全 文 ：第18眷第4期
1 9 9 8年 7月
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生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
VoI_l8．No．4
Ju1．， 1998
19 一
棉田生态系统氮营养元素循环的研究
陈金湘
(帮甫农韭 事夏毕 —劭 410128) ⋯ 壤
黧 。 ／
(长抄土 i t1o127) ，I
■■ 在柿田生态蒹坑N稽环中，氍、中、高、超高产柿田N素的输入与输出不平衡，亏盈值(BD分别为
一 8 10 5，一13．5和一16．2kg／hm{，平衡值(占1)为机9113，0．9435，0．9429，0．9458．每种1季柿花，土壤
库现存 N减步2晒～B％．低、中、高、超高产棉田产物 N输出，分剐为柿 田生态蒹统总输 出N 的54．4 ，
46．5 ，44．9 和l3．I ，其中经跻产品(柿子和奸堆)N，均占产物 N输出的7O 左右。在章经跻产品中．特
壳古N较多，若将8O 睁静壳还田，则舱大体保持柿田生态系统N素的平衡．
关■讽t里僵亚，整里，皇查墨塾
STUDIES oN NITRoGEN CYCLING IN
CoTToN FIELD ECoSYSTEM S
Chen Jinxiang
(z d 州f 伽 却 ，J ’为删 Agri~lmrat UaiTwrsi~ ，c 4 4·410128，c 肌 )
LiU Haihe
(Chmqgsha Analysing ∞ Soil d，|口f F 舭 ．C g 4，410127，China)
￡f
Abstract The estimated input and output of nitrogen ilustrated that N—cycling WaS not
balance in cotton field ecosystem．The output of nitrogen was more than the input．The
balarice values ofincome1oSS of nitrogen( )were一 9．8，一 lO．6，一 13．5 and 一 16．2，in
the low yield powder field(LYPF)，in the middle(MYPF)，in the high(HYPF)and in the e—
uper high(SHYPF)，respectively．The apparent balance of input／output(B1)were 0．9113、
0-9435、0．9429 and 0．9458 in LYPF，MYPF，HYPF and SHYPF。respectively．The N—ex—
ported cotton products in the overall N—output from the ecosystem were 54．4 、46．5 、
44．9 and 43．4 for LYPF、M YPF、HYPF and SHYPF，respectively．Nitrogen of cotton
fiber and seed in the N—exported cotton products was about 70 in four kinds of fields．
Cotton bur contained more nitrogen than other cotton parts except cotton Ieaf and seed．If
8O cotton burs returned to the cotton field．N—cycling in the cotton field ecosystems could
keep balance of N—input and N—output．
Key words： nitrogen，cycling，cotton fields，ecosystems
塑里皇墨墨婆 ·N对棉花生长发育、产量、品质形成起关键的作用。一 ，并且对维持棉田的土壤肥力
*车文在修改过程中得到了余铁桥教授、余藿南副研究员、黄璜副教授的帮助，在此一并致谢】
收辅 日期-1996—04-26，修改稿收刊日期 1996—10-31。
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{期 陈金湘等 ：棉田生态系统氮营养元素循环的研究 349
和获得棉花持续高产有极其重要的意义 。奚元龄、汤玉玮、倪金拄、贾仁清等就 N索在棉株各器官中的分配
比率进行了研究 ，据此提出了棉田施 N的原则 Hamilton，GarderMackenzie和 Van Schaik等研究了施
