氮肥運籌對雹后重播受旱棉花生長特性及產量影響

代健敏,張巨松,徐新龍,李始鑫,翟夢華,孫明輝

(1.新疆農業大學教育部棉花工程研究中心,烏魯木齊 830052;2.新疆沙雅農技服務中心,新疆沙雅 842200)

0 引 言

【研究意義】新疆是我國重要的棉花高產區之一,也是最大的內陸灌溉棉區[1-3]。近年來,干旱、冰雹等頻發,給作物帶來傷害[4-5],水資源短缺也是制約作物產量和農業發展的重要因素[6],尤其是南疆農業灌溉主要依靠天山融雪和蓄水池,水資源極其有限,若棉花蕾期水不能及時供應,導致棉花受旱產量下降。氮肥合理施用是調控作物生長發育和產量的主要措施[7-8]氮肥過量施用會導致氮肥利用率降低[9-10]。2021年5月14日棉花正值1片真葉時,新疆沙雅縣海樓鎮突降冰雹,冰雹顆粒像蠶豆大小,持續時間10 min多,將棉花全部砸成光桿,于5月18日進行重播。因此研究氮肥運籌對雹后重播受旱棉花生長特性及產量影響,對提高受旱棉花生長及高效管理有重要意義。【前人研究進展】韓會玲等[11]研究表明,當水分供應不足時,水分脅迫會影響棉花的生長和產量,而蕾期持續干旱對棉花的生長發育影響較大,合理施用氮肥可促進棉花生長和產量增長[12],適宜的施氮策略可增加鈴期之前的營養器官干物質積累和提高鈴期之后生殖器官的分配比例,但過量施用氮肥使棉花營養生長過旺,生殖生長效率降低[13]。丁紅等[14]研究發現,施用適量氮肥可提高干旱脅迫下花生光合作用能力,對干旱脅迫起到一定的緩解作用;何夢迪等[15]研究發現增施氮肥能促進干旱脅迫下小麥根系的生長、提高根系活力,可提高小麥的抗旱能力。石洪亮等[3]表明施氮量300 kg/hm2時對棉花水分虧缺補償效應最明顯,棉花產量增產39.9%?！颈狙芯壳腥朦c】目前有關雹后重播受旱棉花進行氮肥運籌的研究較少,需結合棉花生產實際研究氮肥運籌對重播受旱棉花生長特性及產量的影響。【擬解決的關鍵問題】研究氮肥運籌對雹后受旱棉花的影響機理,分析施氮肥對雹后重播受旱棉花生長特性及產量的影響,確定受旱棉花的最佳氮肥運籌,揭示氮肥運籌管理下棉花地上部干物質積累和產量構成,為干旱地區棉花水肥高效管理技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2021年在新疆沙雅縣海樓鎮(41°17′N、82°43′E,海拔982 m)進行。該地區屬溫帶大陸性干旱氣候,多年平均降水47.3 mm,年蒸發量1 500～2 000 mm,無霜期180～223 d,全年日照時數3 031.2 h,年均氣溫10.8℃。該試驗地5月14日遭遇冰雹災害,5月18日重播,供試棉花品種為新陸早66號。試驗地前茬為棉花,土質為沙壤土。表1

表1 土壤理化性質

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

棉花蕾期干旱處理和生育期施氮分配配比試驗,采用76 cm等行距種植模式。確定2個滴灌時間連續10 d測定土壤含水量,土壤(0～50 cm)含水量低于14%時正常灌溉(6月25日),土壤含水量連續10 d低于10%后達到中度水分脅迫后灌溉至土壤含水率達14%(7月6日)。自棉花現蕾后,間隔3 d取0～50 cm土層土樣,采用烘干法測定土壤含水率0～50 cm蕾期棉田土壤平均含水率:6月19日、6月21日、6月23日、6月25日、6月26日、6月28日、7月1日、7月3日和7月5日分別為14.8%、14.1%、13.8%、CK灌水、9.99%、9.88%、9.67%、9.56%和9.25%;干旱設置:6月26日至7月5日內持續10 d平均土壤含水率≤10%[16]。

