楊長琴 張國偉 劉瑞顯** 倪萬潮 張 雷 周關(guān)印

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氮肥運籌對麥后直播棉產(chǎn)量與氮素利用的影響*

楊長琴1張國偉1劉瑞顯1**倪萬潮1張 雷2周關(guān)印2

(1. 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所/農(nóng)業(yè)部長江下游棉花與油菜重點實驗室 南京 210014; 2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所 安陽 455000)

研究氮肥運籌對麥后直播棉產(chǎn)量和氮素利用效率的影響, 以期制定適宜的氮肥運籌策略。以早熟棉品種‘中棉所50’為試驗材料, 采用裂區(qū)設(shè)計, 研究施氮量[0 kg(N)·hm-2、75 kg(N)·hm-2、150 kg(N)·hm-2、225 kg(N)·hm-2和300 kg(N)·hm-2]和施用次數(shù)(1次和2次)對麥后直播棉生物量、產(chǎn)量及氮素利用率的影響。結(jié)果表明: 施氮量為0~150 kg(N)·hm-2時, 皮棉產(chǎn)量隨施氮量增加而顯著增加; 施氮量150 kg(N)·hm-2以上時, 皮棉產(chǎn)量增加不顯著; 兩次施肥皮棉產(chǎn)量顯著高于一次施肥。施氮量與施用次數(shù)互作顯著, 施氮量150 kg(N)·hm-2、分兩次施用時, 皮棉產(chǎn)量達到較高水平。生物量、氮素累積量隨施氮量、施用次數(shù)增加呈增加趨勢, 但生殖器官氮素分配系數(shù)呈相反變化。氮素表觀利用率(NARE)、氮素農(nóng)學(xué)利用率(NAE)及氮素生產(chǎn)效率(NPE)在施氮量75 kg(N)·hm-2以上時隨施氮量增加而降低; NARE和NAE隨施用次數(shù)增加而增加, NPE則反之。施氮量和施氮次數(shù)互作分析顯示, NARE和NAE以氮肥2次施用而NPE以1次施用、施氮量為75~150 kg(N)·hm-2時較高。相關(guān)性分析表明, 生物量、皮棉產(chǎn)量與氮素累積量呈顯著正相關(guān), 與氮素分配系數(shù)相關(guān)性不顯著; 皮棉產(chǎn)量與氮素利用率相關(guān)性均不顯著。綜上, 本試驗條件下, 麥后直播棉施氮量為150 kg(N)·hm-2且分兩次施用, 可以獲得較高的產(chǎn)量并有利于提高氮素利用率。

麥后直播棉 施氮量 施氮次數(shù) 皮棉產(chǎn)量 生物量 氮素利用率

施氮是調(diào)控作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的重要措施, 傳統(tǒng)作物生產(chǎn)中以高氮肥投入來獲得高產(chǎn)[1-2]。然而, 相關(guān)研究已表明氮肥的過量投入并不利于實現(xiàn)高產(chǎn), 并且導(dǎo)致氮肥利用效率低下, 造成資源浪費和環(huán)境污染[2-5]。此外, 棉田傳統(tǒng)的施肥方式全生育期施肥次數(shù)多, 增加了棉田用工, 降低收益, 不利于棉田高效發(fā)展。因此, 研究基于保護環(huán)境的棉田合理氮肥減量、簡化運籌技術(shù)具有重要的意義。

麥棉兩熟是長江流域下游棉區(qū)主要的種植制度。與傳統(tǒng)的育苗移栽棉相比, 麥后直播棉具有省工節(jié)本且利于機械化生產(chǎn)等特點, 已成為長江流域棉區(qū)棉花生產(chǎn)發(fā)展的方向[6-7]。麥后直播棉有效生育期短, 品種宜采用早熟常規(guī)棉, 高產(chǎn)栽培技術(shù)以促進棉花(Buch.)早發(fā)、集中開花和快速成鈴為核心, 因此, 不能沿用傳統(tǒng)育苗移栽棉的氮肥運籌技術(shù)[8]。已有的研究表明, 不同基因型棉花、不同生態(tài)條件下, 適宜的施氮量差異較大[9-10]; 且運籌方式亦顯著影響棉花的產(chǎn)量與肥料利用率[3,11]。有關(guān)長江流域下游棉區(qū)麥后直播棉施氮量報道較少。張國偉等[8]研究表明, 秸稈還田條件下麥后直播棉的推薦施氮量為150~180 kg(N)·hm-2, 大幅度低于育苗移栽棉。但有關(guān)露地直播條件下, 麥后直播棉適宜的氮肥運籌技術(shù)卻少見報道。

