有机液体肥替代部分化肥对滴灌棉花产量和品质的影响

李 杰,马腾飞,边 洋,帕尔哈提·买买提,娄善伟,吐尔逊江·买买提,何 红,张鹏忠

(1. 国家棉花工程技术研究中心,乌鲁木齐 830091;2. 新疆农业科学院经济作物研究所,乌鲁木齐 830091)

【研究意义】化肥是棉花生长发育的重要养分来源和提高产量的重要手段,在促进棉花连续增产方面做出了重要贡献[1-2]。然而过量、不合理的化肥施用也是导致新疆棉田土壤质量下降、面源污染和盐渍化加重的重要因素,制约了新疆棉花产业绿色可持续发展[3-4]。因此,探索化肥减量配施适量比例有机液体肥对推进以绿色生态为导向的棉花产业可持续发展和土壤改良具有重要意义。【前人研究进展】有机液体肥作为一种包含小分子有机物、有益微生物、中量和微量元素等的全营养型水溶性肥料,具有肥效快、易复合、营养全、利用率高等特点,能够在短时间内被植物吸收利用,改善土壤团粒结构,降低土壤中有机物、无机物符合度,有效提高土壤中有效养分含量、避免养分流失,促进作物生长发育[5-7]。王圣泽等[8]研究表明化肥减施25%+增施200 kg/667 m2有机肥处理可以提高花菜品质、增强肥料有效性、改善土壤养分环境。桑文等[9]研究表明施入有机液体肥且适量减少化肥的施用能够提高土壤肥力、增加土壤微生物多样性、改变土壤微生物群落结构,从而营造一个良好的土壤微生态环境。【本研究切入点】目前有关有机液体肥研究主要集中在玉米[10]、小麦[11]、水稻[12]、蔬菜[13]等作物上,关于化肥减量配施有机液体肥在新疆膜下滴灌棉花上的相关研究报道较少。【拟解决的关键问题】本研究通过大田小区控制试验,探索化肥减量配施不同用量有机液体肥对新疆膜下滴灌棉花生长发育、光合特性、产量及品质等影响,寻求利于膜下滴灌棉花生长发育、产质量最佳的液体肥用量,为膜下滴灌棉花化肥减量配施有机液体肥的合理应用提供科学依据和理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021—2022年在克拉玛依小拐乡国家棉花工程技术研究中心示范基地进行,地理位置为45°10′ N,85°06′ E,海拔230 m,属典型温带大陆性气候。两试验年棉花生长季平均气温24.3 ℃,总辐射4236 MJ/m2,降雨41 mm。试验区土壤质地为沙壤土,0～60 cm土层有机质、全氮、速效氮、速效磷和速效钾含量两试验年年均值分别为8.63 g/kg、0.79 g/kg、68.5 mg/kg、24.6 mg/kg和124.3 mg/kg。

1.2 试验材料与设计

供试棉花品种为‘新陆早83号’,采用1膜3管6行宽窄行种植(10+66+10+66+10) cm、株距11.5 cm,分别于2021年4月28日和2022年4月25日进行膜上点播,于2021年10月2日和2022年9月28日收获。

供试有机液体肥为史丹利农业集团股份有限公司提供的含腐植酸水溶肥海藻酸原液(N-P2O5-K2O≥200 g/L,N≥100 g/L、P2O5≥80 g/L、K2O≥20 g/L,腐植酸≥30 g/L,黄腐酸≥16 g/L,海藻酸≥2 g/L,B≥0.5 g/L,Zn≥0.5 g/L)和利果浓缩液(N-P2O5-K2O≥200 g/L,N≥30 g/L、P2O5≥30 g/L、K2O≥140 g/L,腐植酸≥30 g/L,B≥2 g/L,Ca≥0.5 g/L,Zn≥0.5 g/L)两种。常规肥尿素(含N 46%),磷酸一铵(含N 12 %,P2O561 %)和硫酸钾(K2O 50 %)3种。

