灌溉方式及施氮量对棉花生物量、氮素吸收量及棉花产量的影响

灌溉方式及施氮量对棉花生物量、氮素吸收量及棉花产量的影响

氮素是植物生长所必需的养分之一。目前，世界上的主要棉食是氮肥和粘土肥料。据报道,施用氮肥增加的棉花产量占棉花单产的33.5%~56.1%,虽然氮肥在作物增产中作用突出,但是盲目大量施用氮肥,则会造成肥料利用率低、生产成本增加和生态环境恶化等一系列问题。施用氮肥可以显著提高棉花的生物和经济产量及地上部总吸氮量。关于棉花生产中氮肥运筹及氮肥利用率问题,国内学者已从不同角度做了不少研究。如氮肥对棉花氮素利用率和产量的影响,不同氮肥运筹模式对棉花干物质积累分配、氮素吸收分配的影响,以及建立棉花生育时期养分积累量与生育进程间的动态模型,这些都为合理的氮肥管理提供了科学依据。膜下滴灌是覆膜栽培和滴灌相结合的节水灌溉技术,它能根据作物的根系分布进行局部灌溉,并有效地保持土壤团粒结构,防止水分深层渗漏和地表流失,能提高水分利用效率和肥料利用率。由于滴灌大田一般一个轮灌区面积在1hm2以上,难以开展小面积的田间试验,而大面积的试验由于土壤条件变异使试验结果稳定性受到影响。部分研究采用模拟滴灌系统进行,但其灌溉速率和灌溉均匀度与实际的大田生产差异明显,因此多数滴灌与漫灌试验结果通常都是在不同试验条件下取得的,而采用接近大田生产滴灌的方法进行滴灌和漫灌对棉花系统研究较少。本研究采用微型滴灌系统,在较小面积同时设置滴灌、漫灌2种灌溉方式和不同施氮量试验,试图较为系统地研究灌溉方式和施氮量影响下,棉花干物质积累、氮素利用率和生产效率的差异,阐明滴灌下提高水、肥利用率的机理。1材料和方法1.1试验区土壤、土壤理化性质试验于2010-2011年在新疆石河子大学农学院试验站(86°03′E,45°19′N)进行。试验区土壤为中壤土,pH7.9,主要养分含量为:有机质19.9g·kg-1,全氮1.08g·kg-1,碱解氮60.88mg·kg-1,速效磷17.95mg·kg-1,速效钾134mg·kg-1。前茬作物为棉花。1.2试验设计和灌溉田间试验采用裂区设计,设灌溉模式和氮肥水平2个因素,以灌溉模式(I)为主区,施氮量(N)为副区。灌溉模式为滴灌(D)和漫灌(F);氮肥处理共设4个氮肥水平,即:0kg·hm-2(N0)、240kg·hm-2(N240)、360kg·hm-2(N360)、480kg·hm-2(N480)。播前均施P2O5135kg·hm-2(重过磷酸钙,含P2O546%)和K2O90kg·hm-2(硫酸钾,含K2O51%)全部作基肥。滴灌设计灌溉量4650m3·hm-2,生育期灌水8次,基肥不施氮肥。氮肥用法为灌溉施肥全程同步,即肥料通过施肥罐溶解在灌溉水中,按“一水一肥”,边滴灌边施肥。采用自行设计的微型滴灌系统进行滴灌控制,其中压力系统采用QDX3-50-1.1潜水泵,功率1.1kW,输水能力为3m3·h-1,以直径32cm的PVC管作为主管和副管输水,主管和每个副管首部安装一个水表控制流量。田间毛管采用北京绿源公司生产的Φ15内镶式滴灌带,滴头间距30cm,设计滴头流量2.7L·h-1。1条膜下铺2条滴灌毛管,都铺在窄行中,即1根毛管控制2行棉花。通过预备试验发现,该系统可模拟大田滴灌系统的首部压力和毛管内压力,灌溉均匀度和完成单次灌溉时间与灌溉大田接近。漫灌设计灌溉量6000m3·hm-2,按氮肥总量的50%作为基肥播前撒施翻入土壤,其余50%作追肥在棉花初花至花铃期分3次追施,即在初花期、盛花期、花铃期随水施入,试验灌溉采用膜上畦灌方式,全生育期共灌水4次,每次分别为1500m3·hm-2。