不同基因型抗虫棉氮磷钾养分吸收与分配特征

聂军军，秦都林,2，刘艳慧,3，王双磊,4，张美玲,5，李金埔,6，赵 娜，毛丽丽，宋宪亮*，孙学振*

（1 山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室，山东泰安 271018；2 山东省棉花生产技术指导站，山东济南250013；3 曲阜市农业局，山东曲阜 273100；4 烟台市农业技术推广中心，山东烟台 264000；5 中国科学院上海植物逆境生物中心，上海 201602；6 平顶山市种子管理站，河南平顶山 467000）

棉花是我国最重要的经济作物，种植面积约占世界的15%，产量约占世界的25%，在国民经济中占有重要的地位[1]。自上世纪九十年代抗虫棉品种推广应用以来，我国棉花平均产量提高了82% (中国统计年鉴，90年代棉花产量为870 kg/hm2，2016年1582 kg/hm2)。棉花产量提高不仅是品种改良的结果，更受栽培措施和田间管理的调控。不同年代棉花品种选育随着自然、经济、栽培管理等因素变化，品种的综合性状亦随之改变，不利性状不断改良，有利性状逐渐强化，而且品种的各种农艺经济性状呈现一定的变化趋势[2-4]。

大量研究表明，与非抗虫棉相比，抗虫棉品种提高了棉株基中部果枝第1、2果节棉铃保果率，但第3果节以外结铃性较差，因此其平均铃重较高，生长周期较短，吐絮较早，产量潜力较高[5-6]。与国外抗虫棉相比，国内抗虫棉早发型品种结铃性较强，单株总生物产量、铃重和衣分也较高，但具有前期生长慢、生育期偏长的特点；晚发型品种生育前期生长快，早熟性好，铃重和衣分显著提高，但结铃数下降，易早衰[7-9]。目前对国产抗虫棉的研究多集中在肥料调控[10-13]、源库关系[14-15]、光合产物分配[16]、棉花叶片糖代谢[17]、棉铃空间结构[18-19]等方面，但对不同时期大面积推广应用的抗虫棉品种间比较研究较少。

作物产量以生物量为基础，而生物量的累积以养分吸收为前提[20]。近年来棉花产量逐年增加，对养分的需求量也随之增加，且不合理施肥导致肥料利用率降低，既增加了生产成本，也降低了我国棉花在国际市场上的竞争力[21-22]。棉花的需肥特性是遗传特性之一，也是科学施肥的重要依据[11]。不同棉花品种因长势和产量水平的不同，对肥料吸收、利用的效率也存在较大差异[23-24]，深入揭示其差异和规律对提高肥料利用效率具有重要意义。前人对常规棉与杂交棉品种养分吸收规律的相关研究较多[25-29]，而对不同时期主推的抗虫棉品种间的比较研究还鲜有报道。本文选用在我国黄河流域不同时期大面积推广种植、单铃子棉重差异较大的岱字棉99B、鲁棉研21号和冀棉169三个抗虫棉品种，研究三个品种间氮、磷、钾吸收积累与分配特点及其与产量形成的关系，以期为实现棉花高产优质生产，确定合理施肥技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用在我国黄河流域不同时期大面积推广种植、单铃子棉重差异较大的三个抗虫棉品种，其主要特征：岱字棉99B (99B)，自美国引进种植的转抗虫基因中熟常规品种，生育期130天左右，单铃重4.9～5.5 g，衣分36.0%～38.8%；鲁棉研21号(L21)，我国自主选育的第一代转抗虫基因中熟常规品种，生育期133天，单铃重5.8 g，衣分41.6%；冀棉169 (J169)，国产第二代转抗虫基因中熟常规品种，生育期123天，单铃重6.3 g，衣分39.4%。

