水肥耦合對棉花產量和氮累積利用的影響

張 燕，張富倉，吳立峰

(1.山西農業(yè)大學城鄉(xiāng)建設學院，山西 太谷 030801；2.西北農林科技大學旱區(qū)農業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100 3.南昌工程學院水利與生態(tài)工程學院，南昌 330099)

0 引 言

膜下滴灌施肥是覆膜栽培和滴灌施肥相結合的節(jié)水灌溉技術，具有覆膜栽培技術增溫保墑減少土面蒸發(fā)的作用，同時根據(jù)棉花生長發(fā)育規(guī)律和根系生長特點及滴灌水分溶質的滲透規(guī)律，利用滴灌設施在壓力的作用下將棉花所需的水分和溶解的養(yǎng)分灌入棉花根區(qū)，具有保持土壤團粒結構和提高棉花對水分養(yǎng)分利用率的作用[1-5]。目前新疆的棉花膜下滴灌施肥理論研究還不夠成熟，在滴灌水肥一體化技術方面還沒有形成完整的技術體系，加上近年來棉農為了提高棉花單產，盲目擴大種植面積和增大種植密度，不斷加大灌溉水量和化肥的施用量，造成了棉花營養(yǎng)生長與生殖生長不協(xié)調，早衰減產或生育期延長棉花采摘成本上升，水肥利用效率不高，養(yǎng)分淋失和環(huán)境污染等一系列問題[6-12]。合理的制定虧缺灌溉制度可以明顯的節(jié)約灌溉用水量，無論是在生長季節(jié)還是預設生長階段，棉花都非常適合應用虧缺灌溉[13]。適度的水分虧缺能夠控制作物營養(yǎng)生長與生殖生長部分在合理比例范圍內，并且調節(jié)光合產物在根冠間的分配比例，還能促進根系生長進而提高根系吸收功能的補償效應[14-16]。同樣，過量灌溉也會造成棉花產量下降[3,4,17,18]。氮磷鉀合理的配比能顯著促進棉花的生長發(fā)育和提高產量，氮磷鉀缺乏不僅對棉花生長發(fā)育有顯著影響，還會影響棉株氮磷鉀吸收積累[19,20]。氮磷鉀的不同配比之間棉花生物學性狀存在顯著差異，其影響效果為氮大于鉀大于磷，不施氮肥會顯著降低棉花對氮磷鉀的吸收積累[21-23]。少量多次滴灌配合氮磷鉀的平衡施入可以提高作物產量，增加水氮利用效率，減少氮淋失[24,25]。以往研究主要集中在膜下滴灌，溝灌，分根交替等灌溉方式下棉花干物質積累與養(yǎng)分動態(tài)吸收利用。在虧缺灌溉和滴灌施肥條件下，水肥對產量的交互作用和氮利用效率方面研究還不是很充分。本試驗通過研究不同膜下滴灌施肥處理對棉花干物質量動態(tài)積累，氮素動態(tài)積累，產量與氮素利用效率的影響，以揭示棉花干物質積累與產量，氮肥積累和利用的內在聯(lián)系，為棉花水分養(yǎng)分的高效利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗于2012年4—10月在新疆農墾科學院節(jié)水灌溉試驗站進行，該試驗站位于石河子市境內，該地區(qū)屬于溫帶大陸性干旱氣候，年蒸發(fā)量2 000 mm以上，年平均降雨量166 mm，且多為5 mm以下的無效降雨，無霜期168 d，日照時數(shù)2 770 h，>10 ℃積溫3 649 ℃。地下水埋深在15 m以下。試驗區(qū)耕作層土壤為砂壤土，土壤容重為1.51 g/cm3，田間持水量32%(體積含水量)，土壤有機質18 g/kg，pH值7.8，全氮含量0.95%，堿解氮79.76 mg/kg，速效磷31.54 mg/kg， 速效鉀154.22 mg/kg。

