施氮量及打顶方式对棉花营养积累与分配及产量的影响

张特, 康正华, 赵强, 聂志勇, 王蜜蜂, 崔延楠

(新疆农业大学农学院,棉花教育部工程研究中心, 乌鲁木齐 830052)

打顶作为调控棉花生长的重要手段之一，也是整枝管理的中心环节。通过打顶可以消除棉花顶端优势，调控无限生长习性，控制株高，塑造理想株型，促进棉株早结铃、多结铃，同时有助于棉花产量和品质的提升[1-2]。有关棉花打顶的研究一直受到国内外的高度关注[3-7]。随着新疆棉花全程机械化管理技术需求愈发强烈，棉花人工打顶已严重制约了棉花生产全程机械化推进[8]。化学封顶技术或免打顶技术的出现，使棉花打顶方式发生了革新，减少了人工劳动力的投入，提高了打顶效率[9-11]。多位学者针对北疆地区棉花化学封顶剂的应用规律进行了试验工作[12-14]，同时随着化学封顶应用和推广面积的不断增加，有关化学封顶研究也从时间、次数和剂量等应用性研究向生长机理方向发展。

施用氮素是一项重要的增产措施，如何合理有效地施氮仍是高产植棉中的重要课题[15-17]。有关人工打顶条件下氮素施用量对棉花农艺性状、经济性状、干物质积累、氮素吸收、光合特性、叶绿素荧光参数、纤维品质等影响研究较多[18-22]，但有关不同施氮量对化学封顶棉花生长发育、产量变化和纤维品质的影响研究较少。前人研究已基本探明北疆棉区应用750 mL·hm-2的25%缩节胺水剂较为合理[14]。在此基础上，本文研究了不同施氮量(0、100、200、300、400 kg·hm-2)对化学封顶棉花叶片、茎秆的干物质积累与氮素积累及其分配比例的影响，结合Logistic方程与产量指标探明了施氮量及打顶方式对棉花营养积累与分配及产量的影响，旨在为化学封顶棉花合理氮肥运筹、改善棉花光合性能、提高产量与品质提供理论依据，同时为推进北疆棉区棉花全程机械化发展提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年在新疆玛纳斯县六户地镇进行，棉花品种为‘新陆早57号’(由新疆农业科学院经济作物研究所提供)，化学封顶剂为25%缩节胺水剂(新疆金棉科技有限责任公司生产)。试验地前茬作物为棉花，土质为黏质壤土，地下水位深10 m以下。土壤容重1.51 g·cm-3，碱解氮含量51.05 mg·kg-1、速效钾含量221.88 mg·kg-1、速效磷含量15.53 mg·kg-1、有机质含量1.95 g·kg-1。

1.2 试验设计

田间小区试验采用裂区设计，主区为打顶方式，共设人工打顶和化学打顶两种打顶方式；副区为施氮量，设0、100、200、300、400 kg·hm-2，共5个施氮(纯N)水平，分别用N0、N1、N2、N3、N4表示。灌水量为4 800 m3·hm-2，每次施肥随水滴施，共滴施8次。施用的肥料为尿素(N 46%)。基肥：尿素施用总量的30%；追肥：尿素施用总量的70%(具体施肥量见表1)。采用机采棉种植模式，1膜6行，滴灌管理，行距配置(66+10)cm，小区面积66.7 m2，重复3次。4月12日播种，7月1日打顶，两种打顶方式同一天进行，化学封顶剂(剂量为750 mL·hm-2)采用背负式喷雾器喷施。小区其他管理同大田管理一致。

表1 不同处理下施氮量

1.3 测定项目及方法

1.3.1棉花干物质积累量测定 各处理自打顶后每隔10 d选代表性棉株5株，将茎、叶、生殖器官分开。在105 ℃杀青30 min后，80 ℃烘至恒重，用百分之一天平称量棉花各部分的干物质质量。

1.3.2Logistic方程模拟 棉花干物质积累用Logistic方程拟合。

y=ym/1+e(a+bt)

