李 飛 郭利雙 李彩紅 郭莉莉 劉冰蕾 張志剛 梅正鼎

(湖南省棉花科學(xué)研究所，湖南 常德 415101)

油后直播棉花技術(shù)作為一種新型的耕作模式，不僅可以省工節(jié)本，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，而且符合棉花生產(chǎn)輕簡(jiǎn)化和機(jī)械化的發(fā)展需求，為洞庭湖棉區(qū)棉花產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定和發(fā)展開(kāi)辟了新的方向[1-4]。但洞庭湖棉區(qū)棉花生長(zhǎng)期雨水較多，直播棉密植模式易造成群體營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)失調(diào)，進(jìn)而影響產(chǎn)量。因此，關(guān)于油后直播棉花增產(chǎn)、提質(zhì)、增效的理論與技術(shù)研究已成為洞庭湖棉區(qū)研究的熱點(diǎn)[5-7]。

合理的生物量積累是棉花高產(chǎn)優(yōu)產(chǎn)的前提和基礎(chǔ)[8-10]。研究表明，棉花群體生物量與產(chǎn)量密切相關(guān)，協(xié)調(diào)的棉花群體生物量累積動(dòng)態(tài)與積累量是構(gòu)建高效棉花群體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵[11-13]。生產(chǎn)上多以增加施氮量來(lái)獲得較大的生物量[14-15]，并結(jié)合化學(xué)調(diào)控獲取高產(chǎn)，但造成了資源浪費(fèi)，并增加了經(jīng)濟(jì)及生態(tài)成本[16]。施氮過(guò)多，不僅會(huì)降低氮肥利用率，而且會(huì)導(dǎo)致棉花營(yíng)養(yǎng)器官與生殖器官比例偏大[17]，影響后期干物質(zhì)向生殖器官轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致棉花減產(chǎn)[18-19]。已有研究顯示，氮素對(duì)作物生物量累積影響顯著，不會(huì)影響其“S”型基本累積形態(tài)，但可對(duì)“S”型方程特征參數(shù)及最大生物量累積量產(chǎn)生顯著影響[14，20-22]。因此，通過(guò)調(diào)控氮肥運(yùn)籌，調(diào)節(jié)植株群體生物量生長(zhǎng)特征值是獲得優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的重要技術(shù)手段。在洞庭湖棉區(qū)，氮肥運(yùn)籌對(duì)油后直播棉花密植模式生物量累積動(dòng)態(tài)和特征值的影響尚需進(jìn)一步研究。

本研究基于油后直播棉花高密度種植模式，比較不同施氮量對(duì)直播棉花群體生物量積累、皮棉產(chǎn)量及纖維品質(zhì)的影響差異，明確氮肥的適宜施用量，提高棉花肥水管理水平和生產(chǎn)效率，以期為環(huán)境友好型的棉花資源高效利用栽培技術(shù)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016-2017年在湖南省棉花科學(xué)研究所茅灣基地(28°57′7″N，111°40′35″E)進(jìn)行。試點(diǎn)土壤為河潮土，耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為15.6 mg·kg-1、堿解氮98.0 mg·kg-1、有效磷14.1 mg·kg-1、速效鉀186.8 mg·kg-1、pH 值7.34。試驗(yàn)棉花品種為湘FZ001，由湖南省棉花科學(xué)研究所提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)種植密度75 000 株·hm-2，共設(shè)置5 個(gè)氮素水平，分別為0、90、180、270、360 kg·hm-2，以N0、N1、N2、N3、N4表示。開(kāi)溝施肥，30%氮肥和全部磷鉀肥作基肥，播種時(shí)施入，70%氮肥見(jiàn)花后追肥。試驗(yàn)于5月25日播種，6月14日定苗。每小區(qū)面積30.4 m2，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3 次重復(fù)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀 每小區(qū)于9月28日選取連續(xù)且長(zhǎng)勢(shì)均勻的棉花10 株，調(diào)查果節(jié)數(shù)、蕾花鈴數(shù)和脫落數(shù)。

