代健敏， 何慶雨， 謝 玲， 竇巧巧， 張巨松

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052；2.教育部棉花工程研究中心，新疆烏魯木齊 830052）

在干旱、半干旱地區(qū)限制作物生長發(fā)育和產(chǎn)量的重要因素是水分和養(yǎng)分［1-2］，棉花花鈴期對水肥需求最為敏感，花鈴期季節(jié)性缺水會嚴(yán)重影響其生長發(fā)育［3-4］。干旱或供水不足將對作物養(yǎng)分吸收產(chǎn)生不利影響［5］。適量的氮肥施用能夠調(diào)節(jié)作物地上部分的生長、增強作物的抗旱性［6-9］。氮肥過量，將導(dǎo)致氮肥利用率低下，土壤生產(chǎn)力下降、生態(tài)環(huán)境惡化以及增加生產(chǎn)成本［10］，因此，通過氮肥運籌應(yīng)對花鈴期水分供應(yīng)不足具有重要意義。

虧缺灌溉顯著影響棉花生長發(fā)育，水分過度虧缺導(dǎo)致棉花產(chǎn)量下降，造成棉花的早衰［11］、降低棉花的株高［12］、葉面積指數(shù)、單鈴重及結(jié)鈴數(shù)［13］，降低生殖生長的分配比例和干物質(zhì)積累量［14］。研究發(fā)現(xiàn)，合理的氮肥施用策略能夠改善棉花的生育進(jìn)程［7］、提高葉面積指數(shù)及凈光合速率［15］，提高快速累積期的平均積累速率以及快速累積期積累的干物質(zhì)量，最終有利于獲得較高的棉花產(chǎn)量［16］。在干旱或水分虧缺條件下適量施用氮肥可減輕干旱脅迫對作物生長發(fā)育的影響，促進(jìn)產(chǎn)量提高［17-18］。前人在棉花［7］、小麥［19］、水稻［20］、花生［1］、蕎麥［21］等作物研究中發(fā)現(xiàn)，在水分不足時，增加適量氮肥的施用有利于增強作物的抗旱性。

水分調(diào)控和氮素管理與水分脅迫的時期、程度和施氮量有關(guān)［22-23］，前人在不同程度的干旱脅迫、水分虧缺等條件下的氮肥施用量［7,24］、氮肥的施用運籌對棉花生長及氮素利用有不同層次的研究［16,25］，有關(guān)棉花花鈴期水分供應(yīng)不足時如何進(jìn)行氮肥運籌的報道尚缺乏。因此，在此施氮量下，本試驗通過模擬棉花花鈴期水分虧缺，研究氮肥后移對花鈴期水分虧缺棉花生長發(fā)育及籽棉產(chǎn)量的影響，為北疆棉花機采棉栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本情況

于2020 年4—10 月在新疆沙灣縣四道河子鎮(zhèn)渠邊村（44°29′N、85°57′E，海拔352 m）開展試驗。該地區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候，無霜期170～190 d，年均降水量140～200 mm，年蒸發(fā)量1500～2000 mm，年日照2800～2870 h，年平均氣溫6.9 ℃。試驗田前茬為棉花，土壤質(zhì)地是黏質(zhì)壤土，土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤理化性質(zhì)Tab.1 Soil basic physical and chemical properties

