冯克云^,1, 王宁^,1,*, 南宏宇¹, 高建刚²¹甘肃省农业科学院作物研究所, 甘肃兰州 730070
²北京市农林科学院, 北京 100097

Effects of chemical fertilizer reduction with organic fertilizer application under water deficit on photosynthetic characteristics and yield of cotton

FENG Ke-Yun^,1, WANG Ning^,1,*, NAN Hong-Yu¹, GAO Jian-Gang²¹Institute of Crop Sciences, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, Gansu, China
²Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China

通讯作者: * 王宁, E-mail: wangn2828@163.com

收稿日期:2020-03-26接受日期:2020-08-19网络出版日期:2021-01-12

基金资助:

甘肃省科技重大专项.17ZD2NA016-6 国家重点研发计划项目.2017YFD0201905 甘肃省农业科学院中青年基金项目.2019GAAS38

Received:2020-03-26Accepted:2020-08-19Online:2021-01-12

Fund supported:

Major Science and Technology Project of Gansu Province.17ZD2NA016-6 National Key Research and Development Program of China.2017YFD0201905 Youth Foundation Project of Gansu Academy of Agricultural Sciences.2019GAAS38

作者简介 About authors
E-mail: fengkymh@163.com






摘要
于2017年和2018年进行田间定位试验, 采用裂区试验设计, 主区为充分灌溉W₁ (灌水量4800 m³ hm^-2)和亏缺灌溉W₂ (灌水量2400 m³ hm^-2), 副区为不施肥(CK)、单施化肥(CF)、75%化肥+25%有机肥(M₁)、50%化肥+50%有机肥(M₂)、25%化肥+75%有机肥(M₃) 5个处理, 研究了化肥减量配施有机肥对棉花光合特性及产量的影响, 以期为水分亏缺下合理利用有机肥、减少化肥投入提供理论依据。结果表明, 亏缺灌溉下棉花叶面积指数(leaf area index, LAI)、净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)、地上部干物质积累量和籽棉产量均低于充分灌溉, 但灌溉水生产力(irrigation water productivity, IWP)和胞间CO₂浓度(C_i)高于充分灌溉。化肥减量配施有机肥较单施化肥能显著提高盛蕾期后棉花LAI, 提高棉花各生育期P_n和G_s, 增加棉花营养器官和生殖器官干物质积累量, 并促进干物质向生殖器官转运, 提高籽棉产量和IWP, 能在盛铃期和吐絮期提高土壤耕层含水量。充分灌溉下, 各有机肥配施处理间棉花LAI、P_n和籽棉产量均表现为M₁>M₂>M₃, 其中M₁籽棉产量2年平均分别较CF、CK提高了6.9%和62.1%; 亏缺灌溉下, 各有机肥配施处理间棉花LAI、P_n和籽棉产量表现为M₂>M₁>M₃, 其中M₂籽棉产量2年平均分别较CF、CK提高了19.9%和79.3%。化肥减量配施有机肥在水分亏缺下有利于籽棉增产, 缓解水分亏缺对棉花生长发育的影响, 其中M₂ (50%化肥+50%有机肥)为最佳施肥处理。
关键词： 棉花;水分亏缺;有机肥;光合特性;产量

Abstract
Fixed position experiments were conducted in 2017 and 2018, and split plot arrangement with the main treatment for full irrigation (W₁) with irrigation amount was 4800 cubic meters per hectare and deficit irrigation (W₂) was 2400 cubic meters per hectare, and the secondary treatment including treatments without fertilization (CK), single application of chemical fertilizer (CF), 75% chemical fertilizer with 25% organic fertilizer (M₁), 50% chemical fertilizer with 50% organic fertilizer (M₂), and 25% chemical fertilizer with 75% organic fertilizer (M₃). The effects of chemical fertilizer reduction and organic fertilizer application on photosynthetic characteristics and yield of cotton were studied to provide theoretical basis for rational utilization of organic fertilizer and reduction of chemical fertilizer input under water deficit. Under deficit irrigation, leaf area index (LAI), net photosynthetic rate (P_n), stomatal conductance (G_s), above-ground dry matter accumulation and seed yield of cotton were all lower than that under full irrigation, while irrigation water productivity (IWP) and intercellular CO₂ concentration (C_i) were higher. The chemical fertilizer reduction combined with application of organic fertilizer could effectively improve the LAI after the full squaring stage, improve P_n and G_s of cotton in all stage, promote the accumulation of vegetative and reproductive organs dry matter, improve its transfer to the reproductive organs, improve the IWP and seed yield, and also increase the moisture content of soil surface in the period of full boll stage and boll opening stage. The effects among different organic fertilizer treatments on LAI, P_n and seed yield were all presented as M₁ > M₂ > M₃, and under the treatment of M₁, the average seed cotton yield of two years increased compared with CF and CK by 6.9% and 62.1% respectively. Whereas, the effects under deficit irrigation were presented as M₂ > M₁ > M₃, and the two years’ average seed yield increased by 19.9% and 79.3% respectively compared with CF and CK under M₂. Chemical fertilizer reduction and organic fertilizer application were beneficial to increase the yield of seed cotton under water deficit, and alleviate the influence of water deficit on cotton growth and development, M₂ (50% fertilizer +50% organic fertilizer) was the best treatment.
Keywords：cotton;water deficit;organic fertilizer;photosynthetic characteristics;yield


