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新疆是我国三大棉花主产区之一,棉花生产已经成为新疆经济的重要产业[1]。由于新疆地区气候干燥、光热资源充足、土地资源丰富,又以种植早、中熟棉花品种为主,同时结合矮、密、早、膜技术[2-3],所以十分适合棉花产业的发展[4]; 2022 年新疆棉花产量达 539.1 万 t,占全国总量的 90.2%[5]。棉花产业已成为农民增收致富的民生产业[6],增产最有效的基础措施是施用化肥,但新疆棉田目前存在化学氮肥用量过大、利用率低、氮素损失严重等问题[7-9],影响了棉花产业的可持续发展[10];化学氮肥施用过量不仅会造成棉花贪青晚熟、产量和纤维品质降低,还会造成资源能源浪费、耕地质量下降和环境污染等问题;但化学氮肥用量过低,则会导致氮素供应不足、氮素累积量减少、生物量积累少,进而导致产量降低[11-13]。前人分别从有机肥替代[14-15]、外源抑制剂调控[16-17]、秸秆还田[18]和增施叶面肥[19]等方面研究了氮肥减量对新疆棉花产量的影响,认为新疆棉田仍有化学氮肥减量增产的潜力。但有关棉花生物量、氮素吸收量及分配规律和氮肥利用率等对氮肥减量氨基酸配施的响应相关报道较少,且现有的研究结果也不统一[20-21]。部分研究[22]表明,合理施氮、增加棉花氮素的吸收可以减少氮肥损失、提高棉花产量和氮肥利用率,而氨基酸可用于盐碱等胁迫条件下改善作物生长状况、提高产量[23]。
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因此,为探究氮肥减量氨基酸配施对新疆棉田氮素状况和籽棉产量的影响,本文设置了不施氮肥对照(0%N)、农户氮肥用量(130%N)、测土配方推荐氮肥用量(100%N)、氮肥减量(70%N)和氮肥减量氨基酸配施(70%N+AA)处理,测定了棉田植株生物量、各器官养分吸收量和籽棉产量,计算了棉田氮肥利用率,旨在明确氮肥减量氨基酸配施对籽棉产量和氮肥利用率的影响,为新疆棉田氮肥运筹和高产高效提供科学依据。
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1 材料和方法
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1.1 试验区概况
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本田间试验于 2022 年 4 月至 10 月在新疆维吾尔自治区博尔塔拉蒙古自治州博乐市精河县小庄子村棉花种植区(82°53′39.21″ E,44°37′45.26″N) 进行,所在地区位于新疆西部,天山北麓,准噶尔盆地西南边缘,海拔高度 400 m,为北温带干旱荒漠型大陆性气候。光照充足,冬夏冷热悬殊,昼夜温差大,干燥少雨,蒸发量大。降水主要集中在 6—9 月份,年均气温 4~15℃,年均降水量 102 mm、蒸发量 2281 mm,年日照达 2700 h,年均无霜期 170 d 左右,光热资源丰富。试验区土壤质地为壤土,0~20 cm 土层的土壤基本理化性状为 pH 8.6、有机质 15.10 g/kg、碱解氮 69.75 mg/kg、有效磷 11.37 mg/kg、速效钾 201.78 mg/kg。
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1.2 试验设计
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为明确氮肥减量氨基酸配施对棉花生长和棉田籽棉产量的影响,设置了 5 个处理:不施氮肥对照(0%N);农户氮肥用量(130%N);测土配方推荐氮肥用量(100%N);氮肥减量(70%N); 氮肥减量氨基酸配施(70%N+AA)。每个处理设置 3 个重复,共 15 个小区,小区面积为 60 m2 (长 8 m,宽 7.5 m),小区采取随机排列的方式,各小区间设置 1 m 的保护行。棉花采取当地膜下滴灌种植模式,膜宽 1.5 m,膜间距 0.3 m,一膜两带四行宽窄行种植,宽行行距 0.6 m,窄行行距 0.15 m,棉花株距 0.1 m,理论株数 222330 株 /hm2 (图1)。供试棉花品种为‘新陆早 66 号’,棉田氮肥采用尿素(N 46.4%)、磷肥采用磷酸一铵(N 12%,P2O5 60%)、钾肥采用硫酸钾(K2O 51%)、氨基酸采用氨基酸水溶肥(氨基酸≥ 100 g/L,Zn+B+Fe ≥ 20 g/L)。各处理具体施肥量见表1。栽培过程中,氮、磷、钾肥和氨基酸水溶肥均随水滴施,具体灌水时间见表2。肥料在棉花各生育时期(蕾期、花铃期、吐絮期)分 3 次随水滴施,其他田间管理和农艺措施均与新疆棉田普遍采用模式保持一致。
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图1 样地设置图
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1.3 样品采集及测定