本文基于長江流域下游棉區(qū)氣候生態(tài)條件和麥后直播棉生育特性, 以早熟棉‘中棉所50’為材料, 研究氮肥運籌對麥后直播棉產(chǎn)量和氮素利用率的影響, 以期為制定該棉區(qū)麥后直播棉田合理的養(yǎng)分管理技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2013年和2014年在江蘇省南京市(118°50′E, 32°02′N)江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗站進行。供試土壤為黏質(zhì)土, 2年試驗測定的0~20 cm土壤pH分別為6.0和5.9, 含有機質(zhì)12.8 g·kg-1和13.1 g·kg-1, 全氮1.01 g·kg-1和1.08 g·kg-1, 速效氮21.5 mg·kg-1和20.8 mg·kg-1, 速效磷36.8 mg·kg-1和36.1 mg·kg-1, 速效鉀152.5 mg·kg-1和153.1 mg·kg-1。

試驗以早熟棉品種‘中棉所50’為材料, 設(shè)施氮量和氮肥施用次數(shù)2個試驗因子。采用裂區(qū)試驗設(shè)計, 主區(qū)因素為施氮量, 副區(qū)因素為施用次數(shù)。施氮量設(shè)0 kg(N)?hm-2(N0)、75 kg(N)?hm-2(N1)、150 kg(N)?hm-2(N2)、225 kg(N)?hm-2(N3)和300 kg(N)?hm-2(N4)5個水平; 施用次數(shù)設(shè)一次施肥(T1)和兩次施肥(T2)2個水平。T1于出苗1周后全部施入; T2分別于出苗1周后和初花時兩次施入, 用量比例為4︰6。試驗有9個處理組合, 3次重復(fù), 共27個小區(qū), 小區(qū)面積28 m2(4 m×7 m)。兩年均于5月25日大麥(L.)收獲后直播, 種植密度7.5×104株·hm-2, 行距76 cm, 等行距種植。磷肥與鉀肥施用量為: P2O5112.5 kg·hm-2、K2O 225 kg·hm-2, 苗肥與花鈴肥各50%。其他田間管理措施按一般大田進行。

1.2 測定內(nèi)容與方法

1.2.1 生物量、養(yǎng)分累積與分配

于初花期、盛花期及吐絮期分別取代表性棉株5株, 3次重復(fù), 按根、莖枝、葉、蕾鈴等器官分開, 在105 ℃殺青30 min后, 80 ℃烘至恒重, 稱生物量。并計算生殖器官生物量分配系數(shù)。吐絮期植株樣粉碎后用凱氏定氮法測定全氮含量, 再根據(jù)不同器官的生物量計算棉花氮素累積量與生殖器官氮素分配系數(shù)。

生殖器官生物量分配系數(shù)(%)=生殖器官生物量× 100/總生物量 (1)

生殖器官氮素分配系數(shù)(%)=生殖器官氮素累積量′100/總氮素累積量 (2)

1.2.2 產(chǎn)量

吐絮期每小區(qū)調(diào)查連續(xù)20株棉花成鈴數(shù), 并收正常吐絮鈴30個, 測定鈴重、衣分, 計算產(chǎn)量。

1.3 氮素利用率[12]

氮素表觀利用率(NARE, %)=(施氮區(qū)棉株吸氮量-不施氮區(qū)棉株吸氮量)×100/氮肥用量 (3)

氮素農(nóng)學(xué)利用率(NAE, kg·kg-1)=(施氮區(qū)皮棉產(chǎn)量-不施氮區(qū)皮棉產(chǎn)量)/氮肥用量 (4)

