基于4年定位试验的膜下滴灌棉花最高产量施肥量

索俊宇，杨涛，龚双凤，牛新湘，陈宝燕，马兴旺

(1. 新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052；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. 乌鲁木齐市米东区农产品质量安全检测中心，乌鲁木齐 830000)



基于4年定位试验的膜下滴灌棉花最高产量施肥量

索俊宇1,2，杨涛2，龚双凤1,2，牛新湘2，陈宝燕3，马兴旺2

(1. 新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052；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. 乌鲁木齐市米东区农产品质量安全检测中心，乌鲁木齐 830000)

【目的】比较4年田间定位氮肥效应试验与1年试验的结果，确定最高产量施肥量的较优方法。【方法】试验设6个施氮量处理，采用纯氮单因子随机区组设计，进行田间小区试验。【结果】1年试验和4年定位试验，肥料效应函数计算棉花最高产量分别为2 816.5和2 670.2 kg/hm2，需要的最高产量施肥量分别为381.8和367.4 kg/hm2，处于100%推荐施肥量和125%推荐施肥量之间。施肥量没有达到推荐施肥量，或在最高产量施肥量上下的区间内时，连续施用等量肥料会维持产量在一个合理水平；但施肥量超过最高产量施肥量区间时，连续施用等量肥料会使产量逐渐降低。【结论】通过四年定位试验获得的棉花最高产量施肥量较一年田间试验结果更科学，更具统计学意义。在南疆库尔勒地区的最高产量施肥量是367.4 kg/hm2，在此施氮量上下浮动20 kg都能维持比较高的棉花产量。

最佳施氮量；棉花；定位试验；膜下滴灌

0 引 言

【研究意义】在我国农业发展面临资源与环境双重约束的情况下，确定区域内作物最佳施肥量可以为化肥减施、防控面源污染等提供重要支撑。氮素是棉花生长发育所必需的营养元素之一，当前世界各产棉国针对棉花增产仍然以氮肥的高投入为基础[1]。棉花是新疆重要的经济作物[2]，种植面积达133.33×104hm2，年施氮肥约125×104t，确定相对科学的区域最佳施肥量，对于指导实现大面积化肥减施有重要意义[3]。【前人研究进展】随着施氮量的不断增加，棉花产量也会显著增加，但投入氮量达到一定水平，即常说的最佳施肥量或适宜施氮量，继续施氮不仅会导致氮肥用量过剩，而且棉花产量也会下降[4-6]。生产上通过肥料效应函数法、养分平衡法等确定农田尺度作物最佳施肥量的方法很常用[7-9]。朱兆良[10]提出多点试验确定作物区域平均适宜施氮量和张福锁等[11]提出氮肥总量控制点的方法，均是进一步计算或估算区域最佳施氮量的方法。对不同地区棉花适宜及最佳施氮量也有研究。李鹏程等[12]研究表明，黄河流域棉区华北平原亚区中等肥力棉田施氮量超过 270 kg/hm2时，棉花氮素内在利用率、氮肥农学利用率、氮肥回收率、氮素生理利用率开始下降，该区棉田推荐经济施氮量为299.7 kg/hm2。王娇等[4]对新疆呼图壁大丰镇棉田棉花产量和施氮量建立的氮肥效益方程，获得棉花最高产量的施氮肥量为332.4 kg/hm2，经济施氮量为290.1 kg/hm2。过量施入氮肥导致较低的氮素利用效率以及较高的氮素损失，这些损失通过淋洗、土壤径流、反硝化等途径，造成严重的环境污染，甚至影响农业生产的可持续性发展[13]。【本研究切入点】绝大多数的最高或最佳施肥量是从1年的肥料试验获得，必然存在气候、土壤和试验误差影响，同时无法衡量肥料后效的影响。研究基于4年定位试验的膜下滴灌棉花最高产量施肥量。【拟解决的关键问题】研究设置6水平施氮量，以不施氮为对照，进行4年田间定位氮肥效应试验，把提出的最高产量施氮量与1年试验的结果进行比较，为该棉区棉花合理施氮提供理论依据和实践经验。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2011～2014年在新疆巴音郭楞州库尔勒市包头湖农场新疆农业科学院棉花育种基地2号试验地进行，该地处中纬度地区，属典型的大陆气候，植棉规模、技术及产量都能代表库尔勒和尉犁县棉区状况。试验区属于典型干旱气候，年平均降水量为56.2 mm，年平均蒸发量2 497.4 mm，年均日照时数2 878 h，≥10℃的积温4 252.2℃，无霜期205 d，地下水位2.0～2.5 m，灌溉农业。前茬作物为棉花，供试土壤为沙壤土，属于中等肥力土壤，耕层土壤0～30 cm土壤有机质为8.1 g/kg，速效氮为43.2 mg/kg，速效磷为19.9 mg/kg，速效钾为129 mg/kg，pH为7.9。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验设6个施氮量处理，100%推荐施肥量是当地推荐的中等肥力棉田高产施肥量。N0：对照(不施化学氮肥，不施有机肥；磷肥用量为优化用量，以下处理均相同)；N1：75%推荐施氮量，N2：317 kg/hm2，N3：395 kg/hm2；N4：476 kg/hm2；N5：634 kg/hm2。推荐施氮量为纯N 317 kg/hm2(尿素含N 46%)，所有处理施纯P2O5186 kg/hm2(重过磷酸钙含P2O546%)，K2O为68 kg/hm2(硫酸钾含K2O 为40%)，所有处理全部磷肥和钾肥作基肥，磷肥和钾肥混匀后于播前撒施翻入土壤，氮肥的40%作为基肥，60%作为追肥进行施用。小区随机区组排列，重复3次，18个小区，小区面积为4.8×6.9=33.33 m2。滴灌方式下施肥方式为随水滴施。采用棉花膜下滴灌一膜单管方式，覆膜种植，行距(11+66+11+66+11)cm，株距10 cm，1膜6行精量播种。灌溉方式为膜下有压滴灌，灌溉定额为4 800 m3/hm2，从6月中旬蕾期开始灌溉，用水表控制灌溉量，肥料随水滴施。其他管理技术与当地相同。表1