1.2 试验设计

试验于2015和2017年在山东农业大学科技示范园 (36°10' N，117°09' E，海拔 153 m) 进行。该地区属于温带半湿润大陆性季风气候，年均气温13℃，降水量697 mm，日照时数2627 h，无霜期195 d。2015和2017年棉花生长季 (每年5—10月)日平均温度 (℃) 和降水量 (mm) 如图1，其中2015和2017年生长季内总降水量分别是343.1 mm和452.0 mm。供试土壤为棕壤，2015和2017年播前0—20 cm土壤有机质含量分别为18.06和17.78 g/kg、全氮1.15和1.13 g/kg、有效磷38.7和39.3 mg/kg、速效钾128和125 mg/kg。试验采用完全随机区组设计，3次重复，8行区，宽窄行种植，宽行100 cm，窄行60 cm，株距25 cm，小区面积51.2 m2(8 m × 6.4 m)。播种前机械撒施复合肥750 kg/hm2(N:P:K为15:15:10，即纯N 112.5 kg/hm2，P2O5112.5 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2)，花铃期在棉田窄行中间沟施尿素210 kg/hm2(含纯N46%，即96.6 kg/hm2)。4月下旬播种，其他田间管理按常规高产栽培进行。

1.3 测定项目与方法

分别于棉花五叶期 (播后30 d)、现蕾期 (播后45 d)、盛蕾期 (播后60 d)、初花期 (播后75 d)、盛铃期(播后110 d) 和吐絮期 (播后150 d) 取样，每小区随机选取代表性棉株 (五叶期10株，现蕾期6株，之后3株)，将棉株连根拨出，并用清水冲洗干净。将营养器官和生殖器官分别装袋后，于105℃烘箱杀青30 min，75℃烘干至恒重，然后称重。将样品磨粉过100目筛，称取一定量的样品用H2SO4-H2O2消解，半微量凯氏定氮法测定植株全氮含量，钼锑抗比色法测定植株全磷含量，火焰光度法测定植株全钾含量。

于吐絮期每小区选取20株代表性棉株，分次收取吐絮棉铃，并记录收取铃数，自然风干后称重，计算单铃子棉重，轧花后称皮棉重，计算衣分和产量。

铃叶比 = 棉铃 (包含蕾、花和铃) 干重/叶干重

养分积累量 (kg/hm2)= 棉株总生物量 (kg/hm2) ×养分含量 (%)

生殖器官氮 (磷、钾) 吸收比率 = 生殖器官氮(磷、钾) 累积量/棉株总氮 (磷、钾) 积累量

氮 (磷、钾) 养分利用效率 = 皮棉产量/植株氮(磷、钾) 积累量

收获指数 = 皮棉产量/棉株总生物量 × 100%

棉株生物量和养分累积量特征值的计算方法：棉花生物量和养分累积量的增长符合Logistic曲线，其模型为：

式中，Y为棉花生物量或氮 (磷、钾) 素累积量；Ym为理论最大值；t为播种后天数。

分别对上式求1阶、2阶和3阶导数，可以得到相应生长曲线的最快生长时段的起始时间 (t1)、终止时间 (t2) 和持续期 (T)、最大相对生长速率 (Vm) 及其出现时间 (tm)，特征值计算公式如下：

图1 2015和2017年棉花生长季日平均温度和降水量Fig. 1 Daily mean air temperature and precipitation recorded during cotton growing seasons in 2015 and 2017

1.4 数据计算与统计分析

采用Microsoft Excel 2010整理数据，Sigmaplot 12.5软件作图，Curve Expert 1.3进行Logistic曲线模拟，IBM SPSS Statistics 20.0统计软件的—般线性模型程序进行方差分析 (ANOVA)，最小显著差法(LSD0.05) 检验处理间差异显著性。

2 结果与分析

2.1 干物质积累与分配

2.1.1 干物质积累 棉花生物量随生育进程的推进呈Logistic型曲线变化，对三个品种棉株总生物量、营养器官和生殖器官生物量进行Logistic曲线拟合并计算其特征值。由表1可知，两年整株生物量均以品种99B最高，分别比J169高15.3%和11.8%，比品种L21高40.0%和65.1%，品种J169分别比品种L21高21.4%和47.6%，差异显著。两年干物质快速累积期起始、终止时间，持续期及最大增长速率出现的时间以品种99B最晚，J169次之，L21最早，除2015年品种J169和品种L21的持续期无显著性差异外，其他均达显著性差异水平 (图2)。而最大积累速率两年变化趋势不一致，2015年品种J169和99B显著高于品种L21，品种J169与99B间无显著性差异；2017年则品种J169和L21显著高于99B，品种J169与L21无显著性差异 (图2)。