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 試驗設(shè)計 試驗采用裂區(qū)試驗設(shè)計，供試品種為‘新陸早45 號’。主區(qū)設(shè)置為2 個花鈴期灌水量：2410 m3·hm-2（常規(guī)灌水量W1）、1668 m3·hm-2（虧缺灌水量W2)，全生育期內(nèi)總灌水量分別為3750 m3·hm-2（W1）、2950 m3·hm-2（W2）；副區(qū)為3 種花鈴期施肥比例，分別為常規(guī)施氮（N1，花期肥：鈴期肥為3:3）、氮肥后移（N2，花期肥：鈴期肥為2:4）、氮肥前移（N3，花期肥：鈴期肥為4:2）。各處理總施氮量為純氮320 kg·hm-2。采用1 膜3 管6 行棉花種植模式，行距配置66+10 cm，株距10 cm，理論株數(shù)2.25×105株·hm-2，共6個處理，重復(fù)3次，18個小區(qū)，幅寬2.3 m；小區(qū)長10 m，寬6.9 m，小區(qū)面積（3 膜）：69 m2，總占地面積共1242 m2。在棉花整個生育期，一共滴灌8 次，自棉花現(xiàn)蕾，每10 d 滴灌1 次水，花鈴期滴灌5 次（表2），基肥與蕾期各施入全生育期20%的純氮，花鈴期追施60%純氮。水表控制滴灌量，稱取所需氮肥，放入各處理的施氮罐中，隨水滴施，其他管理同大田管理一致。

表2 棉花各生育時期水氮配比Tab.2 Drip irrigation scheme and fertilization scheme

1.2.2 農(nóng)藝性狀與生育進(jìn)程的測定 在棉花吐絮期，在每個小區(qū)的中膜選取長勢均勻的棉株，中行5株、邊行5 株，使用卷尺測定棉花的株高，游標(biāo)卡尺測定莖粗，果枝數(shù)、有效果枝數(shù)直接數(shù)??；調(diào)查并記錄各小區(qū)50%棉花達(dá)到初花、盛花、盛鈴、吐絮的日期。

1.2.3 葉面積指數(shù)（LAI）、凈光合速率（Pn）的測定 在棉花的盛蕾期、盛花期、盛鈴期、吐絮期使用CI-110植物冠層分析儀于19:00—21:00 無強烈直射光時，將魚眼探測器放置于小區(qū)棉株主莖處采集圖像。測定方法：測定垂直地面20 cm 處的膜間和行間平均值作為1 次測量值，各樣點重復(fù)5 次，圖像采用Plant Canopy Analysis System 專用軟件分析，測定棉花的葉面積指數(shù)（LAI）。利用便攜式光合儀器ciras-2，在晴朗無云的天氣條件下，于11:30—1:30 測定主莖功能葉的凈光合速率（Pn）。打頂前取主莖倒四葉，打頂后取主莖倒三葉。在測量過程中，避開主葉脈，每個處理測量3片葉子，取平均值。

1.2.4 地上部分干物質(zhì)積累與分配 在棉花初花期、盛花期、盛鈴期和吐絮期，每個小區(qū)選取具有代表性的棉株2 株，每個處理共6 株，以莖、葉作為營養(yǎng)器官，蕾花鈴作為生殖器官分開處理，在105 ℃殺青30 min 后，在80 ℃恒溫烘干至恒重，稱量干物質(zhì)量，并計算出營養(yǎng)器官與生殖器官的分配量。

1.2.5 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素 在棉花吐絮期，在每個小區(qū)中膜量取6.67 m2，數(shù)取范圍內(nèi)的株數(shù)和鈴數(shù)為實際收獲株數(shù)及總鈴數(shù)，在每個小區(qū)摘取棉株下部30 朵吐絮棉鈴（1～3 果枝），中部40 朵吐絮棉鈴（4～6果枝），上部30朵吐絮棉鈴（7果枝以上），晾干扎花，計算棉花單鈴重和衣分。依據(jù)棉花產(chǎn)量構(gòu)成因素，計算各小區(qū)籽棉產(chǎn)量。

1.2.6 耗水量 本研究中采用水量平衡法測定棉田耗水量（Evapotranspiration，ET），耗水量的計算公式為：

式中：ET為階段耗水量，mm；i為土壤層次號數(shù)；n為土壤層次總數(shù)，本試驗為3；γi為第i層土壤干容重，g·cm-3，本試驗為1.448 g·cm-3；Hi為第i層土壤厚度，本試驗為0.2 m；θi1為第i層土壤初時段的含水率，以占干土重的百分?jǐn)?shù)計(%)；θi2為第i層土壤末時段的含水率，以占干土重的百分?jǐn)?shù)計(%)；I為時段內(nèi)的灌水量，mm；P為時段內(nèi)的有效降水量，mm；K為時段內(nèi)的地下水補給量，mm；本試驗地下水埋深在5 m 以下，無地下水補給。

