水氮耦合對棉花干物質積累及產量的影響

爾 晨，林 濤，王家勇，徐彥軍，徐高羽，夏 文，湯秋香

(1. 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；2. 新疆農業科學院經濟作物研究所，烏魯木齊 830091； 3. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；4.農業部荒漠綠洲作物生理生態與耕作重點實驗室，烏魯木齊830091)

0 引 言

【研究意義】水分是維持植物生長的重要生理生態因子。水分對植物生長的影響體現在多個方面，除直接影響根系生長、形態結構等[1]形態建成外，還影響著光合產物的積累與分配[2]。我國部分地區常年處在干旱或半干旱地區，水分的虧缺影響了養分的吸收利用，最終導致干旱減產。尋求更加合理的灌溉模式提高水分，在保證不減產或增產的同時降低灌水量。氮是植物生長發育所需的大量營養元素之一，也是限制作物產量形成的重要限制因子。研究表明，作物過多吸收的養分不僅沒有轉化為產量，反而抑制了作物的生長發育，造成作物產量下降和養分浪費[3]。而我國主要的農作物小麥、玉米、水稻等的氮肥利用率已有研究[4]。水資源嚴重短缺和氮肥常年過飽和投入是干旱區農業可持續生產的重要限制因素，合理的水肥投入是棉花高產、高效的基礎?！厩叭搜芯窟M展】灌水和施肥是影響作物生長和產量的主要原因[5]，高效的水肥管理是作物高效、高產和農業生態環境可持續發展的必要舉措[6-7]。研究表明，水氮供應不足會導致棉花干物質積累減少，植株矮小，降低果枝數；而水氮供應過量時棉株高大，營養過剩，棉花易貪青晚熟，同樣會降低產量[8]，方棟平等[9]研究表明，株高、莖粗、葉面積指數和產量與灌溉和施肥量均呈正相關關系。Yudhveer等[10]研究在高灌溉量下。施肥量由80 kg/hm2增加至200 kg/hm2，籽棉產量逐漸增加，而在低灌溉量下，施肥量由80 kg/hm2增加至200 kg/hm2，籽棉產量先增加后減少，分析其產量構成因素，單鈴質量和單株鈴數均隨施肥量的增加呈先上升后下降的趨勢。羅宏海等[11]在對不同水氮供應量及分配比的研究發現，水氮耦合影響了收獲期葉片的衰老特性，對籽棉產量有顯著的調節作用?！颈狙芯壳腥朦c】雖然水氮耦合的研究已經取得了一些成果，但對水、氮對干物質積累及產量構成因素二者誰是主導因素的研究結果還有爭議，且對機采棉模式下棉花農藝形狀情況報道較少。研究水氮耦合對棉花干物質積累及產量的影響。【擬解決的關鍵問題】設置不同灌水和施肥梯度，分析水氮耦合對機采棉種植模式下籽棉產量和干物質積累及農藝形狀的影響，為干旱地區水氮資源的高效利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2018～2019年在新疆農業科學院阿瓦提棉花綜合試驗站進行，試驗區位于塔里木盆地西北沿(N 40°06'，E 80°44'，海拔1 025 m)，所屬地理位置屬于溫帶大陸性干旱氣候。年均日照2 679 h，≥10℃年積溫3 987.7℃，無霜期211 d，年平均降水量46.4 mm，蒸發量1 890.7 mm，農業生產完全依賴于灌溉。試驗區地下水埋深>5 m，地下水無法補給到作物根系分布層，向上補給量可忽略不計；土壤類型為灌淤土，母質為沖積物，質地為沙壤土，容重1.45 g/ cm3，土壤pH 8.2，田間持水量28.9%。

供試品種為新陸中88號(新疆農業科學院經濟作物研究所提供)，采用“1膜2管6行”機采棉種植模式，普通聚乙烯地膜覆蓋，膜寬2.05 m，厚度0.01 mm，地表覆蓋度約為80%。株行配置 ((10+66+10)+66) cm×11 cm，理論種植密度22.5 ×104株/hm2。滴灌帶間距76 cm，滴頭間距25 cm，滴頭流量2.1 L/h，各小區安裝水表和開關，單獨控水。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用裂區試驗設計，以灌溉量為主區，設2 250(低灌溉定額)、3 450(傳統灌溉定額)和4 650 m3/hm2(高灌溉定額)，3個灌溉定額(以W1、W2和W3表示)。設0(空白)、300(傳統氮肥投入量)和600 kg/hm2(高施氮量)，3個純氮投入量(以N1、N2和N3表示)。共9個處理，每個處理重復3次，共27個試驗小區。小區長6.5 m，寬6.9 m，面積44.85 m2，各小區由3個播幅組成。底肥一次性投入磷酸二銨(P2O553.8%，N21.2%)450 kg/hm2，硫酸鉀(K2O 51%)225 kg/hm2，尿素300 kg/hm2(N 46.4%)。