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1.3.1 土壤
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在试验开展前,采集试验地 0~20 cm 耕层土壤,测定土壤基本理化性质。在棉花的成熟期,每个试验小区采样 0~20 cm 耕层土壤,去除植物残根,取回土样,自然风干后研磨过 1 和 2 mm 筛,用于土壤有机质、pH 值、碱解氮、有效磷、速效钾的测定。土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定,pH 值采用 pH 计法(土水比 1∶5)测定,碱解氮采用碱解扩散法测定,有效磷采用碳酸氢铵浸提-钼锑抗比色法测定,速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定[24]。
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1.3.2 植物
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分别在各试验小区选取长势均匀的 15 株棉花,并将棉花按照根、茎、叶、壳、絮、籽分开,在 105℃的烘箱中杀青 30 min,随后在 70℃下烘干至恒重,称重并计算棉花各器官生物量(用精度为百分之一的天平进行测量);将植物样品粉碎,对其氮、磷、钾养分含量进行测定,采用硫酸-双氧水法消煮,全氮采用凯氏定氮仪测定,全磷采用钒钼黄比色法测定,全钾采用火焰光度计测定[24]。
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于 2022 年 10 月 6 日测产,在每个试验小区随机选取长势均匀、面积为 1 m2 的样方,记录样方内的棉花株数,并按照植株上棉铃分布均匀采集 100 朵棉花,统计单株铃数和单铃重,总产量 = 单位面积棉花株数 × 单株铃数 × 单铃重。
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1.4 数据处理
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氮肥利用率采用以下公式计算[24]:
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(1)氮肥利用率(%)=(施氮区植株累积吸氮量-不施氮区植株累积吸氮量)/ 施氮区氮肥用量 ×100
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(2)氮肥累积利用率(%)= 施氮区植株累积吸氮量 / 施氮量 ×100
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(3)氮肥农学效率(kg/kg)=(施氮区籽棉产量-不施氮区籽棉产量)/ 施氮区氮肥用量
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(4)氮肥偏生产力(kg/kg)= 施氮区籽棉产量 / 施氮区氮肥用量
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各处理间植株的生物量、养分含量、养分分配、产量及构成因素均采用单因素方差分析,多重比较采用 Duncan 法。数据整理与作图分别采用 Excel2016 与 Origin 2021,数据分析采用 SPSS 22.0[11]。
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2 结果与分析
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2.1 氮肥减量氨基酸配施对棉田植株各器官生物量的影响
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棉花各器官生物量总体表现出随施氮量减少而降低的趋势(表3),各处理间的植株生物量总体表现为 70%N+AA>130%N>100%N>70%N>0%N; 相比于 130%N 处理,70%N 处理植株的生物量降低了 9.62 g。氨基酸可以在氮肥减量条件下促进植株生物量的累积;相比于 70%N 处理,70%N+AA 处理的生物量提高了 18.09%。而相比于 100%N 处理,70%N+AA 处理的生物量也有所提高,提高了 12.44%,减氮配施氨基酸可使植株生物量达到与测土配方推荐用量同样的效果,甚至更优。
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2.2 氮肥减量氨基酸配施对棉田植株各器官含氮量的影响
