不同氮效棉花品种植株农艺性状、氮素积累及光合特性差异

娄善伟，阿斯卡尔·卡地尔，李 杰，马腾飞，郭 峰,帕尔哈提·买买提，张鹏忠

(国家棉花工程技术研究中心，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究的意义】新疆植棉面积在233.3×104hm2(3 500万亩)以上，2019年棉花产量达511×104t，超过全国总产量的83%，植棉地位极其重要。氮是植物生长所必须的大量元素之一，也是棉花增产的关键因素，但目前新疆普通存在施氮过多现象，有些地区hm2投入量已超过400 kg/hm2[1]。大量施氮不仅增加了棉花生产成本，而且还污染了环境，破坏了土壤内在平衡[2-3]。减少氮肥使用及浪费，提高棉花的氮肥利用效率，开展不同棉花品种氮效研究，对于探索品种差异，优化品种选育，提高氮素效率具有重要意义。【前人研究进展】1934年String等[4]发现作物品种不同，对氮肥施用的反应也不尽相同。1939年Harvey[5]报道了玉米不同品种在吸收利用氮素方面存在差异，Smith等[6]也发现和证实了不同玉米品种吸氮量存在很大差异。随后，Broadbent等[7]对水稻基因型的氮素利用率进行分析，也发现存在显著的基因型差异.我国也一直很重视不同品种的氮效率差异研究。70年代末，张鸿程[8]以12个普通玉米杂交种及亲本为材料进行了研究，对不同氮素水平的玉米杂交种反应分为敏感型、不敏型和中间型三种类型。单玉华等[9]研究认为，水稻籼粳亚种间、常规稻与杂交稻间以及同一亚种内不同品种(系)间的氮吸收利用效率差异是普遍存在的，且差异范围较大。刘萍等[10]对小麦的研究发现，冬小麦品种之间存在明显的差异，冬小麦在利用效率、氮吸收效率、干物质重等基本指标与性状方面存在差异。2013年，赵一超等[11]研究了不同基因型棉花品种氮效率，发现棉花不同品种氮效也同样也具有差异。【本研究切入点】相关研究说明，不同品种氮效差异是普遍存在的现象[12-13]。研究利用高效品种提高养分资源利用效率。【拟解决的关键问题】研究不同品种之间氮效，分析其农艺性状，氮素积累及光合特性，分析差异规律，提高氮素利用率，为棉花品种筛选以及合理施肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2018年在新疆农业大学三坪农场实习基地进行。三坪农场位于乌鲁木齐市西郊26 km，场区内全年平均气温7.2℃，积温为3 000～3 500℃，年最高温为42℃左右，试验地无霜期为150～180 d，年均日照时数2 700～2 800 h，年降雨量为150～500 mm，年均蒸发量2 647 mm。该试验区土壤类型壤土，pH值8.13。列出播前测定小区土壤基础肥力。表1

试验品种为新陆早32号(氮高效品种)和新陆早36号(非氮高效品种)。

表1 土壤基础肥力Table 1 Foundation fertility

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

以新陆早36号为对照，参考区域合理施肥(300 kg/hm2)标准，设置氮素梯度低氮(L)240 kg/hm2和高氮(H)360 kg/hm2两个水平，采用双因子随机区组试验设计。试验采用膜下滴灌，全生育期灌溉定额2 800 m3/hm2，共滴水6次，宽窄行种植，行距配置按试验地当地栽培模式进行。小区面积2.28×4=9.12 (m2)，随机排列，3次重复，共12个处理；4月25日播种。10月初开始收获。理论密度27×104株/hm2。

1.2.2 测定指标1.2.2.1 农艺性状

选择具有代表性的10株(内行5株，外行5株)每10测定棉花株高(cm)，茎粗(mm)、主茎叶片数、果枝数、有效果枝数、倒四叶叶宽。

1.2.2.2 干物质与氮素含量

在蕾期(7～8片叶)时第一次取样，依次在初花期、盛花期、盛铃期取样，选3株棉花分根、茎、叶、等器官放入烘箱内于105℃下杀青0.5 h后调温至80℃下烘干48 h，冷却称重测干物质，最后粉碎测氮素含量。

1.2.2.3 光合参数

在棉花除苗期外的各个生育期的11∶00～13∶00 时间内的晴朗天气利用英国 Hansatech公司生产的TPS-2测定叶片净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)(滴灌施肥后的第5 d测定)。

1.2.2.4 产量

在9月25日前后每小区选择长势一致，面积为6.67 m2的3个点测定产量，最终产量取3次重复的平均值。测产方法：数出每区的棉花株数、吐絮数、青铃数。并在各小区内收取10株上部30朵、中部30朵和下部30朵棉花，带回称其单铃重。

