通过优化覆膜滴灌下的水分和氮素施用时机，在盐碱土壤中协同提高棉花产量和水分氮素利用效率

《Agricultural Water Management》：Synergistic enhancement of cotton yield and water–nitrogen use efficiency in saline–alkali soils through optimized water–nitrogen timing under mulched drip irrigation

　　瑞云姚 | 富海叶 | 洪光刘 | 严陈 | 一斌徐 | 精润王
中国石河子市水利与建筑工程学院，石河子832000

**摘要**
在干旱的盐碱地区，棉花的生产力受到水资源短缺和盐分的影响。然而，水氮管理仍然以投入为导向，忽视了灌溉和氮供应在生长阶段的同步性。实验包括三种灌溉制度（60%、80%和100%的作物蒸散量（ETc）以及三种氮肥施用时间（1/2N–1/2W；1/4W–1/2N–1/4W；3/8W–1/2N–1/8W）。量化了棉花的生长特性和资源利用效率指标，并使用偏最小二乘路径模型评估了因果关系。结果表明，氮肥施用的时间效应受到特定灌溉阈值的调控，在80% ETc条件下表现最佳。在这种条件下，W2F2处理改善了根系形态、叶面积发育、器官氮积累和干物质生产，使得籽棉产量达到6583公斤/公顷，水分生产力为1.67公斤/立方米，氮素部分因子生产力为21.94公斤/公斤。路径分析进一步表明，水分和肥料管理对系统产出有显著的直接影响，并通过优化根系形态间接提高了产量和资源效率，其中生物量的贡献最大（总效应=0.537）。总体而言，将80% ETc的灌溉与“1/4W–1/2N–1/4W”氮肥施用策略相结合，通过优化根系形态和氮素吸收，有效同步了盐碱土壤中棉花产量与水氮利用效率，为干旱盐碱地区的节水节肥绿色棉花生产提供了实践和机制基础。

**1. 引言**
土壤盐碱化是全球农业生产及粮食安全的持续制约因素（Zhang等人，2014年）。作为中国最大的棉花生产基地和关键农业区，新疆近三分之一的耕地受到不同程度的盐碱危害（Li等人，2020年；Zhang等人，2025年）。温带大陆性气候与盐碱土壤母质的结合增加了该地区次生盐碱化的风险（Wang等人，2018年）。作为区域经济发展的支柱，新疆的棉花生产日益受到水资源短缺和土壤盐分的双重压力限制，这制约了其长期可持续性（Zhao等人，2025年）。盐胁迫通过渗透压、离子毒性和养分失衡扰乱了棉花的生理过程（Yadav等人，2011年），从而限制了产量和纤维质量（Tian等人，2025年）。因此，在受水和盐胁迫影响的新疆棉花种植区，提高棉花产量和资源利用效率已成为核心目标。

该地区广泛采用膜下滴灌结合施肥的管理方式，因为它可以减少蒸发损失、保持土壤湿度并实现精确灌溉（Li等人，2020年）。先前的研究表明，在盐碱棉花田中进行适度亏缺灌溉可以在维持产量的同时提高水分生产力（Li等人，2025年；Lu等人，2025年）。然而，滴灌特有的局部供水方式改变了根区的水分和盐分传输过程，不当的管理可能会加剧次生问题，如局部盐分积累（Karimzadeh等人，2024年）。在盐碱条件下，灌溉不仅是一种供水手段，还是根区内盐分再分配的关键调节因素（Yan等人，2021年）。证据表明，合理设计的渗漏灌溉可以将盐分从活跃根区转移到更深层次的土壤中，从而形成有利于作物生长的低盐环境（Qadir等人，2000年；Wichelns和Qadir，2015年）。水分和氮的协调供应在调节棉花生长和产量中起着核心作用（Singh等人，2017年）。作物的氮吸收和利用强烈依赖于土壤水分状况，因为充足的水分条件是实现高肥料利用效率的前提（Devkota等人，2013年）。大量研究集中在优化膜下滴灌下的水氮耦合上，证明了灌溉量和氮肥施用率之间的强烈交互作用（Dong等人，2025b；Guo等人，2022年）。在适当的灌溉条件下施用氮肥可以更高效地利用水分和氮资源同时维持产量（Sui等人，2015年）。相反，过度灌溉或施肥会增加氮素淋失的风险，导致资源损失和环境污染（G?rden?s等人，2005年；Wang等人，2018年）。在滴灌系统中，技术参数（如滴头流量和灌溉量）直接影响土壤湿润模式和养分分布（Nogueira等人，2021年）。虽然增加灌溉量可以扩大湿润区，但过度湿润会加剧表面蒸发和深层渗透损失（Jie等人，2020年；Zhang等人，2022年）。因此，有效的水分和肥料管理需要灌溉计划与作物根系时空分布之间的密切协调，以增强根区的养分保持和吸收。最近的研究逐渐从粗略的投入调控转向更精细的灌溉-施肥过程控制（Dong等人，2023年；Zhang等人，2025年）。特别是氮肥施用时间，即单次灌溉事件中养分注入的起始点和持续时间，已成为关键的调控维度。这种方法基于灌溉水是溶解养分主要载体的原则，以及施肥开始时的土壤湿度条件在很大程度上决定了肥料溶液在根区的初始分布和后续传输（Liu等人，2021年）。此外，在滴灌系统下先灌溉再施肥可以有效降低根区盐分，同时增加土壤有效氮含量，延迟施肥效果更明显（Zhang等人，2025年）。Bu等人（2025年）报告称，在盐碱土壤中推迟磷肥施用可以促进棉花生长并增加根区有效磷含量。Dong等人（2023年）确定了优化的氮、磷和钾施用顺序，提高了养分吸收效率并降低了环境风险。这些发现共同表明，优化氮肥施用时间是调节盐碱土壤根区水-盐-养分微环境的有效策略。