氮素生產(chǎn)效率(NPE, kg·kg-1)=單位面積皮棉產(chǎn)量/成熟期單位面積棉株吸氮量 (5)

1.4 統(tǒng)計分析方法

采用Microsoft Excel軟件處理數(shù)據(jù)和作圖, 用SPSS 11.0軟件分析進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥運籌對麥后直播棉產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

由表1可見, 施氮量顯著影響皮棉產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成。2013年皮棉產(chǎn)量隨施氮量增加而增加, 但N3和N4處理間差異不顯著。產(chǎn)量構(gòu)成中, 鈴數(shù)表現(xiàn)與皮棉產(chǎn)量相似; 鈴重以N0和N1水平下較低; 衣分總體表現(xiàn)為隨施氮量增加而降低的趨勢。2014年皮棉產(chǎn)量以N4和N2處理較高; 產(chǎn)量構(gòu)成因子變化趨勢與2013年相似。兩年氮肥施用次數(shù)均顯著影響皮棉產(chǎn)量、鈴數(shù)和衣分, 而對鈴重?zé)o顯著影響, 皮棉產(chǎn)量和鈴數(shù)以T2處理顯著高于T1, 衣分以T1高于T2。此外, 施氮量與施用次數(shù)對皮棉產(chǎn)量、鈴數(shù)和鈴重存在顯著互作效應(yīng), 兩年均以N2T2和N4T2處理皮棉產(chǎn)量較高; 鈴數(shù)以N2T2、N3T2和N4T2處理較高, 鈴重以N2T2、N3T1、N4T1和N4T2處理較高。

表1 2013年和2014年氮肥運籌對麥后直播棉產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

N0: 施氮量為0 kg(N)·hm-2; N1: 施氮量為75 kg(N)·hm-2; N2: 施氮量為150 kg(N)·hm-2; N3: 施氮量為225 kg(N)·hm-2; N4: 施氮量為300 kg(N)·hm-2。T1: 一次施肥; T2: 兩次施肥。數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值±標準誤, 數(shù)值后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著; *和**分別表示在0.05和0.01水平上顯著; ns表示差異不顯著(0.05)。N0: nitrogen rate of 0 kg(N)·hm-2; N1: nitrogen rate of 75 kg(N)·hm-2; N2: nitrogen rate of 150 kg(N)·hm-2; N3: nitrogen rate of 225 kg(N)·hm-2; N4: nitrogen rate of 300 kg(N)·hm-2. T1: one nitrogen application; T2: two nitrogen applications. Values are means ± S.E. (= 3). Different letters mean significant difference (< 0.05) among different nitrogen rates and application times. * and ** mean significant differences at 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. ns means no significant difference (> 0.05). The same below.

2.2 氮肥運籌對麥后直播棉生物量累積和分配的影響

表2可見, 施氮量和施用次數(shù)顯著影響麥后直播棉群體生物量。各生育期生物量隨施氮量增加而增加; 初花期生物量以T1高于T2, 盛鈴期和吐絮期則相反。生殖器官生物量分配系數(shù)隨施氮量增加呈降低趨勢, 隨施用次數(shù)增加而增加。施氮量和施用次數(shù)對生物量和生殖器官生物量分配系數(shù)存在顯著互作效應(yīng), 吐絮期生物量以N4T2處理較高、生殖器官生物量分配系數(shù)以N0處理最高, 兩年試驗趨勢一致。

表2 2013年和2014年氮肥運籌對麥后直播棉花不同生育期生物量累積及生殖器官生物量分配系數(shù)的影響

BDRO: 生殖器官生物量分配系數(shù)。下同。BDRO: biomass distribution ratio of reproductive organs. The same below.