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棉花各器官含氮量表现为随施氮量减少而降低,或先增加后下降的趋势(表4);茎的含氮量在 130%N 处理时最高;叶、壳、絮、籽的含氮量均在 100%N 处理时最高。氨基酸可以在氮肥减量条件下有效提高植株含氮量;相比于 70%N 处理, 70%N+AA 处理显著提高了叶、絮的含氮量(P <0.05),分别显著提高了 16.83%、14.16%。而相比于 100%N 处理,70%N+AA 处理的茎、叶、壳、絮含氮量也有所提高,提高了 2.18%~6.81%,减氮配施氨基酸可使植株含氮量达到与测土配方推荐用量同样的效果。
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注:不同小写字母表示各处理间在 P<0.05 水平上差异显著。下同。
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2.3 氮肥减量氨基酸配施对棉田植株各器官磷、钾含量的影响
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棉花各器官含磷量、含钾量随施氮量减少呈先增加后下降的趋势(表5、表6),在 100%N 处理达到最高。氨基酸能在氮肥减量条件下适当提高植株器官的含磷量、含钾量;相比于 70%N 处理,70%N+AA 处理显著提高了壳、籽的含磷量 (P<0.05),分别显著提高了 40.35%、11.26%;相比于 70%N 处理,70%N+AA 处理显著提高了叶、籽的含钾量(P<0.05),分别显著提高了 24.48%、7.92%。
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2.4 氮肥减量氨基酸配施对棉田植株氮素、磷素、钾素吸收量及各器官分配的影响
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各处理的植株氮素、磷素吸收量随施氮量减少呈现逐渐降低的趋势;钾素吸收量呈现先增加后降低的趋势,在 100%N 处理时最高(图2)。氨基酸的添加在氮肥减量的条件下有效促进了棉田植株对氮素、磷素、钾素的吸收;70%N+AA 处理的植株氮素、磷素、钾素吸收量均显著高于 70%N 处理,分别显著提高了 42.9%、50.58%、36.05% (P<0.05)。而相比于 100%N 处理,70%N+AA 处理的植株氮素、磷素、钾素吸收量也有所提高,分别提高了 17.54%、15.73%、13.75%,氮肥减量氨基酸配施可使植株养分吸收量达到比测土配方推荐用量更优的效果。
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不同处理的氮素、磷素、钾素累积吸收量在植株体内分配不同(图3);各处理中,植株籽的氮素、磷素累积吸收量高于茎、叶、壳、絮,籽的氮素、磷素累积吸收量分别占植株的 42.44%~47.33%、58.19%~67.45%。随着氮肥减量,植株籽絮的累积吸氮量、吸磷量占比均呈现先增加后降低的趋势,在 100%N 处理时最高;添加氨基酸促进了植株籽絮的累积吸氮量、吸磷量占比,相比于 70%N 处理,70%N+AA 处理增加了植株籽絮的累积吸氮量、累积吸磷量占比;70%N+AA 处理的植株茎、叶、籽钾素累积吸收量高于 70%N 处理。氮肥减量氨基酸配施可使籽絮的养分累积吸收量达到与测土配方推荐用量相同的效果,70%N+AA 处理的籽絮氮素、磷素、钾素累积吸收量均高于 100%N 处理。
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图2 氮肥减量氨基酸配施对棉花养分吸收量的影响
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注:不同小写字母表示各处理间差异在 P<0.05 水平上差异显著。
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图3 氮肥减量氨基酸配施对棉花各器官养分吸收量分配的影响
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2.5 氮肥减量氨基酸配施对棉田籽棉产量及构成因素的影响
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随着施氮量减少,籽棉产量呈现降低的趋势 (表7),各处理间的籽棉产量表现为 70%N+AA>130%N>100%N>70%N>0%N,相比于 130%N 处理, 70%N 处理的籽棉产量降低了 1111.08 kg/hm2。添加氨基酸促进了植株对氮素的吸收,从而显著增加了籽棉产量,相比于 70%N 处理,70%N+AA 处理的籽棉产量显著增加了 23.22%,达到 8230.44 kg/hm2 (P<0.05); 而 70%N+AA 处理较 100%N 处理的籽棉产量也有所增加,增加了 12.72%,减氮配施氨基酸可使籽棉产量达到比测土配方推荐用量更优的效果。分析不同处理的棉田产量构成因素可知,70%N+AA 处理的单株铃数高于 0%N、 70%N、100%N、130%N 处理,增加了 0.27~1.43 个 / 株,总体表现为 70%N+AA>130%N>100%N>70%N>0%N;各处理间棉田的单铃重和密度无显著差异(P<0.05)。
