长期秸秆还田下施氮量对棉花产量和氮素利用的影响

刘成敏 门雅琦 秦都林,2 闫晓宇,3 张 乐 孟 浩 苏寻雅 孙学振 宋宪亮 毛丽丽,*

长期秸秆还田下施氮量对棉花产量和氮素利用的影响

刘成敏1门雅琦1秦都林1,2闫晓宇1,3张 乐1孟 浩1苏寻雅1孙学振1宋宪亮1毛丽丽1,*

1山东农业大学农学院 / 作物生物学国家重点实验室, 山东泰安 271018;2山东省农业技术推广中心, 山东济南 250013;3青岛市崂山区农业农村局, 山东青岛 266000

施氮能够增加土壤中氮的有效性, 提高植株光合作用, 促进植株对氮的吸收和干物质的积累, 最终增加作物产量。但是在长期高氮秸秆还田条件下, 是否应调整施氮量尚不清楚。为探究长期秸秆还田条件下施氮量对棉花光合速率、干物质和养分积累分配、产量、氮素利用和土壤氮素变化的影响, 本研究设置0 (N0)、150 (N150)、180 (N180)、210 (N210)、240 (N240)、270 (N270)和300 (N300) kg hm–2共7个施氮量处理。与常规施氮量(N300)相比, 2020—2021年, 减氮30% (N210)处理2年均获得了较高产量, 分别为1853.62 kg hm–2和1872.43 kg hm–2, 减氮40% (N180)仅在第1年保持了较高产量, 为1743.68 kg hm–2。2021年, N210的净光合速率、干物质和养分积累量均高于N180, 两者间生殖器官的干物质和养分分配系数、氮肥利用效率未有显著差异, 但N180的土壤表观氮盈余量显著降低了39.15%。综上, 长期秸秆还田条件下, 鲁西北棉区应适量减少施氮量。

棉花; 施氮量; 秸秆还田; 产量; 氮素利用; 光合速率

棉花是世界上重要的经济作物[1]。鲁西北棉区作为我国重要的产棉区, 为了提高产量, 当地农民通常施用大量的氮肥。加之鲁西北棉区雨热同期, 降雨主要集中于每年的7月至9月, 7月份棉花需进行追肥, 过量施氮将加重氮肥淋失, 土壤中残余氮素以各种形式进入大气、水体和土壤, 造成温室效应、土壤酸化、地下水的硝酸盐污染等环境问题[2], 还会造成棉花氮素利用效率下降[3], 经济效益降低, 阻碍当地棉花产业的可持续发展。因此, 优化鲁西北棉田施氮量势在必行。棉花秸秆还田不仅能改善土壤结构, 而且对微生物群落和氮素的有效性具有积极作用[4-5]。因此, 在长期秸秆还田下, 找到较为适宜的施氮量, 使其既有利于产量提高又有利于棉业可持续发展, 对实现鲁西北棉区棉业减氮促产具有重要意义。

