不同氮效棉花品種植株農(nóng)藝性狀、氮素積累及光合特性差異

婁善偉，阿斯卡爾·卡地爾，李 杰，馬騰飛，郭 峰,帕爾哈提·買買提，張鵬忠

(國家棉花工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究的意義】新疆植棉面積在233.3×104hm2(3 500萬畝)以上，2019年棉花產(chǎn)量達511×104t，超過全國總產(chǎn)量的83%，植棉地位極其重要。氮是植物生長所必須的大量元素之一，也是棉花增產(chǎn)的關(guān)鍵因素，但目前新疆普通存在施氮過多現(xiàn)象，有些地區(qū)hm2投入量已超過400 kg/hm2[1]。大量施氮不僅增加了棉花生產(chǎn)成本，而且還污染了環(huán)境，破壞了土壤內(nèi)在平衡[2-3]。減少氮肥使用及浪費，提高棉花的氮肥利用效率，開展不同棉花品種氮效研究，對于探索品種差異，優(yōu)化品種選育，提高氮素效率具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】1934年String等[4]發(fā)現(xiàn)作物品種不同，對氮肥施用的反應(yīng)也不盡相同。1939年Harvey[5]報道了玉米不同品種在吸收利用氮素方面存在差異，Smith等[6]也發(fā)現(xiàn)和證實了不同玉米品種吸氮量存在很大差異。隨后，Broadbent等[7]對水稻基因型的氮素利用率進行分析，也發(fā)現(xiàn)存在顯著的基因型差異.我國也一直很重視不同品種的氮效率差異研究。70年代末，張鴻程[8]以12個普通玉米雜交種及親本為材料進行了研究，對不同氮素水平的玉米雜交種反應(yīng)分為敏感型、不敏型和中間型三種類型。單玉華等[9]研究認為，水稻秈粳亞種間、常規(guī)稻與雜交稻間以及同一亞種內(nèi)不同品種(系)間的氮吸收利用效率差異是普遍存在的，且差異范圍較大。劉萍等[10]對小麥的研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥品種之間存在明顯的差異，冬小麥在利用效率、氮吸收效率、干物質(zhì)重等基本指標與性狀方面存在差異。2013年，趙一超等[11]研究了不同基因型棉花品種氮效率，發(fā)現(xiàn)棉花不同品種氮效也同樣也具有差異。【本研究切入點】相關(guān)研究說明，不同品種氮效差異是普遍存在的現(xiàn)象[12-13]。研究利用高效品種提高養(yǎng)分資源利用效率。【擬解決的關(guān)鍵問題】研究不同品種之間氮效，分析其農(nóng)藝性狀，氮素積累及光合特性，分析差異規(guī)律，提高氮素利用率，為棉花品種篩選以及合理施肥提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2018年在新疆農(nóng)業(yè)大學三坪農(nóng)場實習基地進行。三坪農(nóng)場位于烏魯木齊市西郊26 km，場區(qū)內(nèi)全年平均氣溫7.2℃，積溫為3 000～3 500℃，年最高溫為42℃左右，試驗地無霜期為150～180 d，年均日照時數(shù)2 700～2 800 h，年降雨量為150～500 mm，年均蒸發(fā)量2 647 mm。該試驗區(qū)土壤類型壤土，pH值8.13。列出播前測定小區(qū)土壤基礎(chǔ)肥力。表1

試驗品種為新陸早32號(氮高效品種)和新陸早36號(非氮高效品種)。

表1 土壤基礎(chǔ)肥力Table 1 Foundation fertility

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

以新陸早36號為對照，參考區(qū)域合理施肥(300 kg/hm2)標準，設(shè)置氮素梯度低氮(L)240 kg/hm2和高氮(H)360 kg/hm2兩個水平，采用雙因子隨機區(qū)組試驗設(shè)計。試驗采用膜下滴灌，全生育期灌溉定額2 800 m3/hm2，共滴水6次，寬窄行種植，行距配置按試驗地當?shù)卦耘嗄Ｊ竭M行。小區(qū)面積2.28×4=9.12 (m2)，隨機排列，3次重復(fù)，共12個處理；4月25日播種。10月初開始收獲。理論密度27×104株/hm2。

