水氮耦合對棉田土壤水分時空分布及產(chǎn)量效應(yīng)的影響

徐彥軍，廉葦佳，劉翔宇，斯拉依丁·司馬義，唐秋菊，艾尼瓦爾·阿不都拉

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院吐魯番農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆吐魯番 838000；2.阿拉山口海關(guān)，新疆阿拉山口 833418)

0 引 言

【研究意義】土壤中水分作為植物可以直接吸收利用的水源更是關(guān)系著植物的一切生理活動[1]。不同水氮施用比例對土壤水分空間結(jié)構(gòu)分布存在著不同影響。水分分布直接關(guān)聯(lián)著棉花對水分的吸收和利用效率[2]。過度灌水施肥時有發(fā)生[3-4]。新疆化肥消耗量由1975年的13.0×104t到2002年的194.0×104t年均增長量7.0×104t[5]。棉田施氮量顯著高于其他大田作物[6]。水肥施用量相對較低的組合為棉花生長發(fā)育提供了更有利的條件，有效的控制水肥施用量，對棉花水肥管理有重要意義。【前人研究進(jìn)展】汪昌樹等[7]在研究中發(fā)現(xiàn)基于不同灌水下對棉花生育期內(nèi)的生長有顯著影響在灌溉量達(dá)到5 172.4 m3/hm2，可獲得最高的水鹽利用率。王海江等[8]研究發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)水氮組合為灌水4 800.0 m3/hm2、施氮肥300.0 kg/hm2。在這個組合下,棉花干物質(zhì)積累、水分利用效率和產(chǎn)量均達(dá)到最大。何懷杰等[9]在研究中發(fā)現(xiàn)，棉花在滴灌施氮條件下，棉花各項生理指標(biāo)隨施肥量的增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，在灌溉量5 250.0 m3/hm2、施氮量500.0 kg/hm2時棉花產(chǎn)量達(dá)到最大值5 433.4 kg/hm2，百鈴質(zhì)量432.2 g，平均單株鈴數(shù)9.2個。【本研究切入點(diǎn)】前人研究大多基于灌溉量或施肥量等單因素對作物生長的影響[10-12]，而對水氮耦合效應(yīng)的探究多集中在對棉田水分運(yùn)移的影響[13-14]，而水氮耦合效應(yīng)對棉田水鹽消耗情況鮮有報道。在不同時期干物質(zhì)積累量和最終棉花產(chǎn)量多方面的聯(lián)合研究始終存在空缺。【擬解決的關(guān)鍵問題】研究不同水氮施用比例對棉田不同地區(qū)水分時空分布的影響，分析棉花不同時期生物量及最終棉花產(chǎn)量變化，總結(jié)出棉花不同生育期水氮施用的合適施用量，以提高棉花有效產(chǎn)量。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計

采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計，以灌溉量為主區(qū)，設(shè)2 250.0 m3/hm2(低灌溉量)、3 450.0 m3/hm2(常規(guī)灌溉量)和4 650.0 m3/hm2(高灌溉量)，3個灌溉量(以W1、W2和W3)。設(shè)0 kg/hm2(空白)、300.0 kg/hm2(常規(guī)施肥量)和600.0 kg/hm2(高施氮量)，3個純氮投入量(N1、N2和N3)重復(fù)3次，共27個小區(qū)。整個生育期灌水10次，灌水時施肥。(6月20日開始灌頭水，8月22日最后1次灌水)。小區(qū)總面積1 345.5 m2。采用1膜2管6行，行距采用寬行66.0 cm，窄行10.0 cm，株間距10.0 cm的種植方式。表1

表1 水氮施用配比組合Table 1 Combination Table of Water and Nitrogen Application Ratio

1.2.2 測定指標(biāo)

1.2.2.1 土壤水分鹽分

于第1次灌水前1 d和灌水后1 d為1組間隔7 d采用時域反射儀(Time Domain Reflectometry,簡稱TDR,TRIME-PICO 64,IMKO,Germany)金屬探針測定土壤電常數(shù)換算成土壤體積含水量，寬行水平測定位點(diǎn)距滴5.0 cm，窄行水平測定位點(diǎn)位于窄行中間。各點(diǎn)每10.0 cm為一層，每層測定3次，測深80.0 cm，采用寬行和窄行數(shù)據(jù)均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖1

圖1 土壤水分鹽分測定示意Fig.1 Schematic diagram of soil moisture and salt fraction determination

1.2.2.2 干物質(zhì)含量

自5月20日開始取樣，測定干物質(zhì)含量，后每間隔30 d測定1次干物質(zhì)。分別取邊行3.0株和中行3.0株，整株棉花分別分離根、莖、棉桃3個組份進(jìn)行干物質(zhì)測定，求出總干物質(zhì)量，求取平均值。分別將采集的不同植物組織部分放入烘箱，105.0℃烘干至恒重稱重[15]，測定干物質(zhì)。

