水氮施量对膜下滴灌棉花生长及水氮分布的影响

忠智博，翟国亮，邓忠*，蔡九茂，谷少委，王国栋

水氮施量对膜下滴灌棉花生长及水氮分布的影响

忠智博1,2，翟国亮1，邓忠1*，蔡九茂1，谷少委1,2，王国栋3

（1.中国农业科学院 农田灌溉研究所/农业农村部节水农业重点实验室，河南 新乡 453002；2.中国农业科学院 研究生院，北京 100081；3.新疆农垦科学院 农田水利与土壤肥料研究所，新疆 石河子 832000）

【】探究北疆地区膜下滴灌棉花最优水氮施量及土壤水氮分布特征。采用二因素完全随机试验，设置灌水量4个水平（W1：5 250 m3/hm2、W2：4 500 m3/hm2、W3：3 750 m3/hm2和W4：3 000 m3/hm2）和施氮量3个水平（N1：300 kg/hm2、N2：262.5 kg/hm2和N3：225 kg/hm2），研究了不同水氮施量对植株形态、土壤含水率分布及土壤氮素分布的影响。施氮量对植株形态指标的影响程度低于灌水量，但植株形态指标不能反映产量；棉花盛蕾期，表层土壤含水率较低，直至盛花期，表层土壤含水率稳定在20%左右。且灌水量为3 750 m3/hm2时，更有利于土壤保持湿润，并且向深层流失的水分较少；0～20 cm土层内硝态氮和铵态氮量相对较高，随着灌水量和施氮量的增加，氮素向深层土壤的淋移程度不断增加，当施氮量为262.5 kg/hm2时，根系层内的硝态氮含量相对较高，尿素转化的铵态氮也更多；当施氮量为262.5 kg/hm2，灌水量为3 750 m3/hm2时，棉花产量达到最大，为6 460.5 kg/hm2。施氮量为262.5 kg/hm2，灌水量为3 750 m3/hm2，可作为该地区最优水氮施量组合。

膜下滴灌；植株形态；含水率；土壤硝态氮；土壤铵态氮

0 引 言

新疆是中国最大的棉花种植区，在总产、单产、质量等方面位居全国第一[1]。棉花是当地主要耗水作物[2]，但极度干旱的气候环境造成当地水资源短缺[3-4]，水资源稀缺和土壤贫瘠导致棉花低产[5]。研究表明，避免缺乏水肥而产生协同效应是提高产量的关键因素[6]，还有研究指出过度灌溉是导致缺水地区的水分和养分利用率低下的原因之一[7]，但一些地区仍将过度的施肥灌溉作为传统农业生产手段[8]。因此，无论是灌溉，还是施肥，都应该遵循合理的制度，过度和不足均会导致负面效应。有研究认为，经过优化后的水肥制度可以最大限度地提高水和肥料的使用效率和作物产量[9]，并且可以通过适当的氮供应来提高水分利用效率[10]，而如何确定适宜的施氮量是关键[11]。即便是施肥量的细微差异，也会对作物产量和土壤中的养分产生不同的影响[12]，只有合理的水肥管理措施才能确保水肥利用的持续高效[13]。因此，采用合理的节水节肥技术，是实现农业可持续发展的重要手段[14]。

