超高產優質棉花品種新陸中42生理特征及產量結構的研究

彭延 彭小峰 蔡志平 劉素華 龔舉武 張選 袁有祿

摘要 [目的]為全面了解超高產棉花品種的特征特性，實現較好的棉花生產效益，更好地服務于南疆棉花生產，為超高產品種的選育提供借鑒。[方法]以新陸中42號為材料，2017—2018年在棉花生長發育期分別測定棉花株高、光合速度、水分蒸騰、水分利用率、CO2變化、濕度、光照、葉溫、冠層結構、產量形成、葉綠素含量及其鈴在棉株空間上的分布等主要因素變化。[結果]不同生育時期棉花主莖葉片光合速率（Pn）以盛蕾期最高;果枝葉片光合速率以盛鈴期最高，果枝葉片光合速率低于同期主莖葉片光合速率;SPAD值呈波浪狀，葉色表現“三黃三黑”;水分利用率主莖葉片和果枝葉片的變化趨勢基本相同，呈先上升后下降再上升再下降的變化曲線，7月5日調查時主莖葉片和果枝葉片的水分利用率均為最高;棉花主莖葉片和果枝葉片的葉溫變化趨勢基本一致，在花鈴期時葉片溫度較高，但果枝葉葉溫一般較主莖葉低0～2.0 ℃;相同部位不同時期表現淺U型曲線，花鈴期是棉花吸收大量CO2的時期。棉花單株結鈴8.55個，以植株主莖節位作為棉株空間結構分類參考量，按照有序樣本最優分割為5個段數，結鈴部位主要集中在第5～10主莖節位;果枝第一節位結鈴7.55個;棉鈴脫落主要集中于主莖第5～13節位。[結論]應加強選育高光合、理想株型、后期功能型的高產優質新品種;實現棉花生物學產量與經濟系數的同步提高;栽培上在狠抓成鈴總數的同時注重增加鈴重，在最佳結鈴期內提高結鈴強度;建立棉花超高產向光要產和向溫要產的栽培技術體系。

關鍵詞 超高產;光合速度;SPAD值;水分利用率;結鈴

中圖分類號 S562文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）08-0049-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.08.013

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on Physiological Characteristics and Yield Structure of Super-high Yield Cotton Variety Xinluzhong 42

PENG Yan1， PENG Xiao-feng1， CAI Zhi-ping2 et al （1.Institute of Agricultural Sciences of the Third Division， Tumushuke， Xinjiang 843900;2. Shihezi University， Shihezi， Xinjiang 832000）

Abstract [Objective]To understand the characteristics of super-high yield cotton variety feature，to achieve better cotton production benefits，to providc better service for cotton production in southern Xinjiang，and to provide reference for breeding super-high yield cotton varieties.[Method]In 2017 and 2018， with Xinluzhong 42 variety as the research material， the main factors of cotton growth and development were measured， such as plant height， photosynthetic rate， water transpiration， water use efficiency， CO2 change， humidity， light， leaf temperature， canopy structure， yield formation， chlorophyll content and spatial distribution of bolls. [Results]The photosynthetic rate （Pn） of the main stem leaves of super-high-yield cotton in different growth periods was the highest in the full bud period;the photosynthetic rate of the fruit branch leaves was the highest in the full boll period， and the photosynthetic rate of the fruit branch leaves was lower than that of the main stem leaves in the same period;the SPAD value was wavy， and the leaf color showed “three yellow and three black”;the change trend base of the water use rate of the main stem leaves and the fruit branch leaves in the same way， the water use efficiency of main stem leaf and fruit branch leaf was the highest on July 5. The leaf temperature of cotton main stem leaf and fruit branch leaf was basically the same. The leaf temperature of cotton main stem leaf and fruit branch leaf was higher at flowering and bolling stage， but the leaf temperature of fruit branch leaf was generally 0-2.0 ℃ lower than that of main stem leaf. In the same part， the shallow U-shaped curve appeared at different stages. The boll period was the period when cotton absorbing a lot of CO2. There were 8.55 bolls per plant， and the main stem nodes were used as the reference for the spatial structure classification of cotton plants. According to the ordered samples， the bolls were divided into 5 segments. The bolls were mainly at the 5th to 10th nodes of the main stem， 7.55 at the first node of the fruit branch， and the bolls fall off is mainly at the 5th to 13th nodes of the main stem. [Conclusions]We should strengthen the breeding of high-yield and high-quality new varieties with high photosynthetic rate， ideal plant type and later functional type;realize the simultaneous improvement of biological yield and economic coefficient of cotton;pay attention to the increase of boll weight while grasping the total number of bolls in cultivation;improve the boll intensity in the best boll setting period;establish the cultivation technology system of super-high-yield cotton to light and temperature.

