周桂夙，周 迪，李永梅，YIN Xinhua

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201；3.University of Tennessee，Department of Plant Sciences，Jackson，TN 38301，USA)

氮元素是棉花優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的主要調(diào)控因素之一[1-3]。與其他作物相比，棉花具有無限開花結(jié)鈴的特性，其需氮量相對較大。在實際生產(chǎn)中，棉農(nóng)也傾向于增施氮肥以獲得高產(chǎn)。但過量施用氮肥不但會造成棉花徒長、產(chǎn)量下降和品質(zhì)降低，而且過量的氮肥會通過土壤淋洗、土壤徑流、反硝化和揮發(fā)等途徑損失，造成較低的氮肥利用率，從而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性，增加棉農(nóng)的生產(chǎn)成本。田納西州作為美國重要的棉花種植地區(qū)，其植棉土壤多為沙壤土，土壤質(zhì)地較輕，保肥保水性較差，氮素流失嚴重，對環(huán)境造成污染。

保護性耕作方式(如免耕及綠肥還田)對降低水土流失、保持土壤肥力和水分有著十分重要的作用。唐曉紅等[4]通過長期定位試驗發(fā)現(xiàn)：保護性耕作有利于紫色水稻土表層大團聚體的形成和土壤有機碳儲量的提高。除此之外，免耕還可有效改善耕作土壤的生態(tài)環(huán)境，使免耕條件下的作物產(chǎn)量有所提高[5-8]。綠肥還田不僅可以改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤有機質(zhì)含量和保障作物產(chǎn)量，而且還可以減少化學(xué)肥料的投入，降低對環(huán)境的污染[9-10]。通過綠肥作物的覆蓋，可以有效地提高土壤肥力、降低水土流失率、減少病蟲害和雜草的發(fā)生、避免對地下水造成污染，同時還可以減少生產(chǎn)成本的投入[11-15]。

本研究基于美國田納西州長期定位試驗條件，分析長期不同施氮量、綠肥還田、耕作方式以及它們的交互作用對棉花生長、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，以期為棉花的合理土壤和氮肥管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗時間及地點

試驗于2013 年在田納西大學(xué)西部試驗站的長期免耕定位試驗點(1981 至今)進行。

1.2 試驗設(shè)計

供試棉花品種為PHY 375 WRF，試驗地土壤為沙壤土。試驗為三因素裂區(qū)試驗設(shè)計：施氮量為主區(qū)，分別設(shè)0、34、67 和101 kg/hm24 個不同施氮量處理；裂區(qū)為覆蓋作物，即不覆蓋及覆蓋毛苕子處理；再裂區(qū)為耕作方式，包括免耕及傳統(tǒng)耕作。試驗設(shè)4 次重復(fù)，共計64 個小區(qū)，小區(qū)面積為 9.1 m×7.7 m。

1981—2013 年，該試驗站除免耕小區(qū)外的各試驗小區(qū)于當(dāng)年秋季翻耕，并于次年春季播種耕作。毛苕子(Vicia villosa)于2012 年10 月25 日播種，播種量為22 kg/hm2，于2013 年5 月8 日收割，作為豆科綠肥覆蓋備用；棉花于2013 年5 月16 日播種，8 行種植，密度約為135 860 株/hm2；2013 年5 月24 日將硝酸銨以撒施的方式施入；2013 年10 月23 日對每小區(qū)中間2 行棉花進行機收。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 棉株生物量

在花蕾期和花鈴中期，每小區(qū)取10 株長勢均勻一致棉株的地上部分，分別測定莖(含分支)、葉(含葉柄) 和花(含花蕾、花及很小的花鈴)的鮮質(zhì)量，然后于通風(fēng)烘箱內(nèi)65 °C 烘至少7 d至恒質(zhì)量，測定各部分的干質(zhì)量，計算棉株的總生物量；花鈴末期時，每小區(qū)取10 株長勢均勻一致棉株的地上部分，分別測定莖(含分支)、葉(含葉柄)、棉殼(含心皮墻、苞片及花梗)和棉籽(含棉絨)的鮮質(zhì)量，然后于通風(fēng)烘箱內(nèi)65 °C 烘至少7 d 至恒質(zhì)量，測定各部分的干質(zhì)量，并計算干物質(zhì)總量。

