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氮磷钾配施对棉花养分吸收、产量及肥料利用率的影响

花匠小妙招
2024-11-19 13:31

【研究意义】棉花作为中国最重要的经济作物之一，其产量位居世界第一[1]，同时新疆作为中国重要的棉花生产基地，在新疆棉花生产过程中，合理施肥可提高棉花产量，过量施肥会降低棉花的肥料利用率，进而降低棉花的品质和产量。氮、磷、钾元素是植物生长所必须的三种营养元素，也是棉花生长的关键影响因子。氮磷钾精准配施以成为提高棉花肥料利用率和产量的重要途经[2-3]，是实现棉花优质高产的重要措施。氮磷钾配施对棉花资源高效利用具有重要意义。【前人研究进展】近年来，人们从不同角度对玉米、小麦和棉花等植物的施肥效应进行广泛探讨和研究[4-10]。李祥云等[11]研究表明，不同氮磷钾配施对棉花干物质量存在显著差异，其影响效果为氮 > 钾 > 磷；戴婷婷等[12]在新疆库尔勒的田间试验表明，增施磷肥可显著增加棉花氮、磷、钾素的积累，花铃期施磷肥处理的棉花各器官氮、磷、钾的积累量分别比缺磷处理平均提高了30.7%、55.9% 和36.4%；高媛等[13]在新疆阿瓦提的田间试验表明，合理施用钾肥可明显促进棉株对氮、磷、钾养分的吸收；董合林等[14]研究表明，当施钾量超过100 kg hm–2时，棉花的钾肥利用率则会逐渐下降；氮磷钾肥配合施用，可以显著改善棉花品质，有效提高单株铃重，从而提高棉花产量[15]。【本研究切入点】前人关于棉花施肥的研究报道较多，但关于不同氮磷钾配施条件下棉花不同生育阶段干物质量和氮、磷、钾养分积累量的研究较少，而这些研究对指导棉花生长和合理施肥十分必要，对提高棉花干物质量、养分积累量、产量及肥料利用率也非常重要。【拟解决的问题】本研究针对新疆阿克苏地区沙雅县棉花施肥应用现状，在不同氮磷钾配施条件下，通过对不同生长阶段棉花生长发育和养分吸收等指标的监测，揭示在氮磷钾配施条件下的棉花生长特征和养分吸收规律，从而为阿克苏地区沙雅县的棉田提高产量和肥料利用率提供理论依据和技术支撑。

1. 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2021年4 ~ 11月在阿克苏地区沙雅县海楼镇海楼村（82°42′54.96″ E， 41°42′56.24″ N）进行。地属典型的暖温带大陆性干旱气候，平均日照3031.2 h，平均气温为11.5 ℃，平均降水量为56.8 mm，平均霜冻日数130 d。常年日照充足，热量充沛，具有气候干燥，风沙频繁，降水稀少，蒸发量大，昼夜温差大，夏季干热，冬季干冷等特点[16]。试验地前荐作物为棉花，地势平坦，肥力中等。供试品种为新陆早66号，供试土壤质地为沙壤土，土壤基本理化性质（见表1）。

表 1 供试棉田土壤基本理化性质

Table 1. Basic physical and chemical properties of soil in the test cotton field

地点
LocationpH电导率
Electrical
conductivity
（µs cm−1）有机质
Organic
matter
（g kg−1）全氮
Total
nitrogen
（g kg–1）全磷
Total
phosphorus
（g kg–1）全钾
Total
potassium
（g kg–1）碱解氮
Alkaline
nitrogen
（mg kg–1）速效磷
Available
phosphorus
（mg kg–1）速效钾
Available
potassium
（mg kg–1）沙雅县海楼镇8.093329.310.550.7015.4626.7520.53131.06 1.2 试验设计

