王士紅 楊中旭 史加亮 李海濤宋憲亮 孫學振

增密減氮對棉花干物質(zhì)和氮素積累分配及產(chǎn)量的影響

王士紅1,2楊中旭2史加亮3李海濤2宋憲亮1,*孫學振1,*

1山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/ 作物生物學國家重點實驗室, 山東泰安 271018;2聊城市農(nóng)業(yè)科學研究院, 山東聊城 252000;3德州市農(nóng)業(yè)科學研究院, 山東德州 253000

為了探討種植密度和施氮量對棉花干物質(zhì)與氮素積累分配及產(chǎn)量的影響。本研究以聊棉6號為試驗材料, 設置5.25、6.75和8.25萬株 hm-2(D5.25、D6.75、D8.25) 3個種植密度, 0、105、210、315和420 kg hm-2(N0、N105、N210、N315、N420) 5個施氮量, 研究增密減氮對棉花干物質(zhì)積累與分配、氮素積累與分配、產(chǎn)量及其構成因素的影響。結(jié)果表明, 與D5.25相比, D6.75、D8.25條件下棉花干物質(zhì)積累量顯著升高, 2016年提高了17.6%、28.7%, 2017年提高了12.6%、20.9%。與N0相比, 施氮肥后干物質(zhì)積累量隨施氮量的增加顯著升高, 2016年各施氮處理分別提高了4.5%、11.1%、13.7%、16.3%, 2017年提高了3.6%、13.5%、15.3%、19.8%。棉花氮素吸收與干物質(zhì)積累動態(tài)曲線均符合 Logistic 模型, 2年間棉株氮素最大累積量(m)均在D8.25N420處理下獲得, 與平均值相比, 棉株氮素最大累積量分別提高了17.3%和23.8%、快速累積持續(xù)時間()延長了5.2%和9.9%、最大累積速率(m)提升11.5%和13.8%, 氮素快速積累期起始時期(1)比干物質(zhì)積累分別提早了4.1 d和6.4 d。2016年D5.25N315、D6.75N210、D6.75N105和2017年D5.25N315、D6.75N210處理的棉花產(chǎn)量顯著高于其他處理。種植密度和施氮量的互作效應對棉花產(chǎn)量的影響顯著, 增密減氮可以獲得高產(chǎn), 推薦本地區(qū)棉花種植密度從常規(guī)的5.25萬株 hm-2增加到6.75萬株 hm-2, 施氮量從常規(guī)的300 kg hm-2第一年減少為105 kg hm-2, 第二年減少為210 kg hm-2。

棉花; 種植密度; 施氮量; 干物質(zhì); 產(chǎn)量

棉花是我國重要的經(jīng)濟作物, 種植面積約占世界的15%, 產(chǎn)量占世界的25%[1]。國家統(tǒng)計局統(tǒng)計2018年全國棉花種植面積為335.2萬公頃, 其中山東省種植面積18.3萬公頃, 位于全國31個省(區(qū)、市)第三位。山東省是我國棉花重要產(chǎn)區(qū), 同時又是氮肥投入較多的省份, 高產(chǎn)棉田普遍存在投入氮肥過量的問題, 由此造成肥料利用率低、生產(chǎn)成本高, 并對環(huán)境造成威脅, 降低氮肥用量勢在必行。棉花高產(chǎn)是以較高的生物量為前提, 而生物量累積是以養(yǎng)分吸收為基礎[2]。種植密度和施氮量是棉花生產(chǎn)中的重要調(diào)控因子, 合理種植密度能為棉花群體提供適宜生物量, 調(diào)節(jié)群體與個體之間的矛盾, 使個體發(fā)育壯而不衰, 單位面積株數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量得到協(xié)同發(fā)展, 從而實現(xiàn)棉花高產(chǎn), 合理施氮量為群體與個體的生長發(fā)育提供充足的養(yǎng)分, 有利于平衡營養(yǎng)生長和生殖生長的關系, 達到棉花高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目標。有關種植密度和施氮量對作物產(chǎn)量的影響研究報道較多, 研究者普遍認為在一定范圍內(nèi)單位面積群體產(chǎn)量隨密度的增加而增加, 當密度達到一定程度時, 產(chǎn)量可達最高值, 如再繼續(xù)增加密度, 產(chǎn)量反而會下降[3-8], 施氮量過多會引起棉花群體與個體、營養(yǎng)生長和生殖生長矛盾加劇, 造成棉株干物質(zhì)積累量增加, 出現(xiàn)蕾鈴大量脫落, 經(jīng)濟產(chǎn)量顯著降低, 同時造成巨大的能源浪費和環(huán)境污染[9-10]。由此看來, 種植密度和施氮量在棉花生長中只有維持平衡、協(xié)調(diào)的關系, 才能發(fā)揮對棉花生長最佳的互作效應, 保證棉花正常生長。在降低氮肥用量, 保護生態(tài)環(huán)境的同時, 如何穩(wěn)定棉花產(chǎn)量、改善棉花品質(zhì), 實現(xiàn)可持續(xù)性生產(chǎn)還少有報道。本試驗選擇3個種植密度、5個施氮量, 連續(xù)2年研究其對棉花干物質(zhì)和氮素積累分配的影響, 旨在探討二者對棉花產(chǎn)量構成的影響, 為棉花生產(chǎn)合理密植及優(yōu)化施氮提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗基本情況

供試品種聊棉6號由聊城市農(nóng)業(yè)科學院選育。試驗于2016年、2017年在山東農(nóng)業(yè)大學棉花科研基地聊城市茌平縣振興辦事處(36°31′N, 116°16′E)進行。試驗地為連作7年以上的棉田, 一年一熟, 每年進行秸稈還田。土壤質(zhì)地為黏土, 0~20 cm土壤含有機質(zhì)13.7 g kg-1、全氮0.91 g kg-1、堿解氮63.8 mg kg-1、速效磷26.5 mg kg-1、速效鉀189.2 mg kg-1, pH為7.7。2年試驗各處理為定位試驗。

