棉花对不同氮肥施用方式的生理及产量响应

《Journal of Agriculture and Food Research》：PHYSIOLOGICAL AND YIELD RESPONSES OF COTTON TO DIFFERENT NITROGEN PLACEMENT METHODS

　　

摘要

氮（N）的施用位置影响棉花的养分有效性、作物发育及氮素利用效率（NUE），然而在佛罗里达狭长地带（Florida Panhandle）的雨养生产体系中，关于氮肥施用方式的信息仍然有限。研究人员于2023年和2024年在佛罗里达州杰伊市（Jay, FL）的西佛罗里达研究与教育中心（West Florida Research and Education Center）开展了一项为期两年的田间试验（2023和2024），采用随机完全区组设计（randomized complete block design），设4次重复。处理包括3个氮肥施用水平（67.5、102和136 kg N/ha）和2种施用方式：表施（top-dress）和侧施（side-dress）。尿素作为氮源，分两次施用：出苗期施用25%，现蕾期施用75%。研究人员测定了归一化差异植被指数（NDVI）、叶片叶绿素含量、氮平衡指数（NBI）和叶面积指数（LAI），并在开花早期至盛期期间每周采集叶柄硝态氮含量数据，以监测棉花生长发育。生理参数表现出强烈的年份依赖性响应，NDVI和LAI在2024年总体较高，反映出在有利的水分条件下冠层活力更好；而叶绿素含量和NBI在2023年往往较高，这归因于胁迫条件下冠层扩展受限、叶片氮素浓缩。2023年叶柄硝态氮含量较2024年低70–95%，表明干旱和高温限制了氮素吸收并掩盖了肥料处理效应。皮棉产量在2024年（1,698 kg/ha）显著高于2023年（1,174 kg/ha），而衣分（lint turnout）在2023年（48.7%）高于2024年（46.1%）。氮肥施用方式对皮棉产量有统计学显著但幅度较小的效应（p = 0.01）。跨年份和氮肥水平合并分析时，表施处理产量为1,476 kg/ha，侧施处理为1,440 kg/ha，差异约为2.5%。因此，在雨养条件下，表施与小幅合并产量优势相关。然而，研究结果并未证明在不利天气条件下表施具有普遍优势。

论文解读：棉花对不同氮肥施用方式的生理及产量响应

**一、研究背景与目的**

氮（N）是棉花（*Gossypium hirsutum* L.）生长发育和产量形成所必需的关键大量营养元素，在叶绿素合成、蛋白质合成和酶活性等方面发挥着重要作用。美国棉花生产体系中推荐氮肥施用量范围较广，为71至220 kg N/ha，具体取决于当地土壤特性、气候条件、农艺措施和产量目标。棉花在生育进程中对氮素的需求呈现动态变化：营养生长早期氮素吸收较少，现蕾期和开花期显著增加，至铃期达到峰值。开花期和棉铃发育期充足的氮素供应对棉铃保留、种子发育和皮棉产量至关重要，而此阶段氮素缺乏会显著限制产量潜力；相反，过量施氮特别是营养生长阶段过量施氮，会导致营养生长过旺、成熟延迟、成铃率下降和纤维品质下降。因此，将氮素供应与棉花关键生育期的需求精准同步，对于实现产量最大化和提高氮素利用效率（NUE）至关重要。

除施氮量和施氮时期外，肥料施用方式也显著影响氮素的有效性、吸收效率和环境损失。表面撒施将肥料均匀分布于土壤表面，经济性较好但容易造成氮素损失；地下条施将氮肥集中于地表以下的根系附近区域，可减少氮素损失并提高养分吸收效率。然而，在佛罗里达州特定的土壤和环境条件下，氮肥施用方式对棉花生长、产量和NUE的影响尚未得到充分研究。佛罗里达州土壤质地粗、肥力低、降雨变率大，这些因素会强烈影响肥料溶解、氮素运移、作物吸收和环境损失。此外，已有研究报道在佛罗里达沙质土壤的雨养棉花生产中，地下条施尿素的氨（NH3）挥发量高于地表施用，说明其他地区观测到的施肥方式响应可能无法直接适用于佛罗里达州。因此，有必要开展田间试验，以确定地下条施的潜在根系区域优势是否能在佛罗里达州条件下改善棉花生产力和NUE。本研究旨在：（1）评估不同施氮量和施用方式下棉花关键生育期的生长发育状况；（2）评估不同氮肥管理措施下棉花籽棉产量、皮棉产量和NUE的响应。研究人员假设氮肥施用方式对棉花生长、产量和NUE的影响取决于施氮量和季节性生长条件，因此地表撒施和地下条施在不同条件下不会出现一方持续优于另一方的情况。

