水培條件下供氮水平對不同棉花品種氮吸收分配與氮效率的影響

梁 悅，齊芙蓉，宋海英，陳波浪,，劉美娟，唐雪霞，侯天鈺

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052； 2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第三師四十二團學(xué)校，新疆圖木舒克 844405； 3.新疆慧爾農(nóng)業(yè)集團股份有限公司， 新疆昌吉 831100)

0 引 言

【研究意義】2018年新疆棉花產(chǎn)量達到609.6×104t，占全球棉花產(chǎn)量的1/5，紗產(chǎn)量達到2 976×104t占全球紗產(chǎn)量的2/3，紡織品的服裝出口額2 767.3×108美元[1]。2019年新疆棉花占全國總產(chǎn)量比例已經(jīng)達到84.9%。棉花是一種喜肥作物，土壤養(yǎng)分顯著影響棉花的產(chǎn)出，其中氮營養(yǎng)是棉花產(chǎn)量限制的第一營養(yǎng)元素。氮參與棉株體內(nèi)葉綠素的合成，增強棉葉光合效能，為棉花生育后期尤其花鈴期儲備充足的光合產(chǎn)物，保障棉花產(chǎn)量[2]。氮肥運籌是棉花氮素吸收分配、氮效率和產(chǎn)量與品質(zhì)調(diào)控的重要措施?！厩叭搜芯窟M展】滴灌棉花產(chǎn)量在2 000～3 000 kg/hm2時，其氮肥主要以水溶性尿素為主，氮肥用量為225～450 kg/hm2[3-7]，氮肥依據(jù)灌溉制度主要采用深層基施和淺層滴施或者全生育期淺層滴施的方式進行，整個生育期氮肥基施1次加滴施6～8次不等或者全部滴施8～10次，氮肥分配采用前輕中重后輕原則[7-11]。苗期是棉花氮素管理的關(guān)鍵時期，劉翠等[12]認(rèn)為，施氮量380 kg/ hm2時，南疆雜交棉在基肥：追肥=2∶8的條件下干物質(zhì)量及氮素累積最為協(xié)調(diào)，并且有助于增加單株結(jié)鈴數(shù)和鈴重，實現(xiàn)增產(chǎn)。陳求柱等[13]研究表明，氮肥施用總量固定為225 kg/hm2的情況下，底肥∶初花肥∶盛花肥=3∶7∶0 的施肥方式有利于提高氮肥吸收利用效率并獲得棉花高產(chǎn)。汪玲等[11]試驗表明，在棉花所需水分充足的條件下，在氮肥基施40%、蕾期追施2次分別是5.96%和4.47%、花鈴期前期2次追施18.63%和16.4%、花鈴期盛期分別追施4.47%和9.69%的情況下，能獲得最大的棉花產(chǎn)量。新疆中等肥力棉田氮肥施用策略為：基肥40%、蕾期15%、初花期23%、盛鈴期或花鈴期22%時，棉花產(chǎn)量較高[14]?！颈狙芯壳腥朦c】前人對棉花苗期氮肥的管理大多基于棉花苗期氮素吸收量或吸收比率或者管理經(jīng)驗，而從棉花苗期自身需求的氮素養(yǎng)分供應(yīng)強度即氮素濃度方面開展的研究較少，尤其是能促進棉花生長、養(yǎng)分吸收和氮素利用的適宜氮素濃度。需研究水培條件下供氮水平對不同棉花品種氮吸收分配與氮效率的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以不同株型Ⅰ式果枝的新陸早48號(適宜機械采收的棉花)和Ⅱ式果枝的新陸早45號(不宜機械采收的棉花)為研究對象，采用水培方法研究不同供氮水平對棉花生育前期氮素吸收分配與氮效率的影響，分析有助于棉花生長的最適氮肥基施濃度，膜下滴灌棉花生產(chǎn)中氮肥基施和追施的分配以及氮肥利用率的提高提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

營養(yǎng)液培養(yǎng)試驗在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)培養(yǎng)室進行，選用棉花品種分別是新陸早45號和新陸早48號。營養(yǎng)液以霍格蘭營養(yǎng)液和阿農(nóng)微量營養(yǎng)液為基礎(chǔ)液，N處理設(shè)為6個水平(濃度為mmol/L)：0、7.5、10、15、17.5、30.0，其中0為缺氮處理，7.5～10為低氮處理，15～17.5為適氮處理，30為高氮處理，每處理設(shè)6次重復(fù)，培養(yǎng)液pH調(diào)控在6.5。

