水分虧缺下有機無機肥配施比例對棉花水氮利用效率的影響

王寧，馮克云，南宏宇，叢安琪，張銅會

水分虧缺下有機無機肥配施比例對棉花水氮利用效率的影響

1甘肅省農業科學院作物研究所，蘭州 730070；2中國科學院西北生態環境資源研究院，蘭州 730000；3中國科學院大學，北京 100049

【目的】探究不同水分條件下有機無機肥配施對棉花水氮利用效率和產量的影響，為河西走廊棉區合理利用有機肥提供理論依據。【方法】于2020—2021年進行田間定位試驗，采用裂區試驗設計，主區為充分灌溉（W1）和虧缺灌溉（W2）；副區為不施肥（CK）、單施化肥（CF）、25%有機肥+75%化肥（OF1）、50%有機肥+50%化肥（OF2）和75%有機肥+25%化肥（OF3），分析不同水分條件下施肥對棉花生育期土壤含水量、階段耗水量、干物質和氮素積累及轉運分配、水氮利用效率、籽棉產量和經濟效益的影響。【結果】棉花籽棉產量和水氮利用特征受不同水肥處理及交互作用的顯著影響。虧缺灌溉下棉田土壤含水量、總耗水量、植株干物質積累量、氮素積累量和籽棉產量顯著下降，而水分利用效率顯著提高。適宜的有機無機肥配施處理能夠提高0—40 cm土層土壤含水量，降低棉花苗期和蕾期耗水，增加花鈴期耗水量，提高棉花干物質和氮素積累量，并促進其向生殖器官中分配。充分灌溉條件下，25%有機肥配施處理（OF1）籽棉產量最高，兩年平均較單施化肥（CF）提高10.5%；50%有機肥配施處理（OF2）與單施化肥（CF）無顯著差異，但75%有機肥配施處理（OF3）顯著降低。25%有機肥配施處理在各施肥處理中水氮利用效率最高，其中水分利用效率、氮素利用率和氮肥農學利用率分別較單施化肥提高8.9%、14.3%和28.9%。虧缺灌溉條件下，有機無機肥配施處理籽棉產量均高于單施化肥，其中50%有機肥配施處理表現最高，兩年籽棉平均產量較單施化肥提高12.9%，同時50%有機肥配施處理水氮利用效率也表現為最高，其中水分利用效率、氮素利用率和氮肥農學利用率分別較單施化肥提高6.3%、35.5%和31.6%。【結論】適宜比例的有機無機肥配施能夠協調土壤-作物水分養分供需關系，提高棉花籽棉產量和水氮利用效率。綜合考慮產量、水氮利用效率和植棉效益，25%有機肥配施處理為河西走廊棉區適宜的有機肥配施模式。

棉花；有機肥；化肥；比例；籽棉產量；水氮利用效率

0 引言

【研究意義】棉花是我國重要的經濟作物，在我國經濟發展中占有重要地位[1]。近年來，隨著我國棉花產業布局的調整，棉花種植不斷向西北內陸棉區轉移[2]。作為西北內陸棉區的重要組成部分，甘肅河西走廊棉區具有光熱資源充足、晝夜溫差大以及降水稀少等適宜棉花種植的自然條件，是我國優質棉花生產區[3]。但該區域為典型的干旱灌溉農業區，由于氣候變化的影響以及水資源的不合理利用，區域地下水位不斷下降，水資源短缺是限制當地棉花產業發展以及威脅區域生態安全的主要因素之一[4]。此外，棉田長期大量單一施用化肥而有機質投入不足，不僅造成土壤質量不斷下降，氮素利用效率低下，而且導致一系列的環境問題，如土壤硝酸鹽的大量殘留和淋失、氮氧化物排放加劇、土壤酸化等[5-6]。因此，如何在水分虧缺下探究合理的施肥結構，減少化肥施用，協同提高作物的水氮利用效率，對于緩解區域水資源短缺、改善農田生態環境，推動當地農業可持續發展具有重要意義。【前人研究進展】水資源短缺是影響干旱地區作物生產的主要因素[7]，水分虧缺不僅影響土壤中氮素的有效性，而且限制作物對氮素的吸收利用能力[8]，同時，良好的土壤氮素營養狀況能夠提高作物對水分脅迫的耐受性，提高作物水分利用效率[9]。因此，利用水肥耦合特性，通過合理的養分管理來調控作物的水分利用過程，實現以肥調水和以水促肥，是提高旱區作物水氮利用效率的關鍵[10-11]。廣泛研究表明，有機無機肥配施不僅具有培肥土壤、提高產量、保護環境等積極效應[12-13]，而且能夠調控土壤水氮供應過程，協調土壤-作物水氮供需關系。陶瑞等[14]研究發現，減少化肥配施有機肥能夠增加棉株對氮、磷養分的吸收，且顯著提高了氮肥利用率以及田間持水量。謝軍紅等[15]研究發現，等氮條件下適宜的有機肥與無機肥配施能夠協調土壤-玉米供需水關系，提高水氮利用效率。周慧等[16]研究表明，有機無機肥配施能夠調節鹽漬土在玉米生育期的氮素釋放，且適當的有機無機肥配施比例能顯著提高玉米水氮利用效率。程煜等[17]對鹽漬土向日葵施肥研究發現，化肥減量配施有機肥能夠改善作物根區土壤水鹽環境，提高作物產量及水氮利用效率。可見，通過有機無機肥配施是實現作物增產以及水肥資源高效利用的有效途徑，但由于有機無機肥配施對土壤氮素供應以及作物產量的影響與土壤肥力、水分狀況等因素有關[18-19]，不合理的有機無機肥配施比例不僅會造成作物的減產[17,20]，還會造成氮素的淋溶損失[21]。因此，在特定的地區和作物系統中，不同水分條件下有機無機肥配施比例對作物水氮利用效率的影響，還需進一步明確。【本研究切入點】有機無機肥配施對作物水分或氮素利用效率以及產量形成的影響已有較多研究，但不同水分供應條件下有機無機肥配施對土壤水氮利用效率和產量影響的研究較少。【擬解決的關鍵問題】本研究通過田間試驗，研究不同水分條件下有機無機肥配施對棉花水氮利用效率和產量的影響，明確有機無機肥配施在不同水分條件下對水氮吸收利用的調控效應，為河西走廊棉區合理利用有機肥和提高水肥利用效率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