施氮量直接影响作物对氮素的吸收、同化与转运[6]以及光合能力的强弱[4], 从而影响干物质和养分的积累分配, 最终影响产量的形成[7]。施氮能够提高PSII活性及原初光能转换效率(v/m)[8-9], 增加叶片叶绿素和叶绿素含量、气孔导度、茎叶夹角、叶面积指数和叶面积持续期[10-12], 降低胞间二氧化碳浓度, 增加谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase, GS)和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性, 降低丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量[9,13], 延长叶片功能期, 减缓叶片衰老, 增加棉株净光合速率, 进而提高N、P、K等养分和干物质的积累量, 此外, 适量减少施氮量有利于干物质向生殖器官转运[14-15]。施氮量过多或过少均不利于平衡营养生长和生殖生长的矛盾, 施氮量不足降低了光合能力, 导致植株矮小, 叶片稀疏早衰, 干物质和养分积累不足, 限制了棉铃发育和土壤的供氮能力, 导致铃重和铃数下降, 产量降低; 施氮量过多, 会导致营养器官贪青晚熟, 造成营养器官与生殖器官竞争养分, 从而使生殖器官的分配系数降低[14], 并且与适氮水平相比, 过量施氮棉株的净光合速率(n)、GS和叶绿素含量未能显著增加, 还降低了蒸腾速率, 光合作用受到非气孔限制, 导致光合速率降低, 霜前花比例下降[16], 棉铃脱落增加, 造成减产。此外, 过量施氮容易增加土壤残留氮, 加剧氮素淋失从而污染环境[2]。合理施氮能协调棉株营养生长和生殖生长的矛盾[17-19], 为棉花高产建立合理的群体基础[20], 促进干物质和养分的积累[21]并增加生殖器官干物质和养分的分配比例, 提高氮肥利用效率, 同时降低土壤残留氮含量, 对保护环境具有积极影响。秸秆还田技术作为一项基本国策在我国得到了长期且广泛的实施, 棉秆还田能增加土壤肥力, 但也因其C/N较高, 微生物分解秸秆过程中需要消耗大量土壤氮素, 会与作物争氮[22-23], 因此, 长期秸秆还田下施氮量是否需要调整, 还有待进一步明确。

本文通过分析长期秸秆还田下, 施氮量对棉花光合速率、干物质和养分积累分配、产量、氮素利用以及土壤氮素变化的影响, 找到适宜的施氮量, 为鲁西北棉区减肥促产提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况与试验设计

本试验为2年试验, 于2020年和2021年在山东农业大学棉花科研基地聊城市茌平县振兴办事处(36°31′N, 116°16′E)进行。试验地为连作13年以上的棉田, 一年一熟, 每年进行秸秆还田。试验地属于温带大陆性季风气候, 降雨主要发生在7月、8月和9月。2020年播种前试验地点0～20 cm土层主要的基础地力如下: 土壤含有机质15.31 g kg-1、全氮1.39 g kg-1、速效磷33.98 mg kg-1、速效钾308.34 mg kg-1, pH 7.96。气象数据来源于当地气象局, 2020年4月至10月平均气温21.75℃, 平均降雨量约91.77 mm, 2021年4月至10月平均气温22.03℃, 平均降雨量约116.41 mm (图1)。

本试验选用聊棉15号为供试品种, 设纯氮0 (N0)、150 (N150)、180 (N180)、210 (N210)、240 (N240)、270 (N270)和300 (N300) kg hm–27个施氮量处理, 每个处理4次重复。采用随机区组设计, 小区行长10 m, 每小区10行, 等行距种植(行距76 cm),株距20 cm, 播种密度为6.25万株 hm–2。氮肥为尿素(含氮量≥46%), 按照当地施肥习惯将尿素分2次施入, 基追比1∶1。2年均于4月24日机械播种, 地膜覆盖, P2O5(过磷酸钙)和K2O (硫酸钾)施用量分别为90 kg hm–2和105 kg hm–2, 基施氮肥和全部磷钾肥, 播种时集中开沟条施, 距播种行10 cm深10 cm土壤中, 于7月中旬开沟追施氮肥, 收获期在10月中旬, 每年收获后将棉花秸秆全部机械粉碎后旋耕入土, 其他管理措施同一般大田。

图1 2020年和2021年棉花生长季内每月平均温度和降水量

1.2 净光合速率的测定

用英国CIRAS-3便携式光合测定系统(Hansatech, 美国), 于播后90 d和120 d时的晴天上午09:00—11:00测定功能叶净光合速率(LED光源, PAR=1500 μmol m–2s–1, CO2浓度为380 μmol mol–1), 各小区均测定5个有连续性的叶片, 生育前期功能叶为棉株倒4叶, 打顶后为棉株倒3叶。

