控制排水条件下施氮水平对棉花生长、吸氮量和产量的影响

吴 倩，吴启侠，邓 超，刘凯文，漆栋良*，朱建强*

控制排水条件下施氮水平对棉花生长、吸氮量和产量的影响

吴 倩1，吴启侠1，邓 超2，刘凯文2，漆栋良1*，朱建强1*

（1.长江大学 农学院，湖北 荆州 434025；2.湖北省荆州农业气象试验站，湖北 荆州 434020）

【目的】探究控制排水条件下不同施氮水平对棉花生长、吸氮量和产量的影响，为长江中下游地区棉花稳产、增收提供科学指导。【方法】以“晶华棉112”为供试作物，设置2种控制排水模式（控制排水和非控制排水，分别记为KS和FKS）和5个施氮水平（0、90、180、270、360 kg/hm2，分别记为N0、N1、N2、N3、N4），采用完全随机区组设计，测定不同处理下的棉花关键生育期叶片、盛花期株高和成熟期不同器官干物质积累量、吸氮量，籽棉产量及其构成因子。【结果】与FKS排水模式下相比，KS排水模式下减氮处理（N1、N2和N3）的棉花蕾期—吐絮期叶片、盛花期株高、成熟期干物质积累量、吸氮量、单株铃数、单铃质量及衣分显著增加，进而促进了籽棉产量提升。与农民习惯施氮水平（N4）相比，FKS排水模式下的N1、N2、N3处理的籽棉产量显著下降，而KS排水模式下仅有N1处理和N2处理的籽棉产量显著下降。KSN3处理下的籽棉产量与KSN4处理相比差异不显著，但蕾花铃的干物质量及吸氮量占总干物质量及总吸氮量的比例显著提高。【结论】控制排水条件下减氮25%有利于维持棉花生长，并促进干物质量积累和氮素吸收，有利于干物质量与氮素向棉花生殖器官的分配，从而获得较高的籽棉产量。

控制排水；施氮；棉花产量；干物质；水氮耦合

0 引 言

【研究意义】中国是棉花生产大国，棉花产量约占全球棉花总产量的24.8%。水分和氮素是决定棉花生长发育的关键环境因子。随着水资源短缺与农业需求的不断增加，农业用水供需矛盾日益突出。同时，农业生产中氮肥的过量或不科学施用普遍降低了氮素利用效率，并引起了一系列生态环境问题[1]。因此，如何有效提高水、氮利用效率是维持中国棉花可持续生产的关键。【研究进展】控制排水是一项重要的农田水分管理措施。研究表明，控制排水技术可提升土壤水分和养分的有效利用率，降低土壤养分流失量，从而提高作物水肥利用效率[2-3]。控制排水相比非控制排水可以显著提高玉米、大豆和芝麻的产量[4-8]。但也有研究表明，控制排水对作物产量并无显著影响[9-11]。可见，控制排水对作物产量的影响尚存在较大分歧，亟须进一步验证。氮素是棉花生长和产量形成的另一决定因素[12]。研究表明，增施氮肥可促进棉株对养分的吸收与生物量的积累[13]，但过高的施氮量会打破棉花营养生长与生殖生长之间的平衡，造成棉花贪青晚熟和减产[14]。可见，适宜的施氮量是棉花高产的必要条件。徐茵等[15]研究表明，通过地表控制排水，减氮10%～20%有助于增加0～20 cm土层中的无机氮量，有助于提高棉花产量，但其生理影响机制尚不明确。【切入点】以往研究大多聚焦于控制排水或不同氮肥管理对棉花生长、产量、水肥利用效率的影响[16-18]。但对于控制排水与施氮量耦合条件下的棉花生长、产量及氮素利用的研究不足。此外，以往对于棉花水、氮耦合效应的研究主要在干旱、半干旱地区开展。在新疆，当灌溉定额为3 900 m3/hm2，施氮量为300 kg/hm2时，棉花有效铃数和单铃数显著增加，棉花产量达到最高[19]。李培岭等[20]指出中高水、高氮处理可显著提高棉花干物质量。将灌水量控制在0.8～1.0倍的作物需水量可有效提高棉花产量[21]。然而，目前围绕湿润地区棉花的水、氮耦合研究甚少。【拟解决的关键问题】鉴于此，本研究基于田间试验，对比分析了不同控制排水模式与施氮水平耦合条件下的棉花株高、叶绿素量、干物质积累量、吸氮量及产量构成因子的差异，探究控制排水条件下不同施氮水平对棉花生长、吸氮量和产量的影响，以期为长江中下游地区棉花的水氮高效管理提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2022年5—11月在湖北省荆州市农业气象试验站（北纬30°20'58.20"，东经112°9'15.84"）进行，该区域为亚热带季风气候，多年平均气温为16.5 ℃，多年平均降水量为1 089 mm，多年平均日照时间为1 742.4 h。棉花全生育期降水量为565.3 mm，日最大降水量为65.6 mm。在蕾期和花铃期各灌水1次，每次灌水量为30 mm。

