寧松瑞，顏安，柳維揚

膜下滴灌棉花地上干物質(zhì)積累與分配特征的模擬

寧松瑞1，顏安2*，柳維揚3

（1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，西安 710048；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，烏魯木齊 830052；3.塔里木大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

【目的】模擬和分析不同追肥處理對膜下滴灌棉花地上干物質(zhì)積累與分配特征的影響?！痉椒ā吭谀辖}脅迫棉田設(shè)7個氮磷鉀追肥處理：CK（0∶0∶0，N∶P2O5∶K2O），A（1∶1∶1），B（1∶0.25∶1.25），C（1∶0.4∶0.27），D（1∶0.23∶0.20），E（1∶0.34∶0.23）和F（1∶0.17∶0），分析棉花地上干物質(zhì)積累及各器官（葉、莖、蕾鈴）分配動態(tài)，建立棉花地上干物質(zhì)積累及各器官分配模型并分析其特征，明確最佳追肥處理。【結(jié)果】隨生長時間延長，棉花地上干物質(zhì)積累呈先增后降、葉分配指數(shù)呈先增后降、莖分配指數(shù)呈下降趨勢、蕾鈴分配指數(shù)呈增加趨勢；篩選、建立了基于相對生長時間的棉花地上干物質(zhì)積累模型和各器官分配模型并確定了參數(shù)值。文獻數(shù)據(jù)檢驗表明2個模型及其參數(shù)的普適性及模擬精度（2為0.775 5～0.992 8）均較高。利用棉花地上干物質(zhì)積累模型計算生長特征參數(shù)，以地上干物質(zhì)積累最大速率（m）和快增期持續(xù)時長（2）為指標(biāo)分析棉花干物質(zhì)積累速率和時間；與CK相比，A、B、C、D、E、F處理的m增加11.21%、11.32%、13.22%、4.22%、14.30%和10.05%，2減少4.98%、3.09%、3.66%、2.07%、4.97%和3.85%。棉花產(chǎn)量、肥料農(nóng)學(xué)利用效率分別與m正相關(guān)、與2負相關(guān)。【結(jié)論】追肥比例為1∶0.34∶0.23（E處理）促進了快增期的提前、減小了2并增大了m，利于膜下滴灌棉花地上干物質(zhì)積累與各器官干物質(zhì)的合理分配，是南疆棉田最佳的追肥處理。

棉花；歸一化方法；干物質(zhì)積累；生長模擬；肥料效率

0 引 言

【研究意義】南疆光熱充足、氣候干燥，鹽堿化耕地占耕地面積的49.6%[1]，當(dāng)?shù)?0%以上縣市種植棉花，棉花種植面積及產(chǎn)量各占全疆棉花種植面積的2/3和總產(chǎn)量的60%[2-3]。近年來，南疆大面積采用膜下滴灌技術(shù)，促進了鹽脅迫棉花生產(chǎn)，提高棉田的水肥效率與效益[2-4]。氮、磷、鉀作為棉花生長必需的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，影響鹽脅迫棉花干物質(zhì)積累、分配及產(chǎn)量等[4-5]。當(dāng)前膜下滴灌棉田氮、磷、鉀施用不均衡現(xiàn)象較普遍，制約了棉花優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[5]。通過優(yōu)化氮、磷、鉀追施配比來調(diào)控棉花干物質(zhì)累積與分配過程，已成為南疆鹽脅迫膜下滴灌棉田增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)重要途徑[4]。

