長期秸稈還田下施氮量對棉花產(chǎn)量和氮素利用的影響

劉成敏 門雅琦 秦都林,2 閆曉宇,3 張 樂 孟 浩 蘇尋雅 孫學(xué)振 宋憲亮 毛麗麗,*

長期秸稈還田下施氮量對棉花產(chǎn)量和氮素利用的影響

劉成敏1門雅琦1秦都林1,2閆曉宇1,3張 樂1孟 浩1蘇尋雅1孫學(xué)振1宋憲亮1毛麗麗1,*

1山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東泰安 271018;2山東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心, 山東濟(jì)南 250013;3青島市嶗山區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局, 山東青島 266000

施氮能夠增加土壤中氮的有效性, 提高植株光合作用, 促進(jìn)植株對氮的吸收和干物質(zhì)的積累, 最終增加作物產(chǎn)量。但是在長期高氮秸稈還田條件下, 是否應(yīng)調(diào)整施氮量尚不清楚。為探究長期秸稈還田條件下施氮量對棉花光合速率、干物質(zhì)和養(yǎng)分積累分配、產(chǎn)量、氮素利用和土壤氮素變化的影響, 本研究設(shè)置0 (N0)、150 (N150)、180 (N180)、210 (N210)、240 (N240)、270 (N270)和300 (N300) kg hm–2共7個施氮量處理。與常規(guī)施氮量(N300)相比, 2020—2021年, 減氮30% (N210)處理2年均獲得了較高產(chǎn)量, 分別為1853.62 kg hm–2和1872.43 kg hm–2, 減氮40% (N180)僅在第1年保持了較高產(chǎn)量, 為1743.68 kg hm–2。2021年, N210的凈光合速率、干物質(zhì)和養(yǎng)分積累量均高于N180, 兩者間生殖器官的干物質(zhì)和養(yǎng)分分配系數(shù)、氮肥利用效率未有顯著差異, 但N180的土壤表觀氮盈余量顯著降低了39.15%。綜上, 長期秸稈還田條件下, 魯西北棉區(qū)應(yīng)適量減少施氮量。

棉花; 施氮量; 秸稈還田; 產(chǎn)量; 氮素利用; 光合速率

棉花是世界上重要的經(jīng)濟(jì)作物[1]。魯西北棉區(qū)作為我國重要的產(chǎn)棉區(qū), 為了提高產(chǎn)量, 當(dāng)?shù)剞r(nóng)民通常施用大量的氮肥。加之魯西北棉區(qū)雨熱同期, 降雨主要集中于每年的7月至9月, 7月份棉花需進(jìn)行追肥, 過量施氮將加重氮肥淋失, 土壤中殘余氮素以各種形式進(jìn)入大氣、水體和土壤, 造成溫室效應(yīng)、土壤酸化、地下水的硝酸鹽污染等環(huán)境問題[2], 還會造成棉花氮素利用效率下降[3], 經(jīng)濟(jì)效益降低, 阻礙當(dāng)?shù)孛藁óa(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此, 優(yōu)化魯西北棉田施氮量勢在必行。棉花秸稈還田不僅能改善土壤結(jié)構(gòu), 而且對微生物群落和氮素的有效性具有積極作用[4-5]。因此, 在長期秸稈還田下, 找到較為適宜的施氮量, 使其既有利于產(chǎn)量提高又有利于棉業(yè)可持續(xù)發(fā)展, 對實(shí)現(xiàn)魯西北棉區(qū)棉業(yè)減氮促產(chǎn)具有重要意義。

