壓差式和泵吸式施肥裝置對棉花產量和氮肥利用率的影響

doi：10.6048/j.issn.1001-4330.2024.02.002

摘" 要：【目的】研究壓差式施肥和泵吸式施肥兩種施肥裝置對滴灌棉田氮素吸收、棉花產量及氮肥利用率的影響，為新疆干旱區滴灌棉田水肥一體化技術提供理論依據。

【方法】設置3個處理：不施氮（N0）、壓差式施肥裝置（N300-壓差式）、泵吸式施肥裝置（N300-泵吸式），其中氮肥為硫酸銨，用量為300 kg/hm2。

【結果】與N0處理相比，N300-壓差式和N300-泵吸式處理顯著增加棉花總生物量、氮素吸收量和籽棉產量；與N300-壓差式處理相比，N300-泵吸式處理滴頭肥液銨態氮濃度分布更加均勻，且N300-泵吸式處理棉花生物量、氮素吸收量、籽棉產量和氮肥利用率顯著增加15.94%、31.50%、7.32%和52.98%。

【結論】同一施肥量的條件下，泵吸式施肥裝置滴頭肥液銨態氮濃度隨時間變化幅度比壓差式施肥裝置小，泵吸式施肥裝置施肥均勻性優于壓差式施肥裝置，泵吸式施肥裝置較壓差式施肥裝置促進棉花生長，且顯著提高氮素吸收量及籽棉產量和氮肥利用率。

關鍵詞：棉花；壓差式施肥裝置；泵吸式施肥裝置；產量；氮肥利用率

中圖分類號：S562；S14""" 文獻標志碼：A""" 文章編號：1001-4330（2024）02-0271-08

收稿日期（Received）：

2023-06-30

基金項目：

國家自然科學基金項目（32160742）； 新疆生產建設兵團指導性項目（2022ZD011）

作者簡介：

楊茂琪（1999-），男，甘肅武威人，碩士研究生，研究方向為土壤肥力與調控，（E-mail）yangmaoqi919@126.com

通訊作者：

閔偉（1986-），男，安徽阜陽人，副教授，研究生導師，研究方向為土壤肥力與調控，（E-mail）minwei555@126.com

0" 引 言

【研究意義】新疆是我國優質棉主產區，2020年新疆棉花種植總面積為2.5×106 hm2，總產量為516.1×104 t，產量在全國占比高達87.33%［1］。氮素是棉花生長發育不可缺少的大量營養元素之一，氮肥對棉花產量的高低起著重要作用［2］，新疆氮肥利用率尚不高［3］；新疆棉田主要采用滴灌施肥，不同的施肥裝置由于各自構造和工作原理不同，施肥時肥液濃度隨時間變化有所差異，導致肥料利用率不同［4］。研究不同施肥裝置對棉花氮肥利用率和產量的影響，對新疆棉田滴灌選擇合適的施肥裝置有實際意義。【前人研究進展】新疆滴灌棉田普遍采用的是壓差式施肥裝置，因為其制作工藝簡單，生產成本較低，操作方便，固體和液體肥料均可適用。但是，壓差式施肥裝置存在肥料施入不均勻，無法精確控制灌溉水中的肥料注入速度和肥液濃度等［5-6］。孟一斌等［7］研究認為壓差不一致會導致壓差式施肥裝置肥液濃度衰減。楊欣等［8］研究發現不同施肥量下，壓差小會導致壓差式施肥罐出水口肥液濃度分布不均勻。陳劍等［9］研究發現，滴灌棉田使用壓差式施肥罐施肥時，尿素溶液濃度隨時間增加而快速減小，且當施肥量一致時，施肥罐兩端的壓差越小，注肥相對均勻度越高。泵吸式施肥裝置安裝簡單省力，適宜定量施肥，可以控制施肥速度和調節施肥濃度，已被應用于小規模田間施肥作業之中［10-12］。【本研究切入點】目前，對于壓差式施肥裝置的研究較多，而關于泵吸式施肥裝置和壓差式施肥裝置對棉花氮素吸收、籽棉產量和氮肥利用方面的研究還鮮有報道。需分析壓差式和泵吸式施肥裝置對棉花產量和氮肥利用率的影響。【擬解決的關鍵問題】試驗設置3個處理：不施氮（N0）、壓差式施肥裝置（N300-壓差式）、泵吸式施肥裝置（N300-泵吸式），研究不同施肥裝置對棉花生物量、氮肥利用率和產量的影響，為新疆滴灌棉田施肥裝置的篩選提供理論依據。

