增密減氮對滴灌棉花干物質積累分配和產量的影響

李明華, 路 茜, 崔 靜, 樊 華, 趙文青, 劉 揚, 馬富裕

(1 石河子大學農學院/新疆兵團綠洲生態農業重點實驗室, 新疆石河子 832003;2 南京農業大學農學院, 南京 210095)

0 引 言

【研究意義】棉花是世界上最重要的天然紡織纖維作物，占世界纖維總量的35%左右。在我國，棉花種植面積居各經濟作物之首[1]，國家統計局統計2018年全國棉花種植面積為335.4×104hm2，其中新疆種植面積174.4×104hm2，位居全國之首。新疆是我國棉花重要產區，但是存在高產棉田投入氮肥過量問題，使得肥料利用率低、生產成本高。降低氮肥用量并設置密度試驗，對棉花合理密植及優化施氮量有重要意義。【前人研究進展】棉花高產的前提必須有較高的生物量，而生物量則是以養分吸收為基礎[2]。在棉花大田生產中，種植密度和施氮量是兩個重要調控因子，合理種植密度能為棉花群體提供最適宜的生物量，合理種植密度能調節個體與群體之間的矛盾，合理的施氮量能為群體的生長發育提供充足的養分，有利于平衡營養生長和生殖生長的關系。目前，有關施氮量和種植密度對作物干物質積累和產量影響報道較多，研究者普遍認為施氮量過多會引起棉花個體與群體矛盾、不利于營養生長和生殖生長的平衡，增加了干物質積累量，造成蕾鈴大量脫落，顯著降低了經濟產量，造成能源浪費和環境污染[3-4]。種植密度在一定范圍內，單位面積群體產量隨密度增加而增加，當密度達到最佳范圍時，產量達到最大，但再繼續增加密度，產量反而會下降[5-10]。【本研究切入點】棉花生長中，只有維持種植密度和施氮量的平衡，才能發揮出最佳的互作效應，確保棉花高產優質。在穩定棉花產量、改善棉花品質的同時，降低氮肥用量，減少環境污染，實現可持續性生產還有待研究。研究增密減氮對滴灌棉花干物質積累分配和產量的影響。【擬解決的關鍵問題】設置3個種植密度和4個施氮量，研究種植密度和施氮量對棉花干物質積累和產量的影響，為棉花生產合理密植及優化施氮提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2019年在新疆石河子大學農學試驗站進行，選用當地主栽的雜交棉花品種魯棉研24號，該雜交種具有抗枯耐黃、抗棉鈴蟲、植株生長穩健及果枝節位較高等特征。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

設3個種植密度，即低密度(D1，6.9×104株/hm2(4 600株/667m2)，株距19 cm)、中密度(D2，13.8×104株/hm2(9 200株/667m2)，株距9.5 cm)、高密度(D3，24×104株/hm2(16 000株/667m2)，株距11 cm)，寬窄行種植，行距66 cm+10 cm。圖1

圖1 小區棉花種植模式
Fig. 1 Cotton planting pattern

試驗設置4個施氮量，分別為195.5 (N1)、299(N2)、402.5(N3)和506 (N4)kg/hm2，其中N3為當地常規純氮施用量，所有肥料處理均為追施。各處理統一施磷肥180 kg/hm2，以磷酸一銨為磷肥源，施鉀肥180 kg/hm2，以硫酸二氫鉀為鉀肥源。氮肥，蕾期和花鈴期追施比例為3∶7；磷鉀肥，蕾期和花鈴期追施比例為2∶8。所有肥料蕾期分3次施用，追施比例為35%∶40%∶25%，花鈴期分6次施用，花鈴期追施比例10%∶20%∶20%∶20%∶20%∶10%。采用裂區設計，主區為密度，副區為氮素，重復3次；小區面積為2.28 m×13 m。采用寬膜覆蓋膜下滴灌栽培，先鋪膜后點播，2條滴灌毛管置于窄行中間。播種前不灌水造墑。2019年4月24日播種，4月29日補出苗水，7月5日人工打頂。全生育期噴施縮節胺(含N, N-二甲基哌啶氯化物≥96%)，化學調控9次，用量453 g/hm2，其中出苗期1次，用量0.5 g/hm2;現蕾期噴施2次，用量均為16.7 g/hm2；盛蕾前期噴施2次，用量各為33.3和38.9 g/hm2；盛蕾期噴施1次，用量27.7 g/hm2；盛花期噴施1次，用量83.3 g/hm2；盛花結鈴期噴施1次，用量166.7 g/hm2；盛鈴前期噴施1次，用量69.4 g/hm2。其他田間管理措施同膜下滴灌高產棉田。表1

