不同氮素處理下棉花冠層光合有效輻射與其產量及構成因素的相關分析

韓 鵬，黃春燕，王登偉，肖從和

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

0 引 言

【研究意義】氮素影響著作物的生長狀況和農田小氣候，是限制作物優質高產的重要因素之一[1-3]。由光合有效輻射(PAR)衍生的吸收光合有效輻射(APAR)與光合有效輻射吸收系數(FAPAR)被認為是作物吸收利用太陽輻射的重要指標，可以反映作物的光合作用能力及其生物產量[4-6]。研究不同氮素水平下的棉花冠層 APAR、FAPAR隨生育期的變化特征，建立與棉花產量和其構成因素之間的相關關系，監測棉花的生長狀況和產量，對預測新疆棉花產量具有重要意義。【前人研究進展】毛家偉等[7]研究了隨著施氮量的增加，煙葉PAR截獲量也逐漸增多。吳曉麗等[8]通過多地試驗發現，小麥在不同氮素管理條件下，冠層PAR截獲率在生育期表現出一致的變化趨勢，且不施氮處理下的PAR截獲率最低。Hou等[9]通過改變水稻的種植密度和施氮量，研究了水稻的PAR截獲量，發現隨著施氮量的增加，水稻的PAR截獲量先升高，在較高的施氮量下趨于穩定。李艷大等[6]研究了水稻不同氮素栽培條件的冠層PAR與水稻產量之間相關關系，發現隨著氮素投入的增多，PAR截獲量增多，水稻產量與PAR利用率有著極顯著的正相關關系，且不同水稻品種的PAR截獲量和利用率均存在顯著差異。Eloy等[10]研究黑荊的光合有效輻射的轉化效率，發現干物質的增加量與光合有效輻射截獲累積量呈極顯著的線性正相關，且決定系數值較高(R2=0.92)。Cherbiy-Hoffmann等[11]通過遮蔭對牛油果產量與PAR的相關關系的研究證明，PAR與牛油果產量構成因子之間均存在顯著或極顯著的雙線性關系。Wang等[12]研究玉米和白菜的間作效應，發現其產量與PAR之間存在著極顯著的正線性關系。【本研究切入點】雖然有研究對作物冠層APAR、FAPAR的生育期特征與產量進行了分析，但較少涉及不同氮素處理下與產量構成因素之間的相關關系。研究2個棉花品種不同氮素條件下的冠層APAR、FAPAR隨生育期的變化規律。【擬解決的關鍵問題】采用裂區試驗設計，研究棉花新陸早61號和新陸早72號在不同氮素條件下的冠層APAR、FAPAR隨生育期的變化規律。分析棉花產量和其產量構成因素與APAR、FAPAR之間的相關關系，利用線性及非線性的方法建立二者之間的相關模型，為科學調控棉花的栽培管理提供理論依據。

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院試驗站(N44°18′，E86°03′)進行。試驗小區面積為25 m2，試驗地前茬種植作物為棉花，土壤類型為灰漠土，堿解氮含量16.2 mg/kg、有效磷含量4.3 mg/ kg、有效鉀含量130.1 mg/ kg、有機質含量14.2 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗采取兩因素裂區試驗設計，氮素處理為主區，設置4個氮素處理，氮肥(尿素，含N 46.4%)用量為過量施氮N3(純氮450 kg/hm2)、適量施氮N2(純氮300 kg/hm2)、少量施氮N1(純氮150 kg/hm2)和不施氮N0(純氮0 kg/hm2)，設3次重復；品種處理為副區，供試品種為長勢穩健、早熟性好、吐絮集中、適合機采的新陸早61號和新陸早72號，其中新陸早61號為Ⅱ式果枝，新陸早72號為Ⅰ-Ⅱ式果枝。

棉花種植模式采用寬膜覆蓋，膜下鋪設滴灌帶， 每幅寬膜上66 cm+10 cm寬窄行的6行種植模式，種植密度為17.40×104株/hm2，膜上點播，是通過PLC控制的水肥一體化設備自動完成膜下氮肥隨水滴施，每次自動記錄灌水量和施肥量，共滴水10次，其中出苗水滴施432 m3/hm2，滴水總量為4 320 m3/hm2，施肥7次。2019年4月24日播種，7月13日打頂，整個生育期使用縮節胺化學調控，化控共7次，田間及時防控病蟲害，其余管理方式與大田相同。表1