施氮量直接影響作物對氮素的吸收、同化與轉(zhuǎn)運(yùn)[6]以及光合能力的強(qiáng)弱[4], 從而影響干物質(zhì)和養(yǎng)分的積累分配, 最終影響產(chǎn)量的形成[7]。施氮能夠提高PSII活性及原初光能轉(zhuǎn)換效率(v/m)[8-9], 增加葉片葉綠素和葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度、莖葉夾角、葉面積指數(shù)和葉面積持續(xù)期[10-12], 降低胞間二氧化碳濃度, 增加谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase, GS)和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性, 降低丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量[9,13], 延長葉片功能期, 減緩葉片衰老, 增加棉株凈光合速率, 進(jìn)而提高N、P、K等養(yǎng)分和干物質(zhì)的積累量, 此外, 適量減少施氮量有利于干物質(zhì)向生殖器官轉(zhuǎn)運(yùn)[14-15]。施氮量過多或過少均不利于平衡營養(yǎng)生長和生殖生長的矛盾, 施氮量不足降低了光合能力, 導(dǎo)致植株矮小, 葉片稀疏早衰, 干物質(zhì)和養(yǎng)分積累不足, 限制了棉鈴發(fā)育和土壤的供氮能力, 導(dǎo)致鈴重和鈴數(shù)下降, 產(chǎn)量降低; 施氮量過多, 會導(dǎo)致營養(yǎng)器官貪青晚熟, 造成營養(yǎng)器官與生殖器官競爭養(yǎng)分, 從而使生殖器官的分配系數(shù)降低[14], 并且與適氮水平相比, 過量施氮棉株的凈光合速率(n)、GS和葉綠素含量未能顯著增加, 還降低了蒸騰速率, 光合作用受到非氣孔限制, 導(dǎo)致光合速率降低, 霜前花比例下降[16], 棉鈴脫落增加, 造成減產(chǎn)。此外, 過量施氮容易增加土壤殘留氮, 加劇氮素淋失從而污染環(huán)境[2]。合理施氮能協(xié)調(diào)棉株營養(yǎng)生長和生殖生長的矛盾[17-19], 為棉花高產(chǎn)建立合理的群體基礎(chǔ)[20], 促進(jìn)干物質(zhì)和養(yǎng)分的積累[21]并增加生殖器官干物質(zhì)和養(yǎng)分的分配比例, 提高氮肥利用效率, 同時降低土壤殘留氮含量, 對保護(hù)環(huán)境具有積極影響。秸稈還田技術(shù)作為一項基本國策在我國得到了長期且廣泛的實(shí)施, 棉稈還田能增加土壤肥力, 但也因其C/N較高, 微生物分解秸稈過程中需要消耗大量土壤氮素, 會與作物爭氮[22-23], 因此, 長期秸稈還田下施氮量是否需要調(diào)整, 還有待進(jìn)一步明確。

本文通過分析長期秸稈還田下, 施氮量對棉花光合速率、干物質(zhì)和養(yǎng)分積累分配、產(chǎn)量、氮素利用以及土壤氮素變化的影響, 找到適宜的施氮量, 為魯西北棉區(qū)減肥促產(chǎn)提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況與試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)為2年試驗(yàn), 于2020年和2021年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花科研基地聊城市茌平縣振興辦事處(36°31′N, 116°16′E)進(jìn)行。試驗(yàn)地為連作13年以上的棉田, 一年一熟, 每年進(jìn)行秸稈還田。試驗(yàn)地屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候, 降雨主要發(fā)生在7月、8月和9月。2020年播種前試驗(yàn)地點(diǎn)0～20 cm土層主要的基礎(chǔ)地力如下: 土壤含有機(jī)質(zhì)15.31 g kg-1、全氮1.39 g kg-1、速效磷33.98 mg kg-1、速效鉀308.34 mg kg-1, pH 7.96。氣象數(shù)據(jù)來源于當(dāng)?shù)貧庀缶? 2020年4月至10月平均氣溫21.75℃, 平均降雨量約91.77 mm, 2021年4月至10月平均氣溫22.03℃, 平均降雨量約116.41 mm (圖1)。

