施氮量對棉花養分吸收利用及產量和品質的影響

郭小琰，孫桂蘭，熊世武，陳煥軒，韓迎春，王國平， 李存東，李亞兵，張永江，王占彪,,

(1.棉花生物學國家重點實驗室河北基地 / 河北農業大學農學院，河北保定 071000； 2.棉花生物學國家重點實驗室 /中國農業科學院棉花研究所，河南安陽 455000； 3.棉花生物學國家重點實驗室鄭州研究基地 / 鄭州大學，鄭州 450000)

0 引 言

【研究意義】過量和不合理的肥料運籌會帶來土壤養分失衡等[1-4]。在保障棉花產量基礎上，減少氮肥用量，以降低因過量施氮造成的環境污染風險[5,6]，研究施氮量對棉花養分吸收利用及產量和品質的影響，對提高肥料利用效率和施肥效益，以及棉花生產提質增效具有重要意義。【前人研究進展】研究表明，氮素在作物產量形成中扮演著重要的角色，并與磷和鉀元素的吸收存在密切關系[7]，建立合理的施氮水平不僅能提高棉花產量和氮肥利用率，還能減少氮肥損失[8,9]。秦宇坤等[10]研究了低肥力棉田條件下氮肥用量對棉花產量、棉花養分吸收利用的影響，提出較低的氮肥用量可獲得較高的氮肥偏生產力和氮農學利用率，當施氮量超過360 kg/hm2時，棉花養分積累量降低，氮肥利用率降低，證明了棉田減氮增效的可行性。李鵬程等[11]研究表明，黃河流域棉區施氮量為360 kg/hm2時，籽棉的平均產量最高，中等肥力棉田施氮量超過270 kg/hm2時，棉花氮素生理利用率和氮肥農學利用率下降。李伶俐等[12]研究了在高產條件下，不同施氮量對雜交棉氮、磷、鉀養分吸收利用及產量品質的影響，提出氮、磷、鉀養分利用效率隨施氮量的增加而提高，氮肥利用率則隨施氮量的增加而下降?！颈狙芯壳腥朦c】氮素在營養器官和生殖器官中的積累與分配是決定作物產量和品質的重要因素[13,14]，氮素分配效率和氮肥利用率也是決定作物產量的重要條件之一[15]。前人研究多集中在施氮量對棉花產量及氮肥利用率的影響等方面[16-20]，缺乏施氮量對棉花各器官氮磷鉀養分吸收與利用的影響等相關報道。研究施氮量對棉花養分吸收利用及產量和品質的影響?！緮M解決的關鍵問題】在磷鉀肥施用量一致的基礎上，研究不同施氮量對棉花產量、纖維品質、干物質積累、養分吸收量及氮肥利用率的影響，分析適宜的氮肥用量，為棉花生產的氮肥減施及制定高產高效的養分管理策略提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

田間試驗于2018～2019年在中國農業科學院棉花研究所東場試驗基地進行(中國河南省安陽縣，36°06′N，114°21′E)。供試棉花品種為中棉所60號。土壤類型為潮褐土，耕層土壤(0～20 cm)基礎理化性質：pH 值8.12，有機質含量16.27 g/kg，全氮含量1.16 g/kg，全磷含量0.71 mg/kg，速效磷含量12.27 mg/kg，速效鉀含量162.00 mg/kg。2018和2019年的年平均氣溫分別為15.8、15.9℃；全年總降水量分別為602.0、470.0 mm；全年日照時數分別為1 996.4、2 058.3 h；全年活動積溫(≥15℃)分別為4 934.0、4 861.9℃。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

設置4個施氮水平，分別為0(CK)、112.5(N1)、168.75(N2)、225(N3)kg/hm2，其中225 kg/hm2的施氮量是當地棉田常規施氮量。氮肥(尿素)苗期基施與花鈴期追施各占一半，磷肥(過磷酸鈣)和鉀肥(硫酸鉀)全部底施，施用量均為102 kg/hm2。

采用隨機區組設計，每個處理3次重復，共計12個小區。各小區均為8行區，行長10 m、寬6 m，小區面積60 m2。等行距76 cm播種，130 cm寬膜雙行覆蓋，各小區播種密度均為9.0×104株/hm2。2018年，棉花于4月21日播種，于11月6日完成收花；2019年，棉花于4月24日播種，于11月6日完成收花。兩年大田試驗均在棉花播種前和花鈴期灌水2次，其他管理均為常規田間管理。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 棉花生物量及氮、磷、鉀含量