1.2 试验设计

试验采用二因素（控制排水模式×施氮水平）完全随机组合设计，设置控制排水（FS）与非控制排水（FKS）2种排水模式，0、90、180、270、360 kg/hm2共5个施氮水平，分别记为N0、N1、N2、N3、N4。其中，N4是当地农民的习惯施氮量。共10个处理，分别为KSN0、KSN1、KSN2、KSN3、KSN4、FKSN0、FKSN1、FKSN2、FKSN3、FKSN4，每个处理重复3次，共计30个小区。FKS排水模式下，田间排水沟处于自然排水状态；KS排水模式下，降水造成的地表径流由排水沟出口处的小闸门拦蓄在试验田块中，控制田间水深和蓄水历时，考虑棉花的耐淹水深、耐淹历时及雨滴对土壤的击溅侵蚀效应，控制降雨过程中地表排水深度不超过5 cm，排水历时不超过3 d。

以尿素作为氮肥，分别在棉花播种前，花蕾期、花铃期施入总施氮量的30%、30%、40%。不同处理下的磷、钾、硼肥用量保持一致，分别为P2O590 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2、持力硼3 kg/hm2。磷、钾、硼肥全部基施。每个小区面积为20 m2（4 m×5 m），不同小区间起垄分隔，供试棉花品种为“晶华棉112”，棉花于5月31日移栽，11月12日收获。田间行距为80 cm，株距为40 cm。棉花生长期内，KS条件下的各小区在最大日降水事件后收集地表径流1次，FKS排水模式下小区收集地表径流4次。

1.3 测定指标与方法

叶绿素：在苗期、蕾期、初花期、盛花期、花铃期和吐絮期，于每个小区随机选取5株棉花，随机选取棉花不同部位的5片棉叶，采用日本美能达便携式SPAD-502叶绿素仪测定叶片。

地上部干物质量：在棉花成熟期进行田间取样，从每个小区内随机挑选3株可代表整体长势的棉花，分为茎枝、叶片、蕾铃，放入105 ℃烘箱中杀青30 min后，经80 ℃烘干至恒质量，测定地上部干物质量。

株高：于盛花期在每个小区随机选取5株棉花，用卷尺测量子叶节点至生长点之间的高度作为株高。

产量：于成熟前在每个小区选取10株代表性植株，调查单株结铃数；于收获期从每个处理的小区内随机挑选长势一致的7株棉花，从每株棉花的上、中、下层分别摘下10个棉铃，共计30个，晒干称质量，换算每个小区的单铃质量，计算每个小区的实际收获产量。

棉花氮素积累量测定：采用磨样机将植物样品粉碎，采用凯式定氮法测定棉花氮素积累量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010对数据进行分析，利用统计软件DSP 9.01对数据进行方差分析和显著性检验，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 控制排水与施氮水平对棉花叶片SPAD的影响