1.2.2.3 產(chǎn)量

吐絮期分別測定個處理棉鈴數(shù)及株數(shù)，在每小區(qū)長勢均勻且連續(xù)的棉花處選取150.0個棉鈴稱重、計算鈴重，風(fēng)干后軋花，用電子天平測定皮棉質(zhì)量，計算衣分率，折算產(chǎn)量。

1.2.2.4 鹽分余量P值

不同水氮施用處理對土壤水分時空分布的影響分析：對采取的土壤水分及鹽分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分類，以每1次澆水后測定數(shù)值和下1次澆水前測定數(shù)值為1組，測定固定時間內(nèi)，土壤中鹽分余量P值，土壤中鹽分的消耗情況I值[16]；土壤中水分余量D值，土壤中水分消耗情況Y值。

P=下一次氮前測定值/前一次氮后測定值。

(1)

I=1-P.

(2)

D=下1次施水前測定值/前1次施水后測定值。

(3)

Y=1-D.

(4)

而I值和Y值可以間接的表達(dá)棉花植株對土壤中不同層次的鹽分及水分吸收利用情況。

1.2.2.5 各階段干物質(zhì)及最終產(chǎn)量

將采集的各階段干物質(zhì)數(shù)據(jù)及最終產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，而后將分類好的數(shù)據(jù)按組打包導(dǎo)入DPS Version 7.05(Data Processing System Software, Inc.CHN)進(jìn)行最小顯著差異LSD法進(jìn)行顯著性測驗(yàn)[17-18]，不同字母表示為二者間的差異顯著(P<0.05)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用DPS Version 7.05(Data Processing System Software, Inc.CHN)和Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉田土壤鹽分時空分布變化

研究表明，不同時期不同水氮施用處理情況下I值存在著不同變化，在棉花生長全生育期內(nèi)各個不同時期都有著隨著水氮施用量的不斷增加，I值漸漸上升，但在到達(dá)W3N2水氮施用量后就會呈現(xiàn)下降趨勢的規(guī)律，過高的水肥施用量并不能有助于棉花植株吸收鹽分。其中6月27日不同處理下土壤中鹽分的消耗量并無差異，8月1日不同處理下土壤中鹽分的消耗量最大。在8月1日這一時間段W3N2水氮施用組合下對土壤中鹽分的消耗量達(dá)到了最大值10.4%。相較W1N1處理鹽分消耗量高出64.2%，與其他處理組相比較在各個不同的時期都有著一定的優(yōu)異性，7月18日、7月25日、8月8日幾個時間段W3N2水氮施用組合下土壤鹽分消耗情況皆顯著高出其他處理組。分別高出W1N1處理組65.0%、85.4%和67.1%。間接的反映出棉花植株在這一時期對鹽分的吸收量達(dá)到峰值，W3N2水氮施用組合最有利于棉花植株對土壤中無機(jī)鹽的吸收利用。圖2

圖2 不同時間段不同處理下土壤鹽分I值均值比較Fig.2 Comparison of mean values of soil salinity I under different treatments in different time periods

2.2 棉田土壤水分時空分布變化

研究表明，不同時期不同水氮施用處理情況下Y值存在著不同變化，在棉花生長全生育期內(nèi)各個不同時期都有著隨著水氮施用量的不斷增加，Y值漸漸上升，但在到達(dá)W3N2水氮施用量后就會呈現(xiàn)下降趨勢的規(guī)律，過高的水肥施用量并不能有助于棉花植株吸收水分。其中6月27日之間不同處理下土壤中水分的消耗量差異性相對較少，8月1日間不同處理下土壤中水分的消耗量的差異性最大。在8月1日這一時間段W3N2水氮施用組合下對土壤中鹽分的消耗量達(dá)到了最大值11.7%，相較W1N1處理水分消耗量高出92.4%，與其他處理組相比較在各個不同的時期都有著顯著的提高，7月18日、7月25日、8月8日幾個時間段W3N2水氮施用組合下土壤鹽分消耗情況分別比W1N1處理顯著高64.8%、88.2%和68.3%。8月1日這一時期棉花植株對水分的吸收利用率達(dá)到了最大。

土壤中鹽分及水分在不同時期的消耗量情況不同，W3N2水氮施用組合下棉花植株對土壤中水分及鹽分的吸收利用效率有著顯著提升，并且棉花植株對水分和鹽分的吸收利用率存在著一定的相似性。圖3

圖3 不同時間段不同處理下土壤鹽分Y值均值比較Fig.3 Comparison of mean values of soil salinity Y under different treatments in different time periods