**二、技术方法概述**

本研究于2023年和2024年在佛罗里达大学/IFAS西佛罗里达研究与推广中心（30°46′34.5″N, 87°08′15.9″W）开展，土壤类型为Red Bay细砂壤土（细壤质、高岭石、热性Rhodic Kandiudults），pH为6.3–6.4。试验采用随机完全区组设计（RCBD），设4次重复，共6个处理，包括3个氮肥水平（67.5、102和136 kg N/ha）和2种施用方式（地表撒施表施和地下条施侧施）。尿素作为氮源，按25%出苗期和75%现蕾期分两次施用。利用Crop Circle ACS-435传感器测定归一化差异植被指数（NDVI），利用Dualex Scientific仪测定叶片叶绿素含量和氮平衡指数（NBI），利用LICOR-2200C植物冠层分析仪测定叶面积指数（LAI），通过叶柄采样分析硝态氮含量监测棉株氮素状况，收获后计算衣分、皮棉产量、偏因子生产力（PFP）和内部氮素利用效率（iNUE）。数据采用R软件中的lme4和lmerTest包进行三因素方差分析，使用Tukey HSD检验进行均值分离。

**三、主要研究结果**

**3.1 天气条件**
2023年生长季（5–10月）累计降雨量为607 mm，显著低于2024年的878 mm和长期（2013–2022年）平均降雨量952 mm，且2023年降雨分布不均，在棉花关键生育期出现持续干旱期。2023年从初花期到盛铃期累计降雨量仅53 mm，而2024年同期为275 mm。此外，2023年生长季平均气温为26.2°C，高于2024年的25.6°C。2023年降雨减少和高温的共同作用加剧了水分和热胁迫，而2024年降雨充沛、气温略低，为棉花生长创造了更有利的环境条件。

**3.2 归一化差异植被指数**
NDVI在盛铃期达到峰值，此后开始下降。2024年NDVI较2023年各生育期高5–30%，差异在初花期最大。2023年初花期和盛花期存在氮肥施用方式与年份的显著交互作用，侧施处理的NDVI高于表施处理，而2024年两种施用方式无显著差异。在氮肥水平方面，2023年初花期和初絮期高氮水平（136 kg N/ha）的NDVI显著高于低氮水平，而2024年各氮肥水平间无显著差异，这可能与2024年冠层快速郁闭导致NDVI值饱和有关。

**3.3 叶片叶绿素含量**
叶绿素含量在盛花期和盛铃期受年份和氮肥水平的显著影响。2023年盛花期和盛铃期叶绿素含量（30.8和34.6 μmol/m2）显著高于2024年（25.3和26.0 μmol/m2）。研究人员认为，2023年高温干旱条件下叶片扩展受限，单位叶面积叶绿素浓缩导致含量升高，但这是维持光合能力的应激反应而非产量改善的标志。氮肥水平影响显著，高氮处理叶绿素含量显著高于低氮处理。在初絮期检测到氮肥施用方式、氮肥水平和年份的显著三向交互作用，2023年表施136 kg N/ha处理叶绿素含量最高，表施67.5 kg N/ha处理最低，侧施各氮肥水平间差异不显著。

**3.4 氮平衡指数**
氮平衡指数（NBI）是叶绿素含量与类黄酮浓度的比值，在多个生育期受年份、氮肥水平、施用方式及其交互作用的显著影响。盛花期存在显著的三向交互作用，2023年侧施136 kg N/ha处理的NBI比表施67.5和136 kg N/ha处理高25–30%，而2024年各处理间无显著差异。盛铃期NBI在2023年高于2024年，且随施氮量增加而升高，与叶绿素响应模式一致。在初絮期，侧施136 kg N/ha处理在2024年的NBI比2023年高约41%，表明侧施在高氮水平下能够在生殖生长后期维持棉株氮素营养状态。

