棉花是我国重要的经济作物和战略物资，但近年来随着粮食和蔬菜种植面积的扩大，棉花种植面积有了较大幅度的减少，棉花与粮食、蔬菜作物的争地矛盾日益严重^[1]。黄淮海地区典型的洋葱（或大蒜、小麦）-棉花套种模式土壤复种指数较高，养分需求量大，农民通常采用增加肥料尤其是氮肥用量来获得更高的产量，常常出现因施肥不当而浪费肥料、降低氮肥利用效率的现象^[2]，甚至诱发病害造成作物减产^[3]。同时农田中过量氮素会通过氨挥发、淋溶和径流等方式从土壤-作物系统中损失，造成水体环境的富营养化，引起污染程度加剧^[4]。因此，通过研究合理的氮肥施用措施来提高洋葱-棉花套种模式下作物产量，对于环境保护具有重要的意义。

控释氮肥是一种能够根据作物生长需要释放养分、一次施用即能满足作物整个生育期养分需求的新型高效肥料^[5]。齐建建等^[6] 的研究表明，与普通肥相比，等量的控释氮肥能使苍山蒜和金乡蒜鳞茎产量分别提高5.0%~12.5%和15.0%~15.8%，增产效果达到显著水平；董亮等^[7] 发现施用控释氮肥能使大葱产量提高2.6%~58.9%，并促进大葱对磷和钾的吸收；赵斌等^[8]对玉米的研究则发现，在相同施肥量情况下，施用树脂包膜控释氮肥和硫包膜控释氮肥均能够显著增加玉米产量，在减少25%施肥量情况下，仍能够显著增加玉米产量；孙永红等^[9] 研究发现，控释氮肥减缓了氮素的释放，一次性施肥就能够满足水稻整个生育期的营养需求，可在低施氮水平下获得较高的经济效益。控释氮肥在多种农作物上进行过大量的田间试验，但在鲁西南地区洋葱-棉花套种模式下的应用研究较少。为此，本研究选用速效氮肥和控释氮肥两种氮肥，每种氮肥分别设置0、100、200、300 kg·hm^-2 4个氮素水平处理，通过田间试验探讨控释氮肥在洋葱-棉花套作中对作物的增产效应及对土壤氮素含量的影响，以期为黄淮海地区洋葱-棉花套种模式下控释氮肥的合理施用和推广提供一定的理论依据。

试验设在山东省济宁市鱼台县鱼城镇马婀村，该地区的洋葱（Allium cepa）（或大蒜Allium sativum L，辣椒Capsicum annuum Linn）-棉花（Anemone vitifolia Buch）套种模式是鲁西南地区一种典型的种植模式。该地区属暖温带季风型大陆性气候，年降雨量700 mm左右，土壤类型为潮土，0~20 cm土层砂粒含量9.53%，粉粒含量79.05%，粘粒含量11.41%，土壤质地为粉壤土。0~20 cm土层全氮含量0.41 g·kg^-1，NO₃^--N含量23.14 mg·kg^-1，NH₄⁺-N含量9.75 mg·kg^-1，有效磷含量49.65 mg·kg^-1，速效钾含量138.05 mg·kg^-1，pH值（水土比为2.5∶1）7.03。

洋葱品种为中甲高黄（早熟、黄皮），棉花品种为济5102，均为当地常用品种。洋葱种植行距和株距均为20 cm，棉花种植行距110 cm、株距30 cm。控释氮肥包括树脂包膜尿素（PCU，含N 42%）和硫加树脂包膜控释尿素（PSCU，含N 36%），在25 ℃静水中的释放期均为3个月，洋葱和棉花两季所用肥料为同一批次产品。速效肥料包括大颗粒尿素（N 46%）、磷酸二铵（N 18%、P₂O₅ 46%）和硫酸钾（K2O 50%）。所有肥料均由金正大生态工程集团股份有限公司提供。

试验设速效氮肥（CN）、控释氮肥（CRN）两种类型，每种氮肥设4个施肥水平，按照当地常规施氮量（N 200 kg·hm^-2）的基础上减量50%（N 100 kg·hm^-2）和增量50%（N 300 kg·hm^-2），以不施肥处理（N 0 kg·hm^-2）为对照，共7个处理。各施肥处理磷、钾用量（P₂O₅-K2O为90-220 kg·hm^-2）一致，其中磷肥为磷酸二铵，钾肥为硫酸钾。速效氮肥处理中氮肥由尿素和磷酸二铵提供，控释氮肥处理中控释氮肥和速效氮肥各占氮肥总量的50%，其中树脂包膜氮肥和硫加树脂包膜控释氮肥各占25%，尿素和磷酸二铵中速效氮占氮肥总量的50%。各试验处理的具体施肥量列于表 1，洋葱和棉花均按照上述方案施肥。每个处理重复3次，各小区随机排列。

