不同施氮量對棉花花鈴期的生長特性與產量及經濟效益的影響

陳夢妮，李永山，王 慧，范巧蘭，席吉龍，席天元，張鵬飛

（山西農業大學棉花研究所，山西運城044000）

棉花是我國主要的經濟作物之一，種植面積約533 萬hm2，約占世界棉花種植面積的15%[1]。棉花的應用除了在紡織工業生產中作為主要的原材料外，也在汽車工程、醫藥、國防等方面被廣泛應用，因而，棉花生產在國民經濟中具有不可取代的地位，保持我國棉花生產的持續發展具有重要意義[2]。

農作物增產最有效的基礎措施是施用化肥，據統計，化肥的增產作用占到農作物產量的30%～50%[3]。其中，氮素在作物產量、品質形成中起著關鍵的作用，棉花種植過程中調整氮肥運籌，可改善作物生長發育和光合作用，從而提高產量[4-6]。現已有大量關于棉花施氮的研究，陳靜等[7]研究表明，施氮240 kg/hm2與不施氮肥相比，棉花上部果枝長度和葉面積顯著增加，果枝的葉綠素含量和可溶性蛋白含量也顯著增加，促進光合作用，提高鈴質量，所以，適量的氮肥能增強棉花果枝的“源- 庫”協調性。鄒芳剛等[8]研究表明，在長江流域地區，濱海鹽土施氮量301～374 kg/hm2，棉花產量、氮肥表觀利用率相對較高。李永旗等[9]研究表明，花鈴期葉面施氮，可以增加葉面積、提高葉綠素含量，且促進光合作用、提高棉花產量。總之，施氮量過低，導致氮素供應不足，氮累積量減少，生物量積累少，進而導致產量降低；施氮量過高，超過適宜施氮量，棉花產量同樣會降低、貪青晚熟。目前，我國氮肥在農田生產上施用量過大，肥料利用率明顯下降，帶來了資源浪費、環境惡化，因而，合理施用氮肥是可持續發展、保證產量和質量的必然要求[4]。

在前人研究基礎上，為了能更好把控棉花后期生長，避免植株貪青晚熟影響產量，觀察棉花生長后期關鍵時期花鈴期和收獲時期的生長狀態，也為了提高當季氮肥的利用率，最大可能地降低氮肥投入成本，本試驗對棉花適宜的氮肥用量進行深入研究，設5 種施氮量，研究棉花花鈴期的生長特性和收獲時期干物質積累、生物產量、籽棉產量及經濟效益的響應變化，揭示氮素供應量對棉花生長后期的營養生長和生殖生長變化規律的影響，以期為棉花的合理氮肥運籌及高效優質栽培提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019 年在山西省運城市鹽湖區金井鄉西王村進行。該試驗區位于北緯34°48′～35°30′，東經110°12′～111°41′，地處運城盆地中部，地勢開闊平坦，海拔300～400 m。屬大陸溫帶季風氣候，光熱資源豐富，雨熱同季集中，年平均降雨量559.3 mm，年平均日照時數2 247.4 h，年平均氣溫13.6 ℃，全年無霜期208 d 左右，歷年總積溫平均為513.8 ℃。

1.2 試驗材料

供試作物為棉花，品種為冀豐1982，具有高衣分、大鈴、豐產等優勢的轉基因抗蟲棉，由山西省農業科學院棉花研究所提供。

1.3 試驗設計

試驗采用單因素隨機區組設計，置5 個氮肥用量處理，純氮肥用量分別為0、90、180、270、360 kg/hm2，分別以N1、N2、N3、N4 和N5 表示，磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）用量均為120、90 kg/hm2，其中，氮肥30%用于基施，70%在開花期作追肥，磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）一次性基施。重復3 次，共15 個小區。棉花種植采用機械化覆膜條播，1 膜2 行，每個小區2 膜，小區長8.0 m、寬2.5 m，面積為20 m2。于4 月8 日播種，播種密度為6 萬株/hm2，按正常的田間管理，適時灌溉；8 月14 日棉花生長處于花鈴期，取樣測量并觀察其生長狀況；棉花吐絮后及時采摘，最后一次摘花取植株樣。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 花鈴期農藝性狀測定 每個小區內選取具有代表性的連續5 株進行田間調查，調查株高、果枝數、有效鈴數，數據取平均值。