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本文引用格式
冯克云, 王宁, 南宏宇, 高建刚. 水分亏缺下化肥减量配施有机肥对棉花光合特性与产量的影响[J]. 作物学报, 2021, 47(1): 125-137. doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04077
FENG Ke-Yun, WANG Ning, NAN Hong-Yu, GAO Jian-Gang. Effects of chemical fertilizer reduction with organic fertilizer application under water deficit on photosynthetic characteristics and yield of cotton[J]. Acta Agronomica Sinica, 2021, 47(1): 125-137. doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04077


光合作用是作物产量形成的基础^[1], 受水肥、光照、温度、大气CO₂浓度等多种因子的影响, 其中水肥调控是最有效的管理措施^[2]。水分不足是干旱区农业生产中限制作物生长发育最主要的逆境因子^[3], 轻度的干旱胁迫能够降低叶片净光合速率、气孔导度和胞间CO₂浓度, 随着干旱程度的加剧会破坏光化学活性和光合电子需求间的平衡, 损伤光合机构, 最终影响光合产物的积累和产量的形成^[4,5,6]。在干旱缺水地区, 施肥在“以肥调水”中起着十分重要的作用^[7], 在水分亏缺下适量增施氮肥, 可以提高作物叶片的光合性能, 促进植株生长发育并有效提高作物产量和水分利用效率, 减小干旱对作物造成的不利影响^[8,9], 但在长期大量单施化肥导致土壤质量下降并出现环境问题的地区, 并不利于农业的可持续发展。有机肥富含大量有益菌和作物所需微量元素, 能够均衡土壤养分, 改善土壤结构^[10], 释放土壤固定态元素, 提高土壤通透性和保水性, 增加作物产量和提高水分利用率^[7,11], 有机肥与化肥配施能够结合化肥速效性和有机肥持久性的特点, 在提高作物产量和土壤培肥上具有重要意义^[12], 是解决化肥施用不合理问题的有效途径之一^[13], 但由于有机肥中养分的矿化分解受水分影响较大, 在不同的土壤水分条件下有机肥配施化肥结果会有差异^[14] 。因此, 需要明确在特定水分条件下有机肥配施化肥对作物生长发育的调控效应。

甘肃河西走廊棉区是西北内陆棉区的重要组成部分, 是我国优质棉花生产区^[15], 但该地区水资源匮乏, 农业用水矛盾突出, 水分亏缺已成为影响当地棉花产业发展最为严重的逆境因子^[16], 同时随着水肥一体化施肥模式的发展以及为了获取更高的产量效益, 棉田单位面积化肥施用量不断增加而缺乏有机质的投入, 盲目施肥现象比较普遍^[17], 造成土壤肥力下降、养分失衡和环境污染等一系列问题, 因此, 需要在有限水分条件下调整和优化施肥结构, 协同减小水分亏缺的危害并降低单施化肥的负面效应。以往研究主要关注于化肥氮对水分亏缺的补偿效应^[1,8,18]和有机肥与氮肥配施对棉花的调控效应^[19], 而未见在水分亏缺下化肥减量配施有机肥对棉花光合特性及产量形成方面研究的报道。为此, 本文拟通过研究水分亏缺下化肥减量配施有机肥对棉花光合特性及产量的影响, 明确棉花在水分亏缺下对有机肥不同配施比例的生物学响应, 以期通过适宜的有机肥配施化肥改善棉花光合特性, 缓解水分胁迫的影响, 为合理利用水肥资源、减少化肥投入提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

甘肃省农业科学院敦煌棉花试验站位于甘肃省敦煌市魏家桥村, 东经94°38′, 北纬40°17′, 该地区海拔1138 m, 年平均气温10.5℃, 年均降雨量约39.9 mm, 蒸发量2486 mm, 无霜期145 d, 是典型的大陆干旱性气候。试验地土壤为灌淤土, 最大田间持水量19.3%、饱和持水量31.4%, 在播种前14 d浇足水, 平整土地, 各处肥力均匀, 在播前采集土壤样品测定理化性质。2017年和2018年土壤理化性质见表1, 棉花生育期内降雨量和平均气温见图1。

