








摘"要:【目的】明確滴灌棉花生長發育及產量品質對等氮配施脲酶抑制劑乙酰氧肟酸(AHA)的響應特征,為滴灌棉花高效合理的氮肥管理提供依據。【方法】以“新陸早42號”為材料,設置施氮量0%(U)、施氮量1%(U+UI1%)、施氮量2%(U+UI2%)和施氮量5%(U+UI5%),4種AHA添加比例進行棉花田間試驗。【結果】與U處理相比,添加AHA顯著提高了棉花在花期、結鈴期、盛鈴期的生理生長,株高、莖粗、葉面積指數(LAI)、凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度總體表現為U+UI2%>U+UI1%>U+UI5%。U+UI1%、U+UI2%、U+UI5%處理的籽棉產量較U處理分別顯著提高4.59%、9.18%和4.65%,且U+UI2%處理與其他處理均有顯著差異(P<0.05)。不同處理棉花品質均無顯著差異(P>0.05)。相關性分析表明葉片凈光合速率與棉花籽棉產量間呈最大正相關,棉花單鈴重與籽棉產量呈負相關。【結論】尿素配施2%施氮量AHA的U+UI2%處理在棉花生長、生理和產量方面均表現最優,是滴灌棉花高穩定性氮素施配的最佳選擇,研究結果將為新疆滴灌棉花氮肥高效管理提供數據支撐與理論參考。
關"鍵"詞:棉花;脲酶抑制劑;生理生長;產量;品質
0"引言
【研究意義】棉花是世界上分布最廣泛的纖維作物,也是我國最主要的經濟作物之一[1]。棉花在生長過程中需要大量氮素,以調控植株生長、群體發育、提高水分利用效率[2]。為保證棉花產量,農民會選擇較高的氮肥投入,但過量施用氮肥會使棉花營養器官生長過于旺盛,降低生殖器官比重,造成棉花減產[3];氮肥的不合理施用會導致農田N2O的排放量增加,加劇全球變暖;同時還會增加NH3揮發,加重霧霾[4]。新疆是中國最大的優質棉生產基地,棉花種植面積和產量分別全國占的78.9%和87.3%[5],其氮肥的不合理施用問題更為突出。因此,以保證棉花高產為前提,在新疆探索更優的氮肥管理措施對提高氮素利用效率,降低氮素損失減少環境污染,具有重要的意義。【前人研究進展】脲酶是土壤中唯一能夠水解尿素的水解酶,因此其活性直接影響土壤中尿素的轉化過程[6,7]。脲酶抑制劑能通過抑制脲酶活性進而調節尿素在土壤中的轉化進程,合理地使用脲酶抑制劑能達到提高氮肥肥效的目的[8]。一項Meta分析[9]表明,與單施尿素相比尿素配施脲酶抑制劑能夠使作物的產量平均增加5.3%。光合作用是作物生長發育的重要活動,其強弱與土壤的養分狀況密切相關[10]。王月福等[11]研究表明提高氮素營養水平能夠顯著提高小麥葉片光合速率。連續定位不同施氮水平的田間試驗表明當連續施氮量為270 kg/hm2時棉花的光合作用能力最強[12]。石洪亮等[13]研究表明隨著施氮量的增加棉花凈光合速率呈先增大后減小的變化趨勢。與不同氮肥運籌方式相似尿素配施脲酶抑制劑能夠改變土壤的養分狀況[14]。【本研究切入點】前人已從不同的角度深入研究了棉花生產中的氮肥管理問題;但研究大多集中不同氮肥運籌方式對作物生長、產量和氮肥利用率影響的研究,而有關氮肥配施脲酶抑制劑對滴灌棉花生長、光合作用和產量品質的研究較少。【擬解決的關鍵問題】因此,本研究通過田間試驗,設置不同用量脲酶抑制劑乙酰氧肟酸(AHA)處理,明確氮肥配施脲酶抑制劑AHA對滴灌棉花生長發育及產量的影響,篩選出最佳的AHA用量,為棉花生產中氮肥的高效調控和施用提供依據。
1 材料與方法
1.1 試驗地概況
試驗于2021年在新疆生產建設兵團第八師石河子大學節水灌溉試驗站(44°19′28″N,85°59′47″E)進行。當地平均地面坡度6‰,無霜期為170 d左右,冬季嚴寒,夏季炎熱,屬于典型溫帶大陸性氣候。2021年(4~10月)平均氣溫為19.46 ℃,降水量為93.6 mm,2021年空氣溫度和降雨量逐日變化見圖1。土壤質地為壤土,土壤理化性質見表1,0~100 cm土壤平均容重1.60 g/cm3,地下水埋深>10"m.
