張 燕，張富倉，吳立峰

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，山西 太谷 030801；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100 3.南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院，南昌 330099)

0 引 言

膜下滴灌施肥是覆膜栽培和滴灌施肥相結(jié)合的節(jié)水灌溉技術(shù)，具有覆膜栽培技術(shù)增溫保墑減少土面蒸發(fā)的作用，同時(shí)根據(jù)棉花生長發(fā)育規(guī)律和根系生長特點(diǎn)及滴灌水分溶質(zhì)的滲透規(guī)律，利用滴灌設(shè)施在壓力的作用下將棉花所需的水分和溶解的養(yǎng)分灌入棉花根區(qū)，具有保持土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和提高棉花對水分養(yǎng)分利用率的作用[1-5]。目前新疆的棉花膜下滴灌施肥理論研究還不夠成熟，在滴灌水肥一體化技術(shù)方面還沒有形成完整的技術(shù)體系，加上近年來棉農(nóng)為了提高棉花單產(chǎn)，盲目擴(kuò)大種植面積和增大種植密度，不斷加大灌溉水量和化肥的施用量，造成了棉花營養(yǎng)生長與生殖生長不協(xié)調(diào)，早衰減產(chǎn)或生育期延長棉花采摘成本上升，水肥利用效率不高，養(yǎng)分淋失和環(huán)境污染等一系列問題[6-12]。合理的制定虧缺灌溉制度可以明顯的節(jié)約灌溉用水量，無論是在生長季節(jié)還是預(yù)設(shè)生長階段，棉花都非常適合應(yīng)用虧缺灌溉[13]。適度的水分虧缺能夠控制作物營養(yǎng)生長與生殖生長部分在合理比例范圍內(nèi)，并且調(diào)節(jié)光合產(chǎn)物在根冠間的分配比例，還能促進(jìn)根系生長進(jìn)而提高根系吸收功能的補(bǔ)償效應(yīng)[14-16]。同樣，過量灌溉也會造成棉花產(chǎn)量下降[3,4,17,18]。氮磷鉀合理的配比能顯著促進(jìn)棉花的生長發(fā)育和提高產(chǎn)量，氮磷鉀缺乏不僅對棉花生長發(fā)育有顯著影響，還會影響棉株氮磷鉀吸收積累[19,20]。氮磷鉀的不同配比之間棉花生物學(xué)性狀存在顯著差異，其影響效果為氮大于鉀大于磷，不施氮肥會顯著降低棉花對氮磷鉀的吸收積累[21-23]。少量多次滴灌配合氮磷鉀的平衡施入可以提高作物產(chǎn)量，增加水氮利用效率，減少氮淋失[24,25]。以往研究主要集中在膜下滴灌，溝灌，分根交替等灌溉方式下棉花干物質(zhì)積累與養(yǎng)分動態(tài)吸收利用。在虧缺灌溉和滴灌施肥條件下，水肥對產(chǎn)量的交互作用和氮利用效率方面研究還不是很充分。本試驗(yàn)通過研究不同膜下滴灌施肥處理對棉花干物質(zhì)量動態(tài)積累，氮素動態(tài)積累，產(chǎn)量與氮素利用效率的影響，以揭示棉花干物質(zhì)積累與產(chǎn)量，氮肥積累和利用的內(nèi)在聯(lián)系，為棉花水分養(yǎng)分的高效利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2012年4—10月在新疆農(nóng)墾科學(xué)院節(jié)水灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行，該試驗(yàn)站位于石河子市境內(nèi)，該地區(qū)屬于溫帶大陸性干旱氣候，年蒸發(fā)量2 000 mm以上，年平均降雨量166 mm，且多為5 mm以下的無效降雨，無霜期168 d，日照時(shí)數(shù)2 770 h，>10 ℃積溫3 649 ℃。地下水埋深在15 m以下。試驗(yàn)區(qū)耕作層土壤為砂壤土，土壤容重為1.51 g/cm3，田間持水量32%(體積含水量)，土壤有機(jī)質(zhì)18 g/kg，pH值7.8，全氮含量0.95%，堿解氮79.76 mg/kg，速效磷31.54 mg/kg， 速效鉀154.22 mg/kg。

供試棉花為新陸早33號(Gossypium hirsutumcv，Xinluzao 33)，參照該地區(qū)地膜覆蓋，矮稈密植，干播濕出的棉花種植模式，播種日期為5月1日，本試驗(yàn)采用一膜兩帶四行滴灌模式，即一膜種植四行棉花，行距依次為30、50、30和60 cm，株距為10 cm，小區(qū)長度為20 m，寬度為3.4 m，面積為68 m2。滴灌帶布置如圖1所示。

