2020, Vol. 57
钾是影响棉花纤维品质和产量的主要元素，合理施用钾肥可增加叶片叶绿素，促进光合作用，提升棉花产量，改善纤维品质[1-2]。但是我国钾资源贫乏，且钾肥利用率仅为21.12%~35.19%[3-4]；随着棉花品种改善和氮磷肥大量施用，棉株对土壤钾素的吸收量逐渐增加，导致部分地区钾素耗竭日趋严重，缺钾土壤面积不断增加[5]，因缺钾导致的早衰已成为我国棉花高产的主要限制因子。研究[6]表明，棉花钾素吸收高峰出现在初花期至吐絮期阶段，而一次性施入钾肥很难与其需钾规律相吻合，造成钾素损失。多次施用钾肥可增加棉花产量，但追肥不仅对棉花造成机械损伤，又增加用工成本，降低植棉效益[7]。因此，具有简化施肥、提高钾素利用率的新型包膜钾肥是解决上述问题的重要途径[8-9]。
棉花具无限生长特性，平衡库源关系是棉株正常生长的保证。缩节胺（Mepiquat chloride，MC）具有低毒、易溶水的特点，可塑造理想株型和群体结构，通过抑制营养生长，省去传统整枝操作，节约大量劳力[10]，在世界植棉国中广泛应用。MC可经叶片或根部吸收，但根部施用的量和时间不易控制且施用工序较复杂，故多采用叶面喷施或浸种的形式调节棉花生长势[11]。由于MC的有效期为15~20 d，传统种植模式下，棉花生育期内需喷施3~5次，以优化冠层结构[12]。关于缩节胺的喷施剂量已有较多研究[11，13]，但其适宜用量和施用时间的选择常因人而异，不利于技术的标准化，也易因把握不当造成减产；并且多次喷施，会增加人工投入。现阶段中国农村劳动力大量转移、劳动力价格持续上涨，致使生产工序繁多、用工量大的棉花种植面积逐渐下降[14]。为此，本试验以包膜氯化钾为载体，利用其缓慢、长期释放养分的特点，添加适当量的缩节胺，研究一次性施用包膜含缩节胺氯化钾对棉花生长、产量及土壤钾素的影响。研究结果为实现缩节胺和钾素在同一时空条件下的一体化调控提供技术支撑，为棉花高产与轻简化栽培以及新型多功能性包膜肥料的研发和推广提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验材料试验于2018年4月在山东省沂南县牛家小河试验基地（35°7′4″N，118°16′50″E）进行，该地属温带季风气候，降水集中在7—9月，当年降水量为968 mm，平均温度14.3 ℃。耕层土壤（0~20 cm）中砂粒含量556.7 g·kg–1，粉粒239.4 g·kg–1，黏粒203.9 g·kg–1，为砂质壤土。供试土壤基本理化性质为：pH 6.35，全氮和有机质含量分别为0.87和6.4 g·kg–1，硝态氮、铵态氮、速效钾、有效磷分别为54.56、22.59、167.7和36.02 mg·kg–1。
供试肥料包括树脂包膜含缩节胺氯化钾（CRKMC，将氯化钾粉末倒入圆盘造粒机，把缩节胺按照比例配成溶液，缓慢喷入氯化钾粉末内进行造粒，筛选出3~5 mm的颗粒进行烘干，等表面均匀、光滑后进行包膜，包膜材料为环氧树脂，包膜厚度4%；成品包膜含缩节胺氯化钾中含缩节胺8 g·kg–1，K2O 531.8 g·kg–1，25 ℃静水释放期为四个月），包膜氯化钾（CRK，含K2O 544.3 g·kg–1，25 ℃静水释放期为四个月），两种包膜钾肥的包膜工艺和材料一致，普通氯化钾（KCl，含K2O 570.0 g·kg–1），树脂包膜控释尿素（含N 441.0 g·kg–1，25 ℃静水释放期四个月）和磷酸二铵（含氮180.0 g·kg–1，含P2O5 460.0 g·kg–1）。
1.2 试验设计试验共设五个处理，每个处理重复三次，采用单因素随机区组设计，分别为（1）一次基施180 kg·hm–2包膜含缩节胺氯化钾（CRKMC）；（2）减少30%钾素用量的包膜含缩节胺氯化钾（70% CRKMC），即一次基施126 kg·hm–2；（3）一次基施180 kg·hm–2普通包膜氯化钾（CRK）；（4）施用180 kg·hm–2普通氯化钾（KCl），其中基施60%，初花期追施40%；（5）不施钾肥作为对照（CK）。小区面积为30 m2（宽5 m，长6 m），所有氮和磷养分由控释尿素和磷酸二铵提供，施用量分别为180 kg·hm–2（以N计）和150 kg·hm–2（以P2O5计），先根据施磷量计算磷酸二铵的用量，然后根据总施氮量减去磷酸二铵所提供的氮量，确定控释尿素的施用量，肥料均在播种前一次性基施。处理（3）、（4）和（5）叶面喷施三次缩节胺（依据当地施用习惯），时间分别为蕾期（45 g·hm–2）、初花期（90 g·hm–2）和盛铃期（120 g·hm–2），各处理均不打顶，其他农艺管理措施按照农民习惯，且各小区保持一致。
