适宜施氮量提高棉花氮磷钾养分积累和皮棉产量

冯卫娜，郑苍松，李小飞，孙 淼，邵晶晶，李鹏程，董合林

（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）

棉花是我国重要的经济作物，在国民经济中具有举足轻重的地位。氮、磷、钾是棉花正常生长需求量最大的矿质元素，也是其获得高产的重要保障。施用氮肥是棉花生产中最有效的增产手段，而不合理施氮不仅影响对氮素的吸收利用[1–4]、降低产量和品质[5–7]，同时也会影响磷、钾素的吸收利用[8–10]。已有研究表明，合理施用氮肥可以保证作物

体内充足的氮素积累，更好地进行各种代谢过程，进而促进对磷、钾素的吸收利用[11]。王伟妮等[12]在水稻上的研究发现，当施肥量为中低水平时，氮、磷、钾的互作效应表现为协同促进，当施肥量超过一定水平后则表现为拮抗作用。哈丽哈什·依巴提等[1]在

新疆棉花上的研究表明，施氮量在0～180 kg/hm2，棉花氮、磷、钾素吸收量和后期在生殖器官中的分配量均随着施氮量的增加而增加，而过量施用氮肥则会降低氮、磷、钾素吸收量和后期在生殖器官中的分配量。李伶俐等[13]研究表明，增施氮肥促进了杂交棉干物质和氮、磷、钾积累，但是当施氮量增加到300 kg/hm2后，促进效果不显著。李飞等[14]在长江流域棉区的研究表明，施氮量250～270 kg/hm2有利于棉株对氮、磷、钾素的吸收，促进干物质积累，提高棉花产量与品质。可见，明确不同施氮水平下棉花氮、磷、钾素吸收利用的相互关系，对于指导养分平衡供应、有效吸收利用、提高产量和品质等具有重要意义，且不同生态区促进棉花对氮、磷、钾素吸收利用的施氮水平并不一致[1,13–14]。

长期以来，如何合理调控氮肥施用量、提高棉花的氮素吸收利用效率和产量、改善纤维品质一直是棉花营养研究领域的焦点问题，而在氮、磷、钾素吸收利用关系及施氮对磷、钾素利用的影响上的关注相对较少。本研究通过黄河流域棉区不同施氮水平试验，探讨施氮量对棉花生物量和产量的影响，分析施氮量对棉花氮、磷、钾吸收利用的影响及其差异，磷、钾吸收利用与氮吸收利用的相关关系等，为该地区制定高产高效的养分管理策略提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计与管理

试验于2019 和 2020 年在中国农业科学院棉花研究所试验基地 (N 36°13′, E 114°35′；河南安阳)进行。该站点属于典型的半湿润气候，年平均气温14.2℃，降水量553.8 mm[15]。2019和2020年生长季降水量分别为454.1和317.5 mm，平均生长季气温为22.6℃和21.6℃[16]。供试土壤为砂壤土，2019年试验开始前0—20 cm土层土壤pH为7.96，含有机质 13.79 g/kg，全氮 0.90 g/kg，速效磷 17.92 mg/kg，速效钾 211.76 mg/kg。

采用裂区设计，主区设7个施氮水平：0、60、120、180、240、300、360 kg/hm2，分别用 N0、N60、N120、N180、N240、N300、N360 表示，副区为两个黄河流域主栽棉花品种：冀棉228 (中熟)和鲁棉研28号 (中早熟)，重复3次，相邻的小区间起垄，垄高约15 cm，避免因灌水造成肥料互渗。氮肥用尿素 (含N 46%)，其中40%播种前作为基肥施入，60%初花期伴随灌水追施，追肥位置距棉株约10 cm，以免造成植株损伤。磷肥 (重过磷酸钙，含P2O544%)和钾肥 (硫酸钾，含 K2O 51%)全部作为基肥施入，用量分别为 90  kg/hm2(P2O5)和 120 kg/hm2(K2O)。2019、2020年分别于4月30日、4月21日进行播种，两年均为过量播种，棉花出苗后待子叶展平进行疏苗，三叶期定苗，密度为60000 株/hm2。棉田除草、病虫害防治等其他管理措施按当地高产栽培管理进行。