表1 水肥一體化灌溉時間及每次灌溉各肥料成分施用量占總量的比例 Table 1 Irrigation schedule and the proportion of fertilizer application amount under fertigation(%)

1.2.2 葉面積指數

在棉花關鍵時期(盛蕾前期(EFC)、盛蕾期(FS)、盛花期(FF)、盛鈴前期(EFB)、盛鈴后期(LFB)、吐絮期(BO))，每個小區隨機選取長勢一致的3株棉花，將棉株從子葉以上分解成主莖葉、葉枝葉和果枝葉，將分揀好的葉片鋪平排放整齊鋪放在黑布上，隨后進行拍照，每個處理重復3次，利用Matlab 2016a軟件提取葉面積。利用公式計算葉面積指數：LAI(m2/m2)= 單株葉面積(m2/plant)×單位面積株數(plant)/單位土地面積(m2)。

1.2.3 棉株農藝性狀

打頂前后，每個處理選取長勢均勻具有代表性的15株棉花(兩邊行、中行各連續5株)，重復3次，在盛蕾前期、盛蕾期、盛花期3個時期定點定株調查棉花株高(子葉節至頂端)。

1.2.4 干物質積累量

取樣與LAI測量同步，分別在每個處理選取代表性的3株棉花，根據植株器官發育情況，將棉株樣分離為莖、葉和蕾花鈴，置于105℃ 烘箱中殺青30 min，以80℃恒溫烘干至恒重時稱量，測定其干生物量。然后計算單位土地面積的地上部干物質累積量。計算公式如下：

干物質累積量(g/m2)=單株干生物量重(g/plant)×單位面積株數(plant)/單位土地面積(m2)

1.2.5 產量及構成因素

于吐絮期在每個處理選取6.67 m2的樣點，重復3次，調查樣點內全部株數和鈴數，選擇長勢一致的棉株取棉鈴50個，重復3次，分開裝袋、稱量，測定鈴重，折算出單株結鈴數和單位面積總鈴數，并估算產量。

1.3 數據處理

數據經Microsoft Office 2010軟件整理，采用SPSS 20.0 軟件進行兩因素方差分析，不同處理之間所得的均值采用Duncan新復極差法(SSR)進行多重比較，然后經過t檢驗(α=0.05)，采用R3.6.1軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 增密減氮對棉花干物質積累與分配的影響

研究表明,葉片、莖稈的干物質增長在盛蕾期之前比較緩慢，盛蕾期以后增長迅速，在盛鈴前期至盛鈴后期達到高峰，而蕾鈴花干物質的積累量在盛花期之前基本為零，進入盛花期以后逐漸增大，至吐絮期達到最大。在盛花期至盛鈴前期，與低密度(D1)處理相比，中密度(D2)和高密度(D3)處理的植株總干物質平均分別升高了31%和36%，D3較D2處理升高了6%。盛鈴前期以后，D1處理的植株總干物質較D2和D3處理平均分別下降31%和40%，D2較D3處理則下降僅為12%。

種植密度和氮素互作表現為，D3N1、D3N4、D2N2和D3N2處理的植株總干重最大，D3N3、D2N1、D2N3和D2N4處理次之，D1N2、D1N1、D1N3和D1N4處理最小，中高密度有利于增加群體生物量，密度過低不利于棉花群體生物量積累，不同處理的蕾鈴花總干重和植株總干重基本一致。中高密度的總干物質積累量都是先快速增后趨于平緩，蕾鈴花干物質與總干物質變化趨勢一致，且都有N2處理下的總干物質和蕾鈴花干物質最大。圖2

圖2 不同處理下棉花干物質積累與分配
Fig. 2 Effects of different treatments on cotton dry matter accumulation and distribution

研究表明,隨種植密度的提高群體干物質呈升高趨勢，且群體干物質最大值出現在D2N2處理，最大值為25 010 kg/hm2，其次是D3N1處理。在不同密度下，各N1處理均獲得較高的群體干物質。由各器官干物質分配系數來看，低密度處理的莖和葉的干物質分配率隨施氮量的增加而呈升高趨勢，而中高密度隨施氮量的增加而呈先減后增的趨勢。由各器官干物質分配系數來看，高密度處理下莖和葉的干物質分配率低于中密度處理，提高了鈴的干物質分配系數。種植密度和施氮量均能顯著影響棉花植株莖和鈴干物質的積累(P<0.05)，二者對莖和鈴中干物質的積累有顯著的交互作用。表2

