氮肥对非充分灌溉下棉花产量及品质的补偿作用

石洪亮，张巨松，严青青，李春艳，李健伟

（新疆农业大学农学院/教育部棉花工程研究中心，乌鲁木齐 830052）

非充分灌溉是针对水资源的紧缺与用水效率低下的普遍性问题而提出的，粮食和经济作物生产中先后出现了非充分灌溉，又称为有限灌溉或亏缺灌溉，不追求单位面积的最高产量，允许一定限度的减产。

新疆棉区光热资源充足，但作物生长季节降雨少，对灌溉水的需求非常大，水资源紧缺已成为新疆制约作物产量和农业发展的重要因素[1]。膜下滴灌技术早已服务于棉花、番茄等作物，不仅可以对田间土壤进行精量的水分控制，还能有效减少地表径流、棵间蒸发和深层渗漏[2-3]。

水分亏缺是作物生长环境中普遍存在的一种逆境胁迫，也是影响干旱半干旱地区作物生产的主要因素，水分和养分具有强烈的交互作用，旱地农业中植物营养的基本问题在于如何在水分受限制的条件下合理使用肥料，达到“以肥调水、以水促肥”的目的，提高作物的水分利用效率，增强抗旱性，促进作物对有限水资源的充分利用[4-7]。但并不是每种作物、每个生育期、任何程度的水分亏缺都会对作物造成伤害和减产，作物在生理生化代谢和生长发育等方面具有一定的调节作用[8-9]。作物在干旱后增施氮肥可以产生补偿效应，通过施肥来补充土壤营养物质不仅能解除水分胁迫因子的影响，而且通过调节作物的生理过程，有效地提高作物产量和水分利用效率，补偿因水分不足而造成的损失[10]。研究结果显示，水分亏缺抑制了作物的生长、产量和氮素吸收利用能力，氮素营养可增强作物抗干旱的能力，且能够通过适量供氮减轻水分亏缺对作物生长发育的影响，促进作物在干旱条件下的生长；同时水分亏缺会减少叶片对氮素的吸收，降低氮素向生殖器官的转运[11-13]。但施氮过量会推迟作物干物质积累起始时间和最大积累速率出现时间，不利于作物光合产物特征参数的协调，进而影响产量[14]。吴自明等[15]研究表明，适量增施氮肥是降低水分亏缺危害、增强叶片光合功能、延长叶片功能期、防御早衰的有效措施。氮素显著影响纤维品质，适宜施氮可以改善棉纤维品质，优化氮肥管理措施能够显著提高纤维长度和比强度[16-19]。

前人对紫花苜蓿[4]、小麦[5-6,11]、水稻[7,15,20]、油菜[13]及果树[12]水分亏缺灌溉下的氮肥效应研究已较多，目前在棉花上的主要研究方向为调亏灌溉[21-22]和干旱后复水[9,23-24]，在全生育期非充分灌溉下增施氮肥对棉花产量形成的补偿效应还未见报道。本试验研究在非充分灌溉下增施氮肥对棉花产量及氮肥利用率的影响，以期揭示氮肥对棉花产量的补偿效应，为干旱地区棉花水肥高效管理技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015、2016年的4—10月份在新疆农业科学院经济作物研究所实验基地进行，该基地位于新疆阿克苏市阿瓦提县丰收二场一连，地处北纬39°31′～40°50′、东经 79°45′ ～81°5′之间，属暖温带大陆性干旱气候，无霜期183～227 d，年均日照2750～3029 h，全年 ≥ 10℃积温3802.9℃，多年平均降水量46.7 mm，多年平均蒸发量1890.7 mm，土壤类型为灰漠土，土壤平均容重1.44 g/cm3，播种前土壤质量含水率 (0—60 cm) 平均为16.24%。连续2年土壤基础理化性质见表1。

