李 杰,馬騰飛,邊 洋,帕爾哈提·買買提,婁善偉,吐爾遜江·買買提,何 紅,張鵬忠
(1. 國(guó)家棉花工程技術(shù)研究中心,烏魯木齊 830091;2. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所,烏魯木齊 830091)
【研究意義】化肥是棉花生長(zhǎng)發(fā)育的重要養(yǎng)分來源和提高產(chǎn)量的重要手段,在促進(jìn)棉花連續(xù)增產(chǎn)方面做出了重要貢獻(xiàn)[1-2]。然而過量、不合理的化肥施用也是導(dǎo)致新疆棉田土壤質(zhì)量下降、面源污染和鹽漬化加重的重要因素,制約了新疆棉花產(chǎn)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展[3-4]。因此,探索化肥減量配施適量比例有機(jī)液體肥對(duì)推進(jìn)以綠色生態(tài)為導(dǎo)向的棉花產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和土壤改良具有重要意義?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】有機(jī)液體肥作為一種包含小分子有機(jī)物、有益微生物、中量和微量元素等的全營(yíng)養(yǎng)型水溶性肥料,具有肥效快、易復(fù)合、營(yíng)養(yǎng)全、利用率高等特點(diǎn),能夠在短時(shí)間內(nèi)被植物吸收利用,改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu),降低土壤中有機(jī)物、無機(jī)物符合度,有效提高土壤中有效養(yǎng)分含量、避免養(yǎng)分流失,促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育[5-7]。王圣澤等[8]研究表明化肥減施25%+增施200 kg/667 m2有機(jī)肥處理可以提高花菜品質(zhì)、增強(qiáng)肥料有效性、改善土壤養(yǎng)分環(huán)境。桑文等[9]研究表明施入有機(jī)液體肥且適量減少化肥的施用能夠提高土壤肥力、增加土壤微生物多樣性、改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu),從而營(yíng)造一個(gè)良好的土壤微生態(tài)環(huán)境?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前有關(guān)有機(jī)液體肥研究主要集中在玉米[10]、小麥[11]、水稻[12]、蔬菜[13]等作物上,關(guān)于化肥減量配施有機(jī)液體肥在新疆膜下滴灌棉花上的相關(guān)研究報(bào)道較少?!緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過大田小區(qū)控制試驗(yàn),探索化肥減量配施不同用量有機(jī)液體肥對(duì)新疆膜下滴灌棉花生長(zhǎng)發(fā)育、光合特性、產(chǎn)量及品質(zhì)等影響,尋求利于膜下滴灌棉花生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)質(zhì)量最佳的液體肥用量,為膜下滴灌棉花化肥減量配施有機(jī)液體肥的合理應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。
試驗(yàn)于2021—2022年在克拉瑪依小拐鄉(xiāng)國(guó)家棉花工程技術(shù)研究中心示范基地進(jìn)行,地理位置為45°10′ N,85°06′ E,海拔230 m,屬典型溫帶大陸性氣候。兩試驗(yàn)?zāi)昝藁ㄉL(zhǎng)季平均氣溫24.3 ℃,總輻射4236 MJ/m2,降雨41 mm。試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為沙壤土,0~60 cm土層有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷和速效鉀含量?jī)稍囼?yàn)?zāi)昴昃捣謩e為8.63 g/kg、0.79 g/kg、68.5 mg/kg、24.6 mg/kg和124.3 mg/kg。