(1)

式中，y为棉花干物质积累量，ym为相应的理论最大值，t为棉花出苗后天数，a、b为待定系数。

当t0=-a/b时，Vm=-bym/4

(2)

式中，t0表示干物质积累速率最大的时刻，Vm表示干物质积累最大速率(kg·d-1)。

t1、t2分别代表干物质快速积累期的开始与结束时间，t1和t2将Logistic生长函数“S”型曲线分为3个阶段，在棉花出苗到t1时间段内，干物质积累呈缓慢上升的趋势；在t1～t2时间段内干物质积累快速增长期；在t2时刻后，干物质积累速率缓慢下降，使y最终趋向于ym。

Δt=t2-t1

(3)

式中，Δt为时间特征值，表示干物质积累快速增长期。

在t1～t2时间内，GT=-bym/4×Δt

(4)

式中，GT为“生长特征值”，表示干物质积累量已达到最大积累量的65.8%。

1.3.3全氮含量测定 烘干的棉株样品经粉碎，过0.50 mm筛，用H2SO4-H2O2消煮，奈氏比色法测定植株不同部位全氮含量。

1.3.4棉花产量及构成因素测定 9月20日调查霜前花率(下霜前吐絮铃占最终吐絮铃的百分比)，每小区随机选取连续棉株80株记录吐絮铃与有效青铃。吐絮期每小区选取6.67 m2，调查棉花株数及总铃数，计算单株结铃数；并在每个小区选取上、中、下果枝各40个吐絮铃，风干后混合测其单铃重、轧花后测算衣分。

1.4 数据分析

采用Excel 2010和DPS 7.05进行数据的整理和分析。

2 结果与分析

2.1 施氮量对打顶棉花叶片干物质积累量的影响

图1显示，两种打顶方式下棉花叶片干物质积累量均与施氮量呈正比，打顶后棉花叶片干物质积累量均呈单峰曲线。在N0和N1处理下，化学封顶棉花叶片干物质积累量峰值出现在打顶后30 d，比人工打顶(打顶后10 d)晚；且在N0处理下，化学封顶棉花叶片干物质积累量峰值仍较人工打顶减少0.65 g·株-1。其余各施氮量处理化学封顶棉花叶片干物质积累量峰值出现时间(打顶后30 d)均比人工打顶(打顶后20 d)晚，平均延后10 d，同时其峰值均大于人工打顶，最高可增加5.31%。化学封顶方式下，N4与N0处理的棉花干物质积累量差值在打顶后50 d达到最大，为3.42 g·株-1；而人工打顶棉花在打顶后30 d，N4与N0处理的棉花干物质积累量差值最大，为2.60 g·株-1。说明随施氮量增加，化学封顶棉花叶片干物质积累量或可较人工打顶增多。

图1 不同处理下棉花叶片干物质积累量变化

2.2 施氮量对打顶棉花生殖器官干物质积累量的影响

从图2可以看出，各施氮处理下两种打顶方式棉花生殖器官干物质积累量均随时间变化在不断增大。在打顶后0～20 d，不同施氮量条件下棉花干物质积累量相差较小；从打顶后30 d开始，各施氮处理棉花生殖器官干物质积累量开始表现出较大不同。在打顶后0～20 d，化学封顶方式下各施氮处理棉花生殖器官干物质积累量少于人工打顶，同时低施氮量处理略高于高施氮量，说明化学封顶棉花在打顶后0～20 d营养生长向生殖生长转换较慢。自打顶后30 d开始，两种打顶方式下，N0、N1和N2处理的棉花生殖器官干物质积累量与施氮量成正比，而N3和N4处理却表现出不同。化学封顶棉花从打顶至打顶后60 d，N4处理棉花生殖器官干物质积累量大于N3处理；而人工打顶方式下，棉花打顶后40 d开始，N3处理棉花生殖器官干物质积累量高于N4。造成这种差异的原因可能是两种打顶方式下，棉花施氮量过高，造成营养生长旺盛，影响了向生殖生长转化。

