不同施氮量对棉花产量和棉田土壤养分的影响

李春梅 马云珍 徐文修,* 王 芳 李鹏程李 玲 房彦飞 张 娜

(1新疆农业大学农学院/棉花教育部工程研究中心，新疆 乌鲁木齐 830052；2中国农业科学院棉花研究所，河南 安阳 455000)

新疆是全国最大的优质商品棉基地，同时棉花产业是新疆农业的重中之重，但棉花的高产通常以大量的肥料投入为前提[1]，其中氮对棉花生长特性和植株构型及产量的影响显著[2]。然而，由于农户在作物施肥时易受“施肥越多，产量越高”和“植物生长不好就是缺肥”等观念的影响[3]，农田施肥量不断增加，尤其是长期高量施用氮肥。据统计，新疆棉花常年施氮量在390～525 kg·hm-2[4]，远超最佳经济施氮量和作物最高产量所需施氮量，过量施用氮肥导致棉花产量及品质不增反降[5-6]。

针对施氮过高的问题，国内外学者在棉花生长发育、植株养分、产量形成、氮肥利用率及土壤氮素残留等方面做了大量研究，但多数是基于一年或多年不定位的研究，虽然得出的研究结果对合理施氮具有重要的指导意义，但存在气候、土壤及试验差异性等影响，同时对肥料后效的影响研究尚不完善[7]。关于定位施氮对棉花产量的影响也有一些研究[8]，但得出的结果不尽相同。张允昔等[9]通过5年定位施氮试验得出，赣北棉区棉花高产经济最佳施纯氮量为308.70 kg·hm-2。 李鹏程等[10]通过3年田间小区定位试验得出，黄河流域棉区华北平原亚区中等肥力棉田施氮量为270.00 kg·hm-2时，氮肥回收率较高。前人研究表明，新疆肥料投入区域差异较大[11]，如索俊宇[7]从4年的定位试验结果得出，北疆棉区获得最高产量的施氮量为301.04 kg·hm-2， 南疆库尔勒地区为367.40 kg·hm-2。 而棉田中长期施用氮肥还显著影响地下部土壤养分状况[12]。杨宝平[13]在江苏省通过5年定位试验得出，合理的氮肥运筹(240.00 kg·hm-2)有利于提高棉花关键生育期土壤速效养分含量，有效减少土壤氮素淋失、挥发。加之作物产量的提高与土壤速效养分及有效性密切相关[14]。因此，需适时适量地施用氮肥[15]，以减少氮素在植物-土壤系统中通过挥发、反硝化、硝化和淋滤等途径流失[16]，进一步改善土壤氮管理并减少肥料的使用[17]。当前关于不同施氮水平对新疆棉花棉田土壤养分的累积变化及分布特征的定位研究较少。因此，本研究从棉田土壤养分管理的角度入手，深入探讨连续不同施氮水平下收获期棉田土壤养分的纵向累积变化特征，旨在揭示连续不同施氮水平下棉田土壤氮磷钾及有机质的变化规律，为棉花精准施肥和保持棉花高产提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

1.1.1 试验区概况 试验于2018—2020年连续3年在新疆阿拉尔农一师十团(中国农业科学院棉花研究所阿拉尔试验站)进行，该试验区位于天山山脉南麓、塔里木盆地北缘，地理坐标80°30′～81°58′E、40°22′～40°57′N，属暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，年均日照2 556.3～2 991.8 h，年均降水量40.1～96.0 mm，年均蒸发量 1 876.6～2 558.9 mm，2018、2019和2020年年平均气温分别为11.25、11.88和12.29℃。试验区土壤类型为沙壤土，土地平整，0～60 cm土层土壤养分为：有机质含量8.6 g·kg-1，全氮0.48 g·kg-1，碱解氮47.80 mg·kg-1、速效磷17.20 mg·kg-1、速效钾90.80 mg·kg-1。0～20 cm土层土壤pH值为7.7。

