水氮耦合對棉田土壤水分時空分布及產量效應的影響

徐彥軍，廉葦佳，劉翔宇，斯拉依丁·司馬義，唐秋菊，艾尼瓦爾·阿不都拉

(1.新疆農業科學院吐魯番農業科學研究所，新疆吐魯番 838000；2.阿拉山口海關，新疆阿拉山口 833418)

0 引 言

【研究意義】土壤中水分作為植物可以直接吸收利用的水源更是關系著植物的一切生理活動[1]。不同水氮施用比例對土壤水分空間結構分布存在著不同影響。水分分布直接關聯著棉花對水分的吸收和利用效率[2]。過度灌水施肥時有發生[3-4]。新疆化肥消耗量由1975年的13.0×104t到2002年的194.0×104t年均增長量7.0×104t[5]。棉田施氮量顯著高于其他大田作物[6]。水肥施用量相對較低的組合為棉花生長發育提供了更有利的條件，有效的控制水肥施用量，對棉花水肥管理有重要意義。【前人研究進展】汪昌樹等[7]在研究中發現基于不同灌水下對棉花生育期內的生長有顯著影響在灌溉量達到5 172.4 m3/hm2，可獲得最高的水鹽利用率。王海江等[8]研究發現，最優水氮組合為灌水4 800.0 m3/hm2、施氮肥300.0 kg/hm2。在這個組合下,棉花干物質積累、水分利用效率和產量均達到最大。何懷杰等[9]在研究中發現，棉花在滴灌施氮條件下，棉花各項生理指標隨施肥量的增加呈現先增大后降低的趨勢，在灌溉量5 250.0 m3/hm2、施氮量500.0 kg/hm2時棉花產量達到最大值5 433.4 kg/hm2，百鈴質量432.2 g，平均單株鈴數9.2個?！颈狙芯壳腥朦c】前人研究大多基于灌溉量或施肥量等單因素對作物生長的影響[10-12]，而對水氮耦合效應的探究多集中在對棉田水分運移的影響[13-14]，而水氮耦合效應對棉田水鹽消耗情況鮮有報道。在不同時期干物質積累量和最終棉花產量多方面的聯合研究始終存在空缺。【擬解決的關鍵問題】研究不同水氮施用比例對棉田不同地區水分時空分布的影響，分析棉花不同時期生物量及最終棉花產量變化，總結出棉花不同生育期水氮施用的合適施用量，以提高棉花有效產量。

1 材料與方法

1.1 材 料

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2 250.0 m3/hm2(低灌溉量)、3 450.0 m3/hm2(常規灌溉量)和4 650.0 m3/hm2(高灌溉量)，3個灌溉量(以W1、W2和W3)。設0 kg/hm2(空白)、300.0 kg/hm2(常規施肥量)和600.0 kg/hm2(高施氮量)，3個純氮投入量(N1、N2和N3)重復3次，共27個小區。整個生育期灌水10次，灌水時施肥。(6月20日開始灌頭水，8月22日最后1次灌水)。小區總面積1 345.5 m2。采用1膜2管6行，行距采用寬行66.0 cm，窄行10.0 cm，株間距10.0 cm的種植方式。表1

表1 水氮施用配比組合Table 1 Combination Table of Water and Nitrogen Application Ratio

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 土壤水分鹽分

于第1次灌水前1 d和灌水后1 d為1組間隔7 d采用時域反射儀(Time Domain Reflectometry,簡稱TDR,TRIME-PICO 64,IMKO,Germany)金屬探針測定土壤電常數換算成土壤體積含水量，寬行水平測定位點距滴5.0 cm，窄行水平測定位點位于窄行中間。各點每10.0 cm為一層，每層測定3次，測深80.0 cm，采用寬行和窄行數據均值進行數據分析。圖1

圖1 土壤水分鹽分測定示意Fig.1 Schematic diagram of soil moisture and salt fraction determination

