摘要
为了研究“干播湿出”模式下不同生物刺激素对棉花苗期生长的影响，探讨适宜“干播湿出”模式的生物刺激素，在 2022―2023 年开展盆栽试验，采用“干播湿出”的种植模式，试验设计 7 个不同肥料和生物刺激素处理。研究不同处理对棉花的出苗率、农艺性状、干物质质量以及棉株氮、磷、钾吸收和转移的影响。试验结果表明，随水滴入肥料和生物刺激素对棉花出苗率无显著影响；但对棉花苗期生长有显著的影响。两年随水滴入肥料和生物刺激素都显著提高棉花的株高、茎粗和蕾数；2022 年苗期和 2023 年蕾期滴入肥料和生物刺激素处理的单株干物质质量和养分吸收量也都显著高于 T1 处理，表明滴入肥料和生物刺激素对“干播湿出”棉花生长有显著的影响。T3 和 T7 处理的干物质质量和蕾期氮、磷、钾吸收不仅显著高于 T1 处理，且都高于其他滴灌生物刺激素的处理。综合分析两年“干播湿出”模式下不同生物刺激素处理棉花的生长性状，T3 和 T7 处理主成分分析综合得分居前两位，且聚类分析将 T3 和 T7 处理分为一类。基于本试验研究结果，T3 和 T7 处理更适合“干播湿出” 的模式棉田，矿源黄腐酸钾和聚谷氨酸是较为适宜添加的生物刺激素。
Abstract
The aimed to clarify the effects of different biostimulants on cotton seedling stage under“dry sowing and wet emergence”mode，and to explore the biostimulants suitable for the“dry sowing and wet emergence”mode. The pot experiment was carried out in 2022 and 2023，and seven different fertilizer and biostimulant treatments were designed under“dry sowing and wet emergence”mode. The effects of different treatments on the emergence rate，agronomic traits，dry matter weight，and the nutrient uptake and transfer of cotton plants were examined. The results showed that the dropping of fertilizer and biostimulants with water had no significant effect on the emergence rate of cotton. However， it had a significant effect on the growth of cotton seedlings. Fertilizer and biostimulant treatments with water dropping significantly increased the plant height，stem diameter and square number of cotton in 2022 and 2023. The dry matter weight and nutrient uptake per plant of fertilizer and biostimulant treatments were also significantly higher than those of T1 treatment in the seedling stage of 2022 and the squaring stage of 2023. The results showed that the dropping of fertilizer and biostimulants with water had a significant effect on the growth of“dry sowing and wet emergence”cotton. The dry matter weight and the nutrient uptake of T3 and T7 treatments were not only significantly higher than those in T1 treatment，but also higher than those in other biostimulant treatments. In a comprehensive analysis of the cotton growth traits with different biostimulants under the“dry sowing and wet emergence”mode in 2022 and 2023，the comprehensive scores of T3 and T7 treatments ranked the top two in principal component analysis，and the T3 and T7 treatments were divided into one category in the cluster analysis. Based on the results of this experiment，T3 and T7 treatments were more suitable for“dry sowing and wet emergence”cotton fields，and mineral source fulvic acid potassium and polyglutamic acid are suitable biostimulants.
