摘要
研究不同氮肥运筹对棉花生长发育、干物质积累量、氮素吸收以及产量的影响，为新疆机采棉田高产施氮管理提供理论依据。试验选用棉花品种源棉 8 号，采用双因素裂区试验设计，研究了两种基追比（基肥∶追肥 =2∶8，A1；基肥∶追肥 =0∶10，A2）下不同施氮量（207 kg/hm2 ，B1；276 kg/hm2 ，B2；345 kg/hm2 ，B3；414 kg/hm2 ，B4）对棉花农艺性状、叶面积指数、净光合速率、干物质累积量、植株氮素积累量及产量的影响。结果表明，A1 处理通过提高叶面积指数、净光合速率、植株干物质积累量、氮素积累量从而提高籽棉产量，A1 处理的籽棉产量较 A2 处理平均增加 9.53%。植株干物质总积累量、氮素总积累量随着生育进程的推进呈上升趋势，在吐絮期达最大值；棉花叶面积指数、净光合速率和产量随着施氮量的增加呈先升后降的趋势，最大值分别为 6.87、 45.40 μmol/（m2 ·s）、8254.32 kg/hm2 （A1）和 5.68、42.00 μmol/（m2 ·s）、8019.86 kg/hm2 （A2），其中 B3 处理籽棉产量较 B1、B2、B4 处理的增幅为 4.94% ～ 43.76%（A1）和 13.90% ～ 50.41%（A2）。综上所述，南疆地区种植棉花时，建议基追比为 2∶8 时，施氮量为 345 kg/hm2 ，该氮肥施用策略在提高棉花产量的同时节约氮肥投入，且该措施对南疆地区的棉花栽培具有指导价值，能够为提升棉花产量与肥料利用效率提供理论支持。
Abstract
The effects of different nitrogen fertilizer treatments on cotton growth，dry matter accumulation，nitrogen uptake and yield were studied to provide theoretical basis for high-yield nitrogen application management in machine-picked cotton fields in Xinjiang. The cotton variety Yuanmian No.8 was selected for the experiment，and the effects of two base-totopdressing ratios（A1：base fertilizer∶topdressing = 2∶8，A2：base fertilizer∶topdressing = 0∶10）with different nitrogen application rates（B1：207 kg/hm2 ，B2：276 kg/hm2 ，B3：345 kg/hm2 ，B4：414 kg/hm2 ）on agronomic traits，leaf area index，net photosynthetic rate，dry matter accumulation，plant nitrogen accumulation and yield of cotton were studied. The results showed that the seed cotton yield of A1 treatment was improved by increasing leaf area index，net photosynthetic rate， dry matter accumulation and nitrogen accumulation. Compared with A2 treatment，the seed cotton yield of A1 treatment was increased by 9.53% on average. The total accumulation of dry matter and nitrogen increased with the growth process and reached the maximum value at the batting stage. The leaf area index，net photosynthetic rate and yield of cotton increased first and then decreased with the increase of nitrogen application. The maximum values were 6.87，45.40μmol/（m2 ·s）， 8254.32 kg/hm2 （A1）and 5.68，42.00 μmol/（m2 ·s），8019.86 kg/hm2 （A2），respectively. Compared with B1，B2 and B4 treatments，the yield of seed cotton treated with B3 treatment was increased by 4.94%-43.76%（A1）and 13.90%- 50.41%（A2）. In summary，when planting cotton in southern Xinjiang，it is recommended that when the base-to-fertilizer ratio is 2∶8，the nitrogen application amount is 345 kg/hm2 . This nitrogen fertilizer application strategy can improve cotton yield and save nitrogen input at the same time，and this measure has implications for cotton cultivation in southern Xinjiang.