供试棉花品种为鲁棉研28号，采用双垄地膜覆盖种植，大行距80 cm，小行距60 cm，株间距为35~40 cm，平均种植密度为每公顷48 000株。试验前制作宽8 cm、长10 cm的尼龙网袋，称取CRKMC颗粒10 g，装入网袋中然后封口。在CRKMC处理小区内，相距播种行一侧10 cm处，挖一条深8 cm、宽12 cm的沟，将35个肥料网袋平铺于沟底，并使网袋中的肥料颗粒均匀散开，覆土至沟平，用以测定CRKMC在田间土壤中的释放特征。
1.3 样品采集与测定2018年4月20日播种，于5月13日（苗期，播种后23 d）、6月8日（蕾期，播种后49 d）、7月7日（盛花期，播种后78 d）、8月4日（盛铃期，播种后108 d，该期只测株高、茎粗、叶绿素相对含量（SPAD）值，未取土壤样品）、8月30日（始絮期，播种后132 d）、11月2日（收获结束，播种后196 d）分别进行样品的采集和测定。其中，土壤样品按照对角线法，用土钻采集五点耕层土壤，混匀后带回实验室风干，并过10目筛。将过筛的样品用醋酸铵浸提，火焰光度计法测定速效钾含量[15]。用游标卡尺和直尺测量不同时期棉花的茎粗和株高，SPAD值采用手持叶绿素仪（SPAD-502型，日本美能达公司）进行测定。每次挖取4个肥料网袋，带回实验室，用清水冲洗掉泥土，剪开网袋将肥料转移至铝盒，烘干至恒重，采用“失重法”测定释放量，即测定前后的重量差值视为氯化钾和缩节胺的释放量[9]，试验中粗略认为缩节胺和氯化钾同步释放。
由于棉花生育期长，后期落叶、落花严重，为精确测定生物量，在盛花期以后每隔15 d采集5株代表性植株的落叶、落花和落桃，其中的花、籽棉和棉壳共同作为生殖器官的生物量。收获结束期，齐根收取地上部分，取回的植株于105 ℃的烘箱内杀青40 min，然后70 ℃烘干至恒重，磨碎后采用H2SO4-H2O2联合消煮，全钾含量由火焰光度计（FP 6400数显火焰光度计，上海隆拓仪器设备有限公司）测定，根据叶片、茎和生殖器官部分吸钾量，计算棉株的总吸钾量。
自始絮期开始，视棉铃吐絮情况，共采收7次，所有产量之和即为小区籽棉产量，然后换算为每公顷的产量。在第三次采收时，连续收取100朵盛开的棉铃，计算单铃重；直径大于2 cm的棉铃记为每株的桃数。
1.4 数据处理经济效益核算：肥料成本按照市场价格尿素1 600 yuan·t–1，控释尿素2 400 yuan·t–1，磷酸二铵3 000 yuan·t–1，普通颗粒氯化钾2 500 yuan·t–1，包膜氯化钾3 500 yuan·t–1，包膜含缩节胺氯化钾4 000 yuan·t–1计算；籽棉收入根据平均市场价格计算，籽棉8 yuan·kg–1；每一次施肥劳动力按当地平均劳动力水平450 yuan·hm–2，其中氯化钾处理追肥一次，其余一次性基施，每一次叶面喷施缩节胺按300 yuan·hm–2计算，包膜含缩节胺氯化钾不额外喷施，其余处理喷三次；其他消耗投入包括整地、播种、灌溉、多次收获采摘用工以及种子、农药、地膜等农用消耗，一共按照3 000 yuan·hm–2进行计算。
肥料利用率的计算方法，根据表观利用率=（施钾区棉株吸收总钾量–空白区植株吸钾量）/所施钾量[4]计算。
采用Microsoft Excel 2012对数据进行预处理，经SAS 8.0统计软件用最小差异显著法（LSD）进行多重比较，并进行差异性显著分析（P < 0.05）及方差分析（Analysis of Variance—ANOVA）。文中所有数据均为三次重复的平均值，处理后的数据采用Sigmaplot 12.5作图。