于2020—2021年在甘肅省農業科學院敦煌試驗站（甘肅省敦煌市肅州鎮魏家橋村，94°38′E，40°17′N）進行田間定位試驗。該地區海拔1 138 m，年均降雨量約39.9 mm，蒸發量2 486 mm，年平均氣溫10.5 ℃，無霜期145 d，屬典型的大陸干旱性氣候。試驗區土壤為灌淤土，田間持水量19.5%、飽和持水量31.25%，凋萎含水量2.58%。播前1 m土體平均容重1.29 g·cm-3。連續兩年土壤基礎理化性質見表1，棉花生育期內降雨量和平均氣溫見圖1。

1.2 試驗設計

試驗采用裂區設計，主區為灌溉處理，分別為充分灌溉（W1），生育期總灌溉量為520 mm（當地棉田正常灌溉量）；虧缺灌溉（W2），生育期總灌溉量380 mm。副區為施肥處理，分別為不施肥（CK）、單施化肥（CF）、25%有機肥+75%化肥（OF1）、50%有機肥+50%化肥（OF2）、75%有機肥+25%化肥（OF3）。灌溉量用灌水管末端的水表控制計量，各處理在播前統一灌溉140 mm造墑以保證出苗，在棉花全生育期灌溉4次，于現蕾后（2020年6月18日，2021年6月25日）開始每隔15 d 灌水1 次，W1每次灌溉量為120 mm，W2 每次灌溉量為60 mm。施肥處理中有機無機肥配施比例根據肥料氮含量計算，除不施肥（CK）外，其余各施肥處理氮、磷、鉀含量保持相同，均為N 450 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 40 kg·hm-2，當磷和鉀不足時用化肥補充。

試驗所用商品有機肥由甘肅蘇地肥業有限公司生產，其主要原料為發酵腐熟的純羊糞，含有機質450.0 g·kg-1、全氮72.4 g·kg-1、全磷26.7 g·kg-1、全鉀22.8 g·kg-1，在播種前作基肥施入；化肥為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O511%）、硫酸鉀（K2O 50%），其中磷、鉀以及50%化肥氮作底肥播前施入，剩余50%化肥氮按等比例分4次隨灌水施入。試驗棉花品種為隴棉10 號，為當地主栽品種。試驗采用1膜4行等行距種植模式，行距40 cm，株距15 cm，膜寬140 cm，小區面積38.4 m2（8 m×4.8 m），各處理重復3次。理論種植密度為16.5萬株/hm2，小區間設2 m的隔離帶，并垂直鋪埋80 cm地膜以防水肥滲透。播種時底墑充足，以保證出苗齊整，其他田間管理與當地大田生產保持一致。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤水分及階段耗水量 在播種前、棉花苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期采用烘干法測定0—120 cm土層土壤含水量，每20 cm為一個層次，取樣點位于地膜中心位置，3次重復，其平均值作為每個處理的土壤含水量。

土壤貯水量計算公式：

SWS=θ×h×r×10

式中，SWS為土壤貯水量（mm），θ為土壤含水量（%），h為土層深度（cm），r為土壤容重（g·cm-3）。

耗水量采用水分平衡公式[22]計算：

ETi=Pi+Ii-ΔSi

式中，ETi為作物i階段耗水量；Pi為i 階段的降雨量；Ii為i 階段灌溉量；ΔSi為i 階段末與階段初的土壤貯水量差值（mm）。由于試驗區地下水位在20 m以下，同時試驗地地勢平坦，因此，忽略地下水上移補給、地表徑流和深層滲漏的影響。

1.3.2 干物質及氮素積累量 在棉花苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期，各小區選取代表性植株5株，按莖、葉、蕾、鈴殼和纖維等不同器官分開，105 ℃殺青30 min，之后在80 ℃恒溫烘干至恒重，測定干物質量，并將烘干的各組織樣品經粉碎，采用H2SO4-H2O2消解，半微量凱氏定氮儀測定氮素含量。

表1 試驗地播前0-20 cm土層土壤化學性質

圖1 2020—2021年棉花生育期內日平均降雨量和溫度

采用Logistic 方程y=k/[1+e(a+bt)] 對棉花干物質積累過程進行模擬[7]。以出苗后天數（t）為自變量，地上部干物質量（y）為因變量，干物質最大增長速率vm=-bk/4，干物質最大增長速率出現時間t0=-a/b。

