文 明，李鵬兵，王 樂，李明華，劉 揚，馬富裕

(石河子大學農學院/新疆生產建設兵團綠洲生態(tài)重點實驗室，新疆石河子，832003)

0 引 言

【研究意義】20世紀90年代中期以來，以新疆為主產區(qū)的西北內陸棉區(qū)成為全國優(yōu)勢產區(qū)，2013～2014年新疆棉花總產達450余×104t，棉花產量占全國60%以上，目前新疆已成為我國最大的產棉區(qū)[1-2]。氮肥是植物生長發(fā)育過程中的必需元素之一，增加經濟效益，施用氮肥是有效的栽培措施之一。但是過量施用氮肥和氮肥施用的不合理增加了棉花生產成本，一定程度上制約了棉花產業(yè)發(fā)展，造成環(huán)境污染，土壤酸化、養(yǎng)分不平衡等問題[3]。合理降低施氮量對棉花高產高效栽培具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】施足量氮肥有利于棉花中期葉和蕾花鈴的物質積累，但過量氮肥使棉花生育后期生殖器官的分配比例顯著下降，明顯提高莖葉的分配比例，使棉花群體過大、葉片貪青、營養(yǎng)生長過盛，不利于后期棉鈴的生長發(fā)育[4]。前人在減量施氮方面做了不少研究[5-7]，劉小明等[8]研究了減施氮肥對玉米-大豆套作系統(tǒng)產量的影響，發(fā)現(xiàn)減施氮肥處理提高了兩種作物的干物質積累量和產量，提高了大豆的經濟系數(shù)。韓瑛祚等[9]發(fā)現(xiàn)減少施氮不僅能增加辣椒產量，還能減少純氮投入，有效降低辣椒硝酸鹽含量，提高辣椒品質和氮肥利用率。李有兵等[10]研究了15%減氮處理降低了小麥/玉米輪作的作物秸稈氮磷鉀周年總吸收量，增加作物籽粒氮磷鉀周年總吸收量，30%減氮處理顯著降低了籽粒氮素和秸稈磷、鉀周年總吸收量，確定了當?shù)刈罴训适┯昧繛橛衩准臼┑?159 kg/hm2，小麥季施氮127.5 kg/hm2。蔣士東等[11]發(fā)現(xiàn)在氮素背景較高的土壤上，減少氮肥用量可以縮短烤煙的生育期、提高產值和均價?！颈狙芯壳腥朦c】針對新疆棉花生產中過量施用氮肥，但產量不增，肥料利用效率低等問題，有關新疆棉花生產中減施氮肥的相關研究較少。在保證產量穩(wěn)定的前提下，研究減施氮肥對新疆棉花干物質積累及產量的影響，減少氮肥投入和造成的環(huán)境污染。【擬解決的關鍵問題】通過對不同氮素水平對北疆滴灌棉花干物質積累及產量的影響，研究減施氮肥對棉花干物質積累和產量的影響，以及適宜當?shù)孛藁ǚN植的氮肥施用量，提高肥料利用率和供需平衡，為新疆棉區(qū)棉花生產減少施氮量提供參考。對棉花產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、高產栽培和農民節(jié)本增收提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2018年在新疆生產建設兵團第八師石河子市石總場四分場三連進行(N44°29′48.7″E86°1′32.0″)。小區(qū)土壤基礎肥力為堿解氮145.47 mg/kg、速效磷36.18 mg/kg、速效鉀67.30 mg/kg、有機質31.50 g/kg，電導率665.66 us/cm，pH 8.15采樣深度0～30 cm等。當?shù)貙儆诘湫偷臏貛Т箨懶詺夂?，冬季長而嚴寒，夏季短而炎熱，年平均降水量100～190 mm，年平均蒸發(fā)量在1 200 mm左右。無霜期為170 d左右?！?℃的活動積溫為4 100℃左右，≥10℃的活動積溫為3 600℃左右。該地區(qū)日照充沛，年日照時數(shù)為2 800 h左右。

1.2 方 法

試驗以魯棉研24號為供試材料，設置4個不同施氮水平，分別為506(N1)、402.5(N2)、299(N3)和195.5 kg/hm2(N4)，其中N2為當?shù)剞r戶常規(guī)施氮量。磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)施用量分別為108和97.2 kg/hm2。肥料均隨水滴施，全生育期共滴施8次。采用隨機區(qū)組排列，重復3次，共12個小區(qū)。采用2.25 m寬膜，一膜3行稀植模式(76 cm等行距種植)，小區(qū)長15 m，面積33.75 m2。于4月21日播種，5月1日出苗，6月23日第一次滴水，7月13日打頂，10月1日開始收獲。其他栽培管理措施按照大田栽培要求進行。