新疆土壤盐渍化较重[1]，传统棉花种植采用冬灌或春灌的方式压盐排盐和造墒播种，加剧了水资源短缺的问题[2-3]。棉花“干播湿出”技术是不进行冬春灌、耕地后铺地膜和滴灌带、播种后滴水出苗的模式，该技术不仅节约大量农业用水，还能灵活掌握棉花播种期，达到避灾减灾、增产增效的作用[4-5]。目前，“干播湿出”的技术除了农田设施的限制，其重度盐碱地保苗风险大，滴施出苗水后盐分聚集、种孔处未及时覆土和膜内的水分蒸发以及土壤紧固硬化等问题都使萌发的种子无法正常出苗、生长[6]。北疆棉区由于普遍采用“干播湿出” 技术，多数棉农已经不施基肥，造成棉花苗、蕾期养分供应不足，从而影响产量。南疆气候干旱、降水量少、盐碱地多，阿克苏、库尔勒、塔里木、图木舒克、阿拉尔等地区借鉴北疆棉区“干播湿出” 的种植经验进行了示范推广，但成功试验区域土壤一般为壤土或砂壤土且盐碱含量不高，在重度盐碱地示范推广出现缺苗和死苗等问题，进而也对棉花产量造成一定的影响[5-6]。同时，新疆棉花播种季低温灾害频发，出苗期遭遇低温，导致棉种萌发率和出苗率均下降；苗期遭遇低温，使得棉株呼吸作用、光合效率、抗病力均降低，导致幼苗生长延缓，如危害时间延长会造成大面积僵苗、死苗，直接影响棉花产量和品质[7]。而随出苗水滴施肥料和生物刺激素是一种有效的解决方案[6]。植物生物刺激素指用于促进植物生长发育、缓解非生物胁迫及提高作物品质的物质或微生物，是一种新型的农资投入品[8-10]。20 世纪 70 年代西班牙格莱西姆矿业公司首先提出“植物生物刺激素”一词[10]，2012 年欧洲生物刺激素产业联盟将植物生物刺激素定义为除营养物质和杀虫剂以外的物质和原料，其作用于植物或根际时，能够对植物的生长、发育和 / 或应激反应具有潜在益处的方式来改变植物的生理过程； 根据其来源和活性成分可将生物刺激素分为腐殖质、壳聚糖、蛋白质水解物、海藻提取物、无机化合物和微生物[11]。目前常见的生物刺激素包括腐植酸、氨基酸、聚谷氨酸和海藻提取物等，前人的研究表明，腐植酸类[12-14]、聚谷氨酸[15-16]、海藻酸等[17]不仅对作物种子萌发和苗期生长过程具有积极作用，而且可以改善土壤的物理、化学和生物特性，进而有效地提高出苗率，减少死苗现象的发生。苗期是棉花生育期打基础的重要阶段，也是棉花高产优质的基础阶段，苗期的棉花对于养分缺乏十分敏感，有效地补充养分对于其生长有重要的意义[16]，但目前关于在“干播湿出”棉田苗期应用生物刺激素的研究较少。本研究以“干播湿出”棉花为研究对象，基于基础的肥料组合，设置黄腐酸钾、海藻酸、氨基酸和聚谷氨酸等常见的生物刺激素处理，研究不同生物刺激素随水滴灌对棉花出苗率、农艺性状、干物质质量以及养分吸收和转移的影响，探讨适宜“干播湿出”模式的生物刺激素，为“干播湿出”棉田高效栽培提供理论依据，对干旱区农业滴灌技术的节水增效和可持续生产具有重要意义。
1 材料与方法
1.1 试验设计
试验于 2022—2023 年在河南省安阳县白壁镇中国农业科学院棉花研究所试验农场进行，供试品种为冀棉 228。试验采用盆栽方式，所用塑料箱长 40 cm、宽 30 cm、高 28 cm。供试土壤为壤质潮土，土壤碱解氮 55.5 mg·kg-1、有机质 10.9 g·kg-1、有效磷 6.4 mg·kg-1、速效钾 115.8 mg·kg-1、pH 7.8、水溶性盐含量 0.4 g·kg-1。试验设计 7 个处理，试验设计见表1，T1 处理不施用肥料和生物刺激素， T2～T7 处理肥料和生物刺激素随出苗水滴入，以 T2 处理肥料组合为基础组合，T3～T7 处理添加了生物刺激素，且 T2～T7 处理肥料和生物刺激素中氮、磷、钾养分用量相同（N、P2O5、K2O 分别为 9、 18 和 9 kg·hm-2），磷酸脲购于甘肃瓮福化工有限责任公司，矿源黄腐酸钾和生化黄腐酸钾购于新疆心连心能源化工有限公司，氨基酸购于郑州润达化工有限公司，海藻酸购于北京索莱宝科技有限公司，聚谷氨酸购于武汉光华时代生物科技有限公司。