1.3.3 產量及水氮利用效率 在棉花成熟后各小區取5株代表性植株，考查記載單株結鈴數、單鈴重等產量構成因素，按小區收獲籽棉產量計產。

水分利用效率WUE（kg·hm-2·mm-1）=籽棉產量（kg·hm-2）/生育期總耗水量（mm）；

氮肥利用率（NUE，%）=（施氮區植株總吸氮量-不施氮區植株總吸氮量）/施氮量×100；

氮肥農學利用率（NAUE，kg·kg-1）=（施氮區籽棉產量-不施氮區籽棉產量）/施氮量；

氮素轉運率（%）=（盛鈴期前營養體氮素積累量-吐絮期營養體氮素積累量）/盛鈴期前營養體氮素積累量×100。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2016 進行試驗數據整理與分析，SPSS 20.0軟件進行處理間方差分析和顯著性檢驗（Duncan’s），Origin Pro 2018軟件作圖。

2 結果

2.1 不同水肥處理下棉田土壤含水量變化

不同水肥處理下棉田0—120 cm土層重量含水量在棉花不同生育時期和不同土層具有明顯差異性（圖2）。虧缺灌溉W2下土壤含水量在盛蕾期、花鈴期和吐絮期均顯著低于充分灌溉W1。同時，各施肥處理土壤含水量均高于不施肥對照CK。W1條件下，不同生育時期各施肥處理0—40 cm土壤含水量差異顯著（＜0.05），其中，盛蕾期和花鈴期有機無機肥配施土壤含水量顯著高于單施化肥和不施肥處理，盛蕾期OF1、OF2、OF3較CF兩年平均分別提高4.1%、3.3%和2.5%，花鈴期分別提高7.1%、6.1%和5.9%。各施肥處理間60—120 cm土層含水量無顯著差異，吐絮期有機無機肥配施處理0—120 cm土層含水量均高于CK和CF處理，其中OF1土壤含水量在20—80 cm土層最高。W2條件下，有機無機肥配施處理在盛蕾期、花鈴期及吐絮期0—60 cm土層含水量均顯著高于CF和CK（＜0.05），其中，盛蕾期OF1、OF2、OF3較CF兩年平均分別提高7.3%、13.9%和9.9%，花鈴期分別提高5.6%、10.5%和6.4%，吐絮期分別提高5.4%、7.0%和2.5%。盛蕾期和花鈴期，各有機無機肥配施與單施化肥在深層80—120 cm中土壤含水量無顯著差異，而在吐絮期，OF1、OF2、OF3在80—120 cm土層含水量較CF兩年平均分別提高4.9%、4.3%和3.5%。各有機無機肥配施處理中，OF2在0—60 cm土層含水量最高，但與OF1和OF2間無顯著差異。綜合兩年試驗結果，有機無機肥配施處理顯著提高了0—40 cm土層含水量，充分灌溉（W1）下，OF1土壤含水量最高，而在虧缺灌溉（W2）下，OF2土壤含水量最高。

圖2 不同生育時期各處理0—120 cm土層土壤含水量垂直變化

2.2 不同水肥處理下棉花階段耗水量變化

圖3顯示，不同水肥條件下棉花各生育階段耗水量總體呈先升高后降低的趨勢，其中花鈴期為耗水量最高的生育階段。充分灌溉（W1）下棉花各生育階段耗水量較虧缺灌溉（W2）增加，其中在花鈴期差異顯著（＜0.05）。W1條件下，各施肥處理在蕾期、花鈴期和吐絮期耗水量均顯著高于不施肥處理CK，各施肥處理中，CF在苗期和蕾期耗水量最高，而在花鈴期，OF1顯著高于其余各施肥處理，其中OF1較CF在花鈴期兩年耗水量分別提高9.2%和12.1%，OF2和OF3與CF在2020年無顯著差異，2021年OF2顯著高于CF，但與OF3差異不顯著。在吐絮期，各施肥處理間無顯著差異，但耗水量均顯著高于CK。W2條件下，苗期各施肥處理間耗水量無顯著差異，但均顯著高于CK，蕾期CF耗水量表現最高，顯著高于有機無機肥配施處理，而OF1、OF2和OF3之間無顯著差異。在花鈴期，有機無機肥配施處理均顯著高于CF，其中OF2、OF1和OF3較CF兩年平均分別提高16.8%、8.3%和7.2%，OF1與OF3無顯著差異。吐絮期OF2耗水量最高，顯著高于其余施肥處理，其中較CF兩年分別提高18.6%和13.3%，OF1、OF3及CF間無顯著差異。兩年試驗結果顯示，有機無機肥配施能夠調節棉花耗水進程，與單施化肥相比，有機無機肥配施下棉花在苗期和蕾期耗水量降低，而在花鈴期增加。同時，在不同灌水條件下各有機無機肥配施對階段耗水量的調控效應不同，充分灌溉W1下，OF1在花鈴期和吐絮期耗水量最高，而在虧缺灌溉W2下，OF2在花鈴期和吐絮期耗水量最高。

