劉 帥,李亞兵,白志剛,胡啟星,崔愛花*

(1.江西省棉花研究所,江西 九江 332105;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 棉花研究所/棉花生物學(xué)國家重點實驗室,河南 安陽 455000)

棉花是我國的重要戰(zhàn)略物資,在國防和國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。近年來,糧棉爭地的矛盾日益凸顯,增加棉花單產(chǎn)則是緩解這一問題的關(guān)鍵[1],而合理的種植密度是實現(xiàn)作物高產(chǎn)高效的重要途徑之一[2]。棉花的合理密植有利于協(xié)調(diào)個體與群體之間的矛盾,在個體發(fā)育健壯而不早衰的同時保證一定數(shù)量的群體,使單位面積株數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)、鈴重得到協(xié)調(diào)發(fā)展,從而實現(xiàn)棉花高產(chǎn)高效[3,4]。關(guān)于棉花種植密度的研究已有諸多報道,但由于試驗地區(qū)、遺傳材料和試驗設(shè)計的差異,結(jié)論不盡相同。張旺鋒等[5]認(rèn)為在新疆光照充足條件下,棉花種植密度為18.0萬株/hm2時具有良好的冠層結(jié)構(gòu),群體光合速率較高;周永萍等[6]用冀863品種進(jìn)行試驗，得出在河北省適宜的種植密度為7.0萬～9.0萬株/hm2;也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)不同氮肥用量、整枝方式和化控措施均對棉花的適宜種植密度有一定的影響[7～9]。

長江流域棉區(qū)棉花種植以育苗移栽為主,也有采用地膜覆蓋和育苗移栽加大田地膜覆蓋方式的,而直播方式很少采用[10],但直播棉花是長江流域植棉區(qū)由傳統(tǒng)栽培向輕簡化栽培轉(zhuǎn)變的重要標(biāo)志[11]。因此本研究以長江流域主栽棉花品種為試驗材料,在常規(guī)田間管理方式下,通過分析不同種植密度對棉花群體生長的影響,探索了在長江流域直播方式下棉花的適宜種植密度,旨在為提高長江流域棉區(qū)棉花的產(chǎn)量與品質(zhì)，以及加快輕簡化、高效化栽培的研究提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年在江西省棉花研究所試驗基地(江西省九江市,29°42′N,115°51′E)進(jìn)行,試驗用棉花品種為贛早5號(由江西省棉花研究所提供),播種日期為5月20日,采用直播方式種植,行間距為0.76 m,等行距種植,小區(qū)面積68.4 m2。該地土壤類型為壤質(zhì)灰潮土,耕作表層有機(jī)質(zhì)含量為1500 mg/kg,全氮為1070 mg/kg,速效磷為60 mg/kg,速效鉀為251 mg/kg。耕作制度為多年棉花連作,冬季空閑。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計,設(shè)置6個種植密度處理：M1，1.50萬株/hm2；M2，3.75萬株/hm2；M3，6.00萬株/hm2；M4，8.25萬株/hm2；M5，10.50萬株/hm2；M6，12.75萬株/hm2,每個處理3次重復(fù)。施肥方式為基施和追施,基肥為棉花專用氮肥600 kg/hm2、氯化鉀150 kg/hm2、過磷酸鈣375 kg/hm2；在7月30日追施尿素300 kg/hm2;在棉花蕾期、初花期、盛花期和打頂后各噴施1次縮節(jié)胺(DPC);打頂日期為8月5～10日,方式為人工打頂;此外的其他田間管理與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)管理方式一致。

1.3 調(diào)查方法與內(nèi)容

冠層PARI (Photosynthetically active radiation interception rate, PARI)測量:在8月15日上午10:00～11:00,采用SY-HGY光合有效輻射傳感器(由石家莊世亞科技有限公司生產(chǎn)),在試驗小區(qū)內(nèi)選取具有代表性的兩行棉花,在棉行中間縱向和橫向每隔20 cm,即在冠層空間以網(wǎng)格形狀從西至東、從下至上將探頭朝上測定入射光(Incident photosynthetically active radiation, PARi),探頭向下測定反射光(Reflected photosynthetically active radiation, PARr), PARI的計算公式為:PARI=1-PARr/PARi。由Surfer 12(美國Golden Software公司)的辛普森3/8規(guī)則計算得出冠層PARI的空間分布數(shù)據(jù)。