Table 1
表1
表1试验田0~60 cm土层土壤养分含量
Table 1Nutrients content in 0-60 cm soil layer of the experimental field before sowing

年份 Year	土层 Soil layer (cm)	pH	有机质 Organic matter (g kg-1)	全氮 Total nitrogen (g kg-1)	碱解氮 Alkaline-hydrolytic N (mg kg-1)	速效磷 Available P (mg kg-1)	速效钾 Available K (mg kg-1)
2017	0-20	7.26	12.81	0.62	59.62	28.35	191.27
	20-40	7.31	9.78	0.51	46.84	21.38	125.34
	40-60	7.38	6.54	0.45	36.97	15.63	82.61
2018	0-20	7.14	13.46	0.67	57.35	29.46	187.35
	20-40	7.25	10.15	0.54	48.82	24.37	122.82
	40-60	7.32	7.52	0.42	39.67	17.62	87.65

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图1

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图12017年和2018年棉花生育期内月平均气温和降雨量

Fig. 1Month average air temperature and rainfall in growth period of cotton in 2017 and 2018

1.2 试验设计

试验采用裂区设计, 主区为灌水量, 分别为充分灌溉(W₁), 灌溉量为4800 m³ hm^-2 (当地棉田常规灌溉量)和亏缺灌溉(W₂), 灌溉量为2400 m³ hm^-2 (充分灌溉量的50%), 灌溉量用灌水管末端的水表控制计量, 全生育期灌溉4次, 于棉花现蕾后(2017年6月15日, 2018年6月20日)开始每隔20 d灌水1次, 其中W₂每次灌溉量为W₁的50%; 副区为5个不同的施肥处理, 分别为不施肥(CK)、单施化肥(CF)、75%化肥+25%有机肥(M₁)、50%化肥+50%有机肥(M₂)、25%化肥+75%有机肥(M₃), 配施比例是根据氮肥用量计算, 棉花全生育期各处理的氮磷钾肥施用量保持相同, 均为N 450 kg hm^-2、P₂O₅ 90 kg hm^-2、K₂O 40 kg hm^-2, 磷和钾不足的用化肥补足。

试验所用有机肥含有机质45.0%、全氮7.2%、全磷2.6%、全钾2.2%, 在棉花播种前作基肥一次性施入, 供试化肥为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P₂O₅ 11%)、硫酸钾(K₂O 50%), 各处理磷、钾、20%化肥氮做底肥, 于播种前一次性深施, 剩余80%化肥氮根据棉花生长需肥特性按25%、25%、25%、25%比例分4次随灌溉水施入。试验棉花品种为陇棉3号, 地膜覆盖种植, 1膜4行, 株距15 cm, 行距40 cm, 种植密度为16.5万株 hm^-2, 小区面积38.4 m² (8.0 m×4.8 m), 重复3次, 各小区间距2 m, 并用80 cm地膜垂直埋设隔离水肥渗透。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶面积指数(LAI) 2017年和2018年于棉花盛蕾期、盛花期、盛铃前期、盛铃期、盛铃后期、吐絮期, 相应为播种后48、76、93、108、121和132 d, 采用LAI-2000冠层仪(LI-Cor, USA)测定棉花叶面积指数, 具体测定方法参照王谦等^[20], 每个小区重复测定5次。

1.3.2 光合参数 2017年和2018年于棉花盛蕾期、盛花期、盛铃期、吐絮期, 用便携式光合仪Li-6400 (Li-COR, USA)测定主茎功能叶片净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)、胞间CO₂浓度(C_i)等光合生理指标, 打顶前选取主茎功能叶倒四叶, 打顶后选取主茎倒三叶。测定时间为晴朗无云天气的上午9:00—11:30, 每处理测定5片叶, 取平均值。

1.3.3 地上部干物质积累与分配 于棉花盛蕾期、盛花期、盛铃期和吐絮期, 在每小区选取代表性植株5株, 按营养器官(茎、叶)和生殖器官(蕾、花、铃)分开, 105℃杀青30 min, 之后在80℃恒温烘干至恒重, 称量其地上部干物质量并计算营养器官与生殖器官的分配量。

1.3.4 产量与产量结构 2017年和2018年在棉花吐絮期记录各小区株数和铃数; 吐絮后对各小区收获籽棉, 晒干后称重计产; 每次收棉花时取100铃晾干后称重计算单铃重, 重复3次。

