李林洋，夏淑潔，張潤(rùn)花，張潤(rùn)琴，陳 鵬，姜 穎，劉 毅*，李志國(guó)*

（1.中國(guó)科學(xué)院武漢植物園流域生態(tài)學(xué)研究中心，湖北 武漢 430074；2.武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，湖北 武漢 430065）

農(nóng)作物的生長(zhǎng)除了需要光照、溫度、水分外，肥料也是影響其生長(zhǎng)的重要因素之一。施肥可以提供農(nóng)作物所需要的營(yíng)養(yǎng)元素。按所含成分來(lái)劃分，其中最常用的肥料種類(lèi)是氮肥、鉀肥和磷肥。氮肥在保證糧食穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)和糧食安全供給中發(fā)揮了巨大的作用［1-2］。但是，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展，出現(xiàn)了化肥濫用濫施的現(xiàn)象，氮肥的當(dāng)季利用率僅為30%～35%，其余大部分氮素則以各種形式進(jìn)入大氣和水體［3-4］，造成氮肥的嚴(yán)重?fù)p失和環(huán)境污染，嚴(yán)重威脅著我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)有效發(fā)展。鉀肥施用可以促進(jìn)作物的光合作用以及抗逆性來(lái)增加作物產(chǎn)量，但是它的不合理利用也會(huì)造成一系列的農(nóng)業(yè)污染問(wèn)題。

礦質(zhì)養(yǎng)分的互作是影響作物養(yǎng)分高效利用及產(chǎn)量品質(zhì)形成的一個(gè)重要因素［5-6］。研究表明，通過(guò)增加或降低生長(zhǎng)介質(zhì)中鉀素有效性，可以有效促進(jìn)作物對(duì)碳水化合物與蛋白質(zhì)的合成與運(yùn)轉(zhuǎn)，從而提高氮素利用率，降低氮素流失，對(duì)提高氮肥利用率以及產(chǎn)量與品質(zhì)具有顯著作用［7-9］。本研究以棉花為研究對(duì)象，設(shè)置氮、鉀互作的大田小區(qū)試驗(yàn)，旨在驗(yàn)證和探明鉀素有效性與氮素協(xié)同增效的機(jī)制，提出鉀素與氮協(xié)同增效的施用方法和施用標(biāo)準(zhǔn)，為實(shí)現(xiàn)氮磷“減施增效”提供重要保障。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2017年在武漢市黃陂區(qū)武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所實(shí)驗(yàn)基地（簡(jiǎn)稱(chēng)武漢黃陂區(qū)）和2018年在湖北荊州市大同湖農(nóng)場(chǎng)（簡(jiǎn)稱(chēng)荊州大同湖區(qū)）進(jìn)行。兩個(gè)地區(qū)均屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年均降水量1100～1300 mm，70%的年降水量發(fā)生在4～9月。兩個(gè)試驗(yàn)地的土壤類(lèi)型分別為黃棕壤土和潮土，基本理化性狀見(jiàn)表1。種植模式均為一季棉花-冬閑。

表1 試驗(yàn)土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)處理

本試驗(yàn)為雙因素，一個(gè)因素為施氮量，另一個(gè)因素為施鉀量。2017年，在武漢黃陂區(qū)設(shè)置3個(gè)氮水平（0、140、280 kg·hm-2，記為N0、N140、N280）和3個(gè)鉀水平（0、120、220 kg·hm-2，記為K0、K120、K220）。2018年，在荊州大同湖區(qū)設(shè)置4個(gè)氮水平（0、150、300、450 kg·hm-2，記為N0、N150、N300、N450）和3個(gè)鉀水平（0、90、240 kg·hm-2，記為K0、K90、K240）。兩個(gè)試驗(yàn)均采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)長(zhǎng)為5 m，寬為4 m，面積為20 m2。試驗(yàn)所用氮肥為尿素（N 46%）、磷肥為普通過(guò)磷酸鈣（P2O512%）、鉀肥為氯化鉀（K2O 60%）。施肥比例為：K肥35%基肥，65%花鈴肥；尿素25%底肥，50%花鈴肥，25%蓋頂肥。施肥方式為行間深施10 cm以上。本試驗(yàn)供試棉花品種為“鄂雜棉10號(hào)”，株距70 cm，行距80 cm，株數(shù)約1.8萬(wàn)株·hm-2，營(yíng)養(yǎng)缽（50孔）育苗移栽，全程化控和打藥。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)與方法