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2.6 氮肥减量氨基酸配施对棉田氮肥利用率的影响
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随施氮量减少,氮肥利用率呈现出先增后降的趋势(表8),在 100%N 处理达到最高,为 39.65%;氮肥累积利用率和氮肥偏生产力随氮肥减量呈现出增加的趋势,总体表现为 70%N+ AA>70%N>100%N>130%N;而氮肥农学效率随氮肥减量呈现降低的趋势,在 70%N 处理时最低,为 1.23 kg/kg,总体表现为 70%N+AA>130%N>100%N>70%N。添加氨基酸显著提高了棉田的氮肥利用效率指标;70%N+AA 处理的氮肥利用率显著高于 70%N 处理,达到 49.13%,总体表现为 70%N+AA>100%N>130%N>70%N;相比于 70%N 处理,氮肥累积利用率和氮肥偏生产力在 70%N+AA 处理时显著提高,分别为 209.20%、24.57 kg/kg;而相比于 70%N 处理,氮肥农学效率在 70%N+AA 处理时显著升高,达到 5.86 kg/kg。相比于 100%N 处理,70%N+AA 处理的氮肥利用率、氮肥累积利用率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力均显著提高,氮肥减量氨基酸配施可使棉田的氮肥利用效率达到比测土配方推荐用量更优的效果。
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3 讨论
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3.1 氮肥减量氨基酸配施对棉田植株各器官生物量及氮、磷、钾含量的影响
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适当的施氮量有利于棉田植株生物量的累积。本试验结果表明,施氮量对植株生物量的累积有显著影响,随着施氮量减少,植株各器官生物量总体呈现降低趋势,表现为 130%N>100%N>70%N;表明施氮量减少会导致植株生物量的降低。而在氮肥减量条件下配施氨基酸能够增加植株的生物量,这与许猛等[23]研究结果基本一致,可能是由于氨基酸与氮肥配施促进了棉花植株根系的生长,为后期棉花结铃提供了更多的养分和水分,二者配合施用比单施氮肥效果更好,适量的氮有助于地上部干物质增加[25-26];表明配施氨基酸可有效提高植株的生物量。
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植株含氮量是影响棉花生长关键因素之一。本试验研究发现,随着施氮量减少,植株各器官含氮量表现出下降,或先增加后下降的趋势,在 100%N 处理时最高;表明过量施氮或施氮不足均会导致植株含氮量的降低。而在氮肥减量条件下施加氨基酸则可以提高植株的含氮量。张英等[26]、丁继平[27]研究发现,添加氨基酸显著提高了植株营养器官的含氮量,表明氨基酸可以被植物直接吸收利用,不仅可以为植物提供有机氮营养,还可以清除植物体内的活性氧自由基[28],从而提高植株各器官的含氮量。
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随着施氮量的减少,棉花各器官磷、钾含量呈先增后降的趋势,在 100%N 处理达到最高。氨基酸配施在氮肥减量的条件下可以提高棉花各器官磷、钾含量,这与丁继平[27]研究结果一致,表明适量的氮肥施用和氨基酸添加可以促进棉花对磷、钾的吸收利用,从而提高植株各器官的磷、钾含量。
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3.2 氮肥减量氨基酸配施对棉田植株氮素吸收量及各器官分配的影响
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施氮量显著影响植株对氮素的吸收[29-30]。本试验结果表明,70%N(154 kg/hm2)处理棉花的氮素吸收量相对于 100%N 处理(220 kg/hm2)有所下降。施氮过量会造成植株贪青旺长,不利于氮素向植株各器官运输,造成资源浪费,而氮素不足会影响植株的正常生长,使得植株早衰、氮素吸收量低,不利于光合作用,导致减产、降低氮肥利用效率[31]。而在氮肥减量的条件下,氨基酸添加可以促进植株对氮素的吸收,显著提高植株的氮素吸收量。70%N+AA 处理棉花的氮素吸收量相对于 70%N 处理显著提高;相比于氮肥减量处理,添加氨基酸增加了植株的氮素吸收量,与单施氮肥相比,稳定剂配施提高了植株器官对氮素的吸收[32],这与前人研究结果[23,33-35]基本一致。表明氨基酸的添加能够提高植株的氮素吸收量。