1.2 試驗設計

設5.25(D5.25)、6.75(D6.75)、8.25(D8.25) 萬株 hm-23個密度處理, 0(N0)、105(N105)、210(N210)、315(N315)和420(N420) kg hm-25個施氮量處理, 尿素為肥源, 按照當?shù)厥┓柿晳T將尿素分2次施入, 基追比1︰1。采用裂區(qū)設計, 主區(qū)為密度, 副區(qū)為施氮量, 3次重復, 小區(qū)行長10 m, 10行區(qū), 行距76 cm, 小區(qū)面積76 m2。2年均于4月25日機械播種, 地膜覆蓋, P2O5(過磷酸鈣)和K2O (硫酸鉀)施用量分別為90、105 kg hm-2, 基施氮肥和全部磷鉀肥播種時集中開溝條施, 距播種行10 cm深10 cm土壤中, 于7月上旬開溝追施氮肥, 2年縮節(jié)胺使用量相同, 分別為現(xiàn)蕾期22.5 g hm-2、初花期45 g hm-2、盛花期67.5 g hm-2、花鈴期90 g hm-2, 其他栽培管理措施同一般大田。

1.3 棉花生長季氣象條件

2016—2017年棉花生長季氣象條件如圖1所示, 播種后0~150 d降雨量分別為515.50 mm、432.30 mm, 平均氣溫為23.49℃、24.16℃, 平均日照時數(shù)為6.55 h、7.27 h。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 產(chǎn)量及構成因素測定 分別于7月15日、8月15日、9月15日選擇每小區(qū)中間4行, 每行兩頭分別去除3株后調(diào)查株數(shù)及總成鈴數(shù), 計算單株成鈴數(shù)。吐絮后分3期收獲, 收獲時間分別為9月15日、10月30日、11月10日, 籽棉曬干后稱重計產(chǎn), 計算單鈴重, 軋花后稱其皮棉重, 計算衣分。

圖1 2016年和2017年棉花生長季降雨量、平均氣溫和日照時數(shù)

1.4.2 干物質(zhì)和氮素測定 分別于播種后30、60、90、120、150 d按小區(qū)連續(xù)選取棉株5株, 將每株分為營養(yǎng)器官和生殖器官兩部分, 105℃殺青30 min, 80℃烘干至恒重, 測定干物質(zhì)重。將烘干的棉株樣品粉碎, 過0.5 mm篩, 用H2SO4-H2O2消煮、蒸餾定氮法測定各器官氮含量。

單位面積干物質(zhì)積累量(kg hm-2) = 不同時期單株干物重(g)×種植密度(plant hm-2)/1000

單位面積氮素積累量(kg hm-2) = 不同時期單株干物重(g)×單株含氮量(%)×種植密度(plant hm-2)/ 1000

利用logistic曲線擬合棉花干物質(zhì)和氮素積累量。

式中,為積累量(kg hm-2),為理論最大積累量(kg hm-2),為生長天數(shù)(d)。分別對公式(1)求一階、二階、三階導數(shù), 得到相應生長曲線的快速積累期起始時期(1)、快速積累期終止時期(2)、最大積累速率(m)、最大積累速率出現(xiàn)時間(m)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS19.0分析數(shù)據(jù)Microsoft Excel 2007繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 干物質(zhì)積累動態(tài)特征

由表1可知, 隨著種植密度增加, 棉花干物質(zhì)最大累積量(m)升高, 而隨著施氮量增加, 2年的變化不同。2016年, 隨著種植密度增加, 棉株干物質(zhì)和最大積累速率(m)升高, 快速積累期終止時期(2)和最大積累速率出現(xiàn)時間(m)推后, 快速積累持續(xù)期()延長; 隨著施氮量增加, 棉株干物質(zhì)最大累積量呈先升高后降低趨勢, 最大積累速率升高, 快速積累期起始時期(1)、快速積累期終止時期和最大積累速率出現(xiàn)時間提前, 快速積累持續(xù)期縮短; 種植密度和施氮量互作下, 棉株干物質(zhì)最大累積量在D8.25N210獲得最大值, 其快速累積持續(xù)時間為47.3 d,最大累積速率為235.4 kg hm-2d-1, 與各處理平均值相比, 棉株干物質(zhì)最大累積量提高了21.5%, 快速累積持續(xù)時間延長了11.2%, 最大累積速率提升了9.6%。2017年, 隨著種植密度增加, 棉株干物質(zhì)最大累積量升高, 快速積累期起始時期提前, 快速積累期終止時期、最大積累速率出現(xiàn)時間、快速積累持續(xù)期先縮短后延長, 最大積累速率先升高后降低; 隨著施氮量增加, 棉株干物質(zhì)最大累積量和最大積累速率升高, 快速積累期起始時期延長; 兩者互作條件下, 棉株干物質(zhì)最大累積量在 D8.25N420取得最大值, 其快速累積持續(xù)時間為45.5 d, 最大累積速率為223.6 kg hm-2d-1, 與平均值相比, 棉株干物質(zhì)最大累積量提高了22.1%, 快速累積持續(xù)時間延長了7.5%, 最大累積速率提升了14.0%。

表1 不同種植密度和施氮量棉花干物質(zhì)累積動態(tài)特征值

D5.25: 種植密度5.25萬株 hm-2; D6.75: 種植密度6.75萬株hm-2; D8.25: 種植密度8.25萬株hm-2; N0: 施氮量 0 kg hm-2; N105: 施氮量105 kg hm-2; N210: 施氮量210 kg hm-2; N315: 施氮量315 kg hm-2; N420: 施氮量420 kg hm-2。m: 最大積累量;1: 快速積累期起始時期;2: 快速積累期終止時期;m: 最大積累速率;m: 最大積累速率出現(xiàn)時間;: 快速積累持續(xù)期。

D5.25: density 5.25×104plants hm-2; D6.75: density 6.75×104plants hm-2; D8.25: density 8.25×104plants hm-2; N0: nitrogen rate 0 kg hm-2; N105: nitrogen rate 105 kg hm-2; N210: nitrogen rate 210 kg hm-2; N315: nitrogen rate 315 kg hm-2; N420: nitrogen rate 420 kg hm-2.m: maximal accumulation;1: starting date of rapid accumulation period;2: terminating date of rapid accumulation period;m: maximal speed of accumulation;m: time reached maximal rate of accumulation;: duration of rapid accumulation.

