氮肥运筹对雹后重播受旱棉花生长特性及产量影响

代健敏,张巨松,徐新龙,李始鑫,翟梦华,孙明辉

(1.新疆农业大学教育部棉花工程研究中心,乌鲁木齐 830052;2.新疆沙雅农技服务中心,新疆沙雅 842200)

0 引 言

【研究意义】新疆是我国重要的棉花高产区之一,也是最大的内陆灌溉棉区[1-3]。近年来,干旱、冰雹等频发,给作物带来伤害[4-5],水资源短缺也是制约作物产量和农业发展的重要因素[6],尤其是南疆农业灌溉主要依靠天山融雪和蓄水池,水资源极其有限,若棉花蕾期水不能及时供应,导致棉花受旱产量下降。氮肥合理施用是调控作物生长发育和产量的主要措施[7-8]氮肥过量施用会导致氮肥利用率降低[9-10]。2021年5月14日棉花正值1片真叶时,新疆沙雅县海楼镇突降冰雹,冰雹颗粒像蚕豆大小,持续时间10 min多,将棉花全部砸成光杆,于5月18日进行重播。因此研究氮肥运筹对雹后重播受旱棉花生长特性及产量影响,对提高受旱棉花生长及高效管理有重要意义。【前人研究进展】韩会玲等[11]研究表明,当水分供应不足时,水分胁迫会影响棉花的生长和产量,而蕾期持续干旱对棉花的生长发育影响较大,合理施用氮肥可促进棉花生长和产量增长[12],适宜的施氮策略可增加铃期之前的营养器官干物质积累和提高铃期之后生殖器官的分配比例,但过量施用氮肥使棉花营养生长过旺,生殖生长效率降低[13]。丁红等[14]研究发现,施用适量氮肥可提高干旱胁迫下花生光合作用能力,对干旱胁迫起到一定的缓解作用;何梦迪等[15]研究发现增施氮肥能促进干旱胁迫下小麦根系的生长、提高根系活力,可提高小麦的抗旱能力。石洪亮等[3]表明施氮量300 kg/hm2时对棉花水分亏缺补偿效应最明显,棉花产量增产39.9%。【本研究切入点】目前有关雹后重播受旱棉花进行氮肥运筹的研究较少,需结合棉花生产实际研究氮肥运筹对重播受旱棉花生长特性及产量的影响。【拟解决的关键问题】研究氮肥运筹对雹后受旱棉花的影响机理,分析施氮肥对雹后重播受旱棉花生长特性及产量的影响,确定受旱棉花的最佳氮肥运筹,揭示氮肥运筹管理下棉花地上部干物质积累和产量构成,为干旱地区棉花水肥高效管理技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2021年在新疆沙雅县海楼镇(41°17′N、82°43′E,海拔982 m)进行。该地区属温带大陆性干旱气候,多年平均降水47.3 mm,年蒸发量1 500～2 000 mm,无霜期180～223 d,全年日照时数3 031.2 h,年均气温10.8℃。该试验地5月14日遭遇冰雹灾害,5月18日重播,供试棉花品种为新陆早66号。试验地前茬为棉花,土质为沙壤土。表1

表1 土壤理化性质

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

棉花蕾期干旱处理和生育期施氮分配配比试验,采用76 cm等行距种植模式。确定2个滴灌时间连续10 d测定土壤含水量,土壤(0～50 cm)含水量低于14%时正常灌溉(6月25日),土壤含水量连续10 d低于10%后达到中度水分胁迫后灌溉至土壤含水率达14%(7月6日)。自棉花现蕾后,间隔3 d取0～50 cm土层土样,采用烘干法测定土壤含水率0～50 cm蕾期棉田土壤平均含水率:6月19日、6月21日、6月23日、6月25日、6月26日、6月28日、7月1日、7月3日和7月5日分别为14.8%、14.1%、13.8%、CK灌水、9.99%、9.88%、9.67%、9.56%和9.25%;干旱设置:6月26日至7月5日内持续10 d平均土壤含水率≤10%[16]。