表1 棉花2個品種全生育期的隨水施肥

1.2.2 指標測定

1.2.2.1 光合有效輻射

在2個棉花品種的盛蕾期、盛花期、開花結鈴期、盛鈴期以及吐絮初期，用美國Li-cor公司的Li-190SA線性光量子傳感器在晴朗、無云、無風的天氣，選取長勢一致，無病蟲害、具有代表性的樣點位置，于當天12:00和14:00時采集光量子數據。測定時先將Li-190SA光量子傳感器垂直于棉花行方向放置，使傳感器受光面朝上，水平泡居于水平球中心位置，距離棉花冠層上方15 cm測得冠層光合有效輻射，后放置于垂直棉花行方向的地面測得棉花下層光合有效輻射，再將光量子傳感器分別順棉花寬行和窄行的行向的地面上水平放置，測定棉花寬窄行的光合有效輻射，將測定的3個地面的光合有效輻射值平均作為下層的光合有效輻射，每個樣點測3次，取其平均值，最后把棉花2個時段的光合有效輻射的平均值，作為各處理冠層上層和下層的PAR。

1.2.2.2 吸收光合有效輻射和光合有效輻射吸收系數

根據每次測得的棉花冠層的光合有效輻射，記作PARt，測得的下層及寬窄行的光合有效輻射的平均值作為棉花下部的光合有效輻射，記作PARb，根據公式①，分別計算棉花2個時段的吸收光合有效輻射APAR。另外通過公式②，計算棉花2個時段的光合有效輻射吸收系數FAPAR。將同一時期測定的2個時間段數據計算得到的APAR、FAPAR分別平均，作為該時期的APAR、FAPAR。

APAR=PARt-PARb.

①

②

1.2.2.3 棉花產量

在棉花的收獲期分別于2個品種各重復每一處理間選取一定單位面積(2.28 m×1.46 m)的植株用于產量的測定，通過測定單位面積總株數、單株有效結鈴數、單鈴重等產量構成因子，將所有測得的數據整理并計算出各重復每一處理的籽棉產量。

1.3 數據處理

采用Excel對數據進行初步處理，并使用Rstudio-1.2對各指標進行分析及作圖。

不同氮素下光合有效輻射相關參量對棉花產量的估測中，不僅需要進行顯著性檢驗，還可以通過均方根誤差(Root Mean Square Error，RMSE)來判斷預測值于實際值之間的精確度，如公式③所示。

③

2 結果與分析

2.1 2個棉花品種不同氮素處理的冠層APAR隨生育時期的變化特征

研究表明，新陸早61號和新陸早72號的APAR，均在盛花期、盛鈴期達到較高值，盛蕾期、開花結鈴期和吐絮前期較低，呈現出“M”型的變化特征。新陸早61號的APAR在開花結鈴期N0處理與其它3個氮素處理之間存在顯著差異，在盛鈴期及吐絮初期4個氮素處理間不存在顯著差異；新陸早72號的APAR在盛花期4個氮素處理之間差異不顯著，但在開花結鈴期N3處理和N0、N1處理間產生了顯著差異，N2和N1間并沒有顯著差異，在盛花期N0、N1處理和N2、N3處理間存在顯著差異，在生長的中后期營養器官消耗的氮素養分較多，氮素供應限制了光合器官生長從而導致APAR值下降。在開花結鈴期，2個棉花品種N0處理的冠層APAR值均顯著低于其它3個氮素處理的APAR。圖1