表 1 试验设计及肥料施用量 Table 1 Experimental design and fertilizer application rates

表选项

试验小区长、宽均为5 m，小区与小区之间有30 cm的土埂相隔，灌溉时各小区用小型喷灌带单独浇水，并保证浇水量一致，以减少因灌、排水造成养分移动所引起的差异。每列小区之间均有1 m的水沟用来在降雨过多时排水。2012年11月3日将洋葱季所有肥料以基肥的形式一次深翻施入土壤中，覆膜并移栽洋葱，各小区洋葱种植密度保持一致；2013年4月初进行棉花土钵育苗，育苗时不施用任何肥料，4月20日将棉花苗移栽进洋葱田中预先留置好的行间；洋葱生长过程中不进行任何追肥，2013年5月10日洋葱收获；2013年5月25日对棉花进行施肥，施肥时将棉花季肥料一次全部施入距棉花根系5~15 cm的施肥沟中，施肥深度为10~15 cm。在洋葱和棉花生育期内，按常规高产栽培技术进行田间管理。

在2013年5月10日（洋葱收获期）、8月19日（棉花铃期）、10月10日（棉花拔秆收获期）分别采集0~20 cm和20~40 cm两层土壤样品，各小区按照5点采样法，每个小区相同层次的土壤混合为1个样品。棉花生育期内调查棉花功能叶（主茎倒四叶）的叶绿素SPAD-502读数、铃数、果枝数、茎粗。

各小区洋葱全部收获，从鳞茎膨大处向上2 cm位置剪断，去除根系后称量。于2013年10月10日棉花拔秆收获前统计小区内全部棉花结铃数，每小区采集30朵棉絮，称重后计算单铃重，用皮辊机轧花后测定棉花衣分。根据小区株数，单株平均结铃数和平均单铃重，计算各处理的籽棉和皮棉产量。

两种包膜控释氮肥的养分释放率按照国标GB/T 23348—2009《缓释肥料》的规定，用25 ℃静水浸提法测定。土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N含量采用0.01 mol·L^-1的CaCl₂溶液浸提，连续流动化学分析仪（AA3）测定；土壤全氮含量用浓硫酸消煮，Smartchem200全自动间断化学分析仪测定^[10]，具体测定方法依据《土壤农业化学分析方法》^[11]。

试验数据均采用Microsoft Excel 2003和SAS 9.2（SAS Institute，Cary）软件进行计算和方差分析，应用Duncan检验法对不同处理间差异显著性（P<0.05）进行多重比较分析。

两种控释氮肥累积释放率曲线如图 1所示。释放速率分为3个阶段：缓慢释放阶段、快速释放阶段、释放速率逐渐减小阶段。PCU在20 d左右养分释放明显加快；PSCU在静水中前期释放较PCU缓慢，但在40 d左右也明显加快。两种控释氮肥在30~110 d期间的养分释放速率均较快，这一时期正是棉花生长旺盛、需氮较多的初花期至始絮期，因而能较好地满足棉花需肥高峰期的需求，有利于棉花产量提升。

图 1 控释氮肥在25 ℃静水中的养分释放曲线 Figure 1 Cumulative release curves of nitrogen in CRN in water at 25 ℃

图选项

速效氮肥和控释氮肥在氮用量300 kg·hm^-2处理时洋葱单球重均显著高于氮用量100 kg·hm^-2处理，其余处理间差异不显著。

不同处理之间洋葱产量表现出明显的差异性（表 2）。速效氮肥施氮200、300 kg·hm^-2处理洋葱产量分别较施氮100 kg·hm^-2处理显著增加15.3%和17.5%；控释氮肥处理洋葱产量以施氮300 kg·hm^-2处理为最高，显著高于施氮100、200 kg·hm^-2处理，增产效果分别为15.7%和7.9%；控释氮肥施氮200 kg·hm^-2处理洋葱产量显著高于施氮100 kg·hm^-2处理，增产率为7.1%。等施氮量下，施氮100 kg·hm^-2控释氮肥处理洋葱产量较速效氮肥处理显著增产19.6%；施氮300 kg·hm^-2控释氮肥处理洋葱产量较速效氮肥处理显著增产6.7%。其余处理间差异不显著。