2.3 不同水氮施用處理對棉花生長各個階段干物質(zhì)的影響

研究表明，在不同時期的不同處理條件下干物質(zhì)總量間存在著不同的變化，不同處理棉花干物質(zhì)積累特征值，表現(xiàn)為隨生育時期推進(jìn)不斷呈“慢-快-慢”的趨勢，擬合系數(shù)均大于0.99。

花期(6月20日)，鈴期(7月20日)及吐絮期(8月20日)各不同處理間存在著顯著差異性關(guān)系，而苗期(5月20日)各不同處理同干物質(zhì)之間并不存在顯著性差異，不同水氮施用量對棉花各個不同生育時期都有著不同的影響。在花期W3N2水氮施用組合下棉花植株干物質(zhì)積累量最多，在該時期W3N2水氮施用組合下棉花植株總干物質(zhì)積累量達(dá)到42.8 g，相較于W1N1處理水平下高出39.0%。但是在花期W3N2、W2N2、W2N3、W3N3等4個水氮施用組合下棉花對干物質(zhì)的積累量與W3N2，并無顯著性差異。

鈴期，W2N2水氮施用組合干物質(zhì)積累量顯著高于其他處理。該水氮施用組合下棉花平均總干物質(zhì)積累量達(dá)到了90.9 g，相較于W1N1水氮施用組合下平均干物質(zhì)積累量增加了38.0%。吐絮期，W3N2水氮施用組合下棉花植株干物質(zhì)積累量最多，在該時期W3N2水氮施用組合下棉花植株總干物質(zhì)積累量達(dá)到143.5 g，相較于W1N1處理水平下高出40.0%。花期、鈴期、吐絮期隨著水氮施用量的逐漸升高棉花的干物質(zhì)積累量也逐漸增加，在W3N2處理下花期和吐絮期干物質(zhì)積累量達(dá)到峰值，隨后逐漸呈現(xiàn)下降趨勢。相比較于W1N1處理W3N2處理下干物質(zhì)積累量有著顯著提高。表2

表2 不同處理棉花干物質(zhì)積累的Logistic函數(shù)生長模型及相關(guān)參數(shù)Table 2 Logistic function growth model and related parameters of cottons bioaccumulation under different treatments

各處理間干物質(zhì)積累總量差異主要表現(xiàn)在開花期至吐絮期，而苗期至開花期各處理間差異較小。吐絮期時，在灌溉量一定的條件下，各灌溉量下棉花干物質(zhì)積累總量均隨施肥量的增加呈N2>N3>N1的特點(diǎn)，其中N2處理分別比N1處理高41.5%、53.0%和28.0%。在施肥量一定的條件下，各施肥量下棉花干物質(zhì)積累總量均隨灌溉量的增加而增加，W3處理分別較最低的W1處理高56.7%、41.8%和71.6%。施肥量過高會在一定程度上抑制干物質(zhì)積累，而增加灌溉量可提高植株對氮素的吸收利用，干物質(zhì)積累總量隨之增加。圖2

圖4 各生育時期不同處理棉花干物質(zhì)積累總量Fig.4 Cotton bioaccumulation in different growth stages under different treatments

2.4 不同水氮施用處理對棉花產(chǎn)量的影響

研究表明，W3N3水氮施用比例為相較于其他組合產(chǎn)量有著顯著提高，該處理下平均單株結(jié)鈴數(shù)可達(dá)到6.2個，與W1N1處理組相比產(chǎn)量提高了30.0%，有著顯著提高，但是W3N3、W3N2、W2N33組水氮施用組合之間不存在顯著性差異。該處理水平下的單鈴重達(dá)到了5.4 g，與W1N1處理組相比產(chǎn)量提高了32.5%，在W3N3、W3N2、W2N33組水氮施用組合之間不存在顯著性差異。籽棉產(chǎn)量這一指標(biāo)同樣是在W3N3處理水平下達(dá)到最高值，與W3N2處理無顯著差異。中單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、籽棉產(chǎn)量3項指標(biāo)存在高度一致性，W3N3處理組情況下單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、籽棉產(chǎn)量，3項指標(biāo)均達(dá)到峰值。比較W3N2和W3N32個處理組情況下單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、籽棉產(chǎn)量3項產(chǎn)量指標(biāo)并不存在顯著性差異，但是W3N2處理水平下氮肥施用量更低，因此，W3N2處理水平下的水氮施用量在保證棉花高產(chǎn)的前提下更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保。灌溉量對單株成鈴和單鈴質(zhì)量有顯著影響，對產(chǎn)量有極顯著影響；施肥量對單株成鈴有顯著影響，對產(chǎn)量有極顯著影響；二者交互作用對單鈴質(zhì)量及產(chǎn)量有顯著影響。表3

表3 不同處理下產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素變化Table 3 yield and yield components under different treatments