本研究采用田间试验，在施肥处理氮、磷、钾肥用量相同的情况下，设5个处理，分别为对照（CK）、氮磷（NP）、氮钾（NK）、磷钾（PK）和氮磷钾（NPK），施肥方式及用量（表2）。每个处理重复四次，小区面积为66 m2，采用随机区组排列。播种时间为5月21日，采取膜下滴灌方式种植，1膜6行，单膜宽216 cm，采用宽窄行配置，行距为62 cm或10 cm，株距为12 cm，种植密度为22.5万株 hm–2。整个生育期浇水9次，每次滴水量450 m3 hm–2，其他管理措施同一般大田。

表 2 施肥试验设计

Table 2. Design of fertilization experiments

养分用量（kg hm–2）
Nutrient usage肥料用量（kg hm–2）
Fertilizer usage小区肥料用量（kg 66m–2）
Fertilizer usage in small area处理
Treatment基施
Basal fertilizer追施
TopdressingNP2O5K2O尿素
Urea
过磷酸钙
Superphosphate硫酸钾
Potassium sulphate尿素
Urea过磷酸钙
Superphosphate硫酸钾
Potassium sulphate尿素
Urea过磷酸钙
Superphosphate硫酸钾
Potassium sulphate CK 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NP 300 150 0 652 326 0 0.86 2.15 0 3.44 0 0 NK 300 0 90 652 0 173 0.86 0 1.14 3.44 0 0 PK 0 150 90 0 326 173 0 2.15 1.14 0 0 0 NPK 300 150 90 652 326 173 0.86 2.15 1.14 3.44 0 0 1.3 样品采集与分析 1.3.1 土壤肥力的测定

土壤pH值采用pH计测定；土壤全氮用元素分析仪（Euro Vector EA3000，意大利）测定；土壤有机质采用外加热重铬酸钾容量法测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤速效磷采用0.5 mol L–1 NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用火焰光度法测定。

1.3.2 棉花干物质量及植物氮磷钾含量

干物质量和养分测定：在棉花的各个生育时期随机选取3株长势均匀的棉花，分为根、茎、叶和生殖器官，测定其鲜重。将装植物样的信封放入105 ℃的烘箱中杀青30 min，70 ℃烘至恒重，测定其干物质量。将烘干的样品粉碎，测定棉花不同部位氮、磷、钾含量。称取磨好的植株样0.35 ~ 0.40 g，用H2SO4 -H2O2消煮，将消煮后的待测液加水定容到50 mL，全氮采用半微量凯氏定氮法，全磷采用钒钼黄比色法，全钾采用火焰光度法进行测定[17]。

1.3.3 产量及产量构成因素

棉花产量测定：在每一个小区内，按均匀分布随机选取3个有代表性的样点，采取3点对角线或5点梅花形法取样，为了避免边际效应，在试验小区中间的一副膜上选取长1 m宽2.3米的测产区，记录株数和桃数，并计算收获密度（株 hm–2）。在每个小区采收上、中、下部位各15朵完全吐絮的棉桃，测定棉花单株铃重，计算棉花产量。

1.4 数据处理

计算方法[18]，如下：

养分积累量=各器官或整株养分浓度 × 干物质量

籽棉产量（kg hm–2）= 收获密度（株 hm–2） × 平均单株成铃数（个株–1） × 单铃重（g）/ 1000 × 测产校正系数（90％）；

氮肥利用率（%）=（施氮肥区作物吸氮量 − 无氮肥区作物吸氮量）/ 所施氮肥的总氮量 × 100，氮肥利用率可反映氮肥的利用程度；

氮肥农学效率（kg kg–1 N）=（施氮处理产量 − 不施氮处理产量）/ 施氮量；

肥料偏生产力（kg kg–1）= 籽棉产量 / 施肥量。

采用Microsoft Excel 2020进行数据分析，通过SPSS 25.0进行单因素方差分析、相关性分析和差异显著检验，采用Origin 2018进行绘图。