同一生育時期不同小寫字母表示施肥處理間差異達0.05顯著水平。下同

2.3 不同處理下棉花干物質積累與分配

不同水肥處理下棉花干物質積累特征顯示（圖4），棉花苗期（0—29 d）各處理干物質積累量差異不顯著，現蕾后不同施肥處理間開始出現差異，整個生育期干物質積累動態呈“S”型。虧缺灌溉下棉花干物質積累量在花鈴期（61—106 d）和吐絮期（107—130 d）顯著低于充分灌溉，W2條件下花鈴期和吐絮期兩年平均干物質積累量較W1分別降低15.9%和19.8%。同一水分條件下，各施肥處理在花鈴期和吐絮期表現出明顯差異，其中充分灌溉下，單施化肥處理（CF）在蕾期（30—60 d）和花鈴期干物質積累量表現最高，而到吐絮期，有機無機肥配施處理中OF1表現最高，兩年平均干物質積累量較CF提高4.2%，OF2與CF干物質積累量無顯著差異，而OF3較CF顯著降低。有機無機肥配施處理較單施化肥能夠提高干物質在生殖器官中的分配比例（圖5），其中OF1、OF2和OF3分別較CF提高了10.7%、7.6%和5.4%。虧缺灌溉下，各施肥處理間干物質積累量在花鈴期和吐絮期出現差異，各有機無機肥配施處理均高于單施化肥和不施肥對照，其中OF2處理在花鈴期和吐絮期表現最高，兩年平均干物質積累量較CF分別提高7.3%和13.4%，同時OF2干物質在吐絮期生殖器官中的分配比例最高，較CF提高了9.7%。干物質積累特征結果顯示，適宜的有機無機肥配施比例能夠提高干物質積累量，同時促進干物質在生殖器官中的分配比例。

圖4 不同水肥處理下棉花干物質積累動態

圖5 不同水肥處理下棉花吐絮期干物質分配

干物質積累速率能夠衡量作物干物質積累快慢特征，不同水肥條件下干物質積累速率存在顯著差異（圖4）。充分灌溉下干物質最大增長速率較虧缺灌溉提高17.6%，最大增長速率的出現推遲4.2 d。充分灌溉條件下，各施肥處理中CF在生育前期較有機無機肥配施處理具有較高的積累速率，最大增長速率表現最高，且最大積累速率出現日期較有機無機肥配施處理提前4.2—7.6 d，隨著生育期的推進，CF在花鈴期和吐絮期干物質積累速率下降較快，而有機無機肥配施處理降低幅度較小，較單施化肥能保持較高的干物質積累速率，其中OF1在花鈴期和吐絮期干物質積累速率表現最高。虧缺灌溉下，CF和CK干物質最大積累速率較有機無機肥配施處理顯著下降，且出現日期提前，各有機無機肥配施處理中OF2干物質積累速率最大，兩年平均較CF提高13.3%，同時最大積累速率出現日期推遲5.1 d。干物質積累特征結果顯示，有機無機肥配施雖然推遲了最大積累速率出現日期，但在花鈴期和吐絮期，能夠維持較高的干物質積累速率，有利于提高干物質積累量。

2.4 不同水肥處理對棉花氮素吸收與分配的影響

不同水肥處理下棉花吐絮期氮素吸收量存在顯著差異（圖6）。水分虧缺顯著影響植株對氮素的吸收，與W1相比，W2吐絮期氮素吸收量顯著下降，兩年分別降低9.9%和10.7%。W1條件下，施肥處理各器官氮素積累量均顯著高于CK，各施肥處理中，CF處理的營養器官（莖、葉）氮素積累量最高，而OF1在生殖器官（鈴殼、纖維）氮素積累顯著高于其余施肥處理，其中鈴殼氮素含量兩年分別提高16.1%和12.8%，纖維中氮素含量分別提高16.6%和16.8%，同時植株氮素吸收總量也顯著高于CF。W2條件下，各施肥處理間在營養器官（莖、葉）中氮素含量無顯著性差異，但均顯著高于CK。有機無機肥配施處理中OF2生殖器官（鈴殼、纖維）氮素含量表現最高，其次為OF1，均顯著高于CF，其中OF2較CF鈴殼氮素含量兩年分別提高7.9%和2.6%，纖維中氮素含量分別提高7.4%和9.9%。結果表明在水分虧缺下，適宜的有機無機肥配施比例能夠提高生殖器官氮素吸收量。

花鈴期和吐絮期各器官氮素分配及轉運受水分和施肥及交互作用的顯著影響（表2），與W1相比，W2條件下營養器官中氮素分配比例降低，同時花鈴期莖葉氮素轉移下降，但生殖器官中氮素分配比例提高。W1條件下，CF在花鈴期營養器官（莖、葉）中氮素分配比例最高，但在生殖器官（花、鈴）中氮素分配比例最低。CK生殖器官氮素分配比例最高，顯著高于施肥處理。各施肥處理中有機無機肥配施在生殖器官氮素分配比例均顯著高于CF，其中OF3表現最高，兩年分別較CF提高了23.5%和15.4%。有機無機配施處理較CF顯著提高了花鈴期莖葉氮素轉移率，其中OF1表現最高，較CF 莖葉兩年平均分別提高了23.3%和22.9%。吐絮期各器官氮素分配與花鈴期類似，在施肥處理中，有機無機肥配施較CF提高了氮素在生殖器官中的分配比例。W2條件下，花鈴期和吐絮期除CK外，其余各施肥處理在營養器官和生殖器官中氮素分配比例無顯著性差異，但有機無機肥配施提高了莖葉氮素轉移率，其中OF2莖葉氮素轉移率最高，較CF 2年平均分別提高了23.4%和15.7%。