1.3.2 生物量 分別于6月29日、7月14日、7月29日、8月13日、8月28日、9月13日和9月28日(即定苗后15、30、45、60、75、90、105 d)，每小區(qū)取長(zhǎng)勢(shì)一致的棉株2 株，按營(yíng)養(yǎng)器官(真葉、主莖、果枝、根)和生殖器官(蕾、花、鈴)進(jìn)行分解，于105℃殺青30 min后，80℃烘至恒重，測(cè)定生物量。

1.3.3 產(chǎn)量構(gòu)成因素 于各小區(qū)標(biāo)記好的10 棵植株上拾花，記錄鈴數(shù)和重量，計(jì)算單鈴重和衣分；分小區(qū)收花計(jì)產(chǎn)。

1.3.4 纖維品質(zhì) 各小區(qū)收取中上部自然吐絮較好的棉鈴20 個(gè)，軋花后送至農(nóng)業(yè)部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心進(jìn)行纖維品質(zhì)、斷裂比強(qiáng)度、馬克隆值、伸長(zhǎng)率和整齊度的測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SAS(9.1.3)進(jìn)行方差分析、模型構(gòu)建和灰色關(guān)聯(lián)度分析，用Excel 2003 進(jìn)行繪圖。

1.4.1 棉花生物量累積量及累積特征值的計(jì)算方法

棉株生物量的累積呈“S”型曲線，符合Logistic 方程[23-24]，其方程基本形式為:

式中，W 代表棉株生物量，Wm代表棉株生物量理論最大值，t 代表定苗后天數(shù)，a、b 代表生長(zhǎng)參數(shù)。Logistic 模型包含多種生物生態(tài)學(xué)特性信息，通過(guò)這些信息參數(shù)解析棉株生物量的增長(zhǎng)特點(diǎn)，并使之定量化[23-25]。對(duì)式(1)分別求1 階、2 階和3 階導(dǎo)數(shù)，根據(jù)公式計(jì)算相應(yīng)生長(zhǎng)曲線的最快生長(zhǎng)起始時(shí)間(T1)、快速生長(zhǎng)終止時(shí)間(T2)、最大相對(duì)生長(zhǎng)速率(Vm)及其出現(xiàn)時(shí)間(Tm)，快速累積持續(xù)期(ΔT):

1.4.2 棉花的最高產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)最佳產(chǎn)量計(jì)算方法以各處理施氮量(kg·hm-2)為自變量，皮棉產(chǎn)量(kg·hm-2)為因變量，進(jìn)行氮肥效應(yīng)方程擬合:y＝b0＋b1x＋b2x2＋b3x3。對(duì)方程進(jìn)行求導(dǎo):dy/dx＝b1＋2b2x＋3bx2，即為邊際產(chǎn)量，當(dāng)邊際產(chǎn)量等于0 時(shí)，產(chǎn)量最高，此時(shí)的施氮量即為產(chǎn)量最高施氮量；邊際產(chǎn)量等于氮肥與皮棉的價(jià)格比時(shí)，收益最優(yōu)，此時(shí)的施肥量即為經(jīng)濟(jì)最佳施氮量；將產(chǎn)量最高和經(jīng)濟(jì)最佳施氮量分別帶入氮肥效應(yīng)方程可求出相應(yīng)的最高產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)最佳產(chǎn)量[26]。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量構(gòu)成因素分析

由表1可知，不同處理之間單株果節(jié)數(shù)、單株成鈴數(shù)、單鈴重衣分表現(xiàn)一致，均隨施氮量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且均在N3(施氮量270 kg·hm-2)達(dá)到最大值；脫落率隨著施氮量的增加未呈規(guī)律性變化，且不同處理之間差異均不顯著。

表1 施氮量對(duì)棉株產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響Table1 Effect of nitrogen application rate on cotton yield and yield components

圖1 施氮量與皮棉產(chǎn)量的關(guān)系Fig.1 Relationship between nitrogen application rate and lint yield

