水分和种植密度对棉花氮素积累分配及产量的影响

肖振雷，李 慧，刘连涛，张永江，白志英，张 科，孙红春，李存东

(1.河北农业大学 农学院，省部共建华北作物改良与调控国家重点实验室，河北省作物生长调控重点实验室，河北 保定 071000；2.河北农业大学 生命科学学院，河北 保定 071000)

河北省位于华北平原，作为全国的农业大省，水资源却十分短缺，因此，提高水资源利用是地区发展的必然选择[1]。作物氮素吸收特性与土壤含水量密切相关，土壤含水量不仅影响土壤中氮素的有效性，也影响着作物对氮素吸收、同化和转运[2-3]。灌溉量过多或过少都不利于作物氮素吸收，适当的水分亏缺可以促进作物生殖器官的氮素积累和吸收[4-5]。棉花蕾期是对水分敏感时期，蕾期轻度水分亏缺可以在节水的同时发挥棉花高产潜力[6-7]。在河北地区，棉花蕾期是缺水时期[8]。密植有利于作物吸收土壤中的氮素[9]，减少土壤污染。增加种植密度可以提高作物群体氮素积累量[10-11]，同时种植密度一直是调节作物群体生物量的重要手段[12-13]，密植可以显著增加作物产量[14-15]，但过大种植密度会导致营养器官和生殖器官矛盾加剧，经济系数降低[16-17]。氮素是干物质积累的前提，较高的生物量则是作物高产的基础[18-19]，研究表明作物氮素积累量与产量呈显著正相关性[20]。

前人对水分和种植密度对氮素积累和产量的影响进行了许多研究[21-24]，但对棉花不同器官的氮素分配和积累鲜有报道。本研究通过对不同水分和种植密度条件下，棉花各个器官氮素积累量和产量的测定，植株氮素积累、转运及产量构成因素特征的分析，以期为有限的供水措施和适宜种植密度来实现棉花高产提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2019-2020年在河北农业大学清苑试验站开展。试验地位于E115°47′，N38°76′，属暖温带季风气候，土质为壤土，基础地力如表1所示，整体地力水平处于中等地力。

表1 2018-2020年试验地基础地力Tab.1 Basic soil fertility of the experimental site in 2018-2020

1.2 试验设计

本试验以农大棉601品种为试验材料，采取二因素裂区设计方法，主区是水分处理，土壤相对含水量60%～70%设为对照(W1)，干旱处理(W2)为40%～50%；副区设置3个种植密度：D6(6万株/hm2)、D9(9万株/hm2)、D12(12万株/hm2)。每个处理3个重复，小区面积为120 m2。

采用机械播种，人工覆膜，等行距种植，行距为76 cm。2019年5月4日进行播种，5月14日出苗，土壤水分胁迫从出苗期到苗后70 d左右时；2020年5月6日进行播种，出苗期为5月13日，土壤水分胁迫从苗后41 d时到苗后60 d左右。底肥使用硫酸钾型复合肥(N∶P∶K=15∶15∶15)，氮素用量为56.25 kg/hm2，相当于正常推荐施肥量的25%[25]；其他同常规高产棉田管理。

1.3 棉花生育时期的气象条件

2 a间棉花生育时期的气象条件如图 1 所示，2019年降雨量主要集中在棉花生长发育后期，2020年较于2019年，降雨量有明显增加，且在棉花生长发育前期有较多的降雨量。

图1 棉花生育时期气象条件Fig.1 Meteorological conditions of cotton growth period

1.4 测定项目与方法

氮素测定：2019年，于吐絮期按小区取3株代表性植株，将每株棉花分为生殖器官和营养器官两部分；2020年，则在吐絮期按小区取3株代表性植株，将每株棉花分为主茎(主茎+主茎叶)、果枝(果枝+果枝叶)、叶枝(叶枝+叶枝叶)、蕾铃、根五部分，放入烘箱105 ℃杀青0.5 h，80 ℃烘干至恒质量，测定干物质。

