新型氮肥增效劑N-life 對棉花生理特性、氮肥利用率、產量和纖維品質的影響

馬心雨，祝越熠，石釔琦，祝水金*，趙天倫*

（1.浙江大學海南研究院，海南三亞 572025；2.浙江大學農業與生物技術學院，杭州 310058）

棉花是重要的經濟作物，但棉花單位面積的肥料投入量遠遠超過一般的大田作物[1]。 在諸多的肥料投入中，氮肥用量占比最大，為60%左右，對棉花產量的影響也最為顯著[2]。 氮肥投入過量或不足均會影響棉花產量[3]。 過量施氮會導致棉花營養生長旺盛，生殖生長養分供應減少，植株總干物質積累量升高，但生殖器官干物質積累量降低，棉花單株結鈴數和鈴重提升不明顯，對產量造成不利影響[3-4]。 施氮量不足不利于果枝生物量積累，進而影響皮棉產量和纖維品質[5]。 李伶俐等[6]發現施氮量不足會導致葉片光合速率降低，光合產物減少，葉片早衰，進而導致嚴重減產。 適量的氮肥投入有利于棉花生殖生長，從而獲得高產。 我國棉田普遍存在氮肥施用量高而利用率低的問題[7]，氮肥單季利用率僅有30%～35%，遠低于世界發達國家水平[8-10]。此外，過量施入氨肥后，不僅導致氮肥利用率下降，且土壤中的氨含量超出土壤庫容時會造成硝態氮淋溶及氨揮發，引發環境問題[10-11]。 因此，探究提高棉花氮肥利用率的方法具有重要的意義。

硝化作用是造成氮素損失的重要原因之一。硝化抑制劑直接影響土壤氮素轉化過程，間接影響作物的生長發育、產量和品質[12]。我國與氮肥配施的硝化抑制劑主要有雙氰胺（dicyandiamide,DCD）、3,4-二甲基吡唑磷酸鹽（3,4-dimethylpyrazole phosphate,DMPP）、2- 氯-6（三氯甲基）吡啶（簡稱氯啶，nitrapyrin）和乙炔（C2H2）等[13]，它們主要通過降低耕作層土壤中的氨氧化古菌（ammoniaoxidizing archaea,AOA）和氨氧化細菌（ammoniaoxidizing bacteria,AOB）的種群豐度，改變微生物群落結構，從而影響土壤硝化作用[14]。 研究表明，氯啶能使根際土壤氮素含量增加28%，活性氮氣體排放量降低51%，氮素淋失減少16%，最終使作物產量提高7%[15]。 Zhang 等[16]研究發現氯啶能夠使N2O 的排放量降低6.6%～21.8%。氯啶可降低土壤中纖維素降解微生物群落的多樣性，對土壤CO2的排放也有一定的緩解作用[16]。 此外，氯啶還影響種子發芽。 陶瑞等[17]發現氯啶浸種能夠提升棉花種子在鹽脅迫下的抗氧化酶活性，提高種子發芽率和發芽勢。 然而，氯啶在常溫常壓下易發生明顯的揮散，雖通過加入土壤中可以減少揮散作用[18]，但因其熔點低，在產品流通、保存和施用過程中易發生升華而失效。 基于此，浙江大學生物納米工程中心采用納米技術負載氯啶，研發出氮肥增效劑N-life。 與普通氯啶相比，N-life具有貨架期長和作用時間長等特點，能充分發揮其硝化抑制作用。

本研究以棉花品種浙大12 號為材料，2021―2022 年在海南省三亞市開展大田試驗和大棚盆栽試驗，在不同減氮水平下施用N-life，通過對棉花的農藝性狀、生理生化指標、氮肥利用率以及產量和纖維品質等進行調查研究，探究N-life 應用于棉花生產的效果，為N-life 在棉花生產中的應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究的試驗材料為雜交棉品種浙大12號， 由浙江大學海南研究院2020 年在海南三亞制種。

