15N同位素標記氮肥減施棉田養分利用效率分析

成志慧 ,李紅梅 ,趙紅梅 ,涂永峰 ,宋海英 ,盛建東

(1.新疆農業大學資源與環境學院/新疆土壤與植物生態過程重點實驗室,烏魯木齊 830052;2. 新疆慧爾農業集團股份有限公司,新疆昌吉 831100)

0 引 言

【研究意義】新疆是我國重要的棉花生產區,2021年新疆棉花播種面積250.61×104hm2,總產量512.9×104t,播種面積、單產、總產量均列全國第一。氮素是棉花生長發育所必需的大量營養元素之一,是限制棉花高產的重要因子[1]。氮肥用量的增長,若氮肥利用率不高,將導致氮肥流失量很大[2-4]。因此,為提高氮肥利用率,有必要研究分析棉株對化肥氮素的吸收利用規律?！厩叭搜芯窟M展】15N同位素示蹤技術可以明確氮素的來源,直觀反映作物對肥料氮的實際利用情況,是目前普遍且較為精確的一種測定方法[5-6]。王士紅等[7]研究顯示,施氮量在105 kg/hm2時,棉花收獲期的氮肥利用率到達最高。侯振安等[8]研究發現,在一次灌溉過程中,先滴1/2時間的肥液,后滴1/2時間清水的施肥策略明顯提高了棉花的氮素吸收量。李鵬程等[9]研究表明,增加初花期施氮比例或蕾期、初花期一次性施肥可以提高棉花的氮肥利用率。也有研究認為低肥力土壤棉花的肥料氮利用率顯著高于中、高肥力土壤[10]。馬麗娟等[11]和張文等[12]研究發現,高鹽度的咸水灌溉會降低棉花的氮肥利用率。新疆滴灌棉田氮肥適宜用量為220～270 kg/hm2[13-15]?！颈狙芯壳腥朦c】前人借助15N同位素示蹤技術已從不同角度對棉株氮素的吸收利用進行了研究,但關于氮肥減施對棉株氮素吸收、肥料氮在各器官的分配以及氮肥利用率的研究還有待進一步加強。因此,量化滴灌條件下肥料-土壤-棉花系統中氮素吸收、轉運及利用效率研究迫在眉睫。【擬解決的關鍵問題】以新疆北疆棉區典型灰漠土滴灌棉田為研究對象,采用盆栽試驗,在合理施氮的條件下,設置不施氮肥、氮肥減施(225 kg/hm2)和當地推薦施肥(300 kg/hm2)3個處理,利用15N示蹤技術開展氮肥減施對棉花氮素吸收利用的影響研究,分析肥料氮在棉株體內的量化吸收分配規律,為新疆滴灌棉田氮肥合理施用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 試驗地概況

試驗在新疆慧爾農業集團股份有限公司昌吉分公司的自動化溫室(87°05′18″ E,44°10′06″ N)進行。供試土壤為砂壤質灰漠土,取自新疆昌吉市二六工鎮(87°09′18″ E,43°59′38″ N),采集0～20 cm耕層土壤,將土壤自然晾干,過2 mm孔篩備用。試驗使用底部密封的綠色塑料桶,上部口徑26 cm,底徑20 cm,高30 cm,每盆裝干土15 kg。供試土壤的基本理化性狀:有機質含量6.70 g/kg,全氮含量0.56 g/kg,有效磷含量37.16 mg/kg,堿解氮含量32.16 mg/kg,速效鉀含量210 mg/kg,pH(水土比5∶1)為7.75。參照全國土壤養分分級標準[16],供試土壤為低氮富磷富鉀,有機質為低等水平土壤。

1.1.2 樣品采集

在棉花吐絮期取樣,將收集的棉花植株按器官(根、莖、葉、絮、殼、籽)分開,并做好標記,在105℃下殺青30 min后,繼續在70℃烘箱中烘至恒重,稱重并記錄樣品的干重。根系的采集用0.5 mm土篩結合人工手檢的方法將棉花根系從土壤中篩選出來,挑出混雜物后用去離子水洗凈,烘干稱重。而后將各器官樣品分取一小份用球磨儀細磨備用,測定棉株各器官的全氮含量和15N豐度。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

設置3個施氮處理:(1)不施氮肥(N0);(2)氮肥減施(N1225 kg/hm2);(3)當地推薦施肥(N2300 kg/hm2),即每盆施純氮0 g(N0)、1.5 g(N1)、2 g(N2);每盆P2O5(重過磷酸鈣,含P2O546%)和K2O(硫酸鉀,含K2O 51%)施用量分別為2.173 9和1.181 4 g,分別對應大田用量150 kg P2O5/hm2、75 kg K2O/hm2,磷鉀肥在播種前裝土時全部一次性施入做基肥。氮肥以普通尿素(含N 46%)和15N標記尿素(含N 46%,15N豐度為10.14%,由上?；ぱ芯吭禾峁?作為肥料來源,2種尿素混合施用(混合比例1∶1)。其中,20%尿素做基肥,80%做追肥,分別在棉花蕾期(20%)、初花期(40%)和花鈴期(20%)按1∶2∶1分3次施用。