表1 试验处理Table 1 Test treatment content

1.2.2 测定项目

棉花产量的测定：棉花吐絮期调查小区总铃数、总株数，计算单株铃数和公顷收获株数；各小区分3 次取棉株上、中、下部位各50朵，测定单铃重。公顷籽棉产量=公顷收获株数×单铃重×单株铃数×0.85来计算籽棉产量。

1.3 数据统计

试验研究监测的数据采用Microsoft Excel、SPSS.19.0等软件对数据进行整理分析，均值比较、方差分析以及相关性分析等。

2 结果与分析

2.1 1年试验数据获得的最高产量施肥量

2011年为田间定位试验的第一年，是在均衡施肥的土壤基底上进行。根据棉花产量随施入氮肥量的变化趋势，采用一元二次方程式Y=aX2+bX+c对2011年棉花产量(Y)与氮肥用量(X)之间的关系进行拟合分析。研究表明：2011年在灌水量及磷肥、钾肥用量一致的条件下，皮棉产量(Y)与氮肥用量(X)之间符合二次方程：Y=-0.006 2X2+4.735 9X+1 750.1(R2=0.970 9)。

对肥料效应方程求导，皮棉边际产量(边际产量说明当氮肥投入增加时所引起的产量变动率，即每增加 1 kg 施氮量所增加的皮棉产量) 的变化曲线显示。边际产量的变化率为-0.012 4，2011年皮棉边际产量在施氮量为381.8 kg/hm2时降低为0，该施氮量为皮棉产量最高(2 816.5 kg/hm2)时的理论施氮量，随着施氮量再增加，边际产量为负值，实际产量随之降低，说明此时越增加氮肥投入产量减少越严重，已属棉花生产上的绝对不合理阶段。图1

图1 2011年棉花皮棉产量和边际产量与施氮量的关系Fig.1 Relationships between lint yield and marginal yield and nitrogen application rate in 2011

2.2 4年定位试验数据的最高产量施肥量

研究表明，利用一点多年的方差分析方法，根据4年田间定位试验各处理的累积施氮量(X)与累积皮棉产量(Y)建立肥料效应方程：

Y=-0.002X2+5.878X+6 361.8(R2=0.988 5).