我院男護生選擇護理學專業31.73%的護生是因為好就業，54.33%的男護生對本專業積極主動且沒有想過更換專業，75.69%的男護生優先選擇的醫院為三級醫院，29.81%的男護生最想在手術室工作。從以上數據我們可以看到我院男護生對男護生就業處于相對看好狀態。從表2我們可以看出影響男護生就業觀高的因素如下。

于2018年和2019年棉花吐絮期，在各小區隨機選取2株長勢均勻的棉花，按莖、葉、生殖等不同部位進行分解，分別稱量其鮮重，將分解后的鮮樣放入烘箱105℃殺青30 min后，于80℃干燥箱中烘干至恒重，稱量計算其干物質質量。

將烘干的樣品粉碎，過0.5 mm篩，測定棉花地上部全氮 、全磷、全鉀含量。稱取磨好的植株樣0.500 0 g，用H2SO4-H2O2法消煮植株樣，消煮后的樣液加水定容到100 mL，全氮采用半微量凱氏定氮法，全磷采用釩鉬黃吸光光度法，全鉀采用火焰光度法進行測定。

1.2.2.2 產量及產量構成因素

2018年和2019年分別于棉花成熟后，按小區分2次實收全小區吐絮鈴計產，每次分小區收花后裝入網袋，曬干、稱重、軋花，計算各小區籽棉產量和皮棉產量。每次產量收獲前分小區收取全株吐絮鈴100個，曬干后稱重，單鈴重用100鈴籽棉產量除以總鈴數計算，衣分由100鈴的皮棉產量除以100鈴的籽棉產量計算得出，群體成鈴數由籽棉產量除以單鈴重計算得出。

1.2.2.3 纖維品質

棉花纖維品質主要包括：纖維長度、纖維整齊度指數、斷裂比強度、馬克隆值和斷裂伸長率。從每個試驗材料的皮棉中隨機稱取纖維樣品20 g，送至中國河南省安陽市農業農村部棉花品質監督檢驗測試中心檢測。

1.2.2.4 氮素利用率及其計算

氮素表觀利用率(%)=(N-N0)/F×100.

氮素農學效率(kg/kg)=(Y-Y0)/F.

氮素偏生產力(kg/kg)=Y/F.

氮肥貢獻率(%)=(Y-Y0)/Y×100.

氮素生理利用率(kg/kg)=

(Y-Y0)/(N-N0).

式中，Y和Y0分別為施氮處理和CK處理所獲得的棉花籽粒產量，N和N0分別為施氮處理和CK處理地上部總吸氮量，F為施氮量[21-23]。

1.3 數據處理

試驗數據采用Microsoft Excel 2016進行數據處理與分析，通過SPSS 23.0進行單因素方差分析和差異顯著檢驗，采用Origin 2018進行繪圖，所有數據均為3次重復的平均值。

2 結果與分析

2.1 施氮量對棉花產量及其構成因素的影響

研究表明，2018年各施氮(N1～N3)處理比不施氮肥(CK)處理分別增產240.21、287.44、403.49 kg/hm2，增產幅度為8.21%～13.78%；2019年分別增產357.78、450.57、688.27 kg/hm2，增產幅度為9.86%～18.97%。2018年N3處理成鈴數較CK處理顯著增加，增幅為12.34%；2019年N1、N2、N3處理成鈴數較CK處理顯著增加，分別增加了8.43%、11.27%、17.50%。2018和2019年各處理間單鈴重和衣分差異不顯著。與常規施肥(N3)相比，氮肥減施25%(N2)，2018年，籽棉和皮棉產量分別降低了3.48%和3.58%，無顯著差異；2019年，籽棉和皮棉產量分別降低了5.51%和6.36%，2個處理間差異顯著。表1

表1 不同施氮量下棉花產量及其構成因素變化Table 1 Effects of nitrogen application rate on cotton yield and yield components

