不同種植模式棉花產量、種植效益與氮素利用率比較分析

楊長琴，張國偉，王曉婧，劉瑞顯，倪萬潮

（江蘇省農業科學院經濟作物研究所/ 農業農村部長江下游棉花與油菜重點實驗室，南京 210014）

麥棉兩熟是長江流域棉區的主要種植制度，受栽培品種、種植目標、生產力水平和機械化生產需求等因素影響，棉花種植模式發生了重大轉變，由傳統的麥棉套栽模式轉變為麥后移栽棉和麥后直播棉模式[1-3]。 麥后移栽棉模式以中熟雜交棉為主要品種類型， 采用營養缽育苗移栽，走“小、壯、高”途徑獲得高產[3-5]，該模式生產用工多、機械化程度低[4-5]。 麥后直播棉模式采用大田播種，以早熟常規棉品種為主，以集中“現蕾、成鈴和吐絮”實現高產[3,6-7]；該模式具有輕簡化、適宜機械化生產的特點。

進一步明確高產高效模式，是當前棉花高效生產亟需解決的問題。 麥后移栽棉模式和麥后直播棉模式高產思路不同，采用的栽培技術也存在較大的差異。 麥后移栽棉模式采用“低密高氮”技術，而麥后棉直播模式采用“高密低氮”技術[3-4]，2種種植模式的適宜施氮量分別為375 kg·hm－2和150 kg·hm－2， 生育期內分別施用4～5 次和2次[3,6]。可見，2 種種植模式的氮肥運籌差異較大。在提高氮素效率前提下實現高產才能實現植棉高效、可持續發展。

提高作物氮素效率歷來是科學研究的熱點。眾多研究表明不同品種對氮素的吸收和利用存在差異[10-13]；在栽培技術上，研究一致認為適宜的氮肥運籌[6,8-9,14]有利于獲得較高產量，同時提高氮肥利用率。 就麥后移栽棉和麥后直播棉2 種種植模式而言，其氮肥運籌、氮素利用率不同[3,5-6,8,14]，且在適宜品種、種植方式、種植密度、播期等[2-5,15-16]方面均存在較大差異，但已有研究多在單一種植模式下進行， 不能準確反映2 種種植模式在產量、效益和氮素利用率方面的差異。

本研究在大田條件下，設置麥后移栽棉和麥后直播棉2 種種植模式，比較2 種種植模式下產量、效益及氮素效率的差異，以期明確長江流域棉區麥棉兩熟種植制度下適宜的棉花高產高效種植模式，也為高產高效栽培提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2016 年、2017 年在江蘇省大豐區稻麥原種場（120°28′E，33°12′N）進行，供試土壤為砂壤土，2 年0～20 cm 土層有機質含量分別為12.5 g·kg－1、12.3 g·kg－1，全氮含量分別為1.4 g·kg－1、1.3 g·kg－1， 速效磷含量分別為30.5 mg·kg－1、29.8 mg·kg－1， 速效鉀含量分別為178 mg·kg－1、183 mg·kg－1，pH 分別為8.02、8.13。

2016 年：采用2 因素裂區設計。 種植方式為主區因素，設移栽（P1）和直播（P2）2 個水平；氮肥運籌為裂區因素，設不施氮（N0，0 kg·hm－2）和適宜氮肥運籌（N1，根據前期研究結果[3-5,15-16]，P1 方式為375 kg·hm－2，P2 方式為150 kg·hm－2）2 個水平。 其中，P1 方式采用中熟品種泗雜3 號（V1，生育期130 d），P2 方式采用早熟品種中棉所50（V2，生育期105 d）。

2017 年：采用3 因素裂區設計。 種植方式為主區因素，品種為裂區因素，氮肥運籌為小裂區因素。 主區和小裂區水平設置同2016 年，裂區設中熟品種和早熟品種2 個水平，品種同2016 年。

2016 年、2017 年分別有4 個和8 個處理，均為4 次重復，小區面積36 m2。2016 年、2017 年P1方式分別于4 月20 日、22 日播種，大麥收獲后5月24 日和5 月25 日移栽，密度30 000 株·hm－2，行距1 m；P2 方式播種與P1 方式移栽時間相同，密度97 500 株·hm－2，行距0.76 m。 P1 方式氮肥按苗肥、初花肥、盛花肥和蓋頂肥施用，分別占總施氮量的20%、25%、40%和15%；P2 方式氮肥按苗肥和初花肥施用，分別占40%和60%。 其他田間管理措施按高產要求進行。