2.3 氮肥運籌對麥后直播棉氮素累積和利用的影響

由表3可見, 施氮量和施用次數(shù)對氮素累積量和生殖器官氮素分配系數(shù)有顯著影響。氮素累積量隨施氮量和施用次數(shù)增加而顯著增加。生殖器官氮素分配系數(shù)在施氮量N0~N2(2013年)和N0~N1(2014年)處理間無顯著差異, 其后隨施氮量增加而顯著降低; 生殖器官氮素分配系數(shù)隨施用次數(shù)的增加而顯著增加。施氮量和施用次數(shù)對氮素累積量和生殖器官氮素分配系數(shù)存在顯著互作效應(yīng), 氮素累積量均以N4F2最高; 生殖器官氮素分配系數(shù)2013年以N1T2和N2T2最高、2014年以N1T2最高。

氮素表觀利用率(NARE)和氮素農(nóng)學(xué)利用率(NAE)隨施氮量增加而降低, 隨施肥次數(shù)增加顯著增加。氮素生產(chǎn)效率(NPE)在施氮量N1時較高, 其后隨施氮量增加而降低, 隨氮肥施用次數(shù)的增加而降低。施氮量和施用次數(shù)對氮素生產(chǎn)效率的互作效應(yīng)表明, 兩年NARE和NAE均以N1T2最高, 其次是N2T2; 2013年NPE以N1T1和N2T1較高, 2014年以N1T1和N1T2較高。

2.4 生物量和產(chǎn)量與氮素累積、利用的關(guān)系

麥后直播棉生物量和產(chǎn)量與氮素累積量呈極顯著正相關(guān), 與生殖器官氮素分配系數(shù)相關(guān)不顯著(表4)。表明產(chǎn)量與生物量形成是以氮素累積量為基礎(chǔ)的, 與生殖器官氮素分配系數(shù)相關(guān)性較小。生殖器官生物量分配系數(shù)與氮素累積量呈顯著負相關(guān), 與生殖器官氮素分配系數(shù)呈極顯著正相關(guān)。氮素累積不利于生殖器官生物量分配系數(shù)提高且氮素分配和生物量分配一致。生物量與NARE、NAE相關(guān)不顯著, 與NPE呈顯著負相關(guān), 即生物量高則不利于NPE提高; 生殖器官生物量分配系數(shù)與NARE、NAE和NPE呈極顯著正相關(guān), 表明高的生殖器官生物量分配系數(shù)有利于提高氮素利用率。產(chǎn)量與氮素利用率相關(guān)均不顯著, 表明高的氮素利用率與獲得高產(chǎn)存在不一致性。

表3 2013年和2014年氮肥運籌對麥后直播棉花氮素利用率的影響

NAR: 氮累積量; NDRO: 生殖器官氮素分配系數(shù); NARE: 氮素表觀利用率; NAE: 氮素農(nóng)學(xué)利用率; NPE: 氮素生產(chǎn)效率。下同。NAR: nitrogen accumulation rate; NDRO: nitrogen distribution ratio of reproductive organs; NARE: nitrogen apparent recovery efficiency; NAE: nitrogen agronomic efficiency; NPE: nitrogen production efficiency. The same below.

表4 麥后直播棉花生物量、產(chǎn)量與氮素累積、利用的關(guān)系

3 討論

3.1 氮肥運籌對麥后直播棉花產(chǎn)量和生物量的影響

合理施氮是調(diào)控作物產(chǎn)量的重要措施。一般認為, 棉花產(chǎn)量在低氮水平下隨施氮量的增加而增加,達到一定的施氮量后產(chǎn)量不再增加[13]; 且施氮量過大, 產(chǎn)量有下降趨勢[14-16]。本研究中, 麥后直播早熟棉施氮量150~300 kg(N)·hm-2(2013年)和150 kg(N)·hm-2(2014年)、兩次施肥下, 皮棉產(chǎn)量即達到較高水平, 與本試驗條件下土壤地力較好有關(guān)。生產(chǎn)中傳統(tǒng)的育苗移栽棉施氮量達到337.5 kg(N)·hm-2以上, 分4~5次施用[2,17]。與傳統(tǒng)施肥技術(shù)相比, 施氮量降低50%、施肥次數(shù)減少2~3次[2], 利于作物生產(chǎn)節(jié)本增效和農(nóng)田生態(tài)環(huán)境保護。

