• ISSN 1008-505X
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机采棉氮素吸收及产量的最佳水氮组合

廖欢 甘浩天 刘凯 殷星 刘少华 唐新愿 侯振安

引用本文:
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机采棉氮素吸收及产量的最佳水氮组合

    作者简介: 廖欢 E-mail: 978547628@qq.com;
    通讯作者: 侯振安, E-mail:hzatyl@163.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2017YFD0200100,2018YFD0800804)。

Optimal water scheme and N rate for high N uptake and yield of machine-harvested cotton

    Corresponding author: HOU Zhen-an, E-mail:hzatyl@163.com
  • 摘要:   【目的】  基于水肥一体化技术,研究不同水氮组合对机采棉氮素吸收及产量的影响,以期建立和完善与机采棉生产相匹配的水氮管理措施。  【方法】  本研究通过田间试验,采用灌水和施氮2因素交互设计,按照农田实际蒸散量(ETc),设置3个滴灌量水平:60%ETc、80%ETc、100%ETc,每个灌水量下设置5个施氮量水平:0、150、225、300、375 kg/hm2(N0、N150、N225、N300、N375),共15个处理。在棉花苗期、初花期、盛花期、盛铃期、吐絮期取样测定棉花干物质量、氮素吸收量,收获后测产并计算水、氮利用效率。  【结果】  吐絮期棉花平均干物质量表现为80%ETc>100%ETc>60%ETc。施氮会使干物质快速积累持续的时间有所缩短,但干物质最大积累速率大幅度增加,进而促进棉花干物质积累量。随着施氮量的增加,棉花干物质量与向棉铃的分配率也不同程度地增加,60%Etc+N375、80%Etc+N375、100%Etc+N300处理干物质总量及向棉铃的分配率最高,只有100%ETc+N375处理不利于干物质向棉铃分配。100%ETc和80%ETc滴灌处理的吐絮期棉花氮素吸收量均值无显著差异,分别较60%ETc滴灌处理增加了26.64%、25.55%。60%ETc滴灌处理,各生育期棉花氮素吸收量均随施氮量的增加而增加;灌水100%ETc、80%ETc条件下,棉花吐絮期的氮素吸收量以N300水平最高,N375水平的棉花氮素吸收与N300水平无明显差异。在3个灌水量下,最大氮素吸收速率均在N375处理达到最大;增施氮肥推迟了棉花氮素吸收速率达到最大的时间,分别较N0水平推迟0~9天、13~15天、6~21天、5~10天。60%ETC滴灌处理较80%ETC、100%ETC滴灌处理降低了籽棉产量,施氮能显著提高棉花产量,但滴灌量为60%ETC时N300与N375水平的棉花产量无显著差异,灌水量为80%ETC、100%ETC时N375水平的棉花产量较N300水平分别降低了13.97%、14.87%。施氮能显著增加棉花的水、氮利用率,在N300水平时达到最高,但60%Etc+N300处理较80%Etc+N300、100%Etc+N300处理的氮肥利用率分别降低了18.36%、14.64%,水分利用率分别增加了5.14%、36.68%。3个灌水处理的氮肥平均利用率表现为80%ETC>100%ETC>60%ETC,灌溉水分利用率表现为60%ETC>80%ETC>100%ETC  【结论】  灌水与施用氮肥在促进机采棉干物质积累、氮素吸收及产量方面有显著的耦合效应。将灌水量控制在80%ETc时,施用N 300 kg/hm2棉花各器官的干物质积累、氮素吸收速率与分配比例最为合理,适宜机械采收模式,单株结铃数及单铃重也优于其他处理,可实现产量和水、氮利用率综合效益的最大化。
  • 图 1  不同水氮处理对棉花氮肥利用率及灌溉水分利用率的影响

    Figure 1.  Effects of different water and N rate on water and N use efficiency of cotton

    图 2  水氮互作与各优化指标间的关系

    Figure 2.  Relationship between water and N interaction and optimization indexes

    表 1  试验地土壤基本性质

    Table 1.  Basic properties of test soil

    土层深度
    Soil depth
    (cm)
    有机质含量
    Organic matter
    (g/kg)
    硝态氮
    NO3-N
    (mg/kg)
    铵态氮
    NH4+-N
    (mg/kg)
    有效磷
    P2O5
    (mg/kg)
    速效钾
    K2O
    (mg/kg)
    0—2015.827.161.2822.73444.40
    20—4012.520.381.6320.81346.49
    40—605.4314.702.059.01231.52
    60—803.165.853.036.43195.99
    80—1003.516.043.566.23183.85
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    表 2  各处理每次及总灌水量和施氮量

    Table 2.  Individual and the total amount of water and N in each treatment during the cotton growth period

    处理
    Treatment
    灌水施肥日期 Fertigation date (month-day)总计
    Total
    06–1106–1907–0107–1007–2008–0308–1008–19
    滴灌量
    Drip irrigation
    (mm)(mm)
    60%ETC37.818.527.932.436.038.726.430247.7
    80%ETC50.424.737.243.248.051.635.240330.3
    100%ETC63.030.946.554.060.064.544.050412.9
    施氮量
    N rate
    (kg/hm2)
    N00000000
    N15022.527303022.518150
    N22533.7540.5454533.7527225
    N300455460604536300
    N375.56.2567.5757556.2545375
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    表 3  不同水氮组合处理棉花地上部干物质积累量(×103 kg/hm2)随生育期的动态变化

    Table 3.  Dry matter accumulation(×103 kg/hm2) of cotton shoot across the growth stages under different water and N combination

    处理
    Treatment
    苗期
    Seedling stage
    蕾期
    Squaring stage
    初花期
    Initial flowering
    盛花期
    Full flowering
    盛铃期
    Full belling
    吐絮期
    Boll opening
    60%ETcN00.67 ±0.07 c0.99 ±0.03 c1.95±0.11 d3.57±0.13 d6.52±0.18 e7.21±0.09 e
    N1500.95±0.09 b1.36±0.09 b2.53±0.08 c4.29±0.03 c6.99±0.12 d10.19±0.08 d
    N2250.59±0.04 c1.01±0.03 c2.52±0.07 c5.05±0.19 b8.08±0.16 c8.89±0.09 c
    N3001.05±0.02 ab1.49±0.10 ab2.83±0.13 b5.11±0.17 ab9.75±0.14 b12.79±0.22 b
    N3751.14±0.06 a1.61±0.10 a2.99±0.06 a5.32±0.09 a10.11±0.07 a13.40±0.26 a
    平均 Mean0.88±0.23 A1.30±0.27 A2.57±0.38 B4.68±0.69 C8.31±1.51 B10.52±2.45 C
    80%ETcN00.77±0.08 bc1.11±0.03 c2.20±0.19 b3.92±0.05 e7.16±0.14 d8.99 ±0.28 c
    N1500.62±0.06 d0.98±0.03 d2.21±0.11 b4.63± 0.0 d9.51±0.24 c12.07±0.16 b
    N2250.66±0.03 cd1.05±0.06 cd2.40±0.08 b5.01±0.11 c9.93±0.17 bc12.26±0.18 b
    N3000.85±0.11 ab1.30±0.09 b2.74±0.09 a5.29±0.18 b9.87±0.26 b12.15 ±0.18 b
    N3750.97±0.08 a1.47±0.07 a3.01±0.16 a6.00±0.15 a11.44±0.22 a14.29±0.23 a
    平均 Mean0.77±0.15 B1.18±0.19 B2.51±0.35 B4.96±0.71 B9.55±1.40 A11.92±1.69 A
    100%ETcN00.55±0.09 c0.99±0.03 d2.66±0.04 c4.99±0.09 c7.25±0.18 e7.70±0.34 c
    N1500.71±0.09 b1.21±0.04 c2.81±0.05 bc5.67±0.08 b8.53±0.19 d9.21±0.29 b
    N2250.95±0.07 a1.34±0.08 b2.68±0.04 c4.70±0.02 d9.57±0.09 c13.31±0.18 a
    N3001.08±0.06 a1.57±0.08 a2.96±0.19 ab5.63±0.07 b10.65±0.14 b13.66±0.26 a
    N3751.03±0.09 a1.56± 0.08 a3.09±0.08 a6.09±0.16 a11.20±0.23 a13.77±0.39 a
    平均 Mean0.86±0.22 A1.33±0.24 A2.84±0.20 A5.42±0.54 A9.44±1.50 A11.53±2.67 B
    注(Note):同列数据后不同大写字母表示灌水处理间差异显著,不同小写字母表述同一灌水条件下不同氮施用水平处理间差异显著(P < 0.05) Values followed by different capital letters indicate significant differences among irrigation treatments, and different small letters indicate significant difference among N treatments under the same water condition (P < 0.05).
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    表 4  棉花地上部干物质积累的Logistic模型及特征值

    Table 4.  Logistic models and characteristic values of dry matter accumulation in cotton shoot