新疆是我国重要的优质棉生产基地，也是棉花的主产区[1]。2023 年新疆棉花总产量 511.2 万 t，占全国总产量的 90% 以上，总产、单产连续 30 年居全国首位[2]。氮素为棉花生长发育所必需的关键大量营养元素之一，氮肥施用量对棉花产量具有显著影响，是决定棉花产量的重要因素[3]，然而为实现稳产高产，棉农过度依赖增加氮肥投入而忽视棉花在不同生长条件下的需肥特性，导致氮素利用率下降及资源浪费[4-5]，这不仅导致了生产成本的显著增加，还可能引发一系列生态环境问题[6-7]。如何提升籽棉单产以增强经济效益，已成为当前棉花生产领域亟待攻克的关键课题[8]。
适宜的氮肥基追比例能提高棉花叶面积指数、净光合速率，协调营养生长和生殖生长，增加单株结铃数和单铃重，从而达到增产的目的[9-10]。增施氮肥可提升棉花叶面积指数、生物量累积和氮素吸收，利于高产及氮肥高效利用[11]；但氮肥用量需适中，过量或不足均会抑制其生长，低氮处理会抑制棉花光合产物的累积，导致其生物量增长受到限制[12]，而高氮处理则会使植株营养生长期延长，影响光合产物向生殖器官的分配，造成收获指数下降，籽棉产量反而不如中氮处理。因此，为了实现棉花的高产和稳产，选择合理的氮肥施用策略是必不可少的手段。
目前，前人研究多集中于棉花氮肥基追比或氮肥施用量方面，而关于二者互作方面的研究相对较少。为此，本试验研究了氮肥施用策略对南疆棉花生长发育及产量形成的影响，欲探明基追比与施氮量互作对棉花生长发育及产量的调控作用，进一步探索棉花氮肥基追比与施用量间的最佳平衡配比，以期达到丰产高效、品质优良的目的，为当地棉花高产优质增效栽培提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验于 2023 年在新疆阿克苏地区沙雅县海楼镇试验基地（741°17′N、82°43′E，海拔 982 m）进行，该地区属温带大陆性干旱气候，多年平均降水 47.3 mm，年蒸发量 1500～2000 mm，无霜期 180～223 d，全年日照时数 3031.2 h，年均气温 10.8℃。试验田前茬为棉花，土质为砂壤土。2023 年土壤理化性质见表1。
表1土壤理化性质
1.2 试验设计
试验采用（66+10）cm 宽窄行种植模式，供试品种为源棉 8 号。试验为双因素裂区设计，主区为氮肥基追比（质量比）2 个处理，分别为 A1，基肥∶追肥 =2∶8；A2，基肥∶追肥＝ 0∶10，副区为不同施氮量处理，分别为 207 kg/hm2 （B1）、 276 kg/hm2 （B2）、345 kg/hm2 （B3）、414 kg/hm2 （B4）、共追施 9 次氮肥，分别按比例追施 （表2）。
小区随机区组排列，重复 3 次，共计 24 个小区。幅宽 2.3 m；小区长 10 m，宽 7 m，面积为 70 m2。所有追肥均随水滴施，滴灌量和滴灌时间按照当地正常量和时段进行，灌溉方式为膜下滴灌，从 6 月底开始灌溉。
表2氮肥施用方案
1.3 测定项目与方法
1.3.1 农艺性状
于吐絮期在每小区随机选取长势均匀一致的具有代表性的连续 10 株棉花，测定株高、茎粗、主茎真叶数、果枝台数、始果枝高度、倒四叶宽、株宽等主要农艺指标。
1.3.2 叶面积指数
使用 LAI-2000 植物冠层分析仪在棉花现蕾、初花、盛花、盛铃、吐絮等各生育阶段，在田间选择长势均匀的样点，将 LAI-2000 探头水平放置在距离地面 20 cm 处，每个样点测 4 个值（即中行、宽行、边行、裸行），取平均值，重复 3 次。测定叶面积指数（LAI）。
1.3.3 净光合速率
