减量灌溉下不同施氮量对南疆机采棉田干物质积累及产量影响

林 涛 ，吴凤全，陈春帆，尔 晨，陈利军，汤秋香

(1.新疆农业科学院经济作物研究所，乌鲁木齐 830091；2. 新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】水资源短缺是制约新疆农业发展的关键因素之一，如何充分利用有限的水资源，满足农作物正常生长的需求是新疆农业生产面临的重大问题[1]。水肥一体化技术可有效控制灌水及施肥的数量和频率，及时满足作物对水分及养分的需要，减少无效损耗，显著提高水分及养分利用效率，具有节水、节肥、高产和高效等优点[2]。在水分亏缺条件下，采用"以肥调水"技术能够提高作物的农田水生产力，增强抗旱能力，促进作物对有限水资源的充分利用[3]。研究在不同水氮供应条件下对南疆机采棉干物质积累及产量形成的影响，对南疆机采棉地区棉田水肥高效利用技术的完善有重要意义。【前人研究进展】在作物生长发育阶段，合理的水肥调控能够对作物光合特性和光合产物的积累与分配进行调节，是实现作物高产的重要措施之一[4]。在水分亏缺的条件下，适当施用氮肥能够延长叶片的功能期，有效的提高叶片的净光合速率[5，6]，保证籽粒对营养物质的需求，降低干旱胁迫的危害[7]，是防御早衰的有效措施[8]，不会降低作物产量[9]。徐国伟等[10]研究发现,适宜的水氮耦合调控，能够创造良好的根系形态、提高根系活力和氮代谢酶活性，将更有利于提高产量及氮肥利用效率。此外，水分胁迫下，适当的施用氮肥有利于叶片生理特性的改变[11]，能够提高棉花的干物质积累[12]，有利于提高作物产量及水分利用效率[13]。在水分充分条件下，增加氮素的供应，有利于地上部干物质、氮素积累、产量和水肥利用效率的增加[14]。邓忠等[15]研究发现，灌水量过低会抑制氮肥增产效应的发挥，导致高氮限制了干物质在花铃期至吐絮期的积累、导致棉花提早衰退，引起产量下降[14]。采用合理的灌溉和施肥技术不仅能维持植物较好的生长特性，而且能获得较大经济效益[16]。【拟解决的关键问题】在南疆机采棉地区，比较不同水肥供应条件下棉花干物质积累及水肥利用效率的影响，为新疆机采棉田节水、灌溉、施肥技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

田间试验于2018年4～10月在新疆阿瓦提县农科院试验站进行(N 40°06', E 80°44', 海拔1 025 m)。该区年均降水量46.4 mm，年日照时数2 679 h，≥10℃年积温3 987.7℃，无霜期211 d，属典型暖温带大陆性干旱气候，农业生产完全依赖灌溉。试验区土壤质地为沙质壤土，有机质含量8.3 g/kg，全氮0.5 g/kg，速效氮58.4 mg/kg，速效磷35.4 mg/kg，速效钾130.7 mg/kg。试验田地下水位40～50 m，地下水不能补给到作物根系分布层，向上补给量忽略不计。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验采用两因素裂区试验设计，主区设置3个灌溉量分别是2 250 m3/hm2(W1)、3 450 m3/hm2(W2)和4 650 m3/hm2(W3)，其中以4 650 m3/hm2为对照，副区为3个施纯氮量分别为0 kg/hm2(N1)、300 kg/hm2(N2)和600 kg/hm2(N3)，以施纯氮300 kg/hm2为对照，其中20%作为基肥，80%作为追肥，P2O5150 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2全部作基肥施用，供试氮肥为尿素(含氮量为46%)，磷肥为过磷酸钙(P2O5含量为12%)，钾肥为氯化钾(K2O含量为45%)。试验共9个处理，每个处理3个重复，共计27个小区，小区面积(6.5×7.2)m。供试品种为新陆中88号，种植模式采取常规一膜六行的机采棉配置模式，行距配置：(66+10)cm，株距为9.5 cm，密度27.7×104株/hm2。采用膜下滴灌方式，一水一肥，6月15日滴头水，8月25日停水，灌溉频率为7 d/次，共计10次，其它管理方式与该地区棉田基本一致。