【研究進展】定量模擬與分析棉花的干物質(zhì)積累與分配特征是揭示棉花高產(chǎn)群體構(gòu)建和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)調(diào)控的基礎(chǔ)[5-8]，當(dāng)前追施氮、磷、鉀肥對棉花干物質(zhì)累積與分配過程影響的定量研究較少。部分學(xué)者研究不同種植密度、水鹽和水肥管理等條件下的棉花葉、莖、蕾鈴器官的干物質(zhì)分配與其生長（或發(fā)育）時間的函數(shù)關(guān)系[6,9-10]，構(gòu)建了基于生長時間的棉花地上部干物質(zhì)積累模型及器官分配模型[8-11]，部分研究提出利用積溫構(gòu)建作物干物質(zhì)積累和器官分配模型[12]，均具有一定應(yīng)用價值。這類基于生長時間構(gòu)建的干物質(zhì)積累模型與各器官分配模型及其參數(shù)的數(shù)量、物理意義和取值等各不相同，且參數(shù)數(shù)量和取值等均隨作物品種、種植密度及播期等因素而變化，造成這些模型及參數(shù)的普適性差、其推廣應(yīng)用受限[13-14]。而生產(chǎn)實踐中，測定積溫需借助氣象設(shè)備或氣象資料，作物生長時間的觀測相對氣象觀測更方便且無須設(shè)備，更易被應(yīng)用和推廣?！厩腥朦c】因此，構(gòu)建基于生長時間的棉花地上干物質(zhì)積累和各器官分配動態(tài)的普適性數(shù)學(xué)模型，對定量揭示不同追肥處理對鹽脅迫棉花的促生作用以及對明確最佳追肥處理極為必要?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為此，在南疆鹽脅迫棉田設(shè)置了田間追肥試驗，分析不同追肥處理對棉花地上干物質(zhì)累積與器官分配特征的影響,構(gòu)建棉花地上干物質(zhì)積累與器官分配動態(tài)的普適模型，結(jié)合文獻數(shù)據(jù)驗證模型及參數(shù)的精度及適用性，分析棉花生長特征參數(shù)及其與棉花產(chǎn)量和肥料效率間的相關(guān)性，確定鹽脅迫棉田適宜的追肥處理，為追肥調(diào)控鹽脅迫棉花生長發(fā)育提供參考。

1 材料與方法

1.1 田間試驗

在南疆阿瓦提縣新疆農(nóng)科院試驗基地（40°06′N、80°44′E）開展膜下滴灌棉田氮、磷、鉀追肥試驗，2018年4月20日播種具有穩(wěn)產(chǎn)性好、增產(chǎn)潛力大、綜合品質(zhì)優(yōu)等特點的“新陸中88”棉花種子，采用株行配置為（（10+66+10）+66）×11 cm的“1膜2管6行”的機采棉模式，膜寬為2.05 m，滴灌帶間距及滴頭間距為76 cm和25 cm，滴頭流量為2.1 L/h。主根區(qū)（0～40 cm）為粉砂壤土，土壤體積質(zhì)量為1.45 g/cm3。播前主根區(qū)平均水分為0.23 cm3/cm3，凋萎系數(shù)和田間持水率分別為0.10和0.32 cm3/cm3，土壤鹽分及pH值分別為1.02%和8.2，全氮量0.47 g/kg，速效磷量35 mg/kg，速效鉀量155 mg/kg，有機質(zhì)量7.41 g/kg。犁地前施入尿素（N 46.6%）300 kg/hm2，磷酸二銨（N 21.2%、P2O553.8%）225 kg/hm2，有機肥375 kg/hm2。

棉田于6月20日開始灌溉，灌水定額26.8 mm，灌溉周期7 d，8月22日停水，共灌溉10次。通過在試驗區(qū)周邊實地調(diào)查并結(jié)合阿瓦提縣高產(chǎn)棉田生育期氮、磷、鉀追肥現(xiàn)狀以及參考相關(guān)研究成果[4,23]，設(shè)置7個氮、磷、鉀（N∶P2O5∶K2O）追肥處理：CK（0∶0∶0）、A（1∶1∶1）、B（1∶0.25∶1.25）、C（1∶0.4∶0.27）、D（1∶0.23∶0.20）、E（1∶0.34∶0.23）和F（1∶0.17∶0）；追肥總量375 kg/hm2，采用隨水滴施方式施入，棉田灌溉日期及對應(yīng)的追肥量占比見表1。各處理設(shè)3個重復(fù)（3膜18行），寬6.90 m、長6.50 m。日常管理與當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)棉田一致。

表1 膜下滴灌棉田灌溉日期及對應(yīng)的追肥量占比

1.2 測定指標(biāo)

棉花地上干物質(zhì)積累量：于苗期、蕾期、花期、鈴期和絮期（出苗后30、65、80、100 d和130 d）在各處理選取6株長勢均勻的植株，分別按莖、葉（營養(yǎng)器官）和蕾、鈴（生殖器官）進行分解并在105 ℃殺青30 min，恒溫烘至恒質(zhì)量后測定干物質(zhì)量。