選取籽粒飽滿的棉花種子，在洗凈的珍珠砂中進行育苗，每天給盆缽表面噴灑少量的水，保持濕度不影響種子的發(fā)芽，等待棉苗長到 8～10 cm時，開始往盆缽中加1/4濃度的霍格蘭完全營養(yǎng)液繼續(xù)砂培1周，選取長勢均一的棉株進行營養(yǎng)液培養(yǎng)，采用規(guī)格為20 L的溶液培養(yǎng)缽，每盆定植8株，培養(yǎng)溫度基本維持在 20～30℃，光照基本維持12 h以上。待移栽后，根據(jù)植株生長的狀況選擇更換營養(yǎng)液，每天定時加氧2次，15 min /次。

1.2 方 法

在棉苗移栽到第43 d( 苗期) 將棉株采收，將棉苗按根、莖、葉分開，在 105℃殺青30 min，70℃烘干 8～10 h用于植物養(yǎng)分測定。植株養(yǎng)分(N、P、K)：用98%的濃硫酸—雙氧水消煮，奈氏比色法測氮；釩鉬黃比色法測磷；火焰光度計法測鉀[15]。

(1)氮利用效率(g/mg)=植株總干物質(zhì)量/全株吸氮量；(2)氮吸收效率(mg/g)=全株吸氮量/根干重；(3)氮運轉(zhuǎn)效率(%)=(地上部分吸氮量/地下部分吸氮量)×100[16]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用 Microsoft Excel 對試驗數(shù)據(jù)進行初步處理后，用 IBM SPSS 20.0 對數(shù)據(jù)進行單變量和多變量統(tǒng)計分析，用 LSD 法進行差異顯著性分析 (P= 0.05)；用 SigmaPlot 10.0進行線性回歸擬合；用Origin2018制作箱型圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 供氮水平對不同品種棉花干物質(zhì)量積累的影響

研究表明，棉花根、莖、葉、地上部和整株干物質(zhì)存在顯著的氮水平和品種的差異，但氮水平和品種的交互作用不明顯。2個棉花品種的各器官干物質(zhì)量、地上部干物質(zhì)量以及整株干物質(zhì)量與供氮水平之間表現(xiàn)為顯著的二次曲線函數(shù)關(guān)系，在N17.5的處理達最大值。新陸早45號和新陸早48號在N7.5、N10、N15、N17.5、N30的處理條件下，整株干物質(zhì)量較N0處理的分別增大58.18%、75.69%、101.83%、108.75%、66.38%和73.71%、102.51%、134.05%、142.85%、86.74%。

棉花根冠比存在顯著的氮水平、品種及其交互作用的差異，隨供氮水平的增加而下降，呈顯著的指數(shù)衰減函數(shù)關(guān)系。

除N0處理外，其它供氮處理下新陸早48號的根、莖、葉、地上部分及整株干物質(zhì)量均顯著高于新陸早45號，在N17.5條件下，新陸早48號的根、莖、葉、地上部分及整株干物質(zhì)量分別是新陸早45號的1.25、1.22、1.32、1.28和1.27倍。圖1

注：N-氮處理；C-品種；N×C-氮處理與品種的交互作用；XLZ45和XLZ48分別代表棉花品種新陸早45號和新陸早48號；sig表示顯著；ns表示不顯著；0.01

2.2 供氮水平對不同棉花品種氮素吸收的影響

研究表明，棉花單株氮含量、地上部分氮含量、氮積累量、氮吸收效率以及氮利用效率存在顯著的氮水平、品種及其交互作用的差異。除了新陸早48號的單株氮含量和地上部分氮含量與供氮水平之間的二次曲線函數(shù)關(guān)系不顯著以外，2個棉花品種的其余氮含量、氮積累量、氮吸收效率與供氮水平之間同樣表現(xiàn)為顯著的二次曲線函數(shù)關(guān)系，并在N17.5處理時達到最大值。新陸早45號和新陸早48號在N7.5、N10、N15、N17.5、N30處理條件下，單株氮含量分別較N0處理增加了28.72%、30.23%、42.87%、44.49%、33.78%和46.92%、105.95%、50.98%、118.68%、34.74%；地上部分氮含量分別較N0增加了16.96%、24.44%、32.73%、36.15%、24.21%和24.78%、77.56%、28.09%、91.66%、26.94%；氮素積累量分別較N0處理的增加了102.62%、111.22%、192.65%、196.17%、132.74%和150.05%、251.90%、242.31%、300.51%、152.28%；氮素吸收效率分別較N0處理的增加了67.84%、56.20%、96.89%、96.65%、73.36%和116.95%、206.07%、151.75%、228.20%、90.55%。