表1 2018年棉花生育期划分
Table 1 Division of growth period for cotton year in 2018

年份Years苗期Seedling蕾期Bud stage花铃期Boll setting stage吐絮期Boll opening stage全生育期Whole growth period201804/17～05/2005/21～06/2506/26～08/0708/08～09/0704/17～09/07

1.2.2 测定指标

1.2.1.1 农艺性状调查

在每个试验小区第二幅膜选取长势均匀的10株，中边行各5株。在棉花不同生育时期调查株高、叶片数、果枝数、蕾数、花数、铃数等性状指标，并采用SPAD-502叶绿素仪(Minolta，Jap)进行测定SPAD值，在棉花收获时期进行测产。

1.2.2.2 棉花干物质

在试验田内选择长势均匀具有代表性的区域设置取样小区。于棉花苗期、蕾期、盛花期、盛铃期、吐絮期选择长势均匀具有代表性植株6株(取边行3株、中行3株)，将其分解成叶、茎、蕾铃、根,105℃杀青30 min后80℃烘干至恒重，称干重，重复3次。对边行和中行的干重求其均值并计算营养器官干物质转运状况。

1.2.2.3 相关计算公式[17,18 ]

花后单株干物质积累量( Amount of dry matter per plant after anthesis，ADMA) = 成熟期单株干物质积累量-开花期单株干物质积累量;

花后单株干物质贡献率( Contribution proportion of the dry matter after anthesis，CPDMA) = 花后单株干物质积累量/成熟期单株干物质积累量;

氮肥农学利用率( Nitrogen agronomic efficiency，NAE) = ( 施氮区籽棉产量-无氮区籽棉产量) / 施氮量;

灌溉水分利用效率(Irrigation water use efficiency)=籽棉产量/灌溉量。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2016软件对数据进行处理及绘制图表，采用DPS 7.05.50软件，LSD法进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 减量灌溉下不同施氮量对棉花形态指标的影响

研究表明,不在减量灌溉的条件下，不同施氮量对棉花生长均有显著影响(P<0.05)，在蕾期，棉花在生长后期灌溉量和施肥量对棉花的开花结铃影响较大。在蕾期，不同灌溉量下，随着施氮量的增加棉花的株高和叶片数呈现递增的趋势，当棉花生长，随着施氮量的增加呈现先增大后减少的趋势；在W1的灌溉量下，不同施氮量棉花的蕾数呈现为N3>N2>N1，其中N3比N2、N1高1.22%、40.97%，W2灌溉量下，N2的蕾数比N3、N1高4.15%、41.54%，在W3灌溉量下施氮量的蕾数变化情况与W1的变化趋势相似。在铃期，W1灌溉量下，棉花结铃状况为N2>N1>N3，在W2和W3灌溉量下，随着施氮量的增加，棉花的结铃数越好，其中N2的结铃数略低于N3，但二者之间无显著性水平差异。从SPAD上看同一灌溉水平下，棉花的蕾期、花期和铃期，SPAD值通过随着施肥量的提高而有明显的增加趋势，但在W2灌溉量下，在三个不同施氮量下，各处理之间无显著性水平差异。增加施氮量有利于棉花的开花结铃，当灌溉量有W1增加到W2时，可显著增加棉花的铃数，当灌溉量持续增加到W3时，增加施氮量的正效应将会减少，在W2灌溉量下和N2的施氮量下有利于棉花的开花结铃。表2