本試驗(yàn)選用聊棉15號為供試品種, 設(shè)純氮0 (N0)、150 (N150)、180 (N180)、210 (N210)、240 (N240)、270 (N270)和300 (N300) kg hm–27個施氮量處理, 每個處理4次重復(fù)。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計, 小區(qū)行長10 m, 每小區(qū)10行, 等行距種植(行距76 cm),株距20 cm, 播種密度為6.25萬株 hm–2。氮肥為尿素(含氮量≥46%), 按照當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣將尿素分2次施入, 基追比1∶1。2年均于4月24日機(jī)械播種, 地膜覆蓋, P2O5(過磷酸鈣)和K2O (硫酸鉀)施用量分別為90 kg hm–2和105 kg hm–2, 基施氮肥和全部磷鉀肥, 播種時集中開溝條施, 距播種行10 cm深10 cm土壤中, 于7月中旬開溝追施氮肥, 收獲期在10月中旬, 每年收獲后將棉花秸稈全部機(jī)械粉碎后旋耕入土, 其他管理措施同一般大田。

圖1 2020年和2021年棉花生長季內(nèi)每月平均溫度和降水量

1.2 凈光合速率的測定

用英國CIRAS-3便攜式光合測定系統(tǒng)(Hansatech, 美國), 于播后90 d和120 d時的晴天上午09:00—11:00測定功能葉凈光合速率(LED光源, PAR=1500 μmol m–2s–1, CO2濃度為380 μmol mol–1), 各小區(qū)均測定5個有連續(xù)性的葉片, 生育前期功能葉為棉株倒4葉, 打頂后為棉株倒3葉。

1.3 干物質(zhì)、養(yǎng)分積累與分配的測定

于播后150 d按小區(qū)選取連續(xù)棉株5株, 用于測定干物質(zhì)重和氮、磷、鉀含量。

干物質(zhì)采用烘干稱重法, 具體操作為將每株分為營養(yǎng)器官和生殖器官, 105℃殺青30 min, 80℃烘干至恒重, 稱重。

養(yǎng)分積累測定具體操作為, 將烘干植株粉碎后過20目篩, 用H2SO4-H2O2消解定容, 用半微量凱氏定氮法[24]測定氮含量, 用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法[24]測定磷含量, 用醋酸銨浸提-火焰光度法[24]測定鉀含量。

1.4 產(chǎn)量的測定

收獲時, 從每小區(qū)選取20株代表性棉株, 統(tǒng)計收獲的棉鈴總數(shù), 計算平均單鈴重和衣分。將各試驗(yàn)小區(qū)棉花全部采收, 稱重后獲得籽棉實(shí)際產(chǎn)量。

1.5 氮肥利用率的相關(guān)計算公式

氮肥農(nóng)學(xué)利用率(nitrogen agronomic efficiency, NAE) = (施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量)/施氮量;

氮肥偏生產(chǎn)力(nitrogen partial factor productivity, PFPN) = 施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量/施氮量;

氮肥貢獻(xiàn)率(nitrogen contribution rate, NCR) = (施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量)/施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量×100%。

1.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, DPS 7.05統(tǒng)計軟件分析差異顯著性(LSD法,<0.05), Sigma Plot 14.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對棉花功能葉凈光合速率的影響

2年內(nèi), 隨施氮量的增加, 棉株功能葉凈光合速率均呈逐漸增加趨勢(圖2)。2020年, 與N0相比, N270和N300功能葉的凈光合速率在播后90 d分別顯著增加11.75%和13.47%, 在播后120 d分別顯著增加28.19%和30.58%。2021年, 與N0相比, N300功能葉凈光合速率在播后90 d顯著增加15.96%, N240、N270和N300的功能葉凈光合速率在播后120 d分別顯著增加25.86%、30.77%和33.76%。

圖2 施氮量對棉花功能葉凈光合速率的影響

不同小寫字母表示同一年份處理間在0.05概率水平差異顯著。N0: 施氮量0 kg hm–2; N150: 施氮量150 kg hm–2; N180: 施氮量180 kg hm–2; N210: 施氮量210 kg hm-2; N240: 施氮量240 kg hm–2; N270: 施氮量270 kg hm–2; N300: 施氮量300 kg hm–2。

Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 probability level among the treatments in the same year. N0: nitrogen rate 0 kg hm–2; N150: nitrogen rate 150 kg hm–2; N180: nitrogen rate 180 kg hm–2; N210: nitrogen rate 210 kg hm–2; N240: nitrogen rate 240 kg hm–2; N270: nitrogen rate 270 kg hm–2; N300: nitrogen rate 300 kg hm–2.