1.3 干物质、养分积累与分配的测定

于播后150 d按小区选取连续棉株5株, 用于测定干物质重和氮、磷、钾含量。

干物质采用烘干称重法, 具体操作为将每株分为营养器官和生殖器官, 105℃杀青30 min, 80℃烘干至恒重, 称重。

养分积累测定具体操作为, 将烘干植株粉碎后过20目筛, 用H2SO4-H2O2消解定容, 用半微量凯氏定氮法[24]测定氮含量, 用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法[24]测定磷含量, 用醋酸铵浸提-火焰光度法[24]测定钾含量。

1.4 产量的测定

收获时, 从每小区选取20株代表性棉株, 统计收获的棉铃总数, 计算平均单铃重和衣分。将各试验小区棉花全部采收, 称重后获得籽棉实际产量。

1.5 氮肥利用率的相关计算公式

氮肥农学利用率(nitrogen agronomic efficiency, NAE) = (施氮区籽棉产量-不施氮区籽棉产量)/施氮量;

氮肥偏生产力(nitrogen partial factor productivity, PFPN) = 施氮区籽棉产量/施氮量;

氮肥贡献率(nitrogen contribution rate, NCR) = (施氮区籽棉产量-不施氮区籽棉产量)/施氮区籽棉产量×100%。

1.6 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2010对数据进行处理, DPS 7.05统计软件分析差异显著性(LSD法,<0.05), Sigma Plot 14.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 施氮量对棉花功能叶净光合速率的影响

2年内, 随施氮量的增加, 棉株功能叶净光合速率均呈逐渐增加趋势(图2)。2020年, 与N0相比, N270和N300功能叶的净光合速率在播后90 d分别显著增加11.75%和13.47%, 在播后120 d分别显著增加28.19%和30.58%。2021年, 与N0相比, N300功能叶净光合速率在播后90 d显著增加15.96%, N240、N270和N300的功能叶净光合速率在播后120 d分别显著增加25.86%、30.77%和33.76%。

图2 施氮量对棉花功能叶净光合速率的影响

不同小写字母表示同一年份处理间在0.05概率水平差异显著。N0: 施氮量0 kg hm–2; N150: 施氮量150 kg hm–2; N180: 施氮量180 kg hm–2; N210: 施氮量210 kg hm-2; N240: 施氮量240 kg hm–2; N270: 施氮量270 kg hm–2; N300: 施氮量300 kg hm–2。

Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 probability level among the treatments in the same year. N0: nitrogen rate 0 kg hm–2; N150: nitrogen rate 150 kg hm–2; N180: nitrogen rate 180 kg hm–2; N210: nitrogen rate 210 kg hm–2; N240: nitrogen rate 240 kg hm–2; N270: nitrogen rate 270 kg hm–2; N300: nitrogen rate 300 kg hm–2.

2.2 施氮量对棉花干物质积累与分配的影响

2.2.1 施氮量对棉花地上部干物质积累的影响

2年7个处理间地上部总干物质积累量在播后30 d均无显著差异(图3)。与N0相比, 播后60 d, N240、N270和N300的地上部总干物质积累量均得到了显著提高; 播后90～150 d, 2年间N210、N240、N270和N300显著增加了地上部总干物质积累量, 以N300地上部干物质积累量最高, 平均达到17,405 kg hm–2。

2.2.2 施氮量对棉花地上部干物质分配的影响

2年地上部干物质最终分配到营养器官和生殖器官中的比例受到施氮量的影响(表1)。2020年, 与N270和N300相比, N180中干物质分配到营养器官的系数显著降低6.59%和9.43%, N210中分配到营养器官的比例显著降低6.46%和9.30%, 而N180中分配到生殖器官的系数显著增加7.51%和11.49%, N210显著增加6.85%和11.34%, N240分配到各器官的比例没有受到影响。2021年, 与N270和N300相比, N210中干物质分配到营养器官的比例虽然没有差异, 但是, 分配到生殖器官的干物质分配系数显著增加5.86%和5.43%; 而N180中干物质分配到营养器官和生殖器官的分配系数没有发生改变。