对方程求导得到皮棉累积产量的边际产量变化曲线，边际产量的变化率为-0.004。在皮棉累积产量的边际产量降低为零时，累积施氮量为1 469.5 kg/hm2，此时皮棉累积产量最高为10 680.7 kg/hm2，当进一步增加施氮量，边际产量为负值，实际产量降低。对累积施氮量和累积产量求平均，从4年的定位试验结果得出，最高皮棉平均产量为2 670.2 kg/hm2时平均施氮量为367.4 kg/hm2。图2

图2 4年棉花累积皮棉产量和边际产量与累积施氮量的关系Fig.2 Relationships between Accumulated lint yield and marginal yield and Accumulated nitrogen application rate of 4 years

处理Treatment皮棉产量Lintyield2011201220132014累积皮棉产量AccumulatedlintyieldN017644e16482d14749d14689d63564dN124417c26441b24428b25314ab100600bN226758ab27533ab26707a26365a107364aN327365a28250a26968a26243a108831aN425541bc26575b24068b24018b100202bN522695d21533c21174c19877c85279c

注: 同列数字后不同小写字母表示不同氮肥处理间在0.05水平下差异显著

Note:Values followed by different lowercase letters in the samecolumn are significantly different among treatments at the 5% level

2.3 两种方法获得的最高产量施肥量比较

通过一年试验和四年定位试验的肥料效应函数计算的棉花最高产量分别为2 816.5和2 670.2 kg/hm2，需要的最高产量施肥量分别为381.8和367.4 kg/hm2，处于100%推荐施肥量和125%推荐施肥量之间。如果根据一年的试验结果确定施肥量进行推荐，那么在产量相对较高的情况下，投入的氮肥量也更多。

研究表明，每年N2和N3处理的棉花产量虽有不同，但没有达到显著差异，是6个处理中产量最高的。尽管每年定位施入等量肥料，但随施肥量的增加产量也增加，施肥量到一定程度后产量下降的这种肥料效应还是很明显的。

对连续4年施用等量肥料情况下的产量变化进行观察，N0处理没有施用氮肥，产量持续下降；N1、N2、N3三个处理的施氮量分别是推荐量的75%、100%、125%，在4年中棉花产量基本平稳；N4、N5的施氮量分别是推荐量的150%、200%，随时间延长，棉花产量有降低的趋势。总体看，施肥量没有达到推荐施肥量，或在最佳施肥量上下的变化不大的区间内时，连续施用等量肥料会维持产量在一个合理水平；但施肥量超过最佳施肥量区间时，连续施用等量肥料会使产量逐渐降低。可见，维持高产的施肥量是有一个区间的，即边际施肥量趋近于零的那个区间，所以在这个区间内实际推荐的施肥量低也能维持高产量。表2

3 讨 论

有研究表明，长期定位监测试验具有气候的代表性和时间的长期性(即能克服气候的年际变化对肥效的影响)等特点，数据准确可靠，信息量极丰富，解释能力强，是常规试验所不能比拟的，它能预测土壤的承载能力，系统地揭示土壤的肥力特征及养分平衡规律，在生产上提供决策性建议，为农业的可持续发展提供依据[14-17]。定位试验能够克服由于气候的变化对作物生长发育的影响，是一年常规试验所不能比拟的。尽管棉花最高产量及最佳施肥量可通过一年试验获得，但获得的结果受到当年环境因素的影响，缺乏代表性和平均性，远不如长期定位试验的结果精准[14-15]。研究通过4年定位试验获得的棉花最佳施肥量显然比一年试验获得的数据更可靠。