2 结果 2.1 包膜含缩节胺氯化钾对棉花产量及生物量的影响不同施钾处理对棉花产量及产量构成要素产生显著影响（表 1），CRK与CRKMC处理单株结铃数最多，分别达到21和21.08个，其余三个处理差异不显著；施钾处理间单铃生物量未表现出显著差异，保持在5.41~5.64 g，但较CK显著增加；CK籽棉产量显著低于其他处理，CRK、CRKMC和70%CRKMC间差异不显著，较KCl增产6.53%~9.36%。
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表 1 不同施钾处理棉花的产量及其构成要素 Table 1 Yield and yield components of the cotton relative to treatment |
施钾处理间的叶片生物量无显著差异（表 2），在3 763~4 447 kg·hm–2，CRKMC与70%CRKMC显著高于CK，分别增加23.89%和31.02%，然而CK与KCl、CRK间无显著差异；CRKMC的茎生物量最大，为7 432 kg·hm–2，显著高于CK和KCl处理，三个包膜钾肥间差异不显著；施钾增加棉花生殖器官重量，其中CRK、CRKMC与70%CRKMC显著高于KCl，但这三个处理间差异不显著；因此，棉花总生物量表现出与各部分生物量相似的趋势，CRK、CRKMC与70%CRKMC无显著差异，其中CRKMC最大，显著高于CK和KCl，且较KCl显著增加24.98%，70%CRKMC较KCl显著增加18.56%。
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表 2 不同施钾处理棉花的生物量 Table 2 Biomass of the cotton relative to treatment /(kg·hm–2) |
不同施肥处理对棉花的生物量产生影响，因此植株的钾素吸收量也表现出显著差异（图 1a）），CK处理植株钾素吸收最少，为287.5 kg·hm–2，CRKMC钾素吸收量最大，达到406.2 kg·hm–2，显著高于CRK和KCl，与70%CRKMC差异不显著；同时70%CRKMC与CRK未表现出显著差异，但较KCl增加7.67%。由于70%CRKMC减少30%钾素用量，因此该处理的钾素表观利用率最高（图 1b）），达到79.61%，较CRK和KCl分别增加28.07和38.83个百分点；CRKMC与CRK间无显著差异，但较KCl提高25.06个百分点。
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注：不同字母表示处理间差异达5%显著水平，下同。 Note:Different letters indicate significant difference at 5% level. The same below. 图 1 不同施钾处理棉花钾素吸收量（a））和钾素利用率（b）） Fig. 1 Potassium uptake(a))and potassium use efficiency(b))of cotton plant relative to treatment |
由于各处理籽棉产量不同，毛收入随之发生变化（表 3），CK毛收入最低，为26 809 yuan·hm–2，相同施钾量下，CRK和CRKMC显著高于KCl，减30%钾量的70%CRKMC处理与KCl无显著差异；因生产工艺技术不同，CRKMC的肥料成本最高，但是其较普通氯化钾减少了一次追肥用工和三次叶面喷施缩节胺的用工，因此，CRKMC、70%CRKMC和CRK净收入无显著差异，但较KCl分别增加经济效益15.53%、13.64%和12.86%。
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表 3 不同施钾处理棉花的经济效益分析 Table 3 Economic benefit analysis of the cotton relative to treatment /(yuan·hm–2) |