由圖2可知, 隨著生育進程, 棉花干物質(zhì)積累量呈“慢–快–慢”的S型曲線變化, 隨著種植密度和施氮量增加, 棉花生育中后期干物質(zhì)積累量升高。2016年, 隨著種植密度增加, 收獲期干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為D8.25>D6.75>D5.25, 與D5.25相比, D6.75、D8.25條件下干物質(zhì)積累量提高了17.6%、28.7%, 隨著施氮量增加, 收獲期各施氮處理干物質(zhì)積累量分別比N0提高了4.5%、11.01%、13.7%、16.23%。2017年與2016年表現(xiàn)相同, 干物質(zhì)積累量均在D8.25條件下N420時取得最大值, 表明生育后期棉花營養(yǎng)器官生長速度重新加快, 尤其是N315、N420表現(xiàn)更為明顯, 施氮量過大會導致后期營養(yǎng)生長過旺, 干物質(zhì)積累量大, 增加種植密度和施氮量可以顯著提高棉花成熟期干物質(zhì)積累量。與2016年相比, 2017年生育后期D8.25條件下, N315、N420干物質(zhì)積累量明顯降低, 原因是2016年陰雨寡照天氣較多, 高密高氮處理會造成營養(yǎng)生長旺盛, 干物質(zhì)積累速率高, 積累量大。

圖2 不同種植密度和施氮量處理下棉花干物質(zhì)積累動態(tài)

處理同表1。Treatments are the same as those given in Table 1.

2.2 氮素積累動態(tài)特征

由表2可知, 2016年, 隨著種植密度增加, 棉株氮素最大累積量(m)升高, 快速積累期起始時期(1)、快速積累期終止時期(2)和最大積累速率出現(xiàn)時間(m)提前, 最大積累速率(m)先升高后降低, 快速積累持續(xù)期()先縮短后延長; 不同施氮量處理間, 棉株干物質(zhì)最大累積量和最大積累速率在N315時獲得最大值, 其他各特征值則在N210時獲得最大值; 兩者互作條件下, 棉株氮素最大累積量在D8.25N420達到最大值, 其快速累積持續(xù)時間為50.6 d, 最大累積速率為3.9 kg hm-2d-1, 與各處理平均值相比, 棉株氮素最大累積量提高了17.3%, 快速累積持續(xù)時間延長了5.2%, 最大累積速率提升了11.5%。2017年, 隨著種植密度增加, 棉株氮素最大累積量先升高后降低, 其他各特征值的變化趨勢與2016年相同;不同施氮量處理間, 除最大積累速率外, 其他各特征值均在N420時取得最大值; 兩者互作條件下, 棉株氮素最大累積量在D8.25N420取得最大值, 其快速累積持續(xù)時間為46.4 d, 最大累積速率為4.1 kg hm-2d-1, 與各處理平均值相比, 棉株氮素最大累積量提高了23.8%, 快速累積持續(xù)時間延長了9.9%, 最大累積速率提升了13.8%, 與2016年相比, 2017年最快累積起始時間早, 結(jié)束時間早, 且氮素快速累積時間短, 這也是氮素積累量低的主要原因。與干物質(zhì)相比, 氮素快速積累期起始時間早4.1~6.4 d, 最大積累速率出現(xiàn)時間早1.4~6.6 d, 棉花養(yǎng)分吸收高峰期的出現(xiàn)早于干物質(zhì)積累, 說明氮素積累是干物質(zhì)積累的基礎。

由圖3可知, 各個時期棉花氮素積累量與干物質(zhì)積累量的變化相同, 隨著生育進程, 氮素積累量也呈“慢–快–慢”的S型曲線, 隨著種植密度和施氮量增加, 棉花生育中后期氮素積累量升高。2016年, 不同密度處理間均表現(xiàn)為D8.25> D6.75> D5.25, 與D5.25相比, D6.75、D8.25條件下提高了6.3%、7.9%; 不同施氮量間隨著施氮量增加而增加, 與N0相比, 各施氮處理間分別提高了19.5%、30.0%、38.2%、38.3%。2017年與2016年表現(xiàn)相同, 氮素積累量均在高氮高密條件下取得高值, 高密度形成大群體, 大群體吸氮能力強, 高施氮量又為大群體提供充足的供氮能力, 有利于吸收更多的氮素, 為干物質(zhì)積累奠定基礎。與2016年相比, 2017年中高密度條件下氮素積累量均顯著降低, 決定了其干物質(zhì)積累量也會降低。

表2 不同種植密度和施氮量棉花氮素累積動態(tài)特征值

縮寫同表1。Abbreviations are the same as those given in Table 1.