1.2.2 樣品采集

于出苗后52、62、72、82、92、102、122 d從各小區(qū)隨機選取3株棉株，從子葉節(jié)部位剪開，按葉、莖、蕾花鈴等不同器官分開，在105℃殺青 30 min 后，80℃烘干至質量恒定，測定其干物質質量。

產量測定：完全吐絮后，每個處理小區(qū)選取6.75 m2面積，3 m長度范圍內，收獲株數(shù)、單株結鈴數(shù)，并連續(xù)取50株吐絮鈴測其鈴重，軋花后測算衣分，并以各處理收獲株數(shù)、鈴重計算籽棉產量。

通過Logistic方程[12]對棉花干物質積累變化進行擬合。Logistic方程的形式和特征值如下：Y=Ym/[1+e(a+bt)]，其中Y為棉花干物質積累量，t為棉花出苗后天數(shù)，Ym為干物質最大積累量；a、b、Ym為待定系數(shù)。當t=t0時，Vm=-bYm/4,此為干物質積累速率達到最大；t1和t2是擬合曲線上的兩個點，將“S”型曲線分為三段，在0-t1時間段內，干物質積累速度緩慢，t1-t2時間段內干物質積累速度加快，幾乎呈線性關系，為干物質旺盛生長期，在t2以后，干物質積累速率緩慢，使得干物質積累趨于最大值。Δt表示干物質旺盛生長期的長短，Δt=t2-t1。GT=-bYm/4,稱“生長特征值”(棉花干物質關鍵時期積累達到最大積累量的65%以上)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理與分析采用Excel 2013，方差分析采用SPSS20.0軟件，繪圖采用Sigmaplot 12.0。

1990年，阿替普酶用于治療AIS的雙盲多中心臨床試驗結果首次發(fā)表［37］。這次試驗使用阿替普酶或尿激酶治療364例AIS患者，治療時，36.2%患者發(fā)生AIS的時間在24 h內，69.5%患者在48 h內，最終兩組間未見差異，但提示阿替普酶在AIS發(fā)生后極早期治療可能會比較有效。

表1 減施氮肥下棉花干物質分配變化
Table 1 Effects of reduced nitrogen application rate on distribution dry biomass in cotton

出苗后天數(shù)(d)Days after emergence處理Treatments干物質分配比例(%) Dry matter distribution proportion葉片Leaves莖枝Stems branches蕾鈴花Buds flower bolls 52N149.5047.842.66N249.7249.041.24N350.5047.352.16N452.9845.471.5562N144.6450.095.27N246.4148.335.25N345.1049.155.75N446.3348.535.1472N141.8643.0815.06N242.5343.7213.75N339.4345.9514.62N432.7153.1214.1782N134.2832.5333.19N230.9839.6829.34N333.9236.7229.36N433.8838.7627.3692N125.7738.4435.79N224.9933.0541.96N329.0633.9337.01N427.2834.5938.13102N124.1031.6444.26N221.6129.3749.02N324.5128.2947.20N423.5628.9047.55122N116.8525.8757.28N215.9722.1161.92N315.2819.6265.09N414.4520.3165.24

2 結果與分析

2.1 減施氮肥對棉株干物質積累與分配的影響

研究表明，棉花干物質分配動態(tài)為葉片和莖枝的干物質積累隨著時間的推移而呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，生殖器官干物質積累隨著生育期的推進逐漸升高。葉片的干物質百分比隨著生育期的推移，由出苗后52 d的49.5%～52.98%降低到出苗后122 d的14.45%～16.85%，莖枝所占地上部干物質百分比由出苗后52 d的45.47%～49.04%降低到出苗后122 d的19.62%～25.87%，蕾鈴花干物質百分比由出苗后1.24%～2.66%逐漸增加到出苗后122 d的57.28%～65.24%。棉花在出苗62 d左右時，以營養(yǎng)生長為主，各處理葉片的干物質百分比占總干物質的44%以上，莖枝干物質占總干物質的48%以上，出苗72 d左右時是棉花營養(yǎng)生長和生殖生長并進時期，但這時仍然以營養(yǎng)生長為主，蕾鈴花干物質積累不斷增加，生殖生長逐漸旺盛。出苗122 d左右時，葉片干物質比重從大到小依次為：N1>N2>N3>N4，N1分別比N2、N3和N4處理高出5.50%、10.28%和16.65%，莖枝干物質比重從大到小依次為：N1>N2>N4>N3，N1處理分別比N2、N3和N4處理高17%、31.82%和27.36%，除N4處理外，N3的蕾鈴花干物質比例均高于其他處理。表1

