水分和種植密度對棉花氮素積累分配及產量的影響

肖振雷，李 慧，劉連濤，張永江，白志英，張 科，孫紅春，李存東

(1.河北農業大學 農學院，省部共建華北作物改良與調控國家重點實驗室，河北省作物生長調控重點實驗室，河北 保定 071000；2.河北農業大學 生命科學學院，河北 保定 071000)

河北省位于華北平原，作為全國的農業大省，水資源卻十分短缺，因此，提高水資源利用是地區發展的必然選擇[1]。作物氮素吸收特性與土壤含水量密切相關，土壤含水量不僅影響土壤中氮素的有效性，也影響著作物對氮素吸收、同化和轉運[2-3]。灌溉量過多或過少都不利于作物氮素吸收，適當的水分虧缺可以促進作物生殖器官的氮素積累和吸收[4-5]。棉花蕾期是對水分敏感時期，蕾期輕度水分虧缺可以在節水的同時發揮棉花高產潛力[6-7]。在河北地區，棉花蕾期是缺水時期[8]。密植有利于作物吸收土壤中的氮素[9]，減少土壤污染。增加種植密度可以提高作物群體氮素積累量[10-11]，同時種植密度一直是調節作物群體生物量的重要手段[12-13]，密植可以顯著增加作物產量[14-15]，但過大種植密度會導致營養器官和生殖器官矛盾加劇，經濟系數降低[16-17]。氮素是干物質積累的前提，較高的生物量則是作物高產的基礎[18-19]，研究表明作物氮素積累量與產量呈顯著正相關性[20]。

前人對水分和種植密度對氮素積累和產量的影響進行了許多研究[21-24]，但對棉花不同器官的氮素分配和積累鮮有報道。本研究通過對不同水分和種植密度條件下，棉花各個器官氮素積累量和產量的測定，植株氮素積累、轉運及產量構成因素特征的分析，以期為有限的供水措施和適宜種植密度來實現棉花高產提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019-2020年在河北農業大學清苑試驗站開展。試驗地位于E115°47′，N38°76′，屬暖溫帶季風氣候，土質為壤土，基礎地力如表1所示，整體地力水平處于中等地力。

表1 2018-2020年試驗地基礎地力Tab.1 Basic soil fertility of the experimental site in 2018-2020

1.2 試驗設計

本試驗以農大棉601品種為試驗材料，采取二因素裂區設計方法，主區是水分處理，土壤相對含水量60%～70%設為對照(W1)，干旱處理(W2)為40%～50%；副區設置3個種植密度：D6(6萬株/hm2)、D9(9萬株/hm2)、D12(12萬株/hm2)。每個處理3個重復，小區面積為120 m2。

采用機械播種，人工覆膜，等行距種植，行距為76 cm。2019年5月4日進行播種，5月14日出苗，土壤水分脅迫從出苗期到苗后70 d左右時；2020年5月6日進行播種，出苗期為5月13日，土壤水分脅迫從苗后41 d時到苗后60 d左右。底肥使用硫酸鉀型復合肥(N∶P∶K=15∶15∶15)，氮素用量為56.25 kg/hm2，相當于正常推薦施肥量的25%[25]；其他同常規高產棉田管理。

1.3 棉花生育時期的氣象條件

2 a間棉花生育時期的氣象條件如圖 1 所示，2019年降雨量主要集中在棉花生長發育后期，2020年較于2019年，降雨量有明顯增加，且在棉花生長發育前期有較多的降雨量。

圖1 棉花生育時期氣象條件Fig.1 Meteorological conditions of cotton growth period

1.4 測定項目與方法

氮素測定：2019年，于吐絮期按小區取3株代表性植株，將每株棉花分為生殖器官和營養器官兩部分；2020年，則在吐絮期按小區取3株代表性植株，將每株棉花分為主莖(主莖+主莖葉)、果枝(果枝+果枝葉)、葉枝(葉枝+葉枝葉)、蕾鈴、根五部分，放入烘箱105 ℃殺青0.5 h，80 ℃烘干至恒質量，測定干物質。