試驗采用新農大棉4號作為供試品種,于2021年6月4日,在每個花盆的中心播種6粒飽滿均勻的種子,并在盆頂部覆蓋塑料薄膜(模擬田間覆膜),待棉苗長到2片真葉時定苗,每盆保留3株長勢均勻的棉苗;將2種尿素混合后溶于500 mL蒸餾水中,均勻施入土壤,其它管理措施一致。各處理每天稱量桶重,保持土壤水分在田間持水量的60%～80%。各施肥處理每次灌水量為每桶3L,棉花生育期間共灌水10次(6月1日開始,10月27日結束),總灌水量每桶30L。

1.2.2 指標測定與計算

植物樣品全氮含量采用元素分析儀測定(MM400,Retsch GmbH,Haan,Germany);植株中15N豐度用穩定同位素質譜儀(Delta V Advantage,Germany)測定;土壤pH值采用pH儀測定,堿解氮采用堿解擴散法,有效磷采用鉬銻抗比色法,速效鉀采用火焰光度法測定。

Ndff%表示植株各器官的氮素來源于肥料氮的比例,其大小可以反映植株各器官對15N肥料的吸收競爭能力,Ndfs%則表示植株各器官的氮素來源于土壤氮的比例。

Ndff(%)=(測試樣品中15N豐度×2-15N自然豐度)×100/(肥料中15N豐度-15N自然豐度);

棉株氮素來源于土壤的比例(Ndfs,%)=1-Ndff%;

棉株氮素吸收量(g/株)=∑各器官的干物質量×各器官含氮量;

肥料氮(15N)吸收量(mg/株)=棉株氮素吸收量×Ndff%;

肥料氮(15N)分配率(%)=各器官肥料氮(15N)吸收量×100/肥料氮吸收總量;

肥料氮(15N)利用率(%)=肥料氮(15N)吸收量×100/氮肥施用量;

氮肥表觀利用率(%)=(施氮處理棉株氮素吸收量-不施氮處理棉株氮素吸收量)×100/氮肥施用量。

1.3 數據處理

所有數據采用Microsoft Excel 2007、Origin 2021和SPSS Statistics 26軟件統計和分析。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥處理對棉花干物質量和氮素吸收量

研究表明,N1、N2施氮處理的干物質積累量和氮素吸收量均顯著高于不施氮處理(N0),但2個施氮處理之間,棉花干物質積累量和氮素總吸收量差異均不顯著。圖1

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

除根外,2個施氮處理各器官的干物質量和氮素吸收量(莖、葉、絮、殼、籽)均顯著高于N0不施氮處理。

2個施氮處理之間各器官的干物質量和氮素吸收量亦有差異。生殖器官中,N1處理殼和籽的干物質量(1.614 9、1.750 1 g/株)顯著高于N2處理(1.509 0、1.638 5 g/株),分別增加7.02%和6.81%,營養器官的干物質量在2個施氮處理之間差異不顯著。生殖器官籽的氮素吸收量在兩個施氮處理之間差異顯著,N1處理籽的氮素吸收量(63.40 mg/株)顯著高于N2處理(54.38 mg/株),增加了16.59%,營養器官的氮素吸收量差異不顯著。圖2

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 不同處理對棉花中肥料氮(15N)的吸收與分配的影響

研究表明,棉籽中肥料氮吸收量最高,占全株的26.02%～35.99%,其次為葉(22.40%～23.81%)和莖(14.48%～18.98%),絮中最少(3.05%～6.62%);營養器官中,2個施氮處理的肥料氮吸收量差異不顯著;生殖器官中,絮、籽的肥料氮吸收量在2個施氮處理之間差異顯著,其中,N1處理的籽比N2處理高43.58%,N2處理中絮較N1處理高106.20%;N2處理營養器官肥料氮吸收量較N1處理高10.24%,N1處理生殖器官的肥料氮吸收量比N2處理高19.02%。表1

表1 棉花不同器官吸收與分配 肥料氮(15N)變化

2.3 棉株氮素的來源

研究表明,棉花整株的Ndff%為21.14%～21.70%,棉花吸收的氮素主要來源于土壤(Ndfs%為78.30%～78.86%);棉花整株和各器官的氮素來源于土壤氮的比例均顯著高于肥料氮;N1處理根和棉籽的Ndff%顯著高于N2處理,分別增加2.02%和4.51%;N2處理絮的Ndff%顯著高于N1處理,增加了6.78%;絮和籽的Ndfs%則表現相反,其中,N1處理的籽比N2處理高4.51%,N2處理的絮較N1處理高6.78%。圖3

注：Ndff%表示植株各器官的氮素來源于肥料氮的比例; Ndfs%表示植株各器官的氮素來源于土壤氮的比例; 不同小寫字母表示同一氮素來源不同處理間差異顯著(P<0.05)

2.4 棉花氮肥利用率及表現利用率變化

研究表明,N1處理的肥料氮利用率和氮肥表觀利用率均顯著高于N2處理,分別增加2.36%和3.12%;差減法計算的氮肥表觀利用率要稍高于示蹤法的肥料氮利用率。圖4

注：N1和N2對應的施氮量為500和667 mg/株; 不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

