不同機采棉花品種生長發育及光合物質生產的比較

陳秀玲，張巨松，陳 振，張瑋濤，竇巧巧，代健敏，何慶雨

(新疆農業大學農學院/教育部棉花工程研究中心，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】新疆是中國最大的棉花生產基地，在全國產棉區中占有極其重要的地位[1-2]。目前新疆北疆地區棉花品種存在多、雜、亂，始果節位低、株型松散、冠層結構不合理等問題，在不同程度上影響著機械化采棉進程的整體推進。目前尚缺乏既優質豐產，又適宜機械采收的專用機采棉品種。比較分析北疆地區大面積種植的6個棉花品種的生長發育、光合特性以及產量性狀方面的差異，篩選出較適宜北疆地區機采的棉花品種，對促進新疆機采棉快速發展具有重要意義。【前人研究進展】李雪源[3]通過對39個棉花品種、3個主要機采性狀的調查與機采性狀標準、機采對照品種的比較分析發現，在機采棉育種機采性狀選擇中應注重第1果枝節位在5節左右、果枝節位高度在18 cm左右育種材料的選擇。趙會薇[4]認為棉花機械采摘對機采棉品種選擇要求為保持單位面積產量的穩定增長，即提高單產；提高機采效率，即棉花農藝性狀有利于機采，選育具備生育期120 d、株高75～85 cm、始果節位高度大于15 cm、葉片較小等性狀的棉花品種。光合作用是棉花生長發育和產量形成的生理基礎，改善棉花的光合作用對提高棉花生產潛力具有重要意義[5]。采用合理的栽培手段，調節冠層結構，增加作物光截獲量，提高群體光合生產能力，對光合物質積累及產量的增加有重要作用。改善作物冠層結構是進一步增產的基本途徑[6]。張旺鋒等[7]認為新疆氣候生態條件下，葉面積指數適宜、冠層結構優良，則群體光合速率、光合物質積累量較高。呂麗華等[8]認為冠層結構合理，冠層光合性能較高更有利于產量的提高。不同的棉花品種對干物質積累有極大的影響[9]。李艷軍等[10]通過田間試驗研究了4個棉花品種干物質積累的變化規律，發現早期品種在出苗期至初花期干物質積累速度最快，積累量最多，近期品種的干物質積累主要發生在盛花期至盛鈴期間。【本研究切入點】目前還沒有選育出既早熟、豐產又適宜機械采收的專用機采棉品種。機采棉品種特性，篩選出適宜新疆北疆地區機采的棉花品種。【擬解決的關鍵問題】對新疆北疆地區大面積推廣的棉花品種進行對比試驗，田間調查供試棉花品種的生長發育狀況、光合特性以及產量性狀之間的差異并比較分析，篩選出更適宜北疆地區機采的棉花品種，為棉花機械化采收提供理論支撐，為棉花品種選育提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于新疆農業大學棉花高產課題組北疆試驗基地沙灣縣四道河子鎮(44°29'N、85°57'E，海拔352 m)進行。該區屬于溫帶大陸性干旱氣候，平均降水量140～200 mm，蒸發量1 500～2 000 mm，日照時數2 800～2 870 h，年均氣溫6.9℃，無霜期170～190 d。試驗田前茬為棉花，土質為粘質壤土，2019年試驗地土壤基礎理化性質。表1

供試棉花品種共6個，分別為新陸早50號、新陸早57號、新陸早71號、金棉18、惠遠720、合信63。表2

表1 土壤基礎理化性質

Table 1 Physical and chemical properties of soil

土層深度(cm)pH有機質(g/kg)總鹽(g/kg)速效氮(mg/kg)速效磷(mg/kg)速效鉀(mg/kg)0～208.1813.461.267.911.937620～407.9911.570.2567.215.130340～608.168.571.3564.25.1176

