不同施氮量对秸秆还田条件下棉麦轮作生产的影响

闫振华 赵树琪 张华崇 黄晓莉 戴宝生 张欣 李蔚 童瑞金

摘要：為了研究长江流域棉区棉（Gossypium spp.）麦（Triticum aestivum L.）轮作两熟种植模式下如何降低氮肥投入而提高棉田的综合效益，试验设置了5个氮肥用量处理，分别为低氮（N1，50% N3）、少氮（N2，75% N3）、中氮（N3，棉花季和小麦单季纯氮用量分别为180.0、150.0 kg/hm2）、高氮（N4，125% N3）、富氮（N5，150% N），分析了不同施氮量对小麦和棉花的生育进程、农艺性状、产量性状及棉花纤维品质的影响，并对不同处理间的经济效益、土地利用率和生产效率进行了分析。结果表明，棉麦轮作总的生产周期在344 d左右，在长江流域棉区发展棉麦轮作是可行的；不同施氮量间小麦的有效穗、穗粒数、产量随着施氮量的增加先增加后减少，综合2年的试验结果，当氮肥水平为高氮（187.5 kg/hm2）时，小麦产量最高；不同施氮量间棉花株高、单株结铃数、子棉产量和皮棉产量差异显著，当氮肥水平为高氮（225.0 kg/hm2）时，子棉产量最高；棉麦周年生产中总产出、生产效率、净利润、收益率和产投比随施氮量的增加呈先增后减的趋势，当施肥量为高氮时值最大，总生产周期和土壤利用率随施氮量的增加而增加。

关键词：氮肥；棉花（Gossypium spp.）；小麦（Triticum aestivum L.）；轮作；生产效益；秸秆还田

中图分类号：S511；S562；S318         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2023）11-0011-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.11.003 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effect of different nitrogen application rates on cotton-wheat rotation production under straw returning conditions

YAN Zhen-hua， ZHAO Shu-qi， ZHANG Hua-chong， HUANG Xiao-li，

DAI Bao-sheng， ZHANG Xin， LI Wei， TONG Rui-jin

（Huanggang Academy of Agricultural Sciences， Huanggang  438000， Hubei， China）

Abstract： In order to study how to reduce nitrogen fertilizer input and improve the comprehensive benefits of cotton fields under the dual cropping system of cotton （Gossypium spp.） and wheat （Triticum aestivum L.） rotation in the cotton region of the Yangtze River Basin， five nitrogen fertilizer dosage treatments were set up in the experiment， which were low nitrogen （N1，50% of N3）， relative low nitrogen（N2，75% of N3）， medium nitrogen（N3， pure nitrogen in the cotton season and wheat season were 180.0 and 150.0 kg/hm2， respectively）， high nitrogen（N4， 125% of N3） and rich nitrogen （N5， 150% of N3）. The effects of different nitrogen fertilizer application rates on the growth process， agronomic traits and yield traits of wheat and cotton and cotton fiber quality were analyzed， and the economic benefits， land use efficiency and production efficiency of different treatments were analyzed. The results showed that the total production cycle of cotton-wheat rotation was about 344 days， and it was feasible to develop cotton wheat rotation in the cotton region of the Yangtze River Basin. The effective number of ears， grains per ear and yield of wheat among different nitrogen fertilizer application rates first increased and then decreased with the increase of nitrogen fertilizer application rate. Based on two years of experimental results， when the nitrogen fertilizer application rate was high （N of 187.5 kg/hm2）， the yield of wheat was highest. There were significant differences in cotton plant height， number of bolls per plant， seed cotton yield， and lint yield among different nitrogen fertilizer application amounts. When the nitrogen fertilizer application amount was high nitrogen （225.0 kg/hm2）， the seed cotton yield was the highest. In the annual production of cotton and wheat， the total output， production efficiency， net profit， return rate and input-output ratio showed a trend of first increasing and then decreasing with the increase of nitrogen fertilizer application， and the maximum value was reached when the fertilizer application level was high nitrogen（N4）. The total production cycle and soil utilization rate increased with the increase of nitrogen fertilizer application amount.