随生育期进行，各处理棉花的株高（图 2a））和茎粗（图 2b））呈逐渐上升趋势，不同处理在各生育期表现出较大差异，CK各时期均处于最低值。具体表现为：蕾期之前，KCl棉花的株高显著高于其他处理，其余四个处理间差异不显著；盛花期属于营养生长和生殖生长的旺盛期，各处理株高差异不显著；但是自盛铃期至始絮期，CRKMC和70%CRKMC处理的株高显著高于其他处理，始絮期时分别达到167.3和166.2 cm，较KCl处理增加9.37%和8.64%，但是KCl与CRK未表现出显著差异。蕾期时，CRKMC和70%CRKMC棉花的茎粗无显著差异，但显著大于其他处理；盛花期各处理差异不显著，保持在15.96~17.27 mm；盛铃期CRKMC、70%CRKMC和CRK无显著差异，但显著高于KCl；始絮期时，包膜含缩节胺氯化钾处理的茎粗最大，各施钾处理间差异不显著。
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图 2 不同施钾处理棉花的株高（a））和茎粗（b）） Fig. 2 Plant height(a))and stem diameter(b))of the cotton relative to treatment |
施钾可提高叶片叶绿素SPAD值，随生育期进行，各处理SPAD值呈先升高后降低的趋势，拐点出现在盛铃期（图 3）。蕾期时，70%CRKMC和CK差异不显著，低于其他三个施钾处理；盛花期，KCl和CRKMC显著高于CRK和70%CRKMC；盛铃期包膜钾肥处理高于普通氯化钾，包膜含缩节胺氯化钾高于普通包膜氯化钾；始絮期时CRKMC分别较KCl和CRK显著增加12.56%和7.87%，但是70%CRKMC和CRK之间未表现出显著差异。
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图 3 不同施钾处理棉花叶片叶绿素相对含量（SPAD）值的变化特征 Fig. 3 Variation of chlorophyll by soil and plant analyzer development(SPAD)in cotton leaf relative to treatment |
包膜含缩节胺氯化钾在田间土壤中的释放呈现“先慢后快而后趋于平缓的”规律（图 4a）），第一天的初期溶出率仅为1.26%，一直到苗期（23 d）属于养分释放迟滞期，共释放8.99%；随后自苗期至始絮期（132 d）属于养分释放加速期，释放高峰出现在盛花期（78 d）至始絮期，平均每天养分溶出率达到0.82%，至始絮期养分累积释放率为83.51%，该加速期内共释放74.52%；自始絮期至收获结束期（196 d）养分释放趋于平缓，收获结束时共释放养分94.71%。
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图 4 包膜含缩节胺氯化钾在土壤中的养分释放特征（a））和不同生育期土壤速效钾含量变化特征（b）） Fig. 4 Nutrients release characteristics of coated KCl containing MC in soil(a))and change in available K content in soil relative to treatment(b)) |
土壤中的速效钾呈蕾期下降、盛花期上升、然后逐渐下降的变化趋势（图 4b）），其中CK在各时期均处于最低水平值。具体而言，苗期时，KCl速效钾含量最高，自蕾期以后显著低于CRK和CRKMC，但是蕾期和盛花期高于70%CRKMC；同等施钾量下，CRKMC与CRK在各时期差异均不显著，减量施钾处理在苗期至盛花期显著低于全量包膜钾肥处理，始絮期和收获结束期，三个处理间未表现出显著差异。
