吳鳳全,林濤,陳兵林,周治國,趙文青,陳利軍,湯秋香*

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/棉花教育部工程研究中心,新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所,新疆 烏魯木齊 830091;3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物生理生態(tài)與生產(chǎn)管理重點實驗室,江蘇 南京 210095)

新疆是我國最大的棉花優(yōu)勢產(chǎn)區(qū),棉花機械化采收是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,其中農(nóng)業(yè)機械與農(nóng)藝技術(shù)無法深度融合是導(dǎo)致機采質(zhì)量差、采摘效率低的重要因素[1-2]。種植密度和灌溉量是協(xié)調(diào)產(chǎn)量構(gòu)成要素與收獲指數(shù)之間重要的調(diào)控因子[3-4],同時也影響了個體與群體發(fā)育,避免果枝纏繞,提高落葉效率和纖維成熟的重要影響因素[5]。種植密度過高造成株高、葉面積指數(shù)(LAI)和葉向值過大[6],且冠層中、下部郁閉,光合速率減小[7],經(jīng)濟器官分配比例下降。種植密度太低有利于通風(fēng)透光,但冠層對光的攔截率及利用效率顯著降低[8],同時使得果枝交錯纏繞加劇,降低脫葉效率和采凈率[9]。干旱缺水是新疆典型的生態(tài)特點,優(yōu)化種植密度和灌溉量可以調(diào)控蒸散量[10-11],協(xié)調(diào)作物產(chǎn)量和水分利用率之間的關(guān)系[12]。適度的虧缺灌溉雖然抑制棉花營養(yǎng)生長,但可以促進經(jīng)濟器官分配比例的提高,從而達到較好的節(jié)水效果[13-14]。牛玉萍等[15]研究表明,在虧缺灌溉的技術(shù)上進一步優(yōu)化種植密度,可以調(diào)節(jié)植株群體葉傾角,保證冠層中、下部有較高的光吸收率,彌補虧缺灌溉帶來的產(chǎn)量損失。

近年來,為了減少果枝纏繞,降低機采棉葉屑等雜質(zhì)含量,生產(chǎn)中出現(xiàn)了76 cm等行距機采棉種植模式,與傳統(tǒng)(10+66)cm寬窄行種植模式相比,該模式具有通風(fēng)透光性好,葉片脫落率高,機采籽棉含雜率低的優(yōu)勢[5]。由于該模式田間管理和豐產(chǎn)技術(shù)的研究還比較有限,農(nóng)機農(nóng)藝融合技術(shù)仍需要進一步完善。因此,本研究開展密度與灌溉量互作對機采棉光合產(chǎn)物積累與分配的影響研究,探明二者對76 cm等行距機采棉種植模式下產(chǎn)量和水分利用效率的調(diào)控效應(yīng),對促進機采棉農(nóng)機農(nóng)藝深度融合技術(shù)的發(fā)展,提高機械化采摘效率具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

1.1.1 試驗區(qū)概況試驗于2019—2020年在新疆阿瓦提縣(N41°06′,E80°44′,海拔1 025 m)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部荒漠綠洲耕作與栽培野外綜合觀測試驗站進行。該站屬于典型的暖溫帶大陸性干旱氣候,具有夏季炎熱、降雨稀少的特點。近30年(1990—2019年),年平均氣溫10.4 ℃,大于等于10 ℃積溫3 988 ℃,日照時數(shù)2 679 h,無霜期 211 d,年降水量 46.7 mm,年蒸發(fā)量 2 900 mm,蒸發(fā)降水比大于50,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)完全依賴于灌溉。土壤質(zhì)地為砂壤土,播前0～40 cm土壤平均干容重1.48 g·cm-3,田間持水率(質(zhì)量分數(shù))為 22.5%,凋萎系數(shù)7.3%,有效水15.20%。土壤有機質(zhì) 10.60 g·kg-1,全氮 1.79 g·kg-1,堿解氮43.80 mg·kg-1,速效磷 21.4 mg·kg-1,速效鉀 207.47 mg·kg-1,總鹽分 1.02%。地下水位 40～50 m,地下水不能補給作物根系分布層,向上補給量忽略不計。

