长期不同施氮量、绿肥还田及耕作方式对棉花产质量的影响
Long-term Effects of Nitrogen Fertilization, Cover Crops, and Tillage Systems on the Growth, Yield and Quality of Cotton
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Keywords:
- tillage system /
- hairy vetch /
- cover crops /
- nitrogen fertilizer /
- cotton /
- yield /
- fiber quality
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氮元素是棉花优质高产的主要调控因素之一[1-3]。与其他作物相比，棉花具有无限开花结铃的特性，其需氮量相对较大。在实际生产中，棉农也倾向于增施氮肥以获得高产。但过量施用氮肥不但会造成棉花徒长、产量下降和品质降低，而且过量的氮肥会通过土壤淋洗、土壤径流、反硝化和挥发等途径损失，造成较低的氮肥利用率，从而影响农业生产的可持续性，增加棉农的生产成本。田纳西州作为美国重要的棉花种植地区，其植棉土壤多为沙壤土，土壤质地较轻，保肥保水性较差，氮素流失严重，对环境造成污染。
保护性耕作方式(如免耕及绿肥还田)对降低水土流失、保持土壤肥力和水分有着十分重要的作用。唐晓红等[4]通过长期定位试验发现：保护性耕作有利于紫色水稻土表层大团聚体的形成和土壤有机碳储量的提高。除此之外，免耕还可有效改善耕作土壤的生态环境，使免耕条件下的作物产量有所提高[5-8]。绿肥还田不仅可以改善土壤结构、提高土壤有机质含量和保障作物产量，而且还可以减少化学肥料的投入，降低对环境的污染[9-10]。通过绿肥作物的覆盖，可以有效地提高土壤肥力、降低水土流失率、减少病虫害和杂草的发生、避免对地下水造成污染，同时还可以减少生产成本的投入[11-15]。
本研究基于美国田纳西州长期定位试验条件，分析长期不同施氮量、绿肥还田、耕作方式以及它们的交互作用对棉花生长、产量和品质的影响，以期为棉花的合理土壤和氮肥管理提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 试验时间及地点
试验于2013年在田纳西大学西部试验站的长期免耕定位试验点(1981至今)进行。
1.2 试验设计
供试棉花品种为PHY 375 WRF，试验地土壤为沙壤土。试验为三因素裂区试验设计：施氮量为主区，分别设0、34、67和101 kg/hm2 4个不同施氮量处理；裂区为覆盖作物，即不覆盖及覆盖毛苕子处理；再裂区为耕作方式，包括免耕及传统耕作。试验设4次重复，共计64个小区，小区面积为 9.1 m×7.7 m。
1981—2013年，该试验站除免耕小区外的各试验小区于当年秋季翻耕，并于次年春季播种耕作。毛苕子(Vicia villosa)于2012年10月25日播种，播种量为22 kg/hm2，于2013年5月8日收割，作为豆科绿肥覆盖备用；棉花于2013年5月16日播种，8行种植，密度约为135860株/hm2；2013年5月24日将硝酸铵以撒施的方式施入；2013年10月23日对每小区中间2行棉花进行机收。
1.3 测定项目及方法
1.3.1 棉株生物量
在花蕾期和花铃中期，每小区取10株长势均匀一致棉株的地上部分，分别测定茎(含分支)、叶(含叶柄)和花(含花蕾、花及很小的花铃)的鲜质量，然后于通风烘箱内65 °C烘至少7 d至恒质量，测定各部分的干质量，计算棉株的总生物量；花铃末期时，每小区取10株长势均匀一致棉株的地上部分，分别测定茎(含分支)、叶(含叶柄)、棉壳(含心皮墙、苞片及花梗)和棉籽(含棉绒)的鲜质量，然后于通风烘箱内65 °C烘至少7 d至恒质量，测定各部分的干质量，并计算干物质总量。
1.3.2 棉花产量
收获期使用收割机分别收获每小区中间2行棉花，并用1/5规格的碾压机去除棉籽，测定皮棉产量。
1.3.3 棉花品质
在棉铃成熟期随机对每小区中间2行棉花进行采摘，每个小区不低于60个棉铃，纤维样品送至位于美国北卡罗来纳州卡里的棉花公司纺织服务实验室进行长度、马克隆值及整齐度的测定。其中，马克隆值是反映棉花纤维细度和成熟度的综合指标，是衡量棉纤维品质的重要指标[16]。