2.3 施氮量对棉花地上部氮素积累与分配的影响

2.3.1 施氮量对棉花地上部氮素积累的影响 施氮能够促进棉花对氮、磷和钾养分的吸收积累(图4)。播后30 d和60 d, 2年7个处理间的氮积累量无显著差异。播后90 d和120 d, 与N0相比, 2年内N300的氮积累量得到了显著提高, 播后90 d分别提高117.94%和121.49%, 播后120 d分别提高54.10%和51.59%。播后150 d, 2年间N150、N180、N210、N240、N270和N300的氮积累量均得到了显著提高, 2020年, 分别提高24.59%、39.74%、53.58%、56.69%、58.35%和59.73%, 2021年, 分别提高21.34%、31.02%、54.64%、57.18%、62.88%和61.65%。

图3 施氮量对棉花地上部干物质积累的影响

处理同图2。Treatments are the same as those given in Fig. 2.

表1 施氮量对棉花地上部干物质分配的影响(播后150 d)

不同小写字母表示同一年份处理间在0.05概率水平差异显著。处理同图2。

Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 probability level among the treatments in the same year. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

图4 施氮量对棉花地上部氮素积累的影响

处理同图2。Treatments are the same as those given in Fig. 2.

2.3.2 施氮量对棉花地上部氮素分配的影响

2020年地上部氮素最终分配到营养器官和生殖器官中的比例受到施氮量的影响(表2)。2020年, 与N300相比, N0、N150、N180、N210中氮素分配到营养器官的系数显著降低4.04%、3.93%、4.25%和5.89%, 分配到生殖器官的系数显著增加3.46%、3.36%、3.63%和5.04%。2021年施氮量对氮素分配没有显著影响。

2.4 施氮量对棉花产量的影响

2年施氮均增加棉花产量(表3)。在2020年和2021年, 与N0和N150相比, N210～N300显著增加棉花产量。其中, N210的产量2年均最高, 分别为1853.62 kg hm–2和1872.43 kg hm–2。

2020年和2021年, 与N0相比, N180、N210、N240、N270和N300的单位面积铃数均显著增加, 且均为N210增加比例最高, 2020年达到了42.49%, 2021年达到了46.52%; N210的单铃重均最高, 2020年显著提高6.39%, 2021年显著提高7.97%; N180、N210、N240、N270和N300的产量在2020年分别显著增加43.58%、52.64%、44.20%、42.57%和41.34%, N210、N240、N270和N300的产量在2021年分别显著增加57.16%、46.38%、43.06%和39.29%; 2年7个处理间衣分均无显著差异。说明, 单位面积铃数的增加是棉花产量增加的主要原因。2年间, 随施氮量的增加, 棉花产量均表现出先增加后降低的趋势, 且均为N210最高, 说明适量施氮更有利产量提高。

表2 施氮量对棉花地上部氮素分配的影响(播后150 d)

不同小写字母表示同一年份处理间在0.05概率水平差异显著。处理同图2。

Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 probability level among the treatments in the same year. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

表3 施氮量对棉花产量的影响

不同小写字母表示同一年份处理间在0.05概率水平差异显著。处理同图2。

Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 probability level among the treatments in the same year. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

2.5 施氮量对棉花氮肥利用效率的影响

2020—2021年, 随施氮量的增加, 氮肥农学利用率和氮肥贡献率均表现为先升高后降低趋势, 2021年均为N210最高, 分别达到了3.24 kg kg-1和36.37%, 氮肥偏生产力在2020年表现为先升高后降低趋势, N180最高, 为8.30 kg kg-1, 2021年表现为降低趋势(表4)。2020年, 与N300相比, N180和N210的氮肥农学利用率分别显著提高43.20%和82.04%, 氮肥偏生产力分别显著提高43.85%和40.38%, N150的氮肥贡献率显著降低67.46%。2021年, 与N300相比, N150、N180和N210的氮肥偏生产力显著增加, 增加范围为50.27%～64.20%, N150的氮肥贡献率显著降低55.45%。表明过量施氮会导致氮肥浪费, 不利于氮肥利用效率的提高。