1.2 取样方法与测定项目

分别于棉花苗期、现蕾、初花、盛铃和吐絮期，各小区取2株长势一致的棉株样品，从子叶节处剪开留取地上部，分为茎、叶 (含叶柄)、蕾花铃(铃壳、籽棉)等部位。所有植株样品于105℃烘箱杀青30 min后，75℃烘干至恒重。称重后粉碎过筛，分别测定植株全氮、全磷、全钾含量。用凯氏定氮法测氮，钼锑抗比色法测磷，火焰光度计法测钾[17]。

收获前于各小区中间行选择连续10株棉花，调查单株成铃数，收获全部吐絮籽棉并计数，籽棉风干后称重，并轧花测定衣分。各小区籽棉全部单收，风干后称重计产。

1.3 数据计算

1.3.1 地上部养分累积量 地上部养分 (氮或磷或钾)累积量 (kg/hm2)=茎、叶、蕾花铃等部位养分 (氮或磷或钾)累积量之和

1.3.2 皮棉生产效率及收获指数

1.3.3 施氮与不施氮地上部氮、磷、钾累积量的差异分析

式中：Ci为施氮处理的地上部养分含量；C0为不施氮处理的地上部养分含量；Wi为施氮处理地上部干物质重；W0为不施氮处理地上部干物质重[18]；i为某个施氮处理，分别对应N0、N60、N120、N180、N240、N300和 N360。

1.4 数据分析

采用 Microsoft Excel 2010 整理数据，SPSS 16.0软件进行方差分析，Duncan法进行多重比较，SAS 8.1 进行线性加平台分析，R 4.0.1进行相关矩阵分析。

2 结果与分析

2.1 施氮量对棉花生物量累积的影响

增施氮肥对现蕾以前棉花地上部干物质累积无显著影响，但对中后期尤其是盛铃和吐絮期生物量影响显著。增施氮肥显著增加了冀棉228初花后营养器官及盛铃后生殖器官的生物量，从而显著增加了棉株地上部生物量。与冀棉228不同，增施氮肥显著增加了鲁棉研28号现蕾后营养器官及盛铃后生殖器官的生物量。以上表明，生育期短的品种生物量对增施氮肥的响应要早于生育期长的品种。与不施氮相比，增施氮肥后冀棉228吐絮期营养器官、生殖器官、地上部生物量分别增加了10.7%～46.1%、9.8%～38.4%、10.2%～41.5%，鲁棉研28号分别增加了11.8%～47.5%、14.2%～47.3%、13.1%～45.6%。可见，增施氮肥显著增加了棉花生殖器官的生物量，从而增加了地上部生物量，且对鲁棉研28号生物量累积的促进作用大于冀棉228。施氮量在0～240 kg/hm2范围内，冀棉228吐絮期地上部生物量随着施氮量增加显著增加 (P<0.001)，当施氮量超过240 kg/hm2后，生物量没有显著增加。施氮量在0～180 kg/hm2范围内，鲁棉研28号吐絮期地上部生物量随着施氮量增加显著增加 (P<0.001)，施氮量超过180 kg/hm2后，生物量没有显著增加 (图1)。

图1 不同施氮水平下两个棉花品种生物量随生育期的累积Fig. 1 Biomass accumulation of two cotton cultivars with growing stages under different N application rates