高效利用灌溉水是干旱地区农业可持续发展的关键所在[15]，研究表明，滴灌相比沟灌更有利于提高水分利用率，促进棉花生长[16]。在干旱地区，滴灌确实具有较大的节水潜力[17-18]，作物在滴灌条件下的水分利用效率更高[19]，并且能使水肥同步到达作物根区，使作物对养分的吸收更加高效[20-21]。而且滴灌还具有低流量、高频率、长时间施水的特点[22]，可以使施肥更加均匀。新疆棉田应用最为广泛的是膜下滴灌技术，也就是滴灌技术结合覆膜种植，覆膜能有效保持土壤水分、调节土壤温度、控制杂草和提高水分利用效率[23]。针对膜下滴灌技术，前人研究了不同水肥条件下的水分利用效率和肥料利用率[24-29]，还研究了不同施肥策略下的水氮盐运移规律以及氮素的累积残留等[30-42]。然而，在不同的生育阶段，大田棉花营养生长与生殖生长之间的协调以及土壤中水分和养分的保持均与水氮施量有关，将棉花生长与土壤水氮分布共同分析，更能体现最优水氮施量的合理性。为此，本研究将在棉花不同生育阶段通过监测棉花生长特征及不同水氮施量下的土壤含水率和氮素分布规律，探索北疆膜下滴灌条件下最为合理的水氮施量组合。以期为新疆膜下滴灌棉花科学的水氮管理提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018年4―10月在农业部作物高效用水石河子科学观测实验站（45°38′N，86°09′E）进行，该区域具有典型干旱半干旱大陆性气候，降水稀少、空气干燥、光热集中，年平均降雨量204 mm，蒸发量1 742 mm左右，年均气温8.6 ℃。试验田土壤质地为砂壤土（见表1），0～20 cm土层有机质量平均值为7.14 g/kg，碱解氮量34.30 mg/kg，速效磷量18.08 mg/kg，速效钾量130.46 mg/kg，土壤pH值8.2；0～40 cm土壤体积质量均值1.4 g/cm3，田间质量持水率17.7%。棉花生育期内降雨量为109.4 mm，平均温度为23.4 ℃；单日降雨量除5月7日（13.9 mm）和5月24日（20 mm）外，均未有超过10 mm的降雨。

1.2 试验设计

供试棉花品种为“新陆早60号”，采用膜下滴灌技术，覆膜宽2.05 m，小区长14 m，播幅2.3 m，小区面积102 m2。采用内径16 mm的聚乙烯树脂内镶式薄壁迷宫滴灌带，滴头流量为2.0 L/h，滴头间距为20 cm，小区灌水量以水表读数为依据。该试验地于上年11月进行传统翻耕，作业深度30 cm，来年春季进行土地平整。之后，根据当地棉花种植模式，播种、覆膜和滴灌带铺设一次性完成，采用1膜3管6行种植方式，即1膜种植6行棉花。

表1 试验地粒径组成

试验采用二因素完全随机设计，根据北疆棉花生育期需水需肥特性，设置灌水量4个水平（W1：5 250 m3/hm2、W2：4 500 m3/hm2、W3：3 750 m3/hm2和W4：3 000 m3/hm2）和施氮量3个水平（N1：300 kg/hm2、N2：262.5 kg/hm2和N3：225 kg/hm2），磷、钾肥各处理施量相同，总量为180 kg/hm2，氮、磷、钾3种肥料全部作为追肥滴施。灌水次数、3种肥料的滴施次数和比例见表2。所施肥料为：尿素（N≥46%）、磷酸氢二铵（N 12.2%，P2O543.7%）、硫酸钾肥（K2O 83%），均采用压差式施肥罐随水滴施，自现蕾期开始控制灌水施肥。试验共计12个处理，每个处理3次重复，总计36个小区。

表2 棉花各生育期灌水施肥次数和比例

1.3 测定项目与方法

1）植株形态指标。在盛蕾期，盛花期和盛铃期，每个小区随机取3株长势均匀的植株，记录叶片数、果枝数、蕾数和铃数。

2）棉花产量。试验采用实产数据，分小区人工拾测，并记录各小区棉花总质量，最终换算为每公顷产量。

3）土壤含水率。在盛蕾期，初花期，盛花期，盛铃期，分别在灌水2 d后用土钻采取土样，每小区取3个点位，取样点位于滴头正下方，分别取0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm土层土样。采用烘干法测定土壤含水率。

4）土壤硝态氮质量浓度。在盛花期和盛铃期，分别在灌水2 d后用土钻采取土样，取样点位和测定深度与土壤含水率的测定一致。根据GB/T 32737—2016《土壤硝态氮的测定紫外分光光度法》测定土壤硝态氮质量浓度。