供試棉花為新陸早33號(Gossypium hirsutumcv，Xinluzao 33)，參照該地區(qū)地膜覆蓋，矮稈密植，干播濕出的棉花種植模式，播種日期為5月1日，本試驗采用一膜兩帶四行滴灌模式，即一膜種植四行棉花，行距依次為30、50、30和60 cm，株距為10 cm，小區(qū)長度為20 m，寬度為3.4 m，面積為68 m2。滴灌帶布置如圖1所示。

圖1 棉花滴灌系統(tǒng)布置圖(單位：cm)Fig.1 Drip irrigation system layout for cotton

試驗設滴灌灌水量和滴灌施肥量2個因素，以施肥量為主區(qū)，灌水量為副區(qū)，設3個灌水量水平和5個施肥量水平，并進行完全組合設計，此外還有一個不施肥充分灌水的對照處理(見表1)。ET由蒸發(fā)皿法估算，使用20 cm口徑蒸發(fā)皿的自由水面蒸發(fā)量 乘以修正系數(shù)，根據(jù)如下公式：

ETc=EpKcp

(1)

Kcp=KpKc

(2)

式中：Kcp為棉花不同生育階段的蒸發(fā)皿-作物系數(shù)，在蕾期，花期，鈴期分別取0.4，0.7，0.25[26]，在蕾期到花期以及花期到鈴期采用線性插值方式確定蒸發(fā)皿作物系數(shù)，降雨時用公式(3)[26]對蒸發(fā)量進行修正。

ΔEp=0.4P/Kcp-0.8P

(3)

式中：P為降雨量，mm。

具體降雨情況和灌溉情況見圖2。圖2顯示，棉花全生育期降水不足50 mm，且多為不足3 mm的無效降雨。滴灌施肥試驗采用16 mm直徑的內鑲式薄壁迷宮滴灌帶，滴頭流量為1.8 L/h,滴頭間距為30 cm，每個小區(qū)前安置水表和球閥控制灌水量，所有處理灌水日期相同，灌水次數(shù)均為9次，分別為5月1日，6月8日，6月21日，7月2日，7月12日，7月26日，8月7日，8月17日，8月30日。施肥分8次進行，除灌出苗水外，每次在灌水中期隨水滴施，每次施肥量=總施肥量/8。施肥采用容量壓差式施肥方式，儲存肥料容器為13 L的小型施肥罐，每次灌水前一天將固態(tài)肥料溶解至水中，每個施肥罐控制3個處理，即同一施肥水平的3個處理用一個施肥罐控制，所用肥料為尿素，磷酸二氫銨和氯化鉀。

1.2 測定項目與方法

(1)地上干物質量及氮累積量。棉花地上部分按器官分為葉片(包括葉柄)、莖稈和蕾鈴，分別在現(xiàn)蕾期(6月19日)、初花期(6月30日)、盛花期(7月12日)、成鈴期(7月24日)、吐絮期(9月1日)、收獲期(9月27日)每個小區(qū)取4株，在溫度105 ℃下殺青30 min后，75 ℃烘干至恒重，分別稱取其質量。莖、葉和蕾鈴分別磨碎混勻后，稱取植物樣0.5 g，用硫酸-過氧化氫消煮，用FOSS 2300型凱氏定氮儀測定全氮含量。根據(jù)測定結果計算棉花植株氮累積量。

(2)籽棉產量。在小區(qū)中間4行，長度5 m區(qū)域內分2次(9月27日和10月13日)測定棉花籽棉產量，實收計產。

(3)氮肥利用率(REN)，反映了作物對施入土壤中的肥料氮的回收效率，公式如下：

(4)

式中：U為施氮后作物收獲時地上部分的氮累積總量；U0為未施氮時作物收獲期地上部分的氮累積總量；F為化肥氮的投入量。

(4)氮肥偏生產力(PFPN)，指單位投入的肥料氮所能生產的作物籽粒產量，公式如下：

"You have a chance to the top! Corinne told me..." Yes, he is the first Chinese reach the top, and is also the first Chinese Master Sommelier in the world.

