水氮耦合对棉田土壤水分时空分布及产量效应的影响

徐彦军，廉苇佳，刘翔宇，斯拉依丁·司马义，唐秋菊，艾尼瓦尔·阿不都拉

(1.新疆农业科学院吐鲁番农业科学研究所，新疆吐鲁番 838000；2.阿拉山口海关，新疆阿拉山口 833418)

0 引 言

【研究意义】土壤中水分作为植物可以直接吸收利用的水源更是关系着植物的一切生理活动[1]。不同水氮施用比例对土壤水分空间结构分布存在着不同影响。水分分布直接关联着棉花对水分的吸收和利用效率[2]。过度灌水施肥时有发生[3-4]。新疆化肥消耗量由1975年的13.0×104t到2002年的194.0×104t年均增长量7.0×104t[5]。棉田施氮量显著高于其他大田作物[6]。水肥施用量相对较低的组合为棉花生长发育提供了更有利的条件，有效的控制水肥施用量，对棉花水肥管理有重要意义。【前人研究进展】汪昌树等[7]在研究中发现基于不同灌水下对棉花生育期内的生长有显著影响在灌溉量达到5 172.4 m3/hm2，可获得最高的水盐利用率。王海江等[8]研究发现，最优水氮组合为灌水4 800.0 m3/hm2、施氮肥300.0 kg/hm2。在这个组合下,棉花干物质积累、水分利用效率和产量均达到最大。何怀杰等[9]在研究中发现，棉花在滴灌施氮条件下，棉花各项生理指标随施肥量的增加呈现先增大后降低的趋势，在灌溉量5 250.0 m3/hm2、施氮量500.0 kg/hm2时棉花产量达到最大值5 433.4 kg/hm2，百铃质量432.2 g，平均单株铃数9.2个。【本研究切入点】前人研究大多基于灌溉量或施肥量等单因素对作物生长的影响[10-12]，而对水氮耦合效应的探究多集中在对棉田水分运移的影响[13-14]，而水氮耦合效应对棉田水盐消耗情况鲜有报道。在不同时期干物质积累量和最终棉花产量多方面的联合研究始终存在空缺。【拟解决的关键问题】研究不同水氮施用比例对棉田不同地区水分时空分布的影响，分析棉花不同时期生物量及最终棉花产量变化，总结出棉花不同生育期水氮施用的合适施用量，以提高棉花有效产量。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用裂区试验设计，以灌溉量为主区，设2 250.0 m3/hm2(低灌溉量)、3 450.0 m3/hm2(常规灌溉量)和4 650.0 m3/hm2(高灌溉量)，3个灌溉量(以W1、W2和W3)。设0 kg/hm2(空白)、300.0 kg/hm2(常规施肥量)和600.0 kg/hm2(高施氮量)，3个纯氮投入量(N1、N2和N3)重复3次，共27个小区。整个生育期灌水10次，灌水时施肥。(6月20日开始灌头水，8月22日最后1次灌水)。小区总面积1 345.5 m2。采用1膜2管6行，行距采用宽行66.0 cm，窄行10.0 cm，株间距10.0 cm的种植方式。表1

表1 水氮施用配比组合Table 1 Combination Table of Water and Nitrogen Application Ratio

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 土壤水分盐分

于第1次灌水前1 d和灌水后1 d为1组间隔7 d采用时域反射仪(Time Domain Reflectometry,简称TDR,TRIME-PICO 64,IMKO,Germany)金属探针测定土壤电常数换算成土壤体积含水量，宽行水平测定位点距滴5.0 cm，窄行水平测定位点位于窄行中间。各点每10.0 cm为一层，每层测定3次，测深80.0 cm，采用宽行和窄行数据均值进行数据分析。图1

图1 土壤水分盐分测定示意Fig.1 Schematic diagram of soil moisture and salt fraction determination

1.2.2.2 干物质含量

自5月20日开始取样，测定干物质含量，后每间隔30 d测定1次干物质。分别取边行3.0株和中行3.0株，整株棉花分别分离根、茎、棉桃3个组份进行干物质测定，求出总干物质量，求取平均值。分别将采集的不同植物组织部分放入烘箱，105.0℃烘干至恒重称重[15]，测定干物质。