不同处理下的棉花见图1。在苗期，2种排水模式下，施氮处理（N1—N4）下的均显著高于不施氮处理（N0）；相同施氮水平下，KS与FKS排水模式下的差异不显著。蕾期—吐絮期，与FKS排水模式相比，KS排水模式下的N0、N1、N2处理和N3处理显著增加。FKS排水模式下的表现为：N4处理＞N3处理＞N2处理＞N1处理＞N0处理。KS排水模式下的则表现为：N3、N4处理＞N2处理＞N1处理＞N0处理。可见，控制排水条件下适度减施氮肥有利于维持棉花较高的。

2.2 控制排水和施氮水平对盛花期棉花株高的影响

不同处理下棉花盛花期株高见图2。与FKS相比，KS排水模式下的N0、N1、N2处理和N3处理的株高明显增加。FKS排水模式下的株高表现为：N4处理＞N3处理＞N2处理＞N1处理＞N0处理。KS条件下的株高则表现为：N3、N4处理＞N2处理＞N1处理＞N0处理。可见，控制排水条件下适度减施氮肥有利于维持较高的棉花株高。

图1 不同处理下棉花SPAD

2.3 控制排水和施氮水平对棉花干物质积累和分配的影响

由表1可知，随着施氮量的增加，FKS排水模式下的棉花干物质积累量持续增加，在N4处理下达到最大；KS排水模式下的干物质积累量在N3处理下达到最大，N4处理与N3处理间的干物质积累量无显著差异。与FKS排水模式相比，KS排水模式下的N0、N1、N2、N3处理的干物质积累量明显增加。蕾花铃干物质量占棉株总干物质量的比例表现为：KSN3处理>KSN4、FKSN3、FKSN4处理>KSN0、KSN1、KSN2、FKSN0、FKSN1、FKSN2处理。可见，控制排水条件下适当减氮有利于获得较高的干物质积累量，同时促进干物质向蕾花铃的分配。

2.4 控制排水和施氮水平对棉花氮素吸收及分配的影响

由表2可知，随着施氮量的增加，FKS排水模式下的吸氮量持续增加，在N4处理下达到最大；KS排水模式下的吸氮量在N3处理下达到最大，N4处理与N3处理间的吸氮量无显著差异。与FKS排水模式相比，KS排水模式下的N0、N1、N2、N3处理的吸氮量明显增加。蕾花铃吸氮量占棉株总吸氮量的比例表现为：KSN3处理＞KSN4、FKSN3处理＞KSN0、KSN1、KSN2、FKSN0、FKSN1、FKSN2、FKSN4处理。可见，控制排水条件下适当减氮有利于棉花吸氮量的提高，同时促进氮素向蕾花铃的分配。

表1 成熟期不同水氮处理下棉花干物质积累量及分配

注 同列数字后不同小写字母表示差异性达到0.05显著水平；下同。

表2 成熟期不同水氮处理下棉花吸氮量及分配

2.5 控制排水下施氮水平对棉花产量及产量构成因素的影响

由表3可知，FKS排水模式下的棉花单株铃数、单铃质量、衣分和籽棉产量随着施氮量的增加持续增加，在N4处理下达到最高；KS排水模式下的棉花单株铃数、单铃质量、衣分和籽棉产量在N3处理下达到最大。与FKS排水模式相比，KS排水模式下的N0、N1、N2、N3处理的单株铃数、单铃质量、衣分和籽棉产量明显增加。收获指数表现为：KSN3处理＞KSN2、KSN4、FKSN3、FKSN4处理＞KSN1、FKSN2处理＞KSN0、FKSN1处理＞FKSN0处理。