5）土壤铵态氮质量浓度。取样时间、取样点位和测定深度与土壤硝态氮的测定一致。根据HJ634—2012《土壤氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的测定氯化钾溶液提取-分光光度法》测定土壤铵态氮质量浓度。

1.4 数据分析

采用Excel2010和SPSS25.0软件进行数据处理和统计分析，用Excel2010绘图。对不同指标先得出小区内平均值，然后利用3个重复，对二因素进行方差分析，如果差异显著（<0.05），则进行Duncan新复极差法比较。

2 结果与分析

2.1 不同水氮施量对棉花生长及产量的影响

不同水氮施量下的棉花生长及产量特征如表3所示。

表3 不同水氮施量处理棉花生长情况及产量

由表3可以看出，相同灌水水平下，在盛蕾期和盛铃期，不同施氮量处理的叶片数均无显著差异。盛铃期，N2处理的果枝数总是大于N1和N3处理，但差异也不显著。棉花蕾数在盛蕾期虽已较高，但是直至盛花期，蕾数仍在增长。在W1灌水水平下，N1和N2处理的铃数显著大于N3处理，但在W3和W4灌水水平下，各施氮处理的铃数差异均不显著。还可以发现，N2处理的产量总是显著高于N3处理，且在W3灌水水平下，N2处理的产量显著高于N1处理。综上得出，在盛铃期，相同灌水处理下，不同施氮处理对叶片数、果枝数无显著影响；在W1灌水水平下，N3处理不利于铃数的增长，降低灌水量后，各施氮处理的铃数无显著差异；最终产量在N2施氮处理下更为显著。

不同灌水处理间比较得出，W1和W2处理下的叶片数、果枝数、蕾数和铃数均明显大于W3和W4处理，且W1、W2和W3处理下，铃期的蕾铃数之和小于花期，而W4处理下，盛铃期的蕾数还在继续增长，说明灌水量对棉花生长有显著的影响，灌水量较高时，棉花的营养生长过盛，并在铃期提前开始蕾铃的脱落，而较低灌水量处理下的棉花营养生长与生殖生长则更为协调。此外，W3处理下的棉花产量明显高于W1和W4处理，但与W2处理差异不大，说明较高或者较低的灌水量都不利于增产，适当的灌水施肥更有利于作物吸收养分，最终形成产量。

产量及不同生长阶段棉株形态指标的方差分析见表4。由表4可知，水氮交互作用对棉花产量的影响不显著，但灌水处理和施氮处理的主效应均显著。施氮处理在各生育阶段对棉株形态指标的影响均不显著。盛蕾期，灌水处理对叶片数的影响极显著，水氮交互作用对果枝数和蕾数的影响显著；盛花期，灌水处理对叶片数、果枝数和蕾数影响显著，且水氮交互作用对叶片数的影响极显著；盛铃期，灌水处理对果枝数和铃数的影响极显著，且水氮交互作用对蕾数和铃数影响显著。综上得出，灌水处理对植株形态指标的影响效应大于施氮处理，其中，水肥交互作用在盛蕾期促进了果枝和蕾的增长，在盛花期促进了叶片增长，在盛铃期促进了蕾和铃的增长，这也清晰的表明棉花各生育期营养生长与生殖生长之间的协调。

表4 产量及不同生长阶段棉株形态指标方差分析

注>0.05表示差异不显著；0.01 <<0.05表示差异显著，用*表示；<0.01表示差异极显著，用**表示。

Note>0.05 means the difference is not significant; 0.01<<0.05 means the difference is significant, expressed by *;<0.01 means the difference is very significant, expressed by * *.