采用裂區試驗設計,主區因素為2個水分處理:正常水分處理(CK)、中度水分脅迫處理,總灌水量為3 800 m3/hm3;副因素為氮肥,設4種追氮比例:不施氮(N0)、以盛鈴期為界限分為(蕾期肥+花期肥)∶鈴期3∶7 (N37)、蕾期+花期∶鈴期肥5∶5 (N55)、蕾期+花期∶鈴期肥7∶3 (N73)4種追施氮肥配比,各處理總施氮量均為純氮320 kg/hm2。重復3次,共8個處理,24個小區,幅寬2.3 m;小區面積(3膜)70 m2,試驗地總面積共1 680 m2。根據棉花出苗-吐絮,共滴水7次,自現蕾開始每10 d滴水1次。每次滴灌量由水表控制,氮肥經電子秤稱量后, 對應各處理放入施氮罐中,隨水滴施,按照1水1肥進行。其他管理同大田一致。施用的肥料為尿素(N 46%)、顆粒狀過磷酸鈣 (P2O512%) 和農用顆粒鉀肥 (K2O 40%)?；?尿素施用總量的 20%,顆粒狀過磷酸鈣 200 kg/hm2,農用顆粒鉀肥 100 kg/hm2。追肥全部施用尿素 (總量80%)。表2,表3

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 農藝性狀

在棉花收獲階段,每小區均選取長勢均勻的棉株10株,調查各小區棉花品種的株高、莖粗,有效果枝數等主要農藝性狀。

1.2.2.2 生育進程

生育期是從出苗期到吐絮期的天數,調查并記載各小區棉花出苗、現蕾、初花、盛花、盛鈴、吐絮的日期,以大田50%棉株到達各時期調查數量標準為準。

表2 大田棉花不同生育期氮肥運籌

表3 各處理每次灌水量與施氮量

1.2.2.3 葉面積指數

自棉花現蕾起使用LAI-2000植物冠層分析儀,在棉花主要生育時期,在各處理小區選取棉花長勢均勻樣點,將LAI-2000探頭水平放置在距離地面0、20、40、60 cm處,每個樣點測4個值(即中行、寬行、邊行,裸行),取平均值,重復3次,測定葉面積指數。

1.2.2.4 凈光合速率

于棉花盛蕾期、盛花期、盛鈴期、吐絮期,用便攜式光合儀CIRAS-2測定主莖功能葉片凈光合速率(Pn),打頂前選取主莖功能葉倒四葉,打頂后選取主莖倒三葉。測定時間為晴朗無云天氣的11:30～13:30,每處理測定5片葉,取平均值。

1.2.2.5 地上部分干物質積累與分配

地上部干物質積累與分配于棉花盛蕾期、盛花期、盛鈴期和吐絮期,在每小區選取代表性植株6株,按營養器官(莖、葉)和生殖器官(蕾、花、鈴)分開,105℃殺青30 min,之后在80℃恒溫烘干至恒重,稱量其地上部干物質量并計算營養器官與生殖器官的分配量。

1.2.2.6 產量及產量構成因素

在棉花吐絮期記錄各小區株數和鈴數;在棉花收獲時期調查各小區的實際收獲株數及鈴數,并在每個小區拾取棉株上部吐絮棉鈴30朵,中部吐絮棉鈴40朵,下部吐絮棉鈴30朵,共計100 朵,稱量并計算棉花的單鈴重和衣分,重復3次。根據棉花產量構成,計算各小區籽棉產量和皮棉產量。

1.3 數據處理

試驗數據使用SPSS23.0軟件進行方差分析,采用Duncan法進行處理間多重比較(P<0.05),利用Graphpad整理數據并繪圖。

2 結果與分析

2.1 氮肥運籌對重播受旱棉花生育時期的影響

研究表明,初花期以前各處理差異不大,初花期開始顯現差異。在同一氮肥處理下,生育進程隨著水分脅迫處理明顯提前,中度水分脅迫處理較CK提前7～14 d,初花期至盛鈴期表現為顯著性差異。在同一水分處理下,初花期后N37、N55、N73較N0平均延長了7.25、5.25、6.5 d;從整個生育時期來看,N37、N55、N73較N0延后了16、8、18 d,N0、N55自初花期后出現輕度早衰,N0在吐絮期變現為嚴重早衰。表4,表5