Key words： nitrogen fertilizer； cotton（Gossypium spp.）； wheat（Triticum aestivum L.）； rotation； production efficiency； straw returning

中国人口众多，但可利用的耕地资源有限，随着日益尖锐的国内外粮食供需矛盾，粮食安全变得更加重要，粮棉争地矛盾也随之出现［1，2］。缓解粮棉争地矛盾、稳定棉花（Gossypium spp.）面积同时增加粮食产量的有效途径是发展棉麦两熟栽培［3］。中国长江流域棉区传统的种植制度主要以小麦（Triticum aestivum L.）田套作棉花或麦后移栽棉花为主，这两种种植模式明显提高了土地利用效率和生产效率。但是这两种种植模式均存在着诸多缺点，首先，棉花套种或者移栽费时费工，劳动强度大［4-6］；其次，棉花生产周期长（200 d以上），吐絮收花时间长，采收不集中；再次，氮肥施用量较高，一般纯氮用量超300 kg/hm2，施肥次数3～4次；最后，难以开展机械化生产，植棉效益不高。由此可知，传统棉田两熟制已无法适应现代化农业发展的要求。黄冈市农业科学院对传统种植模式进行了优化，集成了早熟优质品种、棉麦轮作双直播、增密减氮、简化施肥、机械收获等技术，发展和创新了适合本区域的棉麦轮作两熟种植新模式［6］。

氮素是作物生长过程中必不可少的元素，能提高作物的单产及改善品质［7］。王海洋等［4］的研究发现，不同施氮量对短季棉的生长发育、子棉产量等影响较大。合理施用氮肥能够促进小麦的生长发育，但氮肥施用过量则会降低冬小麦的产量、品质及氮素利用率，甚至会造成环境污染［7-11］。王志勇等［12］指出，中国棉花施肥量特别是化肥用量不断增加，氮肥不合理施用及过量施用现象突出，造成棉田养分不平衡，并影响棉花的产量和品质，甚至会导致地下水硝酸盐超标、水体富营养化等一系列问题。

研究棉麦轮作两熟种植模式下如何降低氮肥投入，避免作物贪青晚熟和协调两季作物的茬口期，提高棉田的综合效益十分有必要。因此，本研究于2020—2022年开展了3季棉麦连作两熟种植模式下适宜施氮量试验，以期为发展和创新该区域的棉麦轮作两熟种植模式提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 基本情况

试验于2020年10月至2022年5月在黄冈市现代农业科技示范园开展。供试小麦品种为襄麦25（由襄阳市农业科学院提供），棉花品种为晶华棉116。试验地耕作方式为直播小麦和棉花，秸秆采用旋耕还田方式，土壤类型为壤土，其有机质含量为11.2 g/kg，碱解氮含量为91 mg/kg，速效磷含量为9.9 mg/kg，速效钾含量为231.0 mg/kg。试验田间管理及病虫害的防治均按一般大田常规管理。

1.2 试验设计

试验采用随机区组排列，3次重复。小区长度为10 m，宽度为3.04 m，面积为30.4 m2，南北向种植。小麦播种量为150 kg/hm2，每个小区播11行，行距为27.6 cm；棉花种植密度为67 500株/hm2，每个小区播4行，行距0.76 m，株距0.19 m。

试验设置5个氮肥用量，N1：低氮，50% N3；N2：少氮，75% N3；N3：中氮；N4：高氮，125% N3；N5：富氮，150% N3。棉花季N3氮肥用量（纯氮用量）设定为180.0 kg/hm2，小麦单季N3氮肥用量设定为150.0 kg/hm2。按N∶P2O5∶K2O=1.0∶0.3∶1.0，配合施用磷、钾肥，棉花季所有肥料采用见花期一次施用，小麦季全部肥料作底肥一次施用。

1.3 数据调查

1.3.1 小麦农艺性状和产量性状 在小麦的整个生育期，适时记载小麦的播种、出苗、抽穗和成熟的时间；在立春前后调查小麦的最高苗，在小麦成熟前调查有效穗数；成熟收获前在田块中间取50穗考种，计算穗粒数、千粒重等；按小区收获脱粒计算单位面积产量。

1.3.2 棉花农艺性状、产量性状和品质性状 在棉花的整个生育期，适时记载其出苗、现蕾、开花及吐絮的时间；9月15日每个处理选取中间20株棉花，调查株高、单株果枝数、单株成铃数等性状；10月30日前按小区收获吐絮铃，晒干至含水量低于12%后称重，累计实收产量；取正常吐絮棉铃50个，考察铃重、衣分，取20 g皮棉测定纤维品质5项指标（由农业农村部国家棉花纤维检测中心进行）。