棉花各器官（葉、莖、蕾鈴）的分配指數(shù)指葉、莖、蕾鈴的干物質(zhì)量分別占地上部干物質(zhì)量的比例。

棉花吐絮后，記錄棉花的株數(shù)和單株鈴數(shù)，測單鈴質(zhì)量和衣分，計算各處理的產(chǎn)量。

1.3 模型檢驗

模型檢驗數(shù)據(jù)來自徐海江等[8]開展的膜下滴灌棉田施氮試驗：試驗地0～80 cm土壤的全氮量0.35～1.12 g/kg，速效磷4.56～21.91 mg/kg，速效鉀164～286 mg/kg，有機質(zhì)量4.15～16.62 g/kg。棉花品種為中棉所49號，設(shè)置的6個純氮施量水平依次為N0（0 kg/hm2）、N1（150 kg/hm2）、N2（300 kg/hm2）、N3（450 kg/hm2）、N4（600 kg/hm2）和N5（700 kg/hm2），基肥與追肥比例為3∶7，全生育期滴水12次，分10次隨水滴施純氮總量的7%，K2SO4作追肥（100 kg/hm2）分次隨水滴施，5～7 d滴施1次。采用1膜4行的寬膜模式（膜寬125 cm）種植，收獲密度為1.95×105株/hm2。

1.4 數(shù)據(jù)處理

由于歸一化方法消除了量綱差異，有利于縮小不同處理的參數(shù)變化幅度[19-20]，因此，本文將棉花地上最大干物質(zhì)積累量、出苗至吐絮收獲的生長時間定為1，得到棉花相對地上干物質(zhì)積累量（各采樣時期地上部干物質(zhì)積累量占出苗至收獲期間的最大干物質(zhì)積累量的比值，數(shù)值介于0～1）和對應(yīng)的相對生長時間（各采樣時期的生長時間與出苗至收獲期生長時間的比值，數(shù)值介于0～1）。

數(shù)據(jù)分析及制圖采用Excel 2016，采用SPSS 21.0進行相關(guān)分析、方差分析，差異顯著性水平為5%。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花地上干物質(zhì)積累及各器官分配動態(tài)

2.1.1棉花地上干物質(zhì)積累動態(tài)

由圖1可知，隨著生育期推進，不同處理棉花地上干物質(zhì)積累過程總體呈先增后降變化特征。各處理棉花地上干物質(zhì)積累動態(tài)過程基本相同：苗期至蕾期的生長緩慢、干物質(zhì)積累也較緩慢且處理間差異不顯著（>0.05）；蕾期至鈴期的水肥供應(yīng)充足、干物質(zhì)積累量快速增加并達到峰值，A、B、C、D、E、F處理之間的地上干物質(zhì)積累量差異不顯著（>0.05）但其均顯著高于CK（<0.05）；絮期棉田的水肥供應(yīng)停止、棉花生長停滯且葉片逐漸凋零、地上干物質(zhì)積累量降低，A、B、C、D、E、F處理的差異不顯著（>0.05），但其與CK的差異顯著（<0.05）。

圖1 不同處理棉花地上干物質(zhì)積累動態(tài)

此外，不同處理棉花地上干物質(zhì)積累動態(tài)存在一定差異，以出苗后100 d（鈴期）為例：A、B、C、D、E、F處理的棉花地上干物質(zhì)積累量峰值依次為15 717、14 699、15 498、14 666、15 849、14 383 kg/hm2；比CK（13 094 kg/hm2）分別增加了15.40%、11.31%、17.89%、10.83%、24.27%、5.67%。

2.1.2棉花地上部各器官干物質(zhì)分配動態(tài)

棉花地上部主要器官干物質(zhì)分配特征可反映棉田養(yǎng)分配比對棉花生長發(fā)育過程的影響[4]。不同處理棉花葉、莖、蕾鈴的分配指數(shù)見圖2。葉分配指數(shù)（l）隨著生長時間的延長，呈先快速增加后逐漸下降趨勢；不同處理l的最大值（0.47±0.01）均在出苗后65 d（蕾期）、最小值（0.17±0.01）均在出苗后30 d（苗期）及130 d（絮期）。莖分配指數(shù)（s）隨生長時間延長，呈下降趨勢；各處理s的最大值（0.83±0.02）均在出苗后30 d（苗期）、最小值（0.19±0.01）均在出苗后130 d（絮期）。蕾鈴分配指數(shù)（b）隨著生長時間延長，呈增加趨勢；不同處理b的最大值（0.64±0.01）均在出苗后130 d（絮期）、最小值（0.04±0.01）均在出苗后30 d（苗期）。