供試棉花品種為‘新陸早83號(hào)’,采用1膜3管6行寬窄行種植(10+66+10+66+10) cm、株距11.5 cm,分別于2021年4月28日和2022年4月25日進(jìn)行膜上點(diǎn)播,于2021年10月2日和2022年9月28日收獲。
供試有機(jī)液體肥為史丹利農(nóng)業(yè)集團(tuán)股份有限公司提供的含腐植酸水溶肥海藻酸原液(N-P2O5-K2O≥200 g/L,N≥100 g/L、P2O5≥80 g/L、K2O≥20 g/L,腐植酸≥30 g/L,黃腐酸≥16 g/L,海藻酸≥2 g/L,B≥0.5 g/L,Zn≥0.5 g/L)和利果濃縮液(N-P2O5-K2O≥200 g/L,N≥30 g/L、P2O5≥30 g/L、K2O≥140 g/L,腐植酸≥30 g/L,B≥2 g/L,Ca≥0.5 g/L,Zn≥0.5 g/L)兩種。常規(guī)肥尿素(含N 46%),磷酸一銨(含N 12 %,P2O561 %)和硫酸鉀(K2O 50 %)3種。
試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理(表1),分別為CF:單施常規(guī)化肥(純N 330 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2),LF1:60%常規(guī)化肥+225 L/hm2海藻酸原液+150 L/hm2利果濃縮液,LF2: 60%常規(guī)化肥+450 L/hm2海藻酸原液+300 L/hm2利果濃縮液,LF3:60%常規(guī)化肥+675 L/hm2海藻酸原液+450 L/hm2利果濃縮液,LF4:60%常規(guī)化肥+900 L/hm2海藻酸原液+600 L/hm2利果濃縮液。各處理重復(fù)3次,隨機(jī)區(qū)組排列,共15個(gè)試驗(yàn)小區(qū),每個(gè)小區(qū)10 m×10 m=100 m2。各處理肥料分別于棉花生育期隨水滴施,共計(jì)8次,其他按當(dāng)?shù)剞r(nóng)田管理進(jìn)行。
表1 試驗(yàn)處理及施肥用量
1.3.1 干物質(zhì) 于棉花播種后30 d開始取樣,之后每8 d取樣1次,各處理選代表性棉株3株,從棉株子葉節(jié)部位剪開,按葉、莖、蕾、鈴等不同器官分開,在105 ℃殺青30 min后,80 ℃烘干至恒重,測(cè)定其干物質(zhì)質(zhì)量。
1.3.2 葉面積指數(shù)(LAI) 在棉花各生育階段各處理選取生長(zhǎng)狀況良好、長(zhǎng)勢(shì)基本一致的棉花各3株,用LI-300C(LI-COR Inc, Lincoln, NE, USA)葉面積儀測(cè)定植株葉面積,取其平均值,計(jì)算葉面積指數(shù)(LAI)。
1.3.3 SPAD值 分別于蕾期、盛花期、盛鈴期和吐絮期用SPAD-502葉綠素儀在棉花倒四葉測(cè)定SPAD值,測(cè)定時(shí)避開葉脈,每個(gè)處理測(cè)定3株,每個(gè)葉片測(cè)定5次,取平均值。
1.3.4 葉片光合作用測(cè)定 在花鈴期,采用TARGAS-1便攜式光合測(cè)定儀于11:00—13:00測(cè)定,每個(gè)處理隨機(jī)選取3株測(cè)定凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間隙CO2濃度(Ci)等指標(biāo),熒光參數(shù)采用熒光儀測(cè)定。