2.2 增密減氮對棉花株高、葉面積指數的影響

研究表明,株高隨生育期的推進逐漸增高，盛花期株高基本維持穩定。低密度和中密度處理條件下的株高高于高密度處理，且低密度和中密度處理條件下，均有N2處理株高最高。在盛雷期，3種密度處理條件下，均有N1、N2、N3處理下的株高顯著高于N4處理；在盛花期，則是N1、N2處理下的株高顯著高于N3、N4處理 。圖3

研究表明,低密度(D1)和中密度(D2)處理條件下的主莖葉面積占比，隨著生育期的推進逐漸減少，到了盛鈴前期右有所上升，后又急劇降低，到吐絮期降到最低；而果枝葉面積占比則隨著生育期而增大，在盛鈴前期有所下降，而后又逐漸增大，到吐絮期達到最大。高密度(D3)處理條件下，在盛蕾前期，主莖葉面積的占比都在70%以上，明顯高于D1、D2處理；無論何種施氮水平，主莖葉面積的占比隨著生育進程的推進逐漸下降，在盛鈴前期至盛鈴后期期間，急劇下降，到吐絮期降到最低，果枝葉面積的占比隨著生育期的推進而逐漸增大，到吐絮期達到最大。

從最終的主莖葉面積(吐絮期)占比來看，無論何種施氮水平，均D3>D2>D1，葉枝葉面積占正好相反，D1>D2>D3，而果枝葉面積占比，在N1、N2、N3條件下，均有D2處理的果枝葉面積占比最大。在盛花期之前，低密度的主莖葉面積占比較低，果枝葉面積和葉枝葉面積占比較高，而中高密度處理的主莖葉面積在前期占比較高，果枝葉面積和葉枝葉面積占比較低。圖4

表2 不同處理下棉花地上部干物質積累與分配Table 2 Effects of different treatments on dry matter accumulation and distribution in cotton

注：同列中標的相同字母表示 Duncan’s 分析中 5%水平上沒有顯著性差異; “ns”表示差異不顯著
Note:Means within a column followed by the same letter are not significantly different (P= 0.05) according to Duncan’s multiple range test.“ns”= non-significant. IWUE: yield and irrigation water use efficiency

注：不同字母表示處理間差異達到0.05顯著水平

Note：Different letters represented significant difference at 0.05 level

圖3 不同處理的棉花株高變化
Fig. 3 Changes in cotton plant height under different treatments

圖4 不同處理的棉花葉面積占比變化
Fig. 4 Changes in the percentage of cotton leaf area under different treatments

研究表明,LAI都有隨著生育進程的推進先逐漸增大，至盛鈴后期達到最大，而后又逐漸下降；低密度的最大值范圍在2.9～3.6，中密度的的最大值范圍在5.3～6.0，高密度的最大值范圍在5.5～6.9。4種施氮水平下的LAI，均有D3>D2>D1。在盛鈴后期，D2和D3處理的LAI較D1處理的LAI分別升高了44%和47%，而D3較D2僅升高了5%。在低密度處理條件下，N1、N2較N3、N4的LAI要高，而在中密度處理下，N2、N4較N1、N3的LAI要高。 圖5

圖5 不同處理的棉花葉面積指數變化
Fig. 5 Changes of cotton leaf area index in different treatments

2.3 增密減氮對棉花產量及產量構成的影響

研究表明,種植密度和施氮量對籽棉產量、收獲指數、鈴數和鈴重無顯著影響，但是種植密度和施氮量對籽棉產量、生物學產量和收獲指數的影響極為顯著。不同種植密度條件下的籽棉產量、生物學產量和鈴數都有D3>D2>D1，D3處理相較于D1處理增加27%，D2處理相較于D1處理增加了22%。在低密度和中密度處理下，隨著施氮量的增加，籽棉產量和鈴數都有先降低后增加后再降低的趨勢，生物學產量則是先增后減。表3

表3 棉花產量及產量構成因素Table 3 Cotton production and production composition

注：同列中標的相同字母表示 Duncan’s 分析中 5%水平上沒有顯著性差異; “ns”表示差異不顯著
Note:Means within a column followed by the same letter are not significantly different (P<0.05) according to Duncan’s multiple range test. “ns”= non-significant