1.1.2 试验设计 试验采用随机区组试验设计，设置6个施氮处理(纯氮，单位kg·hm-2)：0(N0)、90(N1)、180(N2)、270(N3)、360(N4)、450(N5)，供试氮肥为尿素(含N 46%)，各小区氮肥总量的25%为基施，75%随水追施，分别是盛蕾期18.75%、初花期18.75%、盛花期26.25%、盛铃期11.25%。小区面积121.98 m2(10.7 m×11.4 m)，每个处理重复3次，共18个小区。各小区结合翻耕整地一次性施入基肥过磷酸钙(P2O5)和硫酸钾(K2O)各100 kg·hm-2。灌溉方式为滴灌，全生育期滴灌9次。2019和2020年在2018年各小区原位上进行重复试验。

供试品种由中国农业科学院棉花研究所提供，2018年为中棉所49，2019和2020年为中棉所96A。分别于2018年4月19日、2019年4月20日和2020年4月24日76 cm等行距播种，种植密度为18×104株·hm-2，地膜栽培，每年收获后秸秆粉碎还田(11月5日—11月6日)，11月11日进行冬灌。田间管理参照当地常规大田。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 土壤样品采集 2018、2019和2020年分别于棉花收获期在各小区采集土壤样品，取样时采用“S”型取样法，每个小区选取5个取样点，每个点取土深度0～60 cm，每20 cm为一层，将同一小区同一层5个样点的土壤混匀作为一个土样，即每处理3个土壤样。将取回土样放在阴凉处风干，然后过筛(10目)用于土壤养分测定(全氮测定将土样过100目筛)。

1.2.2 土壤养分测定 土壤全氮采用凯氏定氮法测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；速效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾采用 1 mol·L-1NH4OAc浸提，火焰光度计法测定；土壤有机质采用重铬酸钾氧化法测定[18]。

1.2.3 植株含氮量、干物重及棉花产量测定 收获期在各小区选取长势均匀且具有代表性的3株棉花，取样后立即装袋带回实验室，分茎、叶、铃等器官(未取根)，放入105℃烘箱杀青30 min，80℃烘至恒重，冷却后测定其干物重，留样并采用奈氏比色法[18]分别测定各个部分的含氮量。棉花完全吐絮后，人工实收，晒干后称重计产。

1.3 数据处理

采用 Microsoft Excel 2019软件进行数据分析和制图，SPSS 19.0 统计软件进行方差分析。

氮肥农学利用率(kg·kg-1)=(施氮区棉花产量-不施氮区棉花产量)/施氮量

氮肥表观利用率=(施氮区作物吸氮量-不施氮区作物吸氮量)/施氮量×100%。

2 结果与分析

2.1 连续定点定量施氮对棉花植株干物重和含氮量的影响

由图1、2可知，不同年际间各处理地上部单株干物重和单株含氮量均表现为随施氮量的增加呈现先升后降的趋势，且均在N3处理达到峰值。进一步分析不同部位干物重和含氮量发现，棉花地上部单株干物重和单株含氮量组成均以棉铃部位占比最高，棉铃部位干物重占单株干物重的比例在2019年为56.48%～63.02%，2020年为60.49%～65.16%，棉铃部位含氮量占单株含氮量的比例在2019年为59.40%～62.91%，2020年为59.04%～61.58%。植株棉铃的干物重和含氮量也随施氮量的增加呈现先升后降的趋势，均在N3处理下最高，N3处理棉铃干物重和含氮量与N0处理相比，2019年分别高出42.73%、50.65%，2020年分别高出90.24%、121.43%。2019年和2020年棉株茎和叶的干物重及含氮量均随施氮量的增加呈现增加趋势，且N2、N3、N4和N5处理间差异均不显著。表明各处理间地上部单株干物重和单株含氮量的变化主要由植株棉铃来决定，且中量施氮与不施氮相比，植株干物质积累多、含氮量高、吸氮效果好。

