增密减氮对滴灌棉花干物质积累分配和产量的影响

李明华, 路 茜, 崔 静, 樊 华, 赵文青, 刘 扬, 马富裕

(1 石河子大学农学院/新疆兵团绿洲生态农业重点实验室, 新疆石河子 832003;2 南京农业大学农学院, 南京 210095)

0 引 言

【研究意义】棉花是世界上最重要的天然纺织纤维作物，占世界纤维总量的35%左右。在我国，棉花种植面积居各经济作物之首[1]，国家统计局统计2018年全国棉花种植面积为335.4×104hm2，其中新疆种植面积174.4×104hm2，位居全国之首。新疆是我国棉花重要产区，但是存在高产棉田投入氮肥过量问题，使得肥料利用率低、生产成本高。降低氮肥用量并设置密度试验，对棉花合理密植及优化施氮量有重要意义。【前人研究进展】棉花高产的前提必须有较高的生物量，而生物量则是以养分吸收为基础[2]。在棉花大田生产中，种植密度和施氮量是两个重要调控因子，合理种植密度能为棉花群体提供最适宜的生物量，合理种植密度能调节个体与群体之间的矛盾，合理的施氮量能为群体的生长发育提供充足的养分，有利于平衡营养生长和生殖生长的关系。目前，有关施氮量和种植密度对作物干物质积累和产量影响报道较多，研究者普遍认为施氮量过多会引起棉花个体与群体矛盾、不利于营养生长和生殖生长的平衡，增加了干物质积累量，造成蕾铃大量脱落，显著降低了经济产量，造成能源浪费和环境污染[3-4]。种植密度在一定范围内，单位面积群体产量随密度增加而增加，当密度达到最佳范围时，产量达到最大，但再继续增加密度，产量反而会下降[5-10]。【本研究切入点】棉花生长中，只有维持种植密度和施氮量的平衡，才能发挥出最佳的互作效应，确保棉花高产优质。在稳定棉花产量、改善棉花品质的同时，降低氮肥用量，减少环境污染，实现可持续性生产还有待研究。研究增密减氮对滴灌棉花干物质积累分配和产量的影响。【拟解决的关键问题】设置3个种植密度和4个施氮量，研究种植密度和施氮量对棉花干物质积累和产量的影响，为棉花生产合理密植及优化施氮提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2019年在新疆石河子大学农学试验站进行，选用当地主栽的杂交棉花品种鲁棉研24号，该杂交种具有抗枯耐黄、抗棉铃虫、植株生长稳健及果枝节位较高等特征。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

设3个种植密度，即低密度(D1，6.9×104株/hm2(4 600株/667m2)，株距19 cm)、中密度(D2，13.8×104株/hm2(9 200株/667m2)，株距9.5 cm)、高密度(D3，24×104株/hm2(16 000株/667m2)，株距11 cm)，宽窄行种植，行距66 cm+10 cm。图1

图1 小区棉花种植模式
Fig. 1 Cotton planting pattern

试验设置4个施氮量，分别为195.5 (N1)、299(N2)、402.5(N3)和506 (N4)kg/hm2，其中N3为当地常规纯氮施用量，所有肥料处理均为追施。各处理统一施磷肥180 kg/hm2，以磷酸一铵为磷肥源，施钾肥180 kg/hm2，以硫酸二氢钾为钾肥源。氮肥，蕾期和花铃期追施比例为3∶7；磷钾肥，蕾期和花铃期追施比例为2∶8。所有肥料蕾期分3次施用，追施比例为35%∶40%∶25%，花铃期分6次施用，花铃期追施比例10%∶20%∶20%∶20%∶20%∶10%。采用裂区设计，主区为密度，副区为氮素，重复3次；小区面积为2.28 m×13 m。采用宽膜覆盖膜下滴灌栽培，先铺膜后点播，2条滴灌毛管置于窄行中间。播种前不灌水造墒。2019年4月24日播种，4月29日补出苗水，7月5日人工打顶。全生育期喷施缩节胺(含N, N-二甲基哌啶氯化物≥96%)，化学调控9次，用量453 g/hm2，其中出苗期1次，用量0.5 g/hm2;现蕾期喷施2次，用量均为16.7 g/hm2；盛蕾前期喷施2次，用量各为33.3和38.9 g/hm2；盛蕾期喷施1次，用量27.7 g/hm2；盛花期喷施1次，用量83.3 g/hm2；盛花结铃期喷施1次，用量166.7 g/hm2；盛铃前期喷施1次，用量69.4 g/hm2。其他田间管理措施同膜下滴灌高产棉田。表1