2.2 施氮量對棉花干物質積累、氮、磷、鉀吸收與分配的影響

2.2.1 施氮量對棉花干物質、氮、磷、鉀積累量的影響

研究表明，2018年，N2處理干物質積累量與氮積累量較CK分別顯著增加32.4%和33.6%，磷和鉀積累量較CK分別顯著增加22.9%和6.2%；2019年，N2處理干物質積累量與氮積累量較CK分別顯著增加34.1%和14.2%，磷和鉀積累量較CK分別顯著增加24.2%和6.2%。各施氮處理棉花干物質積累量較CK分別增加22.7%～32.4%和22.2%～34.1%；氮積累量較CK分別增加13.8%～33.6%和4.5%～14.2%；磷積累量較CK分別增加7.4%～22.9%和5.4%～24.2%；鉀積累量較CK分別增加1.8%～6.2%和2.6%～6.2%。表2

表2 不同處理下干物質和氮磷鉀積累量變化Table 2 Accumulation of dry matter weight, nitrogen, phosphorus and potassiumaccumulation under different treatments

2.2.2 施氮量對棉花氮素吸收與分配的影響

研究表明，2018年，N1、N2、N3處理的莖氮素吸收量比CK處理增加了0.5～0.8倍，2019年增加了0.6～1.0倍；2018年，N1、N2、N3處理的葉氮素吸收量比CK處理增加了0.7～0.9倍，2019年差異較??；2018和2019年的各處理棉花生殖器官氮素吸收量均在N2處理有最大值。棉花吐絮期，氮素分配到莖和葉的比例較小，分配到生殖器官的比例約為57%～64%，各處理氮素積累量為N2> N1> N3> CK，且CK處理的棉花莖、葉和生殖氮素吸收量都顯著小于各施氮處理，N2處理顯著高于其他處理。圖1

2.2.3 施氮量對棉花磷素吸收與分配的影響

研究表明，2018年，各處理的莖、葉、生殖磷素吸收量分別占比10.6% ～15.0%、12.1% ～15.6%、70.8% ～75.2%；2019年，各處理的莖、葉、生殖磷素吸收量分別占比14.1% ～17.4%、6.5% ～10.3%、72.7% ～79.3%。2019年棉花莖對磷素吸收量提高，而葉對磷素吸收量降低。在吐絮期，各處理棉花生殖器官磷素積累量高于營養器官，各處理磷素積累量為N2> N1> N3> CK，且CK處理的棉花莖、葉和生殖磷素吸收量都顯著小于各施氮處理，N2處理顯著高于其他處理。圖2

2.2.4 施氮量對棉花鉀素吸收與分配的影響

研究表明，同氮素和磷素吸收量一樣，棉花地上部鉀素吸收量是N2處理最高。2018年，各處理的莖、葉、生殖鉀素吸收量分別占比7.6%～9.8%、1.7%～2.7%、87.5%～90.7%；2019年，各處理的莖、葉、生殖鉀素吸收量分別占比18.9%～21.6%、7.7%～8.2%、70.7% ～73.2%。與2018年相比，2019年各處理棉花生殖器官鉀素吸收量降低，營養器官鉀素吸收量升高，但地上部鉀素總吸收量差別較小。在棉花吐絮期，各處理棉花生殖器官鉀素積累量高于營養器官，且CK處理的棉花莖、葉和生殖器官鉀素吸收量都顯著小于各施氮處理，N2處理顯著高于其他處理，施用氮肥有利于棉花生殖器官中鉀素的吸收。圖3

2.3 施氮量對棉花氮肥利用率的影響

研究表明，N1處理棉株的氮肥表觀利用率顯著高于其他處理，與常規施肥(N3)處理相比，2年均增長8%；同氮肥表觀利用率一樣，氮肥農學效率和氮肥偏生產力均在N1處理有最大值，均隨施氮量的增加而降低，這與各處理對氮素的吸收效率表現出了相類似的規律；氮肥貢獻率隨施氮量的增加，2018年表現先升高后降低的趨勢，N2處理顯著高于其他處理，2019年則持續升高，N3處理比N1、N2處理高4%～5%；氮肥的生理利用率2年均無顯著差異(P< 0.05)。表3

2.4 施氮量對棉花纖維品質的影響

研究表明，各處理的棉纖維長度、纖維整齊度和纖維伸長率隨施氮量的改變無明顯變化規律，且各處理之間差異不顯著；N1處理的棉纖維斷裂比強度均為最大值，比不施氮肥(CK)處理分別增加1.9%和2.5%；馬克隆值隨施氮量的增加而增加，在N3處理有最大值。與2018年各項纖維品質指標對比，2019年各處理的棉纖維長度和斷裂比強度均有所提高，馬克隆值整體下降。表4