N-life 是由浙江大學生物納米工程中心研發的硝化抑制劑（暫無產品登記證號）。 該抑制劑是以尿素為載體，采用納米技術用有機和無機材料分層包裹氯啶，具有抑制氯啶升華、貨架時間長和緩釋的特點。 本試驗選用2020 年8 月份生產的產品。

試驗用氮肥為尿素（含純N 46%），復合肥為15-15-15 通用型復合肥（純N、P2O5、K2O 質量分數均為15%）。

1.2 試驗地概況

試驗設于海南省三亞市崖城區，屬熱帶氣候區。 海南省氣象局統計數據顯示，該地區光照充足，雨量充沛，溫暖濕潤，年平均氣溫為24.5 ℃，年平均地面溫度為28.3 ℃， 年平均降水量為1 347.5 mm，全年無霜，年平均日照時間為2 534 h，年平均蒸發量為1 223.7 mm。 試驗點土壤基礎肥力詳見表1。

表1 試驗地土壤基礎肥力Table 1 The original soil-fertility in the experimental field

1.3 試驗設計

1.3.1大田試驗。 采用兩因素裂區試驗設計，主區為每667 m2N-life 施用量A1：1.5 kg、A2：0 kg，副區為每667 m2純氮施用水平B1：19.0 kg、B2：17.1 kg、B3：15.2 kg （2021 年）；2022 年增加B4：13.3 kg，其中B1 為常規氮肥用量，B2～B4 為減氮用量。 每個處理設4 次重復，小區行長6 m，6 行區，行距為65 cm，株距為30 cm 小區面積為20.5 m2。 分別于2021 年10 月3 日和2022 年10月12 日播種，采用地膜覆蓋。 覆膜前采用溝施方式將N-life 和尿素一次性施入棉田。 由于N-life是以尿素為主要載體，因此不施用N-life 的處理每667 m2增施1.5 kg 尿素，各處理尿素和N-life 的具體用量見表2。 每667 m2基施復合肥50 kg。 其他栽培管理措施同當地常規棉田。

表2 不同處理氮素及N-life 的用量Table 2 Application levels of nitrogen and N-life in different treatments

1.3.2盆栽試驗。 為精確測定施用N-life 對棉花氮肥利用率的影響，本研究同時設計避雨盆栽試驗。 將直徑為20 cm、高24.5 cm、內裝15 kg 與大棚相同土質（砂壤土）的塑料盆分別于2021 年10月10 日和2022 年10 月15 日埋入大棚試驗地中，盆口與試驗地相平，每盆種植1 株棉花。 播種前將尿素和N-life 均勻施于土中。 各處理具體的尿素和N-life 用量見表3， 每個處理重復10 次。整個試驗周期避雨以防氮素淋失。 澆水、除草等田間管理措施同大棚棉花管理。

表3 大棚盆栽試驗處理Table 3 Treatments of the pot experiment in greenhouse

1.4 性狀指標測定

1.4.1酶活性和丙二醛（malondialdehycle,MDA）含量測定。 棉花苗期、花鈴期和吐絮期，在每個小區分別取生長狀況一致的5 株棉花的倒4葉，混合樣品，重復3 次測定酶活性。 超氧化物歧化酶（superoxide dismutase,SOD）活性測定采用氮藍四唑（nitro-blue tetrazolium, NBT）光還原法[19]，過氧化物酶（peroxidase,POD）活性測定采用愈創木酚法[17]，過氧化氫酶（catalase, CAT）活性測定采用紫外分光光度計比色法[20]，MDA 含量測定采用硫代巴比妥酸法[21]，棉花硝酸還原酶（nitrate reductase,NR）活性測定采用蘇州格銳思生物科技有限公司硝酸還原酶（NR）試劑盒。