圖2 各處理棉花地上部各器官（葉、莖、蕾鈴）干物質(zhì)分配指數(shù)動態(tài)

2.2 棉花地上干物質(zhì)積累及各器官分配模型

2.2.1棉花地上干物質(zhì)積累模型

棉花地上干物質(zhì)積累動態(tài)與棉田的栽培（種植模式、水肥管理和密度等）和氣候等密切相關(guān)[2,4]。為消減不同追肥處理對棉花地上干物質(zhì)積累動態(tài)的影響，提高干物質(zhì)積累動態(tài)模型的通用性，本文借助歸一化方法，采用7種代表性模型表達式（如多項式模型、余弦模型、指數(shù)模型、有理模型等）分別擬合了相對生長時間（變量）與相對地上干物質(zhì)積累量（因變量）之間的動態(tài)關(guān)系，結(jié)合田間實測數(shù)據(jù)確定了各模型的參數(shù)及其模擬精度（表2）。

表2 棉花相對地上干物質(zhì)積累模型評價

注、、、為擬合參數(shù)。

由表2可知，7種模型的模擬效果均較高（≤0.06且2≥0.97）。分別對表2中的7種模型及其參數(shù)值求極限值：當(dāng)→0時，模型4的數(shù)值為負，模型3、模型5、模型6的數(shù)值≠0，均無生物學(xué)意義；模型1和模型2具有生物學(xué)意義且只有1個峰值，說明其可對作物生長過程做出較合理解釋，通過該模型也可以計算出任意相對生長時間的相對干物質(zhì)積累值；模型7的參數(shù)無生物學(xué)意義。選擇具有生物學(xué)意義、擬合參數(shù)較少且擬合精度較高的模型作為描述棉花地上干物質(zhì)積累的最佳模型，綜合考慮認為模型2最優(yōu)，其表達式為：

=/(1+exp(+))， （1）

式中：為棉花相對地上干物質(zhì)積累量，介于0～1；為相對生長時間，介于0～1；為相對干物質(zhì)積累量的理論上限；、為擬合參數(shù)。

表3為利用式（1）擬合不同追肥處理的模型參數(shù)值及擬合精度。不同追肥處理的模型參數(shù)值分別為=0.986 9±0.011 2、=-13.589 0±0.708 9和=7.625 6±0.431 5，參數(shù)、的取值均呈弱變異（<0.1），不同追肥處理棉花地上干物質(zhì)積累量的實測值與模擬值之間的介于0.011 0～0.058 0、2介于0.978 2～0.997 5。因此，采用式（1）擬合7種追肥處理的參數(shù)穩(wěn)定性好、擬合精度較高，式（1）及參數(shù)可較準(zhǔn)確地描述不同追肥處理棉花地上干物質(zhì)的積累過程。

2.2.2棉花地上各器官干物質(zhì)分配模型

棉田水肥管理影響棉花不同生長時段各器官的干物質(zhì)分配比例。采用歸一化方法消減不同追肥處理對棉花各生育期葉、莖、蕾鈴分配指數(shù)的影響，建立地上部各器官干物質(zhì)分配模型。采用表2中的7種模型表達式分別擬合相對生長時間（變量）與相對葉、莖、蕾鈴分配指數(shù)（因變量l、s和b）的函數(shù)關(guān)系并確定各模型的參數(shù)及其模擬精度。綜合考慮各模型的模擬精度及模擬不同器官分配特征時的通用性，認為模型4表現(xiàn)最優(yōu)，棉花地上不同器官干物質(zhì)分配指數(shù)的表達式分別為：

l=(0.009 1+0.464 4)/(1-3.893 6+4.806 62)=0.070 22=0.921 8， （2）

s=(0.009 3+2.864 5)/(1-5.477 7+17.608 02)

=0.040 92=0.979 4， （3）

b=(-0.223 4+0.503 1)/(1-2.324 9+1.608 42)

=0.044 32=0.987 4， （4）

式中：l、s和b為相對葉、莖、蕾鈴分配指數(shù)，各采樣時期棉花的葉、莖、蕾鈴干物質(zhì)積累量分別占出苗至收獲期間的葉、莖、蕾鈴最大干物質(zhì)積累量的比值，介于0～1；為相對生長時間，介于0～1。

