譚京紅, 吳啟俠, 朱建強(qiáng), 柯鑫瑤, 馬泓雨

(長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434025)

棉花是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，2019年我國(guó)棉花種植面積333.92萬(wàn)hm2[1]。江漢平原是湖北省的主要棉產(chǎn)區(qū)，占湖北省棉花種植總面積的70%左右[2]，是湖北省最大的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地和單產(chǎn)水平較高的棉區(qū)[3]。

氮是棉花生長(zhǎng)發(fā)育必需的主要營(yíng)養(yǎng)元素，棉花對(duì)氮的需求大于其他植物[4]。在棉花生產(chǎn)過(guò)程中，減氮增效一直是研究熱點(diǎn)，并且已有研究表明，合理的施氮水平能顯著提高棉花的產(chǎn)量、氮肥利用率和減少氮肥損失[5-6]。減氮增效技術(shù)的基礎(chǔ)是確定合理施氮量。目前，關(guān)于棉花合理施氮量，張敏敏等[2]在不減產(chǎn)的情況下，從產(chǎn)量、氮肥利用率和土壤氮素殘留3方面驗(yàn)證了江漢平原營(yíng)養(yǎng)缽移栽棉在中高產(chǎn)棉田施氮量為240～280 kg·hm-2；田紹仁[7]研究表明，長(zhǎng)江流域一熟高產(chǎn)棉田純氮經(jīng)濟(jì)施用量范圍為300～450 kg·hm-2；王肖娟等[8]研究了不同灌溉方式(漫灌和滴灌)對(duì)新疆棉花生物量、氮素吸收量、皮棉產(chǎn)量以及氮肥利用率的影響，結(jié)果顯示，施氮量為360 kg·hm-2時(shí)，棉花產(chǎn)量最高。近年來(lái)，在麥?zhǔn)諜C(jī)械化的背景下，傳統(tǒng)的麥棉套種模式已不適應(yīng)生產(chǎn)要求，麥后移栽棉得到迅速發(fā)展。麥后移栽棉基本無(wú)伏前桃，以伏桃、秋桃為主，在管理措施上要求施足蕾肥和重施花桃肥[9]。與傳統(tǒng)麥棉套種模式相比，麥后移栽棉在施肥量、施肥技術(shù)上都有所差異，因此，確定高產(chǎn)棉田麥后移栽棉適宜施氮量是獲取麥后移栽棉高產(chǎn)的基礎(chǔ)。本研究選取江漢平原高產(chǎn)棉田(皮棉產(chǎn)量高于1 050 kg·hm-2)，于2018—2019年連續(xù)2年開(kāi)展不同施氮量對(duì)麥后移栽棉的影響試驗(yàn)，綜合考慮棉花葉片SPAD值、植株生長(zhǎng)、氮素遷移和利用以及最終產(chǎn)量，確定江漢平原麥后移栽棉適宜施氮量，旨在為棉花減氮增效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018—2019年在長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)業(yè)園(30°37’N，112°08’E)同一塊試驗(yàn)田中進(jìn)行。試驗(yàn)田2年0～20 cm耕層土壤養(yǎng)分含量見(jiàn)表1。試驗(yàn)期間日均氣溫和日降雨量變化如圖1所示。

圖1 2018—2019年試驗(yàn)期逐日降水量和平均氣溫

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)施氮量處理，分別為N0(0 kg·hm-2)、N90(90 kg·hm-2)、N180(180 kg·hm-2)、N270(270 kg·hm-2)、N360(360 kg·hm-2)、N450(450 kg·hm-2)，氮肥按苗肥∶蕾肥∶花鈴肥=3∶3∶4的比例施用。各處理磷(P2O5)、鉀(K2O)用量分別為90、150 kg·hm-2，磷肥、鉀肥按苗期和蕾期6∶4、3∶7的比例施用。試驗(yàn)在田間小區(qū)中進(jìn)行，每個(gè)小區(qū)的面積為41 m2(22 m×1.88 m)，每小區(qū)種植2行棉花共88株(行距1.0 m，株距0.5 m)，每小區(qū)為1個(gè)重復(fù)，每處理設(shè)3次重復(fù)，采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)。小區(qū)之間起壟包膜，以防相互串水，影響試驗(yàn)效果。