(5)

式中：Y為施肥后所獲得的籽粒產量；F為氮肥的投入量。

(5)氮肥農學效率(AEN)，指單位施氮量所增加的作物籽粒產量，公式為：

(6)

式中：Y為施氮肥后獲得的籽粒產量；Y0不施氮肥獲得的籽粒產量。

(6)氮肥生理利用率(PEN)，指作物地上部分每吸收單位氮肥所獲得的籽粒產量的增加量，公式為：

(7)

1.3 數(shù)據(jù)分析與作圖

文中數(shù)據(jù)用方差分析進行統(tǒng)計分析，若差異大于5%則用Duncan多重比較法進行分析，所用數(shù)據(jù)分析軟件為SPSS 19。文中圖4用Excel 2010作圖，其余用SIGMAPLOT 10作圖。

2 結果與分析

2.1 棉花不同生育期地上生物量

滴灌施肥下棉花不同生育期干物質量在不同灌水量和施肥量影響下的變化(圖3)表明，總體上，各處理棉花干物質量從現(xiàn)蕾期開始逐漸升高，在收獲期達到最大。在收獲期D100水平下，施肥處理(F1、F2、F3、F4和F5)比不施肥處理(F0)干物質量增加23.6%～57.8%，其他各生育期干物質量也不同程度高于不施肥處理，表明施肥可以明顯增加棉花干物質量。在各生育期，灌水量從D60到D100水平，棉花干物質逐漸增加，從D60到D80干物質量的增加幅度明顯高于從D80到D100水平逐漸降低。在不同生育期不同水分水平下，施肥量從F1水平增加到F5水平，干物質量增長表現(xiàn)為先升高后降低，在F4水平時達到最大值。干物質量最高的為F4D100處理，為15 821 kg/hm2。干物質量最小的為F2D60處理，為9 057 kg/hm2。D60水平與對照(F0D100)相比，干物質量從低到高為F1D60

表1 灌水量和施肥量完全組合設計實施方案Tab.1 Field programs of fertilizer application and irrigation amount completely modular design

2.2 棉花不同生育期氮素吸收總量

滴灌施肥下棉花不同生育期氮素累積量在不同灌水量和施肥量影響下的變化(圖3)表明，總體上，各處理棉花氮素累積從現(xiàn)蕾期到吐絮期逐漸變大，氮素累積量增速表現(xiàn)為先快后慢的趨勢。從吐絮期到收獲期，除F1D60，F(xiàn)2D60，F(xiàn)3D60處理氮素累積量出現(xiàn)了小幅度下降，其余處理增速介于1.9%～13.9%。這是由于不同水肥處理對棉花植株蕾鈴，葉片和果枝脫落影響不同造成的。施肥處理平均值比不施肥處理在不同生育期分別高27.1%～80.4%。在平均施肥水平下，灌水量從D60到D100水平，棉花氮素累積量逐漸增加，其中從D60到D80氮素累積量在不同生育期的增幅為13.3%～40.8%，從D80到D100水平為7%～11.1%。在不同生育期平均灌水水平下，施肥量從F1水平增加到F5水平，氮素累積量增長表現(xiàn)為逐漸升高后不變，在F4水平時達到最大值，其后在F5水平變化不明顯。F4D100處理氮素累積量最高的，為254.4 kg/hm2。F0D100處理的氮素累積量最小，為116.7 kg/hm2。

2.3 棉花收獲期不同器官干物質量

灌水處理對葉片，莖稈和棉鈴質量影響顯著，水肥交互作用對棉鈴質量影響顯著(表4)。圖3顯示，不同水肥處理對棉花各器官干物質量分配影響不同。棉花葉片質量在1 327～2 576 kg/hm2，莖稈質量在2 021～3 120 kg/hm2，棉鈴質量在5 638～10 248 kg/hm2。葉片，莖稈和棉鈴質量最大的處理分別為F3D80，F(xiàn)5D100和F4D100，最小的處理則分別為F3D60，F(xiàn)3D60和F2D60。在平均施肥水平條件下，D80和D100灌水處理的葉片質量，莖稈質量，棉鈴質量相比D60灌水處理分別升高59.8%、18.6%、27.2%和58.1%、30.7%、37.7%。在平均灌水水平條件下，葉片質量各處理表現(xiàn)為F1