將烘干的樣品磨細保存。用連續流動分析儀(Auto Analyzer3，德國 SEAL)測定全氮含量，計算植株氮素積累量。

各器官氮素積累量(kg/hm2)=器官干物質質量(g)×種植密度/1 000×各器官含氮量(%)；

器官氮素分配率=(器官氮素累積量/地上部組織氮素累積量)×100%；

產量及其構成因素測定：分別于7月15日、8月15日、9月10日調查各處理不同時期結鈴數，每個處理選取4行。棉花吐絮后分3次收獲，測定單鈴質量和衣分，計算棉花產量。

1.5 數據處理

試驗數據采用Excel和SPSS進行分析。

2 結果與分析

2.1 水分和種植密度對棉株各器官氮素積累的影響

由表2，3 可以得出，2 a期間，種植密度和水分對棉花生殖器官氮素積累量和氮素總積累量都有顯著影響，且具有互作效應。2019年，生殖器官和營養器官氮素積累量及氮素積累總量都隨種植密度增加極顯著提高；水分處理間，W1條件下生殖器官氮素積累量和氮素總積累量顯著高于W2，分別升高了33.60%，24.63%；營養器官氮素積累量無顯著差異；在種植密度和水分條件作用下，W1D12處理氮素總積累量最高，與均值相比提高37.26%。2020年，葉枝氮素積累量以W1D9條件下最高，其余器官氮素積累量則隨種植密度增加極顯著提升；水分處理間，W1生殖器官氮素積累量和氮素總積累量比W2顯著升高，分別升高了24.4%，17.5%；相較于W1，W2葉枝的氮素積累量極顯著降低；在種植密度和水分互作效應下，W2D12處理下氮素總積累量最高，與W1D9和W1D12處理差異不顯著，與均值相比升高了23.2%。

表2 水分和種植密度對棉株各器官氮素積累的影響(2019年)Tab.2 Effects of moisture and planting density on nitrogen accumulation in cotton organs in 2019 kg/hm2

表3 水分和種植密度對棉株各器官氮素積累的影響(2020年)Tab.3 Effects of moisture and planting density on nitrogen accumulation in cotton organs in 2020 kg/hm2

2.2 水分和種植密度對棉株各器官氮素分配比例的影響

由表 4，5可知，綜合2 a數據來看，棉花吐絮期氮素分配比例以生殖器官為主，49.41%～66.54%。2019年，種植密度對生殖器官和營養器官氮素分配比例有極顯著影響；隨種植密度增加營養器官分配比例極顯著降低，生殖器官分配比例極顯著升高；W1生殖器官的分配比例高于W2，升高了3.66%，營養器官分配比例與之相反，兩者之間差異不顯著。2020年，主莖氮素分配比例的變化趨勢為D12>D9>D6，處理間差異顯著；W2顯著高于W1；隨種植密度增加，果枝和果枝葉以及葉枝和葉枝葉的氮素分配比例呈先升高后降低的趨勢，W1條件下葉枝氮素分配比例顯著高于W2，果枝氮素分配比例則相反，但未達到顯著差異；不同種植密度處理，生殖器官氮素分配比例表現為D6>D12>D9，不同水分處理間差異不顯著。

表4 水分和種植密度對棉株氮素不同器官分配比例的影響(2019年)Tab.4 Effects of water content and planting density on nitrogen distribution ratio of cotton organs in 2019 %

表5 水分和種植密度對棉株氮素不同器官分配比例的影響(2020年)Tab.5 Effects of water content and planting density on nitrogen distribution ratio of cotton organs in 2020 %

2.3 水分和種植密度對棉花產量和產量構成因素的影響

由表6，7 可知，年份間種植密度對棉花籽棉產量有極顯著影響，W1條件下高于W2條件下，衣分主要受品種特性影響，栽培措施和環境因素對其影響較小。2019年，隨種植密度增加，籽棉產量呈升高趨勢，與D6相比，D9、D12條件下籽棉產量顯著提高了28.68%，35.47%，W2條件下籽棉產量比W1降低了13.74%；由產量構成因素可知，單位面積鈴數隨密度增加而顯著提高，W1條件下單位面積鈴數顯著高于W2；單鈴質量以D9條件下最高，顯著高于其余2個處理。2020年，種植密度對棉花籽棉產量有極顯著影響，籽棉產量隨種植密度的增加而增加，相比于D6條件下，D9和D12條件下籽棉產量分別提高了12.41%，36.73%；水分處理下，W2條件下籽棉產量僅比W1條件下低2.54%，可以得出節水條件下增加密度可以維持棉花高產；進一步分析產量構成因子可以看出，不同水分處理下棉花單位面積鈴數和單鈴質量有顯著差異，隨密度增加單位面積鈴數升高，單鈴質量無顯著變化；W1單位面積鈴數高于W2 11.31%，單鈴質量卻降低了6.66%。說明節水栽培有利于同化物向生殖器官分配。