經(jīng)擬合，氮效應(yīng)方程為y＝1.118×103＋1.894x＋1.269×10-4x2-1.1×10-5x3(圖1)。隨著施氮量的增加，皮棉產(chǎn)量呈先上升后下降的趨勢(shì)，且在N3達(dá)到最大值。2016-2017年，洞庭湖棉區(qū)氮肥價(jià)格為3. 8 元·kg-1，皮棉價(jià)格為10 元·kg-1。經(jīng)計(jì)算得出產(chǎn)量最高施氮量為281 kg·hm-2，效益最佳施氮量為256 kg·hm-2。

2.2 纖維品質(zhì)構(gòu)成因素分析

統(tǒng)計(jì)分析不同施氮量下棉纖維品質(zhì)指標(biāo)，如表2所示，隨施氮量的增加棉纖維品質(zhì)變化趨勢(shì)存在一定差異。纖維長(zhǎng)度和斷裂比強(qiáng)度均隨著施氮量的增加表現(xiàn)為先增加后下降的趨勢(shì)，且均在N3達(dá)到最大值；馬克隆值隨施氮量的增加呈下降趨勢(shì)，但各處理之間差異不顯著；纖維整齊度和伸長(zhǎng)率隨施氮量的增加無(wú)明顯變規(guī)律，且各處理之間差異不顯著。

表2 施氮量對(duì)棉花纖維品質(zhì)指標(biāo)的影響Table2 Efects of nitrogen application rate on the cotton fiber quality characters

2.3 氮素對(duì)棉花生物量動(dòng)態(tài)變化特征的影響

由表3可知，施氮量對(duì)單株生物量以及棉株根冠比、莖葉比、生殖器官/營(yíng)養(yǎng)器官、單株子棉經(jīng)濟(jì)系數(shù)的影響呈規(guī)律性變化。隨著施氮量的增加，單株生物量、生殖器官/營(yíng)養(yǎng)器官、單株子棉經(jīng)濟(jì)系數(shù)均表現(xiàn)為先上升后下降趨勢(shì)，均在N3達(dá)到最大值；根冠比表現(xiàn)為下降的趨勢(shì)；莖葉比表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢(shì)，其中N3的莖葉比最小。

表3 施氮量對(duì)棉株干物質(zhì)分配的影響Table3 Effect of N application rate on biomass partitioning in cotton plant

2.4 棉花生物量累積量動(dòng)態(tài)模型特征值分析

2.4.1 營(yíng)養(yǎng)器官生物量累積量動(dòng)態(tài)模型特征值分析

以Logistic 模型對(duì)營(yíng)養(yǎng)器官生物量的動(dòng)態(tài)累積量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表4所示，各處理Wm的大小順序均為N4>N3>N2>N1>N0。各處理最快生長(zhǎng)起始時(shí)間(T1)基本接近，但隨著施氮量的增加逐漸提前；快速生長(zhǎng)終止時(shí)間(T2)隨著施氮量的增加表現(xiàn)為先提前后延后的趨勢(shì)，其中N3的T2最早；快速累積持續(xù)期(ΔT)表現(xiàn)為N3＜N2＜N4＜N1＜N0，其中N3的ΔT 最短。各處理最大相對(duì)生長(zhǎng)速率(Vm)表現(xiàn)為N3>N4>N2>N1>N0；Vm出現(xiàn)時(shí)間(Tm)隨著施氮量的增加表現(xiàn)為先提前后延后的趨勢(shì)，其中N3的Tm最早。根據(jù)有關(guān)研究，營(yíng)養(yǎng)器官T1及Vm出現(xiàn)日期越早，ΔT 越短，越有利于前期生物量的累積[24]。本試驗(yàn)以N3營(yíng)養(yǎng)器官生物量的ΔT 最短、Vm最快、Tm最早，說(shuō)明N3的棉株?duì)I養(yǎng)器官生長(zhǎng)模型各項(xiàng)特征參數(shù)最協(xié)調(diào)，有利于協(xié)同提高棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)。

表4 棉株?duì)I養(yǎng)器官生物量動(dòng)態(tài)累積模型分析Table4 Dynamic accumulation model analysis of biomass of vegetative growth of cotton