采用裂区试验设计,主区因素为2个水分处理:正常水分处理(CK)、中度水分胁迫处理,总灌水量为3 800 m3/hm3;副因素为氮肥,设4种追氮比例:不施氮(N0)、以盛铃期为界限分为(蕾期肥+花期肥)∶铃期3∶7 (N37)、蕾期+花期∶铃期肥5∶5 (N55)、蕾期+花期∶铃期肥7∶3 (N73)4种追施氮肥配比,各处理总施氮量均为纯氮320 kg/hm2。重复3次,共8个处理,24个小区,幅宽2.3 m;小区面积(3膜)70 m2,试验地总面积共1 680 m2。根据棉花出苗-吐絮,共滴水7次,自现蕾开始每10 d滴水1次。每次滴灌量由水表控制,氮肥经电子秤称量后, 对应各处理放入施氮罐中,随水滴施,按照1水1肥进行。其他管理同大田一致。施用的肥料为尿素(N 46%)、颗粒状过磷酸钙 (P2O512%) 和农用颗粒钾肥 (K2O 40%)。基肥:尿素施用总量的 20%,颗粒状过磷酸钙 200 kg/hm2,农用颗粒钾肥 100 kg/hm2。追肥全部施用尿素 (总量80%)。表2,表3

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 农艺性状

在棉花收获阶段,每小区均选取长势均匀的棉株10株,调查各小区棉花品种的株高、茎粗,有效果枝数等主要农艺性状。

1.2.2.2 生育进程

生育期是从出苗期到吐絮期的天数,调查并记载各小区棉花出苗、现蕾、初花、盛花、盛铃、吐絮的日期,以大田50%棉株到达各时期调查数量标准为准。

表2 大田棉花不同生育期氮肥运筹

表3 各处理每次灌水量与施氮量

1.2.2.3 叶面积指数

自棉花现蕾起使用LAI-2000植物冠层分析仪,在棉花主要生育时期,在各处理小区选取棉花长势均匀样点,将LAI-2000探头水平放置在距离地面0、20、40、60 cm处,每个样点测4个值(即中行、宽行、边行,裸行),取平均值,重复3次,测定叶面积指数。

1.2.2.4 净光合速率

于棉花盛蕾期、盛花期、盛铃期、吐絮期,用便携式光合仪CIRAS-2测定主茎功能叶片净光合速率(Pn),打顶前选取主茎功能叶倒四叶,打顶后选取主茎倒三叶。测定时间为晴朗无云天气的11:30～13:30,每处理测定5片叶,取平均值。

1.2.2.5 地上部分干物质积累与分配

地上部干物质积累与分配于棉花盛蕾期、盛花期、盛铃期和吐絮期,在每小区选取代表性植株6株,按营养器官(茎、叶)和生殖器官(蕾、花、铃)分开,105℃杀青30 min,之后在80℃恒温烘干至恒重,称量其地上部干物质量并计算营养器官与生殖器官的分配量。

1.2.2.6 产量及产量构成因素

在棉花吐絮期记录各小区株数和铃数;在棉花收获时期调查各小区的实际收获株数及铃数,并在每个小区拾取棉株上部吐絮棉铃30朵,中部吐絮棉铃40朵,下部吐絮棉铃30朵,共计100 朵,称量并计算棉花的单铃重和衣分,重复3次。根据棉花产量构成,计算各小区籽棉产量和皮棉产量。

1.3 数据处理

试验数据使用SPSS23.0软件进行方差分析,采用Duncan法进行处理间多重比较(P<0.05),利用Graphpad整理数据并绘图。

2 结果与分析

2.1 氮肥运筹对重播受旱棉花生育时期的影响

研究表明,初花期以前各处理差异不大,初花期开始显现差异。在同一氮肥处理下,生育进程随着水分胁迫处理明显提前,中度水分胁迫处理较CK提前7～14 d,初花期至盛铃期表现为显著性差异。在同一水分处理下,初花期后N37、N55、N73较N0平均延长了7.25、5.25、6.5 d;从整个生育时期来看,N37、N55、N73较N0延后了16、8、18 d,N0、N55自初花期后出现轻度早衰,N0在吐絮期变现为严重早衰。表4,表5