2.3 棉花地上干物質(zhì)積累及各器官分配模型的檢驗

2.3.1棉花地上干物質(zhì)積累模型

為檢驗棉花地上干物質(zhì)積累模型（式（1））及其擬合參數(shù)的普適性，利用文獻[8]中不同施氮量處理棉花地上干物質(zhì)累積過程的實測數(shù)據(jù)對式（1）及其參數(shù)進行檢驗。對比文獻[8]中棉花地上干物質(zhì)積累的實測值與利用式（1）及其參數(shù)計算的干物質(zhì)積累量的模擬值可知（圖3），6個施氮量處理（N0、N1、N2、N3、N4和N5）的棉花干物質(zhì)積累量的模擬值與對應(yīng)的實測值之間的2介于0.851 6～0.958 3，且各處理實測值與模擬值之間的線性相關(guān)關(guān)系均達到極顯著水平（＜0.01）；說明不同施氮量處理棉花地上干物質(zhì)積累的模擬值與實測值吻合較好，式（1）及其擬合參數(shù)的準(zhǔn)確性、適用性及模擬精度也得到了檢驗。這也表明式（1）及其擬合參數(shù)可進一步擴展用于較準(zhǔn)確的模擬不同棉花品種及播期、種植模式與密度、氣候條件及水肥管理制度下的棉花地上干物質(zhì)積累過程。

圖3 文獻[8]中不同施氮量處理的膜下滴灌棉花地上干物質(zhì)實測值及模型2模擬值

2.3.2棉花地上各器官干物質(zhì)分配模型

為檢驗棉花葉、莖、蕾鈴器官的干物質(zhì)分配模型（式（2）、式（3）和式（4））及參數(shù)的普適性，利用文獻[8]中不同施氮量處理的棉花葉、莖、蕾鈴分配指數(shù)的實測值與式（2）、式（3）和式（4）及其參數(shù)計算的模擬值進行對比（圖4），模擬值與實測值之間的2分別介于0.775 5～0.955 8、0.971 6～0.992 8和0.886 6～0.984 0，且實測值與模擬值之間的線性相關(guān)關(guān)系均達到極顯著水平（＜0.01）；說明不同施氮量處理的棉花葉、莖、蕾鈴分配指數(shù)的模擬值與實測值吻合較好。這也表明式（2）、式（3）和式（4）及其擬合參數(shù)值均可成功擴展至較精確模擬不同品種及播期、種植模式與密度、氣候條件及水肥管理制度下的棉花葉、莖、蕾鈴分配指數(shù)。

2.4 不同追肥處理棉花地上干物質(zhì)積累的生長特征參數(shù)分析

1=/(1+exp(1+))，

2=/(1+exp(2+))-/(1+exp(1+))，

3=/(1+exp(+))-/(1+exp(2+))。

此外，棉花地上干物質(zhì)積累緩增期、快增期和減速生長期的平均相對速率1=1/1、2=2/2和3=3/3，干物質(zhì)平均積累速率a=/。棉花地上干物質(zhì)快速積累的生長特征值=m×2，表示棉花地上干物質(zhì)積累已超過最大積累量的65%以上；棉花地上干物質(zhì)量達到地上最大生物量的95%時認為生長停止，對應(yīng)的相對生長周期d=(ln(1/19)-)/。

結(jié)合表3擬合的不同處理棉花干物質(zhì)積累過程的模型參數(shù)，計算的棉花地上干物質(zhì)積累過程的生長特征參數(shù)見表3和表4：不同處理棉花地上干物質(zhì)快速積累起始的相對時間（1）接近（0.46～0.47），對應(yīng)出苗后60～62 d，棉花處于蕾期（第1次灌水后）；地上干物質(zhì)快速積累結(jié)束的相對時間（2）也接近（0.65～0.66），對應(yīng)出苗后85～87 d，處于花鈴中后期。不同處理的棉花地上干物質(zhì)積累達到最大速率的相對時間（m）為0.56～0.57（出苗后73～74 d，花鈴前期）相差較小；但不同處理的地上干物質(zhì)積累最大相對速率（m）差異較大，如與CK的m相比，A、B、C、D、E、F處理分別增加了11.21%、11.32%、13.22%、4.22%、14.30%、10.05%。CK地上干物質(zhì)積累的相對持續(xù)時長（）最長達0.93（出苗后121 d，鈴期末），A、B、C、D、E、F處理與其相比分別減少了4.98%、3.09%、3.66%、2.07%、4.97%、3.85%，地上干物質(zhì)積累的實際持續(xù)時間減少了4～7 d。這表明，與CK相比，E處理地上干物質(zhì)積累的最大速率最高，說明其有效緩解了鹽脅迫對地上干物質(zhì)累積速率的抑制作用。