1.2.2.2 干物質含量

自5月20日開始取樣，測定干物質含量，后每間隔30 d測定1次干物質。分別取邊行3.0株和中行3.0株，整株棉花分別分離根、莖、棉桃3個組份進行干物質測定，求出總干物質量，求取平均值。分別將采集的不同植物組織部分放入烘箱，105.0℃烘干至恒重稱重[15]，測定干物質。

1.2.2.3 產量

吐絮期分別測定個處理棉鈴數及株數，在每小區長勢均勻且連續的棉花處選取150.0個棉鈴稱重、計算鈴重，風干后軋花，用電子天平測定皮棉質量，計算衣分率，折算產量。

1.2.2.4 鹽分余量P值

不同水氮施用處理對土壤水分時空分布的影響分析：對采取的土壤水分及鹽分數據進行分類，以每1次澆水后測定數值和下1次澆水前測定數值為1組，測定固定時間內，土壤中鹽分余量P值，土壤中鹽分的消耗情況I值[16]；土壤中水分余量D值，土壤中水分消耗情況Y值。

P=下一次氮前測定值/前一次氮后測定值。

(1)

I=1-P.

(2)

D=下1次施水前測定值/前1次施水后測定值。

(3)

Y=1-D.

(4)

而I值和Y值可以間接的表達棉花植株對土壤中不同層次的鹽分及水分吸收利用情況。

1.2.2.5 各階段干物質及最終產量

將采集的各階段干物質數據及最終產量數據進行分類整理，而后將分類好的數據按組打包導入DPS Version 7.05(Data Processing System Software, Inc.CHN)進行最小顯著差異LSD法進行顯著性測驗[17-18]，不同字母表示為二者間的差異顯著(P<0.05)。

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、分析及繪圖。

2 結果與分析

2.1 棉田土壤鹽分時空分布變化

研究表明，不同時期不同水氮施用處理情況下I值存在著不同變化，在棉花生長全生育期內各個不同時期都有著隨著水氮施用量的不斷增加，I值漸漸上升，但在到達W3N2水氮施用量后就會呈現下降趨勢的規律，過高的水肥施用量并不能有助于棉花植株吸收鹽分。其中6月27日不同處理下土壤中鹽分的消耗量并無差異，8月1日不同處理下土壤中鹽分的消耗量最大。在8月1日這一時間段W3N2水氮施用組合下對土壤中鹽分的消耗量達到了最大值10.4%。相較W1N1處理鹽分消耗量高出64.2%，與其他處理組相比較在各個不同的時期都有著一定的優異性，7月18日、7月25日、8月8日幾個時間段W3N2水氮施用組合下土壤鹽分消耗情況皆顯著高出其他處理組。分別高出W1N1處理組65.0%、85.4%和67.1%。間接的反映出棉花植株在這一時期對鹽分的吸收量達到峰值，W3N2水氮施用組合最有利于棉花植株對土壤中無機鹽的吸收利用。圖2

圖2 不同時間段不同處理下土壤鹽分I值均值比較Fig.2 Comparison of mean values of soil salinity I under different treatments in different time periods

2.2 棉田土壤水分時空分布變化

研究表明，不同時期不同水氮施用處理情況下Y值存在著不同變化，在棉花生長全生育期內各個不同時期都有著隨著水氮施用量的不斷增加，Y值漸漸上升，但在到達W3N2水氮施用量后就會呈現下降趨勢的規律，過高的水肥施用量并不能有助于棉花植株吸收水分。其中6月27日之間不同處理下土壤中水分的消耗量差異性相對較少，8月1日間不同處理下土壤中水分的消耗量的差異性最大。在8月1日這一時間段W3N2水氮施用組合下對土壤中鹽分的消耗量達到了最大值11.7%，相較W1N1處理水分消耗量高出92.4%，與其他處理組相比較在各個不同的時期都有著顯著的提高，7月18日、7月25日、8月8日幾個時間段W3N2水氮施用組合下土壤鹽分消耗情況分別比W1N1處理顯著高64.8%、88.2%和68.3%。8月1日這一時期棉花植株對水分的吸收利用率達到了最大。