2.3 棉花干物質(zhì)分配

由表3可知, 不同種植密度和施氮量間干物質(zhì)分配到營養(yǎng)器官與生殖器官的量均差異極顯著, 其中2016年分配到生殖器官的量在兩者互作條件下差異極顯著。2016年, 隨著種植密度增加, 干物質(zhì)分配到營養(yǎng)器官與生殖器官的量均顯著提高, 隨著施氮量增加, 分配到營養(yǎng)器官的量呈升高趨勢, N420顯著高于其他處理, 且N210與N315差異不顯著, 分配到生殖器官的量呈先升高后降低趨勢, N210、N315、N420間差異不顯著, 兩者互作下, 分配到營養(yǎng)器官與生殖器官的量均在D8.25N420處理下取得最大值, 其分配比例分別為50.5%、49.5%。與2016年相比, 2017年在不同種植密度和施氮量及其互作條件下, 更多的干物質(zhì)分配到生殖器官為獲得高產(chǎn)奠定基礎。

2.4 棉花氮素分配

如表4所示, 2年間氮素分配到營養(yǎng)器官與生殖器官的量在不同種植密度和施氮量間差異顯著或極顯著, 其中2017年營養(yǎng)器官與生殖器官的分配量在兩者互作條件下差異極顯著。2016年, 隨著種植密度增加, 氮素分配到營養(yǎng)器官與生殖器官的量呈升高趨勢, D6.75、D8.25顯著高于D5.25, 隨著施氮量增加, 分配到營養(yǎng)器官的量呈升高趨勢, N420顯著高于其他處理, N105與N210、N315與N420間差異不顯著, 分配到生殖器官的量呈先升高后降低趨勢, N210、N315、N420間差異不顯著; 兩者互作條件下, 分配到營養(yǎng)器官的量在D8.25N420時取得最大值, 分配到生殖器官的量在D8.25N315時取得最大值, 分配比例分別為47.9%、55.3%。2017年, 分配到營養(yǎng)器官與生殖器官的量在不同種植密度和施氮量及其互作下差異極顯著, 隨著種植密度增加, 分配到營養(yǎng)器官的量顯著升高, 分配到生殖器官的量則先升高后降低, 且D6.75顯著高于D5.25、D8.25, 隨著施氮量增加, 分配到營養(yǎng)器官的量顯著升高, 分配到生殖器官的量也呈升高趨勢, N315與N420間差異不顯著, 兩者互作條件下, 分配到營養(yǎng)器官和生殖器官的量均在D8.25N420時為最大值, 分配比例為47.1%、52.9%。與2017年相比, 2016年氮素積累總量雖大, 但分配到生殖器官的比例不高, 說明多吸收的氮素沒有更多地分配到生殖器官。

圖3 不同種植密度和施氮量處理下氮素積累動態(tài)

處理同表1。Treatments are the same as those given in Table 1.

表3 種植密度和施氮量對棉花干物質(zhì)分配的影響

(續(xù)表3)

每列括號內(nèi)為各器官分配量占總積累量的百分比。處理同表1。

The percentage of organ allocation form total accumulation is shown in parentheses. DVO: distribution in vegetative organs; DRO:distribution in reproductive organs. Treatments are the same as those given in Table 1.

表4 種植密度和施氮量對棉花氮素分配的影響

每列括號內(nèi)為各器官分配量占總積累量的百分比。處理同表1。

The percentage of organ allocation form total accumulation is shown in parentheses. DVO: distribution in vegetative organs; DRO:distribution in reproductive organs. Treatments are the same as those given in Table 1.

2.5 產(chǎn)量及其構成因素

不同年份間棉花產(chǎn)量差異極顯著, 其中鈴數(shù)是差異的主要因素, 相同年份間種植密度、施氮量及兩者互作對棉花產(chǎn)量均有極顯著影響, 其中鈴數(shù)和鈴重是差異的主要因素, 衣分與品種特性密切相關, 受環(huán)境因素和栽培措施的影響較小。2016年, 隨著密度增加, 皮棉產(chǎn)量先升高后降低, 與D8.25相比, D5.25、D6.75皮棉產(chǎn)量顯著提高了7.0%、8.3%; 隨著施氮量增加, 皮棉產(chǎn)量呈先升高后降低的趨勢, 最大值出現(xiàn)在N210, 且N210與N315差異不顯著, 與其他處理差異顯著, 與N0相比, 各施氮處理間皮棉產(chǎn)量分別提高了11.7%、17.3%、16.4%、11.7%, 種植密度和施氮量互作下, 籽棉和皮棉產(chǎn)量在D5.25N315條件下最高, 但與D6.25N105和D6.25N210差異不顯著, 可見, 在一定密度和施氮量范圍內(nèi)棉花產(chǎn)量可保持相對穩(wěn)定, 獲得棉花高產(chǎn)可以通過適當增加密度降低施氮量來實現(xiàn), 由產(chǎn)量構成因素可知, 鈴重在D5.25N210、D5.25N315、D6.25N210時顯著高于其他處理, 鈴數(shù)隨著密度增加顯著提高, 不同施氮處理間無顯著差異, 且均顯著高于N0, 在高密度條件下, 各施氮處理均顯著增加了鈴數(shù), 表明種植密度與施氮量互作下, 通過調(diào)控鈴數(shù)、增加鈴重是保持產(chǎn)量穩(wěn)定和提高的重要途徑。2017年, 不同種植密度、施氮量處理間皮棉和籽棉產(chǎn)量的變化趨勢與2016年相同, 兩者互作條件下, 皮棉和籽棉在D6.25N210和D5.25N315條件下均高產(chǎn), 兩處理間差異不顯著, 且均顯著高于其他處理, 由產(chǎn)量構成因素可知, 鈴重在D5.25與D6.75條件下均顯著高于D8.25, 同一密度不同施氮量間無顯著變化, 鈴數(shù)隨密度提高顯著增加, D5.25與D6.75條件下不同施氮量間無顯著變化, 而D8.25條件下過高施氮量顯著減少, 可見, 在一定密度和施氮量范圍內(nèi)棉花產(chǎn)量可保持相對穩(wěn)定, 增加密度減少施氮量可以實現(xiàn)棉花高產(chǎn)。與2016年相比, 2017年各處理平均皮棉產(chǎn)量提高了3.3%, 年際間的差異可能是受2年棉花生長季氣象條件的影響, 2016年播種后60~90 d陰雨寡照天氣較多造成營養(yǎng)生長旺盛, 生殖生長受到抑制, 不利于獲得高產(chǎn)。

表5 增密減氮對棉花產(chǎn)量及其構成因素的影響

(續(xù)表5)

處理同表1。Treatments are the same as those given in Table 1.

