施氮量對低肥力棉田土壤氮素及棉花養(yǎng)分吸收利用影響

秦宇坤 ，李鵬程 ，鄭蒼松 ，孫淼 ，劉帥 ，董合林 *，徐文修

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，烏魯木齊 830052；2.中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所／棉花生物學國家重點實驗室，河南 安陽 455000）

合理施用氮肥可提高棉花產(chǎn)量，過量施氮反而會導致氮肥的產(chǎn)量報酬遞減。調查顯示，黃河流域棉花平均單產(chǎn)增長速率遠低于棉花施氮的增長速率，棉花氮肥利用率較低[1]；施氮量增加易導致棉花氮肥利用率降低[2-3]；過量施氮會造成冗余氮素在土壤中的殘留，增加土壤硝態(tài)氮向下淋溶的風險，對地下水安全造成威脅[4]。棉花減氮增效一直是研究熱點，已有研究表明合理的施氮水平能顯著提高棉花產(chǎn)量和氮肥利用率，減少氮肥損失[5-6]。脲酶廣泛存在于土壤中，參與尿素的水解過程，其酶促產(chǎn)物——氨是植物主要吸收利用的氮源之一[7]。土壤脲酶活性與土壤速效氮含量呈正相關，其活性強弱可以表征土壤氮素供應動態(tài)，對施入土壤尿素的有效利用具有重要意義[8]。土壤脲酶活性對尿素施用量的響應規(guī)律因作物種類及土壤特性不同而存在差異。關于黃河流域棉區(qū)施氮量效應，夏冰等[9]研究了秸稈還田條件下氮肥用量對棉花產(chǎn)量、氮肥利用率的影響，提出較低的氮肥用量可獲得較高的產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力及回收率，證明了黃河流域棉田減氮增效的可行性。李鵬程等[10]的棉花不同氮肥用量試驗表明，中等肥力棉田施氮量超過270 kg·hm－2時棉花氮農(nóng)學利用率下降，施氮量360 kg·hm－2時籽棉產(chǎn)量高于施氮量 270 kg·hm－2和450 kg·hm－2。薛曉萍等[11]研究了不同氮素水平對棉花生物產(chǎn)量、氮素積累及氮素利用率動態(tài)變化，并建立了棉花臨界需氮量動態(tài)定量模型和氮素動態(tài)需求定量診斷模型，結果表明施純氮360 kg·hm－2時模擬曲線各特征參數(shù)最協(xié)調。前人研究多集中在施氮量對棉花產(chǎn)量及氮肥利用率的影響等方面[12-17]，缺乏施氮量對棉花耕作層土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的影響及脲酶活性對氮肥施用量的響應等相關報道。本試驗采用連續(xù)定位施氮研究低肥力棉田施氮量對土壤速效氮、土壤脲酶活性、棉花產(chǎn)量、干物質積累量、養(yǎng)分吸收量、氮肥利用率的影響，為黃河流域棉田減氮增效、降低氮肥殘留造成的環(huán)境風險提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

田間試驗于2016 和2017年在中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所試驗農(nóng)場 （河南省安陽縣白璧鎮(zhèn)，114°35′E，36°13′N）進行。試驗田塊為多年連作棉田，土壤為壤質潮土。兩年試驗于同一塊試驗田中進行，2016年0―20 cm 基礎土壤養(yǎng)分含量：有機質為 10.6 g·kg－1，全氮為 0.72 g·kg－1，速效氮為 44.3 mg·kg－1，速效磷為 22.8 mg·kg－1，速效鉀為141.6 mg·kg－1。供試棉花品種為中熟品種中棉所79[18]。

1.2 試驗設計

試驗設 6個處理，施氮（N）量分別為 0、90、180、270、360、450 kg·hm－2，分 別 以 N0、N90、N180、N270、N360、N450 表示。施用氮肥為尿素（含純氮 46.4%）、磷肥為重過磷酸鈣 （P2O5占44%）、鉀肥為硫酸鉀（K2O 占 51%）。氮肥基施與初花期追施各占一半；磷鉀肥全部底施，施用量均為 120 kg·hm－2。

