直播稀植高產雜交棉農藝及冠層結構特征研究

郝先哲，馮 楊，夏 軍，時曉娟，田 雨，李軍宏，羅宏海

(1.石河子大學 農學院/新疆兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆石河子 832003；2.新疆兵團第七師農科所，新疆奎屯 833200)

新疆作為中國重要的商品棉生產基地，棉花產業發展迅速，其種植面積、單產水平、總產量均居于全國首位。近年來，新疆棉花發展進入瓶頸，單產增幅緩慢，“高投入、低產出”現象嚴重[1-3]，進一步提高棉花單產及植棉效益，是新疆棉花可持續發展的關鍵。合理利用棉花雜種優勢，是棉花產量水平進一步提高的有效措施[4]。但由于新疆高密度植棉用種量大，定苗和化調繁瑣，使得植棉成本不斷提高，導致雜交棉植棉效益不斷降低[5-6]。近年來，通過調整株行距配置降低種植密度，結合雜交棉的種植，表現出較高的產量潛力且適宜機采[7]。因此，開展直播稀植雜交棉產量形成機理的研究，充分挖掘雜交棉增產潛力，實現新疆棉花產量的持續提高具有重要意義。

棉花農藝性狀和冠層結構特性與產量形成關系密切[8-17]。前人從株高[14,16]、果枝數[15-16,18]、倒四葉寬[13,15]、葉面積指數[7,10-11]、冠層開度[7-8,10]等不同角度對高產棉花的農藝性狀和冠層結構特征進行了研究，提出群體密度過高或過低都不利于形成理想群體冠層和獲得高產[19]，高產棉花應具有適宜的株高[14,16]，較高的果枝數[15-16,18]，適宜的葉面積指數[7,10-11]；對高產雜交棉的研究表明，雜交棉適宜低密度種植[7]，稀植條件能充分發揮雜交棉的雜種優勢，能夠有效的協調個體發育和群體生長[6,20-22]。然而以往大多是針對皮棉產量水平為2500kg·hm-2的常規高產棉花品種開展的研究，有關稀植條件下3000kg·hm-2以上高產雜交棉農藝性狀和冠層結構特征的研究開展較少，基礎研究的薄弱限制了雜交棉直播稀植技術節本增產潛力的發揮。因此，本試驗以直播稀植雜交棉為研究對象，常規棉密植為對照，通過測定棉花株高、果枝臺數、始節高度、倒四葉寬及葉面積指數(LAI)、冠層開度(DIFN)、葉傾角(MTA)，明確稀植條件下雜交棉產量形成過程中農藝性狀及冠層結構特征與產量形成的關系，提出實現3000kg·hm-2高產稀植雜交棉的產量結構和主要農藝冠層指標，以期為新疆棉花高產高效栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

雜交棉品種選用‘魯棉研24號’，該品種植株筒形、較緊湊，抗枯萎病，耐黃萎病，抗棉鈴蟲。常規棉品種選用當地主栽品種‘科研5號’，該品種株型較緊湊，莖稈堅韌，不易倒伏；抗枯萎病，感黃萎病，不抗棉鈴蟲。

1.2 試驗概況

試驗于2017-2018年在新疆生產建設兵團第七師主要植棉團場(125、128、129、130團)，采用大田創建超高產試驗示范田的方法進行。以雜交棉稀植為試驗對象，常規棉密植為對照，在各示范區內選擇長勢均勻的地塊設置試驗小區，小區面積為6.9 m×16 m，重復3次，詳細取樣點見表1。雜交棉種植采用205 cm的超寬膜，1膜3行，等行距(76 cm+76 cm+ 76 cm)種植，株距為 9.5 cm，1穴1粒精量播種，理論密度為 14.4×104株·hm-2。常規棉種植采用新疆棉區常規品種高密度種植1膜6行，寬窄行(66 cm+10 cm)，株距為11 cm，理論密度為28.8×104株·hm-2。2017年4月13-15日播種，6月28日-7月1日打頂，全生育期灌水10～12次，總滴灌量 5 700～6 000 m3·hm-2，共施用尿素600 kg·hm-2，磷鉀復合肥525 kg·hm-2；2018年4月19-20日播種，7月1-5日打頂，全生育期灌水10～12次，總滴灌量5 250～6 000 m3·hm-2，共施用尿素600 kg·hm-2，磷鉀復合肥375～525 kg·hm-2。全生育期內化調(縮節胺)7次，其中雜交棉稀植棉田用量270 g·hm-2，常規棉密植棉田量為525 g·hm-2；田間的其他管理同膜下滴灌高產棉田。