1.4.2 花鈴期葉綠素含量測定 每個小區內選取具有代表性的連續5 株，選取生長一致的葉片（主莖倒四葉，打頂后倒三葉）使用CCM-200＋葉綠素測定儀測定葉綠素含量，盡量避免主脈和有傷害的區域，在葉片中部主脈兩邊各重復測定3 次，取平均值；使用PAM-2500 型便攜式葉綠素熒光儀測定葉綠素熒光參數，在當日11：00—13：00，選定標記棉葉暗適應30 min 后，測定葉片的初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）；并計算最大光化學效率（Fv/Fm）和PSⅡ潛在活性（Fv/Fo）。

1.4.3 收獲時期形態指標和產量測定 每個小區內選取具有代表性的連續5 株，用蒸餾水洗凈并解剖植株，105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干后分別稱取根質量、莖稈等干物質質量。

1.4.4 收獲期經濟效益計算 肥料投入是指單位面積各種肥料的總投入；棉花收益是指單位面積籽棉帶來的收入；經濟效益本研究僅考慮肥料投入成本，其他成本每個小區均一致，因而，不計其他投入成本。2019 年籽棉市場價格為5.6 元/kg2，試驗所用肥料純N、P2O5、K2O 價格依次為3.46、5.40、6.00 元/kg。

1.5 數據分析

采用SPSS 19.0 軟件（Duncan 法）對各項指標不同處理的差異顯著性進行比較；采用Excel 2010 統計并制圖、制表，并進行多項回歸分析。

2 結果與分析

2.1 不同施氮量對棉花花鈴期生長特性的影響

從圖1 可以看出，隨著施氮量增加株高先增高后趨于穩定，其中，N1 處理株高最低（67.75 cm），顯著低于N3、N4 和N5 處理，田間調查可以明顯觀察到N1 處理植株矮小；N5 處理株高最高（72.25 cm），但與N2、N3 和N4 處理間均無顯著差異。可見，施氮肥可以促進植株生長。隨氮施氮量增加果枝數呈先增多后減少的趨勢，N3 處理單株果枝數最多（17個），顯著多于N1、N2、N5 處理；N1 處理單株果枝數最少（13 個），顯著低于N3、N4 處理。單株有效鈴數隨施氮量的增加呈先增多后減少的趨勢，N3處理達最大值，且與N1 處理間的有效鈴數差異顯著，較N1 處理提高27.03%。

2.2 不同施氮量對棉花花鈴期葉綠素含量的影響

從圖2 可以看出，在花鈴期，葉綠素CCI 值隨施氮量增加呈增加趨勢，N2、N3、N4 和N5 處理較N1 處理分別增加了6.59%、19.23%、22.77%和24.46%，其中，N3、N4、N5 處理較N1 差異顯著，但N3、N4 和N5 處理間差異不顯著。葉綠素熒光參數最大光化學效率Fv/Fm 和PSⅡ潛在活性Fv/Fo 隨施氮量增加呈先升高后下降趨勢，其中，N3 處理的最大光化學效率Fv/Fm 和PSⅡ潛在活性Fv/Fo 最高，分別為0.829 和4.858，均顯著高于N1 處理，但與N2、N4 和N5 處理間差異不顯著。

2.3 不同施氮量對棉花成熟期形態指標的影響

由表1 可知，施氮肥處理單株平均根質量顯著高于不施氮肥，施氮肥的4 個處理根質量間差異不顯著。棉花單株的莖稈質量和生物產量均隨氮量增加呈增加趨勢，且各處理間差異顯著，其中，N5 處理莖稈質量和生物產量均最高，莖稈質量較N1、N2、N3 處理分別顯著提高了24.41%、11.42%、14.15%，生物產量較N1、N2 處理顯著增加了17.95%、5.86%；與N1 處理相比，N2、N3 和N4 處理也顯著增加了莖稈質量和生物產量，莖稈質量分別顯著增加了11.80%、9.12%、18.59%，生物產量分別顯著增加了11.42%、14.14%、16.50%。施氮肥不同對根冠比無顯著影響。收獲指數隨施氮量的增加呈先升高后下降的趨勢，其中，N3 處理收獲指數最高，較N1、N2、N4、N5 處理分別顯著高了4.05%、4.30%、5.71%、9.49%；N5 處理最低，較N1、N2、N3處理分別顯著降低4.98%、4.73%、8.67%。