2.2 施氮量对棉花生殖器官和地上部氮磷钾累积的影响及差异分析

养分的吸收和分配 (尤其是生殖器官的累积量)直接影响作物的生长发育，进而影响产量和品质。表1 显示，与不施氮相比，施氮显著增加了冀棉228和鲁棉研28号生殖器官和地上部的氮、磷、钾累积量，冀棉228生殖器官氮、磷、钾的累积量(两年平均)分别增加了11.9%～42.5% (平均34.5%)、8.6%～41.9% (平均 24.8%)和 8.2%～43.8% (平均27.2%)，地上部分别增加了15.8%～55.4% (平均37.5%)、6.6%～38.4% (平均 23.5%)和 8.9%～47.8%(平均29.2%)；鲁棉研28号生殖器官氮、磷、钾的累积量分别增加了19.2%～79.3% (平均49.2%)、18.8%～64.4% (平均 41.1%)和 11.0%～57.6% (平均38.2%)，地上部分别增加了19.0%～73.2% (平均47.2%)、11.2%～55% (平均 34.0%)和 7.8%～53.4%(平均35.5%) (表1)。施氮对棉株地上部氮、磷、钾累积量提高作用的大小顺序为氮>钾>磷，且无论哪种元素鲁棉研28号比冀棉228增加的幅度均较大。

表1 不同施氮量下两个棉花品种生殖器官和地上部氮磷钾累积量(kg/hm2)Table 1 Nitrogen, phosphorus andpotassium accumulation in reproductive andaboveground parts of two cotton cultivars under different Napplication rates

施氮对棉花地上部氮、磷、钾累积影响的差异分析 (表2)表明，施氮增加棉花地上部氮、磷、钾累积量是生物量和氮、磷、钾含量同时增加的结果，生物量增加的贡献 (65.9%～82.4%)大于氮、磷、钾含量增加的贡献 (17.6%～34.1%)，且鲁棉研28号比冀棉228更为明显。

表2 养分含量和生物量变化对提高棉花地上部氮磷钾积累的贡献率 (%)Table 2 Contribution of nutrient concentration and biomass to the increase of N, P and K accumulation in cotton shoot

2.3 施氮量对棉花产量及其构成因素的影响

施氮量对棉花产量及其构成因素均有显著影响(表3)。从产量上来看，施氮显著增加了冀棉228和鲁棉研28号的籽棉产量和皮棉产量。当施氮量超过180 kg/hm2后，两个品种的籽棉产量和皮棉产量均不再显著增加。与不施氮肥相比，2019年冀棉228 N180处理的籽棉和皮棉产量分别增加了9.4%、12.9%，鲁棉研28号分别增加了12.3%、11.9%；2020年冀棉228 N180处理的籽棉和皮棉产量分别增加了15.6%、19.7%，鲁棉研28号分别增加了12.5%、14.7%。2019年冀棉228的籽棉产量显著高于鲁棉研28号(P<0.05)，2020年两品种无显著差异。图2表明，两个品种的皮棉产量与施氮量呈显著的线性加平台关系 (P<0.05)。冀棉228达到最高产量时的施氮量为 180 kg/hm2，对应的皮棉产量为 1661 kg/hm2；鲁棉研28号达到最高产量时的施氮量为188 kg/hm2，对应的皮棉产量为1538 kg/hm2。

图2 皮棉产量与施氮量关系Fig. 2 Relationship between lint yield and nitrogen application rates

表3 施氮量对棉花产量及产量构成的影响Table 3 Cotton yieldand yieldcomponents as affected by Napplication rates

从产量构成因素来看，冀棉228的单株成铃数和鲁棉研28号的单铃重均随着施氮量的增加呈先增加后降低的趋势，以N240处理最高，但与N180处理差异不显著。两个品种的单株成铃数无显著差异(P>0.05)，2020 年冀棉 228 的单铃重 (6.1 g)显著高于鲁棉研 28 号 (5.9 g) (P<0.05)。冀棉 228 的皮棉产量两年均显著高于鲁棉研28号。综上，施氮主要影响单株成铃数和单铃重，进而影响产量，而对棉花的衣分含量无显著影响。

2.4 施氮量对棉花氮磷钾皮棉生产效率的影响

就皮棉生产效率 (表4)来看，氮肥处理间氮、磷、钾的皮棉生产效率差异均达到显著水平 (P<0.05)，而两个品种间的氮、磷、钾皮棉生产效率差异不显著，说明施氮对氮、磷、钾的皮棉生产效率的影响大于品种。氮、磷、钾的皮棉生产效率随着施氮量的增加而显著降低 (P<0.05)，2020年冀棉228的钾素皮棉生产效率除外。