2. 结果与分析

2.1 不同氮磷钾配施对棉花干物质积累量的影响

由表3可知，随着棉花生育期的递进，不同氮磷钾配施处理的整株干物质量呈递增趋势，其中在花铃期和吐絮期时，NPK处理的干物质量较苗期和蕾期分别增加了34.91倍、6.54倍和36.95倍、6.92倍，差异显著。在棉花生长的蕾期、花铃期和吐絮期，NP和NPK处理的整株干物质积累量显著高于CK处理（P < 0.05）；在花铃期和吐絮期时，NPK施肥处理的干物质积累量较CK、NP、NK、PK处理分别增加了55.91%、11.01%、16.25%、58.97%和47.55%、15.40%、29.63%、50.76%，且差异显著。

表 3 不同生育期棉花整株干物质积累量的变化状况（g 株–1）

Table 3. Changes in dry matter accumulation of whole cotton plants at different growth stages （g plant–1）

处理
Treatment苗期
Seedling period蕾期
Budding period花铃期
Bolling period吐絮期
Boll opening period CK 2.06 ± 0.07 a 9.41 ± 0.06 b 57.09 ± 2.94 c 63.85 ± 1.26c NP 2.42 ± 0.05 a 12.98 ± 0.37 a 80.18 ± 2.20 b 81.64 ± 3.38 b NK 2.33 ± 0.08 a 10.41 ± 0.37ab 76.57 ± 2.64b 72.83 ± 2.96 bc PK 2.15 ± 0.08 a 9.63 ± 0.23 b 55.99 ± 0.58 c 62.49 ± 0.59 c NPK 2.55 ± 0.16 a 13.62 ± 0.44 a 89.01 ± 3.89 a 94.21 ± 4.84 a 　　注：1、数据表示为均值 ± 标准差；2、同列数字后小写字母不同表示处理间在0.05水平差异显著（P < 0.05）。下同。

由施肥与棉花干物质积累量的相关性分析可见（表4），不同施肥与棉花干物质量相关系数的大小均表现为氮肥 > 磷肥 > 钾肥，其中氮肥与棉花蕾期、花铃期和吐絮期植株干物质量呈极显著相关（P < 0.01），而以花铃期相关性系数最高，达到了0.90以上；磷肥与蕾期植株干物质量呈显著相关（P < 0.05），相关性系数达到0.50以上；钾肥与棉花各时期的植株干物质量相关性未达显著水平。

表 4 不同生育期棉花干物质量与施肥量的相关性分析

Table 4. Correlation analysis of dry matter quality and fertilization amount of cotton at different growth stages

指标
Indicator苗期
Seedling period蕾期
Budding period花铃期
Bolling period吐絮期
Boll opening period 氮肥 0.389 0.712** 0.902** 0.737** 磷肥 0.218 0.546* 0.293 0.415 钾肥 0.122 0.006 0.185 0.141 　　注：*在0.05水平上显著相关；**在0.01水平上显著相关。（下同）。 2.2 不同氮磷钾配施对棉花氮、磷、钾积累量的影响 2.2.1 氮素养分积累量的响应

由图1（a，b，c，d，e）可知，随着棉花生育期的推进，NPK处理的根、生殖器官（花、蕾、壳和絮）和整株的氮素养分积累量均呈递增趋势，而茎和叶呈先升高后降低的趋势。在苗期，NP、NK和NPK处理的根、茎和整株的氮积累量显著高于CK处理（P < 0.05），其中NPK处理较NP、NK和PK处理分别增加了15.10%、4.25%和10.18%；在蕾期、花铃期和吐絮期，NK和NPK处理的根、茎、叶和生殖器官的氮积累量显著高于CK处理（P < 0.05），其中蕾期NK处理较NP和PK处理的整株的氮积累量分别增加了25.28%和38.43%；在花铃期NPK处理的整株氮积累量较NP和NK处理分别增加了29.61%和19.53%；在吐絮期NPK处理的整株氮积累量较NP、NK和PK处理分别增加了5.28%、20.61%和57.05%。

图 1 不同生育期棉花氮素养分积累量的响应状况

1、同一列上小写字母不同表示处理间在0.05水平差异显著（P < 0.05）；2、//表示图中纵坐标刻度间隔变化不同。下同。

Figure 1. Response to nitrogen content accumulation in cotton at different growth stages

