氮肥和土壤質地對滴灌棉花氮素利用率及產量的影響

張 澤，馬革新，海興巖，馬露露，鄭 琦，張東明，呂 新,

(1.石河子大學農學院; 2.新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆 石河子 832003)

棉花作為新疆最主要的經濟作物之一，自20世紀滴灌技術在新疆大面積推廣以來，棉花產量和氮素利用率得到顯著提高[1]。而棉花后期生長發育主要受水、肥等土壤養分的影響[1]。氮肥的投入是棉花增產的必要條件。合理的氮肥運籌不僅減少鹽分對作物生長和產量的不利影響[2]，而且可減少因過量施氮造成的環境污染[3]。胡順軍等[4]研究表明水肥因子對滴灌棉花產量的影響呈現報酬遞減效應。我國北方農作體系中多種土壤質地并存，不同質地的土壤水分、溫度、空氣和機械阻力表現不同[5]，對養分吸收利用和作物生長發育的影響也不同，導致在肥料利用率方面存在差異。因此，依據農田土壤狀況進行合理施肥實現作物高產高效倍受關注，探明不同質地滴灌棉田肥料利用率差異性特征，可為棉田肥料科學管理提供理論依據。已有研究表明，基于室內土柱模擬法，滴灌施肥條件下氮肥種類和土壤質地對氮素淋溶及轉化有顯著影響[6]；不同滴灌處理下棉花氮素利用率受棉株根系的影響最大，而棉株根系又受土壤質地、土壤含鹽量的影響[7]；棉花對氮素的吸收利用受水肥條件的影響很大，侯振安[8-9]等研究表明不同的施肥策略顯著影響棉花氮素的吸收量，氮肥在一次灌溉施肥的前期施用有利于提高氮肥的利用率，減少氮肥的淋洗損失。氮素利用率反映的是棉花對氮素吸收的一個最終結果，張旺鋒[10]等對棉花氮素利用的動態研究表明，其表現為“慢-快-慢”三個階段。研究表明，目前，大多數國內外學者對滴灌條件下(包括室內土柱模擬法)氮肥的施用量、施用頻率以及水肥耦合效應等對肥料利用率的影響做了較多研究，但其中大部分是在單一土壤質地條件下進行的研究，對于滴灌施肥后不同質地土壤的氮素遷移及利用效率研究較少。為此，通過滴灌大田試驗，研究施氮和土壤質地對滴灌棉花氮素的吸收利用情況的影響，可在確保高產的情況下對不同質地棉田的灌溉施肥技術進行進一步優化。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2016年4～10月在新疆昌吉瑪納斯縣六戶地鎮進行，該地區日照時長為2800 ～ 3000 h，年平均氣溫5℃左右，≥10℃有效積溫為3500 ～4100℃，無霜期180 d左右，試驗區土壤質地分別為砂土、壤土、黏土。供試棉花品種為新陸早45號。土壤顆粒組成及肥力狀況如表1所示。

1.2 試驗設計

試驗為二因素設計，分別為土壤質地和氮素水平。其中土壤質地因素設置3個水平，即砂土、壤土、黏土；施氮量設置4個氮素(純氮)水平，即0、240、340、480 kg·hm-2，并分別以CK、N1、N2、N3表示。試驗采用全組合設計，共12個處理，其中每處理設置3個重復，共計36個小區。

試驗小區設計為一膜六行，種植行距配置模式為66 cm+10 cm，膜寬2.05 m，膜間距0.5 m，整個生育期滴灌設計灌溉量540 mm，各處理均實行等額灌水。施肥量為鉀肥(K2O)95 kg·hm-2、磷肥(P2O5)105 kg·hm-2作為基肥一次性施入，氮肥(尿素)中基肥占30%，其余部分作追肥，隨水每10 d灌溉1次，灌水施肥按比例分多次進行(見表2)。