2022 年 9 月 16 日和 2023 年 5 月 15 日采用“干播湿出”方式种植，每个处理设计 5 个重复，先播种，播种深度为 2 cm，播种后使用塑胶软管和滴灌渗水器模拟滴灌，第一水（出苗水）的灌水量为 300 m3 ·hm-2，滴头流量约为 1.8 L·h-1，肥料和生物刺激素随出苗水滴入，滴灌后覆膜。出苗之后根据土壤墒情灌溉，各处理灌水量一致。2022 年试验主要测定棉花苗期情况，2023 年又增加了棉花蕾期生长状况及植株养分的测定。
表1不同处理的肥料和生物刺激素及其养分含量
1.2 测定内容与方法
1.2.1 出苗率
播种后第 7 d 统计计算出苗率，计算公式：
出苗率（%）＝出苗数 / 供试种子粒数 ×100
1.2.2 农艺性状
在苗期，调查每个处理全部棉株的农艺性状 （包括真叶数、株高、茎粗）。在蕾期，调查每个处理全部棉株的株高、茎粗和现蕾数。
1.2.3 干物质和植株养分
选取 3 株代表该处理长势的棉株为 1 个重复，每个处理取 3 个重复，105℃下杀青 30 min，70℃下烘干至质量恒定，称重并计算整株的干物质质量。烘干称重后的样品磨碎过筛后，采用 H2SO4-H2O2 消煮，半微量蒸馏法测定植株的氮含量，钼锑抗比色法测定植株的磷含量，火焰光度法测定植株的钾含量。
1.2.4 植株养分转移效率
计算蕾期的棉株养分转移效率[18]，计算公式：
植株养分根效率比（mg·g-1）= 地上部养分吸收量（mg）/ 单位根质量（g）
植株养分转移效率（%）= 地上部养分吸收量 / 植株养分累积量 ×100
1.3 数据处理
采用 Excel 2003 进行数据处理，采用 SPSS 26.0 进行方差分析和主成分分析，采用最小显著差数法检验显著性，用 Origin 2018 绘图。主成分特征向量、主成分得分和主成分综合得分的计算公式[19]：
其中，i=1，2，3，...，m；j=1， 2，3，...，n
式中，Nij 为 i 指标的第 j 个主成分的特征向量，Hij 为 i 指标的第 j 个主成分的载荷值，Aj 为第 j 个主成分的特征值，Qja 为第 a 个处理的第 j 个主成分得分，Ii 为 i 指标的标准化值，Da 为第 a 个处理主成分综合得分，Gj 为第 j 个主成分的贡献率。
2 结果与分析
2.1 生物刺激素对棉花出苗的影响
由图1可知，2022 和 2023 年施用肥料和生物刺激素的 T2～T7 处理的出苗率均高于不施用肥料的 T1 处理，但是处理间未达到显著差异水平，结果表明肥料和生物刺激素对“干播湿出”棉花出苗没有显著的影响。
2.2 生物刺激素对棉株农艺性状的影响