2.6 施氮量对土壤表观N平衡的影响

2020—2021年, 收获时0～20 cm土层中的土壤表观氮盈余量随施氮量的增加而增加(图5)。与2020年相比, 2021年N0、N150和N180的土壤表观氮盈余量显著降低, 分别降低233.25%、69.57%和39.15%, N270和N300的土壤表观氮盈余量显著增加, 分别增加61.83%和46.79%, N210和N240的土壤表观氮盈余量没有显著变化。表明, 过量施氮会增加土壤氮残留, 施氮过少又会造成土壤氮亏缺, 适量施氮有利于保持土壤表观N平衡。

表4 施氮量对棉花氮肥利用效率的影响

不同小写字母表示同一年份处理间在0.05概率水平差异显著。处理同图2。

Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 probability level among the treatments in the same year. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

图5 施氮量对土壤表观N平衡的影响

不同小写字母表示不同一年份同一处理间在0.05概率水平差异显著。处理同图2。

Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 probability level among the years in the same treatment. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

3 讨论

3.1 施氮量对棉花净光合速率的影响

本研究发现, 施氮能够提高棉株功能叶净光合速率, 2年间, 随施氮量的增加, 棉株功能叶净光合速率呈增加趋势, 这与以往大部分研究结果一致[9]。净光合速率与叶绿素含量有关, 叶绿素又与植株氮素含量密切相关[25], 随施氮量的增加, 地上部棉株氮积累量增加(图4), 导致叶片叶绿素含量增加, 丙二醛含量减少, 从而提高了叶片净光合速率[9]。但Nakaji等[26]研究却认为, 最高氮处理(340 kg hm-2)会使植株叶中的P和Mg降低, N和Mn的浓度增加, 导致其营养失衡, 羧基化效率降低, 从而使净光合速率显著下降, 这可能是因为作物的净光合速率不仅受到N的影响, 还与构成叶绿素的关键元素Mg相关, 施氮过量会降低植株叶片中Mg的含量[26], 进而导致叶绿素含量下降, 光合功能随之减弱。

3.2 施氮量对棉花干物质积累、分配和产量的影响

3.2.1 施氮量对棉花干物质积累与分配的影响

通过2年的田间试验, 本研究发现施氮能够增加地上部干物质积累量, 并随施氮量的增加呈增加趋势, 这与以往大部分研究结果一致[27-28]。生育后期, 与未施氮(N0)相比, N210、N240、N270和N300均显著增加了地上部总干物质积累量, 但Peng等[29]和Wang等[30]研究表明, 干物质积累量随施氮量的增加呈先增加后保持不变甚至降低趋势, 这主要与取样时期有关, 不同作物在生育后期均会表现为脱落增加, 进而造成干物质降低。

本研究发现, 2年间生殖器官干物质分配系数随施氮量的增加呈先增加后降低趋势, 这与以往研究结果一致[27,31], 说明施氮虽可提高棉花干物质积累量(图3), 但增加施氮量主要促进干物质向营养器官分配, 施氮过量易造成旺长, 营养体过大, 导致相互遮阴, 后期蕾、铃等脱落严重, 而适量减少施氮量则有利于干物质向生殖器官分配[27,31]。本研究中, 2020年, 施氮180 kg hm–2的生殖器官干物质分配系数最高, 210 kg hm–2次之, 2021年, 施氮210 kg hm–2的生殖器官干物质分配系数最高。

3.2.2 施氮量对棉花产量的影响 本研究中, 合理施氮增加了产量, 这与以往大部分研究结果一致[10,32-33], 施用氮肥通过提高棉花功能叶的净光合速率(图2), 进而促进了干物质和氮素的吸收积累(图3和图4), 最终达到了增产的目的。2年内, N210的单位面积铃数、单铃重和产量均为最高, 说明施氮量过高时, 既容易造成霜前花比例下降[16], 又会引发营养生长与生殖生长之间的矛盾, 使棉铃脱落增加, 反而不利于产量增加, 而合理的施氮量有利于干物质和氮素向生殖器官的分配(表1和表2), 最终能够实现增产。但Zhang等[27]研究表明, 产量会随施氮量先增加后不变, 这主要与作物的适宜施氮量和研究设计的施氮水平有关。