1.2.2 測定指標1.2.2.1 農(nóng)藝性狀

選擇具有代表性的10株(內(nèi)行5株，外行5株)每10測定棉花株高(cm)，莖粗(mm)、主莖葉片數(shù)、果枝數(shù)、有效果枝數(shù)、倒四葉葉寬。

1.2.2.2 干物質(zhì)與氮素含量

在蕾期(7～8片葉)時第一次取樣，依次在初花期、盛花期、盛鈴期取樣，選3株棉花分根、莖、葉、等器官放入烘箱內(nèi)于105℃下殺青0.5 h后調(diào)溫至80℃下烘干48 h，冷卻稱重測干物質(zhì)，最后粉碎測氮素含量。

1.2.2.3 光合參數(shù)

在棉花除苗期外的各個生育期的11∶00～13∶00 時間內(nèi)的晴朗天氣利用英國 Hansatech公司生產(chǎn)的TPS-2測定葉片凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)(滴灌施肥后的第5 d測定)。

1.2.2.4 產(chǎn)量

在9月25日前后每小區(qū)選擇長勢一致，面積為6.67 m2的3個點測定產(chǎn)量，最終產(chǎn)量取3次重復(fù)的平均值。測產(chǎn)方法：數(shù)出每區(qū)的棉花株數(shù)、吐絮數(shù)、青鈴數(shù)。并在各小區(qū)內(nèi)收取10株上部30朵、中部30朵和下部30朵棉花，帶回稱其單鈴重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS17.0和Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)整理和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量下不同氮效棉花品種農(nóng)藝性狀變化情況

研究表明，不同施氮量下，氮高效品種新陸早32號的株高、莖粗、果枝數(shù)、有效果枝數(shù)均高于非氮高效品種新陸早36號，倒四葉寬反之，主莖葉片數(shù)則規(guī)律不明顯。在低氮量水平下，2個品種的株高、莖粗、有效果枝數(shù)等差異顯著，分別相差8.34 cm、2.34 mm和1.56臺，主莖葉片數(shù)新陸早32號高于新陸早36號；高氮量水平下，2個品種的株高、莖粗、有效果枝數(shù)相差分別為7.31 cm、1.08 mm和1.14臺，差距變小，而主莖葉片數(shù)新陸早32號低于新陸早36號。施氮量低反而更能發(fā)揮氮高效品種的特性，促進株高、莖粗、果枝的生長。表2

表2 不同施氮量對不同氮效棉花品種農(nóng)藝性狀變化Table 2 Effects of different nitrogen application rates on agronomic characters of cotton varieties with different nitrogen efficiency

2.2 不同施氮量下不同氮效品種氮素積累

2.2.1 根系氮素積累

研究表明，通過不同時期取樣發(fā)現(xiàn)不論是在低氮條件下還是高氮條件下，氮高效品種新陸早32號的根系含氮量幾乎都高于非氮高效品種新陸早36號，且都表現(xiàn)出前期根系氮含量較高，后期逐漸下降的趨勢。其中，低氮條件下，2個品種氮素含量變化比較規(guī)律，氮素含量最多差距為1.46 g/kg，而高氮條件下，開始新陸早36號氮含量高，后新陸早32號一直保持較高水平，二者最大差距為2.34 g/kg。圖1，圖2

圖1 低氮水平下不同時期根系氮素含量變化Fig.1 Changes of root nitrogen content at different stages under low nitrogen level

圖2 高氮水平下不同時期根系氮素含量變化Fig.2 Changes of root nitrogen content at different stages under high nitrogen level