1.2.2.3 产量

吐絮期分别测定个处理棉铃数及株数，在每小区长势均匀且连续的棉花处选取150.0个棉铃称重、计算铃重，风干后轧花，用电子天平测定皮棉质量，计算衣分率，折算产量。

1.2.2.4 盐分余量P值

不同水氮施用处理对土壤水分时空分布的影响分析：对采取的土壤水分及盐分数据进行分类，以每1次浇水后测定数值和下1次浇水前测定数值为1组，测定固定时间内，土壤中盐分余量P值，土壤中盐分的消耗情况I值[16]；土壤中水分余量D值，土壤中水分消耗情况Y值。

P=下一次氮前测定值/前一次氮后测定值。

(1)

I=1-P.

(2)

D=下1次施水前测定值/前1次施水后测定值。

(3)

Y=1-D.

(4)

而I值和Y值可以间接的表达棉花植株对土壤中不同层次的盐分及水分吸收利用情况。

1.2.2.5 各阶段干物质及最终产量

将采集的各阶段干物质数据及最终产量数据进行分类整理，而后将分类好的数据按组打包导入DPS Version 7.05(Data Processing System Software, Inc.CHN)进行最小显著差异LSD法进行显著性测验[17-18]，不同字母表示为二者间的差异显著(P<0.05)。

1.3 数据处理

采用DPS Version 7.05(Data Processing System Software, Inc.CHN)和Excel 2010软件进行数据的统计、分析及绘图。

2 结果与分析

2.1 棉田土壤盐分时空分布变化

研究表明，不同时期不同水氮施用处理情况下I值存在着不同变化，在棉花生长全生育期内各个不同时期都有着随着水氮施用量的不断增加，I值渐渐上升，但在到达W3N2水氮施用量后就会呈现下降趋势的规律，过高的水肥施用量并不能有助于棉花植株吸收盐分。其中6月27日不同处理下土壤中盐分的消耗量并无差异，8月1日不同处理下土壤中盐分的消耗量最大。在8月1日这一时间段W3N2水氮施用组合下对土壤中盐分的消耗量达到了最大值10.4%。相较W1N1处理盐分消耗量高出64.2%，与其他处理组相比较在各个不同的时期都有着一定的优异性，7月18日、7月25日、8月8日几个时间段W3N2水氮施用组合下土壤盐分消耗情况皆显著高出其他处理组。分别高出W1N1处理组65.0%、85.4%和67.1%。间接的反映出棉花植株在这一时期对盐分的吸收量达到峰值，W3N2水氮施用组合最有利于棉花植株对土壤中无机盐的吸收利用。图2

图2 不同时间段不同处理下土壤盐分I值均值比较Fig.2 Comparison of mean values of soil salinity I under different treatments in different time periods

2.2 棉田土壤水分时空分布变化

研究表明，不同时期不同水氮施用处理情况下Y值存在着不同变化，在棉花生长全生育期内各个不同时期都有着随着水氮施用量的不断增加，Y值渐渐上升，但在到达W3N2水氮施用量后就会呈现下降趋势的规律，过高的水肥施用量并不能有助于棉花植株吸收水分。其中6月27日之间不同处理下土壤中水分的消耗量差异性相对较少，8月1日间不同处理下土壤中水分的消耗量的差异性最大。在8月1日这一时间段W3N2水氮施用组合下对土壤中盐分的消耗量达到了最大值11.7%，相较W1N1处理水分消耗量高出92.4%，与其他处理组相比较在各个不同的时期都有着显著的提高，7月18日、7月25日、8月8日几个时间段W3N2水氮施用组合下土壤盐分消耗情况分别比W1N1处理显著高64.8%、88.2%和68.3%。8月1日这一时期棉花植株对水分的吸收利用率达到了最大。

土壤中盐分及水分在不同时期的消耗量情况不同，W3N2水氮施用组合下棉花植株对土壤中水分及盐分的吸收利用效率有着显著提升，并且棉花植株对水分和盐分的吸收利用率存在着一定的相似性。图3