3 討 論

3.1 施氮量對棉花氮、磷、鉀吸收與分配的影響

研究結果表明，在一定范圍內增施氮肥能顯著提高棉花氮、磷、鉀積累量，2018和2019年N1、N2與N3處理氮、磷、鉀積累量均顯著高于CK，這與李伶俐等[12]的結論一致。N3處理2018和2019年氮、磷、鉀積累量均比N2處理降低，施氮量過高對棉花養分積累量的提升效果不顯著，甚至有阻礙作用，這與哈麗哈什·依巴提等[24]的研究結果一致。

3.2 施氮量對棉花氮肥利用率的影響

氮肥利用率是評價農田氮肥施用經濟效益和環境效應的重要指標，是指施入農田的氮肥被作物吸收到體內的比例，不包括氮肥的損失和殘留在土壤中的部分，反映了作物對施入土壤中的肥料氮的回收效率[25]。

隨施氮量的增加作物氮素吸收量增加，然而肥料利用效率降低[26-28]。綜合2018和2019兩年大田試驗，在施氮量低于112.5 kg/hm2時，隨施氮量的增加氮素表觀利用率和氮肥農學利用率提高，當施氮量超過168.75 kg/hm2時，氮素表觀利用率和氮肥農學利用率顯著下降，說明過量施氮不利于棉花對氮素的吸收利用，反而造成了氮肥的損失，這與趙雙印等[29]的研究結果一致。

3.3 施氮量對棉花產量及纖維品質的影響

隨施氮量的增加，棉花籽棉產量增加，但不同棉區因氣候、土壤及栽培措施的差異，棉花高產施氮量不一致[30-32]。馬宗斌等[33]研究適宜黃河灘地植棉的施氮水平，結果表明，在施氮量為300 kg/hm2時，棉花干物質積累量較大，且分配到生殖器官的比例較高，黃河灘地的棉花適宜施氮量為300 kg/hm2。試驗2018與2019年棉花籽棉產量變化趨勢基本一致，均隨施氮量的增加呈上升趨勢。N2處理與N3處理籽棉產量兩年分別平均比CK處理顯著增加11.2%和16.3%，N3處理籽棉產量兩年平均比N2處理增加4.7%，施氮量在168.75～225 kg/hm2范圍內棉花可獲得較高籽棉產量。這與薛曉萍等[34]的研究結果一致。

2018年，不同施氮量的籽棉和皮棉產量均與不施氮處理差異顯著，但各施氮處理間差異沒有達到顯著水平，這可能與試驗年限短有關，并且各小區都進行了棉花秸稈還田，使得第1年試驗時各處理的表現差異不明顯。2019年，各處理的籽棉和皮棉產量均高于2018年，這可能是因為2019年的平均氣溫和日照時長均高于2018年，且2019年降雨量較小，導致棉花產量整體升高。

棉花纖維品質主要由遺傳特性決定，但由于試驗環境、肥料種類及施用量的不同，研究結果也會有所差異。研究中，隨施氮量的增加，棉纖維斷裂比強度呈現先升高后下降的變化趨勢，馬克隆值呈上升趨勢，這與宋為超等[35]的研究結果一致；而纖維長度、纖維整齊度和伸長率隨施氮量的變化未呈規律性變化，且各處理間差異不顯著。各處理纖維品質性狀差異不顯著。

4 結 論

施氮量對棉花成鈴數、籽棉產量和皮棉產量的影響均有顯著差異。所有施氮處理棉花產量均顯著高于不施氮肥(CK)處理。施氮量對棉花干物質和氮磷鉀積累量有顯著影響。隨施氮量的增加，棉花干物質和氮磷鉀積累量均呈現先升高后降低的趨勢，且均在氮肥減施25%(N2)處理有最大值。不同施氮水平下，棉花各器官氮素吸收量差異顯著。氮素供應過量或不足都不利于棉花后期氮素吸收。不同施氮水平下，棉花各器官磷素吸收量差異顯著，但整體變化趨勢相同。施用氮肥有利于棉花生殖器官中磷素的累積和吸收。施氮量對棉花纖維品質各項指標影響差異不顯著(P< 0.05)。合理施用氮肥可增加棉花產量，施氮過量或不足均導致棉花不同程度的減產，棉花施用量為112.5～168.75 kg/hm2較為適宜。