1" 材料與方法

1.1" 材 料

試驗在新疆石河子市天業生態園（86°4′11″ E，44°21′14″ N）進行，該地區為溫帶大陸性氣候，年平均降水量為210 mm，年平均蒸發量1 600 mm。試驗區土壤類型為灌耕灰漠土，質地為壤土，試驗區土壤基礎理化指標pH為8.12，容重1.31 g/cm3，有機質15.86 g/kg，全氮1.03 g/kg，速效磷20.34 mg/kg，速效鉀452.58 mg/kg。試供棉花品種為新陸早36號。于2020年4月21日播種，采用“干播濕出”的方式。

1.2" 方 法

1.2.1" 試驗設計

試驗設置3個處理，分別為不施氮肥處理（N0）、壓差式滴灌施肥裝置+施氮量300 kg/hm2（N300-壓差式）、泵吸式滴灌施肥裝置+施氮量300 kg/hm2（N300-泵吸式）；試驗采用隨機區組設計，每個處理重復3次，共9個小區，每個試驗小區面積25 m2。

棉花種植均采用205 cm超寬膜，1膜6行，寬窄行（66 cm+10 cm+66 cm）種植，種植密度為22×104 株/hm2。播種后滴30 mm出苗水。棉花生長期間共灌水9次，總灌水量450 mm。灌水周期為7～9 d，從開花前開始至吐絮前結束。氮肥為硫酸銨（含N21%）300 kg/hm2、磷肥（P2O5）105 kg/hm2和鉀肥（K2O）60 kg/hm2。氮肥做追肥，在棉花生育期分6次隨水施入；磷鉀肥作基肥，在播種前一次性施入。其它棉田管理措施與當地大田保持一致。

1.2.2" 測定指標

肥液采集：在隨水施肥后，分別于1、6和10 h，在距施肥罐前、中、后段分別選取3個樣點，收集肥液，及時帶回實驗室保存于-4℃的冰箱，用于測定肥液銨態氮濃度。

土壤樣品采集：滴灌施肥后在距施肥罐前、中、后段分別隨機選擇3個樣點，使用直徑為3 cm的土鉆采集滴頭正下方0～20、20～40和40～60 cm土層土壤，將土樣裝入自封袋中，保存于-4℃的冰箱，用于測定土壤硝銨態氮含量。

植物樣采集：在花鈴期采集棉花植株樣品，自棉花子葉節剪下棉花植株，帶回實驗室，分成葉、莖和鈴3個部分。

土壤NH4-N含量使用KCl溶液浸提，采用全自動間斷化學分析儀測定（Smart Chem140，Analytik Jena AG）。

棉花干物質重采用烘干法測定，在105℃下殺青30 min，70℃烘干至恒重，并稱重。樣品烘干后粉碎過1 mm篩測定養分含量，H2SO4-H2O2消煮，采用全自動凱氏定氮儀法測定全氮含量。在收獲期實收計產棉花籽棉產量。

1.2.3" 計 算

氮肥利用率N（%）=（N1-N2）/ N3 ×100.

式中，N1為施肥區棉花氮素吸收總量（kg/hm2）；N2為不施肥區棉花氮素吸收總量（kg/hm2）; N3為氮肥施用量（kg/hm2）［13］。

1.3" 數據處理

數據的處理和作圖使用Excel 2016。方差分析和相關性分析使用SPSS分析軟件（version SPSS 21.0），將施肥裝置作為獨立變量，顯著性水平為0.05，進行單因素方差分析，采用Tukey法（P＜0.05）。

2" 結果與分析

2.1" 不同施肥裝置下滴頭肥液銨態氮濃度隨時間的變化

研究表明，N300-壓差式處理前段、中段和后段處肥液銨態氮濃度呈先升高后降低的趨勢，在第6 h內各段處肥液銨態氮濃度差異最大，銨態氮濃度范圍為105.5～663.8 μg/mL；N300-泵吸式處理前段和后段處肥液銨態氮濃度呈先降低后升高趨勢，而中段處肥液銨態氮濃度呈下降趨勢，在同一時間內，各段處肥液銨態氮濃度差異不大，且分布均勻，銨態氮濃度范圍分別為120.3～136.3 μg/mL、92.3～115.6 μg/mL和102.1～113.5 μg/mL，且各段處肥液氨態氮濃度隨時間變化不大。圖1