1.3.5 土壤含水量 2018年在棉花盛蕾期、盛花期、盛铃期和吐絮期, 采用5点取样法采集0~20 cm土壤, 采用烘干法测定土壤含水量, 每个处理3次重复。

1.3.6 计算公式 灌溉水生产力IWP (kg m^-3) = 籽棉产量(kg)/总灌溉量(m³), 土壤含水量(%) = (湿土重-烘干土重) /烘干土重×100%。

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2007录入和整理试验数据, 采用Origin Pro 2018作图, 采用DPS 7.5软件统计分析数据, 采用Duncan’s法多重比较 (P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉量下化肥减量配施有机肥对棉花叶面积指数的影响

不同灌溉量下各施肥处理棉花叶面积指数(LAI)在2017年和2018年随生育进程的变化趋势相同(图2), 从盛蕾期到吐絮期均呈先升后降的趋势, 但不同灌溉量下LAI达到峰值的时期不同, 其中充分灌溉W₁在盛铃期达到最大, 而亏缺灌溉W₂在盛铃前期达到最大。方差分析表明, W₂各生育期LAI显著低于W₁ (P<0.05), 在盛蕾期、盛花期、盛铃期和吐絮期较W₁ 2年平均分别下降22.4%、15.9%、17.3%和14.2%, 表明水分亏缺显著影响棉花植株叶片生长, 不利于光合生产。不同施肥处理间LAI在各生育期存在显著差异, 充分灌溉W₁下, LAI在不同有机肥配施处理间随有机肥配施比例的增加而降低, 表现为M₁>M₂>M₃, 其中M₁在各生育期LAI均显著高于其他施肥处理(P<0.05), 较CF在盛蕾期、盛花期、盛铃期和吐絮期2年平均分别提高4.4%、8.4%、7.3%和16.1%; 亏缺灌溉W₂下, 在盛蕾期M₁处理LAI最高, 从盛花期到吐絮期, 各施肥处理间表现为M₂>M₁>M₃>CF>CK, 其中M₂较CF在盛花期、盛铃期和吐絮期2年平均分别提高11.6%、10.3%和20.3%, M₁分别提高8.3%、5.5%和14.9%, M₃分别提高6.2%、1.7%和13.8%。

图2

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图2不同灌溉量和施肥处理对棉花叶面积指数的影响

不同字母表示同一生育期不同施肥处理差异显著(P < 0.05)。FS: 盛蕾期; FF: 盛花期; EFB: 盛铃前期; FB: 盛铃期; LFB: 盛铃后期; BO: 吐絮期。CK: 不施肥; CF: 单施化肥; M₁: 75%化肥+25%有机肥; M₂: 50%化肥+50%有机肥; M₃: 25%化肥+75%有机肥。W₁: 充分灌溉4800 m³ hm^-2; W₂: 亏缺灌溉2400 m³ hm^-2。
Fig. 2Effects of different irrigation and fertilizer treatments on leaf area index of cotton

Different letters in the same stage mean significant difference among different fertilizer treatments at P < 0.05. FS: full squaring stage; FF: full flowering stage; EFB: early stage of full boll; FB: full boll stage; LFB: later full boll stage; BO: boll opening stage. CK: no fertilizer; CF: single application of chemical fertilizer; M₁: 75% chemical fertilizer + 25% organic fertilizer; M₂: 50% chemical fertilizer + 50% organic fertilizer; M₃: 25% chemical fertilizer + 75% organic fertilizer. W₁: full irrigation with irrigation amount was 4800 m³ hm^-2; W₂: deficit irrigation with irrigation amount was 2400 m³ hm^-2.