Key words Super high yield;Photosynthetic rate;SPAD value;Water use efficiency;Bolling

2019年全國棉花總產量588.9萬t，新疆棉花產量500.2萬t，占全國產量的84.9%[1]。新疆屬于典型的大陸性干旱氣候區，降雨量少，日照充足，熱量豐富，有利于棉花的生長。自20世紀90年代中期以來，新疆棉區成為全國棉花的優勢產區，經過幾十年的發展，已成為我國最大的優質棉生產基地。通過不斷地實踐與摸索，形成了以增加單位面積及增加內圍鈴數和總成鈴的“矮、密、早、膜”技術路線，建立了在地膜覆蓋保護和高密度栽培條件下高產、早熟、優質的栽培技術體系。近幾年隨著棉花生產的迅猛發展，新疆連年涌現出大面積高產超高產典型，目前由于棉花超高產的理論研究滯后于大田生產，導致了實現超高產的隨意性大、重演性小，而闡明超高產棉花生理特征及產量結構對新疆棉花超高產栽培技術體系的建立有重要意義[2-6]。

近年來，國內外學者對棉花生理特征及產量結構有大量研究[7-13]。馮國藝等[14]研究表明，超高產棉花形成的生理基礎在于，盛花期至盛鈴后期主莖中上部節間長，葉層間隙及葉傾角大，中下部葉面積指數分布比例高，葉片群體光合速率高且在冠層垂直方向呈均勻分布;吐絮期上層葉面積指數和葉片群體光合速率下降緩慢，棉鈴空間分布與葉片群體光合速率的空間分布相吻合，葉鈴關系協調。張旺鋒等[15]研究了高產棉田棉花光合日變化及呼吸作用，結果表明高產棉花光合作用及呼吸作用明顯高于中低產棉田;李蒙春等[16]對新疆棉花超高產光合性能研究表明，花鈴期至吐絮期群體光合速率變化單峰性曲線，盛鈴期達到最大值。羅宏海等[17]在不同土壤水分、種植密度條件下研究了高產棉花光合作用及棉鈴干物質積累，認為在一定土壤水分、合理密植的條件下棉鈴的干物質積累與光合作用的高低有明顯的關系。但是前人的研究大多是在高產棉花的生產水平下，進行棉花生理特征等的研究。鑒于此，針對超高產優質棉花品種新陸中42號的皮棉單產達到4 300kg/hm2水平，筆者在主要生育期內對超高產棉花的生理特征及產量結構進行研究，探討4 300kg/hm2超高產棉田的生理特征及產量結構，提出超高產棉花在各主要生育期的生理指標，揭示超高產棉田生理特征與超高產的關系，為新品種選育提供參考，為大面積超高產棉花栽培技術推廣的制定提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況 試驗于2017和2018年在大田創建超高產試驗示范田進行。試驗地設在第三師44團14連，試驗地有機質12 g/kg，速效氮46 mg/kg，速效磷26 mg/kg，速效鉀186 mg/kg，示范田冬灌和春灌，基施尿素150kg/hm2，磷酸二胺300 kg/hm2，硫酸鉀150 kg/hm2，自2葉期始每15 d全生育期化學調控。生育期水肥一體化管理，總滴施尿素450 kg/hm2，磷酸一胺600 kg/hm2，硫酸鉀150 kg/hm2。

1.2 材料試驗 試驗以棉花品種新陸中42號提高系為材料。

1.3 方法 應用SPAD-502 葉綠素儀和植物光合作用測定儀3051C每10 d于12：00開始測量，采用棋盤式5點測量連續20株，求平均值。進行產量及其構成因素測定。

1.3.1 葉片光合速率。

棉花生長發育過程中各種環境條件適合（只有光和CO2都飽和條件下）時測定光合速率，以單位時間、單位光合機構（干重、面積或葉綠素）固定的CO2、釋放的O2或積累的干物質的數量表示。

