连续定点定量施氮对棉花花铃期冠层光分布及产量的影响

马云珍，董合林，李 玲，李鹏程，郑苍松，李春梅， 万素梅，徐文修 ，王 芳，张 娜

(1.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；2.中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室，河南安阳 455000；3.塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔 843300)

0 引 言

【研究意义】2018年新疆棉花种植面积和总产量分别占全国的74.31%和83.88%，尤其是单产水平高出全国平均水平的12.7%。在棉花的各项增产措施中肥料占到30%～50%[1]。过高的施氮量会造成棉株营养比例失调、营养生长过旺、蕾铃脱落严重、贪青晚熟、产量下降[2,3]。近年来，棉田氮肥施用量有所下降，2015年新疆棉田化肥施用量为462.9 kg/hm2[4]。研究长期高量施氮对棉花产量形成的影响，对棉花适宜减氮有实际意义。【前人研究进展】连续定位施氮在玉米[5,6]、小麦[7]、马铃薯[8]等作物上已经有研究，认为未施氮处理产量显著低于各施氮处理，施氮处理间，随着施氮量的增加产量呈先增后降的趋势。前人已从不同角度进行了棉花氮肥的定量研究[9-13]，大多集中在关于连续施肥对土壤养分时空变异的影响，认为氮肥高量投入，增加了土壤中硝态氮的含量，导致硝态氮的淋洗。连续施氮对棉花功能叶光合效率及功能叶生理活性[14-17]研究认为，随着施氮量的增加棉花功能叶净光合速率呈增加趋势，丙二醛含量呈下降趋势，叶柄硝酸盐含量与氮肥用量呈现正相关关系。施氮对冠层结构[18-22]，通过对棉花的叶面积指数、棉铃空间分布、平均叶倾角、消光系数的研究认为施氮过低过高均不利于形成理想的棉花冠层结构，棉花合理的冠层结构能减少漏光，有利于提高光能利用率，延长花铃期光合能力的高值持续期，光能利用效率的高低，可以直接反映棉花的生物产量。良好的作物冠层结构往往和高产紧密联系，而合理的施氮量能构建良好的棉花群体结构，提高群体光合有效辐射利用率和棉花产量[23-27]。【本研究切入点】氮肥用量对棉铃分布存在影响，而就棉花群体光能空间分布对棉铃空间分布及对产影响的研究鲜有报道。研究连续定点定量施氮对棉花群体光分布及对棉铃空间分布的影响。【拟解决的关键问题】在定点定量施氮水平条件下，设置3个施氮处理，分别为未施氮、中等施氮、高量施氮，研究连续施氮对棉花冠层光分布及以及对棉铃空间分布和产量的影响，为棉花高产合理减量施氮提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

于2018～2019年，在新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市10团中棉所南疆试验站进行氮肥定位试验。该区位于塔克拉玛干沙漠北缘，属于典型的暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，年均气温10.6℃，年均≥10℃日照时数1 793 h，无霜期208 d，≥10℃年积温 5 695℃。试验地土壤质地为砂壤土，0～20 cm土壤含有机质10.58 g/kg、碱解氮84.87 mg/kg、全氮0.64 g/kg、速效磷25.38 mg/kg、速效钾190.5 mg/kg、pH为7.7。供试氮肥为尿素(45%)。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用单因素随机区组试验设计，2018年设置3个施氮水平：未施氮0(N0)、中量施氮270(N270)、高量施氮450(N450)kg/hm2，2019年在原位重复3个施氮水平。施肥方式为基施和追施。基追比为1∶3，追施4次，4次的追施比例分别是现蕾期18.75%、初花期18.75%、盛花期26.25%、盛铃期11.25%。品种为中棉所96A人工播种，种植方式为76 cm等行距，膜宽2.28 m，1膜3行，小区面积为73.2 m2，3次重复。播前结合整地施入基肥P2O5(过磷酸钙) 100 kg/hm2、K2O(硫酸钾) 100 kg/hm2，灌溉方式为膜下滴灌，其他栽培管理措施同当地大田。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 冠层光分布