圖3 不同灌水和施肥量條件下棉花干物質量和氮累積量Fig.3 Above ground biomass and nitrogen accumulation of cotton at different growing stages

表4 棉花水肥處理方差分析表(F值) Tab.4 ANOVA of irrigation and fertilization treatments with cotton

2.4 棉花產量與氮素利用效率

不同水肥處理對棉花產量和氮素吸收利用的影響見表5。

2.5 棉花籽棉產量和干物質量水肥交互效應

圖4(a)顯示，籽粒產量150 kg/hm2等高線下側比上側密集，等高線表現(xiàn)為從左下到右上逐漸增高趨勢，在灌水量從290 mm提高到380 mm時，灌水有明顯的增產效果，而灌水量高于380 mm后灌水的增產效果逐漸減弱。在施氮量為150 kg/hm2水平，灌水量從290 mm增加到450 mm時，籽棉產量從4 200 kg/hm2增加到5 250 kg/hm2，增幅25%；在施氮量為350 kg/hm2水平，灌水量從290 mm增加到450 mm時，籽棉產量從4 350 kg/hm2增加到6 000 kg/hm2，增幅為37.9%。而施氮量從150 kg/hm2增加到350 kg/hm2(施氮量增加133%)的條件下，在灌水量為290 mm時，產量僅增加約5%，而在灌水量為440 mm時，產量增加約11.4%。 圖4(b)顯示，干物質量500kg/hm2等高線左下角比右上角密集，表明干物質量從9 500到13 000 kg/hm2對水肥敏感程度高于13 000到15 500 kg/hm2。在施氮量為150 kg/hm2水平，灌水量從290 mm增加到450 mm時，干物質量從約9 200 kg/hm2增加到約12 400 kg/hm2，增幅約為25%；在施氮量為350 kg/hm2水平，灌水量從290 mm增加到450 mm時，干物質量從約11 500 kg/hm2增加到約15 000 kg/hm2，增幅約為34%。而施氮量從150 kg/hm2增加到350 kg/hm2(施氮量增加133%)的條件下，在灌水量為290 mm時，干物質量增加約21.5%，而在灌水量為440 mm時，產量增加約20%。

圖4 不同水肥處理下棉花收獲后葉片，莖桿和棉鈴質量Fig.4 Cotton leaf, stem, and the quality of cotton boll weight under different water and fertilizer treatments after harvesting

圖5 不同水肥處理對葉，莖和棉鈴氮累積量的影響Fig.5 Effects of different water and nitrogen levels on N accumulations in leaf，stem and boll

處理籽棉產量/(kg·hm-2)氮肥利用率/%氮肥偏生產力/(kg·kg-1)氮肥農學效率/(kg·kg-1)氮肥生理利用率/(kg·kg-1)F1D603983h13．9ef27．2bc3．7fg26．8aF1D805149f55．4abc33．8a10．4a18．8bF1D1005306ef62．3a34．9a11．5a18．5bcF2D604055h12．4f20．8e3．2fg25．8aF2D805302def56．6ab26．6c9．0b15．9cdeF2D1005631bcd60．3a28．0b10．4a17．3bcdF3D604472g21ef18．1fg4．0f19．2bF3D805635cde45．8bcd22．0d8．0bcd17．4bcdF3D1005846abc49．0bcd23．0d8．9b18．2bcF4D604397g24．0e15．3h3．6fg15．0defF4D805705bcd43．1d18．7f7．1cd16．2cdeF4D1005896a45．9cd19．9e8．2bc17．9bcF5D604489gh19．3ef12．3i2．3g11．9fF5D805616cde37．9d15．6h5．6e14．7efF5D1005891ab38．4d16．9g6．9d17．9bcF0D1003512．0i----