1.2.7 水分利用效率 水分利用效率計算公式為：

式中：WUE為水分利用率（kg·hm-2）；Y為籽棉產(chǎn)量（kg·hm-2）；ET為耗水量。

1.2.8 氮肥偏生產(chǎn)力 肥料偏生產(chǎn)力計算公式為：

式中：PFP為氮肥偏生產(chǎn)率（kg·kg-1）；Y為籽棉產(chǎn)量（kg·hm-2）；FN為棉花全生育期投入的純氮量（320 kg·hm-2）。

1.2.9 數(shù)據(jù)分析 試驗數(shù)據(jù)使用SPSS 23.0 進(jìn)行方差分析，使用Duncan 法進(jìn)行處理間多重比較（P＜0.05），利用GraphPad和Excel 2019整理數(shù)據(jù)并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥運籌對花鈴期水分虧缺下棉花生育進(jìn)程的影響

如表3、表4 所示，自盛花期各處理間的棉花生育進(jìn)程開始出現(xiàn)差異。在相同氮肥處理下，虧缺灌溉生育期較常規(guī)灌溉提前了4～10 d；在相同灌溉量下，N2處理使棉花生育期明顯滯后，常規(guī)灌溉下N2處理最為明顯；從整個生育時期來看，常規(guī)灌溉量下N1 處理與虧缺灌溉下N2 處理最為合理，僅相差2 d；常規(guī)灌溉下N3處理、虧缺灌溉下N1、N3處理造成棉花早衰；其中，虧缺灌溉下的N3 處理表現(xiàn)出嚴(yán)重早衰，生育期縮短2～10 d。

表3 不同處理下對棉花生育進(jìn)程的影響Tab.3 Effects of different treatments on cotton growth process

表4 不同處理對棉花生育階段的影響Tab.4 Effect of different treatments on the growth stage of cotton

2.2 氮肥運籌對花鈴期水分虧缺下棉花農(nóng)藝性狀的影響

如表5所示，相同氮肥處理下，虧缺灌溉較常規(guī)灌溉處理的棉花株高、莖粗、有效果枝、真葉數(shù)有所下降，主莖倒四葉寬有所提高。在相同灌水處理，棉花的株高、莖粗、主莖倒四葉寬隨著氮肥后移而增大，表現(xiàn)為：N2＞N1＞N3，真葉數(shù)無顯著性差異；在常規(guī)灌溉下的株高、莖粗、主莖倒四寬均無顯著差異；N1 較N2、N3 處理有效果枝數(shù)顯著增加，增加了18.29%、23.3%；虧缺灌溉下，N2較N1、N3處理的株高、莖粗增加、主莖倒四葉寬無顯著差異，有效果枝數(shù)增加了4.63%、13.04%。

表5 各處理對棉花主要農(nóng)藝性狀的影響Tab.5 Effects of various treatments on main agronomic traits of cotton

2.3 氮肥運籌對花鈴期水分虧缺下棉花LAI 的影響

從整個生育時期來看（圖1），棉花葉面積指數(shù)先升后降，在盛鈴期達(dá)到最大值。在不同生育期，虧缺灌溉條件下氮肥處理的棉花葉面積指數(shù)較常規(guī)灌溉條件下顯著降低，開花初期后顯著降低，盛花期、盛鈴期、盛鈴后期、吐絮期平均下降了21.4%、29%、22.4%、9.7%。在盛鈴期棉花各處理葉面積指數(shù)差異性顯著，在常規(guī)灌溉下N1 較N2、N3 處理分別增加了31.29%、52.36%；虧缺灌溉下N2較N1、N3處理分別增加了17.79%、32.38%。

圖1 不同處理對棉花花鈴期LAI的影響Fig.1 Effects of different treatments on LAI of cotton at flowering and boll stage