表4 不同施氮量下棉花的氮磷钾皮棉生产效率(kg/kg)Table 4 Lint production efficiency of nitrogen, phosphorus and potassium as affected by N application rates

2.5 氮磷钾皮棉生产效率、收获指数和地上部氮磷钾累积量的关系

氮、磷、钾皮棉生产效率、收获指数和地上部氮、磷、钾累积量的相关矩阵分析 (图3)表明，氮、磷、钾皮棉生产效率与氮、磷、钾累积量显著负相关 (P<0.001)，磷素、钾素皮棉生产效率与氮素皮棉生产效率正相关 (P<0.001)。产量收获指数与氮、磷、钾的累积量显著负相关，而与氮、磷、钾收获指数间呈显著正相关 (P<0.05)，说明氮、磷、钾养分向籽棉的高效转移是提高籽棉产量的前提，产量收获指数可以作为肥料利用效率的间接选择指标。

图3 氮磷钾皮棉生产效率、收获指数和地上部氮磷钾累积量相关分析Fig. 3 Correlation analysis of NPE, PPE, KPE, HI, NHI,PHI, KHI with N, P, and K accumulation in shoot

3 讨论

3.1 施氮量对棉花氮磷钾累积、生物量及产量的影响

氮、磷、钾是棉花生产中需求量最大的必需矿质元素[19]，而氮肥合理运筹是协调氮、磷、钾等营养元素的吸收利用和同化物积累分配[20–22]，进而影响棉花生产力的重要手段。已有研究表明，增施氮肥可显著提高棉花氮、磷、钾的积累量, 特别是显著提高了生长后期氮、磷、钾的积累量和比例[7]。哈丽哈什·依巴提等[1]认为，施氮水平在 0 ～180 kg/hm2范围内，棉花氮、磷、钾吸收量和在生殖器官中的分配随施氮量增加而增加，而过量施用氮肥则使氮、磷、钾吸收量和在生殖器官中的分配下降。张宏等[2]研究表明，在新疆覆膜滴灌条件下，施氮量在0～220 kg/hm2范围内，棉花对氮、磷、钾的吸收量随施氮量增加显著增加，当施氮量大于220 kg/hm2时增加不显著。郭小琰等[23]认为，在河南安阳，施氮水平在0～168.75 kg/hm2范围内，棉花氮、磷、钾吸收量随施氮量增加而增加，而过量施用氮肥后氮、磷、钾的吸收量下降。本试验条件下，棉花生殖器官和地上部的氮、磷、钾累积量先随施氮量增加显著增加，超过一定施氮水平后不再显著增加或呈下降趋势，表明适宜的氮肥投入有利于棉花对氮、磷、钾养分的积累，与前人[1–2, 23]的结果一致。这可能是由于在磷、钾肥用量不变的情况下，施氮促进了棉花地上部对氮素的吸收，促进碳水化合物的合成和转运，棉株生长加快[24]，导致植物体内磷、钾元素的“稀释效应”，相应地，为了维持体内的养分平衡，棉株吸收磷、钾的量增加，即氮素吸收对磷、钾的吸收具有带动作用。

施氮对棉株氮、磷、钾的累积量提高的作用大小顺序为氮>钾>磷，与徐富贤等[18]在水稻上的研究结果 (氮>磷>钾)不一致，这可能与棉花是喜钾作物[25]有关。进一步分析施氮对棉花地上部氮磷钾积累影响的差异发现，棉花地上部氮、磷、钾积累量增加是生物量和氮、磷、钾浓度同时增加的结果，生物量增加的贡献 (65.9%～82.4%)大于氮、磷、钾浓度增加的贡献 (17.6%～34.1%)，这可能是由于棉花具有无限生长的特性，不断生成新的器官，导致氮、磷、钾浓度的增加作用被稀释了[16]。