表1 不同施氮量對成熟期形態指標的影響

2.4 不同施氮量對棉花成熟期產量、 氮肥利用率和經濟效益的影響

從表2 可以看出，籽棉產量隨施氮量增加呈先升高后下降的趨勢，其中，N3 處理籽棉產量最高，較N1、N2 處理分別顯著提高18.65%、6.82%；與N4、N5 處理間差異不顯著。在產量構成因素中，各處理間單個鈴質量差異不顯著；單株有效鈴數隨施氮量增加呈先升高后下降趨勢，施氮肥的處理間差異不顯著，但不施肥的N1 處理顯著小于N3 處理。籽棉產量的多少直接影響棉花皮棉的產量，皮棉產量變化同籽棉產量變化規律一致。不同施氮量下衣分也受到影響，施氮肥處理的衣分均高于不施氮肥處理N1，且N3、N4 處理與N1 處理間差異顯著，因而施氮肥提高了棉花的衣分，改善了棉花品質。

表2 不同施氮量對產量的影響

由表3 可知，氮肥農學效率和氮肥偏生產力隨著氮肥施用量增加呈顯著下降趨勢，其中，N3、N4和N5 處理的氮農學效率較N2 處理分別下降了15.79%、55.89%和72.93%；氮偏生產力分別下降了46.59%、65.60%和74.79%。棉花收益和經濟效益備受關注，施氮量增加，收益和經濟效益均呈先升高后下降趨勢，其中，N3 處理收益和經濟效益最高；而N4、N5 處理施氮量雖高于N3 處理，肥料投入增加，但是經濟效益較N3 處理分別降低了5.29%、9.27%。

表3 不同氮肥用量對氮肥利用率、經濟效益的影響

2.5 氮肥投入與籽棉產量和經濟效益的關系

本研究運用多項回歸分析方法，分析了施氮量與經濟效益間的線性關系。由圖3 可知，肥料投入中，磷鉀肥用量相同，僅考慮氮肥用量不同，氮肥用量與籽棉產量和經濟效益都呈二次函數關系。受氮肥投入成本的影響，氮肥用量與籽棉產量和經濟效益的二次函數頂點不同，籽棉產量最高時的施氮量下經濟效益并不是最高。利用回歸分析推測當地適宜的施氮量得出，當氮肥用量為223.55 kg/hm2時，籽棉產量最高，達到3 809.53 kg/hm2；當氮肥用量為196.66 kg/hm2時，經濟效益最高，為19 428.3 元/hm2。

3 結論與討論

棉花具有無限生長習性，可在適宜的環境和自身生理年齡條件下進行橫向、縱向生長，生長期不斷延長。株型具有很大的可塑性[8]，株型受環境條件、栽培措施的影響，其大小、長相、群體長勢等會發生調整。本研究表明，施氮肥可促進植株生長，施氮肥處理的植株株高高于不施氮肥處理，果枝數和有效鈴數在施氮量≤180 kg/hm2時，隨施氮量增加而增多；而施氮量＞180 kg/hm2時，果枝數和有效鈴數較180 kg/hm2減少。已有研究表明，超過適宜的施氮量，棉花植株的中下部光合產物和氮素向生殖器官的轉運會受到抑制，生育后期氮素增多，植株貪青晚熟，且產量降低。本研究中，施氮量高的處理吐絮慢于施氮量低的處理，低于適宜施氮量時氮素供應不足，氮累積量和生物量減少，導致產量降低，與文獻[10-11]的研究結果一致。

合理的氮肥運籌不僅能改善作物生長發育，也能調控作物葉片光合速率和光系統Ⅱ（PSⅡ）的Fv/Fo、Fv/Fm[12-15]。氮不僅僅是構建植物組織重要的物質，也是構成葉綠素主要的成分，對葉綠素含量、植物光合速率等都會有明顯影響[16]。王彬等[17]研究表明，施氮肥可提高玉米葉片的葉綠素含量、光合速率，但施氮肥過量又會導致光合速率降低，原因可能是由于施氮肥過多導致葉片中的鉀離子缺乏，影響氣孔開放調節，進而降低了光合速率。本試驗研究表明，花鈴期葉綠素CCI 值隨施氮量增加呈增加趨勢，葉綠素熒光參數最大光化學效率Fv/Fm 和PSⅡ潛在活性Fv/Fo 隨施氮量增加呈先升高后下降趨勢，與前人研究結果一致[17]。