3 讨论 3.1 包膜含缩节胺氯化钾对棉花生长及经济效益的影响缩节胺可控制棉花营养生长，降低植株高度，形成紧凑株型[16]。在棉花生育期内喷施3~5次，可抑制主茎和果枝生长，促进有限的同化物优先向棉铃运输[17]。高密度种植时，在蕾期、花期、铃期和吐絮期喷施四次可增加铃重和纤维强度[18]；但在晚播、高密度和低施肥的新型种植模式下，缩节胺的施用会降低干物质的累积，减少籽棉产量[19]，并且其适宜用量与棉田施钾量密切相关[20]。本试验中，CRKMC养分释放后，经根部吸收后降低蕾期前棉花的株高和叶绿素，增加茎粗，对棉花的生长产生抑制作用，形成矮壮苗。这是因为MC可以提高根系氨基酸的合成能力，增加伤流液溢泌量，活性氧系统代谢得到改善[21]，而经根转移至地上部时，降低体内赤霉素的活性，抑制细胞伸长[22]，降低株高。棉花是双子叶作物，播种保苗难度大，矮壮苗是高产稳产的基础环节[23]，为籽棉产量的提高奠定物质基础。盛花期时CRKMC处于缩节胺释放加速期，其与叶面喷施缩节胺处理的棉株生长势差异不显著，但是生长后期（盛花期以后）对棉株生长势的调控作用减弱，株高（图 2a））、茎粗（图 2b））和叶绿素SPAD含量（图 3）显著高于叶面喷施缩节胺的处理。这意味着根施CRKMC对植株的控制先弱后强，符合棉花“前轻后重”的生长控制要求；但缩节胺加速释放后的平缓期，不能满足植株生长后期的调控，控制效果劣于叶面喷施，这与田晓莉等[24]用淀粉基缓释缩节胺对棉籽进行包衣得到的结论相似。
由于后期调控作用减弱，CRKMC和70%CRKMC处理生物量较KCl分别增加24.98%和18.56%，相应的钾素吸收量提高，钾素利用率增加25.06%和38.83%，但籽棉产量仅分别增加8.87%和6.53%（表 1），说明并非钾素利用率越高产量就越高，也可能是由于营养生长过旺造成的，试验中叶生物量和茎生物量（表 2）的显著增加很好地证明这一观点。出现该现象的原因，可能是缩节胺在土壤和棉籽中的半衰期较短，分别为9.58和3.17 d[13]，其在土壤中释放后，不能及时被根系吸收，而降解后不再起调控生长的作用；也可能是包膜含缩节胺氯化钾中的缩节胺含量较低（0.8%），总量不能满足棉株调控需求[25]。
CRKMC由于减少钾素追施和缩节胺叶面喷施的用工，经济效益与CRK无显著差异，但显著高于KCl（表 3），表明在棉田中施用CRKMC在经济上可行，可解决叶面喷施浪费严重、污染环境和调节滞后的缺点[26]，利于实现棉花轻简化种植。本试验中认为缩节胺和钾素同步释放，但由于分子半径和化学性质的不同，其释放顺序及释放量可能存在差异，关于CRKMC中缩节胺的释放特征以及适宜添加上限量，需在以后的试验中进一步探索。
3.2 包膜含缩节胺氯化钾对棉田土壤速效钾含量的影响土壤钾素的含量、分布及其植物有效性是影响土壤供钾能力的主要因素[27-29]，合理供钾可显著提高棉花铃重和产量[30]。本试验中，在苗期和盛花期各处理土壤钾素含量较高（图 4b）），一方面由于所施钾肥溶解或释放，另一方面可能是所施氮肥水解后的铵离子被吸附，交换了钾离子，使其进入土壤溶液所致[2]。包膜钾肥蕾期前释放缓慢（图 4a）），土壤中速效钾含量低于易溶解的普通氯化钾处理，但该时期棉花植株矮小，钾素需求低，较少的钾素供应可减少淋溶风险；自蕾期以后，由于包膜钾肥的缓慢累积释放，增加土壤中速效钾含量，这在本试验所用砂土（保肥保水性能差）中表现的更为明显。盛花期以后，CRKMC速效钾显著高于KCl，为后期棉花钾素吸收和产量形成奠定了物质基础，这与Harmon等[7]在盛铃期补钾提高生育后期主茎叶片叶绿素含量和光合效率、延缓叶片衰老的结果基本一致。因此，包膜含缩节胺氯化钾在棉田土壤中的钾素释放可与棉花钾素吸收规律相吻合，显著提高钾素利用率和籽棉产量。
4 结论包膜含缩节胺氯化钾在土壤中的钾素和缩节胺释放表现出“迟滞期-加速期-平缓期”的规律，释放高峰出现在盛花期至始絮期，显著提高蕾期以后土壤中的速效钾含量。CRKMC可显著控制盛花期前的棉花株高，但后期对株高、茎粗和叶绿素等生长势指标的调控劣于叶面喷施缩节胺，使生物量较KCl增加18.56%~24.98%，表观利用率增加25.06~38.83个百分点。等量施钾条件下，CRKMC和CRK分别较KCl籽棉产量增加8.81%和9.36%，经济效益增加15.53%和12.86%，70%CRKMC较KCl增产6.53%，增加净收入13.64%。综上，土壤基施包膜含缩节胺氯化钾，可基本满足棉花生长势指标调控需求，保证生育期内钾素供应，且减少30%用量仍有较高的经济效益和钾素利用率，在经济和技术上可行，有助于棉花减肥、高产和轻简化种植。
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