試驗(yàn)采用江漢平原廣泛推廣的麥棉兩熟模式，小麥季N0處理不施肥，其余處理施肥量(N-P2O5-K2O)均為180-75-90 kg·hm-2。其中，70%氮肥、全部磷鉀肥以基肥施入，基肥為復(fù)合肥，30%氮肥為臘肥以尿素追施。小麥臘熟末期，使用全喂入履帶式聯(lián)合收獲機(jī)收獲，留茬高度控制在150 mm以內(nèi)，聯(lián)合收割機(jī)安裝秸稈切碎還田機(jī)，切碎秸稈全量均勻拋撒在田間，2019年小麥平均產(chǎn)量為4 290 kg·hm-2(N0產(chǎn)量為1 364 kg·hm-2)。小麥?zhǔn)斋@后采用旋耕機(jī)耕整田塊2遍，一次性完成旋耕和起壟作業(yè)，確保小麥秸稈還田深度不低于10 cm，廂寬1.88 m，廂溝深0.2～0.3 m。耕整田塊后，視天氣情況移栽棉花，棉花采用營(yíng)養(yǎng)缽育苗，供試品種為中棉所63(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所選育)。2018年5月24日移栽，6月8日開(kāi)溝施苗肥，溝深15～20 cm，距棉株15～20 cm，7月8日、7月21日開(kāi)溝追施蕾肥、花鈴肥。2019年5月23日移栽，6月1日、7月15日、7月29日開(kāi)溝施苗肥、蕾肥、花鈴肥。其余田間管理依照常規(guī)進(jìn)行。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1SPAD 在苗期(2018年6月25日、2019年6月24日)、蕾期(2018年7月18日、2019年7月19日)、花鈴期(2018年8月8日、2019年8月8日)和吐絮期(2018年9月9日、2019年8月15日)上午9:00—12:00，采用SPAD-502型手持式葉綠素儀(日本)測(cè)量葉片SPAD。每片葉片測(cè)量3個(gè)點(diǎn)(測(cè)定時(shí)避開(kāi)葉脈)，取其平均值作為該葉片的SPAD，每小區(qū)采集10片掛牌棉花倒4葉(主莖上最新完全功能葉)，取其平均值作為1個(gè)樣本結(jié)果。

1.3.2器官生物量 分別在苗期(2018年6月19日、2019年6月10日)、蕾期(2018年7月7日、2019年7月27日)、花鈴期(2018年8月14日、2019年8月20日)、吐絮期(2018年10月28日、2019年10月8日)取棉花植株樣，每小區(qū)隨機(jī)選取具有代表性的棉株5株，按莖、葉、蕾(花)、鈴殼、籽棉不同器官分開(kāi)，在105 ℃殺青30 min，然后70 ℃烘至恒重，稱重，記錄器官生物量。

1.3.3氮積累量 將烘干的棉花植株各器官粉碎，采用H2SO4-H2O2消煮，Alliance-Futura II連續(xù)流動(dòng)分析儀(法國(guó)Alliance公司)測(cè)定各器官的氮素積累量和植株氮素總積累量[10-11]。

1.3.4產(chǎn)量 2年的籽棉產(chǎn)量實(shí)收，人工采摘小區(qū)11月3日之前的所有吐絮鈴，并于自然條件下晾曬后稱重測(cè)產(chǎn)；單鈴重為2018年10月3日(2019年9月28日)采收50個(gè)吐絮棉鈴，籽棉稱重后扎花計(jì)算衣分；在收花前調(diào)查小區(qū)的單株鈴數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用線性加平臺(tái)模型擬合最佳氮肥用量。線性加平臺(tái)肥效模型如下。

Y=a+bx(x≤C)；Y=P(x>C)

式中，Y為棉花產(chǎn)量(kg·hm-2)，x為氮肥用量(kg·hm-2)，a為截距，b為回歸系數(shù)，C為直線與平臺(tái)的交點(diǎn)，P為平臺(tái)產(chǎn)量(kg·hm-2)。

各器官氮素積累量(kg·hm-2)=植株各器官氮素含量×植株各器官干質(zhì)量

植株氮素總積累量(kg·hm-2)=Σ各器官氮素積累量

氮肥表觀利用率=(施氮區(qū)棉株吸氮量-不施氮區(qū)棉株吸氮量)/施氮量×100%

氮肥農(nóng)學(xué)利用率(kg·kg-1)=(施氮區(qū)皮棉產(chǎn)量-不施氮區(qū)皮棉產(chǎn)量)/施氮量

氮肥偏生產(chǎn)力(kg·kg-1)=施氮區(qū)單位面積產(chǎn)量/單位面積施氮量

氮肥貢獻(xiàn)率=(施氮區(qū)的產(chǎn)量-不施氮區(qū)的產(chǎn)量)/施氮區(qū)產(chǎn)量×100%

利用DPS對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，其中多重比較借助最小顯著差異法(LSD法)。采用Microsoft Excel作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對(duì)棉花葉片SPAD的影響