表3 不同处理对棉花产量及产量构成因素的影响

3 讨 论

已成为监测作物长势的重要指标[22]。本研究发现，KSN3、KSN4处理间的差异不显著，说明控制排水条件下减氮25%可以维持较高的叶绿素量。理想的株高是作物获取有效光辐射量的重要前提。水、氮交互作用对棉花株高存在显著影响[23]。以往研究表明，施氮量不足会限制棉花株高的生长，但可以通过优化灌溉制度进行补偿[24]。本研究发现，KS排水模式下的减氮处理（N1、N2、N3处理）的棉花株高普遍高于FKS排水模式下的株高，说明控制排水可以减轻氮素亏缺对棉花生长的不利影响。控制排水增加了降水或灌溉后水分在土壤耕层的滞留时间，从而提高了土壤蓄水量[25]。控制排水通过降低氮素的径流损失率提高了表层土壤中的硝态氮量[15]。改善的土壤水分及养分状况有利于促进棉花生长[24-26]。

棉花干物质的积累和分配决定其最终产量[27]。研究表明，灌溉、施肥及二者间的交互效应均会显著影响棉花的干物质积累及分配[13,28-29]。棉花的干物质量在一定范围内随着水分或氮素供应水平的增加而增加，水、氮耦合可最大限度地增加棉花的干物质积累量[29-30]。本研究中，FKS排水模式下N4处理的干物质积累量最大，而KS排水模式下的N3、N4处理的干物质积累量无显著差异。说明控制排水措施可以补偿减氮25%对棉花干物质累积造成的不利影响。与FKS排水模式相比，KS排水模式下减氮处理的蕾花铃干物质量占棉株总干物质量的比例有所增加，说明控制排水下减氮25%有利于促进干物质向生殖器官的分配，从而提高收获指数。控制排水耦合适量减氮会显著降低氮素的径流损失率，从而提高0～40 cm土层的土壤硝态氮量和铵态氮量[15]。此外，控制排水可以提高作物生育中后期的土壤蓄水量[3]。0～40 cm土层是棉花根系的主要分布层[31]，该土层土壤水分和养分状况的改善有利于棉花根系最大限度地汲取水分和养分，优化“库-源”关系[18]。

以往研究表明，水分或氮素胁迫及二者供应的不协调均会显著降低棉花吸氮量，同时降低氮素在蕾花铃的分配比例[32-33]。本研究发现，随着施氮量的增加，FKS排水模式下的棉株吸氮量增加，而KS排水模式下N3处理棉株吸氮量最大；KS排水模式下减氮处理的蕾花铃吸氮量占棉株总吸氮量的比例较高，这与干物质积累量的变化趋势相似，说明控制排水条件下减氮25%有利于促进棉花对氮素的吸收，同时促进氮素向生殖器官的转移。研究表明，施氮量对棉花吸氮量的影响因器官而异[34-35]。与N3处理相比，N4处理下棉株吸收的氮素在茎、叶中的分配比例增加，在KS排水模式下的增幅更大。可见，采用控制排水时，高施氮量不利于氮素向棉花生殖器官的转运。这在一定程度上造成了氮肥的无效利用，加剧氮素损失[36]。

单株铃数、单铃质量和衣分共同决定籽棉产量[18]。不同水、氮组合显著影响棉花的单株铃数、单铃质量和衣分，从而影响籽棉产量[37-38]。与FKS排水模式相比，KS排水模式下减氮处理的单株铃数、单铃质量和衣分均显著增加。控制排水措施有利于补偿氮素不足对棉花产量构成因子的不利影响，从而获得较高的籽粒产量。这与控制排水增加土壤水分及养分量，从而促进作物根系生长有关[3]。根系的旺盛生长意味着植株对水分和养分的吸收能力明显增强[31]，有利于增加棉花的叶面积指数、作物生长速率和光合速率[39]。KS排水模式下减氮处理获得较高的、干物质积累量和吸氮量证实了这一点。KSN3处理相比KSN4处理的籽棉产量略有增加，说明控制排水条件下减氮25%有利于棉花增产。然而，Awale等[10]研究表明，与非控制排水相比，控制排水对玉米和甘蔗的产量无显著影响。这一差异可能与控制排水的方法、供试作物品种、氮肥管理和气候条件等差异有关[17]。在Awale等[10]的研究中，作物生育期内有效降水量不足250 mm。相比之下，本研究中棉花生育期内的降水量较高。控制排水技术可以极大地改善多雨湿润地区的水土环境[40]。总体而言，控制排水有利于补偿江汉平原氮肥减量25%对棉花产量造成的不利影响。