2.2.2 主莖氮素積累

研究表明，不同棉花品種莖的氮素積累在低氮和高氮情況下有所不同。低氮水平下，新陸早36號前期莖的氮含量較高，但現(xiàn)蕾后新陸早32號保持較高，且一直維持該狀態(tài)；高氮水平下，新陸早32號盛花前莖氮含量一直保持較高水平，但后期與新陸早36號差距逐漸減少，后期甚至低于新陸早36號。低氮時氮高效品種莖可以更多的積累氮素，而高氮時，則體現(xiàn)不出來積累優(yōu)勢。圖3，圖4

圖3 低氮水平下不同時期主莖莖氮素含量變化Fig.3 Changes of stem nitrogen content at different stages under low nitrogen level

圖4 高氮水平下不同時期主莖莖氮素含量變化Fig.4 Changes of stem nitrogen content at different stages under high nitrogen level

2.2.3 葉片氮素積累情況

研究表明，不同棉花品種葉片氮素積累在低氮和高氮情況下有所不同。低氮水平下，新陸早32號前期氮素含量較高，最大時高出新陸早36號15.23 g/kg，但后期含量逐漸下降，到吐絮前反而低于新陸早36號4 g/kg；高氮水平下，新陸早32號葉片氮含量一直高于新陸早36號，且趨勢明顯，二者現(xiàn)蕾前差距最大，為9.28 g/kg，后一直保持相同下降趨勢。圖5，圖6

圖5 低氮水平下不同時期葉片莖氮素含量變化Fig.5 Changes of leaf nitrogen content at different stages under low nitrogen level

圖6 高氮水平下不同時期葉片莖氮素含量變化Fig.6 Changes of leaf nitrogen content at different stages under high nitrogen level

2.3 不同施氮量下不同氮效棉花品種光合特性的變化

2.3.1 不同氮效棉花品種凈光合速率(Pn)的變化

研究表明，低氮和高氮條件下不同氮效棉花品種的凈光合速率盛花期至盛鈴期最高，吐絮期最低，且新陸早32號的凈光合速率基本高于新陸早36號，低氮水平在盛鈴期二者凈光合速率差距最大，為2.49 μmol/(m2·s)，高氮水平下在盛花期差距最大，為1.90 μmol/(m2·s)。圖7

圖7 不同氮效棉花品種凈光合速率(Pn)變化Fig.7 Changes of net photosynthetic rate (Pn) of cotton varieties with different nitrogen efficiency

2.3.2 不同氮效棉花品種蒸騰速率的變化

研究表明不論是在低氮還是高氮水平下，2個品種的蒸騰速率都隨生育進程呈下降趨勢，蕾期最高，新陸早36號高于新陸早32號，其中高氮時達到13.4 mmol/(m2·g)，吐絮期最低，但新陸早32號高于新陸早36號，低氮時為2.27 mmol/(m2·g)，整體上在低氮水平新陸早36號的蒸騰速率稍高一點，高氮水平下規(guī)律不明顯。圖8

圖8 不同氮效棉花品種蒸騰速率變化
Fig.8 Changes of transpiration rate of cotton varieties with different nitrogen efficiency

2.3.3 不同氮效棉花品種胞間CO2濃度的(GI)的變化

研究表明，低氮和高氮水平下，2個品種的胞間CO2濃度基本都維持在250～280 μmol/CO2mol，低氮水平下二者差距不大，高氮水平下，新陸早32號的胞間CO2濃度要明顯高于新陸早36號。圖10

圖9 不同氮效棉花品種胞間CO2濃度的(GI)的變化Fig.9 Changes of intercellular carbon dioxide concentration (GI) in cotton varieties with different nitrogen efficiency

2.4 不同施氮量下不同氮效棉花品種產(chǎn)量及構(gòu)成因素的變化

研究表明，不論是在低氮水平還是高氮水平下，新陸早32號的產(chǎn)量都略高于新陸早36號，分別高出427 和446 kg/hm2，且單株鈴數(shù)、單鈴重和衣分也均好于新陸早36號，其中高氮水平下分別高出0.14個、1.11 g和0.34%，低氮水平下分別高出0.68個、0.27 g和1.58%，高氮水平下的產(chǎn)量要好于低氮水平，高氮時新陸早32號產(chǎn)量增加519 kg/hm2，新陸早36號增加500 kg/hm2。表3

