吳 倩，吳啟俠，鄧 超，劉凱文，漆棟良*，朱建強(qiáng)*

控制排水條件下施氮水平對(duì)棉花生長、吸氮量和產(chǎn)量的影響

吳 倩1，吳啟俠1，鄧 超2，劉凱文2，漆棟良1*，朱建強(qiáng)1*

（1.長江大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025；2.湖北省荊州農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，湖北 荊州 434020）

【目的】探究控制排水條件下不同施氮水平對(duì)棉花生長、吸氮量和產(chǎn)量的影響，為長江中下游地區(qū)棉花穩(wěn)產(chǎn)、增收提供科學(xué)指導(dǎo)?！痉椒ā恳浴熬A棉112”為供試作物，設(shè)置2種控制排水模式（控制排水和非控制排水，分別記為KS和FKS）和5個(gè)施氮水平（0、90、180、270、360 kg/hm2，分別記為N0、N1、N2、N3、N4），采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，測(cè)定不同處理下的棉花關(guān)鍵生育期葉片、盛花期株高和成熟期不同器官干物質(zhì)積累量、吸氮量，籽棉產(chǎn)量及其構(gòu)成因子。【結(jié)果】與FKS排水模式下相比，KS排水模式下減氮處理（N1、N2和N3）的棉花蕾期—吐絮期葉片、盛花期株高、成熟期干物質(zhì)積累量、吸氮量、單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量及衣分顯著增加，進(jìn)而促進(jìn)了籽棉產(chǎn)量提升。與農(nóng)民習(xí)慣施氮水平（N4）相比，F(xiàn)KS排水模式下的N1、N2、N3處理的籽棉產(chǎn)量顯著下降，而KS排水模式下僅有N1處理和N2處理的籽棉產(chǎn)量顯著下降。KSN3處理下的籽棉產(chǎn)量與KSN4處理相比差異不顯著，但蕾花鈴的干物質(zhì)量及吸氮量占總干物質(zhì)量及總吸氮量的比例顯著提高?！窘Y(jié)論】控制排水條件下減氮25%有利于維持棉花生長，并促進(jìn)干物質(zhì)量積累和氮素吸收，有利于干物質(zhì)量與氮素向棉花生殖器官的分配，從而獲得較高的籽棉產(chǎn)量。