注：同年同部位不同小写字母表示不同施氮量处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters in the same part of the same year indicate significant differences between treatments with different nitrogen application rates at 0.05 level. The same as following.图1 不同处理地上部棉花植株干物重比较Fig.1 Comparison of dry matter weight of shoot cotton plants with different treatments

图2 不同处理地上部棉花植株含氮量比较Fig.2 Comparison of nitrogen content of shoot cotton plants with different treatments

进一步分析年际间差异可知，与2019年相比，2020年N0、N1处理地上部单株干物重和单株含氮量有所减小，单株干物重减小23.17%和25.05%，单株含氮量减小22.70%和28.58%，N2、N3、N4和N5处理则增加，单株干物重依次增加2.33%、8.04%、6.78%和5.69%，单株含氮量依次增加9.74%、8.41%、11.85%和13.86%。

2.2 连续定点定量施氮对棉花产量的影响

由图3可知，不同年份数据均表明施氮会影响棉花皮棉产量，表现为皮棉产量随施氮量的增加呈现先升后降的趋势，在N3处理达到最高。经连续3年定点定量施氮后，在2020年N3处理皮棉产量最高，为 2 574.99 kg·hm-2，与其他处理相比分别显著高出69.21%、22.01%、8.95%、11.65%、10.55%。进一步分析年际间差异发现，2018年各处理棉花皮棉产量普遍高于2019年，但与2020年相比，2018年仅N0和N1处理较高，这与2018年的棉花品种不同于2019年和2020年有关，也与定点施肥年限有关。随种植年限的延长，不施氮的N0处理棉花皮棉产量持续降低，2020年N0处理的棉花皮棉产量较2018年和2019年分别降低了31.90%和17.19%。而在相同棉花品种条件下，各施氮处理2020年棉花皮棉产量均高于2019年，依次高4.21%、15.60%、16.50%、9.11%和10.96%。表明连续不施氮(N0)会导致棉花皮棉产量持续降低，中量施氮(N3)则有利于棉花持续高产，且增产比例最大，优于高量施氮处理(N4、N5)。

注：同年不同小写字母表示不同施氮量处理间差异显著(P<0.05)。Note: Different lowercase letters of the same year indicated significant difference between different nitrogen application rates at 0.05 level.图3 不同处理棉花实收皮棉产量比较Fig.3 Comparison of lint yield of cotton under different treatments

2.3 连续定点定量施氮对棉田土壤全氮的影响

如表1所示，不同年际间数据均表明，各土层土壤全氮含量随施氮量的增加基本呈现先降低后升高的变化趋势，各处理土壤全氮含量均随土层的加深基本呈现减小趋势，且0～20 cm土壤全氮含量均表现为不施氮(N0)处理最高。进一步分析不同年际间土壤全氮含量变化可知，2018年0～20 cm土层表现为N4处理最低，20～40 cm和40～60 cm土层表现为N3处理最低，2019年0～20 cm和40～60 cm土层表现为N3处理最低，20～40 cm土层表现为N5处理最低。且2018年和2019年均表现为N3处理0～60 cm土壤全氮平均含量最低，分别为0.60和0.68 g·kg-1。连续施氮 3年后，2020年各施氮处理0～60 cm各个土层土壤全氮含量均以N4和N5处理较高，表明连年高量施氮肥，会显著增加收获期棉田土壤全氮含量。比较连续3年定点定量施氮(2020年)与施氮1年(2018年)各处理各土层土壤全氮含量可知，N0、N1和N2处理各土层的土壤全氮含量较2018年均降低，N3处理0～20 cm和20～40 cm土壤全氮含量较2018年有所增加，而N4和N5处理20～40 cm土壤全氮含量较2018年增加比例较大，分别为58.97%、68.06%。表明连续施氮不足可能造成土壤氮素连年降低，高量施氮则增加土壤全氮含量。

表1 不同处理土壤全氮比较Table 1 Comparison of soil total N under different treatments /(g·kg-1)