生物量累積是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。王子勝等[18]研究表明, 過量施氮和氮肥不足均影響生物量。本試驗中, 棉花生物量隨施氮量增加而增加, 但生殖器官生物量分配系數(shù)呈相反趨勢。以施氮量0~ 75 kg(N)·hm-2處理生殖器官生物量分配系數(shù)較高, 可能低氮條件下營養(yǎng)生長受抑制, 光合產(chǎn)物優(yōu)先分配給能保持較強庫力的器官[19]。生殖器官生物量分配系數(shù)隨施氮量增加而降低,這表明施氮量增加以促進營養(yǎng)體建成為主, 因此, 過量施氮易造成棉花生育后期營養(yǎng)生長與生殖生長失調(diào)。氮肥施用次數(shù)也顯著影響生物量。初花期生物量以一次施肥高于兩次施肥, 其后生物量及生殖器官生物量分配系數(shù)均以兩次施肥較高。表明苗期一次施肥促進了初花期前營養(yǎng)體的快速建成, 而兩次施用的最終生物累積量高, 且營養(yǎng)和生殖生長協(xié)調(diào)。

3.2 氮肥運籌對氮素累積和利用的影響

生物量的累積是以養(yǎng)分吸收為基礎(chǔ)的, 本試驗中氮肥運籌對麥后直播棉氮素累積和分配與生物量基本同步[20]。本試驗中施氮量75 kg(N)·hm-2以上時, 氮素利用率隨施氮量增加而降低, 表明施氮量過高不利于提高氮素利用率。與一次施肥相比, 兩次施肥氮素表觀利用率和農(nóng)學(xué)利用率增加。表明氮肥兩次施用更有利于氮素累積及產(chǎn)量增加。施氮量與施用次數(shù)互作顯示, 以施氮量75~150 kg(N)·hm-2、兩次施用處理氮素利用率較高。

3.3 生物量和產(chǎn)量與氮素累積、利用的關(guān)系

相關(guān)分析表明, 氮素累積是生物量、產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[18,21]。本試驗中, 施氮量為75 kg(N)·hm-2時, 氮素累積量大幅度低于其他施肥處理, 生物量和產(chǎn)量也顯著降低。而過高施氮量下, 如施氮量300 kg(N)·hm-2處理, 氮素累積量、生物量顯著高于施氮量150 kg(N)·hm-2處理, 但產(chǎn)量差異不顯著, 這可能與過量施用氮肥影響熟性有關(guān)[22-23]。可見, 施氮量過低、過高均不利于產(chǎn)量形成。本試驗條件下, 施氮量150 kg(N)×hm-2以上, 不僅皮棉產(chǎn)量不再增加, 氮素利用率也降低。進一步分析發(fā)現(xiàn), 氮素利用率與產(chǎn)量相關(guān)不顯著, 表明存在適宜的氮肥運籌方式, 在獲得較高產(chǎn)量的同時兼顧提高氮素利用率。

4 結(jié)論

氮肥運籌影響氮素累積和分配, 從而影響生物量和產(chǎn)量。氮肥兩次施用條件下, 施氮量150 kg(N)·hm-2以上時, 皮棉產(chǎn)量增加不顯著; 施氮量為75~150 kg(N)·hm-2時氮肥利用率較高, 其后隨施氮量增加而降低, 如施氮量為150 kg(N)·hm-2的氮肥表觀利用率和農(nóng)學(xué)利用率比300 kg(N)·hm-2時分別高17.5%、3.6 kg·kg-1(2013年)和18.5%、3.0 kg·kg-1(2014年)。本試驗條件下, 施氮量為150 kg(N)·hm-2、分苗肥和花鈴肥兩次施用, 是麥后直播早熟棉最佳氮肥運籌方式。

致謝 感謝江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心對本研究的支持！

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Effect of nitrogen management on lint yield and nitrogen utilization of field-seeded cotton after barley harvest*

YANG Changqin1, ZHANG Guowei1, LIU Ruixian1**, NI Wanchao1, ZHANG Lei2, ZHOU Guanyin2

(1. Institute of Industrial Crops, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences / The Key Laboratory of Cotton and Rape in Yangtze River Downstream of Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China; 2. Institute of Cotton Research of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Anyang 455000, China)