利用LI-191SA光合有效辐射传感器在棉花花铃期进行测定，测定时，选择晴朗无云的天气，在每个小区中选择长势均匀具有代表性的2行棉花，在棉花行间，水平方向以20 cm为间距分5个测量点，即0、20、40、60、80 cm。在垂直于地面的纵向位置上，自地面10 cm至冠层顶部以20 cm 为间距分6层，记作10、30、50、70、90、110 cm，共测量30个点。测量自10：00至19：00，且每隔3 h记录1次，对未采样点的PAR(光合有效辐射)截获率运用Kriging插值方法进行最优无偏估计，绘制棉花冠层不同空间位置的PAR等值线分布图。图1

1.2.2.2 光合指标日变化

于棉花花铃期，选择晴朗无云的天气，每个小区选取3株长势一致的棉株标记挂牌，在自然光源下利用CIRAS-3光合仪，从10：00～20：00每隔2 h测定1次棉花功能叶的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、气孔导度(Gs)，并计算气孔限制值Ls=1-Ci/Ca，Ca为大气CO2浓度((410±10) μmol/mmol，叶片水分利用效率WUE=Pn/Tr。

1.2.2.3 棉铃空间分布

在每个小区选取10株长势均匀一致的棉花，调查时间与PAR时间一致，调查各处理的下部铃(第1至第3果枝)、中部铃(第4～第6果枝)和上部铃(第7果枝及以上果枝)，(株高测定等同)，内围铃(第1果节)、外围铃(第2果节及以外)。

1.2.2.4 产量及其构成因素

于收获期在每小区选取具有代表性的连续10株棉花，测定株高、果枝数、茎粗、果枝始节高度、单株成铃数。各个小区选取具有代表性的植株，分别取下、中、上部吐絮铃各30个，测定单铃重，将每个小区的棉花全部实收，计算单位面积籽棉产量，轧花成皮棉测定衣分。

1.3 数据处理

采用Stata19和SPSS 19处理数据，Microsoft Excel 2010、Surfer 16绘制图表。

2 结果与分析

2.1 定点定量施氮对棉花农艺性状的影响

研究表明，连续定点定量施氮较未施氮处理对棉花株高、果枝数均有促进作用，施氮处理与未施氮处理间呈显著性差异，施氮处理的株高和果枝数分别比未施氮处理的平均增加了20.36%和13.22%，其中1～4果枝和7果枝以上未施氮处理与施氮处理间呈显著性差异，但施氮处理间差异不显著。表1

2.2 定点定量施氮棉花花铃期冠层光合有效辐射(PAR)截获率变化

研究表明，各处理棉花花铃期的光合有效辐射截获率在各个时段以及垂直高度上均呈现出相同的变化规律，即在各个时段，以行距中心为起点向两边植株水平方向延伸，随着延伸距离的增加PAR截获率呈现上升的趋势，垂直方向上，则随植株高度的降低而呈上升趋势，使得2行棉花之间的PAR截获率呈现明显的“V”字形，施肥水平越低“V”字形越显著。N0处理在垂直距离20～40 cm、水平距离40 cm处，PAR截获率在0.6～0.9变化，棉花对光照没有充分利用，N450处理PAR截获率垂直距离60～80 cm、水平距离40 cm在0.75～0.9变化，垂直距离60 cm以下的部位仅获得0.25～0.1透光率。N270处理PAR截获率在垂直距离60 cm为0.5～0.9，垂直距离60 cm以下部位仍会获得0.1～0.5的透光率，垂直距离20 cm PAR截获率为0.95～1，在垂直距离20 cm将光照完全截获。施氮处理和未施氮处理株高差异主要表现在1～4果枝(垂直距离30～40 cm)和7果枝以上(垂直距离60～80 cm)，未施氮处理在1～4果枝的光截获率为0.75～0.9仍然存在漏光现象，N450处理在7果枝及以上的光截获率为0.75～0.9导致7果枝以下部位无法获得充分的光资源，N270处理在7果枝以上的光截获率为0.5～0.9在第1果枝仍然有0.9～1的光没有造成光资源的浪费，且呈现了合理的光分布。表1，图2