2.2 氮肥運籌對重播受旱棉花農藝的影響

研究表明,在同一氮肥處理下,中度脅迫的株高、真葉數、有效果枝、倒四葉寬均略微降低,莖粗顯著降低。在CK處理下,株高、莖粗、真葉數、倒四葉寬均表現為N37>N55>N73>N0,雙鈴率表現為N55>N37>N73>N0;在中度水分脅迫下株高、莖粗、真葉數、倒四葉寬均表現為N37>N73>N55>N0,雙鈴率表現為N37>N73> N55>N0。重播棉花蕾期中度水分脅迫在各項指標均低于CK處理,但氮肥后移有利于增加莖粗、真葉數、有效果枝數以及雙鈴率,且增加效果明顯。表6

表4 不同處理下棉花生育進程

表5 不同處理下棉花生育進程

表6 不同處理下棉花農藝性狀的比較

2.3 氮肥運籌對重播受旱棉花LAI的影響

研究表明,在出苗后57 d(初花期)各處理差異性不大,在初花期以后開始顯現差異,并在出苗后77 d(盛鈴期)達到最大。在同一氮肥處理下,不同氮肥處理LAI呈現先上升后下降的趨勢,在盛鈴期達到最大。在CK處理下,N37、N55、N73較N0增加了44.35%、56.18%、36.02%,在中度水分脅迫處理下,N37、N55、N73較N0增加了67.70%、29.46%、40.22%,且在N37處理下,中度水分脅迫較CK處理LAI提高了,10.35%,且至盛鈴后期(出苗87 d)仍然保持較高水平,氮肥后移有效保證了棉花后期葉片的光合有效面積,提高了光合產物的積累能力。圖1

圖1 不同處理下棉花LAI的比較

2.4 氮肥運籌對重播受旱棉花Pn的影響

研究表明,各處理在7月24日(初花期)差異性不明顯,初花期后差異性顯著。同一水分處理下各氮肥處理Pn均呈現先上升后下降,在盛花期達到最大(N0在初花期達到最大);中度水分脅迫處理較CK處理Pn下降在盛花期、盛鈴期下降了12.19%、18.67%。隨著生育進程的推進,在CK處理下,各氮肥Pn表現為N55>N37>N73>N0,中度水分脅迫處理下各氮肥Pn表現為N37>N73>N55>N0。在中度水分脅迫處理下,盛花期棉花N37、N55、N73處理Pn較N0增加49.75%、25.12%、37.81%,盛鈴期增加65.29%、13.58%、28.67%;CK處理下N37、N55、N73理Pn較N0在盛花期增加30.62%、44.67%、37.79%,在盛鈴期增加44.01%、68.91%、56.18%。在CK處理下N55處理棉花Pn提高效果顯著;在中度水分脅迫處理下,N37的Pn提高顯著且高于CK處理。氮肥后移對重播蕾期受旱棉花凈光合效率有顯著提升效果。圖2

圖2 不同處理棉花凈光合速率(Pn)動態變化

2.5 氮肥運籌對重播受旱棉花干物質分配影響

2.5.1 氮肥運籌對重播受旱棉花干物質積累的影響

研究表明,棉花單株地上部總干物質快速積累時間段出現在出苗后37～105 d。同一氮肥處理下,中度脅迫處理較CK處理的持續時間短1～7 d,但最大積累速率增加了49.6%。在CK處理下,棉株干物質積累量、持續時間及最大干物質積累速率表現為N55>N73>N37>N0;至吐絮期,在CK處理,N73、N55、N37較N0處理干物質積累量增加32.19、68.3、25.73 g,持續時間縮短了了6、3、7 d,最大積累速率提高了36.03%、100%、47.74%;在中度脅迫處理下,N73、N55、N37較N0處理干物質積累量增加74.08、25.39、42.08 g;持續時間縮短了0、4、3 d,最大累積速率提高了135.4%、27.08%、55.21%。中度水分處理下N37能夠有效的協調生殖生長和營養生長之間的關系,加速營養生長向生殖生長的轉變。表7