1.4 数据处理
采用Microsoft Excel和SAS软件PROC MIXED程序统计分析数据。
2. 结果与分析
2.1 长期不同氮肥施用量及栽培措施对棉株不同生育期干物质总量的影响
由表1可知：棉株不同生育期下生物量显著受覆盖处理×施氮量间交互作用的影响。在花蕾期，不覆盖情况下，各施氮量间棉株生物量差异显著，101 kg/hm2处理下棉株总生物量最高，且比不施氮肥处理显著提高了127.4%；覆盖毛苕子后，各施肥处理间差异不显著；说明在棉株生长初期，覆盖毛苕子后可降低氮肥的施用量。花铃中期时，覆盖毛苕子情况下，施氮量为101 kg/hm2时棉株总生物量显著高于低氮处理及不覆盖处理下的棉株总生物量。花铃末期时，覆盖毛苕子情况下，101 kg/hm2处理棉株总生物量显著高于不覆盖处理下的不施氮肥和低氮处理。
表 1 覆盖作物×施氮量交互作用对不同生育期棉株生物量的影响Table 1. Interaction effects of cover crops by N application rates on the cotton biomass at different growth stages覆盖作物
cover crop施氮量/(kg·hm−2)
N application rate生物量/(kg·hm−2) biomass 花蕾期
early square花铃中期
mid-bloom花铃末期
post bloom不覆盖
no cover0 970.7 d 5 020.0 e 6 839.5 e 34 1 084.4 cd 7 769.5 d 9 485.9 de 67 1 620.2 bc 10 627.0 bc 11 582.0 cd 101 2 206.9 a 10 260.0 bc 15 058.0 ab 覆盖毛苕子
hairy vetch0 1 993.1 ab 9 781.6 cd 13 999.0 bc 34 2 022.8 ab 11 375.0 bc 13 927. 0 bc 67 2 360.9 a 11 795.0 ab 14 788.0 bc 101 2 116.3 ab 13 550.0 a 18 051.0 a 覆盖作物×施氮量
cover crops × N application rate* * * F 值 F value 3.9 4.10 7.34 P 值 P value 0.024 0.018 0 0.011 2 注：“ns”表示 0.05 水平下无显著差异性，“*”表示在 0.05 水平下差异显著，“**” 表示在 0.01 水平下差异显著；同一列中不同字母表示在 0.05 水平下差异显著；下同。
Note: “ns” indicates no significant difference at P<0.05, “*” indicates significant difference at P<0.05, “**” indicates significant difference at P<0.01; the same as below.由表2可知：覆盖作物×耕作方式间的交互作用对棉株不同生育期的生物量均有显著影响。在花蕾期和花铃中期，覆盖毛苕子×免耕处理下棉株总生物量显著高于其他处理。在花铃末期，覆盖毛苕子×免耕处理下棉株生物量比不覆盖×免耕处理下生物量显著提高了73.7%，比覆盖毛苕子×传统耕作处理下生物量显著提高了40.6%。从整个棉株生育期来看，覆盖毛苕子×免耕处理可以有效提高棉株生育前期的生物量积累，表明覆盖×免耕可有效提高棉株地上部分的生长。
表 2 覆盖作物×耕作方式交互作用对不同生育期棉株生物量的影响Table 2. Interaction effects of cover crops by tillage on the cotton biomass at different growth stages覆盖作物
cover crop耕作方式
tillage生物量/(kg·hm−2) biomass 花蕾期
early square花铃中期
mid-bloom花铃末期
post bloom不覆盖
no cover免耕
no tillage1 706.1 b 9 664.1 b 10 221.0 c 传统耕作