圖1 棉花滴灌系統(tǒng)布置圖(單位：cm)Fig.1 Drip irrigation system layout for cotton

試驗(yàn)設(shè)滴灌灌水量和滴灌施肥量2個(gè)因素，以施肥量為主區(qū)，灌水量為副區(qū)，設(shè)3個(gè)灌水量水平和5個(gè)施肥量水平，并進(jìn)行完全組合設(shè)計(jì)，此外還有一個(gè)不施肥充分灌水的對照處理(見表1)。ET由蒸發(fā)皿法估算，使用20 cm口徑蒸發(fā)皿的自由水面蒸發(fā)量 乘以修正系數(shù)，根據(jù)如下公式：

ETc=EpKcp

(1)

Kcp=KpKc

(2)

式中：Kcp為棉花不同生育階段的蒸發(fā)皿-作物系數(shù)，在蕾期，花期，鈴期分別取0.4，0.7，0.25[26]，在蕾期到花期以及花期到鈴期采用線性插值方式確定蒸發(fā)皿作物系數(shù)，降雨時(shí)用公式(3)[26]對蒸發(fā)量進(jìn)行修正。

ΔEp=0.4P/Kcp-0.8P

(3)

式中：P為降雨量，mm。

具體降雨情況和灌溉情況見圖2。圖2顯示，棉花全生育期降水不足50 mm，且多為不足3 mm的無效降雨。滴灌施肥試驗(yàn)采用16 mm直徑的內(nèi)鑲式薄壁迷宮滴灌帶，滴頭流量為1.8 L/h,滴頭間距為30 cm，每個(gè)小區(qū)前安置水表和球閥控制灌水量，所有處理灌水日期相同，灌水次數(shù)均為9次，分別為5月1日，6月8日，6月21日，7月2日，7月12日，7月26日，8月7日，8月17日，8月30日。施肥分8次進(jìn)行，除灌出苗水外，每次在灌水中期隨水滴施，每次施肥量=總施肥量/8。施肥采用容量壓差式施肥方式，儲存肥料容器為13 L的小型施肥罐，每次灌水前一天將固態(tài)肥料溶解至水中，每個(gè)施肥罐控制3個(gè)處理，即同一施肥水平的3個(gè)處理用一個(gè)施肥罐控制，所用肥料為尿素，磷酸二氫銨和氯化鉀。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

(1)地上干物質(zhì)量及氮累積量。棉花地上部分按器官分為葉片(包括葉柄)、莖稈和蕾鈴，分別在現(xiàn)蕾期(6月19日)、初花期(6月30日)、盛花期(7月12日)、成鈴期(7月24日)、吐絮期(9月1日)、收獲期(9月27日)每個(gè)小區(qū)取4株，在溫度105 ℃下殺青30 min后，75 ℃烘干至恒重，分別稱取其質(zhì)量。莖、葉和蕾鈴分別磨碎混勻后，稱取植物樣0.5 g，用硫酸-過氧化氫消煮，用FOSS 2300型凱氏定氮儀測定全氮含量。根據(jù)測定結(jié)果計(jì)算棉花植株氮累積量。

(2)籽棉產(chǎn)量。在小區(qū)中間4行，長度5 m區(qū)域內(nèi)分2次(9月27日和10月13日)測定棉花籽棉產(chǎn)量，實(shí)收計(jì)產(chǎn)。

(3)氮肥利用率(REN)，反映了作物對施入土壤中的肥料氮的回收效率，公式如下：

(4)

式中：U為施氮后作物收獲時(shí)地上部分的氮累積總量；U0為未施氮時(shí)作物收獲期地上部分的氮累積總量；F為化肥氮的投入量。

(4)氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)，指單位投入的肥料氮所能生產(chǎn)的作物籽粒產(chǎn)量，公式如下：

"You have a chance to the top! Corinne told me..." Yes, he is the first Chinese reach the top, and is also the first Chinese Master Sommelier in the world.