4 结 论

与FKS条件相比，KS排水模式下不施氮（N0）或减氮（N1、N2和N3）处理下的棉花蕾期—吐絮期、盛花期株高、成熟期干物质积累量和吸氮量有所增加，单株铃数、单铃质量和衣分增加，进而增加籽棉产量。

控制排水条件下氮肥减量25%有利于维持棉花生长并增加干物质量积累和吸氮量，同时提高棉花干物质和吸氮量在蕾花铃的分配比例，从而维持较高的籽棉产量。

（作者声明本文无实际或潜在利益冲突）

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The Effect of Controlled Drainage and Nitrogen Fertilization on Growth,Nitrogen Uptake and Yield of Cotton

WU Qian1, WU Qixia1, DENG Chao2, LIU Kaiwen2, QI Dongliang1*, ZHU Jianqiang1*

(1. College of Agriculture, Yangtze University, Jingzhou 434025, China;2. Jingzhou Agro-meteorology Experimental Station of Hubei Province, Jingzhou 434020, China)

【Objective】Soil nitrogen and groundwater table are two abiotic factors affecting crop growth in the middle and low reaches of the Yangtze River in Southern China. This paper aims to investigate the combined impact of nitrogen fertilization and controlled drainage on growth, nitrogen uptake and yield of cotton. 【Method】The variety Jinghua Mian 112 was used as the model plant, and the experiment consisted of two drainage treatments: conventional drainage (FKS) and controlled drainage (KS). Each irrigation had five nitrogen treatments: applying 0 (N0), 90 (N1), 180 (N2), 270 (N3) and 360 kg/hm2(N4) of nitrogen. In each treatment, we measured the leafat fertility stage, plant height and leaves at blooming stage, dry matter accumulation in different organs at maturity stage, as well as nitrogen uptake, and yield of the cotton. 【Result】Compared with FKS, controlled drainage combined with a reduction in nitrogen application significantly increased leafand plant height at flowering stage, dry matter accumulation and nitrogen uptake at maturity stage, boll numbers per plant, boll weight per boll and yield at maturity stage. Reducing nitrogen application without implementing controlled drainage reduced cotton yield, while under controlled drainage, reducing nitrogen application from N4 to N3 did not give rise to a noticeable reduction in cotton yield. KS+N3 increased the dry matter mass, nitrogen uptake per unit dry matter, and total nitrogen uptake in the bud and boll, significantly.【Conclusion】Reducing nitrogen application currently used by farmers by 25% combined with a controlled drainage is not only beneficial to cotton growth and promotes dry matter accumulation, but also increases nitrogen uptake and its subsequent allocation to reproductive organs, thereby increasing cotton yield.

controlled drainage; nitrogen application; cotton yield; dry matter;water and nitrogen coupling

1672 - 3317（2023）10 - 0032 - 07

S562

A

10.13522/j.cnki.ggps.2023152

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2023-04-07

2023-06-06

2023-10-16

国家自然科学基金区域重点联合基金项目（U21A2039）

吴倩（1999-），女。硕士研究生，研究方向为棉花水肥管理。E-mail: 963418284@qq.com

漆栋良（1987-），男。副教授，博士，主要从事农业水土环境及其调控研究。E-mail: qdl198799@126.com

朱建强（1963-），男。教授，博士生导师，主要从事水土环境与作物生产研究。E-mail: zyjb@sina.com

@《灌溉排水学报》编辑部，开放获取CC BY-NC-ND协议

责任编辑：韩 洋