表1 不同試驗處理取樣點詳情Table 1 Details of sampling points under different treatments

1.3 測定項目與方法

1.3.1 棉花農藝性狀 于2017年在盛蕾期、盛花期、盛鈴期、盛鈴后期、吐絮期，2018年在現蕾期、盛蕾期、盛花期、盛鈴期、盛鈴后期、吐絮期，各取樣點小區內選擇有代表性的植株20株(內行10株、外行10株)，調查棉花株高、倒四葉寬、果枝臺數和始節高度等農藝性狀。

1.3.2 冠層結構指標 2017和2018年在盛花期、盛鈴期、盛鈴后期、吐絮期進行測定。參照Malone的方法[23]，采用LAI-2200冠層儀(Li-cor，USA)測定葉面積指數(LAI)、冠層開度(DIFN)、葉傾角(MTA)。先將探頭水平放置于冠層上方，按下測定按鈕，兩聲蜂鳴后將探頭放入群體內地面上，仍保持水平，按下測定按鈕，兩聲蜂鳴后水平均勻移動探頭，選擇冠層內不同位置測量4次，每個處理重復3次。

1.3.3 產量及其構成因素 于收獲期(2017-09-12、2018-09-14)在每個小區內選擇長勢均勻且有代表性面積為2.0 m×2.28 m的樣點，重復3次，調查樣點內的全部株數和結鈴數，折算出單株結鈴數和單位面積總鈴數并以實際收獲產量計產。每個樣點選取長勢一致的棉株按自然高度分上、中、下各取吐絮棉鈴50個，重復3次，裝袋帶回實驗室分別稱量，計算單鈴質量及衣分。

1.4 數據分析

采用 Microsoft Office 2010和 SPSS 19.0 整理分析處理數據并進行相關分析，用Duncan 多重比較法進行差異顯著性分析，用Excel作圖。

2 結果與分析

2.1 產量及其構成

通過對不同處理棉花產量的分析表明(表2)，2017年Z2棉田、2018年Z1棉田的皮棉產量均達到了3 000 kg·hm-2以上的高產水平，對照棉田的皮棉產量為2 413～2 553 kg·hm-2，雜交棉稀植的皮棉產量較對照棉田增幅為7.9%～ 24.1%。進一步分析產量構成因子，可以看出雜交棉稀植條件下，單株結鈴數及單鈴質量顯著高于對照棉田、單位面積株數顯著低于對照棉田，且除了2018年的Z2處理顯著低于CK外，單位面積總鈴數差異不顯著。與常規棉密植相比，雜交棉稀植實現2 500 kg·hm-2以上的產量水平，單株結鈴數和單鈴質量的增幅分別為34.8%～ 40.2%和14.3%～19.2%；當產量達3 000 kg·hm-2的高產水平時，單株結鈴數增加的同時單鈴質量進一步增加，增幅分別為43.7%和20.4%。且產量達3 000 kg·hm-2的棉田總鈴數較2 500 kg·hm-2的棉田提高了1.8%～ 8.6%，單位面積收獲株數的增幅為5.1%～ 15.1%。所以實現雜交棉稀植達到3 000 kg·hm-2以上的高產水平，應保證總鈴數大于120×104hm-2，單鈴質量大于5.3 g，衣分率不低于42%。

表2 不同種植模式下棉花產量及產量構成因素Table 2 Cotton yield and yield components under different planting patterns

注：同列中標相同字母表示Duncan’s分析中5%水平上沒有顯著性差異。

Note:Same letters in a column indicate no significantly different(P=0.05) by Duncan’s multiple range test.