    处理 Treatments方程 Equationt0/dt1/dt2/dΔt/dVm [kg/(hm2·d)]R2
    60%ETc
    N0y=7738.25/(1+21.954e-0.051t)72469852112.610.972*
    N150y=18805.251/(1+21.531e−0.029t)73469953150.630.963*
    N225y=9210.823/(1+27.867e−0.059t)61408242123.030.988*
    N300y=16660.381/(1+22.855e−0.039t)755010050120.830.977*
    N375y=18137.227/(1+22.224e−0.037t)946512358106.830.970*
    80%ETc
    N0y=10994.152/(1+20.751e−0.041t)7349984991.860.983*
    N150y=14095.063/(1+36.905e−0.048t)62438138172.270.988*
    N225y=13741.856/(1+34.867e−0.050t)62438138174.400.990*
    N300y=13010.662/(1+25.628e−0.049t)68469043157.920.988*
    N375y=20079.968/(1+28.174e−0.040t)68469043154.300.989*
    100%ETc
    N0y=7903.748/(1+26.748e−0.064t)62418544100.680.918
    N150y=9473.515/(1+23.915e−0.060t)49346531186.700.985*
    N225y=22980.211/(1+32.949e−0.035t)98701265697.340.986*
    N300y=16933.192/(1+23.098e−0.041t)1148314461104.630.979*
    N375y=15942.286/(1+23.637e−0.045t)976812557117.250.981*
    注(Note):t—棉花出苗后天数 Days after the emergence of cotton; y—棉花干物质积累量 Dry matter accumulation (kg/hm2); t0—干物质积累最大速率出现时间 (天) Days needed for the reaching the maximum dry matter accumulation rate; t1、t2分别为 Logistic 生长函数的两个拐点 t1, t2 are the two inflexions of the logistic equations respectively; Δt—干物质快速积累持续天数 Duration time taken by dry matter rapid accumulation; Vm—干物质最大增长速率 The maximum increase rate of dry matter. *—P < 0.05.
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    表 5  棉花吐絮期地上部干物质积累与分配

    Table 5.  5Accumulation and distribution of aboveground dry matter in cotton at the boll opening stage

    处理
    Treatment
    干物质量 Dry matter amount (−103 kg/hm2)分配比例 Distribution ratio (%)
    茎 Stem叶 Leaf铃 Boll茎 Stem叶 Leaf铃 Boll
    60%ETc
    N01.41±0.09 c1.55±0.05 d4.22±0.12 e19.96±1.39 c21.52±0.41 b58.52±0.98 b
    N1502.60±0.07 a2.46±0.07 b5.12±0.08 c25.53±0.83 a24.17±0.48 a50.30±0.43 d
    N2252.04±0.07 b2.17±0.02 c4.68±0.09 d22.97±0.75 b24.42±0.44 a52.61±0.78 c
    N3002.50±0.12 a2.69±0.08 a7.60±0.22 b19.57±1.26 c21.06±0.53 bc59.37±1.42 ab
    N3752.53±0.16 a2.72±0.06 a8.15±0.26 a18.88±1.53 c20.30±0.27 c60.82±1.69 a
    平均 Mean2.22±0.47 B2.32±0.45 B5.96±1.68 C22.02±5.15 A22.83±3.91 A55.15±8.97 B
    80%ETc
    N02.09±0.04 d2.24±0.11 b4.66±0.28 d23.22±1.03 a24.97±1.55 a51.81±2.50 b
    N1502.72±0.06 a2.97±0.15 a6.38±0.16 c22.54±0.40 a24.60±1.25 a52.86±0.89 b
    N2252.33±0.01 c2.40±0.13 b7.53±0.18 b18.98±0.30 c19.57±1.10 b61.45±1.23 a
    N3002.45±0.06 b2.37±0.07 b7.32±0.18 b20.17±0.56 b19.54±0.27 b60.28±0.58 a
    N3752.58±0.07 b2.84±0.04 a8.86±0.23 a18.06±0.25 c19.89±0.52 b62.05±0.45 a
    平均 Mean2.43±0.23 A2.56±0.30 A6.95±1.41 A20.59±2.12 B21.71±2.75 B57.69±4.72 A
    100%ETcN01.94±0.04 c2.52±0.02 b3.24±0.34 d25.20±0.72 a32.77±1.66 a42.02±2.33 e
    N1502.15±0.07 c2.04±0.11 c5.01±0.29 c23.39±0.18 b22.15±0.92 b54.46±1.09 d
    N2252.52±0.17 b2.62±0.05 ab8.17±0.18 b18.92±1.07 c19.70±0.13 c61.38±1.16 b
    N3002.13±0.07 c2.69±0.09 a8.84±0.26 a15.58±0.23 d19.70±1.06 c64.72±0.84 a
    N3753.07±0.14 a2.72±0.07 a7.98±0.39 b22.28±0.41 b19.77±0.94 c57.95±0.74 c
    平均 Mean2.36±0.42 A2.52±0.27 A6.65±2.23 B21.08±3.58 B22.82±5.32 A56.11±8.19 B
    注(Note):同列数据后不同大写字母表示灌水处理间差异显著,不同小写字母表述同一灌水条件下不同氮施用水平处理间差异显著(P < 0.05) Values followed by different capital letters indicate significant differences among irrigation treatments, and different small letters indicate significant difference among N treatments under the same water condition (P < 0.05).
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    表 6  不同水氮组合下各生育期棉花氮素吸收量(kg/hm2)

    Table 6.  Nitrogen uptake of cotton at different growth stages underdifferent water and N combination

    处理
    Treatment
    苗期
    Seedling stage
    蕾期
    Squaring stage
    初花期
    Initial Flowering
    盛花期
    Full flowering
    盛铃期
    Full belling
    吐絮期
    Boll opening
    60%ETcN010.08±1.12 d20.77±0.99 d44.67±2.97 d91.80±2.66 e130.46±8.76 e141.87±10.23 d
    N15014.13±0.63 c19.44±0.78 c66.76±5.48 c120.92±5.37 d171.72±10.43 d200.20±8.39 c
    N2258.35±0.74 e22.71±1.86 d72.41±5.20 bc151.90±8.31 c208.99±4.69 c213.05±9.24 c
    N30016.09±0.36 b37.94±1.52 b92.70±6.84 a169.00±4.35 b296.16±3.57 b310.12±14.59 b
    N37517.78±0.66 a43.03±3.32 a79.20±4.01 b184.60±1.83 a338.60±14.80 a329.14±5.90 a
    平均 Mean13.29±3.74 B30.78±9.03 B71.15±16.93 B143.65±34.88 C229.19±80.46 B238.88±73.39 B
    80%ETcN011.30±1.10 b22.34±1.21 c46.30±2.90 c109.01±5.58 d164.27±20.72 d183.57±28.89 d
    N1509.02±0.71 c19.08±1.36 d50.02±0.87 c145.52±2.92 c232.74±26.26 c241.14±6.47 c
    N22514.25±0.61 a23.12±0.62 c62.44±1.27 b146.27±5.03 c272.69±27.04 c327.04±7.45 b
    N30015.30±0.57 a34.46±0.95 b85.25±4.39 a160.88±5.70 b324.67±29.63 b389.66±35.36 a
    N3759.58±0.50 c38.02±1.47 a90.26±7.15 a196.05±8.11 a371.21±21.80 a371.17±11.89 a
    平均 Mean11.89±2.65 C27.40±7.75 C66.85±18.90 C151.75±29.46 B273.12±77.31 A302.51±83.29 A
    100%ETcN011.09±0.88 c21.08±0.56 e61.45±1.61 c128.27±3.07 c177.22±18.11 c186.50±8.78 c
    N15011.25±0.54 c24.90±0.16 d74.41±5.50 b161.33±5.72 b205.54±11.64 c224.61±6.34 c
    N22515.50±0.14 b30.79±0.63 c74.91±3.04 b153.76±8.60 b283.44±43.01 b325.45±9.12 b
    N30018.08±0.65 a39.28±2.36 b91.26±7.14 a163.82±9.45 b337.63±12.79 a389.73±23.26 a
    N37517.46±1.23 a44.45±0.77 a92.56±6.32 a195.37±5.32 a374.30±23.18a373.25±42.79a
    平均 Mean14.68±3.16 A32.10±9.07 A78.92±12.84 A160.51±23.00 A275.63±80.51A299.91±85.79A
    注(Note):同列数据后不同大写字母表示灌水处理间差异显著,不同小写字母表述同一灌水条件下不同氮施用水平处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different capital letters indicate significant differences among irrigation treatments, and different small letters indicate significant difference among N treatments under the same water condition (P < 0.05).
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    表 7  棉花氮素吸收的Logistic模型及特征值