表2 參試材料和供種單位

Table 2 Cultivars name and breeding unites in trial

序號No.品種Cultivars供種單位Breeding unites 1新陸早50號新疆農業科學院經濟作物研究所2新陸早57號新疆農業科學院經濟作物研究所3新陸早71號新疆閆氏德海農業科技有限公司4金棉18新疆魯成種業有限公司5惠遠720新疆惠遠種業股份有限公司6合信63新疆合信種業有限公司

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗采用單因素隨機區組設計，小區行長9 m，寬6.78 m(3膜)，小區面積61.02 m2，6個處理，3次重復，共18個小區，總面積為1 098.36 m2。重復之間設1 m小道，小區四周設置保護行。試驗地棉花種植采用膜下滴灌技術，采用1膜6行(66+10)cm的棉花機采種植模式，株距12 cm，理論株數為21.93×104株/hm2。栽培管理同當地常規大田。

1.2.2 測定指示

1.2.2.1 生育進程

生育期是從出苗期到吐絮期的天數，調查并記載各小區棉花出苗、現蕾、初花、盛花、盛鈴、吐絮的日期，以大田50%棉株到達各時期調查數量標準為準。

1.2.2.2 農藝性狀

在棉花收獲階段，每小區均選取長勢均勻的棉株10株，調查各小區棉花品種的株高、果枝始節位、始果節高度、果枝數、果枝長度、果枝夾角、莖粗。

1.2.2.3 葉面積指數、凈光合速率、葉綠素含量

葉面積指數：使用上海澤泉公司生產的CI-110植物冠層分析儀在棉花的盛蕾期、盛鈴期、吐絮期，在田間選擇長勢均勻樣點，將光探頭水平放置在距地面20 cm處，冠層分析儀每次觀測時，先將探頭放置于冠層拍探測點，保持探頭水平，按下測定按鈕，每個點保存5張圖片，選擇冠層內地面不同位置測量，重復3次。

凈光合速率：選擇晴天11:00～13:00，在各小區膜上棉花的中行及邊行分別選取生長一致的連續棉株3株，掛牌標記。采用CARIS-2光合測定儀(美國PP Systems公司產)于棉花生長的花鈴期至吐絮期測定棉花功能葉(倒3葉)的凈光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)測定時設置氣源CO2濃度為(410±5) μmol/mol，溫度控制在(23±3)℃，相對濕度為65%～75%。各小區以6株棉花葉片的均值作為最終測定值。

葉綠素含量：在各小區膜上棉花的中行及邊行分別選取生長一致的連續棉株5株，采用SPAD-502便攜式葉綠素測定儀，于棉花生長的蕾期至吐絮期測定棉花功能葉(倒3葉)的葉綠素含量，每小區測定10片葉片，3次重復。

1.2.2.4 干物質

從苗期至吐絮期，每個時期取樣1次，每小區選取長勢均勻具有代表性的6株棉花，按莖、葉、棉鈴等不同器官分開，放入電熱恒溫鼓風干燥箱105℃殺青30 min，80℃下烘至恒重，冷卻后稱干物質重。

1.2.2.5 產量

在棉花收獲時期調查各小區的實際收獲株數及鈴數，并在每個小區拾取棉株上部吐絮棉鈴30朵，中部吐絮棉鈴40朵，下部吐絮棉鈴30朵，共計100朵，稱量并計算棉花的單鈴重和衣分，重復3次。根據棉花產量構成，計算各小區籽棉產量和皮棉產量。

1.3 數據處理

采用 Microsoft Office 2016和SPSS19. 0進行數據統計及分析，用最小顯著差異法( LSD) 檢驗平均數(P<0.05)，用prism進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同棉花品種生育進程的比較