2.2.2 磷素养分积累量的响应

由图2（a，b，c，d，e）可知，随着棉花生育期的推进，NPK处理的生殖器官和整株的磷素养分积累量均呈递增趋势，而营养器官（根、茎和叶）呈升高后降低的趋势。在蕾期，NP、NK、PK和NPK处理的根和茎的磷积累量显著高于CK处理（P < 0.05），其中NPK处理的整株磷积累量较NP、NK和PK处理分别增加了17.66%、14.31%和11.79%；在花铃期，NPK处理的茎、叶、生殖器官和整株的磷积累量显著高于CK处理（P < 0.05），其中NPK处理的整株磷积累量较NP和NK处理分别增加了40.26%和22.08%；在吐絮期NP和NPK处理的茎、叶、生殖器官及整株的磷积累量显著高于CK处理（P < 0.05），其中NPK处理的整株磷积累量较NP、NK和PK处理分别增加了13.85%、44.28%和31.15%。

图 2 不同生育期棉花磷素养分积累量的响应状况

Figure 2. Response to phosphorus literacy accumulation in cotton at different growth stages

2.2.3 钾素养分积累量的响应

由图3（a，b，c，d，e）可知，随着棉花生育期的推进，NPK处理的叶、生殖器官和整株的氮素养分积累量呈递增趋势，而茎和根的氮素养分积累量呈先升高后降低的趋势。在苗期，NPK处理的整株钾积累量较NP、NK和PK处理分别增加了26.84%、4.16%和3.62%；在蕾期和花铃期，PK和NPK处理的茎、叶和整株的钾积累量显著高于CK处理（P < 0.05），其中蕾期NPK处理的整株磷积累量较NP、NK和PK处理分别增加了18.10%、15.79%和4.56%；在花铃期NPK处理的整株磷积累量较NP、NK和PK处理分别增加了81.88%、35.12%和14.66%；在吐絮期，NPK处理的各个器官的钾积累量显著高于CK处理（P < 0.05），其中NPK处理较NP、NK和PK处理分别增加了30.85%、16.13%和15.72%。

图 3 不同生育期棉花钾素养分积累量的响应状况

Figure 3. Response to potassium literacy accumulation in cotton at different growth stages

2.3 不同氮磷钾配施对棉花产量及肥料利用率的影响 2.3.1 产量

由表5可知，NP和NPK配施处理的棉花单株结铃数、茎叶重和籽棉产量显著高于CK处理（P < 0.05），NPK处理的单株结铃数分别较NP、NK、和PK处理增加了3.33%、5.75%和4.41%，NPK处理的茎叶重分别较NP、NK、和PK处理增加了9.22%、17.65%和6.84%，NP、NK、PK和NPK处理的籽棉产量分别较CK增产了10.20%、6.18%、5.04%和16.72%，其中NPK处理的籽棉产量较NP、NK和PK处理分别增产5.92%、9.93%和11.10%。

表 5 棉花产量及产量构成因素

Table 5. Cotton yield and yield components

处理
Treatment单株结铃数（个）
Number of bolls per plant单铃重（g）
Single boll weight茎叶重（kg hm–2）
Shoot weight籽棉产量（kg hm–2）
Seed cotton yield较CK增产（%）
Increased yield compared to CK CK 4.51 ± 0.16 c 5.21 ± 0.17 a 8265 ± 245.31 b 3927 ± 119.13 c − NP 4.81 ± 0.06 a 5.54 ± 0.28 a 8790 ± 219.51 a 4327 ± 127.88 a 10.20 NK 4.70 ± 0.14 bc 5.28 ± 0.24 a 8160 ± 257.16 b 4169 ± 97.89 bc 6.18 PK 4.76 ± 0.12 b 5.21 ± 0.27 a 8985 ± 209.62 ab 4125 ± 128.13 bc 5.04 NPK 4.97 ± 0.17 a 5.39 ± 0.30 a 9600 ± 229.07 a 4583 ± 96.45 a 16.72 2.3.2 氮、磷、钾肥肥料利用效率