    Table 7.  Logistic models and characteristic values of cotton N uptake

    处理 Treatment方程 Equationt0/dt1/dt2/dΔt/dVm [kg/(hm2·d)]R2
    60%ETc N0y=144.389/(1+58.878e−0.062x)7645106611.720.999**
    N150y=204.530/(1+38.365e−0.054x)7945113682.200.997**
    N225y=225.561/(1+141.612e−0.079x)6349 78294.931.000***
    N300y=328.826/(1+65.773e−0.059x)7048 92444.840.997**
    N375y=352.213/(1+128.640e−0.068x)6648 83356.520.990*
    80%ETc N0y=187.448/(1+76.513e−0.062x)7148 93452.770.998**
    N150y=245.079/(1+293.697e−0.082x)8053106533.290.999**
    N225y=350.648/(1+92.902e−0.056x)8555115603.881.000***
    N300y=435.203/(1+71.533e−0.051x)8755119644.400.999**
    N375y=393.219/(1+149.433e−0.069x)6852 85337.480.994**
    100%ETc N0y=187.809/(1+102.015e−0.073x)6548 83353.591.000***
    N150y=220.640/(1+129.225e−0.078x)6548 82344.470.998**
    N225y=348.972/(1+74.668e−0.055x)8052108564.081.000***
    N300y=433.517/(1+68.702e−0.052x)8653120664.320.998**
    N375y=399.808/(1+113.479e−0.065x)7049 90416.300.992**
    vt—棉花出苗后天数 Days after emergence of cotton (d); y—棉花氮素吸收量 Nitrogen uptake of cotton (kg/(hm2·d); t0—最大氮素吸收速率出现时间 Occurrence time of maximum nitrogen uptake rate; t1、t2分别为 Logistic 生长函数的两个拐点 t1 and t2 are the two inflexions of the logistic equations respectively; Δt—氮素快速积累持续时间 Duration time of rapid nitrogen accumulation; Vm—氮素吸收最大增长速率 Maximum increase rate ofnitrogen uptake. *—P < 0.05; **—P < 0.01; ***—P < 0.001.
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    表 8  不同水氮组合下棉花氮素的吸收量及其在茎叶和铃中的分配比例

    Table 8.  N absorption and distribution in cotton under different water and N rate

    处理 Treatment氮吸收 (kg/hm2) N uptake分配比例 Distribution ratio (%)
    茎 Stem叶 Leaf铃 Boll
    60%ETc
    N0141.87±10.23 d8.03±0.31 c19.62±1.66 b72.35±1.59 ab
    N150200.20±8.39 c11.97±0.25 a22.85±0.70 a65.18±0.87 c
    N225213.05±9.24 c9.79±0.59 b20.50±1.28 ab69.72±1.15 b
    N300310.12±14.59 b7.05±0.59 d19.60±1.50 b73.35±2.00 a
    N375329.04±5.90 a6.35±0.19 d20.23±1.78 ab73.42±1.95 a
    Mean238.88±73.39 B8.64±2.13 A20.56±1.73 A70.80±3.49 B
    80%ETc
    N0183.57±28.89 d9.84±1.77 a22.70±2.10 a67.46±0.36 c
    N150241.14±6.47 c9.32±0.44 a24.78±1.67 a65.89±2.08 c
    N225327.04±7.45 b5.28±0.27 b16.09±0.10 c78.63±0.18 a
    N300389.66±35.36 a4.89±0.39 b16.87±0.66 c78.24±0.67 a
    N375371.17±11.89 a4.92±0.17 b19.57±0.47 b75.52±0.55 b
    Mean302.51±83.29 A6.85±2.43 B20.00±3.61 A73.15±5.67 A
    100%ETc
    N0186.50±8.78 c9.16±0.68 a30.18±2.04 a60.66±2.64 c
    N150224.61±6.34 c7.88±0.65 b20.96±2.65 b71.15±2.01 b
    N225325.45±9.12 b6.48±0.50 c17.66±1.10 b75.87±1.45 ab
    N300389.72±23.25 a5.03±0.48 d17.88±0.92 b77.09±1.37 a
    N375373.25±42.79 a7.84±0.71 bc20.66±4.77 b71.80±5.46 ab
    Mean299.91±85.79 A7.22±1.53 B21.47±5.24 A71.31±6.51 B
    注(Note):同列数据后不同大写字母表示灌水处理间差异显著,不同小写字母表述同一灌水条件下不同氮施用水平处理间差异显著 Values followed by different capital letters indicate significant differences among irrigation treatments, and different small letters indicate significant difference among N treatments under the same water condition (P < 0.05).
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    表 9  棉花产量及构成因子

    Table 9.  Cotton yield and its components

    处理
    Treatment
    单株结铃数
    Boll number
    per plant
    单铃重
    Boll weight
    (g)
    籽棉产量
    Seed cotton yield
    (kg/hm2)
    60%ETc
    N04.39±0.29 c4.30±0.06 d4175±253 d
    N1504.60±0.32 bc4.54±0.06 c4586±370 c
    N2254.87±0.25 ab4.72±0.08 b5096±109 b
    N3005.17±0.26 a4.85±0.06 ab5571±471 a
    N3755.06±0.13 a4.95±0.07 a5526±306 a
    平均 Mean4.82±0.38 B4.67±0.25 B4991±627 B
    80%ETc
    N04.62±0.14 d4.45±0.05 c4535±153 d
    N1504.92±0.24 c4.68±0.07 bc5109±425 c
    N2255.39±0.26 b4.90±0.12 b5935±319 b
    N3005.86±0.12 a5.50±0.14 a7065±619 a
    N3755.55±0.10 b4.86±0.06 b6078±329 b
    平均 Mean5.27±0.48 A4.88±0.37 A5744±956 A
    100%ETc
    N04.66±0.40 d4.67±0.11 b4796±323 d
    N1504.99±0.07 c4.71±0.16 b5223±214 c
    N2255.31±0.17 b5.11±0.04 a6057±268 b
    N3005.80±0.14 a5.32±0.15 a6793±363 a
    N3755.47±0.11 b4.76±0.11 b5783±532 b
    平均 Mean5.25±0.44 A4.91±0.28 A5730±774 A
    注(Note):同列数据后不同大写字母表示灌水处理间差异显著,不同小写字母表述同一灌水条件下不同氮施用水平处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different capital letters indicate significant differences among irrigation treatments, and different small letters indicate significant difference among N treatments under the same water condition (P < 0.05).
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    表 10  棉花产量、NUE、IWUE与水(W)氮(N)处理的非线性回归方程及其达到最高值对应的水氮组合

    Table 10.  Nonlinear regression equation of water and N coupling with cotton yield, NUE, and IWUE

    η回归方程 Regression equationR2W (mm)N (kg/hm2)ηmax
    产量 Yield/η1y=−2977.62+41.67W+7.63N−1.27×10−4WN−0.05626W2−8.17×10−3N20.9913703756433
    NUE/η2y=−176.79+0.75500W+0.76594N+1.58×10−4 WN−1.15×10−3 W2−1.41×10−3N20.88334829166
    IWUE/η3y=1.77−7.08×10−4W+3.58×10−3N−4.00×10−6 WN−5.54×10−6 W2−2.22×10−6N20.9992483751.91
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    表 11  水氮区间寻优方案

    Table 11.  Optimized scheme of water and N interval

    η80%ηmax90%ηmax
    灌水量(mm)
    Irrigation amount
    施氮量(kg/hm2)
    N rate
    灌水量(mm)
    Irrigation amount
    施氮量(kg/hm2)
    N rate
    产量/η1301.68~412.90249.24~353.12321.59~384.20271.20~332.40
    NUE/η2275.76~412.9208.33~342.09303.08~412.90222.56~325.33
    IWUE/η3247.70~343.14216.27~357.00247.70~307.65252.80~375.00
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  • 收稿日期:  2021-04-07