表1 水肥一体化灌溉时间及每次灌溉各肥料成分施用量占总量的比例 Table 1 Irrigation schedule and the proportion of fertilizer application amount under fertigation(%)

1.2.2 叶面积指数

在棉花关键时期(盛蕾前期(EFC)、盛蕾期(FS)、盛花期(FF)、盛铃前期(EFB)、盛铃后期(LFB)、吐絮期(BO))，每个小区随机选取长势一致的3株棉花，将棉株从子叶以上分解成主茎叶、叶枝叶和果枝叶，将分拣好的叶片铺平排放整齐铺放在黑布上，随后进行拍照，每个处理重复3次，利用Matlab 2016a软件提取叶面积。利用公式计算叶面积指数：LAI(m2/m2)= 单株叶面积(m2/plant)×单位面积株数(plant)/单位土地面积(m2)。

1.2.3 棉株农艺性状

打顶前后，每个处理选取长势均匀具有代表性的15株棉花(两边行、中行各连续5株)，重复3次，在盛蕾前期、盛蕾期、盛花期3个时期定点定株调查棉花株高(子叶节至顶端)。

1.2.4 干物质积累量

取样与LAI测量同步，分别在每个处理选取代表性的3株棉花，根据植株器官发育情况，将棉株样分离为茎、叶和蕾花铃，置于105℃ 烘箱中杀青30 min，以80℃恒温烘干至恒重时称量，测定其干生物量。然后计算单位土地面积的地上部干物质累积量。计算公式如下：

干物质累积量(g/m2)=单株干生物量重(g/plant)×单位面积株数(plant)/单位土地面积(m2)

1.2.5 产量及构成因素

于吐絮期在每个处理选取6.67 m2的样点，重复3次，调查样点内全部株数和铃数，选择长势一致的棉株取棉铃50个，重复3次，分开装袋、称量，测定铃重，折算出单株结铃数和单位面积总铃数，并估算产量。

1.3 数据处理

数据经Microsoft Office 2010软件整理，采用SPSS 20.0 软件进行两因素方差分析，不同处理之间所得的均值采用Duncan新复极差法(SSR)进行多重比较，然后经过t检验(α=0.05)，采用R3.6.1软件作图。

2 结果与分析

2.1 增密减氮对棉花干物质积累与分配的影响

研究表明,叶片、茎秆的干物质增长在盛蕾期之前比较缓慢，盛蕾期以后增长迅速，在盛铃前期至盛铃后期达到高峰，而蕾铃花干物质的积累量在盛花期之前基本为零，进入盛花期以后逐渐增大，至吐絮期达到最大。在盛花期至盛铃前期，与低密度(D1)处理相比，中密度(D2)和高密度(D3)处理的植株总干物质平均分别升高了31%和36%，D3较D2处理升高了6%。盛铃前期以后，D1处理的植株总干物质较D2和D3处理平均分别下降31%和40%，D2较D3处理则下降仅为12%。

种植密度和氮素互作表现为，D3N1、D3N4、D2N2和D3N2处理的植株总干重最大，D3N3、D2N1、D2N3和D2N4处理次之，D1N2、D1N1、D1N3和D1N4处理最小，中高密度有利于增加群体生物量，密度过低不利于棉花群体生物量积累，不同处理的蕾铃花总干重和植株总干重基本一致。中高密度的总干物质积累量都是先快速增后趋于平缓，蕾铃花干物质与总干物质变化趋势一致，且都有N2处理下的总干物质和蕾铃花干物质最大。图2

图2 不同处理下棉花干物质积累与分配
Fig. 2 Effects of different treatments on cotton dry matter accumulation and distribution

研究表明,随种植密度的提高群体干物质呈升高趋势，且群体干物质最大值出现在D2N2处理，最大值为25 010 kg/hm2，其次是D3N1处理。在不同密度下，各N1处理均获得较高的群体干物质。由各器官干物质分配系数来看，低密度处理的茎和叶的干物质分配率随施氮量的增加而呈升高趋势，而中高密度随施氮量的增加而呈先减后增的趋势。由各器官干物质分配系数来看，高密度处理下茎和叶的干物质分配率低于中密度处理，提高了铃的干物质分配系数。种植密度和施氮量均能显著影响棉花植株茎和铃干物质的积累(P<0.05)，二者对茎和铃中干物质的积累有显著的交互作用。表2