2.2 氮肥运筹对重播受旱棉花农艺的影响

研究表明,在同一氮肥处理下,中度胁迫的株高、真叶数、有效果枝、倒四叶宽均略微降低,茎粗显著降低。在CK处理下,株高、茎粗、真叶数、倒四叶宽均表现为N37>N55>N73>N0,双铃率表现为N55>N37>N73>N0;在中度水分胁迫下株高、茎粗、真叶数、倒四叶宽均表现为N37>N73>N55>N0,双铃率表现为N37>N73> N55>N0。重播棉花蕾期中度水分胁迫在各项指标均低于CK处理,但氮肥后移有利于增加茎粗、真叶数、有效果枝数以及双铃率,且增加效果明显。表6

表4 不同处理下棉花生育进程

表5 不同处理下棉花生育进程

表6 不同处理下棉花农艺性状的比较

2.3 氮肥运筹对重播受旱棉花LAI的影响

研究表明,在出苗后57 d(初花期)各处理差异性不大,在初花期以后开始显现差异,并在出苗后77 d(盛铃期)达到最大。在同一氮肥处理下,不同氮肥处理LAI呈现先上升后下降的趋势,在盛铃期达到最大。在CK处理下,N37、N55、N73较N0增加了44.35%、56.18%、36.02%,在中度水分胁迫处理下,N37、N55、N73较N0增加了67.70%、29.46%、40.22%,且在N37处理下,中度水分胁迫较CK处理LAI提高了,10.35%,且至盛铃后期(出苗87 d)仍然保持较高水平,氮肥后移有效保证了棉花后期叶片的光合有效面积,提高了光合产物的积累能力。图1

图1 不同处理下棉花LAI的比较

2.4 氮肥运筹对重播受旱棉花Pn的影响

研究表明,各处理在7月24日(初花期)差异性不明显,初花期后差异性显著。同一水分处理下各氮肥处理Pn均呈现先上升后下降,在盛花期达到最大(N0在初花期达到最大);中度水分胁迫处理较CK处理Pn下降在盛花期、盛铃期下降了12.19%、18.67%。随着生育进程的推进,在CK处理下,各氮肥Pn表现为N55>N37>N73>N0,中度水分胁迫处理下各氮肥Pn表现为N37>N73>N55>N0。在中度水分胁迫处理下,盛花期棉花N37、N55、N73处理Pn较N0增加49.75%、25.12%、37.81%,盛铃期增加65.29%、13.58%、28.67%;CK处理下N37、N55、N73理Pn较N0在盛花期增加30.62%、44.67%、37.79%,在盛铃期增加44.01%、68.91%、56.18%。在CK处理下N55处理棉花Pn提高效果显著;在中度水分胁迫处理下,N37的Pn提高显著且高于CK处理。氮肥后移对重播蕾期受旱棉花净光合效率有显著提升效果。图2

图2 不同处理棉花净光合速率(Pn)动态变化

2.5 氮肥运筹对重播受旱棉花干物质分配影响

2.5.1 氮肥运筹对重播受旱棉花干物质积累的影响

研究表明,棉花单株地上部总干物质快速积累时间段出现在出苗后37～105 d。同一氮肥处理下,中度胁迫处理较CK处理的持续时间短1～7 d,但最大积累速率增加了49.6%。在CK处理下,棉株干物质积累量、持续时间及最大干物质积累速率表现为N55>N73>N37>N0;至吐絮期,在CK处理,N73、N55、N37较N0处理干物质积累量增加32.19、68.3、25.73 g,持续时间缩短了了6、3、7 d,最大积累速率提高了36.03%、100%、47.74%;在中度胁迫处理下,N73、N55、N37较N0处理干物质积累量增加74.08、25.39、42.08 g;持续时间缩短了0、4、3 d,最大累积速率提高了135.4%、27.08%、55.21%。中度水分处理下N37能够有效的协调生殖生长和营养生长之间的关系,加速营养生长向生殖生长的转变。表7