1.3.2 棉花產(chǎn)量

收獲期使用收割機分別收獲每小區(qū)中間2 行棉花，并用1/5 規(guī)格的碾壓機去除棉籽，測定皮棉產(chǎn)量。

1.3.3 棉花品質(zhì)

在棉鈴成熟期隨機對每小區(qū)中間2 行棉花進行采摘，每個小區(qū)不低于60 個棉鈴，纖維樣品送至位于美國北卡羅來納州卡里的棉花公司紡織服務(wù)實驗室進行長度、馬克隆值及整齊度的測定。其中，馬克隆值是反映棉花纖維細度和成熟度的綜合指標，是衡量棉纖維品質(zhì)的重要指標[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 和SAS 軟件PROC MIXED 程序統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同氮肥施用量及栽培措施對棉株不同生育期干物質(zhì)總量的影響

由表1 可知：棉株不同生育期下生物量顯著受覆蓋處理×施氮量間交互作用的影響。在花蕾期，不覆蓋情況下，各施氮量間棉株生物量差異顯著，101 kg/hm2處理下棉株總生物量最高，且比不施氮肥處理顯著提高了127.4%；覆蓋毛苕子后，各施肥處理間差異不顯著；說明在棉株生長初期，覆蓋毛苕子后可降低氮肥的施用量。花鈴中期時，覆蓋毛苕子情況下，施氮量為101 kg/hm2時棉株總生物量顯著高于低氮處理及不覆蓋處理下的棉株總生物量。花鈴末期時，覆蓋毛苕子情況下，101 kg/hm2處理棉株總生物量顯著高于不覆蓋處理下的不施氮肥和低氮處理。

表1 覆蓋作物×施氮量交互作用對不同生育期棉株生物量的影響Tab.1 Interaction effects of cover crops by N application rates on the cotton biomass at different growth stages

由表2 可知：覆蓋作物×耕作方式間的交互作用對棉株不同生育期的生物量均有顯著影響。在花蕾期和花鈴中期，覆蓋毛苕子×免耕處理下棉株總生物量顯著高于其他處理。在花鈴末期，覆蓋毛苕子×免耕處理下棉株生物量比不覆蓋×免耕處理下生物量顯著提高了73.7%，比覆蓋毛苕子×傳統(tǒng)耕作處理下生物量顯著提高了40.6%。從整個棉株生育期來看，覆蓋毛苕子×免耕處理可以有效提高棉株生育前期的生物量積累，表明覆蓋×免耕可有效提高棉株地上部分的生長。

表2 覆蓋作物×耕作方式交互作用對不同生育期棉株生物量的影響Tab.2 Interaction effects of cover crops by tillage on the cotton biomass at different growth stages

2.2 長期不同栽培措施及氮肥施用量對棉花產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

由表3 可知：覆蓋作物×施氮量的交互作用對棉花產(chǎn)量有顯著影響。在不覆蓋毛苕子情況下，棉花產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，施氮量為101 kg/hm2處理下的棉花產(chǎn)量比不施氮及施氮34 kg/hm2處理分別顯著增加了79.2% 和33.2%，但67 kg/hm2與101 kg/hm2處理間棉花產(chǎn)量差異并不顯著。出于控制棉花生產(chǎn)成本的角度考慮，在不覆蓋毛苕子時，施氮量為67 kg/hm2較為適宜。在覆蓋毛苕子情況下，各施氮處理棉花產(chǎn)量并無顯著差異。覆蓋作物×施氮量間的交互作用對于棉花的品質(zhì)均無顯著性的影響。