将烘干的样品磨细保存。用连续流动分析仪(Auto Analyzer3，德国 SEAL)测定全氮含量，计算植株氮素积累量。

各器官氮素积累量(kg/hm2)=器官干物质质量(g)×种植密度/1 000×各器官含氮量(%)；

器官氮素分配率=(器官氮素累积量/地上部组织氮素累积量)×100%；

产量及其构成因素测定：分别于7月15日、8月15日、9月10日调查各处理不同时期结铃数，每个处理选取4行。棉花吐絮后分3次收获，测定单铃质量和衣分，计算棉花产量。

1.5 数据处理

试验数据采用Excel和SPSS进行分析。

2 结果与分析

2.1 水分和种植密度对棉株各器官氮素积累的影响

由表2，3 可以得出，2 a期间，种植密度和水分对棉花生殖器官氮素积累量和氮素总积累量都有显著影响，且具有互作效应。2019年，生殖器官和营养器官氮素积累量及氮素积累总量都随种植密度增加极显著提高；水分处理间，W1条件下生殖器官氮素积累量和氮素总积累量显著高于W2，分别升高了33.60%，24.63%；营养器官氮素积累量无显著差异；在种植密度和水分条件作用下，W1D12处理氮素总积累量最高，与均值相比提高37.26%。2020年，叶枝氮素积累量以W1D9条件下最高，其余器官氮素积累量则随种植密度增加极显著提升；水分处理间，W1生殖器官氮素积累量和氮素总积累量比W2显著升高，分别升高了24.4%，17.5%；相较于W1，W2叶枝的氮素积累量极显著降低；在种植密度和水分互作效应下，W2D12处理下氮素总积累量最高，与W1D9和W1D12处理差异不显著，与均值相比升高了23.2%。

表2 水分和种植密度对棉株各器官氮素积累的影响(2019年)Tab.2 Effects of moisture and planting density on nitrogen accumulation in cotton organs in 2019 kg/hm2

表3 水分和种植密度对棉株各器官氮素积累的影响(2020年)Tab.3 Effects of moisture and planting density on nitrogen accumulation in cotton organs in 2020 kg/hm2

2.2 水分和种植密度对棉株各器官氮素分配比例的影响

由表 4，5可知，综合2 a数据来看，棉花吐絮期氮素分配比例以生殖器官为主，49.41%～66.54%。2019年，种植密度对生殖器官和营养器官氮素分配比例有极显著影响；随种植密度增加营养器官分配比例极显著降低，生殖器官分配比例极显著升高；W1生殖器官的分配比例高于W2，升高了3.66%，营养器官分配比例与之相反，两者之间差异不显著。2020年，主茎氮素分配比例的变化趋势为D12>D9>D6，处理间差异显著；W2显著高于W1；随种植密度增加，果枝和果枝叶以及叶枝和叶枝叶的氮素分配比例呈先升高后降低的趋势，W1条件下叶枝氮素分配比例显著高于W2，果枝氮素分配比例则相反，但未达到显著差异；不同种植密度处理，生殖器官氮素分配比例表现为D6>D12>D9，不同水分处理间差异不显著。

表4 水分和种植密度对棉株氮素不同器官分配比例的影响(2019年)Tab.4 Effects of water content and planting density on nitrogen distribution ratio of cotton organs in 2019 %

表5 水分和种植密度对棉株氮素不同器官分配比例的影响(2020年)Tab.5 Effects of water content and planting density on nitrogen distribution ratio of cotton organs in 2020 %

2.3 水分和种植密度对棉花产量和产量构成因素的影响

由表6，7 可知，年份间种植密度对棉花籽棉产量有极显著影响，W1条件下高于W2条件下，衣分主要受品种特性影响，栽培措施和环境因素对其影响较小。2019年，随种植密度增加，籽棉产量呈升高趋势，与D6相比，D9、D12条件下籽棉产量显著提高了28.68%，35.47%，W2条件下籽棉产量比W1降低了13.74%；由产量构成因素可知，单位面积铃数随密度增加而显著提高，W1条件下单位面积铃数显著高于W2；单铃质量以D9条件下最高，显著高于其余2个处理。2020年，种植密度对棉花籽棉产量有极显著影响，籽棉产量随种植密度的增加而增加，相比于D6条件下，D9和D12条件下籽棉产量分别提高了12.41%，36.73%；水分处理下，W2条件下籽棉产量仅比W1条件下低2.54%，可以得出节水条件下增加密度可以维持棉花高产；进一步分析产量构成因子可以看出，不同水分处理下棉花单位面积铃数和单铃质量有显著差异，随密度增加单位面积铃数升高，单铃质量无显著变化；W1单位面积铃数高于W2 11.31%，单铃质量却降低了6.66%。说明节水栽培有利于同化物向生殖器官分配。

