不同施氮量对棉花产量、养分吸收及氮素利用的影响

时间：2024-05-25

张宏，曾雄，王爱莲，哈丽哈什·依巴提，李青军，张炎

(1.阿瓦提县农业技术推广站，新疆阿瓦提 843200；2.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091；3.农业农村部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室，乌鲁木齐 830091)

0 引言

【研究意义】新疆是我国棉花生产的重要基地[1]。据统计，2018 年新疆棉花种植面积 249.13 × 104hm2(3 737×104亩)，占全国总种植面积的74.31%，总产量514 × 104t，占全国总产量的84%[2]。合理施用化肥，在提高棉花产量、稳固并提升棉产业经济的基础上，提高肥料利用率，对新疆棉产业的可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】氮素是植物需求量最大的矿质营养元素，也是影响作物产量的重要元素之一[3]。氮肥合理施用是提高棉花产量的重要措施之一[4]。全球氮肥利用率每提高1%可节省11亿美元[5]。Rochester等[6]研究表明，增施氮肥有利于棉花植株生物量积累，但过量施氮会导致棉花因营养生长过旺而贪青晚熟、品质下降。有研究表明，随着施氮量的增加，棉花株高、干物质积累量呈逐渐上升的趋势[7]。研究表明，棉花产量随着施氮量的增加呈先增加后减小的趋势[7-8]。増施氮肥促进了杂交棉干物质和氮、磷、钾的积累，但当施氮量增加到300 kg/hm2后，促进效果不显著[9]。【本研究切入点】因栽培品种、气候条件及土壤肥力不同，不同棉区棉花的适宜施氮量差异较大[10-11]。合理施氮能显著提高棉花产量和氮肥利用率，减少氮肥损失[12-13]，利于棉株对氮、磷、钾的吸收，促进干物质的积累，提高棉花产量、改善棉花品质[14]。在覆膜滴灌条件下，研究不同施氮量对南疆陆地棉产量、养分吸收及氮素利用的影响。【拟解决的关键问题】试验共5个施氮水平(0、110、220、330、440 kg/hm2)，于棉花吐絮期采集植株样品，测定棉花产量、生物量、养分吸收和氮素利用，计算棉花养分吸收系数、氮素利用率和氮肥最佳施用量等参数，为新疆南疆棉花科学施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2017～2019年安排在新疆阿瓦提县农业技术推广站试验站(40°38′58.46″N，80°23′29.78″E)，前茬作物为棉花。供试棉花品种为新陆中65号，采用膜下滴灌种植，1膜6行。2017年4月5日播种，株距11 cm，播幅内宽、窄行距配置为50 cm+20 cm，理论株数187 000株/hm2；2018年3月27日播种，株距10.5 cm，播幅内宽、窄行距配置为66 cm+10 cm，理论株数180 900株/hm2；2019年4月1日播种，株距10.5 cm，播幅内宽、窄行距配置为66 cm+10 cm，理论株数180 900株/hm2。供试肥料：尿素(46% N)，三料磷肥(46% P2O5)，硫酸钾(30% K2O)。供试土壤基本农化性状pH 8.65，有机质17.04 g/kg，全氮0.31 g/kg，全磷0.83 g/kg，全钾8.46 g/kg，碱解氮41 mg/kg，速效磷43.2 mg/kg，速效钾149 mg/kg。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

试验设5个施氮处理，重复3次，小区面积33 m2，各处理磷肥和钾肥总用量分别为130 kg/hm2(P2O5)和60 kg/hm2(K2O)。N0、N1、N2、N3、N4处理施氮量分别为0、110、220、330、440 kg/hm2，因2018年雨水较多，滴灌次数减少，30%氮肥未施入土壤，即N0、N1、N2、N3、N4处理施氮量分别为0、77、154、231、308 kg/hm2。磷肥和钾肥作为基肥一次性施入，氮肥作为追肥在棉花蕾期至盛铃期随水滴施。2017年氮肥分6次随水滴施，分别以5月13日10%、6月14日20%、6月30日25%、7月29日25%、8月15日10%及8月24日10%的比例追施；2018年分别以6月23日14%、7月8日29%、7月23日43%及8月17日14%的比例4次追施；2019年以6月18日25%、7月9日30%、7月23日25%、8月4日10%及8月20日10%的比例分5次追施。