棉田氮磷钾肥的农学效率、偏生产力和肥料利用率指标情况见表6。在不同氮磷钾配施条件下，植株的氮、磷、钾肥肥料利用率分别为41.59%、14.52%和69.29%，其中，钾肥的肥料利用率、农学效率和偏生产力均为最高，分别较氮肥和磷肥增加了86.27%、200.03%、66.60%和3.26%、60.59%和300.77%。

表 6 肥料利用效率

Table 6. Fertilizer utilization efficiency

指标
Indicator农学效率
Agronomic
efficiency
（kg kg–1）偏生产力
Partial factor
productivity
（kg kg–1）肥料利用率
Fertilizer utilization
efficiency
（%） N 1.53 15.28 41.59 P2O5 2.76 28.85 14.52 K2O 2.85 46.33 69.29

3. 讨论

3.1 不同氮磷钾配施对棉花干物质量变化的影响

干物质量是植物光合作用形成的重要产物，其响应环境因子变化下的积累量与分配格局是提高作物产量的关键[19]。本研究发现随着棉花生育期的递进，不同氮磷钾配施处理的整株干物质量呈递增趋势。在氮磷钾不同施肥处理中，NPK处理与CK、NP、NK和PK处理相比，棉花整株干物质积累的增幅分别为47.55%，与李伶俐等[20]、张学昕等[10]分别在郑州和甘肃地区棉花氮磷钾配施施肥效应上的研究结果相一致，氮磷钾配施较缺素处理显著增加了棉花干物质量，NPK处理的干物质积累的最大增幅较其分别高10.25%和19.87%。产生差异的原因可能与不同研究区所在的气候条件、土壤水分及施肥差异等方面有关。在棉花生长中后期，氮、磷肥对于植株干物质量的增加效果显著，钾肥效果不明显，这与薛垠鑫等[21]的研究结果一致，其中氮肥与植株干物质量的相关性系数高于石爱龙等[22]研究结果，磷肥与植株干物质量的相关性系数低于文明等[9]研究结果，这可能与两地的施肥与灌溉方式不同有关。钾肥对于植株干物质量的增加效果不显著，原因可能与新疆南疆土壤中的全钾养分含量较高有关。

3.2 不同氮磷钾配施对棉花氮、磷、钾养分积累量的影响

氮、磷、钾作为植物生长不可缺少的大量营养元素，被称为“三大营养元素”。养分的吸收与分配可直接影响作物的生长发育，进而影响产量及肥料利用率[23]。本研究发现在氮磷钾不同施肥处理中，NPK处理与PK处理相比，氮、磷、钾的养分积累量分别增加了53.01%、59.84%和15.72%，说明增施氮肥可显著提高植株氮、磷、钾的养分积累量，特别是显著提高了棉花生长后期生殖器官的养分积累量，氮磷钾配施处理能够增加植株氮、磷、钾养分的积累量，此结果要高于郭小琰等[24]、张宏等[25]在河南和南疆地区棉花氮磷钾配施施肥效应上的研究结果，原因可能与不同棉区因栽培品种、气候条件及土壤肥力不同有关。氮磷钾配施可以增加作物的干物质积累量，改善棉花生长环境，从而有利于增加棉花氮、磷、钾的养分吸收量，即氮磷钾配施处理的养分积累量高于缺素处理，这与冯卫娜等[26]研究结果一致，但由于棉花生长后期生长中心主要转向生殖器官（棉籽和棉絮），营养器官（根茎叶）养分逐步转用至生殖器官，使得生殖器官中的养分浓度急剧升高。施肥对植株氮磷钾养分积累量提高的作用大小顺序为氮 > 钾 > 磷，这与徐富贤等[27]在水稻上的研究结果不一致（氮 > 磷 > 钾），这可能与棉花是喜钾作物有关。