2.2 不同水氮施量对土壤含水率分布的影响

图1中主要体现不同灌水量条件下，棉花不同生育阶段下土壤含水率分布情况。在盛蕾期，土壤含水率随着土层深度的增加而增加，在土壤表层，含水率在10%左右，初花期的表层含水率较盛蕾期增长了7%～11%，直到盛花期，土壤含水率分布范围趋于稳定，达到了20%左右。不同灌水处理比较得出，W3处理在各生长阶段0～40 cm土层的土壤含水率均表现为持平或者上涨的趋势。但在40～80 cm土层内，初花期和盛花期时，W3处理的含水率分布表现为下降趋势，而W1和W2处理的含水率仍表现为增长趋势。同时还发现，在初花期至盛铃期，W4处理的土壤含水率在20～80 cm土层土壤内均表现为最低，甚至在盛花期后，含水率从表层往下逐渐降低。综上，W1处理和W2处理会导致水分流失，W4处理的土壤较为干旱，而W3处理在各个时期更有利于保持土壤的湿润，并且向深层流失的水分较少。

2.3 不同水氮施量对土壤硝态氮分布的影响

图2为棉花不同生育阶段土壤硝态氮分布情况，花铃期是棉花生长的需水关键期。如图2所示，在花铃期，相同灌水量条件下，0～20 cm土层硝态氮量相对较高。在盛花期，W1和W2灌水量条件下，N1处理的土壤表层硝态氮量较高，在40～80 cm土层，3种施氮处理的硝态氮量差异不大，说明较高的灌水量条件下，氮肥随着水分的下渗而流失，土壤所能保持的氮肥较少，较高施氮处理下的硝态氮含量相对较高。W3和W4灌水量条件下，土壤硝态氮量大致表现为N1处理>N2处理>N3处理，其中，N1处理下的硝态氮量在土壤深层累积较多，N3处理在土壤表层量相对较高，而N2处理在0～40 cm土层硝态氮量较大，40～80 cm量减少。由此说明，N2处理在根层内的硝态氮量更高，并且向深层淋移较少，这有利于棉花对养分的吸收。在盛铃期，土壤硝态氮量随土层深度的增加表现为先减后增的趋势，N2处理的土壤硝态氮量在0～80 cm土层均趋于稳定，N1和N3处理波动较为明显，存在肥力忽高忽低的情况，不利于根系对养分的吸收。综上，在花铃期，N2处理的硝态氮分布相对稳定，在根系层内的硝态氮量也相对较高，有利于棉花根系对养分的吸收。

图1 不同生育阶段土壤含水率分布变化

图2 不同生育阶段土壤硝态氮分布变化

2.4 不同水氮施量对土壤铵态氮分布的影响

不同水氮施量对土壤铵态氮分布情况如图3所示。尿素水解生成铵态氮，少量的铵态氮转化为硝态氮，在种植作物的土壤中铵态氮量明显高于土壤硝态氮量[43]。相同灌水量条件下，表层土壤铵态氮量相对较高，这与硝态氮分布规律相似。在盛铃期，N2处理的土壤铵态氮量大于其他施氮处理，说明在N2处理施氮量条件下，尿素转化的铵态氮较多，可以被作物吸收利用的氮水平则相对较高，更利于棉花的生长。还发现，在盛花期和盛铃期，W1处理的土壤铵态氮分布规律大致表现为先减后增的趋势，说明较高灌水量也会造成土壤铵态氮在深层积累。W4处理的土壤铵态氮量明显低于其他灌水处理，这可能是由于较低的灌水量导致转化的铵态氮量减少或者转化速度减慢。综上，N2处理能促进棉花对养分的吸收，但过量或较低的灌水量均会导致养分流失，甚至抑制棉花生长。

图3 不同生育阶段土壤铵态氮分布变化

3 讨 论

灌水量与施氮量间的相互协调至关重要，水氮的合理调控可以有效协调棉花营养生长和生殖生长的平衡[26]，并保证土壤养分尽可能少的淋洗至根系层以下，提高肥料利用率。研究发现，较高灌水量导致营养生长过盛，叶片过多使株间透气性降低，从而导致蕾铃脱落增加[44-45]，最终导致产量下降，这与司转运等[28]的研究结果相似。由此可见，营养生长过盛并不是形成产量的有利因素，只有通过合理水氮调控，才能有效促进棉花生长，进而提高产量。本试验中，W3N2处理的水氮施量能有效促进棉花的叶片数、果枝数及蕾铃数的增长，进而提高棉花产量。可见，当灌水量为3 750 m3/hm2，施氮量为262.5 kg/hm2时，最有利于棉花生长。