然而，现有研究大多在固定灌溉定额下考察了氮肥施用时间，而不同灌溉水平下时间调控效果的变化尚不清楚。从理论角度来看，灌溉定额的差异可能会改变时间调控的效果，因为充分灌溉可能会减弱其影响，而水分亏缺可能会增强或改变其作用方式（Zhao等人，2025年）。这种对灌溉定额和施肥时间之间相互作用的理解有限，限制了在变水条件下基于时间的策略的精确应用。为解决这一差距，进行了为期两年的田间实验（2023–2024年），使用了三种灌溉水平（W1：60%作物蒸散量（ETc），W2：80% ETc，W3：100% ETc）以及三种氮肥施用时间模式。实验目的包括：（1）确定水氮时间耦合对开花和结铃阶段根系形态的影响；（2）阐明其对冠层发育、干物质分配以及氮吸收和转运的生理调控作用；（3）量化其对籽棉产量、水分生产力和氮素部分因子生产力的协同影响。进一步采用结构方程建模分析了潜在的因果路径，确定了最大化氮肥时间调控效果的灌溉阈值，并确定了该阈值下的最佳水氮时间管理策略，为盐碱土壤中的精准棉花管理提供了理论基础。

**2. 材料与方法**
**2.1. 实验地点描述**
实验在2023年和2024年的棉花生长季节（4月至10月）进行，地点位于新疆石河子市第146团，靠近沙湾市边界（图1a）。该地点位于东经86°01′、北纬44°30′，平均海拔376米，地处天山山脉北部山麓中部和准噶尔盆地南部边缘，是新疆典型的高产棉花生产区。该地区具有温带大陆性气候，特征是干旱、降水量少、蒸发强烈和阳光充足。年日照时长达2721至2818小时，无霜期约为160–170天，年平均温度为11.6°C，年降水量为125.0至207.7毫米，年蒸发量为1000–1500毫米。实验期间的平均气温在13.54°C至31.38°C之间，7月最高（25.1–26.1°C），总降水量约为150毫米（图1b）。气象数据来自石河子气象局。根据土壤盐碱化分类标准，该地点被归类为轻度盐碱土壤，土壤类型为壤土。0–40厘米土层的物理化学性质见表1。地下水位深度超过7.20米，盐分化程度为3.20克/升。

**表1. 实验区土壤的物理和化学性质**
| 土层深度（厘米） | 总氮（克/千克） | 土壤有机质（克/千克） | 可利用磷（毫克/千克） | 可利用钾（毫克/千克） | 堆积密度（克/立方厘米） | 土壤类型 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 0–20 | 1.53 | 17.49 | 6.89 | 189.9 | 8.14 | 壤土 |
| 20–40 | 1.35 | 17.79 | 4.56 | 286.3 | 8.05 | 壤土 |

**2.2. 实验设计**
采用分割区设计。主区根据作物蒸散量（ETc）分为三个灌溉水平：W1（60% ETc）、W2（80% ETc）和W3（100% ETc）。子区包括三种氮肥（N）施用时间模式：F1（1/2N–1/2W）、F2（1/4W–1/2N–1/4W）和F3（3/8W–1/2N–1/8W），每种处理有三个重复，共计27个实验区。氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）的总施用量分别统一设定为300、110和90千克/公顷，基于新疆滴灌棉花的当地推荐施肥标准。所有肥料在棉花生长季节的灌溉期间通过差压施肥罐进行追施。氮肥根据子区处理的预定义时间模式分阶段施用，而磷和钾肥则在每次灌溉开始时均匀施用，不区分时间。氮和灌溉水（W）的施用顺序和持续时间通过调节施肥罐阀门控制。三种氮肥施用时间模式旨在研究灌溉过程对根区氮素保持的影响。每次灌溉的总持续时间（T）根据灌溉定额和滴灌系统流量（每个滴头2.4升/小时）确定。在实验条件下，T大约在4.5–8.0小时之间，具体取决于灌溉水平和生长阶段。比例（如1/4W、1/2N、3/8W）表示分配给每个阶段的时间比例。对于F1（1/2N–1/2W），氮肥在T的前半段施用，后半段为清水；对于F2（1/4W–1/2N–1/4W），T的前四分之一为清水，中间四分之一为氮肥，最后四分之一为清水；对于F3（3/8W–1/2N–1/8W），T的前八分之一为清水，中间四分之一为氮肥，最后八分之一为清水。灌溉和施肥程序如图2b所示。