机采棉氮素吸收及产量的最佳水氮组合

    作者简介:廖欢 E-mail: 978547628@qq.com
    通讯作者: 侯振安, hzatyl@163.com
  • 石河子大学农学院/新疆建设兵团绿洲生态农业重点实验室, 新疆石河子832000
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2017YFD0200100,2018YFD0800804)。
  • 摘要:   【目的】  基于水肥一体化技术,研究不同水氮组合对机采棉氮素吸收及产量的影响,以期建立和完善与机采棉生产相匹配的水氮管理措施。  【方法】  本研究通过田间试验,采用灌水和施氮2因素交互设计,按照农田实际蒸散量(ETc),设置3个滴灌量水平:60%ETc、80%ETc、100%ETc,每个灌水量下设置5个施氮量水平:0、150、225、300、375 kg/hm2(N0、N150、N225、N300、N375),共15个处理。在棉花苗期、初花期、盛花期、盛铃期、吐絮期取样测定棉花干物质量、氮素吸收量,收获后测产并计算水、氮利用效率。  【结果】  吐絮期棉花平均干物质量表现为80%ETc>100%ETc>60%ETc。施氮会使干物质快速积累持续的时间有所缩短,但干物质最大积累速率大幅度增加,进而促进棉花干物质积累量。随着施氮量的增加,棉花干物质量与向棉铃的分配率也不同程度地增加,60%Etc+N375、80%Etc+N375、100%Etc+N300处理干物质总量及向棉铃的分配率最高,只有100%ETc+N375处理不利于干物质向棉铃分配。100%ETc和80%ETc滴灌处理的吐絮期棉花氮素吸收量均值无显著差异,分别较60%ETc滴灌处理增加了26.64%、25.55%。60%ETc滴灌处理,各生育期棉花氮素吸收量均随施氮量的增加而增加;灌水100%ETc、80%ETc条件下,棉花吐絮期的氮素吸收量以N300水平最高,N375水平的棉花氮素吸收与N300水平无明显差异。在3个灌水量下,最大氮素吸收速率均在N375处理达到最大;增施氮肥推迟了棉花氮素吸收速率达到最大的时间,分别较N0水平推迟0~9天、13~15天、6~21天、5~10天。60%ETC滴灌处理较80%ETC、100%ETC滴灌处理降低了籽棉产量,施氮能显著提高棉花产量,但滴灌量为60%ETC时N300与N375水平的棉花产量无显著差异,灌水量为80%ETC、100%ETC时N375水平的棉花产量较N300水平分别降低了13.97%、14.87%。施氮能显著增加棉花的水、氮利用率,在N300水平时达到最高,但60%Etc+N300处理较80%Etc+N300、100%Etc+N300处理的氮肥利用率分别降低了18.36%、14.64%,水分利用率分别增加了5.14%、36.68%。3个灌水处理的氮肥平均利用率表现为80%ETC>100%ETC>60%ETC,灌溉水分利用率表现为60%ETC>80%ETC>100%ETC  【结论】  灌水与施用氮肥在促进机采棉干物质积累、氮素吸收及产量方面有显著的耦合效应。将灌水量控制在80%ETc时,施用N 300 kg/hm2棉花各器官的干物质积累、氮素吸收速率与分配比例最为合理,适宜机械采收模式,单株结铃数及单铃重也优于其他处理,可实现产量和水、氮利用率综合效益的最大化。

    English Abstract

    • 新疆地区是我国最重要的商品棉生产基地[1]。近年来,随着棉花栽培技术和生产成本的提升,推广机械采收已成为新疆棉花产业发展的必由之路[2-3]。据统计,北疆地区机采棉占比已达到90% 以上,南疆地区棉花采收机械化率也在逐年增长[4-6]。适宜机械采收的棉花需具有早熟性好、成熟(结铃、吐絮)相对集中、单铃重及衣分高、植株紧凑、高矮适中的特点[7]。但新疆的机采棉仍处于起步阶段,部分技术还不成熟。为了满足机械采收,机采棉生育后期需要脱叶与催熟,喷施脱叶剂会使棉铃吐絮率显著降低[8-9],且棉花机采追求过高的采净率会导致籽棉含杂率过高[10],对纤维造成较大的损伤,进而使棉花质量下滑,市场竞争力降低[11]。导致这些问题的原因除了缺少适宜机械采收的棉花品种之外,栽培管理措施和机采棉不相适宜也是主要因素之一[12]。灌水和施肥是促进作物生长发育的重要措施,合理的水肥运筹可以构建棉花合理的群体和个体结构,为机械收获奠定基础,同时也能促进棉花早熟,提高棉花产量和品质[13-15]。相反,若水肥过多,容易引起棉株疯长,造成棉田荫蔽,导致棉花后期贪青晚熟;若水、肥不足,又会使棉株易于早衰,引起大量的蕾铃脱落,影响产量和品质[16]。因此,科学合理的确定机采棉所需的最佳灌水量与施肥量,对实现作物增产高效具有十分重要的意义。

      水、氮是作物实现高产不可或缺的必要条件[17]。氮素只有溶解在水中才能被作物吸收,且水分状况在很大程度上会决定氮肥的吸收量和利用率,即二者之间存在着互作效应[18-19]。张燕等[20]的研究结果表明,当滴灌量为380 mm,施肥量(N-P2O5-K2O)为(250–100–50)kg/hm2时,可协调棉花营养生长与生殖生长,使棉花产量、氮肥利用率均有显著提高。忠智博[21]对滴灌棉花的生长及土壤水氮分布进行了研究,结果表明当施氮量和滴灌量分别为262.5 kg/hm2和3750 m3/hm2时,棉花单株铃数、单铃质量以及产量、品质均可处于相对较高的水平。赵爱琴[22]通过建立大尺度的水氮耦合模型,发现北疆地区最佳灌水量为552 mm、最佳氮肥施用量为354 kg/hm2。李志军等[23]研究了滴灌施肥对棉花生长和产量的水肥耦合效应,结果表明灌水量为100%Etc、施氮量为300 kg/hm2时,产量、水分利用效率和肥料偏生产力均达到最高。这与Wang等[24]研究结果一致,在充分灌溉(100%Etc)、施肥量(N-P2O5-K2O)为300–120–60 kg/hm2是提高籽棉产量和经济效益的最佳施肥策略。由此可知,在合适的时间投入合理的水、氮就会对作物的生长状况、生理特性等产生积极的影响,进而实现作物的优质高产[25]。但是受地域、气候等因素的影响,棉花的水氮施用制度各不相同。前人关于水氮互作对棉花产量、氮素吸收等影响的研究主要以传统种植模式(手采棉)为主,而机采棉种植模式与传统种植模式存在一定差异。基于北疆地区的生态条件,迫切需要建立和完善与机采棉生产相匹配的水氮管理措施[26-28]。因此,本研究结合水肥一体化技术,通过农田实际蒸散量制定灌水量,研究不同水氮对棉花氮素吸收及产量的影响,以期在资源紧缺日益严峻的和环境恶化压力下,提出适宜北疆地区机采棉的水氮施用策略。

      • 田间试验于2020年在石河子大学农科综合教学实验中心(44°33′N,85°98′E)进行。该地区为典型的温带大陆性气候,多年平均降水量为200 mm左右,平均年蒸发量1700~2200 mm。土壤类型为灰漠土,质地为壤土。0—100 cm的土壤基础性质如表1所示。供试棉花品种为新陆早84号。

        表 1  试验地土壤基本性质

        Table 1.  Basic properties of test soil

        土层深度
        Soil depth
        (cm)
        有机质含量
        Organic matter
        (g/kg)
        硝态氮
        NO3-N
        (mg/kg)
        铵态氮
        NH4+-N
        (mg/kg)
        有效磷
        P2O5
        (mg/kg)
        速效钾
        K2O
        (mg/kg)
        0—2015.827.161.2822.73444.40
        20—4012.520.381.6320.81346.49
        40—605.4314.702.059.01231.52
        60—803.165.853.036.43195.99
        80—1003.516.043.566.23183.85
      • 试验设置灌水量和施肥量2个因素,随机区组排列。试验设置5个N水平:0、150、225、300、375 kg/hm2 (记作N0、N150、N225、N300、N375),和3个滴灌量水平:60%ETc、80%ETc、100%ETc,共计15个处理,每个处理重复3次,45个小区,小区面积为45 m2。ETc为农田实际蒸散量,ETc计算公式如下:

        $ ETc = Kc \times E{T_0} $

        式中:ET0为参考作物蒸散量,采用FAO推荐的Penman-Monteith公式计算;Kc为作物系数,棉花生长初期,快速期、中期和成熟期Kc值为0.35、0.76、1.18和0.60[29]

        棉花种植采用机采棉模式,一膜六行,行距配置为66 cm +10 cm, 种植密度为260000株/hm2,株距为10 cm。2020年4月28日播种,干播湿出。棉花生长期间灌水8次,灌水周期7~10 天。滴灌的肥料为尿素(N 64%)、磷酸二氢钾(P2O5 52%、K2O 34%)和氯化钾(K2O 57%),氮、磷、钾肥全部作追肥,分6次随水滴施。各处理磷钾肥施用量相同,磷肥(P2O5) 105 kg/hm2,钾肥(K2O) 75 kg/hm2。9月14日喷洒脱叶剂、10月12日进行采收,其他管理措施参照当地机采棉田管理措施。

        表 2  各处理每次及总灌水量和施氮量

        Table 2.  Individual and the total amount of water and N in each treatment during the cotton growth period

        处理
        Treatment
        灌水施肥日期 Fertigation date (month-day)总计
        Total
        06–1106–1907–0107–1007–2008–0308–1008–19
        滴灌量
        Drip irrigation
        (mm)(mm)
        60%ETC37.818.527.932.436.038.726.430247.7
        80%ETC50.424.737.243.248.051.635.240330.3
        100%ETC63.030.946.554.060.064.544.050412.9
        施氮量
        N rate
        (kg/hm2)
        N00000000
        N15022.527303022.518150
        N22533.7540.5454533.7527225
        N300455460604536300
        N375.56.2567.5757556.2545375
      • 在棉花苗期(6月4日)、蕾期(6月14日)、初花期(7月3日)、盛花期(7月23日)、盛铃期(8月22日)、吐絮期(9月13日)进行样品采集。每个处理取连续5株棉花的地上部,分为茎、叶、蕾铃部位,鲜样于105℃ 下杀青30 min,然后在80℃下烘至恒重后称重。采用H2SO4-H2O2消煮,凯氏定氮法测定棉花植株氮素累积量。