1.2.2 指標測定

1.2.2.1 農藝性狀

每個小區選取邊行、中行各連續5株掛牌定株，在每個生育時期記錄其株高、果枝數、果枝始節、真葉數、葉綠素含量等指標。

1.2.2.2 干物質積累量

棉花收獲期各小區選取具有代表性的3株棉花，105℃殺青60 min，85℃烘干至恒重并記錄其重量。

1.2.2.3 產量

于棉花收獲期在各小區長勢均勻處挑選6個2.27 m×2.93 m大小的樣方，記錄其株數和結鈴數。測定后在各小區分上中下部分各取50 朵棉花，曬至恒重后測定單鈴質量計算籽棉產量。

1.3 數據處理

采用DPS Version 7.05(Data Processing System Software, Inc. CHN)和Excel 2010軟件進行數據的統計與分析，采用最小顯著性差異LSD法進行顯著性測驗，不同字母表示為二者間差異顯著(P<0.05)，采用Sigmaplot Version 12.5(Systat Software, Inc. USA)軟件對分析數據進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 水氮耦合對棉花農藝性狀的影響

研究表明，不同年份間變化規律變化趨勢一致。蕾期各處理株高相近，開花期后W2和W3處理株高增長迅速，顯著高于W1處理，在相同灌溉量下N2和N3處理間無顯著性差異，但均顯著高于N1處理，7月中旬打頂后各處理棉花株高趨于穩定，其中W3N3組合下棉花株高最高為86.1 cm。至吐絮期，在W1和W3灌溉量下各處理間無顯著差異；W2灌溉量下，N2和N3施肥量下分別比N1顯著高9.5%和12.4%。3種施肥量下，灌溉量由W1增加至W3棉花株高顯著增加17.6%、9.1%和13.0%。2年間葉片數均為W1N1組合下最少，其余各處理間無顯著差異。果枝數蕾期各處理間差異較小，開花期N1、N2施肥量下果枝數增長較快且顯著高于N3施肥量，盛鈴期后N1施肥量下果枝數趨于穩定，N3施肥量下果枝數迅速增加。至吐絮期，W1灌溉量下各處理間無顯著差異；W2和W3灌溉量，施肥量從N1增加到N3果枝數分別顯著增加5.0%和13.9%。施肥量為N1時各處理無顯著差異，施肥量為N2和N3時，灌溉量從W1增加至W3棉花果枝數分別顯著增加19.7%和20.8%。不同灌溉施肥組合下蕾數表現為W1N1最低，其余各處理無顯著差異。結鈴數在蕾期除W1N1組合外各處理無顯著差異，隨生育時期推進，成鈴數隨灌溉量和施肥量的增加而增加。至吐絮期，W1灌溉量下各處理間無顯著差異；W2灌溉量下N3處理比N1處理顯著高9.7%；W3灌溉量下N3處理分別比N1和N2處理分別顯著高10.7%和22.3%。3種施肥量下，灌溉量由W1增加至W3棉花結鈴數分別顯著增加10.9%、13.8%和42.7%。表1

表1 不同處理下棉花農藝性狀的變化Table 1 Changes of agronomic traits of cottons under different treatments

2.2 水氮耦合對干物質積累量的影響

研究表明，水氮耦合棉花干物質均表現為隨生育時期推進不斷呈“慢-快-慢”的趨勢，經Logistic方程進行模擬結果較好，擬合系數均大于0.99。在W1灌溉量下，N2處理干物質快速積累持續時間最長，較最短的N3處理長16.3 d，但起始時間較N3處理晚12.7 d；W2灌溉量下，N3處理干物質快速積累持續時間最長，較最短的N2處理長6.9 d，但起始時間較最早的N1處理晚7.4 d；W3灌溉量下，N1處理干物質快速積累持續時間最長，較最短的N2處理長8.0 d。不同灌溉量下干物質最快積累速度均表現為N2處理最高，分別較最低的N1處理高42.8%、48.3%和33.3%。W1灌溉量下，快速增長期特征值N2處理比N1和N3處理分別高46.9%和53.7%；W2灌溉量和W3灌溉量下，N2和N3處理差異不顯著但均高于N1處理。在施肥量為N1時，干物質快速積累持續長、最快積累速度和快速增長期特征值均隨灌溉量的增加而增加；施肥量為N2和N3時，W2和W3灌溉量下各項指標相近，除快速積累起始時間晚于W1處理外，快速積累持續長、最快積累速度和快速增長期特征值均高于W1處理。表2