1.1.2 試驗設(shè)計采用裂區(qū)試驗設(shè)計,以密度為主區(qū):13.5萬株·hm-2(D1,低密度)、18.0萬株·hm-2(D2,中密度,CK)和22.5萬株·hm-2(D3,高密度),灌溉量為副區(qū):3 150 m3·hm-2[I1,重度虧缺(田間持水率的50%)]、4 050 m3·hm-2[I2(CK),輕度虧缺(田間持水率的75%)]和4 950 m3·hm-2[I3,充分灌溉(田間持水率的100%)],小區(qū)面積39 m2(長6.5 m,寬6.0 m),重復(fù)4次(其中1個為取樣小區(qū))。供試品種為‘新陸中88號’,4月15日播種,“1膜3行3管”76 cm等行距機采棉種植模式,地膜幅寬 2.05 m,機械覆膜打孔,人工點播,每穴放入3～4粒種子,出苗后保留1棵健壯植株,其余拔除。滴灌帶間距為76 cm,滴頭間距為25 cm,滴頭流量2.1 L·h-1。每個小區(qū)采用水表和開關(guān)單獨控水,為了防止不同水分處理的邊際效應(yīng),小區(qū)邊界挖0～50 cm窄溝,采用PVC薄板阻隔。所有小區(qū)灌溉和施肥頻率均為每7 d 1次,生育期采用“一水一肥”灌溉施肥,2年試驗均在6月20日滴頭水,8月22日停水。底肥一次性投入磷酸二銨(P2O553.8%,N 21.2%)450 kg·hm-2,硫酸鉀(K2O 51%)225 kg·hm-2,尿素150 kg·hm-2(N 46.4%)。其余管理參照常規(guī)大田進行。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 干物質(zhì)測定于苗期、蕾期、花期、鈴期和吐絮期選擇長勢均勻,具有代表性植株6株,將每一株分成根、葉、莖、生殖器官(蕾鈴花),105 ℃殺青30 min后80 ℃烘干至恒重。

1.2.2 棉花“三桃”數(shù)量調(diào)查每個小區(qū)隨機選取植株20 株,于7月15日、8 月10日和9月5日調(diào)查單株成鈴數(shù),折算成伏前桃、伏桃和秋桃。

1.2.3 棉花冠層結(jié)構(gòu)的測定使用CI-110植物冠層數(shù)字圖像分析儀(Li-Cor Inc.,USA),從蕾期開始每10 d測定基本種植單元行間、寬行及裸行位點的葉面積指數(shù)(leaf area index,LAI),取其平均值。

1.2.4 產(chǎn)量及水分利用效率的測定收獲期各小區(qū)進行實收計產(chǎn)。主要測量指標(biāo)有籽棉產(chǎn)量、單鈴質(zhì)量、單株結(jié)鈴數(shù)。灌溉水分利用效率(IWUE,m3·kg-1)=Y/I,其中:Y為籽棉產(chǎn)量(kg·hm-2);I為灌溉量(m3·hm-2)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 22.0的LSD法進行數(shù)據(jù)差異顯著性分析(P<0.05)。采用SigmaPlot 12.0和Excel 2010進行數(shù)據(jù)分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 密度與灌溉量互作對棉花葉面積指數(shù)(LAI)的影響

從圖1可見:LAI隨著生育進程的推進呈單峰曲線,在不同種植密度和灌溉量下,D1I3在出苗后115 d LAI達到最大值,其中2019年為5.20,2020年為5.27,其余處理在出苗后105 d達到最大值,為3.52～6.72。出苗后105 d以前LAI從大到小的處理依次為D3I3、D2I3、D3I2、D2I2、D3I1、D2I1、D1I3、D1I2、D1I1,在出苗后105 d以后LAI從大到小的處理依次為D3I3、D3I1、D2I2、D2I3、D3I2、D2I1、D1I3、D1I2、D1I1。說明在棉花花鈴期后D3I1和D2I3處理緩解LAI的衰減速度僅次于D3I3。但在D1種植條件下,無論是否增加灌溉量,LAI在整個生育期均處于較低水平。

圖1 密度與灌溉量互作對棉花葉面積指數(shù)(LAI)的影響Fig.1 Effect of density and irrigation volume interaction on leaf area index(LAI)of cotton D1、D2、D3:種植密度分別為13.5、18.0、22.5萬株·hm-2;I1、I2、I3:灌溉量分別為3 150 、4 050 和4 950 m3·hm-2。下同。D1,D2,D3:Planting densities are 13.5×104,18.0×104,22.5×104 plants·hm-2;I1,I2,I3:Irrigation amounts are 3 150,4 050 and 4 950 m3·hm-2. The same as follows.

