张凡¹, 睢宁¹, 余超然¹, 刘瑞显², 杨长琴², 宋光雷¹, 孟亚利^1,*, 周治国^1
1南京农业大学农学院 / 农业部南方作物生理生态重点开放实验室, 江苏南京 210095

²江苏省农业科学院经济作物研究所, 江苏南京 210014

^*通讯作者(Corresponding author): 孟亚利, E-mail:mengyl@njau.edu.cn, Tel: 025-84396813 收稿日期:2014-09-16 基金:本研究由国家自然科学基金项目(31371583)和江苏省农业科技自主创新资金项目(CX(12)3034)资助;

摘要在长江流域麦棉两熟制条件下, 以Bt转基因抗虫棉为材料, 设置不同秸秆还田量(4500 kg hm^-2和9000 kg hm^-2, 即半量还田和全量还田)与施钾量(K₂O, 150 kg hm^-2和300 kg hm^-2)田间定位试验, 研究小麦秸秆还田对棉花产量和主要养分吸收累积的影响及其与化肥钾的差异。结果表明, 在施用氮磷肥的基础上, 与对照相比, 秸秆全量还田处理显著提高了铃数、铃重和皮棉产量, 还田第2年和第3年产量增长率分别达143.5%和93.7%; 显著提高了各生育时期尤其是吐絮期生物量和氮磷钾养分吸收量, 延缓了棉花衰老。秸秆还田对钾吸收的促进效应大于氮磷, 还田第3年棉株钾累积总量较对照增加335.1%, 每生产100 kg皮棉钾吸收比例增大112.1%。秸秆全量还田处理(K₂O, 约折合150 kg hm^-2)促进养分吸收、防止早衰及增产效应均显著大于秸秆半量还田处理, 但显著低于施钾量(K₂O) 300 kg hm^-2处理, 与施钾量(K₂O) 150 kg hm^-2处理的增产效果相当, 但养分吸收量较150 kg K₂O hm^-2处理下降。

关键词:秸秆还田; 化学钾; 棉花; 养分吸收; 产量
Effects of Wheat Straw Returning and Potassium Fertilizer Application on Yield and Nutrients Uptake of Cotton
ZHANG Fan¹, SUI Ning¹, YU Chao-Ran¹, LIU Rui-Xian², YANG Chang-Qin², SONG Guang-Lei¹, MENG Ya-Li^1,*, ZHOU Zhi-Guo^1
1Nanjing Agricultural University / Key Laboratory of Crop Physiology #cod#x00026; Ecology in Southern China, Ministry of Agriculture, Nanjing 210095, China

²Institute of Industrial Crops, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China


AbstractA three-year stationary experiment with treatments of wheat straw (4500 kg ha^-1 and 9000 kg ha^-1) mulching and K fertilizer (150 kg K₂O ha^-1 and 300 kg K₂O ha^-1) application was conducted using insect-resistant cotton under wheat-cotton double cropping system in the Lower Reaches of Yangtze River (Nanjing). The results showed that compared with control (without K fertilizer and wheat straw returning), total wheat straw returning significantly increased boll number, boll weight and lint yield of cotton with lint yield increasing rate of 143.5% and 93.7% in the second and third years after straw returning, respectively. Biomass and nutrients absorption at different growth stages were significantly improved by total wheat straw returning, especially in the boll opening stage, and the senescence of vegetative organs was delayed. Wheat straw returning promoted K absorption much greater than N and P absorption. Compared with control, total K uptake by cotton plant and K uptake per 100 kg lint increased by 335.1% and 112.1% respectively in the third year after straw returning. The treatment of total wheat straw returning much promoted nutrients uptake, yield, and delaying premature senescence than the treatment of half wheat straw returning, while significantly less than the treatment of 300 kg K₂O ha^-1. The yield-increasing effect was equal but the nutrients uptake per 100 kg lint was less in the treatment of total wheat straw returning than in the treatment of 150 kg K₂O ha^-1.