圖6 不同水肥處理對棉花地上部各器官氮素累積與分配的影響

表2 不同水肥處理對棉花各器官氮素分配率和轉運率的影響

2.5 不同水肥處理對棉花產量和水氮利用率的影響

由表3可知，棉花籽棉產量受水分、施肥及兩因素間互作效應的顯著影響。W1條件下籽棉產量顯著高于W2，兩年分別提高14.8%和16.6%，各施肥處理籽棉產量均顯著高于CK。同一水分條件下，不同施肥處理對籽棉產量影響不同。W1下，各施肥處理籽棉產量隨有機肥配施比例的增加先升高再下降，其中OF1籽棉產量顯著高于其余施肥處理，兩年分別較CF提高9.8%和11.1%，OF2與CF無顯著差異，而OF3籽棉產量較CF在2021年無顯著差異，但2020年顯著低于CF；W2下各施肥處理中，有機無機肥配施處理棉花籽棉產量均高于CF，其中OF1和OF2與CF差異達到顯著水平（＜0.05），OF2籽棉產量表現最高，較CF兩年分別提高16.0%和13.7%。

W1下棉花生育期耗水量顯著高于W2，在W1下，各施肥處理中OF1耗水量最高，顯著高于OF2、OF3和CK，但和CF無顯著差異；W2下，OF2耗水量顯著高于其余各施肥處理，而CF與OF1和OF3之間無顯著差異。不同水肥處理及兩因素的交互效應對水分利用效率的影響均達到顯著水平，W1下棉花水分利用效率低于W2。同一水分處理中，W1下，OF1水分利用效率顯著高于其余各處理，兩年平均較CF提高8.9%，OF1、OF2與CF無顯著差異；W2下，2020年各有機無機肥配施處理均顯著高于CF，2021年OF1和OF2顯著高于CF，而OF3與CF無顯著差異。

水分對棉花氮素利用率的影響存在年際間不一致結果，2020年W2下氮素利用效率高于W1，而2021年W1高于W2。W1下，隨有機肥配施比例的提高，氮素利用率先升高后下降，其中OF1表現最高，顯著高于其余施肥處理，較CF 2年分別提高14.2%和14.4%；W2下OF2為最高的氮肥利用率施肥處理，較CF兩年分別提高10.4%和6.9%。W1條件下氮肥農學利用效率顯著高于W2，兩年分別提高12.3%和4.8%。與氮素利用率趨勢一致，W1條件下各施肥處理中OF1氮肥農學利用效率表現最高，較CF兩年分別提高26.3%和31.4%，而W2下OF2為最高的氮肥利用率施肥處理，較CF 2年分別提高38.7%和32.3%。結果總體顯示，水肥處理對棉花籽棉產量及水氮利用效率有顯著影響，同時兩因素表現出交互效應。與W1相比，W2下棉花籽棉產量、氮肥農學效率降低，而水分利用效率提高。W1下，OF1處理籽棉產量和水氮利用效率表現最高，而W2下OF2處理籽棉產量和水氮利用效率表現最高。結果表明，適宜的有機無機肥配施比例較單施化肥能夠提高棉花產量和水氮利用效率，特別是在水分虧缺下，能緩解水分虧缺的影響，促進棉花對水氮的吸收利用，最終提高產量。

表3 不同處理棉花籽棉產量及水氮利用效率

Y：籽棉產量；NUE：氮肥利用率；NAUE：氮肥農學利用率；ET：耗水量；WUE：水分利用效率。W：土壤水分；F：施肥；W×F：水分與施肥交互效應；同一水分條件下，不同小寫字母表示施肥處理間差異顯著（P＜0.05）；*表示差異顯著（P＜0.05），**表示差異極顯著（P＜0.01），ns 表示差異不顯著（P＞0.05）。下同

Y: Seed cotton yield; NUE: Nitrogen use efficiency; NAUE: Nitrogen agronomic use efficiency; ET: Evapotranspiration; WUE: Water use efficiency. W: Soil water condition; F: Fertilization; W×F: Interaction effects between soil water condition and fertilization. The different lowercase letters means significant difference among fertilizer treatments at the 0.05 level under the same soil water condition. * Indicates significance (P＜0.05), ** Indicates highly significance (P＜0.01), ns: Indicates no significance (P＞0.05). The same as below

2.6 棉花籽棉產量與水氮利用效率的相關性

籽棉產量與水氮利用效率的相關性分析結果顯示（圖7），兩年籽棉產量與干物質積累量、氮素積累量、生育期總耗水量呈極顯著正相關，與水分利用效率和氮肥農學利用率呈顯著正相關。干物質積累量與氮素積累量和總耗水量呈極顯著正相關，氮素積累量與總耗水量呈極顯著正相關，與水分利用效率呈顯著正相關，氮肥利用率和氮肥農學利用率呈顯著的正相關。適宜的有機無機肥配施比例能夠通過協調棉花對水分和養分的吸收利用，促進對干物質和氮素的積累并向生殖器官中的轉運，提高水氮利用率最終實現增產。