2.5.2 氮肥運籌對重播受旱棉花干物質分配的影響

研究表明,營養器官干物質積累至盛鈴期最大隨后降低;生殖器官干物質積累和分配比例隨著生育進程的推進逐漸增加。在同一氮肥處理下,中度脅迫處理較CK處理的棉花營養器官干物質積累量、生殖器官干物質積累量平均降低了8.63%、54.83%。在同一水分處理下,在盛蕾期、初花期各氮肥處理間營養器官干物質積累量、生殖器官干物質積累量無明顯差異,自盛花期開始呈現差異,在CK處理下,營養器官干物質積累量、生殖器官干物質積累量均表現為N55>N73>N37>N0;在中度脅迫處理下,養器官干物質積累量、生殖器官干物質積累均表現為N37>N73>N55>N0。重播受旱的棉花氮肥后移有利于營養生長向生殖生長的轉化,促進最終產量的形成。圖3,表8

圖3 不同生育時期各處理棉花營養器官與生殖器官干物質積累分配的動態變化

表8 吐絮期棉花營養器官與生殖器官分配比例比較

2.6 氮肥運籌對重播受旱棉花產量及產量構成因素的影響

研究表明,在同一氮肥處理下,中度水分脅迫處理較CK處理單株結鈴數、籽棉產量減少了5.7%～22.9%、3.92%～32.81%;單鈴重、衣分無明顯差異。在同一灌水處理下,N37處理衣分均顯著大于其他處理;在CK處理下,不同氮肥處理在單株結鈴數、單鈴重、籽棉產量均表現為N55>N37>N73>N0;在中度水分脅迫處理下,不同氮肥處理在單株結鈴數、單鈴重、籽棉產量均表現為N37>N73> N55>N0。在CK處理下,N37、N55、N73較N0處理單株結鈴數增加14.77%、30.52%、17.04%;單鈴重增加了4.95%、5.48%、4.42%,籽棉分別增產了20.72%、37.58%、21.91%;中度水分脅迫處理下,N37、N55、N73較N0處理單株結鈴數增加50.66%、24.57%、29.52%,單鈴重增加了44.5%、5.57%、2.39%,籽棉分別增產了57.33%、17.39%、32.93%。在重播棉花蕾期中度水分脅迫處理下,N37處理有利于棉花增產且效果最優。表9

表9 不同處理下棉花產量構成因素變化

3 討 論

植物地上器官的生長發育對水分脅迫非常敏感,在水分脅迫的情況下,脅迫水平、脅迫持續時間和一些外部環境條件的變化會造成植物生長指標的一些差異[17]。Ramliga等[18]通過在田間人為設置水分脅迫的研究表明,在任何一種處理下,水分脅迫對棉花的生產都有不利的影響,使棉株株高、真葉數、有效果枝數等降低。研究認為[19-20]適宜的氮肥運籌,能夠改善棉花的生育進程,增加株高、真葉數和倒四葉寬,有利于棉花生物量的積累。研究表明,在初花期后各處理呈現出差異,生育進程隨著氮肥追施比例不同而出現明顯延遲,中度脅迫處理下N37、N55、N73較N0處理平均延遲了16、8、18 d,N0、N55自初花期后出現輕微早衰現象,至吐絮期N0處理出現嚴重早衰,不利于產量的形成。在同一氮肥處理下,中度水分脅迫處理較CK處理的株高、真葉數、倒四葉寬、有效果枝數有所下降,雙鈴率有所提高,與鄭劍超等[19]、Ramliga 等[18]研究結果一致。干旱脅迫降低葉面積指數,限制光合作用速率并導致光合物質積累減少[16,21]。合理施氮肥運籌是調控棉花生長、光合生產率和增產的重要措施[22-24]。張旺鋒等[23]研究結果表明,施氮量為0～300 kg/hm2,群體光合速率隨施氮肥量增加而增加,但過量施氮肥易造成棉花植株旺盛,導致植株光合作用迅速下降。生長季后期種群的葉面積指數和光合速率。研究表明,不同氮肥處理的LAI、Pn隨著生育進程的推進呈現先上升后下降的趨勢在盛鈴期(出苗后77 d)、盛花期達到最大值,中度脅迫處理下各氮肥處理LAI、Pn表現為N37>N55>N73;CK處理下各氮肥處理LAI、Pn表現N55>N37>N73>N0。