2.2 施氮量對棉花干物質(zhì)積累與分配的影響

2.2.1 施氮量對棉花地上部干物質(zhì)積累的影響

2年7個處理間地上部總干物質(zhì)積累量在播后30 d均無顯著差異(圖3)。與N0相比, 播后60 d, N240、N270和N300的地上部總干物質(zhì)積累量均得到了顯著提高; 播后90～150 d, 2年間N210、N240、N270和N300顯著增加了地上部總干物質(zhì)積累量, 以N300地上部干物質(zhì)積累量最高, 平均達(dá)到17,405 kg hm–2。

2.2.2 施氮量對棉花地上部干物質(zhì)分配的影響

2年地上部干物質(zhì)最終分配到營養(yǎng)器官和生殖器官中的比例受到施氮量的影響(表1)。2020年, 與N270和N300相比, N180中干物質(zhì)分配到營養(yǎng)器官的系數(shù)顯著降低6.59%和9.43%, N210中分配到營養(yǎng)器官的比例顯著降低6.46%和9.30%, 而N180中分配到生殖器官的系數(shù)顯著增加7.51%和11.49%, N210顯著增加6.85%和11.34%, N240分配到各器官的比例沒有受到影響。2021年, 與N270和N300相比, N210中干物質(zhì)分配到營養(yǎng)器官的比例雖然沒有差異, 但是, 分配到生殖器官的干物質(zhì)分配系數(shù)顯著增加5.86%和5.43%; 而N180中干物質(zhì)分配到營養(yǎng)器官和生殖器官的分配系數(shù)沒有發(fā)生改變。

2.3 施氮量對棉花地上部氮素積累與分配的影響

2.3.1 施氮量對棉花地上部氮素積累的影響 施氮能夠促進(jìn)棉花對氮、磷和鉀養(yǎng)分的吸收積累(圖4)。播后30 d和60 d, 2年7個處理間的氮積累量無顯著差異。播后90 d和120 d, 與N0相比, 2年內(nèi)N300的氮積累量得到了顯著提高, 播后90 d分別提高117.94%和121.49%, 播后120 d分別提高54.10%和51.59%。播后150 d, 2年間N150、N180、N210、N240、N270和N300的氮積累量均得到了顯著提高, 2020年, 分別提高24.59%、39.74%、53.58%、56.69%、58.35%和59.73%, 2021年, 分別提高21.34%、31.02%、54.64%、57.18%、62.88%和61.65%。

圖3 施氮量對棉花地上部干物質(zhì)積累的影響

處理同圖2。Treatments are the same as those given in Fig. 2.

表1 施氮量對棉花地上部干物質(zhì)分配的影響(播后150 d)

不同小寫字母表示同一年份處理間在0.05概率水平差異顯著。處理同圖2。

Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 probability level among the treatments in the same year. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

圖4 施氮量對棉花地上部氮素積累的影響

處理同圖2。Treatments are the same as those given in Fig. 2.

2.3.2 施氮量對棉花地上部氮素分配的影響

2020年地上部氮素最終分配到營養(yǎng)器官和生殖器官中的比例受到施氮量的影響(表2)。2020年, 與N300相比, N0、N150、N180、N210中氮素分配到營養(yǎng)器官的系數(shù)顯著降低4.04%、3.93%、4.25%和5.89%, 分配到生殖器官的系數(shù)顯著增加3.46%、3.36%、3.63%和5.04%。2021年施氮量對氮素分配沒有顯著影響。

2.4 施氮量對棉花產(chǎn)量的影響

2年施氮均增加棉花產(chǎn)量(表3)。在2020年和2021年, 與N0和N150相比, N210～N300顯著增加棉花產(chǎn)量。其中, N210的產(chǎn)量2年均最高, 分別為1853.62 kg hm–2和1872.43 kg hm–2。