試驗采取隨機區(qū)組排列，每個處理重復4次，共24個小區(qū)。試驗小區(qū)為5 行，行距0.8 m，行長 3.6 m，小區(qū)面積為 28.8 m2；2016年種植密度為 59 000 株·hm－2，2017年種植密度為 60 000株·hm－2。2016年4月20日播種，出苗期 4月30日，蕾期 6月8日、開花期 7月1日，吐絮期 8月18日；7月5日追施尿素，7月15日打頂。2017年4月23日播種，出苗期 5月1日，現(xiàn)蕾期 6月1日，開花期 6月27日，吐絮期 8月15日，6月28日追施尿素。其它管理措施同當?shù)卮筇锷a(chǎn)。

1.3 測定項目與方法

1.3.1棉花產(chǎn)量測定。2016年與2017年分別于棉花收獲期按小區(qū)調查單株鈴數(shù)，采摘50個棉鈴，計算鈴重與衣分，并按小區(qū)實收籽棉。

1.3.2棉花生物量及氮、磷、鉀含量測定。于2016年與2017年收獲期在各小區(qū)選長勢均勻的棉株3 株，按根、莖、葉、籽棉、鈴殼等不同部位分開，105 ℃下殺青 30 min 后，于 70℃烘干至恒量，測定其干物質質量。將烘干的棉株樣品粉碎，過0.5 mm 篩，測定整株氮、磷、鉀含量。全氮測定用H2SO4-H2O2消煮、蒸餾定氮法測定； 全磷用H2SO4-H2O2消煮、鉬藍比色法和原子吸收法測定；全鉀用H2SO4-H2O2消煮、火焰光度法測定。

1.3.3土壤水分、收獲期速效氮含量測定。2017年棉花收獲期采集各小區(qū)0―20 cm、21―40 cm、41―60 cm、61―80 cm、81―100 cm 土層土樣，裝入自封袋混勻后過20 目篩。取部分篩過的土樣放入干燥的鋁盒中，用烘干法測定土壤含水率。將部分鮮樣帶回實驗室放入－20 ℃冰箱低溫保存，剩余部分土樣放入風干土盤自然風干。稱取10 g 土壤鮮樣，加入 0.01 mol·L－1CaCl2提取液100.0 mL，在振蕩機上4 ℃條件下振蕩1 h 后過濾，取濾液用AA3 連續(xù)流動分析儀測定土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量[19]。

1.3.4土壤脲酶活性測定。土壤脲酶活性測定采用苯酚鈉比色法[20-21]。2016年與2017年棉花收獲期取各小區(qū)風干土樣0.25 g，于37 ℃水浴恒溫培養(yǎng)24 h 后，用離心機10 000 g 條件下常溫離心10 r·min－1，取上層清液測定土壤脲酶活性。

1.3.5氮素利用率及其計算方法。氮農(nóng)學利用率＝（施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量－不施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量）/ 施氮量；氮肥偏生產(chǎn)力＝施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量/ 施氮量；氮肥貢獻率＝（施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量－不施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量）/ 施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量×100%； 氮生理利用率＝（施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量－不施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量）/（施氮區(qū)吸收氮量－不施氮區(qū)吸收氮量）； 氮素經(jīng)濟學利用率＝經(jīng)濟學產(chǎn)量/ 植株氮素吸收量；氮素生物學利用率＝生物學產(chǎn)量/ 植株氮素吸收量[22-24]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS19.0 進行顯著性方差分析，用Microsoft Excel 2007 進行處理及作圖。所有數(shù)據(jù)均為3 次重復的平均值。