表3 棉花地上干物質(zhì)積累模型的參數(shù)及生長特征參數(shù)

注1、2、m、m、分別表示地上干物質(zhì)快速積累起始的相對時間、干物質(zhì)快速積累結(jié)束的相對時間、干物質(zhì)積累相對最大速率、干物質(zhì)積累達到最大速率的相對時間、干物質(zhì)積累持續(xù)的相對時間；、和表示平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)。

棉花地上干物質(zhì)積累緩增期、快增期和減速生長期的生長特征參數(shù)見表4，不同處理的棉花地上干物質(zhì)緩增期（0～1）持續(xù)的相對時長（0.46±0.01）、相對干物質(zhì)積累量（0.21±0.00）及平均相對積累速率（0.45±0.01）均較為接近?？煸銎冢?～2），不同處理的相對干物質(zhì)積累量（2）較為接近（0.57±0.01），但增長持續(xù)的相對時長（2）和平均相對積累速率（2）差距較大：如CK的2最長（0.21），A、B、C、D、E、F處理分別較其減小了11.04%、8.45%、10.07%、3.45%、12.72%和8.48%；CK的2最小為2.69，A、B、C、D、E、F處理分別較其增加了11.28%、11.39%、13.30%、4.29%、14.37%和10.12%。減速生長期（3～1），不同處理的相對干物質(zhì)積累量（3）較為接近（0.20±0.00），但持續(xù)的相對時長（3）和平均相對積累速率（3）差距較大：CK的3最長（0.27），A、B、C、D、E、F處理較其分別減小了13.89%、11.38%、12.95%、6.54%、15.51%和11.41%；CK的3最小為0.75，A、B、C、D、E、F處理較其分別增加了11.83%、11.94%、13.85%、4.80%、14.93%和10.66%。

此外，與CK的干物質(zhì)平均相對積累速率（a）相比，A、B、C、D、E、F處理分別增加了2.45%、3.47%、3.98%、1.10%、3.28%和3.06%；與CK的干物質(zhì)快速積累的生長特征值（）相比，A、B、C、D、E、F處理分別減少了3.35%、0.45%、0.54%、1.70%、2.55%和1.61%；與CK的相對生長周期0.80（104 d，最后1次灌水）相比，A、B、C、D、E、F處理分別減少了4.18%、2.40%、2.80%、2.04%、3.88%和3.28%。

表4 棉花地上干物質(zhì)積累過程的生長特征參數(shù)

注1、1、1、2、2、2、3、3、3分別表示棉花干物質(zhì)積累緩增期的增長相對時長及相對干物質(zhì)積累量與平均相對積累速率、快增期的增長相對時長及相對干物質(zhì)積累量與平均相對積累速率、減速生長期的增長相對時長及相對干物質(zhì)積累量與平均相對積累速率；a、、d分別表示干物質(zhì)平均相對積累速率、干物質(zhì)快速積累的生長特征值和相對生長周期。

2.5 棉花產(chǎn)量和肥料效率與棉花生長特征參數(shù)的相關(guān)性

棉花地上干物質(zhì)積累過程是其產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，影響棉田的肥料效率[4,8]。CK、A、B、C、D、E、F處理的平均籽棉產(chǎn)量分別為5 049、5 779、5 341、5 816、5 575、5 957、5 525 kg/hm2，A、B、C、D、E、F處理棉田的肥料農(nóng)學(xué)利用效率（）分別為1.95、0.78、2.05、1.40、2.42、1.34 kg/kg。分析不同處理籽棉產(chǎn)量、與棉花生長特征參數(shù)之間相關(guān)性可知（表5），籽棉產(chǎn)量與m、2、3顯著正相關(guān)（＜0.05）；與、2、3、1顯著負相關(guān)（＜0.05），而與m、1、a、1、2、3的相關(guān)關(guān)系不顯著（0.05）。這說明，參數(shù)1、2、3、m、、2、3對棉花產(chǎn)量具有重要影響。與m、1、2、3、a均正相關(guān)，與m、、2、3、1、1、2負相關(guān)，但與生長特征參數(shù)之間的相關(guān)性均不顯著（0.05）。