播种前,用厚塑料膜将各不同处理隔开,地上保留10cm,地下为100cm,以防止小区间水分和养分的相互渗透。灌溉量与石河子地区滴灌、漫灌保持一致,各次灌溉量、灌溉时期和施氮量设计见表1。供试作物为棉花(品种为“惠远710”)。2010年和2011年分别于4月25日和4月16日播种。播种采用宽幅1.5m地膜种植,一膜4行,播幅内宽、窄行距为(30+60+30)cm,株距为10cm,理论密度为22.2万株·hm-2,每个小区为两膜,面积为3m×6m=18m2。每处理重复3次,随机排列,共计24个小区,每个小区之间间隔1m。1.3试验方法及数据来源植株样品的采集与干物质测定:在棉花吐絮期采用挖掘法获取根系,参照陆地生态系统生物观测规范进行,即分别在外行和中行以棉花单株所占的面积进行挖掘,外行和内行各挖取2株(以膜间中央和宽行中央为界),挖取90cm×24cm的区域将棉花根系检出。获取根系时,将取样区域的地上部分全部采集后,按茎、叶、铃、根不同器官分开,在105℃下杀青30min,然后70℃条件下烘干至恒重,称量,记录干物质量。烘干的植株样品经粉碎,过0.5mm筛备用。植株样品用H2SO4-H2O2消煮,在BUCHI-350全自动定氮仪上测定植株不同部位全氮含量。棉花产量结构及测产:在棉花吐絮后,田间调查各小区结铃情况,各小区实收计产;每小区分3次采收90个完全吐絮棉铃,测定平均铃重和衣分。各参数根据下列公式计算:氮肥利用率((Nuseefficiency,NUE,%)=(施氮处理作物吸氮量-不施氮处理作物吸氮量)/施氮量×100;灌溉水生产效率(Wateruseefficiency,WUE,kg·hm-2·mm-1)=子棉产量(kg·hm-2)/总灌水量(mm);氮肥农学利用率(Nagronomicefficiency,NAE,kg·kg-1)=(施氮区子棉产量-无氮区子棉产量)/施氮量;氮肥偏生产力(Npartialfactorproductivity,NPFP,kg·kg-1)=施氮区产量/施氮量;植株总氮素积累量(kg·hm-2)=成熟期单株平均干质量×小区植株密度×成熟期单株含氮量(%);氮素分配率(%)=植株器官氮素阶段累积量/植株阶段总氮素累积量×100。试验数据采用Excel进行数据整理,用SPSS11.5软件中通用线性模型单因素变量法(Generallinearmodel-univariateprocedure)进行方差分析,方差分析包括灌溉方式、施氮量以及两因素之间交互效应。多重比较用Duncan法。2结果与分析2.1施氮对干物质积累的影响不同处理棉花各器官的干物质积累量及分配率见表2。滴灌处理棉花干物质积累量显著高于漫灌处理(P<0.05),增长率为17.31%。滴灌处理下地上部营养器官(叶、茎)干物质累积量也显著高于漫灌处理,增长率为16.83%,铃部干物质累积量显著大于漫灌,达28.73%;说明滴灌有助于干物质向繁殖器官分配,这是滴灌提高棉花产量的主要途径。但漫灌处理地下部(根)干物质积累量显著大于滴灌处理,达22.74%,说明滴灌有利于干物质在繁殖器官积累而抑制了根系的生长。滴灌处理和漫灌处理各器官干物质积累量的大小顺序为铃>茎>叶>根,分别占到植株干物质总积累量的48.20%~52.89%、21.09%~21.43%、15.52%~15.71%、10.31%~14.85%。与不施氮肥(N0)相比较,施用氮肥显著增加了棉花各器官干物质积累量(P<0.05),表明施用氮肥促进了棉花各器官干物质的积累。