隨著氮肥施用量的增加，棉花生物量積累和籽棉產量增加，但因各地氣候、土壤條件及栽培品種的差異，不同棉區棉花高產氮肥用量不一致[8，18-19]。為了更為直觀看到棉株生長后期生長特性對產量的影響，大量研究表明，施氮肥可以改善作物生長發育，促進光合作用。本研究表明，單個鈴質量和根冠比處理間差異不顯著，故對棉花的產量構成因素進行了研究。張友昌等[11]研究表明，施氮肥量在一定范圍內對單位成鈴數、單鈴質量以及衣分均無顯著影響，可能與棉株本身的生物學特性有關，與本研究結果一致。本試驗中，N5 處理生物產量最多，而收獲指數和籽棉產量隨施氮量的增加呈先升高后下降的趨勢，N3 處理收獲指數和籽棉產量均最高。馬宗斌等[20]研究表明，產量隨不同施氮量的增加呈先升高后下降的變化趨勢，與本研究結果一致，這是由于外源氮肥投入可明顯影響土壤速效氮含量變化，高的土壤速效氮能夠滿足植株對養分的吸收利用，促進生長并且提高了產量。氮肥投入過多生育后期氮素增多，植株貪青晚熟，且產量降低。席吉龍等[4]研究表明，隨著施氮量的增加，氮素收獲指數、氮素利用效率、氮肥偏生產力卻降低，可見，過高地施用氮肥并不利于作物對氮肥的吸收利用，與本研究結果一致。

從收益和經濟效益角度來看，N3 處理最高，N4、N5 處理施氮量高于N3 處理，肥料投入過多，增加了投資成本，氮肥利用率下降并未帶來可觀的經濟效益。較多研究采用回歸分析確定當地最適宜的施肥量，秦宇坤等[21]利用一元二次回歸分析，對當地的籽棉產量與施氮量進行擬合函數，得出最佳的經濟施氮量為277.0 kg/hm2，最佳的經濟籽棉產量為4 427.6 kg/hm2。本研究僅考慮氮肥施用量，忽略磷鉀肥的投入，氮肥用量與經濟效益呈二次函數關系，但籽棉產量最高時的施氮量下經濟效益并不是最高。利用回歸分析推測當地適宜的施氮量得出，當氮肥投入為196.66 kg/hm2時經濟效益最高，為19 428.3 元/hm2。基于YANG 等[22]“減投不減產”棉花低耗高效植棉增效策略考慮，除考慮氮肥投入，也應結合其他肥源和施肥技術，應多角度減少投入，保證產量。

本試驗施用氮肥濃度梯度下，氮肥用量為180 kg/hm2時可獲得最高產量，為3 848.58 kg/hm2，該施氮量下棉花的品質指標衣分也相比較高。觀察花鈴期到成熟期棉株變化，超過該施氮量的處理小區棉株植株高大，果枝數減少，吐絮較晚，生理生長和生殖生長并進，棉株整體表現為“貪青晚熟”狀態，進而導致產量降低；施氮量低于180 kg/hm2時，棉株因氮肥供應不足生物量較少，籽棉產量、衣分均降低。并觀察施氮肥對成熟棉株影響的相關指標，依據單個鈴質量和根冠比很難判斷氮肥對棉花生長和產量的影響。利用回歸分析推測，當地適宜的施肥量，各處理磷鉀肥投入一致，當每公頃氮肥用量為223.55 kg 時籽棉產量最高，為3 809.53 kg/hm2；當每公頃氮肥用量為196.66 kg 時，經濟效益最高，為19 428.3 元/hm2。基于“減投不減產”增效途徑出發，考慮投入肥料用量相對應的籽棉產量產生經濟效益最大化。因而，合理施用氮肥，可促進棉花生長發育，促進光合作用，增加干物質量，提高棉花產量，提高氮肥利用率。