1.3.5 產(chǎn)量測(cè)定 在棉花吐絮期,調(diào)查6.67 m2面積的棉花收獲株數(shù)、單株鈴數(shù),并采收各部位棉鈴100個(gè)測(cè)定鈴重,實(shí)測(cè)每個(gè)小區(qū)棉花產(chǎn)量作為最終的產(chǎn)量數(shù)據(jù),并換算為每667 m2產(chǎn)量。
1.3.6 纖維品質(zhì)的測(cè)定 利用HVI1000大容量纖維測(cè)試儀測(cè)定上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、馬克隆值、整齊度、伸長(zhǎng)率、紡織一致性指數(shù)。
采用Microsoft Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖,用SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析,LSD法做多重比較。
由圖1可知,兩試驗(yàn)?zāi)旮魈幚韱沃旮晌镔|(zhì)累積量總體趨勢(shì)一致,隨生育進(jìn)程的推進(jìn)呈“慢—快—慢”的S型增加趨勢(shì),出苗后40 d內(nèi)各處理增長(zhǎng)緩慢,不同施肥處理間沒有顯著變化,出苗40 d后,各處理單株干物質(zhì)累積量差異明顯,隨液體肥用量的增加而增加,LF4處理最大,LF3處理次之,LF1處理最小。與單施常規(guī)化肥CF相比,LF4高于CF,LF3、LF2和LF1分別低于CF處理。
圖1 不同施肥處理單株干物質(zhì)累積量變化Fig.1 The change of dry matter accumulation per plant at different fertilization treatments
對(duì)各處理單株干物質(zhì)累積量進(jìn)行回歸分析(表2)表明,化肥減量配施不同用量液體肥和單施常規(guī)化肥處理單株干物質(zhì)累積量與出苗后天數(shù)均符合logistic函數(shù)模型,各處理回歸方程相關(guān)系數(shù)均達(dá)到顯著水平,R2值均高于0.99?;蕼p量配施不同用量液體肥處理單株干物質(zhì)累積最大速率出現(xiàn)天數(shù)隨液體肥用量的增大而降低,2021年LF1為53 d,LF4為51.9 d,單施常規(guī)化肥CF介于LF2和LF3之間,2022年LF1為54.2 d,LF4為52.9 d,CF介于LF3和LF4之間。單株干物質(zhì)快速累積開始時(shí)間隨液體肥用量的增加而下降,LF4出現(xiàn)最早,LF1出現(xiàn)最晚,兩試驗(yàn)?zāi)闘F4出現(xiàn)時(shí)間分別為43.2和43.6 d,LF1分別為44.2和45.1 d,單施常規(guī)化肥CF介于LF2和LF3之間??焖倮鄯e期內(nèi)單株干物質(zhì)最大增長(zhǎng)速率隨液體肥用量的增加而增加,LF4最高,年均值為4.68 g/d,LF1最低為3.85 g/d,單施常規(guī)化肥CF介于LF3和LF4,年均值較LF3高2.99%,較LF4低7.34%。
表2 不同處理單株干物質(zhì)積累logistic回歸方程及其特征值
從圖2可知,兩試驗(yàn)?zāi)瓴煌┓侍幚砣~面積指數(shù)隨生育進(jìn)程的推進(jìn)表現(xiàn)為先增加后降低的拋物線形狀,盛鈴期最大,盛鈴后期次之,蕾期最小。就不同生育時(shí)期而言,蕾期各液體肥處理與單施常規(guī)化肥CF無顯著差異。初花至吐絮期,不同用量液體肥處理葉面積指數(shù)隨液體肥用量的增加而增大,LF4最大,LF3次之,LF1最小,不同用量液體肥處理間顯著差異,各處理與單施常規(guī)化肥相比,LF1和LF2顯著低于CF處理,LF3與CF間無顯著變化,LF4顯著高于CF。