農(nóng)藝性狀調(diào)查:在播種后50、70、90、110 d進(jìn)行單株棉葉取樣,將棉葉平整無重疊地置于白色底板上，用固定高度的Microsoft攝像頭(美國Microsoft公司)拍照,用Image-Pro Plus 6.0(美國Media Cybernetics公司)內(nèi)置算法計算葉面積(Leaf area, LA),由試驗小區(qū)實收株數(shù)與小區(qū)面積進(jìn)一步計算得出葉面積指數(shù)(Leaf area index, LAI);于打頂前,在每個小區(qū)內(nèi)選擇長勢均勻一致的連續(xù)10株棉花,進(jìn)行株高、果枝始節(jié)、果枝數(shù)和干物質(zhì)量的調(diào)查。

產(chǎn)量性狀調(diào)查:于收獲前選定連續(xù)生長的10株棉花，調(diào)查單株吐絮鈴數(shù),由此計算單株鈴數(shù);于每個試驗小區(qū)內(nèi)采收正常吐絮的棉鈴50個，計算鈴重。采用皮輥軋花機(jī)(SY-20)獲取皮棉,并以50鈴的皮棉質(zhì)量計算衣分。

纖維品質(zhì)調(diào)查:于50鈴皮棉中抽取樣品約25 g，測定纖維品質(zhì)(由農(nóng)業(yè)部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心測定)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和 SAS 9.2對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,采用單因素方差分析和Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對棉花冠層PARI空間分布的影響

棉花冠層PARI與種植密度密切相關(guān)。為了便于觀察棉花冠層不同部位的PARI,將棉花冠層劃分成不同部位(圖1)分別進(jìn)行分析,其中a1區(qū)(內(nèi)部)為靠近棉行的冠層位置,a2區(qū)(外部)為兩條棉行中間的冠層位置,b1、b2、b3則分別為冠層上、中、下位置。

a1:冠層內(nèi)部；a2:冠層外部；b1:冠層上部；b2:冠層中部；b3:冠層下部。圖1 棉花冠層不同空間位置的劃分

在8月15日,棉花已處于花鈴期,此時是棉花生殖生長和營養(yǎng)生長兩旺的重要時期,該時期群體冠層PARI達(dá)到最大。從表1可以看出,在一定的密度范圍內(nèi),棉花冠層群體PARI與密度呈正相關(guān)關(guān)系,并在密度為6.00萬株/hm2(M3)時達(dá)到最大,M1處理的PARI最低。在M1處理下,棉花冠層上部和中部的PARI差別較小, 上部和下部的差異較大;而M2處理的中部PARI較上部有明顯升高,且下部PARI達(dá)到了較高水平;M3處理不同冠層位置的PARI均較其他處理高,在冠層上部區(qū)域已經(jīng)達(dá)到0.42,在中、下部區(qū)域均在0.82以上;隨著種植密度的繼續(xù)增加,棉花冠層不同位置的PARI有所降低,這可能與密度過高引起棉株節(jié)間分化減少,果枝向內(nèi)收縮生長有關(guān)。不同處理棉花冠層內(nèi)部與外部的PARI變化不大,且均隨密度的增大呈先增大后降低的趨勢。

表1 棉花冠層不同部位的PARI

距棉株橫向距離20 cm處為棉鈴內(nèi)圍鈴著生部位,該部位PARI的大小對于內(nèi)圍鈴的生長具有重要影響。由圖2可見,在距地面一定高度內(nèi),PARI隨高度的升高而保持平緩趨勢,但在到達(dá)一定高度后開始快速降低,這主要與冠層上部葉片減少有關(guān)。其中M1、M2、M3、M4、M5和M6處理分別在距地面約20、40、80、60、50、45 cm以上PARI開始快速降低，可見隨著種植密度的增加,PARI開始快速降低的高度呈先升高后降低的趨勢,并在M3處理達(dá)到最高。

圖2 距棉株橫向20 cm處PARI的縱向變化

2.2 不同處理對棉花農(nóng)藝性狀的影響

不同密度處理之間株高差異不顯著(P>0.05),但M1處理的株高較低(圖3)。不同密度處理的果枝始節(jié)差異亦不顯著,各處理的果枝始節(jié)均在第6.0果枝及以上,高密度(M4、M5、M6)處理的果枝始節(jié)較低密度(M1、M2、M3)處理略高,其中M3處理的果枝始節(jié)最低。在一定范圍內(nèi),棉株的果枝數(shù)總體上隨密度的增大而減少,其中M1、M2處理的果枝數(shù)明顯多于其他密度處理的；在M3、M4、M5、M6處理之間棉株果枝數(shù)無顯著差異(圖4)。