3 討論

3.1 種植密度和施氮量對棉花干物質(zhì)積累與分配的影響

種植密度和施氮量作為棉花生產(chǎn)主要的調(diào)控措施, 不僅影響干物質(zhì)積累與分配, 還影響棉花的產(chǎn)量。干物質(zhì)積累是棉花產(chǎn)量的物質(zhì)基礎, 群體干物質(zhì)保持在適宜的范圍內(nèi), 有利于協(xié)調(diào)營養(yǎng)生長與生殖生長間的矛盾, 為棉花高產(chǎn)建立合理的群體基礎[11-12]。邢晉等[13]研究表明隨種植密度的提高群體干物質(zhì)呈先升高后降低趨勢, 且群體干物質(zhì)最大值出現(xiàn)在10.50萬株 hm-2處。馬宗斌等[14]在黃河灘低肥力條件下開展研究表明, 施氮量過低時, 干物質(zhì)積累量較少; 施氮量300 kg hm-2時, 棉花干物質(zhì)積累量較大, 且分配到生殖器官的比例較高; 施氮量450 kg hm-2時, 有利于營養(yǎng)器官生長, 干物質(zhì)積累量最大, 但分配到生殖器官的比例較低。李伶俐等[15]研究表明增施氮肥促進了雜交棉的干物質(zhì)積累, 當施氮量增加到300 kg hm-2后, 促進效果不顯著, 在生殖器官的分配比例明顯下降。目前本區(qū)域棉花生產(chǎn)上適宜密度范圍為4.50~5.25萬株 hm-2、施氮量為300 kg hm-2左右[16-19]。本試驗在前人研究基礎上采用適當增加種植密度, 發(fā)現(xiàn)隨著種植密度和施氮量增加, D8.25N420時干物質(zhì)積累量最大、生殖器官的分配比例最低, 且表現(xiàn)葉片貪青、營養(yǎng)生長過盛, 不利于后期棉鈴的生長發(fā)育, 而通過增加種植密度可實現(xiàn)最適干物質(zhì)積累量, 減少施氮量可滿足提高生殖器官分配比例, 增密減氮為提高本區(qū)域棉花產(chǎn)量提供了重要物質(zhì)基礎。

3.2 種植密度和施氮量對棉花氮素積累與分配的影響

棉花氮素吸收是干物質(zhì)積累的前提[20], 氮素的變化對產(chǎn)量形成有一定的影響, 大量研究證實了棉花氮素的吸收與干物質(zhì)積累趨勢一致, 呈線性正相關[21-22], 而婁善偉等[23]對雜交棉研究發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)生長階段氮素含量與干物質(zhì)積累量呈線性關系, 生殖階段不再有相關性。從本試驗干物質(zhì)和氮素積累的特征參數(shù)來看, 氮素的快速積累期起始時間比干物質(zhì)積累早4~6 d, 說明棉花養(yǎng)分吸收是干物質(zhì)積累的前提。本研究表明, 棉花氮素積累與干物質(zhì)積累變化趨勢一致, 隨著種植密度增加, 棉株氮素積累量呈升高趨勢, 增施氮肥可以顯著提高氮素積累量, 種植密度和施氮量互作條件下, 氮素積累量在D8.25N420時最大, 隨著種植密度和施氮量增加, 分配到生殖器官的比例下降, D8.25N420時生殖器官的分配比例最低, 施氮量過大造成更多的氮素分配到棉株營養(yǎng)器官中, 導致營養(yǎng)生長過盛, 群體過大, 可見減少施氮量有利于氮素的高效利用。

3.3 種植密度和施氮量對棉花產(chǎn)量的影響

種植密度和施氮量是調(diào)節(jié)干物質(zhì)和氮素積累分配的主要手段, 對棉株的生長發(fā)育和產(chǎn)量潛力具有較大的調(diào)控作用[24-25]。不同棉區(qū)棉花獲得高產(chǎn)的適宜密度不同, 長江流域下游棉區(qū)抗蟲雜交棉適宜密度為 3.00萬株 hm-2[26]; 新疆棉花密度為18.00萬株 hm-2時皮棉獲得高產(chǎn)[27-28]; 華北平原棉區(qū)5.10萬株 hm-2和8.70萬株 hm-2的密度處理時皮棉產(chǎn)量最高[29]; 黃河流域棉區(qū)種植密度在 4.50萬株 hm-2左右[30]。Dong等[9]研究認為鹽堿地棉花種植密度7.50萬株 hm-2, 施氮量為120 kg hm-2時可得到較高產(chǎn)量; 李鵬程等[4]研究表明種植密度7.50萬株 hm-2、施氮量112.5 kg hm-2時, 皮棉產(chǎn)量最高。本研究發(fā)現(xiàn)目前棉花生產(chǎn)上的種植密度5.25萬株 hm-2、施氮量315 kg hm-2可得到較高產(chǎn)量, 增加種植密度減少施氮量后, 種植密度6.75萬株 hm-2、施氮量為210 kg hm-2和105 kg hm-2時也能獲得較高產(chǎn)量, 產(chǎn)量構成因素中鈴數(shù)、鈴重是獲得高產(chǎn)的主要因素, 增密減氮后鈴數(shù)顯著增加是棉花能維持高產(chǎn)的重要保證。