        在棉花收获前统计各小区内有效铃数,计算平均单株铃数;分别摘取各小区部分正常吐絮棉株上层、中层和下层棉铃30、40和30个,用电子天平称重,最后实收计产。

        灌溉水利用率(IWUE)计算公式如下:

        $ \mathrm{I}\mathrm{W}\mathrm{U}\mathrm{E}\mathrm{ }(\mathrm{k}\mathrm{g}/\mathrm{m}3)=\mathrm{Y}/\mathrm{W} $

        式中:Y为经济产量 (kg/hm2);W为生育期内总灌水量 (m3/hm2)。

        氮肥表观利用率(NUE)计算公式如下:

        $ \rm{NUE}\left(\text{%}\right)=(\rm{U}-{\rm{U}}_{0})/\rm{N} $

        式中:U为施氮区作物吸氮量;$ {\mathrm{U}}_{0} $为不施氮区作物吸氮量,N为氮肥投入量。

        采用min-max最值归一化方法,将原始值X映射成在区间[0,1]中的值$ {X}_{A} $

        $ {\mathrm{X}}_{\mathrm{A}}=(\mathrm{X}-{\mathrm{X}}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}})/({\mathrm{X}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-{\mathrm{X}}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}) $

        式中:$ {\mathrm{X}}_{\mathrm{A}} $为数据标准化值;$ \mathrm{X} $为样本实际值;$ {\mathrm{X}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $为样本数据最大值;$ {\mathrm{X}}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}} $为样本数据最小值。

      • 数据的常规处理和制图使用Microsoft Excel 2010。应用SPSS22.0进行数据的方差分析和方程拟合,方差分析达到显著性水平后(P < 0.05),采用Duncan法进行处理间的多重比较。

      • 表3可以看出,60%ETC处理对棉花苗期至蕾期的干物质积累无明显抑制作用,初花期后60%ETC处理的干物质积累量较80%ETC、100%ETC处理显著降低。80%ETC处理的干物质积累量在棉花苗期至盛花期时较100%ETC处理显著降低,但盛铃期至吐絮期时有利于棉花的干物质积累。100%ETC处理在苗期至盛铃期时均较60%ETC、80%ETC处理促进了棉花的干物质积累量,但吐絮期时100%ETC处理的干物质积累量有所降低。此外,在60%ETC、80%ETC灌水条件下,施氮对棉花干物质积累量的影响规律相似,均随施氮量的增加有所增加,但吐絮期80%ETC+N150、80%ETC+N225、80%ETC+N300处理的干物质积累量无显著差异。100%ETC灌水条件下,除盛花期、盛铃期时棉花干物质积累量会随着施氮量的增加而增加,其余生长阶段N300、N375处理的干物质积累量差异均不显著。

        表 3  不同水氮组合处理棉花地上部干物质积累量(×103 kg/hm2)随生育期的动态变化

        Table 3.  Dry matter accumulation(×103 kg/hm2) of cotton shoot across the growth stages under different water and N combination

        处理
        Treatment
        苗期
        Seedling stage
        蕾期
        Squaring stage
        初花期
        Initial flowering
        盛花期
        Full flowering
        盛铃期
        Full belling
        吐絮期
        Boll opening
        60%ETcN00.67 ±0.07 c0.99 ±0.03 c1.95±0.11 d3.57±0.13 d6.52±0.18 e7.21±0.09 e
        N1500.95±0.09 b1.36±0.09 b2.53±0.08 c4.29±0.03 c6.99±0.12 d10.19±0.08 d
        N2250.59±0.04 c1.01±0.03 c2.52±0.07 c5.05±0.19 b8.08±0.16 c8.89±0.09 c
        N3001.05±0.02 ab1.49±0.10 ab2.83±0.13 b5.11±0.17 ab9.75±0.14 b12.79±0.22 b
        N3751.14±0.06 a1.61±0.10 a2.99±0.06 a5.32±0.09 a10.11±0.07 a13.40±0.26 a
        平均 Mean0.88±0.23 A1.30±0.27 A2.57±0.38 B4.68±0.69 C8.31±1.51 B10.52±2.45 C
        80%ETcN00.77±0.08 bc1.11±0.03 c2.20±0.19 b3.92±0.05 e7.16±0.14 d8.99 ±0.28 c
        N1500.62±0.06 d0.98±0.03 d2.21±0.11 b4.63± 0.0 d9.51±0.24 c12.07±0.16 b
        N2250.66±0.03 cd1.05±0.06 cd2.40±0.08 b5.01±0.11 c9.93±0.17 bc12.26±0.18 b
        N3000.85±0.11 ab1.30±0.09 b2.74±0.09 a5.29±0.18 b9.87±0.26 b12.15 ±0.18 b
        N3750.97±0.08 a1.47±0.07 a3.01±0.16 a6.00±0.15 a11.44±0.22 a14.29±0.23 a
        平均 Mean0.77±0.15 B1.18±0.19 B2.51±0.35 B4.96±0.71 B9.55±1.40 A11.92±1.69 A
        100%ETcN00.55±0.09 c0.99±0.03 d2.66±0.04 c4.99±0.09 c7.25±0.18 e7.70±0.34 c
        N1500.71±0.09 b1.21±0.04 c2.81±0.05 bc5.67±0.08 b8.53±0.19 d9.21±0.29 b
        N2250.95±0.07 a1.34±0.08 b2.68±0.04 c4.70±0.02 d9.57±0.09 c13.31±0.18 a
        N3001.08±0.06 a1.57±0.08 a2.96±0.19 ab5.63±0.07 b10.65±0.14 b13.66±0.26 a
        N3751.03±0.09 a1.56± 0.08 a3.09±0.08 a6.09±0.16 a11.20±0.23 a13.77±0.39 a
        平均 Mean0.86±0.22 A1.33±0.24 A2.84±0.20 A5.42±0.54 A9.44±1.50 A11.53±2.67 B
        注(Note):同列数据后不同大写字母表示灌水处理间差异显著,不同小写字母表述同一灌水条件下不同氮施用水平处理间差异显著(P < 0.05) Values followed by different capital letters indicate significant differences among irrigation treatments, and different small letters indicate significant difference among N treatments under the same water condition (P < 0.05).
      • 不同水氮处理棉花地上部干物质积累量(Y)随生长时间(t) 的变化符合Logistic函数Y=k/[1+ a e-bt)]。由表4可知,在各灌水条件下,棉花地上部干物质快速积累时间段分别出现在出苗后40~123 天(60%ETC)、43~98 天(80%ETC)、34~144 天(100%ETC)。当灌水量为60% ETc时,N225、N300处理分别较N0处理干物质快速积累持续时间缩短了10天、2天,但N150、N375处理分别较N0处理增加了1天、6天。且N150、N225、N300处理的干物质最大积累速率分别较N0处理提高了33.33%、9.80%、7.84%;当灌水量为80% ETc时,N150、N225、N300、N375处理分别较N0处理干物质快速积累持续时间缩短了11天、11天、6天、6天,干物质最大积累速率提高了87.80%、90.24%、87.80%、87.80%;当灌水量为100% ETc时,N225、N300、N375处理分别较N0处理干物质快速积累持续时间增加了12天、17天、13天,但N150处理较N0处理缩短了13天,N150、N225、N300、N375处理的干物质最大积累速率分别较N0处理提高了86.67%、2.22%、6.67%、17.78%。说明随着施氮量的增加,干物质快速积累持续的时间有所缩短,但干物质最大积累速率却有大幅度增加,进而促进了棉花地上部的干物质积累量。

        表 4  棉花地上部干物质积累的Logistic模型及特征值

        Table 4.  Logistic models and characteristic values of dry matter accumulation in cotton shoot

        处理 Treatments方程 Equationt0/dt1/dt2/dΔt/dVm [kg/(hm2·d)]R2
        60%ETc
        N0y=7738.25/(1+21.954e-0.051t)72469852112.610.972*
        N150y=18805.251/(1+21.531e−0.029t)73469953150.630.963*
        N225y=9210.823/(1+27.867e−0.059t)61408242123.030.988*
        N300y=16660.381/(1+22.855e−0.039t)755010050120.830.977*
        N375y=18137.227/(1+22.224e−0.037t)946512358106.830.970*
        80%ETc
        N0y=10994.152/(1+20.751e−0.041t)7349984991.860.983*
        N150y=14095.063/(1+36.905e−0.048t)62438138172.270.988*
        N225y=13741.856/(1+34.867e−0.050t)62438138174.400.990*
        N300y=13010.662/(1+25.628e−0.049t)68469043157.920.988*
        N375y=20079.968/(1+28.174e−0.040t)68469043154.300.989*
        100%ETc
        N0y=7903.748/(1+26.748e−0.064t)62418544100.680.918
        N150y=9473.515/(1+23.915e−0.060t)49346531186.700.985*
        N225y=22980.211/(1+32.949e−0.035t)98701265697.340.986*
        N300y=16933.192/(1+23.098e−0.041t)1148314461104.630.979*
        N375y=15942.286/(1+23.637e−0.045t)976812557117.250.981*
        注(Note):t—棉花出苗后天数 Days after the emergence of cotton; y—棉花干物质积累量 Dry matter accumulation (kg/hm2); t0—干物质积累最大速率出现时间 (天) Days needed for the reaching the maximum dry matter accumulation rate; t1、t2分别为 Logistic 生长函数的两个拐点 t1, t2 are the two inflexions of the logistic equations respectively; Δt—干物质快速积累持续天数 Duration time taken by dry matter rapid accumulation; Vm—干物质最大增长速率 The maximum increase rate of dry matter. *—P < 0.05.
      • 棉花生长进入吐絮期后,各处理棉花地上部干物质重和各器官的分配率差异极显著(P < 0.01)。60%ETc灌水条件下,棉花茎、叶、铃的干物质量均显著低于80%ETc、100%ETc处理,且各器官的干物质积累量均随施氮量的增加有所增加,以60%ETc+N375处理最高,但N300、N375处理的分配比例差异不显著。80%ETc和100%ETc处理的茎、叶平均干物质量无显著差异,但均显著高于60%ETc处理,而棉铃干物质平均量3个水分处理间差异大达到显著水平,表现为80%ETc >100%ETc>60%ETc。说明灌水量为60%ETc会明显抑制棉花各器官的干物质积累,为不适宜的水分条件。