每個(gè)小區(qū)分別于7月上旬、8月上旬、10月上旬取棉花地上部植株樣品，每小區(qū)選代表性的植株3株，將莖、葉、蕾鈴等器官分類(lèi)采集，測(cè)定各器官的氮素含量。棉花產(chǎn)量按小區(qū)分別分次收花，累計(jì)每個(gè)小區(qū)棉花實(shí)收產(chǎn)量。單鈴重按收花時(shí)間分別取不同果枝（下、中、上層）的吐絮棉鈴10個(gè)，曬干、稱(chēng)重，計(jì)算鈴重。土壤樣品在棉花種植前和收獲后用土鉆采集，取樣深度為表層0～20 cm。植株樣品通過(guò)濃硫酸-H2O2消解，凱氏定氮儀測(cè)定棉株全氮含量。土壤樣品堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀含量采用乙酸銨提取-火焰光度法測(cè)定。

1.4 試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法

用SPSS 13.0進(jìn)行方差分析，處理間各指標(biāo)采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮鉀互作對(duì)棉花產(chǎn)量和其構(gòu)成因素的影響

N、K肥料對(duì)產(chǎn)量影響顯著，N肥的影響程度大于K肥（表2）。2017和2018年，施N處理產(chǎn)量與N0處理相比，分別顯著增產(chǎn)36.5%～39.8%和51.1%～71.9%。棉花產(chǎn)量均隨施N量的增加呈逐漸增加趨勢(shì)。K肥的施用也可顯著提高棉花產(chǎn)量。與K0處理相比，2017和2018年施K處理的棉花產(chǎn)量分別顯著增產(chǎn)14.3%～24.5%和17.7%～23.4%。棉花產(chǎn)量均隨施K量的增加逐漸升高。N肥和K肥的配合施用存在明顯的交互作用，可顯著增加棉花產(chǎn)量。低K（K90）下增N的增產(chǎn)幅度（50%～63%）高于高K（K240）水平（34%～47%），低N（N150）下 增K的 增產(chǎn)效果（24%～28%）高于高N（N450）水平（-0.1%～2.5%）。K0條件下，棉花產(chǎn)量隨施N量的增加呈顯著升高的趨勢(shì)，在適宜鉀（K90）和高鉀（K240）條件下，N肥施用效果在高量施用氮（N450）的情況下受到抑制，適宜氮（N300）處理下的增產(chǎn)幅度最高。在不同N肥水平下，產(chǎn)量均隨施K量的增加而顯著增加，且隨N水平的增加，K肥增產(chǎn)效果呈降低趨勢(shì)。試驗(yàn)條件下，2017和2018年最高產(chǎn)量的施肥處理分別為N140K220和N300K240。

N肥的施用可顯著增加棉花單鈴數(shù)和鈴重（表2）。2017和2018年，施N處理與N0處理相比，單鈴數(shù)分別顯著增加11.9%和42.3%；鈴重分別顯著增加22.4%～25.5%和13.3%～21.5%。與N類(lèi)似，施用K肥后的棉花產(chǎn)量構(gòu)成因子單鈴數(shù)和鈴重均有顯著升高的趨勢(shì)。2017和2018年，施K處理與K0處理相比，單鈴數(shù)分別顯著增加4.7%和14.6%；鈴重分別顯著增加1.2%～14.1%和11.8%～15.4%。N肥和K肥的配合施用對(duì)單鈴數(shù)的影響存在顯著的交互作用，而鈴重的交互作用不明顯。在N0條件下，單鈴數(shù)隨K肥用量的增大而顯著增加，而在低N（N150）和適宜N（N300）下，K肥處理下的單鈴數(shù)顯著高于無(wú)K處理，但K肥之間無(wú)顯著差異，在高氮（N450）下，施K與不施K均無(wú)顯著差異。

表2 氮鉀互作對(duì)棉花產(chǎn)量和其構(gòu)成因素的影響

2.2 氮鉀互作對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響

N肥和K肥顯著促進(jìn)棉花生長(zhǎng)（圖1）。隨N肥用量的增加，棉花地上和地下生物量都顯著增加，與N0比，增施N肥處理的地上和地下生物量分別增加58%～91%和38%～50%（圖1a）。同樣，增施K肥也顯著增加地上和地下生物量，與K0比，增施K肥處理的地上和地下生物量分別增加71%～89%和31%～51%（圖1b）。N肥和K肥配施對(duì)棉花生長(zhǎng)存在顯著的交互作用（圖1c）。隨N肥用量的增加，K肥對(duì)棉花根系生長(zhǎng)的增長(zhǎng)效果逐漸降低，而對(duì)地上部的增長(zhǎng)效果先增加后降低。隨K肥施用量的增加，中N（N300）處理下K肥對(duì)棉花根系和地上增長(zhǎng)幅度最高，高N（N450）抑制K肥對(duì)地上和地下生物量的增長(zhǎng)效果。在所有N肥和K肥料的處理中，高N中K（N450K90）處理的地上和地下生物量最高，比N0處理分別增加124%和184%。