2.2 减量灌溉下不同施氮量对棉花干物质动态积累的影响

研究表明,在减量灌溉的条件下，不同施氮量下棉花干物质积累过程的总变化趋势一致，即随着生育进程的推进干物质积累总量逐渐增加，且均呈现"慢-快-慢"的趋势，其中从出苗至蕾期前积累缓慢，从蕾期至盛铃期增长迅速，之后进入吐絮期增长又趋于缓慢。在不同灌溉量下，随着施氮量的不同，干物质积累状况不同，在W1灌溉量下，棉花从盛花期到盛铃期，N3的干物质积累量显著高于其他两个处理，随着棉花生长到吐絮期，各处施氮量处理之间差异不显著；W2灌溉量下，在生育前期干物质积累量差异不显著，而到了吐絮期干物质积累出现N2>N3>N1,其中N2比N3、N1分别高23.69%、32.65%；在W3处理下，在生育前期与W2的基本一致，但在盛铃期N2、N3显著高于N1，在吐絮期，施氮量的干物质积累量无明显差异。综上所述，随着灌溉量的增加，在生育前期干物质积累量影响不大，在生育后期，W2干物质积累速率的加快，有利于干物质的快速积累。而在该灌溉量下，N2的干物质积累量最大，有利于棉花的生长。图1

对在减量灌溉的条件下，不同施氮量的干物质积累采用Logistic方程进行模拟，其拟合效果较好(R2>0.99)。干物质快速积累时间出现在出苗后91.85～123.02 d，快速积累持续时间为25.09～64.24 d，在不同灌溉量下，随着施氮量的增加干物质快速积累速率呈上升趋势，其中N2的快速积累速率在1.20～2.03 g/(plant·d),在干物质快速积累量上，在同一灌溉量下，随着施氮量的增加呈现先增大后减少的趋势，在施氮量N2下，快速积累量最大在71.93～92.09 g/plant。其中在W2灌溉量下最大为92.09 g/plant，综上灌溉量和施氮量二者，其中一个过高或者过低均会影响棉花干物质的积累速率和快速积累量，研究发现在W2灌溉量下，施氮量为N2时，有利于棉花干物质的快速积累。表3,图1

表2 不同处理下单株棉花农艺形状变化
Table 2 Effects of different treatments on the agronomic shape of individual cotton

生育时期Childbearing stage灌溉量Irrigation施氮量Nitrogen株高Height of Plant/cm叶片数Number of leafs果枝数Number of fruit branch蕾数Buds铃数BollsSPAD蕾期Bud stageN120.70c6.77d4.32a1.93d/47.03abW1N224.83a7.47abc3.63ab3.23bc/41.67efN323.86ab7.67ab3.12bc3.27bc/41.17fN123.83ab7.78a3.13bc1.97d/41.13fW2N220.15c7.17bcd3.01bc3.37bc/44.00cdeN321.43bc6.97cd3.00bc3.23bc/47.47aN119.33c6.97cd2.42cd2.73cd/42.67defW3N223.69ab7.57ab1.93d3.73ab/45.93abcN324.88a7.58ab1.95d4.57a/44.70bcd花期Flowering stage N160.63d11.93a8.37a12.13ab0.61d55.97aW1N284.48abc12.23a8.47a14.00a0.82d58.00aN384.06abc12.367a9.27a11.10b1.64bcd55.73abN180.22c12.333a9.67a10.33b24abc51.93cdW2N282.96bc12.333a8.23a10.40b1.45cd52.33bcdN380.08c12.35a9.30a11.43ab2.87a55.23abcN181.00c13.333a8.70a10.83b2.70abc48.83dW3N290.88a13.333a9.07a13.73a2.81abc55.07abcN388.47ab12.66a8.33a13.80a2.69ab55.63ab铃期BollstageN1///4.23ab6.22bc61.47bcW1N2///5.67ab7.14abc66.77aN3///4.67ab5.74c63.83abN1///4.33ab6.56abc60.60bcW2N2///6.41a6.66abc62.60abcN3///4.45ab7.34ab64.57abN1///3.67ab5.92bc58.40aW3N2///4.12ab6.48abc62.93ab N3///3.33b7.84a64.73ab