2.4 氮肥運籌對花鈴期水分虧缺下棉花凈光合速率（Pn）的影響

由圖2可知，各處理的棉花Pn隨著生育期的推進(jìn)先增后減，2 個灌溉量自初花期后各氮肥處理的棉花Pn存在顯著性差異。虧缺灌溉較常規(guī)灌溉處理棉花Pn在盛花期、盛鈴期、盛鈴后期、吐絮期均有所下降，盛鈴后期至吐絮期，Pn快速下降。隨著生育期的推進(jìn)，除初花期外，常規(guī)灌溉各氮肥處理呈現(xiàn)為：N1＞N2＞N3，虧缺灌溉為：N2＞N1＞N3。常規(guī)灌溉N2、N3 較N1 處理棉花Pn在盛花期分別減少了10.46%、19.67%，盛鈴期減少了9.07%、23.65%；虧缺灌溉N2 較N1、N3 處理棉花Pn在盛花期、盛鈴期分別增加了20.07%和28.84%、8.48%和23.95%。

圖2 各處理對各時期棉花凈光合速率（Pn）的影響Fig.2 Effect of each treatment on the net photosynthetic rate(Pn)of cotton in each period

2.5 氮肥運籌對花鈴期水分虧缺下棉花地上部分干物質(zhì)積累的影響

從表6可以看出，虧缺灌溉處理下Vm出現(xiàn)時間較常規(guī)灌溉平均提前了0.26～0.61 d，t1平均提前了1～7 d，Δt延長了4～8 d。同一水分處理下各氮肥處理Vm、t1、t2及Δt均表現(xiàn)為：N2＞N1＞N3；常規(guī)灌溉下Vm與GT表現(xiàn)為：N1＞N2＞N3，N2、N3較N1處理棉花Vm、GT分別降低了5.2%和8.98%，32.83%和78%；虧缺灌溉下各氮肥處理棉株Vm 與GT表現(xiàn)為：N2＞N1＞N3，且N2 較N1、N3 處理棉花干物質(zhì)Vm、GT分別增加了21.49%和31.25%，38.18%和90%。

表6 棉花干物質(zhì)積累的Logistic模型及其特征值Tab.6 The logistic model and its characteristics on dry matter accumulation of cotton

2.6 氮肥運籌對花鈴期水分虧缺下棉花地上部分干物質(zhì)分配比例的影響

從圖3 和表7 可以看出，棉花單株干物質(zhì)積累隨生育期的推進(jìn)而增加，生殖器官干物質(zhì)積累在初花期后逐漸增加，營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累先增后減。在相同氮肥處理下，虧缺灌溉的干物質(zhì)積累量比常規(guī)灌溉平均降低了34.85%、12.21%。常規(guī)灌溉量下，不同氮肥處理的營養(yǎng)器官干物質(zhì)比例呈現(xiàn)N3＞N2＞N1，生殖器官干物質(zhì)比例呈現(xiàn)N1＞N2＞N3；在虧缺灌溉條件下，氮肥處理的棉花營養(yǎng)器官和生殖器官干物質(zhì)積累比例為N2＞N1＞N3。在虧缺灌溉條件下，N2 處理的營養(yǎng)生長向生殖生長的轉(zhuǎn)移率為68.25%，常規(guī)灌溉條件下N1 處理的轉(zhuǎn)運率為65.47%。虧缺灌溉下N2 處理生殖器官積累比例提高顯著，比常規(guī)灌溉N1處理提高了2.78%。

表7 吐絮期棉花營養(yǎng)器官與生殖器官分配比例的比較Tab.7 Comparison of the distribution ratio of vegetative organs and reproductive organs in cotton

圖3 不同生育時期各處理棉花營養(yǎng)器官與生殖器官干物質(zhì)積累分配的動態(tài)變化Fig.3 Dynamic change of dry matter accumulation and distribution of vegetative organs and reproductive organs at different growth stages