2.2 增密减氮对棉花株高、叶面积指数的影响

研究表明,株高随生育期的推进逐渐增高，盛花期株高基本维持稳定。低密度和中密度处理条件下的株高高于高密度处理，且低密度和中密度处理条件下，均有N2处理株高最高。在盛雷期，3种密度处理条件下，均有N1、N2、N3处理下的株高显著高于N4处理；在盛花期，则是N1、N2处理下的株高显著高于N3、N4处理 。图3

研究表明,低密度(D1)和中密度(D2)处理条件下的主茎叶面积占比，随着生育期的推进逐渐减少，到了盛铃前期右有所上升，后又急剧降低，到吐絮期降到最低；而果枝叶面积占比则随着生育期而增大，在盛铃前期有所下降，而后又逐渐增大，到吐絮期达到最大。高密度(D3)处理条件下，在盛蕾前期，主茎叶面积的占比都在70%以上，明显高于D1、D2处理；无论何种施氮水平，主茎叶面积的占比随着生育进程的推进逐渐下降，在盛铃前期至盛铃后期期间，急剧下降，到吐絮期降到最低，果枝叶面积的占比随着生育期的推进而逐渐增大，到吐絮期达到最大。

从最终的主茎叶面积(吐絮期)占比来看，无论何种施氮水平，均D3>D2>D1，叶枝叶面积占正好相反，D1>D2>D3，而果枝叶面积占比，在N1、N2、N3条件下，均有D2处理的果枝叶面积占比最大。在盛花期之前，低密度的主茎叶面积占比较低，果枝叶面积和叶枝叶面积占比较高，而中高密度处理的主茎叶面积在前期占比较高，果枝叶面积和叶枝叶面积占比较低。图4

表2 不同处理下棉花地上部干物质积累与分配Table 2 Effects of different treatments on dry matter accumulation and distribution in cotton

注：同列中标的相同字母表示 Duncan’s 分析中 5%水平上没有显著性差异; “ns”表示差异不显著
Note:Means within a column followed by the same letter are not significantly different (P= 0.05) according to Duncan’s multiple range test.“ns”= non-significant. IWUE: yield and irrigation water use efficiency

注：不同字母表示处理间差异达到0.05显著水平

Note：Different letters represented significant difference at 0.05 level

图3 不同处理的棉花株高变化
Fig. 3 Changes in cotton plant height under different treatments

图4 不同处理的棉花叶面积占比变化
Fig. 4 Changes in the percentage of cotton leaf area under different treatments

研究表明,LAI都有随着生育进程的推进先逐渐增大，至盛铃后期达到最大，而后又逐渐下降；低密度的最大值范围在2.9～3.6，中密度的的最大值范围在5.3～6.0，高密度的最大值范围在5.5～6.9。4种施氮水平下的LAI，均有D3>D2>D1。在盛铃后期，D2和D3处理的LAI较D1处理的LAI分别升高了44%和47%，而D3较D2仅升高了5%。在低密度处理条件下，N1、N2较N3、N4的LAI要高，而在中密度处理下，N2、N4较N1、N3的LAI要高。 图5

图5 不同处理的棉花叶面积指数变化
Fig. 5 Changes of cotton leaf area index in different treatments

2.3 增密减氮对棉花产量及产量构成的影响

研究表明,种植密度和施氮量对籽棉产量、收获指数、铃数和铃重无显著影响，但是种植密度和施氮量对籽棉产量、生物学产量和收获指数的影响极为显著。不同种植密度条件下的籽棉产量、生物学产量和铃数都有D3>D2>D1，D3处理相较于D1处理增加27%，D2处理相较于D1处理增加了22%。在低密度和中密度处理下，随着施氮量的增加，籽棉产量和铃数都有先降低后增加后再降低的趋势，生物学产量则是先增后减。表3

表3 棉花产量及产量构成因素Table 3 Cotton production and production composition

注：同列中标的相同字母表示 Duncan’s 分析中 5%水平上没有显著性差异; “ns”表示差异不显著
Note:Means within a column followed by the same letter are not significantly different (P<0.05) according to Duncan’s multiple range test. “ns”= non-significant