作物优质高产以较高的生物量为前提。前人在施氮对棉花生物量累积和产量的影响方面做了大量研究。在新疆同等滴灌水量条件下，棉花干物质累积随施氮量增加呈先增加后降低的趋势[26]。山东盐碱地上的研究结果表明，与不施氮相比，施氮120、210、300 kg/hm2棉花生物产量分别提高了30%、35%和37%[27]。李飞等[28]认为，施氮量在0～360 kg/hm2范围内，棉株营养器官生物量随施氮量增加而增加，而生殖器官生物量则在施氮量270 kg/hm2时最大。刘绍东等[29]认为，安阳棉花生物量积累的最佳施氮量为180 kg/hm2，过量施氮对不同棉花品种的干物质积累无显著影响。我们的研究结果表明，增施氮肥显著增加了中后期尤其是盛铃和吐絮期生物量，且生育期短的品种 (鲁棉研28号)生物量对增施氮肥的响应要早于生育期长的品种 (冀棉228)，这可能是由于鲁棉研28号开始现蕾和初花的时期比冀棉228早1～3天[16]，进入生殖生长较早，对氮、磷、钾等营养元素的快速吸收使生物量的累积速率加快导致的。冀棉228吐絮期地上部生物量在施氮量0～240 kg/hm2范围内，随施氮量增加显著增加，当施氮量超过240 kg/hm2后生物量没有显著增加；施氮量超过180 kg/hm2后鲁棉研28号地上部生物量不再显著增加，这与前人的研究结果基本一致。

施氮能显著增加棉花产量，但不同棉区因气候、土壤及栽培措施等差异，最佳施氮量并不一致[23,30–31]。张宏等[2]在南疆的研究认为，综合棉花产量、经济效益、养分吸收和氮素利用，氮肥的适宜推荐量为 220 kg/hm2。索俊宇等[32]在库尔勒地区得到的最高产量施氮量为367.4 kg/hm2。李飞等[14]在湖南的研究结果表明，当施氮量提高到270 kg/hm2后，再增施氮肥棉花产量不再增加。秦宇坤等[10]认为黄河流域低肥力棉田氮肥经济最佳施用量为277.0 kg/hm2。本试验条件下，通过线性加平台模拟得到的两个品种的最高产量施氮量分别为180和188 kg/hm2，当施氮量超过180 kg/hm2后，两个品种的籽棉和皮棉产量均不再增加，这是由于超过一定施氮水平氮素倾向于向棉花上部果枝营养器官分配，导致营养生长过旺、霜后花的比例增多[31]。因此我们认为，本试验条件下，冀棉228达到最高产量时的施氮量为180 kg/hm2、鲁棉研 28 号为 188 kg/hm2，低于马宗斌等[33]提出的300 kg/hm2，这主要是由于后者是在黄河滩地开展的研究，土壤肥力低且下层土质沙性较强、保肥能力差。

3.2 施氮量对棉花氮磷钾利用效率的影响及其相互关系

合理的氮肥运筹是协调棉花氮、磷、钾等营养元素吸收、利用的重要手段。以往在施氮量对棉花氮素利用效率的影响方面做了大量研究[34–37]，结果表明，棉田氮肥利用率受施氮量影响显著，且随施氮量增加而降低。本试验条件下，氮素的皮棉生产效率随施氮量增加显著降低，与前人结果一致。磷、钾的皮棉生产效率随施氮量增加显著降低，且与氮素皮棉生产效率呈正相关。综上，在磷、钾肥用量不变的情况下，棉花磷、钾素利用效率的高低与氮素利用效率的高低密切相关，应把如何提高氮肥利用效率作为研究重点。

4 结论

适宜的施氮量可有效提高棉花地上部生物量和氮、磷、钾含量，二者的增加共同提高了棉铃和地上部的氮磷钾累积量，生物量增加对提高氮磷钾积累量的贡献率为65.9%～82.4%，氮、磷、钾含量增加的贡献率为17.6%～34.1%。氮素皮棉生产效率与磷素、钾素的皮棉生产效率呈正相关。综上，氮素吸收可带动棉花对磷、钾素的吸收，本试验条件下，冀棉228和鲁棉研28号皮棉产量和氮磷钾吸收利用率均较高的施氮量分别为180和188 kg/hm2。