**图2.**
(a) 棉花种植模式示意图；(b) 田间氮肥滴灌策略。F1、F2和F3：三种氮肥施用时间模式。T表示一个完整的施肥周期。F1：1/2N–1/2W（先施氮肥，再施清水）；F2：1/4W–1/2N–1/4W（水-氮-水）；F3：3/8W–1/2N–1/8W（不同持续时间的水-氮-水）。

参考蒸散量（ET?）使用Penman–Monteith方程和当地气象站的气象数据计算得出。ETc的计算公式为：
ETc = Kc × ET?
其中Kc是作物系数。Kc值根据联合国粮食及农业组织（FAO）的建议确定，并根据膜下滴灌棉花的本地田间实验进行了调整（Allen等人，1998年）。苗期、拔节期、开花期和结铃期的Kc值分别为0.35、0.76、1.18和0.60。

肥料来源包括尿素（氮≥46%）、磷酸二氢钾（P2O5 ≥ 52%，K2O ≥ 34%）和硫酸钾（K2O ≥ 52%），由新疆中农宏源农业科技有限公司提供。本研究使用的棉花品种为新鲁早45。播种工作分别于2023年4月15日和2024年4月17日采用干播湿出技术进行，采用与机械化收割兼容的种植模式，每条地膜下有三条滴灌带和六行作物（图2a）。种植配置包括行间距66厘米+10厘米、株间距11厘米、地膜宽度2.05米以及机械播种速率27公斤/公顷。灌溉水源为加压滴灌系统，使用井水，水的pH值为7.4、电导率为2.85 dS·m^-1、盐度为1.43克/升。每条地膜下安装了三条滴灌带，滴头流量为2.4升/小时，间距为0.3米，系统工作压力维持在0.1兆帕。2023年，W1、W2和W3处理的总灌溉量分别为269.1毫米、358.8毫米和448.5毫米；2024年分别为271.5毫米、362.0毫米和452.5毫米。每个地块的灌溉量通过安装在支管上的水表进行精确控制。病虫害防治、行间耕作以及其他田间管理措施均遵循当地高产棉花生产的标准，以确保各处理组之间的环境一致性，实验因素除外。各处理组在不同生长阶段的灌溉水量和肥料分配情况见图3。

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**图3. 2023年和2024年棉花生长季节的灌溉和施肥制度。** W1、W2和W3代表基于作物蒸散量（ETc）的三种灌溉水平：W1（60% ETc）、W2（80% ETc）和W3（100% ETc）。

**2.3. 测量和采样**
**2.3.1. 根系形态**
在棉花开花和结铃阶段，采用网格法（Li等人，2025年）进行根系采样。在宽行的中点，垂直于滴灌带挖掘一个尺寸为50厘米（长度）× 20厘米（宽度）× 50厘米（深度）的土样。将土样按10厘米间隔分割成10厘米× 20厘米× 10厘米的土块，0–50厘米的土层分为五层（0–10、10–20、20–30、30–40和40–50厘米）。将每层的土壤通过1毫米筛网过滤，手动分离出活根和死根及杂质。清洁后的根系样本使用根系扫描仪（Epson Perfection V800，Epson公司，日本）进行扫描。根系形态参数（包括根长RL、根表面积RSA、根直径RD和根体积RV）通过专用软件（WinRHIZO Pro，Regent Instruments Inc.公司，加拿大）的图像分析获得。

**2.3.2. 叶面积指数**
在棉花幼苗期、蕾期、开花期和结铃期，从每个处理组中随机选取三株具有相似株高、茎径和节数且无可见病虫害损害的植株。使用打孔称重法测定叶面积，并计算叶面积指数（LAI）。

**2.3.3. 生物量、根冠比和氮含量**
在结铃期，从每个处理组中随机选取三株棉花植株，将其分为根、茎和铃。样品置于105°C的烤箱中30分钟以灭活酶，然后在80°C下烘干至恒重。使用万分之一精度天平测定各器官的干重，地上生物量即为所有地上器官干重之和。根冠比（RSR）的计算公式如下：
(2) RSR = RDW / SDW
其中RDW为根干重（克/株）；SDW为茎干重（克/株），包括茎、叶和铃的重量。