表1 棉花生育期間氣象信息Table 1 Meteorological information during the cotton growth period in 2016 and 2017

1.2 測定內容與方法

1.2.1產量及霜前花率。 吐絮期選擇3 個重復于每小區選生長一致具有代表性的棉株15 株測定成鈴數；每小區收取中上部正常吐絮棉鈴30 個，測定鈴重和衣分，計算理論皮棉產量。4 個重復各小區分別實收計產，霜前花率（%）＝11 月10 日前收獲籽棉產量/籽棉總產量×100。

1.2.2生物量與養分測定。 2016 年、2017 年分別于P1 方式播種后57 d 和60 d 起每隔20 d 每個小區取連續3 株（P1 方式）或5 株（P2 方式）具有代表性棉株，按莖枝、葉片和蕾鈴等不同部位分開，105 ℃殺青30 min 后于80 ℃烘干至恒重，測定生物量。 樣品粉碎后分別用凱氏定氮法[17]測定全氮。 相關指標計算如下[16]：

生物量（氮素）經濟系數（%）＝生殖器官生物量（氮素累積量）/地上部生物量（氮素累積量）×100；

氮素表觀利用率（%）＝（施氮區吸氮量－不施氮區吸氮量）/氮肥用量×100；

氮素農學利用率（kg·kg－1）＝（施氮區皮棉產量－不施氮區皮棉產量）/氮肥用量；

氮素生產效率（kg·kg－1）＝皮棉產量/ 地上部氮。

1.2.3收益分析。 依據理論產量計算產值，記錄田間管理用工、機械和農資等費用，計算棉田收益。

1.3 統計分析方法

采用Microsoft Excel 軟件處理數據，用SPSS 11.0 軟件進行統計分析。 最小顯著性差異法檢驗差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式對棉花生育進程的影響

2016 年試驗，與P1 相比，P2 苗期、蕾期和鈴期平均歷時分別減少17 d、8 d 和2 d。 2017 年試驗，與P1 相比，P2 苗期、蕾期平均歷時分別減少10 d 和2.8 d， 鈴期則增加3.5 d。 同一種植方式下，與V1 相比，V2 的苗期、蕾期和鈴期平均歷時均有所減少，如P2 下分別減少7.5 d、4.5 d、9.5 d。全 生 育 期 P1V1N1、P1V1N0 處 理 較 長， 而P2V2N0 與P2V2N1 處理較短（表2）。

表2 不同種植模式對生育進程的影響Table 2 The effects of different planting systems on cotton growth process

2.2 不同種植模式對棉花群體生物量累積與分配的影響

2016 年適宜氮肥運籌下，7 月18 日后P2 地上部生物量和8 月5 日后P2 生殖器官生物量高于P1，8 月5 日后經濟系數相反。 2017 年結果相似。 2017 年相同氮肥運籌下，8 月6 日后地上部生物量P2 高于P1；同一種植方式相同氮肥運籌下，8 月6 日后V1 地上部生物量高于V2。 就生殖器官生物量而言， 相同氮肥運籌下9 月15 日P2 生殖器官生物量高于P1； 同一種植方式相同氮肥運籌下V1 9 月15 日P2 生殖器官生物量高于V2。 就生物量經濟系數而言，不同種植方式間P1 高于P2；品種間V2 高于V1。2017 年P2V1N1處理地上部和生殖器官生物量最高， 其次是P2V2N1 處理（圖1）。

2.3 不同種植模式對棉花產量及經濟效益的影響

2.3.1棉花產量。 2016 年相同氮肥運籌下，P2皮棉產量顯著低于P1。2017 年V1 在適宜氮肥運籌條件下，P1 處理皮棉產量顯著高于P2，V2 則相反；同一種植方式相同氮肥運籌下，V2 皮棉產量顯著低于V1。同一種植方式相同品種下N1 皮棉產量顯著高于N0。 種植方式、品種和氮肥運籌三者中氮肥運籌對皮棉產量影響最大，其次是品種，再次為種植方式，其中施氮量提高皮棉產量達58.1%。種植方式與品種、種植方式與氮肥運籌對皮棉產量互作顯著，2017 年P1V1N1 處理皮棉產量最高，其次是P2V1N1 處理，再次為P2V2N1處理（表3）。

