短季棉新品種德0720 生長環境優化研究

李鳳瑞 史加亮 董靈艷 張東樓 趙文超 李子雙 楊秀鳳

(德州市農業科學研究院,山東 德州 253015)

短季棉因生育期短,經濟系數高,對我國黃河、長江流域棉區提高復種指數、增加單位面積效益具有重要意義[1]。 近年來,隨著機械化程度的提高和輕簡栽培技術的推廣,短季棉的推廣優勢更加突出[2]。 短季棉的生長受多種環境因素影響,其中光照、溫度、降雨量和土壤等因素難以人為控制,而密度、肥料和化控等措施可根據棉花生長的具體情況進行人為調節[3],因此構建短季棉優良的生長環境是提高短季棉植棉效益的關鍵。 目前,關于適宜密度、施肥量和縮節胺用量在調節個體發育、構建合理群體結構和提高棉花產量品質等方面的研究多集中在中熟棉。 研究表明,種植密度能夠顯著影響產量和品質[4-5],中等密度植棉條件下,棉花(Gossypium spp)的個體與群體協調生長[6-8],冠層結構特征和光合特性較優[9-10],群體光合速率保持較高水平[11-12];氮磷鉀肥平衡施用[13-15],在施足底肥的同時采用尿素硝酸銨溶液追肥[16-17],適當氮肥后移[18-19],均可有效增加葉面積,延長冠層葉片光合功能期,提高棉花產量;在較高的葉面積指數條件下,適當增加化學調節劑用量,通過協調水肥運籌,培育良好的冠層結構,可實現棉花高產及超高產[20-21]。

在短季棉研究方面,王欣悅等[22]認為,在一定范圍內合理密植,能夠有效調控棉花個體及群體間同化產物的生產能力,增加密度可以提高棉花產量。 李伶俐等[23]研究發現在充足的氮肥條件下,保證適量鉀肥的供應,維持氮鉀平衡對提高短季棉的氮肥利用效率、產量和纖維品質極為重要;馬宗斌等[24]研究表明,適宜的縮節胺用量能提高短季棉的光合速率和產量。 目前,關于綜合肥料、密度和化控三要素對短季棉動態生長效應的研究尚鮮見報道。 本研究通過探究不同密度、施肥量和縮節胺處理對短季棉新品種德0720 個體發育和冠層結構動態及產量品質的影響,明確其對短季棉營養生長和生殖生長的效應,構建德0720 的最優生長環境,以期為充分發揮其增產潛力和科學開發利用該品種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試棉花品種:德0720,山東省德州市農業科學院選育出的轉基因抗蟲短季棉新品種,2015年8月通過山東省農作物品種審定委員會審定。 該品種屬早熟陸地棉類型,親本來源于魯棉研19 號×德夏棉1 號,全生育期105 d,早熟不早衰,高產穩產,抗病抗逆性強,綜合性狀較好。

肥料:氮、磷、鉀肥,其中,氮肥為尿素(N 含量46%,魯西化工集團有限公司)、磷肥為過磷酸鈣(P2O5≥12%,銅陵市銅官山化工有限公司)、鉀肥為硫酸鉀(K2O≥50%,山東青上化工有限公司)。 化控藥劑為縮節胺(dimethyl piperidinium chloride,DPC,98%原藥,安陽市小康農藥有限責任公司)。

1.2 試驗地概況

試驗于2014-2015年在山東省德州市科技示范園進行。 2014年播種前,試驗地0～20 cm 耕層土壤基礎養分含量為有機質1.37%、全氮1.70 g·kg-1、速效磷13.74 mg·kg-1、速效鉀68.93 mg·kg-1。 排灌條件良好,每年整地前底施優質雞糞45 方·hm-2。

氣象資料如圖1 所示,在夏棉整個生長季節,2年月平均氣溫均較常年略高;2014年日照時數5、7、8月份較常年略多,6、9、10月份較常年略少,2015年日照時數前期較常年略高,9、10月份略低; 2014年全年降雨量均少于常年,2015年8月份降雨量超出常年158.8 mm,其余月份降雨均少于常年。

1.3 試驗設計

由表1 可知,2年試驗均采用正交試驗設計,其中種植密度設4 個水平,分別為7.2、8.1、9.0、9.9萬株·hm-2;氮肥設2 個水平,分別為150、300 kg·hm-2;磷肥設2 個水平,分別為300、600 kg·hm-2;鉀肥設2 個水平,分別為90、210 kg·hm-2;縮節胺用量設2個水平,分別為60、90 g·hm-2。 選擇最優處理組合8個(T1～T8),每個處理設3 次重復。 氮肥在盛蕾期1次施入,磷鉀肥底施,縮節胺分別于初蕾、初花、盛花期噴灑。 5 行區等行種植,行距0.60 m,行長5.56 m,5月26日播種,其他管理措施同大田。