注：同一列不同小写字母表示在0.05水平上差异显著

Note: Values with in a column followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level

2.3 减量灌溉下不同施氮量对棉花干物质转运量的影响

研究表明,花期干物质积累量受到灌溉量和施氮量二者交互作用不明显，但分别受灌溉量和施氮量的影响显著 (P< 0.01)，随着灌溉量的增加，花期干物质积累量明显增加，在不同灌溉量下，随着施氮量的增加花期干物质积累量越大，但灌溉量为W3时，当施氮量达到N3时，花期干物质积累效果增加不显著。花后干物质积累随着灌溉量的增加呈现先增加后减小的变化趋势，灌溉量为W2时，随着氮肥使用量的增加，花后干物质积累量呈现先增大后减小的趋势，当施氮量为N2时，达到最大值为79.99 g，在花后干物质贡献率上，施氮量对花后干物质贡献率的影响较大(P<0.05)，随着施氮量在W1、W2灌溉量下，花后干物质贡献率呈现先增大后减小的趋势，在N2处理下花后干物质贡献率达到60.02%～67.49%，与在W2灌溉量和N1施肥量下的花后干物质贡献率无明显差异。在不同灌溉量下，对棉花干物质影响较大，而施肥量对干物质积累影响较大，同时对花后干物质贡献率影响较大，在灌溉量W2和施氮量N2的条件下，能提高花后干物质的贡献率，有利于产量的提高。表4

表3 不同处理下棉花总干物质积累模型方程
Table 3 Model equation for total dry matter accumulation of cotton under different treatments

灌溉量Irrigation施氮量Nitrogen回归方程Regression enquatiaoR2Vm(g/(plant·d))T/dt1/dt2/d△t/dGT(g/plant)W1N1y=93.38/(1+e(5.29-0.043t))0.998 61.00123.0292.40153.6561.2661.49N2y=112.05/(1+e(5.03-0.043t))0.997 11.20116.9886.34147.6061.2673.78N3y=82.02/(1+e(5.97-0.065t))0.997 41.3391.8571.58112.1140.5354.01W2N1y=107.32/(1+e(4.84-0.042t))0.998 51.10118.0585.92150.1764.2470.67N2y=140.00/(1+e(6.41-0.058t))0.999 82.03110.5287.81133.2245.4192.19N3y=101.57/(1+e(9.83-0.105t))0.995 82.6693.76181.08106.1625.0966.88W3N1y=137.14/(1+e(5.54-0.046t))0.999 91.57120.4391.80149.0757.2690.31N2y=109.24/(1+e(6.33-0.064t))0.996 61.7498.9178.33119.4841.1671.93N3y=116.08/(1+e(5.90-0.058t))0.998 41.68101.7279.02124.4345.4176.44

注：t：棉花出苗后时间(d)；y：单株棉花干物质积累量(g)；t0：干物质积累最大速率出现时间；t1和t2分别为Logistic生长函数的2个拐点；△t：干物质快速积累持续时间；Vm：干物质最大增长速率；R2：决定系数

Note:t: times after the emergence of cotton;y: cotton dry matter accumulation;t0: days of accumulation rate of maximum dry matter;t1 andt2 are two inflexions of the logistic equations respectively; △t: times of dry matter rapid accumulation;Vm: maximum increase rate of dry matter;R2: determination coefficient

图1 不同处理下棉花干物质动态积累变化
Fig.1 Effects of different treatments on dynamic accumulation of cotton dry matter