2.2 不同灌溉量下化肥减量配施有机肥对棉花光合特性的影响

由图3可知, 棉花净光合速率(P_n)从盛蕾期到吐絮期2年变化趋势一致, 呈先上升后下降的趋势, 在盛花期达到最大值。亏缺灌溉W₂较充分灌溉W₁棉花P_n显著降低(P<0.05), 在盛蕾期、盛花期、盛铃期及吐絮期分别平均下降9.4%、2.5%、2.8%和8.3%。充分灌溉W₁下, 化肥减量配施有机肥处理间P_n随有机肥配施量的增大而降低, 表现为M₁>M₂>M₃, 其中M₁在盛蕾期、盛花期、盛铃期及吐絮期较CF两年平均分别提高1.8%、2.8%、3.2%和10.6%, M₂和M₃在盛蕾期、盛花期、盛铃期与CF无显著差异, 但在吐絮期显著高于CF, 不施肥CK在各生育期P_n均显著低于其他施肥处理(P<0.05)。亏缺灌溉W₂下, 各施肥处理间P_n表现为M₂>M₃>M₁>CF>CK, 其中M₂在各生育期P_n最高, 在盛蕾期、盛花期、盛铃期和吐絮期较CF 2年平均分别提高4.7%、7.1%、2.9%和7.2%。不施肥CK在各生育期均显著低于各施肥处理(P<0.05)。亏缺灌溉W₂下棉花气孔导度(G_s)较充分灌溉W₁显著下降 (P<0.05), 在盛蕾期、盛花期、盛铃期、吐絮期2年平均分别降低5.6%、2.3%、3.1%和3.1%, 说明水分亏缺不同程度地限制了气孔开放, 导致光合性能降低。充分灌溉W₁下, 有机肥配施处理间G_s表现为M₁>M₂>M₃, M₁处理在各生育期G_s最高, 在盛蕾期、盛花期、盛铃期和吐絮期平均较CF分别提高8.0%、6.5%、11.1%和8.1%, 不施肥CK在各生育期均显著低于其他处理。亏缺灌溉W₂下, 各施肥处理间G_s在各生育期表现为M₂>M₃>M₁>CF>CK (2017年吐絮期除外), 其中M₂提高效应最显著, 较CF在盛蕾期、盛花期、盛铃期及吐絮期2年平均分别提高5.8%、6.7%、9.4%和3.9%。胞间CO₂浓度(C_i)与P_n和G_s在各生育期变化呈相反趋势, 从盛蕾期到吐絮期表现为先下降后升高, 在盛花期达到最小值。亏缺灌溉W₂下棉花C_i较充分灌溉W₁显著增大(P<0.05), 较W₁在棉花盛蕾期、盛花期、盛铃期及吐絮期2年平均分别提高5.6%、4.1%、3.4%和6.4%。充分灌溉W₁下, 各施肥处理间C_i表现为M₁<M₂<M₃<CF<CK, M₁较CF在盛蕾期、盛花期、盛铃期分别降低5.2%、8.1%、6.4%和4.2%; 亏缺灌溉W₂下, 施肥处理间C_i表现为M₂<M₃<M₁<CF<CK, 其中M₂较CF在盛蕾期、盛花期、盛铃期分别降低7.2%、14.6%、8.3%和6.4%。

图3

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图3不同灌溉量和施肥处理对棉花光合特性的影响

处理同图2。
Fig. 3Effects of different irrigation and fertilizer treatments on leaf photosynthetic characteristics of cotton

Treatments are the same as those given in Fig. 2.

2.3 不同灌溉量下化肥减量配施有机肥对棉花地上部干物质积累量及分配的影响

由图4可知, 充分灌溉与亏缺灌溉下各施肥处理营养器官和生殖器官干物质积累量均随生育进程的推进而逐渐增加, 2年趋势一致。亏缺灌溉W₂较充分灌溉W₁各施肥处理营养器官和生殖器官积累量降低而干物质向生殖器官分配比例提高, 在盛蕾期、盛花期、盛铃期和吐絮期营养器官干物质积累量2年平均分别降低13.8%、11.3%、10.2%和14.0%, 生殖器官分别降低4.4%、4.9%、4.3%、3.2%, 地上部干物质向生殖器官分配比例提高5.1%, 表明在水分亏缺条件下, 棉花的营养器官与生殖器官的生长受到了抑制, 并适当提高了光合产物向生殖器官的分配比例。充分灌溉W₁下, 盛蕾期各施肥处理营养器官和生殖器官干物质积累量无显著差异, 但均显著高于CK (P<0.05), 盛铃期后各施肥处理间差异逐渐增大, 其中M₁在各施肥处理中地上部干物质积累量以及干物质向棉铃分配比例均为最高, 在盛花期、盛铃期和吐絮期营养器官干物质积累量较CF分别提高6.3%、13.5%、6.3%, 生殖器官干物质积累量分别提高13.3%、9.8%、11.2%, 向生殖器官分配比例提高4.7%。亏缺灌溉W₂下, 各施肥处理地上部干物质积累量在盛蕾期无显著差异, 而从盛花期到吐絮期差异增大, 各施肥处理干物质积累量表现为M₂>M₁>M₃>CF>CK, 其中M₂较CF在盛花期、盛铃期、吐絮期营养器官干物质积累量2年平均分别提高15.9%、17.3%和18.2%, 生殖器官干物质积累量提高24.2%、32.2%和28.9%, 干物质向生殖器官分配比例提高4.1%, 表明水分亏缺下化肥减量配施有机肥能显著提高棉花营养器官和生殖器官干物质积累量, 并促进光合产物向生殖器官的分配, 其中M₂提高效果最显著。