圖1 減量施氮下棉花干物質動態(tài)積累變化
Fig.1 Effects of reduced nitrogen application rate on dynamic dry biomass in cotton

2.2 棉株干物質積累動態(tài)模擬

2.2.1 棉株干物質積累的動態(tài)模擬

研究表明，棉花地上部干物質積累最快時期出現(xiàn)在出苗后63～107 d，其中N1、N2、N4處理的t1相同，都為63 d；N3處理最晚，比其他處理推遲2 d。N2處理旺盛生長期結束時間最早，比N1和N4早4 d，比N3處理早21 d。在N3處理下，干物質快速積累期時間持續(xù)最長，為42 d，分別比N1、N2和 N4處理多15 和19 d。N3處理下，干物質積累最大速率Vm最小，分別比N1、N2、N4處理低13.3%、24.2%和10.74%；但干物質最大積累量Wm： N3>N1>N2>N4，N3處理分別比N1、N2和N4高36.16%、40.06%和40.45%。表2

表2 棉花單株干物質積累Logistic模型
Table 2 The Logistic equation of cotton dry matter accumulation

處理 (Treatment)回歸方程(Regression equation)t1(d)t2(d)Δt(d)t0(d)Vm(g/d)Wm(g)GT (g)R2N1Y=109.579 4/[1+e(7.511 3-0.098 6t)]63 90 27 76 2.700 2109.579 472.155 70.989 9N2Y=106.5273/[1+e(8.643 7-0.116 t)]63 86 23 75 3.088 8106.527 370.1460.931 2N3Y=149.204 9/[1+e(5.384-0.062 8t)]65 107 42 86 2.341 2149.204 998.248 30.986 3N4Y=106.233 1/[1+e(7.543 5-0.098 8t)]63 90 27 76 2.622 9106.233 169.952 30.975 5

注：t1為棉花干物質快速積累期(d)，t2為棉花干物質快速積累結束期(d)，Δt=t2-t1為棉花干物質快速積累持續(xù)期(d)，t0為棉花干物質積累速率最大時刻(d)，Vm為棉花干物質積累最大值(g/d)，Wm為棉花干物質積累最大值(g)，GT為生長特征值，R2為相關系數(shù)。下表相同

Note:t1means beginning time of cotton dry matter quick accumulation,t2means finish time of cotton dry matter quick accumulation, Δt=t2-t1means during of rapid accumulation of cotton dry matter quick accumulation,t0means maximum rate time of cotton dry matter accumulation, Vm means rate of maximum rate time of cotton dry matter accumulation,Wmmeans maximum value of cotton dry matter accumulation,GTmeans growth eigenvalue,R2means related coefficient.The same as below.

2.2.2 棉株地上部分營養(yǎng)器官干物質積累的動態(tài)模擬

研究表明，棉花地上部分營養(yǎng)器官干物質積累最快時期出現(xiàn)在出苗54～77 d，其中，N1處理t1最早為54 d，N4處理的t1最晚，比N1處理晚3 d。N2、N3和N4處理旺盛生長期結束時間均為72 d，比N1處理提前5 d。各處理下，N1營養(yǎng)器官干物質快速積累期持續(xù)時間最長，為23 d，N4最短，其中N3處理比N1處理少7 d，比N4處理多1 d，和N2處理持平。N3處理營養(yǎng)器官干物質積累速率Vm最大，分別比N1、N2和N4處理高35.92%、3.48%、0.67%。地上部營養(yǎng)器官干物質最大積累量Wm：N1>N3>N2>N4，N3處理的Wm比N2和N4高4.09%和9.29%，比N1處理低2.76%。表3