从棉花现蕾开始，每隔 15 d 测一次，在晴朗天气的 11：30—13：30，每个处理选定朝向相同的 5片主茎功能叶（倒四叶），使用英国汉莎公司生产的 CIRAS-2 便携式光合仪测定净光合速率（Pn），使用人工光源，光强设置为 1500μmol/（m2 ·s）。
1.3.4 干物质
自棉花五叶期开始，每隔 15 d，于每小区选取长势均匀一致的具有代表性的3株棉花植株，自子叶节处剪去根系，将植株分为茎枝、叶、蕾花、铃等器官并分装入袋，然后将分装的样品放入 105℃ 烘箱中杀青 30 min，降至 80℃恒温烘干至恒重，冷却后取出测定各器官的干物质重量。
1.3.5 植株氮素
将棉花盛蕾期、初花期、盛花期、盛铃前期、盛铃后期、吐絮期烘干的棉株分为营养器官和生殖器官两部分粉碎，用 H2SO4-H2O2 消煮后采用奈氏比色法测定植株不同部位全氮含量，公式：氮素吸收量（kg/hm2）= 植株生物量（kg/hm2）× 含氮量 （g/kg）/1000。
1.3.6 产量及构成因素
棉花收获期内，对各小区的总收获株数和总铃数进行计数；选取各小区内代表性棉株，将已吐絮棉铃按下部（1～3 果枝）30 朵、中部（4～6 果枝）40 朵、上部（7 以上果枝）30 朵进行采摘，晾干轧花后分别称重，计算棉花单铃重和衣分，最终计算各小区籽棉产量与皮棉产量，各小区重复 3 次。
1.3.7 纤维品质
将各处理棉花样品使用皮辊轧花机获得皮棉，并随机选取 20 g 皮棉送往农业农村部棉花品质监督检验测试中心（乌鲁木齐）检测，测定其纤维品质指标。
1.4 数据处理
试验数据使用 SPSS 19.0 进行方差分析，采用 LSD 法进行处理间多重比较（P<0.05），利用 Excel 2016、Graphpad prism、Origin 8.5 整理数据并绘图。
2 结果与分析
2.1 不同氮肥运筹对棉花农艺性状的影响
如表3所示，A1 处理的株高、茎粗、主茎真叶数、果枝数、始果枝高度、倒四叶宽均高于 A2 处理，其中 A1 的 B3、B4 处理株高显著高于 A2 处理，分别高出 4.69%、2.50%。在相同基追比处理下，棉花各农艺指标随着施氮量的增加而增大，均表现为 B4>B3>B2>B1，表明施氮肥对农艺性状的各项指标有促进作用；B4 处理的株高和始果枝高度与 B1、B2、B3 处理差异显著，其中 B4 处理的株高较 B1、B2、B3 处理分别高 21.82%、11.22%、 6.44%（A1）和 23.57%、10.22%、8.72%（A2）。二者互作下，以 A1 的 B4 处理棉花长势最好，其株高、茎粗、主茎真叶数、果枝数、始果枝高度、倒四叶宽最高，较同水平下 A1 的 B1 处理分别增加 21.82%、6.09%、10.59%、19.00%、20.25%、12.93%。
表3不同处理对棉花收获期农艺性状的影响
注：A 为氮肥基追比，B 为不同施氮量；同列不同小写字母表示同一指标下 8 个处理组合间的差异达 5% 显著水平；*、** 分别表示在 0.05、0.01 水平上显著，ns 表示不显著。下同。
2.2 不同氮肥运筹对棉花叶面积指数的影响
如图1所示，全生育期 LAI 呈先上升后下降的趋势，各处理 LAI 在盛铃期达到最大值。A1 水平下的 LAI 整体高于 A2，较 A2 分别平均高出 29.94%、 32.63%、17.77%、22.89%、12.52%。自初花期开始，各处理的 LAI 随着施氮量的增加呈先升后降的趋势，均在 B3 处理下有最大值，盛花期和盛铃期各处理间差异显著；其中，盛铃期 B3 处理比 B1、 B2、B4 处理分别高出 27.17%、18.36%、6.68% （A1） 和 30.15%、19.33%、5.97%（A2）； 盛花期和吐絮期各处理 LAI 表现为 B3>B4>B2>B1。二者互作下，棉花 LAI 在 A1 的 B3 处理达最大值，为 6.87，显著高于同水平下的其他处理。由此可见，适宜基追比和施氮量能维持较高的 LAI。