表3 不同氮效棉花品種的產(chǎn)量及構(gòu)成因素Table 3 The yield and yield component under different nitrogen-efficient cotton varieties

3 討 論

棉花氮素利用效率不僅與施氮量相關(guān)，與棉花品種的特性也密切相關(guān)。施氮不足會導(dǎo)致棉花光合作用減弱，棉籽和棉纖維發(fā)育不完全，鈴質(zhì)量降低，產(chǎn)量下降；過度施氮很容易導(dǎo)致棉花莖稈瘋長，花鈴脫落[16]。段云佳等[17]結(jié)果顯示，施氮過量和過少都會延緩干物質(zhì)積累的起始時間和棉花的最大積累速率，均不利于棉花光合產(chǎn)物特征參數(shù)的協(xié)調(diào)。司轉(zhuǎn)運等[18]在施氮量0～360 kg/hm2研究得出，蕾期隨施氮量的增加，葉片、主莖和吐絮期葉片的含氮量與氮肥用量呈一元二次函數(shù)關(guān)系。生產(chǎn)上強調(diào)合理施氮的重要性。目前，新疆膜下滴灌施肥技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，對施肥量的控制也趨于合理化，如何在合理的施肥條件下提高氮肥的利用效率，就要充分發(fā)揮品種的特性，充分利用不同氮效基因型的特征，據(jù)研究顯示，品種差異造成的肥料利用率變異高達24%～82%。試驗通過設(shè)置不同氮效品種田間試驗，研究二者之間農(nóng)藝性狀，氮素積累及光合特性的差異，不論在施氮低水平還是高水平下，氮高效品種新陸早32號的農(nóng)藝性狀表現(xiàn)較好，尤其低氮水平下，株高、莖粗、主莖葉片數(shù)、果枝數(shù)、有效果枝數(shù)分別為84.78 cm、13.06 mm、15.00片、12.99個、11.34臺；在根系氮素含量上，新陸早32號的根系含氮量高于新陸早36號，且都表現(xiàn)出前期根系氮含量較高，后期逐漸下降的趨勢。在主莖氮含量上，隨生育進程，低氮水平下的新陸早32號后期積累更穩(wěn)定，而高氮水平下則差異不大。葉片氮含量2個品種現(xiàn)蕾前差距最大，低氮水平下為15.23 g/kg，高氮水平為9.28 g/kg；在凈光合速率方面，2個品種盛花期最高，吐絮期最低，新陸早32號的凈光合速率高于新陸早36號，蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度具有相同趨勢，但新陸早36號高于新陸早32號，胞間CO2濃度則變化不大，高氮水平下，新陸早32號的胞間CO2濃度要明顯高于新陸早36號；最終，高氮水平下新陸早32號產(chǎn)量最高，為4 022.82 kg/hm2，相同氮水平下，新陸早32號產(chǎn)量高于新陸早36號。

4 結(jié) 論

4.1 低氮水平下，氮高效品種株高、莖粗、有效果枝數(shù)等農(nóng)藝性狀表現(xiàn)更優(yōu)，比非氮高效品種分別高出8.34 cm、2.34 mm和1.56臺，更利于壯株高產(chǎn)。

4.2 氮高效品種根系的氮含量高于非氮高效品種，利于氮素吸收。

4.3 相比非氮高效品種，低氮水平下，氮高效品種葉片氮素積累快，高氮水平下，不同期氮高效品種葉片氮素的含量要高3～9 g/kg且維持時間長。

4.4 相比非氮高效品種，氮高效品種的光合速率要略高1～2 μmol/(m2·s)，且蒸騰速率略低，利用干物質(zhì)積累。

4.5 低氮水平下，氮高效品種新路新陸早32號產(chǎn)量達到3室503.59 kg/hm2，保證了產(chǎn)量，高氮水平時產(chǎn)量達到4 022.82 kg/hm2，利于產(chǎn)量提高。