“干播湿出”模式下不同生物刺激素对棉株各性状均有一定程度的影响（图2）。2022、2023 年苗期和 2023 年蕾期 T2～T7 处理的株高显著高于 T1 处理，比 T1 处理分别增加了 46.7%～57.6%、 14.9%～33.2% 和 5.9%～24.9%。2022 年苗期、2023 年苗期和 2023 年蕾期 T2～T7 处理的茎粗也显著高于 T1 处理，分别增加了 21.9%～28.8%、 14.5%～32.1% 和 9.9%～29.3%。2022 年苗期 T2～T7 处理的真叶数显著高于 T1 处理，比 T1 处理增加了 9.1%～15.5%；但 2023 年苗期各处理间真叶数差异并不显著。T3～T7 处理的蕾数显著高于 T1 处理，对比 T1 处理增加了 41.7%～66.7%，而 T3～T7 处理间差异并不显著。另外，2023 年蕾期 T3 和 T7 处理的株高和茎粗显著高于其他处理。结果表明，滴入生物刺激素对“干播湿出”棉花生长起到一定的促进作用。
图1“干播湿出”模式下生物刺激素对棉花出苗率的影响
注：ns 为差异无统计学意义，同一年不同小写字母表示在 0.05 水平差异显著。下同。
图2“干播湿出”模式下生物刺激素对棉花农艺性状的影响
注：同一生育时期不同小写字母表示在 0.05 水平差异显著。下同。
2.3 生物刺激素对棉株干物质的影响
如图3所示，T2～T7 处理的棉花干物质质量均大于 T1 处理。2023 年苗期不同处理之间没有显著差异；2022 年苗期和 2023 年蕾期 T2～T7 处理的干物质质量都显著高于 T1 处理，且分别比 T1 处理显著提高了 36.5%～49.0% 和 33.5%～73.9%。另外，2023 年蕾期 T3 和 T7 处理的干物质均显著高于 T1 和 T2 处理，同时也高于 T4、T5 和 T6 处理。2022 和 2023 年的试验结果表明，滴入生物刺激素有利于促进“干播湿出”棉花物质累积。
图3“干播湿出”模式下生物刺激素对棉花干物质的影响
2.4 生物刺激素对棉株养分含量的影响
“干播湿出”模式下生物刺激素对棉株养分的吸收有显著的影响（表2）。在 2022 年苗期，T2～T7 处理的氮、磷、钾吸收量显著高于 T1 处理，但是 T2～T7 处理间差异不显著，比 T1 处理氮、磷和钾的吸收量分别增加了 40.1%～51.1%、42.3%～78.2% 和 42.2%～76.2%。在 2023 年蕾期，T2～T7 处理的氮、钾吸收量都显著高于 T1 处理，分别提高了 35.3%～78.8%、33.4%～74.4%；T3 和 T7 处理磷的吸收显著高于 T1 处理。试验结果表明，滴入肥料和生物刺激素有利于促进“干播湿出”棉花养分的吸收。
2.5 生物刺激素对棉株养分转移的影响
“干播湿出”模式下生物刺激素对蕾期棉株地下部和地下部养分吸收转移的影响如表3所示， T2～T7 处理的根冠比都高于 T1 处理，但是差异不显著。T1 处理氮、磷、钾根效率比和氮、磷、钾转移效率基本高于其他处理，且 T1 处理的磷根效率比显著高于 T7 处理，钾根效率比显著高于 T3 和 T7 处理。试验结果表明，滴入肥料和生物刺激素具有明显促进根系生长发育的作用。
表2“干播湿出”模式下生物刺激素对棉花氮磷钾累积量的影响
注：同一列数据后不同小写字母表示在 0.05 水平差异显著。下同。
表3“干播湿出”模式下生物刺激素对棉花养分转移的影响
2.6 “干播湿出”模式下不同生物刺激素的综合评价
对 2022 和 2023 年“干播湿出”模式下棉花的生长指标进行主成分分析（表4），以特征值 >1.0 为标准，提取到 5 个主成分，方差贡献率依次为 57.96%、17.84%、9.75%、7.24% 和 4.70%，累计方差贡献率达 97.49%，即这 5 个主成分可以代表不同处理的大部分信息。通过每个主成分乘以各自权重值（方差贡献率）得到综合得分，对不同处理进行综合评价。由表5可知，单从不同处理的综合性状来看，T2～T7 处理的综合得分远大于 T1 处理，结果表明，滴入肥料和生物刺激素对“干播湿出”棉花有显著的影响。