2.2.3 棉株生殖器官干物質積累的動態(tài)模擬

研究表明，棉花地上部生殖器官干物質積累最快時期出現(xiàn)在出苗后77～113 d，N1的t1出現(xiàn)的最早，N3最晚，N3分別比N1、N2和N4晚10、9和5 d。N3旺盛生長期結束時間最晚，分別比N1、N2和N4處理晚11、14和9 d。各處理下， N3處理生殖器官干物質快速積累期持續(xù)時間最長，為26 d，分別比N1、N2和N4處理多1、5和4 d。此外，N3處理下生殖器官干物質積累速率Vm和生殖器官干物質積累量Wm最大，其中N3處理的Vm分別比N1、N2和N4高52%、22%和19%。N3處理處理的Wm分別比N1、N2和N4高61%、55%和45%。表4

表3 棉花單株營養(yǎng)器官干物質積累Logistic模型
Table 3 The Logistic model and characteristic value of the vegetative organs of dry matter accumulation

處理(Treatment)回歸方程(Regression equation)t1(d)t2(d)Δt(d)t0(d)Vm(g/d)Wm(g)GT(g)R2N1Y=54.328 4/[1+e(7.464 8-0.114 6t)]54 77 23 65 1.557 154.328 435.774 10.884 2N2Y=50.754 3/[1+e(10.353 6-0.161 2 t)]56 72 16 64 2.045 250.754 333.420 60.792 4N3Y=52.831 5/[1+e(10.143 8-0.160 2t)]55 72 16 63 2.116 452.831 534.788 40.974 1N4Y=48.338 6/[1+e(11.244-0.174 t)]57 72 15 65 2.102 448.338 631.830.830 9

表4 棉花單株生殖器官干物質積累Logistic模型
Table 4 The Logistic model and characteristic value of the reproductive organs of dry matter accumulation

處理(Treatment)回歸方程(Regression equation)t1(d)t2(d)Δt(d)t0(d)Vm(g/d)Wm(g)GT(g)R2N1Y=60.874 5/[1+e(9.435 7-0.105 3t)]7710225901.602 660.874 540.084 60.994 3N2Y=63.467 4/[1+e(11.162 5-0.126 4t)]789921882.006 363.467 441.7920.978 2N3Y=98.265 3/[1+e(9.934 3-0.099 4t)]87113261002.443 198.265 364.705 70.988 6N4Y=67.891 9/[1+e(11.152 3-0.120 5t)]8210422932.044 867.891 944.705 40.992 8

2.3 減施氮肥下產量及產量構成

研究表明，隨著施氮量的增加，棉花單鈴重呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，其中N3處理單鈴重達到最大5.93 g，并與其他處理差異達到顯著(除N2處理外)。從單株鈴數(shù)來看，單株鈴數(shù)同單鈴重一樣，隨著施氮量增加呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，單株鈴數(shù)從大到小依次是：N2>N1>N3>N4，其中N2處理顯著高于其他各處理，分別比N1、N3和N4處理高6.46%、15.81%和16.23%。不同施氮量下衣分變化不同，除N4處理外，其它各處理間差異不顯著。在不同氮素處理下，產量也隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，N2處理下籽棉產量最高，達到5 938.34 kg/hm2，顯著高于N1和N4處理，但與N3處理間差異不顯著。表5

表5 減施氮肥下棉花產量及其構成因素變化
Table 5 Effects of reduced nitrogen application rate on yield and yield components of cotton

處理(Treatment)單鈴重Single boll weight (g)單株鈴數(shù)Boll number per plant 衣分Lint (%)籽棉產量Yield ( kg/hm2)N15.35±0.12b9.12±0.11b0.42±0.01ab5 387.11±4.02bN25.54±0.06ab9.71±0.03a0.43±0.01a5 938.34±3.37aN35.93±0.33a8.38±0.29c0.43±0.01a5 496.69±32.61abN45.26±0.21b8.35±0.04c0.41±0.01b4 858.87±14.45c

圖 2 施氮量與產量擬合
Fig.2 Fitting Chart of Nitrogen Fertilization and Yield

通過對產量進行擬合表明，單產隨著施氮量的增加呈二次曲線變化趨勢，施氮量N2時產量最高，超過N2時，產量隨著施氮量增加而降低。不同施氮量對產量影響效應方程為Y=-3E-05x2+ 0.021 4x+ 1.691 2(R2= 0.946 3，式中Y代表棉花產量，X代表施氮量)。由方程求得最高產施氮量為x=386.71 kg/hm2,對應的籽棉產量為5 833.69 kg/hm2。圖2