1.3.2 葉綠素SPAD值。

SPAD-502 葉綠素儀可以即時測量植物的葉綠素相對含量或“綠色程度”，從而可以了解植物真實的硝基需求量并且幫助了解土壤硝基的缺乏程度或是否過多地施加了氮肥，該值為相對值。

1.3.3 水分蒸騰。

氣孔的張開和閉合可以調節蒸發蒸騰作用，使棉花體內保持適量的水分。影響氣孔的張開和閉合的外界條件有光照和溫度，一般在晴朗無風的夏天，土壤水分供應充足，蒸發蒸騰作用強烈，而在陰雨天氣蒸發蒸騰作用比較弱。

1.3.4 水分利用率。棉花植株蒸散消耗單位重量水所制造的干物質量，計算公式為水分利用率=光合速率/蒸騰速率。

1.3.5 葉片葉溫。溫度與作物生長的關系密切，為在研究棉花熱量平衡、光合作用、呼吸作用、蒸騰作用及極端溫度危害時，用儀器測量葉溫更加準確、客觀，棉花植株體中熱量的得失和葉溫的變化不僅取決于環境溫度，還和棉花植株體本身與周圍環境進行熱量交換有關。以葉溫估算作物葉面蒸騰，棉花蒸騰作用與葉溫之間大致呈線性關系，蒸騰作用大，葉溫低;蒸騰作用小，葉溫高，這間接反映了棉花植株生理強弱。

1.3.6 CO2濃度。CO2是棉花光合作用的原料，當空氣中CO2濃度較低時，棉花的光合速率會隨著CO2濃度的增加而提高。對棉花不同部位CO2濃度進行測量，了解其變化規律，為高效生產提供依據。

2 結果與分析

2.1 超高產棉花農藝性狀的調查 由于前期氣溫偏低，棉花生長較慢，因此棉花的株高和主莖葉片相對較低，不利于棉花后期的生長發育。由表1可知，隨著生育期的推進，氣溫逐漸提高，從6月份開始棉花生長較快，7月中旬左右生長速度減緩。棉花6月開始顯蕾，6月下旬至7月上旬大量現蕾，7月進入花期，8月開花量逐漸下降，結鈴大量集中在7月。特別是在棉花營養生長和生殖生長重疊期的時期內，植株一方面在不斷發葉、長枝、增節，另一方面在不斷現蕾、開花、結鈴。就棉株本身來說，營養器官與生殖器官既相互依存，又相互矛盾。穩健的營養生長是正常生殖生長的基礎，沒有良好的營養生長，搭不好豐產架子，也就不可能有良好的生殖生長，不能多現蕾、多開花結鈴。

2.2 超高產棉花的生理特征

2.2.1 超高產棉花光合速率的變化。

由圖1可知，不同生育時期超高產棉花主莖葉片光合速率（Pn）的測定結果為盛蕾期>苗期>鈴期>花鈴期>吐絮期，整個生育期中盛蕾期的光合速率最高;果枝葉片光合速率的測定結果為盛鈴期>花鈴期>花期>吐絮期，整個生育期中盛鈴期的光合速率最高。在棉花的栽培過程中，果枝葉片光合速率低于同期主莖葉片光合速率，保護和利用果枝葉片十分必要，特別是在噴施縮節胺調控過程中，高濃度噴霧限制了頂部有效葉的生長，不利于結蓋頂桃。在棉花生長的花鈴期，應采用科學的管理辦法，協調好營養生長和生殖生長之間的矛盾，使營養生長源源不斷地為生殖生長提供結鈴的空間和營養，促進棉株多結鈴、結大鈴;另外，通過棉株不斷地開花結鈴，不斷地消耗肥水和碳水化合物，生殖生長又能促進營養生長的穩健進行，這一特性為實現棉花超高產栽培奠定了物質基礎。

2.2.2 棉花葉片SPAD值變化。由圖2可知，超高產棉田棉花葉綠素含量隨生育進程的推移不斷變化，棉花苗期SPAD值較低，蕾期SPAD值先呈上升趨勢后又逐漸下降，進入花期后，SPAD值呈現出先上升后下降再上升的變化趨勢，表現出棉花栽培過程中“三黃三黑”棉花葉綠素的變化。利用肥水調控，加之縮節胺適時適量，對于塑形十分必要。