1.4.2光合作用指標測定。 使用LI-6800 光合儀（美國LI-COR 公司）測定棉花苗期、花鈴期和吐絮期光合作用指標，每個小區隨機選擇3 株棉花的倒4 葉，測定指標包括：凈光合速率（net photosynthetic rate,Pn）、蒸騰速率（transpiration rate,Tr）、胞間CO2濃度（intercellular carbon dioxide concentration,Ci）和氣孔導度（stomatal conductance,Gs），重復測定3 次。

1.4.3氮含量測定和相關指標計算方法。 收獲期取所有盆栽棉株分別裝入牛皮紙袋中，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至質量恒定， 測定其干物質質量。 采用凱式定氮法測定單株氮含量和盆栽土壤中的初始氮含量及試驗結束時的最終氮含量。氮損失（g·pot－1）＝土壤初始氮含量－土壤最終氮含量－植株氮含量，氮肥利用率（%）＝棉株氮素積累總量／（土壤初始氮含量－土壤最終氮含量）×100%。

1.4.4棉花農藝性狀和產量性狀測定。 棉花吐絮期（3 月中旬），每個小區隨機選取生長正常的10株棉花，調查其株高、單株果枝數、單株青鈴數、單株吐絮鈴數和單株爛鈴數。 每個小區隨機收取正常吐絮棉鈴50 個，測定鈴重，軋花后測定皮棉質量用于計算衣分，以實際收獲計產，折算為每667 m2籽棉產量，根據籽棉產量和衣分計算皮棉產量。

1.4.5纖維品質測定。每個小區取20 g 皮棉樣品送農業農村部棉花品質監督檢驗測試中心（河南安陽）測定纖維上半部平均長度、長度整齊度指數、斷裂比強度、馬克隆值和斷裂伸長率。

1.5 數據統計與分析

采用Microsoft Excel 2019 對數據進行整理。用SPSS 26 軟件進行統計分析，用圖基（Tukey）檢驗法進行差異顯著性分析，用Origin 2021 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 N-life 對棉花植株生理生化指標的影響

2.1.1SOD 活性。 如圖1 所示，在2 年的田間試驗中，苗期施用N-life 對減氮處理下的棉花葉片SOD 活性無顯著影響。 花鈴期，2021 年施用N-life 處理（T0、T1、T2）的棉花葉片SOD 活性分別較各自對照（CK0、CK1、CK2）提升7.1%、26.8%和32.3%，2022 年施用N-life 處理（T0、T1、T2、T3） 的棉花葉片SOD 活性分別較各自對照（CK0、CK1、CK2、CK3）提升10.6%、26.3%、33.3%和33.8%。 吐絮期，施用N-life 對棉花葉片SOD活性提升效果顯著，2021 年和2022 年的增幅分別為17.4%～29.4%和19.8%～30.7%，其中減氮20%處理的增幅最大。 與不施用N-life 的對照相比，施用N-life 可以顯著提升減氮處理下花鈴期和吐絮期棉花葉片的SOD 活性。

圖1 N-life 對不同發育時期棉花葉片SOD、POD 和CAT 活性的影響Fig.1 Effects of N-life on SOD, POD, and CAT activity of cotton leaves at different developmental stages

2.1.2POD 活性。 與對照相比，施用N-life 對苗期、 花鈴期和吐絮期棉花葉片的POD 活性均有一定提升效果（圖1）。 苗期，2021 年施用N-life處理（T0、T1、T2）的POD 活性與各自對照（CK0、CK1、CK2）相比分別提升19.0%、0.5%和4.8%，2022 年T0、T1、T2、T3 處理的POD 活性較CK0、CK1、CK2、CK3 處理分別提升11.1%、6.1%、1.0%和5.5%，2 年試驗中N-life 均對不減氮處理的棉花葉片POD 活性提升效果最明顯。 花鈴期，2021 年施用N-life 處理（T0、T1、T2）的棉花葉片POD 活性較各自對照顯著提升15.4%～39.1%，2022 年施用N-life 處理（T0、T1、T2、T3）的棉花葉片POD 活性較其對照顯著提升11.8%～38.8%，其中減氮20%處理的增幅最大。 吐絮期，2021 年和2022 年田間試驗中施用N-life 處理對POD 活性的提升幅度分別為37.2%～65.3%和30.9%～84.5%，均與對照存在顯著差異。綜上，花鈴期和吐絮期施用N-life 的棉花葉片POD 活性顯著高于對照。