图4

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图4不同处理对棉花地上部干物质的影响

不同字母表示同一年份不同处理差异显著(P < 0.05)。处理同图2。
Fig. 4Effects of different treatments on cotton plant dry biomass

Different letters in the same year mean significant difference among different treatments at P < 0.05. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

2.4 不同灌溉量下有机无机肥配施对棉花产量及构成因素的影响

由表2可知, 亏缺灌溉W₂下棉花单株铃数、籽棉产量较充分灌溉W₁ 2年平均分别降低9.6%和8.9%, 而单铃重、衣分无显著差异。充分灌溉W₁下, 各施肥处理间单株铃数及籽棉产量表现为M₁>M₂>M₃>CF>CK, 其中M₁单株铃数和籽棉产量较CF两年平均分别提高17.2%和6.9%, M₂和M₃籽棉产量无显著差异, 较CF平均增产分别为3.0%和1.5%, M₁、M₂、M₃和CF处理间单铃重和衣分无显著差异, 但各施肥处理单铃重均显著高于CK (P<0.05)。亏缺灌溉W₂下, 各施肥处理单株铃数和籽棉产量表现为M₂>M₁>M₃>CF>CK, M₂、M₁和M₃较CF单株铃数平均增加22.1%、13.1%和10.1%, 籽棉产量平均提高19.9%、15.7%和13.2%, 各施肥处理间单铃重和衣分无显著差异。方差分析显示, 不同灌溉量与施肥对籽棉产量有显著的交互作用, 相同有机肥配施条件下, 亏缺灌溉W₂较充分灌溉W₁籽棉增产率有所提高, M₁、M₂和M₃籽棉增产率较充分灌溉W₁下M₁、M₂和M₃增产率分别提高了13.0%、12.7%和11.7%, 表明有机肥配施化肥能够缓解水分亏缺对籽棉产量的影响, 产生一定的补偿效应。

Table 2
表2
表2不同灌溉量和施肥处理对棉花产量及构成因素的影响
Table 2Effects of different irrigation and fertilizer treatments on cotton yield and its components

灌溉 Irrigation	施肥 Fertilizer	单株铃数 Number of bolls		单铃重 Boll mass (g)		衣分 Lint percentage (%)		籽棉产量 Lint yield (kg hm-2)
		2017	2018	2017	2018	2017	2018	2017	2018
W1	CK	3.9 d	4.5 e	5.6 b	5.9 b	41.2 a	41.4 a	2758.4 d	2939.7 d
	CF	5.4 c	5.6 d	6.2 a	6.3 a	41.6 a	41.6 a	4285.3 c	4357.2 c
	M1	6.2 a	6.7 a	6.3 a	6.5 a	41.5 a	41.9 a	4581.6 a	4662.5 a
	M2	6.1 a	6.2 b	6.2 a	6.3 a	41.4 a	41.7 a	4417.3 b	4485.6 b
	M3	5.7 b	5.9 c	6.2 a	6.2 a	41.5 a	41.5 a	4368.7 b	4405.7 b
W2	CK	3.5 e	3.7 d	5.5 b	5.6 b	42.7 a	42.6 a	2404.6 e	2513.5 e
	CF	4.8 d	5.1 c	5.9 a	6.0 a	42.6 a	42.8 a	3625.3 d	3718.7 d
	M1	5.5 b	5.7 b	6.1 a	6.1 a	42.5 a	42.5 a	4224.6 b	4273.8 b
	M2	5.8 a	6.3 a	6.2 a	6.3 a	42.3 a	42.6 a	4396.8 a	4415.1 a
	M3	5.3 c	5.6 b	6.1 a	6.0 a	42.5 a	42.4 a	4128.3 c	4187.4 c
灌水Irrigation (W)		**	**	ns	ns	**	**	**	**
施肥Fertilizer (F)		**	**	**	**	ns	ns	**	**
灌水×施肥W×F		**	**	ns	*	ns	ns	**	**

同列不同小写字母表示各处理间在0.05水平差异显著。*表示差异显著(P < 0.05), **表示差异极显著(P < 0.01), ns表示差异不显著(P > 0.05)。处理同图2。
Different lowercase letters in the same year mean significant difference among different treatments at the 0.05 level. * indicates significance (P < 0.05), ** indicates highly significance (P < 0.01), ns indicates no significance (P > 0.05). Treatments are the same as those given in Fig. 2.