由表4 可知：耕作方式×施氮量間的交互作用對棉花產(chǎn)量和整齊度并無顯著影響，但對棉纖維的馬克隆值及纖維長度有顯著影響。免耕×施氮量67 kg/hm2處理下棉纖維的馬克隆值顯著高于傳統(tǒng)耕作下不同施氮量處理中的馬克隆值，表明免耕條件加上合適的氮肥施用量可有效提高棉花纖維細度和成熟度。就棉花纖維長度而言，不論是傳統(tǒng)耕作下還是免耕處理下，不同施氮量處理間棉花纖維長度均無顯著差異，但整體來看，傳統(tǒng)耕作×67 kg/hm2處理下纖維長度比免耕×67 kg/hm2處理下纖維長度顯著提高了5.9%，比免耕×101 kg/hm2處理下纖維長度顯著提高了17.7%。表明傳統(tǒng)耕作加以適量的氮肥對于提高棉花纖維長度有一定作用。

由表5 可知：覆蓋作物×耕作方式的交互作用對棉花的產(chǎn)量有顯著影響。覆蓋毛苕子×免耕處理的棉花產(chǎn)量比覆蓋毛苕子×傳統(tǒng)耕作處理顯著高21.5%，說明覆蓋綠肥作物后，免耕可以提高棉花產(chǎn)量；但不覆蓋綠肥時，免耕與傳統(tǒng)耕作間的棉花產(chǎn)量無顯著差異。覆蓋作物×耕作方式的交互作用對棉花纖維長度和整齊度有顯著影響。覆蓋毛苕子×傳統(tǒng)耕作處理下纖維長度比覆蓋毛苕子×免耕顯著提高了16.7%，比不覆蓋×免耕和不覆蓋×傳統(tǒng)耕作分別顯著提高了5.3%和6.6%；覆蓋毛苕子×傳統(tǒng)耕作處理的整齊度比不覆蓋×免耕和不覆蓋×傳統(tǒng)耕作分別提高了1.1%和1.6%。

表3 覆蓋作物×施氮量交互作用對棉花產(chǎn)量及纖維品質(zhì)的影響Tab.3 Interaction effects of N application rates by cover crops on the yield and fiber quality of cotton

表4 耕作方式×施氮量交互作用對棉花產(chǎn)量及纖維品質(zhì)的影響Tab.4 Interaction effects of N application rates by tillage on the yield and fiber quality of cotton

表5 覆蓋作物×耕作方式間的交互作用對棉花產(chǎn)量及纖維品質(zhì)的影響Tab.5 Interaction effects of cover crops by tillage on the yield and fiber quality of cotton

3 討論

3.1 長期不同栽培措施及氮肥對棉花地上部干物質(zhì)的影響

不同生育期棉株總生物量受覆蓋處理和施氮量之間交互作用的影響。在不覆蓋情況下，棉花花蕾期整株的生物量隨施氮量的增加而增加，直到施氮量到達101 kg/hm2。研究發(fā)現(xiàn)：氮肥可提高棉株葉片葉綠素含量和光合產(chǎn)物的生產(chǎn)能力[17]，從而使棉株的干物質(zhì)量隨著施氮量的增加而增加。馬宗斌等[18]的研究結(jié)果也表明：隨著施氮量的增加，棉花營養(yǎng)器官的干質(zhì)量和植株的總干質(zhì)量均逐漸增加。本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)：在棉株生育前期，尤其是在棉株花蕾期，隨著施氮量的增加，其總生物量也有所增加。段云佳等[19]也有類似報道。