1.2 试验设计

采用裂区试验设计，主区为总灌溉量，分别为非充分灌溉2800 m3/hm2(当地一般棉田平均水平) 和常规灌溉3800 m3/hm2(棉花正常生长灌溉水平)；副区为4个施氮 (N) 水平，即0、150、300、450 kg/hm2，分别以N0、N150、N300、N450表示。供试棉花品种为当地大面积推广种植的新陆中54号。采用机采棉种植模式，行距配置 (66 + 10)cm，膜间行距60 cm，株距11 cm，理论株数为24.25万株/hm2。小区面积44.85 m2，重复3次，重复间距50 cm，占地面积为1159.2 m2。

根据本研究团队前期研究成果，基肥追肥比例为2∶8可使棉花对养分吸收达到最佳水平，棉花蕾期不灌溉对棉花的影响是不可修复的，对产量的形成有巨大的影响；同时，总结前人研究结果，棉花花铃期需水需肥量为总量的70%，灌溉10次及每7 d灌溉一次对棉花生长发育及产量的形成有最佳的调控效应。因此，本试验共滴灌10次，自现蕾(6月16—20日) 开始滴灌，一个灌溉周期为7 d，每次滴灌量由水表控制，施氮量经电子秤称量后，对应各处理放入施氮罐中，随水滴施，按照1水1肥进行。施用的肥料为尿素、颗粒状过磷酸钙 (P2O512%) 和农用颗粒钾肥 (K2O 40%)。基肥：尿素施用总量的20%，颗粒状过磷酸钙200 kg/hm2，农用颗粒钾肥100 kg/hm2。追肥：全部施用尿素 (总量的80%)，如表2所示。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤基础理化性质 2015—2016年播种前按五点对角线方法取0—20、20—40、40—60 cm土层土样，测定土壤全氮、速效氮、速效磷、速效钾及有机质含量。

1.3.2 植株地上部干物质及全氮含量 于棉花现蕾期、盛蕾期、初花期、盛花期、盛铃期和吐絮期取样，选取具有代表性的6株棉花，按叶、茎、蕾、铃壳和棉纤维等不同器官分开，105℃杀青30 min，然后于80℃恒温烘至恒重，测定其干物质量。烘干的棉株样品经粉碎，过0.5 mm筛，备用。采用奈氏比色法测定棉株不同部位的全氮含量。

表2 各处理每次灌溉水量和施氮量Table 2 Irrigation and nitrogen amount in the listed irrigation cycle in the treatments

地上部棉株干物质与氮积累量的增长符合Logistic曲线，其基本模型为y = k/[1 + e(a+bt)]。式中：y为棉株干物质或氮积累量；k为理论的最大值；t为出苗后的天数；a、b为待定系数。分别对方程求导数，可得相应Logistic曲线生长特征值：进入快速增长期时间拐点t1= (a-1.317)/b；结束快速增长期时间拐点t2= (a + 1.317)/b；最大生长速率Vm=-bk/4；最大生长速率出现时间t0= -a/b；快速增长持续时间Δt = t2-t1；快速增长期特征值GT = -bkΔt/4，为干物质与氮积累量已达到最大积累量的65%以上。1.3.3 产量及纤维品质 2015—2016年在棉花吐絮期，记录每小区株数和铃数，选取有代表性的棉株，从上至下取棉花样品100朵，测其铃重，将采集的棉花纤维样品，送往新疆农业科学院棉花纤维检测中心检测，重复3次。

1.3.4 计算公式 水分利用率 (kg/m3) = 籽棉产量/总灌溉量；

氮肥农学利用率 (kg/kg) = (施氮区产量 - 不施氮区产量)/施氮量；

氮肥利用率 (%) = (施氮区植株总吸氮量 - 不施氮区植株总吸氮量)/施氮量 × 100；

氮素转运率 (%) = (盛铃期前营养体氮素积累量 -吐絮期营养体氮素积累量)/盛铃期前营养体氮素积累量 × 100。

1.4 统计分析

采用Excel 2013、SPSS 19.0进行统计分析，采用General Linear Model-Univariate Proce-Dure进行两因素方差分析，采用Duncan新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 非充分灌溉下增施氮肥对棉花地上部干物质积累量的影响