试验设置5个处理(表1),分别为CF:单施常规化肥(纯N 330 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2),LF1:60%常规化肥+225 L/hm2海藻酸原液+150 L/hm2利果浓缩液,LF2: 60%常规化肥+450 L/hm2海藻酸原液+300 L/hm2利果浓缩液,LF3:60%常规化肥+675 L/hm2海藻酸原液+450 L/hm2利果浓缩液,LF4:60%常规化肥+900 L/hm2海藻酸原液+600 L/hm2利果浓缩液。各处理重复3次,随机区组排列,共15个试验小区,每个小区10 m×10 m=100 m2。各处理肥料分别于棉花生育期随水滴施,共计8次,其他按当地农田管理进行。

表1 试验处理及施肥用量

1.3 测定项目及方法

1.3.1 干物质 于棉花播种后30 d开始取样,之后每8 d取样1次,各处理选代表性棉株3株,从棉株子叶节部位剪开,按叶、茎、蕾、铃等不同器官分开,在105 ℃杀青30 min后,80 ℃烘干至恒重,测定其干物质质量。

1.3.2 叶面积指数(LAI) 在棉花各生育阶段各处理选取生长状况良好、长势基本一致的棉花各3株,用LI-300C(LI-COR Inc, Lincoln, NE, USA)叶面积仪测定植株叶面积,取其平均值,计算叶面积指数(LAI)。

1.3.3 SPAD值 分别于蕾期、盛花期、盛铃期和吐絮期用SPAD-502叶绿素仪在棉花倒四叶测定SPAD值,测定时避开叶脉,每个处理测定3株,每个叶片测定5次,取平均值。

1.3.4 叶片光合作用测定 在花铃期,采用TARGAS-1便携式光合测定仪于11:00—13:00测定,每个处理随机选取3株测定净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间隙CO2浓度(Ci)等指标,荧光参数采用荧光仪测定。

1.3.5 产量测定 在棉花吐絮期,调查6.67 m2面积的棉花收获株数、单株铃数,并采收各部位棉铃100个测定铃重,实测每个小区棉花产量作为最终的产量数据,并换算为每667 m2产量。

1.3.6 纤维品质的测定 利用HVI1000大容量纤维测试仪测定上半部平均长度、断裂比强度、马克隆值、整齐度、伸长率、纺织一致性指数。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010对数据进行处理和绘图,用SPSS 19.0软件对数据进行相关分析,LSD法做多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对地上部干物质累积量变化的影响

由图1可知,两试验年各处理单株干物质累积量总体趋势一致,随生育进程的推进呈“慢—快—慢”的S型增加趋势,出苗后40 d内各处理增长缓慢,不同施肥处理间没有显著变化,出苗40 d后,各处理单株干物质累积量差异明显,随液体肥用量的增加而增加,LF4处理最大,LF3处理次之,LF1处理最小。与单施常规化肥CF相比,LF4高于CF,LF3、LF2和LF1分别低于CF处理。

图1 不同施肥处理单株干物质累积量变化Fig.1 The change of dry matter accumulation per plant at different fertilization treatments

对各处理单株干物质累积量进行回归分析(表2)表明,化肥减量配施不同用量液体肥和单施常规化肥处理单株干物质累积量与出苗后天数均符合logistic函数模型,各处理回归方程相关系数均达到显著水平,R2值均高于0.99。化肥减量配施不同用量液体肥处理单株干物质累积最大速率出现天数随液体肥用量的增大而降低,2021年LF1为53 d,LF4为51.9 d,单施常规化肥CF介于LF2和LF3之间,2022年LF1为54.2 d,LF4为52.9 d,CF介于LF3和LF4之间。单株干物质快速累积开始时间随液体肥用量的增加而下降,LF4出现最早,LF1出现最晚,两试验年LF4出现时间分别为43.2和43.6 d,LF1分别为44.2和45.1 d,单施常规化肥CF介于LF2和LF3之间。快速累积期内单株干物质最大增长速率随液体肥用量的增加而增加,LF4最高,年均值为4.68 g/d,LF1最低为3.85 g/d,单施常规化肥CF介于LF3和LF4,年均值较LF3高2.99%,较LF4低7.34%。