2.2 農藝性狀

2.2.1 株 高 株高是衡量棉花群體株型狀況是否合理最敏感的指標之一[12]。試驗表明(圖1)，棉花株高隨生育期的變化表現為盛花期前快速增長，盛花期后逐漸趨于穩定。其中，除了2017年和2018年的Z1與CK生育后期差異不顯著外，其他各點株高均表現為盛花期前CK與雜交棉株高差異不顯著(P>0.05)；盛花期之后CK株高顯著高于雜交棉(P<0.05)。在整個生育期內，CK的株高較雜交棉平均提高了4.4%～5.8%。雜交棉稀植產量水平為2 500 kg·hm-2以上時，株高表現為69 cm以下；產量水平為3 000 kg·hm-2以上時，株高表現為70～73 cm。

2.2.2 果枝臺數 試驗表明(圖2)，雜交棉稀植果枝臺數比CK增加了18.9%。兩年雜交棉稀植群體盛鈴期達到峰值均表現為Z1>Z2>Z3，分別為11.5、10、9.8臺和10.5、9.5、9.3臺。雜交棉稀植產量水平為2 500 kg·hm-2以上時，果枝臺數表現為9.8臺以下和11臺以上，3 000 kg·hm-2以上時，表現為10～10.5臺，說明實現雜交棉稀植3 000 kg·hm-2以上的高產水平，應保持單株10臺果枝左右。

2.2.3 果枝始節高度 如圖3所示，雜交棉稀植與CK的果枝始節高度變化趨勢一致，始節高度從盛花期到吐絮期基本不變，CK的始節高度為22～25 cm，雜交棉稀植始節高度為16～20 cm，雜交棉的始節高度較CK降低了23.6%。雜交棉群體之間差異不顯著，CK的始節高度顯著高于雜交棉。與2 500 kg·hm-2以上的雜交棉群體相比，3 000 kg·hm-2以上的雜交棉群體果枝始節高度增加了2.2%。

2.2.4 倒四葉寬 倒四葉的大小是判斷棉花生長好壞和管理措施是否恰當的最直觀的形態指標之一[24]。試驗表明(圖4)，棉花的倒四葉寬隨棉花的生育期呈S型變化曲線，且不同處理均在盛鈴后期達到最大。雜交棉稀植處理的倒四葉寬較CK增加了9.6%。雜交棉稀植產量水平為2 500 kg·hm-2以上時，倒四葉寬表現為大于17 cm，產量水平為3 000 kg·hm-2以上時，倒四葉寬表現為大于18 cm。

IS.現蕾期 Initial squaring stage;FS.盛蕾期 Full squaring stage;FF.盛花期 Full flowering stage;FB.盛鈴期 Full boll stage;LFB.盛鈴后期 Later full boll stage;BO.吐絮期 Boll opening stage。下同 The same below

圖1 不同產量水平下棉花株高的變化
Fig.1 Changes of plant height of cotton under different yields

圖2 不同產量水平下棉花果枝臺數的變化Fig.2 Number of cotton branches under different yields

圖3 不同產量水平下棉花果枝始節高度的變化Fig.3 Changes of the height of the first fruit branch under different yields

2.3 冠層結構特性

2.3.1 葉面積指數 葉面積指數(LAI)的大小直接影響作物對光的截獲，進而影響作物的高產[22]。由圖5可知，不同處理的LAI呈先增加后下降的單峰曲線，均在盛鈴后期達到最大。在整個生育期中，雜交棉的 LAI較CK平均提高了53.3%。CK的LAI最大值平均為3.1，雜交棉稀植處理LAI最大值平均為3.9～4.1，且雜交棉稀植吐絮期LAI仍能保持在3.4～4.6，衰減率為11.9%，小于CK的22.1%。雜交棉稀植產量為2 500 kg·hm-2以上時，LAI盛鈴后期表現為 3.8～3.9；3 000 kg·hm-2以上時，LAI現為 4.3～4.9，較2 500 kg·hm-2的棉田提高了 11.6%，吐絮期LAI衰減率為10.7%～19.8%。

圖4 不同產量水平下棉花的倒四葉寬的變化Fig.4 Changes of function leaf width of cotton under different yields

圖5 不同產量水平下棉花葉面積指數的變化Fig.5 Changes of leaf area index of cotton under different yields

