施氮量对油后直播棉花产量、品质及生物量的影响

李 飞 郭利双 李彩红 郭莉莉 刘冰蕾 张志刚 梅正鼎

(湖南省棉花科学研究所，湖南 常德 415101)

油后直播棉花技术作为一种新型的耕作模式，不仅可以省工节本，降低劳动强度，而且符合棉花生产轻简化和机械化的发展需求，为洞庭湖棉区棉花产业的稳定和发展开辟了新的方向[1-4]。但洞庭湖棉区棉花生长期雨水较多，直播棉密植模式易造成群体营养生长与生殖生长失调，进而影响产量。因此，关于油后直播棉花增产、提质、增效的理论与技术研究已成为洞庭湖棉区研究的热点[5-7]。

合理的生物量积累是棉花高产优产的前提和基础[8-10]。研究表明，棉花群体生物量与产量密切相关，协调的棉花群体生物量累积动态与积累量是构建高效棉花群体结构的关键[11-13]。生产上多以增加施氮量来获得较大的生物量[14-15]，并结合化学调控获取高产，但造成了资源浪费，并增加了经济及生态成本[16]。施氮过多，不仅会降低氮肥利用率，而且会导致棉花营养器官与生殖器官比例偏大[17]，影响后期干物质向生殖器官转移，导致棉花减产[18-19]。已有研究显示，氮素对作物生物量累积影响显著，不会影响其“S”型基本累积形态，但可对“S”型方程特征参数及最大生物量累积量产生显著影响[14，20-22]。因此，通过调控氮肥运筹，调节植株群体生物量生长特征值是获得优质、高产的重要技术手段。在洞庭湖棉区，氮肥运筹对油后直播棉花密植模式生物量累积动态和特征值的影响尚需进一步研究。

本研究基于油后直播棉花高密度种植模式，比较不同施氮量对直播棉花群体生物量积累、皮棉产量及纤维品质的影响差异，明确氮肥的适宜施用量，提高棉花肥水管理水平和生产效率，以期为环境友好型的棉花资源高效利用栽培技术提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

试验于2016-2017年在湖南省棉花科学研究所茅湾基地(28°57′7″N，111°40′35″E)进行。试点土壤为河潮土，耕层土壤有机质含量为15.6 mg·kg-1、碱解氮98.0 mg·kg-1、有效磷14.1 mg·kg-1、速效钾186.8 mg·kg-1、pH 值7.34。试验棉花品种为湘FZ001，由湖南省棉花科学研究所提供。

1.2 试验设计

试验种植密度75 000 株·hm-2，共设置5 个氮素水平，分别为0、90、180、270、360 kg·hm-2，以N0、N1、N2、N3、N4表示。开沟施肥，30%氮肥和全部磷钾肥作基肥，播种时施入，70%氮肥见花后追肥。试验于5月25日播种，6月14日定苗。每小区面积30.4 m2，随机区组设计，3 次重复。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 农艺性状 每小区于9月28日选取连续且长势均匀的棉花10 株，调查果节数、蕾花铃数和脱落数。

1.3.2 生物量 分别于6月29日、7月14日、7月29日、8月13日、8月28日、9月13日和9月28日(即定苗后15、30、45、60、75、90、105 d)，每小区取长势一致的棉株2 株，按营养器官(真叶、主茎、果枝、根)和生殖器官(蕾、花、铃)进行分解，于105℃杀青30 min后，80℃烘至恒重，测定生物量。

1.3.3 产量构成因素 于各小区标记好的10 棵植株上拾花，记录铃数和重量，计算单铃重和衣分；分小区收花计产。

1.3.4 纤维品质 各小区收取中上部自然吐絮较好的棉铃20 个，轧花后送至农业部棉花品质监督检验测试中心进行纤维品质、断裂比强度、马克隆值、伸长率和整齐度的测定。

1.4 数据分析

数据采用SAS(9.1.3)进行方差分析、模型构建和灰色关联度分析，用Excel 2003 进行绘图。

1.4.1 棉花生物量累积量及累积特征值的计算方法

棉株生物量的累积呈“S”型曲线，符合Logistic 方程[23-24]，其方程基本形式为:

式中，W 代表棉株生物量，Wm代表棉株生物量理论最大值，t 代表定苗后天数，a、b 代表生长参数。Logistic 模型包含多种生物生态学特性信息，通过这些信息参数解析棉株生物量的增长特点，并使之定量化[23-25]。对式(1)分别求1 阶、2 阶和3 阶导数，根据公式计算相应生长曲线的最快生长起始时间(T1)、快速生长终止时间(T2)、最大相对生长速率(Vm)及其出现时间(Tm)，快速累积持续期(ΔT):