conventional tillage1 235.0 c 7 174.0 c 11 261.0 b 覆盖毛苕子 hairy vetch 免耕
no tillage2 780.3 a 1 3374.0 a 17 756.0 a 传统耕作
conventional tillage1 466.3 bc 9875.8 b 12 626.0 b 覆盖作物×耕作方式
cover crop × tillage** ** ** F 值 F value 10.40 8.19 16.22 P 值 P value 0.0037 0.004 9 0.000 4 2.2 长期不同栽培措施及氮肥施用量对棉花产量及品质的影响
由表3可知：覆盖作物×施氮量的交互作用对棉花产量有显著影响。在不覆盖毛苕子情况下，棉花产量随施氮量的增加而增加，施氮量为101 kg/hm2处理下的棉花产量比不施氮及施氮34 kg/hm2处理分别显著增加了79.2%和33.2%，但67 kg/hm2与101 kg/hm2处理间棉花产量差异并不显著。出于控制棉花生产成本的角度考虑，在不覆盖毛苕子时，施氮量为67 kg/hm2较为适宜。在覆盖毛苕子情况下，各施氮处理棉花产量并无显著差异。覆盖作物×施氮量间的交互作用对于棉花的品质均无显著性的影响。
表 3 覆盖作物×施氮量交互作用对棉花产量及纤维品质的影响Table 3. Interaction effects of N application rates by cover crops on the yield and fiber quality of cotton覆盖作物
cover crop施氮量/(kg·hm−2)
N application rate产量/(kg·hm−2)
yield马克隆值
micronaire value长度/cm
length整齐度/%
uniformity不覆盖 no cover 0 960.7 c 4.7 a 33.8 a 83.9 a 34 1 292.8 b 4.7 a 33.9 a 83.8 a 67 1 533.7 ab 4.7 a 34.1 a 84.1 a 101 1 721.6 a 4.6 a 34.0 a 83.4 a 覆盖毛苕子 hairy vetch 0 1 612.5 a 4.7 a 34.4 a 85.3 a 34 1 596.3 a 4.6 a 34.9 a 84.5 a 67 1 598.4 a 4.7 a 35.0 a 84.0 a 101 1 629.9 a 4.6 a 34.9 a 84.6 a 覆盖作物×施氮量 cover crop × N application rate ** ns ns ns F 值 F value 7.81 0.03 0.69 1.90 P 值 P value 0.003 7 0.994 4 0.576 9 0.182 7 由表4可知：耕作方式×施氮量间的交互作用对棉花产量和整齐度并无显著影响，但对棉纤维的马克隆值及纤维长度有显著影响。免耕×施氮量67 kg/hm2处理下棉纤维的马克隆值显著高于传统耕作下不同施氮量处理中的马克隆值，表明免耕条件加上合适的氮肥施用量可有效提高棉花纤维细度和成熟度。就棉花纤维长度而言，不论是传统耕作下还是免耕处理下，不同施氮量处理间棉花纤维长度均无显著差异，但整体来看，传统耕作×67 kg/hm2处理下纤维长度比免耕×67 kg/hm2处理下纤维长度显著提高了5.9%，比免耕×101 kg/hm2处理下纤维长度显著提高了17.7%。表明传统耕作加以适量的氮肥对于提高棉花纤维长度有一定作用。
表 4 耕作方式×施氮量交互作用对棉花产量及纤维品质的影响Table 4. Interaction effects of N application rates by tillage on the yield and fiber quality of cotton耕作方式
tillage施氮量/(kg·hm−2)
N application rate产量/(kg·hm−2)
yield马克隆值
micronaire value长度/cm
length整齐度/%