Keyword:Wheat straw returning; K fertilizer; Cotton; Nutrients absorption; Yield
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近年来, 转基因抗虫棉在我国种植面积迅速扩大, 其源小库大的特点造成了源库之间的不平衡, 加之后期根系衰老快, 与常规棉相比, 土壤钾素不足时更易出现缺钾性早衰, 导致棉花产量和品质下降^{[ 1]}。我国钾矿资源缺乏, 进口依赖度高, 然而作物秸秆资源丰富, 含钾量高, 且还田后释放速度快, 但目前我国棉田的秸秆还田率较低, 如果秸秆还田率能提高10个百分点, 就相当于180万吨钾肥补充到农田中^{[ 2]}, 一定程度上可以弥补我国钾资源不足, 缓解土壤钾素亏缺状况。
国内外大量研究已表明秸秆还田具有普遍的增产效应^{[ 3, 4]}, 但在不同作物和不同种植制度中表现不同^{[ 5, 6]}。刘冬青等^{[ 7]}认为小麦秸秆覆盖可以提高棉花叶面积指数, 延长叶片功能期, 提高棉株的光合能力从而防止棉花早衰, 增加铃重, 提高棉花产量。Gwathmey等^{[ 8]}研究指出, 小麦秸秆还田6年后棉花皮棉产量提高11%。Rafique等^{[ 9]}在巴基斯坦麦棉轮作系统研究中指出, 平衡施肥条件下, 麦秸秆覆盖还田提高了棉株氮浓度和产量, 且随试验年份延长提高愈显著。总的来说, 国内关于秸秆还田影响棉花生长的研究较为缺乏, 尚未明确长江流域麦棉两熟种植制度下秸秆还田对棉花产量与养分吸收的影响。本文拟通过设置不同的小麦秸秆还田量和施钾量, 研究小麦秸秆还田量对棉花生物量、养分累积分配及与产量形成的影响, 及其与化学钾肥的比较, 为提高秸秆资源利用率, 缓解土壤钾素亏缺状况提供理论支撑。
1 材料与方法1.1 试验设计于2011—2013年在江苏省农业科学院试验站(32°02' N,118°50' E)进行田间定位试验。供试土壤为黏土, pH 5.7, 含有机质12.9 g kg^-1、全氮0.90 g kg^-1、速效氮6.5 mg kg^-1、速效磷12.1 mg kg^-1、全钾9.1 g kg^-1、速效钾154.6 mg kg^-1; 次年棉花移栽前土壤速效钾各小区平均为128.4 mg kg^-1, 较上一年明显下降, 而其他土壤养分含量基本未变。试验田种植模式为小麦棉花一年两熟。
根据小麦籽粒产量6000 kg hm^-2可生产小麦秸秆量9000 kg hm^-2 (约折合150 kg K₂O hm^-2), 试验设4500 kg hm^-2(半量还田, W4500)和9000 kg hm^-2(全量还田, W9000) 2个秸秆还田量处理, 150 kg K₂O hm^-2(K150)和300 kg K₂O hm^-2 (K300) 2个施钾量处理, 以不施钾肥和无秸秆处理为对照(CK), 共5个处理。完全随机区组设计, 3次重复, 小区面积55 m²。小麦满幅种植(11月5日至10日播种), 品种为宁麦13, 氮肥240 kg N hm^-2, 按基肥50%、拔节肥30%~35%、孕穗肥15%~20%施用; 磷肥基施120 kg P₂O₅ hm^-2, 不施钾肥和秸秆。每年小麦收获时, 将秸秆粉碎后覆盖还田, 待棉花盛花期结合中耕培垄翻入约10 cm深耕层。供试棉花品种为转基因抗虫棉泗杂3号, 营养钵育苗移栽, 4月25日育苗, 6月5日左右移栽, 行株距为1.0 m×0.3 m。各处理氮磷肥正常施用, 氮肥240 kg N hm^-2, 按基肥40%、花铃肥60%施用; 磷肥225 kg P₂O₅ hm^-2, 于棉花移栽时一次施入。田间管理按高产栽培要求进行。
1.2 测定指标及方法2012年和2013年均从7月15日起每15 d取样一次, 每小区随机取2株(7月15日取4株), 分器官放入105℃烘箱杀青30 min, 再以80℃烘干至恒重后称干重。粉碎后以H₂SO₄-H₂O₂消解定容后用连续流动分析仪测定植株全氮含量, 用钼锑抗吸光光度法测定植株全磷含量, 用火焰光度计测定植株全钾含量。吐絮期取上、中、下各20个棉铃测定单铃重和衣分, 取平均值, 计算产量。氮(磷、钾)养分利用效率=皮棉产量/植株氮(磷、钾)吸收量^{[ 10]}; 100 kg皮棉养分吸收量=植株养分吸收量/皮棉产量×100^{[ 10]}。
1.3 气象资料和数据统计分析采用Microsoft Excel数据处理软件分析数据和制作表格, 用SPSS 17.0 统计软件进行方差分析, 用LSD法检验处理间平均值差异显著性。气象数据来自中国气象网。
表1
Table 1
表1(Table 1)

