連續定點定量施氮對棉花花鈴期冠層光分布及產量的影響

馬云珍，董合林，李 玲，李鵬程，鄭蒼松，李春梅， 萬素梅，徐文修 ，王 芳，張 娜

(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.中國農業科學院棉花研究所/棉花生物學國家重點實驗室，河南安陽 455000；3.塔里木大學植物科學學院，新疆阿拉爾 843300)

0 引 言

【研究意義】2018年新疆棉花種植面積和總產量分別占全國的74.31%和83.88%，尤其是單產水平高出全國平均水平的12.7%。在棉花的各項增產措施中肥料占到30%～50%[1]。過高的施氮量會造成棉株營養比例失調、營養生長過旺、蕾鈴脫落嚴重、貪青晚熟、產量下降[2,3]。近年來，棉田氮肥施用量有所下降，2015年新疆棉田化肥施用量為462.9 kg/hm2[4]。研究長期高量施氮對棉花產量形成的影響，對棉花適宜減氮有實際意義。【前人研究進展】連續定位施氮在玉米[5,6]、小麥[7]、馬鈴薯[8]等作物上已經有研究，認為未施氮處理產量顯著低于各施氮處理，施氮處理間，隨著施氮量的增加產量呈先增后降的趨勢。前人已從不同角度進行了棉花氮肥的定量研究[9-13]，大多集中在關于連續施肥對土壤養分時空變異的影響，認為氮肥高量投入，增加了土壤中硝態氮的含量，導致硝態氮的淋洗。連續施氮對棉花功能葉光合效率及功能葉生理活性[14-17]研究認為，隨著施氮量的增加棉花功能葉凈光合速率呈增加趨勢，丙二醛含量呈下降趨勢，葉柄硝酸鹽含量與氮肥用量呈現正相關關系。施氮對冠層結構[18-22]，通過對棉花的葉面積指數、棉鈴空間分布、平均葉傾角、消光系數的研究認為施氮過低過高均不利于形成理想的棉花冠層結構，棉花合理的冠層結構能減少漏光，有利于提高光能利用率，延長花鈴期光合能力的高值持續期，光能利用效率的高低，可以直接反映棉花的生物產量。良好的作物冠層結構往往和高產緊密聯系，而合理的施氮量能構建良好的棉花群體結構，提高群體光合有效輻射利用率和棉花產量[23-27]。【本研究切入點】氮肥用量對棉鈴分布存在影響，而就棉花群體光能空間分布對棉鈴空間分布及對產影響的研究鮮有報道。研究連續定點定量施氮對棉花群體光分布及對棉鈴空間分布的影響。【擬解決的關鍵問題】在定點定量施氮水平條件下，設置3個施氮處理，分別為未施氮、中等施氮、高量施氮，研究連續施氮對棉花冠層光分布及以及對棉鈴空間分布和產量的影響，為棉花高產合理減量施氮提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

于2018～2019年，在新疆生產建設兵團第一師阿拉爾市10團中棉所南疆試驗站進行氮肥定位試驗。該區位于塔克拉瑪干沙漠北緣，屬于典型的暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，年均氣溫10.6℃，年均≥10℃日照時數1 793 h，無霜期208 d，≥10℃年積溫 5 695℃。試驗地土壤質地為砂壤土，0～20 cm土壤含有機質10.58 g/kg、堿解氮84.87 mg/kg、全氮0.64 g/kg、速效磷25.38 mg/kg、速效鉀190.5 mg/kg、pH為7.7。供試氮肥為尿素(45%)。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用單因素隨機區組試驗設計，2018年設置3個施氮水平：未施氮0(N0)、中量施氮270(N270)、高量施氮450(N450)kg/hm2，2019年在原位重復3個施氮水平。施肥方式為基施和追施。基追比為1∶3，追施4次，4次的追施比例分別是現蕾期18.75%、初花期18.75%、盛花期26.25%、盛鈴期11.25%。品種為中棉所96A人工播種，種植方式為76 cm等行距，膜寬2.28 m，1膜3行，小區面積為73.2 m2，3次重復。播前結合整地施入基肥P2O5(過磷酸鈣) 100 kg/hm2、K2O(硫酸鉀) 100 kg/hm2，灌溉方式為膜下滴灌，其他栽培管理措施同當地大田。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 冠層光分布