1.3 数据处理

数据采用SPSS17.0和Excel 2007软件进行数据整理和方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量下不同氮效棉花品种农艺性状变化情况

研究表明，不同施氮量下，氮高效品种新陆早32号的株高、茎粗、果枝数、有效果枝数均高于非氮高效品种新陆早36号，倒四叶宽反之，主茎叶片数则规律不明显。在低氮量水平下，2个品种的株高、茎粗、有效果枝数等差异显著，分别相差8.34 cm、2.34 mm和1.56台，主茎叶片数新陆早32号高于新陆早36号；高氮量水平下，2个品种的株高、茎粗、有效果枝数相差分别为7.31 cm、1.08 mm和1.14台，差距变小，而主茎叶片数新陆早32号低于新陆早36号。施氮量低反而更能发挥氮高效品种的特性，促进株高、茎粗、果枝的生长。表2

表2 不同施氮量对不同氮效棉花品种农艺性状变化Table 2 Effects of different nitrogen application rates on agronomic characters of cotton varieties with different nitrogen efficiency

2.2 不同施氮量下不同氮效品种氮素积累

2.2.1 根系氮素积累

研究表明，通过不同时期取样发现不论是在低氮条件下还是高氮条件下，氮高效品种新陆早32号的根系含氮量几乎都高于非氮高效品种新陆早36号，且都表现出前期根系氮含量较高，后期逐渐下降的趋势。其中，低氮条件下，2个品种氮素含量变化比较规律，氮素含量最多差距为1.46 g/kg，而高氮条件下，开始新陆早36号氮含量高，后新陆早32号一直保持较高水平，二者最大差距为2.34 g/kg。图1，图2

图1 低氮水平下不同时期根系氮素含量变化Fig.1 Changes of root nitrogen content at different stages under low nitrogen level

图2 高氮水平下不同时期根系氮素含量变化Fig.2 Changes of root nitrogen content at different stages under high nitrogen level

2.2.2 主茎氮素积累

研究表明，不同棉花品种茎的氮素积累在低氮和高氮情况下有所不同。低氮水平下，新陆早36号前期茎的氮含量较高，但现蕾后新陆早32号保持较高，且一直维持该状态；高氮水平下，新陆早32号盛花前茎氮含量一直保持较高水平，但后期与新陆早36号差距逐渐减少，后期甚至低于新陆早36号。低氮时氮高效品种茎可以更多的积累氮素，而高氮时，则体现不出来积累优势。图3，图4

图3 低氮水平下不同时期主茎茎氮素含量变化Fig.3 Changes of stem nitrogen content at different stages under low nitrogen level

图4 高氮水平下不同时期主茎茎氮素含量变化Fig.4 Changes of stem nitrogen content at different stages under high nitrogen level

2.2.3 叶片氮素积累情况

研究表明，不同棉花品种叶片氮素积累在低氮和高氮情况下有所不同。低氮水平下，新陆早32号前期氮素含量较高，最大时高出新陆早36号15.23 g/kg，但后期含量逐渐下降，到吐絮前反而低于新陆早36号4 g/kg；高氮水平下，新陆早32号叶片氮含量一直高于新陆早36号，且趋势明显，二者现蕾前差距最大，为9.28 g/kg，后一直保持相同下降趋势。图5，图6

图5 低氮水平下不同时期叶片茎氮素含量变化Fig.5 Changes of leaf nitrogen content at different stages under low nitrogen level

图6 高氮水平下不同时期叶片茎氮素含量变化Fig.6 Changes of leaf nitrogen content at different stages under high nitrogen level

2.3 不同施氮量下不同氮效棉花品种光合特性的变化

2.3.1 不同氮效棉花品种净光合速率(Pn)的变化

研究表明，低氮和高氮条件下不同氮效棉花品种的净光合速率盛花期至盛铃期最高，吐絮期最低，且新陆早32号的净光合速率基本高于新陆早36号，低氮水平在盛铃期二者净光合速率差距最大，为2.49 μmol/(m2·s)，高氮水平下在盛花期差距最大，为1.90 μmol/(m2·s)。图7

图7 不同氮效棉花品种净光合速率(Pn)变化Fig.7 Changes of net photosynthetic rate (Pn) of cotton varieties with different nitrogen efficiency

2.3.2 不同氮效棉花品种蒸腾速率的变化

研究表明不论是在低氮还是高氮水平下，2个品种的蒸腾速率都随生育进程呈下降趋势，蕾期最高，新陆早36号高于新陆早32号，其中高氮时达到13.4 mmol/(m2·g)，吐絮期最低，但新陆早32号高于新陆早36号，低氮时为2.27 mmol/(m2·g)，整体上在低氮水平新陆早36号的蒸腾速率稍高一点，高氮水平下规律不明显。图8