表2 不同處理下棉花干物質積累的Logistic函數生長模型及相關參數Table 2 Logistic function growth model and related parameters of cottons bioaccumulation under different treatments

各處理間干物質積累總量差異主要表現在開花期至吐絮期，而苗期至開花期各處理間差異較小。吐絮期時，在灌溉量一定的條件下，各灌溉量下棉花干物質積累總量均隨施肥量的增加呈N2>N3>N1的特點，其中N2處理分別比N1處理高41.5%、53.0%和28.0%。在施肥量一定的條件下，各施肥量下棉花干物質積累總量均隨灌溉量的增加而增加，W3處理分別較最低的W1處理高56.7%、41.8%、71.6%。圖1

2.3 水氮耦合對棉花干物質分配的影響

研究表明，全生育期內干物質積累總量均呈W3最高且W1最低的特點，開花期前W2處理顯著低于W3處理，開花期至吐絮期，W2處理與W3處理無顯著差異。隨著施肥量的增加，花期N3處理干物質積累總量快速增加，顯著高于N1和N2處理；盛鈴期N2和N3處理無顯著差異；吐絮期N2處理干物質積累總量最高，顯著高于N1處理但與N3處理差異不顯著。

隨著灌溉量和施肥量的增加，營養器官干物質積累量顯著增加，至吐絮期W2和W3處理分別比W1處理顯著高31.8%和39.4%，N2和N3處理分別比N1處理顯著高24.3%和11.3%。但在分配率方面，營養器官所占比例隨灌溉量和施肥量的增加而降低，各灌溉量下，施肥量從N1增加到N3，營養器官占比顯著降低4.7%、7.6%和4.4%；在施肥量相同時，灌溉量從W1增加到W3，營養器官占比顯著降低4.5%、5.5%和5.2%。經濟器官積累量除花期表現為低灌溉量高施肥量組合下積累量最高外，其余各生育時期均表現出營養器官相近的趨勢，吐絮期W2和W3處理分別比W1處理顯著高58.2%和68.7%，N2和N3處理分別比N1處理顯著高52.8%和32.5%。表3

表3 棉花各生育時期不同處理下干物質在不同器官中分配變化Table 3 Cotton biomass distribution in different growth stages under different treatments

2.4 水氮耦合對棉花產量及產量構成因素的影響

研究表明，灌溉量和施肥量及二者交互作用對產量構成因素均有不同程度影響。在灌溉量一定時，N2和N3處理單株成鈴無顯著差異，但均高于N1處理；在N1和N3施肥量下，W2和W3灌溉量單株成鈴無顯著差異，但均高于N1處理，在N2施肥量下，W3處理顯著高于W1和W2處理且W1和W2處理間差異顯著，單株成鈴最多的處理為W3N3組合，較最少的W1N1組合單株成鈴顯著多1.4個/株。灌溉量和施肥量對單株結鈴均有顯著影響，但二者交互作用影響不顯著。在單鈴質量方面，在W1灌溉量下，N2處理顯著高于N1和N3處理；在W2和W3灌溉量下，N2和N3處理差異不顯著且均比N1處理高14.0%。灌溉量和二者交互作用對單鈴質量均有顯著影響，施肥量對單鈴質量影響不顯著。各處理間衣分均無顯著差異，灌溉量和施肥量及二者交互作用對衣分均無顯著影響。

W1灌溉量下，N2處理比N1處理顯著高17.6%，在W2灌溉量和W3灌溉量下，施肥量由N1提高到N3，籽棉產量顯著提高14.6%和12.5%；在施肥量一定的條件下，灌溉量由W1增加到W3，籽棉產量分別顯著提高27.3%、23.2%和31.4%。表4