图3 不同时间段不同处理下土壤盐分Y值均值比较Fig.3 Comparison of mean values of soil salinity Y under different treatments in different time periods

2.3 不同水氮施用处理对棉花生长各个阶段干物质的影响

研究表明，在不同时期的不同处理条件下干物质总量间存在着不同的变化，不同处理棉花干物质积累特征值，表现为随生育时期推进不断呈“慢-快-慢”的趋势，拟合系数均大于0.99。

花期(6月20日)，铃期(7月20日)及吐絮期(8月20日)各不同处理间存在着显著差异性关系，而苗期(5月20日)各不同处理同干物质之间并不存在显著性差异，不同水氮施用量对棉花各个不同生育时期都有着不同的影响。在花期W3N2水氮施用组合下棉花植株干物质积累量最多，在该时期W3N2水氮施用组合下棉花植株总干物质积累量达到42.8 g，相较于W1N1处理水平下高出39.0%。但是在花期W3N2、W2N2、W2N3、W3N3等4个水氮施用组合下棉花对干物质的积累量与W3N2，并无显著性差异。

铃期，W2N2水氮施用组合干物质积累量显著高于其他处理。该水氮施用组合下棉花平均总干物质积累量达到了90.9 g，相较于W1N1水氮施用组合下平均干物质积累量增加了38.0%。吐絮期，W3N2水氮施用组合下棉花植株干物质积累量最多，在该时期W3N2水氮施用组合下棉花植株总干物质积累量达到143.5 g，相较于W1N1处理水平下高出40.0%。花期、铃期、吐絮期随着水氮施用量的逐渐升高棉花的干物质积累量也逐渐增加，在W3N2处理下花期和吐絮期干物质积累量达到峰值，随后逐渐呈现下降趋势。相比较于W1N1处理W3N2处理下干物质积累量有着显著提高。表2

表2 不同处理棉花干物质积累的Logistic函数生长模型及相关参数Table 2 Logistic function growth model and related parameters of cottons bioaccumulation under different treatments

各处理间干物质积累总量差异主要表现在开花期至吐絮期，而苗期至开花期各处理间差异较小。吐絮期时，在灌溉量一定的条件下，各灌溉量下棉花干物质积累总量均随施肥量的增加呈N2>N3>N1的特点，其中N2处理分别比N1处理高41.5%、53.0%和28.0%。在施肥量一定的条件下，各施肥量下棉花干物质积累总量均随灌溉量的增加而增加，W3处理分别较最低的W1处理高56.7%、41.8%和71.6%。施肥量过高会在一定程度上抑制干物质积累，而增加灌溉量可提高植株对氮素的吸收利用，干物质积累总量随之增加。图2

图4 各生育时期不同处理棉花干物质积累总量Fig.4 Cotton bioaccumulation in different growth stages under different treatments

2.4 不同水氮施用处理对棉花产量的影响

研究表明，W3N3水氮施用比例为相较于其他组合产量有着显著提高，该处理下平均单株结铃数可达到6.2个，与W1N1处理组相比产量提高了30.0%，有着显著提高，但是W3N3、W3N2、W2N33组水氮施用组合之间不存在显著性差异。该处理水平下的单铃重达到了5.4 g，与W1N1处理组相比产量提高了32.5%，在W3N3、W3N2、W2N33组水氮施用组合之间不存在显著性差异。籽棉产量这一指标同样是在W3N3处理水平下达到最高值，与W3N2处理无显著差异。中单株铃数、单铃质量、籽棉产量3项指标存在高度一致性，W3N3处理组情况下单株铃数、单铃质量、籽棉产量，3项指标均达到峰值。比较W3N2和W3N32个处理组情况下单株铃数、单铃质量、籽棉产量3项产量指标并不存在显著性差异，但是W3N2处理水平下氮肥施用量更低，因此，W3N2处理水平下的水氮施用量在保证棉花高产的前提下更加经济环保。灌溉量对单株成铃和单铃质量有显著影响，对产量有极显著影响；施肥量对单株成铃有显著影响，对产量有极显著影响；二者交互作用对单铃质量及产量有显著影响。表3