1.2 試驗材料與設計
供試棉花品種為“新陸早42號”。脲酶抑制劑乙酰氧肟酸(AHA)設置4個添加比例:不添加(U)、添加1%(U+UI1%)、添加2%(U+UI2%)和添加5%(U+UI5%)。進行大田小區試驗,共4個處理,3次重復,12個小區,小區面積為6.75 m×8 m,種植密度約2.3×106株/hm2。各處理施肥量均為 N 240 kg/hm2、P2O5"180 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2,供試氮肥為顆粒狀尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O5"16%)和硫酸鈣(K2O 51%),磷鉀肥一次性基施,本試驗氮肥全部追施,分6次隨水施肥同時配施不同劑量AHA,氮肥施肥比例為15%、20%、20%、20%、15%、10%。種植模式采用“一膜三帶六行”,其中膜寬2.05 m,寬窄行間距分別為66 cm和10 cm見圖2。試驗過程中所有處理的棉花均采用相同的水肥管理,其余田間管理等農藝措施與常規棉田管理措施相同。2021年4月13日播種,7月18日打頂,9月30日收獲。
1.3 測定指標及方法
1.3.1 株高、莖粗、葉面積指數、地上部生物量
在棉花苗期(5月28日)、蕾期(6月25日)、花期(7月8日)、結鈴期(7月28日)、盛鈴期(8月8日)、吐絮期(8月28日),各小區隨機選取3株長勢一致并具有代表性的棉花植株標記,測量其株高、莖粗、葉面積等。同時,每小區取3株長勢一致并具代表性的棉花植株,將棉花植株樣品分為葉、莖、蕾,105 ℃烘箱殺青30 min,75 ℃烘至恒重,測量各部位干重。葉面積指數采用如下公式[15]計算:
(1)
式中LAI為葉面積指數,m2/m2;ρ為棉花密度,株/m2;m為測定的株數,n為單株葉片總數;L和B分別為葉片長度和寬,cm。
1.3.2凈光速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)
在晴朗無云的天氣,于11:00—13:00每個小區選取3株長勢一致有代表性的棉花植株,采用Li-6800便攜式光合作用測量系統(Li-Cor,USA)測定其主莖倒四葉的光合參數,包括凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)等。設置氣體流速為500 μmol/s,3 cm×2 cm LED紅藍光光源。測量過程中無遮掩,以免影響測定結果的準確性。
1.3.4 產量與品質
在棉花完全吐絮后于9月30號收獲,在每個小區選取6.15 m2面積,統計收獲株數、單株結鈴數;連續收取50株吐絮鈴測其單鈴重。以各小區實收棉花計產,每個小區各選取棉桃10個,依據ASTMD5867-95《HVI900大容量纖維測試儀試驗方法》,委托中國農業科學院棉花研究所(河南安陽)檢測纖維長度、整齊度、馬克隆值、伸長率、斷裂比強度等指標。
1.4 數據處理
試驗數據采用Excel 2020和SPSS 20.0分析,利用Duncan法進行處理間的差異檢驗,采用 Origin Pro 2021作圖。
2 結果與分析
2.1 添加脲酶抑制劑對棉花生長的影響
2.1.1 添加不同劑量脲酶抑制劑對棉花株高、莖粗的影響
由圖3a與圖3b可知,棉花株高與莖粗隨著生育期的推進呈現逐漸增長的趨勢。AHA的施加對棉花的株高和莖粗均有顯著影響(P<0.05)。在苗期和蕾期,各處理株高與莖粗均無顯著差異(P>0.05)。棉花株高在花期至吐絮期表現為U+UI2%>U+UI1%>U+UI5%>U處理,棉花莖粗在花期至吐絮期表現為U+UI2%>U+UI5%>U+UI1%>U處理。在所有處理中,U+UI2%處理株高與莖粗在花期至吐絮期均高于其他處理,與U處理相比U+UI2%處理株高與莖粗在花期至吐絮期分別顯著提高5.76%~7.69%與4.37%~8.68%。結果表明AHA能夠促進棉花株高與莖粗生長且U+UI2%處理的作用效果最好。
2.1.3 添加脲酶抑制劑對棉花葉面積指數的影響
由圖3c可知,各處理葉面積指數均隨著生育期的推移呈現先上升后下降的趨勢,在盛鈴期達到峰值。在花期、結鈴期、盛鈴期與吐絮期U+UI1%處理較U處理相比分別顯著提高了5.05%、7.29%、4.54%、5.85%。除苗期與蕾期外其余各生育期U+UI2%處理較U處理相比均有顯著差異;在花期、結鈴期、盛鈴期、吐絮期分別提高了7.92%、9.58%、8.93%、8.88%。與U處理相比U+UI5%處理在花期、結鈴期、盛鈴期、吐絮期分別提高了4.04%、4.59%、4.87%、4.51%。結果表明,AHA的施用能夠有效促進棉花葉面積的增長。
2.1.4 添加脲酶抑制劑對棉花地上部生物量的影響
作物地上部生物量是光合作用的產物,是表征作物生長狀況的基本特征之一。隨著生育期的推進,棉花地上部生物量指數增加趨勢。由圖3d可知在蕾期,各處理相間地上部生物量無顯著差異。在花期與結鈴期,U+UI2%處理較U處理,地上部生物量分別提高了17.18%、26.10%;其余處理間差異不顯著。在盛鈴期U+UI1%、U+UI2%和U+UI5%與U處理相比,地上部生物量分別提高了11.49%、30.66%、9.94%。在吐絮期U+UI1%、U+UI2%和U+UI5%與U處理相比,地上部生物量分別提高了6.95%、15.46%、7.98%。試驗表明,AHA的施加能夠有效地提高棉花地上部生物量,且促進效果具有劑量效應:其中U+UI2%處理的作用
