不同形態氮肥對膜下滴灌棉花15N回收率和產量的影響

李鵬程，鄭蒼松，孫 淼，邵晶晶，馮衛娜，董合林*

（1.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；2.中國農業科學院西部農業研究中心，新疆 昌吉 831100）

硝態氮和銨態氮是植物生長發育所能吸收的氮素形態，作物通過根系吸收硝態氮和銨態氮，然后將其同化為氨基酸轉運到地上部，從而滿足作物生長發育的氮素養分需求。植物對氮形態利用具有偏好性和可塑性，這可能是由于植物對土壤氮形態特性的長期適應而形成的［1］。不同作物對銨態氮和硝態氮的喜好不同，而且施用不同形態氮肥對作物生長發育、產量的影響還受土壤類型、栽培條件、水分管理等因素的影響，因此作物對不同形態氮肥的響應結果也不一致。不同形態氮肥在小麥、水稻、油菜、大豆等作物上均有研究。酰胺態氮肥在中氮（150 kg/hm2）條件下能顯著提高強筋小麥產量和籽粒含氮量，在高氮（225 kg/hm2）條件下能顯著改善強筋小麥品質［2］。輕度適宜的干濕交替灌溉配合施用一定比例的銨硝混合氮肥可以充分發揮水肥的耦合效應，促進強健根系形態的建成，提高根系的碳氮代謝及養分吸收利用，從而促進水稻的高產穩產［3-4］。旱地土壤中，與單施硝態氮相比，單施銨態氮更能促進油菜地上部生物量和籽粒產量的提高［5］。施氮可提高大豆根、莖、葉、豆莢的生物量，硝態氮肥效果優于銨態氮肥［6］。適宜濃度的銨態氮素可促進甘薯塊根的生長，提高塊根產量［7］。施用銨態氮還能促進作物對重金屬的吸收，在施氮量一致的條件下，施用生理酸性氮肥有利于促進八寶景天吸收鎘［8］。銨態氮和硝態氮肥料混合施用可以提高某些作物的施氮效果，銨態氮和硝態氮等比例施用可提高烤煙的產量［9］；銨硝比為25∶75可提高辣椒單果重、維生素C、可溶性蛋白質、總酚及類黃酮的含量［10］。

氮肥不同用量在棉花中的研究報道較多［11-12］，國內不同形態氮肥在棉花上的施用效果研究報道較少，多為盆栽和水培條件結果。桶栽條件下，尿素、硫酸銨、硝酸鈣3種氮肥對棉花單株干物質質量、單株成鈴數、鈴重、籽棉產量、單株氮素吸收量的影響未達到顯著水平［13］。盆栽條件下，受鹽脅迫的棉花對銨態氮和硝態氮的響應結果不一致，施硝態氮棉花的生物量和葉片全氮含量顯著高于施銨態氮，但棉花葉片的Bt蛋白含量略低于銨態氮處理［14］。水培條件下，銨硝混合態氮素營養有利于苗期棉株干物質的積累［15］；銨硝等比例混合營養可顯著提高棉苗干物質質量。低溫脅迫下，增施銨態氮肥可顯著提高氮素養分積累，促進棉苗生長，同時可增加滲透調節物質積累，提高抗性［16-17］。不同形態氮肥在大田的研究報道較少，鹽漬化棉田銨態氮肥和磷肥條施、花鈴期滴施銨態氮肥能顯著促進棉花養分吸收，提高棉花產量［18］。國外有不同形態氮肥在棉花大田施用效果的報道。Babaria等［19］在印度的田間試驗表明，尿素、硫酸銨、硝酸銨鈣等氮肥施用（氮用量160 kg/hm2）對棉花的生長、產量和品質無顯著影響，從當地肥料價格成本考慮，尿素更適宜。Flávio等［20］報道巴西棉田追施硝酸銨效果優于追施尿素。Reiter［21］報道美國田納西州棉田施用尿素硝銨的增產效果優于硝銨。Watts等［22］報道美國阿拉巴馬州農業試驗站棉花播種后施用尿素硫酸銨（尿素和硫酸銨按50∶50的等質量混合，氮含量34%）和硫酸銨較施用尿素能促進棉花生長（氮用量101 kg/hm2），提高皮棉產量，但對棉花纖維品質無顯著影響。新疆一膜三行等行距密植機采棉模式可加快棉花生長發育進程，提高伏前桃比例，脫葉效果好，可減少碎葉雜質，增加棉纖維上半部平均長度，提高棉花產量［23-26］，具有很好的推廣應用前景，研究該種植模式下正確地選擇氮肥形態、高效施氮對棉花的提質增效具有重要的理論意義。本研究采用氮同位素示蹤技術，在等量供氮條件下，研究膜下滴灌棉花對尿素、硫酸銨、硝酸鈣3種不同形態氮肥的響應，以期為膜下滴灌棉田氮肥合理選擇和高效運籌提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019～2020年在新疆生產建設兵團農一師阿拉爾市中國農業科學院棉花研究所南疆生態試驗站進行。試驗地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1793 h，無霜期208 d，≥10℃年積溫5695℃。試驗地土壤質地為砂壤土，0～20 cm土層土壤含有機質10.58 g/kg、堿解氮84.87 mg/kg、全氮0.64 g/kg、有效磷25.38 mg/kg、速效鉀190.5 mg/kg，pH 7.7。