1.2.2 测定指标

土壤样品：在试验开展前，多点采集试验地0～20 cm耕层土壤，测定土壤基本农化性状。土壤pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾分别采用pH计法、重铬酸钾法、半微量凯氏定氮法、HClO4-H2SO4-钼锑抗比色法、NaOH熔融火焰光度计法、碱解扩散法、钼锑抗比色法和醋酸铵-火焰光度法测定。

棉株生物量：在棉花吐絮期，每个小区随机选取有代表性的棉株3株，于105℃温度下杀青后，在70℃温度下烘干，测定生物量。

植株养分：将吐絮期采集的棉株样品分为茎+叶+壳、棉纤维、棉籽分别杀青、烘干、称重、粉碎制样。植株样用H2SO4-H2O2消煮，全氮采用奈氏比色法，全磷采用钼锑抗比色法，全钾采用火焰光度法进行测定。

棉花产量：棉花吐絮期在各小区调查6.67 m2内的棉花株数、铃数及单株铃数，并在每个小区定点分3次采收上、中、下部30、40、30朵完全吐絮棉桃，测定单铃重和衣分，计算棉花产量。

1.2.3 计算

1.2.3.1 氮素利用率[15-16]

氮素农学效率(kg/kg)=(Y-Y0)/F.

氮素偏生产力(kg/kg)=Y/F.

氮素表观利用率(%)=(N-N0)/F×100.

氮素贡献率(%)=(Y-Y0)/Y×100.

式中，Y和Y0分别为施氮处理和不施氮处理获得的籽棉产量，N和N0分别为施氮处理和不施氮地上部总吸氮量，F为施氮量。

1.2.3.2 养分吸收量[17]

养分吸收量=植株干重×植株养分含量。

1.3 数据处理

试验数据采用WPS 2019和方差分析2013软件整理和分析，多重比较采用LSD法(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 施氮对棉花产量及经济效益的影响

研究表明，施氮处理棉花产量显著高于不施氮处理，产量增幅为7.85%～44.02%。2017年N4处理产量最高，但与N2和N3处理差异不显著，N2处理分别较N0和N1处理显著增加28.72%和10.12%。处理间棉花增产率、产值与产量呈现一致规律。N2处理棉花地上部生物量最高，分别较N0和N1处理显著增加36.81%和10.49%，与N3和N4处理差异不显著。处理间纯收益与棉花生物量规律一致，N2处理纯收益最高，为34 197.05元，分别较N0和N1处理显著增加30.45%和10.36%，但与N3和N4处理差异不显著。2018年N3处理产量最高，其次为N2处理，二者差异不显著，分别较N1处理显著增加16.93%和15.72%。N2处理生物量最大，与N3和N4处理差异不显著，较N0和N1处理显著增加45.64%和15.38%。N3处理纯收益最高，分别较N0和N1处理显著增加48.89%和17.46%，但与N2和N4处理差异不显著。2019年N2处理产量最高，其次为N3处理，除N0外，各处理间产量差异不显著。N3处理生物量最高，其次为N4和N2处理，三者差异不显著。N2处理生物量较N0和N1处理显著增加25.08%和7.81%。N1、N2和N3处理纯收益分别较N0处理显著增加12.03%、11.36%和9.40%。表1

表1 不同施氮量下棉花产量及经济效益变化Table 1 Effects of different nitrogen applicaton rate on cotton yield and economic benefit