不同土质条件下，膜下滴灌棉田土壤含水率的空间结构性不同[46]，土壤含水量、土壤蓄水量也存在差异，黏土明显强于沙土[47]。播种前，土壤经过深松处理，打破了耕作犁底层，并提升了土壤通透性，在作物生长前半阶段土壤含水率偏低[48]。本研究发现，棉花生长前期，土壤表层含水率较低，随着水分入渗，含水率也逐渐增大，分析原因，一是棉花根系较浅，吸收了浅层水分[49]；二是40～80 cm土层多为犁底层，由于长期受到犁的挤压和灌水时黏粒随水沉积所致，土壤结构较为稳定。W4处理的土壤含水率随土层深度的增加逐渐降低，不能满足根系层所需的水分，这与王平等[40]的研究结果一致。由此可见，过量或者较低的灌水量都不利于棉花的生长，尤其在棉花生长前期，应合理把控灌水量。

导致土壤氮素淋移的主要因素包括土壤中氮浓度较高[37]、过量灌溉[40]及土壤质地[43]。有研究表明，土壤硝态氮分布主要集中在40～60 cm土层[36]，这与本研究结果相悖。本研究中，0～20 cm土层硝态氮和铵态氮含量相对较高，分析原因，一是灌水量对铵态氮和硝态氮影响显著，增加灌水有利于铵态氮的形成[50]，进而促进了硝态氮的转化；二是棉花生育期，耕层铵态氮含量明显高于深层[51]；三是尿素要在土壤脲酶的作用下水解为铵离子才能被植物吸收利用，但产生肥效慢，需要一定的时间[52]。W1处理的土壤铵态氮分布规律大致表现为先减后增的趋势，分析原因，一是增加灌水量，促进了氮素在土壤中的移动，同时铵态氮的转化也会发生在土壤深层；二是尿素肥料会随灌水向下层土壤移动，且土壤质地越黏重，对铵态氮的吸附力越强[53-55]，该试验土质则表现为随着土壤深度的增加，黏粒占比逐渐大于砂粒。花铃期，土壤的保水性趋于稳定，土壤中的硝态氮和铵态氮也能很好地被作物吸收利用，但N1处理的氮素仍在深层累积较多，应适当减少施氮量，尽量控制氮素在根系层供棉花吸收利用。

研究表明长期进行肥力试验，才能阐明土壤与作物之间的联系[20]。田间试验中，土壤结构及其肥力状况易受到环境的影响，为确定土壤质地的变化特征、棉花根系吸水特性及高效的灌溉施肥方案，有必要长期监测土壤的物理化学特性，进而确定合理有效的灌水量和施氮量组合。棉花生长特性及水氮分布特征可以有效地体现灌水施肥的优劣之处，因此，须长期进行此类研究。

土壤中氮素的分布特征影响着棉花对养分的吸收[44]，不同深度的土壤氮素分布特征不但受到施氮量的影响[45]，而且与施肥时段有关[31]。因此，还需要进一步开展不同施肥时段对棉花生长及水氮分布影响的田间试验，并结合土壤质地情况，合理有效地进行灌水施肥。

4 结 论

1）灌水处理对棉花生长及产量的影响效应大于施氮处理，在较高灌水处理下，叶片数、果枝数、蕾数和铃数都相对较高，但植株形态指标不能反映产量，营养生长与生殖生长不协调严重影响产量的增长。

2）在棉花生长前期，土壤含水率随着土层深度的增加而增大。盛蕾期表层土壤含水率仅为10%左右，直到盛花期，表层土壤含水率稳定在20%左右。当灌水量为3 750 m3/hm2时，土壤表现较为湿润，且流失的水分较少。

