氮钾互作对长江流域棉花产量和氮肥利用效率的影响及适宜施肥水平研究

李林洋，夏淑洁，张润花，张润琴，陈 鹏，姜 颖，刘 毅*，李志国*

（1.中国科学院武汉植物园流域生态学研究中心，湖北 武汉 430074；2.武汉市农业科学院蔬菜研究所，湖北 武汉 430065）

农作物的生长除了需要光照、温度、水分外，肥料也是影响其生长的重要因素之一。施肥可以提供农作物所需要的营养元素。按所含成分来划分，其中最常用的肥料种类是氮肥、钾肥和磷肥。氮肥在保证粮食稳产高产和粮食安全供给中发挥了巨大的作用［1-2］。但是，随着农业生产快速发展，出现了化肥滥用滥施的现象，氮肥的当季利用率仅为30%～35%，其余大部分氮素则以各种形式进入大气和水体［3-4］，造成氮肥的严重损失和环境污染，严重威胁着我国农业可持续有效发展。钾肥施用可以促进作物的光合作用以及抗逆性来增加作物产量，但是它的不合理利用也会造成一系列的农业污染问题。

矿质养分的互作是影响作物养分高效利用及产量品质形成的一个重要因素［5-6］。研究表明，通过增加或降低生长介质中钾素有效性，可以有效促进作物对碳水化合物与蛋白质的合成与运转，从而提高氮素利用率，降低氮素流失，对提高氮肥利用率以及产量与品质具有显著作用［7-9］。本研究以棉花为研究对象，设置氮、钾互作的大田小区试验，旨在验证和探明钾素有效性与氮素协同增效的机制，提出钾素与氮协同增效的施用方法和施用标准，为实现氮磷“减施增效”提供重要保障。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2017年在武汉市黄陂区武汉市农业科学院蔬菜研究所实验基地（简称武汉黄陂区）和2018年在湖北荆州市大同湖农场（简称荆州大同湖区）进行。两个地区均属亚热带季风性湿润气候，年均降水量1100～1300 mm，70%的年降水量发生在4～9月。两个试验地的土壤类型分别为黄棕壤土和潮土，基本理化性状见表1。种植模式均为一季棉花-冬闲。

表1 试验土壤基本理化性质

1.2 试验处理

本试验为双因素，一个因素为施氮量，另一个因素为施钾量。2017年，在武汉黄陂区设置3个氮水平（0、140、280 kg·hm-2，记为N0、N140、N280）和3个钾水平（0、120、220 kg·hm-2，记为K0、K120、K220）。2018年，在荆州大同湖区设置4个氮水平（0、150、300、450 kg·hm-2，记为N0、N150、N300、N450）和3个钾水平（0、90、240 kg·hm-2，记为K0、K90、K240）。两个试验均采用随机区组设计，小区长为5 m，宽为4 m，面积为20 m2。试验所用氮肥为尿素（N 46%）、磷肥为普通过磷酸钙（P2O512%）、钾肥为氯化钾（K2O 60%）。施肥比例为：K肥35%基肥，65%花铃肥；尿素25%底肥，50%花铃肥，25%盖顶肥。施肥方式为行间深施10 cm以上。本试验供试棉花品种为“鄂杂棉10号”，株距70 cm，行距80 cm，株数约1.8万株·hm-2，营养钵（50孔）育苗移栽，全程化控和打药。

1.3 试验指标与方法

每个小区分别于7月上旬、8月上旬、10月上旬取棉花地上部植株样品，每小区选代表性的植株3株，将茎、叶、蕾铃等器官分类采集，测定各器官的氮素含量。棉花产量按小区分别分次收花，累计每个小区棉花实收产量。单铃重按收花时间分别取不同果枝（下、中、上层）的吐絮棉铃10个，晒干、称重，计算铃重。土壤样品在棉花种植前和收获后用土钻采集，取样深度为表层0～20 cm。植株样品通过浓硫酸-H2O2消解，凯氏定氮仪测定棉株全氮含量。土壤样品碱解氮含量采用碱解扩散法测定，有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用乙酸铵提取-火焰光度法测定。

1.4 试验统计方法

用SPSS 13.0进行方差分析，处理间各指标采用LSD法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 氮钾互作对棉花产量和其构成因素的影响