2.2 不同施氮量对棉花氮、磷、钾吸收的影响

研究表明，施氮显著提高棉花对氮的吸收，随着施氮量的增加，棉花地上部吸氮量呈先增后减的趋势。2017年N1、N2、N3和N4处理棉花地上部吸氮量分别较N0处理显著增加26.65%、55.65%、56.76%和47.37%，N2、N3和N4处理分别较N1处理显著增加22.90%、23.78%和16.36%。2018年N1、N2、N3和N4处理棉花地上部吸氮量分别较N0处理显著增加27.54%、50.95%、55.93%和59.47%，N2、N3和N4处理分别较N1处理显著增加18.36%、22.26%和25.04%。2019年N1、N2、N3和N4处理棉花地上部吸氮量分别较N0处理显著增加18.01%、39.66%、49.47%和41.97%，N2、N3和N4处理分别较N1处理显著增加18.34%、26.65%和20.30%。3年平均N3处理吸氮量最高，分别较N0、N1处理显著增加53.97%、24.22%，较N2处理增加3.62%，但差异不显著。

与吸氮量相似，施磷显著提高棉花对磷的吸收，棉花地上部吸磷量随着施氮量的增加呈先增后减的趋势。2017年N1、N2、N3和N4处理棉花吸磷量分别较N0处理显著增加24.87%、49.80%、43.18%和35.73%，N2处理分别较N1和N4处理显著增加19.97%和10.37%，N2和N3处理间吸磷量差异不显著。2018年各施肥处理间棉花吸磷量无显著差异，但N1、N2、N3和N4处理分别较N0处理显著增加26.08%、39.95%、27.17%和25.10%。2019年N1、N2、N3和N4处理棉花吸磷量分别较N0处理显著增加25.80%、43.62%、43.94%和36.65%，N2和N3处理分别较N1处理显著增加14.17%和14.42%。3年平均吸磷量N2处理最高，较N0、N1、N3和N4处理显著增加44.72%、15.27%、4.44%和8.97%。

与N0处理相比，施氮各处理棉花吸钾量显著增加，N2、N3和N4处理间差异不显著。2017年N2处理棉花吸钾量最高，分别较N0和N1处理显著增加35.86%和9.34%。2018年N2处理吸钾量分别较N0和N1处理显著增加46.23%和14.88%。2019年N2处理吸钾量分别较N0和N1处理显著增加27.81%和6.34%。3年平均N2处理吸钾量较其他处理高，分别较N0和N1处理显著增加35.92%和9.95%。

不同处理棉花氮、磷、钾吸收系数不同。N3处理氮吸收系数最高，但与N2和N4处理差异不显著，N2、N3和N4处理氮吸收系数分别较N0处理显著增加16.20%、20.73%和19.50%，较N1处理显著增加10.17%、14.47%和13.30%。N2处理磷吸收系数最高，较N0处理显著增加13.48%。施氮处理钾吸收系数较N0处理显著增加，但施氮处理间差异不显著，N2处理较N0处理显著增加7.18%。当施氮量为220 kg/hm2时，形成100 kg籽棉，吸收N 4.25 kg、P2O51.14 kg、K2O 3.61 kg。表2

表2 不同施肥量下棉花氮、磷、钾吸收变化Table 2 Effects of fertilization levels on uptakes of N,P2O5 and K2O in cotton

2.3 不同施氮量对棉花氮素利用率的影响

研究表明，随着施氮量的增加，氮素农学效率和氮素偏生产力呈递减趋势。2017年N2处理氮素农学效率较N1降低14.96%，较N3和N4处理显著增加62.56%和92.54%；与N1处理相比；N2、N3和N4处理氮素偏生产力分别显著降低44.94%、63.93%和72.23%。2018年N2处理氮素农学效率较N1处理降低8.21%，较N3和N4处理显著增加44.93%和122.92%；N2、N3和N4处理氮素偏生产力分别较N1处理显著降低42.14%、61.02%和71.96%。2019年N2处理氮素农学效率较N1处理显著降低46.62%，较N4处理显著增加217.45%；N2、N3和N4处理氮素偏生产力分别较N1处理显著降低49.65%、66.53%和75.86%；3年平均氮素农学效率和氮素偏生产力随施氮量增加呈显著递减趋势，与N1处理相比，N2、N3和N4处理农学效率分别显著降低18.51%、46.11%和63.22%，偏生产力分别显著降低45.30%、63.60%和73.24%。