圖1 2014、2015年平均溫度、日照時數和降雨量與常年對比Fig.1 2014、2015 average temperature, sunshine hours and precipitation compared to the average year

表1 2014-2015年試驗設計Table 1 The experimental design in 2014 to 2015

1.4 測量指標及方法

1.4.1 生長發育狀況調查 于6月30日,在試驗各小區內選擇長勢均勻、具有代表性的植株10 株,并連續標號掛牌,進行定點定株調查。

1)株高測量(cm):子葉節至主莖頂端的高度。 于6月30日(見蕾期)、7月15日(盛蕾期)、7月30日(盛花期)、8月15日(盛鈴期)和9月4日(吐絮期)分別對掛牌植株進行株高測量。 試驗于7月30日打頂。

2)莖粗測量(mm):子葉節到第一片真葉節間最細部分莖的直徑。 于6月30日(見蕾期)、7月15日(盛蕾期)、7月30日(盛花期)、8月15日(盛鈴期)和9月4日(吐絮期)利用游標卡尺分別對掛牌植株進行測量。

3)冠層結構指標測定:分別于7月15日(盛蕾期)、7月30日(盛花期)、8月15日(盛鈴期)和9月4日(吐絮期)上午10:00-12:00,利用Lp-80 型冠層分析儀(美國Decagon Devices 公司)測定冠層結構指標:在行間中央平行于播種行分別測量棉花冠層的自然光強、群體底層(距地面10 cm 處)的自然光強和葉面積指數,各小區每個部位分別測定5 個點,并按照公式計算底層透光率:

1.4.2 棉花產量及構成因素調查 于9月10日在每個小區中間3 行,調查株數和總成鈴數,計算單位面積成鈴數;于吐絮盛期,每小區取棉株中部內圍鈴50 個,曬干后測單鈴重、衣分;于10月25日前按小區實收的籽棉產量,根據衣分折算出霜前皮棉產量。

1.4.3 纖維品質檢測 將各小區霜前花(揀出僵瓣花)充分混合均勻,軋花后隨機稱取100 g 皮棉,取樣送中國農業科學院棉花研究所棉花纖維品質檢測中心檢測纖維品質。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2007 整理試驗數據和作圖;DPS 7.05 進行統計分析。 由于冠層結構、莖粗和株高2年測定的數據較為相似,所以均取2014年數據作圖;產量和纖維品質取2年數據。

2 結果與分析

2.1 不同處理德0720 的生長發育和冠層結構動態

由圖2-A 可知,從見蕾期到吐絮期,不同處理下德0720 的株高均表現出相同的動態變化規律,見蕾期到盛花期增長迅速,且呈線性增長,盛花期(7月30日)打頂后基本停止生長。 不同處理下德0720 的株高在見蕾期和盛蕾期差異均不明顯,而在盛花期、盛鈴期和吐絮期均表現為隨著種植密度的增加而增大,隨著化控量的增大而減小。 由圖2-B 可知,德0720 生長過程中莖粗迅速增加,其中從見蕾期到盛花期莖粗增加最快,盛花期(7月30日)打頂后增速減慢,盛鈴期(8月15日)后逐漸變緩趨于穩定。 不同處理下德0720 的莖粗在蕾期差異并不明顯,但隨著生育進程的推進,莖粗隨著密度的增大呈下降趨勢。 由圖2-C 可知,不同處理下德0720的葉面積指數(leaf area index,LAI)均從盛蕾期至盛鈴期持續增長,盛鈴期后明顯下降。 不同處理下德0720的LAI 均隨著種植密度的增加而增大。 其中,T6 處理的LAI 曲線在整個生育期表現適中,從盛蕾期到盛花期平穩增長,從盛花期到盛鈴期較快增長,從盛鈴期到吐絮期緩慢下降,說明中等密度配合較高的縮節胺用量能夠使群體結構更合理,有利于群體光合性能的發揮,在生育后期既能為棉鈴發育提供養分,又不會引起棉鈴晚熟。 由圖2-D 可知,底層透光率變化與LAI 相反,不同處理的底層透光率在盛蕾期至盛鈴期持續下降,盛鈴期后又迅速升高。 底層透光率隨著種植密度的增加而減小,隨著化控量增大而增大。 其中T6 處理的底層透光率曲線適中,變化平穩。

圖2 不同處理下德0720 生長發育和冠層結構的動態變化Fig.2 The dynamic changes of growing development and canopy structureof De0720 under different treatment