2.2 添加脲酶抑制劑對棉花葉片光合特性的影響
圖4表明AHA的施加增大了棉花功能葉的凈光合速率Pn、氣孔導度Gs和蒸騰速率Tr,且隨AHA施用量的增加,呈現U+UI2%>U+UI1%>U+UI5%的趨勢。AHA處理的Pn除蕾期外與U處理均有顯著差異(P<0.05),U+UI2%處理在蕾期、花期、結鈴期、盛鈴期、吐絮期較U分別提高4.15%、9.11%、7.8%、8.13%和6.9%。AHA處理的Gs與Tr相較于U處理在各個生育期的差異有所不同,但U+UI2%處理Gs在各生育期較U分別提高2.55%、8.25%、9.18%、11.04%和4.93%;U+UI2%處理Tr在各生育期較U分別提高4.45%、6.08%、7.38%、8.16%和10.86%。
2.3 添加脲酶抑制劑對棉花產量構成及纖維品質的影響
2.3.1 添加脲酶抑制劑對棉花產量構成的影響
由表2可知,各處理間收獲株數無顯著性差異。與U處理相比,U+UI1%、U+UI2%和U+UI5%處理的單株結鈴數分別增加了3.61%、9.75%和4.87%。U+UI1%、U+UI2%與U+UI5%較U處理的籽棉產量相比分別提高了4.59%、9.18%和4.65%。不同處理的棉花單鈴重與衣分并無顯著差異。由此表明,脲酶抑制劑的添加增加了棉花單株結鈴數,同時提高了棉花產量。
棉花的生長發育情況是影響棉花產量的關鍵因素。表3表明,棉花籽棉產量與棉花凈光合速率、單株結鈴數、株高、地上部生物量、莖粗之間呈極顯著正相關(Plt;0.01)其中棉花產量與植株凈光合速率間的正相關系數最高,達0.882。棉花產量與葉面積指數間具有顯著正相關(Plt;0.05),與單鈴重之間呈負相關。
2.3.2 添加脲酶抑制劑對棉花纖維品質的影響
由表4可以看出,各處理的棉花馬克隆值、整齊度、斷裂比強度、伸長率沒有顯著差異(P>0.05)。U+UI1%處理的各項品質指標均為最優。脲酶抑制劑的施加增加了棉花纖維整齊度、斷裂比強度、伸長率,在脲酶抑制劑處理間沒有明顯劑量效應。
3 討論
3.1 添加脲酶抑制劑對棉花株高、莖粗、葉面積指數及地上部生物量的影響
棉花的株高、莖粗、葉面積指數是反映棉花長勢及光合能力的重要指標[16]。地上部生物量是光合作用的最終產物,與棉花產量密切相關[17]。周麗娜等[18]研究表明普通尿素+脲酶抑制劑處理顯著提高了春玉米株高與地上部生物量。萬年鑫等[19]研究表明脲酶抑制劑能顯著提高秋馬鈴薯塊莖形成期干物質、葉面積及產量。王靜等[20]研究發現在相同施肥條件下與普通施肥相比配施脲酶抑制劑能夠顯著提高水稻生物量。本試驗結果表明,尿素中配施2% AHA提高了棉花的株高、莖粗、葉面積和地上部生物量,隨著AHA用量的增加,株高、莖粗和葉面積指數呈現先增后降的趨勢,脲酶抑制劑作為一種氮肥增效劑,其施加比例會影響氮肥釋放速率及氮肥損失量,合理的氮肥釋放速率與較低的氮肥損失能夠促進作物生長[21]。
3.2 添加脲酶抑制劑對棉花生理特性的影響
本研究中,AHA的添加增加了葉面積指數的同時顯著提升了棉花凈光合速率,但萬年鑫等[19]研究發現脲酶抑制劑對馬鈴薯光和能力的影響主要表現在對葉面積的影響上,對凈光合速率的影響較弱。這可能與作物間的差異性、種植模式以及自然環境等因素有關[22]。王艷華等[23]研究發現在相同施氮水平下與傳統施肥相比脲酶抑制劑配施尿素能夠提高花生的凈光合速率、蒸騰速率、和氣孔導度,這和本研究結果相似。脲酶抑制劑配施尿素能改善土壤供氮條件,適宜的土壤供氮條件能夠增強棉花體內氮素代謝,增加功能葉葉綠素含量,提升光合速率[12, 14]。各處理棉花的生長指標在蕾期之后才開始出現顯著差異,而U+UI2%處理在蕾期的凈光合速率就已經顯著高于其他處理,這表明脲酶抑制劑的添加首先對棉花的光合作用產生了影響進而促進棉花的生長。
3.3 添加脲酶抑制劑對棉花產量和品質的影響
作物氮素營養特性及其生長周期和土壤溫度、降雨量等環境因素可能會造成脲酶抑制劑對不同作物增產效果的差異[24]。王靜等[20]研究發現脲酶抑制劑與氮肥減量20%配施脲酶抑制劑處理能夠顯著提高水稻產量達10377.9 kg/hm2,增產2.79%。一項Meta分析[25]表明,4種不同氮肥增效劑添加肥料相較于傳統氮肥均能顯著提高作物產量,其中脲酶抑制劑的添加對作物產量增幅最大。本研究表明,常規施肥條件下,U+UI1%、U+UI2%和U+UI5%處理對“新陸早42”的產量具有顯著促進效果,較U處理相比分別提高了4.59%、9.18%、4.65%。脲酶抑制劑處理對棉花產量均有顯著提高,且存在劑量效應,這可能是由于適量的脲酶抑制劑在減緩尿素水解減少NH3揮發損失的同時,也有利于土壤氮素的持續供應[24],增加“新陸早42”凈光合速率,提高氮素利用速率,進而增加了棉花地上部生物量的積累,最終增加了棉花產量。在一定范圍內脲酶抑制劑的抑制效果隨用量的增加而增加[26],少量或過量AHA可能會影響氮素的供應狀況,導致氮素利用速率降低,進而表現為對棉花產量促進效果的差異。相關研究[27, 28]認為棉花品質的主要因素依次是棉花品種、日均溫、太陽輻射。本研究表明,在相同施氮條件下配施AHA并不會對棉花纖維品質造成顯著影響,這可能與棉花的品種有關。