表6 水分和种植密度对棉花产量及产量构成因素的影响(2019年)Tab.6 Effects of moisture and planting density on cotton yield and yield components in 2019

表7 水分和种植密度对棉花产量及产量构成因素的影响(2020年)Tab.7 Effects of moisture and planting density on cotton yield and yield components in 2020

2.4 棉花氮素积累分配与产量及构成因素相关性分析

通过相关性分析得出，棉花籽棉产量与吐絮期氮素总积累量和生殖器官氮素积累量极显著正相关，与生殖器官氮素占比显著正相关，单位面积铃数与氮素总积累量和生殖器官氮素占比显著正相关，与生殖器官氮素积累量达到极显著正相关，可见氮素转移和积累对棉花最终产量的形成有积极的促进作用(表8)。

表8 棉花氮素积累分配与产量及构成因素的相关性Tab.8 Correlation coefficient of nitrogen accumulation and distribution with yield and its constituent in cotton

3 讨论与结论

3.1 水分和种植密度对棉株氮素积累和分配的影响

养分吸收是干物质积累的前提，氮素积累的变化对产量的形成有一定的影响[19]。薛占琪[11]试验表明，随种植密度增加，氮素积累量和生殖器官氮素分配比例也随之增加。本试验与之结论相同，同一水分条件下，随种植密度升高，棉花氮素总积累量极显著升高；生殖器官氮素分配比例随种植密度增加而增加，所以提高密度可以显著增加氮素积累量，使更多的氮素转移到生殖器官中。刘翔[21]研究表明，棉花生育时期水分亏缺会显著降低棉花氮素吸收，闫曼曼等[4]研究表明，轻缺调亏有利于棉花氮素吸收。本试验表明，水分条件下，W1条件下的氮素积累量显著高于W2，但是其生殖器官的氮素分配比例并无显著差异，说明多吸收的氮素并未更多的转移到生殖器官中。

3.2 种植密度和水分对棉花产量及构成因素的影响

种植密度和水分是调节棉花生长发育的重要手段，对棉花产量潜力具有较大的调控作用[26]。相关性分析表明，除单铃质量外，氮素积累和分配与棉花产量及构成因素显著正相关。在一定范围内单位面积群体产量随密度的增加而增加，当密度达到一定程度时，产量可达最高值，如再继续增加密度，产量反而会下降[15]；研究表明，冀中棉区适宜种植密度6.0～8.7万株/hm2[12-13]；也有研究发现，通过适度调亏灌溉，在不影响作物生长和产量的前提下，获得节水稳产的效果[7]。本研究发现，籽棉产量和单位面积铃数在D12条件下达到最高，单铃质量2 a趋势不同；水分处理之间，2019年W2条件下产量比W1条件降低了13.74%，2020年，W2条件下产量仅比W1条件降低了2.54%，单位面积铃数与籽棉产量变化趋势相同。由此可以看出，灌水量降低，导致棉花单位面积铃数减少，引起棉花籽棉产量下降，下降的幅度与当年的气象条件有关，在丰水年可以很好地维持棉花产量，达到稳产节水的效果。

综上所述，适当增加种植密度可以提高棉花氮素积累量和籽棉产量；减少灌水量，降低了氮素积累量，但生殖器官氮素分配比例未提高，多余的氮素吸收量并未更多的分配到生殖器官，2 a间，W1条件下籽棉产量高于W2条件下，2020年W1条件下籽棉产量和W2条件下基本持平。因此，推荐当地适当减少灌水量，与常规种植密度6万株/hm2相比，将密度提升到9～12万株/hm2，可以达到棉花节水稳产的目的。