        在100%ETc灌水条件下,棉铃干物质量随施氮量的增加先增加后降低,以N300处理最高,N375处理的棉铃干重较N300显著降低。表明高施氮量主要促进了棉花茎、叶干物质积累,而不利于棉铃干物质量的积累。而在80%ETc条件下,叶片和棉铃干重均随氮素水平的增加而显著增加,且棉花积累的干物质更多地向棉铃转移。

        表 5  棉花吐絮期地上部干物质积累与分配

        Table 5.  5Accumulation and distribution of aboveground dry matter in cotton at the boll opening stage

        处理
        Treatment
        干物质量 Dry matter amount (−103 kg/hm2)分配比例 Distribution ratio (%)
        茎 Stem叶 Leaf铃 Boll茎 Stem叶 Leaf铃 Boll
        60%ETc
        N01.41±0.09 c1.55±0.05 d4.22±0.12 e19.96±1.39 c21.52±0.41 b58.52±0.98 b
        N1502.60±0.07 a2.46±0.07 b5.12±0.08 c25.53±0.83 a24.17±0.48 a50.30±0.43 d
        N2252.04±0.07 b2.17±0.02 c4.68±0.09 d22.97±0.75 b24.42±0.44 a52.61±0.78 c
        N3002.50±0.12 a2.69±0.08 a7.60±0.22 b19.57±1.26 c21.06±0.53 bc59.37±1.42 ab
        N3752.53±0.16 a2.72±0.06 a8.15±0.26 a18.88±1.53 c20.30±0.27 c60.82±1.69 a
        平均 Mean2.22±0.47 B2.32±0.45 B5.96±1.68 C22.02±5.15 A22.83±3.91 A55.15±8.97 B
        80%ETc
        N02.09±0.04 d2.24±0.11 b4.66±0.28 d23.22±1.03 a24.97±1.55 a51.81±2.50 b
        N1502.72±0.06 a2.97±0.15 a6.38±0.16 c22.54±0.40 a24.60±1.25 a52.86±0.89 b
        N2252.33±0.01 c2.40±0.13 b7.53±0.18 b18.98±0.30 c19.57±1.10 b61.45±1.23 a
        N3002.45±0.06 b2.37±0.07 b7.32±0.18 b20.17±0.56 b19.54±0.27 b60.28±0.58 a
        N3752.58±0.07 b2.84±0.04 a8.86±0.23 a18.06±0.25 c19.89±0.52 b62.05±0.45 a
        平均 Mean2.43±0.23 A2.56±0.30 A6.95±1.41 A20.59±2.12 B21.71±2.75 B57.69±4.72 A
        100%ETcN01.94±0.04 c2.52±0.02 b3.24±0.34 d25.20±0.72 a32.77±1.66 a42.02±2.33 e
        N1502.15±0.07 c2.04±0.11 c5.01±0.29 c23.39±0.18 b22.15±0.92 b54.46±1.09 d
        N2252.52±0.17 b2.62±0.05 ab8.17±0.18 b18.92±1.07 c19.70±0.13 c61.38±1.16 b
        N3002.13±0.07 c2.69±0.09 a8.84±0.26 a15.58±0.23 d19.70±1.06 c64.72±0.84 a
        N3753.07±0.14 a2.72±0.07 a7.98±0.39 b22.28±0.41 b19.77±0.94 c57.95±0.74 c
        平均 Mean2.36±0.42 A2.52±0.27 A6.65±2.23 B21.08±3.58 B22.82±5.32 A56.11±8.19 B
        注(Note):同列数据后不同大写字母表示灌水处理间差异显著,不同小写字母表述同一灌水条件下不同氮施用水平处理间差异显著(P < 0.05) Values followed by different capital letters indicate significant differences among irrigation treatments, and different small letters indicate significant difference among N treatments under the same water condition (P < 0.05).
      • 表6可知,棉花氮素吸收量随着出苗天数的增加而逐渐增加,且不同水氮处理对棉花氮素吸收的影响效应也随着生育期的推进而变大。苗期至盛花期灌水亏缺(60%ETC、80%ETC)会显著抑制棉花的氮素吸收量,盛铃期至吐絮期80%ETC、100%ETC处理的氮素吸收量无显著差异且均较60%ETC处理显著增加。在60%ETC灌水条件下,各生育期棉花氮素吸收量均随施氮量的增加而增加。但80%ETC、100%ETC灌水条件下,棉花吐絮期的氮素吸收量以N300水平最高,继续增施氮肥(N375)对棉花氮素吸收无明显的促进作用。

        表 6  不同水氮组合下各生育期棉花氮素吸收量(kg/hm2)

        Table 6.  Nitrogen uptake of cotton at different growth stages underdifferent water and N combination

        处理
        Treatment
        苗期
        Seedling stage
        蕾期
        Squaring stage
        初花期
        Initial Flowering
        盛花期
        Full flowering
        盛铃期
        Full belling
        吐絮期
        Boll opening
        60%ETcN010.08±1.12 d20.77±0.99 d44.67±2.97 d91.80±2.66 e130.46±8.76 e141.87±10.23 d
        N15014.13±0.63 c19.44±0.78 c66.76±5.48 c120.92±5.37 d171.72±10.43 d200.20±8.39 c
        N2258.35±0.74 e22.71±1.86 d72.41±5.20 bc151.90±8.31 c208.99±4.69 c213.05±9.24 c
        N30016.09±0.36 b37.94±1.52 b92.70±6.84 a169.00±4.35 b296.16±3.57 b310.12±14.59 b
        N37517.78±0.66 a43.03±3.32 a79.20±4.01 b184.60±1.83 a338.60±14.80 a329.14±5.90 a
        平均 Mean13.29±3.74 B30.78±9.03 B71.15±16.93 B143.65±34.88 C229.19±80.46 B238.88±73.39 B
        80%ETcN011.30±1.10 b22.34±1.21 c46.30±2.90 c109.01±5.58 d164.27±20.72 d183.57±28.89 d
        N1509.02±0.71 c19.08±1.36 d50.02±0.87 c145.52±2.92 c232.74±26.26 c241.14±6.47 c
        N22514.25±0.61 a23.12±0.62 c62.44±1.27 b146.27±5.03 c272.69±27.04 c327.04±7.45 b
        N30015.30±0.57 a34.46±0.95 b85.25±4.39 a160.88±5.70 b324.67±29.63 b389.66±35.36 a
        N3759.58±0.50 c38.02±1.47 a90.26±7.15 a196.05±8.11 a371.21±21.80 a371.17±11.89 a
        平均 Mean11.89±2.65 C27.40±7.75 C66.85±18.90 C151.75±29.46 B273.12±77.31 A302.51±83.29 A
        100%ETcN011.09±0.88 c21.08±0.56 e61.45±1.61 c128.27±3.07 c177.22±18.11 c186.50±8.78 c
        N15011.25±0.54 c24.90±0.16 d74.41±5.50 b161.33±5.72 b205.54±11.64 c224.61±6.34 c
        N22515.50±0.14 b30.79±0.63 c74.91±3.04 b153.76±8.60 b283.44±43.01 b325.45±9.12 b
        N30018.08±0.65 a39.28±2.36 b91.26±7.14 a163.82±9.45 b337.63±12.79 a389.73±23.26 a
        N37517.46±1.23 a44.45±0.77 a92.56±6.32 a195.37±5.32 a374.30±23.18a373.25±42.79a
        平均 Mean14.68±3.16 A32.10±9.07 A78.92±12.84 A160.51±23.00 A275.63±80.51A299.91±85.79A
        注(Note):同列数据后不同大写字母表示灌水处理间差异显著,不同小写字母表述同一灌水条件下不同氮施用水平处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different capital letters indicate significant differences among irrigation treatments, and different small letters indicate significant difference among N treatments under the same water condition (P < 0.05).
      • 根据不同水氮处理棉花氮素吸收量(Y)和与生长时间(t)的Logistic函数拟合方程(表7)可知,且在t1~t2时间段内氮素吸收量快速增加,此时应保证水氮供应充足。但在不同灌水与施肥条件下,棉花最大氮素吸收速率及到达最大氮素吸收速率的时间均有所不同。各滴灌处理(60%ETc、80%ETc、100%ETc)的最大氮素吸收速率分别较N0处理增加了0.28~2.79倍、0.19~1.70倍、0.25~0.75倍。但当滴灌量为60% ETc时,N150处理到达最大氮素吸收速率的时间较N0处理提前了3天,N225、N300、N375处理却分别较N0处理推后了13、6、10 天;当滴灌量为80% ETc时,N375处理到达最大氮素吸收速率的时间较N0处理提前了3天,N150、N225、N300处理却分别较N0处理推后了9、14、16天;当滴灌量为100% ETc时,N0与N150处理达最大氮素吸收速率的时间相同,其余施氮处理分别较N0处理推后了15、21、5天。说明在各滴灌量水平下,氮素吸收速率均在N375处理达到最大,但增施氮肥会推迟氮素吸收速率达到最大的时间。