2020年和2021年, 與N0相比, N180、N210、N240、N270和N300的單位面積鈴數(shù)均顯著增加, 且均為N210增加比例最高, 2020年達(dá)到了42.49%, 2021年達(dá)到了46.52%; N210的單鈴重均最高, 2020年顯著提高6.39%, 2021年顯著提高7.97%; N180、N210、N240、N270和N300的產(chǎn)量在2020年分別顯著增加43.58%、52.64%、44.20%、42.57%和41.34%, N210、N240、N270和N300的產(chǎn)量在2021年分別顯著增加57.16%、46.38%、43.06%和39.29%; 2年7個處理間衣分均無顯著差異。說明, 單位面積鈴數(shù)的增加是棉花產(chǎn)量增加的主要原因。2年間, 隨施氮量的增加, 棉花產(chǎn)量均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢, 且均為N210最高, 說明適量施氮更有利產(chǎn)量提高。

表2 施氮量對棉花地上部氮素分配的影響(播后150 d)

不同小寫字母表示同一年份處理間在0.05概率水平差異顯著。處理同圖2。

Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 probability level among the treatments in the same year. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

表3 施氮量對棉花產(chǎn)量的影響

不同小寫字母表示同一年份處理間在0.05概率水平差異顯著。處理同圖2。

Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 probability level among the treatments in the same year. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

2.5 施氮量對棉花氮肥利用效率的影響

2020—2021年, 隨施氮量的增加, 氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥貢獻(xiàn)率均表現(xiàn)為先升高后降低趨勢, 2021年均為N210最高, 分別達(dá)到了3.24 kg kg-1和36.37%, 氮肥偏生產(chǎn)力在2020年表現(xiàn)為先升高后降低趨勢, N180最高, 為8.30 kg kg-1, 2021年表現(xiàn)為降低趨勢(表4)。2020年, 與N300相比, N180和N210的氮肥農(nóng)學(xué)利用率分別顯著提高43.20%和82.04%, 氮肥偏生產(chǎn)力分別顯著提高43.85%和40.38%, N150的氮肥貢獻(xiàn)率顯著降低67.46%。2021年, 與N300相比, N150、N180和N210的氮肥偏生產(chǎn)力顯著增加, 增加范圍為50.27%～64.20%, N150的氮肥貢獻(xiàn)率顯著降低55.45%。表明過量施氮會導(dǎo)致氮肥浪費(fèi), 不利于氮肥利用效率的提高。

2.6 施氮量對土壤表觀N平衡的影響

2020—2021年, 收獲時0～20 cm土層中的土壤表觀氮盈余量隨施氮量的增加而增加(圖5)。與2020年相比, 2021年N0、N150和N180的土壤表觀氮盈余量顯著降低, 分別降低233.25%、69.57%和39.15%, N270和N300的土壤表觀氮盈余量顯著增加, 分別增加61.83%和46.79%, N210和N240的土壤表觀氮盈余量沒有顯著變化。表明, 過量施氮會增加土壤氮?dú)埩? 施氮過少又會造成土壤氮虧缺, 適量施氮有利于保持土壤表觀N平衡。

表4 施氮量對棉花氮肥利用效率的影響

不同小寫字母表示同一年份處理間在0.05概率水平差異顯著。處理同圖2。

Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 probability level among the treatments in the same year. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

圖5 施氮量對土壤表觀N平衡的影響

不同小寫字母表示不同一年份同一處理間在0.05概率水平差異顯著。處理同圖2。

Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 probability level among the years in the same treatment. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

