佛罗里达州灌溉棉田的氮肥施用量优化

《Agronomy Journal》：Nitrogen rate optimization for irrigated cotton in Florida

氮肥优化对佛罗里达棉花生长及产量的影响研究显示，101公斤/公顷氮肥使叶面积指数、干物质积累和产量达到峰值，更高施氮量无效。经济最优氮率为113公斤/公顷，50公斤/公顷可满足2.5包/公顷产量需求，且硝酸态氮阈值范围为7800-8692毫克/千克（开花期）和1733-4500毫克/千克（开花后4周）。

　　本研究针对佛罗里达州的灌溉棉花（Gossypium hirsutum L.）开展，旨在重新评估氮肥（N）施用量对棉花生长、开花期叶片硝态氮（PNN）含量以及产量和氮肥利用效率（NUE）的影响。目前佛罗里达州推荐的氮肥施用量为每公顷67千克，这一数值在过去的40年中未曾改变，然而，随着种植方式的变化和新品种的出现，这一推荐可能已不再适用。为此，研究在三个不同的地点，使用随机完全区组设计，并进行了四次重复试验，以探讨不同氮肥施用量对棉花生长和产量的影响。研究的主要目标包括量化氮肥施用量对棉花生长、开花期PNN水平、以及产量和氮肥利用效率的影响，最终实现氮肥施用量的优化。

研究结果显示，叶面积指数（LAI）在施用101至151千克氮肥/公顷时达到最大值。而施用101千克氮肥/公顷则能维持开花期PNN的充足水平。在开花期，PNN的范围在7800至8692毫克/千克之间，而在开花后4周时，PNN的范围则为1733至4500毫克/千克，这些范围可以被认为是实现最佳产量的充分条件。统计分析表明，施用超过101千克氮肥/公顷并没有带来显著的生物量和皮棉产量的提升。此外，研究发现氮肥施用量与肥料氮肥利用效率（FNUE）之间存在显著的负相关关系（r = -0.85），与内部氮肥利用效率（iNUE）之间也存在负相关（r = -0.61）。基于最佳拟合模型，佛罗里达州灌溉棉花的农业和经济最优氮肥施用量为113千克/公顷。根据产量目标分析，为了生产每公顷2.5个皮棉包（约1个包/英亩；1个包=218千克皮棉），每公顷约需50千克氮肥（约45磅/英亩），这为实现目标产量的氮肥施用提供了精准的指导。

氮肥对棉花生产至关重要，它不仅是产量的重要决定因素，还对纤维质量产生影响。适量的氮肥施用可以促进叶片数量和面积的增加，提升光合作用能力，影响养分向生殖器官的分配，进而改善铃密度和重量，最终提高种子棉产量（SCY）。然而，过量的氮肥可能导致植被过度生长，延迟铃成熟，增加病虫害风险，并可能导致下部铃脱落、皮棉比例下降以及纤维质量降低。过量氮肥还会降低氮肥利用效率，并导致非点源污染，这对关注水质的州如佛罗里达州而言是一个严重的问题。相反，氮肥不足会限制铃的形成，降低皮棉产量。氮是光合作用系统和蛋白质的重要组成部分，其缺乏可能导致产量减少高达50%。氮肥不足会影响光合速率、叶片面积扩展、植被生长、铃数量、铃大小、根系生长以及养分吸收，因此，优化氮肥施用量对于提高棉花产量、质量、氮肥利用效率和环境保护至关重要。

在过去50年中，美国和全球的棉花皮棉产量每年增长了2.8至18.3千克/公顷，这主要得益于高产、优质、抗病虫害和抗逆境的新品种的开发。从1960年到2018年，美国陆地棉产量增加了94%，而氮肥施用量则增加了36%。高产棉品种的培育提高了皮棉产量，但同时也带来了土壤养分消耗的风险，可能影响未来的产量潜力。因此，随着新品种对养分需求的变化，肥料推荐也需要不断更新。