1.3.3 经济效益统计分析 采用土地利用效率、生产效率和效益来评估棉麦周年生产中的效益。土地利用效率为耕作时间与全年时间的比值；生产效率是通过将种植系统的总产量除以一年的总天数来确定的；效益采用净收益除以耕作时间得到。土地利用效率、生产效率、效益的计算式如下。

土地利用率=[D1+D2365×100%]     （1）

生产效率=[Y1+Y2D1+D2]       （2）

收益率=[净收益耕作时间]          （3）

式中，D1和D2为分别小麦和棉花耕作季的总天数；Y1和Y2分别为小麦和棉花的产量。

经济效益依据Mukher-Jee公式来计算，作物价格按照黄冈市当地收购价格，生产系统中成本核算依据见表1。

1.4 数据分析

采用WPS Office软件进行数据整理，采用SPSS 20.0软件对数据进行方差分析，差异显著性采用邓肯多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对小麦和棉花生育进程及农艺性状的影响

不同施氮量对小麦生育进程和农艺性状的影响如表2所示。结果显示，2020—2021年不同施氮量对小麦出苗时间、抽穗时间、成熟时间、生育期及株高影响不显著；低氮（N1）处理与高氮（N4）和富氮（N5）处理的最高苗存在極显著差异（P<0.01）；处理间分蘖率差异显著（P<0.05或P<0.01）。2021—2022年不同施氮量对小麦出苗时间和基本苗影响不显著；低氮（N1）、少氮（N2）与高氮（N4）、富氮（N5）处理间小麦抽穗时间、生育期、最高苗和株高存在显著差异（P<0.05或P<0.01）；处理间小麦分蘖率差异显著（P<0.05或P<0.01）；低氮（N1）与其他处理间小麦从抽穗到成熟的时间差异极显著（P<0.01）；小麦抽穗时间、最高苗、分蘖率和株高随施氮量的增加而增加。

不同施氮量对棉花生育进程和农艺性状的影响如表3所示。结果显示，不同施氮量间棉花的生育进程和单株果枝数差异不显著；随着施氮量的增加，棉花株高呈增加趋势，低氮（N1）处理与少氮（N2）处理间差异显著（P<0.05），与中氮（N3）、高氮（N4）、富氮（N5）处理间差异极显著（P<0.01），少氮（N2）与富氮（N5）处理间差异显著（P<0.05）；低氮（N1）、少氮（N2）的棉花果枝始節与中氮（N3）处理间存在显著差异（P<0.05），与富氮（N5）处理间存在极显著差异（P<0.01）。随着施氮量的增加，棉花单株成铃数先增加后降低，低氮（N1）与中氮（N3）、高氮（N4）、富氮（N5）处理间差异显著（P<0.05），少氮（N2）、中氮（N3）与高氮（N4）处理间差异显著（P<0.05）。

2.2 不同施氮量对小麦和棉花产量性状的影响

不同施氮量对小麦产量性状的影响如表4所示。结果显示，2020—2021年，随着施氮量的增加小麦有效穗数、千粒重、穗粒数及产量先增加后降低，当氮肥施用水平为中氮（N3）时达最大值，且中氮（N3）处理的小麦千粒重和产量与低氮（N1）和富氮（N5）处理间差异显著（P<0.05或P<0.01）。2021—2022年，不同处理间小麦有效穗数、千粒重、穗粒数及产量结果同样存在差异，随着施氮量的增加，其有效穗数、穗粒数和产量均先增加后降低，当施氮量为高氮（N4）时达最大值，且高氮（N4）处理的有效穗数、产量与低氮（N1）、少氮（N2）和富氮（N5）处理间差异显著（P<0.05或P<0.01）；5个施氮处理间，仅低氮（N1）与富氮（N5）处理的小麦千粒重差异显著（P<0.05）。2年的试验结果存在差异，但同时也有共同之处，小麦获得高产与其产量三要素密切相关，2年的试验结果中均当有效穗和穗粒数取得高值时产量最高。综合2年的试验结果，当氮肥水平为高氮（N4）时，平均田间实际收获产量最高，为5 161.5 kg/hm2；其次为中氮（N3）时，平均田间实际收获产量为        5 152.5 kg/hm2。

不同施氮量对棉花产量性状的影响如表5所示。结果显示，不同处理间棉花衣分、单铃重和百粒重差异不显著。与中氮（N3）处理相比，低氮（N1）、少氮（N2）处理的子棉产量和皮棉产量减产均不显著，高氮（N4）、富氮（N5）处理的增产也均不显著，但是高氮（N4）处理的子棉产量和皮棉产量与低氮（N1）、少氮（N2）处理间差异均达显著水平（P<0.05），其子棉产量最高，为4 021.5 kg/hm2，当氮肥水平为富氮（N5）时皮棉产量最高，为1 657.5 kg/hm2，显著高于低氮（N1）、少氮（N2）处理（P<0.05）。