同一時(shí)期不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。Different lowercase letters in the same period indicate significant differences at the 0.05 level.圖2 不同施肥處理對(duì)棉花葉面積指數(shù)的影響Fig.2 Effects of different fertilization treatments on cotton leaf area index
從表3可知,不同施肥處理葉片SPAD值隨生育進(jìn)程的推進(jìn)表現(xiàn)為先增加后降低,各處理盛鈴期最高,盛花期次之,蕾期最小。在不同生育時(shí)期,不同液體肥用量處理SPAD值隨液體肥用量增加而增大,LF4最大,LF1最小。與單施常規(guī)化肥CF相比,LF1和LF2顯著低于CF處理,LF3和LF4與CF處理無顯著差異,就不同液體肥用量而言,SPAD值LF3和LF4處理間無顯著差異,顯著高于LF1和LF2處理。
表3 不同施肥處理對(duì)棉花葉片SPAD的影響
兩試驗(yàn)?zāi)瓴煌后w肥處理棉花花鈴期凈光合速率隨液體肥用量的增加而增大(表4),LF4最大且與LF3沒有顯著差異,但顯著高于LF1和LF2處理,各液體肥處理與單施常規(guī)化肥CF相比,LF1和LF2顯著低于CF處理,LF3和LF4略低于CF但三者無顯著差異,各處理年均值較CF分別低14.95%、11.62%、0.93%和0.61%。蒸騰速率隨液體肥用量的增加而增大,LF1顯著低于LF3和LF4,LF2顯著低于LF4,LF3和LF4沒有顯著差異;與CF相比,CF顯著高于LF1和LF2,與LF3和LF4無顯著差異,年均蒸騰速率LF1、LF2和LF3分別較CF低12.51%、10.69%和1.21%,LF4較CF高1.09%。氣孔導(dǎo)度隨液體肥用量的增加而增大,LF4最大,LF1最小,LF4與LF3間無顯著差異,顯著高于LF1和LF2處理;與CF相比,各液體肥處理均低于CF處理,但LF3、LF4與CF無顯著差異,LF1、LF2顯著低于CF。胞間隙CO2濃度隨液體肥用量的增加而降低,LF1最高,LF4最低,LF1與LF2無顯著差異,但顯著高于LF3、LF4和CF,LF3、LF4、CF間無顯著差異。
表4 不同施肥處理對(duì)花鈴期光合參數(shù)的影響
不同施肥處理花鈴期最大光化學(xué)量子產(chǎn)量、激發(fā)能電子轉(zhuǎn)化效率和電子傳遞光量子產(chǎn)量均隨液體肥用量的增加而增大,LF4處理最大,LF1最小(表5)。最大光化學(xué)量子產(chǎn)量LF4顯著高于LF1,與LF2和LF3無顯著變化;與CF相比,各液體肥處理與CF間無顯著差異。激發(fā)能電子轉(zhuǎn)化效率和電子傳遞光量子產(chǎn)量CF處理顯著高于LF1、LF2,與LF3和LF4無顯著變化。初始熒光隨液體肥用量的增加而降低,LF1最大,LF4最小,且兩者顯著差異,各液體肥處理與CF無顯著差異,但LF1、LF2、LF3高于CF,LF4低于CF處理。
表5 不同施肥處理對(duì)花鈴期素?zé)晒鈪?shù)的影響
從表6可知,兩試驗(yàn)?zāi)瓴煌后w肥用量和單施常規(guī)化肥CF處理收獲株數(shù)無顯著差異,年均收獲株數(shù)介于18.94×104/hm2~19.21×104/hm2。單株鈴數(shù)隨液體肥用量的增加而增加,LF4最高,顯著高于LF1和LF2,與LF3和CF無顯著差異,各液體肥處理年均單株鈴數(shù)LF1、LF2和LF3較CF分別低47.66%、27.42%和6.04%,LF4較CF高1.27%。單鈴重隨液體肥用量的增加而增加,LF1與LF2無顯著差異但顯著小于LF3、LF4和CF處理,CF高于LF3低于LF4但三者間無顯著差異,年均單鈴重CF較LF1、LF2和LF3分別高10.60%、7.11%和1.59%,較LF4低2.58%。液體肥不同用量與單施常規(guī)化肥CF之間均無顯著差異,年均值介于41.84%~42.26%。籽棉產(chǎn)量隨液體肥用量增加而增加,LF4最高,與LF3無顯著差異,但顯著高于LF1和LF2;與CF相比,LF1和LF2顯著低于CF處理,LF3、LF4與CF無顯著差異,各處理LF1、LF2、LF3、LF4和CF年均籽棉產(chǎn)量分別為6012.5、6528.5、7274.5、7568.5和7383 kg/hm2,LF1、LF2和LF3分別較CF低22.79%、13.09%和1.49%,LF4較CF高2.51%。