**3.5 叶面积指数**
LAI在初花期和盛花期存在显著的年份效应。2024年初花期LAI为3.21，比2023年的1.36高136%；2024年盛花期LAI为5.72，比2023年的3.16高81%。2023年较低的LAI主要归因于干旱胁迫和高温限制叶片扩展、降低叶片含水量并促进衰老脱落。2023年各氮肥处理组合LAI均较低（3.45–3.99），而2024年处理效应显现，LAI范围为5.53–7.00。在盛花期，高氮处理LAI显著高于低氮处理；在盛铃期，氮肥施用方式与氮肥水平存在显著交互作用，2024年表施102 kg N/ha处理LAI最高，而侧施处理在各氮肥水平下LAI相对稳定，表明地下条施能够优化生育后期氮素有效性。

**3.6 叶柄硝态氮含量**
叶柄硝态氮含量在所有采样时间均受年份与氮肥水平交互作用的显著影响（p < 0.01），而施肥方式无显著效应。2023年各氮肥水平间叶柄硝态氮含量均无显著差异，且整体保持在较低水平（212–1,350 mg/kg），远低于佐治亚州棉花适宜范围下限，表明干旱胁迫和高温限制了硝酸盐的吸收和转运，掩盖了肥料处理效应。2024年氮肥水平效应显著：花后1周叶柄硝态氮含量范围为3,712–9,925 mg/kg，各氮肥水平均处于适宜范围内；花后2周范围为1,425–5,400 mg/kg，高氮处理处于适宜范围；至花后4周，各处理叶柄硝态氮含量进一步下降。2023年叶柄硝态氮含量总体比2024年低70–95%。

**3.7 衣分、皮棉产量与内部氮素利用效率**
衣分和皮棉产量均存在显著的年份效应。2023年平均衣分为48.7%，显著高于2024年的46.1%；而2024年皮棉产量（1,698 kg/ha）比2023年（1,174 kg/ha）高45%。施氮量和施肥方式对衣分无显著影响，但施肥方式对皮棉产量有显著影响（p = 0.01）。跨年份和氮肥水平合并分析时，表施处理皮棉产量为1,476 kg/ha，侧施处理为1,440 kg/ha，表施比侧施高约2.5%。内部氮素利用效率（iNUE）存在年份与施肥方式的显著交互作用（p = 0.01）：2023年表施处理iNUE显著高于侧施，2024年两种施肥方式无显著差异。侧施处理虽然促进了氮素吸收（NDVI、LAI和NBI均较高），但被吸收的氮转化为皮棉产量的比例较低；而表施处理较低的氮吸收量可能更好地与皮棉生产相协调。

**四、讨论与结论**

本研究表明，雨养棉花氮肥施用策略的有效性强烈受年际环境变异影响。2023和2024年截然不同的降雨和温度模式对棉花生长、氮素状况、皮棉产量和NUE的影响大于肥料管理本身的效应。2024年较高的NDVI和LAI表明充足土壤水分下冠层生长更好，而2023年升高的叶绿素和NBI值反映的是胁迫条件下叶片氮素浓缩而非作物性能改善。叶柄硝态氮进一步证实了高温干旱条件下氮素吸收受到严重限制，降低了作物对施用氮肥的响应。在更有利的2024年，皮棉产量大幅提高，而衣分在较热较干的2023年更高，说明产量形成对季节性天气高度敏感。氮肥施用方式对皮棉产量具有统计学显著但幅度较小的效应，跨年份合并分析时表施略优于侧施。表施处理更高的iNUE表明，在环境胁迫限制产量潜力时，表施促进了被吸收氮向皮棉的更高效转化。总体而言，雨养棉花优化氮素管理需要与季节性约束相协调，因为施用方式的效应依赖天气条件，而天气条件会改变氮素吸收和利用过程。对于类似环境条件下的种植者，表施氮肥仍然是一种实用选择，与侧施相比产量损失有限。未来研究应在更广泛的环境条件下评估更多氮源和管理策略，以提高多变降雨条件下棉花的NUE。