2.1.3CAT 活性。 苗期，2021 年T0 處理的棉花葉片CAT 活性顯著高于CK0；減氮處理中，施用N-life 處理的棉花葉片CAT 活性與其對照無顯著差異。 花鈴期和吐絮期施用N-life 處理（花鈴期T0 處理除外）的棉花葉片CAT 活性顯著高于其對照。 2021 年，花鈴期和吐絮期施用N-life 處理（T0、T1 和T2）的棉花葉片CAT 活性較各自對照（CK0、CK1 和CK2）分別增加6.8%～30.8%和19.7%～34.3%，2022 年花鈴期和吐絮期棉花葉片的CAT 活性增幅分別為10.3%～32.3%和22.0%～24.5%（圖1）。綜上，施用N-life 可以有效提升棉花生長發育中后期葉片的CAT 活性。

2.1.4MDA 含量。 2021 年，苗期T0 處理的棉花葉片MDA 含量顯著低于CK0，花鈴期T1 和T2處理的棉花葉片MDA 含量顯著低于其對照（CK1 和CK2），吐絮期T0、T1 和T2 處理的棉花葉片MDA 含量均顯著低于其對照（CK0、CK1 和CK2）。2022 年，與各自對照相比，苗期施用N-life處理的棉花葉片MDA 含量無顯著變化，花鈴期CK1、CK2 和CK3 處理以及吐絮期CK0、CK1、CK2 和CK3 處理的葉片MDA 含量均顯著降低（圖2）。 說明施用N-life 可以顯著減少棉花生長發育中后期葉片MDA 的積累量。

圖2 N-life 對不同發育時期棉花葉片MDA 含量、NR 活性的影響Fig.2 Effects of N-life on MDA content and NR activity of cotton leaves at different developmental stages

2.1.5NR 活性。 2021 年， 苗期施用N-life 處理（T0、T1 和T2） 的棉花葉片NR 活性與各自對照相比無顯著差異，花鈴期施用N-life 處理的棉花葉片NR 活性分別較各自對照顯著提高34.6%、14.5%和25.7%，吐絮期分別提高19.8%、4.9%和22.5%。 2022 年的結果與2021 年基本一致（圖2）。 因此，N-life 對苗期棉花葉片的NR 活性無顯著影響， 但可以顯著提高花鈴期與吐絮期的NR活性。

2.1.6光合作用效率。 與對照相比， 施用N-life可以提升苗期、花鈴期和吐絮期棉花葉片的凈光合速率（Pn），吐絮期尤為明顯，但差異均未達到顯著水平（表4）。其中2021 年吐絮期施用N-life 處理（T0、T1、T2）的Pn分別較各自對照（CK0、CK1、CK2）提升6.62%、1.22%和7.08%，2022 年T0、T1、T2 和T3 處理分別較其對照提升6.70%、9.01%、5.92%和8.83%。 此外，施用N-life 可導致苗期、花鈴期和吐絮期棉花葉片胞間CO2濃度（Ci）降低，花鈴期和吐絮期葉片蒸騰速率（Tr）增加、氣孔導度（Gs）提升（2021 年花鈴期T2 處理除外）（表4）。

2.2 N-life 對棉花氮肥利用率的影響

盆栽試驗結果（表5）表明， 2021 年播種前CKC 與TNC 處理的土壤含氮量以及CK 與TN處理的土壤氮含量均無顯著差異；棉花成熟收獲后，TNC 和TN 處理的植株含氮量、 盆中土壤的氮含量以及氮肥利用率均顯著高于其對照（CKC和CK），TNC 和TN 處理的氮素損失量顯著低于其對照（CKC 和CK）。 2022 年的結果與2021 年的趨勢基本一致。 可見，施用N-life 可以促進棉株對氮素的吸收，降低氮素損失，顯著提高氮肥利用率。