表1 棉花不同生育时期的气象条件 Table 1 Weather factors at different growth stages of cotton 气象因子 Weather factor 2012 2013 Jun. Jul. Aug. Sep. Oct. Jun. Jul. Aug. Sep. Oct. 平均日温DAT (℃) 25.5 29.4 28.1 22.3 18.3 24.3 30.5 30.8 23.6 19.0 降雨量 Precipitation (mm) 18 176 198 69 58 173 230 116 67 51 日照时数 SH (h) 142 245 198 184 184 160 263 260 177 183 DAT: daily average temperature; SH: sunshine hours.

表1 棉花不同生育时期的气象条件 Table 1 Weather factors at different growth stages of cotton

2 结果与分析2.1 产量与产量构成与对照相比, 连续麦秸秆还田和施钾处理均显著提高棉花铃数和铃重, 进而提高皮棉产量, 对衣分影响不显著( 表2)。不同秸秆还田量处理间比较, 随秸秆还田量的增加, 皮棉产量、铃数和铃重2年均呈升高趋势, 2012年差异较小, 未达到显著水平, 2013年差异达显著水平。不同施钾量处理间比较, 2年皮棉产量及其构成因子差异均不显著。秸秆还田与施钾处理间比较, 2012年差异不显著, 但秸秆还田处理较CK平均增产137.8%, 高于施钾量处理111.3%的增产幅度; 2013年秸秆还田处理较CK平均增产69.0%, 远低于施钾量处理133.0%的增产幅度, 其中W9000处理皮棉产量及铃数显著低于K300, 与K150差异不显著。年际间比较发现, 2013年除W4500处理外, 其余处理皮棉产量均呈升高趋势。
表2
Table 2
表2(Table 2)

表2 产量及其构成因子比较 Table 2 Comparison of yields and yield components 处理 Treatment 2012 2013 皮棉产量 Lint yield (kg hm-2) 铃数 Boll No. (×104 hm-2) 铃重 Boll weight (g) 衣分 Lint percentage (%) 皮棉产量 Lint yield (kg hm-2) 铃数 Boll No. (×104 hm-2) 铃重 Boll weight (g) 衣分 Lint percentage (%) 对照CK 588 b 36.3 c 4.02 b 40.4 a 823 d 53.9 c 3.56 c 42.9 b W4500 1364 a 69.5 ab 4.86 a 40.4 a 1187 c 64.9 c 4.19 b 43.7 a W9000 1432 a 70.7 a 4.98 a 40.7 a 1594 b 77.0 b 4.85 a 42.7 b K150 1295 a 62.9 ab 5.08 a 40.5 a 1825 ab 85.8 ab 4.78 a 44.4 a K300 1190 a 61.2 b 4.64 a 41.8 a 2011 a 92.4 a 4.97 a 43.7 a Values followed by different letters within the same column are significantly different at 0.05 probability level. CK: control; W4500, W9000: rate of wheat straw returning was 4500 and 9000 kg ha-1. 同列不同字母表示在 0.05 水平上差异显著。CK: 对照; W4500: 小麦秸秆还田量4500 kg hm-2; W9000: 小麦秸秆还田量9000 kg hm-2; K150: 150 kg K2O hm-2; K300: 300 kg K2O hm-2.