表6 不同施肥處理對(duì)棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響
從表7可知,兩試驗(yàn)?zāi)晟习氩科骄L(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、整齊度、伸長(zhǎng)率和紡織一致性指數(shù)均隨液體肥用量的增加而增加。不同施肥處理上半部平均長(zhǎng)度和斷裂比強(qiáng)度LF4處理最高,年均值分別為29.4 mm和28.5 cN/tex,LF1最低分別為28.0 mm和27.2 cN/tex,LF1顯著低于LF3、LF4和CF,LF2、LF3、LF4和CF無顯著差異。馬克隆值隨液體肥用量的增加而下降,各處理LF1最高,年均值為5.35,CF最低為5.01,CF顯著低于LF1、LF2和LF3,與LF4無顯著差異;各液體肥處理間LF4顯著低于LF1,與LF2和LF3無差異。整齊度LF1顯著低于LF4和CF,與LF2和LF3無差異,伸長(zhǎng)率和紡織一致性指數(shù)各處理間均無顯著差異。
表7 不同施肥處理對(duì)纖維品質(zhì)的影響
干物質(zhì)積累是棉花吸收養(yǎng)分的直接體現(xiàn),是棉花產(chǎn)量的物質(zhì)基礎(chǔ),其積累與合理分配及運(yùn)轉(zhuǎn)是提高棉花產(chǎn)量的關(guān)鍵,只有干物質(zhì)保持在一定范圍內(nèi),才有利于協(xié)調(diào)平衡營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)之間的矛盾,從而建立合理的群體基礎(chǔ),進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)的目的[14-15]。研究發(fā)現(xiàn),有機(jī)肥能增加棉花干物質(zhì)積累[16]。汪蘇潔等[17]研究表明有機(jī)肥替代50%化肥處理整株及根部生物量均顯著高于有機(jī)肥替代20%化肥處理和有機(jī)肥替代40%化肥處理,一定量有機(jī)肥替代化肥能夠增加棉株干物質(zhì)積累。本研究表明,單株干物質(zhì)累積量隨液體肥用量的增加而增加,其中LF4處理高于單施常規(guī)化肥CF處理,而LF3、LF2和LF1均低于CF處理。對(duì)各處理進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn),各處理單株干物質(zhì)累積量與出苗后天數(shù)均滿足logistic模型,說明減施化肥配施不同用量液體肥不會(huì)改變干物質(zhì)生長(zhǎng)模型,與單施常規(guī)化肥CF一致,但各處理特征參數(shù)值不同,干物質(zhì)累積最大速率出現(xiàn)天數(shù)隨液體肥用量的增大而下降,即液體肥用量越多,出現(xiàn)天數(shù)越早。快速積累期內(nèi)單株干物質(zhì)最大增長(zhǎng)速率隨液體肥用量的增加而增加,LF4最高,LF1最低,CF高于LF3低于LF4處理,這與相關(guān)研究結(jié)果一致[18]。
植物葉片是光合作用的主要載體,LAI能夠反映植物光截獲的能力,SPAD能夠反映植物葉片葉綠素含量,是冠層結(jié)構(gòu)性能的重要指標(biāo)[19]。已有研究表明,LAI、SPAD隨著施肥量的增加而增大,當(dāng)施肥量達(dá)到一定量時(shí),LAI、SPAD的提高不明顯[20]。馬燕等[21]研究表明,隨有機(jī)液體肥施用量的增加,棉花葉面積指數(shù)呈增加趨勢(shì)。本研究表明,化肥減量配施不同量液體肥和單施常規(guī)化肥CF處理LAI和SPAD值均隨生育進(jìn)程的推進(jìn)表現(xiàn)為先增加后降低趨勢(shì),盛鈴期最大,蕾期最小。