同一顏色柱不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。下同。圖3 不同處理棉花株高的變化

圖4 不同處理對棉花果枝始節(jié)與果枝數(shù)的影響

棉花單株葉面積與密度在一定生育時期內(nèi)呈負(fù)相關(guān),在播種后70 d內(nèi),不同處理的單株葉面積差別不大;在播種后90～110 d期間,高密度處理(M4、M5、M6)的單株葉面積低于低密度處理(M1、M2、M3),且在M4、M5和M6處理之間差別不大;M1處理在生育后期仍保持較高的單株葉面積,而其他處理在播種后90 d時達(dá)到峰值,之后開始逐漸降低(圖5A)。在一定生育時期內(nèi),棉花的LAI與密度呈正相關(guān),LAI隨生育時期的推進(jìn)表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢;各處理的LAI在播種后90 d時達(dá)到最大值,此時,M1、M2、M3、M4、M5、M6處理的LAI分別為1.38、3.05、4.36、4.63、5.74、7.27(圖5B)。

圖5 不同處理棉花單株葉面積和LAI的變化

由表2可知,在一定范圍內(nèi),全株干物質(zhì)量隨密度的增加呈逐漸減小的趨勢；棉株地下部分、地上營養(yǎng)器官和地上生殖器官干物質(zhì)量亦與密度呈負(fù)相關(guān),并在不同密度處理之間表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)。不同處理棉株的根冠比保持在0.10～0.11。M2處理的地上部生殖與營養(yǎng)器官比最大,但地上部生殖與營養(yǎng)器官比隨密度變化的規(guī)律不明顯。

表2 不同處理對棉花干物質(zhì)量的影響

2.3 不同處理對棉花產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表3可知,在一定范圍內(nèi),隨著播種密度的增加,籽棉產(chǎn)量表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢。其中,在M4密度處理下,籽棉產(chǎn)量顯著高于其他密度處理的(P<0.05);在M6處理下,籽棉產(chǎn)量最低。在一定范圍內(nèi),單株鈴數(shù)大致與密度呈負(fù)相關(guān),其中M6處理的單株鈴數(shù)顯著低于M1處理的(P<0.05)。在不同處理間棉株鈴重差異不顯著,但M1處理的鈴重較大,M6處理的鈴重較小。M1處理的衣分最高,M3、M4、M5和M6處理的衣分較低。

表3 不同處理對棉花產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

2.4 不同處理對棉花纖維品質(zhì)的影響

在M4、M5處理下,棉花纖維上半部平均長度較大,在27.30 mm以上,顯著大于M1處理的(P<0.05);整齊度指數(shù)在M4處理下較高,并顯著高于M1處理的(P<0.05);M3、M4和M5處理的斷裂比強(qiáng)度均在31.30 cN/tex以上,顯著高于M1和M6處理的(P<0.05);在一定范圍內(nèi),棉花纖維上半部平均長度、整齊度指數(shù)和斷裂比強(qiáng)度有隨密度的增加呈先增大后減小的趨勢;種植密度對棉花纖維的馬克隆值和伸長率沒有顯著影響(表4)。

表4 不同處理對棉花纖維品質(zhì)的影響

3 討論

種植密度對棉花群體結(jié)構(gòu)的發(fā)育具有重要影響,這主要表現(xiàn)在密度對光合作物冠層間的分布[12]和對LAI的影響上。在本研究中,當(dāng)種植密度為6.00萬株/hm2時,距棉株橫向20 cm處的PARI在距地面80 cm以下均較高,這表明在該密度下冠層中上部群體發(fā)育情況較好;當(dāng)植棉密度在6.00萬～8.75萬株/hm2之間時,棉花冠層群體的PARI達(dá)到最大,且在冠層不同部位PARI均較大,因此,在該密度范圍內(nèi)棉花冠層對PAR的截獲能力較大,這與劉帥等[13]在黃河流域研究得出的結(jié)論相似。LAI是衡量群體結(jié)構(gòu)是否合理的重要指標(biāo)之一,高產(chǎn)棉田群體在整個生育期內(nèi)的LAI變化曲線呈開口向下的趨勢,在花鈴前期LAI達(dá)到最大LAI的1/2,在生育后期LAI下降較為平緩且至少維持在最大LAI的1/2以上[14]。前人研究表明,高產(chǎn)棉田生育期內(nèi)的最大LAI在4.32左右較為適宜[10]。在本研究中,當(dāng)種植密度為6.00萬株/hm2和8.75萬株/hm2時籽棉產(chǎn)量較高,而在這2個密度處理下棉田的最大LAI分別為4.74和5.12,高于4.32,這可能與近年來棉花品種的改良和栽培方式的不斷改進(jìn)有關(guān)。