N、K肥料对产量影响显著，N肥的影响程度大于K肥（表2）。2017和2018年，施N处理产量与N0处理相比，分别显著增产36.5%～39.8%和51.1%～71.9%。棉花产量均随施N量的增加呈逐渐增加趋势。K肥的施用也可显著提高棉花产量。与K0处理相比，2017和2018年施K处理的棉花产量分别显著增产14.3%～24.5%和17.7%～23.4%。棉花产量均随施K量的增加逐渐升高。N肥和K肥的配合施用存在明显的交互作用，可显著增加棉花产量。低K（K90）下增N的增产幅度（50%～63%）高于高K（K240）水平（34%～47%），低N（N150）下 增K的 增产效果（24%～28%）高于高N（N450）水平（-0.1%～2.5%）。K0条件下，棉花产量随施N量的增加呈显著升高的趋势，在适宜钾（K90）和高钾（K240）条件下，N肥施用效果在高量施用氮（N450）的情况下受到抑制，适宜氮（N300）处理下的增产幅度最高。在不同N肥水平下，产量均随施K量的增加而显著增加，且随N水平的增加，K肥增产效果呈降低趋势。试验条件下，2017和2018年最高产量的施肥处理分别为N140K220和N300K240。

N肥的施用可显著增加棉花单铃数和铃重（表2）。2017和2018年，施N处理与N0处理相比，单铃数分别显著增加11.9%和42.3%；铃重分别显著增加22.4%～25.5%和13.3%～21.5%。与N类似，施用K肥后的棉花产量构成因子单铃数和铃重均有显著升高的趋势。2017和2018年，施K处理与K0处理相比，单铃数分别显著增加4.7%和14.6%；铃重分别显著增加1.2%～14.1%和11.8%～15.4%。N肥和K肥的配合施用对单铃数的影响存在显著的交互作用，而铃重的交互作用不明显。在N0条件下，单铃数随K肥用量的增大而显著增加，而在低N（N150）和适宜N（N300）下，K肥处理下的单铃数显著高于无K处理，但K肥之间无显著差异，在高氮（N450）下，施K与不施K均无显著差异。

表2 氮钾互作对棉花产量和其构成因素的影响

2.2 氮钾互作对棉花生长的影响

N肥和K肥显著促进棉花生长（图1）。随N肥用量的增加，棉花地上和地下生物量都显著增加，与N0比，增施N肥处理的地上和地下生物量分别增加58%～91%和38%～50%（图1a）。同样，增施K肥也显著增加地上和地下生物量，与K0比，增施K肥处理的地上和地下生物量分别增加71%～89%和31%～51%（图1b）。N肥和K肥配施对棉花生长存在显著的交互作用（图1c）。随N肥用量的增加，K肥对棉花根系生长的增长效果逐渐降低，而对地上部的增长效果先增加后降低。随K肥施用量的增加，中N（N300）处理下K肥对棉花根系和地上增长幅度最高，高N（N450）抑制K肥对地上和地下生物量的增长效果。在所有N肥和K肥料的处理中，高N中K（N450K90）处理的地上和地下生物量最高，比N0处理分别增加124%和184%。

图1 氮钾互作对棉花收获期生物量的影响

2.3 土壤养分含量

N、K水平及其交互作用极显著影响土壤碱解氮含量（图2）。与不施N肥处理比较，N140和N280处理极显著增加土壤碱解氮含量，且其含量随施N量的增加而增加（图2a）。施K显著增大土壤碱解氮含量，其含量随施K量的增大而降低。

N肥和K肥的交互作用对土壤碱解氮含量的影响均表现为极显著。与N0处理比较，N450极显著增加土壤碱解氮含量（图2b）。施K肥显著增加土壤碱解氮含量，在N0和中量N肥N150的条件下，K肥在K90处理土壤的碱解氮含量最高且随K肥的增加而降低，在高量N肥N300下，随K肥的增加而提高，在K240处理土壤碱解氮含量最高，而在高量N肥N450处理下，施K反而降低土壤碱解氮含量。

图2 2017和2018年不同施肥处理下对土壤碱解氮含量的影响

2.4 氮钾互作对棉花氮素吸收、氮肥利用率（NUE）的影响

N肥的施用可显著提高棉花地上部N素吸收量（表3），2017和2018年，施N处理吸N量与N0处理相比，分别显著增加25.4%～27.0%和43%～165%。地上部吸N量随施N量的增加呈先逐渐升高后降低的趋势。同样，NUE也随施N量的增加呈先升后逐渐降低的变化。K肥的施用也可显著提高棉花地上部N素吸收量和NUE。与K0处理相比，2017和2018年施K处理棉花地上部吸N量分别显著增加25.6%～29.3%和23.5%～75.1%，平均增幅为38.38%，NUE分别增加5.1%～22.5%和7.0%～23.8%，平均增幅为14.6%。N肥利用效率由不施K肥的15.6%～26.4%提高到施K肥后的44.5%～45.1%。N和K肥配合施用对棉花地上部N素吸收存在显著的交互作用。在高量N肥（N450）和低量N肥（N150）下，K肥对棉花N吸收量的增加作用受到抑制，适宜N肥（N300）处理下的增产幅度最高。本试验条件下，2017和2018年的N140K120、N140K220和N300K240处理的NUE最高，说明施用K肥可明显提高NUE。