2.4.2 生殖器官生物量累積量動(dòng)態(tài)模型特征值分析

由表5可知，各處理Wm表現(xiàn)為N3>N4>N2>N1>N0。各處理間T1、T2出現(xiàn)時(shí)間的早晚順序?yàn)镹3、N4、N2、N1、N0；ΔT 隨著施氮量的增加表現(xiàn)為先縮短后延長(zhǎng)的趨勢(shì)，其中N3的ΔT 最短。各處理Ⅴm表現(xiàn)為N3>N4>N2>N1>N0；Tm隨著施氮量的增加表現(xiàn)為先提前后延后的趨勢(shì)，其中N3的Vm最早。

綜合表4、5 分析，N3下棉株?duì)I養(yǎng)器官生物量的T2為定苗后60～61 d，生殖器官生物量的T1為定苗后63～64 d，由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)的過(guò)度比較協(xié)調(diào)。另外生殖器官Ⅴm出現(xiàn)在定苗后74 ～75 d，快速生長(zhǎng)期較為集中，ΔT 僅為21 ～22 d，有利于多結(jié)伏桃和早秋桃。

表5 棉株生殖器官生物量動(dòng)態(tài)累積模型分析Table5 Dynamic accumulation model analysis of biomass of procreate growth of cotton

2.4.3 生物量與產(chǎn)量灰色關(guān)聯(lián)度分析 對(duì)不同氮肥處理最終產(chǎn)量與生殖生長(zhǎng)生物量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，結(jié)果如表6所示，棉花產(chǎn)量與定苗后90 d 生殖生長(zhǎng)生物量的監(jiān)測(cè)值關(guān)聯(lián)度最大，而生殖器官的T2為定苗后85～95 d(表5)，這說(shuō)明生殖器官干物重快速生長(zhǎng)期終止時(shí)的生物量對(duì)最終產(chǎn)量起著決定性的作用。

由于營(yíng)養(yǎng)器官生物量是高產(chǎn)的前提和基礎(chǔ)，故將定苗后90 d 的生殖生長(zhǎng)生物量與前期營(yíng)養(yǎng)器官生物量進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，結(jié)果如表7所示，定苗后90 d的生殖生長(zhǎng)生物量與定苗后60 d 的營(yíng)養(yǎng)器官生物量關(guān)聯(lián)度最大，而營(yíng)養(yǎng)器官T2為定苗后60 ～68 d，說(shuō)明定苗后90 d 的生殖器官生物量與快速生長(zhǎng)期終止時(shí)營(yíng)養(yǎng)器官的生物量關(guān)系極為密切。

表6 產(chǎn)量與生殖生長(zhǎng)生物量的關(guān)聯(lián)度Table6 Correlation of cotton yield and biomass of procreate growth

本試驗(yàn)中營(yíng)養(yǎng)器官生物量Vm出現(xiàn)在定苗后47 ～53 d，而定苗后45～60 d 的營(yíng)養(yǎng)器官生物量積累占定苗后60 d 營(yíng)養(yǎng)器官生物量積累的53%～58%(表8)，表明營(yíng)養(yǎng)器官生物量T1到T2的生物量積累極為關(guān)鍵，即提高此期間的營(yíng)養(yǎng)器官生物量累積成為獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵。因此，生產(chǎn)中加強(qiáng)7月下旬或8月初的肥水管理尤為重要。

表7 生殖器官生物量與營(yíng)養(yǎng)器官生物量的關(guān)聯(lián)度Table7 Correlation of procreate growth biomass and vegetative growth biomass

表8 定苗后45～60 d 營(yíng)養(yǎng)器官生物量積累占定苗后60 d 營(yíng)養(yǎng)器官生物量的比例Table8 The proportion of vegetative organ biomass accumulation in 45－60 days after seedling establishment to vegetative organ biomass in 60 days after seedling establishment