3 討論

3.1 施氮量對棉花凈光合速率的影響

本研究發(fā)現(xiàn), 施氮能夠提高棉株功能葉凈光合速率, 2年間, 隨施氮量的增加, 棉株功能葉凈光合速率呈增加趨勢, 這與以往大部分研究結(jié)果一致[9]。凈光合速率與葉綠素含量有關(guān), 葉綠素又與植株氮素含量密切相關(guān)[25], 隨施氮量的增加, 地上部棉株氮積累量增加(圖4), 導(dǎo)致葉片葉綠素含量增加, 丙二醛含量減少, 從而提高了葉片凈光合速率[9]。但Nakaji等[26]研究卻認(rèn)為, 最高氮處理(340 kg hm-2)會使植株葉中的P和Mg降低, N和Mn的濃度增加, 導(dǎo)致其營養(yǎng)失衡, 羧基化效率降低, 從而使凈光合速率顯著下降, 這可能是因?yàn)樽魑锏膬艄夂纤俾什粌H受到N的影響, 還與構(gòu)成葉綠素的關(guān)鍵元素Mg相關(guān), 施氮過量會降低植株葉片中Mg的含量[26], 進(jìn)而導(dǎo)致葉綠素含量下降, 光合功能隨之減弱。

3.2 施氮量對棉花干物質(zhì)積累、分配和產(chǎn)量的影響

3.2.1 施氮量對棉花干物質(zhì)積累與分配的影響

通過2年的田間試驗(yàn), 本研究發(fā)現(xiàn)施氮能夠增加地上部干物質(zhì)積累量, 并隨施氮量的增加呈增加趨勢, 這與以往大部分研究結(jié)果一致[27-28]。生育后期, 與未施氮(N0)相比, N210、N240、N270和N300均顯著增加了地上部總干物質(zhì)積累量, 但Peng等[29]和Wang等[30]研究表明, 干物質(zhì)積累量隨施氮量的增加呈先增加后保持不變甚至降低趨勢, 這主要與取樣時期有關(guān), 不同作物在生育后期均會表現(xiàn)為脫落增加, 進(jìn)而造成干物質(zhì)降低。

本研究發(fā)現(xiàn), 2年間生殖器官干物質(zhì)分配系數(shù)隨施氮量的增加呈先增加后降低趨勢, 這與以往研究結(jié)果一致[27,31], 說明施氮雖可提高棉花干物質(zhì)積累量(圖3), 但增加施氮量主要促進(jìn)干物質(zhì)向營養(yǎng)器官分配, 施氮過量易造成旺長, 營養(yǎng)體過大, 導(dǎo)致相互遮陰, 后期蕾、鈴等脫落嚴(yán)重, 而適量減少施氮量則有利于干物質(zhì)向生殖器官分配[27,31]。本研究中, 2020年, 施氮180 kg hm–2的生殖器官干物質(zhì)分配系數(shù)最高, 210 kg hm–2次之, 2021年, 施氮210 kg hm–2的生殖器官干物質(zhì)分配系數(shù)最高。

3.2.2 施氮量對棉花產(chǎn)量的影響 本研究中, 合理施氮增加了產(chǎn)量, 這與以往大部分研究結(jié)果一致[10,32-33], 施用氮肥通過提高棉花功能葉的凈光合速率(圖2), 進(jìn)而促進(jìn)了干物質(zhì)和氮素的吸收積累(圖3和圖4), 最終達(dá)到了增產(chǎn)的目的。2年內(nèi), N210的單位面積鈴數(shù)、單鈴重和產(chǎn)量均為最高, 說明施氮量過高時, 既容易造成霜前花比例下降[16], 又會引發(fā)營養(yǎng)生長與生殖生長之間的矛盾, 使棉鈴脫落增加, 反而不利于產(chǎn)量增加, 而合理的施氮量有利于干物質(zhì)和氮素向生殖器官的分配(表1和表2), 最終能夠?qū)崿F(xiàn)增產(chǎn)。但Zhang等[27]研究表明, 產(chǎn)量會隨施氮量先增加后不變, 這主要與作物的適宜施氮量和研究設(shè)計的施氮水平有關(guān)。