2.2 德0720 盛鈴期底層透光率與霜前籽棉產量的相關關系

由圖3 可知,在棉花中后期光溫條件優越的2014年,霜前皮棉產量先隨著底層透光率的增加而逐漸增大,當透光率達到4. 8%時出現峰值(1 776 kg·hm-2),后又隨著底層透光率的增大而迅速下降,當透光率高達6. 2%時,霜前皮棉產量最低(1 632 kg·hm-2)。

2.3 密度、肥料和化控對德0720 產量品質的影響

由表2 可知,德0720 霜前皮棉產量2014年表現為T6＞T2＞T7＞T3＞T8＞T4＞T5＞T1,其中T6 和T2霜前皮棉產量均極顯著高于其他處理,但二者之間差異不顯著。 分析不同處理德0720 的產量構成因素,發現2年均表現為T1 和T5 處理的單位面積成鈴數顯著低于其他處理,T6 處理鈴重(2015年)顯著高于其他處理,T2 和T6 處理的衣分均極顯著高于其他處理。

圖3 德0720 在盛鈴期底層透光率與霜前皮棉產量的關系Fig.3 The relationship between bottom light transmission ratio and pre-frost lint cotton yield of De0720

采用偏最小二乘回歸建模對2014年產量結果進行分析。 以霜前皮棉產量作為目標函數(因變量Y),以密度(X1)、施氮量(X2)、施磷量(X3)、施鉀量(X4)、化控量(X5)作為自變量,求得目標函數與自變量的數學模型:

表2 不同處理下德0720 產量及產量構成因素Table 2 The yield and yield components of De 0720under different treatment

根據模型的標準回歸系數,得到各因子對德0720霜前皮棉產量的影響依次為施鉀量(X4系=0.306 3)＞施氮量(X2系=0.114 9)＞縮節胺用量(X5系=0.102 1)＞密度(X1系=0.026 6)＞施磷量(X3系=0.025 5)。 通過對模型進行優化,得到自變量優化值分別為X1=8.137 0、X2= 299.896 6、 X3= 599.889 8、 X4= 209.978 4、X5=90.000 0,最優目標函數為 Y = 1 762.216 0 kg·hm-2,這與T6 處理因素及產量值基本一致。

運用偏最小二乘回歸分析法對2015年產量結果進行分析,得到2015年各因子對德0720 霜前皮棉產量的影響依次為施鉀量(X4系=0.240 0)＞施氮量(X2系=0.019 6)＞縮節胺用量(X5系=0.009 6)＞密度(X1系=0.002 2)＞施磷量(X3系=-0.006 9)。 自變量的優化值分別為:X1=8.330 9,X2=299.972 0,X3=599.542 0,X4=210.000 0,X5=90.000 0,最優目標函數為Y=1 463.185 6 kg·hm-2,與T6 處理及產量值大致接近。2年產量的分析結果表明,運用偏最小二乘回歸分析本試驗模型與實際情況擬合較好。

同理,采用偏最小二乘回歸分析法對德0720 產量構成因素進行分析,2年試驗結果表明,各因子對單位面積鈴數的影響依次為密度(X1系,2014= 0.299 0、X1系,2015=0.301 0)＞施鉀量(X4系,2014=0.181 3、X4系,2015=0.151 4)＞施氮量(X2系,2014=0.020 4、X2,2015=0.036 1)＞縮節胺用量(X5,2014=0.013 6、X5,2015=0.030 3)＞施磷量(X3,2014=0.006 8、X3系,2015=-0.012 7);各因子對鈴重的影響為鈴重隨著密度(X1系,2014=-0.2846、X1,2015=-0.288 6)增大呈逐漸降低趨勢,隨著施肥量和化控量的增大而增大(2014年X2系、X3系、X4系、X5系均為0.027 7,2015年X2系、X3系、X4系、X5系均為0.025 5);各因子對衣分的影響依次為施鉀量(X4系2年均為0.367 9)＞密度(X1系2年均為0.117 5)＞施氮量(X2系2年均為0.105 1)＞縮節胺用量(X5系2年均為0)＞施磷量(X3系2年均為-0.105 1)。

2.4 密度、肥料和化控對德0720 纖維品質的影響

由表3 可知,不同處理下,2014、2015年斷裂比強度均隨著密度的增加呈增加趨勢,但增幅較小,且差異不顯著;馬克隆值均隨著密度的增加呈降低趨勢;上半部平均長度、長度整齊度和斷裂伸長率變化規律均不明顯。 總體來看,不同處理對德0720 纖維品質的影響不大。