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2.5 不同灌溉量下有机无机肥配施对灌溉水生产力及土壤含水量的影响

由图5可知, 亏缺灌溉W₂下棉花IWP显著高于W₁处理, 较W₁平均提高了82.3%。在W₁下, M₁处理IWP最高, 较CF 2年平均提高11.1%, M₂、M₃与CF无显著差异, 各施肥处理均IWP均显著高于CK (P<0.05), 亏缺灌溉W₂下, M₁、M₂和M₃棉花IWP均显著高于CF (P<0.05), 较CF 2年平均分别提高20.0%、19.8%和13.3%, M₁与M₂无显著差异。亏缺灌溉W₂土壤含水量显著低于W₁, 在盛蕾期、盛花期、盛铃期和吐絮期平均分别降低83.5%、83.6%、95.1%和88.2%, W₁下, 各施肥处理在盛蕾期和盛花期土壤含水量无显著差异, 盛铃期和吐絮期各有机肥配施处理均显著高于CF和CK, M₁、M₂和M₃处理间无显著差异; 亏缺灌溉W₂下, 各施肥处理在盛蕾期和盛花期无显著差异, 在盛铃期和吐絮期有机肥配施处理均显著高于CF和CK, 表现为M₃>M₂>M₁>CK>CF, M₂和M₃无显著差异, 在盛铃期M₂、M₃较CF土壤含水量分别提高53.7%和55.5%, 表明化肥减量配施有机肥能够增加土壤耕层保水性。

图5

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图5不同处理对棉花灌溉水生产力的影响

不同字母表示同一年份不同处理差异显著(P < 0.05)。W表示灌水; F表示施肥; W×F表示灌水与施肥的交互作用。处理同图2。
Fig. 5Effect of different treatments on irrigation water productivity of cotton

Different letters in the same year mean significant difference among different treatments at P < 0.05. M: irrigation; F: fertilizer; W×F: interaction effects between irrigation and fertilizer. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

图6

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图6不同灌溉量和施肥处理对土壤含水量的影响

不同字母表示同一年份不同处理差异显著(P < 0.05)。FS: 盛蕾期; FF: 盛花期; EFB: 盛铃前期; FB: 盛铃期; BO:吐絮期。处理同图2。
Fig. 6Effect of different irrigation and fertilizer treatments on soil moisture

Different letters in the same year mean significant difference among different treatments at P < 0.05. FS: full squaring stage; FF: full flowering stage; EFB: early stage of full boll; FB: full boll stage; BO: boll opening stage. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

3 讨论

植物叶片是光合作用的主要载体, 叶面积指数(LAI)能够反映植物截获光的能力, 是冠层结构性能的重要指标^[2]。前人研究表明, 有机肥与化肥配施能显著增加作物群体LAI, 并能延缓功能叶片衰老期, 有利于维持较高的光合速率, 加快植株干物质的积累^[19,21-22]。本研究中亏缺灌溉下棉花LAI在各生育期显著降低并促使LAI峰值提前, 使光合有效面积减小, 进而影响光合物质生产和积累。化肥减量配施有机肥较单施化肥能够显著提高棉花盛蕾期以后棉花LAI, 使生育后期LAI下降缓慢, 光合面积充足, 保证了较高的光截获率, 有利于维持较高的光合物质生产力。本研究表明, 化肥减量配施有机肥较单施化肥显著提高了各生育期棉花净光合速率、气孔导度, 降低了胞间CO₂浓度, 与徐瑞强等^[19]、徐海东等^[21]的结果一致, 其原因可能是化肥配施有机肥可以调控土壤氮素的固持和释放, 协调土壤氮素供应, 使肥效相互促进, 一方面促进了有机肥的腐熟, 增加了土壤有机质含量, 提高了土壤肥力; 另一方面减少了无机氮与土壤的接触, 降低了氮肥被土壤的固定作用, 提高了土壤养分利用率^[13,23]。本研究中, 充分灌溉量下各有机肥配施光合速率表现为M₁>M₂>M₃, 而在亏缺灌溉下表现为M₂>M₁>M₃, 其原因可能是低比例有机肥配施量处理中无机氮含量高, 充足的水分有助于氮肥肥效的发挥, 而在水分亏缺下, 过量施氮或施氮不足均不利于提高棉花叶片光合性能^[24]。光合作用的强弱受叶肉细胞光合能力和气孔导度的双重影响, 胞间CO₂浓度和气孔导度的变化方向是决定叶片净光合速率变化的主要原因^[25], 本研究中净光合速率和气孔导度与胞间CO₂浓度的变化趋势相反, 说明施肥处理棉花光合性能的改变是由非孔因素导致, 非气孔因素阻碍了CO₂的利用, 造成CO₂的积累。