表5 棉花產(chǎn)量和肥料效率與棉花生長特征參數(shù)的相關(guān)性

注 *表示在＜0.05水平下具有顯著性，生長特征參數(shù)定義同上；為肥料農(nóng)學(xué)利用效率（kg/kg），表示施用肥料后增加的產(chǎn)量與施肥量的比值。

3 討 論

地上干物質(zhì)積累及器官分配過程影響產(chǎn)量形成，作物生長模型定量描述了作物干物質(zhì)的積累過程和器官分配過程。學(xué)者們利用多種函數(shù)形式的數(shù)學(xué)模型研究了相同的品種及播期、種植模式及栽培措施等條件下的作物地上干物質(zhì)積累過程[10,13,16]，結(jié)果表明作物品種、播期、栽培措施及氣象條件均影響作物地上干物質(zhì)積累過程，造成不同模型的參數(shù)值變化范圍較大、模型及參數(shù)的通用性不強[6,11,17]。如部分學(xué)者構(gòu)建的以生長時間為變量的棉花地上干物質(zhì)累積模型及各器官干物質(zhì)分配模型的函數(shù)表達式不同，且這些模型的實用性受限，必須根據(jù)實地條件對模型及參數(shù)進行率定和驗證，才能發(fā)揮模型的預(yù)測功能[6,9,18]。本文在分析不同追肥處理下鹽脅迫棉花地上干物質(zhì)的積累及器官分配隨生長時間的動態(tài)特征后，基于歸一化方法消除了棉花的品種及播期、密度及栽培措施及氣象及水肥管理條件的差異[19-20]，構(gòu)建了基于相對生長時間的棉花群體干物質(zhì)積累動態(tài)模型和地上部器官干物質(zhì)分配動態(tài)模型，對比了多項式模型、余弦模型、指數(shù)模型、有理模型等7種模型表達式，結(jié)果表明模型2具有生物學(xué)意義且擬合參數(shù)較少，可較精確地模擬棉花地上干物質(zhì)積累過程；模型4在描述棉花的葉、莖、蕾鈴分配特征方面具有較高的模擬精度。此外，為便于在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用棉花地上干物質(zhì)積累動態(tài)模型和地上部器官干物質(zhì)分配動態(tài)模型，本文結(jié)合文獻[8]的數(shù)據(jù)對模型2和模型4及其參數(shù)的普適性進行檢驗，2個模型較精確地（2介于0.828 4～0.992 8）模擬了不同地域及氣候、品種及播期、種植模式與密度和水肥制度下的棉花地上干物質(zhì)累積及地上部器官分配指數(shù)變化。因此，模型2和模型4及其參數(shù)經(jīng)過檢驗，可較廣泛地應(yīng)用于膜下滴灌棉花地上部干物積累特征、地上部各器官分配特征隨相對生長時間變化過程的精確模擬。

本研究利用模型2對不同追肥處理的棉花干物質(zhì)積累過程進行了擬合并確定了模型的參數(shù)，計算了棉花生長特征參數(shù)（如m、m、、a等），通過比較生長特征參數(shù)可直觀反映不同處理的生物量增長趨勢，進而從機理上解釋其促生效果優(yōu)劣[10,18,21]。棉花是典型的喜光熱作物，部分學(xué)者通過田間試驗研究認為高產(chǎn)棉花的地上干物質(zhì)最大積累速率出現(xiàn)時間（m）在出苗后75～80 d[22]，本研究中各處理的m均在出苗后73～75 d，二者較為接近。此外，以m和2做為動態(tài)指標(biāo)分析不同處理對棉花干物質(zhì)積累時間和速率的影響[10]。本表明不合理的追肥處理（如CK）造成棉花快速生長時間的滯后，使得快增期的持續(xù)時間延長和減小了干物質(zhì)的最大積累速率；而適宜的追肥處理（如E處理）則有效促進了快增期的提前、減小了快增期的持續(xù)時間并且增大了干物質(zhì)的最大積累速率，這與余天源等[10]研究結(jié)果類似。另外，適宜的追肥處理有利于緩解鹽脅迫對棉花干物質(zhì)累積速度的抑制作用，促進最大積累速率的提前出現(xiàn)，為棉花高產(chǎn)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)，這與前人[4,10,18]研究結(jié)果基本一致。綜上所述，E處理（1∶0.34∶0.23）利于鹽脅迫棉花地上干物質(zhì)的積累與各器官干物質(zhì)的合理分配，這與龔江等[23]研究結(jié)果接近。