表1 供試土壤顆粒組成及養分狀況

表2 水氮分配表

1.3 測試指標

植株全氮測定：分別在棉花盛蕾期、盛花期、盛鈴期、吐絮期采集植株地上部樣品，每個小區取3株，在室內分器官(莖、葉、花蕾、花鈴)將植株分開，105℃殺青30 min后于烘箱中80℃條件下烘干至恒重，稱量并記錄干物質重。烘干的植株樣經粉碎后過0.5 mm篩，待測。植株全氮用H2SO4-H2O2消煮法測定。

產量測定：棉花吐絮期測定籽棉產量及產量構成因素，最后實收計產。

數據處理方法：

氮肥表觀利用率=(施氮區地上部分的吸氮量-對照區地上部分的吸氮量)/施氮量；

氮肥生理利用率=(施氮區產量-對照區產量)/吸氮量；

氮肥農學利用率=(施氮區產量-對照區產量)/施氮量；

氮肥偏生產力=施氮區產量/施氮量。

采用Excel 2007和SPSS17.0軟件進行數據處理和統計分析，origin8.0軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 施氮對砂土棉花氮素分配量的影響

砂土中不同氮處理各器官在不同生育期內全氮量如圖1所示。總體來看，盛花期花蕾中全氮平均含量為37.22 g·kg-1，均高于其它生育期；花鈴中全氮平均含量呈先升高后降低的趨勢，在盛鈴期達到最大為30.42 g·kg-1；莖中平均全氮含量在盛鈴期也達到最大值為23.22 g·kg-1；葉中平均全氮含量峰值出現在盛花期，為51.07 g·kg-1，到盛鈴期和吐絮期都有所下降。

盛蕾期不同施肥處理間全氮量變化趨勢為處理N2>N3>N1>CK，不同施肥處理間N2 處理全氮量最大為91.32 g·kg-1，比CK增加了192.44%，花蕾中全氮量占N2處理全氮總量的41.43%。N1處理和N3處理花蕾中全氮含量差異不顯著，但都顯著高于CK處理，說明隨著施氮量的增加，植株對氮素的吸收呈現先增后減的變化。盛花期棉花生殖生長逐漸增加，此時砂土中花蕾全氮量較同時期壤土增加13.10%，說明棉花在砂土中比壤土中更早地進入生物量快速積累期。花鈴期棉花的生殖生長加快，花鈴中全氮量繼續增加，而且N2處理花鈴的含氮量達到35.28 g·kg-1，占該處理總氮量的33.96%，說明與其它施肥處理相比，N2處理能夠使棉花氮素更多地向生殖器官運移。吐絮期各處理莖的全氮含量變化不大，花鈴中全氮量最高的為N2處理(26.22 g·kg-1)，比CK增加了31.90%。

2.2 施氮對壤土棉花氮素分配量的影響

由圖2可以看出，隨著棉花生育期的推進，花蕾中全氮含量在盛花期N2處理下達到最大，各處理平均值為35.97g·kg-1，較CK處理增加33.42%。花鈴中全氮量呈現先增加后減小的趨勢，由盛花期(均值20.27g·kg-1)增加到盛鈴期(均值29.69g·kg-1)再到吐絮期(均值22.64g·kg-1)，其中盛鈴期N2處理最高為37.14g·kg-1。不同處理莖的全氮量變化為先增加后減小，在盛鈴期N2處理達到最大的30.91 g·kg-1。整個生育期全氮量最高的器官為葉，其均值由盛蕾期的23.97 g·kg-1增加到盛花期的49.67 g·kg-1，隨后逐漸降低。盛蕾期棉花進入營養生長后期，花蕾在棉花氮素分配中已占據主導地位，其全氮量與葉中全氮量差異不顯著，但總體高于莖中含量。棉株各器官中全氮分配表現為葉>花蕾>莖。不同施氮量處理之間，N2處理各器官全氮含量均為最高，總含氮量為89.37 g·kg-1，比CK增加了66.65%。盛花期棉花生殖生長和營養生長同步進行，植株需氮量增加，各處理全氮量整體表現為處理N2>N3>N1>CK。N2處理達到157.38 g·kg-1，而且N2處理生殖器官中全氮量占總全氮量的47.47%，高于其它施肥處理，說明N2處理對應的施氮量下可以促進棉花氮素向生殖器官轉移。盛鈴期各處理營養器官中全氮量降低，生殖器官中全氮量增加，不同施肥處理間花鈴中全氮量占總氮量的百分比為處理N2>N3>N1>CK，其中N2處理為34.68%，比CK處理增加3.65%。吐絮期不同施肥處理間花鈴中全氮量占總全氮量的百分比持續增加，總含氮量最高的是N2處理(82.13 g·kg-1)，比CK處理增加17.7%。