表2 产量及其构成因子比较 Table 2 Comparison of yields and yield components

2.2 生物量累积动态2012年秸秆还田和施钾处理均较CK显著提高了棉株生物量, 但不同秸秆还田量处理和施钾量处理之间差异均不显著(图略); 而在2013年, 不仅秸秆还田和施钾处理较CK显著提高了棉株生物量, 而且不同秸秆还田量处理和施钾量处理之间差异也逐渐达到显著( 图1)。由 图1可以看出, 各处理生物量之间的差异随移栽天数增加逐步增大, 至盛絮期(移栽后100 d) K300处理的棉株总生物量、营养器官和生殖器官生物量均显著高于其他处理, W9000和K150处理间生物量差异较小, 但均明显高于处理W4500。值得注意的是, 不施秸秆和钾肥的CK处理, 吐絮期营养器官生物量过早降低, 表现明显早衰现象。
图1
Fig. 1

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	图1 棉株生物量(A)、营养器官生物量(B)和生殖器官生物量(C)累积动态(2013)缩写同 表2。Abbreviations are the same as those given in Table 2.Fig. 1 Dynamics of biomass accumulation in cotton plant (A), vegetative organs (B), and reproductive organs (C) in 2013

2.3 氮、磷、钾累积与分配动态2.3.1 氮累积与分配 2013年各生育时期秸秆还田和施钾处理均较对照显著提高了植株氮累积量, 处理间差异随生育进程逐渐增大( 图2-A), 在移栽70 d后呈现不同模式, CK棉株氮累积量快速下降, K300继续快速增长, 其他3个处理平缓增长或降低。盛絮期(移栽后100 d)时K300、K150、W9000、W4500植株氮累积总量较CK分别增加219.4%、137.6%、102.0%、92.2%, 差异显著。说明秸秆还田和施钾均有利于棉花对氮素养分的吸收, 有效延迟了生育后期早衰, 秸秆还田效果小于施钾。各处理生殖器官氮累积趋势与植株基本相同, 但CK生殖器官降低时期发生晚( 图2-B)。不同秸秆还田量和施钾量处理植株氮向生殖器官分配的经济系数随移栽天数的增加趋势基本相同( 图2-C), 秸秆还田处理在前期向生殖器官分配比例高于施钾处理, 各时期秸秆还田和施钾处理的氮经济系数均显著高于CK, 说明秸秆还田和施钾均提高了氮向生殖器官的分配比例。
2.3.2 磷累积与分配 与植株氮累积相比, 各处理植株磷累积呈现前期慢后期快、处理差异前期小、CK降低时期出现晚的特点( 图3-A)。与CK相比, 秸秆还田和施钾处理植株磷累积量增加, 且随移栽天数推进增加幅度加大, 至盛絮期K300、K150、W9000和W4500处理植株磷累积量显著高于CK, 分别增加318.1%、212.8%、146.8%和113.8%。生殖器官磷累积趋势及处理间差异趋势与植株磷累积相似( 图3-B), 不同的是移栽85 d后各处理生殖器官磷累积均已基本稳定, 而此期植株磷累积仍有较高的增加, 这说明增加的主要是营养器官磷累积。秸秆还
图2
Fig. 2

	Figure OptionViewDownloadNew Window
	图2 棉株氮累积(A)、生殖器官氮累积(B)动态和经济系数(C)变化(2013)Fig. 2 Dynamics of N accumulation in cotton plant (A), and reproductive organs (B), and economic coefficient of N (C) in 2013 缩写同 表2。Abbreviations are the same as those given in Table 2.

图3
Fig. 3

	Figure OptionViewDownloadNew Window
	图3 棉株磷累积(A)、生殖器官磷累积(B)动态和经济系数(C)变化(2013)Fig. 3 Dynamics of P accumulation in cotton plant (A), reproductive organs (B), and economic coefficient of P (C) in 2013 缩写同 表2。Abbreviations are the same as those given in Table 2.

田和施钾处理均提高了植株磷向生殖器官的分配比例, 前期秸秆还田处理分配比例更高, 但在盛絮期均显著减少( 图3-C)。
2.3.3 钾累积与分配 不同于氮和磷的累积情况, 秸秆还田处理与施钾处理植株钾累积模式和累积量差异较大( 图4-A)。2个施钾量处理整个生育期始终保持较高的累积速率, 而2个秸秆还田量处理与施钾处理相比, 移栽55 d后累积速率即开始明显下降, 其后一直以较低的速率累积, W4500处理近似于CK累积动态, 后期累积量显著下降, 至盛絮期K300、K150、W9000和W4500植株钾累积总量较CK提高幅度依次为753.1%、653.7%、334.3%和136.6%。由此可见, 秸秆还田和施钾对棉花钾素吸收的促进作用大于氮磷, 并随秸秆还田量和施钾量的增加而增大, 但秸秆还田促进钾素吸收的效应小于施钾处理。
生殖器官钾累积趋势与植株钾累积基本相同( 图4-B), 在移栽后85 d处理间差异达显著水平, 秸秆还田处理显著低于施钾处理。相比氮磷累积经济系数的变化趋势, 秸秆还田与施钾处理钾经济系数较CK提高( 图4-C), 但在后期则明显低于CK, 尤其是移栽后85 d。
图4
Fig. 4