3.3 施氮量對棉花氮素積累與分配的影響

施氮能夠增加機(jī)采棉地上部氮積累量, 這與以往大部分研究結(jié)果一致[15,20,29,34], 2年內(nèi), N150、N180、N210、N240、N270和N300的氮積累量顯著高于未施氮(N0), 且均為N300最高, 但Wang等[30]研究表明, 當(dāng)施氮量超出一定范圍( >221 kg hm–2時), 會限制作物對氮素的吸收積累, 這主要與作物類型、土壤氮水平有關(guān)。本研究中, 氮積累量隨施氮量的增加呈增加趨勢, 也可能是因?yàn)槭┑c秸稈還田配合使用, 秸稈作為一種有機(jī)肥, C/N較高,微生物分解秸稈過程中需要消耗大量氮素, 并且有機(jī)肥能夠促進(jìn)棉株對氮的吸收積累。

本研究還發(fā)現(xiàn), 施氮量對棉株氮素分配的影響與年際有關(guān), 2020年, 氮素規(guī)律與干物質(zhì)分配規(guī)律類似, 增加施氮量(超過210 kg hm–2)能夠促進(jìn)氮素向營養(yǎng)器官分配, N210生殖器官氮素分配系數(shù)最高, 這可能是因?yàn)槭┑?10 kg hm–2時, 土壤C/N較為合理, 有利于微生物分解秸稈, 增加了土壤中的有機(jī)肥, 從而使?fàn)I養(yǎng)生長與生殖生長更為協(xié)調(diào), 促進(jìn)了氮素向生殖器官的轉(zhuǎn)運(yùn), 2021年, 施氮量對氮素分配沒有顯著影響, 這可能是因?yàn)?020年, 除N0外, 6個處理地塊中土壤均表現(xiàn)為氮盈余, 土壤殘留氮含量過高, 所以未能表現(xiàn)出差異, 并且旱田作物主要的吸收土壤中的硝態(tài)氮[35], 而2021年, 7月、8月和9月份聊城多雨, 不僅加速了硝態(tài)氮淋失, 而且不利于土壤硝化作用, 銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的效率下降。

3.4 施氮量對棉花氮肥利用效率的影響

本研究發(fā)現(xiàn), 氮肥偏生產(chǎn)力在2年間表現(xiàn)不同, 2020年表現(xiàn)為先升高后降低趨勢, N180最高, 2021年表現(xiàn)為降低趨勢, 說明施氮180 kg hm–2在2020年的氮肥施用投資效益最高, 但在2021年, 可能由于施氮180 kg hm–2的施氮量過少, 造成了第2年土壤氮肥的虧缺, 使得2021年N180的產(chǎn)量較2020年降低了(表3), 從而造成氮肥施用的投資效益降低。隨施氮量的增加, 2年間氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥貢獻(xiàn)率均表現(xiàn)為先升高后降低趨勢, 均為N210最高, 以上結(jié)果說明適宜的施氮量有利于氮肥利用效率的提高, 這與以往大部分研究結(jié)果相同[10,36-37], 但Neugschwandtner等[38]研究認(rèn)為燕麥和豌豆的氮素利用效率隨施氮量的增加而降低, 這可能是與不同作物適宜施氮量不同有關(guān), 施氮過量, 氮肥利用效率降低, 氮肥損失嚴(yán)重, 過量的氮肥還會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染, 影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性[3], 因此, 我們不應(yīng)一味的追求產(chǎn)量而忽略氮肥利用效率, 應(yīng)在產(chǎn)量保持在較高水平的基礎(chǔ)上尋求較高的氮肥利用效率。

3.5 施氮量對土壤表觀N平衡的影響

本研究發(fā)現(xiàn), 收獲時0～20 cm土層中的土壤表觀氮盈余量隨施氮量的增加而增加, 這與以往大部分研究結(jié)果一致[39-41], 與2020年相比, 2021年, N0、N150和N180的土壤表觀氮盈余量顯著降低, N270和N300的土壤表觀氮盈余量顯著增加, N210和N240的土壤表觀氮盈余量沒有顯著變化, 但在Li等[41]研究認(rèn)為在180 kg hm–2時土壤表觀氮盈余量為正, 而本研究認(rèn)為在施氮量為210 kg hm–2時, 才能保證土壤氮平衡, 這可能是因?yàn)橥寥佬再|(zhì)不同對氮的保持能力不同, Li等[41]研究中土壤為褐土, 本研究中為潮土。施氮雖有利于提高產(chǎn)量, 但會增加土壤表觀氮盈余量, 增加土壤氮淋失、揮發(fā)的危險[29,42]。