N肥对棉花结铃性和纤维品质形成的影响n]。Mascagni等研究了4个陆地棉品种的高产施 N量[5]。尽管国
内外学者进行了大量的研究，但均囿于 N对棉花产量、品质形成的影响，以及 N在棉株体内的生理生化作
用和各器官中的分布 而关于 N在棉田生态系统中的循环，尚未见报道。本研究对 N在棉田生态系统中的
输入与输出以及循环过程进行了探讨，旨在为棉田持续高产稳产提供科学施用 N索肥料的依据。
1 试验条件与方法
研究以棉 田生态系统为边界。1987-1994年，在湖南常德、益阳、岳阳、长沙和街阳等地进行 了棉 田N
素循环定点调查和 田间试验。根据棉田生产力不同．分为低产棉 田(皮棉75Okg／hm )，中产棉 田(皮棉
l125kg／hm )，高产棉田(皮棉1500kg／hm )和超高产棉田(皮棉1875kg／hm )等4种类型。棉 田有机肥 N施
用量占棉 田总施 N量 的28．9 ～34．5蹦 棉田土壤肥力均 为中等或偏上．土壤垒 N古量在0．115蛎～
0．214 之间(0~20cm耕作层内每公 顷含 N 2714．1～5050．7kg)。供试品种为湘棉12号、洒棉2号 湘棉10
号和岱红岱等
在湖南农业大学试验农场定点进行棉花植株库和土壤库N积累、分布与循环试验。棉花现蕾后，每隔
lo～15d用收集框收集一次脱落营、锋、花和叶等器官 ，分别烘干至恒重。拨秆时，将子棉、锋壳、茎 (枝)分收
分晒(供)计重 。根系采用分层抽样，按定容垒挖冲洗法测定鲜、千重
降雨输入棉田生态系统的N，按Hutchinson、吴刚法估算“ ]。灌水输入的N，在棉田灌水时，记录每次
灌溉量，并在灌水入口处取样测 N；而渗漏、径流水的古 N，1991年通过在棉田开暗井，排水沟，从井或沟中
逐句采集水样测氟，并在排水日用渗漏仪测定棉田渗漏、径流水速，计算捧水量和渗漏水量，估测渗漏和淋
失N量。同年以空白试验为对照，在棉田不同施 N水平试验小区内(每公顷折算旆N90kg、165kg、210 和
270kg)，于每次施肥的当天，施后7d，15d各检测L次土壤和植株N{并同步进行薄膜遮雨盆栽试验(以不遮
的为对照)，结合田问试验，按差值法估测棉田挥发损失N量0]。生物固N，则通过测定产后棉花拔秆时棉
田生态系统内，棉株及产品N、土壤剩余 N，再加上挥发、淋失的 N的总和 ，减去施八 N和棉田种植前土壤
含 N，以及雨、水携八 N的总和以求得。
用凯氏定 N法[1。 分别测定棉株各器官、土壤、肥料和水中的含 N量。
2 结果与分析
2．1 棉田植株库中 N的分析
棉株地上部分和地下部分是棉田生态系统中N的主要贮存库。分析低、中、高、超高产棉田植株库中N
的结果表明，不同类型棉田植株库中贮存的N差异很大(见表1)。低产棉 田每公顷从土壤库中吸收的 N为
101．4kg，中产棉田为147．8kg，高产棉田为181．3kg，超高产棉田为218．8kg 以低产棉田植株库从土壤库中
吸收的 N为lO0，则中产棉田为145．7，高产棉田为178．8．超高产棉田为21 5．8。
棉株不同器官(或部分)中贮存的 N差异很大(见表1)。但棉株库中的N绝大多数富集在棉子、棉叶和
铃壳内，分别占植株贮积 N量的29．2％，40．6％和15．4 ，累计选85．2 ，且各类棉田有相同的比例。
2．2 棉株库中N归还棉田土壤库的分析
棉花在生长发育过程中，一方面根系不断从土壤中吸收N紊，进入植株库，构建棉花营养器官和生殖
器官，形成土壤 N 向植株移动的 N流。另一方面，棉株现蕾后．蕾、铃脱落、枯枝、老叶陆续归落棉田土壤，
出现植株库的 N流向土壤库 ，进入再循环。到棉花收获完毕，拨 秆时，几乎全部棉叶已归还棉田土壤 ，约
30％的锋壳归还棉田土壤库，60“左右的根系残留在土壤中，茎(枝)的20 左右陆续枯落于棉田土壤库，
加上生长发育期间脱落的营、花、错，回归到棉田的干物质占总干物重的36．3 ～37．1 ．随之回归到土壤
库的 N占植株库积存总N 量的40．6 ～41．4“ 低产棉田回归到土壤库中的 N素约为41．3 ／hm ；中产
棉田为60．7kg／hm ，高产棉田为75．1kg／hm。．超高产棉田为89．0kg／hm 。其余部分约占∞％．随产物，如棉
子、纤维、棉秆，部分铃壳等离开棉田生态系统。
2．3 土壤库中的N 流分析
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35O 生 态 学 报 18卷
棍 Root 534 1 4．68 2．50 777．1 4．71 3．36 1020．4 4．7O 4．80 1347．4 4．75 6．40
茎(枝)Stem 1390．0 4．4l 6．13 2058．4 4．45 9．16 2628．0 4．6O l2．1O 3l45．3 4．6l l4．5O