将干燥后的样品研磨并通过0.5毫米筛网，使用元素分析仪（Vario PYRO cube，Elementar公司，德国）测定每个植物器官的总氮含量（TN，克/千克）。

**2.3.4. 种子棉产量及其组成**
在结铃高峰期，从每个实验组中选取两行生长均匀的1米长的代表性部分。在每个部分内，记录每株的有效铃数（BPP），定义为直径大于2厘米的铃。从相应部分中随机收集至少30株植株上的100个正常开放的铃，上、中、下层分别按3:4:3的比例分布。混合铃后测量总重量以确定平均铃重（BW）。单位面积的种子棉产量（Y，千克/公顷）的计算公式如下：
(3) Y = BPP × BW × PD
其中BPP为每株的有效铃数；BW为平均铃重（克）；PD为种植密度。

**2.3.5. 水分消耗和水分生产力**
作物水分消耗以实际作物蒸散量（ETa，毫米）表示，遵循Fernández（2023年）的术语建议，采用土壤水分平衡法（Allen等人，1998年）进行测定：
(4) ETa = Pr + U + I ? Dd ? R ? ΔS
其中Pr为降水量（毫米）；U为地下水补给量（毫米），由于实验区域地下水位较深可忽略不计；I为灌溉量（毫米）；Dd为深层渗透量（毫米），在管理良好的滴灌条件下可忽略不计；R为地表径流量（毫米），由于实验场地地形平坦假设为零；ΔS为实验前后0–100厘米土层内土壤水分储存的变化量（毫米）。土壤水分储存的变化量（ΔS）计算公式如下：
(5) ΔS = ∑10 × hi × wi × γi
其中?i为土层厚度（厘米）；wi为土壤容重（%）；γi为土壤容重，为1.45克/厘米3。
通过螺旋钻在20厘米间隔采集土壤样本直至100厘米深度，通过105°C烘烤测定土壤容重。水分生产力（WP，千克/立方米）计算公式为种子棉产量与实际作物水分消耗的比值：
(6) WP = Y / ETa × 10
其中Y为种子棉产量（千克/公顷）。

**2.3.6. 氮素偏因子生产力**
氮素偏因子生产力（PFPN，千克/千克）的计算公式如下：
(7) PFPN = Y / N
其中N为总氮施用量（千克/公顷）。

**2.4. 统计分析**
所有数据使用Microsoft Excel 2021（Microsoft公司，美国）进行处理，结果以均值±标准差表示。采用SPSS 26.0（IBM公司，美国）进行双因素方差分析。当检测到显著效应时，使用Duncan多重范围检验在P<0.05水平上进行均值比较。为了研究变量间的关系，在RStudio环境（Posit Software，PBC公司，美国）中进行多变量统计分析。使用linkET包进行Mantel检验以量化不同变量组间的相关性。为了探索水分和氮素管理通过关键生理特性影响产量和效率的潜在途径，构建并拟合了偏最小二乘路径模型（PLS-PM），使用plspm包进行。模型性能和有效性基于路径系数的显著性和拟合优度指数进行评估。所有图表使用Origin 2024（OriginLab公司，美国）生成。

**3. 结果**
**3.1. 根系形态**
灌溉量和氮素施用时间显著影响棉花根系形态参数（包括根长RL、根表面积RSA、根体积RV和根直径RD）（P<0.05），主效应及其交互作用均表现出年际变化（图4）。在不同灌溉条件下观察到一致的响应模式：在相同的灌溉条件下，氮素施用时间对根系形态有显著调控作用；在60% ETc（W1）和80% ETc（W2）条件下，大多数根系参数在F2处理下达到最大值。这表明F2的施用时间模式改善了根区环境并促进了根系生长。在相同的氮素施用时间下，根系参数随灌溉量的增加而增加，随后减少，所有参数在80% ETc下达到峰值，最佳组合始终为W2F2。在两个实验年份中，W2F2处理使RL、RSA、RV和RD分别增加了16.16%、5.08%、28.01%和14.52%，与W2F1相比；与W2F3相比分别增加了23.23%、34.02%、39.62%和18.25%，所有差异均显著（P<0.05）。此外，F2施用时间模式的根系促进作用显著依赖于灌溉水平，在中度水分亏缺（80% ETc）条件下明显，但在充分灌溉（100% ETc）条件下不显著。

**图4. 不同灌溉定额和氮肥滴灌施用时间对棉花根系形态的影响。** RL表示根长；RSA表示根表面积；RV表示根体积；RD表示根直径。不同的小写字母表示P<0.05下的显著差异。W1、W2和W3代表基于作物蒸散量的三种灌溉水平；F1、F2和F3代表滴灌施肥下的三种氮素施用时间模式。W和F分别表示灌溉量和氮素施用时间；W × F表示它们的交互作用。*、**和ns分别表示P<0.05、P<0.01下的显著性和无显著差异。