2.4 定点定量施氮对棉田土壤碱解氮的影响

由表2可知，3年数据均表明，各处理土壤碱解氮含量随土层的加深基本呈现减小趋势，各施氮处理土壤碱解氮含量表现为随施氮量的增加基本呈波动上升趋势。进一步分析不同年际间土壤碱解氮变化规律可知，2018年土壤碱解氮主要集中在0～20 cm和20～40 cm土层，N0、N1和N2处理0～20 cm土壤碱解氮含量显著低于N3、N4和N5处理，说明中量和高量施氮可显著提高0～20 cm土层土壤碱解氮含量。2019年0～40 cm土层各处理土壤碱解氮含量均表现为N4和N5处理高于其他处理。定点定量施氮3年后，2020年N0、N1、N2和N3处理土壤碱解氮含量主要集中在0～20 cm和20～40 cm土层，40～60 cm土壤碱解氮含量相对较少，N4和N5处理各土层的碱解氮含量均高于其他处理，且土层间碱解氮含量差异较小。

表2 不同处理土壤碱解氮比较Table 2 Comparison of soil alkaline hydrolysis N in different treatments /(mg·kg-1)

进一步分析年际间差异可知，各处理0～60 cm各土层的土壤碱解氮含量均随种植年限的增加而减少，其中不施氮处理(N0)和中量施氮处理(N3)土壤碱解氮下降比例较大，表明连年定点定量施氮条件下，不施氮和中量施氮更利于植株对土壤中碱解氮的吸收利用。

2.5 定点定量施氮对棉田土壤速效磷的影响

由表3可知，土壤速效磷主要集中在0～40 cm土层。进一步分析可知，2018年各施氮处理表现为0～20 cm和20～40 cm土层土壤速效磷含量均高于40～60 cm土层，且各处理间20～40 cm、40～60 cm土层速效磷含量均以不施氮的N0处理显著高于各施氮处理，而各施氮处理间除20～40 cm土层N1处理土壤速效磷含量显著低于N3、N4、N5处理外；20～40 cm和40～60 cm土层其余各处理间差异不显著。2019年0～20 cm土壤速效磷含量表现为N3、N4和N5处理低于N0、N1和N2处理。2020年各土层土壤速效磷含量也基本表现为N3、N4和N5处理低于N0、N1和N2处理。表明中量和高量施氮有助于促进植株对土壤中速效磷的吸收利用。

表3 不同处理土壤速效磷比较Table 3 Comparison of soil available P under different treatments /(mg·kg-1)

进一步比较年际间土壤速效磷含量可知，随种植年限的延长，N0和N3处理0～20 cm土壤速效磷含量呈增加趋势，20～40 cm、40～60 cm土层速效磷含量变化基本不大；N1和N2处理各土层速效磷含量均呈现增加趋势，N4和N5处理各土层速效磷含量则基本未表现出累积。表明高量施氮更利于植株对0～60 cm土层土壤速效磷的吸收利用。

2.6 定点定量施氮对棉田土壤速效钾的影响

由表4可知，不同年际间各施氮处理0～60 cm土壤速效钾含量均随施氮量的增加基本呈现先降低后升高再降低的趋势。土层间土壤速效钾含量表现为0～40 cm大于40～60 cm。分析不同年际间土壤速效钾分布规律发现，2018年各土层土壤速效钾含量基本表现为不施氮处理高于各施氮处理，土壤速效钾含量在0～20 cm土层表现为N3处理最低，20～40 cm土层N5处理最低，40～60 cm土层速效钾含量各施氮处理间差异不显著。2019年N3处理的速效钾含量在0～20 cm和40～60 cm土层均表现出最低水平，20～40 cm土层以N5处理最低。连续3年定点定量施氮后，至2020年N3处理各土层土壤速效钾含量均显著低于其他处理。

表4 不同处理土壤速效钾比较Table 4 Comparison of soil available K under different treatments /(mg·kg-1)