当氮肥用量由360kg·hm-2增加到480kg·hm-2,叶、茎、铃、根、整株的干物质累积量的增加幅度降低;除铃、根增加未达到显著水平外,其他器官干物质累积量增加均达到显著水平,表明过多的氮肥投入较大地促进了营养器官生长,但对繁殖器官的形成并没有帮助,也表明过量施氮对地上部的促进作用大于地下部。不同施氮量(N0、N240、N360、N480)棉花叶、茎、铃、根各器官干物质积累量占植株干物质积累量比例分别为15.22%~16.20%、19.89%~23.23%、47.89%~53.46%、11.43%~13.48%。2.2施氮量对棉铃氮素吸收的影响从棉花不同器官氮素吸收量和分配率看(表3),滴灌处理棉花氮素吸收量显著高于漫灌处理,增长率为14.75%。滴灌处理地上部营养器官(叶、茎)氮素吸收量也显著高于漫灌,增长率为21.12%。铃部氮素吸收量显著大于漫灌,达12.58%;但漫灌处理下地下部(根)氮素吸收量显著大于滴灌处理,达35.34%。滴灌处理和漫灌处理下各器官氮素吸收量的大小顺序为铃>叶>茎>根,分别占到植株氮素总吸收量的55.02%~56.09%、27.67%~29.48%、12.93%~13.36%、2.14%~3.31%。不同的灌溉方式下棉铃氮素吸收量均占植株氮素总积累量的50%以上。与不施氮肥处理(N0)相比较,施用氮肥显著增加了棉花各器官的氮素吸收量(P<0.05),表明施用氮肥促进了棉花氮素吸收。且随着施氮量的增加,棉花各器官的氮素吸收量均增加。N240、N360和N480处理下棉花整株的氮素吸收量比N0处理分别提高了66.30%、92.64%、93.88%。当氮肥用量由360kg·hm-2增加到480kg·hm-2,叶片、铃和整株的氮素吸收量的增加幅度很小甚至开始降低,未达到显著水平;茎、根氮素吸收量随着施氮量的增加而增加,均达到显著水平。不同施氮量(N0、N240、N360、N480)棉花叶、茎、铃、根各器官氮素吸收量占植株氮素总吸收量分别为28.59%~28.70%、12.46%~14.80%、53.72%~56.41%、1.99%~3.09%。可以看出,N480处理下棉花茎的氮素分配率显著高于N360处理,但铃中氮素分配率却降低,表明过量施氮会造成棉花植株贪青旺长,大量氮素残留在茎秆中,不利于氮素向铃中转移,造成氮素的浪费。2.3施氮水对灌溉生产效率的影响由表4可以看出,除农学利用率和偏生产力外,灌溉方式对棉花氮肥利用率以及灌水生产效率均产生显著的影响(P<0.05)。与漫灌处理相比,滴灌处理氮肥利用率(NUE)提高了11.4%,且达到显著性差异;滴灌处理偏生产力(NPFP)增加了0.78kg·kg-1,未达到差异显著水平;滴灌处理灌溉水生产效率(WUE)较漫灌处理提高7.27%,达到显著性差异。除农学利用率外,施氮水平对氮肥利用率、偏生产力及灌水生产效率影响显著(P<0.05)。氮肥利用率、偏生产力随着施氮量的增加而减小,且达到显著性差异,N240、N360和N480处理下氮肥利用率分别为36.45%、34.14%和25.89%,氮肥的偏生产力分别为24.76kg·kg-1、17.54kg·kg-1和13.29kg·kg-1,这说明过量施用氮肥对提高棉花生产的经济效益并无帮助;而灌溉水生产效率随着施氮量的增加而增加,可见施氮量与灌溉量之间存在正交互作用。灌溉方式与施氮量互作效应对氮肥利用率、农学利用率(NAE)、偏生产力及灌水生产效率未产生显著影响。2.4施氮量对棉棉棉产量的影响除衣分外,灌溉方式对棉花的单株铃数、铃重以及皮棉产量产生显著的影响(P<0.05)。