氮素表观利用率和氮素贡献率呈先增后减趋势。2017年N2处理氮素表观利用率最高，与N1处理差异不显著，较N3和N4处理显著增加47.06%和134.96%；N2处理氮素贡献率较N1处理显著增加54.69%，与其他处理差异不显著。2018年N2处理氮素表观利用率较N1处理减少7.49%，较N3和N4处理显著增加36.65%和71.36%；N2处理氮素贡献率较N1处理显著增加59.24%。2019年N2处理氮素表观利用率最高，较N4处理显著增加88.98%；N2处理氮素贡献率分别较N1、N3和N4处理增加5.11%、1.44%和51.98%。3年平均N2处理氮素表观利用率较N1处理增加0.22%，较N3和N4处理显著增加35.27%和93.05%，N2处理氮素贡献率较N1显著增加44.75%。表3

表3 不同施肥量对棉花氮素利用率变化Table 3 Effects of fertilization levels on nitrogen use efficiency in cotton

3 讨论

不同棉区因栽培品种、气候条件及土壤肥力不同，棉花适宜施氮量不同[18-19]。邓忠等[7]通过膜下滴灌水氮调控对南疆棉花产量及水氮利用率研究表明，施氮量为300 kg/hm2时，棉花生长健壮，株型结构优化，显著促进了干物质向生殖器官的运转，有效铃数、单铃重和衣分增加，产量达到最高。杨媚等[20]研究表明，当施氮量为360 kg/hm2时，滴灌棉花生物量和籽棉产量最高。当施氮量在0～220 kg/hm2时，随着施氮量的增加，棉花产量、生物量和产值显著增加，当施氮量大于220 kg/hm2时各研究指标增加不显著，棉花增产率也不显著。

施氮量不同，棉花对氮、磷、钾的吸收不同。有研究表明，适宜的施氮量有利于棉花对养分的吸收[14,17,21]。孙永健等[22]研究表明，在一定施氮范围内，氮、磷、钾在作物生殖器官中的分配随施氮量的增加而提高，但过量施氮会使氮、磷、钾在生殖器官中的分配下降。李伶俐等[9]研究表明，増施氮肥促进了杂交棉氮、磷、钾的积累，但当施氮量高于300 kg/hm2时，促进效果不显著。当施氮量在0～220 kg/hm2时，随着施氮量的增加，棉花对氮、磷、钾的吸收显著增加，当施氮量超过220 kg/hm2时，棉花对氮、磷、钾的吸收增加不显著，说明过量施用氮肥并没有增加棉花对养分的吸收，反而会造成氮肥的损失。

作物品种和施肥措施不同，作物的养分吸收系数不同。吴海华等[23]研究发现，全立架露地栽培甜瓜的氮、磷、钾吸收系数分别为207.0、43.1和536.6 g/100kg。哈丽哈什·依巴提等[24]研究表明，在养分专家系统的推荐施肥条件下，棉花氮、磷、钾吸收系数分别为3.96、1.03和2.52 kg/100kg，农户习惯施肥条件下则分别为4.25、1.14和2.52 kg/100kg。施氮量为220 kg/hm2时，棉花氮、磷、钾吸收系数均较不施肥处理显著增加，当施氮量大于220 kg/hm2时则差异不显著。当施氮量为220 kg//hm2时，每形成100 kg籽棉，需吸收N 4.25 kg、P2O51.14 kg、K2O 3.61 kg。

林涛等[25]研究表明，当施氮量为300 kg/hm2时，南疆机采棉田氮肥农学利用效率最高。有研究表明，随着施氮量的增加，棉花氮素利用率呈下降趋势[9,20]，棉花氮肥利用率和氮肥贡献率随氮肥用量的增加表现为先增加后降低的趋势，施氮量为350 kg/hm2的处理显著高于其他施氮处理[26]。棉花氮素偏生产力和农学效率随着施氮量的增加而显著降低。氮素表观利用率和氮素贡献率随着施氮量增加呈先增后减趋势，当施氮量大于220 kg/hm2时氮素贡献率差异不显著。适宜的施氮量可促进棉花对氮素的利用，提高氮素对棉花产量的贡献率。