2.3 不同施氮量对棉花纤维品质的影响

不同施氮量对棉花纤维品质的影响如表6所示。结果显示，不同施氮量间棉花上半部纤维长度、纤维强度、马克隆值和整齐度指数的变化趋势不明显，对伸长率没有影响；其中当氮肥水平为中氮（N3）时，纤维品质相对较好，上半部纤维长度为30.0 mm，纤维强度为31.0 cN/tex，马克隆值为4.9。

2.4 不同施氮量生产效益的分析

不同施氮量棉麦周年生产中的经济效益如表7所示。小麦售价以2021年6月和2022年6月黄冈市的市场价为主，单价分别为1.9元/kg和2.9元/kg；子棉售价以2021年11月黄冈市的市场价为主，单价为9.6元/kg。棉麦周年生产中的总投入随施氮量的增加而增加，总产出、净利润和产投比随施氮量的增加呈先增后减的趋势，当氮肥水平为高氮（N4）时，总产出、净利润和产投比最大。

由表8知，棉麦周年生产中总生产周期和土地利用率随施氮量的增加而增加；总产量、生产效率和收益率则呈先增后减的趋势，当氮水平为高氮（N4）时最大。

3 讨论

3.1 长江流域棉区发展棉麦轮作的可行性

在长江流域棉区，麦后棉播种一般在5月下旬，最晚可至6月初，初霜期一般在11月上旬，从出苗到初霜期大约有155 d，麦后棉要获得高产优质其主体铃必须在初霜期之前吐絮收获［3，6，13］；而小麦的播种一般在11月上旬完成，因此耕整地、施肥和播种的农时相对比较紧张［5］，收获一般在次年5月中旬左右，生产周期大约有185 d。本研究结果表明，麦后棉花生产周期在153 d左右，开花、结铃及吐絮比较集中，小麦的生产周期在192 d左右，棉麦轮作总的生产周期在344 d左右。因此，在长江流域棉区发展棉麦轮作是可行的。但是，在生产上要注意小麦品种与棉花品种的配套，棉花品种需选用高产优质的早熟棉品种，小麦品种需是春性早熟品种且耐迟播［6］。

3.2 秸秆还田条件下棉麦轮作生产的施氮量

国内一些学者研究认为，小麦子粒产量随施氮量的增加先增加后减少［14-17］，合理施用氮肥可以实现小麦的高产优质［18，19］。本试验结果表明，不同施氮量对小麦的最高苗、分蘖率影响显著，有效穗数、穗粒数、产量随施氮量的增加先增加后减少。综合2年的试验结果，当氮肥（纯N）施用量为187.5 kg/hm2时，小麦产量最高，为5 161.5 kg/hm2。

李飞等［11］在研究不同施氮水平下油棉连作模式下棉花氮磷钾吸收、分配与利用中发现最佳施氮量为250～270 kg/hm2 ；王海洋等［4］对麦后直播短季棉施氮量研究得出中等肥力土壤条件下施氮水平宜控制在225 kg/hm2 。本试验结果表明，当氮肥水平为高氮（纯氮用量为225.0 kg/hm2）时，子棉产量最高，为4 021.5 kg/hm2，当氮肥水平为富氮（纯氮用量为270.0 kg/hm2）时，皮棉产量最高，为1 657.5 kg/hm2。

3.3 不同施氮量对秸秆还田条件下棉麦轮作生产效益的影响

国内有很多学者开展了小麦与其他不同作物轮作模式下产量及经济效益的研究［20，21］，而针对棉麦轮作方面的研究还较少。本研究发现，棉麦周年生产中总产出、净利润和产投比随施氮量的增加呈先增后减的趋势，总生产周期和土地利用率隨施氮量的增加而增加，总产量、生产效率和收益率则呈先增后减的趋势，当氮水平为高氮（纯氮用量棉花季为225.0 kg/hm2，小麦单季为187.5 kg/hm2）时，总产出、净利润、产投比、总产量、生产效率和收益率最大。这表明在长江中下游棉区开展棉麦轮作，合理施用氮肥，可以实现棉花和小麦纯收益的提高，进而获得较高的生产效益，同时能够实现粮食的增产。

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