利用LI-191SA光合有效輻射傳感器在棉花花鈴期進行測定，測定時，選擇晴朗無云的天氣，在每個小區中選擇長勢均勻具有代表性的2行棉花，在棉花行間，水平方向以20 cm為間距分5個測量點，即0、20、40、60、80 cm。在垂直于地面的縱向位置上，自地面10 cm至冠層頂部以20 cm 為間距分6層，記作10、30、50、70、90、110 cm，共測量30個點。測量自10：00至19：00，且每隔3 h記錄1次，對未采樣點的PAR(光合有效輻射)截獲率運用Kriging插值方法進行最優無偏估計，繪制棉花冠層不同空間位置的PAR等值線分布圖。圖1

1.2.2.2 光合指標日變化

于棉花花鈴期，選擇晴朗無云的天氣，每個小區選取3株長勢一致的棉株標記掛牌，在自然光源下利用CIRAS-3光合儀，從10：00～20：00每隔2 h測定1次棉花功能葉的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間二氧化碳濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)，并計算氣孔限制值Ls=1-Ci/Ca，Ca為大氣CO2濃度((410±10) μmol/mmol，葉片水分利用效率WUE=Pn/Tr。

1.2.2.3 棉鈴空間分布

在每個小區選取10株長勢均勻一致的棉花，調查時間與PAR時間一致，調查各處理的下部鈴(第1至第3果枝)、中部鈴(第4～第6果枝)和上部鈴(第7果枝及以上果枝)，(株高測定等同)，內圍鈴(第1果節)、外圍鈴(第2果節及以外)。

1.2.2.4 產量及其構成因素

于收獲期在每小區選取具有代表性的連續10株棉花，測定株高、果枝數、莖粗、果枝始節高度、單株成鈴數。各個小區選取具有代表性的植株，分別取下、中、上部吐絮鈴各30個，測定單鈴重，將每個小區的棉花全部實收，計算單位面積籽棉產量，軋花成皮棉測定衣分。

1.3 數據處理

采用Stata19和SPSS 19處理數據，Microsoft Excel 2010、Surfer 16繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 定點定量施氮對棉花農藝性狀的影響

研究表明，連續定點定量施氮較未施氮處理對棉花株高、果枝數均有促進作用，施氮處理與未施氮處理間呈顯著性差異，施氮處理的株高和果枝數分別比未施氮處理的平均增加了20.36%和13.22%，其中1～4果枝和7果枝以上未施氮處理與施氮處理間呈顯著性差異，但施氮處理間差異不顯著。表1

2.2 定點定量施氮棉花花鈴期冠層光合有效輻射(PAR)截獲率變化

研究表明，各處理棉花花鈴期的光合有效輻射截獲率在各個時段以及垂直高度上均呈現出相同的變化規律，即在各個時段，以行距中心為起點向兩邊植株水平方向延伸，隨著延伸距離的增加PAR截獲率呈現上升的趨勢，垂直方向上，則隨植株高度的降低而呈上升趨勢，使得2行棉花之間的PAR截獲率呈現明顯的“V”字形，施肥水平越低“V”字形越顯著。N0處理在垂直距離20～40 cm、水平距離40 cm處，PAR截獲率在0.6～0.9變化，棉花對光照沒有充分利用，N450處理PAR截獲率垂直距離60～80 cm、水平距離40 cm在0.75～0.9變化，垂直距離60 cm以下的部位僅獲得0.25～0.1透光率。N270處理PAR截獲率在垂直距離60 cm為0.5～0.9，垂直距離60 cm以下部位仍會獲得0.1～0.5的透光率，垂直距離20 cm PAR截獲率為0.95～1，在垂直距離20 cm將光照完全截獲。施氮處理和未施氮處理株高差異主要表現在1～4果枝(垂直距離30～40 cm)和7果枝以上(垂直距離60～80 cm)，未施氮處理在1～4果枝的光截獲率為0.75～0.9仍然存在漏光現象，N450處理在7果枝及以上的光截獲率為0.75～0.9導致7果枝以下部位無法獲得充分的光資源，N270處理在7果枝以上的光截獲率為0.5～0.9在第1果枝仍然有0.9～1的光沒有造成光資源的浪費，且呈現了合理的光分布。表1，圖2