非充分灌溉下增施氮肥对棉花地上部干物质的动态累积模型参数见表3。非充分灌溉下干物质积累的最大生长速率出现时间、进入快速增长期的时间、结束快速增长期时间及快速增长持续时间较常规灌溉分别平均提前了5 d、2 d、6 d及4 d。非充分灌溉与常规灌溉下各氮肥处理干物质积累最大生长速率出现时间、进入快速增长期的时间、结束快速增长期时间及快速增长持续时间由早到晚顺序为N0、N150、N300、N450；最大积累速率与快速增长期生长特征值 (GT) 均表现为 N300 ＞ N450 ＞ N150 ＞N0。非充分灌溉下N150、N300、N450处理干物质积累量较N0处理分别增加了11.7%、37.1%、38.6%，最大积累速率较N0处理分别提高了6.9%、30.4%、28.7%，GT较N0处理增加了12.4%、44.6%、42.1%；常规灌溉下N150、N300、N450处理干物质积累量较N0处理分别增加了11.6%、36.9%、38.9%，最大积累速率较N0处理提高了8.1%、29.8%、18.7%，GT较N0处理增加了10.5%、36.2%、31.9%；且非充分灌溉下N300处理补偿效应较常规灌溉下N300处理干物质积累量、最大积累速率及GT分别提高了0.4%、1.9%及18.8%。

表3 不同处理棉花地上部干物质积累Logistic模型及其特征值Table 3 Coefficients of the logistic models for aboveground dry matter accumulation of cotton under different treatments

2.2 非充分灌溉下增施氮肥对棉花干物质分配的影响

由图1可知，非充分灌溉与常规灌溉下各氮肥处理营养器官和生殖器官干物质积累和分配比例均随生育进程的推移而逐渐增加，初花期前营养生长速度快，初花期后生殖器官生长逐步加大。同一氮肥处理下，非充分灌溉较常规灌溉下各氮肥处理营养器官和生殖器官积累分别平均降低了4.1%、9.4%。同一灌溉量下，随着氮肥施用量的增加，营养器官干物质积累量呈增加趋势，表现为N450 ＞ N300 ＞N150 ＞ N0；生殖器官干物质积累量呈先升后降的趋势，表现为 N300 ＞ N450 ＞ N150 ＞ N0。非充分灌溉与常规灌溉下均以N300处理利于营养生长及时向生殖生长转运，转运率分别为30.7%和31.8%，且非充分灌溉下N300处理补偿生殖器官干物质分配比例补偿效应较常规灌溉下N300处理提高了24.0%(表4)。

2.3 非充分灌溉下增施氮肥对棉花地上部氮素积累量的影响

非充分灌溉下增施氮肥对棉花地上部氮素的动态累积模型参数见表5。非充分灌溉下氮素积累的最大生长速率出现时间、进入快速增长期的时间、结束快速增长期时间及快速增长持续时间较常规灌溉分别平均提前了4 d、3 d、5 d及2 d。非充分灌溉与常规灌溉下各氮肥处理氮素积累最大生长速率出现时间、进入快速增长期的时间、结束快速增长期时间及快速增长持续时间均表现为N450 ＞ N300 ＞N150 ＞ N0；最大积累速率与快速增长期生长特征值(GT) 均表现为 N300 ＞ N450 ＞ N150 ＞ N0。非充分灌溉下N150、N300、N450处理棉花最大积累速率较N0处理分别提高了15.2%、27.3%、26.9%，GT较N0处理增加了31.8%、56.5%、53.0%；常规灌溉下N150、N300、N450处理棉花最大积累速率较N0处理分别提高了14.4%、26.4%、21.5%，GT较N0处理增加了31.9%、56.2%、47.4%；且非充分灌溉下N300处理补偿效应较常规灌溉下N300处理最大积累速率和GT分别提高了3.1%、0.4%。