圖1 不同施肥處理砂土各器官氮素吸收量Fig. 1 N absorption of each organ as affected by N amount in sand soil

2.3 施氮對黏土棉花氮素分配量的影響

黏土不同施肥處理各器官在不同生育期內全氮量如圖3所示，可以看出，全氮總量的變化規律表現為盛花期>盛鈴期>吐絮期>盛蕾期。黏土盛蕾期各施肥處理花蕾、葉中全氮平均含量為100.49 g·kg-1、100.31 g·kg-1，比同時期壤土中含量增加4.90%和4.64%，但莖中氮素含量較壤土降低21.19%，說明盛蕾期黏土中棉花植株根系尚不發達且黏土中水肥下滲速率較低導致植株對氮素的吸收利用主要體現在花蕾和葉片上，并且其氮素利用率較高。盛花期花蕾中氮素含量較壤土增加20.11%，說明黏土花蕾中氮素積累較壤土有所提前；盛鈴期各處理全氮含量表現為處理N2>N3>N1>CK，花鈴中氮素平均含量為118.77 g·kg-1，較壤土增加6.39%，較砂土降低2.46%，表明氮素在不同根層上分布情況壤土優于黏土。吐絮期各處理間氮素總量表現為處理N2>N1>CK>N3，莖中氮素平均含量為71.89 g·kg-1，較壤土降低15.91%，葉中平均含量為108.78 g·kg-1，較壤土降低4.99%，花鈴中氮素含量較壤土差異不顯著，說明在整個生育期后期，氮素在生殖器官中的積累量相對穩定，在營養器官中的積累量有所下降。

圖2 不同施肥處理壤土各器官氮素吸收量Fig. 2 N absorption of each organ as affected by N amount in loam soil

圖3 不同施肥處理黏土各器官氮素吸收量Fig. 3 N absorption of each organ as affected by N amount in clay soil

2.4 不同質地棉田棉花氮素含量在各器官中的分配

由圖4可以看出，隨著生育期的推進，3種質地棉田棉花花蕾中氮素含量變化表現為逐漸升高，其氮素含量變化范圍為37.23～47.52 g·kg-1，而后在花期末端逐漸歸零，但不同質地土壤棉花花蕾中氮素含量存在顯著差異，表現為砂土>壤土>黏土；3種質地下莖中氮素含量各個時期基本以壤土中為最高，砂土中居中，黏土中最低。砂土、壤土、黏土棉花莖中氮素含量變化為19.24～25.75 g·kg-1、19.47～30.49 g·kg-1、14.82～28.84 g·kg-1。鈴中氮素含量表現為逐漸升高，到盛鈴期達到最高后逐漸降低(主要原因在于吐絮期不再追施氮肥)，其平均值各個時期表現為壤土>砂土>黏土，砂土、壤土、黏土棉花莖中氮素含量變化為26.22～35.28 g·kg-1、25.53～37.14 g·kg-1、23.75～35.35 g·kg-1。葉中氮素含量表現為砂土>壤土>黏土，其各個生育期含量變化先升后降，在棉花盛花期達到最大值。盛花期砂土與壤土葉片中氮素含量差異不顯著，但二者均顯著高于黏土葉片中氮素含量。