3 討論

研究表明，氮肥用量對(duì)棉花產(chǎn)量影響顯著，施氮不足或過(guò)量均會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量下降[17-18，27-29]，本研究結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。本研究結(jié)果表明，N3的皮棉產(chǎn)量最高，且經(jīng)過(guò)氮效應(yīng)模型分析，產(chǎn)量最高施氮量為281 kg·hm-2，效益最佳施氮量為256 kg·hm-2，同時(shí)N2與N3的皮棉產(chǎn)量與單株子棉經(jīng)濟(jì)系數(shù)均差異不顯著。因此，考慮成本投入，結(jié)合產(chǎn)量形成與經(jīng)濟(jì)收益，在本試驗(yàn)的栽培模式及生態(tài)環(huán)境下，推薦施氮量為180 ～250 kg·hm-2。

纖維品質(zhì)主要由遺傳特性決定，但由于試驗(yàn)環(huán)境、栽培條件、肥料種類(lèi)及施用方式的不同，研究結(jié)果也有所差異。本研究中，隨著施氮量的增加，纖維長(zhǎng)度和斷裂比強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢(shì)，這與宋為超等[30]的研究結(jié)果一致，纖維長(zhǎng)度和斷裂比強(qiáng)度均在N3時(shí)最大；馬克隆值隨施氮量的增加而降低，這與Rochester 等[31]的研究結(jié)果一致；整齊度和伸長(zhǎng)率隨著施氮量的增加未呈規(guī)律性變化，各處理間差異不顯著。目前隨著棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化的推進(jìn)，紡織業(yè)對(duì)棉纖維的品種提出了新要求——“雙30”，即纖維長(zhǎng)度≥30 mm，斷裂比強(qiáng)度≥30 cN·tex-1。因此，結(jié)合紡織需求與研究結(jié)果，洞庭湖棉區(qū)條件下，施氮量在180 ～270 kg·hm-2之間，棉花纖維品質(zhì)較為理想。

施氮量對(duì)生物量的積累影響顯著，適當(dāng)提高施氮量可以促進(jìn)棉株生物量的積累[32-34]。本研究中，棉株?duì)I養(yǎng)器官生物量隨施氮量的增加而增加；生殖器官生物量則隨施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)變化，其中以N3最高。有研究表明，施氮量可以調(diào)節(jié)生物量的T1、T2和ΔT，同時(shí)可以改變生物量的累積速率[23]。營(yíng)養(yǎng)器官生物量的T1及Tm出現(xiàn)越早，越有利于前期營(yíng)養(yǎng)器官生物量的累積[24]。本研究中，從生物量動(dòng)態(tài)累積的特征值看，N3的T1早、ΔT 短、Ⅴm大，說(shuō)明該施氮水平有利于棉花生長(zhǎng)前期的營(yíng)養(yǎng)器官生物量的快速積累。本研究中施氮量不足或過(guò)高均會(huì)影響營(yíng)養(yǎng)器官與生殖器官的協(xié)調(diào)生長(zhǎng)，尤其是施氮量過(guò)高，棉株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)旺，抑制了棉株的生殖生長(zhǎng)，致使產(chǎn)量下降。因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)氮肥的施用量與施用時(shí)間促使棉株各部位的生物量動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)特征參數(shù)達(dá)到協(xié)調(diào)，進(jìn)而獲得較高產(chǎn)量。

4 結(jié)論

氮肥對(duì)棉花干物質(zhì)積累、產(chǎn)量和品質(zhì)的提高作用顯著，合理的施氮量與肥料運(yùn)籌是棉花優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要保障。本研究結(jié)合品質(zhì)、產(chǎn)量形成與經(jīng)濟(jì)收益分析得出，洞庭湖棉區(qū)適宜的施氮量約為180 ～250 kg·hm-2； 營(yíng)養(yǎng)體快速生長(zhǎng)期為7月中旬至8月中旬(定苗后30～60 d)，此期間追肥可以加速營(yíng)養(yǎng)體生物量的累積，調(diào)節(jié)棉株?duì)I養(yǎng)體生長(zhǎng)參數(shù)，從而獲得更高的產(chǎn)量和更好的品質(zhì)，其中生殖器官生物量Ⅴm出現(xiàn)時(shí)間為7月底至8月初，因此7月下旬為棉田肥水管理的關(guān)鍵期。但關(guān)于氮肥運(yùn)籌對(duì)油后直播棉花光合作用及肥料作用機(jī)理的影響尚待進(jìn)一步研究。