控制排水；施氮；棉花產(chǎn)量；干物質(zhì)；水氮耦合

0 引 言

【研究意義】中國是棉花生產(chǎn)大國，棉花產(chǎn)量約占全球棉花總產(chǎn)量的24.8%。水分和氮素是決定棉花生長發(fā)育的關(guān)鍵環(huán)境因子。隨著水資源短缺與農(nóng)業(yè)需求的不斷增加，農(nóng)業(yè)用水供需矛盾日益突出。同時(shí)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥的過量或不科學(xué)施用普遍降低了氮素利用效率，并引起了一系列生態(tài)環(huán)境問題[1]。因此，如何有效提高水、氮利用效率是維持中國棉花可持續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵?！狙芯窟M(jìn)展】控制排水是一項(xiàng)重要的農(nóng)田水分管理措施。研究表明，控制排水技術(shù)可提升土壤水分和養(yǎng)分的有效利用率，降低土壤養(yǎng)分流失量，從而提高作物水肥利用效率[2-3]?？刂婆潘啾确强刂婆潘梢燥@著提高玉米、大豆和芝麻的產(chǎn)量[4-8]。但也有研究表明，控制排水對(duì)作物產(chǎn)量并無顯著影響[9-11]?？梢?，控制排水對(duì)作物產(chǎn)量的影響尚存在較大分歧，亟須進(jìn)一步驗(yàn)證。氮素是棉花生長和產(chǎn)量形成的另一決定因素[12]。研究表明，增施氮肥可促進(jìn)棉株對(duì)養(yǎng)分的吸收與生物量的積累[13]，但過高的施氮量會(huì)打破棉花營養(yǎng)生長與生殖生長之間的平衡，造成棉花貪青晚熟和減產(chǎn)[14]?？梢姡m宜的施氮量是棉花高產(chǎn)的必要條件。徐茵等[15]研究表明，通過地表控制排水，減氮10%～20%有助于增加0～20 cm土層中的無機(jī)氮量，有助于提高棉花產(chǎn)量，但其生理影響機(jī)制尚不明確?！厩腥朦c(diǎn)】以往研究大多聚焦于控制排水或不同氮肥管理對(duì)棉花生長、產(chǎn)量、水肥利用效率的影響[16-18]。但對(duì)于控制排水與施氮量耦合條件下的棉花生長、產(chǎn)量及氮素利用的研究不足。此外，以往對(duì)于棉花水、氮耦合效應(yīng)的研究主要在干旱、半干旱地區(qū)開展。在新疆，當(dāng)灌溉定額為3 900 m3/hm2，施氮量為300 kg/hm2時(shí)，棉花有效鈴數(shù)和單鈴數(shù)顯著增加，棉花產(chǎn)量達(dá)到最高[19]。李培嶺等[20]指出中高水、高氮處理可顯著提高棉花干物質(zhì)量。將灌水量控制在0.8～1.0倍的作物需水量可有效提高棉花產(chǎn)量[21]。然而，目前圍繞濕潤地區(qū)棉花的水、氮耦合研究甚少。【擬解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本研究基于田間試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同控制排水模式與施氮水平耦合條件下的棉花株高、葉綠素量、干物質(zhì)積累量、吸氮量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的差異，探究控制排水條件下不同施氮水平對(duì)棉花生長、吸氮量和產(chǎn)量的影響，以期為長江中下游地區(qū)棉花的水氮高效管理提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2022年5—11月在湖北省荊州市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站（北緯30°20'58.20"，東經(jīng)112°9'15.84"）進(jìn)行，該區(qū)域?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫為16.5 ℃，多年平均降水量為1 089 mm，多年平均日照時(shí)間為1 742.4 h。棉花全生育期降水量為565.3 mm，日最大降水量為65.6 mm。在蕾期和花鈴期各灌水1次，每次灌水量為30 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用二因素（控制排水模式×施氮水平）完全隨機(jī)組合設(shè)計(jì)，設(shè)置控制排水（FS）與非控制排水（FKS）2種排水模式，0、90、180、270、360 kg/hm2共5個(gè)施氮水平，分別記為N0、N1、N2、N3、N4。其中，N4是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的習(xí)慣施氮量。共10個(gè)處理，分別為KSN0、KSN1、KSN2、KSN3、KSN4、FKSN0、FKSN1、FKSN2、FKSN3、FKSN4，每個(gè)處理重復(fù)3次，共計(jì)30個(gè)小區(qū)。FKS排水模式下，田間排水溝處于自然排水狀態(tài)；KS排水模式下，降水造成的地表徑流由排水溝出口處的小閘門攔蓄在試驗(yàn)田塊中，控制田間水深和蓄水歷時(shí)，考慮棉花的耐淹水深、耐淹歷時(shí)及雨滴對(duì)土壤的擊濺侵蝕效應(yīng)，控制降雨過程中地表排水深度不超過5 cm，排水歷時(shí)不超過3 d。

以尿素作為氮肥，分別在棉花播種前，花蕾期、花鈴期施入總施氮量的30%、30%、40%。不同處理下的磷、鉀、硼肥用量保持一致，分別為P2O590 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2、持力硼3 kg/hm2。磷、鉀、硼肥全部基施。每個(gè)小區(qū)面積為20 m2（4 m×5 m），不同小區(qū)間起壟分隔，供試棉花品種為“晶華棉112”，棉花于5月31日移栽，11月12日收獲。田間行距為80 cm，株距為40 cm。棉花生長期內(nèi)，KS條件下的各小區(qū)在最大日降水事件后收集地表徑流1次，F(xiàn)KS排水模式下小區(qū)收集地表徑流4次。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

葉綠素：在苗期、蕾期、初花期、盛花期、花鈴期和吐絮期，于每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取5株棉花，隨機(jī)選取棉花不同部位的5片棉葉，采用日本美能達(dá)便攜式SPAD-502葉綠素儀測(cè)定葉片。

地上部干物質(zhì)量：在棉花成熟期進(jìn)行田間取樣，從每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)挑選3株可代表整體長勢(shì)的棉花，分為莖枝、葉片、蕾鈴，放入105 ℃烘箱中殺青30 min后，經(jīng)80 ℃烘干至恒質(zhì)量，測(cè)定地上部干物質(zhì)量。

株高：于盛花期在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取5株棉花，用卷尺測(cè)量子葉節(jié)點(diǎn)至生長點(diǎn)之間的高度作為株高。

產(chǎn)量：于成熟前在每個(gè)小區(qū)選取10株代表性植株，調(diào)查單株結(jié)鈴數(shù)；于收獲期從每個(gè)處理的小區(qū)內(nèi)隨機(jī)挑選長勢(shì)一致的7株棉花，從每株棉花的上、中、下層分別摘下10個(gè)棉鈴，共計(jì)30個(gè)，曬干稱質(zhì)量，換算每個(gè)小區(qū)的單鈴質(zhì)量，計(jì)算每個(gè)小區(qū)的實(shí)際收獲產(chǎn)量。

