氮鉀互作對長江流域棉花產量和氮肥利用效率的影響及適宜施肥水平研究

李林洋，夏淑潔，張潤花，張潤琴，陳 鵬，姜 穎，劉 毅*，李志國*

（1.中國科學院武漢植物園流域生態學研究中心，湖北 武漢 430074；2.武漢市農業科學院蔬菜研究所，湖北 武漢 430065）

農作物的生長除了需要光照、溫度、水分外，肥料也是影響其生長的重要因素之一。施肥可以提供農作物所需要的營養元素。按所含成分來劃分，其中最常用的肥料種類是氮肥、鉀肥和磷肥。氮肥在保證糧食穩產高產和糧食安全供給中發揮了巨大的作用［1-2］。但是，隨著農業生產快速發展，出現了化肥濫用濫施的現象，氮肥的當季利用率僅為30%～35%，其余大部分氮素則以各種形式進入大氣和水體［3-4］，造成氮肥的嚴重損失和環境污染，嚴重威脅著我國農業可持續有效發展。鉀肥施用可以促進作物的光合作用以及抗逆性來增加作物產量，但是它的不合理利用也會造成一系列的農業污染問題。

礦質養分的互作是影響作物養分高效利用及產量品質形成的一個重要因素［5-6］。研究表明，通過增加或降低生長介質中鉀素有效性，可以有效促進作物對碳水化合物與蛋白質的合成與運轉，從而提高氮素利用率，降低氮素流失，對提高氮肥利用率以及產量與品質具有顯著作用［7-9］。本研究以棉花為研究對象，設置氮、鉀互作的大田小區試驗，旨在驗證和探明鉀素有效性與氮素協同增效的機制，提出鉀素與氮協同增效的施用方法和施用標準，為實現氮磷“減施增效”提供重要保障。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2017年在武漢市黃陂區武漢市農業科學院蔬菜研究所實驗基地（簡稱武漢黃陂區）和2018年在湖北荊州市大同湖農場（簡稱荊州大同湖區）進行。兩個地區均屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年均降水量1100～1300 mm，70%的年降水量發生在4～9月。兩個試驗地的土壤類型分別為黃棕壤土和潮土，基本理化性狀見表1。種植模式均為一季棉花-冬閑。

表1 試驗土壤基本理化性質

1.2 試驗處理

本試驗為雙因素，一個因素為施氮量，另一個因素為施鉀量。2017年，在武漢黃陂區設置3個氮水平（0、140、280 kg·hm-2，記為N0、N140、N280）和3個鉀水平（0、120、220 kg·hm-2，記為K0、K120、K220）。2018年，在荊州大同湖區設置4個氮水平（0、150、300、450 kg·hm-2，記為N0、N150、N300、N450）和3個鉀水平（0、90、240 kg·hm-2，記為K0、K90、K240）。兩個試驗均采用隨機區組設計，小區長為5 m，寬為4 m，面積為20 m2。試驗所用氮肥為尿素（N 46%）、磷肥為普通過磷酸鈣（P2O512%）、鉀肥為氯化鉀（K2O 60%）。施肥比例為：K肥35%基肥，65%花鈴肥；尿素25%底肥，50%花鈴肥，25%蓋頂肥。施肥方式為行間深施10 cm以上。本試驗供試棉花品種為“鄂雜棉10號”，株距70 cm，行距80 cm，株數約1.8萬株·hm-2，營養缽（50孔）育苗移栽，全程化控和打藥。

1.3 試驗指標與方法

每個小區分別于7月上旬、8月上旬、10月上旬取棉花地上部植株樣品，每小區選代表性的植株3株，將莖、葉、蕾鈴等器官分類采集，測定各器官的氮素含量。棉花產量按小區分別分次收花，累計每個小區棉花實收產量。單鈴重按收花時間分別取不同果枝（下、中、上層）的吐絮棉鈴10個，曬干、稱重，計算鈴重。土壤樣品在棉花種植前和收獲后用土鉆采集，取樣深度為表層0～20 cm。植株樣品通過濃硫酸-H2O2消解，凱氏定氮儀測定棉株全氮含量。土壤樣品堿解氮含量采用堿解擴散法測定，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用乙酸銨提取-火焰光度法測定。

1.4 試驗統計方法

用SPSS 13.0進行方差分析，處理間各指標采用LSD法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 氮鉀互作對棉花產量和其構成因素的影響