2.4 减量灌溉下不同施氮量对棉花产量及水肥利用效率的影响

研究表明,籽棉产量受二者交互作用影响不显著，但受灌溉量和施氮量分别的影响显著 (P<0.01)。不同灌溉量下，棉花的单铃重和单株结铃数随着施氮量的增加均呈现先增大后减少的变化趋势，其中在W2灌溉量下，N2的单株结铃数和单铃重分别比N3多0.33个、0.18 g,籽棉产量与单株结铃数的变化趋势基本一致。，其中，N2比N3多3.69%～8.86%。当灌溉量从W1增加到W3时，籽棉产量也随着增加，当灌溉量由W2增加到W3时，籽棉产量的增加幅度减小，甚至低于W2的籽棉产量。在水分利用效率上受灌溉量和施氮量的影响显著 (P<0.01)，受二者交互作用影响不显著。随着灌溉量的增加，水分利用效率逐渐减少。而在同一灌溉量下，随着施氮量的增加水分利用效率呈现先增大后减小的趋势，在W2灌溉量下，N2的水分利用效率为1.66，比N1、N3分别高出10.84%、3.61%。在氮肥农学利用效率上，在不同灌溉量下，N2的农学利用效率最高，其中在W1、W3的灌溉量下，N2的氮肥农学利用效率达到2.44、2.86。而在W2处理下N2的氮肥农学利用效率达到1.47，三者无显著性水平差异。在同一灌溉量下，施氮过多不利于棉花产量和水肥利用效率的提高，在W2灌溉量下，施肥量为N2时，能够提高棉花产量及水肥利用效率。表5

表4 不同处理下棉花花后干物质积累特性
Table 4 Characteristics of dry matter accumulation after cotton flowering under different treatments

灌溉量Irrigation施氮量Nitrogen花期干物质积累量Dry matter accumulation during flowering(g)成熟期干物质积累量Dry matter accumulationDuring mature(g)花后单株干物质积累量ADMGA(g/plant)花后单株干物质贡献率CPDMGA(%)N118.36e73.67c62.2bc66.00abcW1N226.29cd81.15bc62.7bc66.02abcN336.28a75.35c49.62c57.46cN124.60de83.18bc55.52c58.84bcW2N228.60bcd123.51a79.99a67.49abN333.68ab94.25b64.26bc58.86bcN126.72cd82.24bc55.51c61.21bcW3N231.24abc94.03b72.19ab71.02aN333.25ab91.44b58.15bc59.60bc两因素分析 (F 值) Two-way ANOVA (F value)灌溉量Irrigation(W)1.67ns18.95∗∗∗1.84ns0.39ns施氮量Nitrogen application(N)17.71∗∗∗5.21∗∗2.06ns4.33∗灌溉量×施氮量(W×N)1.78ns8.45∗∗∗3.96∗2.36ns

注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P< 0.05)；ns、*、**、***分别表示灌溉量、施氮量和二者交互作用对棉株干物质特性的影响不显著、5%、1% 和 0.1% 显著水平

Note: Different lowercase letters indicate the difference between treatments (P< 0.05); ns,*,**,***indicate the amount of irrigation, the amount of nitrogen applied, and the interaction between the two on cotton plant dry matter. The effects of the characteristics were not significant, with significant levels of 5%, 1%, and 0.1%

表5 不同处理下棉花产量及水肥利用效率变化
Table 5 Effects of different treatments on cotton yield and water and fertilizer use efficiency

灌溉量Irrigation施氮量Nitrogen单株结铃数Bolls per plant单铃质量(g)Single boll weight衣分(%)Lint percent籽棉产量(kg/hm2) Cotton yield水分利用效率(m3/kg)WUE氮肥农学利用效率(kg/kg)NAEW1N15.36c4.41d43.69a5 267.24e1.87bN25.98ab4.86c43.37a6183.12cd2.19a2.44abN35.64bc4.53d43.11a5 635.54de2.00b0.49cW2N15.53c5.12b43.51a6 373.41bc1.48dN26.08a5.37a43.78a7 153.08a1.66c1.47abcN35.75abc5.19ab43.51a6 925.06ab1.60cd1.03bcW3N16.06ab5.10b43.34a6 237.76c1.07fN25.97ab5.32ab43.74a7 311.48a1.25e2.86aN36.01ab5.31ab43.47a7 041.84a1.21e1.07bc两因素分析 (F 值) Two-way ANOVA (F value)灌溉量Irrigation(W)4.96∗76.96∗∗∗0.56ns38.3∗∗∗263.35∗∗∗0.97ns施氮量Nitrogen application(N)5.08∗9.67∗∗0.11ns17.21∗∗∗17.65∗∗∗10.54∗∗灌溉量×施氮量(W×N)1.99ns3.57∗1.24ns1.39ns2.18ns1.26ns