3.3 施氮量对棉花氮素积累与分配的影响

施氮能够增加机采棉地上部氮积累量, 这与以往大部分研究结果一致[15,20,29,34], 2年内, N150、N180、N210、N240、N270和N300的氮积累量显著高于未施氮(N0), 且均为N300最高, 但Wang等[30]研究表明, 当施氮量超出一定范围( >221 kg hm–2时), 会限制作物对氮素的吸收积累, 这主要与作物类型、土壤氮水平有关。本研究中, 氮积累量随施氮量的增加呈增加趋势, 也可能是因为施氮与秸秆还田配合使用, 秸秆作为一种有机肥, C/N较高,微生物分解秸秆过程中需要消耗大量氮素, 并且有机肥能够促进棉株对氮的吸收积累。

本研究还发现, 施氮量对棉株氮素分配的影响与年际有关, 2020年, 氮素规律与干物质分配规律类似, 增加施氮量(超过210 kg hm–2)能够促进氮素向营养器官分配, N210生殖器官氮素分配系数最高, 这可能是因为施氮210 kg hm–2时, 土壤C/N较为合理, 有利于微生物分解秸秆, 增加了土壤中的有机肥, 从而使营养生长与生殖生长更为协调, 促进了氮素向生殖器官的转运, 2021年, 施氮量对氮素分配没有显著影响, 这可能是因为2020年, 除N0外, 6个处理地块中土壤均表现为氮盈余, 土壤残留氮含量过高, 所以未能表现出差异, 并且旱田作物主要的吸收土壤中的硝态氮[35], 而2021年, 7月、8月和9月份聊城多雨, 不仅加速了硝态氮淋失, 而且不利于土壤硝化作用, 铵态氮转化为硝态氮的效率下降。

3.4 施氮量对棉花氮肥利用效率的影响

本研究发现, 氮肥偏生产力在2年间表现不同, 2020年表现为先升高后降低趋势, N180最高, 2021年表现为降低趋势, 说明施氮180 kg hm–2在2020年的氮肥施用投资效益最高, 但在2021年, 可能由于施氮180 kg hm–2的施氮量过少, 造成了第2年土壤氮肥的亏缺, 使得2021年N180的产量较2020年降低了(表3), 从而造成氮肥施用的投资效益降低。随施氮量的增加, 2年间氮肥农学利用率和氮肥贡献率均表现为先升高后降低趋势, 均为N210最高, 以上结果说明适宜的施氮量有利于氮肥利用效率的提高, 这与以往大部分研究结果相同[10,36-37], 但Neugschwandtner等[38]研究认为燕麦和豌豆的氮素利用效率随施氮量的增加而降低, 这可能是与不同作物适宜施氮量不同有关, 施氮过量, 氮肥利用效率降低, 氮肥损失严重, 过量的氮肥还会造成严重的环境污染, 影响农业生产的可持续性[3], 因此, 我们不应一味的追求产量而忽略氮肥利用效率, 应在产量保持在较高水平的基础上寻求较高的氮肥利用效率。

3.5 施氮量对土壤表观N平衡的影响

本研究发现, 收获时0～20 cm土层中的土壤表观氮盈余量随施氮量的增加而增加, 这与以往大部分研究结果一致[39-41], 与2020年相比, 2021年, N0、N150和N180的土壤表观氮盈余量显著降低, N270和N300的土壤表观氮盈余量显著增加, N210和N240的土壤表观氮盈余量没有显著变化, 但在Li等[41]研究认为在180 kg hm–2时土壤表观氮盈余量为正, 而本研究认为在施氮量为210 kg hm–2时, 才能保证土壤氮平衡, 这可能是因为土壤性质不同对氮的保持能力不同, Li等[41]研究中土壤为褐土, 本研究中为潮土。施氮虽有利于提高产量, 但会增加土壤表观氮盈余量, 增加土壤氮淋失、挥发的危险[29,42]。