2.7 氮肥運籌對花鈴期水分虧缺下棉花產(chǎn)量、水分利用和氮肥偏生產(chǎn)力的影響

如表8 所示，不同處理對棉花的收獲株數(shù)與衣分沒有顯著性影響，同常規(guī)灌溉相比，虧缺灌溉顯著減少了單株鈴數(shù)、單鈴重和籽棉產(chǎn)量，其中單株鈴數(shù)、單鈴重平均降低了11.7%，45.6%，籽棉產(chǎn)量平均降低了17.3%，耗水量平均降低了35.49%，水分利用率平均增加了16.77%，氮肥偏生產(chǎn)力平均降低了15.97%。在常規(guī)灌溉下，N2，N3 較N1 處理棉花單株結(jié)鈴數(shù)分別減少了7.19%、12.24%，單鈴重分別減少了7.03%、10.63%，產(chǎn)量分別降低了13.44%、18.24%，耗水量、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力表現(xiàn)為N1＞N2＞N3；在虧缺灌溉條件下，與N1和N3處理相比，N2處理的棉花單株鈴數(shù)、單鈴重、籽棉產(chǎn)量分別增加了10.40%、16.02，8.41%、11.61%，7.32%、13.88%，耗水量、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力表現(xiàn)為：N2＞N1＞N3。在相同氮肥處理下，花鈴期水分不足造成棉花減產(chǎn)，N2處理能夠防止水分不足引起的大幅度減產(chǎn)。

表8 不同處理對棉花產(chǎn)量、水分利用和氮肥偏生產(chǎn)力的影響Tab.8 Effects of different treatments on cotton yield,water use and nitrogen fertilizer partial productivity

3 討論

水分虧缺使作物的生長發(fā)育變得十分敏感［26-30］。在相同水分條件下，施用氮肥在一定程度上可以防止作物出現(xiàn)早衰現(xiàn)象［17］。陳玉梁等［28］對棉花水分虧缺研究發(fā)現(xiàn)，花鈴期水分虧缺會使棉花果枝數(shù)、蕾鈴數(shù)隨灌水量呈正相關(guān)；聞磊等［31］研究表明，在同一氮肥水平下，水分虧缺會抑制作物的株高、葉面積指數(shù)等生長指標(biāo)的增長。這與本研究虧缺灌溉較常規(guī)灌溉處理的株高、莖粗、主莖倒三葉寬及有效果枝數(shù)均降低，葉面積指數(shù)、凈光合速率顯著降低的研究結(jié)果一致。在干旱或水分脅迫下，施用氮肥可以促進(jìn)生長。研究表明［32］，適量施氮可以改善棉花的生長過程，并在后期保持較高的葉面積指數(shù)和凈光合速率。本試驗在初花期后，氮肥后移使生育期滯后，N1、N3 生育期提前，導(dǎo)致棉花早熟。從整個生長期來看，N3 的生長進(jìn)程明顯提前，生長期縮短2～9 d；在虧缺灌溉條件下，N1 和N3 在初花后出現(xiàn)早衰，N3在自鈴期后表現(xiàn)最為嚴(yán)重。在相同灌水量下，不同氮肥處理的葉面積指數(shù)和凈光合速率隨著氮肥的倒運先升高后降低，在盛鈴期達(dá)到最大值。常規(guī)灌溉條件下，各氮肥處理表現(xiàn)為：N1＞N2＞N3，虧缺灌溉條件下為：N2＞N1＞N3。綜上所述，在花鈴期水分虧缺條件下，氮肥倒運有利于提高棉花株高、莖粗、主莖倒四葉寬、真葉數(shù)和有效果枝數(shù)；棉花后期葉面積指數(shù)顯著增加，保持較高的凈光合速率，有利于產(chǎn)量的形成。