棉花氮利用效率隨供氮水平的增加而下降，新陸早45號的氮素利用率與供氮水平呈顯著的指數(shù)衰減函數(shù)關(guān)系，而新陸早48號的氮素利用率與供氮水平之間的指數(shù)函數(shù)關(guān)系不顯著。新陸早45號在N15、N17.5和N30處理間的氮素利用效率差異不顯著，顯著低于N0處理；新陸早48號在N10處理的條件下氮素利用效率最低，顯著低于其他處理。

在N10、N17.5處理下新陸早48號的單株氮含量、地上部分氮含量、氮積累量、氮吸收效率均顯著高于新陸早45號，在N17.5處理下，新陸早48號的氮含量、氮積累量及氮吸收效率分別是新陸早45號的1.42、1.14和1.28倍。圖2

圖2 不同供氮水平下不同棉花品種氮含量、氮積累量、氮吸收效率和氮利用效率變化Fig.2 Effects of nitrogen supply level on nitrogen content, nitrogen accumulation, nitrogen uptake efficiency and nitrogen use efficiency of different cotton cultivars

研究表明，棉花N運轉(zhuǎn)效率存在顯著的氮水平和品種及其交互作用的差異。新陸早45號的N運轉(zhuǎn)效率隨著營養(yǎng)液中氮濃度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在N17.5處理條件下N運轉(zhuǎn)效率最大，其值達到84.66%，在N17.5處理條件下棉花N運轉(zhuǎn)效率的數(shù)據(jù)較為集中，達到這個氮濃度時有助于棉花中氮素的運轉(zhuǎn)。新陸早48號N運轉(zhuǎn)效率隨著供氮水平的增加而逐漸增大，而在N30處理條件下棉花N運轉(zhuǎn)效率的均值是89.34%達到最大，但其N30處理的數(shù)據(jù)集中性較差，除N30處理之外，N17.5處理的N運轉(zhuǎn)效率的均值最大，數(shù)據(jù)也較為集中。圖3

圖3 不同供氮水平下不同棉花品種氮運轉(zhuǎn)效率變化Fig.3 Effect of nitrogen supply level on nitrogen translocation efficiency of different cotton cultivars

2.3 供氮水平對不同棉花品種磷素和鉀素吸收的影響

研究表明，棉花磷、鉀積累量存在顯著的氮水平、品種及其交互作用的差異。2個棉花品種的鉀素積累量與供氮水平之間也表現(xiàn)為顯著二次曲線函數(shù)關(guān)系，而磷素積累量與供氮水平之間的二次曲線函數(shù)關(guān)系不顯著，同時磷素積累量和鉀素積累量均是在N17.5處理時達到最大值。新陸早45號和新陸早48號在N7.5、N10、N15、N17.5、N30處理條件下，植株磷積累量分別較N0處理增加了12.39%、27.58%、30.33%、48.67%、10.43%和17.20%、18.62%、17.76%、33.40%(其中新陸早48號 N30處理的磷素積累量小于N0)；鉀素積累量分別較N0處理的增加了69.33%、72.70%、93.35%、101.73%、45.49%和119.98%、152.42%、114.01%、222.38%、82.81%。

在N7.5、N10、N15、N17.5、N30處理下，新陸早48號的植株磷素和鉀素積累量均顯著高于新陸早45號，磷素分別是新陸早45號的1.27、1.33、1.18、1.15、1.14、1.05倍；鉀素分別是新陸早45號的1.20、1.35、1.17、1.48、1.16倍。圖4

圖4 不同供氮水平下不同棉花品種磷積累量和鉀積累量變化Fig.4 Effects of nitrogen supply level on phosphorus and potassium accumulation of different cotton cultivars

3 討 論

李伶俐等[17]研究表明，在氮肥基施比例為25%的情況下，增施氮肥促進了雜交棉生物量的積累，但當(dāng)施氮量增加至300 kg/hm2后促進效果不顯著，為獲得高生物量，施氮量在225～300 kg/hm2為宜，而基肥用量對棉花營養(yǎng)器官干物重具有一定的影響[13]，所以苗期施肥量在56.25～75 kg/hm2有宜于棉花生物量的積累。劉翠等[12]通過氮肥基追比對南疆雜交棉生物量的影響研究發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)中施氮量為380 kg/hm2，基施量為76 kg/hm2時，能提高棉花花鈴前期生物量的累積，有助于高產(chǎn)。試驗條件下，棉花生物量隨著供氮水平的增加而增加，但增加的幅度有所不同，氮水平為17.5 mmol/L時棉花生物量最高，結(jié)合前人大田棉花蕾期灌水量為228～392 m3/hm2[18-21]的結(jié)果，通過最佳供氮水平(17.5 mmol/L)與蕾期灌水量(228～392 m3/hm2)相乘的方式，推導(dǎo)換算出大田棉花苗期施氮量為55.86～96.04 kg/ hm2時有助于促進生物量的積累，這一結(jié)果與以上結(jié)論基本一致。試驗的任一處理下新陸早48號各干物質(zhì)量顯著高于新陸早45號，新陸早48號對氮素的響應(yīng)度高于新陸早45號。