表5 N-life 對棉花氮肥利用率的影響Table 5 Effects of N-life on the nitrogen use efficiency of cotton

2.3 N-life 對棉花農藝性狀與產量性狀的影響

在2021 年田間試驗中， 與對照相比， 施用N-life 可以顯著提高棉花單株總鈴數和青鈴數，降低爛鈴數（T0 處理除外），單株總鈴數和青鈴數的增幅分別為14.4%～19.6%和21.6%～40.7%，但對棉花株高（T0 處理除外）、單株果枝數（T1 處理除外）、單株吐絮鈴數、鈴重和衣分的影響不顯著（表6～7）。

表6 N-life 對棉花農藝性狀的影響Table 6 Effects of N-life on cotton agronomic traits

2022 年， 與對照相比，T0 和T3 處理的株高顯著增加，減氮處理下施用N-life（T1、T2、T3 處理）可顯著增加單株總鈴數和單株青鈴數，顯著降低單株爛鈴數，對單株果枝數、單株吐絮鈴數、鈴重和衣分均無顯著影響（表6～7）。這可能是由于施用N-life 起到了肥料緩釋的作用，提升了棉株對氮肥的利用率，延緩棉株衰老，進而使單株總鈴數增加， 但在一定程度上也導致棉花貪青晚熟。

不同處理對棉花產量的影響見表7。 同一氮肥水平下施用N-life 可以提高籽棉產量和皮棉產量。 2021 年施用N-life 處理（T0、T1、T2）的籽棉產量和皮棉產量分別較其對照（CK0、CK1、CK2）增加12.80%～30.63%和11.33%～34.25%，差異均達顯著水平。 2022 年施用N-life 處理（T0、T1、T2、T3）的籽棉產量和皮棉產量分別較其對照增加0.08%～5.96%和0.31%～6.57%。

表7 N-life 對棉花產量性狀的影響Table 7 Effects of N-life on cotton yield traits

隨著氮肥施用量減少，2021 年不施用N-life處理的籽棉產量和皮棉產量逐漸降低，2021 年施用N-life 處理的籽棉產量和皮棉產量及2022年各類處理的籽棉產量和皮棉產量均呈現先升高后下降趨勢。 2021 年施用N-life 的3 個處理（T0、T1 和T2）的籽棉產量和皮棉產量無顯著差異；2022 年施用N-life 的4 個處理（T0、T1、T2和T3）中，T1 處理的籽棉產量和皮棉產量顯著高于其余3 個處理，T2 的籽棉產量和皮棉產量均高于T0 處理，但差異不顯著。 綜上，施用N-life可以提高棉花產量，其中減氮10%處理的籽棉產量和皮棉產量最高，減氮20%也能獲得較高的產量水平，但增產效果受年度之間環境因素的影響。

2.4 N-life 對棉花纖維品質的影響

與對照相比，施用N-life 會在一定程度上導致棉花纖維上半部平均長度（2021 年T2 處理除外）和斷裂比強度增加（2022 年T1 處理除外），長度整齊度指數（2021 年T0 處理除外）和馬克隆值（2022 年T2 處理除外）降低。 施用N-life 對棉纖維斷裂伸長率無顯著影響。 綜上所述，施用N-life 能在一定程度上提高棉花的纖維上半部平均長度、斷裂比強度，改善馬克隆值分檔，對斷裂伸長率無顯著影響， 長度整齊度指數有所降低，但總體影響不大（表8）。