表4 不同處理下產量及產量構成因素Table 4 Yield and yield components under different treatments

3 討 論

3.1 水氮耦合對棉花農藝形狀的影響

干旱地區農業灌溉是滿足作物生長耗水、實現作物高產的基礎[12]，而協調水肥供應是保證水分高效利用的重要措施。植株株高與灌溉量和施肥量呈正相關關系[13]，司轉運等[14]研究表明，棉花的葉片數與氮肥施用量呈一元二次函數關系，過量施肥反而會抑制植株生長。而在試驗條件下，灌溉量和施肥量對棉花株高和葉片數具有一定的促進作用，但當灌溉量和施肥量提高到一定程度后，繼續增加灌溉量和施肥量對棉花株高及葉片生長影響不顯著，這與李志軍等[15]的研究結論一致。

3.2 水氮耦合對棉花干物質積累的影響

提高光合生物量是高產的基礎，已有研究表明，提高灌水量和施肥量對提高干物質積累均有促進作用[16]，董合忠等[17]提出無限制的增加水肥施入對棉花干物質積累及產量品質并非一直為正效應，合理的水氮施入可使群體干物質保持在一個適宜的范圍內，保證源-庫關系協調，最終才能達到高產的目的，王海江等[18]也提出不合理的水肥施入配比會導致棉花營養生長和生殖生長失調。試驗條件中，干旱條件下雖然加快了蕾期和開花期的干物質積累速度，但結鈴后由于營養生長不足，不能供給后期生殖生長所需養分，而在高灌溉量下缺失氮肥導致棉花營養生長時間過長，延緩養分向生殖器官積累，適宜的灌溉量下可提高棉花干物質積累速度，使干物質快速積累持續時間出現的日期與水肥供應時段相吻合，其中提高灌溉量更利于干物質總量的增加而提高施肥量更利于提高經濟器官在總干物質中的占比。

3.3 水氮耦合對棉花產量及產量構成因素的影響

Hou等[19]研究表明，水氮耦合對棉花單鈴質量、單株鈴數和籽棉產量均有顯著的提高作用。但也有研究表明，過量灌溉無明顯增產效果[20]。吳立峰等[21]研究發現灌溉量和施肥量對籽棉產量有顯著的交互作用。而鄧忠等[22]的研究結果表明，灌溉量和施肥量對單株鈴數和單鈴質量無顯著的交互作用。試驗條件下，在灌溉量和施肥量分別超過3 456 m3/hm2和300 kg/hm2后繼續提高水肥施用量，產量雖有上升趨勢但未達到顯著水平。通過F測驗后，水氮耦合對單鈴質量、籽棉產量和皮棉產量均有顯著影響。

4 結 論

4.1提高灌溉量和施肥量均可促進棉花生長，顯著提高棉花株高、葉片數及結鈴數，且灌溉量和施肥量越高，生育前期增長越快。但灌溉量高于3 456 m3/hm2、施肥量高于300 kg/hm2后，吐絮期株高、葉片數及結鈴數無顯著差異。提高灌溉量和施肥量可促進棉花生長，提高單株結鈴，但氮肥投入過多會使生殖生長推遲。

4.2提高灌溉量可以促進干物質積累總量，而施肥量對干物質的影響主要體現在高施肥量下干物質更早更快的向經濟器官積累。充足的水分能夠保證植株正常生長，而超額灌溉未能進一步提高干物質積累，增施氮肥同樣可促進干物質積累，但施肥量過高干物質積累特征值均有不同幅度下降。施肥量過高會在一定程度上抑制干物質積累，而增加灌溉量可提高植株對氮素的吸收利用，干物質積累總量隨之增加。經濟器官所占比例同樣隨灌溉量和施肥量的增加而增加。增加灌溉量和施肥量提高干物質積累總量主要是提高了經濟器官干物質積累量及其占比，但過高的水氮施入會延緩花鈴期蕾鈴發育，易造成棉株貪青。

4.3籽棉產量顯著增加23.2%～31.4%，提高施肥量可使籽棉產量顯著增加12.5%～17.6%，水氮耦合對棉花單鈴重、籽棉產量和皮棉產量均有顯著的調控作用，而對單株結鈴數及衣分無顯著影響。灌溉量和施肥量對籽棉產量有極顯著影響，二者交互作用對籽棉產量有顯著影響。不同處理皮棉產量所示趨勢與籽棉產量一致。灌溉量對單株成鈴和單鈴質量有顯著影響，對產量有極顯著影響；施肥量對單株成鈴有顯著影響，對產量有極顯著影響；二者交互作用對單鈴質量及產量有顯著影響。