土壤中鹽分及水分在不同時期的消耗量情況不同，W3N2水氮施用組合下棉花植株對土壤中水分及鹽分的吸收利用效率有著顯著提升，并且棉花植株對水分和鹽分的吸收利用率存在著一定的相似性。圖3

圖3 不同時間段不同處理下土壤鹽分Y值均值比較Fig.3 Comparison of mean values of soil salinity Y under different treatments in different time periods

2.3 不同水氮施用處理對棉花生長各個階段干物質的影響

研究表明，在不同時期的不同處理條件下干物質總量間存在著不同的變化，不同處理棉花干物質積累特征值，表現為隨生育時期推進不斷呈“慢-快-慢”的趨勢，擬合系數均大于0.99。

花期(6月20日)，鈴期(7月20日)及吐絮期(8月20日)各不同處理間存在著顯著差異性關系，而苗期(5月20日)各不同處理同干物質之間并不存在顯著性差異，不同水氮施用量對棉花各個不同生育時期都有著不同的影響。在花期W3N2水氮施用組合下棉花植株干物質積累量最多，在該時期W3N2水氮施用組合下棉花植株總干物質積累量達到42.8 g，相較于W1N1處理水平下高出39.0%。但是在花期W3N2、W2N2、W2N3、W3N3等4個水氮施用組合下棉花對干物質的積累量與W3N2，并無顯著性差異。

鈴期，W2N2水氮施用組合干物質積累量顯著高于其他處理。該水氮施用組合下棉花平均總干物質積累量達到了90.9 g，相較于W1N1水氮施用組合下平均干物質積累量增加了38.0%。吐絮期，W3N2水氮施用組合下棉花植株干物質積累量最多，在該時期W3N2水氮施用組合下棉花植株總干物質積累量達到143.5 g，相較于W1N1處理水平下高出40.0%。花期、鈴期、吐絮期隨著水氮施用量的逐漸升高棉花的干物質積累量也逐漸增加，在W3N2處理下花期和吐絮期干物質積累量達到峰值，隨后逐漸呈現下降趨勢。相比較于W1N1處理W3N2處理下干物質積累量有著顯著提高。表2

表2 不同處理棉花干物質積累的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%和71.6%。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。圖2

圖4 各生育時期不同處理棉花干物質積累總量Fig.4 Cotton bioaccumulation in different growth stages under different treatments

2.4 不同水氮施用處理對棉花產量的影響

研究表明，W3N3水氮施用比例為相較于其他組合產量有著顯著提高，該處理下平均單株結鈴數可達到6.2個，與W1N1處理組相比產量提高了30.0%，有著顯著提高，但是W3N3、W3N2、W2N33組水氮施用組合之間不存在顯著性差異。該處理水平下的單鈴重達到了5.4 g，與W1N1處理組相比產量提高了32.5%，在W3N3、W3N2、W2N33組水氮施用組合之間不存在顯著性差異。籽棉產量這一指標同樣是在W3N3處理水平下達到最高值，與W3N2處理無顯著差異。中單株鈴數、單鈴質量、籽棉產量3項指標存在高度一致性，W3N3處理組情況下單株鈴數、單鈴質量、籽棉產量，3項指標均達到峰值。比較W3N2和W3N32個處理組情況下單株鈴數、單鈴質量、籽棉產量3項產量指標并不存在顯著性差異，但是W3N2處理水平下氮肥施用量更低，因此，W3N2處理水平下的水氮施用量在保證棉花高產的前提下更加經濟環保。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。表3