研究表明,金棉18的生育期最短，為120 d，較其它棉花品種提前2～4 d。合信63的生育期最長，為124 d。各參試品種播種至出苗天數為10～12 d，其中惠遠720和合信63出苗相對較晚。各參試品種從出苗到初花需要59～62 d，從初花到吐絮需要60～63 d，金棉18開花最早，其次是新陸早50號，新陸早71號出苗至初花歷時最長，而初花至吐絮歷時最短，表明該品種開花和吐絮相對集中。表3，表4

表3 不同品種棉花生育時期的比較(月/日)

Table 3 Comparison of growth period of different varieties of cotton (m/d)

品種Variety出苗Emergence現蕾Bud初花Early flowering盛花Full flowers盛鈴Full bolls吐絮Opening bolls新陸早50號Xinluzao505/36/57/27/118/19/2新陸早57號Xinluzao575/36/67/37/127/309/1新陸早71號Xinluzao715/36/77/57/128/29/3金棉18Jinmian185/26/46/307/87/268/30惠遠720Huiyuan7205/46/67/47/128/29/4合信63Hexin635/46/77/57/138/39/5

2.2 不同棉花品種農藝性狀的比較

研究表明,各參試棉花品種的株高變動范圍在 74.6～81.5 cm，其中金棉18的株高最高，為81.5 cm，其次為新陸早71號，為80.1 cm，新陸早50號株高為74.6 cm，增加地面至子葉節高度后，新陸早50號的株高可達到75 cm以上。各參試棉花品種的始果節位在5.4～6.4節，始果高度在20 cm以上，參試的6個棉花品種均符合機械采收對株高、始果節高度以及始果節位的要求。單株果枝數變動范圍在8.5～9.2臺，果枝臺數最多的是新陸早71號，為6.3臺，其次是合信63，為6.2臺，其它品種均在8.5～8.9臺。果枝夾角變動范圍為50.2～62.0。果枝夾角大小為金棉18>新陸早50號>合信63>新陸早71號>惠遠720>新陸早57號，果枝夾角越小越有利于機采，其中果枝夾角適中，株型緊湊的品種為新陸早71號、合信63。各棉花品種平均果枝長度變化范圍為9.8～19.9 cm，最長的是金棉18，最短的是新陸早57號。各棉花品種莖粗范圍在9.4～10.1 cm，莖粗大小為金棉18>新陸早71號>合信63>新陸早50號>新陸早57號>惠遠720，莖粗越大越抗倒伏。表5

表4 不同品種棉花生育階段比較

Table 4 Comparison of growth stages of different varieties of cotton (d)

品種Variety出苗-現蕾Emergence-bud現蕾-初花Bud-Earlyflowering初花-盛花Early flowering-Full flowers盛花-盛鈴Full flowers-Full bolls盛鈴-吐絮Full bolls-Opening bolls出苗-初花Emergence-Early flowering初花-吐絮Early flowering-Opening bolls生育期Growthperiod新陸早50號Xinluzao503327921326062122新陸早57號Xinluzao573427918336160121新陸早71號Xinluzao713529721326360123金棉18Jinmian183326818355962120惠遠720Huiyuan7203528821336162123合信63Hexin633529821366263124

表5 不同品種棉花主要農藝性狀比較

Table 5 Comparison of main agronomic traits of different cotton varieties

品種Variety株高Plantheight(cm)果枝數Number fruit branch(臺)始果節位Starting fruit node(節)始果枝高Branch High envoy(cm)果枝夾角Fruit branch angle(度)平均果枝長度Average fruit length(cm)莖粗Stem thick(mm)新陸早50號Xinluzao5074.6c8.7a5.5b20.2d60.3a16.1b 9.5a新陸早57號Xinluzao5775.9bc8.9a5.4b23.5bc50.2c9.8e 9.5a新陸早71號Xinluzao7180.1a9.2a6.2ab25.6a55.7b13.4c 9.9a金棉18Jinmian1881.5a8.5a5.9a22.1c62.0a19.9a 10.1a惠遠720Huiyuan72077.8bc8.8a6.3a24.9b52.5c11.5d 9.4a合信63Hexin6378.3ab9.1a6.4a25.3a56.7b13.7c 9.8a