3 討 論

3.1施氮量是影響棉花干物質積累量和氮素吸收量的主要影響因素。研究結果表明氮肥減施處理和當地推薦施肥處理顯著高于不施氮處理,但兩者之間差異不顯著,氮肥減施(25%)可以維持棉花干物質積累量和氮素總吸收量不降低。隨著生育期的進行,氮素分配到營養器官的比例減小,并逐漸向生殖器官轉運。郭小琰等[17]得出,棉花吐絮期,氮素分配到生殖器官的比例約為57%～64%,研究得出相似結論,氮素分配到生殖器官的比例達到52.38%～55.89%。氮肥合理施用有利于干物質和氮素向生殖器官轉移、積累,氮肥施用過量或不足均會影響生殖器官的干物質分配和氮素吸收量[18]。馬宗斌等[19]和石洪亮等[20]研究表明,施氮量超過300 kg/hm2時,有利于棉花營養器官生長,而干物質量分配到生殖器官的比例下降。鄒芳剛等[21]研究表明,施氮量在超過300 kg/hm2時,棉株中部(6～10果枝)的氮素向生殖器官的分配比例下降。研究得出,氮肥減施處理殼、籽的干物質量和籽的氮素吸收量均顯著高于推薦施肥處理,氮肥減施可以顯著提高棉籽的干物質量和氮素吸收量,實現氮肥減施增產增效。

3.2氮肥減施處理和當地推薦施肥處理雖然在干物質積累量和氮素總吸收量差異不明顯,但施氮量對棉株各器官肥料氮的吸收及分配比例的差異很大。周瑞慶等[22]和晏娟等[23]得出水稻生殖生長期吸收的肥料氮主要集中于籽粒,研究棉花棉籽中的肥料氮分配率也是最高(26.02%～35.99%)。戴良香等[24]研究表明,適宜的施氮量(90 kg/hm2)促進了花生營養器官的氮素向生殖器官轉運,并提高了籽仁的15N積累量。李燦東等[25]研究表明,隨著施氮量的增加(0～4.5 kg/hm2),雖提高了大豆葉片的15N分配比例,卻降低了15N在籽粒中的分配比例。徐聰等[26]研究同樣表明,施氮過量(400 mg/kg)不利于肥料氮向甘蔗塊根中轉運。研究氮肥減施處理的生殖器官肥料氮積累量顯著高于當地推薦施肥處理(高出19.02%),營養器官則相反,當地推薦施肥處理較氮肥減施處理高出10.24%。氮肥減施有利于棉株生殖器官肥料氮的積累,尤其有利于肥料氮向棉籽中轉運。

3.3棉花吸收的氮素來源于肥料氮和土壤氮。李鵬程等[9]研究表明,收獲期棉花單株吸收的氮素來源于肥料氮的比例為26.92%～54.14%。侯振安等[8]則表明,棉花各器官及整株吸收的氮素來源于肥料氮的比例為34.25%～49.38%。研究得出的棉花吸收的氮素來源于肥料氮的比例略低于上述研究成果,2個施氮處理下,棉花吸收肥料氮的比例為21.14%～21.70%,來自土壤氮的比例為77.92%～79.28%,與王士紅等[7]的研究結果一致(來源于肥料氮的比例18.13%～33.65%,來源于土壤氮的比例66.35%～81.87%),棉花吸收的氮素主要來源于土壤中。棉花整株吸收的氮素來源于肥料氮的比例在2個施氮處理之間差異雖不顯著,但減量施氮處理棉籽吸收肥料氮的比例顯著高于當地推薦施肥處理,高出了4.51%。減量施氮處理可以顯著增加棉籽對肥料氮的吸收比例,提高棉花產量和品質水平。

3.4王娟等[27]研究表明,施氮量在240 kg/hm2時,棉株的氮肥利用率達到最高,與研究得出的氮肥減施處理棉花整株的肥料氮利用率顯著高于推薦施氮處理(高出2.36%)的結果相似。朱兆良等[28]和潘曉麗等[29]研究表明,差減法計算的棉花氮肥表觀利用率要稍高于示蹤法,研究也得出相同結論。研究的氮肥減施處理的氮肥表觀利用率顯著高于當地推薦施肥處理(高出3.12%)。氮肥減施可以顯著提高棉株氮肥表觀利用率和肥料氮利用率,從而降低土壤中的氮素盈余量。研究中棉花的氮肥利用率低于其他研究結果,可能與試驗所處的自動化溫室光照不足,濕度過大有關。

4 結 論

與當地推薦施肥處理相比,氮肥減施25%沒有降低棉花生物量、氮素吸收總量及化肥氮素吸收量,但增加了化肥氮素在棉籽中的分配,氮肥減施處理的氮肥利用率和表觀利用率均顯著高于當地推薦施肥處理,分別增加2.36%和3.12%。在保證產量平衡或不降低的前提下,適度減少肥料量是提高氮肥利用率的最有效途徑之一。