(5)

式中：Y為施肥后所獲得的籽粒產(chǎn)量；F為氮肥的投入量。

(5)氮肥農(nóng)學(xué)效率(AEN)，指單位施氮量所增加的作物籽粒產(chǎn)量，公式為：

(6)

式中：Y為施氮肥后獲得的籽粒產(chǎn)量；Y0不施氮肥獲得的籽粒產(chǎn)量。

(6)氮肥生理利用率(PEN)，指作物地上部分每吸收單位氮肥所獲得的籽粒產(chǎn)量的增加量，公式為：

(7)

1.3 數(shù)據(jù)分析與作圖

文中數(shù)據(jù)用方差分析進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，若差異大于5%則用Duncan多重比較法進(jìn)行分析，所用數(shù)據(jù)分析軟件為SPSS 19。文中圖4用Excel 2010作圖，其余用SIGMAPLOT 10作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花不同生育期地上生物量

滴灌施肥下棉花不同生育期干物質(zhì)量在不同灌水量和施肥量影響下的變化(圖3)表明，總體上，各處理棉花干物質(zhì)量從現(xiàn)蕾期開始逐漸升高，在收獲期達(dá)到最大。在收獲期D100水平下，施肥處理(F1、F2、F3、F4和F5)比不施肥處理(F0)干物質(zhì)量增加23.6%～57.8%，其他各生育期干物質(zhì)量也不同程度高于不施肥處理，表明施肥可以明顯增加棉花干物質(zhì)量。在各生育期，灌水量從D60到D100水平，棉花干物質(zhì)逐漸增加，從D60到D80干物質(zhì)量的增加幅度明顯高于從D80到D100水平逐漸降低。在不同生育期不同水分水平下，施肥量從F1水平增加到F5水平，干物質(zhì)量增長表現(xiàn)為先升高后降低，在F4水平時(shí)達(dá)到最大值。干物質(zhì)量最高的為F4D100處理，為15 821 kg/hm2。干物質(zhì)量最小的為F2D60處理，為9 057 kg/hm2。D60水平與對照(F0D100)相比，干物質(zhì)量從低到高為F1D60

表1 灌水量和施肥量完全組合設(shè)計(jì)實(shí)施方案Tab.1 Field programs of fertilizer application and irrigation amount completely modular design

2.2 棉花不同生育期氮素吸收總量

滴灌施肥下棉花不同生育期氮素累積量在不同灌水量和施肥量影響下的變化(圖3)表明，總體上，各處理棉花氮素累積從現(xiàn)蕾期到吐絮期逐漸變大，氮素累積量增速表現(xiàn)為先快后慢的趨勢。從吐絮期到收獲期，除F1D60，F(xiàn)2D60，F(xiàn)3D60處理氮素累積量出現(xiàn)了小幅度下降，其余處理增速介于1.9%～13.9%。這是由于不同水肥處理對棉花植株蕾鈴，葉片和果枝脫落影響不同造成的。施肥處理平均值比不施肥處理在不同生育期分別高27.1%～80.4%。在平均施肥水平下，灌水量從D60到D100水平，棉花氮素累積量逐漸增加，其中從D60到D80氮素累積量在不同生育期的增幅為13.3%～40.8%，從D80到D100水平為7%～11.1%。在不同生育期平均灌水水平下，施肥量從F1水平增加到F5水平，氮素累積量增長表現(xiàn)為逐漸升高后不變，在F4水平時(shí)達(dá)到最大值，其后在F5水平變化不明顯。F4D100處理氮素累積量最高的，為254.4 kg/hm2。F0D100處理的氮素累積量最小，為116.7 kg/hm2。

2.3 棉花收獲期不同器官干物質(zhì)量

灌水處理對葉片，莖稈和棉鈴質(zhì)量影響顯著，水肥交互作用對棉鈴質(zhì)量影響顯著(表4)。圖3顯示，不同水肥處理對棉花各器官干物質(zhì)量分配影響不同。棉花葉片質(zhì)量在1 327～2 576 kg/hm2，莖稈質(zhì)量在2 021～3 120 kg/hm2，棉鈴質(zhì)量在5 638～10 248 kg/hm2。葉片，莖稈和棉鈴質(zhì)量最大的處理分別為F3D80，F(xiàn)5D100和F4D100，最小的處理則分別為F3D60，F(xiàn)3D60和F2D60。在平均施肥水平條件下，D80和D100灌水處理的葉片質(zhì)量，莖稈質(zhì)量，棉鈴質(zhì)量相比D60灌水處理分別升高59.8%、18.6%、27.2%和58.1%、30.7%、37.7%。在平均灌水水平條件下，葉片質(zhì)量各處理表現(xiàn)為F1

圖3 不同灌水和施肥量條件下棉花干物質(zhì)量和氮累積量Fig.3 Above ground biomass and nitrogen accumulation of cotton at different growing stages

表4 棉花水肥處理方差分析表(F值) Tab.4 ANOVA of irrigation and fertilization treatments with cotton