注: 同列不同字母表示差異達 5% 顯著水平，下同

Note: Different small letters in a column mean significant at 5% leves，the same as below

2.3 不同棉花品種凈光合速率Pn的比較

研究表明,各棉花品種凈光合速率(Pn)值隨著生育進程的推進呈先升后降的趨勢。新陸早71號在吐絮期仍有較高的Pn，且與新陸早50號、新陸早57號、惠遠720差異顯著(P<0.05)，生育后期新陸早71號仍較高的生產有機物能力,不早衰。圖1

注：FS：盛蕾期；FF：盛花期；FB：盛鈴期；BO：吐絮期。下同

Note: FS:full squaring stage；FF: full flower stage；FB: full boll stage；BO: boll opening stage. The same as the following figure

圖1 不同棉花品種凈光合速率Pn變化

Fig. 1 Changes in net photosynthetic ratePnof different cotton varieties

2.4 不同棉花品種葉面積指數的比較

研究表明,隨生育進程的推移，各品種棉花葉面積指數(LAI)呈先增長后絳低的趨勢，不同棉花品種在各生育時期均存在差異。盛蕾-盛鈴期，金棉18、新陸早71號、合信63的LAI值均顯著高于其它棉花品種，盛鈴期后營養生長停滯，從盛鈴期至吐絮期呈下降趨勢，棉株冠層下部的葉片逐漸進入功能衰退期甚至衰老死亡，綠色葉片數量減少，葉面積降低，光合性能減弱。新陸早71號和合信63在吐絮期仍保持較高水平，更好的保證了生育后期光合作用的順利進行。新陸早71號、合信63的LAI更為合理，有利于塑造良好的冠層結構，提高光能利用率。圖2

圖2 不同棉花品種葉面積指數LAI的變化

Fig. 2 Changes in leaf area index LAI of different cotton varieties

2.5 不同棉花品種SPAD值的比較

研究表明,隨著生育進程的持續，各品種棉花的葉綠素含量呈先增加后下降的趨勢，盛蕾期各棉花品種SPAD值較低，無顯著差異。盛鈴期，新陸早71號SPAD值高于其它棉花品種，但差異不顯著，吐絮期，新陸早71號和合信63維持較高的SPAD值，其中新陸早71號與新陸早57號差異顯著(P<0.05)。圖3

圖3 不同棉花品種葉綠素含量SPAD變化

Fig. 3 Changes in chlorophyll content SPAD of different cotton varieties

2.6 不同棉花品種干物質積累的比較

研究表明,不同棉花品種的營養器官和生殖器官干物質積累與分配比例隨著生育進程的推移而逐漸增加，盛蕾期是棉花營養生長和生殖生長同時進行的時期，但此時仍以營養生長為主，各棉花品種干物質積累量差異不顯著。盛鈴期后生殖生長迅速，干物質積累比例不斷增加，且主要向棉鈴分配。各棉花品種總干物量表現為金棉18>新陸早71號>合信63>惠遠720>新陸早50號>新陸早57號；各棉花品種生殖器官干重表現為：新陸早71號>金棉18>新陸早50號>合信63>新陸早57號>惠遠720。各品種間金棉18的干物質積累總量最大，但新陸早71號生殖器官干物質量最高，該時期金棉18營養生長過旺，干物質積累量大，但干物質向生殖器官分配速率較新陸早71號慢。吐絮期，新陸早71號干物質積累量最大，同時干物質向棉鈴分配的量也最高，更多的干物質分配到生殖器官為獲得高產奠定基礎。生殖器官干物質積累量表現為新陸早71號>合信63>金棉18>惠遠720>新陸早50號>新陸早57號。新陸早71號干物質積累與分配有較突出的優勢。圖4