表8 N-life 對棉花纖維品質指標的影響Table 8 Effects of N-life on cotton fiber quality index

3 討論

氮素供應與棉花生長發育關系密切。 眾多研究表明，氮素影響葉面積指數（leaf area index,LAI）、葉片葉綠素含量、MDA 含量、谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase, GS）活性和葉片光合性能[22-24]。李鵬程等[25]在黃河流域棉區對棉花進行3 年的施氮試驗發現，隨著施氮量的增加，不同生育時期棉花葉片LAI、葉綠素含量、GS 活性均呈現上升趨勢，而MDA 含量呈下降趨勢，這說明適當增施氮肥能夠維持棉花氮代謝水平，減少葉片過氧化物產生，延緩功能葉片衰老。 適宜的氮肥用量有利于游離氨基酸、可溶性蛋白等氮代謝產物的積累[26]，提高POD 活性[27]，也有利于形成理想的群體冠層結構[28]。本試驗中，花鈴期和吐絮期氮肥施用量越少，棉花葉片抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性下降越明顯，施用N-life 可以顯著提高花鈴期和吐絮期棉花葉片的抗氧化酶活性，顯著降低MDA 含量，對光合性能也有所提升。這表明施用N-life 后土壤供氮平衡，棉花植株生長穩健，抗逆境脅迫的能力可能得到提高。

植物體內NR 是氮代謝的關鍵限速酶，其活性與植物對氮素的吸收利用密切相關[29]，并被認為是預測作物產量的指標之一[30]。在本試驗中，與對照相比，施用N-life 對苗期棉花葉片NR 活性無顯著影響，花鈴期和吐絮期增施N-life 的棉花葉片NR 活性高于對照。 說明增施N-life 的棉株在生長發育中后期仍能保持較高的氮代謝效率。劉濤等[31]探究了氯啶對滴灌棉花生物量和氮素吸收量的影響，發現氯啶處理的棉花地上部分總生物量較單施尿素處理提高4.1%～5.1%，總含氮量提高4.3%～4.4%，與本試驗中的盆栽結果基本一致。 在盆栽試驗中，與對照相比，施用N-life使試驗結束時土壤總氮含量維持在較高水平，氮素損失顯著減少且植株含氮量和氮肥利用率顯著增加。 這可能是由于N-life 緩慢釋放氯啶，土壤硝化作用被抑制[32]，硝化作用導致的氮素損失也因此降低。 上述結果表明，施用N-life 后植物氮代謝能力和土壤氮素供應能力均有所提升。

減少氮肥施用對棉花的生育期影響不大，但會對葉片和果實的數量產生不利影響。 隨著生育進程的推進，養分分配從營養器官向生殖器官轉移[33]，若氮素施用不當會造成作物減產。 Dawar等[34]發現氯啶和尿素配施可以使玉米的生物量、籽粒產量和總氮吸收量分別提升23%、17%和15%，有較好的增產效果。 本研究中，連續2 年的田間試驗結果表明，增施N-life 能在不同減氮水平下（減氮10%、20%和30%）增加棉花的單株青鈴數和總鈴數，減少爛鈴數；與同一施氮水平下的對照處理相比，施用N-life 可以提升籽棉產量和皮棉產量。 這表明施用N-life 后氮素分配情況得到改善，棉花生殖生長增強，進而產量增加。 同時，施用N-life 可以提高棉花的纖維上半部平均長度和斷裂比強度，改善馬克隆值分級，但長度整齊度指數有所下降，這可能與N-life 改善棉花營養狀況而導致成熟期延長有關。 但N-life 對纖維品質總體無明顯不利影響。

4 結論

施用N-life 可以有效抑制土壤硝化作用，減少土壤氮素損失，提高棉株含氮量及其對氮素的利用率，為棉花生長發育中后期提供更加充足的氮素供給。 施用N-life 顯著提升花鈴期和吐絮期棉花葉片的抗氧化酶（SOD、POD 和CAT）活性和NR 活性，降低MDA 含量，提高凈光合速率，促進棉花生長發育， 提高籽棉產量和皮棉產量，對纖維品質無明顯不利影響。 施用N-life 可以減少棉田氮肥使用量（10%～20%），實現減氮增產。