两年营养器官生物量均以品种J169最高，分别比品种L21高10.9%和72.0%，比品种99B高5.9%和20.7%，且品种99B分别比品种L21高33.1%和42.2%，差异均达显著水平。两年中品种L21营养器官干物质快速积累期起始时间、终止时间及最大积累速率出现的时间均最早，且持续期最短，但其最大积累速率最高，并且各指标均与品种J169和99B达显著性差异水平 (表1、图2)。品种J169与99B比较，2015年品种J169干物质快速积累期起始时间显著晚于品种99B，终止时间无显著性差异，持续期显著短于品种99B，但其最大积累速率显著高于品种99B；2017年干物质快速积累期的起始时间两个品种间无显著性差异，终止时间品种J169显著晚于品种99B，因此持续期品种J169显著长于品种99B，但最大积累速率品种J169显著低于99B。说明L21营养器官生长最早，干物质快速积累持续期虽最短，但生长速率最大；而品种J169和99B生长较晚，持续期较长。

两年生殖器官干物质积累量，品种L21均显著低于品种J169和99B，品种J169与99B间比较，2015年99B显著高于品种J169，2017年则品种J169显著多于品种99B(表1)。两年里品种L21生殖器官干物质快速积累期起始和终止时间均最早，持续期最短，最大积累速率不仅出现的时间最早且最低，各指标均与品种J169和99B达显著差异水平(表1、图2)。品种J169与99B比较，2015年品种J169干物质快速积累期的起始、终止时间及持续期无显著性差异，但最大积累速率显著低于品种99B；2017年品种J169生殖器官干物质快速积累期的起始和终止时间及最大积累速率出现的时间均显著早于品种99B，虽持续期显著短于品种99B，但其最大积累速率显著高于品种99B。说明品种L21生殖器官生长最早，且干物质快速积累持续期短；品种J169生殖生长集中且生长速率最大；品种99B生殖生长较晚，且持续期最长，快速积累期出现的时间最晚。

两年中虽三个品种棉株各器官快速生长期起始、终止时间，持续期及最大生长速率不一致，但品种间最终生物量的差异表现一致，这主要是由于年际间气候条件，特别是降雨量的不同影响了棉花各器官的生长。并且三个品种对降雨量多少的敏感程度不一致，品种L21和J169两年中各器官生长参数变化规律基本一致；而品种99B两年的生长参数差异性不同，尤其是生殖器官，这表明品种99B更容易受到降雨量的影响。

2.1.2 干物质分配 由图3可以看出，随着生育进程的推进，营养器官干物质分配比率逐渐降低，生殖器官分配比率则不断增加。品种间比较，2015和2017年，盛花前营养器官和生殖器官干物质分配比例，品种间均无显著性差异。之后生育期，三个品种间的差异逐步增大，营养器官分配比例，在盛铃期两年的变化趋势一致，品种J169和99B均显著高于品种L21，而在吐絮期两年的差异性不同，2015年品种J169分别比品种L21、99B高9.9%、7.8%，2017年品种99B则显著高于品种J169和L21。生殖器官分配比例与营养器官相反，在盛铃期品种L21分别比品种J169高27.3%和6.6%，比品种99B高16.7%和17.7%；在吐絮期品种L21分别比品种J169高10.7%和27.8%，比品种99B高2.2%和17.7%。

2.2 铃叶比

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图2 2015和2017年三个基因型抗虫棉品种的干物质生长速率Fig. 2 Growth rates of the three genotypes of Bt cotton in 2015 and 2017