1.4.2 棉花的最高产量和经济最佳产量计算方法以各处理施氮量(kg·hm-2)为自变量，皮棉产量(kg·hm-2)为因变量，进行氮肥效应方程拟合:y＝b0＋b1x＋b2x2＋b3x3。对方程进行求导:dy/dx＝b1＋2b2x＋3bx2，即为边际产量，当边际产量等于0 时，产量最高，此时的施氮量即为产量最高施氮量；边际产量等于氮肥与皮棉的价格比时，收益最优，此时的施肥量即为经济最佳施氮量；将产量最高和经济最佳施氮量分别带入氮肥效应方程可求出相应的最高产量和经济最佳产量[26]。

2 结果与分析

2.1 产量构成因素分析

由表1可知，不同处理之间单株果节数、单株成铃数、单铃重衣分表现一致，均随施氮量的增加呈现先上升后下降的趋势，且均在N3(施氮量270 kg·hm-2)达到最大值；脱落率随着施氮量的增加未呈规律性变化，且不同处理之间差异均不显著。

表1 施氮量对棉株产量及其构成的影响Table1 Effect of nitrogen application rate on cotton yield and yield components

图1 施氮量与皮棉产量的关系Fig.1 Relationship between nitrogen application rate and lint yield

经拟合，氮效应方程为y＝1.118×103＋1.894x＋1.269×10-4x2-1.1×10-5x3(图1)。随着施氮量的增加，皮棉产量呈先上升后下降的趋势，且在N3达到最大值。2016-2017年，洞庭湖棉区氮肥价格为3. 8 元·kg-1，皮棉价格为10 元·kg-1。经计算得出产量最高施氮量为281 kg·hm-2，效益最佳施氮量为256 kg·hm-2。

2.2 纤维品质构成因素分析

统计分析不同施氮量下棉纤维品质指标，如表2所示，随施氮量的增加棉纤维品质变化趋势存在一定差异。纤维长度和断裂比强度均随着施氮量的增加表现为先增加后下降的趋势，且均在N3达到最大值；马克隆值随施氮量的增加呈下降趋势，但各处理之间差异不显著；纤维整齐度和伸长率随施氮量的增加无明显变规律，且各处理之间差异不显著。

表2 施氮量对棉花纤维品质指标的影响Table2 Efects of nitrogen application rate on the cotton fiber quality characters

2.3 氮素对棉花生物量动态变化特征的影响

由表3可知，施氮量对单株生物量以及棉株根冠比、茎叶比、生殖器官/营养器官、单株子棉经济系数的影响呈规律性变化。随着施氮量的增加，单株生物量、生殖器官/营养器官、单株子棉经济系数均表现为先上升后下降趋势，均在N3达到最大值；根冠比表现为下降的趋势；茎叶比表现为先下降后上升的趋势，其中N3的茎叶比最小。

表3 施氮量对棉株干物质分配的影响Table3 Effect of N application rate on biomass partitioning in cotton plant

2.4 棉花生物量累积量动态模型特征值分析

2.4.1 营养器官生物量累积量动态模型特征值分析

以Logistic 模型对营养器官生物量的动态累积量进行统计分析，结果如表4所示，各处理Wm的大小顺序均为N4>N3>N2>N1>N0。各处理最快生长起始时间(T1)基本接近，但随着施氮量的增加逐渐提前；快速生长终止时间(T2)随着施氮量的增加表现为先提前后延后的趋势，其中N3的T2最早；快速累积持续期(ΔT)表现为N3＜N2＜N4＜N1＜N0，其中N3的ΔT 最短。各处理最大相对生长速率(Vm)表现为N3>N4>N2>N1>N0；Vm出现时间(Tm)随着施氮量的增加表现为先提前后延后的趋势，其中N3的Tm最早。根据有关研究，营养器官T1及Vm出现日期越早，ΔT 越短，越有利于前期生物量的累积[24]。本试验以N3营养器官生物量的ΔT 最短、Vm最快、Tm最早，说明N3的棉株营养器官生长模型各项特征参数最协调，有利于协同提高棉花的产量和品质。

表4 棉株营养器官生物量动态累积模型分析Table4 Dynamic accumulation model analysis of biomass of vegetative growth of cotton

2.4.2 生殖器官生物量累积量动态模型特征值分析

由表5可知，各处理Wm表现为N3>N4>N2>N1>N0。各处理间T1、T2出现时间的早晚顺序为N3、N4、N2、N1、N0；ΔT 随着施氮量的增加表现为先缩短后延长的趋势，其中N3的ΔT 最短。各处理Ⅴm表现为N3>N4>N2>N1>N0；Tm随着施氮量的增加表现为先提前后延后的趋势，其中N3的Vm最早。

综合表4、5 分析，N3下棉株营养器官生物量的T2为定苗后60～61 d，生殖器官生物量的T1为定苗后63～64 d，由营养生长向生殖生长的过度比较协调。另外生殖器官Ⅴm出现在定苗后74 ～75 d，快速生长期较为集中，ΔT 仅为21 ～22 d，有利于多结伏桃和早秋桃。

表5 棉株生殖器官生物量动态累积模型分析Table5 Dynamic accumulation model analysis of biomass of procreate growth of cotton