棉花氮素積累量測(cè)定：采用磨樣機(jī)將植物樣品粉碎，采用凱式定氮法測(cè)定棉花氮素積累量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用統(tǒng)計(jì)軟件DSP 9.01對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，采用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 控制排水與施氮水平對(duì)棉花葉片SPAD的影響

不同處理下的棉花見圖1。在苗期，2種排水模式下，施氮處理（N1—N4）下的均顯著高于不施氮處理（N0）；相同施氮水平下，KS與FKS排水模式下的差異不顯著。蕾期—吐絮期，與FKS排水模式相比，KS排水模式下的N0、N1、N2處理和N3處理顯著增加。FKS排水模式下的表現(xiàn)為：N4處理＞N3處理＞N2處理＞N1處理＞N0處理。KS排水模式下的則表現(xiàn)為：N3、N4處理＞N2處理＞N1處理＞N0處理。可見，控制排水條件下適度減施氮肥有利于維持棉花較高的。

2.2 控制排水和施氮水平對(duì)盛花期棉花株高的影響

不同處理下棉花盛花期株高見圖2。與FKS相比，KS排水模式下的N0、N1、N2處理和N3處理的株高明顯增加。FKS排水模式下的株高表現(xiàn)為：N4處理＞N3處理＞N2處理＞N1處理＞N0處理。KS條件下的株高則表現(xiàn)為：N3、N4處理＞N2處理＞N1處理＞N0處理?？梢?，控制排水條件下適度減施氮肥有利于維持較高的棉花株高。

圖1 不同處理下棉花SPAD

2.3 控制排水和施氮水平對(duì)棉花干物質(zhì)積累和分配的影響

由表1可知，隨著施氮量的增加，F(xiàn)KS排水模式下的棉花干物質(zhì)積累量持續(xù)增加，在N4處理下達(dá)到最大；KS排水模式下的干物質(zhì)積累量在N3處理下達(dá)到最大，N4處理與N3處理間的干物質(zhì)積累量無顯著差異。與FKS排水模式相比，KS排水模式下的N0、N1、N2、N3處理的干物質(zhì)積累量明顯增加。蕾花鈴干物質(zhì)量占棉株總干物質(zhì)量的比例表現(xiàn)為：KSN3處理>KSN4、FKSN3、FKSN4處理>KSN0、KSN1、KSN2、FKSN0、FKSN1、FKSN2處理?？梢姡刂婆潘畻l件下適當(dāng)減氮有利于獲得較高的干物質(zhì)積累量，同時(shí)促進(jìn)干物質(zhì)向蕾花鈴的分配。

2.4 控制排水和施氮水平對(duì)棉花氮素吸收及分配的影響

由表2可知，隨著施氮量的增加，F(xiàn)KS排水模式下的吸氮量持續(xù)增加，在N4處理下達(dá)到最大；KS排水模式下的吸氮量在N3處理下達(dá)到最大，N4處理與N3處理間的吸氮量無顯著差異。與FKS排水模式相比，KS排水模式下的N0、N1、N2、N3處理的吸氮量明顯增加。蕾花鈴吸氮量占棉株總吸氮量的比例表現(xiàn)為：KSN3處理＞KSN4、FKSN3處理＞KSN0、KSN1、KSN2、FKSN0、FKSN1、FKSN2、FKSN4處理?？梢?，控制排水條件下適當(dāng)減氮有利于棉花吸氮量的提高，同時(shí)促進(jìn)氮素向蕾花鈴的分配。

表1 成熟期不同水氮處理下棉花干物質(zhì)積累量及分配

注 同列數(shù)字后不同小寫字母表示差異性達(dá)到0.05顯著水平；下同。

表2 成熟期不同水氮處理下棉花吸氮量及分配

2.5 控制排水下施氮水平對(duì)棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表3可知，F(xiàn)KS排水模式下的棉花單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、衣分和籽棉產(chǎn)量隨著施氮量的增加持續(xù)增加，在N4處理下達(dá)到最高；KS排水模式下的棉花單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、衣分和籽棉產(chǎn)量在N3處理下達(dá)到最大。與FKS排水模式相比，KS排水模式下的N0、N1、N2、N3處理的單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、衣分和籽棉產(chǎn)量明顯增加。收獲指數(shù)表現(xiàn)為：KSN3處理＞KSN2、KSN4、FKSN3、FKSN4處理＞KSN1、FKSN2處理＞KSN0、FKSN1處理＞FKSN0處理。