圖1 氮鉀互作對(duì)棉花收獲期生物量的影響

2.3 土壤養(yǎng)分含量

N、K水平及其交互作用極顯著影響土壤堿解氮含量（圖2）。與不施N肥處理比較，N140和N280處理極顯著增加土壤堿解氮含量，且其含量隨施N量的增加而增加（圖2a）。施K顯著增大土壤堿解氮含量，其含量隨施K量的增大而降低。

N肥和K肥的交互作用對(duì)土壤堿解氮含量的影響均表現(xiàn)為極顯著。與N0處理比較，N450極顯著增加土壤堿解氮含量（圖2b）。施K肥顯著增加土壤堿解氮含量，在N0和中量N肥N150的條件下，K肥在K90處理土壤的堿解氮含量最高且隨K肥的增加而降低，在高量N肥N300下，隨K肥的增加而提高，在K240處理土壤堿解氮含量最高，而在高量N肥N450處理下，施K反而降低土壤堿解氮含量。

圖2 2017和2018年不同施肥處理下對(duì)土壤堿解氮含量的影響

2.4 氮鉀互作對(duì)棉花氮素吸收、氮肥利用率（NUE）的影響

N肥的施用可顯著提高棉花地上部N素吸收量（表3），2017和2018年，施N處理吸N量與N0處理相比，分別顯著增加25.4%～27.0%和43%～165%。地上部吸N量隨施N量的增加呈先逐漸升高后降低的趨勢(shì)。同樣，NUE也隨施N量的增加呈先升后逐漸降低的變化。K肥的施用也可顯著提高棉花地上部N素吸收量和NUE。與K0處理相比，2017和2018年施K處理棉花地上部吸N量分別顯著增加25.6%～29.3%和23.5%～75.1%，平均增幅為38.38%，NUE分別增加5.1%～22.5%和7.0%～23.8%，平均增幅為14.6%。N肥利用效率由不施K肥的15.6%～26.4%提高到施K肥后的44.5%～45.1%。N和K肥配合施用對(duì)棉花地上部N素吸收存在顯著的交互作用。在高量N肥（N450）和低量N肥（N150）下，K肥對(duì)棉花N吸收量的增加作用受到抑制，適宜N肥（N300）處理下的增產(chǎn)幅度最高。本試驗(yàn)條件下，2017和2018年的N140K120、N140K220和N300K240處理的NUE最高，說(shuō)明施用K肥可明顯提高NUE。

表3 氮鉀互作對(duì)棉花氮素吸收、氮肥利用率的影響

2.5 棉花氮鉀互作增效的適宜施肥水平

棉花產(chǎn)量（Y）與N肥和K肥施用量的關(guān)系如圖3所示。棉花產(chǎn)量隨N肥和K肥用量的增加均呈先增后降的趨勢(shì)。產(chǎn)量與N肥和K肥的效應(yīng)方程分別為Y=-0.011x2+8.2395x+2178.3和Y=-0.0185x2+7.1517x+2787.3。N、K協(xié)同增產(chǎn)的最佳N肥用量為190～375 kg·hm-2，平均283 kg·hm-2；最佳K肥用量為56.5～185 kg·hm-2，平均120 kg·hm-2。