棉花的产量与氮肥施用量密切相关，这不仅受到氮肥价格的影响，还受到能源、运输和施用成本的影响。准确计算经济最优氮肥施用量（EONR）对于避免因氮肥过量或不足而导致的经济损失至关重要。然而，最优氮肥施用量会因气候、土壤类型和田间管理实践的不同而有所变化。在美国，各州推荐的氮肥施用量范围从67到220千克/公顷不等。例如，佐治亚州的推荐范围为118至135千克/公顷，取决于土壤类型和皮棉产量目标。阿拉巴马州则推荐在沙土和壤土上施用67至133千克氮肥/公顷。一项跨10个美国地点的研究发现，施用约112千克氮肥/公顷即可达到约1457千克/公顷的产量，若包括土壤中的硝态氮（NO3-N），则需施用165千克/公顷。最近的研究指出，在西北佛罗里达州的雨养条件下，施用127千克氮肥/公顷可达到最佳产量。其他地区若要达到类似产量，通常推荐施用约175千克/公顷的总氮肥（包括土壤中的硝态氮和施用的肥料氮）。其中，佛罗里达大学的推荐为67千克/公顷，这一数值来自1981年的研究，可能已经过时，因为1981年的皮棉产量仅为673千克/公顷，而2024年的产量已达到781千克/公顷。

为了重新评估美国东南部棉花对氮肥施用量的反应，需要进行详细的多地点研究。此外，佛罗里达州在棉花开花期PNN变化方面的研究较为有限。因此，本研究提供了有关棉花在开花期PNN变化的数据，以帮助制定精准的氮肥施用管理策略。本研究假设棉花可能需要比当前推荐的67千克/公顷更高的氮肥施用量以实现最佳生长和产量。研究的目标包括量化氮肥施用量对生长、开花期PNN和叶氮状态、以及产量、氮肥利用效率和氮肥施用量优化的影响。

研究在三个地点进行了三年试验，分别位于佛罗里达州的北佛罗里达研究与教育中心（S1）和两个农民试验田（S2和S3）。所有试验地点均位于杰克逊县，代表北佛罗里达州大部分灌溉棉花的种植区域。S1的土壤为排水良好的橙堡壤土（Fine-loamy, kaolinitic, thermic Typic Kandiudults），具有2%至5%的坡度。S2的土壤为排水过强的特鲁普沙土（Loamy, kaolinitic, thermic Grossarenic Kandiudults），坡度为0%至5%。S3的土壤为排水过强的特鲁普壤土（Loamy, kaolinitic, thermic Grossarenic Kandiudults），坡度也为0%至5%。研究中还采集了土壤样本，分析了其物理和化学特性，发现所有三个地点的土壤均以沙土为主，有机质和总氮含量较低，pH值适合棉花生长。S3的总磷、钾、镁、钙、硫和阳离子交换容量（CEC）均低于其他地点。S1的钾、钙、总氮和CEC含量高于S3。土壤的排水性和肥力对氮肥施用量的反应具有重要影响，因此，不同地点的氮肥施用量推荐需根据其土壤特性进行调整。

研究采用随机完全区组设计，设置了六个氮肥施用量（0、50、101、151、202和252千克/公顷），每个处理重复四次，共24个实验小区。每个小区为12行，长度为7.62米，宽度为10.97米，小区间距离为6.10米，重复间距离为3.66米。研究使用了Delta Pine 2038 B3XF（DP 2038）品种，其种植密度为78,500粒/公顷，种植深度为0.0381米，使用John Deere播种机进行。种植时间分别为2022年6月2日（S1）、2023年5月11日（S2）和2023年5月18日（S3）。氮肥来源为尿素（46:0:0）混合N稳定剂（ANVOL，Koch Agronomic Services, LLC），施用率为1.5毫升/千克。ANVOL中含有N-(n-丁基)硫代磷酸三胺和杜鲁米德，可以减少氮肥的挥发损失。在2022年的试验中，氮肥分为两次施用，第一次施用为推荐氮肥施用量的30%（约20千克/公顷），其余部分在第一次铃形成时施用。在2023年的农民试验中，氮肥分为四次施用，以模拟杰克逊县农民的氮肥施用实践。第一次施用为推荐氮肥施用量的30%（20千克/公顷），其余部分分别在第一次铃形成前、第一次铃形成时和开花中期施用。所有地点均进行了灌溉，2022年总灌溉量为161毫米，共八次灌溉；2023年S2和S3的总灌溉量分别为196毫米（十二次灌溉）和193毫米（十次灌溉）。灌溉时间根据土壤湿度传感器确定，并通过不同的灌溉量进行调整。研究还遵循了区域生产指南，管理棉花的病虫害（包括昆虫、病害和杂草）。