表 2 速效氮肥和控释氮肥处理洋葱产量 Table 2 Onion yield in treatments with common nitrogen fertilizer and controlled-release nitrogen fertilizer

表选项

施肥显著提高了棉花成铃数、单铃重和籽棉产量。速效氮肥处理棉花产量均随施氮量的增加而增加，但控释氮肥施氮200、300 kg·hm^-2处理的棉花产量相同（表 3）。速效氮肥施氮300 kg·hm^-2处理籽棉较施氮100、200 kg·hm^-2处理显著增产7.7%和34.28%，速效氮肥施氮200 kg·hm^-2处理籽棉较施氮100 kg·hm^-2处理增产24.7%，同样达到显著水平；控释氮肥施氮300、200 kg·hm^-2处理籽棉分别较施氮100 kg·hm^-2处理显著增产15.4%和14.5%，皮棉分别显著增产14.5%和14.3%。施氮量100、200 kg·hm^-2时，控释氮肥处理籽棉产量较速效氮肥处理分别显著增加17.3%和7.7%，皮棉产量分别增加14.5%和6.8%。其余处理间差异不显著。

表 3 速效氮肥和控释氮肥处理棉花产量及产量构成因素 Table 3 Cotton yield and its component factors in treatments with common fertilizer and controlled-release nitrogen fertilizer

表选项

速效氮肥施氮200、300 kg·hm^-2处理棉花成铃数均显著高于施氮100 kg·hm^-2处理。等施氮量下，施氮100 kg·hm^-2控释氮肥处理成铃数显著高于速效氮肥处理。其余处理间差异不显著。不同氮肥种类和用量处理棉花单铃重差异显著，氮用量300 kg·hm^-2的速效氮肥和控释氮肥处理棉花单铃重显著高于同种氮肥类型下氮用量100 kg·hm^-2处理。等施氮量下，控释氮肥处理单铃重与速效氮肥处理差异不显著。施氮300 kg·hm^-2控释氮肥处理衣分含量显著高于施氮100 kg·hm^-2控释氮肥和速效氮肥处理。等施氮量的控释氮肥和速效氮肥处理间衣分含量差异不显著。

不同氮肥种类和用量下，棉花铃期植株茎粗、果枝数、铃数和功能叶片SPAD值有显著差异（表 4）。速效氮肥和控释氮肥处理功能叶片SPAD值均显著高于对照处理。同种氮肥类型下，棉花功能叶片 SPAD值均以氮用量300 kg·hm^-2处理为最高，显著高于氮用量100、200 kg·hm^-2处理。氮用量100、200 kg·hm^-2的控释氮肥处理SPAD值均显著高于等施氮量的速效氮肥处理。其余处理间差异不显著。

表 4 铃期速效氮肥和控释氮肥处理棉花长势情况 Table 4 Growth characteristics of cotton in treatments with common fertilizer and controlled-release nitrogen fertilizer at boll stage

表选项

施氮量300 kg·hm^-2控释氮肥处理铃期棉花茎粗显著高于其余处理；施氮量200 kg·hm^-2控释氮肥处理和施氮量300 kg·hm^-2速效氮肥处理铃期棉花茎粗显著高于对照处理。其余处理间无显著差异。同种氮肥类型下，氮用量300 kg·hm^-2处理棉花果枝数均显著高于氮用量100 kg·hm^-2处理；氮用量300、200 kg·hm^-2速效氮肥和控释氮肥处理果枝数显著高于对照处理。其余处理间差异不显著。氮用量300 kg·hm^-2的速效氮肥和控释氮肥处理结铃数均显著高于同种氮肥种类下的氮用量100 kg·hm^-2处理。其余处理间差异不显著。

不同施肥处理对各时期土壤NO₃^--N含量有显著影响（表 5）。在棉花苗期，各处理0~20 cm土层NO₃^--N含量均显著高于20~40 cm土层。控释氮肥处理0~20 cm土层的NO₃^--N含量随施氮量的增加而升高，速效氮肥施氮200、300 kg·hm^-2处理0~20 cm土层NO₃^--N含量均显著高于施氮100 kg·hm^-2处理，但速效氮肥施氮200、300 kg·hm^-2处理0~20 cm土层的NO₃^--N含量相同。等施氮量下，施氮100、300 kg·hm^-2控释氮肥处理0~20 cm土层NO₃^--N含量显著高于速效氮肥处理。速效氮肥施氮300 kg·hm^-2处理20~40 cm土层NO₃^--N含量显著高于施氮100 kg·hm^-2处理。其余处理间差异不显著。

