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氮(N,nitrogen)和钾(K,potassium)是棉花生长中需求量最高的两大矿质营养元素,对棉花产量和品质至关重要。棉花生产中仍存在偏施氮肥、钾氮肥比例(KNR,K to N ratio)偏低且变化幅度较大等问题,其制约了肥料利用效率提高和土壤养分平衡。在轻简栽培理念指导下,我国三大棉花主产区施氮量虽然差异较大,但都不同程度降低。在此背景下,结合棉株生长发育对养分的需求和土壤养分供应状况,探讨不同棉区合理的KNR十分必要。两年大田试验分别在湖北武汉(2016-2017)、河南安阳和新疆阿拉尔(2018-2019)实施,研究了KNR(长江流域棉区(武汉)为0.8,1.0和1.2;黄河流域棉区(安阳)和西北内陆棉区(阿拉尔)均为0.5,0.9和1.3)对棉花生长发育、产量和品质形成、以及养分利用的影响,结果表明,适宜的KNR分别为1.0和0.9,因为其:(1)有利于建成合理的棉花冠层结构。随KNR升高,冠层光合有效辐射截获率(Ir,interception rate of photosynthetically active radiation)提高,盛花期,在垂直方向上,冠层上部Ir在安阳和阿拉尔分别增加了7.4-18.6%和0.3-21.2%;在水平方向上,两棉行中部Ir分别增加了8.1-24.1%和3.3-34.7%。然而,KNR过高会造成冠层荫蔽,在垂直方向上,冠层下部透光率随KNR的升高而减少。(2)有利于棉株干物质积累与分配。随KNR升高,棉株干物质量(CPB,cotton plant biomass)在武汉、安阳和阿拉尔分别增加了7.3-18.6%、5.7-27.4%和6.5-11.0%,而生殖器官干物质量(RPB,reproductive parts biomass)分别增加了6.3-18.4%,8.6-18.0%和7.9-11.5%。随KNR升高,RPB分配比例提高了0.4-3.8%,收获指数提高了6.0-13.5%;RPB快速积累期开始时间和终止时间均随KNR升高而提前,干物质更早地向生殖器官转运。(3)有利于协调棉株源库关系。随KNR升高,安阳和阿拉尔的叶面积指数(LAI,leaf area index)分别提高了8.0-35.0%和10.3-13.5%,而载铃量分别下降了0.7-5.4%和0.1-4.8%,LAI与产量呈正相关关系。随KNR升高,碳水化合物合成和积累增加,净同化率(NAR,net assimilation rate)和棉株生长速率(CGR,cotton growth rate)分别提高了4.5-18.9%和11.7-44.6%,而比叶重(SLW,specific leaf weight)和干物质在叶片中的分配比例,安阳分别降低了3.0-22.8%和0.6-2.3%,阿拉尔分别降低了5.2-14.1%和1.1-7.2%;但主茎功能叶中蔗糖转移率(STR,sucrose transformation rate)、蔗糖/淀粉比和生殖器官生长速率(RGR,reproductive parts growth rate)分别增加了19.2-37.8%、5.0-28.7%和13.4-35.8%。因此,随KNR升高,棉株成铃率(BRP,boll retention percentage)提高,中间果节(MFP,middle fruiting positions)和外围果节(OFP,outside fruiting positions)的BRP在武汉分别提高了9.7-17.0%和9.6-48.8%,然而,KNR过大易造成冠层荫蔽,导致冠层下部果枝(BFB,bottom fruiting branches)棉花蕾铃脱落率(SSP,square and boll shedding percentage)增加(9.6%),棉株铃数减少(1.4-4.7%),不利于棉花源库平衡和产量形成,LAI与产量呈负相关关系。(4)有助于棉株养分的积累与分配。随KNR升高,棉株N、磷(P,phosphorus)和K积累量增加,武汉分别增加了4.9-38.8%、4.0-31.1%和4.0-34.2%,安阳分别增加了5.1-40.6%、8.2-36.5%和5.1-56.0%,阿拉尔分别增加了1.8-4.7%、6.1-7.4%和1.6-8.0%;但KNR不影响棉株NPK积累量比例,三大棉区棉株NPK积累量比例分别为1:0.14-0.16:0.96-1.18,1:0.12-0.23:0.83-1.02和1:0.18-0.21:0.83-0.93。同时,随KNR升高,NPK在生殖器官的分配比例提高,武汉分别提高了1.2-3.7%、4.0-7.2%和0.3-2.6%,安阳分别提高了3.0-8.5%、2.9-10.4%和0.6-10.2%,阿拉尔分别提高了1.3-3.7%、5.8-6.7%和1.8-4.7%。棉株OFP的BRP与棉株及生殖器官NPK的积累量正相关。(5)有利于提高棉花肥料利用效率。随KNR升高,土壤速效养分含量下降,安阳拔杆期土壤碱解氮含量、速效磷含量和速效钾含量分别降低1.0-15.4%、4.1-59.3%和4.0-32.7%。土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量与棉株NPK积累量负相关。而土壤中NPK供应潜力强有利于棉株NPK的积累,土壤中全氮、全磷和全钾含量与棉株NPK积累量正相关。氮钾肥施用以及棉株养分吸收会造成土壤养分含量存在空间分布差异。(6)有利于提高棉花产量,改善纤维品质。随KNR升高,棉花铃重和铃数增加,从而提高了棉花产量。武汉、安阳和阿拉尔的单位面积铃数分别提高5.3-11.9%、0.57-18.59%和6.59-18.71%,铃重分别提高3.9-8.8%、1.9-3.5%和1.2-6.9%,产量分别提高9.9-24.3%、0.7-22.8%和5.3-27.1%。同时,纤维品质得到了一定的改善,纤维长度增加、纤维强度增强、整齐度和伸长率提高、马克隆值降低。然而,KNR继续升高没有提高棉花产量,也没有改善纤维品质。可见,中等KNR(长江流域棉区,1.0;黄河流域棉区和西北内陆棉区,0.9)有利于棉花产量和品质形成,有利于棉株养分吸收利用,最终有利于节约资源、节省成本,提高植棉效益,缓解环境压力。