2.2" 不同施肥裝置對土壤銨態氮含量的影響

研究表明，在0～60 cm土層深度中，N300-壓差式處理土壤銨態氮含量在前段呈先降低后升高趨勢，而中段和后段土壤銨態氮含量呈先升高后降低趨勢，前段土壤銨態氮含量范圍為12.14～208 mg/kg，差異較大，且主要分布在40～60 cm土層，而中段和后段土壤銨態氮含量范圍為16.29～52.85和10.39～19.74 mg/kg，主要分布在0～40 cm土層；N300-泵吸式處理土壤銨態氮含量在各段處隨土層深度增加而降低，在0～60 cm土層深度中，前段、中段和后段土壤銨態氮含量范圍分別為8.11～36.29、5.26～63.77和2.13～7.44 mg/kg，主要分布在0～40 cm土層。圖2

2.3" 不同施肥裝置對棉花生物量的影響

研究表明，與N0處理相比，N300-壓差式和N300-泵吸式處理棉花莖生物量分別顯著增加94.60%和121.64%；N300-壓差式和N300-泵吸式處理棉花葉生物量顯著增加，分別較N0處理增加48.83%和61.60%；N300-壓差式和N300-泵吸式處理顯著增加棉花鈴生物量，分別較N0處理增加71.59%和103.80%；N300-壓差式和N300-泵吸式顯著增加棉花總生物量，分別較N0處理增加70.86%和98.09%。與N300-壓差式處理相比，N300-泵吸式處理顯著增加棉花莖、鈴和總生物量，分別較N300-壓差式處理增加13.89%、18.77%和15.94%。圖3

2.4" 不同施肥裝置對籽棉產量的影響

研究表明，與N0處理相比，N300-壓差式和N300-泵吸式處理籽棉產量分別顯著增加31.19%和40.79%；N300-泵吸式處理籽棉產量較N300-壓差式處理顯著增加7.32%。圖4

2.5" 不同施肥裝置對棉花氮素吸收量的影響

研究表明，與N0處理相比，N300-壓差式和N300-泵吸式處理棉花莖氮素吸收分別顯著增加145.47%和177.61%；N300-壓差式和N300-泵吸式處理棉花葉氮素吸收顯著增加，分別較N0處理增加68.73%和99.70%；N300-壓差式和N300-泵吸式處理顯著增加棉花鈴氮素吸收，分別較N0處理增加190.60%和302.44%；N300-壓差式和N300-泵吸式顯著增加棉花總氮素吸收，分別較N0處理增加146.67%和224.37%。與N300-壓差式處理相比，N300-泵吸式處理對棉花莖和葉氮素吸收增加不顯著，但N300-泵吸式處理顯著增加棉花鈴和總氮素吸收，分別增加38.49%和31.50%。圖5

2.6" 不同施肥裝置對氮肥利用率的影響

研究表明，與壓差式施肥裝置相比，泵吸式施肥裝置顯著提高棉花氮肥利用率，N300-泵吸式處理氮肥利用率較N300-壓差式處理顯著增加52.98%。圖6

3" 討 論

3.1" 不同施肥裝置對滴頭肥液銨態氮濃度變化的影響

不同的滴灌施肥裝置由于不同的工作原理導致其在不同位置處滴頭的肥液濃度不同，進而使得其銨態氮濃度的不同［4］；且隨著施肥時間的進行，同一位置處肥液的濃度會隨時間的變化而呈現不同規律［14］。壓差式施肥裝置是一種定量化施肥方式，其系統簡單、設備成本低、操作簡單，但

施肥過程中的肥液濃度分布不均，還易受到水壓變化的影響［15］；楊欣等［8］研究發現，壓差式施肥罐出口肥液濃度隨灌溉時間增大而減小。王睿［16］研究發現，在1 h的施肥過程中，壓差式施肥罐出口肥液濃度變化急劇，在前10 min肥液濃度急劇下降，隨后肥液濃度變化逐漸緩慢。研究發現，壓差式施肥裝置滴頭肥液銨態氮濃度隨灌溉時間增加呈先升高后降低的趨勢，且各段處肥液銨態氮濃度隨時間變化較大，在施肥6 h后，各段處肥液銨態氮濃度差異最大，銨態氮濃度范圍為105.5～663.8 μg/mL，呈距離施肥裝置越遠肥液銨態氮濃度越低的趨勢。

泵吸式施肥裝置是利用離心泵吸水管內形成的負壓將肥料溶液吸入系統，靠水泵將肥液吸入管道中，和灌溉水混合，送到作物根區，不需外加動力，設備結構簡單，操作方便；施肥時通過調節肥液管上閥門，可以控制施肥速度，精確調節施肥濃度［12，17］；研究結果表明，泵吸式施肥裝置在同一時間內，距施肥裝置距離不同但肥液銨態氮濃度差異不大，且分布均勻，各段處肥液銨態氮濃度隨時間變化較小。