4"結論
(1)在等量施氮的前提下,尿素配施AHA自花期開始對棉花株高、葉面積指數和莖粗產生促進作用,提升了棉花主要生育期內的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度,增加了棉花的地上部生物量和產量。與U處理相比U+UI2%處理株高與莖粗在花期至吐絮期分別顯著提高5.76%~7.69%與4.37%~8.68%。除苗期與蕾期外U+UI2%其余各生育期處理LAI較U處理相比均有顯著差異;在花期、結鈴期、盛鈴期、吐絮期分別提高了7.92%、9.58%、8.93%、8.88%。U+UI1%、U+UI2%、U+UI5%處理的籽棉產量較U處理分別顯著提高4.59%、9.18%和4.65%。在花期與結鈴期,U+UI2%處理較U處理,地上部生物量分別提高了17.18%、26.10%。但對棉花的纖維品質影響不顯著(P>0.05)。各指標隨AHA施用量的增加整體表現為先增大后降低。
(2)在等量施氮的前提下,U+UI2%處理能夠有效地提高棉花地上部生物量,棉花株高與莖粗,且促進效果具有劑量效應。綜合考慮棉花生理生長、產量和品質,尿素配施2%施氮量的AHA可達到滴灌棉花增產提效的目的。
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Effects of Equal Nitrogen Applied with Urease Inhibitor on Cotton Growth, Yield,"and Quality umder mulched drip irrigation
ZHANG Zehua1,2,3;YE Hanchun1,2,3;LI Wenhao1,2,3,LI Haiqiang1,2,3,LIU Jian1,2,3,
WANG Zhenhua1,2,3※
(1.College of Water Conservancy and Architecture Engineering, Shihezi University, Shihezi Xinjiang 832000, China; 2.Key Laboratory of Modern Water-Saving Irrigation of Xijiang Production and Construction Group, Shihezi Xinjiang 832000, China; 3.Key Laboratory of Northwest Oasis Water-saving Agriculture, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Shihezi Xinjiang 832000, China)
Abstract:"【Objective】"The aim of this study was to clarify the response of equal nitrogen applied with urease inhibitor Acetohydroxamic acid (AHA) on cotton growth, development, yield, and quality mulched drip irrigation,"in"order"to provide a theoretical basics for efficient and reasonable nitrogen management of cotton. 【Method】"Field experiments were conducted by using Xinluzao 42 under four kinds of AHA addition ratios (the addition amount is 0% of the nitrogen application amount (U), the addition amount is 1% of the nitrogen application amount (U + UI1%), the addition amount is 2% of the nitrogen application amount (U + UI2%) and the addition amount is 5% of the nitrogen application amount (U + UI5%). 