表 5 不同生育期各处理不同土层NO₃^--N含量（mg·kg^-1） Table 5 Dynamics of soil NO₃^--N concentrations in treatments with common fertilizer and controlled-release nitrogen fertilizer at different stages of cotton（mg·kg^-1）

表选项

在棉花铃期，施氮300 kg·hm^-2控释氮肥处理NO₃^--N含量显著高于施氮100 kg·hm^-2速效氮肥处理和对照处理，其余处理间0~20 cm土层中NO₃^--N含量差异不显著。

不同氮肥类型和用量对棉花拔秆收获时0~20、20~40 cm土层NO₃^--N含量的影响更为显著。各处理0~20 cm土层NO₃^--N含量均显著高于20~40 cm土层。速效氮肥施氮300 kg·hm^-2处理0~20 cm土层NO₃^--N含量显著高于施氮100 kg·hm^-2处理。控释氮肥施氮200、300 kg·hm^-2处理0~20 cm土层NO₃^--N含量均显著高于施氮100 kg·hm^-2处理。氮用量100、200 kg·hm^-2时，控释氮肥处理0~20 cm土层NO₃^--N含量显著高于等施氮量的速效氮肥处理。在氮用量300 kg·hm^-2时，控释氮肥与速效氮肥0~20 cm土层NO₃^--N含量相等，但20~40 cm土层速效氮肥处理NO₃^--N含量显著增加，说明大量的速效氮肥供应增加了土壤NO₃^--N的淋溶损失，而控释氮肥处理主要集中在0~20 cm土层中。其余处理间土壤NO₃^--N含量无显著差异。

在棉花苗期，施氮量300 kg·hm^-2速效氮肥处理20~40 cm土层NH₄⁺-N含量显著高于除施氮300 kg·hm^-2控释氮肥处理外的其余处理。相等施氮量的速效氮肥与控释氮肥处理0~20 cm和20~40 cm土层NH₄⁺-N含量无显著差异。

施肥显著提高了铃期土壤NH₄⁺-N含量（表 6），速效氮肥施氮300 kg·hm^-2处理土壤NH₄⁺-N含量显著高于施氮100 kg·hm^-2处理。其余处理间差异不显著。

表 6 不同生育期各处理不同土层NH₄⁺-N含量（mg·kg^-1） Table 6 Dynamics of soil NH₄⁺-N concentrations in treatments with common fertilizer and controlled-release nitrogen fertilizer at different stages of cotton（mg·kg^-1）

表选项

棉花收获时，不同施氮量的速效氮肥和控释氮肥处理0~20 cm土层NH₄⁺-N含量无显著差异。等施氮量下，控释氮肥处理20~40 cm土层NH₄⁺-N含量与速效氮肥处理差异不显著（表 6）。

棉花拔秆收获时，控释氮肥和施氮200、300 kg·hm^-2速效氮肥处理与对照处理相比，显著增加了0~20、20~40 cm土层全氮含量（图 2）。控释氮肥和速效氮肥处理在施氮200、300 kg·hm^-2时，0~20 cm土层全氮含量显著高于施氮100 kg·hm^-2处理。速效氮肥施氮300 kg·hm^-2处理20~40 cm土层全氮含量显著高于施氮100 kg·hm^-2处理。其余处理间差异不显著。等施氮量的控释氮肥处理0~20 cm土层全氮含量显著高于速效氮肥处理，而20~40 cm土层全氮含量差异不显著。这可能与控释氮肥降低了氨挥发和土壤NO₃^--N的淋溶损失有关。

图 2 速效氮肥和控释氮肥处理棉花收获后土壤全氮含量 Figure 2 Soil total nitrogen in 0~40 cm soil profile at harvest stage of cotton in treatments with common fertilizer and controlled-release nitrogen fertilizer