種植密度是構(gòu)成棉花群體結(jié)構(gòu)的重要因素,直接影響棉株的生長和發(fā)育,是重要的棉田管理措施。本研究得出：在密度為1.50萬株/hm2時,棉株的株高最低；隨著密度的增大,株高有所增加,但不顯著；果枝數(shù)與密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,這與戴茂華等[15]的研究結(jié)論相似。本研究發(fā)現(xiàn)，果枝始節(jié)隨密度變化不顯著,這可能是因為密度對棉花苗期生長的影響較小。對于低密度處理的棉花群體,其植株個體生長條件較好,有助于個體的生長發(fā)育[16]。刑晉等[17]的研究發(fā)現(xiàn),增加栽培密度會使棉株各部位的干物質(zhì)量均呈降低趨勢。本研究亦發(fā)現(xiàn)棉株全株、地下部、地上營養(yǎng)器官和生殖器官的干物質(zhì)量與密度在一定范圍內(nèi)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

棉花產(chǎn)量由鈴數(shù)、鈴重和衣分決定,對于同一品種,鈴數(shù)是決定產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。李建峰等[16]的研究表明,單株鈴數(shù)與密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。本研究結(jié)果表明：單株鈴數(shù)亦隨密度的增加而減小；在不同處理之間鈴重差異不顯著；當(dāng)密度為1.50萬株/hm2和3.75萬株/hm2時,棉花的衣分較高。有一部分學(xué)者認(rèn)為衣分受密度的影響較小,主要受遺傳因素的調(diào)節(jié)[18,19]；但也有學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)衣分會隨著密度的增加而減小[20],這可能是由于密度過大導(dǎo)致光合產(chǎn)物運輸不均。姬攀攀等[21]的研究表明,當(dāng)夏直播棉的種植密度為6.75萬～7.50萬株/hm2時,能有效提高棉花的單株鈴數(shù)與鈴重,獲得較高的產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn),雖然在低密度下獲得的單株鈴數(shù)較多,但由于密度較小,籽棉產(chǎn)量并沒有得到提高；而當(dāng)種植密度為6.00萬株/hm2或8.25萬株/hm2時,既保留了高密度的群體,也保持了較高的單株鈴數(shù),從而獲得了較高的籽棉產(chǎn)量。

棉花纖維品質(zhì)受到栽培措施和環(huán)境條件的影響,采取適當(dāng)?shù)姆N植密度,并配合農(nóng)藝措施,有助于纖維品質(zhì)的改善。適當(dāng)?shù)姆N植密度有利于冠層PAR的合理分布[22],能有效地促進(jìn)光合產(chǎn)物向棉鈴的運輸,有助于纖維品質(zhì)的改善。本研究結(jié)果顯示,當(dāng)種植密度為6.00萬～10.50萬株/hm2時,棉花纖維的上半部平均長度、整齊度和斷裂比強(qiáng)度較高,而馬克隆值與伸長率在不同處理之間差異不顯著。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明:在長江流域,當(dāng)棉花的種植密度為6.00萬～8.25萬株/hm2時,冠層可獲得較高的PARI及適宜的群體LAI;在低種植密度(1.50萬～6.00萬株/hm2)下,棉株的株高、果枝數(shù)均低于高密度(8.25萬～12.75萬株/hm2)下的;在一定的密度范圍內(nèi),棉株全株、地下部、地上營養(yǎng)器官和地上生殖器官的干物質(zhì)量均與密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;棉株的單株鈴數(shù)與密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但籽棉產(chǎn)量在一定范圍內(nèi)隨密度的增大先升高后降低,并在密度為8.25萬株/hm2時達(dá)到最大;當(dāng)種植密度為6.00萬～10.50萬株/hm2時,棉花纖維的上半部平均長度、整齊度和斷裂比強(qiáng)度較高。綜上可知,當(dāng)直播棉花的種植密度為6.00萬～8.25萬株/hm2時,有利于棉花產(chǎn)量與纖維品質(zhì)的提高。