图3 营养器官和生殖器官干物质分配比例的动态Fig. 3 Dynamics of dry matter distribution of vegetative organs and reproductive organs in 2015 and 2017

随着播种后天数的推移，三个抗虫棉品种的铃叶比不断增加 (图4)。品种间比较，播后60天前，三个品种间均无显著性差异。之后，品种间的差异逐步变大，且均以L21最高，显著高于J169和99B；品种J169与99B比较，除播种后75天两个品种间无显著性差异外，其后生育期，J169均显著高于99B。

2.3 养分累积与分配

图4 不同基因型抗虫棉品种铃叶比的变化Fig. 4 Dynamics of boll/leaf ratio in different genotypes of Bt cotton

2.3.1 棉株养分积累量 随播种后天数推移呈“S”型曲线变化，对三个品种棉株总养分积累量和生殖器官养分积累量进行Logistic拟合，求得回归方程及其特征值。由表2可知，棉株总氮积累量以品种99B最高，J169次之，L21最低。品种L21棉株总氮快速积累期起始和终止时间均最早，虽最大增长速率最高，但快速增长期最短，且各参数均与J169和99B品种达显著性差异水平；品种99B棉株总氮快速积累期的起始和终止时间均最晚，虽最大积累速率最低，但快速增长期持续时间最长，最终积累量最高；品种J169则介于99B和L21之间，除快速积累期起始时间与品种99B，最大积累速率与品种L21无显著差异外，其余特征值均与L21和99B品种达显著差异水平。生殖器官氮积累量品种99B显著高于J169和L21品种，J169和L21品种间无显著性差异。虽99B品种的氮快速积累期显著短于J169和L21品种，但其增长速率最高，表明棉株营养器官生长消耗的氮，品种J169和99B比L21多。

棉株总磷积累量以99B品种最高，分别比J169和L21品种高8.2%和18.6%，J169品种比L21高9.6%，差异显著。三个品种的磷积累特征值表现为：棉株总磷快速积累期的起始时间三个品种间均无显著性差异，但终止时间和持续期为99B ＞J169 ＞ L21，而最大增长速率为 J169 ＞ L21 ＞ 99B，品种间均达显著性差异水平。生殖器官磷积累量以99B品种最高，分别比J169和L21品种高18.0%和30.9%，J169品种比L21高11.0%，差异显著。L21品种生殖器官磷快速积累期起始和终止时间均最早，虽最大积累速率较J169品种高，但快速积累期最短，故而磷积累量最低；品种99B磷快速积累期起始和终止时间最晚，最大积累速率高，且快速积累期较长，从而磷积累量最高；品种J169磷快速积累期起始和终止时间介于99B和L21之间，虽持续期最长，但其累积速率最小。表明品种L21棉株对磷的需求较低，且出现的时间最早；而J169和99B品种棉株消耗的磷较L21多，出现的时间也较晚。

棉株总钾积累量，品种J169和99B分别比L21高28.1%和32.3%，差异显著；而J169与99B品种间无显著性差异。99B品种钾快速积累期起始和终止时间均最晚，虽积累速率最小，但其快速积累期最长，且均与J169和L21达显著性差异水平；品种L21钾快速积累期起始和终止时间均最早，且最大积累速率较J169小，快速积累期最短。品种J169钾快速积累期起始、终止时间及持续期均居于99B和L21之间，但其最大积累速率显著高于L21和99B。生殖器官钾积累量以品种99B最高，L21次之，J169最低，品种间均达显著性差异水平。品种J169钾快速积累期的起始和终止时间均显著早于L21和99B，虽最大积累速率显著高于L21和99B，但持续期显著短于L21和99B；品种99B钾快速积累期的起始和终止时间均最晚，积累速率虽较小，但持续期最长，L21居于J169和99B之中。由此可知，品种J169棉株钾积累最早，L21棉株消耗的钾量较J169和99B少。