2.3 不同氮肥运筹对棉花净光合速率的影响
如图2所示，Pn 在全生育期呈单峰曲线状，均在盛花期达最大值。随着生育进程的推进，Pn 在各生育期差异显著。全生育期，A1 的 Pn 均高于 A2，其中 A1 的 B3 处理在各生育阶段分别比 A2 显著高 12.26%、11.49%、8.10%、24.92%、18.88%。同一基追比水平下，Pn 在各生育阶段随着施氮量的增加呈先增后降的趋势，在 B3 处理下达最大值，其中盛花期的 B3 处理比 B1、B2、B4 处理分别高 16.61%、10.02%、7.58%（A1）和 28.44%、12.90%、 8.43%（A2）。二者互作下，棉花 Pn 在 A1 的 B3 处理达最大值，为 45.40 μmol/（m2 ·s），在同一水平下表现为 B3>B4>B2>B1。
2.4 不同氮肥运筹对棉花干物质积累与分配的影响
如图3所示，干物质总积累量随着生育进程的推进逐渐增加，在吐絮期达最大；营养器官干物质积累量在盛铃期达最大，随后开始下降；生殖器官干物质积累量随着生育时期不断增加。在盛花期前各处理干物质总积累量差异不显著，盛花期后各处理干物质量迅速积累，且各处理间差异显著。各生育时期 A1 干物质总积累量均大于 A2，各生育时期 A1 分别平均较 A2 提高 14.51%、 11.29%、8.23%、10.05%、8.42%、13.11%，其中盛铃期和吐絮期 A1 与 A2 各处理干物质总积累量差异显著，A1 的 B1、B2、B3、B4 处理较 A2 分别增加 7.94%、9.35%、12.57%、9.80%（盛铃期）和 13.47%、14.24%、12.88%、12.05%（吐絮期）。同一基追比下，盛铃期前干物质总积累量随着施氮量的增加而增加，表现为 B4>B3>B2>B1。在盛铃后期和吐絮期，B3 处理干物质总积累量高于其他处理，表现为 B3>B4>B2>B1；吐絮期 B3 处理分别比 B1、B2、B4 高出 8.09%、13.58%、3.46%（A1）和2 8.76%、14.95%、2.70%（A2）。可见，适宜施氮量可有效提高棉花的干物质总积累量。
图1不同处理棉花叶面积指数的比较
图2棉花功能叶（倒四叶）净光合速率的比较
注：不同小写字母表示不同处理间差异达 5% 显著水平。下同。
图3不同处理对棉花干物质积累与分配的影响
2.5 不同氮肥运筹对棉花氮素积累与分配的影响
如图4所示，随着生育进程的推进，各处理氮素总积累量呈上升趋势，营养器官氮素积累量在盛铃期达到最大，生殖器官氮素积累量则呈持续上升趋势，在吐絮期达到最大。营养器官和生殖器官氮素积累量表现为 A1>A2，A1 较 A2 分别平均增加 11.54% 和 8.58%。在同一基追比水平下，除初花期外，氮素总积累量随着施氮量的增加呈先上升后下降的趋势，在 B3 处理下达最大值。初花期至吐絮期，生殖器官氮素积累量随着施氮量的增加呈先升后降的趋势，在 B3 处理下达最大。吐絮期，生殖器官氮素积累量表现为 B3>B4>B2>B1， B3 处理比 B1、B2、B4 处理分别高 7.25%、3.05%、 1.22%（A1）和 12.02%、9.34%、2.78%（A2）。
图4不同处理对棉花氮素积累与分配的影响
2.6 不同氮肥运筹对棉花产量及其构成因素的影响