叶 Lea[ 1250．6 2．35 29．39 1875．5 2．33 43．70 2380．5 2．24 53．3O 2679．5 2．3,1 62．70
． 156．5 z． e s．ss 215．9 z． e s．s 282．0 z． s e．。。 311．7 z． ． 。
脱幕
．． 4o．5 2．10 o．85 53．7 2 18 1．17 69．3 2．02 1．JiO 70．30 2．12 1．49
rIOW~I"partB IBI nE
棉子 Seed 1 244 7 3．4l 42．32 1797．1 3．40 61．10 2252．4 3．31 70．50 2732．3 3．25 88．80
斡壳 Bur 839．1 1．79 15．02 1201．7 1．8O 21．63 1596．8 1．86 29．70 1859．5 1．85 34．4O
纤 维 Fiber 750．0 0．18 1．25 11 25．0 0．18 2．03 1501．5 0．17 2．60 1875．0 0．17 3．20
台计 Tt~tal 6205 5 — 101．3l 9104．4 — 147．46 11730．9 — 181．30 1402L 0 — 219．19
① Dry mRttel"，@ N eolt~tt
土壤中N索的输入，包括人工施用的 N索肥料 ．植株库 中的枯枝、落叶、脱落蕾、铃、花冠等含 N物质
的自然回归，以及灌溉、降雨和雷电等过程携入棉田的N索．还有棉田生物 固定的 N索。表2表明．麓入的
N索占进入棉田土壤库总 N量的6O ～7O 。低产棉 田施肥少，施入与总输入之比低．高产棉 田投 N多，
所占比率高．植株库自然回归到土壤库的N，随施N的增加而增多-但自然回归占总输入 N的比率则随之
减小．其比率为2／．3 oA～32．6 。随雷电、降雨、灌溉等自然增加到棉田土壤库中的N索，数量也报步．且各
类棉田无明显差异。生物固定的N数量也很少．只占输入土壤总量的0．7 ～1．5 。
土壤库中N输出，包括 N索从土壤库向植株库的转移(即棉株的吸收)，氨的挥发，N索肥料反硝化反
应产生N。及N O的脱N损失．以及雨水渗漏或淋洗流失的N索。低产棉田挥发、淋失等离开棉田生态系
境的 N量，每公顷为50．4kg，占土壤库输出 N总量的45．6 ．中产棉田为10o．3kg，占53．5 ，高产棉 田为
130．2kg，占55．1 ．超高产棉田为169．1kg，占56．6 。但不同年份、不同地 区．不同麓肥方法、不同土壤类
壹．土壤库输出 N量是不相同的。研究表明，随施N量增加 -棉花产量增加，同时 N索损失量和损失的比率
也增加。
棉 田土壤库流向棉株的 N，加上损失的 N．构成了棉田土壤的 N输 出。不同类型棉 田，由于施肥量不
同，棉株生物产量、经薪产量差异很大，因此，从土壤库中吸收的N有很大差异，加之损失量亦不相同，从而
导致了各类棉田土壤库输出N索的显著差异。低、中、高、超高产棉田土壤库输出N每公顷分别为151．8．
248．1，331．5和387．9kg．
根据 Bk=2一L一2一q( 为输入N量 ．q 为输出N量．B。为亏盈量)计算 ，棉田生态系统中土壤 N
的亏盈量每公顷为，低产棉田Bt=w9．8kg．中产棉田B 10 6kg．高产棉田Bt 13 5kg，超高产棉田
且⋯ 16 2kg．可见各类型棉田均出现N亏损，并且产量越高亏损量越大。
分析土壤库N平衡状态，以i／o值比表示[| ( 为输入的氮量，0为输出的N量)．称之为表观平衡状
态(B )．低产棉田总输入与输出比为o．9113-中产棉田为0．9435，高产棉田为0．9499，超高产棉田为
o．9458．说明几种类型棉田．土壤表观平衡状态欠佳．如果不控制输出．尤其是挥发、淋洗造成的损失．以及
非经跻产蜘的输出．都将会导致棉田地力的削弱．减少土壤库的现存 N量．年递减速度为2‰～6‰．
土壤库输出的总N中，低、中、高、超高产棉田分别有27．2 、24．5 、24．1 和22．9％的N营养元素又
返回土壤库中，进入再循环。
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4期 陈金湘等 ：棉田生态系统氨营养元素循环的研究 351
肥料麓^ Fert Lt Lz~r
棉株回归Return删 nt of cotton
雨水携^ Prec1p Ltat1on and irrigation
生物 固定 Bio-fixation
产物输出~otton product
挥发损失 Votat Lte【os日
j耋捅、琳失 Le~ckLtg toms
平衡值(BD
盈亏值( )
输^ N (Input of N)
90 0 l65．0