本試驗對覆蓋作物×施氮量交互作用的分析發(fā)現(xiàn)：與不覆蓋毛苕子相比，覆蓋毛苕子后不同施氮量之間的差異不顯著，這可能是由于綠肥還田后為土壤提供了額外氮養(yǎng)分，消除了原本不同施氮處理間的效應(yīng)差異。有研究表明：鮮草產(chǎn)量約為22 500 kg/hm2的綠肥可為農(nóng)田提供氮素112.5 kg[20]。在棉株花蕾期時，不覆蓋處理×施氮量101 kg/hm2棉株總生物量顯著高于不覆蓋處理下其他施氮處理；覆蓋毛苕子處理后，各施氮處理間差異不顯著。說明在棉株生長初期，覆蓋毛苕子后可降低氮肥的施用量。豆科綠肥覆蓋可替代一部分化學(xué)肥料的施用，從而減少棉花生產(chǎn)實際中氮肥的投入，降低氮肥的淋失[21]。耕作方式×覆蓋作物的交互作用結(jié)果顯示：覆蓋毛苕子處理下，免耕棉花的生物量顯著高于傳統(tǒng)耕作，說明覆蓋毛苕子×免耕措施對棉株生長有促進作用。

3.2 長期不同栽培措施及氮肥對棉花產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

施用氮肥是增加農(nóng)作物產(chǎn)量的措施之一。在糧食增產(chǎn)中氮肥的施用貢獻率高達45%左右[22]。本研究表明：無覆蓋綠肥的情況下，在一定范圍內(nèi)隨著施氮量的增加，棉花的產(chǎn)量顯著增加，這與羅新寧等[17]的研究結(jié)果一致。但在覆蓋毛苕子后，不同施氮量之間產(chǎn)量的差異并不顯著，這可能是由于綠肥的額外氮養(yǎng)分對原有的施氮處理間的效應(yīng)差異產(chǎn)生了稀釋作用。在本試驗條件下，不論是施氮量×覆蓋作物或者施氮量×耕作方式的交互作用下，施氮量67 kg/hm2與101 kg/hm2處理間的棉花產(chǎn)量差異均不顯著。

研究表明：免耕可以增加棉花產(chǎn)量[21]。NYAKATAWA 等[23]在美國西南部連續(xù)2 年的研究發(fā)現(xiàn)：免耕棉花的產(chǎn)量高于傳統(tǒng)耕作下棉花產(chǎn)量；但也有研究顯示免耕條件下棉花產(chǎn)量有所降低[24-25]。本試驗條件下，雖然施氮量×耕作方式對棉花產(chǎn)量沒有顯著影響，但施氮量×覆蓋作物和耕作方式×覆蓋作物的交互作用對棉花產(chǎn)量有顯著影響。在覆蓋毛苕子后，免耕條件下的棉花產(chǎn)量高于傳統(tǒng)耕作。NYAKATAWA 等[23]研究發(fā)現(xiàn)：施用雞糞處理下，免耕和覆蓋冬小麥可有助于棉花早期的生長和出苗率；DONALD 等[26]的長期定位研究發(fā)現(xiàn)：免耕加以合理的施氮量可有效提高棉株株高，從而增加棉花產(chǎn)量。

本研究表明：耕作方式×施氮量對棉花纖維長度有極顯著影響，耕作方式×覆蓋作物對棉花纖維長度及整齊度均有顯著影響，但覆蓋作物×施氮量的交互作用對棉花品質(zhì)各項指標均無影響。這與之前的研究結(jié)果不一致。段云佳等[19]和楊揚[27]報道氮肥對棉株上、中、下部棉花纖維長度、整齊度和馬克隆值等都存在一定的影響，施氮量可有效增加棉花的纖維強度和整齊度。但也有報道指出棉花的纖維特性受施氮量影響不顯著[28]。

4 結(jié)論

在不覆蓋毛苕子情況下，施氮量為0～67 kg/hm2時，棉花早期生長和產(chǎn)量隨施氮量的提高而顯著增加，但施氮量高于67 kg/hm2后，棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)并未表現(xiàn)出更好的結(jié)果。在覆蓋毛苕子的情況下，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕可顯著增加棉花產(chǎn)量。因此，長期免耕并配合綠肥覆蓋這一措施可以在棉花生產(chǎn)上進行推廣運用。