圖4 不同棉花品種地上部干物質積累與分配

Fig. 4 Dry matter accumulation and distribution in the upper part of different cotton varieties

2.7 不同棉花品種產量及產量構成因素的比較

研究表明,單株結鈴數最高的是新陸早71號，為6.8個，其次是合信63，單株結鈴數最少的是新陸早57號，僅有5.8個。各棉花品種單鈴重范圍在5.4～6.0 g，單鈴重最大的是金棉18，為6.0 g，其次是新陸早71號和合信63，單鈴重分別為5.9 和5.8 g，單鈴重最小的是新陸早50號，為5.4 g。衣分最高的是金棉18，衣分為44.9%，與其它棉花品種差異顯著(P<0.05)，各棉花品種衣分大小順序為金棉18>新陸早71號>新陸早50號>合信63>新陸早57號>惠遠720。新陸早71號籽棉產量和皮棉產量最高，分別為7 836.7和3 398 kg/hm2，其次為合信63，籽棉產量和皮棉產量分別為7 244和3 117.8 kg/hm2。表6

表6 不同品種棉花產量及產量構成因素比較

Table 6 Comparison of yield and yield components of different cotton varieties

品種Variety收獲株數Plant number(104株/hm2)單株結鈴數Boll number per plant(個/株)單鈴重 Single Boll weight (g)衣分Lint percentage (%)籽棉產量Seed cotton yield(kg/hm2)皮棉產量Lint cotton yield(kg/hm2)新陸早50號Xinluzao5019.6a6.2b5.4b43.2b6 563.3cd2 832.1c新陸早57號Xinluzao5719.6a5.8b5.6b42.3bc6 361.2d2 689.5d新陸早71號Xinluzao7119.5a6.8a5.9a43.4b7 836.7a3 398.0a金棉18Jinmian1819.5a 5.9b6.0a44.9a6 918.9bc3 108.0b惠遠720Hulyuan72019.6a6.2b5.6b41.3c6 825.9c2 817.1c 合信63Hexin6319.5a6.4ab5.8ab43.0b7 244.0b3 117.8b

3 討 論

3.1 不同棉花品種農藝性狀的比較

在栽培措施相同的情況下，不同棉花品種的農藝性狀主要受其自身的遺傳性質的影響[11]。有研究發現機采棉株高、第1果枝高度、果枝始節等機采性狀有極顯著正相關關系，這為早熟機采棉在生長前期快速生長發育適合機采又高產提供了有利的遺傳基礎[12]。趙會薇[4]總結適于大面積推廣的機采棉花品種要高產、穩產、早熟性好，生育期120 d左右，機械采收要求棉花品種的株型要較緊湊抗倒伏，株高應控制在75～85 cm。在試驗研究條件下，參試的6個棉花品種生育期在120～124 d，符合機械采收對棉花品種早熟的要求，株高變動范圍在74.6～81.5 cm，新陸早50號株高相對略低，但株高這一性狀可受栽培管理和化學調控，做到農藝適合農機。果枝始節高是判斷棉花是否利于機采的一個重要指標[13,14]，適宜機采的棉花品種，其果枝始節高在20 cm以上。6個棉花品種的始果高度在20.2～25.6 cm，始果節位在5.4～6.4節，果枝夾角在62°以內，新陸早57號的果枝夾角最小，平均果枝長度最短，株型較緊湊；金棉18 的果枝夾角最大，平均果枝長度最長，株型相對松散。6個棉花品種中，新陸早71號和合信63的果枝夾角和平均果枝長度較為適中，莖粗較粗，株型緊湊、抗倒伏。綜合比較6個參試品種的8個主要農藝性狀，新陸早71號和合信63更符合機采要求。