4 结论

长期秸秆还田条件下, 适量减少施氮量可提高棉花产量。与农民使用的施氮量(N300)相比, 2年间, 减氮30% (N210)均获得了较高产量, 减氮40% (N180)仅在第1年保持了较高产量。2021年, N210的净光合速率、干物质和养分积累量均高于N180, 两者间生殖器官的干物质和养分分配系数、氮肥利用效率未有显著差异, 但N180的土壤表观氮盈余量显著降低。因此, 综合考虑环境、经济因素, 本研究认为应适量降低本地区的施氮量。

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Effects of nitrogen application rate on cotton yield and nitrogen utilization under long-term straw return to the field

LIU Cheng-Min1, MEN Ya-Qi1, QIN Du-Lin1,2, YAN Xiao-Yu1,3, ZHANG Le1, MENG Hao1, SU Xun-Ya1, SUN Xue-Zhen1, SONG Xian-Liang1, and MAO Li-Li1,*

1Agronomy College, Shandong Agricultural University / State Key Laboratory of Crop Biology, Tai’an 271018, Shandong, China;2Shandong Agricultural Technology Promotion Center, Jinan 250013, Shandong, China;3Agriculture and Rural Bureau of Laoshan District, Qingdao 266000, Shandong, China

Nitrogen application can increase the availability of nitrogen in the soil, thereby improving plant photosynthesis and promoting the absorption of nitrogen and the accumulation of dry matter, ultimately leading to an increase in crop yield. However, it is unclear whether the nitrogen application rate should be adjusted under long-term high nitrogen straw returning conditions. To investigate the effects of nitrogen application rate on cotton photosynthesis rate, dry matter and nutrient accumulation and distribution, yield, nitrogen utilization, and soil nitrogen changes under long-term straw return conditions, we set up seven nitrogen application rates of pure nitrogen 0 (N0), 150 (N150), 180 (N180), 210 (N210), 240 (N240), 270 (N270), and 300 (N300) kg hm–2. Compared with the commonly used nitrogen application rate (N300) in field agriculture, from 2020 to 2021, a 30% reduction in nitrogen (N210) achieved higher yields, 1853.62 kg hm–2and 1872.43 kg hm–2respectively, while a 40% reduction in nitrogen (N180) only maintained a high yield of 1743.68 kg hm–2in the first year. In 2021, the net photosynthetic rate, dry matter and nutrient accumulation of N210 were higher than that of N180, and there was no significant difference between them in the dry matter and nutrient partition coefficient of reproductive organs and nitrogen fertilizer use efficiency, but the apparent nitrogen surplus of N180 soil was significantly reduced by 39.15%. In summary, under long-term stubble returning conditions, applying 210 kg hm-2of nitrogen is more suitable for achieving the goal of reducing weight and promoting yield in the northwest cotton region of Shandong.

cotton; nitrogen application rate; straw returning; yield; nitrogen utilization; photosynthetic rate

10.3724/SP.J.1006.2024.34118

本研究由山东省自然科学基金项目(ZR2022MC085), 山东省农业良种工程项目(2023LZGC002)和山东省棉花产业技术研究体系项目(SDAIT-03)资助。

This study was supported by the Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2022MC085), the Shandong Province Agricultural Variety Engineering Project (2023LZGC002), and the Shandong Cotton Industry Technology Research System (SDAIT-03).

毛丽丽, E-mail: maolili6666@163.com

E-mail: chengminliu2022@163.com

2023-07-12;

2023-10-23;

2023-11-15.

URL: https://link.cnki.net/urlid/11.1809.S.20231114.1617.002

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