为了控制棉花生长，研究在S1使用了三种不同剂量的植物生长调节剂（mepiquat chloride），分别为0.10、0.10和0.13千克/公顷。在S2使用了三种剂量的mepiquat chloride（Compact，Winfield Solutions, LLC），分别为0.047、0.008和0.032千克/公顷。在S3则使用了两种剂量，分别为0.016和0.021千克/公顷。这些生长调节剂的应用有助于平衡棉花的营养生长和生殖生长，从而提高产量和质量。

研究在生长季期间对叶面积指数（LAI）进行了多次测量，使用LICOR-2200C植物冠层分析仪在黄昏时进行，每小区取四个冠层上方和16个冠层下方的样本。LAI在种植后29、43、57、71、85、99、113和126天时进行测量。结果显示，LAI在种植后85至99天达到峰值，之后逐渐下降。在所有氮肥施用量中，LAI在101千克/公顷的施用量下达到最大值，更高的施用量未能显著提高LAI。这表明，超过101千克/公顷的氮肥施用量对LAI的提升作用有限，因此可以避免使用更高的氮肥。

研究还采集了叶片样本，以分析PNN和叶总氮含量。每小区在开花至开花后4周期间，每隔一段时间采集20片叶子（主要为第四或第五片叶），立即分离叶柄和叶片进行分析。PNN在所有五个采样时间点均被量化，但叶总氮含量仅在开花和开花后4周进行分析。采样时间分别为71、78、85、92和99天（S1）；70、77、83、97和103天（S2）；以及70、76、83、90和96天（S3）。研究发现，PNN随着氮肥施用量的增加而提高，但在开花后4周，施用量超过151千克/公顷时，PNN并未显著增加。施用101千克/公顷的氮肥能够维持开花期PNN的充足水平。研究指出，PNN在开花期的范围为7800至9600毫克/千克，而在开花后4周的范围为1733至4500毫克/千克，这些范围可以被认为是佛罗里达州灌溉棉花的充分条件。此外，研究还发现，开花后1周内，PNN可用于指示氮肥缺乏，但不能用于指示过量。从开花后2周开始，PNN可能同时反映氮肥的缺乏和过量。PNN超出或低于目标范围可能预示着潜在的问题，因此，更新PNN的推荐标准有助于佛罗里达州农民进行精准的氮肥管理。

研究还分析了叶氮含量的变化，发现叶氮含量随着氮肥施用量的增加而提高。在开花期，叶氮含量最低的施用量为0千克/公顷，而在施用101千克/公顷时达到最大值，之后没有显著增加。开花后4周，叶氮含量在施用101千克/公顷时显著高于较低的施用量，但低于较高的施用量。这表明，叶氮含量在一定范围内与产量相关，但过高的施用量可能导致叶氮含量的浪费。研究指出，叶氮含量的充足范围为3.0%至4.5%（Mitchell & Baker, 1997），在该范围内，叶氮含量被认为是足够的。然而，研究发现，佛罗里达州棉花的叶氮含量充足范围可能与佐治亚州有所不同，这可能与土壤特性和管理实践有关。

研究还分析了地上生物量（AGB）、生物量氮和碳的吸收情况。在种植后27和57天，不同氮肥施用量对AGB的影响不显著。而在种植后90天，所有施用量（50至252千克/公顷）的AGB均无显著差异，但施用量≥101千克/公顷的AGB显著高于0千克/公顷。在生理成熟期（PM），AGB同样在施用101千克/公顷时达到最大值。与较低的施用量相比，施用101千克/公顷的AGB提高了45%至146%。然而，较高的施用量对AGB的提升效果不明显，表明超过一定施用量后，生物量的增加不再显著。