N、K肥料對產量影響顯著，N肥的影響程度大于K肥（表2）。2017和2018年，施N處理產量與N0處理相比，分別顯著增產36.5%～39.8%和51.1%～71.9%。棉花產量均隨施N量的增加呈逐漸增加趨勢。K肥的施用也可顯著提高棉花產量。與K0處理相比，2017和2018年施K處理的棉花產量分別顯著增產14.3%～24.5%和17.7%～23.4%。棉花產量均隨施K量的增加逐漸升高。N肥和K肥的配合施用存在明顯的交互作用，可顯著增加棉花產量。低K（K90）下增N的增產幅度（50%～63%）高于高K（K240）水平（34%～47%），低N（N150）下 增K的 增產效果（24%～28%）高于高N（N450）水平（-0.1%～2.5%）。K0條件下，棉花產量隨施N量的增加呈顯著升高的趨勢，在適宜鉀（K90）和高鉀（K240）條件下，N肥施用效果在高量施用氮（N450）的情況下受到抑制，適宜氮（N300）處理下的增產幅度最高。在不同N肥水平下，產量均隨施K量的增加而顯著增加，且隨N水平的增加，K肥增產效果呈降低趨勢。試驗條件下，2017和2018年最高產量的施肥處理分別為N140K220和N300K240。

N肥的施用可顯著增加棉花單鈴數和鈴重（表2）。2017和2018年，施N處理與N0處理相比，單鈴數分別顯著增加11.9%和42.3%；鈴重分別顯著增加22.4%～25.5%和13.3%～21.5%。與N類似，施用K肥后的棉花產量構成因子單鈴數和鈴重均有顯著升高的趨勢。2017和2018年，施K處理與K0處理相比，單鈴數分別顯著增加4.7%和14.6%；鈴重分別顯著增加1.2%～14.1%和11.8%～15.4%。N肥和K肥的配合施用對單鈴數的影響存在顯著的交互作用，而鈴重的交互作用不明顯。在N0條件下，單鈴數隨K肥用量的增大而顯著增加，而在低N（N150）和適宜N（N300）下，K肥處理下的單鈴數顯著高于無K處理，但K肥之間無顯著差異，在高氮（N450）下，施K與不施K均無顯著差異。

表2 氮鉀互作對棉花產量和其構成因素的影響

2.2 氮鉀互作對棉花生長的影響

N肥和K肥顯著促進棉花生長（圖1）。隨N肥用量的增加，棉花地上和地下生物量都顯著增加，與N0比，增施N肥處理的地上和地下生物量分別增加58%～91%和38%～50%（圖1a）。同樣，增施K肥也顯著增加地上和地下生物量，與K0比，增施K肥處理的地上和地下生物量分別增加71%～89%和31%～51%（圖1b）。N肥和K肥配施對棉花生長存在顯著的交互作用（圖1c）。隨N肥用量的增加，K肥對棉花根系生長的增長效果逐漸降低，而對地上部的增長效果先增加后降低。隨K肥施用量的增加，中N（N300）處理下K肥對棉花根系和地上增長幅度最高，高N（N450）抑制K肥對地上和地下生物量的增長效果。在所有N肥和K肥料的處理中，高N中K（N450K90）處理的地上和地下生物量最高，比N0處理分別增加124%和184%。

圖1 氮鉀互作對棉花收獲期生物量的影響

2.3 土壤養分含量

N、K水平及其交互作用極顯著影響土壤堿解氮含量（圖2）。與不施N肥處理比較，N140和N280處理極顯著增加土壤堿解氮含量，且其含量隨施N量的增加而增加（圖2a）。施K顯著增大土壤堿解氮含量，其含量隨施K量的增大而降低。

N肥和K肥的交互作用對土壤堿解氮含量的影響均表現為極顯著。與N0處理比較，N450極顯著增加土壤堿解氮含量（圖2b）。施K肥顯著增加土壤堿解氮含量，在N0和中量N肥N150的條件下，K肥在K90處理土壤的堿解氮含量最高且隨K肥的增加而降低，在高量N肥N300下，隨K肥的增加而提高，在K240處理土壤堿解氮含量最高，而在高量N肥N450處理下，施K反而降低土壤堿解氮含量。

圖2 2017和2018年不同施肥處理下對土壤堿解氮含量的影響

2.4 氮鉀互作對棉花氮素吸收、氮肥利用率（NUE）的影響

N肥的施用可顯著提高棉花地上部N素吸收量（表3），2017和2018年，施N處理吸N量與N0處理相比，分別顯著增加25.4%～27.0%和43%～165%。地上部吸N量隨施N量的增加呈先逐漸升高后降低的趨勢。同樣，NUE也隨施N量的增加呈先升后逐漸降低的變化。K肥的施用也可顯著提高棉花地上部N素吸收量和NUE。與K0處理相比，2017和2018年施K處理棉花地上部吸N量分別顯著增加25.6%～29.3%和23.5%～75.1%，平均增幅為38.38%，NUE分別增加5.1%～22.5%和7.0%～23.8%，平均增幅為14.6%。N肥利用效率由不施K肥的15.6%～26.4%提高到施K肥后的44.5%～45.1%。N和K肥配合施用對棉花地上部N素吸收存在顯著的交互作用。在高量N肥（N450）和低量N肥（N150）下，K肥對棉花N吸收量的增加作用受到抑制，適宜N肥（N300）處理下的增產幅度最高。本試驗條件下，2017和2018年的N140K120、N140K220和N300K240處理的NUE最高，說明施用K肥可明顯提高NUE。