上述結果表明，黏土不利于棉花根系深扎，根系主要分布在上層土壤，導致根系對氮素的吸收利用率降低而使得黏土棉花氮素在各個器官中的分配量均處于相對劣勢；砂土則有利于棉花根系向深層生長，從而提高了氮素利用率，這在棉花花蕾和葉片中表現尤為顯著；由于壤土的蓄水保肥性介于砂、黏土之間而使得棉花根系在壤土中的空間分布情況也介于砂、黏土之間，表現為花鈴中全氮含量最高，最終也決定了壤土栽培棉花的高產條件。

2.4 施氮對不同質地土壤棉花氮素利用率的影響

由表3可知，砂土中不同施肥處理之間的氮肥生理利用率、農學利用率和偏生產力變化趨勢一致，都表現為處理N1>N2>N3，且各處理間差異極顯著，由N1處理的3.27、12.03、27.4 kg·kg-1降低到N3處理的0.92、2.36、10.8 kg·kg-1；壤土中生理利用率、農學利用率都表現出逐漸降低的趨勢，N1、N2處理之間差異顯著。黏土中氮肥的生理、農學、表觀利用率都表現出先增加后減小的變化趨勢，且黏土生理利用率N2和N3處理之間差異不顯著，表觀利用率N1和N3處理之間差異不顯著，這可能是因為等額灌水的條件下，N2處理促進了棉花營養器官的生長，使棉花地上部分全氮量增加；N3處理施肥量較大，在一定程度上抑制了棉花地上部分營養器官中氮素的積累。

圖4 不同質地棉田棉花氮素含量在各器官中的分配量Fig. 4 N absorption of each organ as affected by different soil textures

處理Treatment生理利用率Physiological efficiency/(kg·kg-1)農學利用率Agronomic efficiency/(kg·kg-1)偏生產力Partial productivity/(kg·kg-1)表觀利用率Apparent utilization/%砂土Sand壤土Loam黏土Clay砂土Sand壤土Loam黏土Clay砂土Sand壤土Loam黏土Clay砂土Sand壤土Loam黏土ClayCK————————————N13.27a1.68a0.02b12.03a6.47ab0.07c27.4a25.6a19.6a0.75c0.27b0.12bN21.57b1.54ab 0.61a7.59 b6.11a2.88a19.1b17.6b17.2b2.65a1.79a2.04aN30.92c0.44c0.59a2.36 c0.94c1.35b10.8c10.4c10.89c1.09b0.89b0.37b

不同質地棉花的氮素利用率，在一次灌水施肥的過程中，N2施肥處理可以提高棉花氮素的利用效率。整體來看，三種質地間氮肥的利用效率存在差異，砂土的氮肥利用效率高于壤土、黏土。說明相同施肥灌水條件下，砂土較壤土、黏土有更高的氮素利用率。

2.5 施氮對不同質地棉花產量的影響

由表4可以看出，三種土壤質地下籽棉產量均表現出處理N2>N1>N3>CK，N2處理下砂土、壤土、黏土棉花產量均達到最大值，分別為6428.70、6869.70、5647.69kg·hm-2，較CK處理分別增產41.49%、41.51%、82.86%。施氮處理的單株鈴數和單鈴重幾乎都高于CK處理；就株數而言，砂土N2、N3處理差異不顯著；壤土N1、N3處理間差異不顯著；黏土施氮處理間差異不顯著，較CK處理差異顯著。單株鈴數砂土N2、N3處理和黏土N1、N3處理間差異不顯著，而壤土各處理間差異顯著。單鈴重壤土N1、N3處理差異不顯著。總體來說，壤土N2處理平均籽棉產量為6869.70 kg·hm-2，較相同栽培條件下砂土和黏土分別增產6.86%和21.64%，這進一步說明相同栽培條件下壤土較砂、黏土增產效果明顯。