3）0～20 cm土层硝态氮和铵态氮量相对较高，随着施氮量的增加，氮素深层淋移程度不断加深。其中，施氮量为262.5 kg/hm2时，土壤氮素量在各土层分布较均匀，更有利于根系吸收利用，但在灌水量为5 250 m3/hm2时，氮素被大量淋移至根系层以下，并在深层大量累积。因此，合理的水氮调控才能更好地保持土壤中的水分和养分，并协调好营养生长和生殖生长的平衡，促进棉花产量提高。

4）当灌水量为3 750 m3/hm2，施氮量为262.5 kg/hm2时，不仅棉花的营养生长和生殖生长达到了较好平衡，土壤中的水分和养分也较好地满足了棉花的生长，并获得最大产量6 460.5 kg/hm2。

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The Impact of N Application and Drip Irrigation Amount on Cotton Growth and Water and N Distributions in Soil Mulched with Film

ZHONG Zhibo1,2, ZHAI Guoliang1, DENG Zhong1*, CAI Jiumao1, GU Shaowei1,2, WANG Guodong3

(1. Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Institute/ Key Laboratory of Water-saving Irrigation Engineering, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Xinxiang 453002, China; 2. Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 3. Institute of Water and Soil Fertilizer, Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation Sciences, Shihezi 832000, China)

【】The purpose of this paper is to experimentally determine the optimal water and nitrogen application for cotton grown in soil mulched with film and under drip irrigation.【】The experiment was conducted with four irrigation amounts: W1:5 250 m3/hm2,W2:4 500 m3/hm2,W3:3 750 m3/hm2and W4:3 000 m3/hm2; and three nitrogen applications: N1:300 kg/hm2, N2:262.5 kg/hm2and N3:225 kg/hm2. All treatments were organized in the two-factor randomized plots in the field. In each treatment, we measured plant morphology, soil water and soil nitrogen.【】Irrigation amount affected plant morphological traits more than nitrogen application, but the morphological traits were not closely related to cotton yield. Water content in the top soil decreased asymptotically to 20% from the budding stage to the flowering stage. It was found that irrigating 3 750 m3/hm2of water was the best comprise to keep soil moist while not losing too much water to percolation. Nitrate and ammonium content in the top 0~20 cm soil was comparatively high, and with increase in irrigation amount and nitrogen application, nitrogen leaching increased monotonically. When the nitrogen application amount was 262.5 kg/hm2, nitrate in root zone was comparatively high due to the apparently enhanced nitrification. The yield peaked at 6 460.5 kg/hm2when nitrogen application and irrigation amount were 262.5 kg/hm2and 3 750 m3/hm2respectively. 【】In terms of affecting cotton growth and water and nitrogen distribution in soil, applying 262.5 kg/hm2of nitrogen and irrigating 3 750 m3/hm2of water was optimal for cotton grown in the studied area.

drip irrigation; film mulching; plant morphology; soil water; soil nitrate; soil ammonium

S274.1；S275.6

A

10.13522/j.cnki.ggps.2019154

1672 - 3317（2020）01 - 0067 - 10

2019-08-01

中国农业科学院基本科研业务费项目(Y2018PT72, Y2019LM15)；经济作物水肥一体化技术模式研究与应用项目(2017YFD0201506)

忠智博（1994-），男，新疆塔城人。硕士研究生，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail：zhong2933@126.com

邓忠（1976-），男，甘肃武威人。副研究员，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail：dengzhong1976@126.com

忠智博, 翟国亮, 邓忠, 等. 水氮施量对膜下滴灌棉花生长及水氮分布的影响[J]. 灌溉排水学报, 2020, 39(1):67-76.

ZHONG Zhibo, ZHAI Guoliang, DENG Zhong, et al. The impact of N application and drip irrigation amount on cotton growth and water and n distributions in soil mulched with film [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(1): 67-76.

责任编辑：韩 洋