【Results】"Compared with U, AHA significantly improved the physiological growth of cotton at flowering stage, bolling stage and full boll stage. Plant height, stem diameter, leaf area index, net photosynthetic rate, transpiration rate and stomatal conductance in the key period (flowering stage,bolling stage and full boll stage)was U + UI2%"gt; U + UI1%"gt; U + UI5%"treatment. The seed cotton yield of U + UI1%, U + UI2%"and U + UI5%"treatments was significantly higher than that of U by 4.59%, 9.18% and 4.65%, and there was significant difference between U + UI2%"and other treatments (P lt; 0.05). There was no significant difference in cotton quality among different treatments (P gt; 0.05). Correlation analysis showed that there was the largest positive correlation between net photosynthetic rate of leaves and seed cotton yield, and there was a negative correlation between single boll weight and seed cotton yield. 【Conclusion】"The U + UI2%"treatment of urea combined with 2 % nitrogen application AHA showed the best performance in cotton growth, physiology and yield, which was the best choice for high stability nitrogen application of drip irrigation cotton. The results will provide data support and theoretical reference for efficient management of drip irrigation cotton nitrogen fertilizer in Xinjiang.
Keywords:"cotton; urease inhibitor; physiological growth; yield; quality
基金項目:兵團重大科技項目(2021AA003-1);國家“十四五”重點研發計劃課題(2022YFD1900405);石河子大學高層次人才科研啟動項目(2022CK009);國家“十四五”重點研發計劃專題(2021YFD1900802-2);石河子大學科技特派員團隊服務項目(KJTP202310)
作者簡介:張澤華(1996-),男, 遼寧人,碩士研究生,從事干旱區水肥調控方向研究。(E-mail)luckyzzh2022@163.com
通信作者:王振華(1979-),男,河南人,教授,博士生導師,主要從事干旱區節水灌溉理論與技術研究。(E-mail)wzh2002027@163.com
Fund project: Corps major scientific and technological projects(2021AA003-1);National ' 14th Five-Year ' key research and development plan project(2022YFD1900405);Shihezi University high-level talent research start-up project(2022CK009);
National ' 14th Five-Year ' key R amp; D plan project(2021YFD1900802-2); Shihezi University Science and Technology Commissioner Team Service Project(KJTP202310)
Author abstract: ZHANG Zehua(1996-), male, Liaoning, Postgraduate, Research on the direction of water and fertilizer regulation in arid areas,"(E-mail)"luckyzzh2022@163.com
Corresponding author: WANG Zhenhua(1979-), male, Henan, Professor, Ph.D., Mainly engaged in arid area water-saving irrigation theory and technology research,"(E-mail)"wzh2002027@163.com