2.1.1不同施氮處理下棉花SPAD 植株功能葉片(倒4葉)的SPAD可以診斷植株氮素的營(yíng)養(yǎng)盈缺狀況，圖2顯示了不同施氮量處理倒4葉SPAD?？傮w趨勢(shì)表現(xiàn)為施氮量越高，SPAD越大，整個(gè)生育期施氮處理的SPAD顯著高于不施氮處理，且SPAD隨著施氮量的增加而增加，說(shuō)明充足的氮肥供應(yīng)提高了上部功能葉的相對(duì)葉綠素含量，從而有助于植株葉片的光合能力提高。2018年棉花生育期間施氮處理與不施氮處理呈顯著性差異?；ㄢ徠贜0～N360處理增幅較N360～N450處理大。2019年整個(gè)生育期施氮處理的SPAD顯著高于不施氮處理，且SPAD隨著施氮量的增加而增加。其中，2019年蕾期、花鈴期、吐絮期均表現(xiàn)為施氮量在0～360 kg·hm-2范圍，SAPD值增加顯著；而施氮量在360～450 kg·hm-2范圍內(nèi)，SPAD雖有所增加，但沒(méi)有270～360 kg·hm-2增加幅度大。因此，可以推測(cè)，施氮量為270～360 kg·hm-2時(shí)，能夠滿足棉株生長(zhǎng)氮素所需。

注：同一生育期不同小寫字母表示差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.1.2SPAD與施氮量關(guān)系分析 圖3表明，棉花葉片SPAD受氮肥用量的影響，在一定氮肥用量范圍內(nèi)，葉片SPAD總體隨施氮量的增加而增加，2018、2019年花鈴期和2019年吐絮期的SPAD和施氮量呈極顯著一元二次關(guān)系(R2分別為0.833、0.870和0.794)。而2018年吐絮期的SPAD和施氮量間未呈顯著性相關(guān)，2018年吐絮期測(cè)樣時(shí)間是9月9日，已進(jìn)入生育末期，植株體內(nèi)氮素主要向生殖器官轉(zhuǎn)移，表明棉花花鈴期和吐絮前期最新完全展開(kāi)葉SPAD可作為植株氮素營(yíng)養(yǎng)診斷指標(biāo)，而吐絮后期則不能。

注：**表示相關(guān)性在P<0.01水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.2 施氮量對(duì)棉花生物量的影響

在不同施氮量處理下，2018年和2019年棉花不同生育期不同器官的生物量如圖4所示。施氮量顯著影響棉花生物量分配(P<0.05)，基本趨勢(shì)為施氮量越高整株和各器官生物量越大。在棉花生長(zhǎng)苗期，2018年N450處理棉花整株的生物量最大，但不同處理間整株棉花的生物量沒(méi)有規(guī)律性，其原因跟最初移栽時(shí)植株大小有關(guān)。在棉花蕾期階段，整株生物量以N450處理為最大，其次為N360處理。N360處理比N270處理增加了9.73 g，而N450處理比N360處理的葉和莖僅增加了1.59和2.83 g，顯然生物量隨著施氮水平的增加而增加，到施氮量為360 kg·hm-2之后，增加幅度開(kāi)始有所降低。在棉花花鈴期階段，整株生物量以N450處理為最大，除了蕾的生物量高于其他處理外，N450處理的棉花葉、莖和鈴的生物量超過(guò)其他處理。在棉花吐絮期，棉花葉、莖和籽棉的生物量以N450為最大，但施氮量在270～360 kg·hm-2之間籽棉占整株生物量比例最大，表明450 kg·hm-2會(huì)造成棉花有貪青晚熟的趨勢(shì)。因此，施氮量在270～360 kg·hm-2范圍時(shí)最佳。2019年數(shù)據(jù)顯示，苗期和蕾期N450處理的各器官生物量大于其他處理。到花鈴期N450處理的整株生物量高于其他處理，與N360處理差異不顯著(P>0.05)，與其他處理呈顯著性差異(P<0.05)。說(shuō)明生物量整體趨勢(shì)是隨著施氮量的增加整株生物量呈增加趨勢(shì)，但0～360 kg·hm-2處理隨施氮量增加其整株生物量顯著增加，而N360處理后隨著施氮量的增加整株生物量亦增加但不顯著(P>0.05)。在棉花吐絮期，N90、N180、N270、N360和N450處理的整株生物量比N0處理分別高45.57%、62.58%、100.53%、151.74%和158.88%，該時(shí)期N360處理的生殖器官生物量占比最大，分別比N90、N180、N270和N450處理高了32.31%、20.64%、8.96%、0.62%。