2.2.3 超高產棉花葉片水分蒸騰及水分利用率。

由圖3可知，在不同生育的時期，鈴期前除7月5日主莖葉水分蒸發量為247 mg/（dm2·h）外，其他都在400 mg/（dm2·h）以上，7月25日以后主莖葉水分蒸發隨著棉株生理功能下降而下降，具體表現為花鈴期>蕾期>吐絮期;在生殖生長時期，果枝葉片水分蒸發呈近拋物線，花鈴期有效葉水分蒸發最高為492 mg/（dm2·h），后期果枝葉片水分蒸發隨著棉株生理功能下降而降低，表現為花鈴期>吐絮期>蕾期。

由圖4可知，水分利用率主莖葉片和果枝葉片的變化趨勢基本相同，呈先上升后下降再上升再下降的變化曲線，7月5日調查時主莖葉片和果枝葉片的水分利用率均為最高，之后由于進入花鈴中后期，氣溫相對較高，生態需水量也隨之增大，因此水分利用率也開始下降，7月25日調查時水分利用率均為最低，主莖葉片水分利用率為39.5 mg/g，果枝葉片水分利用率為42.0 mg/g，到了吐絮期以后，水分利用率越來越低，整個生育期主莖葉片和果枝葉片的水分利用率總體表現為花鈴后期>吐絮期>花期>蕾期。

2.2.4 超高產棉花葉片葉溫的變化。

葉片是水分蒸騰的主器官，水分是葉溫調節重要介質。由圖5可知，超高產棉田棉花主莖葉片和果枝葉片的葉溫變化趨勢基本一致，都是隨著氣溫的變化而變化，主要表現在花鈴期葉片溫度較高，葉溫在33 ℃以上。果枝葉葉溫一般較主莖葉低0～2.0 ℃。

2.2.5 超高產棉田CO2濃度的變化。不同生育期的CO2濃度曲線測定結果表明，株頂1 m CO2濃度>株頂CO2濃度>株間CO2濃度，不同時期表現淺U型曲線，說明花鈴期是棉花吸收大量CO2的時期。前期因植株較小，不同部位CO2濃度變化不大;后期因植株衰老，不同部位CO2濃度變化也不大;差異最大為盛鈴期，除地面CO2濃度較高，其他空間CO2濃度較低，從而說明土壤微生物活動是CO2補充源。因此，棉花合理種植模式以及基施有機肥十分必要。

2.3 超高產棉花產量及其構成因子的變化

2.3.1 產量構成因子。由表2可知，棉株7個特征因子可描述各測量指標的大部分信息，而每個因子類別下的特征具有

一定的相關性，依托主莖節位作為棉株空間結構分類參考量，應用DPS9.50軟件通過有序樣本最優分割法，誤差函數為1.369 7，按5段數據最優分割分析結果是第4主莖節位、第5～9主莖節位、第10～11主莖節位、第12～13主莖節位、第14～16主莖節位。這說明第4主莖節位為1段，部分棉株可能發育成葉枝結鈴;第5～9主莖節位為前期天氣適宜、田間易管理和基肥作用成鈴條件好，結鈴多且雙鈴率高;第10～11主莖節位因中期氣溫升高、田間管理難度增加和與前期成鈴競爭養分，結鈴較多且雙鈴率下降，蕾鈴脫落最多;第12～13主莖節位因中期氣溫高、田間打頂作用和與前期成鈴激烈競爭養分，結鈴下降;第14～16主莖節位因鈴期氣溫高和與前期成鈴激烈競爭養分，頂部結鈴不易，也是高產的分水嶺。

2.3.2 產量。超高產棉花種植密度24.07萬株/hm2、實收株數21.37萬株/hm2、單株結鈴數8.55個/株、實收籽棉產量10 278.36 kg/hm2、皮棉產量4 331.30kg/hm2。結鈴部位主要集中在第5～9主莖節位，這些節位結鈴數顯著高于其他節位，第4節和倒3節位結鈴數較少;果枝第1節位結鈴7.55個，果枝第2節位結鈴0.97個，果枝第3節位結鈴0.03個;棉鈴脫落主要集中于主莖第5～13節位，第4節和倒1節位脫落較少。從棉株結鈴株式圖可以看出，超高產棉花結鈴位于中下部，以內圍鈴為主，倒3薹果枝結鈴比例低，在栽培過程中，由于多方面原因，倒3薹果枝甩辮子不充分，蓋頂桃少。