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本试验不同处理中,棉花各器官氮素、磷素和钾素累积吸收量在植株体内的分配不同。各处理中,氮素与磷素主要被植株的籽吸收,而钾素主要被植株的茎、壳和籽所吸收;随着氮肥减量,植株籽絮的累积吸氮量、吸磷量、吸钾量占比均呈现先增加后降低的趋势,在 100%N 处理时最高。添加氨基酸增加了植株籽絮的累积吸氮量、吸磷量、吸钾量占比;相比于 70%N 处理,70% N+AA 处理植株籽絮的累积吸氮量、吸磷量、吸钾量占比均增加。这可能是由于添加氨基酸后,氨基酸发挥了生物刺激素的作用,被根系吸收之后,调控了植株代谢,提高了抗盐碱的能力,对植株生长和氮素、磷素、钾素的累积产生了促进作用[28];表明配施氨基酸可以有效促进植株各器官养分的累积吸收量。
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3.3 氮肥减量氨基酸配施对棉田籽棉产量构成、氮肥利用率的影响
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施氮量是影响棉花产量的重要因素,合理的施氮量能促进植株生长,过高或过低的施氮量都不利于产量的形成[36-40]。本试验研究结果表明,随着施氮量减少,籽棉产量呈现降低的趋势。而氨基酸添加可在氮肥减量的条件下促进植株对氮素的吸收,从而增加籽棉产量;相比于 70%N 处理,70%N+AA 处理的收获密度、单株铃数和单铃重有所提高,籽棉产量显著增加,与前人研究结果[41-44]基本一致;这可能是因为氨基酸能被植物快速吸收,对棉花生长有一定的积极调控促进作用,可以增产、提高抗逆性、改良活化土壤、用于盐碱等胁迫条件下改善作物生长状况、提高产量[43-45],表明配施氨基酸可提高植株成活率与单株铃数,从而显著提高籽棉产量。
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氮肥利用率是衡量氮肥用量是否合理的一项重要指标[25]。研究发现,氮肥利用率随施氮量的减少表现出先增加后下降的趋势,在 100%N 处理(220 kg/hm2)达到最高,为 39.65%,表明氮肥用量过度和不足都不利于棉花的生长,反而降低了棉田氮肥利用率,这与杜梦旗等[45]、张允昔等[46]研究结果一致。而在氮肥减量条件下添加氨基酸,会使氮肥利用率有所提高。在 70%N+AA 处理时,氮肥利用率达到 49.13%,而在 70%N 处理时,氮肥利用率仅为 18.19%;这可能是因为氨基酸是组成蛋白质的基本单位,可被农作物直接吸收、利用,能强化植物生理生化功能,加速干物质的形成和积累,提高了棉花出苗率和成活率[47],促进了植株氮吸收,响应了盐胁迫基因的诱导表达[48],进而提高氮肥利用率,这与许猛等[23]、李春梅等[25]研究结果一致;表明添加氨基酸能够显著提高棉田氮肥利用率。
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4 结论
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氨基酸的添加能在化学氮肥用量较低的条件下促进植株对氮素的吸收,显著提高籽棉产量和氮肥利用率。因此,在保证棉花产量的基础上,可通过配施氨基酸减少化学氮肥用量,提高氮肥利用率;在本研究区域,棉花膜下滴灌条件下,推荐氮肥用量为 N154 kg/hm2,配施氨基酸水溶肥为 45 kg/hm2。本研究结果可为新疆棉田化学氮肥合理施用、棉花高产稳产提供技术支持,助力新疆棉花可持续发展。
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摘要
研究氮肥减量氨基酸配施对新疆棉田棉花生长、养分吸收、产量构成及氮肥利用率的影响,为新疆棉田氮肥合理施用提供科学依据。采用大田试验方法,设置不施氮肥对照(0%N)、农户氮肥用量(130%N)、测土配方推荐氮肥用量(100%N)、氮肥减量(70%N)和氮肥减量氨基酸配施(70%N+AA)处理,测定了棉田植株生物量、各器官养分吸收量和籽棉产量,计算了棉田氮肥利用率。结果表明:(1)棉花各器官生物量表现为随施氮量减少而降低的趋势;相比于氮肥减量处理,氨基酸添加显著提高了棉花植株生物量。(2)棉花各器官含氮量表现为随施氮量减少而降低,或先增加后降低的趋势;相比于氮肥减量处理,氨基酸添加显著提高了棉花叶和絮的含氮量。(3)棉花氮素吸收量表现为随施氮量减少而降低的趋势;相比于氮肥减量处理,氨基酸添加显著提高了棉花氮素吸收量。(4)相比于氮肥减量处理(6679.48 kg/hm2 ),氨基酸添加显著提高了棉花的籽棉产量,在 70%N+ AA 处理时达到 8230.44 kg/hm2 。(5)棉田氮肥利用率随施氮量减少呈现先增加后下降的趋势,在 100%N 处理时最高,为 39.65%;相比于氮肥减量处理(18.19%),氨基酸添加提高了棉田的氮肥利用率,在 70%N+AA 处理时达到 49.13%。综上,氨基酸配施可在较低化学氮肥用量条件下,提高棉花产量和氮肥利用效率,可作为新疆棉田氮肥减施增效的有效措施。
Abstract
