與人工打頂基本一致，直至打頂后60 d(吐絮期)。

圖3 不同處理下棉花干物質分配比例

2.4 施氮量對打頂棉花干物質積累特征值的影響

表2結果表明，各處理下地上部分干物質動態累積均呈“S”型曲線，用Logistic生長函數模型進行擬合，均達極顯著相關。人工打頂棉花干物質進入快速積累期時間(t1)、達到最大積累速率時間(t0)、結束快速積累時間(t2)均早于化學封頂棉花。最大積累速率(Vm)則表現出在N0和N1處理下人工打頂大于化學封頂，在N2、N3和N4處理下人工打頂小于化學封頂。表明當施肥量多于200 kg·hm-2時，化學封頂棉花干物質積累速率大于人工打頂棉花。人工打頂棉花快速積累期為出苗后56～100 d，化學封頂棉花快速積累期為出苗后59～109 d。化學封頂棉花進入快速積累期時間雖晚于人工打頂，但化學封頂棉花快速積累期持續時間長于人工打頂，這有利于更多地上部分干物質的積累。兩種打頂方式下N3和N4處理各特征值均較為協調，人工打頂棉花快速積累期生長特征值N4處理雖大于N3，但其快速積累持續時間較長，最大積累速率小于N3，因此N3處理各特征值更為協調。化學封頂N4處理各特征值與N3相差較小，但應綜合考慮產量及氮肥投入進行選擇，從而在獲得最大干物質積累量的同時，獲得更高的經濟效益。

表2 棉株干物質積累的Logistic模型和其特征值

2.5 施氮量對打頂棉花氮素積累的影響

表3顯示，兩種打頂方式下各施氮處理棉株各器官氮素積累量隨打頂后生育進程的變化而變化，各處理總氮素積累量在打頂后60 d達最大值。在打頂0 d時，棉花氮素積累總量表現出N4>N3>N2>N1>N0，在打頂后60 d化學封頂棉花仍表現出此特征，但人工打頂棉花表現出N3>N4>N2>N1>N0。表明化學封頂棉花在0～400 kg·hm-2氮肥施用量條件下，氮素積累量與施氮量成正比；人工打頂棉花在過多施氮量條件下不能有效利用氮素，造成N4氮素積累量少于N3。同等施氮量條件下，化學封頂棉花氮素吸收總量同樣高于人工打頂棉花，說明化學封頂可以提高棉花對氮素的積累量。打頂后10 d，化學封頂棉花在同等施氮量條件下，表現出氮素積累總量和營養器官氮素積累量略少于人工打頂的現象；打頂后20 d，化學封頂棉花氮素積累總量逐漸與人工打頂棉花持平，說明化學封頂劑在打頂后10 d內對棉花氮素積累有抑制作用，之后抑制作用開始逐漸減弱。隨著打頂時間的推移，化學封頂棉花營養器官氮素積累量向生殖器官的轉移少于人工打頂棉花，這可能與棉花頂端仍有生長有關。

表3 棉花各器官氮素積累與分配

2.6 施氮量對打頂棉花產量及產量構成的影響

從表4可以看出，各處理的棉花單位面積株數(即密度)均無顯著差異。兩種打頂方式下，單鈴重均隨著施氮量的增加呈先增后減的趨勢，表明棉花單鈴重在達到某一水平后不再隨施氮量增加而增加，甚至會出現相反趨勢。人工打頂棉花單株結鈴數隨施氮量的增加呈先增后減的趨勢，在施氮量為300 kg·hm-2時達到最大值，化學封頂棉花單株結鈴數隨施氮量的增加而增加。在衣分方面，兩種打頂方式下N4處理均為最小，且在化學封頂下與其他處理表現出顯著差異。在籽棉產量方面，人工打頂處理隨施氮量先增加后減少，而化學封頂處理則表現出隨施氮量增加，產量有增加趨勢，但N4處理僅比N3處理增加5.4 kg·hm-2。在霜前花率方面，兩種打頂方式棉花均表現出隨著施氮量增加霜前花率降低的特點，且在同等施氮量條件下，化學封頂棉花霜前花率低于人工打頂。

表4 不同處理下棉花產量及產量構成因素

3 討論

前人研究表明，施氮量對棉花干物質積累起到了重要作用，增加氮肥施入量可提高棉花干物質量，但氮肥施入過多易造成棉花生殖器官干物質量和產量降低[23-25]。李伶俐等[26]研究表明，當施氮量超過300 kg·hm-2后，在追施氮肥對雜交棉地上部分干物質積累及氮吸收促進效果不再顯著；侯秀玲等[27]研究發現，施氮量達到300 kg·hm-2時，再增加氮肥投入，對棉花產量的貢獻率降低。本研究兩種打頂方式棉花地上部分干物質積累及養分吸收與前人基本一致，人工打頂方式下施氮量達到300 kg·hm-2時，棉花生殖器官干物質積累量、氮素積累量以及產量開始降低；而化學封頂方式下施氮量達到300 kg·hm-2時，棉花生殖器官干物質積累量和氮素積累量仍有增長。比較發現在施氮量為300 kg·hm-2時，化學封頂棉花從打頂后30 d開始至打頂后60 d，地上部分干物質積累量及氮素積累量均高于人工打頂棉花，表明在適施氮量條件下，化學封頂棉花可以提高干物質積累量及氮素積累量，為棉花產量的提升奠定基礎。

打頂后，人工打頂棉花葉片干物質積累達到峰值所用天數少于化學封頂，可能是因為人工打頂后，最上部主莖葉及果枝葉快速生長；而化學封頂棉花受打頂劑影響，上部葉片生長緩慢。打頂后30 d，化學封頂棉花營養器官干物質積累量逐漸大于人工打頂。打頂后40 d，化學封頂棉花各施氮處理莖枝干物質積累量均高于人工打頂，因為打頂后人工打頂棉花縱向生長受到抑制，莖枝干物質積累量增加依靠莖枝增粗和果枝伸長，而化學封頂棉花還有除上述原因外，主莖仍會繼續增長。在打頂后60 d，化學封頂棉花葉片干物質量均高于人工打頂，化學封頂棉花噴施打頂劑后頂端仍有生長，導致主莖葉和果枝葉數量增加。化學封頂棉花營養器官干物質積累量雖大于人工打頂，但化學封頂棉花生殖器官與營養器官干物質比例與人工打頂基本一致，未造成較大差異，表明化學封頂棉花生殖器官與營養器官干物質較為協調。通過氮素積累量變化同樣可以看出，打頂后60 d施氮量為300 kg·hm-2時，化學封頂棉花生殖器官氮素積累量與人工打頂無顯著性差異。說明化學封頂未造成因棉花后期營養器官生長較人工打頂旺盛而導致氮素的流失，反而可以提供更多養分從營養生長向生殖生長轉運，進而避免棉花早衰。

目前人工打頂棉花氮肥運籌研究眾多，而化學封頂棉花氮肥運籌研究較少。本研究初步探究了氮肥對化學封頂棉花干物質積累及養分運移的影響，雖然兩者大部分結論基本一致，但仍然存在差異。如何更加合理利用化學封頂棉花后期干物質積累量多、氮素積累量多的特點，轉化為產量優勢，還有待進一步研究。