**3.2. 叶面积指数**
所有处理的叶面积指数（LAI）在整个生长周期呈现单峰趋势，在开花和结铃阶段达到峰值（图5）。灌溉量是调节LAI的主要因素，其主效应在两个实验年份均显著（表2）。在相同的氮素施用时间下，LAI随灌溉量的增加而先增加后减少，最大LAI始终出现在80% ETc处理下。两年平均数据显示，80% ETc条件下的开花/结铃期和蕾期的LAI分别比60% ETc和100% ETc高20.95–28.73%和6.90–28.27%。尽管氮素施用时间在80% ETc条件下对LAI没有显著影响，但F2处理在关键生长阶段始终表现出相对较高的LAI值。

**表2. 不同处理下叶面积指数、地上干重和根干重的方差分析结果。**
年份：2023年；2024年
因素：LAI、SDW、RDW、RSR
**************
Fns**ns**ns**ns**ns
W × Fns*nsnsns*nsns
注：W和F分别表示灌溉量和氮肥施用时间。W × F表示它们的交互作用。*、**和ns分别表示P<0.05、P<0.01下的显著性和无显著差异。LAI表示叶面积指数；SDW表示地上干重；RDW表示根干重；RSR表示根冠比。以下相同。

**3.3. 上地干重、根干重和根冠比**
灌溉量和氮素施用时间显著或极显著影响地上干重（SDW）和根干重（RDW）的积累（表6），灌溉量是调节干物质生产的主要因素。SDW和RDW均随灌溉量的增加而先增加后减少，在80% ETc（W2）处理下达到峰值。与60% ETc（W1）和100% ETc（W3）相比，80% ETc下的平均SDW和RDW分别高11.00–27.72%和11.79–12.83%。在最佳水分条件下（80% ETc），氮素施用时间的调控作用得到充分体现，表现为F2 > F1 > F3的明显效果。W2F2处理的SDW分别比W2F1和W2F3高13.27%和19.74%，而RDW分别增加12.41%和11.27%。相比之下，在60% ETc或100% ETc条件下，氮素施用时间处理间的差异减小且不稳定，表明时间调控的有效性依赖于适宜的水分环境。根冠比（RSR）主要受水分胁迫的影响，随灌溉量的减少而显著增加（60% ETc > 80% ETc > 100% ETc），且不受氮素施用时间的影响。

**图6. 不同灌溉定额和氮肥滴灌施用时间下的地上干重（SDW）、根干重（RDW）和根冠比（RSR）。** 不同的小写字母表示P<0.05下的显著差异。

**3.4. **植物各器官中的氮含量
在不同处理条件下，棉花器官中的总氮含量始终遵循以下顺序：铃 > 叶 > 茎 > 根。随着灌溉量的增加，所有器官中的氮含量最初有所增加，随后下降，在80% ETc（W2）处理条件下观察到峰值。与60% ETc（W1）相比，80% ETc使根、茎、叶和铃中的氮含量平均增加了8.03–24.22%，而进一步将灌溉量增加到100% ETc（W3）则导致氮含量平均减少了1.69–3.74%。氮肥施用时间的优化也显著影响了氮的积累，表现出F2 > F1 > F3的稳定趋势。在80% ETc条件下，F2处理使各器官中的氮含量平均增加了5.44–11.86%。不同器官对水分和氮调节的敏感性存在差异。当水分条件从严重缺水（W1F1）改善为适度缺水并结合优化氮肥施用时间（W2F2）时，茎和叶中的氮含量增加更为显著（31.52–38.99%），而根和铃中的氮含量增加相对较小（13.41–16.27%）。同样，在最佳灌溉条件下（80% ETc），将氮肥施用时间从F1调整到F2使叶和茎中的氮含量增加更多（14.10–14.97%），而根和铃中的氮含量增加较少（2.09–5.71%）。这些结果表明，改善水分供应可以直接促进营养器官中的氮积累，而优化氮肥施用时间则更有效地促进叶和茎中的氮富集（图7）。

3.5. 种子棉产量及其构成因素
种子棉产量及其各组成部分对水分-氮耦合管理有显著响应。灌溉量是影响种子棉产量和每株铃数的主要因素（P < 0.01），并对铃重也有显著影响（P < 0.05）。产量主要受灌溉量调控，顺序为80% ETc（W2）> 100% ETc（W3）> 60% ETc（W1）。在80% ETc条件下的平均产量分别比60% ETc和100% ETc高15.64%和1.76%。在最佳水分条件下（80% ETc），氮肥施用时间进一步提高了产量，表现出F2 > F3 ≥ F1的趋势。W2F2处理获得了最高的平均产量（6583 kg·ha?1），比W2F1和W2F3分别高8.94%和3.80%。在60% ETc或100% ETc条件下，氮肥施用时间对产量的影响不显著，表明调控效果取决于充足的水分供应。在产量构成因素中，每株铃数是对水分-氮管理最敏感的指标，在80% ETc条件下其值显著较高。铃重表现出更稳定的响应。然而，在80% ETc条件下，W2F2处理下的铃重仍显著高于W2F1处理。皮尔逊相关性分析进一步表明，产量与每株铃数的相关性更强（r = 0.79，P < 0.05），而不是与铃重（r = 0.34），这证实了铃数主导了产量的变化（补充表S1）。总体而言，W2F2策略通过增加铃数同时保持相对较高的铃重来优化产量组成，从而实现了最高的产量（图8）。