3 結論與討論

2019年新疆棉花產量繼續保持全國最高，雖較2018年下降2.1%，但占全國總產量比重同比增加1.1百分點，達84.9%[1，18]。新疆棉區是我國優質棉的優勢產區，棉花的單產潛力很大，品質優勢顯著，棉花一直是該區的主要經濟作物之一，是該區農民收入的重要來源。幾十年來，南疆植棉技術不斷創新，兵團棉花生產規模大，單產和品質在全國一直處于先進水平。新疆農業科學院經濟作物研究所李雪源研究員科研團隊提出植棉超高產的理論是“強株、塑形、爭光、補氣”栽培技術體系。

不同生育時期超高產棉花主莖葉片光合速率（Pn）以盛蕾期最高;果枝葉片光合速率以盛鈴期最高，在棉花的栽培過程中，果枝葉片光合速率低于同期主莖葉片光合速率;SPAD值呈波浪狀，葉色表現“三黃三黑”，表現地上地下交替生長規律;主莖葉水分蒸發幅度較大，果枝葉片水分蒸發較平穩，為較平的近拋物線，花鈴期值最大;水分利用率主莖葉片和果枝葉片的變化趨勢基本相同，呈先上升后下降再上升再下降的變化曲線，7月5日調查時主莖葉片和果枝葉片的水分利用率均為最高，7月25日調查時水分利用率均為最低;棉花主莖葉片和果枝葉片的葉溫變化趨勢基本一致，在花鈴期時葉片溫度較高，果枝葉葉溫一般較主莖葉低0～2.0 ℃;相同部位不同時期呈淺U型曲線，花鈴期是棉花吸收大量CO2的時期。依托主莖節位作為棉株空間結構分類參考量，通過有序樣本最優分割法[12]，誤差函數為1.369 7，按5段數據最優分割分析結果是第4主莖節位、第5～9主莖節位、第10～11主莖節位、第12～13主莖節位、第14～16主莖節位。棉花單株結鈴8.55個，結鈴部位主要集中在第5～9主莖節位;果枝第1節位結鈴7.55個，果枝第2節位結鈴0.97 個;棉鈴脫落主要集中于第5～13主莖節位，第4主莖節和倒3主莖節位脫落較少。從棉株結鈴株式圖可以看出，超高產棉花結鈴位于中下部，以內圍鈴為主，倒3薹果枝結鈴比例低[17]。

植棉超高產的理論內容如下：強株包括打破現有品種同質性、根系發達、生殖前移、生殖量大、蕾鈴高峰與新疆6—8月高能富照期同步;基于光特征的塑形技術包括四矮技術、生殖前移技術、高效葉、高效果節等塑型技術;爭光是每個單株長勢強、空間分布科學、光能利用率高、生產較大的生物量;補氣是通過科學株行配比、良好的耕作制度和增施有機肥，使棉花在光合作用過程中有充分的二氧化碳供應。應加強選育高光合、理想株型、后期功能型的高產優質新品種[19];實現棉花生物學產量與經濟系數的同步提高;栽培上在狠抓成鈴總數的同時注重增加鈴重，在最佳結鈴期內提高結鈴強度;建立棉花超高產向光要產和向溫要產的栽培技術體系[20]。

棉花超高產栽培的生物基礎包括棉花營養生長和生殖生長重疊時間長，棉花的自我調節能力強，具有廣泛適應性和超高產的可能性。棉花超高產栽培的生態基礎包括南疆充足的光照資源，豐富的熱量資源，設施滴灌技術確保合理的水肥供應，較長的無霜期，良好的土壤資源。棉花超高產栽培的生產基礎為一播全苗，精選種子和精量播種技術基本克服了個體與群體的矛盾，適時適度化控克服了營養生長與生殖生長的矛盾，科學的肥、水管理技術延長了棉花的有效結鈴期。

該研究未設對照品種，超高產栽培不同時期認識度各異，加之近年來由于以效益為中心和自然資源保護的影響，高光效品種資源研究滯后，對棉花超高產栽培研究不夠系統，今后應加強這方面的研究。

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