干物质积累与分配是作物产量形成的物质基础^[26], 合理施肥能够促进干物质的积累与合理分配, 从而提高产量^[27]。郑凤霞等^[28]研究指出, 有机无机肥配施提高了冬小麦干物质积累能力并增加了光合产物向籽粒的分配; 刘彦伶等^[26]研究表明, 有机无机肥配施有利于促进水稻干物质的积累及其向籽粒的转运, 从而提高了产量; 崔红艳等^[27]研究显示, 有机无机肥配施促进了胡麻对养分的摄取和水分的吸收, 有利于胡麻花前干物质的积累和花后干物质向籽粒分配。本研究与前人研究结果一致, 水分亏缺显著降低棉花地上部干物质的积累, 盛蕾期后, 水分亏缺下化肥减量配施有机肥能显著提高棉花营养器官和生殖器官干物质积累量, 并促进光合产物向生殖器官的分配, 其中M₂提高效果最显著, 可能是适宜的化肥减量配施有机肥后, 使植株的蛋白质含量增加, 并增加了单株有机物质积累量, 使得作物生长过程吸收的养分更多地向生殖器官转移^[19]。大量研究表明^[23,29-30], 与单施化肥相比, 化肥配施有机肥能够显著提高作物的产量, 本研究结果显示, 水分亏缺下棉花单株铃数、籽棉产量较正常水分显著降低, 化肥减量配施有机肥能显著提高棉花单株铃数、单铃重和籽棉产量, 一方面, 化肥配施有机肥能够改善土壤理化性质, 协调土壤速效与缓效养分供给^[26]; 另一方面, 有机无机肥配施既保证了一定数量的有效铃数, 又防止棉花生长后期早衰, 延长花铃期光合作用时间, 保证棉花生长发育后期干物质的积累, 从而提高单铃重和籽棉产量。

水资源短缺是影响干旱地区农田生态系统作物生产力提高的主要因子^[7], 促进作物对有限水资源的充分利用、减轻水分亏缺对作物光合生产的影响是干旱灌溉农业区生产中需要解决的主要问题, 在一定条件下, 施肥能够提高作物的水分利用效率, 增加作物的抗旱能力, 具有“以肥调水”的作用^[31]。已有研究表明, 施用有机肥能够显著提高土壤贮水量, 提高作物水分利用率^[11], 并有利于减少土壤表面水分蒸发^[32], 在一定程度上能够缓解干旱胁迫影响^[7]。本研究中, 水分亏缺下化肥减量配施有机肥较单施化肥能显著提高灌溉水生产力和棉花生育后期土壤耕层含水量, 促进对有限灌溉水资源的充分利用, 其主要原因可能是有机肥为土壤微生物提供了丰富的碳源, 提高了微生物活性, 通过对土壤团聚体的形成与稳定性的促进作用, 改善了土壤结构^[32], 增加了土壤的保水保肥性^[13,30], 从而能够缓解水分亏缺对棉花光合生产的影响, 其中M₂处理(50%化肥+50%有机肥)在水分亏缺下表现最佳, 既实现了化肥减量, 又缓解了水分亏缺对作物的影响。但由于同一施肥处理经过多年保持后更能反映出实际效果^[11], 在水分亏缺下化肥减量配施有机肥对棉花生长发育的调控, 还有待长期深入的研究。

4 结论

亏缺灌溉下棉花叶面积指数在各生育期降低并促使峰值提前, 使光合有效面积减小, 影响光合物质生产和干物质积累, 籽棉产量显著降低。化肥减量配施有机肥能有效提高盛蕾期后棉花叶面积指数, 提高植株光合性能, 促进地上部干物质的积累并向生殖器官转运, 有利于后期籽棉产量的形成, 同时能够提高土壤耕层保水性以及促进对有限灌溉水资源的充分利用, 从而缓解水分亏缺对棉花光合物质生产的影响。在不同的灌溉水分条件下有机肥最佳配施比例不同, 其中在充分灌溉下, M₁处理(75%化肥+25%有机肥)光合物质生产力最高, 籽棉产量平均较单施化肥和不施肥分别提高了6.9%和62.1%, 而在亏缺灌溉下, M₂处理(50%化肥+50%有机肥)表现最佳, 籽棉产量平均较CF和CK分别提高了19.9%和79.3%。通过适宜比例的化肥减量配施有机肥可以实现化肥减量, 同时又能缓解水分亏缺对作物光合生产的影响, 这对于水资源紧缺且因化肥过量施用出现环境问题的干旱灌溉农业区具有重要意义。

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