表3 不同處理下德0720 的纖維品質Table 3 The fiber quality of De0720 under different treatment

3 討論

3.1 密度對德0720 生長發育、冠層結構及產量品質的影響

合理密植能夠協調個體與群體生長、營養生長和生殖生長之間的關系,進而使棉田動態群體結構合理,棉株內“源、庫、流”協調,為棉花優質、高產提供較多的光合產物。 然而,隨著棉花化控技術水平的提高,種植密度范圍不斷發生改變[25]。 羅宏海等[26]研究發現中密度群體具有足夠群體,培育健壯個體,葉面積指數高,持續時間長,冠層結構合理,光合物質累積多,皮棉產量高等特點;趙振勇等[27]研究表明,棉花生育前期對密度并不敏感,但后期(7月18日以后)存在顯著性差異。 李伶俐等[28]研究發現合理增加種植密度,結合適量的縮節胺系統化控,維持適宜LAI 是麥后直播短季棉優質高產的基礎;秦亞平等[29]研究表明,盛鈴期最適、最大LAI 及其功能持續期是協調庫源關系的重要因素。 上述研究結果與本研究基本一致。 本研究中,種植密度對德0720 個體發育的影響表現為盛花期后,株高隨著密度的增大而增高,而莖粗隨著密度增大而減小;密度對德0720 冠層結構的影響表現為葉面積指數隨著種植密度的增加而增大,底層透光率隨著密度增加而減小;德0720 為8.1 ～9.0 萬株·hm-2中密度(與山東省夏棉區試密度接近)時,其葉面積指數、底層透光率適中,冠層結構優良,霜前皮棉產量達到最大值(1 776 kg·hm-2)種植密度對德0720 纖維品質的影響不大。 這與李伶俐等[28]的研究結果不一致,可能與密度的設計梯度不同有關。

3.2 施肥量、化控對德0720 生長發育、冠層結構及產量品質的影響

李祥云等[15]研究發現氮磷鉀對棉花產量的影響效果依次為氮＞鉀＞磷,其中氮肥可以適量多施,磷鉀肥中等用量即可。 這與本試驗結果基本一致。 本研究中,影響德0720 產量的首要因子是鉀,其次是氮;影響鈴數、鈴重和衣分的因子均表現為鉀＞氮,這與李伶俐等[23]的研究結果一致,這可能與土壤的基礎肥力不同有關。 本試驗中,化控對德0720 株高的影響主要表現在控制株高效果顯著,噴施縮節胺90 g·hm-2對控制株高效果較好。 化控對德0720 冠層結構的影響表現為葉面積指數隨著化控量的增大而減小,底層透光率隨著化控量的增大而增大,噴施縮節胺90 g·hm-2可使德0720 的葉面積指數和底層透光率適中,形成優良的冠層結構;化控對產量的影響僅次于鉀肥和氮肥,表明適宜的縮節胺用量可以通過對株高的控制和冠層結構的塑造增加單位面積結鈴數和鈴重,進而提高產量。 這與羅宏海等[21]和馬宗斌等[24]的研究結果一致。 本試驗中,化控對德0720 纖維品質的影響不大,這與李伶俐[28]的研究結果基本一致,但其影響機理還有待進一步研究。

3.3 偏最小二乘回歸分析法在本試驗中的應用

本試驗存在密度、肥料和化控的多重相關,因此運用偏最小二乘回歸分析模型與實際情況擬合較好[30-31]。 經過對2年試驗數據的分析,發現密度、肥料和化控的最佳組合均為T6 處理,該處理單位面積成鈴數較高,鈴重、衣分和霜前皮棉產量均為最高(且均極顯著高于其他處理)。 T6 和T2 間霜前皮棉產量差異不顯著,但T6 鈴重顯著高于T2,表明T6 更具增產潛力。

3.4 2014、2015年試驗結果與氣象參數間關系

2014年6月下旬至9月上旬的蕾鈴期(除7月上旬降水64 mm 外)未出現有效降雨,氣溫較常年略高,光照充足,有利于夏棉開花結鈴,7月下旬及時進行人工灌溉,因此德0720 長勢穩健、整株成鈴多,鈴重高,產量高。 2015年,由于5、6月份偏旱, 7月份雨水適中,所以德0720 生育前期生長穩健,結鈴較多。 8月份雨水較多,特別是8月27日大風降雨后,倒伏嚴重,迅速早衰,秋桃成鈴率低,鈴重下降,導致產量較低。

4 結論

采用偏最小二乘回歸分析法,分析2年試驗數據得出密度、肥料和化控的最佳組合為T6,即密度8.1萬株·hm-2,底施雞糞45 方·hm-2、過磷酸鈣600 kg·hm-2、硫酸鉀210 kg·hm-2、盛蕾期一次施入尿素300 kg·hm-2,初蕾、初花、盛花3 個時期共噴施縮節胺90 g·hm-2。該處理組合的株高、莖粗曲線適中偏高;單位面積成鈴數和單鈴重均處于較高水平;LAI 曲線在整個生育期變化平穩、表現適中;盛鈴期底層透光率在4.8%左右;霜前皮棉產量達到1 776.0 kg·hm-2峰值。