表3 不同處理對(duì)棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

3 討 論

已成為監(jiān)測(cè)作物長勢(shì)的重要指標(biāo)[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，KSN3、KSN4處理間的差異不顯著，說明控制排水條件下減氮25%可以維持較高的葉綠素量。理想的株高是作物獲取有效光輻射量的重要前提。水、氮交互作用對(duì)棉花株高存在顯著影響[23]。以往研究表明，施氮量不足會(huì)限制棉花株高的生長，但可以通過優(yōu)化灌溉制度進(jìn)行補(bǔ)償[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，KS排水模式下的減氮處理（N1、N2、N3處理）的棉花株高普遍高于FKS排水模式下的株高，說明控制排水可以減輕氮素虧缺對(duì)棉花生長的不利影響。控制排水增加了降水或灌溉后水分在土壤耕層的滯留時(shí)間，從而提高了土壤蓄水量[25]。控制排水通過降低氮素的徑流損失率提高了表層土壤中的硝態(tài)氮量[15]。改善的土壤水分及養(yǎng)分狀況有利于促進(jìn)棉花生長[24-26]。

棉花干物質(zhì)的積累和分配決定其最終產(chǎn)量[27]。研究表明，灌溉、施肥及二者間的交互效應(yīng)均會(huì)顯著影響棉花的干物質(zhì)積累及分配[13,28-29]。棉花的干物質(zhì)量在一定范圍內(nèi)隨著水分或氮素供應(yīng)水平的增加而增加，水、氮耦合可最大限度地增加棉花的干物質(zhì)積累量[29-30]。本研究中，F(xiàn)KS排水模式下N4處理的干物質(zhì)積累量最大，而KS排水模式下的N3、N4處理的干物質(zhì)積累量無顯著差異。說明控制排水措施可以補(bǔ)償減氮25%對(duì)棉花干物質(zhì)累積造成的不利影響。與FKS排水模式相比，KS排水模式下減氮處理的蕾花鈴干物質(zhì)量占棉株總干物質(zhì)量的比例有所增加，說明控制排水下減氮25%有利于促進(jìn)干物質(zhì)向生殖器官的分配，從而提高收獲指數(shù)。控制排水耦合適量減氮會(huì)顯著降低氮素的徑流損失率，從而提高0～40 cm土層的土壤硝態(tài)氮量和銨態(tài)氮量[15]。此外，控制排水可以提高作物生育中后期的土壤蓄水量[3]。0～40 cm土層是棉花根系的主要分布層[31]，該土層土壤水分和養(yǎng)分狀況的改善有利于棉花根系最大限度地汲取水分和養(yǎng)分，優(yōu)化“庫-源”關(guān)系[18]。

以往研究表明，水分或氮素脅迫及二者供應(yīng)的不協(xié)調(diào)均會(huì)顯著降低棉花吸氮量，同時(shí)降低氮素在蕾花鈴的分配比例[32-33]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量的增加，F(xiàn)KS排水模式下的棉株吸氮量增加，而KS排水模式下N3處理棉株吸氮量最大；KS排水模式下減氮處理的蕾花鈴吸氮量占棉株總吸氮量的比例較高，這與干物質(zhì)積累量的變化趨勢(shì)相似，說明控制排水條件下減氮25%有利于促進(jìn)棉花對(duì)氮素的吸收，同時(shí)促進(jìn)氮素向生殖器官的轉(zhuǎn)移。研究表明，施氮量對(duì)棉花吸氮量的影響因器官而異[34-35]。與N3處理相比，N4處理下棉株吸收的氮素在莖、葉中的分配比例增加，在KS排水模式下的增幅更大?？梢姡捎每刂婆潘畷r(shí)，高施氮量不利于氮素向棉花生殖器官的轉(zhuǎn)運(yùn)。這在一定程度上造成了氮肥的無效利用，加劇氮素?fù)p失[36]。