表6 水分和種植密度對棉花產量及產量構成因素的影響(2019年)Tab.6 Effects of moisture and planting density on cotton yield and yield components in 2019

表7 水分和種植密度對棉花產量及產量構成因素的影響(2020年)Tab.7 Effects of moisture and planting density on cotton yield and yield components in 2020

2.4 棉花氮素積累分配與產量及構成因素相關性分析

通過相關性分析得出，棉花籽棉產量與吐絮期氮素總積累量和生殖器官氮素積累量極顯著正相關，與生殖器官氮素占比顯著正相關，單位面積鈴數與氮素總積累量和生殖器官氮素占比顯著正相關，與生殖器官氮素積累量達到極顯著正相關，可見氮素轉移和積累對棉花最終產量的形成有積極的促進作用(表8)。

表8 棉花氮素積累分配與產量及構成因素的相關性Tab.8 Correlation coefficient of nitrogen accumulation and distribution with yield and its constituent in cotton

3 討論與結論

3.1 水分和種植密度對棉株氮素積累和分配的影響

養分吸收是干物質積累的前提，氮素積累的變化對產量的形成有一定的影響[19]。薛占琪[11]試驗表明，隨種植密度增加，氮素積累量和生殖器官氮素分配比例也隨之增加。本試驗與之結論相同，同一水分條件下，隨種植密度升高，棉花氮素總積累量極顯著升高；生殖器官氮素分配比例隨種植密度增加而增加，所以提高密度可以顯著增加氮素積累量，使更多的氮素轉移到生殖器官中。劉翔[21]研究表明，棉花生育時期水分虧缺會顯著降低棉花氮素吸收，閆曼曼等[4]研究表明，輕缺調虧有利于棉花氮素吸收。本試驗表明，水分條件下，W1條件下的氮素積累量顯著高于W2，但是其生殖器官的氮素分配比例并無顯著差異，說明多吸收的氮素并未更多的轉移到生殖器官中。

3.2 種植密度和水分對棉花產量及構成因素的影響

種植密度和水分是調節棉花生長發育的重要手段，對棉花產量潛力具有較大的調控作用[26]。相關性分析表明，除單鈴質量外，氮素積累和分配與棉花產量及構成因素顯著正相關。在一定范圍內單位面積群體產量隨密度的增加而增加，當密度達到一定程度時，產量可達最高值，如再繼續增加密度，產量反而會下降[15]；研究表明，冀中棉區適宜種植密度6.0～8.7萬株/hm2[12-13]；也有研究發現，通過適度調虧灌溉，在不影響作物生長和產量的前提下，獲得節水穩產的效果[7]。本研究發現，籽棉產量和單位面積鈴數在D12條件下達到最高，單鈴質量2 a趨勢不同；水分處理之間，2019年W2條件下產量比W1條件降低了13.74%，2020年，W2條件下產量僅比W1條件降低了2.54%，單位面積鈴數與籽棉產量變化趨勢相同。由此可以看出，灌水量降低，導致棉花單位面積鈴數減少，引起棉花籽棉產量下降，下降的幅度與當年的氣象條件有關，在豐水年可以很好地維持棉花產量，達到穩產節水的效果。

綜上所述，適當增加種植密度可以提高棉花氮素積累量和籽棉產量；減少灌水量，降低了氮素積累量，但生殖器官氮素分配比例未提高，多余的氮素吸收量并未更多的分配到生殖器官，2 a間，W1條件下籽棉產量高于W2條件下，2020年W1條件下籽棉產量和W2條件下基本持平。因此，推薦當地適當減少灌水量，與常規種植密度6萬株/hm2相比，將密度提升到9～12萬株/hm2，可以達到棉花節水穩產的目的。