表4 不同質地土壤棉花產量

3 討 論

3.1 施氮對棉花平均全氮含量的影響

3.2 土壤質地對棉花全氮在各器官中分配的影響

有研究指出，相同處理條件下棉株對氮、磷、鉀的累積量表現為砂壤土>重壤土，且不同質地間差異達顯著或極顯著水平，說明在偏粘性土壤上不利于棉花植株對養分的吸收和累積[14]；棉花全生育期氮素積累總量隨著生育期的推移而增加，在棉花鈴期達到最高，不同生育階段，棉花各器官內的氮素水平不同[15]；本試驗結果表明，同種質地下棉花各器官全氮含量在鈴期之前表現為葉>花蕾>莖；鈴期之后表現為葉>鈴>莖；不同質地條件下莖、鈴中全氮含量均表現為壤土>砂土>黏土，這主要是由于莖作為主要的氮素運輸場所表現為運輸大于吸收，此外，由于砂質土壤中微團聚體和大團聚體較少，在隨水施肥的過程中較粗的單粒迅速降解而使土粒沉實，不利于側根多發而影響根系對氮素的吸收，表現為莖稈較壤土細長；氮素在花蕾、葉中表現為黏土中最少，這主要是由于黏土中毛管水移動困難，灌溉水難以下滲而使犁底層或黏粒積聚層形成上層滯水而影響棉花根系下伸，從而影響氮素吸收[16]。

3.3 氮肥和土壤質地對滴灌棉花產量的影響

多項研究表明，棉花產量受多種因素影響，水肥在灌溉條件下作用顯著并存在報酬遞減效應[17]。李新偉[18]等通過對不同氮水平下棉花的產量效應研究認為，施氮量與棉花產量之間的關系可根據一元二次方程擬合回歸方程；本試驗研究結果表明，在棉花不同施氮處理下，棉花籽棉產量以N1處理(240 kg·hm-2)最高，其次為N2處理(340 kg·hm-2)。當施氮量再增加時，產量有下降的趨勢，這主要是由于本實驗以施氮量作為可變要素在等量增加的同時，可變要素的投入量與其它固定要素(如土壤基礎肥力、氣候狀況、灌溉量等)逐漸接近最佳的組合比，表現為籽棉產量遞增，當氮肥投入量與其它固定要素的配合比例恰當時，籽棉產量達到最大，如果繼續增加施氮量，生產要素的投入量之比就越來越偏離最佳組合比，表現為產量遞減趨勢。相同灌水條件時，N2處理下棉花單株鈴數壤土與黏土差異不顯著；N1處理下棉花單鈴重砂土與壤土、N3處理下壤土與黏土差異不顯著，這主要是由于N3處理條件下，高施氮量黏質土孔細往往被水占據，通氣不暢，好氣微生物活動受到抑制而影響棉花根系下扎，導致產量與壤土差異不大。并且砂土、壤土、黏土分別以256.00 kg·hm-2、287.34 kg·hm-2、369.25 kg·hm-2的施氮量能夠達到最高目標產量。

本研究只在棉花單一品種下進行了研究，且限于本研究控制的土壤質地處理數量較少，有關土壤質地引起的生物與化學性質差異對棉花氮素吸收和產量形成的影響還有待進一步加強。因而，今后在本地區要進行長期的、更全面的大田驗證及應用，以確定棉花在不同質地土壤栽培條件下的氮肥利用率，為不同質地棉田定量化的肥料投入提供理論依據。

4 結 論

1)不同施氮處理對各質地土壤棉花平均全氮含量表現為N2>N1>N3>CK。

2)同種質地棉花各器官全氮含量在鈴期之前表現為葉>花蕾>莖；鈴期之后表現為葉>鈴>莖，不同質地條件下葉、花蕾、花鈴、莖中全氮含量表現均表現為砂土>壤土>黏土。

3)相同灌水條件時，N2處理下棉花單株鈴數壤土與黏土差異不顯著；N1處理下棉花單鈴重砂土與壤土、N3處理下壤土與黏土差異不顯著，并且砂土、壤土、黏土分別以256.00 kg·hm-2、287.34 kg·hm-2、369.25 kg·hm-2的施氮量能夠達到最高目標產量。

致謝：本研究得到了呂新老師和新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室數字農業與精準農業課題組的大力協助，在此深表謝意！

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