        表 7  棉花氮素吸收的Logistic模型及特征值

        Table 7.  Logistic models and characteristic values of cotton N uptake

        处理 Treatment方程 Equationt0/dt1/dt2/dΔt/dVm [kg/(hm2·d)]R2
        60%ETc N0y=144.389/(1+58.878e−0.062x)7645106611.720.999**
        N150y=204.530/(1+38.365e−0.054x)7945113682.200.997**
        N225y=225.561/(1+141.612e−0.079x)6349 78294.931.000***
        N300y=328.826/(1+65.773e−0.059x)7048 92444.840.997**
        N375y=352.213/(1+128.640e−0.068x)6648 83356.520.990*
        80%ETc N0y=187.448/(1+76.513e−0.062x)7148 93452.770.998**
        N150y=245.079/(1+293.697e−0.082x)8053106533.290.999**
        N225y=350.648/(1+92.902e−0.056x)8555115603.881.000***
        N300y=435.203/(1+71.533e−0.051x)8755119644.400.999**
        N375y=393.219/(1+149.433e−0.069x)6852 85337.480.994**
        100%ETc N0y=187.809/(1+102.015e−0.073x)6548 83353.591.000***
        N150y=220.640/(1+129.225e−0.078x)6548 82344.470.998**
        N225y=348.972/(1+74.668e−0.055x)8052108564.081.000***
        N300y=433.517/(1+68.702e−0.052x)8653120664.320.998**
        N375y=399.808/(1+113.479e−0.065x)7049 90416.300.992**
        vt—棉花出苗后天数 Days after emergence of cotton (d); y—棉花氮素吸收量 Nitrogen uptake of cotton (kg/(hm2·d); t0—最大氮素吸收速率出现时间 Occurrence time of maximum nitrogen uptake rate; t1、t2分别为 Logistic 生长函数的两个拐点 t1 and t2 are the two inflexions of the logistic equations respectively; Δt—氮素快速积累持续时间 Duration time of rapid nitrogen accumulation; Vm—氮素吸收最大增长速率 Maximum increase rate ofnitrogen uptake. *—P < 0.05; **—P < 0.01; ***—P < 0.001.
      • 表8表明,吐絮期100%ETC和80%ETC处理的棉花氮素吸收量无显著差异,但分别较60%ETC处理显著增加了26.64%、25.55%。棉花氮素吸收量均随施氮量增加而增加,但在80%ETC与100%ETC条件下,N375与N300处理无显著增加。无论氮素施用水平高低,氮素在各器官中的积累量和分配率均表现为铃>叶>茎。说明灌水严重亏缺(60%ETC)会导致棉花氮素吸收量有所降低,80%的水分供应(80%ETC)即可保证棉吸收和积累氮素的需求。

        表 8  不同水氮组合下棉花氮素的吸收量及其在茎叶和铃中的分配比例

        Table 8.  N absorption and distribution in cotton under different water and N rate

        处理 Treatment氮吸收 (kg/hm2) N uptake分配比例 Distribution ratio (%)
        茎 Stem叶 Leaf铃 Boll
        60%ETc
        N0141.87±10.23 d8.03±0.31 c19.62±1.66 b72.35±1.59 ab
        N150200.20±8.39 c11.97±0.25 a22.85±0.70 a65.18±0.87 c
        N225213.05±9.24 c9.79±0.59 b20.50±1.28 ab69.72±1.15 b
        N300310.12±14.59 b7.05±0.59 d19.60±1.50 b73.35±2.00 a
        N375329.04±5.90 a6.35±0.19 d20.23±1.78 ab73.42±1.95 a
        Mean238.88±73.39 B8.64±2.13 A20.56±1.73 A70.80±3.49 B
        80%ETc
        N0183.57±28.89 d9.84±1.77 a22.70±2.10 a67.46±0.36 c
        N150241.14±6.47 c9.32±0.44 a24.78±1.67 a65.89±2.08 c
        N225327.04±7.45 b5.28±0.27 b16.09±0.10 c78.63±0.18 a
        N300389.66±35.36 a4.89±0.39 b16.87±0.66 c78.24±0.67 a
        N375371.17±11.89 a4.92±0.17 b19.57±0.47 b75.52±0.55 b
        Mean302.51±83.29 A6.85±2.43 B20.00±3.61 A73.15±5.67 A
        100%ETc
        N0186.50±8.78 c9.16±0.68 a30.18±2.04 a60.66±2.64 c
        N150224.61±6.34 c7.88±0.65 b20.96±2.65 b71.15±2.01 b
        N225325.45±9.12 b6.48±0.50 c17.66±1.10 b75.87±1.45 ab
        N300389.72±23.25 a5.03±0.48 d17.88±0.92 b77.09±1.37 a
        N375373.25±42.79 a7.84±0.71 bc20.66±4.77 b71.80±5.46 ab
        Mean299.91±85.79 A7.22±1.53 B21.47±5.24 A71.31±6.51 B
        注(Note):同列数据后不同大写字母表示灌水处理间差异显著,不同小写字母表述同一灌水条件下不同氮施用水平处理间差异显著 Values followed by different capital letters indicate significant differences among irrigation treatments, and different small letters indicate significant difference among N treatments under the same water condition (P < 0.05).
      • 表9可知,3个灌水处理的棉花产量表现为80%ETC>100%ETC>60%ETC,但80%ETC与100%ETC处理无显著差异,且分别较60%ETC处理显著增加了15.09%和14.81%。在同一滴灌量条件下,随着施氮量的增加棉花单株结铃数、单铃重、产量均有所增加。但当灌水量为60% ETc时,N300与N375处理的棉花产量无显著差异,N150、N225、N300、N375处理分别较N0处理增加了9.84%、22.06%、33.44%、32.36%;当灌水量为80% ETc和100% ETc时,N375处理棉花产量较N300处理有明显降低,且各施氮处理分别较N0处理增产了12.66%~55.79%、8.90%~41.64%。

        表 9  棉花产量及构成因子

        Table 9.  Cotton yield and its components

        处理
        Treatment
        单株结铃数
        Boll number
        per plant
        单铃重
        Boll weight
        (g)
        籽棉产量
        Seed cotton yield
        (kg/hm2)
        60%ETc
        N04.39±0.29 c4.30±0.06 d4175±253 d
        N1504.60±0.32 bc4.54±0.06 c4586±370 c
        N2254.87±0.25 ab4.72±0.08 b5096±109 b
        N3005.17±0.26 a4.85±0.06 ab5571±471 a
        N3755.06±0.13 a4.95±0.07 a5526±306 a
        平均 Mean4.82±0.38 B4.67±0.25 B4991±627 B
        80%ETc
        N04.62±0.14 d4.45±0.05 c4535±153 d
        N1504.92±0.24 c4.68±0.07 bc5109±425 c
        N2255.39±0.26 b4.90±0.12 b5935±319 b
        N3005.86±0.12 a5.50±0.14 a7065±619 a
        N3755.55±0.10 b4.86±0.06 b6078±329 b
        平均 Mean5.27±0.48 A4.88±0.37 A5744±956 A
        100%ETc
        N04.66±0.40 d4.67±0.11 b4796±323 d
        N1504.99±0.07 c4.71±0.16 b5223±214 c
        N2255.31±0.17 b5.11±0.04 a6057±268 b
        N3005.80±0.14 a5.32±0.15 a6793±363 a
        N3755.47±0.11 b4.76±0.11 b5783±532 b
        平均 Mean5.25±0.44 A4.91±0.28 A5730±774 A
        注(Note):同列数据后不同大写字母表示灌水处理间差异显著,不同小写字母表述同一灌水条件下不同氮施用水平处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different capital letters indicate significant differences among irrigation treatments, and different small letters indicate significant difference among N treatments under the same water condition (P < 0.05).
      • 图1可知,不同灌水量与施氮量及其二者的交互作用对棉花氮肥利用率与灌溉水分利用率均有显著(P < 0.05)的影响。在相同灌水条件下,氮肥利用率与灌溉水分利用率均随着施氮量的增加而增加,且在N300水平时达到最高,说明过高施氮量不仅对提高氮肥利用率与灌溉水分利用率无积极影响,还会造成氮肥资源的浪费。三个灌水处理之间的氮肥利用率表现为80%ETC>100%ETC>60%ETC,灌溉水分利用率表现为60%ETC>80%ETC>100%ETC。说明灌溉水分利用率随着灌水量的增加而降低,且灌水亏缺40%会显著抑制氮肥肥效的发挥,而灌水亏缺20%则有利于提高棉花的氮肥利用率。