uniformity免耕 no tillage 0 1 320.5 a 4.7 bc 34.9 abc 84.9 a 34 1 532.7 a 4.7 bc 34.3 abc 84.2 a 67 1 737.9 a 4.9 a 33.9 bc 83.7 a 101 1 770.9 a 4.8 ab 30.5c 83.8 a 传统耕作 conventional tillage 0 1 252.7 a 4.7 bc 34.3 abc 84.3 a 34 1 356.5 a 4.6 bc 34.5 abc 84.1 a 67 1 394.2 a 4.6 bc 35.9 a 84.4 a 101 1 580.6 a 4.4 d 35.0 ab 84.2 a 耕作方式×施氮量 tillage × N application rate ns * * ns F 值 F value 1.10 4.18 6.36 1.65 P 值 P value 0.3672 0.0122 0.0225 0.2035 由表5可知：覆盖作物×耕作方式的交互作用对棉花的产量有显著影响。覆盖毛苕子×免耕处理的棉花产量比覆盖毛苕子×传统耕作处理显著高21.5%，说明覆盖绿肥作物后，免耕可以提高棉花产量；但不覆盖绿肥时，免耕与传统耕作间的棉花产量无显著差异。覆盖作物×耕作方式的交互作用对棉花纤维长度和整齐度有显著影响。覆盖毛苕子×传统耕作处理下纤维长度比覆盖毛苕子×免耕显著提高了16.7%，比不覆盖×免耕和不覆盖×传统耕作分别显著提高了5.3%和6.6%；覆盖毛苕子×传统耕作处理的整齐度比不覆盖×免耕和不覆盖×传统耕作分别提高了1.1%和1.6%。
表 5 覆盖作物×耕作方式间的交互作用对棉花产量及纤维品质的影响Table 5. Interaction effects of cover crops by tillage on the yield and fiber quality of cotton覆盖作物
cover crop耕作方式
tillage产量/(kg·hm−2)
yield马克隆值
micronaire value长度/cm
length整齐度/%
uniformity不覆盖 no cover 免耕
no tillage1 415.7 b 4.7 a 33.9 c 84.0 bc 传统耕作
conventional tillage1 338.6 b 4.6 a 33.5 c 83.6 c 覆盖毛苕子 hairy vetch 免耕
no tillage1 765.3 a 4.7 a 34.6 b 84.3 ab 传统耕作
conventional tillage1 453.3 b 4.5 a 35.7 a 84.9 a 覆盖作物×耕作方式 cover crop × tillage * ns * * F 值 F value 4.72 0.64 7.20 5.57 P 值 P value 0.039 9 0.429 9 0.013 0 0.026 7 3. 讨论
3.1 长期不同栽培措施及氮肥对棉花地上部干物质的影响
不同生育期棉株总生物量受覆盖处理和施氮量之间交互作用的影响。在不覆盖情况下，棉花花蕾期整株的生物量随施氮量的增加而增加，直到施氮量到达101 kg/hm2。研究发现：氮肥可提高棉株叶片叶绿素含量和光合产物的生产能力[17]，从而使棉株的干物质量随着施氮量的增加而增加。马宗斌等[18]的研究结果也表明：随着施氮量的增加，棉花营养器官的干质量和植株的总干质量均逐渐增加。本研究结果也发现：在棉株生育前期，尤其是在棉株花蕾期，随着施氮量的增加，其总生物量也有所增加。段云佳等[19]也有类似报道。
本试验对覆盖作物×施氮量交互作用的分析发现：与不覆盖毛苕子相比，覆盖毛苕子后不同施氮量之间的差异不显著，这可能是由于绿肥还田后为土壤提供了额外氮养分，消除了原本不同施氮处理间的效应差异。有研究表明：鲜草产量约为22 500 kg/hm2的绿肥可为农田提供氮素112.5 kg[20]。在棉株花蕾期时，不覆盖处理×施氮量101 kg/hm2棉株总生物量显著高于不覆盖处理下其他施氮处理；覆盖毛苕子处理后，各施氮处理间差异不显著。说明在棉株生长初期，覆盖毛苕子后可降低氮肥的施用量。豆科绿肥覆盖可替代一部分化学肥料的施用，从而减少棉花生产实际中氮肥的投入，降低氮肥的淋失[21]。耕作方式×覆盖作物的交互作用结果显示：覆盖毛苕子处理下，免耕棉花的生物量显著高于传统耕作，说明覆盖毛苕子×免耕措施对棉株生长有促进作用。
3.2 长期不同栽培措施及氮肥对棉花产量及品质的影响