The effects of nitrogen fertilizer reduction and amino acid application on cotton growth,nutrient absorption, yield composition and nitrogen use efficiency in Xinjiang cotton field were studied to provide scientific basis for rational application of nitrogen fertilizer in Xinjiang cotton field. The field experiment method was used to set up no nitrogen fertilizer control(0%N),nitrogen fertilizer application rate of farmers(130%N),recommended nitrogen fertilizer application rate of soil testing formula(100%N),nitrogen fertilizer reduction(70%N)and nitrogen fertilizer reduction with amino acid application(70%N+AA). The plant biomass,nutrient uptake of each organ and seed cotton yield were measured,and the nitrogen use efficiency of cotton field was calculated. The results showed that:(1)The biomass of cotton organs decreased with the decrease of nitrogen application rate;compared with nitrogen fertilizer reduction treatment,amino acid addition significantly increased cotton plant biomass(. 2)The nitrogen content of cotton organs decreased with the decrease of nitrogen application rate,or increased first and then decreased. Compared with nitrogen fertilizer reduction treatment,amino acid addition significantly increased the nitrogen content of cotton leaves and flocs.(3)The nitrogen uptake of cotton decreased with the decrease of nitrogen application rate;compared with nitrogen fertilizer reduction treatment,amino acid addition significantly increased cotton nitrogen uptake.(4)Compared with nitrogen fertilizer reduction treatment(6679.48 kg/hm2 ), amino acid addition significantly increased the seed cotton yield of cotton,reaching 8230.44 kg/hm2 at 70% N+AA treatment. (5)The nitrogen use efficiency of cotton field increased first and then decreased with the decrease of nitrogen application rate,and the highest was 39.65% at 100% N treatment. Compared with the nitrogen fertilizer reduction treatment(18.19%), amino acid addition increased the nitrogen use efficiency of cotton fields,reaching 49.13% at 70%N+AA treatment. In summary,the combined application of amino acids improved cotton yield and nitrogen use efficiency under the condition of lower chemical nitrogen fertilizer application rate,which could be used as an effective measure to reduce nitrogen fertilizer application and increase efficiency in Xinjiang cotton field.