土壤水分虧缺和養分不足是限制干旱和半干旱地區植物生長、成活和產量的兩大主要因素,不僅直接影響植物的生長和生存,而且影響植物對養分的吸收和利用[25]。氮肥運籌是有效提高產量的關鍵,合理的氮肥運籌有助于增加棉花產量[26]。王曉英等[27]研究表明,同一氮素處理下,水分脅迫處理的植株生長量低于正常供水處理。王朝輝等[28]研究顯示,如果在缺水條件下施入一定量的氮肥,將顯著提高干物質積累的補償作用。在水分脅迫下施入一定量的氮肥,將顯著提高干物質積累的補償作用。李世清等[29]研究表明干旱條件下增施氮肥可促進同化物形成及其向籽粒的轉移,增加轉移的干物質對籽粒的貢獻率,提高淀粉的積累速率,與研究結果一致。研究表明,蕾期中度水分脅迫處理較CK處理的快速生長期縮短了1～7 d,營養器官干物質積累量、生殖器官干物質積累量平均降低了8.63%、54.83%,快速積累速率增加了49.6%;干物質最大積累量、持續時間、以及最大積累速率以N37為最優,且增加效果明顯,有利于營養生長向生殖生長轉化,促使最終產量的形成。不同氮肥運籌條件下代表產量構成的單株鈴數、籽棉產量存在顯著差異,而單鈴重株數、衣分差異不顯著[30]。研究表明,蕾期中度水分處理與CK處理棉花單鈴重與衣分差異不明顯,但單株結鈴數、籽棉產量以N37處理最高,分別比N0、N55、N73增產57.33%、34.01%、18.35%。

陳素芳等[31]根據水稻氮肥的研究結果,設置基肥+分蘗肥:穗肥的比例設定為6∶4,以保證有足夠的穗數,穗肥可以滿足營養需求促進水稻生長后期形成大穗,從而提高水稻產量;張永強等[32]研究表明,適當調節氮肥追施時期及比例有利于調節小麥的生長及產量,當施氮比例設置為起身+拔節∶孕穗+開花6∶4時能有效提高小麥千粒重、收獲指數、地上部分生物總量。段曉麗等[33]研究認為:前期氮肥的30%甚至50%后移到穗肥施用,對水稻產量沒有明顯影響,而氮肥后移70%至穗肥會使水稻產量顯著下降。與研究結果不一致,前人是基于正常水分處理下進行作物氮肥運籌的研究,試驗條件為棉花蕾期進行持續中度干旱脅迫設置蕾期+花期肥∶鈴期肥不同施肥比例進行研究,蕾期+花期肥∶鈴期肥為3∶7時不會影響棉花籽棉產量,并達到增產效果,但棉花會受到地力、天氣環境等影響,增加了此氮肥運籌策略棉花穩產的不確定性,還需進一步進行驗證。

4 結 論

4.1在雹后重播棉田蕾期受旱情況下,蕾期中度水分脅迫處理的各項指標均低于CK處理,但在氮肥處理方面N37處理的莖粗、有效果枝、雙鈴率LAI、Pn優于CK處理,且增加效果顯著;干物質積累量較CK處理的快速生長期縮短了1～7 d,營養器官干物質積累量、生殖器官干物質積累量平均降低了8.63%、54.83%,快速積累速率增加了49.6%,干物質最大積累量、持續時間、以及最大積累速率以N37為最優,且增加效果明顯,有利于營養生長向生殖生長轉化,促使最終產量的形成。蕾期中度水分處理與CK處理棉花單鈴重與衣分差異不明顯,但單株結鈴數、籽棉產量以N37處理最高,分別比N0、N55、N73增產57.33%、34.01%、18.35%。

4.2雹后重播棉花蕾期受旱(中度水分脅迫)條件下,生育期追肥比例(蕾期肥+花期肥)∶鈴期肥3∶7為最佳。