施用氮肥是增加农作物产量的措施之一。在粮食增产中氮肥的施用贡献率高达45%左右[22]。本研究表明：无覆盖绿肥的情况下，在一定范围内随着施氮量的增加，棉花的产量显著增加，这与罗新宁等[17]的研究结果一致。但在覆盖毛苕子后，不同施氮量之间产量的差异并不显著，这可能是由于绿肥的额外氮养分对原有的施氮处理间的效应差异产生了稀释作用。在本试验条件下，不论是施氮量×覆盖作物或者施氮量×耕作方式的交互作用下，施氮量67 kg/hm2与101 kg/hm2处理间的棉花产量差异均不显著。
研究表明：免耕可以增加棉花产量[21]。NYAKATAWA等[23]在美国西南部连续2年的研究发现：免耕棉花的产量高于传统耕作下棉花产量；但也有研究显示免耕条件下棉花产量有所降低[24-25]。本试验条件下，虽然施氮量×耕作方式对棉花产量没有显著影响，但施氮量×覆盖作物和耕作方式×覆盖作物的交互作用对棉花产量有显著影响。在覆盖毛苕子后，免耕条件下的棉花产量高于传统耕作。NYAKATAWA等[23]研究发现：施用鸡粪处理下，免耕和覆盖冬小麦可有助于棉花早期的生长和出苗率；DONALD等[26]的长期定位研究发现：免耕加以合理的施氮量可有效提高棉株株高，从而增加棉花产量。
本研究表明：耕作方式×施氮量对棉花纤维长度有极显著影响，耕作方式×覆盖作物对棉花纤维长度及整齐度均有显著影响，但覆盖作物×施氮量的交互作用对棉花品质各项指标均无影响。这与之前的研究结果不一致。段云佳等[19]和杨扬[27]报道氮肥对棉株上、中、下部棉花纤维长度、整齐度和马克隆值等都存在一定的影响，施氮量可有效增加棉花的纤维强度和整齐度。但也有报道指出棉花的纤维特性受施氮量影响不显著[28]。
4. 结论
在不覆盖毛苕子情况下，施氮量为0~67 kg/hm2时，棉花早期生长和产量随施氮量的提高而显著增加，但施氮量高于67 kg/hm2后，棉花的产量和品质并未表现出更好的结果。在覆盖毛苕子的情况下，与传统耕作相比，免耕可显著增加棉花产量。因此，长期免耕并配合绿肥覆盖这一措施可以在棉花生产上进行推广运用。
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表 1 覆盖作物×施氮量交互作用对不同生育期棉株生物量的影响
Table 1 Interaction effects of cover crops by N application rates on the cotton biomass at different growth stages
覆盖作物
cover crop施氮量/(kg·hm−2)
N application rate生物量/(kg·hm−2) biomass 花蕾期
early square花铃中期
mid-bloom花铃末期
post bloom不覆盖
no cover0 970.7 d 5 020.0 e 6 839.5 e 34 1 084.4 cd 7 769.5 d 9 485.9 de 67 1 620.2 bc 10 627.0 bc 11 582.0 cd 101 2 206.9 a 10 260.0 bc 15 058.0 ab 覆盖毛苕子
hairy vetch0 1 993.1 ab 9 781.6 cd 13 999.0 bc 34 2 022.8 ab 11 375.0 bc 13 927. 0 bc 67 2 360.9 a 11 795.0 ab 14 788.0 bc 101 2 116.3 ab 13 550.0 a 18 051.0 a 覆盖作物×施氮量
cover crops × N application rate* * * F 值 F value 3.9 4.10 7.34 P 值 P value 0.024 0.018 0 0.011 2 注：“ns”表示 0.05 水平下无显著差异性，“*”表示在 0.05 水平下差异显著，“**” 表示在 0.01 水平下差异显著；同一列中不同字母表示在 0.05 水平下差异显著；下同。
Note: “ns” indicates no significant difference at P<0.05, “*” indicates significant difference at P<0.05, “**” indicates significant difference at P<0.01; the same as below.