LAI和SPAD值均隨液體肥用量的增加而增大,LF4最大,LF1最小。除蕾期外,各液體肥處理LAI顯著差異,與CF相比,LF1、LF2顯著低于CF,LF3與CF無顯著差異,LF4顯著高于CF。研究發(fā)現(xiàn),施用生物有機(jī)肥能夠改善作物的光合特性,增強(qiáng)作物光合效率,利于光合產(chǎn)物的積累[22-23]。馮克云等[24]研究表明化肥減量配施有機(jī)肥較單施化肥顯著提高了各生育期棉花凈光合速率、氣孔導(dǎo)度,降低了胞間CO2濃度。本研究表明,不同液體肥處理花鈴期凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度均隨液體肥用量的增加而增大,與單施常規(guī)化肥CF相比,LF1、LF2顯著低于CF處理,LF3、LF4與CF無顯著差異。胞間CO2濃度隨液體肥用量的增加而降低,LF1顯著高于LF3、LF4和CF,LF2、LF3、LF4和CF無顯著差異,這與馮克云等[24]、徐海東等[25]的研究結(jié)果一致。最大光化學(xué)量子產(chǎn)量、激發(fā)能電子轉(zhuǎn)化效率和電子傳遞光量子產(chǎn)量均隨液體肥用量的增加而增大,初始熒光隨液體肥用量的增加而降低,LF3、LF4和CF無顯著差異。
適宜的養(yǎng)分供應(yīng)能改善作物生長(zhǎng)和提高產(chǎn)量,研究表明在減量一定化肥的基礎(chǔ)上配施適量比例有機(jī)肥可以提高農(nóng)作物產(chǎn)量[26]。本研究結(jié)果表明不同施肥處理收獲株數(shù)和衣分沒有顯著變化。單株鈴數(shù)、單鈴重和產(chǎn)量均隨液體肥用量增加而增加,單株鈴數(shù)和產(chǎn)量LF3與LF4無顯著差異,但顯著高于LF1和LF2,單施常規(guī)化肥CF顯著高于LF1和LF2,與LF3和LF4無顯著差異。單鈴重不同液體肥用量間差異顯著,CF與LF3和LF4無顯著差異但顯著高于LF1和LF2。說明化肥減量配施不同量的液體肥在一定范圍內(nèi)能夠增加單株鈴數(shù)和產(chǎn)量,但當(dāng)液體肥用量超過一定量時(shí)并不能增加鈴數(shù),提升產(chǎn)量,反而造成液體肥浪費(fèi),增加了成本。纖維品質(zhì)是決定棉花經(jīng)濟(jì)價(jià)值的重要指標(biāo)[27],王寧等[28]指出,與450 kg/hm2尿素+600 kg/hm2復(fù)合肥相比,化肥減量配施有機(jī)肥處理纖維長(zhǎng)度、整齊度指數(shù)、斷裂比強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率無顯著差異。但本研究中上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度和整齊度隨液體肥用量的增加而增加,長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度LF1顯著低于LF3、LF4和CF處理,LF3、LF4與CF無顯著差異。整齊度LF1顯著低于LF4和CF,與LF2和LF3無顯著變化。馬克隆值隨液體肥用量的增加而下降,除LF1與CF差異顯著外,其他處理與CF無顯著變化。
適量的有機(jī)液體肥替代部分常規(guī)化肥能夠促進(jìn)棉花生長(zhǎng)發(fā)育,增加干物質(zhì)累積量,改善棉花光合特性、增強(qiáng)光合效率,適當(dāng)增加產(chǎn)量和改善品質(zhì)。60%常規(guī)化肥+675 L/hm2海藻酸原液+450 L/hm2利果濃縮液處理時(shí),無論是單株干物質(zhì)累積量、LAI、SPAD值、光合參數(shù),還是產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因子及液體肥用量等綜合指標(biāo)最佳,可為有機(jī)液體肥替代部分化肥施用提供理論依據(jù)。