2.3.2 冠層開度 冠層開度(DIFN)即為透光率的大小。試驗表明(圖6)，不同時期雜交棉稀植處理的DIFN小于CK，較CK減少了45.5%～ 81.1%。當雜交棉稀植產量水平為2 500 kg·hm-2以上時，DIFN盛鈴后期表現為 0.02～0.04；3 000 kg·hm-2以上時，DIFN表現為0.013，較產量水平為2 500 kg·hm-2以上的棉田下降了56.7%，漏光損失更少。

2.3.3 葉傾角 葉傾角(MTA)是葉軸與水平面的夾角，范圍為(0～90°)，MTA越大，葉片越直立；MTA小，則葉片呈水平狀。如圖所示(圖7)，各處理棉花MTA隨生育期呈單峰曲線，峰值出現在盛鈴后期。盛花期雜交棉稀植處理的MTA顯著大于CK，由于常規棉盛花期植株生長細弱，葉面積指數較小，葉片較平展；盛鈴期至盛鈴后期是棉鈴干物質積累最快的時期，MTA逐漸增大。全生育期內雜交棉稀植處理的MTA較CK提高了23.9%～26.4%。當雜交棉稀植產量水平為 2 500kg·hm-2以上時，MTA盛鈴后期表現為49.8°～50.9°；3 000 kg·hm-2以上時，MTA表現為52.7°～53.1°，較產量水平為2 500 kg·hm-2以上的棉田提高了4.8%。

圖6 不同產量水平下棉花冠層開度的變化Fig.6 Changes of DIFN of cotton under different yields

圖7 不同產量水平下棉花葉傾角的變化Fig.7 Changes of MTA of cotton under different yields

2.4 不同時期各參數的相關性分析

不同時期的相關分析(表2)可得，籽棉產量在盛花期與始節高度呈顯著負相關，與MTA呈顯著正相關；在盛鈴期與果枝臺數和LAI呈顯著正相關，DIFN呈顯著負相關；在盛鈴后期與倒四葉塊呈顯著正相關；在吐絮期與果枝臺數和LAI呈顯著正相關。單株結鈴數在盛花期至吐絮期，與LAI呈顯著正相關，與始節高度和DIFN呈顯著負相關；單鈴質量在盛花期至盛鈴期，與MTA呈顯著正相關，在盛花期至吐絮期，與始節高度和DIFN呈顯著負相關；單位面積株數在盛花期至吐絮期，與始節高度和DIFN呈顯著或極顯著正相關，LAI及MTA呈顯著負相關；總鈴數在盛花期和吐絮期與株高顯著正相關。說明棉花產量的增高，與LAI和果枝臺數的增加直接相關。此外，LAI與MTA的增加能夠顯著提高單株結鈴數和單鈴質量，而始節高度、DIFN與單位面積株數顯著正相關。

3 討論與結論

合理密植是棉花高產栽培中的關鍵技術[25]。隨著種植密度增加，棉花個體生長受到限制，表現為單株結鈴數和鈴質量的降低[21]。本試驗表明，雜交棉稀植與常規棉密植相比產量有所提高，增幅為7.9%～24.1%；且主要表現單株結鈴數和鈴質量的同步增長，增幅分別為38%和17%。表明雜交棉稀植條件下，有利于充分發揮雜交棉的雜種優勢，棉株個體生長旺盛從而彌補了群體不足對產量的負面效應，是雜交棉稀植獲得高產的主要原因。與2 500 kg·hm-2的棉田相比， 3 000 kg·hm-2以上棉田主要表現為總鈴數和單位面積收獲株數增幅分別為1.8%～8.6%、5.1%～15.1%。表明雜交棉種植亦并非越“稀”越好，保證種植密度在12.4×104hm-2左右，是進一步挖掘雜交棉增產潛力的前提。

表3 不同時期測定參數與產量及產量構成的相關系數Table 3 The correlation coefficient between the measured parameters and yield and yield composition in different periods

注：*和**分別表示 5%和 1%的顯著性水平。

Note:* and ** indicate significance at the 5% and 1% levels,respectively.