表 1 定量定點施氮下棉花農藝性狀變化Table 1 Effects of continuous nitrogen application on cotton agronomic characters

2.3 定點定量施氮對棉花花鈴期光合參數日變化的影響

研究表明，各處理下的蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和凈光合速率(Pn)的日變化均呈現雙峰曲線，峰值基本上出現在12：00和16：00，在10：00～18：00施氮處理的Tr均高于未施氮處理，施氮處理間N450高于N270。在10：00～12：00，N450處理的Gs最小，平均為400.33 mmol/(m2·s)分別比N0、N270處理低了15.65%、21.57%；Gs在16：00～20：00未施氮處理呈現先慢后快的下降趨勢，施氮處理則表現為快速下降的趨勢，在18：00較其他處理最大比施氮處理分別高出17.23%、51.49%。在10：00～12：00，未施氮處理的Pn均比施氮處理小，在第1個峰值之后N0處理Pn基本處于最低水平，N270處理16：00以前Pn高于其他處理，16：00～20：00與N450趨勢幾乎一致，施氮可以減弱光合午休現象，但連續高施氮與中施氮處理間無差異。各處理葉片水分利用效率(WUE)日變化總體隨時間呈現波動下降變化。不同處理在10：00～16：00，N0和N270處理的WUE無差異且均高于N450處理的，但16：00之后未施氮處理的WUE隨時間迅速呈線性下降變化，且逐漸低于施氮處理的。各處理胞間二氧化碳濃度(Ci)隨著時間推移呈現先下降后迅速上升的變化趨勢，未施氮處理的Ci 10：00～20：00始終低于施氮處理的，而且最低值出現時間比施氮處理后延了2個h，10：00高氮處理相較其他處理差異顯著，N450處理較其他處理高了19.27%，至20：00未施氮處理相較施氮處理差異顯著，施氮處理較未施氮處理高了13.76%。未施氮處理由于氮肥施用不足導致棉花生長受限，除了導致其花鈴期光合速率下降外，蒸騰速率降低及氣孔限制值(Ls)上升，Ls 10：00～20：00的變化各處理呈現相同的變化趨勢，均表現為先上升后下降的變化，與Ci呈現相反的變化，除了12：00～14：00，其余時間均表現為未施氮處理高于施氮處理。圖3

2.4 定點定量施氮對棉鈴空間分布的影響

研究表明，在縱向分布上，上、中、下部鈴所占比例施氮處理與未施氮處理之間存在顯著差異(P<0.05)。下部鈴以未施氮處理最多，比施氮處理高出了88%，未施氮處理于垂直距離20 cm處的PAR截獲率較施氮處理的高，下部仍能獲得良好的光環境。施氮處理間差異不顯著，N270較N450處理高了6.08%，在橫向分布上，各處理均以內圍鈴為主，占總鈴數的83.1%～87.1%，且各處理間差異不顯著，外圍鈴以N270處理最高，比N0、N450的分別高出了31.01%和14.97%。表2

表2 連續施氮棉鈴空間分布Table 2 The spatial distribution of cotton bolls with continuous nitrogen application

2.5 定點定量施氮對棉花產量及產量構成因素的影響

研究表明，不同處理對棉花單株鈴數、單鈴重和產量影響顯著，施氮處理的與未施氮處理的呈顯著性差異，而施氮處理間差異不顯著。施氮處理的單株鈴數比未施氮處理的平均高出14.76%，單鈴重平均高出了3.75%，籽棉產量平均高出了4.48%。施氮處理之間雖然差異不顯著，但高施氮量的單株結鈴數和籽棉產量均比中量施氮處理要低，N450處理的單株結鈴數和籽棉產量分別比N270處理的降低了3.32%、5.44%%。表3

表3 連續施氮棉花產量及產量構成因素Table 3 Yield and yield components of cotton under continuous nitrogen