3.6. 实际作物蒸散量和水分生产力
实际作物蒸散量（ETa）主要受灌溉量调控，灌溉量具有高度显著的主效应（P < 0.01），而氮肥施用时间及其与灌溉的交互作用没有显著影响。ETa随灌溉量的增加而增加，顺序为100% ETc（W3）> 80% ETc（W2）> 60% ETc（W1）。两年平均结果显示，100% ETc条件下的ETa分别比60% ETc和80% ETc高21.15%和10.46%。在同一灌溉水平下，不同氮肥施用时间处理之间的ETa没有显著差异。与ETa不同，水分生产力（WP）受到水分-氮耦合的协同作用的显著影响。灌溉量和氮肥施用时间都对WP具有高度显著的主效应（P < 0.01），它们的交互作用也具有显著性（P < 0.05）。WP最初随灌溉量的增加而增加，随后下降，在80% ETc条件下达到峰值，分别比60% ETc和100% ETc高5.88%和13.29%。在最佳水分条件下（80% ETc），氮肥施用时间对WP的调控效果显著。W2F2处理获得了最高的WP，两年平均值分别比W2F1和W2F3高7.74%和2.45%。这种氮增强效应依赖于水分，因为在全灌溉（100% ETc）条件下，不同氮肥施用时间处理之间的WP没有显著差异（图9）。

3.7. 氮部分因子生产力
灌溉量和氮肥施用时间都对氮部分因子生产力（PFPN）具有高度显著的主效应（P < 0.01），它们的交互作用（W × F）在2024年也具有显著性（P < 0.05）。PFPN随灌溉量的增加呈现先增加后减少的趋势，在80% ETc（W2）条件下达到最大值，分别比60% ETc（W1）和100% ETc高16.02%和2.03%。在W2条件下，氮肥施用时间显著影响了PFPN，趋势为F2 > F3 ≥ F1。W2F2处理的PFPN分别比W2F1和W2F3高8.93%和3.83%。在60% ETc或100% ETc条件下，不同氮肥施用时间处理之间的PFPN没有显著差异。总体而言，W2F2组合被认为是最佳处理，其PFPN分别比次优的W3F2和最低的W1F1高5.18%和24.04%（图10）。

3.8. 曼特尔相关性分析
曼特尔检验揭示了评估指标之间的显著关系（图11）。种子棉产量和PFPN与根长（RD）显著正相关（P < 0.05），并与根体积（RV）、根干重（SDW）和根系比（RSR）高度显著正相关（P < 0.01）。蒸散量（ET）与RV显著正相关，并与SDW和RSR高度显著正相关。相比之下，水分生产力（WP）与根长（RL）、RV、叶面积指数（LAI）和SDW显著正相关，并与根干重（RDW）和总氮含量（TN）高度显著正相关。关于根和地上部分性状之间的关系，RL与TN、SDW、LAI和RD具有高度显著的正相关（r = 0.49–0.95，P < 0.01）。RV还与TN、RDW和SDW高度显著正相关，但与RSR高度显著负相关（r = -0.72，P < 0.01）。同样，SDW与TN和RDW高度显著正相关，但与RSR高度显著负相关。