2 結果與分析

2.1 施氮量對棉花產(chǎn)量及其構成因素的影響

表1 結果顯示，除 2016年N90 處理外，其它施氮處理相比N0 籽棉產(chǎn)量均顯著提高。在施氮量0～360 kg·hm－2范圍內，隨施氮量的增加籽棉產(chǎn)量呈上升趨勢，當施氮量超過360 kg·hm－2時籽棉產(chǎn)量降低。2016年各處理籽棉增產(chǎn)率為14.5%～26.9%；2017年各處理籽棉增產(chǎn)率為23.8% ～34.0%。由圖1 可知，2016年籽棉產(chǎn)量（Y）隨純氮（X）用量的效應方程為Y＝－0.011X2＋6.616 6X＋3 529.4 （R2＝0.982 6），按照每千克氮（N）價格4.35 元、每千克籽棉價格6.0 元計算，最高籽棉產(chǎn)量施氮量、經(jīng)濟最佳施氮量分別為300.8、266.6 kg·hm－2，最高籽棉產(chǎn)量、經(jīng)濟最佳籽棉產(chǎn)量分別為 4 524.4、4 511.5 kg·hm－2；2017年籽棉產(chǎn)量（Y）隨純氮（X）用量的效應方程為Y＝－0.009 4X2＋6.184 5X＋3 345.2（R2＝0.925 7），按每千克純氮價格4.35 元、每千克籽棉價格5.8元計算，最高籽棉產(chǎn)量施氮量、經(jīng)濟最佳施氮量分別為 329.0、289.1 kg·hm－2，最高籽棉產(chǎn)量、經(jīng)濟最佳籽棉產(chǎn)量分別為 4 362.4、4 347.5 kg·hm－2。綜合兩年結果，籽棉產(chǎn)量（Y）隨純氮（X）用量的效應方程為Y＝－0.010 2X2＋6.400 5X＋3 437.3（R2＝0.978 5），按每千克純氮價格 4.35 元，每千克籽棉價格5.8 元計算，經(jīng)濟最佳施氮量為277.0 kg·hm－2，經(jīng)濟最佳籽棉產(chǎn)量為 4 427.6 kg·hm－2。2016年N270 處理與N360 處理單株鈴數(shù)較 N0顯著增加，分別增加了26.4%和27.4%；2017年N360、N450 處理單株鈴數(shù)較N0 顯著增加，分別增加了31.9%和30.9%。2016年各處理鈴重差異不顯著，2017年N270 處理鈴重最高，較N0 處理顯著增加8.8%，與其余施氮處理差異不顯著。各處理之間衣分差異不顯著。

表1 施氮量對棉花產(chǎn)量及其構成因素的影響Table 1 Effect of nitrogen application rate on cotton yield and yield components

圖1 2016年和2017年施氮量與棉花籽棉產(chǎn)量的關系Fig.1 Relationship between nitrogen application rate and cotton seed yield in 2016 and 2017

2.2 施氮量對棉花干物質、氮、磷、鉀積累量及氮素利用率的影響

由表2 可知，除2017年N450 處理磷積累量與N0 無顯著差異外，各施氮處理較N0 干物質積累量與氮、磷積累量均顯著增加，N270 處理、N360處理、N450 處理鉀積累量較N0 顯著增加。2016年N270 處理干物質積累量與氮積累量最大，較N0 分別顯著增加74.1%和47.6%，與 N180 處理和N360 處理差異不顯著；2017年N360 處理干物質積累量與氮積累量最大，較N0 分別顯著增加54.1%和49.5%，與N450 處理差異不顯著。兩年試驗結果顯示，各施氮處理棉花干物質積累量較N0分別增加46.4%～74.1%和22.3%～54.1%； 氮積累量較 N0 分別增加 27.0%～47.7%和36.0%～49.4%。N0 處理氮素經(jīng)濟學利用率最高，2016年N270 處理氮素生物學利用率最高；2017年N360處理氮素生物學利用率最高，各處理之間氮素生物學利用率差異不顯著。

表2 不同處理的干物質、氮磷鉀積累量及氮素利用率Table 2 Accumulation of dry matter weight,nitrogen,phosphorus and potassium accumulation and nitrogen utilization under different treatments

2.3 施氮量對土壤NH4＋-N、NO3－-N含量的影響

由圖2，隨施氮量的增加，0―100 cm 土層NH4＋-N 含量增加但均不超過 10 mg·kg－1，各處理間NH4＋-N 含量差異不顯著。隨土層深度的增加，各處理 NH4＋-N 含量呈降低趨勢，NH4＋-N在 0―20 cm 與 41―60 cm 土層含量較高。隨施氮量的增加，0―100 cm 土層 NO3－-N 含量增加，各施氮處理 0―40 cm 土層 NO3－-N 含量差異不顯著。N0 處理與 N90 處理 NO3－-N 含量較低；除N90 處理處，其余各施氮處理在41―80 cm 土層NO3－-N 含量較 N0 顯著提高，N270、N360、N450處理 NO3－-N 含量顯著高于 N0、N90 與 N180 處理。N450 處理NO3－-N 含量在各土層中始終高于其它處理。各處理NO3－-N 含量最高峰均出現(xiàn)在41―60 cm 土層。各處理 61―80 cm 土層 NO3－-N含量較41―60 cm 土層顯著下降，各施氮處理在81―100 cm 土層 NO3－-N 含量高于 N0，但與 N0差異不顯著。