圖6 灌水和施肥的交互效應Fig.6 The interaction effect of irrigation and fertilizer applied

3 討 論

膜下滴灌棉花生長過程中灌水比施氮的作用更大，灌水量對棉花地上干物質量的積累影響大于施氮量的影響[7]。增加氮肥施入量可以提高棉花的干物質量，氮肥施入量過大容易造成棉花干物質量和產量降低，但原因不同，薛曉萍等[7]發(fā)現(xiàn)施氮量過高會造成營養(yǎng)生長過于旺盛，導致產量降低；謝志良等[8]發(fā)現(xiàn)高氮處理使土壤溶液中氮濃度過高，引起根系提前衰老，養(yǎng)分吸收效率下降，從而導致干物質量下降，進而產量降低。水分脅迫下，棉花地上干物質量過小，增施氮肥，產量有所增加，但總體效果有限[27,28]。本試驗表明，灌水對地上干物質量和籽棉產量影響顯著，同時對地上干物質量在葉片，莖稈和棉鈴質量的分配影響顯著，施肥對以上指標影響不顯著，表現(xiàn)為灌水能顯著提高葉片，莖稈和棉鈴質量，從而提高地上干物質量和籽棉產量，施肥可以促進葉片，莖稈和棉鈴的發(fā)育，但施肥量達到一定水平(F4施肥水平)，會抑制其發(fā)育，進而造成干物質累積量下降，其中棉鈴質量下降較為明顯。

水和氮兩個生產要素符合邊際產量遞減規(guī)律。在每一灌水量下都有一個最優(yōu)施氮量，在此基礎上增加施氮量并不能導致產量或干物質量的明顯增加，這與Gheysari等[29]人研究結果相一致。施用氮肥顯著提高了棉花的氮累積量，但過量施用氮肥不會顯著增加棉株的吸氮量，在不同灌溉水量下施氮量為300 kg/hm2時氮累積量均為最高[11]。本試驗表明，灌水和施肥均對氮累積量影響顯著。在水分虧缺條件下，施肥對棉花植株氮累積量提高有限，在中水和高水水平(D80和D100)下，施氮能顯著增加棉花植株氮累積量。氮累積量隨施肥量升高而升高，當達到250 kg/hm2后，氮累積量變化不明顯。

Fritschi[30]認為，當營養(yǎng)生長和生殖生長部分增長非常均衡的條件下，在最高施氮量條件下可以獲得最高的氮肥利用效率，反之，過量施氮會打破營養(yǎng)生長與生殖生長的平衡，進而導致營養(yǎng)生長過于旺盛，推遲棉花成熟并且降低棉花產量。李培嶺[14]認為當大量氮素和灌水量都用在了營養(yǎng)生長需求，會導致營養(yǎng)生長與生殖生長不協(xié)調，表現(xiàn)為氮肥生理利用率，氮肥農學利用效率隨施氮量增加呈顯著下降趨勢，且各種灌水水平下均如此。王肖娟[28]研究表明，較低的灌溉水量限制了氮肥利用率，鄧忠[11]則認為，適宜的氮肥用量在低灌溉水量下也可以得到較高的氮肥利用率。本試驗表明，氮肥利用率，氮肥偏生產力，氮肥農學效率均隨灌水量增加而顯著提高，氮肥生理利用率僅低灌水量及低施肥量時明顯高于其他處理。氮肥利用率，氮肥偏生產力，氮肥農學效率隨施肥量升高而降低。氮肥生理利用率隨施肥量表現(xiàn)出較大差異，規(guī)律性不強，還有待進一步研究。

4 結 語

灌水對籽棉產量影響顯著，水肥對產量存在交互效應。F4D100處理可以獲得最高的籽棉產量最高(5 896 kg/hm2)，地上干物質量(15 821 kg/hm2)和最大的氮累積量(254 kg/hm2)。從氮素利用效率角度講，F(xiàn)1D100處理可以獲得低于最高產量10%的籽棉產量和最高的氮肥利用率，氮肥偏生產力和氮肥農學效率，以及較高的氮肥生理利用率。在本試驗條件下，灌水量在370 mm，施肥量(N-P2O5-K2O)為(250-100-50) kg/hm2時，可以獲得低于最高產量6%的籽棉產量，并節(jié)省15%的灌水量和16.7%施肥量。通過水肥耦合可以在產量降低不多的條件下，顯著提高水肥的綜合效益，對于棉花水肥管理有重要意義。

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