3 討 論

3.1 水氮耦合對棉田水鹽運(yùn)移的影響

不同水氮施用量情況下棉田土壤水分及鹽分構(gòu)象存在不同的變化，不同的土壤水鹽構(gòu)象影響著棉花植株的生長，李冬冬等[19]在研究中表明，適當(dāng)?shù)耐寥利}分含量有利于降低棉花生育期耗水量，在不影響棉花干物質(zhì)積累的閾值內(nèi)，有利于提高棉田的水分利用效率，在額定灌水量4 500.0 m3/hm2，施肥量456.4 kg3/hm2時，棉花對鹽分及水分的吸收量達(dá)到最大值。試驗(yàn)結(jié)果表明，W3N2水氮施用組合下棉花植株對土壤中水分及鹽分的吸收利用效率有著顯著提升，試驗(yàn)中W3N2水氮施用組合的灌溉量為4 650.0 m3/hm2，施氮量為300.0 kg/hm2。比較灌溉量與前人研究略有升高，施肥量相比于前人發(fā)現(xiàn)的最適施用量422.6 kg3/hm2，試驗(yàn)研究結(jié)論中300.0 kg/hm2的施氮量有著顯著減少。相較于前人在棉田土壤水鹽運(yùn)移[20]和田間最適灌溉量，肥量的研究[21]，試驗(yàn)更加注重水氮耦合效應(yīng)對土壤水分和鹽分的實(shí)時變化情況及棉花植株對土壤中鹽分和水分的吸收情況。水氮耦合效應(yīng)的研究能夠更加準(zhǔn)確的把握在大田管理中，對水和肥的合理施用。

3.2 水氮耦合對棉花干物質(zhì)積累的影響

雷詠雯等[22]在研究中發(fā)現(xiàn)，棉花干物質(zhì)的積累量隨著水氮施用量的增加而增加，但是當(dāng)灌溉量達(dá)到5 125.3 m3/hm2、施氮量達(dá)到305.5 kg/hm2時，棉花植株干物質(zhì)的積累量不再增加。試驗(yàn)中水氮施用量與棉花植株的干物質(zhì)積累量之間也存在相似的關(guān)系，試驗(yàn)中W3N2處理下棉花的干物質(zhì)積累量達(dá)到峰值，試驗(yàn)中W3N2水氮施用組合的灌溉量為4 650.0 m3/hm2，施氮量為300.0 kg/hm2。施氮量與前人研究達(dá)到一致，但適于干物質(zhì)積累的灌溉量相比于前人研究中發(fā)現(xiàn)的5 125.3 m3/hm2，試驗(yàn)中的灌溉量4 650.0 m3/hm2有著顯著降低。比較前人在水氮耦合對棉花干物質(zhì)積累方面的研究[23-24]，試驗(yàn)更加注重棉花各個時期干物質(zhì)積累量之間存在的統(tǒng)一關(guān)系。發(fā)現(xiàn)對棉花生長和干物質(zhì)積累有利的水氮施用組合。

3.3 水氮耦合對棉花產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

作物高產(chǎn)基于合理的田間管理及事宜的生長環(huán)境[10]，在一定的生長環(huán)境條件下田間管理就顯得格外重要，灌溉量和施肥量的合理把控為作物高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。楊首樂等[15]在研究中發(fā)現(xiàn)，棉花產(chǎn)量隨著水氮施用量的增加而增加，但灌溉量達(dá)到3 900.0 m3/hm2，施氮量達(dá)到300 kg/hm2棉花產(chǎn)量不再增加，試驗(yàn)中單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、籽棉產(chǎn)量3項指標(biāo)最高的水氮施用組合均是W3N3。W3N3為灌溉量最多，施氮量最多的組合，在試驗(yàn)中，隨著灌溉量和施肥量的增加棉花產(chǎn)量始終處于上升階段，并沒有出現(xiàn)臨界值。在研究中[21]最佳水氮施用組合需要通過大量的試驗(yàn)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型去得出最佳預(yù)測，通過預(yù)測結(jié)果設(shè)計合理的試驗(yàn)計劃去完成驗(yàn)證。對于影響棉花高產(chǎn)的水氮施用組合結(jié)果還需要再次開展基于試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證試驗(yàn)。

4 結(jié) 論

不同的水氮施用量處理下土壤水分，鹽分的吸收量，棉花植株不同時期干物質(zhì)的積累量以及最終的產(chǎn)量都有著不同的變化，在W3N2處理下土壤中的鹽分和水分有著相對較好的吸收量，相較于W1N1處理鹽分消耗量高出64.2%，水分消耗量高出92.4%，有著顯著的提高。6月20日、7月20日、8月20日這個時期，水氮施用的最佳組合分別為W3N2、W2N2、W3N2，相較于W1N1處理分別高出39.0%、38.0%和40.0%。W3N3水氮施用組合下棉花植株產(chǎn)量最高，比W1N1處理高30.0%。