图8 不同氮效棉花品种蒸腾速率变化
Fig.8 Changes of transpiration rate of cotton varieties with different nitrogen efficiency

2.3.3 不同氮效棉花品种胞间CO2浓度的(GI)的变化

研究表明，低氮和高氮水平下，2个品种的胞间CO2浓度基本都维持在250～280 μmol/CO2mol，低氮水平下二者差距不大，高氮水平下，新陆早32号的胞间CO2浓度要明显高于新陆早36号。图10

图9 不同氮效棉花品种胞间CO2浓度的(GI)的变化Fig.9 Changes of intercellular carbon dioxide concentration (GI) in cotton varieties with different nitrogen efficiency

2.4 不同施氮量下不同氮效棉花品种产量及构成因素的变化

研究表明，不论是在低氮水平还是高氮水平下，新陆早32号的产量都略高于新陆早36号，分别高出427 和446 kg/hm2，且单株铃数、单铃重和衣分也均好于新陆早36号，其中高氮水平下分别高出0.14个、1.11 g和0.34%，低氮水平下分别高出0.68个、0.27 g和1.58%，高氮水平下的产量要好于低氮水平，高氮时新陆早32号产量增加519 kg/hm2，新陆早36号增加500 kg/hm2。表3

表3 不同氮效棉花品种的产量及构成因素Table 3 The yield and yield component under different nitrogen-efficient cotton varieties

3 讨 论

棉花氮素利用效率不仅与施氮量相关，与棉花品种的特性也密切相关。施氮不足会导致棉花光合作用减弱，棉籽和棉纤维发育不完全，铃质量降低，产量下降；过度施氮很容易导致棉花茎秆疯长，花铃脱落[16]。段云佳等[17]结果显示，施氮过量和过少都会延缓干物质积累的起始时间和棉花的最大积累速率，均不利于棉花光合产物特征参数的协调。司转运等[18]在施氮量0～360 kg/hm2研究得出，蕾期随施氮量的增加，叶片、主茎和吐絮期叶片的含氮量与氮肥用量呈一元二次函数关系。生产上强调合理施氮的重要性。目前，新疆膜下滴灌施肥技术已经逐渐成熟，对施肥量的控制也趋于合理化，如何在合理的施肥条件下提高氮肥的利用效率，就要充分发挥品种的特性，充分利用不同氮效基因型的特征，据研究显示，品种差异造成的肥料利用率变异高达24%～82%。试验通过设置不同氮效品种田间试验，研究二者之间农艺性状，氮素积累及光合特性的差异，不论在施氮低水平还是高水平下，氮高效品种新陆早32号的农艺性状表现较好，尤其低氮水平下，株高、茎粗、主茎叶片数、果枝数、有效果枝数分别为84.78 cm、13.06 mm、15.00片、12.99个、11.34台；在根系氮素含量上，新陆早32号的根系含氮量高于新陆早36号，且都表现出前期根系氮含量较高，后期逐渐下降的趋势。在主茎氮含量上，随生育进程，低氮水平下的新陆早32号后期积累更稳定，而高氮水平下则差异不大。叶片氮含量2个品种现蕾前差距最大，低氮水平下为15.23 g/kg，高氮水平为9.28 g/kg；在净光合速率方面，2个品种盛花期最高，吐絮期最低，新陆早32号的净光合速率高于新陆早36号，蒸腾速率、气孔导度具有相同趋势，但新陆早36号高于新陆早32号，胞间CO2浓度则变化不大，高氮水平下，新陆早32号的胞间CO2浓度要明显高于新陆早36号；最终，高氮水平下新陆早32号产量最高，为4 022.82 kg/hm2，相同氮水平下，新陆早32号产量高于新陆早36号。

4 结 论

4.1 低氮水平下，氮高效品种株高、茎粗、有效果枝数等农艺性状表现更优，比非氮高效品种分别高出8.34 cm、2.34 mm和1.56台，更利于壮株高产。

4.2 氮高效品种根系的氮含量高于非氮高效品种，利于氮素吸收。

4.3 相比非氮高效品种，低氮水平下，氮高效品种叶片氮素积累快，高氮水平下，不同期氮高效品种叶片氮素的含量要高3～9 g/kg且维持时间长。

4.4 相比非氮高效品种，氮高效品种的光合速率要略高1～2 μmol/(m2·s)，且蒸腾速率略低，利用干物质积累。

4.5 低氮水平下，氮高效品种新路新陆早32号产量达到3室503.59 kg/hm2，保证了产量，高氮水平时产量达到4 022.82 kg/hm2，利于产量提高。