2.4 棉花產(chǎn)量與氮素利用效率

不同水肥處理對棉花產(chǎn)量和氮素吸收利用的影響見表5。

2.5 棉花籽棉產(chǎn)量和干物質(zhì)量水肥交互效應(yīng)

圖4(a)顯示，籽粒產(chǎn)量150 kg/hm2等高線下側(cè)比上側(cè)密集，等高線表現(xiàn)為從左下到右上逐漸增高趨勢，在灌水量從290 mm提高到380 mm時(shí)，灌水有明顯的增產(chǎn)效果，而灌水量高于380 mm后灌水的增產(chǎn)效果逐漸減弱。在施氮量為150 kg/hm2水平，灌水量從290 mm增加到450 mm時(shí)，籽棉產(chǎn)量從4 200 kg/hm2增加到5 250 kg/hm2，增幅25%；在施氮量為350 kg/hm2水平，灌水量從290 mm增加到450 mm時(shí)，籽棉產(chǎn)量從4 350 kg/hm2增加到6 000 kg/hm2，增幅為37.9%。而施氮量從150 kg/hm2增加到350 kg/hm2(施氮量增加133%)的條件下，在灌水量為290 mm時(shí)，產(chǎn)量僅增加約5%，而在灌水量為440 mm時(shí)，產(chǎn)量增加約11.4%。 圖4(b)顯示，干物質(zhì)量500kg/hm2等高線左下角比右上角密集，表明干物質(zhì)量從9 500到13 000 kg/hm2對水肥敏感程度高于13 000到15 500 kg/hm2。在施氮量為150 kg/hm2水平，灌水量從290 mm增加到450 mm時(shí)，干物質(zhì)量從約9 200 kg/hm2增加到約12 400 kg/hm2，增幅約為25%；在施氮量為350 kg/hm2水平，灌水量從290 mm增加到450 mm時(shí)，干物質(zhì)量從約11 500 kg/hm2增加到約15 000 kg/hm2，增幅約為34%。而施氮量從150 kg/hm2增加到350 kg/hm2(施氮量增加133%)的條件下，在灌水量為290 mm時(shí)，干物質(zhì)量增加約21.5%，而在灌水量為440 mm時(shí)，產(chǎn)量增加約20%。

圖4 不同水肥處理下棉花收獲后葉片，莖桿和棉鈴質(zhì)量Fig.4 Cotton leaf, stem, and the quality of cotton boll weight under different water and fertilizer treatments after harvesting

圖5 不同水肥處理對葉，莖和棉鈴氮累積量的影響Fig.5 Effects of different water and nitrogen levels on N accumulations in leaf，stem and boll

處理籽棉產(chǎn)量/(kg·hm-2)氮肥利用率/%氮肥偏生產(chǎn)力/(kg·kg-1)氮肥農(nóng)學(xué)效率/(kg·kg-1)氮肥生理利用率/(kg·kg-1)F1D603983h13．9ef27．2bc3．7fg26．8aF1D805149f55．4abc33．8a10．4a18．8bF1D1005306ef62．3a34．9a11．5a18．5bcF2D604055h12．4f20．8e3．2fg25．8aF2D805302def56．6ab26．6c9．0b15．9cdeF2D1005631bcd60．3a28．0b10．4a17．3bcdF3D604472g21ef18．1fg4．0f19．2bF3D805635cde45．8bcd22．0d8．0bcd17．4bcdF3D1005846abc49．0bcd23．0d8．9b18．2bcF4D604397g24．0e15．3h3．6fg15．0defF4D805705bcd43．1d18．7f7．1cd16．2cdeF4D1005896a45．9cd19．9e8．2bc17．9bcF5D604489gh19．3ef12．3i2．3g11．9fF5D805616cde37．9d15．6h5．6e14．7efF5D1005891ab38．4d16．9g6．9d17．9bcF0D1003512．0i----

圖6 灌水和施肥的交互效應(yīng)Fig.6 The interaction effect of irrigation and fertilizer applied