The traditional cotton transplanting technique was adopted as an intercropped planting system to improve comprehensive harvest gains in limited acreage fields. However, this method was not suitable for current cotton production because of self-evident production barriers such as intensive labor requirement and overuse of nitrogen fertilizers. The new cotton planting system (field-seeding after barley harvest) without transplanting is more economical in terms of labor input, and therefore more convenient for mechanized cotton production. It is the now prospective direction of cotton production in Yangtze River Valley. To optimize the cultivation strategy of this new cotton cultivation system, the adoption of short-season cotton varieties and simplification of nitrogen application are the key techniques under consideration for the effect of the shortened growth duration of cotton after barley harvest. The objective of the study was to explore the effect of different nitrogen management schemes on yield, biomass and nitrogen use efficiency of short-season cotton variety (cv. CCRI 50) sowed after barley harvest, and to recommend the appropriate nitrogen management scheme under the cultivation system. Afield experiment was conducted in 2013 and 2014 at the experimental station of Jiangsu Academy of Agricultural Sciences in Nanjing, Jiangsu Province, China. A split-plot design with three replicates was adopted where the main plot factor was nitrogen application rate and the sub-plot factor was application frequency. There were 5 levels of nitrogen application rate [0 kg(N)·hm-2, 75 kg(N)·hm-2, 150 kg(N)·hm-2, 225 kg(N)·hm-2and 300 kg(N)·hm-2] and 2 levels of application frequency (1 or 2 times). Biomass and yields, nitrogen use efficiency of cotton were investigated. The results showed that cotton lint yield significantly increased following an increase in nitrogen rate from 0 to 150 kg(N)·hm-2. The cotton lint yield in 2 times fertilizer application treatment was higher than that of one time fertilizer application. The interactive effect of nitrogen rate and application frequency showed that the cotton lint yield was highest under 150 kg (N)·hm-2nitrogen rate and 2 times application of fertilizer condition. Biomass and nitrogen accumulation also increased with increasing nitrogen rate and application frequency, while reproductive organ distribution ratio decreased. When nitrogen rate exceeded 75 kg(N)·hm-2, apparent nitrogen recovery efficiency (ANRE), agronomic nitrogen efficiency (ANE) and nitrogen production efficiency (NPE) decreased with increasing nitrogen application rate. ANRE and ANE in the 2 times application treatment were higher than those in the one time nitrogen application treatment, but NPE showed the opposite trend. The interactive effects of nitrogen rate and application frequency showed that under 75–150 kg(N)·hm-2nitrogen application condition, ANRE and ANE with 2 times nitrogen application, while NPE with one time application were higher than others treatments. Correlation analysis showed that lint yields and biomass significantly correlated with nitrogen accumulation, but did not correlate with nitrogen distribution coefficient. Nitrogen utilization rate did not correlate with cotton lint yield. As a result, the optimum nitrogen management was 150 kg(N)·hm-2with 2 times application for cotton under field-seeding after barley harvest.

Field-seeded cotton after barley harvest; Nitrogen management; Nitrogen application frequency; Lint yield; Biomass accumulation; Nitrogen use efficiency

10.13930/j.cnki.cjea.160180

S143.1; S1472.2; S562

A

1671-3990(2016)12-1607-07

2016-02-26 接受日期: 2016-04-27

* 江蘇省三新工程(SXGC[2014]299)、江蘇省科技支撐計劃項目(BE2014389)和國家科技支撐計劃項目(2014BAD11B02)資助

**通訊作者:劉瑞顯, 主要從事作物生理生態(tài)研究。E-mail: liuruixian2008@163.com 楊長琴, 主要從事作物栽培生理研究。E-mail: ychq2003@qq.com

* Founded by the Jiangsu Province Three-new Agriculture Innovation Project (SXGC[2014]299), the Science and Technology Support Program of Jiangsu Province (BE2014389) and the National Key Technology R&D Program of China (2014BAD11B02)

** Corresponding author, E-mail: liuruixian2008@163.com

Received Feb. 26, 2016; accepted Apr. 27, 2016