研究还收集了皮棉产量和皮棉转化率的数据。在所有地点，皮棉产量和转化率均显著受到氮肥施用量的影响。皮棉产量在施用0千克/公顷时最低，而在施用101千克/公顷时达到最佳。研究发现，施用量超过101千克/公顷并未显著提高皮棉产量，但产量数值在151千克/公顷时达到峰值。这表明，超过101千克/公顷的施用量对产量的提升作用有限。同时，研究发现，皮棉转化率在施用量0至101千克/公顷时保持稳定，之后随施用量增加而线性下降。这可能与过量氮肥导致的铃成熟延迟和纤维硬锁有关，硬锁是棉花铃中纤维未能蓬松而无法被采摘的情况。此外，施用较高氮肥可能增加种子重量，从而减少皮棉转化率。

研究还分析了氮肥利用效率（NUE）的变化，发现肥料氮肥利用效率（FNUE）和内部氮肥利用效率（iNUE）均受到氮肥施用量的影响。施用50千克/公顷的氮肥时，FNUE达到最高，而施用252千克/公顷时最低。研究指出，FNUE在13至18之间的范围被认为是高效的，低于13可能表示氮肥利用不充分，高于18可能表示作物无法有效利用氮肥。根据这一范围，施用101千克/公顷的氮肥被认为是高效的。施用量≥151千克/公顷可能导致氮肥利用效率下降，这可能是由于过量氮肥的吸收和利用受限。同时，iNUE在施用50千克/公顷时达到最高，之后施用量增加时，iNUE的变化不显著。这表明，氮肥的吸收和利用效率在一定范围内是稳定的，但过高的施用量可能影响作物对氮肥的有效利用。

研究还通过不同模型（线性、线性平台、二次和二次平台模型）分析了农业最优氮肥施用量（AONR）和经济最优氮肥施用量（EONR）。在所有地点的综合模型中，最佳拟合模型为线性平台模型，AONR和EONR分别为113千克/公顷。对应的农业最优产量（AOY）和经济最优产量（EOY）为3015千克/公顷。研究还发现，超过101千克/公顷的施用量并未带来显著的产量提升，但数值上在151千克/公顷时达到最大值。这表明，最优氮肥施用量可能在101至151千克/公顷之间。然而，基于产量目标的氮肥推荐比单一施用量更优，因为它考虑了不同生产场景下的作物反应差异。根据研究结果，为了生产每公顷2.5个皮棉包（约1个包/英亩），每公顷需要约50千克氮肥（约45磅/英亩），这为不同地点的氮肥施用量调整提供了依据。

研究结果表明，氮肥施用量与肥料氮肥利用效率（FNUE）和内部氮肥利用效率（iNUE）之间存在显著的负相关关系。随着氮肥施用量的增加，FNUE和iNUE均呈下降趋势。其中，FNUE的变化更为显著，而iNUE的变化相对平缓。这表明，FNUE对氮肥施用量的反应更为敏感，而iNUE则受其他因素影响较大。研究还发现，不同地点的产量和氮肥利用效率存在差异，这可能与土壤特性、气候条件和管理实践有关。因此，氮肥施用量的推荐需根据具体地点进行调整，以实现最佳的产量和资源利用效率。

本研究的结论表明，施用101千克/公顷的氮肥足以维持开花期PNN的充足水平，并能实现最佳的生物量积累和产量。施用量超过101千克/公顷并不会带来显著的产量提升，反而可能增加氮肥的浪费和环境负担。因此，优化氮肥施用量对于提高棉花产量、质量、氮肥利用效率以及减少环境污染具有重要意义。研究还指出，佛罗里达州当前的氮肥推荐（67千克/公顷）可能已不适用，需要根据新的研究结果进行调整。同时，研究建议，氮肥施用量的调整应基于产量目标，以实现精准农业的实施。通过这些研究，可以为佛罗里达州棉花种植提供科学依据，确保氮肥的合理使用，提高农业的可持续性和经济效益。