表3 氮鉀互作對棉花氮素吸收、氮肥利用率的影響

2.5 棉花氮鉀互作增效的適宜施肥水平

棉花產量（Y）與N肥和K肥施用量的關系如圖3所示。棉花產量隨N肥和K肥用量的增加均呈先增后降的趨勢。產量與N肥和K肥的效應方程分別為Y=-0.011x2+8.2395x+2178.3和Y=-0.0185x2+7.1517x+2787.3。N、K協同增產的最佳N肥用量為190～375 kg·hm-2，平均283 kg·hm-2；最佳K肥用量為56.5～185 kg·hm-2，平均120 kg·hm-2。

圖3 棉花產量與氮肥和鉀肥施用量的關系

3. 討論

3.1 氮鉀互作對棉花產量的影響

N和K是棉花生長的關鍵限制因子，適當的N、K配比能保證礦質養分平衡吸收，利于棉花產量形成［10-12］。本研究通過分析不同的N、K施用量對棉花產量的影響，進一步支持了N、K對增產的作用表現為正交互作用的觀點［8］，在N或K用量相同時，增加K或N均能顯著提高棉花單鈴重和產量，而在不同N或K水平下，增施不同量的K或N，增產幅度也存在顯著性差異。低K（K90）下增N的增產幅度（50%～63%）高于高K（K240）水平（34%～47%），低N（N150）下增K的增產效果（24%～28%）也高于高N（N450）水平（-0.1%～2.5%），此外，高K下增產率隨N量的增加而降低。不同于以往對長江流域棉花氮鉀推薦施肥量約為280和225 kg·hm-2［13-15］，本研究中，N、K協同增產的最佳N肥用量為190～375 kg·hm-2，平均283 kg·hm-2；最佳K肥用量為56.5～185 kg·hm-2，平均120 kg·hm-2，棉花產量隨N、K施用比例增加而增加，高產棉花（皮棉1500 kg·hm-2以上）的N、K吸收比例為1∶1［8］。原因可能是本研究中選用試驗田的基礎K素肥力較高，均大于140 mg·kg-1，所以試驗得出的K推薦量可能相對偏低。此外，較低的K肥施用量可能與K肥采用的施入方式有關，本研究中K肥采用基施和花鈴肥的方式施入，相比一次性基施，可獲得更高的肥料效率和產量。李書田等［16］通過大田試驗也觀察到K肥分次施入的產量顯著高于一次性基施的現象。可見，在棉花生產過程中，應依據不同的土壤條件以及施入的時期和方式確定相應的N或K，以獲得最佳的經濟效益。

3.2 氮鉀配施對棉花養分吸收和肥料利用率的作用

N、K互作增產機理不僅體現在K+以充當NO3-的泵的形式促進N的吸收［8］，而且K對N素代謝也有影響［7］，如K+對蛋白質和酶的活化和穩定性［17］、氨基酸合成和運輸的作用［18-19］等方面均具有促進作用。本研究也證實了，隨著K供應量的增大，N的吸收累積會顯著提高，N肥利用效率由不施K肥的15.6%～26.4%提高到施入K肥后的44.5%～45.1%。此外，本研究還發現不同N水平下供K對N肥利用效率的提升作用具有顯著差異，中N下供K，N肥的利用效率比低N或高N下供K的提高作用更為顯著，這意味著高N下并不能通過提高供K水平而增加植物對N肥的利用效率。據報道，當大量施N而供K不足時，植物可能會積累大量的蛋白質合成的中間產物或異常的N化合物，如腐胺、鯡精胺和多胺等，當細胞內這些產物濃度達到0.15%～0.20%時，細胞會中毒死亡或出現塊狀等不可逆壞死組織，即便以后提升K素，也不能恢復植物的正常生長水平［8，20-21］。

因此，在棉花實際生產中應該充分考慮到N、K之間的交互作用，發揮N、K肥效應的促進作用。棉花不同生長發育時期N、K養分發揮的生理代謝作用有所變化，N、K肥的互作效應也會受影響［22］，因此，如何保證棉花不同生長階段配施合理的N、K肥比例和施用量，達到最佳產量水平，是需要進一步考慮的因素。

4 結論

連續兩年的田間試驗結果表明，與單施N肥或K肥相比，N肥、K肥配施顯著提高棉花地上、地下生物量，促進N肥的利用效率及籽粒分配，減少N肥土壤殘留，提高棉花產量。在棉花生產過程中，應該充分考慮到N、K之間的交互作用，依據不同的土壤條件確定相應的N、K的施用量，以獲得最佳的經濟效益。在長江流域，棉花最佳N肥用量為190～375 kg·hm-2，平均283 kg·hm-2，最佳K肥用量為56.5～185 kg·hm-2，平均120 kg·hm-2。