2016 年相同氮肥運籌下， 與P1 相比，P2 霜前花率顯著增加，2017 年與2016 年一致。 2017年同一品種相同氮肥運籌下，P2 霜前花率顯著低于P1；同一種植方式相同氮肥運籌下，V2 霜前花率顯著高于V1。 品種對霜前花率影響比種植方式大， 早熟品種的霜前花率比中熟品種提高了18.6%。霜前花率以P1V2N0 處理最高。種植方式與品種對霜前皮棉產量均無顯著影響，適宜氮肥運籌顯著增加霜前皮棉產量。 此外，種植方式、品種 與 氮 肥 運 籌 兩 兩 互 作，P1V1N1、P1V2N1、P2V2N1 處理霜前皮棉產量較高（表3）。

表3 不同種植模式對棉花皮棉產量與霜前皮棉產量的影響Table 3 The effects of different planting system on cotton lint yield and pre-frost lint yield

2.3.2經濟效益。 由表4 可見，2 年P1V1N1、P2V1N1 和P2V2N1 處理籽棉產值較高。 適宜氮肥運籌下，P1 籽棉產值是P2 的1.0～1.2 倍；但P1 總成本是P2 的1.8～2.0 倍， 成本構成中人工費成本占76.6%～85.0%，而P2 的人工費僅為P1的46.2%～49.0%，P2 收益大幅度高于P1。 適宜氮肥運籌條件下，2016 年、2017 年P1 每公頃收益分別為6 736 元和4 690.5 元，P2 分別為15 610元和20 436 元。同一種植方式下，V1 每公頃收益高于V2。2016 年P2V2N1 處理每公頃收益最高；2017 年P2V1N1 和P2V2N1 處理較高， 分別為21 279 元和19 593 元。

表4 不同種植模式棉花經濟效益的比較Table 4 Comparison of different planting systems on output value and benefit of seed cotton （元·hm－2）

2.4 不同種植模式對棉花群體氮素累積及分配的影響

圖2 可見，2016 年相同氮肥運籌下，與P1 相比，P2 地上部和生殖器官氮累積量均降低， 但氮經濟系數差異較小。2017 年同等條件下的相關結果與2016 一致。 2017 年同一品種相同氮肥運籌下，7 月18 日至8 月25 日P2 地上部氮素累積量高于P1，到9 月15 日 差異較小。 同一種植方式相同氮肥運籌下，8 月6 日后V1 地上部氮累積量高于V2。 就生殖器官氮素累積量而言，同一品種相同氮肥運籌，8 月6 日P2 生殖器官氮素累積量高于P1，其后則相反；相同氮肥運籌下，9月16 日生殖器官氮素累積量V1 高于V2。 就氮素經濟系數而言， 相同氮肥運籌下P1 高于P2；品種間，同一種植方式相同氮肥運籌下，V2高于V1。

2016 年9 月16 日，P1V1N1 處理地上部和生殖器官氮累積量最高；2017 年P1V1N1 處理最高，其次是P2V1N1 處理。

2.5 不同種植模式對氮素吸收和利用的影響

由表5 可見，2 年試驗P2 棉花氮素表觀利用率和農學利用率均顯著高于P1；2017 年P1 條件下V2 的氮素表觀利用率和農學利用率高于V1；P2 下V1 的表觀利用率顯著高于V2， 而氮素農學利用率差異不顯著。 種植方式與品種二者中，種植方式對氮素表觀利用率和農學利用率的影響較大，直播方式的農學利用率和氮肥表觀利用率較移栽方式分別提高40.0%和76.4%。 就氮素生產效率而言，2016 年P2 顯著高于P1；2017 年結果與2016 年一致。 2017 年同一品種相同氮肥運籌下，總體上P1 氮素生產效率高于P2；同一種植方式下V2 顯著高于V1。 種植方式與品種、品種與氮肥運籌顯著，三者中品種對氮素生產效率的影響最大；較之于中熟品種，早熟品種的氮素生產效率提高了45.3%。

表5 不同種植模式棉花氮素效率的比較Table 5 Comparison of different planting systems on cotton nitrogen efficiency