4 結(jié)論

增加種植密度和施氮量可以顯著提高棉花中后期干物質(zhì)和氮素積累速率、增加干物質(zhì)和氮素積累總量, 兩者互作下, 增密減氮可充分發(fā)揮群體增產(chǎn)潛力實現(xiàn)氮肥供應與棉株需求之間的平衡, 當種植密度增加到適宜范圍時, 通過調(diào)控施氮量達到棉株最適鈴數(shù)和鈴重是高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要途徑。推薦本地區(qū)棉花種植密度從常規(guī)的5.25萬株 hm-2增加到6.75萬株 hm-2, 施氮量從常規(guī)的300 kg hm-2第一年減少為105 kg hm-2, 第二年減少為210 kg hm-2。

[1] 喻樹迅, 范術麗, 王寒濤, 魏恒玲, 龐朝友. 中國棉花高產(chǎn)育種研究進展. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2016, 49: 3465–3476. Yu S X, Fan S L, Wang H T, Wei H L, Pang C Y. Progresses in research on cotton high yield breeding in China., 2016, 49: 3465–3476 (in Chinese with English abstract).

[2] Manderscheid R, Pacholski A, Frühauf C, Weigel H J. Effects of free air carbon dioxide enrichment and nitrogen supply on growth and yield of winter barley cultivated in a crop rotation., 2009, 110: 185–196.

[3] Dai J L, Li W J, Tang W, Zhang D M, Li Z H, Lu H Q, Eneji A E, Dong H Z. Manipulation of dry matter accumulation and partitioning with plant density in relation to yield stability of cotton under intensive management., 2015, 180: 207–215.

[4] 李鵬程, 董合林, 劉愛忠, 劉敬然, 孫淼, 王國平, 劉紹東, 趙新華, 李亞兵. 植密度氮肥互作對棉花產(chǎn)量及氮素利用效率影響. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2015, 31(23): 122–130.Li P C, Dong H L, Liu A Z, Liu J R, Sun M, Wang G P, Liu S D, Zhao X H, Li Y B. Effects of planting density and nitrogen ferti-lizer interaction on yield and nitrogen use efficiency of cotton., 2015, 31(23): 122–130 (in Chinese with English abstract).

[5] 李小勇, 周敏, 王濤, 張?zhí)m, 周廣生, 蒯婕. 種植密度對油菜機械收獲關鍵性狀的影響. 作物學報, 2018, 44: 278–287.Li X Y, Zhou M, Wang T, Zhang L, Zhou G S, Kuai J. Effects of planting density on the mechanical harvesting characteristics of semi-winter rapeseed., 2018, 44: 278–287 (in Chinese with English abstract).

[6] 徐嬌, 孟亞利, 睢寧, 宋為超, 周治國. 種植密度對轉(zhuǎn)基因棉氮、磷、鉀吸收和利用的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2013, 19: 174–181. Xu J, Meng Y L, Sui N, Song W C, Zhou Z G. Effects of planting density on uptake and utilization of N, P and K of transgenic cotton., 2013, 19:174–181 (in Chinese with English abstract).

[7] 曹勝彪, 張吉旺, 董樹亭, 劉鵬, 趙斌, 楊今勝. 施氮量和種植密度對高產(chǎn)夏玉米產(chǎn)量和氮素利用效率的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2012, 18: 1343–1353.Cao S B, Zhang J W, Dong S T, Liu P, Zhao B, Yang J S. Effects of nitrogen rate and planting density on grain yield and nitrogen utilization efficiency of high yield summer maize., 2012, 18: 1343–1353 (in Chinese with English abstract).

[8] Yang G Z, Luo X J, Nie Y C, Zhang X L. Effects of plant density on yield and canopy microenvironment in hybrid cotton., 2014, 13: 2154–2163.

[9] Dong H Z, Li W J, Egrinya E A, Zhang D M. Nitrogen rate and plant density effects on yield and late-season leaf senescence of cotton raised on a saline field., 2012, 126: 137–144.

[10] 李鵬程, 董合林, 劉愛忠, 劉敬然, 李如義, 孫淼, 李亞兵, 毛樹春. 施氮量對棉花功能葉片生理特性、氮素利用效率及產(chǎn)量的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2015, 21: 81–91. Li P C, Dong H L, Liu A Z, Liu J R, Li R Y, Sun M, Li Y B, Mao S C. Effects of nitrogen application rates on physiological characteristics of functional leaves, nitrogen use efficiency and yield of cotton., 2015, 21: 81–91 (in Chinese with English abstract).

[11] 祝珍珍, 陳亮, 楊國正, 宋學貞, 王德鵬, 陳求柱, Mokhele B. 國內(nèi)棉花干物質(zhì)及養(yǎng)分積累與分配研究進展. 江西棉花, 2011, 3(3): 7–10. Zhu Z Z, Chen L, Yang G Z, Song X Z, Wang D P, Chen Q Z, Mokhele B. Study progress on dry matter and nutrient accumulation distribution of China cotton., 2011, 33(3): 7–19 (in Chinese with English abstract).

[12] 葉欣, 王永東, 李瑞雪. 不同品種棉花干物質(zhì)積差異對比研究. 西南農(nóng)業(yè)大學學報, 2004, 26: 749–752. Ye X, Wang Y D, Li R X. Comparative studies of dry matter accumulation in different cotton varieties., 2004, 26: 749–752 (in Chinese with English abstract).

[13] 邢晉, 張思平, 趙新華, 閆貞貞, 魏然, 張立禎. 種植密度和縮節(jié)胺互作對棉花株型及產(chǎn)量的調(diào)控效應. 棉花學報, 2018, 30: 53–61. Xing J, Zhang S P, Zhao X H, Yan Z Z, Wei R, Zhang L Z. Interaction of plant density with mepiquat chloride affects plant architecture and yield in cotton., 2018, 30: 53–61 (in Chinese with English abstract).