表4主成分分析特征值和方差贡献率
以两年“干播湿出”模式下不同生物刺激素棉花的生长性状为指标，采用系统聚类法，利用欧氏距离（绝对值最长距离）对不同处理进行聚类分析，在欧氏距离 20 处，可将 7 个处理分为 3 类（图4）。其中，第 1 类为 T1 处理，没有滴入肥料和生物刺激素，主成分分析综合得分最低；第 2 类为 T2、T4、T5、T6 处理，肥料和生物刺激素随水滴入，包括基础肥料组合的 T2 处理；第 3 类为 T3、T7 处理，肥料和生物刺激素随水滴入，主成分分析综合得分居前两位。
表5不同生物刺激素处理的主成分分析综合得分
图4不同肥料处理苗期和蕾期的聚类分析
3 讨论
在新疆水资源稀缺的背景下，“干播湿出”技术改变棉花种植模式，将原来的冬春灌蓄水保墒模式转化为播种时的地膜保墒和滴灌补墒模式[2，20]，在一定程度上缓解了新疆农业用水紧张的问题。新疆的盐碱耕地面积分布较广[1]，棉花虽然属于耐盐碱作物，但萌发出苗和幼苗阶段是棉花耐盐能力较弱的时期[21]，关于“干播湿出”技术的研究也表明了容易出现缺苗、死苗、僵苗等问题，因此本文针对“干播湿出”技术开展生物刺激素对棉花苗期生长影响的研究。研究表明添加生物刺激素对 “干播湿出”棉花出苗没有显著的影响，董欣等[22] 的研究也表明了滴施腐植酸等改良剂的“干播湿出”棉田并不能显著提升棉花出苗率。滴入生物刺激素并不能提高棉花出苗率，影响出苗率的原因主要还是土壤墒情[23]、播种技术和种植方式[24]等。因此，“干播湿出”种植模式还是需要改善其他栽培措施来解决出苗率的问题。
随着出苗水滴入的肥料和生物刺激素虽然对棉花出苗率没有显著的影响，但是对苗期生长指标有显著的影响。株高和茎粗都是反映作物生长状态的有效指标，前人的研究表明，黄腐酸钾可以提高作物的株高和干物质质量[25]；聚谷氨酸能显著增加棉花株高、茎粗和干物质质量[26]，促进植物对养分的吸收[27]；氨基酸对作物生长发育和养分吸收有显著影响[28]。本研究试验结果表明，滴入肥料和生物刺激素显著提高了“干播湿出”棉花株高、茎粗，显著提高了 2022 年苗期真叶数、2023 年蕾数；2022 年苗期和 2023 年蕾期滴入肥料和生物刺激素处理的单株干物质质量也显著高于 T1 处理，与前人研究结果一致。棉花幼苗期尤其是三叶期以前，从土壤中吸收养分的能力比较低，主要靠种子自身的储存来满足；2023 年苗期的真叶数和干物质质量并没有显著增加，应该是由于取样时期为 1～2 叶期，取样时期太早造成处理间的差异不显著。由此可知，随生育进程的推进，滴灌肥料和生物刺激素对棉株生长的影响在增加。2022 年苗期 T2～T7 处理的氮、磷、钾吸收显著高于 T1 处理， 2023 年蕾期 T2～T7 处理的氮、钾吸收量显著高于 T1 处理，T2～T7 处理磷吸收高于 T1 处理，进一步表明了滴灌肥料和生物刺激素对棉株生长有显著影响，且该影响随着生育进程的推进在增加。植物养分根效率比主要是指单位根系干物质质量所能产生的地上部养分含量，植株养分转移效率反映植株将根部吸收的养分运输到地上部的能力[18]，本研究中棉株将根部吸收的养分转移到地上部的能力（即养分转移效率）基本一致，说明滴入肥料和生物刺激素对前期“干播湿出”棉花养分转移效率没有显著影响。文中 T2～T7 处理的根冠比都高于 T1 处理，但是氮、磷、钾根效率比和氮、磷、钾转移效率基本都低于 T1 处理，因为滴灌肥料和生物刺激素的处理根系和根部养分吸收的比例增加，表明滴入肥料和生物刺激素对“干播湿出”棉花根部生长有显著的影响。根部优势越明显，越有利于形成健壮的棉株，而且相比于单施化肥，添加生物刺激素的处理在促进棉花根部生长更具有良好的效果，这可能是由于生物刺激素不仅提供了营养，而且改善了土壤结构[15]。前人的研究表明，生物刺激素可以改善土壤的物理、化学和生物特性[25]，土壤性状会直接或间接影响棉株对养分的吸收利用，这为生物刺激素对作物生长发育的调控奠定了基础。