侯秀玲等[6]研究表明，随氮肥投入量增加其氮肥表观利用率降低，土壤供氮能力变化不大，但当达到棉花经济最佳施肥量，再增加氮肥投入，氮肥对棉花产量的贡献下降，势必引起氮素挥发、淋溶等损失，污染环境。有研究表明，大于300 kg/hm2的中高量氮肥投入能显著增加土壤无机氮积累量，土壤无机氮富集，土壤氮素氮素盈余量和表观损失量随氮肥用量增加而显著增加，过量投入氮肥会加剧土壤氮素淋洗造成面源污染的风险[18]。研究中棉花产量在4年期间的变化佐证了上述的研究，同时也提示有必要进一步研究土壤中氮素积累对棉花生长和环境的影响。

4 结 论

4.1 通过4年定位试验获得的棉花最高产量施肥量，较一年田间试验结果虽然数值小，但可以获得相同的产量，而且克服了气候变化的影响，可靠性更高，实用性更强，更具统计学意义。

4.2 施肥量没有达到推荐施肥量，或在最佳施肥量上下的变化不大的区间内时，连续施用等量肥料会维持产量在一个合理水平；但施肥量超过最佳施肥量区间时，连续施用等量肥料会使产量逐渐降低。

4.3 在南疆库尔勒地区的最高产量施肥量是367.4 kg/hm2，在这个施氮量上下20 kg范围都能维持比较高的棉花产量。

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Fund project:National Sci-Tech Support Plan of China (No.2014BAD09B04，No.2014BAD111302); NSFC (No.41361067); Sci-Tech Support Program of Xinjiang (No. 201231102).

Comparison of the Optimum Fertilizer Rate betweenA Four-year and One-year Experiment for Cotton under Mulch-drip Irrigation

SUO Jun-yu1,2，YANG Tao2，GONG Shuang-feng1,2，NIU Xin-xiang2，CHEN Bao-yan3，MA Xing-wang2

(1. College of Pratacultural and Environmental Sciences, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052,China; 2.ResearchInstituteofSoil,FertilizerandAgriculturalWaterConservation,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi,Xinjiang830091,China; 3.AgriculturalProductsQualityandSafetyTestingCenterofMidiongDistrict,Urumqi830000,China)

【Objective】 Through the comparison of effect of nitrogen fertilizer between a four-year and one-year experiment to explore the best ways to determine the optimal method of optimal fertilizer.【Method】6 levels Nitrogen application were set up by applying the pure nitrogen factor of randomized block designs, and then field biotope experiment was carried out.【Result】The fertilizer effect function of one year experiment and 4 years location experiment was calculated, which were 2,816.5 kg/hm2and 2,670.2 kg/hm2, respectively, Maximum yield fertilization required: 381.8 kg/hm2and 367.4 kg/hm2, which was between 100% and 125% of the recommended fertilizer. It did not reach the recommended amount of fertilizer application, or in the range of optimum fertilization. Under interval for applying the same amount of fertilizer would maintain a reasonable level; but when the fertilizer rate exceed the optimum range, continuous application of equivalent fertilizer would reduce the yield.【Conclusion】Through four years location experiment, the optimum fertilizer rate of cotton was obtained than that in one year experiment, which is more scientific and has more statistical significance. The recommended economical nitrogen application rate is 367.4 kg/hm2for cotton in the experimental area in Korla of Southern Xinjiang．The amount of nitrogen applied in the range of 20 kg can maintain a relatively high yield of cotton.

optimum nitrogen application rate；cotton；location test；drip irrigation under mulch film

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.08.008

2016-03-29

新疆科技支撑项目 (201231102)；国家科技支撑计划课题(2014BAD09B04、2014BAD111302)；国家自然科学基金项目 (41361067)；

索俊宇(1991-)，女，新疆人，硕士研究生，研究方向为棉花水肥资源高效利用，(E-mail)sjy3028695@163.com

马兴旺(1970-)，男，宁夏人，研究员，博士，博士生导师，研究方向为养分资源高效利用，(E-mail)maxw@xaas.ac.cn

S143；S562

A

1001-4330(2016)08-1423-06