[14] 馬宗斌, 嚴根土, 劉桂珍, 黃群, 李伶俐, 朱偉. 施氮量對黃河灘區(qū)棉花葉片生理特性干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2013, 19: 849–857. Ma Z B, Yan G T, Liu G Z, Huang Q, Li L L, Zhu W. Effects of nitrogen application rates on main physiological characteristics of leaves, dry matter accumulation and yield of cotton cultivated in the Yellow River bottomlands., 2013, 19: 849–857 (in Chinese with English abstract).

[15] 李伶俐, 房衛(wèi)平, 謝德意, 馬宗斌, 杜遠仿, 張東林. 施氮量對雜交棉干物質(zhì)積累、分配和氮磷鉀吸收、分配與利用的影響. 棉花學報, 2010, 22: 347–353. Li L L, Fang W P, Xie D Y, Ma Z B, Du Y F, Zhang D L. Effects of nitrogen application rate on dry matter accumulation and N, P, K uptake and distribution in different organs and utilization of hybrid cotton under high-yield cultivated condition., 2010, 22: 347–353 (in Chinese with English abstract).

[16] 王士紅, 楊中旭, 李秋芝, 李海濤, 尹會會, 李彤. 魯西地區(qū)抗蟲棉品種篩選試驗. 山東農(nóng)業(yè)科學, 2013, 45(12): 5–7.Wang S H, Yang Z X, Li Q Z, Li H T, Yin H H, Li T. Screening test of insect-resistant cotton varieties in western Shandong., 2013, 45(12): 5–7 (in Chinese).

[17] 王家寶, 王留明, 姜輝, 趙軍勝, 陳瑩, 高明偉, 王秀麗, 董合忠. 高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)型棉花品種魯棉研28號選育及其栽培生理特性研究. 棉花學報, 2014, 26: 569–576. Wang J B, Wang L M, Jiang H, Zhao J S, Chen Y, Gao M W, Wang X L, Dong H Z. Breeding of high and stable-yielding cotton variety SCRC28 and its physiological characteristics for cultivation., 2014, 26: 569–576 (in Chinese with English abstract).

[18] 盧合全, 李振懷, 李維江, 孔祥強, 代建龍, 唐薇, 張冬梅, 董合忠. 適宜輕簡栽培的棉花品種K836的選育及高產(chǎn)簡化栽培技術. 中國棉花, 2015, 42(6): 33–37.Lu H Q, Li Z H, Li W J, Kong X Q, Dai J L, Tang W, Zhang D M, Dong H Z. Breeding of cotton cultivar K836 suitable for extensive farming and its high-yielding cultivation techniques., 2015, 42(6): 33–37 (in Chinese with English abstract).

[19] 尹會會, 李秋芝, 李海濤, 商娜, 張晗, 李彤, 王士紅, 楊中旭. 魯西地區(qū)不同類型土壤對棉花產(chǎn)量及其構成因素與成鈴時空分布的影響. 中國農(nóng)學通報, 2016, 32(36): 87–90.Yin H H, Li Q Z, Li H T, Shang N, Zhang H, Li T, Wang S H, Yang Z X. Effect of different soil textures on cotton yield, composition factors and boll spatial-temporal distribution in western Shandong., 2016, 32(36): 87–90 (in Chinese with English abstract).

[20] 鄭劍超, 閆曼曼, 張巨松, 高麗麗, 石洪亮, 鄭慧, 張玉玲. 遮蔭條件下氮肥運籌對棉花生長和氮素積累的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2016, 22: 94–103. Zheng J C, Yan M M, Zhang J S, Gao L L, Shi H L, Zheng H, Zhang Y L. Effects of nitrogen application on growth and nitrogen accumulation of cotton under shading condition., 2016, 22: 94–103 (in Chinese with English abstract).

[21] 薛曉萍, 郭文琦, 王以琳, 張麗娟, 周治國. 不同施氮水平下棉花生物量動態(tài)增長特征研究. 棉花學報, 2006, 18: 323–326. Xue X P, Guo W Q, Wang Y L, Zhang L J, Zhou Z G. Research on dynamic increase characteristics of dry matter of cotton at different nitrogen levels., 2006, 18: 323–326 (in Chinese with English abstract).

[22] 李春艷, 文如意, 石洪亮, 嚴青青, 張巨松. 海島棉與陸地棉干物質(zhì)積累與氮素吸收分配的特點. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2017, 35(1): 175–181. Li C Y, Wen R Y, Shi H L, Yan Q Q, Zhang J S. Dry matter and nitrogen accumulation distribution on island cotton and upland cotton., 2017, 35(1): 175–181 (in Chinese with English abstract).

[23] 婁善偉, 馬騰飛, 托合提·艾買提, 張懷軍, 王大光, 邊洋, 司地克江, 張鵬忠. 新疆農(nóng)業(yè)科學, 2017, 54: 2182–2189. Lou S W, Ma T F, Aimait T, Zhang H J, Wang D G, Bian Y, Sidi K J, Zhang P Z. Study on the correlation between nitrogen content and dry matter accumulation in cotton.2017, 54: 2182–2189 (in Chinese with English abstract).

[24] 徐新朋, 周衛(wèi), 梁國慶, 孫靜文, 王秀斌, 何萍, 徐芳森, 余喜初. 氮肥用量和密度對雙季稻產(chǎn)量及氮肥利用率的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2015, 21: 763–772. Xu X P, Zhou W, Liang G Q, Sun J W, Wang X B, He P, Xu F S, Yu X C. Effects of nitrogen and density interactions on grain yield and nitrogen use efficiency of double-rice systems., 2015, 21: 763–772 (in Chinese with English abstract).