由表4可知，A1 处理单株结铃数、单铃重、籽棉产量、皮棉产量均高于 A2 处理，A1 平均分别较 A2 增加 7.75%、2.88%、9.53%、9.02%，其中 A1 的 B2、B4 处理单株结铃数、籽棉产量、皮棉产量显著高于 A2，分别高 9.54%、11.69%、11.71%（B2）和 13.39%、17.28%、16.44%（B4）。随着施氮量的增加，单株结铃数、单铃重、籽棉产量和皮棉产量呈先升后降的趋势，表现为 B3>B2>B4>B1。其中 B3 处理的籽棉产量分别为 8254.32 和 8019.86 kg/hm2，分别比 B1、B2、B4 处理高 43.76%、4.94%、14.63% （A1）和 50.41%、13.90%、30.62%（A2）；单株结铃数分别高 33.34%、2.84%、6.89%（A1）和 36.79%、 9.54%、17.86%（A2）；单铃重分别高 9.80%、0.99%、 5.91%（A1）和 9.86%、1.15%、8.84%（A2）；收获株数和衣分无显著差异。二者互作下，以 A1 的 B3 处理单株结铃数、单铃重、籽棉产量、皮棉产量最高，分别为 5.43 个、7.17 g、8254.32 kg/hm2、3384.27 kg/hm2，表明施氮对棉花产量有促进作用。如图5所示，施氮量与产量进行非线性拟合曲线呈现开口向下的抛物线形式，当施氮量为 345 kg/hm2 时，各处理产量均为最高值，表明当施氮量为 345 kg/hm2 时更适宜棉花种植，在此施氮量基础上增加或者减少施氮量均不利于作物高产的形成。
表4不同处理下棉花产量及产量构成因素
图5施氮量与产量的关系
2.7 不同氮肥运筹对棉花纤维品质的影响
由表5可知，基追比对单株结铃数有极显著影响。施氮量对单株结铃数、单铃重、籽棉产量与皮棉产量有极显著影响。基追比与施氮量的交互作用对各项指标无显著影响。A1 处理的纤维长度、断裂比强度、整齐度、马克隆值和纺织参数平均较 A2 处理分别增加了 0.99%、2.29%、0.21%、0.63% 和 1.55%，短纤维率则降低了 4.42%。不同施氮水平下，纤维长度、断裂比强度、整齐度、马克隆值随着施氮量的增加呈先增后减的趋势，短纤维率、纺织参数无明显变化规律。二者互作下，A1 的 B3 处理纤维长度、断裂比强度、整齐度、马克隆值最高，较 A2 的 B1 处理分别增加了 2.36%、4.63%、 1.35%、4.21%。
表5不同氮肥运筹对棉花纤维品质的影响
3 讨论
不同基追比和施氮量对棉花生长发育有显著影响。刘翠等[13]研究表明，在施氮量相同的条件下，氮肥基肥∶追肥为 2∶8 时的杂交棉株型合理，植株健壮，真叶 14.4～14.8 片，倒 4 叶宽和果枝数具有优势。本试验结果表明，A1 处理提高了棉花的株高、茎粗、真叶数、果枝数、倒四叶宽，这与刘翠等[13]的研究结果一致。本研究中，在同一基追比下，随着施氮量的增加，各农艺指标也随着施氮量的增加而增加，在 B4 处理下各农艺指标均达最大值。其中，B4 处理的株高较 B1、B2、 B3 处理分别高 21.82%、11.22%、6.44%（A1）和 23.57%、10.22%、8.72%（A2），这与王钊[14] 和彭增莹等[15]的研究结果相似，随着施肥量的增加，棉花株高、倒四叶宽、果枝数、茎粗也随之增加。
李鹏程等[16]和刘成敏等[17]研究结果表明，棉花 LAI 和 Pn 均随着施氮量的增加而增加，而范军亮等[18]的研究结果表明，LAI 随着施氮量的增加呈先增加后降低的趋势，在 N300 处理下达到最大值。本试验与部分前人研究不一致，这可能与种植模式、试验地环境条件、管理措施等相关。本试验中，处理间 LAI 和 Pn 随着施氮量的增加先增加后降低，在 B3 处理下达到峰值，当施氮量为 207～345 kg/hm2 时，LAI 和 Pn 随着施氮量的增加而增大，当施氮量到达 414 kg/hm2 时则下降。结果表明，施氮可以使棉花生育期后期的叶片维持一定的光合能力[19]，但施氮量过高时，对棉花光合能力会有抑制作用[20]。