圖4 不同施氮處理下棉花各生育期器官生物量

2.3 施氮量對(duì)棉花產(chǎn)量的影響

2.3.1不同施氮處理下棉花產(chǎn)量 從表2可以看出，施氮量對(duì)棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素有顯著影響。施氮量與棉花株高呈顯著正相關(guān)關(guān)系，不施氮處理棉花株高最低，施氮量450 kg·hm-2時(shí)棉花株高最高，N360處理次之。施氮量過(guò)低會(huì)導(dǎo)致植株?duì)I養(yǎng)體矮小，施氮過(guò)高會(huì)導(dǎo)致植株徒長(zhǎng)。果枝數(shù)隨著施氮量的增加而增多，2018年N360處理與N450處理單株鈴數(shù)分別增加了89.7%和75.9%(與N0對(duì)比)；2019年分別增加了127.0%、119.2%，可以看出，N360處理較N450處理的增幅大。隨著施氮量的增加，單鈴重和衣分呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，單鈴重和衣分均以N360處理最大。N0處理產(chǎn)量顯著低于各施氮處理，在施氮量0～360 kg·hm-2范圍內(nèi)，隨施氮量的增加籽棉產(chǎn)量呈上升趨勢(shì)；當(dāng)施氮量超過(guò)360 kg·hm-2時(shí)，籽棉產(chǎn)量降低。以N360處理的產(chǎn)量最高，分別為4 682.02 kg·hm-2(2018年)和4 717.13 kg·hm-2(2019年)，主要原因是鈴數(shù)顯著高于其他處理，單鈴重和衣分也高于其他處理。2019年的產(chǎn)量比2018年的產(chǎn)量高，其原因可能是2019年棉花吐絮期多以晴朗天氣為主，有助于棉花吐絮。

表2 不同施氮處理下棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

2.3.2麥后移栽棉適宜施氮量分析 研究表明，施氮量與產(chǎn)量的肥效關(guān)系符合一元二次方程或線性加平臺(tái)模型[12-13]。根據(jù)表2的產(chǎn)量和施氮量數(shù)據(jù)可知，本研究的肥料效應(yīng)方程更符合線性加平臺(tái)模型(圖5)。擬合得出江漢平原麥后移栽棉最適宜施氮量為310.64～318.75 kg·hm-2，產(chǎn)量潛力達(dá)4 643.58～4 662.53 kg·hm-2。

注：** 表示相關(guān)性在P<0.01水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.4 施氮量對(duì)植株氮吸收利用的影響

2.4.1不同施氮處理下棉花不同時(shí)期的氮吸收量 圖6表明，隨生育進(jìn)程，棉株氮吸收量呈逐漸增加趨勢(shì)，增施氮肥提高了麥后移栽棉不同生育階段的氮吸收量，以花鈴期到吐絮期的氮吸收增量最大。苗期分配到葉中氮素的比例高于莖，棉花所吸收的氮素主要蘊(yùn)藏在葉中，其中N450處理的氮吸收量顯著高于其他處理(P<0.05)。蕾期、花鈴期葉和莖中的氮素開(kāi)始向生殖器官轉(zhuǎn)移，且N270、N360處理向生殖器官的轉(zhuǎn)移速率大于N450處理。當(dāng)棉花進(jìn)入吐絮期后，植株?duì)I養(yǎng)器官開(kāi)始凋零，其中籽棉中的含氮量占整個(gè)棉花植株的比重最大，N450處理整株氮含量最高，但以N360處理籽棉含氮量最高，即施氮量超過(guò)360 kg·hm-2時(shí)，植株體內(nèi)的含氮量不會(huì)再顯著增加，并且不利于氮素向生殖器官轉(zhuǎn)移。