2.4.3 生物量与产量灰色关联度分析 对不同氮肥处理最终产量与生殖生长生物量的动态监测值进行灰色关联度分析，结果如表6所示，棉花产量与定苗后90 d 生殖生长生物量的监测值关联度最大，而生殖器官的T2为定苗后85～95 d(表5)，这说明生殖器官干物重快速生长期终止时的生物量对最终产量起着决定性的作用。

由于营养器官生物量是高产的前提和基础，故将定苗后90 d 的生殖生长生物量与前期营养器官生物量进行灰色关联度分析，结果如表7所示，定苗后90 d的生殖生长生物量与定苗后60 d 的营养器官生物量关联度最大，而营养器官T2为定苗后60 ～68 d，说明定苗后90 d 的生殖器官生物量与快速生长期终止时营养器官的生物量关系极为密切。

表6 产量与生殖生长生物量的关联度Table6 Correlation of cotton yield and biomass of procreate growth

本试验中营养器官生物量Vm出现在定苗后47 ～53 d，而定苗后45～60 d 的营养器官生物量积累占定苗后60 d 营养器官生物量积累的53%～58%(表8)，表明营养器官生物量T1到T2的生物量积累极为关键，即提高此期间的营养器官生物量累积成为获得高产的关键。因此，生产中加强7月下旬或8月初的肥水管理尤为重要。

表7 生殖器官生物量与营养器官生物量的关联度Table7 Correlation of procreate growth biomass and vegetative growth biomass

表8 定苗后45～60 d 营养器官生物量积累占定苗后60 d 营养器官生物量的比例Table8 The proportion of vegetative organ biomass accumulation in 45－60 days after seedling establishment to vegetative organ biomass in 60 days after seedling establishment

3 讨论

研究表明，氮肥用量对棉花产量影响显著，施氮不足或过量均会导致产量下降[17-18，27-29]，本研究结果也证实了这一点。本研究结果表明，N3的皮棉产量最高，且经过氮效应模型分析，产量最高施氮量为281 kg·hm-2，效益最佳施氮量为256 kg·hm-2，同时N2与N3的皮棉产量与单株子棉经济系数均差异不显著。因此，考虑成本投入，结合产量形成与经济收益，在本试验的栽培模式及生态环境下，推荐施氮量为180 ～250 kg·hm-2。

纤维品质主要由遗传特性决定，但由于试验环境、栽培条件、肥料种类及施用方式的不同，研究结果也有所差异。本研究中，随着施氮量的增加，纤维长度和断裂比强度呈现先升高后下降的变化趋势，这与宋为超等[30]的研究结果一致，纤维长度和断裂比强度均在N3时最大；马克隆值随施氮量的增加而降低，这与Rochester 等[31]的研究结果一致；整齐度和伸长率随着施氮量的增加未呈规律性变化，各处理间差异不显著。目前随着棉花生产全程机械化的推进，纺织业对棉纤维的品种提出了新要求——“双30”，即纤维长度≥30 mm，断裂比强度≥30 cN·tex-1。因此，结合纺织需求与研究结果，洞庭湖棉区条件下，施氮量在180 ～270 kg·hm-2之间，棉花纤维品质较为理想。

施氮量对生物量的积累影响显著，适当提高施氮量可以促进棉株生物量的积累[32-34]。本研究中，棉株营养器官生物量随施氮量的增加而增加；生殖器官生物量则随施氮量的增加呈先增加后降低的趋势变化，其中以N3最高。有研究表明，施氮量可以调节生物量的T1、T2和ΔT，同时可以改变生物量的累积速率[23]。营养器官生物量的T1及Tm出现越早，越有利于前期营养器官生物量的累积[24]。本研究中，从生物量动态累积的特征值看，N3的T1早、ΔT 短、Ⅴm大，说明该施氮水平有利于棉花生长前期的营养器官生物量的快速积累。本研究中施氮量不足或过高均会影响营养器官与生殖器官的协调生长，尤其是施氮量过高，棉株营养生长过旺，抑制了棉株的生殖生长，致使产量下降。因此，可以通过调节氮肥的施用量与施用时间促使棉株各部位的生物量动态增长特征参数达到协调，进而获得较高产量。

4 结论

氮肥对棉花干物质积累、产量和品质的提高作用显著，合理的施氮量与肥料运筹是棉花优质高产的重要保障。本研究结合品质、产量形成与经济收益分析得出，洞庭湖棉区适宜的施氮量约为180 ～250 kg·hm-2； 营养体快速生长期为7月中旬至8月中旬(定苗后30～60 d)，此期间追肥可以加速营养体生物量的累积，调节棉株营养体生长参数，从而获得更高的产量和更好的品质，其中生殖器官生物量Ⅴm出现时间为7月底至8月初，因此7月下旬为棉田肥水管理的关键期。但关于氮肥运筹对油后直播棉花光合作用及肥料作用机理的影响尚待进一步研究。