作为主要的农田耕作措施,施肥直接影响着农田生态系统的元素循环,导致作物干物质积累的变化,从而制约着农作物产量的形成。因此,运用生态化学计量学理论来探讨农田生态系统的元素循环规律将有利于探讨人类活动对植物生长发育的影响机制,为实现农田有效、持续生产提供新的方法。本文以阿拉尔垦区棉田为研究对象,开展了野外N、P施肥试验,获得了不同施肥水平下的棉株各器官-土壤C、N、P元素生态化学计量特征,探讨了棉田系统C、N、P元素的循环规律,验证了绿洲棉花生长是否符合生长速率假说,确定了棉花内稳性特征及其限制元素类型,分析了随生育期棉花干物质积累的动态变化规律,比较不同施肥处理下棉花产量的差异,旨在揭示阿拉尔垦区棉花整个生育期的养分吸收特性;得出如下结论:(1)在设定的N、P施肥水平下,棉花C、N、P元素生态化学计量特征的变化规律如下:棉花C、N、P元素含量的最大值分别出现在N2水平和P2水平。C元素含量随生育期变化呈上升趋势,在吐絮期又有所降低;N、P元素含量随生育期的变化呈下降趋势。C、N、P元素含量在不同器官的变化受到生育期的制约,苗期到蕾期棉花主要是营养生长,所以化学元素主要积累在根、茎和叶片等营养器官内;从花铃期到吐絮期,化学元素积累转移到生殖器官(蕾、花铃和棉桃)大量累积。N:P受到N、P元素的共同影响,指示着植物-土壤间养分的供需平衡关系。随生育期的变化棉花各器官N:P没有表现出一定的规律,整个生育期间棉花N:P在花铃期叶片中出现最大值。棉花在花铃期营养及生殖生长同时并进,该时期也是棉花产量形成的关键时期;叶片作为植物获取能源和合成光合产物的同化器官,花铃期棉花叶片的N:P可用于指示棉花生长的限制元素类型。(2)在设定的N、P施肥水平下,土壤C、N、P元素生态化学计量特征的变化规律如下:土壤C元素含量随生育期逐渐下降,在吐絮期有所回升;N、P元素含量随生育期呈先增加后下降。土壤C元素含量在各施肥处理间无明显变化,土壤N元素含量在N添加试验中随添加水平的变化呈上升趋势,P添加下土壤P含量亦之;土壤P元素含量在N添加试验中随添加水平的变化先降低后增加,P添加下土壤N含量亦之。(3)在设定的N、P施肥水平下,棉株-土壤的C、N、P元素含量间的相关关系如下:棉株、土壤二者元素含量间呈现出一定的幂函数关系。此结果表明植物C、N、P元素生态化学计量比在一定土壤N、P养分含量的供应范围内具有可塑性,为研究植物养分元素的内稳性奠定了基础。本研究结果表明,棉花N、P元素在各生育期幂函数的拟合程度不尽相同。(4)在设定的N、P施肥水平下,棉花生物量的变化规律如下:棉花干物质量呈现“S”型的积累趋势,符合Logistic生长函数的增长模型。本研究利用Logistic生长函数拟合各施肥水平干物质积累动态,得出N、P添加处理的最大积累速率t0分别约在播种后99d~112d和95d~125d;增施P肥延长了棉花干物质量的积累时间,使棉株能够充分利用当地的光热资源,有助于棉花经济产量的形成。N、P处理间的干物质积累量的变化规律分别为N2>CK>N3>N1>N0,P2>CK>P3>P1>P0。(5)在设定的N、P施肥水平下,棉花生长速率的变化规律如下:随着土壤N、P元素含量的增加,棉花生长速率先增加随后达到稳定水平。进一步讨论棉花比生长速率与N:P、C:P的关系分析可知,研究区棉花生长符合生长速率假说。但由于植物的养分储藏器官对养分储藏作用掩盖了其C、N、P元素含量与生长速率的关系,以致植物生长是否符合生长速率假说仍未得出统一的定论。综合N、P添加下的棉花生长速率和内稳性研究结果判断绿洲棉花的限制性元素类型可知,整个生育期棉花生长发育受N、P元素的共同限制,在生育前期更易受到P元素的限制,后期则更易受到N元素的限制。(6)在设定的N、P施肥水平下,棉花产量及其产量结构的变化规律如下:棉花的单株结铃数和单铃重随施肥量的增加均有所增加,从而引起棉花经济产量的提高。根据拟合方程得出,最高产量施尿素的量为793kg/hm~2,其相对应的最高产量为5945kg/hm~2;最高产量需要添加重铬磷酸钙的量为571kg/hm~2,其相对应的最高产量为5951kg/hm~2。本试验得出每获得100kg籽棉,棉花需要吸收尿素约13.33kg或重铬磷酸钙约9.60kg。增施N、P肥引起各施肥处理间棉花单株结铃数和单铃重的差异是导致棉花产量差异的主要原因。