構建合理群體是棉花生產中高產高效的重要栽培措施，西北內陸棉區適宜發展“降密健株型”的群體結構，有利于棉花優化成鈴和集中收獲[26]。隨著密度的增加，棉花個體生長減弱，整體的株高和節間長度會增加，同一節間果枝分化減少，果枝整體向內收縮生長，葉片和莖干物質分配系數減少，導致個體干物質積累減少[27]。本試驗表明，常規棉高密度種植，使得株高增加和單株果枝臺數減少，繼續增大種植密度對產量的增幅較緩，與周永萍等[28]研究結論相似。棉花株型與產量密切相關，建立合理株型能改良群體的透光性，提高光合效率達到增產的目的[29]。本試驗表明，盛鈴期至吐絮期果枝臺數和倒四葉寬與產量呈顯著正相關，始節高度在全生育期與單位面積株數呈極顯著的正相關。可見，適度稀植可以通過提高雜交棉的株高、倒四葉寬和控制始節高度，增加單株果枝數進而影響單株結鈴數，從而使直播稀植雜交棉產量高于常規棉密植。雜交棉在稀植條件下，隨著產量水平的增加，主要表現為株高的增加和倒四葉寬的提高，且株高在盛花期和吐絮期與總鈴數顯著正相關，說明雜交棉稀植條件下，適當減少化調用量，一定程度上可以提高雜交棉株高，有利于產量的增加。此外，棉花產量并不是隨著果枝臺數的增加而增加，高產雜交棉的果枝臺數維持在10臺左右。因為棉花果枝臺數過少，庫容較少不能發揮雜交棉的個體優勢；而果枝臺數過多，庫容過大而源供應不足，導致上部鈴成熟度低，不利于高產的形成，與付遠志等[29]研究結論相似。因此，皮棉產量3 000 kg·hm-2以上的棉花株高應在73 cm以上，果枝臺數維持在 10臺左右，始節高度大于20 cm，倒四葉寬大于 18 cm。

合理密植有利于作物形成合理的冠層結構，合理的冠層結構能夠減少漏光損失，提高光能利用率，從而提高群體光合生產力，利于干物質積累[8,10,30]。杜明偉等[22]研究表明，在新疆棉區，皮棉產量2 850～4 300 kg·hm-2水平棉田的最大葉面積指數可達4.8～5.3。本試驗表明，與常規棉密植相比，雜交棉稀植顯著提高了葉面積指數并延緩了葉片衰老；且在直播稀植條件下，雜交棉產量可達3 000 kg·hm-2以上，最大葉面積指數達到了4.3～4.9，并且吐絮期葉面積指數衰減率為10.7%～19.8%，在盛花期至吐絮期葉面積指數與產量呈顯著正相關，維持較高的葉面積指數有利于產量的提升。劉翠等[20]研究表明，當雜交棉密度達到26.25×104株·hm-2時，群體內部通風透光性不良，下部葉片脫落嚴重，不利于高產群體的構建。本試驗表明，雜交棉收獲密度大于12.4×104株·hm-2時，葉傾角較常規棉密植提高了23.9%～26.4%，表明雜交棉適度稀植，充分發揮了其自我調節能力，在高的葉面積指數下，能夠保持葉片直立，群體通風透光性強。在雜交棉稀植條件下，3 000 kg·hm-2以上的棉田，較 2 500 kg·hm-2的棉田葉傾角提高了4.8%，且葉傾角與單株結鈴數和單鈴質量顯著正相關，這充分說明了雜交棉適度稀植可以獲得更加合理的冠層結構，葉面積指數高且持續時間長，延長了光合功能期，群體內部漏光損失少，光能截獲能力強，為產量的提高奠定了基礎。

與常規高產密植棉花相比，雜交棉適度稀植有利于形成適宜機采的株型結構，葉面積指數高且持續期長，冠層結構合理，群體透光性強，顯著提高了單株結鈴數和單鈴質量。實現雜交棉皮棉3 000 kg·hm-2的產量結構和農藝性狀及冠層結構指標：總鈴數大于120×104hm-2、單鈴質量大于5.3 g、衣分率不低于42%；株高應大于在70 cm、果枝臺數維持在10臺、始節高度保持在20 cm、倒四葉寬保持大于18 cm；在盛鈴后期LAI達到峰值4.3～4.9，衰減率為10.7%～19.8%、MTA達到峰值為52.7～53.1°、DIFN為 0.011～0.015。