由表5看出,与漫灌处理相比,滴灌处理单株结铃数比漫灌高18.32%,且达到显著性差异;滴灌处理铃重比漫灌处理高5.90%,达到显著性差异;滴灌处理衣分高于漫灌处理0.78百分点,未达到差异显著水平;滴灌处理棉花皮棉产量比漫灌处理产量高24.20%,达到显著性差异。施用氮肥是棉花获得高产的重要措施。施氮量对棉花的单株铃数、铃重、衣分以及皮棉产量产生显著的影响(P<0.05)。与不施氮处理(N0)相比,施N240、N360、N480处理单株铃数分别增加了23.59%、34.86%、38.21%;铃重增加0.21~0.35g;3个施氮处理与不施肥处理棉花衣分也达到显著性差异,但N360、N480处理差异不显著。氮肥能显著提高皮棉产量,增产幅度为19.32%~33.41%,且差异达到极显著;其中N480处理皮棉产量为2708.2kg·hm-2,除与N360处理差异不显著外,显著高于其他处理。说明适量增施氮肥能显著提高棉花产量,棉花产量在一定范围内随氮肥施用量的增加而提高,但超过一定范围之后,棉花产量有下降的趋势,这表明过量施用氮肥对提高棉花生产的经济效益并无帮助。灌溉方式与施氮量互作效应对单株铃数、皮棉产量的影响达到显著水平,说明单株铃数、皮棉产量同时受到灌溉方式和氮肥水平的影响。3讨论和结论3.1灌溉方式对土壤水分的影响水是作物生长的基本条件之一,棉花是较耐旱的作物,但对水分比较敏感,水分过多会引起棉株徒长,郁闭,过少就会导致早衰、蕾铃脱落,过度干旱则导致蕾铃发育不足以及蕾铃脱落。灌溉方式不但影响棉花的土壤水分状况,而且还会影响肥、气、热等其他生长条件,进而造成棉花生长的差异。膜下滴灌可为棉花生长创造更加良好的水、肥、气、热环境,使棉花根区土壤始终保持疏松和最佳含水状态,从而达到综合的节水、增产和提高肥料利用效率的作用。由于滴灌仅对作物进行局部灌溉,滴灌施肥可将肥料随水均匀准确地滴入棉花根系土层中,并做到少量多次,实现水肥同步,有效避免了水肥流失。本研究中滴灌处理灌溉水生产效率较漫灌处理提高7.27%。根系是吸收水分、养分的主要器官,其数量、生物量大小和分布可对土壤水分、养分状况有适应性反应。根系的分布也直接影响土壤水分和养分的空间有效性。根系对水分和养分的吸收,取决于与其接触的土壤空间及根系的生理活性和吸收能力,因此作物根系和养分在土壤中的分布直接影响作物对养分的吸收。在本试验中,滴灌方式的棉花根干物质积累量小于漫灌。这是由于滴灌灌水方式灌溉周期短,土壤表层始终处于湿润状态且水分分布较浅,而土壤温度是影响棉花根系生长的主要因素,由于覆膜的增温效应,地膜棉花前期根系早发,根系吸收能力强,有利于促进棉花表层根系浅层生长,多集中于覆盖区上层土壤,且适宜的水分条件不利于根系扩大生长,而漫灌采取少次高量的灌水方式,浅层土壤含水量较低,存在较大数量水分渗漏损失,因此棉花表层根系分布较少,棉花的根系入土较深,最终导致漫灌方式下根干物质累积量大于滴灌。这与姜益娟等人的研究一致。较少的地下部生长和较多的地上部生长是滴灌和漫灌的显著区别之一。作物生长发育对“干旱—复水”这一水分变化的响应机制是:作物干旱胁迫期间将N、P、可溶性糖等营养物质转移到茎秆和根系,复水后作物将干旱期间储存的营养物质重新分配,新根和新叶的大量生长促进了作物对养分的吸收与光合性能的提高。本试验中,漫灌处理采用少次高量的灌水方式,灌水间隔周期长,要经历一段水分胁迫期,使得棉花经历多次“干旱—复水”的变化,进而导致氮素转移到根系中,使得漫灌处理地下部(根)氮素吸收量显著大于滴灌处理,达35.34%。而滴灌灌溉方式少量多次,灌水间隔周期短,有利于棉花植株对肥料氮素的吸收,尤其促进了氮素养分向棉花子粒和叶部的