3 討 論

棉花干物質積累與分配對棉花產量具有重要影響, 建立棉花高效群體結構依賴于棉花干物質生產[13～14]氮肥運籌可顯著影響棉花氮素吸收最大速率及其出現(xiàn)時間，棉花對干物質和氮素的分配基本同步。前期干物質和氮素分配以營養(yǎng)器官為運輸中心，花鈴期后干物質和氮素分配逐漸向生殖器官轉移，最終生殖器官中干物質和氮素所占比例較高[15]。汪玲等[16]研究結果表明，棉花干物質積累速率最快時間在初花期至盛鈴期，在蕾期、花鈴期前輕后重，盛鈴期前重后輕的施肥策略能夠獲得較高的干物質積累量和產量。陳求柱[17]研究表明，棉花后期氮肥比例的加大會推遲植株干物質積累的起始時間，合理的氮肥運籌能提高快速積累期的最大速率、平均增長速度和快速積累期累積的干物質。棉花地上部營養(yǎng)器官、地上部生殖器官和總干物質都符合“S”型曲線，隨著生育期的推移，干物質積累逐漸上升，但是到了后期由于棉花植株衰老、葉片脫落等原因導致干物質積累出現(xiàn)了緩慢下降的趨勢。棉花出苗至開花階段，干物質主要分配給莖葉，開花后干物質分配逐漸轉向蕾鈴，吐絮期鈴干重占棉花總干物質的主要部分[18-19]。在棉花苗期，光合產物向莖分配比例最高，現(xiàn)蕾到初花期只有6%～ 9%的分配給蕾鈴，后期蕾鈴干物質比重逐漸增加，進入吐絮期后，絕大部分干物質分配給蕾鈴，試驗與前人研究規(guī)律一致[20], 在棉花生育前期分配系數(shù)會出現(xiàn)多次波動，后期可看出地上部營養(yǎng)器官干物質分配比例隨著施氮量的增加而上升，N3處理的蕾鈴花干物質所占比例較高，減氮有利于干物質最終向生殖器官分配，而高氮則使干物質更傾向于營養(yǎng)器官分配。

棉花單株干物質積累中除減氮處理外，各處理進入快速生長期時間相同，減氮處理推遲了3 d，高氮處理和低氮處理快速生長期持續(xù)時間相同，都使快速生長期提前，而農戶常規(guī)施氮量雖然提高了這個時期的干物質積累速率，但是持續(xù)時間短，無法獲得充足的時間積累干物質，四個處理中減氮處理的生長特征值(GT)比其他處理高，氮肥施用的多或少均不利于干物質積累。通過 Logistic 模型及其特征值的分析得出減氮處理N3單株干物質積累最好，快速生長期處于盛鈴期，利于干物質的積累。在地上部營養(yǎng)器官干物質積累中，各處理旺盛生長期起始天數(shù)差距不大，但是高氮處理下旺盛生長期時間持續(xù)長，可以發(fā)現(xiàn)隨著施氮量的增加，營養(yǎng)器官的旺盛生長期持續(xù)時間也增加，但是其最大生長速率最低，GT值最大，說明高氮處理明顯延長了營養(yǎng)器官快速生長期時間，并且高氮處理下其最大干物質量也是最高的[21]。在生殖器官干物質積累中，減氮處理延長了快速生長期持續(xù)時間，同時提高了生殖器官干物質最大積累速率，干物質積累量最多，GT值最大，說明減氮有利于生殖器官干物質積累。從產量性狀上可以發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量的增加，單株鈴數(shù)、單鈴重和籽棉產量都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中低氮處理的各項指標都低于其他處理，說明氮用量過低，會導致棉花養(yǎng)分不足而減產；高氮處理產量并不是最高，過高施用氮肥反而會使產量下降；其中減氮處理產量低于農戶常規(guī)施氮量，但是差異并不顯著，由此可以判斷,適當降低氮肥使用量并不會顯著降低棉花產量。

4 結 論

4．1 增施氮肥促使干物質向營養(yǎng)器官分配(N1)，適量減施氮則有利于干物質向生殖器官分配(N3、N4)。高氮和低氮都不利于棉花單株干物質積累，隨著施氮量的增加，營養(yǎng)器官的快速增長期持續(xù)時間延長，高氮會造成棉花中后期營養(yǎng)生長旺盛，不利于生殖器官的干物質積累。

4．2 北疆棉區(qū)滴灌棉花施純氮量299～402.5 kg/hm2促使各器官干物質合理分配，適量減少氮肥不會造成棉花顯著減產。