3.9. 偏最小二乘路径分析
基于偏最小二乘路径建模，确定了水分和肥料管理（W和F）、根形态（RL、RSA、RV和RD）、营养生长潜力（LAI和TN）、生物量（SDW和RDW）以及产量和资源生产力（产量、PFPN和WP）之间的系统因果关系。该模型整体拟合度良好（GoF = 0.66）。路径分析表明，灌溉和施肥对产量和资源生产力有直接的正面影响（路径系数 = 0.39）。根形态对产量和资源生产力具有最强的总效应（总效应 = 0.89），包括直接贡献（路径系数 = 0.382）和通过生物量积累的间接贡献。具体来说，根形态直接增强了营养生长潜力（路径系数 = 0.892），生物量随后成为产量和资源生产力的最直接驱动因素（路径系数 = 1.091）。总体而言，水分和肥料管理主要通过优化根形态来提高系统性能，进而促进生物量积累（图12）。后续的氮肥施用可以被根部更有效地吸收，这可能通过减少离子竞争来增强养分吸收（Liu等人，2025年）。然而，这一过程对灌溉量非常敏感：灌溉不足会限制盐分淋溶，而过度灌溉则会增加养分通过淋溶损失的风险（Hou等人，2009年）。因此，本研究中确定的最佳灌溉水平（80% ETc）可能代表了一个关键的水分平衡点，在这种条件下，既能实现盐分淋溶，又能保持养分，从而最大化水分-氮素施用时机耦合对根系形态的积极影响。4.2. 水分-氮素施用时机的耦合通过协调氮素吸收和同化物分配来促进冠层发育和干物质生产。冠层发育和干物质积累构成了产量形成的结构和生理基础（Tian等人，2023c）。在本研究中，叶面积（LAI）主要受灌溉量的调节，并且在80% ETc处理下达到峰值（图5），这与先前的研究结果一致，即适度的水分亏缺可以优化冠层结构（Wu等人，2022年；Zahedi等人，2025年）。除了总水分和氮素投入的常见影响外，本研究还进一步表明，在确定的最佳水分条件下，氮肥施用时机对冠层建立具有额外的优化效果，表现为F2 > F1 > F3的趋势。这一结果表明，一旦水分胁迫得到缓解，氮素供应动态就成为精细调节冠层发育的重要因素（Tian等人，2023b）。2023年和2024年之间观察到了叶面积的轻微年际差异，但两年间的处理排名保持一致，这与上述提到的轻微气候变化相符（图1b）。这种精细调节效应可以通过植物的氮素状态来介导。W2F2处理下叶片和茎秆中的氮含量最高，氮素分配顺序为棉铃 > 叶片 > 茎秆 > 根系，其中叶片和茎秆对氮素施用时机的优化最为敏感。这种模式表明氮素优先分配给光合器官和支持器官。因此，F2时期的氮素施用时机通过优化根区的氮素可用性，增强了功能叶片的氮素富集，从而在结构适宜的冠层下加强了光合“源”能力。干物质分配主要受水分胁迫的影响，在灌溉量减少的情况下，更多的干物质被分配到地下生物量中，这与作物适应干旱的经典理论一致（Wang等人，2018年）。值得注意的是，本研究中氮素施用时机并未显著改变碳分配以水分为主的原则。这一发现与那些报道氮素形式或追肥时机强烈调节同化物分配的研究结果相反（Mahboob等人，2025年；Ren等人，2023年；Tian等人，2023a）。这种差异表明，在盐碱胁迫下，水分信号对同化物分配模式的控制更为强烈，而氮素管理主要影响生物量生产的整体规模。与这一解释一致的是，W2F2处理同时实现了最高的地上部和根部干重（图6）。这表明优化的水分-氮素施用时机耦合并未改变同化物分配的方向，而是通过同步增强“源”同化能力和“汇”代谢活动，最大化了总生物量积累（Tegeder和Masclaux-Daubresse，2018年）。这一响应与高产系统的观察结果一致，即水分-氮素协同作用促进了整体植物生长（Bai等人，2024年；Hou等人，2024年）。此外，观察到的氮素分配模式（棉铃 > 叶片 > 茎秆 > 根系）（图7）符合资源投资的经济学原则（Tariq等人，2019年），而在W2F2处理下茎秆和叶片中氮素的显著富集进一步支持了高产策略，即富含氮素的营养器官维持了较高的同化能力。4.3. 产量组分和资源利用效率对水分-氮素施用时机管理的综合响应。作物生产力和资源利用效率的协同提高是可持续农业集约化的核心目标。然而，在干旱盐碱地区，高产量和高效率往往被视为相互竞争的管理目标（Shah等人，2019年）。通过明确研究灌溉量和氮肥施用时机之间的相互作用，本研究提供了如何同时实现这些目标的新见解。适度的水分亏缺（80% ETc）结合优化的氮素施用时机显著增加了每株棉铃的数量（图8），这归因于开花和结铃期间氮素可用性与作物需求之间的更好同步。与Xu等人（2026年）的研究结果一致，他们报告延迟施肥可以促进生殖器官的发育，我们的W2F2处理同样增加了棉铃数量和产量。与主要关注调节总投入量的传统水分-氮素管理研究不同（Li等人，2025年），本研究强调了施用时机的关键重要性。