圖3 棉花產(chǎn)量與氮肥和鉀肥施用量的關(guān)系

3. 討論

3.1 氮鉀互作對(duì)棉花產(chǎn)量的影響

N和K是棉花生長(zhǎng)的關(guān)鍵限制因子，適當(dāng)?shù)腘、K配比能保證礦質(zhì)養(yǎng)分平衡吸收，利于棉花產(chǎn)量形成［10-12］。本研究通過(guò)分析不同的N、K施用量對(duì)棉花產(chǎn)量的影響，進(jìn)一步支持了N、K對(duì)增產(chǎn)的作用表現(xiàn)為正交互作用的觀點(diǎn)［8］，在N或K用量相同時(shí)，增加K或N均能顯著提高棉花單鈴重和產(chǎn)量，而在不同N或K水平下，增施不同量的K或N，增產(chǎn)幅度也存在顯著性差異。低K（K90）下增N的增產(chǎn)幅度（50%～63%）高于高K（K240）水平（34%～47%），低N（N150）下增K的增產(chǎn)效果（24%～28%）也高于高N（N450）水平（-0.1%～2.5%），此外，高K下增產(chǎn)率隨N量的增加而降低。不同于以往對(duì)長(zhǎng)江流域棉花氮鉀推薦施肥量約為280和225 kg·hm-2［13-15］，本研究中，N、K協(xié)同增產(chǎn)的最佳N肥用量為190～375 kg·hm-2，平均283 kg·hm-2；最佳K肥用量為56.5～185 kg·hm-2，平均120 kg·hm-2，棉花產(chǎn)量隨N、K施用比例增加而增加，高產(chǎn)棉花（皮棉1500 kg·hm-2以上）的N、K吸收比例為1∶1［8］。原因可能是本研究中選用試驗(yàn)田的基礎(chǔ)K素肥力較高，均大于140 mg·kg-1，所以試驗(yàn)得出的K推薦量可能相對(duì)偏低。此外，較低的K肥施用量可能與K肥采用的施入方式有關(guān)，本研究中K肥采用基施和花鈴肥的方式施入，相比一次性基施，可獲得更高的肥料效率和產(chǎn)量。李書(shū)田等［16］通過(guò)大田試驗(yàn)也觀察到K肥分次施入的產(chǎn)量顯著高于一次性基施的現(xiàn)象。可見(jiàn)，在棉花生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)依據(jù)不同的土壤條件以及施入的時(shí)期和方式確定相應(yīng)的N或K，以獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 氮鉀配施對(duì)棉花養(yǎng)分吸收和肥料利用率的作用

N、K互作增產(chǎn)機(jī)理不僅體現(xiàn)在K+以充當(dāng)NO3-的泵的形式促進(jìn)N的吸收［8］，而且K對(duì)N素代謝也有影響［7］，如K+對(duì)蛋白質(zhì)和酶的活化和穩(wěn)定性［17］、氨基酸合成和運(yùn)輸?shù)淖饔茫?8-19］等方面均具有促進(jìn)作用。本研究也證實(shí)了，隨著K供應(yīng)量的增大，N的吸收累積會(huì)顯著提高，N肥利用效率由不施K肥的15.6%～26.4%提高到施入K肥后的44.5%～45.1%。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)不同N水平下供K對(duì)N肥利用效率的提升作用具有顯著差異，中N下供K，N肥的利用效率比低N或高N下供K的提高作用更為顯著，這意味著高N下并不能通過(guò)提高供K水平而增加植物對(duì)N肥的利用效率。據(jù)報(bào)道，當(dāng)大量施N而供K不足時(shí)，植物可能會(huì)積累大量的蛋白質(zhì)合成的中間產(chǎn)物或異常的N化合物，如腐胺、鯡精胺和多胺等，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)這些產(chǎn)物濃度達(dá)到0.15%～0.20%時(shí)，細(xì)胞會(huì)中毒死亡或出現(xiàn)塊狀等不可逆壞死組織，即便以后提升K素，也不能恢復(fù)植物的正常生長(zhǎng)水平［8，20-21］。

因此，在棉花實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該充分考慮到N、K之間的交互作用，發(fā)揮N、K肥效應(yīng)的促進(jìn)作用。棉花不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期N、K養(yǎng)分發(fā)揮的生理代謝作用有所變化，N、K肥的互作效應(yīng)也會(huì)受影響［22］，因此，如何保證棉花不同生長(zhǎng)階段配施合理的N、K肥比例和施用量，達(dá)到最佳產(chǎn)量水平，是需要進(jìn)一步考慮的因素。

4 結(jié)論

連續(xù)兩年的田間試驗(yàn)結(jié)果表明，與單施N肥或K肥相比，N肥、K肥配施顯著提高棉花地上、地下生物量，促進(jìn)N肥的利用效率及籽粒分配，減少N肥土壤殘留，提高棉花產(chǎn)量。在棉花生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)該充分考慮到N、K之間的交互作用，依據(jù)不同的土壤條件確定相應(yīng)的N、K的施用量，以獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。在長(zhǎng)江流域，棉花最佳N肥用量為190～375 kg·hm-2，平均283 kg·hm-2，最佳K肥用量為56.5～185 kg·hm-2，平均120 kg·hm-2。