圖2 2017年施氮量對收獲期0-100 cm 土層銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的影響Fig.2 Effects of nitrogen application on NH4+-N、NO3－-N content in 0—100 cm soil layer at harvest stage in 2017

2.4 施氮量對土壤脲酶活性的影響

由圖3 可知，2016年和 2017年0―100 cm土壤脲酶活性隨施氮量增加呈先增加后降低趨勢，隨土層深度的增加呈持續(xù)降低趨勢。2016年與2017年N360 處理0―20 cm 土層土壤脲酶活性均最高，較 N0 分別顯著增加 42.6%與107.6%。N360 處理 0―100 cm 各土層土壤脲酶活性較N270 差異不顯著。N270 和N360 處理除了 2016年81—100 cm和2017年61―80 cm 土層處，其余各土層土壤脲酶活性較N90 處理顯著增加。在 0―20 cm 土層，N90 處理土壤脲酶活性較N0 顯著增加。

2.5 施氮量對氮肥利用率的影響

由表3 可知，棉花氮農(nóng)學利用率、氮肥偏生產(chǎn)力受施氮量影響顯著。隨著施氮量的增加，各處理氮農(nóng)學利用率、氮肥偏生產(chǎn)力降低，氮肥貢獻率先升高后降低；N90 處理氮農(nóng)學利用率顯著高于N450 處理，氮肥偏生產(chǎn)力顯著高于其它處理。2017年各處理氮肥偏生產(chǎn)力差異達顯著水平（P＜0.05）。N450 處理氮農(nóng)學利用率、氮肥偏生產(chǎn)力最低。兩年試驗結果表明，N360 處理氮肥貢獻率與氮生理利用率均最高，除在2017年較N90處理氮肥貢獻率顯著增加，與其余各處理氮肥貢獻率與氮生理利用率未達差異顯著水平 （P＜0.05）。

3 討論

3.1 施氮量與棉花養(yǎng)分吸收利用及產(chǎn)量的關系

本研究結果顯示，在一定范圍內增施氮肥能顯著增加棉花氮、磷、鉀積累量，2016年N180、N270、N360 與 N450 處理氮、磷、鉀積累量均顯著高于N0，這與李伶俐等的結論一致[25]。N450 處理2016年氮、磷、鉀積累量較N360 處理降低，2017年磷積累量較 N90、N180、N270和N360 處理顯著降低，說明過高施氮量對棉花氮、磷、鉀積累量提升效果不顯著，甚至有阻礙作用，這與哈麗哈什·依巴提等[26]研究結果一致。N450 處理氮素經(jīng)濟學利用率與氮素生物學利用率較N360 處理均降低，說明過量施氮不利于棉花對氮的吸收利用，這與趙雙印等[27]的研究結果一致。

圖3 不同施氮量對土壤脲酶活性的影響Fig.3 Effect of different nitrogen application rate on soil urease activity

相關研究顯示，隨著施氮量的增加，棉花干物質積累量增大，籽棉產(chǎn)量增加，但不同棉區(qū)因土壤條件、氣候及栽培品種的差異，棉花高產(chǎn)施氮量不一致[28-30]。馬宗斌等[31]選用雜交種中棉所72 研究黃河灘地施氮量對棉花產(chǎn)量影響的結果表明，N300 處理產(chǎn)量顯著高于 N0 與 N150 處理，與N450 處理產(chǎn)量差異不顯著。本試驗2016年與2017年棉花籽棉產(chǎn)量變化趨勢基本一致，當施氮量小于 360 kg·hm－2時，棉花籽棉產(chǎn)量隨施氮量增加呈上升趨勢。N270 處理與N360 處理籽棉產(chǎn)量兩年分別平均比N0 處理顯著增加29.0%與30.3%，N360 處理籽棉產(chǎn)量兩年平均比N270 處理增加1.0%，說明施氮量在270～360 kg·hm－2范圍內棉花可獲得較高籽棉產(chǎn)量，但當施氮量從270 kg·hm－2增至 360 kg·hm－2時，棉花未明顯增產(chǎn)。N450 處理較N360 處理籽棉增產(chǎn)率降低，說明高施氮處理增產(chǎn)效果不顯著，甚至導致棉花減產(chǎn)，這與薛曉萍等[32]的研究結果一致。本試驗為了確定最佳施氮量，利用一元二次回歸函數(shù)將當?shù)孛藁ㄗ衙蕻a(chǎn)量與施氮量進行擬合分析，得出經(jīng)濟最佳施氮量為277.0 kg·hm－2，經(jīng)濟最佳籽棉產(chǎn)量為 4 427.6 kg·hm－2。