通过年际间比较可知，2019年和2020年各土层各处理速效钾含量分别较2018年相比基本呈增加趋势，且随种植年限的增加，处理间出现显著性差异的次数增加。连续3年N3处理土壤速效钾含量基本处于最低水平，且2020年N3处理0～60 cm速效钾平均含量较其他处理最低，为77.80 mg·kg-1， 与2018年播前0～60 cm土层速效钾含量(90.75 mg·kg-1)相比降低了14.27%，因此，连年中量施氮有利于棉株吸收土壤中的速效钾，但连年中量施氮且不增施或不追施钾肥可能会造成0～60 cm土层土壤钾素的亏缺。

2.7 定点定量施氮对棉田土壤有机质的影响

由表5可知，不同年际间各处理有机质含量基本表现为0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm的变化规律。分析不同年际间棉田土壤有机质分布规律发现，2018年0～20 cm及20～40 cm土层各处理间有机质含量均无显著差异，40～60 cm土层有机质含量以N1处理显著低于其他处理，其他各处理较N1处理分别高出92.74%、71.16%、57.05%、71.16%、71.16%。2019年各土层有机质含量均表现出N4和N5处理高于其他处理，表明2019年高量施氮处理利于土壤有机质的积累。连续3年定点定量施氮后，2020年各处理各土层间土壤有机质含量均未表现出显著差异，但各土层土壤有机质含量均以N3处理最低。进一步分析可知，各处理各土层土壤有机质含量随种植年限的增加变化不大。但N3处理有机质含量随种植年限的增加呈现降低趋势，表明连续中量施氮可促进土壤有机质的分解转化，但未呈现显著差异。

表5 不同处理土壤有机质比较Table 5 Comparison of soil organic matter under different treatments /(g·kg-1)

2.8 定点定量施氮对棉花氮素利用参数的影响

由表6可知，施氮均会影响氮肥农学利用率和氮肥表观利用率。2018年氮肥农学利用率随着施氮量的增加呈现先升后降的趋势，至N3处理达到最高，2019年和2020年氮肥农学利用率均表现为随着施氮量的增加呈现下降的趋势。氮肥表观利用率3年数据均表现为随着施氮量的增加整体呈现先升后降的趋势，均至N3处理达到最高，且较其他处理基本呈显著性差异。至2020年，其余各施氮处理的氮肥表观利用率较N3处理分别降低了50.29、20.93、20.13和30.19个百分点。进一步分析可知，随种植年限的增加各处理氮肥农学利用率和氮肥表观利用率呈上升趋势，与2018年相比，2020年氮肥表观利用率，以N3处理上升最多，为45.94个百分点。表明当施氮量为270 kg·hm-2时，可在获得高产的同时，获得较高的氮肥农学利用率和氮肥表观利用率。

表6 不同处理棉花氮素利用参数比较Table 6 Comparison of parameters of cotton nitrogen utilization under different treatments

3 讨论

3.1 施氮量对植株含氮量、作物产量及氮肥利用率的影响

前人研究表明，增加棉花对氮素的吸收能提高棉花产量[10]，这与本研究结果一致。本研究结果表明，棉田连续不施氮肥或低量施氮均不利于棉花植株干物重和植株氮素积累，不利于形成高产，连续中量施氮会促进棉花植株吸收氮素并提高棉花产量，而连续高量施氮只会造成浪费而不能持续增产，这与前人研究结果相似[19-21]，即施氮不足或过量均会导致产量下降。表明连续中量施氮可平衡棉花植株与氮素间的供需关系，利于棉花持续增产。张允昔等[9]发现氮肥表观利用率和农学利用率均随施氮量的增加而显著降低，与本研究结果不一致，这可能与种植模式、试验地环境条件，农用管理措施及定位施肥年限等密切相关。本试验发现，低施氮量虽能提高氮肥的农学利用率，但明显降低了产量，高施氮量不仅农学利用率低下，而且增加了引发生态环境负面效应的危险，这与前人研究结果相似[22-23]。因此，在一定的施氮量范围内减少施氮量，可获得较高的氮肥利用率，提高棉花产量。