[25] 楊艷君, 王宏富, 郭平毅, 王玉國, 原向陽, 邢國芳, 邵東紅, 祁祥, 解麗麗, 聶萌恩, 郭俊, 寧娜. 施肥和密度對張雜谷5號光合特性及產(chǎn)量的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2013, 19: 566–576. Yang Y J, Wang H F, Guo P Y, Wang Y G, Yuan X Y, Xing G F, Shao D H, Qi X, Xie L L, Nie M E, Guo J, Ning N. Effects of fertilization and density on photosynthetic characteristics and yield of hybrid foxtail millet., 2013, 19: 566–576 (in Chinese with English abstract).

[26] 劉瑞顯, 史偉, 徐立華, 楊長琴, 郭文琦, 張培通. 長江下游棉區(qū)抗蟲雜交棉適宜密度研究. 棉花學報, 2010, 22: 634–638. Liu R X, Shi W, Xu L H, Yang C Q, Guo W Q, Zhang P T. Planting density of insect-resistant hybrid cotton in lower reaches of Yangtze River Valley., 2010, 22: 634–638 (in Chinese with English abstract).

[27] 張旺鋒, 王振林, 余松烈, 李少昆, 房建, 童文崧. 種植密度對新疆高產(chǎn)棉花群體光合作用、冠層結(jié)構及產(chǎn)量形成的影響. 植物生態(tài)學報, 2004, 28: 164–171. Zhang W F, Wang Z L, Yu S L, Li S K, Fang J, Tong W S. Effects of planting density on canopy photosynthesis, canopy structure and yield formation of high-yield cotton in Xinjiang, China., 2004, 28: 164–171 (in Chinese with English abstract).

[28] 婁善偉, 高云光, 郭仁松, 趙強, 張巨松. 不同栽培密度對棉花植株養(yǎng)分特征及產(chǎn)量的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2010, 16: 953–958. Lou S W, Gao Y G, Guo R S, Zhao Q, Zhang J S. Effects of planting density on nutrition characteristics and yield of cotton., 2010, 16: 953–958 (in Chinese with English abstract).

[29] 支曉宇, 毛樹春, 韓迎春, 李亞兵, 杜文麗, 李小新, 王國平, 范正義, 楊北方, 馮璐. 密度對棉花產(chǎn)量及棉鈴內(nèi)部產(chǎn)量構成的影響. 棉花學報, 2015, 27: 216–222. Zhi X Y, Mao S C, Han Y C, Li Y B, Du W L, Li X X, Wang G P, Fan Z Y, Yang B F, Feng L. Effects of cultivars and planting density on yield components and seed characteristics on cotton., 2015, 27: 216–222 (in Chinese with English abstract).

[30] Zhang D M, Luo Z, Liu S H, Li W J, Tang W, Dong H Z. Effects of de?cit irrigation and plant density on the growth, yield and ?ber quality of irrigated cotton., 2016, 197: 1–9.

Effects of increasing planting density and decreasing nitrogen rate on dry matter, nitrogen accumulation and distribution, and yield of cotton

WANG Shi-Hong1,2, YANG Zhong-Xu2, SHI Jia-Liang3, LI Hai-Tao2, SONG Xian-Liang1,*, andSUN Xue-Zhen1,*

1Agronomy College, Shandong Agricultural University / State Key Laboratory of Crop Biology, Tai’an 271018, Shandong, China;2Liaocheng Academy of Agricultural Science, Liaocheng 252000, Shandong, China;3Dezhou Academy of Agricultural Science, Dezhou 253000, Shandong, China

A field experiment was conducted using Liaomian 6 with the treatments of three plant densities (5.25×104, 6.75×104, and 8.25×104plants hm-2), and five nitrogen rates (0, 105, 210, 315, and 420 kg hm-2) in 2016 and 2017. Compared with D5.25, D6.75, and D8.25dry matter accumulation of cotton significantly increased by 17.6% and 28.7% in 2016, 12.6% and 20.9% in 2017, respectively. Compared with N0, N105, N210, N315,and N420increased dry matter accumulation by 4.5%, 11.1%, 13.7%, 16.3% in 2016 and 3.6%, 13.5%, 15.3%, 19.8% in 2017, respectively. The dynamic curve of cotton dry matter and nitrogen absorption accumulation conformed to the Logistic model, and the maximal nitrogen accumulation (m) was obtained under D8.25N420treatment in 2016 and 2017. Compared to the average, the maximal biomass, duration of rapid accumulation (), the maximal speed of accumulation (m) increased by 17.3% and 23.8%, 5.20% and 9.9%, 11.45% and 13.8%, respectively in two years. The starting date of rapid accumulation period (1) was 4.1 d and 6.4 d earlier for nitrogen than for dry matter, indicating that the nutrient absorption of cotton was the premise of dry matter accumulation. The lint yield of D5.25N315, D6.75N210and D6.75N105in 2016 as well as D5.25N315and D6.75N210in 2017 was significantly higher than that of other treatments. The interaction effect of planting density and nitrogen application amount significantly affected cotton yield. Increasing planting density and reducing nitrogen application amount can obtain high yield. It is recommended for this region that the cotton planting density should be increased from 5.25×104to 6.75×104plants hm-2, and the amount of nitrogen application decreased from 300 kg hm-2to 105 kg hm-2in the first year, and then to 210 kg hm-2in the next year.

cotton; plant density; nitrogen rate; dry matter; yield

2019-05-15;

2019-09-26;

2019-10-09.

10.3724/SP.J.1006.2020.94074

孫學振, E-mail: sunxz@sdau.edu.cn; 宋憲亮, E-mail: xlsong@sdau.edu.cn

E-mail: wshguyu@126.com

本研究由國家自然科學基金項目(31601253), 國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系(棉花)建設專項(CARS-18-37), 山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系(棉花)建設專項(SDAIT-03)和山東省自然科學基金項目(ZR2016CQ20)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31601253), the China Agriculture Research System (Cotton) (CARS-18-37), the Modern Agricultural Industry Technology System of Cotton Construction in Shandong Province (SDAIT-03), and the Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2016CQ20).

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20191008.1708.002.html