3 討 論

3.1 種植密度和施氮量對棉花干物質積累與分配的影響

種植密度和施氮量作為棉花生產最主要的2個調控因子，不僅影響干物質積累量，還影響棉花的產量。棉花高產是以干物質積累為物質基礎，只有群體干物質積累量保持在適宜的范圍內，才有利于平衡營養生長與生殖生長間的矛盾，從而建立合理的群體基礎[11-12]。王士紅等[13]研究表明,群體干物質隨種植密度的增加而升高，且群體干物質最大值出現在8.25×104株/hm2處。支曉宇等[14]研究表明,隨密度增加最大生物量累計值減少，且營養器官占單株總干物質的比例增加，而生殖器官所占比例下降。宋興虎等[15]發現氮肥用量顯著影響棉花生物質累積和產量，施氮量為180 kg/hm2時籽棉產量最高，生物質累積量較大，且生物質快速累積期生殖器官生物量所占比例最大。

試驗表明，中高密度的總干物質積累量都是先快速增后趨于平緩，蕾鈴花干物質與總干物質變化趨勢一致，且都有N2處理下的總干物質和蕾鈴花干物質最大，但該處理下的籽棉產量較低，這可能是營養生長過盛、葉片貪青，不利于后期棉鈴的生長發育。高密度在較低的施氮量條件下也能獲得較高的干物質積累量，蕾鈴花干物質積累量的提高是高密條件下獲得較高干物質積累量的保證。

3.2 種植密度和施氮量對株高、葉面積指數的影響

作物生產是基于群體，而非個體，要獲得高產，就必須協調棉花個體與群體之間各生長參數達到最優化[16]。試驗中，在盛蕾期，3種密度處理條件下，均有N1、N2、N3處理下的株高顯著高于N4處理；在盛花期，則是N1、N2處理下的株高顯著高于N3、N4處理，此時株高基本維持穩定。從葉面積占比來看，在盛蕾前期，高密度處理的主莖葉面積占比高于中低密度處理。最終主莖葉面積(吐絮期)占比來看，無論何種施氮水平，都有D3>D2>D1，葉枝葉面積占比正好相反，D1>D2>D3。在盛花期，D3N1處理主莖葉面積的占比較高，而果枝葉面積的占比卻最低，到吐絮期主莖葉面積與果枝葉面積和葉枝葉面積的占比接近1∶1∶1，而產量僅次于D3N1處理的D3N4處理，也有類似的規律。任何施氮處理下的LAI，均有D3>D2>D1，且中高密度處理下的LAI高于低密度下的LAI。低密度的最大值范圍在2.9～3.6，中密度的最大值范圍在5.3～6.0，高密度的最大值范圍在5.5～6.9。

棉花產量的高低不僅取決于干物質積累量，還取決于干物質向生殖器官的分配，只有光合產物向經濟器官分配越多，產量才會越高。研究表明，種植密度和施氮量均能顯著影響棉花植株莖和鈴干物質的積累，二者對莖和鈴中干物質的積累有顯著的交互作用，由各器官干物質分配系數來看，高密度處理下莖和葉的干物質分配率低于中密度處理，但提高了鈴的干物質分配系數。

3.3 種植密度和施氮量對棉花產量的影響

種植密度和施氮量對棉花產量潛力具有較大的調控作用[17-21]。不同棉區棉花的適宜密度不同，新疆棉區種植密度為18×104株/hm2時皮棉產量最高[22-23]。目前棉花大田生產上的種植密度13.8×104株/hm2、施氮量402.5 kg/hm2可得到較高產量，但是生產成本較D2N3相比，D3N1與D3N2卻分別增加2.7%和4.5%，其中主要為種子和人工投入的增加。鈴數、鈴重是獲得高產的2個主要因素。

4 結 論

增加種植密度可以顯著提高棉花中后期干物質積累速率，而適當增加施氮量則有利于協調營養生長和生殖生長，提高干物質積累量，實現棉花高產優質。兩者互作條件下，增密減氮可充分調節個體與群體之間的矛盾，實現協同發展，進而發揮群體增產潛力，最終實現氮肥供應與棉株需求之間的平衡。當種植密度增加到適宜范圍時，可通過調控施氮量達到棉株最適鈴數和鈴重是高產穩產，棉花種植密度從常規的13.8×104株/hm2增加到24×104株/hm2，施氮量從常規的402.5 kg/hm2減少為195.5 kg/hm2，增密減氮后鈴數顯著增加，棉花產量得到提高。