2.3.2 养分分配 图5显示，生殖器官氮磷钾吸收比率随生育进程的推进逐渐增加，品种间差异亦随之增大。在现蕾期，三个品种的氮、磷和钾吸收比率差异较小。初花期，生殖器官氮和钾吸收比率品种L21显著高于J169和99B，J169与99B间无显著性差异；而磷吸收比率则表现为J169 ＞ L21 ＞ 99B，品种间均达显著性差异水平。之后，生殖器官氮磷钾养分吸收比率基本以品种L21最高，99B次之，J169最低，品种间均达显著差异水平。说明L21棉株氮磷钾向生殖器官的转运量显著高于J169和99B。

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2.4 养分利用效率

由表3可知，每生产100 kg皮棉氮磷钾吸收量品种99B均最高，L21次之，J169最低，除品种J169氮吸收量与L21无显著性差异外，其他均达显著性差异水平。从生产100 kg皮棉氮磷钾吸收比例可以看出，与99B和L21品种相比，J169降低了对磷和钾的吸收。养分利用效率与每生产100kg皮棉养分吸收量呈相反趋势，氮磷钾利用效率均以品种J169最高，L21次之，99B最低，除品种J169氮素利用效率与L21无显著性差异外，其他均达显著性差异水平。说明J169养分利用效率高，消耗单位养分生产的经济产量多；L21养分利用率较高；99B养分利用效率低，需肥量多。由三个品种对养分吸收与利用的变异系数 (CV) 可以看出，与氮钾相比，磷吸收与利用对试验处理反应更敏感。

2.5 产量及其构成因素

表4显示，两年三个品种皮棉产量均达显著性差异水平，表现为J169 ＞ L21 ＞ 99B。比较产量构成各因素发现，单铃重的变化趋势与产量一致，也表现出J169 ＞ L21 ＞ 99B。而结铃数和衣分则不同，且年际间存在差异，其中，结铃数2015年J169 ＞ L21 ＞99B，品种间均达显著性差异水平，2017年则J169和99B显著多于L21，J169与99B间无显著性差异；三个品种的衣分差异较小，仅表现在2015年J169显著高于99B。说明棉花产量的提高主要取决于单铃重的增加，其次是结铃数的提高。两年收获指数99B均显著小于J169和L21；J169与L21比较，2015年表现为J169 ＞ L21，2017年则为J169 ＜L21，但只在2017年达显著性差异水平。

3 讨论

本研究表明，两年三个品种的皮棉产量均以J169最高，L21次之，99B最低。比较三个品种的产量构成各因素发现，单铃子棉重的变化趋势与产量一致；而铃数年际间存在差异，虽2017年品种99B的铃数高于J169，但并不能弥补由铃重差异造成的产量差；三个品种的衣分差异较小，对产量的影响也最小。综上，不同年代抗虫棉品种产量的提高主要取决于新育成品种单铃子棉重的增加，其次是结铃数的提高。该结论与前人[2-4,30-33]的研究结果基本一致，并在此基础上进一步明确了产量各构成因素对产量的不同作用。

图5 不同生长时期棉铃中吸收的氮、磷、钾占棉株总吸收量的比率Fig. 5 Rate of absorbed nitrogen, phosphorus and potassium in cotton bolls of different genotypes under different periods

表3 生产100 kg皮棉棉株的氮、磷、钾吸收量与养分利用效率Table 3 N, P, K uptake by cotton plants for producing 100 kg of lint and the use efficiencies of N, P, and K nutrients