2.5.2 氮肥运筹对重播受旱棉花干物质分配的影响

研究表明,营养器官干物质积累至盛铃期最大随后降低;生殖器官干物质积累和分配比例随着生育进程的推进逐渐增加。在同一氮肥处理下,中度胁迫处理较CK处理的棉花营养器官干物质积累量、生殖器官干物质积累量平均降低了8.63%、54.83%。在同一水分处理下,在盛蕾期、初花期各氮肥处理间营养器官干物质积累量、生殖器官干物质积累量无明显差异,自盛花期开始呈现差异,在CK处理下,营养器官干物质积累量、生殖器官干物质积累量均表现为N55>N73>N37>N0;在中度胁迫处理下,养器官干物质积累量、生殖器官干物质积累均表现为N37>N73>N55>N0。重播受旱的棉花氮肥后移有利于营养生长向生殖生长的转化,促进最终产量的形成。图3,表8

图3 不同生育时期各处理棉花营养器官与生殖器官干物质积累分配的动态变化

表8 吐絮期棉花营养器官与生殖器官分配比例比较

2.6 氮肥运筹对重播受旱棉花产量及产量构成因素的影响

研究表明,在同一氮肥处理下,中度水分胁迫处理较CK处理单株结铃数、籽棉产量减少了5.7%～22.9%、3.92%～32.81%;单铃重、衣分无明显差异。在同一灌水处理下,N37处理衣分均显著大于其他处理;在CK处理下,不同氮肥处理在单株结铃数、单铃重、籽棉产量均表现为N55>N37>N73>N0;在中度水分胁迫处理下,不同氮肥处理在单株结铃数、单铃重、籽棉产量均表现为N37>N73> N55>N0。在CK处理下,N37、N55、N73较N0处理单株结铃数增加14.77%、30.52%、17.04%;单铃重增加了4.95%、5.48%、4.42%,籽棉分别增产了20.72%、37.58%、21.91%;中度水分胁迫处理下,N37、N55、N73较N0处理单株结铃数增加50.66%、24.57%、29.52%,单铃重增加了44.5%、5.57%、2.39%,籽棉分别增产了57.33%、17.39%、32.93%。在重播棉花蕾期中度水分胁迫处理下,N37处理有利于棉花增产且效果最优。表9

表9 不同处理下棉花产量构成因素变化

3 讨 论

植物地上器官的生长发育对水分胁迫非常敏感,在水分胁迫的情况下,胁迫水平、胁迫持续时间和一些外部环境条件的变化会造成植物生长指标的一些差异[17]。Ramliga等[18]通过在田间人为设置水分胁迫的研究表明,在任何一种处理下,水分胁迫对棉花的生产都有不利的影响,使棉株株高、真叶数、有效果枝数等降低。研究认为[19-20]适宜的氮肥运筹,能够改善棉花的生育进程,增加株高、真叶数和倒四叶宽,有利于棉花生物量的积累。研究表明,在初花期后各处理呈现出差异,生育进程随着氮肥追施比例不同而出现明显延迟,中度胁迫处理下N37、N55、N73较N0处理平均延迟了16、8、18 d,N0、N55自初花期后出现轻微早衰现象,至吐絮期N0处理出现严重早衰,不利于产量的形成。在同一氮肥处理下,中度水分胁迫处理较CK处理的株高、真叶数、倒四叶宽、有效果枝数有所下降,双铃率有所提高,与郑剑超等[19]、Ramliga 等[18]研究结果一致。干旱胁迫降低叶面积指数,限制光合作用速率并导致光合物质积累减少[16,21]。合理施氮肥运筹是调控棉花生长、光合生产率和增产的重要措施[22-24]。张旺锋等[23]研究结果表明,施氮量为0～300 kg/hm2,群体光合速率随施氮肥量增加而增加,但过量施氮肥易造成棉花植株旺盛,导致植株光合作用迅速下降。生长季后期种群的叶面积指数和光合速率。研究表明,不同氮肥处理的LAI、Pn随着生育进程的推进呈现先上升后下降的趋势在盛铃期(出苗后77 d)、盛花期达到最大值,中度胁迫处理下各氮肥处理LAI、Pn表现为N37>N55>N73;CK处理下各氮肥处理LAI、Pn表现N55>N37>N73>N0。