DA：干物質積累量；NA：氮素積累量

2.7 不同水肥處理棉花經濟效益

由表4可知，受水分、化肥和商品有機肥投入量、籽棉產量和年際間籽棉價格等因素影響，不同處理間總投入、總收入和凈收益也不同。W1處理水分投入較W2高600元/hm2，但由于總體產量較高，最終凈效益較W2處理顯著提高23.2%。由于有機無機肥配施的價格較單施化肥高，因此，隨有機肥配施比例的增加，其生產資料總成本也隨之增加。W1條件下，OF1施肥處理凈效益最高，兩年較CF分別提高3.9%和9.5%，其余有機無機肥配施處理較CF凈效益均降低。2020年籽棉價格較低，W2條件下，由于OF2和OF3凈收益均顯著低于CF，而OF1與CF無顯著差異。2021年籽棉價格較高，其中OF1和OF2凈收益與CF無顯著差異，但OF3凈收益在各施肥處理中表現最低。總體來看，充分灌溉和虧缺灌溉下，OF1凈收益與CF凈收益均無顯著性差異，而OF2在水分虧缺下，當籽棉價格較高（11. 0元/kg）時才與CF具有無顯著差異的凈收益，OF3由于投入成本較高，凈收益較CF均呈顯著下降。

表4 不同水肥處理棉花經濟效益

生產資料包括種子（1 500 元/hm2）、地膜（750元/hm2）、灌溉水電費（W1：1 500元/hm2，W2：900元/hm2）、施肥（CK：0，CF：4 200元/hm2，OF1：6 300元/hm2，OF2：8 400元/hm-2，OF3：10 500元/hm2）、農藥（150元/hm2）；田間管理成本包括播種、灌溉及收獲用工或機械（3 000元/hm2）及植保措施（200元/hm2）。2020年和2021年當地籽棉收購價格分別為6.0和11.0元/kg

The production materials include seeds (1 500 yuan/hm2), plastic film (750 yuan/hm2), irrigation water and electricity costs (W1: 1 500 yuan/hm2, W2: 900 yuan/hm2), fertilizer (CK: 0, CF: 4 200 yuan/hm2, OF1: 6 300 yuan/hm2, OF2: 8 400 yuan/hm2, OF3:10 500 yuan/hm2). Field management includes sowing, irrigation, harvesting labor or machinery (3 000 yuan/hm2) and plant protection measures (200 yuan/hm2). The local price of seed cotton in 2020 and 2021 was 6.0 and 11.0 yuan/kg, respectively

3 討論

3.1 土壤-棉花水分供需特征及水分利用效率

土壤水分虧缺是限制干旱地區作物生長的主要因子，直接影響作物生長及對養分的吸收利用[23]，協調土壤水分和養分的供應以及提高水分養分利用效率是干旱地區作物高產高效的關鍵[24]。有機無機肥配施能夠改善土壤結構，有效調節土壤水、肥、氣、熱關系，從而提高土壤蓄水保水性[25]。本研究結果顯示，有機無機肥配施較單施化肥提高了盛蕾期、花鈴期和吐絮期0—40 cm土層含水量，與已有研究結果一致[17, 20]。有機肥能夠降低土壤容重和孔隙度，有利于水分入滲和持水量的增加[17]，同時可以抑制蒸發[26]，最終提高土壤有效含水量。花鈴期是棉花營養生長和生殖生長同時進行的重要生育階段，充足的水分供應是保證干物質積累與產量形成的必要條件，本研究中有機無機肥配施能夠在水分虧缺條件下提高土壤含水量，一定程度上有利于緩解干旱脅迫對棉花生長發育的影響。本研究中，不同比例的有機無機肥配施在充分灌溉和虧缺灌溉下0—40 cm土層含水量不同，其中充分灌溉下25%有機肥配施處理土壤含水量最高，而虧缺灌溉下50%有機肥配施處理土壤含水量表現最高，其原因可能是充足的水分條件下，低比例的有機肥配施處理，由于化肥氮比例高，較其他比例的有機肥配施處理生長發育旺盛，干物質積累速率以及積累量高，具有較大的冠層，對土壤的遮陰面積大，抑制土壤蒸發效果較好；而在水分虧缺下，高比例的化肥氮進一步降低了土壤水勢，同時過高的有機肥配施比例導致氮素營養供應缺乏，導致干物質積累速率及積累量較低，棉花生長發育較慢，冠層面積較小，土壤蒸發較大。