2.4 非充分灌溉下增施氮肥对棉花地上部氮素积累与分配的影响

由表6可知，非充分灌溉与常规灌溉下各氮肥处理在不同生育时期均存在显著性差异 (P ＜ 0.05)。

非充分灌溉下各氮肥处理在盛蕾期至盛花期 (营养生长为主) 营养器官 (茎、叶) 与生殖器官 (蕾、铃壳、纤维) 中氮素平均分配为53.9%～76.4%、23.6%～46.1%，较常规灌溉营养器官中氮素分配减少了3.7%～8.8%，但在生殖器官中氮素分配增加了11.2%～12.6%；2种灌溉下在营养器官中氮素分配均表现为N450 ＞N300 ＞ N150 ＞ N0，在生殖器官中氮素分配表现为N0 ＞ N150 ＞ N300 ＞ N450。

非充分灌溉下各氮肥处理在盛铃期至吐絮期 (生

殖生长为主) 营养器官、生殖器官中氮素分配及茎叶转移率平均为32.0%～42.5%、57.5%～68.0% 及33.4%～62.5%，较常规灌溉营养器官中氮素分配减少了6.9%～7.3%，但在生殖器官中氮素分配增加了3.5%～5.9%；盛铃期茎叶转移率提高了5.8%，吐絮期茎叶转移率降低了0.3%；2种灌溉下在营养器官中氮素分配均表现为 N450 ＞ N300 ＞ N150 ＞ N0，生殖器官中氮素分配表现为 N0 ＞ N150 ＞ N300 ＞N450，但营养器官茎叶氮素转移率表现为N300 ＞N450 ＞ N150 ＞ N0。

图1 不同处理棉花地上部干物质在营养器官与生殖器官中的分配量Fig. 1 Aboveground dry matter distribution in vegetative and reproductive organs of cotton under different treatments

表4 不同处理吐絮期棉花地上部干物质积累量及其在营养器官与生殖器官中的分配比例Table 4 Aboveground dry matter accumulation amount and distribution ratio in vegetative and reproductive organs of cotton at boll opening period under different treatments

表5 不同处理棉花地上部氮素积累Logistic模型及其特征值Table 5 Logistic models and coefficients for aboveground N accumulation of cotton under different treatments

至吐絮期，2种灌溉下N0、N150处理棉花生殖器官氮素分配比例大，但总氮素积累量较小，干物质积累量也较小 (表4)，籽棉产量与N300、N450处理存在显著差异 (表7)，说明N0、N150处理存在不同程度的早衰；非充分灌溉较常规灌溉下N300处理生殖器官中分配比例仅差0.4%，但向生殖器官中补偿效应有明显提高，表现在转移率提高了5.1%。

2.5 非充分灌溉下增施氮肥对棉花产量及水、氮利用率的影响

由表7可知，2015年灌溉对籽棉产量的影响未达到显著性差异，2016年对籽棉产量的影响达到显著性差异 (P ＜ 0.05)；连续2年对氮肥利用率的影响达到显著性差异 (P ＜ 0.05)；连续2年对水分利用率与氮肥农学利用率的影响达到极显著差异 (P ＜ 0.05)。氮肥在连续2年对籽棉产量、水分利用率、氮肥农学利用率及氮肥利用率的影响均达到极显著差异(P ＜ 0.05)。灌溉与氮肥的交互作用在连续2年对氮肥农学利用率的影响达到显著性差异 (P ＜ 0.05)；2016年对水分利用率的影响达到极显著差异 (P ＜0.05)，对氮肥利用率达到显著性差异 (P ＜ 0.05)。2015和2016年非充分灌溉与常规灌溉下N300和N450处理间连续2年氮肥农学利用率与氮肥利用率存在显著性差异，但这两个处理与N150处理间除氮肥农学利用率外各指标大都存在显著性差异；连续2年籽棉产量与水分利用率均表现为N300 ＞ N450 ＞N150 ＞ N0，氮肥利用率均表现为 N300 ＞ N450 ＞N150。非充分灌溉下连续2年N150、N300、N450处理籽棉产量较N0处理分别增加了13.5%～15.0%、28.5%～39.7%、25.2%～36.7%，水分利用率较N0处理提高了13.5%～15.0%、28.5%～39.9%、25.2%～36.7%。常规灌溉下连续2年N150、N300、N450处理籽棉产量较N0处理分别增加了10.9%～12.7%、26.0%～37.5%、23.1%～33.2%，水分利用率较N0处理提高了10.7%～12.7%、26.0%～37.5%、23.1%～33.2%。2015～2016年非充分灌溉与常规灌溉下增施氮肥均以N300处理提高幅度较大，且非充分灌溉下N300处理补偿效应较常规灌溉下N300处理籽棉增产率、水分利用率、氮肥农学利用率及氮肥利用率分别提高了6.1%～8.8%、6.1%～8.8%、4.3%～8.2%及17.3%～18.0%。