表3 氮钾互作对棉花氮素吸收、氮肥利用率的影响

2.5 棉花氮钾互作增效的适宜施肥水平

棉花产量（Y）与N肥和K肥施用量的关系如图3所示。棉花产量随N肥和K肥用量的增加均呈先增后降的趋势。产量与N肥和K肥的效应方程分别为Y=-0.011x2+8.2395x+2178.3和Y=-0.0185x2+7.1517x+2787.3。N、K协同增产的最佳N肥用量为190～375 kg·hm-2，平均283 kg·hm-2；最佳K肥用量为56.5～185 kg·hm-2，平均120 kg·hm-2。

图3 棉花产量与氮肥和钾肥施用量的关系

3. 讨论

3.1 氮钾互作对棉花产量的影响

N和K是棉花生长的关键限制因子，适当的N、K配比能保证矿质养分平衡吸收，利于棉花产量形成［10-12］。本研究通过分析不同的N、K施用量对棉花产量的影响，进一步支持了N、K对增产的作用表现为正交互作用的观点［8］，在N或K用量相同时，增加K或N均能显著提高棉花单铃重和产量，而在不同N或K水平下，增施不同量的K或N，增产幅度也存在显著性差异。低K（K90）下增N的增产幅度（50%～63%）高于高K（K240）水平（34%～47%），低N（N150）下增K的增产效果（24%～28%）也高于高N（N450）水平（-0.1%～2.5%），此外，高K下增产率随N量的增加而降低。不同于以往对长江流域棉花氮钾推荐施肥量约为280和225 kg·hm-2［13-15］，本研究中，N、K协同增产的最佳N肥用量为190～375 kg·hm-2，平均283 kg·hm-2；最佳K肥用量为56.5～185 kg·hm-2，平均120 kg·hm-2，棉花产量随N、K施用比例增加而增加，高产棉花（皮棉1500 kg·hm-2以上）的N、K吸收比例为1∶1［8］。原因可能是本研究中选用试验田的基础K素肥力较高，均大于140 mg·kg-1，所以试验得出的K推荐量可能相对偏低。此外，较低的K肥施用量可能与K肥采用的施入方式有关，本研究中K肥采用基施和花铃肥的方式施入，相比一次性基施，可获得更高的肥料效率和产量。李书田等［16］通过大田试验也观察到K肥分次施入的产量显著高于一次性基施的现象。可见，在棉花生产过程中，应依据不同的土壤条件以及施入的时期和方式确定相应的N或K，以获得最佳的经济效益。

3.2 氮钾配施对棉花养分吸收和肥料利用率的作用

N、K互作增产机理不仅体现在K+以充当NO3-的泵的形式促进N的吸收［8］，而且K对N素代谢也有影响［7］，如K+对蛋白质和酶的活化和稳定性［17］、氨基酸合成和运输的作用［18-19］等方面均具有促进作用。本研究也证实了，随着K供应量的增大，N的吸收累积会显著提高，N肥利用效率由不施K肥的15.6%～26.4%提高到施入K肥后的44.5%～45.1%。此外，本研究还发现不同N水平下供K对N肥利用效率的提升作用具有显著差异，中N下供K，N肥的利用效率比低N或高N下供K的提高作用更为显著，这意味着高N下并不能通过提高供K水平而增加植物对N肥的利用效率。据报道，当大量施N而供K不足时，植物可能会积累大量的蛋白质合成的中间产物或异常的N化合物，如腐胺、鲱精胺和多胺等，当细胞内这些产物浓度达到0.15%～0.20%时，细胞会中毒死亡或出现块状等不可逆坏死组织，即便以后提升K素，也不能恢复植物的正常生长水平［8，20-21］。

因此，在棉花实际生产中应该充分考虑到N、K之间的交互作用，发挥N、K肥效应的促进作用。棉花不同生长发育时期N、K养分发挥的生理代谢作用有所变化，N、K肥的互作效应也会受影响［22］，因此，如何保证棉花不同生长阶段配施合理的N、K肥比例和施用量，达到最佳产量水平，是需要进一步考虑的因素。

4 结论

连续两年的田间试验结果表明，与单施N肥或K肥相比，N肥、K肥配施显著提高棉花地上、地下生物量，促进N肥的利用效率及籽粒分配，减少N肥土壤残留，提高棉花产量。在棉花生产过程中，应该充分考虑到N、K之间的交互作用，依据不同的土壤条件确定相应的N、K的施用量，以获得最佳的经济效益。在长江流域，棉花最佳N肥用量为190～375 kg·hm-2，平均283 kg·hm-2，最佳K肥用量为56.5～185 kg·hm-2，平均120 kg·hm-2。