作物干物質(zhì)積累量對氮肥極為敏感，干物質(zhì)的積累與分配是高產(chǎn)的基礎(chǔ)；水分脅迫和營養(yǎng)不足是作物生長及產(chǎn)量的重要限制因子［33-34］。石洪亮等［7］研究表明，同一氮素水平下水分虧缺處理的作物干物質(zhì)積累量、干物質(zhì)最大積累速率以及生殖器官比例均低于常規(guī)灌溉處理。王釗［35］、蘇繼霞［8］等通過試驗發(fā)現(xiàn)，適量氮肥后移能夠使作物形成較多的干物質(zhì)，達(dá)到增產(chǎn)增效的目的，這與本研究結(jié)果一致。本研究表明，虧缺灌溉較常規(guī)灌溉下快速生長時期縮短了0.6～3.7 d，使生殖器官干物質(zhì)和營養(yǎng)器官的干物質(zhì)積累量降低了12.21%、34.85%；常規(guī)灌溉下，Vm 與GT及干物質(zhì)積累量均表現(xiàn)為：N1＞N2＞N3；在虧缺灌溉條件下，隨著氮肥的倒運，快速生長期的Vm 與GT先增大后減小，N2 處理最為協(xié)調(diào)，與N1 和N3 處理相比，棉花Vm 分別提高了21.49%和31.25%；快速生長期，GT分別增加了38.18%和90%。谷曉博等［23］研究顯示，通過合適的氮肥施用對水分脅迫存在一定的補償效果，對產(chǎn)量表現(xiàn)出一定的補償作用。本研究還表明，虧缺灌溉條件下，單株鈴數(shù)、單鈴重和籽棉產(chǎn)量顯著降低，灌水量對衣分無顯著差異；虧缺灌溉下N2 較N1 處理棉花單株結(jié)鈴數(shù)增加了10.40%，單鈴重降低了8.41%，籽棉產(chǎn)量增加了7.32%。在同一氮肥處理下，虧缺灌溉較常規(guī)灌溉減產(chǎn)，但是氮肥后移對虧缺灌溉的補償效應(yīng)明顯。

氮肥后移在棉花［36］、冬小麥［37］、玉米［38］等作物均有研究，目前在棉花上集中在施氮量或不同生育時期配施比例，并且多在全生育期不同滴灌量下。本試驗通過精準(zhǔn)控水控肥，嘗試通過花鈴期氮肥運籌探索花鈴期水分不足情況下提高產(chǎn)量的途徑，并取得了一定的成果。但如何從棉花本身氮素代謝及運移等方面分析氮肥運籌對花鈴期水分虧缺的作用，維持棉花在花鈴期水分不足時的生長發(fā)育及產(chǎn)量，還需進(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

（1）花鈴期水分虧缺使棉花生育期提前，并降低了棉花株高、莖粗以及有效果枝數(shù)，此外花鈴期水分虧缺顯著降低了棉花葉面積指數(shù)及凈光合速率，最終導(dǎo)致干物質(zhì)積累量的降低、減少棉花單株結(jié)鈴數(shù)及單鈴重，最終造成減產(chǎn)20.47%。

（2）花鈴期追施不同比例的氮肥有助于改善花鈴期供水不足帶來的負(fù)面影響，與正常灌溉相比，花鈴期水分虧缺下，N2處理生育時期最為合理只相差2 d，N3和N1處理從初花期到吐絮期表現(xiàn)出不同程度的早衰，至吐絮期N3處理表現(xiàn)出嚴(yán)重的早衰；且N2處理的株高、莖粗、主莖倒四葉寬和真葉數(shù)均高于N1和N3處理，有效果枝數(shù)顯著高于N1和N3；N2處理提高了花期葉面積指數(shù)和凈光合速率，并在后期保持較高水平，自盛花期后始終表現(xiàn)為：N2＞N1＞N3。

（3）N2 處理的棉花單株鈴數(shù)、單鈴重較N1、N3處理分別增加了10.40%、16.02和8.41%、11.61%；籽棉產(chǎn)量分別增加了7.32%、13.88%；耗水量、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力均表現(xiàn)為：N2＞N1＞N3。因此，在北疆棉花花鈴期水分供應(yīng)不足的情況下，氮肥后移（花期肥：鈴期肥為2：4）對棉花產(chǎn)量的補償作用最為明顯，可以防止棉花大幅度減產(chǎn)。