表6 不同处理地上部棉花各器官氮素积累与分配Table 6 Aboveground nitrogen accumulation and distribution in different organs of cotton under different treatments

表7 不同处理棉花籽棉产量、氮肥农学利用率及水、氮利用率Table 7 Seed cotton yield and efficiency of nitrogen and water use of cotton under different treatments

2.6 非充分灌溉下增施氮肥对棉花纤维品质的影响

由表8可知，灌溉只在2016年对棉花纤维长度与整齐度的影响达到显著差异 (P ＜ 0.05)。氮肥连续2年对棉花纤维长度、纤维整齐度及断裂比强度的影响均达到极显著差异 (P ＜ 0.01)。灌溉与氮肥的交互作用连续2年对棉花纤维长度、纤维整齐度及断裂比强度的影响均未达到显著性差异。2015—2016年非充分灌溉与常规灌溉下各氮肥处理的影响如下：N300和N450处理下各指标均无显著性差异(2016年常规灌溉下纤维长度除外)，但两者与N0及N150处理间各指标大都存在显著性差异；连续2年棉花纤维长度、纤维整齐度及断裂比强度均表现为N300 ＞ N450 ＞ N150 ＞ N0。非充分灌溉下连续 2 年N150、N300、N450处理纤维长度较N0处理分别增加了3.8%～5.4%、8.2%～9.5%、8.0%～9.2%；纤维整齐度较N0处理分别增加了2.3%～3.5%、5.9%～7.9%、5.4%～7.5%；断裂比强度较N0处理分别增加了4.1%～4.4%、7.3%～8.7%、6.5%～7.7%。常规灌溉下连续2年N150、N300、N450处理纤维长度较N0处理分别增加了3.7%～4.2%、7.6%～7.9%、4.0%～7.6%；纤维整齐度较N0处理分别增加了2.4%～3.3%、5.5%～7.5%、4.4%～7.4%；断裂比强度较N0处理分别增加了3.9%～4.9%、7.1%～7.6%、5.0%～6.1%。2015～2016年非充分灌溉与常规灌溉下增施氮肥均以N300处理增加幅度较大，且非充分灌溉下N300处理补偿效应较常规灌溉下N300处理纤维长度、纤维整齐度及断裂比强度分别提高了4.3%～20.1%、5.7%～7.3%及2.2%～12.5%。