        图  1  不同水氮处理对棉花氮肥利用率及灌溉水分利用率的影响

        Figure 1.  Effects of different water and N rate on water and N use efficiency of cotton

      • 以灌水量和施氮量为自变量,产量、氮肥利用率、灌溉水分利用率为因变量,建立二元二次回归方程。由表10可知,当滴灌量为370 mm、施氮量为375 kg/hm2时,可达到棉花产量最大值;当滴灌量为348 mm、施氮量为291 kg/hm2时,可达到氮肥利用率最大值;当滴灌量为248 mm、施氮量为375 kg/hm2时,可达到灌溉水分利用率最大值。设定80%ηmax与90%ηmax两个优化梯度,寻找三项指标的重叠区域。将不同水氮条件下产量、氮肥利用率、灌溉水分利用率各值归一化,制作具有统一单位的三张三维曲面图(图2),可得到各优化目标达到最大值的80、90%以上时所对应的灌水与施氮区间。

        表 10  棉花产量、NUE、IWUE与水(W)氮(N)处理的非线性回归方程及其达到最高值对应的水氮组合

        Table 10.  Nonlinear regression equation of water and N coupling with cotton yield, NUE, and IWUE

        η回归方程 Regression equationR2W (mm)N (kg/hm2)ηmax
        产量 Yield/η1y=−2977.62+41.67W+7.63N−1.27×10−4WN−0.05626W2−8.17×10−3N20.9913703756433
        NUE/η2y=−176.79+0.75500W+0.76594N+1.58×10−4 WN−1.15×10−3 W2−1.41×10−3N20.88334829166
        IWUE/η3y=1.77−7.08×10−4W+3.58×10−3N−4.00×10−6 WN−5.54×10−6 W2−2.22×10−6N20.9992483751.91

        图  2  水氮互作与各优化指标间的关系

        Figure 2.  Relationship between water and N interaction and optimization indexes

        当滴灌量为275.76~343.14 mm,施氮量为249.2~342.1 kg/hm2时,可使产量、氮肥利用率、灌溉水分利用率同时达到最大值的80%以上。当灌水量为307.65~321.59 mm,施氮量为271.2~325.3 kg/hm2时,可使产量、氮肥利用率、灌溉水分利用率同时达到最大值的90%以上,此时为研究区最佳的水氮施用量区间。

        表 11  水氮区间寻优方案

        Table 11.  Optimized scheme of water and N interval

        η80%ηmax90%ηmax
        灌水量(mm)
        Irrigation amount
        施氮量(kg/hm2)
        N rate
        灌水量(mm)
        Irrigation amount
        施氮量(kg/hm2)
        N rate
        产量/η1301.68~412.90249.24~353.12321.59~384.20271.20~332.40
        NUE/η2275.76~412.9208.33~342.09303.08~412.90222.56~325.33
        IWUE/η3247.70~343.14216.27~357.00247.70~307.65252.80~375.00
      • 水、氮是作物进行光合作用合成碳水化合物,积累干物质的基本原料[30]。本研究对滴灌棉田干物质的积累与分配进行了测定,结果表明,不同水、氮及水氮互作效应在棉花生长后期均对干物质积累有极显著的影响。这与王海江等[31]和张燕等[32]的研究结果一致,棉花在苗期干物质积累缓慢,蕾期逐渐加快,在结铃期达到高峰后又逐渐平缓。此外,本研究中的棉花干物质量随着施氮量的增加而增加,适度灌水亏缺(80%ETC)也对棉花干物质积累速率有明显促进作用,但当施氮量过高(100%ETC+N375)时对棉铃干物质的积累不利。这与林涛等[33]对南疆机采棉干物质积累与分配的研究结果相同,不同灌溉量和施氮量会影响棉花干物质的积累速率和快速积累量,在灌溉量为3450 m3/hm2,施氮量为300 kg/hm2条件下,花后干物质贡献率有所提高。石洪亮等[34]报道,非充分灌溉条件下(2800 m3/hm2)增施氮肥(300 kg/hm2)可使传统手采棉干物质积累最大生长速率、快速积累时期有所增加,具有补偿效果,但与本研究所得结果(表4)相比仍有所推迟。说明适宜的灌水量与施氮量有互作正效应,可以增加棉花光合产物[35],并提高棉花干物质积累速率,促进棉花早熟,有利于机械采收。

        作物对氮素的吸收利用情况也是直接影响其产量和品质的重要因素之一,不同水氮互作方式下作物对氮素的吸收利用情况也有所不同[36]。有研究表明,水氮互作效应存在阈值,在灌水量和施肥量未达到阈值之前,增加水氮投入具有明显的增加作物氮素吸收及产量的效果,而超过此阈值则无明显的促进作用[37-38]。本研究中,施氮有效增加了棉花氮素吸收速率,在各灌水条件下(60%ETC、80%ETC、100%ETC),施氮处理的最大氮素吸收速率分别较N0处理增加了0.28~2.79倍、0.19~1.70倍、0.25~0.75倍。且与传统手采棉相比,氮素快速积累期持续的时间有所延长[39]。但施氮量过高(N 375 kg/hm2)则会造成机采棉的营养生长过剩,棉株个体及群体过大,抑制棉花氮素累积,从而使氮肥利用率有所降低。且灌水亏缺20% (80%ETC)也能满足棉花一定的水分生理需求,促进棉花氮素吸收,各器官积累分配也较为协调。这与邹欣等[40]报道的在水氮交互影响下,随着施氮量的增加,氮素积累量也随之增加,但随着施氮量的继续增加,氮素积累量并未持续增加的研究结果一致。此外,严富来等[41]的研究结果也表明,玉米地上部干物质和氮素累积速率均随施氮量的增加先增加后减小,且在中灌水(0.8 KcET0)水平下的营养器官氮素转运量较大。这可能是由于施用氮肥对一定的水分亏缺造成的氮素吸收、分配阻碍起到了一定的补偿作用,但氮肥施用量过高会对营养器官氮素的转运产生抑制作用,进而造成减产[42]

        提高作物的水氮利用效率和产量,有利于农业资源的合理利用[43]。有研究结果表明,水氮存在明显的互作效应,有利于促进棉花营养生长和生殖生长,发挥植株个体优势,增加单株结铃数与单铃重,是实现棉花增产的有效途径。本研究中,80%ETC+N300处理的单株结铃数及单铃重均高于其他处理,说明不同水氮施用量会影响机采棉的产量构成因子,进而影响最终产量[44]。增加灌溉水量会使氮肥利用率增加,但过量灌水会导致氮肥利用率下降,水分利用效率也不能达到较高水平,同时会造成作物减产[45-46]。本试验中,灌水与施肥及二者的交互效应对棉花产量、水氮利用率的影响显著,灌溉水分利用率随着灌水量的增加而降低,且灌水亏缺40%会显著抑制氮肥肥效的发挥,而灌水亏缺20%则有利于提高棉花的氮肥利用率。这与杨黎等[47]和Mohamed 等[48]的研究结果相一致,水分利用率与灌水量呈现出明显的负相关趋势,且随着施氮量的提高,作物的产量和氮素利用率变化趋势为先增加后降低。但多数研究所得的单一的水氮施用组合无法满足各优化目标同时达到最大值。本研究综合考虑产量和水氮利用率3个评价指标,得到滴灌量为307.65~321.59 mm、施氮量为271.20~325.33 kg/hm2时,棉花产量、氮肥利用率及灌溉水分利用率能同时达到最大值的90%以上,是最有利于在北疆滴灌机采棉种植生产中推广的水氮施用区间。这与前人推荐的灌水量与施氮量相差不大[49-50],可为建立和完善与北疆滴灌机采棉生产相匹配的水氮管理措施提供一定理论依据。但本研究只为一年试验结果,还需在后续研究进一步验证,进而获得最佳的滴灌与施氮策略。

      • 灌水量和氮肥用量对棉花生长、氮素吸收速率及产量有显著的交互作用。总的来讲,滴灌量为80% ETc (330 mm)时,可满足棉花的水分需求,施用N 300 kg/hm2有利于促进棉花各器官干物质和氮素积累,氮素吸收速率与分配比例最为合理,适宜机械采收模式,单株结铃数及单铃重也优于其他施氮处理。综合考虑产量和水、氮利用率三个评价指标及机采棉的适应性状,80%ETC+N300处理为本研究区机采棉最适宜的水氮组合模式。

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