3.2 施氮量对棉田土壤养分的影响

本试验与刘艳[20]等研究结果一致，表明氮肥的施用量并不是越多越好，用地不养地会严重耗竭土壤肥力。因此，确定合理施氮量是获得高产量、维持土壤氮肥力和降低施氮引起环境污染的关键。土壤全氮含量通常用于衡量土壤氮素的基础肥力。本研究发现随种植年限的延长，高量施氮处理土壤全氮含量呈上升趋势，不施氮或低量施氮处理土壤全氮总体呈下降趋势，与王子凤等[24]的研究结论不完全一致，可能是因为试验定位施氮年限相对较短或种植模式及环境条件等不同。且本研究显示2019年和2020年N5处理与N4处理相比土壤全氮、速效养分和有机质含量整体较低，这可能是因为N5处理连续施氮高于N4处理，造成棉花营养生长过旺[25]，增加了植株和土壤生物对土壤养分的消耗[13]，或是因为土壤肥力条件达到一定程度(土壤全氮含量 0.74～1.29 g·kg-1时)，氮肥施用效果下降[26]。本研究得出棉花生长所吸收的速效养分主要集中在土壤0～40 cm土层的结论，与杨玉玲等[15]的研究结果相一致。从3年数据来看，施氮会增加土壤碱解氮的含量，这与赵敬坤等[27]的研究结果一致。但2018年试验结果显示，不施氮肥处理棉田土壤全氮、碱解氮含量与高施氮肥处理相比差异不显著，这可能是因为地块差异，也可能是由于不施氮处理下植株矮小且早衰，植株利用的土壤氮素少，加之每年秸秆还田，因此不施氮处理土壤全氮和碱解氮含量较高氮处理未显著减少，而2019年和2020年，由于种植年限增加，缺氮效应累积，处理间差异逐渐显著。本试验结果表明，连续不同施氮水平下，中量施氮可促进植物对磷肥、钾肥的吸收，这与陈松鹤等[28]的研究结果一致。杨旸等[29]研究认为长期单一施氮易导致土壤磷库和钾素呈亏损状态，而本研究也表明在施氮量达到适宜时，若连续多年不追施或不加施钾肥，可能会造成土壤中0～60 cm土层钾素的耗竭。表明在施氮量达到适宜水平时，氮素不再是产量增长的限制因子，可考虑适当增施钾肥。

本研究围绕南疆棉花连续定点定量施氮问题，对连续不同施氮水平下收获期棉田不同土层土壤养分含量变化进行了初步研究，但定点定量施氮条件下，随棉花生育进程的推进，土壤养分动态变化及其对各生育时期植株氮素积累和产量形成的影响还有待进一步深入研究，同时土壤氮素无效消耗及流失方向尚不明确。

4 结论

本研究结果表明，随种植年限的增加，不施氮会导致棉田土壤全氮、碱解氮含量连年降低，且不施氮和低施氮均不利于棉花单株干物重和单株含氮量的增加，不能形成高产；连续中量施氮会促进棉田土壤有机质、全氮的转化，减少收获期土壤速效养分的累积，利于棉花单株干物重、单株氮素含量的增加，并获得高产(2020年为2 574.99 kg·hm-2)和较高氮肥表观利用率；而连续高量施氮则会增加收获期0～60 cm土层土壤氮素累积，并使单株干物重和单株氮素含量降低，最终导致减产(2020年较最高产量相比分别减产10.43%、9.54%)。综合考虑，当南疆阿拉尔地区棉花氮肥用量为270 kg·hm-2时，可实现棉花植株含氮量高、作物产量高、氮肥利用率高的效果，同时可有效避免收获期棉田土壤速效养分残留，有利于形成高产的良好土壤环境。