3 讨论

土壤水分亏缺和营养不足是限制干旱、半干旱地区作物生长、生存和产量的两大主要因子，不仅直接影响植物生长和生存，也影响植物对养分的吸收和利用[25-27]。王晓英等[28]研究表明，同一氮素水平下，水分亏缺处理的植株生长量及氮素累积量都低于正常供水处理。祁有玲等[29]研究表明，水分亏缺条件下施用氮肥对作物植株干物质累积及氮吸收具有明显的促进作用。王朝辉等[30]研究显示，在水分亏缺条件下，增施一定量的氮肥后，作物干物质质量及植株氮素积累补偿效果提高显著。且干旱条件下增施氮肥能够促进同化物的形成及其向籽粒的转运，提高转移干物质对籽粒的贡献率，提高淀粉的积累速率[31-32]。本试验与前人研究结果一致，同一氮素水平，非充分灌溉处理的干物质及氮素积累量与分配比例及积累速率均低于常规灌溉处理；2种灌溉量下各氮肥处理均以N300处理表现出较高的干物质与氮素积累量，且向生殖器官分配的比例较高；非充分灌溉下N300处理较常规灌溉下N300处理干物质与氮素积累补偿效应分别提高了15.0%、0.7%，干物质与氮素积累速率补偿效应分别提高了0.9%、3.1%，干物质与氮素向生殖器官分配补偿效应分别提高了2.5%、5.1%。

表8 不同处理棉花纤维长度、整齐度及断裂比强度Table 8 Fiber length, uniformity and strength of cotton under different treatments

王寅等[33]试验发现，在干旱胁迫下施肥对油菜籽的增产效果明显高于适时灌溉条件，施肥是作物干旱胁迫下正常生长发育和提高产量的有效措施。褚丽丽等[34]研究表明，大豆产量的补偿或超补偿效应的产生是水分胁迫和氮素营养合力作用的结果，任一条件的缺失都会影响产量补偿效应的产生。郝树荣等[35]研究发现，高水高肥并不一定高产，轻旱与低氮具有明显的协同互作效应，在保产的同时达到节水的目的，可显著提高水、氮利用率。范雪梅等[36]研究认为，水分逆境明显降低小麦粒重、产量和淀粉产量，且干旱处理下增施氮肥有利于粒重、产量和淀粉产量的提高。谷晓博等[37]研究显示，适宜增施氮肥对水分胁迫存在补偿效应，对产量表现出一定的补偿效应，补偿效果随施氮量的增加先增加后降低，且显著提高作物水分利用率。本试验与前人研究结果一致，非充分灌溉下增施氮肥的补偿效果表现为N300 ＞ N450 ＞ N150 ＞ N0；非充分灌溉下各氮肥处理的籽棉产量均低于常规灌溉；非充分灌溉下增施氮肥均以N300处理补偿效应较为明显，表现在籽棉增产率、氮肥农学利用率及水、氮利用率方面，较常规灌溉下N300处理补偿效应分别提高了6.1%～8.8%、4.3%～8.2%、6.1%～8.8%、17.3%～17.9%。

邹小云等[13]研究认为，水分对油菜生长发育的影响大于氮素养分；本试验结果表明，氮肥对棉花生长发育的影响大于水分，原因可能为本试验田土壤水分状况良好、土壤基础养分含量较高的原因，也有可能是不同作物和水分亏缺时期的原因，这有待于进一步研究。水分胁迫对作物的影响一定程度上是从根部引起的[13]。本试验主要研究棉花地上部分，因此，非充分灌溉下增施氮肥对棉花根系发育特征的影响有待进一步研究。

4 结论

施氮300 kg/hm2下，非充分灌溉与常规灌溉相比，籽棉产量差异不显著，但籽棉增产率提高了6.1%～8.8%，主要是因为氮肥对棉株养分供应补偿较多，在一定程度上补偿了棉花因水分不足所造成的影响；干物质向生殖器官分配比例提高了24.0%，氮素向生殖器官转移率提高了5.1%，从而使氮肥农学利用率及氮肥利用率提高。非充分灌溉下补偿作用是通过棉株干物质向生殖器官分配比例和氮素转移率提高而达到的。因此，在南疆自然生态条件下，以非充分灌溉下施氮300 kg/hm2时棉花具有适宜干物质与氮素积累量，生殖器官分配比例及氮素转移率较高，水、氮利用率最高，分别为2.1%～2.3%、32.9%～37.4%，且节水26.3%。

参 考 文 献：

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