土壤水分亏缺和养分不足是限制干旱和半干旱地区植物生长、成活和产量的两大主要因素,不仅直接影响植物的生长和生存,而且影响植物对养分的吸收和利用[25]。氮肥运筹是有效提高产量的关键,合理的氮肥运筹有助于增加棉花产量[26]。王晓英等[27]研究表明,同一氮素处理下,水分胁迫处理的植株生长量低于正常供水处理。王朝辉等[28]研究显示,如果在缺水条件下施入一定量的氮肥,将显着提高干物质积累的补偿作用。在水分胁迫下施入一定量的氮肥,将显著提高干物质积累的补偿作用。李世清等[29]研究表明干旱条件下增施氮肥可促进同化物形成及其向籽粒的转移,增加转移的干物质对籽粒的贡献率,提高淀粉的积累速率,与研究结果一致。研究表明,蕾期中度水分胁迫处理较CK处理的快速生长期缩短了1～7 d,营养器官干物质积累量、生殖器官干物质积累量平均降低了8.63%、54.83%,快速积累速率增加了49.6%;干物质最大积累量、持续时间、以及最大积累速率以N37为最优,且增加效果明显,有利于营养生长向生殖生长转化,促使最终产量的形成。不同氮肥运筹条件下代表产量构成的单株铃数、籽棉产量存在显著差异,而单铃重株数、衣分差异不显著[30]。研究表明,蕾期中度水分处理与CK处理棉花单铃重与衣分差异不明显,但单株结铃数、籽棉产量以N37处理最高,分别比N0、N55、N73增产57.33%、34.01%、18.35%。

陈素芳等[31]根据水稻氮肥的研究结果,设置基肥+分蘖肥:穗肥的比例设定为6∶4,以保证有足够的穗数,穗肥可以满足营养需求促进水稻生长后期形成大穗,从而提高水稻产量;张永强等[32]研究表明,适当调节氮肥追施时期及比例有利于调节小麦的生长及产量,当施氮比例设置为起身+拔节∶孕穗+开花6∶4时能有效提高小麦千粒重、收获指数、地上部分生物总量。段晓丽等[33]研究认为:前期氮肥的30%甚至50%后移到穗肥施用,对水稻产量没有明显影响,而氮肥后移70%至穗肥会使水稻产量显著下降。与研究结果不一致,前人是基于正常水分处理下进行作物氮肥运筹的研究,试验条件为棉花蕾期进行持续中度干旱胁迫设置蕾期+花期肥∶铃期肥不同施肥比例进行研究,蕾期+花期肥∶铃期肥为3∶7时不会影响棉花籽棉产量,并达到增产效果,但棉花会受到地力、天气环境等影响,增加了此氮肥运筹策略棉花稳产的不确定性,还需进一步进行验证。

4 结 论

4.1在雹后重播棉田蕾期受旱情况下,蕾期中度水分胁迫处理的各项指标均低于CK处理,但在氮肥处理方面N37处理的茎粗、有效果枝、双铃率LAI、Pn优于CK处理,且增加效果显著;干物质积累量较CK处理的快速生长期缩短了1～7 d,营养器官干物质积累量、生殖器官干物质积累量平均降低了8.63%、54.83%,快速积累速率增加了49.6%,干物质最大积累量、持续时间、以及最大积累速率以N37为最优,且增加效果明显,有利于营养生长向生殖生长转化,促使最终产量的形成。蕾期中度水分处理与CK处理棉花单铃重与衣分差异不明显,但单株结铃数、籽棉产量以N37处理最高,分别比N0、N55、N73增产57.33%、34.01%、18.35%。

4.2雹后重播棉花蕾期受旱(中度水分胁迫)条件下,生育期追肥比例(蕾期肥+花期肥)∶铃期肥3∶7为最佳。