3.2" 不同施肥裝置對棉花生物量、氮肥利用率和產量的影響

施肥裝置類型不同，會使得滴灌系統施肥量均勻性產生差異［18］，壓差式施肥裝置和泵吸式施肥裝置對肥液施入的均勻度不同，從而會影響不同位置的養分含量，進而影響到棉花對養分的吸收，最終使得棉花各器官生物量產生差異。通過研究發現，壓差式施肥裝置和泵吸式施肥裝置都顯著增加了棉花各器官生物量，可能是施用氮肥會改善棉花生長的營養條件，而且氮是植物生長發育過程中不可缺少的大量營養元素［19］，而泵吸式施肥裝置較壓差式施肥裝置顯著增加了鈴生物量和總生物量，促進了棉花的生長發育。

不同的施肥裝置對棉花生長和產量影響不同［20-21］。由于泵吸式施肥裝置能夠調節控制肥料母液流量和灌溉施肥時間以精確地控制施用量［22］，而壓差式施肥裝置屬于定量施肥，施肥過程中肥料溶液濃度會隨施肥時間逐漸變小［6］，因此，在試驗中施加氮肥硫酸銨時，泵吸式施肥裝置使得硫酸銨肥液能夠均勻地分布在各部位滴頭處，能夠促進棉花對氮肥的吸收，壓差式施肥裝置在各部位滴頭處硫酸銨肥液均勻性分布較差，所以，泵吸式施肥裝置氮素吸收量顯著高于壓差式施肥裝置，進而使得泵吸式施肥裝置氮肥利用率顯著高于壓差式施肥裝置，與陶垿［24］的研究結果相似。

4" 結 論4.1

泵吸式施肥裝置滴頭肥液銨態氮濃度較壓差式施肥裝置分配更加均勻，且滴頭肥液銨態氮濃度隨時間變化幅度較小，更穩定。泵吸式施肥裝置較壓差式施肥裝置土壤銨態氮含量空間分布均勻，且主要分布在0～40 cm土層，利于棉花對氮素的吸收利用。

4.2

泵吸式施肥裝置較壓差式施肥裝置能顯著促進棉花生長發育，增加棉花生物量和籽棉產量，進而顯著提高氮素吸收量以及氮肥利用率，泵吸式施肥裝置施肥效果明顯好于壓差式施肥裝置。

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Effects of differential pressure and pumping fertilization devices on cotton yield and nitrogen utilization

YANG Maoqi， HOU Zhenan， MIN Wei

（Department of Resources and Environmental Sciences， Shihezi University， Shihezi Xinjiang 832000， China）

Abstract：【Objective】 To explore the effects of two fertilization devices， differential pressure fertilization and pumping fertilization， on nitrogen absorption， cotton yield and nitrogen use efficiency in drip irrigation cotton fields so as to provide theoretical basis for the development of water and fertilizer integration technology in drip irrigation cotton fields in arid areas of Xinjiang.

【Methods】 The three treatments were set up in the experiment：no nitrogen application（N0）， differential pressure fertilization device（N300-differential pressure type）and pump-suction fertilization device（N300-pump-suction type）， in which the nitrogen fertilizer was ammonium sulfate， and the dosage was 300 kg/hm2.

【Results】 Compared with N0 treatment， N300-differential pressure treatment and N300-pumping treatment significantly increased cotton total biomass， nitrogen absorption and seed cotton yield.Compared with N300-differential pressure treatment， N300-pumping treatment had a more uniform distribution of ammonium nitrogen in emitter fertilizer solution， and the cotton biomass， nitrogen absorption， seed cotton yield and nitrogen utilization rate increased by 15.94%， 31.50%， 7.32% and 52.98%， respectively.

【Conclusion】 Under the same fertilization amount， the variation range of ammonium nitrogen concentration in emitter fertilizer solution of pump-suction fertilization device with time is smaller than that of differential pressure fertilization device.Therefore， the uniformity of fertilization of pump-suction fertilization device is better than that of differential pressure fertilization device， and the pump-suction fertilization device promotes cotton growth and significantly improves nitrogen absorption， thus increasing seed cotton yield and nitrogen utilization rate.

Key words：cotton；differential pressure fertilization device; pump-suction fertilization device; yield; nitrogen use efficiency

Fund projects：National Natural Science Foundation Project（32160742）； Corps Guiding Project（2022ZD011）

Correspondence author：MIN Wei（1986-）， male， from Fuyang， Anhui， associate professor， postgraduate tutor， mainly engaged in soil fertility and regulation research， （E-mail）minwei555@126.com