	Figure OptionViewDownloadNew Window
	图4 棉株钾累积(A)、生殖器官钾累积(B)动态和经济系数(C)变化(2013)Fig. 4 Dynamics of K accumulation in cotton plant (A), and reproductive organs (B), and economic coefficient of K (C) in 2013 缩写同 表2。Abbreviations are the same as those given in Table 2.

2.4 养分利用效率每生产100 kg皮棉氮磷吸收量在处理间差异不显著, 钾吸收量处理间差异较大( 表3)。K300、K150和W9000处理每生产100 kg皮棉钾吸收量显著高于CK, 分别增加248.4%、252.6%、124.4%, K300和K150显著高于W9000, W9000显著高于W4500, W4500与CK差异不显著。说明秸秆还田和施钾处理显著增大了单位皮棉生产对钾素的吸收量, 改变了养分吸收比例, 其中秸秆还田处理的影响小于施钾处理。养分利用效率则与每生产100 kg皮棉养分吸收量呈相反趋势, 秸秆还田和施钾处理较对照明显降低了棉株钾素利用效率。由变异系数也可以看出, 与氮磷相比, 钾吸收量及利用效率对试验处理反应更敏感。
表3
Table 3
表3(Table 3)

表3 棉株氮、磷、钾吸收比例与养分利用效率(2013) Table 3 Uptake percent and utilization efficiency of N, P, and K in cotton plants in 2013 处理 Treatment 100 kg皮棉养分吸收量 Nutrient uptake per 100 kg lint (kg) N:P:K 养分利用效率 Nutrient use efficiency (kg kg-1) N P K N P K 对照CK 6.51 a 1.14 a 2.13 f 1:0.18:0.33 17.54 65.32 53.16 W4500 7.84 a 1.70 a 2.64 ef 1:0.22:0.34 13.05 59.08 39.19 W9000 6.80 a 1.46 a 4.78 cd 1:0.21:0.70 14.69 68.83 21.01 K150 6.99 a 1.07 a 7.51 a 1:0.15:0.84 14.43 73.66 13.33 K300 8.53 a 1.96 a 7.42 ab 1:0.23:0.87 11.93 52.31 13.52 CV (%) 11.32 25.58 52.08 14.75 30.45 62.58 Values followed by different letters within the same column are significantly different at 0.05 probability level. 同列不同字母表示在0.05水平上差异显著。

表3 棉株氮、磷、钾吸收比例与养分利用效率(2013) Table 3 Uptake percent and utilization efficiency of N, P, and K in cotton plants in 2013