3.3 不同氮磷钾配施对棉花产量的影响

氮磷钾配施是协调作物氮、磷、钾等营养元素的吸收利用和分配，进而影响棉花产量的重要手段[28]。本研究发现在氮磷钾不同施肥处理中， NPK配施处理的棉花单株结铃数、茎叶重和籽棉产量显著高于CK处理，其中籽棉的产量最高达4583 kg hm–2，NP、NK、PK和NPK处理的籽棉产量分别较CK增产了10.20%、6.18%、5.04%和16.72%，其中NPK处理与CK 、NP、NK和PK处理相比分别增产了16.72%、5.92%、9.93%和11.10%，籽棉产量的结果要低于石洪亮等[29]、戴婷婷等[12]在南疆地区棉花产量的影响研究，其籽棉产量最高分别达5797 kg hm–2和5600 kg hm–2，较CK处理相比分别增产33.65%和39.30。这可能与不同棉区气候、土壤及磷钾配施量不同有关。在氮磷钾不同施肥处理中，使棉花产量产生差异的影响因子依次为氮、磷、钾，这与张学昕等研究结果一致。

3.4 不同施肥处理对肥料利用率的影响

肥料利用效率是衡量合理施肥的重要指标[30]。本研究发现在氮磷钾不同施肥处理中，棉田钾肥的农学效率、偏生产力和肥料利用率均达到最大值，棉田氮、磷、钾肥的肥料利用率分别达41.59%、14.52%和69.29%，其中氮、磷肥料利用率均在国家平均水平（氮肥20.00% ~ 45.00%，磷肥10.00% ~ 25.00%），而钾肥的肥料利用率高于国家平均水平（钾肥25.00% ~ 45.00%）[31]，氮、钾肥料利用率研究结果高于姑丽那尔·艾则孜等[32]在同一棉花主产区的肥料利用率研究结果（氮为21.94%、钾为15.90%），而磷肥料利用率低于其研究结果（磷为52.51%），差异可能与棉田土壤中的全量养分及棉田的氮磷钾配施量不同有关。本研究表明在不同氮磷钾配施条件下，棉株氮磷钾肥料利用率的大小顺序是钾 > 氮 > 磷，这与徐保松等[33]在芸豆的研究结果（氮 > 钾 > 磷）不一致，这可能与供试作物不同及新疆棉田土壤中的有效钾含量高等有关。这进一步体现氮磷钾配施是提高棉花肥料利用率的有效手段，也是提高棉花产量的重要措施之一。

4. 结论

本研究表明氮磷钾配施量可有效提高棉花干物质量、养分吸收量、产量和肥料利用率。随着棉花生育期的递进，不同氮磷钾配施处理的整株干物质量呈现递增的趋势，且花铃期和吐絮期的整株干物质量显著高于其他时期；氮肥与棉花蕾期、花铃期和吐絮期植株干物质量呈极显著相关，磷肥与蕾期植株干物质量呈显著相关。在生长期内，NPK配施处理的棉花植株的根、生殖器官及整株的氮、磷、钾养分积累量均随生长时间增加呈递增趋势，而茎和叶呈先升高后降低的趋势，二者的最大值均在花铃期，表明氮磷钾配施可显著提高棉花生长后期（花铃期、吐絮期）的养分积累量及分配比例。棉花生长中后期，棉花生殖器官的养分积累量急剧增加，在吐絮期达到峰值。氮磷钾配施可使植株营养器官及生殖器官养分比例协调，产量达到最高值；NPK处理的产量较其他缺素处理的增产范围为5.92% ~ 11.10%。棉田氮、磷、钾肥的肥料利用率分别达41.59%、14.52%和69.29%，棉株氮磷钾肥料利用率的大小顺序是钾肥 > 氮肥 > 磷肥，且钾肥的肥料利用率高于我国平均水平。综合棉花干物质量、养分积累量、产量及肥料利用率等肥料效应，氮磷钾配施量推荐施纯N 300 kg hm–2、P2O5 150 kg hm–2、K2O 90 kg hm–2，有利于增加棉花干物质量和养分吸收，提高棉花产量和肥料利用率。