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表 2 覆盖作物×耕作方式交互作用对不同生育期棉株生物量的影响
Table 2 Interaction effects of cover crops by tillage on the cotton biomass at different growth stages
覆盖作物
cover crop耕作方式
tillage生物量/(kg·hm−2) biomass 花蕾期
early square花铃中期
mid-bloom花铃末期
post bloom不覆盖
no cover免耕
no tillage1 706.1 b 9 664.1 b 10 221.0 c 传统耕作
conventional tillage1 235.0 c 7 174.0 c 11 261.0 b 覆盖毛苕子 hairy vetch 免耕
no tillage2 780.3 a 1 3374.0 a 17 756.0 a 传统耕作
conventional tillage1 466.3 bc 9875.8 b 12 626.0 b 覆盖作物×耕作方式
cover crop × tillage** ** ** F 值 F value 10.40 8.19 16.22 P 值 P value 0.0037 0.004 9 0.000 4
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表 3 覆盖作物×施氮量交互作用对棉花产量及纤维品质的影响
Table 3 Interaction effects of N application rates by cover crops on the yield and fiber quality of cotton
覆盖作物
cover crop施氮量/(kg·hm−2)
N application rate产量/(kg·hm−2)
yield马克隆值
micronaire value长度/cm
length整齐度/%
uniformity不覆盖 no cover 0 960.7 c 4.7 a 33.8 a 83.9 a 34 1 292.8 b 4.7 a 33.9 a 83.8 a 67 1 533.7 ab 4.7 a 34.1 a 84.1 a 101 1 721.6 a 4.6 a 34.0 a 83.4 a 覆盖毛苕子 hairy vetch 0 1 612.5 a 4.7 a 34.4 a 85.3 a 34 1 596.3 a 4.6 a 34.9 a 84.5 a 67 1 598.4 a 4.7 a 35.0 a 84.0 a 101 1 629.9 a 4.6 a 34.9 a 84.6 a 覆盖作物×施氮量 cover crop × N application rate ** ns ns ns F 值 F value 7.81 0.03 0.69 1.90 P 值 P value 0.003 7 0.994 4 0.576 9 0.182 7
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表 4 耕作方式×施氮量交互作用对棉花产量及纤维品质的影响
Table 4 Interaction effects of N application rates by tillage on the yield and fiber quality of cotton
耕作方式
tillage施氮量/(kg·hm−2)
N application rate产量/(kg·hm−2)
yield马克隆值
micronaire value长度/cm
length整齐度/%
uniformity免耕 no tillage 0 1 320.5 a 4.7 bc 34.9 abc 84.9 a 34 1 532.7 a 4.7 bc 34.3 abc 84.2 a 67 1 737.9 a 4.9 a 33.9 bc 83.7 a 101 1 770.9 a 4.8 ab 30.5c 83.8 a 传统耕作 conventional tillage 0 1 252.7 a 4.7 bc 34.3 abc 84.3 a 34 1 356.5 a 4.6 bc 34.5 abc 84.1 a 67 1 394.2 a 4.6 bc 35.9 a 84.4 a 101 1 580.6 a 4.4 d 35.0 ab 84.2 a 耕作方式×施氮量 tillage × N application rate ns * * ns F 值 F value 1.10 4.18 6.36 1.65 P 值 P value 0.3672 0.0122 0.0225 0.2035
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表 5 覆盖作物×耕作方式间的交互作用对棉花产量及纤维品质的影响
Table 5 Interaction effects of cover crops by tillage on the yield and fiber quality of cotton
覆盖作物
cover crop耕作方式
tillage产量/(kg·hm−2)
yield马克隆值
micronaire value长度/cm
length整齐度/%
uniformity不覆盖 no cover 免耕
no tillage1 415.7 b 4.7 a 33.9 c 84.0 bc 传统耕作
conventional tillage1 338.6 b 4.6 a 33.5 c 83.6 c 覆盖毛苕子 hairy vetch 免耕
no tillage1 765.3 a 4.7 a 34.6 b 84.3 ab 传统耕作
conventional tillage1 453.3 b 4.5 a 35.7 a 84.9 a 覆盖作物×耕作方式 cover crop × tillage * ns * * F 值 F value 4.72 0.64 7.20 5.57 P 值 P value 0.039 9 0.429 9 0.013 0 0.026 7
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