图选项

单位面积内棉花产量的高低取决于株数、单株成铃数、单铃重和衣分含量。因此，在种植密度一定的条件下，单株成铃数、单铃重和衣分是影响棉花产量构成的最主要因素。在本试验中，施氮300 kg·hm^-2的控释氮肥处理籽棉产量与氮用量200 kg·hm^-2处理差异不显著，但均显著高于施氮100 kg·hm^-2处理，说明在施用控释氮肥200 kg·hm^-2的基础上继续增加氮肥用量不能继续提高棉花产量。当氮肥用量达到一定程度，棉花产量可达最高值，继续供应氮肥时，会降低氮素向生殖器官（棉铃）中转移的分配系数^{[12, 13, 14]}，营养过旺，反而造成生殖器官大量脱落^[15]，降低棉花产量。在施氮100、200 kg·hm^-2时，控释氮肥处理较普通氮肥处理籽棉产量分别显著增产17.3%、7.7%。等施氮量下，控释氮肥能够通过提高棉花单株结铃数和单铃重（表 2）而显著提高棉花产量。控释氮肥提高籽棉和皮棉产量主要是通过延缓棉花叶片中叶绿素的分解，改善棉花叶片的光合特性实现的^[16]。在棉花苗期（洋葱收获后）0~20 cm土层中控释氮肥残留有较高含量的NO₃^--N（表 5），能够更好地满足苗期棉花生长的需求，提高铃期棉花功能叶片SPAD值和结铃数（表 4）。控释氮肥使氮素释放时间和强度与棉花养分吸收规律相吻合，满足其对养分的需求，从而提高了棉花产量^[17]。控释氮肥施氮300、200 kg·hm^-2时棉花产量相等，一方面可能与过高的施氮量有关，充足的氮素供应下速效氮肥所占比例已经能够满足棉花生长的需求，控释氮肥的优势无法充分体现，另一方面还可能与控释氮肥处理中控释氮与速效氮的比例有关。在山东棉区施氮180 kg·hm^-2时，控释氮肥和速效肥掺混比例为7∶3、一次性基施能够取得最好棉花产量^[18]，而有研究表明，在施氮180 kg·hm^-2时50%速效与50%控释氮肥基施能够较好地促进苗期棉花功能叶片的叶面积，从而利于促进棉花产量的形成^[19]。也有研究表明100%控释氮肥能够提高叶绿素荧光动力学参数，改善叶肉细胞的光合特性，维持较高的净光合速率，提高棉花产量^[16]。

由于洋葱跨越冬季生产，而控释氮肥养分释放主要受土壤温度的影响^[20]，在洋葱进入越冬期后养分吸收较少，此时地温持续在0 ℃以下，控释氮肥养分释放速度减慢。越冬期后土壤温度升高，控释氮肥氮素释放速率也相应增加，仍能够较好地满足作物对养分的需求^[21]。棉花苗期（洋葱收获后）土壤中NH-4-N的含量变化能够较好地体现这一规律。在本试验中，等施氮量条件下，棉花苗期控释氮肥处理的表层土壤NO₃^--N含量均高于速效氮肥处理，但20~40 cm土层控释氮肥处理NO₃^--N含量低于速效氮肥处理（表 5），这说明在棉花苗期施肥前，上一季洋葱所施用的控释氮肥仍然能够使0~20 cm土层保持较高的无机氮含量，满足下一季棉花苗期生长的需求。在棉花苗期（洋葱收获）和棉花拔秆收获时，同种氮肥类型下施氮量越高，土壤硝态氮含量越高。当施氮量大于270 kg·hm^-2时，土壤表层硝态氮含量显著增加，施氮360 kg·hm^-2时0~20 cm硝态氮含量为施氮270 kg·hm^-2时的2.2倍，施氮450 kg·hm^-2为施氮270 kg·hm^-2时的4.7倍^[22]。等施氮量下控释氮肥处理20~40 cm土层中NO₃^--N含量均低于速效氮肥处理，表明施用控释氮肥能够在一定程度上降低土壤NO₃^--N向下层土壤中的淋溶，减少对地下水产生污染的风险^[23]。云鹏等^[24]认为氮肥施用量对于土壤NH-4-N含量并没有显著影响，与本试验棉花收获期氮肥施用量对土壤中NH₄⁺-N含量影响未达到显著水平的研究结果相同。但马兴华等^[25] 则认为相同的底施、追施比例下施氮量越高，土壤NH-4-N含量越高，为硝化作用提供底物越多，从而保证了后期有效氮供应，避免了短时间内NO₃^--N的大量累积。

氮肥种类和用量对棉花产量有显著影响。施氮200 kg·hm^-2的控释氮肥处理籽棉较等施氮量的速效氮肥处理和100 kg·hm^-2控释氮肥处理分别显著增产7.7%和14.5%，但与300 kg·hm^-2的控释氮肥和速效氮肥处理差异不显著，说明在施用控释氮肥200 kg·hm^-2的基础上继续增加氮肥用量无法继续提高棉花产量。基于以上试验结果，认为施肥量200 kg·hm^-2的控释氮肥处理为本试验中最优处理。由于区域气候特点、作物品种、种植模式以及产量水平的影响，加之不同地区洋葱和棉花养分需求也存在一定差异，在其他地区施用控释氮肥时还需要进一步研究，综合考虑产量、经济效益和环境效应来确定最佳施肥类型和施肥量。