調節作物耗水進程是提高水分利用效率和抵御生育期干旱的主要途徑之一[11]。本研究結果表明，在棉花苗期和蕾期單施化肥耗水量高于有機無機肥配施，而在花鈴期，適宜的有機無機肥配施比例顯著提高了花鈴期棉花耗水量，其原因可能是有機肥中的有機氮必須礦化為無機氮才能被作物吸收利用[27]，有機肥的氮素礦化是由多種微生物和土壤酶參與的一系列過程，受土壤溫度、水分及質地等的影響[28]。在棉花生育前期，單施化肥處理其氮素釋放較快，充足的氮素營養有利于棉花前期生長發育，干物質積累速率以及干物質積累量較高，植株生長發育旺盛，對土壤水分的消耗利用較多，而有機無機肥配施在棉花生長前期，由于土壤溫度較低，土壤酶活性及微生物活性受到影響使有機肥氮素礦化速率較低，影響了土壤前期氮素供應，其干物質積累速率較低，棉花生長發育較為緩慢。進入花鈴期，隨著土壤溫度的上升，土壤中微生物群落結構及數量發生改變，有機肥氮素礦化速率也隨之增加[27]，釋放的大量有效氮素養分有利于促進了棉花在花鈴期的生長，干物質積累速率上升，從而增加了花鈴期的耗水量。因此，適宜的有機無機肥配施比例能夠通過對棉花生長發育進程的影響從而協調棉花不同生育階段耗水特性，提高水分利用效率。

3.2 棉花氮素吸收、轉運及氮素利用效率

作物對氮素的吸收、轉運、積累和分配與作物產量形成密切相關[16]。水分不僅影響土壤中氮素的有效性，而且影響著作物生長發育中氮素的吸收、轉運和同化。水分對作物氮素的吸收和利用的影響，與不同生育期干旱程度有關，嚴重干旱會影響植株對氮素的吸收利用，而作物后期的輕度干旱反而能夠促進氮素的積累[29]。本研究中水分虧缺主要在生長發育關鍵階段花鈴期，因此在虧缺灌溉下棉花植株對氮素的積累量顯著降低，雖然在水分虧缺下氮素在生殖器官中分配比例提高，但由于植株總體氮素含量較低，最終影響生殖器官氮素含量，與已有研究結果一致[7,24]。謝軍等[30]研究表明，等氮條件下有機氮替代化肥氮能促進玉米對氮素的吸收和向籽粒的轉運，提高了氮的利用效率。高洪軍等[31]研究表明，長期有機無機配施，不僅能有效調節氮素積累和轉運，還能提高氮肥利用效率。本研究結果與相關研究結果一致，適宜的有機無機肥配施比例不僅能夠提高棉花花鈴期莖葉氮素轉移率，而且增加了植株總氮素的積累與向生殖器官中的氮素分配。其原因主要是一方面有機無機肥配施能夠調控土壤含水量和作物耗水量間的供需關系，促進作物在關鍵生育期對水分的吸收利用；另一方面有機無機肥配施能夠改善土壤對氮素的供應過程[15]，使土壤養分能夠平穩釋放[31]，能夠在關鍵期滿足棉花的養分需求，實現水肥協調。

棉花氮素利用率受不同灌溉方式和施氮量等因素的顯著影響。王肖娟等[32]研究表明，滴灌能夠促進土壤與作物氮素供需在時間和空間的同步，降低氮素淋溶損失，較漫灌能顯著提高棉花氮素吸收利用率。鄒芳剛等[33]等研究表明，長江流域下游濱海鹽土區施氮量以300—374 kg·hm-2為理論適宜施氮量，可以兼顧較高的氮素利用率和產量效益。廖歡等[34]研究表明，新疆機采棉灌水量控制在80%ETc時，施氮量為300 kg·hm-2可實現棉花產量和水氮利用率綜合效益最大化。秦宇坤等[35]研究表明，黃河流域低肥力棉田最佳施氮量為277 kg·hm-2，超過360 kg·hm-2時，氮肥利用率降低，棉花增產效果不明顯。本研究主要基于河西走廊棉區農戶習慣性灌溉及施肥模式，其氮素利用率與已有研究結果相比表現較低，分析其原因主要有，一方面本研究采用漫灌方式，增加了氮肥在土壤中轉化的時間及損失的強度；另一方面所采用的氮肥用量為當地植棉區多年來與漫灌相匹配的習慣性施氮量，較目前主要植棉區滴灌模式下推薦施氮量偏高。因此，需要在提高當地氮素利用效率的研究中進一步探討不同灌溉方式下最優施氮量，以實現減肥增效。

3.3 棉花產量及經濟效益

有機無機肥配施或替代對作物產量的影響會因不同的配施比例而存在顯著差異[19]。申長衛等[36]研究表明，施用有機肥替代20%化肥氮能顯著增加小麥產量，而有機肥比例為40%時會出現減產。呂鳳蓮等[19]研究表明，有機氮替代75%化肥氮能夠顯著提高作物產量，而100%有機肥替代時會出現減產。本研究中在充分灌溉條件下，25%有機肥配施處理較單施化肥顯著增加了籽棉產量，而50%和75%有機肥配施處理，籽棉產量較單施化肥出現不同程度下降，而在虧缺灌溉下，50%有機肥配施處理產量及水氮利用率表現最高，其余有機無機肥配施處理籽棉產量雖然高于單施化肥處理，但水氮利用效率與單施化肥無顯著差異甚至降低。不同試驗結果的差異性與土壤本身的肥力及水熱環境等因素有關[19,37]。充分灌溉條件下，25%有機肥配施處理不僅在生育前期具有較高的干物質積累速率，同時在生育中后期較單施化肥能夠維持較高的干物質積累速率，使其下降緩慢，有利于干物質的積累與最終產量的形成。在水分虧缺下，高比例的化肥氮配施處理進一步降低了土壤水勢，同時過高的有機肥配施比例由于氮素營養供應缺乏，50%有機肥配施處理能夠同時降低兩者不利因素，既能保證生育前期較高的干物質積累速率，同時在生育后期具有較高的氮素供應能力以維持較高的干物質積累速率，有利于在水分虧缺下提高籽棉產量。因此，不同水分條件下需要合理的有機肥配施比例，以提高棉花產量。