图2 不同处理下棉花生殖器官干物质积累量的变化

2.3 施氮量对打顶棉花干物质分配的影响

图3显示，自打顶后，所有处理均表现为随时间推移，生殖器官干物质分配比例逐渐增大的趋势。同种打顶方式下，棉花在相同时间段内基本表现出生殖器官干物质分配比例与施氮量成反比，表明低施氮量可以使棉株更早地从营养生长向生殖生长转化，而高施氮量则会使营养生长时间延长。同一施氮量下，在打顶后0～20 d，化学封顶棉花干物质分配比例小于人工打顶；但从打顶后30 d开始，化学封顶棉花生殖器官干物质分配比例与人工打顶基本一致，直至打顶后60 d(吐絮期)。

图3 不同处理下棉花干物质分配比例

2.4 施氮量对打顶棉花干物质积累特征值的影响

表2结果表明，各处理下地上部分干物质动态累积均呈“S”型曲线，用Logistic生长函数模型进行拟合，均达极显著相关。人工打顶棉花干物质进入快速积累期时间(t1)、达到最大积累速率时间(t0)、结束快速积累时间(t2)均早于化学封顶棉花。最大积累速率(Vm)则表现出在N0和N1处理下人工打顶大于化学封顶，在N2、N3和N4处理下人工打顶小于化学封顶。表明当施肥量多于200 kg·hm-2时，化学封顶棉花干物质积累速率大于人工打顶棉花。人工打顶棉花快速积累期为出苗后56～100 d，化学封顶棉花快速积累期为出苗后59～109 d。化学封顶棉花进入快速积累期时间虽晚于人工打顶，但化学封顶棉花快速积累期持续时间长于人工打顶，这有利于更多地上部分干物质的积累。两种打顶方式下N3和N4处理各特征值均较为协调，人工打顶棉花快速积累期生长特征值N4处理虽大于N3，但其快速积累持续时间较长，最大积累速率小于N3，因此N3处理各特征值更为协调。化学封顶N4处理各特征值与N3相差较小，但应综合考虑产量及氮肥投入进行选择，从而在获得最大干物质积累量的同时，获得更高的经济效益。

表2 棉株干物质积累的Logistic模型和其特征值

2.5 施氮量对打顶棉花氮素积累的影响

表3显示，两种打顶方式下各施氮处理棉株各器官氮素积累量随打顶后生育进程的变化而变化，各处理总氮素积累量在打顶后60 d达最大值。在打顶0 d时，棉花氮素积累总量表现出N4>N3>N2>N1>N0，在打顶后60 d化学封顶棉花仍表现出此特征，但人工打顶棉花表现出N3>N4>N2>N1>N0。表明化学封顶棉花在0～400 kg·hm-2氮肥施用量条件下，氮素积累量与施氮量成正比；人工打顶棉花在过多施氮量条件下不能有效利用氮素，造成N4氮素积累量少于N3。同等施氮量条件下，化学封顶棉花氮素吸收总量同样高于人工打顶棉花，说明化学封顶可以提高棉花对氮素的积累量。打顶后10 d，化学封顶棉花在同等施氮量条件下，表现出氮素积累总量和营养器官氮素积累量略少于人工打顶的现象；打顶后20 d，化学封顶棉花氮素积累总量逐渐与人工打顶棉花持平，说明化学封顶剂在打顶后10 d内对棉花氮素积累有抑制作用，之后抑制作用开始逐渐减弱。随着打顶时间的推移，化学封顶棉花营养器官氮素积累量向生殖器官的转移少于人工打顶棉花，这可能与棉花顶端仍有生长有关。