2.2 密度和灌溉量互作對棉花干物質(zhì)積累動力學(xué)參數(shù)的影響

從表1可見:干物質(zhì)積累動力學(xué)參數(shù)受種植密度的影響顯著(P<0.05);快速積累期終止時期(T2)、最大積累速率出現(xiàn)時間(Tm)受灌溉量影響顯著(P<0.05);其中除快速積累持續(xù)期(ΔT)、T2、最大積累速率(Vm)受二者交互作用的影響不顯著外,各處理的干物質(zhì)快速積累量(Adm)、快速積累期起始時期(T1)、Tm等參數(shù)均表現(xiàn)出顯著差異。隨著種植密度和灌溉量增加,棉株干物質(zhì)和Vm升高,T2和Tm推后,ΔT延長;在種植密度和灌溉量互作條件下,D3I1的干物質(zhì)快速積累量、快速積累速率最大,在2019年分別為 14.30 t·hm-2、375.14 kg·hm-2·d-1,與各處理平均值相比,D3I1棉株干物質(zhì)快速累積量提高25.18%,最大累積速率提高24.25%。綜上所述,高密度重度虧缺條件下,棉花的Vm較大,促進Adm的形成,使高密度重度虧缺與高密度輕度虧缺、高密度充分灌溉干物質(zhì)積累狀況基本一致。

表1 密度與灌溉量互作對棉花干物質(zhì)累積動態(tài)特征值的影響Table 1 Effect of density and irrigation volume interaction on eigenvalues of dry matter accumulation dynamics of cotton

由圖2可知:棉花在整個生育進程中,干物質(zhì)積累量呈“緩慢—快速—緩慢”的變化趨勢,隨著種植密度和灌溉量增加,棉花生育中后期干物質(zhì)積累量升高。在棉花收獲期,D2、D3條件下干物質(zhì)積累量比D1分別提高13.98%、35.76%;I2、I3干物質(zhì)積累量比 I1提高11.74%、17.16%。在種植密度與灌溉量互作條件下,D3I3、D3I2和D3I1收獲期的干物質(zhì)積累量比D2I2分別提高17.82%、17.48%和9.64%,在高密度(D3)種植條件下,I2、I3的干物質(zhì)積累量顯著高于I1處理。因此,增加種植密度和灌溉量可以顯著提高棉花成熟期干物質(zhì)積累量,但在高密度種植條件下,采用重度虧缺灌溉仍然有利于干物質(zhì)的積累,且顯著高于中等種植密度虧缺灌溉組合。

圖2 密度與灌溉量互作對棉花干物質(zhì)積累動態(tài)的影響Fig.2 Effect of density and irrigation volume interaction on dynamics of cotton biomass

2.3 密度和灌溉量互作對棉花干物質(zhì)分配的影響

由表2可見:密度、灌溉量及二者交互作用均對棉花干物質(zhì)分配影響顯著(P<0.05)。在棉花進入吐絮期,隨著種植密度的增加,經(jīng)濟器官的分配比例顯著提高。在中、低種植密度條件下,隨著灌溉量的增加,I2的經(jīng)濟器官的分配比例最高,但在高密度種植條件下,經(jīng)濟器官的分配比例隨灌溉量的增加呈現(xiàn)遞減趨勢。在密度與灌溉量互作條件下,在棉花進入花鈴期,D2I2的經(jīng)濟器官分配比例最大,在2019年和2020年分別達到43.03%和42.31%。當(dāng)棉花進入吐絮期時,D3I1的經(jīng)濟器官分配比例顯著提高,在2020年達到最大值,為57.82%。說明提高種植密度能夠提高棉花干物質(zhì)積累量,若在高密度種植條件下,可將灌溉量降低至田間持水量的50%左右,有利于棉花在吐絮期經(jīng)濟器官分配比例的提高,使更多的干物質(zhì)向生殖器官轉(zhuǎn)移,獲得高產(chǎn)。

表2 密度與灌溉量互作對棉花不同生育期干物質(zhì)分配的影響Table 2 Effects of density and irrigation volume interaction on dry matter distribution of cotton at different stage

2.4 密度和灌溉量互作對“三桃”的影響

從圖3可見:隨著種植密度的增加,單株伏前桃、伏桃、秋桃呈先增加后減少的趨勢。在中、低密度種植條件下,隨著灌溉量的增加,單株伏前桃、伏桃、秋桃呈先增加后減小的趨勢;但在高密度種植條件下,I1的單株伏前桃、伏桃、秋桃分別為每株1.7、5.8、2.5個。在種植密度和灌溉量互作條件下,D2I2的伏前桃和秋桃分別為每株1.8、2.7個,但伏桃較D3I1減少14.6%。中密度(D2)種植和輕度虧缺灌溉(I2)條件下雖然有利于伏前桃與秋桃的生長,但若采用高密度、重度虧缺灌溉,能夠促進棉花鈴期同化物向生殖器官轉(zhuǎn)移,有利于單株伏桃數(shù)的提高,促進棉花產(chǎn)量的提高。

圖3 密度與灌溉量互作對棉花“三桃”的影響Fig.3 Effects of density and irrigation volume interaction on time distribution of cotton bolls