表 1 定量定点施氮下棉花农艺性状变化Table 1 Effects of continuous nitrogen application on cotton agronomic characters

2.3 定点定量施氮对棉花花铃期光合参数日变化的影响

研究表明，各处理下的蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和净光合速率(Pn)的日变化均呈现双峰曲线，峰值基本上出现在12：00和16：00，在10：00～18：00施氮处理的Tr均高于未施氮处理，施氮处理间N450高于N270。在10：00～12：00，N450处理的Gs最小，平均为400.33 mmol/(m2·s)分别比N0、N270处理低了15.65%、21.57%；Gs在16：00～20：00未施氮处理呈现先慢后快的下降趋势，施氮处理则表现为快速下降的趋势，在18：00较其他处理最大比施氮处理分别高出17.23%、51.49%。在10：00～12：00，未施氮处理的Pn均比施氮处理小，在第1个峰值之后N0处理Pn基本处于最低水平，N270处理16：00以前Pn高于其他处理，16：00～20：00与N450趋势几乎一致，施氮可以减弱光合午休现象，但连续高施氮与中施氮处理间无差异。各处理叶片水分利用效率(WUE)日变化总体随时间呈现波动下降变化。不同处理在10：00～16：00，N0和N270处理的WUE无差异且均高于N450处理的，但16：00之后未施氮处理的WUE随时间迅速呈线性下降变化，且逐渐低于施氮处理的。各处理胞间二氧化碳浓度(Ci)随着时间推移呈现先下降后迅速上升的变化趋势，未施氮处理的Ci 10：00～20：00始终低于施氮处理的，而且最低值出现时间比施氮处理后延了2个h，10：00高氮处理相较其他处理差异显著，N450处理较其他处理高了19.27%，至20：00未施氮处理相较施氮处理差异显著，施氮处理较未施氮处理高了13.76%。未施氮处理由于氮肥施用不足导致棉花生长受限，除了导致其花铃期光合速率下降外，蒸腾速率降低及气孔限制值(Ls)上升，Ls 10：00～20：00的变化各处理呈现相同的变化趋势，均表现为先上升后下降的变化，与Ci呈现相反的变化，除了12：00～14：00，其余时间均表现为未施氮处理高于施氮处理。图3

2.4 定点定量施氮对棉铃空间分布的影响

研究表明，在纵向分布上，上、中、下部铃所占比例施氮处理与未施氮处理之间存在显著差异(P<0.05)。下部铃以未施氮处理最多，比施氮处理高出了88%，未施氮处理于垂直距离20 cm处的PAR截获率较施氮处理的高，下部仍能获得良好的光环境。施氮处理间差异不显著，N270较N450处理高了6.08%，在横向分布上，各处理均以内围铃为主，占总铃数的83.1%～87.1%，且各处理间差异不显著，外围铃以N270处理最高，比N0、N450的分别高出了31.01%和14.97%。表2

表2 连续施氮棉铃空间分布Table 2 The spatial distribution of cotton bolls with continuous nitrogen application

2.5 定点定量施氮对棉花产量及产量构成因素的影响

研究表明，不同处理对棉花单株铃数、单铃重和产量影响显著，施氮处理的与未施氮处理的呈显著性差异，而施氮处理间差异不显著。施氮处理的单株铃数比未施氮处理的平均高出14.76%，单铃重平均高出了3.75%，籽棉产量平均高出了4.48%。施氮处理之间虽然差异不显著，但高施氮量的单株结铃数和籽棉产量均比中量施氮处理要低，N450处理的单株结铃数和籽棉产量分别比N270处理的降低了3.32%、5.44%%。表3

表3 连续施氮棉花产量及产量构成因素Table 3 Yield and yield components of cotton under continuous nitrogen