3 討 論

在黃河流域對棉花的密度[22]、品種[28-29]對棉花冠層光分布的研究均呈現明顯的“V”字形分布，最理想的受光結構為上部有最小的光截獲，使中部葉片基本上充分受光，保證底部透光率較小[30]。研究表明，連續定點定量不同施氮處理的棉花冠層PAR截獲率也呈現“V”字形分布。未施氮處理棉花冠層空間的PAR截獲率比連施氮處理存在嚴重漏光現象，施氮處理間，高施氮處理上部PAR截獲率過高也會引起冠層內光照惡化，植株下部的葉片由于光照不足使群體光合速率降低，與前人研究結果一致。在重復性氮肥試驗研究光合日變化研究方向，黃彩霞等[31]認為高氮處理可以減弱甚至使“光合午休”現象消失。姬亞琴[32]、盧成達[33]等研究棉花花鈴期光合日變化認為，Pn日變化、Tr日變化、Gs日變化的規律均呈雙峰型曲線，Ci日變化呈現斜“V”字形的日變化規律，張學昕等[34]認為氮素水平在240～360 kg/hm2，凈光合速率與施氮量呈正相關關系。曹生奎等[35]表明葉片WUE日變化一般上午時段的水分利用效率明顯高于下午的水分利用效率。劉瑞顯[36]認為WUE均隨氮素水平的提高而增大，試驗在連續2年定點定位施氮的設計下仍然獲得與前人一致的結果。在一定施氮范圍內，隨著施氮量的增加，可以明顯緩解光合“午休”現象，超過270 kg/hm2則不利于棉花光合“午休”的緩解，WUE日變化雖然有起伏變化，但是在10：00～20：00 WUE表現為7.14～4.07 μmol/mmol的下降趨勢。WUE在施氮量為450 kg/hm2時有明顯的下降趨勢，原因可能是N450處理冠層比較密閉，空氣的流通能力較弱，棉花為了降低葉面溫度導致Tr會相對升高，這一結果與姬亞琴等[32]一致。

有關施氮量對棉花產量的研究表明，不同的生態等條件下，棉花的適宜施氮量存在差異。薛曉萍等[37]認為若供氮不足，棉花的各個部位生長不協調，光合產物不能足量的向棉鈴轉移，就無法獲得高產優質。增施氮肥可以提高棉花的生物量，但氮肥施用過高易造成營養生長過旺，其快速生長期晚且持續時間延長，從而影響養分向蕾、鈴的充分轉移，導致產量降低。前人研究表明，在施氮0～360 kg/hm2增加施氮量，有利于提高棉花籽棉產量[38]。在肥力較低的環境中施氮225 kg/hm2，肥料的損失率最低[39]。張炎等[40]綜合新疆各地試驗結果，得出最高產量和經濟最佳產量施氮量幅度分別在205.5～325.5 kg/hm2和162～298.5 kg/hm2。在施純氮300 kg/hm2以下, 隨著施氮量的增加產量相應提高, 在施純氮300 kg/hm2以上, 隨著施氮量的增加產量有相應降低之勢，試驗結果表明，連續定點定量施氮平均產量比未施氮處理高了4.48%，施氮少的N270比N450處理高了5.44%，相對N0、N450處理，N270條件下的植株構型最為合理，產量最優，這與前人[40]研究結果一致。

4 結 論

施氮有利于促進棉花的生長發育，但高量施氮促進作用已不顯著。無論施氮與否棉花冠層在花鈴期10：00～19：00的光分布均呈現“V”字形變化，N0處理垂直距離20 cm、水平距離40 cm處PAR截獲率沒有達到1，較施氮處理最低，造成冠層漏光、光資源浪費。N450處理7果枝以上對光的截獲率較高，光照無法到達棉株下部導致棉鈴脫落比較嚴重，造成產量下降，N270處理PAR截獲率在7果枝以上為0.5～0.9，在第1果枝處PAR截獲率0.9～1，沒有造成光資源的浪費，且呈現了合理的光分布，使得N270處理的凈光合速率較未施氮處理高，具有了明顯的緩解光合午休的現象，但當氮肥達到450 kg/km2時，棉花光合午休現象減緩的力度反而下降，且在達到第2個峰值之后施氮處理棉花的Pn下降趨勢幾乎呈一致。長期不施氮使得氮肥成為了限制棉花產量提高的關鍵因素，但長期高量的施氮，累加效應不僅不明顯，反而造成產量下降，連續定點定量中等施肥，即施氮量270 kg/km2時，棉花能獲得較為理想的產量。