1.2 試驗設計

試驗采用單因素隨機區組試驗設計，設置3種不同形態氮肥，分別為尿素、硫酸銨、硝酸鈣，全生育期氮用量為270 kg/hm2，分現蕾期、初花期、盛花期、盛鈴期4 次等量追施，以不施氮處理為對照。種植方式為76 cm等行距，膜寬2.05 m，一膜三行，小區面積為73.2 m2，4次重復，每小區用施肥罐單獨控制追肥。磷、鉀肥作基肥施用，施用肥料分別為過磷酸鈣和硫酸鉀，用量分別為P2O5120 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2，灌溉方式為膜下滴灌，其他栽培管理措施同當地高產大田。機器鋪膜，人工點播，株距7.3 cm，種植密度18×104株/hm2。供試棉花品種為‘中棉所96A’。播種時間、生育期和供應時間見表1。

表1 2019和2020年氮肥試驗生育期和15N肥料標記時間（月-日）

在氮肥施用小區，分別設置微區試驗，微區面積（0.8 m×2.28 m），微區中間1 行棉花施用15N標記的氮肥，施肥前將氮肥施用量精確計算到單株。15N標記的氮肥由上海化工研究院生產，施肥時先將15N標記的氮肥用水充分溶解，苗期在棉株旁10 cm處挖40 cm深的小洞，用醫用注射器將15N氮肥溶液均勻注射入洞內，等溶液被土壤吸收后，用土將洞口蓋實，減少揮發損失。1個重復連續標記5株棉花，每個處理標記20株棉花。對注射15N標記氮肥的棉株掛牌，便于精細病蟲害管理和施肥。為保證15N肥料標記小區氮肥施用的一致性和均勻性，微區中未施用15N標記肥料的中行、邊行棉株也要采取同樣的方法和施用量進行非15N標記氮肥的注射。同時微區標記小區水肥單獨控制，免受施肥小區滴肥的影響。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 棉株收獲取樣

對于15N標記的棉株，棉花生長期間單株進行精細管理，整枝及落葉分單株收集。棉花進入吐絮期以后，用大的尼龍網袋套住整株棉花，及時采集棉花黃葉，減少落葉損失。棉花吐絮85%時將整株棉花撥除，用剪刀分成根（子葉節以下）、莖、葉、籽棉4個部分，恒溫干燥箱70℃烘干至恒重，用電子天平稱取干物質質量，分部位磨碎后留樣待測。

1.3.2 土壤樣品取樣

棉花收獲后對應每個單株取1個0～60 cm土壤混合樣，每個混合樣由3個點混合而成，取樣點分別分布在棉行上、距棉行20 cm、距棉行40 cm處。采用四分法留取土壤混合樣，鮮樣采用流動分析儀室內測定土壤硝態氮和銨態氮含量，其余土樣自然晾干磨碎，過0.25 mm篩備用。

1.3.3 樣品處理和送檢

棉株和土壤樣品處理完畢后，編號送至河北省農業科學院植物生理研究所，測定棉株和土壤的15N豐度、全氮含量。

1.3.415N回收率計算

根據送檢結果進行棉株和土壤15N回收率計算，相關計算公式［27-28］如下：

棉株不同部位氮吸收量（g）＝棉株不同部位生物量（g）×全氮含量；

棉株吸收的氮素來自氮肥的百分比Ndff（%）＝（棉株15N豐度-0.3663）/（肥料15N豐度-0.3663）×100；

棉株不同器官15N累積量（mg）＝棉株全氮吸收量（g）×Ndff（%）×1000；

棉株15N回收率（%）＝棉株15N積累量／15N施入量×100；

土壤15N回收率（%）＝土壤15N積累量／15N施入量×100。

1.3.5 籽棉產量實收

于收獲期在每小區選取具有代表性的連續10株棉花，籽棉產量實收，計算單株籽棉產量。

1.4 數據分析

采用DPS 19.05處理數據、Origin 2018制圖。

2 結果與分析

2.1 不同形態氮肥對棉花單株干物質質量的影響

由圖1可得，硫酸銨和尿素處理棉花單株干物質質量無顯著差異，2019年尿素處理棉花單株干物質質量比硝酸鈣處理顯著高5.6%，但2020年3種不同形態處理棉花單株干物質質量無顯著差異。

