不同种植模式棉花产量、种植效益与氮素利用率比较分析

时间：2024-05-28

杨长琴，张国伟，王晓婧，刘瑞显，倪万潮

（江苏省农业科学院经济作物研究所/ 农业农村部长江下游棉花与油菜重点实验室，南京 210014）

麦棉两熟是长江流域棉区的主要种植制度，受栽培品种、种植目标、生产力水平和机械化生产需求等因素影响，棉花种植模式发生了重大转变，由传统的麦棉套栽模式转变为麦后移栽棉和麦后直播棉模式[1-3]。麦后移栽棉模式以中熟杂交棉为主要品种类型，采用营养钵育苗移栽，走“小、壮、高”途径获得高产[3-5]，该模式生产用工多、机械化程度低[4-5]。麦后直播棉模式采用大田播种，以早熟常规棉品种为主，以集中“现蕾、成铃和吐絮”实现高产[3,6-7]；该模式具有轻简化、适宜机械化生产的特点。

进一步明确高产高效模式，是当前棉花高效生产亟需解决的问题。麦后移栽棉模式和麦后直播棉模式高产思路不同，采用的栽培技术也存在较大的差异。麦后移栽棉模式采用“低密高氮”技术，而麦后棉直播模式采用“高密低氮”技术[3-4]，2种种植模式的适宜施氮量分别为375 kg·hm－2和150 kg·hm－2，生育期内分别施用4～5 次和2次[3,6]。可见，2 种种植模式的氮肥运筹差异较大。在提高氮素效率前提下实现高产才能实现植棉高效、可持续发展。

提高作物氮素效率历来是科学研究的热点。众多研究表明不同品种对氮素的吸收和利用存在差异[10-13]；在栽培技术上，研究一致认为适宜的氮肥运筹[6,8-9,14]有利于获得较高产量，同时提高氮肥利用率。就麦后移栽棉和麦后直播棉2 种种植模式而言，其氮肥运筹、氮素利用率不同[3,5-6,8,14]，且在适宜品种、种植方式、种植密度、播期等[2-5,15-16]方面均存在较大差异，但已有研究多在单一种植模式下进行，不能准确反映2 种种植模式在产量、效益和氮素利用率方面的差异。

本研究在大田条件下，设置麦后移栽棉和麦后直播棉2 种种植模式，比较2 种种植模式下产量、效益及氮素效率的差异，以期明确长江流域棉区麦棉两熟种植制度下适宜的棉花高产高效种植模式，也为高产高效栽培提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2016 年、2017 年在江苏省大丰区稻麦原种场（120°28′E，33°12′N）进行，供试土壤为砂壤土，2 年0～20 cm 土层有机质含量分别为12.5 g·kg－1、12.3 g·kg－1，全氮含量分别为1.4 g·kg－1、1.3 g·kg－1，速效磷含量分别为30.5 mg·kg－1、29.8 mg·kg－1，速效钾含量分别为178 mg·kg－1、183 mg·kg－1，pH 分别为8.02、8.13。

2016 年：采用2 因素裂区设计。种植方式为主区因素，设移栽（P1）和直播（P2）2 个水平；氮肥运筹为裂区因素，设不施氮（N0，0 kg·hm－2）和适宜氮肥运筹（N1，根据前期研究结果[3-5,15-16]，P1 方式为375 kg·hm－2，P2 方式为150 kg·hm－2）2 个水平。其中，P1 方式采用中熟品种泗杂3 号（V1，生育期130 d），P2 方式采用早熟品种中棉所50（V2，生育期105 d）。

2017 年：采用3 因素裂区设计。种植方式为主区因素，品种为裂区因素，氮肥运筹为小裂区因素。主区和小裂区水平设置同2016 年，裂区设中熟品种和早熟品种2 个水平，品种同2016 年。