干物质积累是产量形成的基础[21]。本研究中，随着施氮量的增加，棉花干物质总积累量呈先上升后降低的趋势，表现为 B3>B4>B2>B1，这与马腾飞等[22]的研究结果一致；棉花营养器官干物质积累量随着施氮量的增加表现为逐渐增大的趋势，但生殖器官则表现为先升后降的趋势。其中，B4 处理生殖器官占比低于 B3 处理，表明高施氮量会降低生殖器官干物质占比，这与宋兴虎等[23]的研究结果一致。可见，氮肥过量会使棉花营养生长与生殖生长失调，营养生长过旺，生殖生长减弱，不利于生殖器官干物质的积累[23]。
棉花氮素吸收是干物质积累的前提[24]，陈宝燕等[25]研究结果表明，“前重后轻”的施氮处理能促进氮素吸收，这与本试验研究结果一致。本研究中，以基肥∶追肥 =2∶8（A1）的处理氮素总积累量较好。棉株对氮素的吸收与施氮量呈正比，氮素积累量随施肥量的增加呈增加趋势，但过量施用氮肥不会显著增加棉株的吸氮量，甚至产生氮胁迫，抑制氮素吸收[26-27]。本研究中，棉花氮素积累总量随着施氮量的增加呈先升后降的趋势，在 B3 处理下，棉花生殖器官氮素积累量分配比例较高，在 B4 处理下，生殖器官氮素积累量减少，这与刘伟等[28]试验结果相似，当常量施氮时，氮素分配到生殖器官的比例最高，有利于产量的形成，当过多或过少时，氮素则分配到营养器官的比例较高，不利于棉花增产。
合理施氮可以增加产量[17]，本研究中，在 A1 （基肥∶追肥为 2∶8）处理下，棉花单株结铃数、单铃重和产量较好，这与赵强等[29]的研究结果一致。兰茜等[30]的研究结果表明，单株铃数和籽棉产量随施氮量的增加而增加，且影响显著，但对衣分无显著影响，王肖娟等[31]研究表明，棉花产量随施氮量的增加先增后减，施氮量 360 kg/hm2 时产量最高，这与本试验中提出的推荐氮肥用量 345 kg/hm2 （B3）基本相当。本研究中，在 A1 水平下， B3 处理籽棉产量最高，这主要是因为产量构成因素中的单株成铃数和单铃重在 A1B3 条件下最高，这表明适宜的氮肥施用策略可提高单株成铃数和单铃重，确保籽棉产量的稳定。
施氮水平对纤维整齐度的影响不显著而对纤维长度、比强度、马克隆值均达到显著或极显著水平[32]。适量施氮可以改善棉花纤维品质[33]，林涛等[34] 研究发现，当施氮量为 0～750 kg/hm2 时，纤维长度和马克隆值呈先升高后降低的趋势。本研究结果发现，施氮量对棉纤短纤维率和纺织参数有显著影响（P<0.05），纤维长度、断裂比强度、马克隆值各处理间则无显著差异。在不同基追比处理下，A1 处理的纤维长度、断裂比强度、整齐度、马克隆值和纺织参数整体较 A2 处理分别增加了 0.99%、2.29%、0.21%、0.63% 和 1.55%，短纤维率则降低了 4.42%。
4 结论
田间试验表明，基追比和施氮量合理搭配可以优化棉花农艺性状，使植株获得更好的干物质积累量，为棉花高产奠定基础。根据不同生育时期内棉花农艺性状指标、叶面积指数、净光合速率、棉株生物量积累、氮素积累及产量和纤维品质表现，建议南疆在行距配置为 66 cm+10 cm 的种植模式下，选择基追比为基肥∶追肥 =2∶8，施氮量为 345 kg/hm2，以确保最优的氮肥运筹模式，使植株获得良好的株型，最佳的干物质积累量，产量亦达最高，为 8254.32 kg/hm2。