植棉效益的高低是影響商品有機肥推廣使用的重要因素。本研究結果顯示，25%有機肥配施處理能夠達到與單施化肥無顯著差異的植棉效益，同時在籽棉價格較高的條件下能夠顯著提高凈收益。50%有機肥配施僅僅在籽棉價格較高的前提下與單施化肥凈收益無顯著差異，隨著有機肥配施比例的進一步提高，植棉效益也逐漸降低，顯著低于單施化肥。因此，綜合考慮產量、資源利用效率及植棉效益等因素，25%有機肥配施化肥處理為河西走廊棉區適宜的有機肥配施比例。

4 結論

與單施化肥相比，適宜的有機無機肥配施比例能夠提高棉花生育期0—40 cm土層含水量，降低棉花苗期和蕾期耗水，增加花鈴期耗水量，提高棉花干物質積累速率和莖葉氮素轉移率，植株干物質和氮素積累量，并促進干物質和氮素向生殖器官中的分配。充分灌溉下25%有機肥配施處理以及虧缺灌溉下50%有機肥配施處理不僅能夠提高籽棉產量，而且能夠協同提高水氮利用效率。綜合考慮產量、水氮利用效率及植棉效益等因素，25%有機肥配施化肥為河西走廊棉區有機肥配施的最佳比例。

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Effects of Combined Application of Organic Manure and Chemical FertilizerRatio on Water and Nitrogen Use Efficiency of Cotton Under Water Deficit

1Institute of Crop Sciences, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070;2Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000;3University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049

【Objective】The aim of this study was to explore the effects of combined application of organic manure and chemical fertilizer on water and nitrogen use efficiency and yield of cotton under different water conditions, so as to provide a theoretical basis for the rational use of organic fertilizer in the cotton area of Hexi corridor.【Method】Field experiments were carried out from 2020 to 2021. The experiment was designed by split block, the main plot treatment consisted of full irrigation (W1) and deficit irrigation(W2), and the split-plot treatment was composed of five fertilizer treatments: no fertilizer (CK), single application of chemical fertilizer (CF), 25% organic manure with 75% chemical fertilizer (OF1), 50% organic manure with 50% chemical fertilizer (OF2) and 75% organic manure with 25% chemical fertilizer (OF3), while the nutrient content of each fertilization treatment was equal. The effects of fertilization under different water conditions on soil water content, periodical evapotranspiration, dry matter accumulation, nitrogen accumulation, transport and distribution, water and nitrogen use efficiency, seed cotton yield and economic benefits were analyzed.【Result】The seed cotton yield, water and nitrogen utilization characteristics of cotton were significantly affected by different water and fertilizer treatments and interactions. Soil water content, total evapotranspiration, dry matter accumulation, total nitrogen uptake and seed cotton yield decreased significantly, while water use efficiency increased significantly under deficit irrigation. The suitable combined application of organic manure and chemical fertilizer treatment could increase the soil water content of 0-40 cm soil layer, and reduce the evapotranspiration at seedling stage and budding stage, while increase the evapotranspiration at flower-boll stage, increase dry matter and nitrogen accumulation, and promote distribution to reproductive organs. Under the condition of full irrigation, the yield of the OF1 treatment was the highest in all fertilization treatments, with an average increase of 10.5% over single application of chemical fertilizer in two years, there was no significant difference between OF2 and CF, while the treatment of OF3 was significantly lower than that under single application of chemical fertilizer. The treatment of OF1 had the highest water and nitrogen use efficiency in each fertilization treatment, in which water use efficiency, nitrogen use efficiency and nitrogen agronomic use efficiency were 8.9%, 14.3% and 28.9% higher than CF, respectively.Under the condition of deficit irrigation, the seed cotton yield of the combined application of organic manure and chemical fertilizer treatments were higher than that of CF among which OF2 was the highest, and the average seed cotton yield of two years was 12.9% higher than that of CF, meanwhile, the treatment of OF2 also had the highest water and nitrogen use efficiency, in which the water use efficiency, nitrogen use efficiency and nitrogen agronomic use efficiency were 6.3%, 35.5% and 31.6% higher than that of CF, respectively.【Conclusion】The appropriate proportion of combined application of organic manure and chemical fertilizer could coordinate the supply and demand relationship of soil and crop for water and nutrients, and improve the seed cotton yield and the water and nitrogen use efficiency. Considering yield, water and nitrogen use efficiency and economic benefits, the treatment of 25% organic manure was the suitable mode of organic fertilizer application in Hexi corridor.

cotton; organic manure; chemical fertilizer; ratio; seed cotton yield; water and nitrogen use efficiency

2022-03-28；

2022-04-19

國家自然科學基金（32060466）、甘肅省農業科學院重點研發計劃（2020GAAS26）

王寧，E-mail：wangning@nieer.ac.cn。通信作者馮克云，E-mail：fengkymh@163.com。通信作者張銅會，E-mail：zhangth@lzb.ac.cn

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.08.009

（責任編輯 李云霞）