表2 不同处理单株干物质积累logistic回归方程及其特征值

2.2 不同施肥处理对棉花叶面积指数的影响

从图2可知,两试验年不同施肥处理叶面积指数随生育进程的推进表现为先增加后降低的抛物线形状,盛铃期最大,盛铃后期次之,蕾期最小。就不同生育时期而言,蕾期各液体肥处理与单施常规化肥CF无显著差异。初花至吐絮期,不同用量液体肥处理叶面积指数随液体肥用量的增加而增大,LF4最大,LF3次之,LF1最小,不同用量液体肥处理间显著差异,各处理与单施常规化肥相比,LF1和LF2显著低于CF处理,LF3与CF间无显著变化,LF4显著高于CF。

同一时期不同小写字母表示在0.05水平差异显著。Different lowercase letters in the same period indicate significant differences at the 0.05 level.图2 不同施肥处理对棉花叶面积指数的影响Fig.2 Effects of different fertilization treatments on cotton leaf area index

2.3 不同施肥处理对棉花叶片SPAD的影响

从表3可知,不同施肥处理叶片SPAD值随生育进程的推进表现为先增加后降低,各处理盛铃期最高,盛花期次之,蕾期最小。在不同生育时期,不同液体肥用量处理SPAD值随液体肥用量增加而增大,LF4最大,LF1最小。与单施常规化肥CF相比,LF1和LF2显著低于CF处理,LF3和LF4与CF处理无显著差异,就不同液体肥用量而言,SPAD值LF3和LF4处理间无显著差异,显著高于LF1和LF2处理。

表3 不同施肥处理对棉花叶片SPAD的影响

2.4 不同施肥处理对棉花花铃期光合与荧光的影响

两试验年不同液体肥处理棉花花铃期净光合速率随液体肥用量的增加而增大(表4),LF4最大且与LF3没有显著差异,但显著高于LF1和LF2处理,各液体肥处理与单施常规化肥CF相比,LF1和LF2显著低于CF处理,LF3和LF4略低于CF但三者无显著差异,各处理年均值较CF分别低14.95%、11.62%、0.93%和0.61%。蒸腾速率随液体肥用量的增加而增大,LF1显著低于LF3和LF4,LF2显著低于LF4,LF3和LF4没有显著差异;与CF相比,CF显著高于LF1和LF2,与LF3和LF4无显著差异,年均蒸腾速率LF1、LF2和LF3分别较CF低12.51%、10.69%和1.21%,LF4较CF高1.09%。气孔导度随液体肥用量的增加而增大,LF4最大,LF1最小,LF4与LF3间无显著差异,显著高于LF1和LF2处理;与CF相比,各液体肥处理均低于CF处理,但LF3、LF4与CF无显著差异,LF1、LF2显著低于CF。胞间隙CO2浓度随液体肥用量的增加而降低,LF1最高,LF4最低,LF1与LF2无显著差异,但显著高于LF3、LF4和CF,LF3、LF4、CF间无显著差异。

表4 不同施肥处理对花铃期光合参数的影响

不同施肥处理花铃期最大光化学量子产量、激发能电子转化效率和电子传递光量子产量均随液体肥用量的增加而增大,LF4处理最大,LF1最小(表5)。最大光化学量子产量LF4显著高于LF1,与LF2和LF3无显著变化;与CF相比,各液体肥处理与CF间无显著差异。激发能电子转化效率和电子传递光量子产量CF处理显著高于LF1、LF2,与LF3和LF4无显著变化。初始荧光随液体肥用量的增加而降低,LF1最大,LF4最小,且两者显著差异,各液体肥处理与CF无显著差异,但LF1、LF2、LF3高于CF,LF4低于CF处理。