表3 棉花各器官氮素积累与分配

2.6 施氮量对打顶棉花产量及产量构成的影响

从表4可以看出，各处理的棉花单位面积株数(即密度)均无显著差异。两种打顶方式下，单铃重均随着施氮量的增加呈先增后减的趋势，表明棉花单铃重在达到某一水平后不再随施氮量增加而增加，甚至会出现相反趋势。人工打顶棉花单株结铃数随施氮量的增加呈先增后减的趋势，在施氮量为300 kg·hm-2时达到最大值，化学封顶棉花单株结铃数随施氮量的增加而增加。在衣分方面，两种打顶方式下N4处理均为最小，且在化学封顶下与其他处理表现出显著差异。在籽棉产量方面，人工打顶处理随施氮量先增加后减少，而化学封顶处理则表现出随施氮量增加，产量有增加趋势，但N4处理仅比N3处理增加5.4 kg·hm-2。在霜前花率方面，两种打顶方式棉花均表现出随着施氮量增加霜前花率降低的特点，且在同等施氮量条件下，化学封顶棉花霜前花率低于人工打顶。

表4 不同处理下棉花产量及产量构成因素

3 讨论

前人研究表明，施氮量对棉花干物质积累起到了重要作用，增加氮肥施入量可提高棉花干物质量，但氮肥施入过多易造成棉花生殖器官干物质量和产量降低[23-25]。李伶俐等[26]研究表明，当施氮量超过300 kg·hm-2后，在追施氮肥对杂交棉地上部分干物质积累及氮吸收促进效果不再显著；侯秀玲等[27]研究发现，施氮量达到300 kg·hm-2时，再增加氮肥投入，对棉花产量的贡献率降低。本研究两种打顶方式棉花地上部分干物质积累及养分吸收与前人基本一致，人工打顶方式下施氮量达到300 kg·hm-2时，棉花生殖器官干物质积累量、氮素积累量以及产量开始降低；而化学封顶方式下施氮量达到300 kg·hm-2时，棉花生殖器官干物质积累量和氮素积累量仍有增长。比较发现在施氮量为300 kg·hm-2时，化学封顶棉花从打顶后30 d开始至打顶后60 d，地上部分干物质积累量及氮素积累量均高于人工打顶棉花，表明在适施氮量条件下，化学封顶棉花可以提高干物质积累量及氮素积累量，为棉花产量的提升奠定基础。

打顶后，人工打顶棉花叶片干物质积累达到峰值所用天数少于化学封顶，可能是因为人工打顶后，最上部主茎叶及果枝叶快速生长；而化学封顶棉花受打顶剂影响，上部叶片生长缓慢。打顶后30 d，化学封顶棉花营养器官干物质积累量逐渐大于人工打顶。打顶后40 d，化学封顶棉花各施氮处理茎枝干物质积累量均高于人工打顶，因为打顶后人工打顶棉花纵向生长受到抑制，茎枝干物质积累量增加依靠茎枝增粗和果枝伸长，而化学封顶棉花还有除上述原因外，主茎仍会继续增长。在打顶后60 d，化学封顶棉花叶片干物质量均高于人工打顶，化学封顶棉花喷施打顶剂后顶端仍有生长，导致主茎叶和果枝叶数量增加。化学封顶棉花营养器官干物质积累量虽大于人工打顶，但化学封顶棉花生殖器官与营养器官干物质比例与人工打顶基本一致，未造成较大差异，表明化学封顶棉花生殖器官与营养器官干物质较为协调。通过氮素积累量变化同样可以看出，打顶后60 d施氮量为300 kg·hm-2时，化学封顶棉花生殖器官氮素积累量与人工打顶无显著性差异。说明化学封顶未造成因棉花后期营养器官生长较人工打顶旺盛而导致氮素的流失，反而可以提供更多养分从营养生长向生殖生长转运，进而避免棉花早衰。

目前人工打顶棉花氮肥运筹研究众多，而化学封顶棉花氮肥运筹研究较少。本研究初步探究了氮肥对化学封顶棉花干物质积累及养分运移的影响，虽然两者大部分结论基本一致，但仍然存在差异。如何更加合理利用化学封顶棉花后期干物质积累量多、氮素积累量多的特点，转化为产量优势，还有待进一步研究。