2016 年、2017 年分别有4 个和8 个处理，均为4 次重复，小区面积36 m2。2016 年、2017 年P1方式分别于4 月20 日、22 日播种，大麦收获后5月24 日和5 月25 日移栽，密度30 000 株·hm－2，行距1 m；P2 方式播种与P1 方式移栽时间相同，密度97 500 株·hm－2，行距0.76 m。 P1 方式氮肥按苗肥、初花肥、盛花肥和盖顶肥施用，分别占总施氮量的20%、25%、40%和15%；P2 方式氮肥按苗肥和初花肥施用，分别占40%和60%。其他田间管理措施按高产要求进行。

表1 棉花生育期间气象信息Table 1 Meteorological information during the cotton growth period in 2016 and 2017

1.2 测定内容与方法

1.2.1产量及霜前花率。吐絮期选择3 个重复于每小区选生长一致具有代表性的棉株15 株测定成铃数；每小区收取中上部正常吐絮棉铃30 个，测定铃重和衣分，计算理论皮棉产量。4 个重复各小区分别实收计产，霜前花率（%）＝11 月10 日前收获籽棉产量/籽棉总产量×100。

1.2.2生物量与养分测定。 2016 年、2017 年分别于P1 方式播种后57 d 和60 d 起每隔20 d 每个小区取连续3 株（P1 方式）或5 株（P2 方式）具有代表性棉株，按茎枝、叶片和蕾铃等不同部位分开，105 ℃杀青30 min 后于80 ℃烘干至恒重，测定生物量。样品粉碎后分别用凯氏定氮法[17]测定全氮。相关指标计算如下[16]：

生物量（氮素）经济系数（%）＝生殖器官生物量（氮素累积量）/地上部生物量（氮素累积量）×100；

氮素表观利用率（%）＝（施氮区吸氮量－不施氮区吸氮量）/氮肥用量×100；

氮素农学利用率（kg·kg－1）＝（施氮区皮棉产量－不施氮区皮棉产量）/氮肥用量；

氮素生产效率（kg·kg－1）＝皮棉产量/ 地上部氮。

1.2.3收益分析。依据理论产量计算产值，记录田间管理用工、机械和农资等费用，计算棉田收益。

1.3 统计分析方法

采用Microsoft Excel 软件处理数据，用SPSS 11.0 软件进行统计分析。最小显著性差异法检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式对棉花生育进程的影响

2016 年试验，与P1 相比，P2 苗期、蕾期和铃期平均历时分别减少17 d、8 d 和2 d。 2017 年试验，与P1 相比，P2 苗期、蕾期平均历时分别减少10 d 和2.8 d，铃期则增加3.5 d。同一种植方式下，与V1 相比，V2 的苗期、蕾期和铃期平均历时均有所减少，如P2 下分别减少7.5 d、4.5 d、9.5 d。全生育期 P1V1N1、P1V1N0 处理较长，而P2V2N0 与P2V2N1 处理较短（表2）。

表2 不同种植模式对生育进程的影响Table 2 The effects of different planting systems on cotton growth process

2.2 不同种植模式对棉花群体生物量累积与分配的影响

2016 年适宜氮肥运筹下，7 月18 日后P2 地上部生物量和8 月5 日后P2 生殖器官生物量高于P1，8 月5 日后经济系数相反。 2017 年结果相似。 2017 年相同氮肥运筹下，8 月6 日后地上部生物量P2 高于P1；同一种植方式相同氮肥运筹下，8 月6 日后V1 地上部生物量高于V2。就生殖器官生物量而言，相同氮肥运筹下9 月15 日P2 生殖器官生物量高于P1；同一种植方式相同氮肥运筹下V1 9 月15 日P2 生殖器官生物量高于V2。就生物量经济系数而言，不同种植方式间P1 高于P2；品种间V2 高于V1。2017 年P2V1N1处理地上部和生殖器官生物量最高，其次是P2V2N1 处理（图1）。