3 討 論

膜下滴灌棉花生長過程中灌水比施氮的作用更大，灌水量對棉花地上干物質(zhì)量的積累影響大于施氮量的影響[7]。增加氮肥施入量可以提高棉花的干物質(zhì)量，氮肥施入量過大容易造成棉花干物質(zhì)量和產(chǎn)量降低，但原因不同，薛曉萍等[7]發(fā)現(xiàn)施氮量過高會造成營養(yǎng)生長過于旺盛，導(dǎo)致產(chǎn)量降低；謝志良等[8]發(fā)現(xiàn)高氮處理使土壤溶液中氮濃度過高，引起根系提前衰老，養(yǎng)分吸收效率下降，從而導(dǎo)致干物質(zhì)量下降，進(jìn)而產(chǎn)量降低。水分脅迫下，棉花地上干物質(zhì)量過小，增施氮肥，產(chǎn)量有所增加，但總體效果有限[27,28]。本試驗(yàn)表明，灌水對地上干物質(zhì)量和籽棉產(chǎn)量影響顯著，同時(shí)對地上干物質(zhì)量在葉片，莖稈和棉鈴質(zhì)量的分配影響顯著，施肥對以上指標(biāo)影響不顯著，表現(xiàn)為灌水能顯著提高葉片，莖稈和棉鈴質(zhì)量，從而提高地上干物質(zhì)量和籽棉產(chǎn)量，施肥可以促進(jìn)葉片，莖稈和棉鈴的發(fā)育，但施肥量達(dá)到一定水平(F4施肥水平)，會抑制其發(fā)育，進(jìn)而造成干物質(zhì)累積量下降，其中棉鈴質(zhì)量下降較為明顯。

水和氮兩個(gè)生產(chǎn)要素符合邊際產(chǎn)量遞減規(guī)律。在每一灌水量下都有一個(gè)最優(yōu)施氮量，在此基礎(chǔ)上增加施氮量并不能導(dǎo)致產(chǎn)量或干物質(zhì)量的明顯增加，這與Gheysari等[29]人研究結(jié)果相一致。施用氮肥顯著提高了棉花的氮累積量，但過量施用氮肥不會顯著增加棉株的吸氮量，在不同灌溉水量下施氮量為300 kg/hm2時(shí)氮累積量均為最高[11]。本試驗(yàn)表明，灌水和施肥均對氮累積量影響顯著。在水分虧缺條件下，施肥對棉花植株氮累積量提高有限，在中水和高水水平(D80和D100)下，施氮能顯著增加棉花植株氮累積量。氮累積量隨施肥量升高而升高，當(dāng)達(dá)到250 kg/hm2后，氮累積量變化不明顯。

Fritschi[30]認(rèn)為，當(dāng)營養(yǎng)生長和生殖生長部分增長非常均衡的條件下，在最高施氮量條件下可以獲得最高的氮肥利用效率，反之，過量施氮會打破營養(yǎng)生長與生殖生長的平衡，進(jìn)而導(dǎo)致營養(yǎng)生長過于旺盛，推遲棉花成熟并且降低棉花產(chǎn)量。李培嶺[14]認(rèn)為當(dāng)大量氮素和灌水量都用在了營養(yǎng)生長需求，會導(dǎo)致營養(yǎng)生長與生殖生長不協(xié)調(diào)，表現(xiàn)為氮肥生理利用率，氮肥農(nóng)學(xué)利用效率隨施氮量增加呈顯著下降趨勢，且各種灌水水平下均如此。王肖娟[28]研究表明，較低的灌溉水量限制了氮肥利用率，鄧忠[11]則認(rèn)為，適宜的氮肥用量在低灌溉水量下也可以得到較高的氮肥利用率。本試驗(yàn)表明，氮肥利用率，氮肥偏生產(chǎn)力，氮肥農(nóng)學(xué)效率均隨灌水量增加而顯著提高，氮肥生理利用率僅低灌水量及低施肥量時(shí)明顯高于其他處理。氮肥利用率，氮肥偏生產(chǎn)力，氮肥農(nóng)學(xué)效率隨施肥量升高而降低。氮肥生理利用率隨施肥量表現(xiàn)出較大差異，規(guī)律性不強(qiáng)，還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 語

灌水對籽棉產(chǎn)量影響顯著，水肥對產(chǎn)量存在交互效應(yīng)。F4D100處理可以獲得最高的籽棉產(chǎn)量最高(5 896 kg/hm2)，地上干物質(zhì)量(15 821 kg/hm2)和最大的氮累積量(254 kg/hm2)。從氮素利用效率角度講，F(xiàn)1D100處理可以獲得低于最高產(chǎn)量10%的籽棉產(chǎn)量和最高的氮肥利用率，氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)效率，以及較高的氮肥生理利用率。在本試驗(yàn)條件下，灌水量在370 mm，施肥量(N-P2O5-K2O)為(250-100-50) kg/hm2時(shí)，可以獲得低于最高產(chǎn)量6%的籽棉產(chǎn)量，并節(jié)省15%的灌水量和16.7%施肥量。通過水肥耦合可以在產(chǎn)量降低不多的條件下，顯著提高水肥的綜合效益，對于棉花水肥管理有重要意義。

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