圖1 施用不同形態氮肥棉花單株干物質質量

2.2 不同形態氮肥對棉株15N回收率、土壤15N殘留率、氮肥損失率和棉花單株籽棉產量的影響

由圖2（A）可得，硫酸銨和尿素處理的棉株15N回收率顯著高于硝酸鈣處理，2019年分別顯著高于硝酸鈣處理1.1和1.6個百分點，2020年分別顯著高于硝酸鈣處理6.4和3.5個百分點。由圖2（B）可得，硫酸銨和尿素處理土壤15N殘留率顯著低于硝酸鈣處理。其中，2019年分別低10.0和10.7個百分點，2020年分別低8.6和10.9個百分點。由圖2（C）可得，2019年硫酸銨和尿素處理氮肥損失率分別顯著高于硝酸鈣處理8.9和9.1個百分點，2020年尿素處理氮肥損失率分別顯著高于硫酸銨和硝酸鈣處理5.2和7.4個百分點。由圖2（D）可得，硫酸銨和尿素處理間的籽棉產量無顯著差異，但2019、2020年均分別顯著高于硝酸鈣處理13.7%和10.0%、5.7%和5.9%。

2.3 不同形態氮肥處理收獲期土壤銨態氮和硝態氮含量比較

由圖3可得，硫酸銨處理0～60 cm土層土壤銨態氮含量顯著高于尿素和硝酸鈣處理，尿素處理顯著高于硝酸鈣處理。硝酸鈣處理0～60 cm土層土壤硝態氮顯著高于硫酸銨和尿素處理，硫酸銨處理顯著高于尿素處理。總體來看，棉花收獲期硝酸鈣處理0～60 cm土層土壤礦質氮含量顯著高于硫酸銨和尿素處理，硫酸銨處理顯著高于尿素處理。

圖2 施用不同形態氮肥棉株15N回收率、土壤15N殘留率、氮肥損失率和棉花單株籽棉產量

圖3 不同形態氮肥處理收獲期棉田0～60 cm土層土壤銨態氮和硝態氮含量

3 討論

3.1 不同形態氮肥對棉花單株干物質質量和籽棉產量的影響

本試驗條件下，硫酸銨和尿素處理棉花單株干物質質量在2019年顯著高于硝酸鈣處理，但在2020年棉花單株干物質質量未見顯著差異。硫酸銨和尿素處理棉花單株籽棉產量無顯著差異，與李鵬程等［13］、Babaria等［19］、Mullins等［29］試驗結果一致。Watts等［22］大田試驗報道硫酸銨肥效優于尿素，可能與其施氮時期和灌溉方式有關，其施氮時間為棉花播種后5～6周，采用人工土壤表層撒施，灌溉方式為噴灌，可能增加了氮肥的氨揮發損失，而尿素的氨揮發損失高于硫酸銨［30］。另外一個因素是硫酸銨的硫元素可能促進氮肥利用率和產量的提高［31］。硫酸銨和尿素處理棉花單株籽棉產量顯著高于硝酸鈣處理，結果與李鵬程等［13］盆栽的試驗結果不一致，可能與種植方式、施氮量、水肥管理方式、產量水平不同有關。

3.2 不同形態氮肥對棉花15N回收率、土壤15N殘留率、氮肥損失率的影響

本試驗中，硫酸銨和尿素處理棉株15N回收率顯著高于硝酸鈣處理，與單株籽棉產量的結果一致，表明施用硫酸銨和尿素較施用硝酸鈣更好地促進了棉株對氮的吸收和轉化利用，從而獲得了較高的籽棉產量。

習金根等［32］研究表明，硝態氮肥在土壤中的淋失量高于尿素和銨態氮肥，淋失的氮素主要為肥料氮，砂壤土上氮素的淋失量明顯高于粘壤土。本試驗2020年硝酸鈣處理0～60 cm土層土壤硝態氮含量顯著高于硫酸銨和尿素處理，這一結果與硫酸銨和尿素處理土壤15N殘留率低于硝酸鈣處理結果一致，說明土壤硝態氮中包含部分肥料氮轉化的氮素。

本試驗中棉花15N回收率變化范圍為22.5%～28.9%，低于Rochester等［33］報道的15N回收率為35%～50%，與其試驗施氮量較低80 kg/hm2、同時添加了硝化抑制劑氯唑靈有關；與Hou等［34］報道的15N回收率（35.5%～42.5%）較接近，其施氮量為240 kg/hm2，與本試驗也較接近。本試驗中土壤15N殘留率變化范圍為27.8%～40.6%，高于Hou等［34］報道的15.7%～20.7%，與文獻［35-37］報道的棉田土壤15N殘留率變化范圍（12%～35%）較接近，可能與不同試驗棉花產量水平不一致和棉區降水量不一致有關。本試驗氮肥損失率變化范圍為35.2%～44.3%，低于Torbert等［38］、Karlen等［39］報道的40%～60%。

4 結論

膜下滴灌棉花一膜三行種植模式下，在全生育期施氮總量一致、等量分次施用的條件下，施用硫酸銨和尿素相比施用硝酸鈣獲得了較高的籽棉產量、15N回收率和氮肥損失率，較低的土壤15N殘留率、收獲期土壤硝態氮含量。