表3 不同處理下產量及產量構成因素變化Table 3 yield and yield components under different treatments

3 討 論

3.1 水氮耦合對棉田水鹽運移的影響

不同水氮施用量情況下棉田土壤水分及鹽分構象存在不同的變化，不同的土壤水鹽構象影響著棉花植株的生長，李冬冬等[19]在研究中表明，適當的土壤鹽分含量有利于降低棉花生育期耗水量，在不影響棉花干物質積累的閾值內，有利于提高棉田的水分利用效率，在額定灌水量4 500.0 m3/hm2，施肥量456.4 kg3/hm2時，棉花對鹽分及水分的吸收量達到最大值。試驗結果表明，W3N2水氮施用組合下棉花植株對土壤中水分及鹽分的吸收利用效率有著顯著提升，試驗中W3N2水氮施用組合的灌溉量為4 650.0 m3/hm2，施氮量為300.0 kg/hm2。比較灌溉量與前人研究略有升高，施肥量相比于前人發現的最適施用量422.6 kg3/hm2，試驗研究結論中300.0 kg/hm2的施氮量有著顯著減少。相較于前人在棉田土壤水鹽運移[20]和田間最適灌溉量，肥量的研究[21]，試驗更加注重水氮耦合效應對土壤水分和鹽分的實時變化情況及棉花植株對土壤中鹽分和水分的吸收情況。水氮耦合效應的研究能夠更加準確的把握在大田管理中，對水和肥的合理施用。

3.2 水氮耦合對棉花干物質積累的影響

雷詠雯等[22]在研究中發現，棉花干物質的積累量隨著水氮施用量的增加而增加，但是當灌溉量達到5 125.3 m3/hm2、施氮量達到305.5 kg/hm2時，棉花植株干物質的積累量不再增加。試驗中水氮施用量與棉花植株的干物質積累量之間也存在相似的關系，試驗中W3N2處理下棉花的干物質積累量達到峰值，試驗中W3N2水氮施用組合的灌溉量為4 650.0 m3/hm2，施氮量為300.0 kg/hm2。施氮量與前人研究達到一致，但適于干物質積累的灌溉量相比于前人研究中發現的5 125.3 m3/hm2，試驗中的灌溉量4 650.0 m3/hm2有著顯著降低。比較前人在水氮耦合對棉花干物質積累方面的研究[23-24]，試驗更加注重棉花各個時期干物質積累量之間存在的統一關系。發現對棉花生長和干物質積累有利的水氮施用組合。

3.3 水氮耦合對棉花產量及構成因素的影響

作物高產基于合理的田間管理及事宜的生長環境[10]，在一定的生長環境條件下田間管理就顯得格外重要，灌溉量和施肥量的合理把控為作物高產奠定基礎。楊首樂等[15]在研究中發現，棉花產量隨著水氮施用量的增加而增加，但灌溉量達到3 900.0 m3/hm2，施氮量達到300 kg/hm2棉花產量不再增加，試驗中單株鈴數、單鈴質量、籽棉產量3項指標最高的水氮施用組合均是W3N3。W3N3為灌溉量最多，施氮量最多的組合，在試驗中，隨著灌溉量和施肥量的增加棉花產量始終處于上升階段，并沒有出現臨界值。在研究中[21]最佳水氮施用組合需要通過大量的試驗構建數學模型去得出最佳預測，通過預測結果設計合理的試驗計劃去完成驗證。對于影響棉花高產的水氮施用組合結果還需要再次開展基于試驗結果的驗證試驗。

4 結 論

不同的水氮施用量處理下土壤水分，鹽分的吸收量，棉花植株不同時期干物質的積累量以及最終的產量都有著不同的變化，在W3N2處理下土壤中的鹽分和水分有著相對較好的吸收量，相較于W1N1處理鹽分消耗量高出64.2%，水分消耗量高出92.4%，有著顯著的提高。6月20日、7月20日、8月20日這個時期，水氮施用的最佳組合分別為W3N2、W2N2、W3N2，相較于W1N1處理分別高出39.0%、38.0%和40.0%。W3N3水氮施用組合下棉花植株產量最高，比W1N1處理高30.0%。