表3 施氮量對棉花氮肥利用率的影響Table 3 Effect of nitrogen application rate on nitrogen fertilization efficiency of cotton

3.2 施氮量與土壤氮素含量的關系

土壤速效氮作為植株可快速吸收利用的氮素，其豐缺狀況代表土壤供氮能力的強弱[33]。土壤速效氮含量高，能滿足植株對養(yǎng)分的吸收利用，促進植株生長，提高植株產(chǎn)量[34]。外源氮肥投入明顯影響土壤速效氮含量，影響效果取決于氮肥施用量與施用時間[35-36]。Gao 等[37]研究表明，添加無機氮不能顯著改變土壤中NH4＋-N 含量，而土壤NO3－-N 含量隨施氮水平增加而顯著增加。本研究表明0―100 cm 土壤NH4＋-N 含量隨施氮量增加而增加，但增加效果不顯著，各施氮處理0―100 cm 土壤 NH4＋-N 含量均處于較低水平。隨著土層深度的增加，銨態(tài)氮含量呈降—升—降的變化趨勢，各施氮處理在20―40 cm 土層附近銨態(tài)氮含量最低，可能是收獲期40 cm 土層附近棉花根系分布較多，對外源 NH4＋-N 需求量大、NH4＋-N也更易被棉花吸收，且NH4＋-N 在一定程度上轉化為 NO3－-N，這也是施氮量對土壤 NH4＋-N 含量無顯著影響且低于NO3－-N 含量的主要原因[38]；施氮 90～450 kg·hm－2，40―60 cm 土層 NO3－-N含量隨施氮量的增加顯著增加，這與胡艷玲等[39]的研究結果一致。土壤速效氮除被作物吸收利用外，剩余部分以無機氮或有機結合形態(tài)殘留在土壤中，為后季作物提供氮源；或通過氨揮發(fā)、硝化-反硝化、淋洗或徑流等各種途徑損失[40]。如果土壤速效氮損失過多，不僅無法促進本季作物生長，降低氮肥利用率，而且會對下季作物尿素的施用效果產(chǎn)生影響，并帶來環(huán)境污染的風險[41-42]。因此,合理施氮量不僅考慮產(chǎn)量、經(jīng)濟效益等指標，還應考慮土壤氮素殘留問題。本試驗結果顯示，隨施氮量增加，0―100 cm 土層 NO3－-N 殘留量增加，各處理在 0―60 cm 土層 NO3－-N 含量最高。當土層深度超過 60 cm，NO3－-N 含量降低，表現(xiàn)出“上高下低”的趨勢，這與李靜等[43]研究結果一致。索俊宇等[44]研究結果顯示，過量施氮會造成土壤NO3－-N 在各個剖面層次累積，由于高頻率灌水作用，累積的土壤NO3－-N 不斷向下層土壤淋洗直至到根區(qū)以下，發(fā)生淋失現(xiàn)象。本研究結果顯示，N450 處理在 0―100 cm 土層內 NO3－-N含量最高，40―60 cm 土層 NO3－-N 含量超過 20 mg·kg－1。當施氮量超過 360 kg·hm－2，61―100 cm 土層NO3－-N 含量隨施氮量增加而顯著增加。過量施氮易導致深層土壤硝態(tài)氮殘留量增加，污染深層土的風險增大，這與栗麗等[45]研究結果一致。

4 結論

在施氮0～360 kg·hm－2范圍內增加施氮量，有利于提高棉花籽棉產(chǎn)量，施氮360 kg·hm－2較未施氮和施氮90 kg·hm－2顯著提高棉花單株鈴數(shù)，施氮 450 kg·hm－2較 360 kg·hm－2棉花籽棉產(chǎn)量降低。本試驗條件下，氮肥經(jīng)濟最佳施氮量為 277.0 kg·hm－2，經(jīng)濟最佳籽棉產(chǎn)量為 4 427.6 kg·hm－2。