注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P< 0.05)；ns、*、**、***分别表示灌溉量、施氮量和二者交互作用对棉花产量的影响不显著、5%、1% 和 0.1% 显著水平

Note: Different lowercase letters after the same data indicate significant difference between treatments (P< 0.05); ns,*,**,***indicate the amount of irrigation, nitrogen application and the interaction of the two on cotton yield not significant, 5%, 1%, and 0.1% significant levels

3 讨 论

3.1 水氮供应对棉花干物质积累及分配的影响

水分不足和养分亏缺是限制干旱、半干旱地区农业生产的两大主要因素，不仅直接影响植物的生长也影响植物对水分、肥料的吸收利用状况[19]。有研究表明，水分亏缺会抑制植物正常生长[20]，若适当的增施氮肥，利用氮肥的补偿效果能够显著提高干物质的积累[21]。而在干旱地区增施氮肥能够促进同化物的形成，提高干物质对籽粒的贡献率[22]。研究与前人研究结果一致，随着灌溉量的增加，有助于干物质的正常积累，在3种灌溉量下，均以施氮量(纯氮)300 kg/hm2的干物质积累量最大。在3 450 m3/hm2灌溉量下，施氮量(纯氮)300 kg/hm2的干物质积累量相比其他两个灌溉水平分别提高了23.86%、34.25%。

3.2 水氮供应对棉花产量及水肥利用效率影响

在减量灌溉条件下，不同施氮量对作物产量及水肥利用效率也有较大的影响。王寅等[23]试验发现，适当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。郝树荣等[24]研究发现，水肥过量并不一定高产，轻度干旱与低量施肥具有明显的协同互作效应，在保产的同时达到节水的目的，可显著提高水肥利用效率。谷晓博等[13]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，且显著提高作物水肥利用效率，研究发现，在同一灌溉量下，随着施氮量的增加，籽棉产量及水分利用效率呈现先增加后减小的趋势，当施氮量达到300 kg/hm2时，施氮量的正效应将会减少，这一研究结果与前人研究结果类似[25]。此外，在研究过程中，由于是田间试验，肥随水滴施的过程与土壤结构紧密相关，故入渗过程具有随机性，对于滴灌而言，还涉及到滴灌的灌水均匀度和灌水稳定性等影响，导致肥水在渗透过程存在不确定性。还需要进一步开展田间试验对棉花水肥供应的研究。

4 结 论

在不同灌溉量下，随着灌溉量的增加，有利于干物质的快速积累，滴灌量3 450与4 650 m3/hm2相比快速积累时间缩短5～10 d，但最大干物质积累速率提高了14.28%～36.84%，干物质积累量和花后干物质贡献率上，随着施氮量的增加呈现先升后降的趋势，以300 kg/hm2处理最为协调，有利于棉花营养生长及时向生殖生长转化，促进产量的形成。在三个不同灌溉量下籽棉产量和水分利用效率差异较为明显，灌溉量过低，籽棉产量较低，水分利用效率越大，但随着灌溉量的增加，籽棉产量逐渐增加，当灌溉量由3 450增加到4 650 m3/hm2时，降低了其增产效果。在灌溉量为3 450 m3/hm2下，随着施氮量的增加呈先增后降的趋势，以 N2 处理最高达到7 153.08 kg/hm2。南疆机采棉田在灌溉量为3 450 m3/hm2的条件下，施氮量(纯N)为300 kg/hm2，有利于提高当地的棉花产量及水肥利用效率。