圖1 不同氮素處理下2個棉花品種冠層吸收光合有效輻射 (APAR) 隨生育期的變化特征

2.2 2個棉花品種不同氮素處理的冠層FAPAR隨生育時期的變化特征

研究表明，棉花新陸早61號和新陸早72號盛蕾期的冠層FAPAR均為最低，盛鈴期的冠層FAPAR達到最高，隨后逐漸降低；棉花盛蕾期相比于其它時期，植株小，葉片少，葉片面積小，光合能力較弱，因此，棉花冠層FAPAR低；在盛花期、開花結鈴期營養生長逐漸向生殖生長轉化，植株葉面積增加，光合作用能力增強，光能利用率提高，其吸收的光合有效輻射大量用于植株生物量的積累，冠層FAPAR則高于盛蕾期和吐絮初期的；棉花吐絮期的各器官的生長量已趨于停止，對光合有效輻射的吸收利用減少，光能利用降低，FAPAR降低。在開花結鈴期時，2個棉花品種N0、N1處理的冠層FAPAR出現下降的現象，N2、N3處理的冠層FAPAR并未出現較大幅度的增加，在棉花開花結鈴期對氮素養分的需求較多，在這一階段氮素的缺乏會導致棉花光合作用能力的下降；同時較高的氮素供應會增加棉花進行光合作用的能力。除盛花期外，其它4個生育時期2個棉花品種4個氮素處理的冠層FAPAR趨勢變化的高低順序都是N3>N2>N1>N0的，且N0、N1處理和N2、N3處理之間均存在顯著性差異，不同氮素供應影響棉花冠層FAPAR的變化。圖2

圖2 不同氮素處理下2個棉花品種冠層光合有效輻射吸收系數 (FAPAR) 隨生育期的變化特征

2.3 2個棉花品種不同氮素處理的產量及其構成因素

研究表明，不同施氮水平對2個棉花品種的產量及單株有效結鈴數均有顯著影響，隨施氮水平的增加，產量增加，不施氮的N0處理的棉花產量與其它3個氮處理之間存在極顯著的差異性。新陸早61號N2處理的籽棉產量為5 949.08 kg/hm2， N0處理的產量僅為4 125.94 kg/hm2，相差1 823.14 kg/hm2；新陸早72號的N3處理與其它3個氮素處理之間存在顯著差異，與N0處理的籽棉產量相差1 319.18 kg/hm2。2棉花品種的單株有效結鈴數隨施氮水平的增加而增加，且不施氮處理下的單株有效結鈴數與施氮處理之間的差異性也達到顯著水平。2個棉花品種4個氮素處理的單鈴重未達到顯著性差異，且2個品種單鈴重之間只有0～0.14 g的區別。氮素缺乏主要體現在棉花單株有效結鈴數的變化，而不是通過單鈴重體現。不施氮均沒有使其產量增加，但是新陸早72號的產量降低的幅度要小于新陸早61號，過量施氮也沒有增加新陸早61號的產量，而新陸早72號卻增加了產量，N3處理的施氮水平并未限制新陸早72號產量的增加。表2

表2 2個棉花品種不同氮素處理產量及其構成因子差異性

2.4 棉花不同時期冠層APAR、FAPAR與產量因子的相關性

研究表明，2個棉花品種4氮素處理5個生育期冠層APAR、FAPAR與棉花籽棉產量和產量構成因素的單株有效鈴數達到顯著和極顯著相關，且只有開花結鈴期的APAR與籽棉產量和產量構成因素單株有效鈴數的相關性達極顯著，5個生育時期的FAPAR與棉花籽棉產量和產量構成因素的單株有效鈴數都達到顯著和極顯著相關，且FAPAR與籽棉產量和單株有效鈴數相關性高于APAR與二者相關性。籽棉產量與冠層APAR、FAPAR相關性最好的時期在開花結鈴期，與開花結鈴期為棉花產量形成的關鍵時期是相吻合的，該時期的APAR和FAPAR與籽棉產量的相關系數均達到極顯著水平(RAPAR-籽棉產量=0.666**，RFAPAR-籽棉產量=0.775**，P<0.01，n=24)；與單株有效結鈴數的相關性也都達到極顯著水平(RAPAR-單株結鈴數=0.632**，RFAPAR-單株結鈴數=0.779**，P<0.01，n=24)。圖3