4 結(jié)論

長期秸稈還田條件下, 適量減少施氮量可提高棉花產(chǎn)量。與農(nóng)民使用的施氮量(N300)相比, 2年間, 減氮30% (N210)均獲得了較高產(chǎn)量, 減氮40% (N180)僅在第1年保持了較高產(chǎn)量。2021年, N210的凈光合速率、干物質(zhì)和養(yǎng)分積累量均高于N180, 兩者間生殖器官的干物質(zhì)和養(yǎng)分分配系數(shù)、氮肥利用效率未有顯著差異, 但N180的土壤表觀氮盈余量顯著降低。因此, 綜合考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)因素, 本研究認(rèn)為應(yīng)適量降低本地區(qū)的施氮量。

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Effects of nitrogen application rate on cotton yield and nitrogen utilization under long-term straw return to the field

LIU Cheng-Min1, MEN Ya-Qi1, QIN Du-Lin1,2, YAN Xiao-Yu1,3, ZHANG Le1, MENG Hao1, SU Xun-Ya1, SUN Xue-Zhen1, SONG Xian-Liang1, and MAO Li-Li1,*

1Agronomy College, Shandong Agricultural University / State Key Laboratory of Crop Biology, Tai’an 271018, Shandong, China;2Shandong Agricultural Technology Promotion Center, Jinan 250013, Shandong, China;3Agriculture and Rural Bureau of Laoshan District, Qingdao 266000, Shandong, China

Nitrogen application can increase the availability of nitrogen in the soil, thereby improving plant photosynthesis and promoting the absorption of nitrogen and the accumulation of dry matter, ultimately leading to an increase in crop yield. However, it is unclear whether the nitrogen application rate should be adjusted under long-term high nitrogen straw returning conditions. To investigate the effects of nitrogen application rate on cotton photosynthesis rate, dry matter and nutrient accumulation and distribution, yield, nitrogen utilization, and soil nitrogen changes under long-term straw return conditions, we set up seven nitrogen application rates of pure nitrogen 0 (N0), 150 (N150), 180 (N180), 210 (N210), 240 (N240), 270 (N270), and 300 (N300) kg hm–2. Compared with the commonly used nitrogen application rate (N300) in field agriculture, from 2020 to 2021, a 30% reduction in nitrogen (N210) achieved higher yields, 1853.62 kg hm–2and 1872.43 kg hm–2respectively, while a 40% reduction in nitrogen (N180) only maintained a high yield of 1743.68 kg hm–2in the first year. In 2021, the net photosynthetic rate, dry matter and nutrient accumulation of N210 were higher than that of N180, and there was no significant difference between them in the dry matter and nutrient partition coefficient of reproductive organs and nitrogen fertilizer use efficiency, but the apparent nitrogen surplus of N180 soil was significantly reduced by 39.15%. In summary, under long-term stubble returning conditions, applying 210 kg hm-2of nitrogen is more suitable for achieving the goal of reducing weight and promoting yield in the northwest cotton region of Shandong.

cotton; nitrogen application rate; straw returning; yield; nitrogen utilization; photosynthetic rate

10.3724/SP.J.1006.2024.34118

本研究由山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2022MC085), 山東省農(nóng)業(yè)良種工程項目(2023LZGC002)和山東省棉花產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究體系項目(SDAIT-03)資助。

This study was supported by the Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2022MC085), the Shandong Province Agricultural Variety Engineering Project (2023LZGC002), and the Shandong Cotton Industry Technology Research System (SDAIT-03).

毛麗麗, E-mail: maolili6666@163.com

E-mail: chengminliu2022@163.com

2023-07-12;

2023-10-23;

2023-11-15.

URL: https://link.cnki.net/urlid/11.1809.S.20231114.1617.002

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