3.2 不同棉花品種光合特性及光合物質生產的比較

光合作用是作物進行一切生命活動的生理代謝基礎，較高的光合生產力是棉花獲得更高干物質、進一步增產的必要條件，凈光合速率(Pn)的高低直接決定了作物產量的高低。合理的冠層結構是實現作物高產高效的基礎[15-16]。冠層光合作用能為作物提供90%～95%的干物質[17]。前人研究表明，不同基因型棉花品種在棉田透光條件、葉面積、各生育時期光合速率及其產量上有明顯差異，薛惠云等[18]研究得出百棉1號生育后期總葉綠素含量、Pn仍較高，葉片的生理狀況優于其他4個基因型棉花品種，其合理的群體結構、高效的光合速率配合后期葉片良好的生理狀況，是百棉1號實現高產穩產的原因。張娟等[19]分析了小麥冠層結構與產量及其構成因素的相關性，結果表明，合理的冠層結構，可以提高產量。葉面積指數(LAI)是衡量棉花群體冠層結構是否合理的重要指標之一[7]。合理的葉面積動態和數值是實現棉花高產的重要保證。研究中，盛蕾-盛鈴期，金棉18、新陸早71號、合信63的LAI值均顯著高于其它棉花品種，新陸早71號和合信63在吐絮期仍保持較高LAI值水平。葉片葉綠素含量的消長是反映葉片生理活性變化的重要指標之一，與葉片光合機能大小有著密切聯系。有研究表明，棉花葉片SPAD值與Pn呈線性相關，研究盛鈴期葉綠素SPAD值達到最大時葉片的Pn也最高。隨著葉片的衰老，SPAD值逐漸變小，同時Pn降低，與前人研究結果一致。對參試品種的光合特性進行比較，新陸早71號、合信63的LAI更為合理，有利于塑造良好的冠層結構，生育后期仍有較高的SPAD值和Pn，延長了葉片光合功能期，保證棉株群體光合生產力高效平穩進行，利于干物質積累。產量形成過程是光合產物累積及分配的過程，作物高產是以高的生物量為基礎的，棉花不同生育期生物量的累積直接影響棉花產量的形成。研究發現，盛花至盛鈴期，金棉18的莖葉干重比例較大，而新陸早71號的生殖器官積累量最多，新陸早71號的光合產物向生殖器官轉換比例大，轉移速率快。合理的冠層結構，較高的光合生產力，更多的干物質分配到生殖器官為新陸早71號獲得高產奠定良好的物質基礎。

3.3 不同棉花品種產量及產量構成因素的比較

棉花的產量構成主要由單位面積的收獲株數、單株結鈴數、單鈴重、衣分所決定[20]。其中單株鈴數對產量的貢獻最大，其次是單鈴重和衣分。試驗表明，新陸早71號單株結鈴數最多，合信63次之。金棉18的單鈴重和衣分最大，而單株結鈴數較少，可能是因為金棉18生育前期棉株個體長勢強勁，在盛花期至盛鈴期營養生長旺盛，LAI值水平高，群體郁閉不利于下層葉片截獲光照，阻礙下部棉鈴的生長[18]。6個參試品種中新陸早71號的籽棉產量和皮棉產量均為最高，該品種冠層結構合理，光合效率高以及較高的生物量積累，詮釋了該品種高產的原因。

4 結 論

4.1 金棉18的生育期較其它棉花品種提前2～4 d，且棉株個體長勢強勁；在株高、始果節高度、始果節位、莖粗等主要農藝性狀方面，新陸早71號、合信63的表現更優于其它品種，且株型緊湊、不易倒伏，更利于后期機械采收。

4.2 新陸早71號、合信63在整個生育期有較高的Pn和SPAD值，LAI也更為合理，能保證棉株群體光合生產力高效平穩進行，有利于干物質的積累。

4.3 單株結鈴數、籽棉產量、皮棉產量最高的棉花品種為新陸早71號。對6個棉花品種的生育進程、農藝性狀、光合特性、光合物質生產以及產量性狀進行比較，新陸早71號綜合表現較優，為適宜北疆棉區機械采收的棉花品種。