2.5 密度和灌溉量互作對籽棉產(chǎn)量及水分利用效率的影響

如表3所示:種植密度和灌溉量以及二者互作均對籽棉產(chǎn)量影響顯著(P<0.05)。隨著種植密度和灌溉量的增加,籽棉產(chǎn)量呈現(xiàn)遞增趨勢,D3I1的籽棉產(chǎn)量比D3I2、D2I2分別高出12.3%和3.4%。在產(chǎn)量構(gòu)成因素方面,單鈴重只受種植密度的影響,隨種植密度的降低而顯著增加。單位面積鈴數(shù)(鈴密度)受種植密度、灌溉量及其互作的影響(P<0.05)。在高種植密度(D3)下,3種不同灌溉量的鈴密度無顯著差異;在中等種植密度條件(D2)下,I3和I2的鈴數(shù)比I1分別多11.2%和7.5%;在低密度種植條件(D1)下,I3鈴數(shù)比I1和I2多12.10%和2.44%。在水分利用效率(WUE)方面,種植密度和灌溉量均對WUE影響顯著(P<0.05),隨著灌溉量的增加,WUE呈遞減趨勢。在各處理組合中,D3I1條件下的WUE最高,在2020年達到1.87 m3·kg-1,分別比D2I2和D1I3高32.08%和41.17%。因此,采用76 cm等行距種植模式,當(dāng)種植密度為22.5萬株·hm-2,灌溉量為3 150 m2·hm-2時,有利于籽棉產(chǎn)量和水分利用效率的提高。

表3 密度與灌溉量互作對籽棉產(chǎn)量及水分利用效率的影響Table 3 Effects of density and irrigation volume interaction on seed cotton yield and water use efficiency

3 討論

在棉花生長發(fā)育過程中,合理的冠層結(jié)構(gòu)能提高群體光合效能[16]。種植密度增加,葉面積指數(shù)增大,冠層光截獲率增加,群體光合效能明顯增強[17-18]。隨著滴灌量減少,棉花葉面積指數(shù)、冠層開度、群體光吸收率、群體光合速率均降低[19]。本研究中,棉花采用76 cm等行距種植,在常規(guī)種植密度下增加25%種植密度,減少20%的灌溉量仍然能夠在生育后期保持較高的綠葉面積。但關(guān)于密度和灌溉量對棉花葉傾角、葉相比及光能截獲利用效率等的影響需要進一步研究。

干物質(zhì)積累是棉花產(chǎn)量的物質(zhì)基礎(chǔ),群體干物質(zhì)保持在適宜的范圍內(nèi),有利于協(xié)調(diào)營養(yǎng)生長與生殖生長的分配比例,為棉花高產(chǎn)建立合理的群體基礎(chǔ)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),種植密度的提高,使群體干物質(zhì)呈先升高后降低趨勢[20],但單株光合物質(zhì)積累量向生殖器官的分配比例在生育后期減少,不利于產(chǎn)量提高[21]。采用虧缺灌溉能有效控制植株營養(yǎng)生長,獲得理想的株型和根冠比[22]。本試驗在76 cm等行距種植條件下,增加密度能顯著提高干物質(zhì)積累量,且與灌溉量存在顯著的互作效應(yīng),采用高密度重度虧缺灌溉有利于棉花群體生物量的積累及經(jīng)濟器官分配比例的提高,這可能是適當(dāng)?shù)乃痔澣笨烧{(diào)節(jié)作物群體向生長中心的轉(zhuǎn)移或某些組織器官的生長發(fā)育,使整個植物干物質(zhì)向各器官的分配比例更合理,以應(yīng)對水分短缺。

棉花具有較強的自身調(diào)節(jié)能力,通?？梢愿鶕?jù)環(huán)境條件的變化,通過調(diào)整生物產(chǎn)量及其分配來保持產(chǎn)量的穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn),種植密度的增加,雖然使平均凈同化率下降,導(dǎo)致單株結(jié)鈴數(shù)和單鈴重下降,但能提高單位面積結(jié)鈴數(shù)[23],本試驗結(jié)果與之基本一致。此外,本研究發(fā)現(xiàn),在高密度種植條件下,適當(dāng)減少灌溉量能提高單鈴重,從而使高密度重度虧缺灌溉條件下的棉花產(chǎn)量及水分利用效率提高。

綜上所述,在76 cm等行距種植模式下,提高密度能顯著提高生物產(chǎn)量和單位面積鈴數(shù);在高密度種植條件下,適當(dāng)減少灌溉量,能促進同化物向生殖器官分配,有利于經(jīng)濟器官分配比例的提高,從而進一步提高棉花產(chǎn)量。