磷酸脲是一种含氮、磷的高浓度生态环保型水溶肥料，水溶液呈酸性，能降低土壤微区的 pH，改变土壤酸碱平衡，改善土壤理化性状，改良土壤结构，近年来在新疆等西北盐碱土壤上的应用效果良好[29]；作为棉花膜下滴灌专用肥，可以充分发挥滴灌技术定量的可控优势，提高肥料利用率，促进棉花的生长，提高棉花的品质[30]。本研究以尿素、磷酸脲和硫酸钾为基础组合，T3～T7 处理在此基础上增加了生物刺激素。黄腐酸钾不仅可以改善棉花的生产力[14]，而且可有效提高植株养分的利用率[31]。黄腐酸按其原材料的来源分为矿源黄腐酸和生化黄腐酸 2 种，矿源黄腐酸来源于草炭、褐煤、风化煤等，对于农作物在提高肥料利用率、增加土壤有机质方面优于生化黄腐酸，且效果可控性与稳定性也优于生化黄腐酸[32]。矿源黄腐酸钾是以矿源黄腐酸为原料同氢氧化钾或碳酸钾反应制成的产品[33]，在农业应用中作用显著，具有促进作物生长势[34]以及增产提质的效果[34]。聚谷氨酸是一种新型植物生长调节剂，具有保水保肥等特点[35]，能显著促进棉花生长[15-26]。本试验条件下 T3 和 T7 处理蕾期的株高和茎粗不仅显著高于不施肥和基础肥料处理，而且显著高于其他生物刺激素处理；干物质质量和氮、磷、钾吸收也都显著高于不施肥和基础肥料处理，并且高于其他生物刺激素处理，由此可见矿源黄腐酸钾和聚谷氨酸更能促进健壮棉株的形成，极大地增强了棉株的养分吸收能力，增加物质累积，有利于棉花生长发育。
综合分析两年“干播湿出”模式下不同处理棉花的生长性状，T3 和 T7 处理主成分分析综合得分居前两位，聚类分析将 T3 和 T7 处理分为一类，因此，在试验设置的不同肥料和生物刺激素处理中，尿素 + 磷酸脲 + 硫酸钾 + 矿源黄腐酸钾（T3 处理） 和尿素 + 磷酸脲 + 硫酸钾 + 聚谷氨酸（T7 处理） 更适合“干播湿出”模式棉田，在新疆干旱区棉田生产中具有良好的推广应用价值。但是，矿源黄腐酸钾和聚谷氨酸对棉花前期生长的促进作用仅在本试验土壤条件下表现为最优，未来研究还可以继续设置不同盐分梯度试验验证这一结果。同时，由于该试验是盆栽试验，与实际生产条件存在一定差异，未来聚谷氨酸与矿源黄腐酸钾的应用及推广还有待进一步大田验证，进而为实际的生产实践提供一定的参考。
4 结论
“干播湿出”植棉模式下，随水滴入肥料和生物刺激素对棉花出苗率无显著影响；但对棉花苗期生长有显著的影响。两年随水滴入肥料和生物刺激素都显著提高棉花的株高、茎粗和蕾数；2022 年苗期和 2023 年蕾期滴入生物刺激素处理的单株干物质质量和养分吸收量也都显著高于对照处理，表明滴灌生物刺激素对“干播湿出”棉花生长有显著的影响。T3 和 T7 处理的干物质质量和蕾期氮、磷、钾吸收不仅显著高于 T1 处理，且都高于其他生物刺激素处理，而且基于棉花生长指标的主成分分析结果表明 T3 和 T7 处理综合得分居前两位，聚类分析也将 T3 和 T7 处理分为一类。基于本试验研究结果，T3 和 T7 处理更适合“干播湿出”模式棉田，矿源黄腐酸钾和聚谷氨酸是较为适宜添加的生物刺激素。