先前的研究表明，在生殖阶段保持稳定的水分和氮素供应对棉花产量形成至关重要，而过度灌溉则倾向于促进营养生长而牺牲生殖分配（Dong等人，2025a）。本研究进一步表明，在适度水分胁迫下，将氮肥施用集中在灌溉的中期可以避免早期由于盐分淋溶导致的养分稀释以及灌溉周期后期水分减少时养分移动性的降低。这种策略可以为棉铃发育提供更持续和稳定的氮素供应（Liu等人，2025年）。在资源利用效率方面，水分-氮素施用时机耦合表现出明显的双重协同效应。水分生产率（WP）的提高不仅来自于通过亏缺灌溉减少蒸散作用（Cui等人，2025年），还来自于通过优化施肥时机提高水分转化为光合产物的效率。F2时期的氮素施用时机改善了植物的氮素状态，从而增强了单位叶面积的光合能力，并促进了同化物向棉铃的分配（图9），从而在相似的水分消耗下实现了更高的产量。这为观察到的WP增加提供了生理学解释，不同于那些主要通过限制灌溉来提高WP的方法（Ali和Talukder，2008年）。此外，发现在中等水分亏缺灌溉下PFPN最高，而不是全量灌溉，这对盐碱土壤中的水分-氮素管理具有重要的启示（图10）。延迟氮肥施用在中等水分亏缺灌溉下显著提高了PFPN，表明优化氮素供应以与作物需求同步可以在水分投入减少的情况下有效提高氮素利用效率。这与Xu等人（2026年）的研究结果一致，他们证明延迟氮肥施用在氮素投入减少的情况下可以提高PFPN。尽管全量灌溉可以暂时增加氮素可用性，但它会显著增加根区以下硝酸盐淋溶的风险（Qiu等人，2022年），从而降低水分和氮素的利用效率。4.4. 基于多变量交互网络的水分-氮素施用时机耦合协同路径分析。为了更深入地了解水分-氮素施用时机耦合调节系统性能的内部机制，本研究将Mantel分析与PLS-PM相结合。结果一致地将根系形态确定为连接土壤环境与地上部生理功能的中心枢纽。这一发现与当前根系生态学的概念一致，强调根系结构特征是资源获取效率的关键决定因素（Fujii，2024年；Glass等人，2023年）。进一步的定量分析表明，在水分-氮素管理下，产量和资源利用效率的提高主要是通过优化根系形态的间接途径实现的，这随后促进了生物量的积累（图12）。这种基于路径的解释表明，在轻度盐碱胁迫下，作物生产力不仅依赖于外源水分和肥料的直接供应，还依赖于刺激和协调植物内在生理结构的管理措施，特别是根系系统的发育和功能。这可以将当前对水分-氮素耦合的理解从资源输入的静态平衡转向动态养分供应与作物生理响应节奏之间的同步性（Xu等人，2024年）。然而，本研究仅关注了氮素施用时机；磷肥和钾肥在每次灌溉开始时均匀施用，以隔离氮素施用时机的效应。我们认识到它们的施用时机也可能影响作物表现，特别是在盐碱土壤中，未来的研究应该探索综合的养分施用时机策略。此外，本研究没有涉及控制氮素转化和运输的内部土壤过程；未来使用稳定同位素追踪的研究应该阐明肥料氮在土壤-植物连续体中的命运。此外，这些发现特定于中国新疆的土壤-气候条件，其特征是温带大陆性气候、轻度盐碱土壤、壤土质地和良好的滴灌控制。本研究中确定的最佳灌溉阈值80% ETc可能不适用于土壤盐度水平、土壤质地、棉花品种或灌溉管理实践差异较大的地区。未来的研究应该评估所提出的水分-氮素施用时机策略在不同环境条件下的稳健性，以确定其更广泛的适用性。5. 结论。基于为期两年的田间实验，本研究阐明了在覆盖滴灌条件下，灌溉量和氮肥施用时机耦合对盐碱土壤中棉花生长和资源利用的调节机制。结果表明，氮素施用时机的调节效果明显依赖于水分阈值，在大约80% ETc的灌溉条件下效果最为显著。在这种条件下，“1/4W–1/2N–1/4W”的施用时机策略协同优化了棉花根系形态、冠层发育、干物质积累和植物氮素分配，从而提高了整体作物生理性能。W2F2处理下的籽棉产量为6583公斤/公顷，水分生产力和氮素部分因子生产力分别达到1.67公斤/立方米和21.94公斤/公斤，证明了一种同时实现高产量和高效率的可行策略。结构方程建模显示，水分和肥料管理通过优化根系形态和随后的生物量积累，直接和间接地促进了产量和资源效率。总体而言，本研究表明，将80% ETc灌溉与“1/4W–1/2N–1/4W”氮素施用时机策略相结合，通过优化根系形态和氮素吸收，使棉花产量形成与水分-氮素利用效率同步。这些发现为干旱盐碱地区绿色和集约化棉花生产提供了理论和实践途径。CRediT作者贡献声明：Ruiyun Yao：撰写——原始草稿、方法学、调查、正式分析、数据管理；Yan Chen：软件、数据管理、概念化；Hongguang Liu：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化；Fuhai Ye：方法学、调查、数据管理；Jingrun Wang：数据管理；Yibin Xu：调查、正式分析。