3 讨论国内外众多研究表明, 合理施用秸秆可以提高作物产量^{[ 11, 12]}。本研究在麦棉两熟制条件下进一步证实了前人的结论, 小麦秸秆覆盖还田显著增加了棉花皮棉产量, 且随秸秆还田量增加效果愈显著。但关于秸秆还田作物产量提高幅度的研究结果差异较大^{[ 11]}。本研究2012年和2013年不同秸秆还田量处理较不施秸秆和钾肥的对照平均增产分别为137.8%和69.0%, 明显高于刘冬青等^{[ 7]}在山东棉区的20.9%增产幅度和Jalota等^{[ 13]}、Reiter等^{[ 11]}在印度、巴基斯坦等地区对棉花的研究结果。究其原因主要是本研究对照的棉花产量是在麦棉两季连续不施钾不施秸秆的第4季和第6季产生的, 土壤钾素消耗较多, 棉花又是一个对缺钾敏感的作物, 转基因棉花品种较常规品种对钾亏缺更敏感^{[ 14]}。而前面提到的有关研究结果都是在氮磷钾肥正常施用情况下得出的, 且其他研究的地域、种植制度、秸秆还田方式和品种等差别也较大。
秸秆含有大量的碳、氮、磷、钾等营养元素, 是土壤养分的补给源。关于作物秸秆与化学钾肥的增产与培肥效果, 王志勇等^{[ 5]}、孙丽敏等^{[ 15]}、谭德水等^{[ 16]}在不同条件下的长期定位试验研究中均得出较一致的结论, 在氮、磷肥充足的情况下, 钾肥的增产效应大于秸秆还田, 效果最佳的则是秸秆与钾肥配施。本研究结果显示, 2013年除W4500处理外, 其余处理皮棉产量明显高于2012年; K150处理与含钾量相当的麦秸秆全量还田处理相比, 2年均差异不显著, 但年际间增产幅度差异较大, 2012年秸秆全量还田处理和K150处理与对照相比的增产幅度分别为143.5%和120.4%, 而2013年秸秆全量还田增产幅度(93.7%)则低于K150 (121.8%)。2013年较2012年皮棉产量增加是因为7月至10月日均温较高, 8月更是高出2.7℃, 而这一时期是蕾铃数形成的关键时期, 温度越高越有利于铃数的增加^{[ 17]}, 2013年铃数平均较2012年高14.7万个 hm^-2, 促进了皮棉产量的增加; 秸秆还田增产效果降低的原因, 与小麦秸秆K含量降低, 使实际K投入量减少有关(2012年W9000处理小麦秸秆K含量为17.0 g kg^-1, 2013年则降为14.7 g kg^-1, 相应地K投入量由153 kg降为132 kg); 另外也可能与2013年6月秸秆还田初期降雨量过多(较2012年多142 mm), 致使秸秆覆盖降低了土壤通气性和温度, 不利于棉花根系生长, 也不利于秸秆快速腐解等有一定关系。Wu等^{[ 6]}研究指出小麦秸秆养分释放主要集中在前30 d, 且土壤水分含量较多不利于土壤微生物和酶活性提高, 降低秸秆腐解率。可见, 秸秆还田对作物生长的影响不同于矿物钾肥, 涉及多方面影响因素, 区域间和年际间稳定性较低。
秸秆还田与施钾对生物量与养分吸收累积的促进作用是作物增产的重要原因。贾仁清等^{[ 18]}、王娇等^{[ 19]}认为, 随施钾量增加磷的吸收量增加幅度较小, 钾素增加最多。王志勇等^{[ 5]}研究表明施钾肥和秸秆还田均能促进作物对钾素养分的吸收, 增加作物的吸钾总量。本研究也得到类似结果, 麦秸秆还田与施钾均显著促进了棉花植株对氮磷钾养分的吸收与累积, 特别是钾素养分的吸收, 维持生育后期营养器官较高的生物量, 有效防止棉花早衰。刘冬青等^{[ 7]}通过对土壤养分和叶面积指数的研究指出, 秸秆覆盖还田在棉花生长后期, 可以提高叶面积指数, 延长叶片功能期, 提高棉株的光合能力从而防止棉花早衰。本研究还进一步表明, 秸秆还田和施钾有利于提高植株氮磷钾养分向棉铃的分配, 但吐絮盛期有所减少, 而向根茎叶分配增多, 尤其是钾素, 这与Mullins等^{[ 20]}的研究结果较一致。这是否与延缓早衰有关, 还需要通过进一步的试验研究来解释。
4 结论在长江流域麦棉两熟制条件下, 小麦秸秆还田显著提高了棉花铃数、铃重和皮棉产量, 2012年和2013年全量秸秆还田处理较不施秸秆和钾肥的对照分别增产143.5%和93.7%。秸秆还田显著提高了各生育时期棉花生物量和氮磷钾养分吸收量, 增大了每生产100 kg皮棉植株的钾素吸收比例, 缓解了转基因抗虫棉生长发育后期对钾的需求从而有效防止了棉花早衰。秸秆全量还田效果优于半量还田, 施钾量300 kg K₂O hm^-2优于150 kg K₂O hm^-2。秸秆全量还田处理虽与施钾量150 kg K₂O hm^-2两年皮棉产量差异不显著, 但稳定性低于后者。
The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。

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被引期刊影响因子

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