圖6 不同施氮處理下棉花不同時(shí)期的氮吸收量

2.4.2不同施氮處理對(duì)棉花氮肥利用率的影響 從表3可知，不同減氮施肥處理下，棉花的氮肥表觀利用率隨著施氮量的增加先提高后降低，其中N360處理最高，為37.33%(2018年)和39.62%(2019年)。氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率隨著施氮量的增加明逐漸下降，棉花氮肥偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)利用率均以N90處理為最高，N450處理為最低，因此，氮肥施入較高時(shí)，反而使得氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率降低，造成作物減產(chǎn)和氮肥資源的浪費(fèi)。氮肥貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，以N360處理為最高，2018和2019年分別為71.19%、69.01%。因此，從節(jié)約氮素的角度來(lái)說(shuō)，施氮量為270～360 kg·hm-2時(shí)，既能保證棉花高產(chǎn)，又能最大限度地利用化肥資源，減少氮損失對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面效應(yīng)。

表3 不同施氮處理對(duì)棉花氮肥利用率的影響

3 討論

麥后移栽棉模式有效地穩(wěn)定了棉花種植面積，促進(jìn)了糧棉雙增產(chǎn)[14]。確定適宜施氮量是麥后移栽棉高產(chǎn)的基礎(chǔ)。合理施用氮肥可提高棉花產(chǎn)量，氮缺乏或氮過(guò)多供應(yīng)可能通過(guò)影響生長(zhǎng)，導(dǎo)致作物籽粒干物質(zhì)積累受阻、產(chǎn)量下降[15-18]。小麥的合理施氮量由目標(biāo)產(chǎn)量和籽粒蛋白含量決定[19]，而調(diào)控棉花產(chǎn)量形成的重要措施之一也是合理施氮[20]。Rochester等[21]、羅新寧等[22]的研究均表明，氮素的增加雖然有利于棉株生物量的積累和養(yǎng)分的吸收，但過(guò)量施氮易造成營(yíng)養(yǎng)器官生長(zhǎng)旺盛而造成貪青晚熟。本文是針對(duì)江漢平原麥后移栽棉模式開(kāi)展的兩熟制棉花季作物最佳氮肥施用量研究，2年結(jié)果趨勢(shì)基本一致，本研究結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)增加施氮量，棉花產(chǎn)量呈增加趨勢(shì)。當(dāng)施氮量小于360 kg·hm-2時(shí)，棉花籽棉產(chǎn)量隨施氮量增加呈上升趨勢(shì)；超過(guò)360 kg·hm-2時(shí)，產(chǎn)量則表現(xiàn)為下降。且江漢平原麥后移栽棉的施氮量與產(chǎn)量呈線性加平臺(tái)模型關(guān)系，推薦該地區(qū)麥后移栽棉適宜施氮量為310.3～318.75 kg·hm-2。張敏敏等[2]研究得出，江漢平原中高產(chǎn)棉田施氮量為240～280 kg·hm-2，這與本研究結(jié)果不一致。分析其原因，一方面，可能是本研究采用的是尿素作為氮素來(lái)源，而張敏敏等[2]采用的是緩控釋氮肥且配施硼，二者的釋放周期不同；另一方面，可能是由于地區(qū)差異導(dǎo)致的土壤差異，且本研究是兩熟制。

氮素吸收利用是干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[23]，棉花生育前期吸收的氮主要是促進(jìn)棉株?duì)I養(yǎng)器官發(fā)育，中后期吸收的氮素則對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)形成至關(guān)重要[24-25]。N360處理籽棉的含氮量高于其他處理，其原因是施氮過(guò)低增加了麥后移栽棉盛花期之前氮的吸收比例，降低了盛花期之后的氮吸收比例，導(dǎo)致后期氮供應(yīng)不足；反之，增加了棉花吐絮期氮的吸收比例，使吐絮期吸收量顯著增加，造成棉花貪青晚熟、產(chǎn)量降低[26]。

本研究表明，隨著施氮量的增加，而氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率則呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。N90處理的氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率顯著高于N450處理，這與張?jiān)饰舻萚27]的研究結(jié)果一致。N450處理氮肥表觀利用率與氮素貢獻(xiàn)率較N360處理均降低，說(shuō)明過(guò)量施氮不利于棉花對(duì)氮的吸收利用，這與趙雙印等[28]的研究結(jié)果一致?？梢?jiàn)，適宜的施氮量才能表現(xiàn)出氮素利用率提高，反之降低。

本研究?jī)H從棉花葉片SPAD、植株生長(zhǎng)、氮素遷移和利用以及最終產(chǎn)量確定江漢平原麥后移栽棉適宜施氮量，今后還應(yīng)在江漢平原地區(qū)開(kāi)展多品種和多點(diǎn)(不同肥力土壤)試驗(yàn)研究。