注：圖中的*、**分別表示0.05、0.01的顯著水平

2.5 基于棉花冠層FAPAR的產量因子估算模型

研究表明，棉花籽棉產量和以開花結鈴期的冠層FAPAR為自變量的線性函數模型的R2、F值較大，且RMSE最小 (R2=0.769**、F=20.199，RMSE=0.392)，籽棉產量預測值與實測值呈極顯著的線性關系(R2=0.852**，P-value=9.46e-07<0.01)，模型精度為93.20%；而在對單株有效鈴數的所有估算模型中，指數函數模型R2、F值最大(R2=0.792**、F=23.574，RMSE=0.413)，其該方程計算的單株有效鈴數的預測值與實測值也存在極顯著的線性關系(R2=0.844**，P-value=1.53e-06<0.01)，模型精度為93.25%。棉花單株有效鈴數和籽棉產量與開花結鈴期的冠層FAPAR之間均存在著較好的相關性，模型精度均高于90%以上。表3，圖4

表3 基于棉花開花結鈴期的冠層FAPAR與籽棉產量和單株有效結鈴數的估算模型(建模集∶檢驗集=16∶8)

3 討 論

影響棉花產量的主要因素取決于其群體對太陽輻射的吸收利用效率，合理的氮肥供應可以改善棉花的生長狀態，改良棉花冠層結構，增強棉花對太陽輻射的截獲和吸收轉化能力，增加棉花產量。氮素影響著作物冠層對太陽輻射的截獲和吸收效率。李迪秦等[16]認為，水稻的群體光合輻射利用率與氮肥有著密切的關系，適宜的氮肥管理技術更有利于群體光合輻射利用率的提高。研究表明，棉花冠層APAR，FAPAR的變化特征與棉花各生育期的生長狀態一致，隨著生育期的推進，不同氮素水平下棉花冠層APAR、FAPAR表現出先上升后下降的趨勢，這與前人研究結論相一致[5-6]。研究還發現不同氮素處理下，棉花各生育期冠層APAR、FAPAR均表現出隨氮素施用量的增加而增加，在適宜氮素處理下，棉花冠層面積增大，所接受的光合有效輻射增多，減少了對光能的損耗，這與前人在多種作物上得到的結論統一[5,7-8,11,15-16]。另外，2個棉花品種相比，新陸早72號的APAR顯著高于新陸早61號，但是其FAPAR要低于后者，說明當棉花群體APAR到達一定程度后，若繼續提高APAR，反而FAPAR下降，影響棉花產量的提高，所以一定的光能損失反而有利于高產，這與前人在水稻上的研究結果相一致[11]。因此，通過比較不同氮素水平下2棉花品種的APAR、FAPAR之間的差異特性，能夠間接獲得更多準確的棉花群體生長狀況信息，監測棉花的生長狀況。

氮素是通過影響單株結鈴數來影響其產量的，而且不同棉花品種對氮素的響應不同，這與前人對不同品種棉花的研究結論相同[1-2，17]。對比棉花不同發育時期冠層APAR、FAPAR分別與棉花單株結鈴數和籽棉產量相關性，發現FAPAR與二者的相關性高于APAR，棉花開花結鈴期的冠層APAR、FAPAR與棉花單株結鈴數和籽棉產量的相關性優于其它時期，與開花結鈴期為棉花產量形成的關鍵時期相一致。分析了2個棉花品種冠層APAR 和FAPAR 隨生育期的變化規律，以及二者分別與棉花產量及產量構成因素的相關關系，并建立相關估算模型，可以通過冠層APAR和FAPAR較好的估算上述棉花產量及棉花單株有效結鈴數。

4 結 論

棉花冠層APAR隨著生育期表現出“M”型的變化趨勢；冠層FAPAR在棉花的生育期內的變化規律為先上升后下降，于盛鈴期出現最大值，盛蕾期出現最小值，且不同氮素水平下棉花冠層FAPAR的變化整體表現為N3>N2>N1>N0的特征。棉花冠層APAR、FAPAR可以作為監測棉花生長狀態的指標之一。

除棉花盛蕾期外，其余各生育期的冠層APAR、FAPAR與棉花單株結鈴數、籽棉產量均有著顯著或極顯著的正線性相關關系，FAPAR與二者的相關性高于APAR。其中開花結鈴期的冠層FAPAR與二者相關關系最高，基于此建立的定量模型中，其中一元線性函數模型可以較好的估算棉花單株結鈴數和籽棉產量，估算精度分別為95.13%、93.26%。