3 讨 论

在黄河流域对棉花的密度[22]、品种[28-29]对棉花冠层光分布的研究均呈现明显的“V”字形分布，最理想的受光结构为上部有最小的光截获，使中部叶片基本上充分受光，保证底部透光率较小[30]。研究表明，连续定点定量不同施氮处理的棉花冠层PAR截获率也呈现“V”字形分布。未施氮处理棉花冠层空间的PAR截获率比连施氮处理存在严重漏光现象，施氮处理间，高施氮处理上部PAR截获率过高也会引起冠层内光照恶化，植株下部的叶片由于光照不足使群体光合速率降低，与前人研究结果一致。在重复性氮肥试验研究光合日变化研究方向，黄彩霞等[31]认为高氮处理可以减弱甚至使“光合午休”现象消失。姬亚琴[32]、卢成达[33]等研究棉花花铃期光合日变化认为，Pn日变化、Tr日变化、Gs日变化的规律均呈双峰型曲线，Ci日变化呈现斜“V”字形的日变化规律，张学昕等[34]认为氮素水平在240～360 kg/hm2，净光合速率与施氮量呈正相关关系。曹生奎等[35]表明叶片WUE日变化一般上午时段的水分利用效率明显高于下午的水分利用效率。刘瑞显[36]认为WUE均随氮素水平的提高而增大，试验在连续2年定点定位施氮的设计下仍然获得与前人一致的结果。在一定施氮范围内，随着施氮量的增加，可以明显缓解光合“午休”现象，超过270 kg/hm2则不利于棉花光合“午休”的缓解，WUE日变化虽然有起伏变化，但是在10：00～20：00 WUE表现为7.14～4.07 μmol/mmol的下降趋势。WUE在施氮量为450 kg/hm2时有明显的下降趋势，原因可能是N450处理冠层比较密闭，空气的流通能力较弱，棉花为了降低叶面温度导致Tr会相对升高，这一结果与姬亚琴等[32]一致。

有关施氮量对棉花产量的研究表明，不同的生态等条件下，棉花的适宜施氮量存在差异。薛晓萍等[37]认为若供氮不足，棉花的各个部位生长不协调，光合产物不能足量的向棉铃转移，就无法获得高产优质。增施氮肥可以提高棉花的生物量，但氮肥施用过高易造成营养生长过旺，其快速生长期晚且持续时间延长，从而影响养分向蕾、铃的充分转移，导致产量降低。前人研究表明，在施氮0～360 kg/hm2增加施氮量，有利于提高棉花籽棉产量[38]。在肥力较低的环境中施氮225 kg/hm2，肥料的损失率最低[39]。张炎等[40]综合新疆各地试验结果，得出最高产量和经济最佳产量施氮量幅度分别在205.5～325.5 kg/hm2和162～298.5 kg/hm2。在施纯氮300 kg/hm2以下, 随着施氮量的增加产量相应提高, 在施纯氮300 kg/hm2以上, 随着施氮量的增加产量有相应降低之势，试验结果表明，连续定点定量施氮平均产量比未施氮处理高了4.48%，施氮少的N270比N450处理高了5.44%，相对N0、N450处理，N270条件下的植株构型最为合理，产量最优，这与前人[40]研究结果一致。

4 结 论

施氮有利于促进棉花的生长发育，但高量施氮促进作用已不显著。无论施氮与否棉花冠层在花铃期10：00～19：00的光分布均呈现“V”字形变化，N0处理垂直距离20 cm、水平距离40 cm处PAR截获率没有达到1，较施氮处理最低，造成冠层漏光、光资源浪费。N450处理7果枝以上对光的截获率较高，光照无法到达棉株下部导致棉铃脱落比较严重，造成产量下降，N270处理PAR截获率在7果枝以上为0.5～0.9，在第1果枝处PAR截获率0.9～1，没有造成光资源的浪费，且呈现了合理的光分布，使得N270处理的净光合速率较未施氮处理高，具有了明显的缓解光合午休的现象，但当氮肥达到450 kg/km2时，棉花光合午休现象减缓的力度反而下降，且在达到第2个峰值之后施氮处理棉花的Pn下降趋势几乎呈一致。长期不施氮使得氮肥成为了限制棉花产量提高的关键因素，但长期高量的施氮，累加效应不仅不明显，反而造成产量下降，连续定点定量中等施肥，即施氮量270 kg/km2时，棉花能获得较为理想的产量。