2.3 不同种植模式对棉花产量及经济效益的影响

2.3.1棉花产量。 2016 年相同氮肥运筹下，P2皮棉产量显著低于P1。2017 年V1 在适宜氮肥运筹条件下，P1 处理皮棉产量显著高于P2，V2 则相反；同一种植方式相同氮肥运筹下，V2 皮棉产量显著低于V1。同一种植方式相同品种下N1 皮棉产量显著高于N0。种植方式、品种和氮肥运筹三者中氮肥运筹对皮棉产量影响最大，其次是品种，再次为种植方式，其中施氮量提高皮棉产量达58.1%。种植方式与品种、种植方式与氮肥运筹对皮棉产量互作显著，2017 年P1V1N1 处理皮棉产量最高，其次是P2V1N1 处理，再次为P2V2N1处理（表3）。

2016 年相同氮肥运筹下，与P1 相比，P2 霜前花率显著增加，2017 年与2016 年一致。 2017年同一品种相同氮肥运筹下，P2 霜前花率显著低于P1；同一种植方式相同氮肥运筹下，V2 霜前花率显著高于V1。品种对霜前花率影响比种植方式大，早熟品种的霜前花率比中熟品种提高了18.6%。霜前花率以P1V2N0 处理最高。种植方式与品种对霜前皮棉产量均无显著影响，适宜氮肥运筹显著增加霜前皮棉产量。此外，种植方式、品种与氮肥运筹两两互作，P1V1N1、P1V2N1、P2V2N1 处理霜前皮棉产量较高（表3）。

表3 不同种植模式对棉花皮棉产量与霜前皮棉产量的影响Table 3 The effects of different planting system on cotton lint yield and pre-frost lint yield

2.3.2经济效益。由表4 可见，2 年P1V1N1、P2V1N1 和P2V2N1 处理籽棉产值较高。适宜氮肥运筹下，P1 籽棉产值是P2 的1.0～1.2 倍；但P1 总成本是P2 的1.8～2.0 倍，成本构成中人工费成本占76.6%～85.0%，而P2 的人工费仅为P1的46.2%～49.0%，P2 收益大幅度高于P1。适宜氮肥运筹条件下，2016 年、2017 年P1 每公顷收益分别为6 736 元和4 690.5 元，P2 分别为15 610元和20 436 元。同一种植方式下，V1 每公顷收益高于V2。2016 年P2V2N1 处理每公顷收益最高；2017 年P2V1N1 和P2V2N1 处理较高，分别为21 279 元和19 593 元。

表4 不同种植模式棉花经济效益的比较Table 4 Comparison of different planting systems on output value and benefit of seed cotton （元·hm－2）

2.4 不同种植模式对棉花群体氮素累积及分配的影响

图2 可见，2016 年相同氮肥运筹下，与P1 相比，P2 地上部和生殖器官氮累积量均降低，但氮经济系数差异较小。2017 年同等条件下的相关结果与2016 一致。 2017 年同一品种相同氮肥运筹下，7 月18 日至8 月25 日P2 地上部氮素累积量高于P1，到9 月15 日差异较小。同一种植方式相同氮肥运筹下，8 月6 日后V1 地上部氮累积量高于V2。就生殖器官氮素累积量而言，同一品种相同氮肥运筹，8 月6 日P2 生殖器官氮素累积量高于P1，其后则相反；相同氮肥运筹下，9月16 日生殖器官氮素累积量V1 高于V2。就氮素经济系数而言，相同氮肥运筹下P1 高于P2；品种间，同一种植方式相同氮肥运筹下，V2高于V1。

2016 年9 月16 日，P1V1N1 处理地上部和生殖器官氮累积量最高；2017 年P1V1N1 处理最高，其次是P2V1N1 处理。

2.5 不同种植模式对氮素吸收和利用的影响

由表5 可见，2 年试验P2 棉花氮素表观利用率和农学利用率均显著高于P1；2017 年P1 条件下V2 的氮素表观利用率和农学利用率高于V1；P2 下V1 的表观利用率显著高于V2，而氮素农学利用率差异不显著。种植方式与品种二者中，种植方式对氮素表观利用率和农学利用率的影响较大，直播方式的农学利用率和氮肥表观利用率较移栽方式分别提高40.0%和76.4%。就氮素生产效率而言，2016 年P2 显著高于P1；2017 年结果与2016 年一致。 2017 年同一品种相同氮肥运筹下，总体上P1 氮素生产效率高于P2；同一种植方式下V2 显著高于V1。种植方式与品种、品种与氮肥运筹显著，三者中品种对氮素生产效率的影响最大；较之于中熟品种，早熟品种的氮素生产效率提高了45.3%。