侯秀玲等[5]研究結(jié)果表明，在棉花生育前期，超高密度栽培條件下氮肥基施量為64.5 kg/hm2時已能夠滿足棉花對氮素的需求，與試驗結(jié)果相一致，氮濃度為17.5 mmol/L推算為大田氮肥施用量為55.86～96.04 kg/ hm2時，棉花幼苗中氮素積累量最大，在此氮濃度下棉花幼苗中磷、鉀的積累量也是最高的，這與李伶俐等[17]試驗中提出的氮肥基施量為56.25～75 kg/hm2時，氮磷鉀累積量達最大是一致的。而秦宇坤等[22]在黃河流域低肥力棉田研究結(jié)果顯示，中熟品種棉花在施氮肥為360 kg/hm2氮肥基施比為50%時，棉株體內(nèi)氮、磷、鉀的積累量顯著增加，其氮肥基施量顯著高于試驗結(jié)果推算出的大田棉花氮肥基施量，造成這種顯著差異可能是因為黃河流域棉區(qū)和新疆棉區(qū)種植模式完全不同，黃河流域棉區(qū)通常采用套種模式[23]。新疆大田棉花氮肥基施量在55.86～96.04 kg/hm2范圍內(nèi)有助于促進棉花對養(yǎng)分的吸收積累。郭金強等[24]研究結(jié)果顯示，當(dāng)施氮量為270 kg/hm2基施量為81 kg/hm2時，為膜下滴灌棉花合理施氮量，棉花苗期地上部分的氮含量為42.9 g/kg，而試驗在17.5 mmol/L條件下新陸早45號和新陸早48號的地上部分氮含量分別為36.7和54.1 g/kg與郭金強等[25]結(jié)果較為接近，并且其研究的氮肥基施量與試驗推導(dǎo)換算出的大田棉花苗期施氮量基本一致，研究推導(dǎo)換算出的大田棉花氮肥基施量與實際大田試驗中的氮肥基施量相符。新陸早48號的氮、磷、鉀積累量顯著高于新陸早45號，棉花對氮素的吸收和利用在不同棉花品種間存在著明顯的差異性，與閆靖華等[25]的研究結(jié)論相似。

養(yǎng)分利用率是衡量施肥合理性最直接的指標(biāo)[26]，提高氮素利用率是確保棉花高產(chǎn)的方式之一。李伶俐等[17]研究表明，雖然氮肥利用率隨施氮量的增加而下降，但是在施氮量為300 kg/hm2基肥比例為25%時，籽棉產(chǎn)量最高。胡國智等[27]研究認(rèn)為，在氮肥基施比例為20%的情況下，氮素利用率隨著施氮量的增加而降低，當(dāng)施氮量達到281 kg/hm2時，棉花產(chǎn)量最高。試驗中，氮素利用效率也是隨供氮水平的增加而降低，而氮素吸收效率與供氮水平呈二次曲線函數(shù)關(guān)系，在氮濃度為17.5 mmol/L推算為大田氮肥施用量為55.86 ～96.04 kg/hm2時氮素吸收效率最高，這與前人的研究結(jié)果一致，適宜的氮肥施用量會使氮利用效率降低，但可以提升棉花對氮素的吸收從而獲得高產(chǎn)。同種作物不同品種供給同樣的養(yǎng)分，作物對氮素的吸收利用也不盡相同[28]，試驗同樣得此結(jié)論，在適宜棉花幼苗生長的氮濃度17.5 mmol/L的條件下，新陸早48號的氮素吸收效率顯著高于新陸早45號，其氮素利用效率卻顯著低于新陸早45號。

4 結(jié) 論

4.1棉花苗期在供氮水平為N7.5、N10、N15、N17.5的處理條件下，適合機采的Ⅰ式果枝新陸早48號各生物量、單株氮含量、養(yǎng)分積累量以及氮素吸收效率均顯著高于不適合機采的Ⅱ式果枝新陸早45號；在相同供氮水平下，新陸早45號的氮素利用效率大于新陸早48號。

4.2隨著供氮水平的增加，2個品種的棉花各器官生物量、養(yǎng)分積累量以及單株氮含量均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在供氮水平為17.5 mmol/L的條件下棉株的氮素吸收量最高。

4.3棉花植株的氮素吸收效率隨施氮量的增加同樣也表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢；棉花植株的氮素利用效率在N7.5、N10、N15、N17.5、N30的處理條件下，均顯著低于N0處理。

4.4棉花苗期最佳供氮水平為17.5 mmol/L。