3 討論

3.1 不同種植模式對棉花生長發育的影響

隨著早熟棉育種的成功，長江流域棉區直播棉種植模式得以發展[18]。不同種植模式下，播期不同棉花生長發育所處的溫光條件不同，生育進程有差異[16,19]。 與移栽的中熟品種相比，直播棉花苗期縮短幅度較大，早熟和中熟品種分別縮短18 d和10～11 d， 全生育期分別縮短27～30 d 和8.5 d（2017 年）。 直播方式播期推遲30～35 d 后，早熟和中熟品種分別在9 月上、 中旬和10 月上旬吐絮，可見，麥后直播早熟品種生長轉化早，中熟品種易出現晚熟現象。

種植模式影響生育進程， 也必然影響生物量。 與移栽方式相比，直播方式下棉花密度高、截獲光能更多，施氮條件下吐絮期群體生物量高于移栽方式下的中熟品種或相當，但移栽方式經濟系數較高， 這與其光合產物向生殖器官分配較早、再分配能力強有關[13,20]。 同一種植方式下，早熟品種個體生長量小， 其生物量低于中熟品種，但經濟系數高于中熟品種。

3.2 不同種植模式對棉花產量和收益的影響

王寅等[21]研究表明，直播方式下油菜籽粒產量與移栽方式相近，但直播方式下適宜施氮量明顯低于移栽方式，本研究結果相似。 研究還發現，直播方式下中熟品種的皮棉產量低于移栽方式，而早熟品種則相反， 表明在本研究試驗條件下，中熟品種宜采用移栽方式，而早熟品種宜采用直播方式。 霜前花率是影響麥后棉高產穩產的重要因素。 早熟品種霜前花率較高，適宜氮肥運籌條件下霜前皮棉產量達到1 601.4 kg·hm－2，與移栽方式下中熟品種差異不顯著。

適宜氮肥運籌下，不同種植方式均可獲得較高的籽棉產值。 但移栽方式成本尤其人工成本達到直播方式的2.0～2.2 倍，因此直播方式效益較高。 但直播方式下中熟品種霜前花率低，產值和效益不穩定。

3.3 不同種植模式對棉花養分累積與利用的影響

氮素累積和分配是作物生物量和產量形成的基礎[22-23]。 本研究發現，種植方式與品種對地上部氮素累積量及其氮素經濟系數的影響與其對地上部生物量及其經濟系數的影響相似，生育后期以直播方式氮素累積量與生物量較高，而經濟系數則以早熟品種較高。 棉花對氮素的高效吸收利用是實現高產高效的重要途徑[11]。種植方式、品種2 個因素中，種植方式對氮素農學利用率和表觀利用率影響較大，與前人對水稻和油菜直播方式的農學利用率[24-25]和表觀利用率[25]低于移栽方式的研究結果不同， 除了與作物不同有關外，還與不同種植方式采用相同氮肥運籌[25]有關，而不同種植方式對氮素響應不同[2-3,5-6,21]。此外，直播方式下氮肥農學利用率高，可能與直播棉花對氮肥較為敏感有關[6]，氮肥表觀利用率高與其群體密度高有關。 已有的研究表明，不同棉花品種因長勢、熟相及產量水平的不同，對氮肥吸收、利用的效率也存在較大差異[11-12,26-27]。 本研究表明種植方式、品種與氮肥運籌3 個因素中，品種對氮素生產效率影響最大，不同種植方式下早熟品種的氮素生產效率均較高， 與早熟品種生長轉化快、生物量與氮素經濟系數高有關。 由此可知，采用氮素表觀利用率和農學利用率高的種植方式，配合氮素生產效率高的品種，可以以較少的氮肥投入獲得較高的產量， 在化肥減施的同時實現增效，也有利于提高植棉效益、保護環境。

4 結論

長江流域棉區麥后移栽棉易獲得高產，但收益低，且氮肥農學利用率、表觀利用率及生產效率均較低。 麥后直播中熟品種霜前花率低，且氮素生產效率低； 可實現較高產量和效益的同時，氮素農學利用率、 表觀利用率和生產效率均較高。 因此，麥后早熟品種有利于植棉輕簡高效和可持續發展。

致謝：

感謝江蘇省現代作物生產協同創新中心對本研究的支持！