表5 不同种植模式棉花氮素效率的比较Table 5 Comparison of different planting systems on cotton nitrogen efficiency

3 讨论

3.1 不同种植模式对棉花生长发育的影响

随着早熟棉育种的成功，长江流域棉区直播棉种植模式得以发展[18]。不同种植模式下，播期不同棉花生长发育所处的温光条件不同，生育进程有差异[16,19]。与移栽的中熟品种相比，直播棉花苗期缩短幅度较大，早熟和中熟品种分别缩短18 d和10～11 d，全生育期分别缩短27～30 d 和8.5 d（2017 年）。直播方式播期推迟30～35 d 后，早熟和中熟品种分别在9 月上、中旬和10 月上旬吐絮，可见，麦后直播早熟品种生长转化早，中熟品种易出现晚熟现象。

种植模式影响生育进程，也必然影响生物量。与移栽方式相比，直播方式下棉花密度高、截获光能更多，施氮条件下吐絮期群体生物量高于移栽方式下的中熟品种或相当，但移栽方式经济系数较高，这与其光合产物向生殖器官分配较早、再分配能力强有关[13,20]。同一种植方式下，早熟品种个体生长量小，其生物量低于中熟品种，但经济系数高于中熟品种。

3.2 不同种植模式对棉花产量和收益的影响

王寅等[21]研究表明，直播方式下油菜籽粒产量与移栽方式相近，但直播方式下适宜施氮量明显低于移栽方式，本研究结果相似。研究还发现，直播方式下中熟品种的皮棉产量低于移栽方式，而早熟品种则相反，表明在本研究试验条件下，中熟品种宜采用移栽方式，而早熟品种宜采用直播方式。霜前花率是影响麦后棉高产稳产的重要因素。早熟品种霜前花率较高，适宜氮肥运筹条件下霜前皮棉产量达到1 601.4 kg·hm－2，与移栽方式下中熟品种差异不显著。

适宜氮肥运筹下，不同种植方式均可获得较高的籽棉产值。但移栽方式成本尤其人工成本达到直播方式的2.0～2.2 倍，因此直播方式效益较高。但直播方式下中熟品种霜前花率低，产值和效益不稳定。

3.3 不同种植模式对棉花养分累积与利用的影响

氮素累积和分配是作物生物量和产量形成的基础[22-23]。本研究发现，种植方式与品种对地上部氮素累积量及其氮素经济系数的影响与其对地上部生物量及其经济系数的影响相似，生育后期以直播方式氮素累积量与生物量较高，而经济系数则以早熟品种较高。棉花对氮素的高效吸收利用是实现高产高效的重要途径[11]。种植方式、品种2 个因素中，种植方式对氮素农学利用率和表观利用率影响较大，与前人对水稻和油菜直播方式的农学利用率[24-25]和表观利用率[25]低于移栽方式的研究结果不同，除了与作物不同有关外，还与不同种植方式采用相同氮肥运筹[25]有关，而不同种植方式对氮素响应不同[2-3,5-6,21]。此外，直播方式下氮肥农学利用率高，可能与直播棉花对氮肥较为敏感有关[6]，氮肥表观利用率高与其群体密度高有关。已有的研究表明，不同棉花品种因长势、熟相及产量水平的不同，对氮肥吸收、利用的效率也存在较大差异[11-12,26-27]。本研究表明种植方式、品种与氮肥运筹3 个因素中，品种对氮素生产效率影响最大，不同种植方式下早熟品种的氮素生产效率均较高，与早熟品种生长转化快、生物量与氮素经济系数高有关。由此可知，采用氮素表观利用率和农学利用率高的种植方式，配合氮素生产效率高的品种，可以以较少的氮肥投入获得较高的产量，在化肥减施的同时实现增效，也有利于提高植棉效益、保护环境。