41．3 60．7
8 5 0．4
2．2 2 4
输出 N (Output of N)
6O 1 87．1
34．7 69．5
15．7 30．8
0 91l3 0．9435
— 9 8 —10．6
2】0 0
75．1
10 2
2 7
1O6 2
91．1
39 1
0 9429
一 】3．5
270 0
89 0
10 l
2．6
129 8
1l8 3
50．8
0．9458
一 l6 2
2．4 捕田生态系统 营养元素循环
棉田生态系统 N营养元素循环如图l所示。从图可见 以捕田为生态系统的边界，输入到系统内的 N
低产棉田为每公顷100．7kg，中产捕田为176．8kg 高产棉田为222．9kg 超高产捕田为282．7kg。捕田生态系
统向系统外输出的N，低产棉田每公顷为¨o．5kg．中产捕田为187．Ckg．高产捕田为236．4kg，超高产捕田
为298．9kg。可见捕田生态系统输入与输出不平衡 ．出现约1O 的N亏损 分析表明 低、中、高、超高产棉田
产物输出的 N，分别占系统输出总量的54．5 、46．8 、44，9 和43．4 而经济产品(纤维、棉子)的 N，只
占幸卣出系统总 N量的39．8 、船．7 、30．9 和30．8“ 表现为捕田产量越高．产物 N、经济产品 N所占比
率愈低．投 N报酬(即经济产品 N与施入 N量之比)．低、中、高、超高产捕田分别为0．4844、0．3824、0．3481
和0．3378。进入棉田生态系统的 N 其循环系数 (归还 N量／输入 N量)，低、中、高、超高产棉 田分别为
0．4101、0．3433、0 3369和0．3148。投氮越多，产量越高的捕田，投 N报酬 、循环系数愈小 然而 渗漏、淋失、
挥发等损失的N刑随施 N量的增加而明显增多。
3 讨论
3．1 4种不同类型捕田均出现 N亏损，愈是产量高的捕田 亏损愈多。研究发现 N施用量与挥发 、渗漏、淋
失量之间的关系，可拟合为 =0．6372／1+e ⋯ “ 的模型 一0．9910．p<5 )。从模型可知随棉田施N
量 (z)的增 加，损失增多，但每施lkg N的最大损失量不台超过0．6372kg。超高 产捕田每公 顷施 N 量达
270kg，每lkg N损失量为0．6263kg，接近最大损失值。进一步增施 N肥，损失 N会维持在较高水平 投N
经济效益会明显下降 还会恶化土壤生态环境。研究认为 目前高产和超高产棉田主要是增效而不是增N
采取有效措施减少N的挥艘、渗漏、淋失 是节本增产 维持捕田生态系统 N平衡的关键问题，亟待进一步
研究。
3．2 棉株吸收的 N量与投入 N量的比值，不同类型捕田有一定的差异 低产棉田为1．13，1，即吸收的 N
多于投入的N 棉株生长发育过程中必须补充吸收土壤库中现存的N。然而 ，中、高、超高产棉田捕撩吸收
N少于投入 N 分别为0．89t1、0．86：1、0．81tt，此结果与傅庆林等研究有相似之处口 。
3．3 棉田生态系统 N营养元素循环不平衡。一般低、中、高、超高产棉田种植1季棉花，每公顷亏损 N量分
别为9．8，10．6，13．5和16．2kg，土壤库现存 N量减少2‰～6％。而不同施 N方法，不同土壤类型 及不同
地区、不同年份，N亏损量有差异。在高产和超高产棉田，由于施 N量过多，如不结合生长调节剂进行有散
调控 ，使 N营养较多地输向棉铃，会加重蕾铃脱落或造成后期营养生长过旺，贪青晚熟。
3 4 棉花产物输出的 N中，经济产品(纤维和捕子)N占70 左右 还有约30 的 N在棉杆和铃壳等产物
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352 生 态 学 报 18卷
L ————————————————．．!
囤1 棉田生态系统 N营养元素循环流囤
Fig．1 Flow diagram for 1"／一cycling in col：con formtaad ecos~teras
内。这其中离开棉田生态系统的铃壳，约占棉田铃壳总量的7o ，携带出去的N，低、中、高、超高产棉田每
公顷分别为10．5kg、1 5．1kg、20．8kg和24．1kg，约为棉杆、根等输出N的2倍。若能在现有3o 的铃壳还田
的基础上，增加到8o 的还田．则棉田生态系统可望出现N的平衡．低产棉田N的亏盈值B ⋯ 2 3kg，中
产棉田岛=0．2kg，高产棉田B。 2．0kg、超高产棉田B 1．okg，除低产棉田会有少量N亏损外．其余各
类棉田均有N盈余。据此认为，增加棉花铃壳的还田．是增加N营养元素再循环．保持棉田生态系统N平
衡的有效逾径．但增加棉花铃壳还田的有鼓措旋，尚待研究。
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