表3 不同处理下产量及产量构成因素变化Table 3 yield and yield components under different treatments

3 讨 论

3.1 水氮耦合对棉田水盐运移的影响

不同水氮施用量情况下棉田土壤水分及盐分构象存在不同的变化，不同的土壤水盐构象影响着棉花植株的生长，李冬冬等[19]在研究中表明，适当的土壤盐分含量有利于降低棉花生育期耗水量，在不影响棉花干物质积累的阈值内，有利于提高棉田的水分利用效率，在额定灌水量4 500.0 m3/hm2，施肥量456.4 kg3/hm2时，棉花对盐分及水分的吸收量达到最大值。试验结果表明，W3N2水氮施用组合下棉花植株对土壤中水分及盐分的吸收利用效率有着显著提升，试验中W3N2水氮施用组合的灌溉量为4 650.0 m3/hm2，施氮量为300.0 kg/hm2。比较灌溉量与前人研究略有升高，施肥量相比于前人发现的最适施用量422.6 kg3/hm2，试验研究结论中300.0 kg/hm2的施氮量有着显著减少。相较于前人在棉田土壤水盐运移[20]和田间最适灌溉量，肥量的研究[21]，试验更加注重水氮耦合效应对土壤水分和盐分的实时变化情况及棉花植株对土壤中盐分和水分的吸收情况。水氮耦合效应的研究能够更加准确的把握在大田管理中，对水和肥的合理施用。

3.2 水氮耦合对棉花干物质积累的影响

雷咏雯等[22]在研究中发现，棉花干物质的积累量随着水氮施用量的增加而增加，但是当灌溉量达到5 125.3 m3/hm2、施氮量达到305.5 kg/hm2时，棉花植株干物质的积累量不再增加。试验中水氮施用量与棉花植株的干物质积累量之间也存在相似的关系，试验中W3N2处理下棉花的干物质积累量达到峰值，试验中W3N2水氮施用组合的灌溉量为4 650.0 m3/hm2，施氮量为300.0 kg/hm2。施氮量与前人研究达到一致，但适于干物质积累的灌溉量相比于前人研究中发现的5 125.3 m3/hm2，试验中的灌溉量4 650.0 m3/hm2有着显著降低。比较前人在水氮耦合对棉花干物质积累方面的研究[23-24]，试验更加注重棉花各个时期干物质积累量之间存在的统一关系。发现对棉花生长和干物质积累有利的水氮施用组合。

3.3 水氮耦合对棉花产量及构成因素的影响

作物高产基于合理的田间管理及事宜的生长环境[10]，在一定的生长环境条件下田间管理就显得格外重要，灌溉量和施肥量的合理把控为作物高产奠定基础。杨首乐等[15]在研究中发现，棉花产量随着水氮施用量的增加而增加，但灌溉量达到3 900.0 m3/hm2，施氮量达到300 kg/hm2棉花产量不再增加，试验中单株铃数、单铃质量、籽棉产量3项指标最高的水氮施用组合均是W3N3。W3N3为灌溉量最多，施氮量最多的组合，在试验中，随着灌溉量和施肥量的增加棉花产量始终处于上升阶段，并没有出现临界值。在研究中[21]最佳水氮施用组合需要通过大量的试验构建数学模型去得出最佳预测，通过预测结果设计合理的试验计划去完成验证。对于影响棉花高产的水氮施用组合结果还需要再次开展基于试验结果的验证试验。

4 结 论

不同的水氮施用量处理下土壤水分，盐分的吸收量，棉花植株不同时期干物质的积累量以及最终的产量都有着不同的变化，在W3N2处理下土壤中的盐分和水分有着相对较好的吸收量，相较于W1N1处理盐分消耗量高出64.2%，水分消耗量高出92.4%，有着显著的提高。6月20日、7月20日、8月20日这个时期，水氮施用的最佳组合分别为W3N2、W2N2、W3N2，相较于W1N1处理分别高出39.0%、38.0%和40.0%。W3N3水氮施用组合下棉花植株产量最高，比W1N1处理高30.0%。