表5 不同施肥处理对花铃期素荧光参数的影响

2.5 不同施肥处理对棉花产量及产量构成因子的影响

从表6可知,两试验年不同液体肥用量和单施常规化肥CF处理收获株数无显著差异,年均收获株数介于18.94×104/hm2～19.21×104/hm2。单株铃数随液体肥用量的增加而增加,LF4最高,显著高于LF1和LF2,与LF3和CF无显著差异,各液体肥处理年均单株铃数LF1、LF2和LF3较CF分别低47.66%、27.42%和6.04%,LF4较CF高1.27%。单铃重随液体肥用量的增加而增加,LF1与LF2无显著差异但显著小于LF3、LF4和CF处理,CF高于LF3低于LF4但三者间无显著差异,年均单铃重CF较LF1、LF2和LF3分别高10.60%、7.11%和1.59%,较LF4低2.58%。液体肥不同用量与单施常规化肥CF之间均无显著差异,年均值介于41.84%～42.26%。籽棉产量随液体肥用量增加而增加,LF4最高,与LF3无显著差异,但显着高于LF1和LF2;与CF相比,LF1和LF2显著低于CF处理,LF3、LF4与CF无显著差异,各处理LF1、LF2、LF3、LF4和CF年均籽棉产量分别为6012.5、6528.5、7274.5、7568.5和7383 kg/hm2,LF1、LF2和LF3分别较CF低22.79%、13.09%和1.49%,LF4较CF高2.51%。

表6 不同施肥处理对棉花产量及产量构成因子的影响

2.6 不同施肥处理对纤维品质的影响

从表7可知,两试验年上半部平均长度、断裂比强度、整齐度、伸长率和纺织一致性指数均随液体肥用量的增加而增加。不同施肥处理上半部平均长度和断裂比强度LF4处理最高,年均值分别为29.4 mm和28.5 cN/tex,LF1最低分别为28.0 mm和27.2 cN/tex,LF1显著低于LF3、LF4和CF,LF2、LF3、LF4和CF无显著差异。马克隆值随液体肥用量的增加而下降,各处理LF1最高,年均值为5.35,CF最低为5.01,CF显著低于LF1、LF2和LF3,与LF4无显著差异;各液体肥处理间LF4显著低于LF1,与LF2和LF3无差异。整齐度LF1显著低于LF4和CF,与LF2和LF3无差异,伸长率和纺织一致性指数各处理间均无显著差异。

表7 不同施肥处理对纤维品质的影响

3 讨 论

干物质积累是棉花吸收养分的直接体现,是棉花产量的物质基础,其积累与合理分配及运转是提高棉花产量的关键,只有干物质保持在一定范围内,才有利于协调平衡营养生长与生殖生长之间的矛盾,从而建立合理的群体基础,进而达到增产的目的[14-15]。研究发现,有机肥能增加棉花干物质积累[16]。汪苏洁等[17]研究表明有机肥替代50%化肥处理整株及根部生物量均显著高于有机肥替代20%化肥处理和有机肥替代40%化肥处理,一定量有机肥替代化肥能够增加棉株干物质积累。本研究表明,单株干物质累积量随液体肥用量的增加而增加,其中LF4处理高于单施常规化肥CF处理,而LF3、LF2和LF1均低于CF处理。对各处理进行拟合发现,各处理单株干物质累积量与出苗后天数均满足logistic模型,说明减施化肥配施不同用量液体肥不会改变干物质生长模型,与单施常规化肥CF一致,但各处理特征参数值不同,干物质累积最大速率出现天数随液体肥用量的增大而下降,即液体肥用量越多,出现天数越早。快速积累期内单株干物质最大增长速率随液体肥用量的增加而增加,LF4最高,LF1最低,CF高于LF3低于LF4处理,这与相关研究结果一致[18]。