3 讨 论

3.1 种植密度和施氮量对棉花干物质积累与分配的影响

种植密度和施氮量作为棉花生产最主要的2个调控因子，不仅影响干物质积累量，还影响棉花的产量。棉花高产是以干物质积累为物质基础，只有群体干物质积累量保持在适宜的范围内，才有利于平衡营养生长与生殖生长间的矛盾，从而建立合理的群体基础[11-12]。王士红等[13]研究表明,群体干物质随种植密度的增加而升高，且群体干物质最大值出现在8.25×104株/hm2处。支晓宇等[14]研究表明,随密度增加最大生物量累计值减少，且营养器官占单株总干物质的比例增加，而生殖器官所占比例下降。宋兴虎等[15]发现氮肥用量显著影响棉花生物质累积和产量，施氮量为180 kg/hm2时籽棉产量最高，生物质累积量较大，且生物质快速累积期生殖器官生物量所占比例最大。

试验表明，中高密度的总干物质积累量都是先快速增后趋于平缓，蕾铃花干物质与总干物质变化趋势一致，且都有N2处理下的总干物质和蕾铃花干物质最大，但该处理下的籽棉产量较低，这可能是营养生长过盛、叶片贪青，不利于后期棉铃的生长发育。高密度在较低的施氮量条件下也能获得较高的干物质积累量，蕾铃花干物质积累量的提高是高密条件下获得较高干物质积累量的保证。

3.2 种植密度和施氮量对株高、叶面积指数的影响

作物生产是基于群体，而非个体，要获得高产，就必须协调棉花个体与群体之间各生长参数达到最优化[16]。试验中，在盛蕾期，3种密度处理条件下，均有N1、N2、N3处理下的株高显著高于N4处理；在盛花期，则是N1、N2处理下的株高显著高于N3、N4处理，此时株高基本维持稳定。从叶面积占比来看，在盛蕾前期，高密度处理的主茎叶面积占比高于中低密度处理。最终主茎叶面积(吐絮期)占比来看，无论何种施氮水平，都有D3>D2>D1，叶枝叶面积占比正好相反，D1>D2>D3。在盛花期，D3N1处理主茎叶面积的占比较高，而果枝叶面积的占比却最低，到吐絮期主茎叶面积与果枝叶面积和叶枝叶面积的占比接近1∶1∶1，而产量仅次于D3N1处理的D3N4处理，也有类似的规律。任何施氮处理下的LAI，均有D3>D2>D1，且中高密度处理下的LAI高于低密度下的LAI。低密度的最大值范围在2.9～3.6，中密度的最大值范围在5.3～6.0，高密度的最大值范围在5.5～6.9。

棉花产量的高低不仅取决于干物质积累量，还取决于干物质向生殖器官的分配，只有光合产物向经济器官分配越多，产量才会越高。研究表明，种植密度和施氮量均能显著影响棉花植株茎和铃干物质的积累，二者对茎和铃中干物质的积累有显著的交互作用，由各器官干物质分配系数来看，高密度处理下茎和叶的干物质分配率低于中密度处理，但提高了铃的干物质分配系数。

3.3 种植密度和施氮量对棉花产量的影响

种植密度和施氮量对棉花产量潜力具有较大的调控作用[17-21]。不同棉区棉花的适宜密度不同，新疆棉区种植密度为18×104株/hm2时皮棉产量最高[22-23]。目前棉花大田生产上的种植密度13.8×104株/hm2、施氮量402.5 kg/hm2可得到较高产量，但是生产成本较D2N3相比，D3N1与D3N2却分别增加2.7%和4.5%，其中主要为种子和人工投入的增加。铃数、铃重是获得高产的2个主要因素。

4 结 论

增加种植密度可以显著提高棉花中后期干物质积累速率，而适当增加施氮量则有利于协调营养生长和生殖生长，提高干物质积累量，实现棉花高产优质。两者互作条件下，增密减氮可充分调节个体与群体之间的矛盾，实现协同发展，进而发挥群体增产潜力，最终实现氮肥供应与棉株需求之间的平衡。当种植密度增加到适宜范围时，可通过调控施氮量达到棉株最适铃数和铃重是高产稳产，棉花种植密度从常规的13.8×104株/hm2增加到24×104株/hm2，施氮量从常规的402.5 kg/hm2减少为195.5 kg/hm2，增密减氮后铃数显著增加，棉花产量得到提高。