單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量和衣分共同決定籽棉產(chǎn)量[18]。不同水、氮組合顯著影響棉花的單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量和衣分，從而影響籽棉產(chǎn)量[37-38]。與FKS排水模式相比，KS排水模式下減氮處理的單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量和衣分均顯著增加?？刂婆潘胧┯欣谘a(bǔ)償?shù)夭蛔銓?duì)棉花產(chǎn)量構(gòu)成因子的不利影響，從而獲得較高的籽粒產(chǎn)量。這與控制排水增加土壤水分及養(yǎng)分量，從而促進(jìn)作物根系生長有關(guān)[3]。根系的旺盛生長意味著植株對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收能力明顯增強(qiáng)[31]，有利于增加棉花的葉面積指數(shù)、作物生長速率和光合速率[39]。KS排水模式下減氮處理獲得較高的、干物質(zhì)積累量和吸氮量證實(shí)了這一點(diǎn)。KSN3處理相比KSN4處理的籽棉產(chǎn)量略有增加，說明控制排水條件下減氮25%有利于棉花增產(chǎn)。然而，Awale等[10]研究表明，與非控制排水相比，控制排水對(duì)玉米和甘蔗的產(chǎn)量無顯著影響。這一差異可能與控制排水的方法、供試作物品種、氮肥管理和氣候條件等差異有關(guān)[17]。在Awale等[10]的研究中，作物生育期內(nèi)有效降水量不足250 mm。相比之下，本研究中棉花生育期內(nèi)的降水量較高?？刂婆潘夹g(shù)可以極大地改善多雨濕潤地區(qū)的水土環(huán)境[40]?？傮w而言，控制排水有利于補(bǔ)償江漢平原氮肥減量25%對(duì)棉花產(chǎn)量造成的不利影響。

4 結(jié) 論

與FKS條件相比，KS排水模式下不施氮（N0）或減氮（N1、N2和N3）處理下的棉花蕾期—吐絮期、盛花期株高、成熟期干物質(zhì)積累量和吸氮量有所增加，單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量和衣分增加，進(jìn)而增加籽棉產(chǎn)量。

控制排水條件下氮肥減量25%有利于維持棉花生長并增加干物質(zhì)量積累和吸氮量，同時(shí)提高棉花干物質(zhì)和吸氮量在蕾花鈴的分配比例，從而維持較高的籽棉產(chǎn)量。

（作者聲明本文無實(shí)際或潛在利益沖突）

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The Effect of Controlled Drainage and Nitrogen Fertilization on Growth,Nitrogen Uptake and Yield of Cotton

WU Qian1, WU Qixia1, DENG Chao2, LIU Kaiwen2, QI Dongliang1*, ZHU Jianqiang1*

(1. College of Agriculture, Yangtze University, Jingzhou 434025, China;2. Jingzhou Agro-meteorology Experimental Station of Hubei Province, Jingzhou 434020, China)

【Objective】Soil nitrogen and groundwater table are two abiotic factors affecting crop growth in the middle and low reaches of the Yangtze River in Southern China. This paper aims to investigate the combined impact of nitrogen fertilization and controlled drainage on growth, nitrogen uptake and yield of cotton. 【Method】The variety Jinghua Mian 112 was used as the model plant, and the experiment consisted of two drainage treatments: conventional drainage (FKS) and controlled drainage (KS). Each irrigation had five nitrogen treatments: applying 0 (N0), 90 (N1), 180 (N2), 270 (N3) and 360 kg/hm2(N4) of nitrogen. In each treatment, we measured the leafat fertility stage, plant height and leaves at blooming stage, dry matter accumulation in different organs at maturity stage, as well as nitrogen uptake, and yield of the cotton. 【Result】Compared with FKS, controlled drainage combined with a reduction in nitrogen application significantly increased leafand plant height at flowering stage, dry matter accumulation and nitrogen uptake at maturity stage, boll numbers per plant, boll weight per boll and yield at maturity stage. Reducing nitrogen application without implementing controlled drainage reduced cotton yield, while under controlled drainage, reducing nitrogen application from N4 to N3 did not give rise to a noticeable reduction in cotton yield. KS+N3 increased the dry matter mass, nitrogen uptake per unit dry matter, and total nitrogen uptake in the bud and boll, significantly.【Conclusion】Reducing nitrogen application currently used by farmers by 25% combined with a controlled drainage is not only beneficial to cotton growth and promotes dry matter accumulation, but also increases nitrogen uptake and its subsequent allocation to reproductive organs, thereby increasing cotton yield.

controlled drainage; nitrogen application; cotton yield; dry matter;water and nitrogen coupling

1672 - 3317（2023）10 - 0032 - 07

S562

A

10.13522/j.cnki.ggps.2023152

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2023-04-07

2023-06-06

2023-10-16

國家自然科學(xué)基金區(qū)域重點(diǎn)聯(lián)合基金項(xiàng)目（U21A2039）

吳倩（1999-），女。碩士研究生，研究方向?yàn)槊藁ㄋ使芾怼-mail: 963418284@qq.com

漆棟良（1987-），男。副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)水土環(huán)境及其調(diào)控研究。E-mail: qdl198799@126.com

朱建強(qiáng)（1963-），男。教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水土環(huán)境與作物生產(chǎn)研究。E-mail: zyjb@sina.com

@《灌溉排水學(xué)報(bào)》編輯部，開放獲取CC BY-NC-ND協(xié)議

責(zé)任編輯：韓 洋