植物叶片是光合作用的主要载体,LAI能够反映植物光截获的能力,SPAD能够反映植物叶片叶绿素含量,是冠层结构性能的重要指标[19]。已有研究表明,LAI、SPAD随着施肥量的增加而增大,当施肥量达到一定量时,LAI、SPAD的提高不明显[20]。马燕等[21]研究表明,随有机液体肥施用量的增加,棉花叶面积指数呈增加趋势。本研究表明,化肥减量配施不同量液体肥和单施常规化肥CF处理LAI和SPAD值均随生育进程的推进表现为先增加后降低趋势,盛铃期最大,蕾期最小。LAI和SPAD值均随液体肥用量的增加而增大,LF4最大,LF1最小。除蕾期外,各液体肥处理LAI显著差异,与CF相比,LF1、LF2显著低于CF,LF3与CF无显著差异,LF4显著高于CF。研究发现,施用生物有机肥能够改善作物的光合特性,增强作物光合效率,利于光合产物的积累[22-23]。冯克云等[24]研究表明化肥减量配施有机肥较单施化肥显著提高了各生育期棉花净光合速率、气孔导度,降低了胞间CO2浓度。本研究表明,不同液体肥处理花铃期净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均随液体肥用量的增加而增大,与单施常规化肥CF相比,LF1、LF2显著低于CF处理,LF3、LF4与CF无显著差异。胞间CO2浓度随液体肥用量的增加而降低,LF1显著高于LF3、LF4和CF,LF2、LF3、LF4和CF无显著差异,这与冯克云等[24]、徐海东等[25]的研究结果一致。最大光化学量子产量、激发能电子转化效率和电子传递光量子产量均随液体肥用量的增加而增大,初始荧光随液体肥用量的增加而降低,LF3、LF4和CF无显著差异。

适宜的养分供应能改善作物生长和提高产量,研究表明在减量一定化肥的基础上配施适量比例有机肥可以提高农作物产量[26]。本研究结果表明不同施肥处理收获株数和衣分没有显著变化。单株铃数、单铃重和产量均随液体肥用量增加而增加,单株铃数和产量LF3与LF4无显著差异,但显著高于LF1和LF2,单施常规化肥CF显著高于LF1和LF2,与LF3和LF4无显著差异。单铃重不同液体肥用量间差异显著,CF与LF3和LF4无显著差异但显著高于LF1和LF2。说明化肥减量配施不同量的液体肥在一定范围内能够增加单株铃数和产量,但当液体肥用量超过一定量时并不能增加铃数,提升产量,反而造成液体肥浪费,增加了成本。纤维品质是决定棉花经济价值的重要指标[27],王宁等[28]指出,与450 kg/hm2尿素+600 kg/hm2复合肥相比,化肥减量配施有机肥处理纤维长度、整齐度指数、断裂比强度和伸长率无显著差异。但本研究中上半部平均长度、断裂比强度和整齐度随液体肥用量的增加而增加,长度、断裂比强度LF1显著低于LF3、LF4和CF处理,LF3、LF4与CF无显著差异。整齐度LF1显著低于LF4和CF,与LF2和LF3无显著变化。马克隆值随液体肥用量的增加而下降,除LF1与CF差异显著外,其他处理与CF无显著变化。

4 结 论

适量的有机液体肥替代部分常规化肥能够促进棉花生长发育,增加干物质累积量,改善棉花光合特性、增强光合效率,适当增加产量和改善品质。60%常规化肥+675 L/hm2海藻酸原液+450 L/hm2利果浓缩液处理时,无论是单株干物质累积量、LAI、SPAD值、光合参数,还是产量、产量构成因子及液体肥用量等综合指标最佳,可为有机液体肥替代部分化肥施用提供理论依据。