表4 产量及其构成因素的比较Table 4 The comparison of lint yield and yield components

作物产量的形成过程是干物质生产、转运和分配的过程。前人研究表明，高产棉花在整个生育期内叶片始终保持高光合生产能力，且光合产物向棉铃的分配也较高[34-35]。本研究发现，品种J169在生育期内营养器官始终保持着较高的干物质积累量，使其生育后期仍具有充足的叶源进行光合作用，积累更多光合产物，并且中后期同化物向生殖器官分配比例较高，从而使结铃数最多，铃重最大，产量也最高。生育后期干物质积累多，一方面说明光合生产能力高，另一方面说明库的需求量大，碳水化合物运输 (流) 顺畅[36]。本研究通过对黄河流域不同时期主推抗虫棉品种的比较，进一步验证了该观点。品种J169生育后期仍保持高的营养生长量，积累更多的光合产物，为棉花多结铃、结大铃提供了物质来源；而品种L21棉株各器官干物质积累量均显著低于J169和99B，且在初花期营养器官干物质快速积累期就终止，生育中后期营养生长减弱，物质积累减少，棉株趋于早衰，影响后期棉铃的发育，因此其结铃密度较小，单铃子棉重较轻，产量较低。此外本研究还发现，品种99B各器官的生物量虽最高，但其干物质快速积累期最晚 (营养器官干物质快速积累期在盛花-盛铃期，而生殖器官在盛铃期之后)，棉株有贪青晚熟现象，加之其生物量向棉铃的分配比例最低，致使其单铃子棉重最轻，产量最低。在2015年品种99B生殖器官干物质积累量最大，而产量并未明显提高，可能是由于分配到铃壳的干物质比率较高。

铃叶比反映了源库之间的协调程度，既关系到产量的形成，又与棉株成熟程度密切相关。因此，保持适宜的铃叶比，就能保持棉铃正常成熟和吐絮。本研究表明，棉株开花以后三个品种的铃叶比均以L21最高，J169次之，99B最低。说明品种L21花后棉株干物质快速向棉铃运转，过早地终止营养器官的生长发育，从而影响了生育中后期结铃；99B与之相反，铃叶比始终最低，且随生育进程变化，增长趋势较弱，营养生长过旺，干物质向棉铃分配比例最低，单铃子棉重最小，产量难以提高。

三个品种棉株氮磷钾养分积累量与干物质变化规律基本一致，均表现为99B最高，J169次之，L21最低。这主要是由于品种L21棉株氮磷钾快速积累期的起始和终止时间最早，且持续期较短，最大增长速率较低；品种J169和99B则快速积累期的起始和终止时间较晚，持续期较长，且最大积累速率较高。生殖器官氮磷钾积累量品种99B均显著高于J169和L21，而J169和L21比较，氮和钾积累量J169低于L21，磷积累量则与之相反。生育后期促进茎叶积累的光合产物及氮、磷、钾向生殖器官转运对产量的形成非常重要[34-35,37]。本研究结果表明，品种J169和99B棉株和生殖器官养分积累量较高，且向生殖器官转运较多，从而促进棉株生长，积累更多的同化物；而品种L21各器官养分积累量低造成了其生长量小，加之向生殖器官分配比例最高，限制了营养器官的生长，从而制约后期棉铃发育，结铃数最少。董合忠等[11]研究表明，早发型棉花品种在吐絮期叶片中营养物质向棉铃转移快是营养效率高的重要生理原因之一。本研究结果显示，品种L21的氮磷钾积累量向生殖器官的转运比例显著高于J169和99B。而磷、钾利用效率品种J169显著高于L21，主要是因为L21产量较低。从养分吸收比例可知，品种J169显著降低了对磷和钾的吸收。由此推断，冀棉169是源库协调的高肥高效品种，鲁棉研21号是源限制型的低肥低效品种，而岱字棉99B是库限制型的高肥低效品种。

4 结论

冀棉169棉株各器官干物质和氮磷钾积累量均较高，尤其是生育中后期，营养器官氮磷钾养分积累量较高，促进同化物的积累，为棉铃发育提供充足的物质基础，因此其结铃最多，单铃重最大，皮棉产量最高，致使其养分利用效率提高。鲁棉研21号各器官干物质和氮磷钾积累量均最低，特别是盛花期以后营养器官养分积累缓慢，限制了中后期棉株生长，使得总铃数最少，单铃重较低，产量也较低，但由于其同化物和养分积累量向生殖器官转运比率最高，因此养分利用效率较高。岱字棉99B棉株各器官干物质和氮磷钾积累量虽最高，但其快速积累期出现得最晚 (盛花期以后)，棉株有贪青趋势，结铃数虽较多，但铃重最小，产量最低，养分利用效率也最低。