4 結(jié) 論

1）結(jié)合田間試驗實測的棉花地上干物質(zhì)積累及各器官（葉、莖、蕾鈴）分配數(shù)據(jù)，基于歸一化方法，構(gòu)建了棉花地上干物質(zhì)積累模型=/(1+exp(+))并確定了參數(shù)值，建立了棉花地上部各器官干物質(zhì)分配模型=(+)/(1++2)并確定了參數(shù)值。

2）利用文獻數(shù)據(jù)對本文構(gòu)建的棉花地上干物質(zhì)積累模型和地上部各器官干物質(zhì)分配模型及其參數(shù)進行了檢驗，2個模型均較精確地（2為0.775 5～0.992 8）模擬了不同品種及播期、種植模式與密度、氣候條件及水肥管理制度下的棉花地上干物質(zhì)累積動態(tài)及葉、莖、蕾鈴分配指數(shù)。

3）與CK相比，A、B、C、D、E、F處理的干物質(zhì)的最大累積速率（m）增加11.21%、11.32%、13.22%、4.22%、14.30%和10.05%，快增期持續(xù)時長（2）減少4.98%、3.09%、3.66%、2.07%、4.97%和3.85%；E處理（氮、磷、鉀追肥配比為1∶0.34∶0.23）m最大、2最小，利于調(diào)節(jié)地上干物質(zhì)的積累及各器官分配過程，為鹽脅迫棉花高產(chǎn)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

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Accumulation and Allocation of Dry Matter in Aboveground Part of Cotton under Mulched Drip Fertigation

NING Songrui1, YAN An2*, LIU Weiyang3

(1. State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China; 2. College of Resources and Environmental, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China; 3.College of Agriculture, Tarim University, Alar 843300, China)

【Objective】Irrigation and fertigation control not only plant growth but also accumulation and partition of dry matters in both above- and below-ground parts. In this paper, we investigated the effect of film-mulched fertigation on accumulation and translocation of dry matter in above-ground part of cotton. 【Method】The experiment was conducted at a saline-alkali cotton field in Xinjiang. The cotton was top-dressed by N, P2O5and K2O at different N∶P2O5∶K2O ratios: 0∶0∶0 (CK), 1∶1∶1 (A), 1∶0.25∶1.25 (B), 1∶0.4∶0.27 (C), 1∶0.23∶0.20 (D), 1∶0.34∶0.23 (E), and 1∶0.17∶0 (F). The fertilizers in all treatments were drip-irrigated with the emitter mulched by film. The accumulation and translocation of the dry matter in leaf, stem and bud bell was measured in each treatment, and a dynamic model was proposed to calculate change in the accumulation and translocation. 【Result】As the cotton grew, the accumulation of dry matter increased first followed by a fall, regardless of the treatments. For individual organs, the dry matter index for the leave increased first followed a decline. In contrast, the index for stem decreased continually, while that for the bud and bell increased monotonically. The dynamic model established based on dry matter accumulation and translocation in each organ measured at different stages matched well with the literature results, with2ranging from 0.775 5 to 0.992 8. Compared with CK, the treatment A, B, C, D and E and F increased maximum accumulation rate of the dry matter by 11.21%, 11.32%, 13.22%, 4.22%, 14.30% and 10.05%, respectively, while reduced dry matter accumulation time by 4.98%, 3.09%, 3.66%, 2.07%, 4.97% and 3.85%, respectively. Seed yield and utilization efficiency of fertilizers were closely related to the growth parameters of the dry matter accumulation. 【Conclusion】Treatment E was optimal for dry material accumulation in the above-ground part and its translocations to different organs of the cotton under film-mulched drip fertigation.

cotton; the normalized method; dry material accumulation; growth model; fertilizer efficiency

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1672 - 3317（2022）10 - 0010 - 09

S561；S517

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022143

2022-03-20

國家自然科學(xué)基金項目（42007008，32160527，41830754）；兵團重大科技項目（2021AA003-2）；新疆自治區(qū)重大專項（2020A01003-3）；兵團財政科技計劃資助項目（2021DB015）

寧松瑞（1985-），男，陜西武功人。副教授，主要從事農(nóng)業(yè)水肥鹽高效調(diào)控機理與作物模型研究。E-mail: ningsongrui@163.com

顏安（1983-），男，四川資陽人。教授，主要從事農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究。E-mail: yanan@xjau.edu.cn

責(zé)任編輯：白芳芳