我國現代植棉理論與技術的新發展——棉花集中成熟栽培

聶軍軍，代建龍，杜明偉，張艷軍，田曉莉，李召虎，董合忠

我國現代植棉理論與技術的新發展——棉花集中成熟栽培

聶軍軍1，代建龍1，杜明偉2，張艷軍1，田曉莉2，李召虎2*，董合忠1*

1山東棉花研究中心，濟南 250100；2中國農業大學農學院，北京 100091

集中成熟是棉花機械收獲的基本要求，系指整株棉花的棉鈴集中在一個較短的時間段內成熟吐絮的現象，而集中成熟栽培則是指實現棉花優化成鈴、集中吐絮的栽培管理技術和方法。經過多年研究和實踐，我國棉花集中成熟栽培的理論和技術業已形成，成為現代植棉理論與技術的重要內容。本文對棉花集中成熟的概念與內涵、關鍵栽培技術及其生理生態學機理進行了創新性總結。棉花集中成熟栽培要從播種開始，通過單粒精播技術實現一播全苗、壯苗，為集中成熟創造穩健的基礎群體；在全苗壯苗基礎上，以集中成熟為目標，根據當地的生態條件和生產條件，綜合運用水、肥、藥調控棉花個體和群體生長發育，構建集中結鈴的株型和集中成熟的高效群體結構，實現優化成鈴、集中吐絮。單粒精播能夠創造適宜的頂土壓力和出苗前的黑暗環境，誘導棉苗頂端彎鉤形成和下胚軸增粗關鍵基因表達，促進彎鉤形成、下胚軸穩健生長和頂土出苗；出苗后具有獨立的生長空間，相互影響小，形成壯苗。密植與化控降低了葉枝葉的光合作用，誘導激素代謝關鍵基因表達，改變了內源激素含量和分布，抑制了葉枝和主莖頂端生長，實現了免整枝并促進了集中結鈴；分區灌溉誘導葉片合成大量茉莉酸，其作為信號分子通過韌皮部運輸到灌水區根系，促進水孔蛋白基因表達，提高了根系吸水能力和水分利用率；膜下分區滴灌、水肥協同管理，進一步提高了棉花光合產物向產品形成器官的分配比例和棉株化學脫葉率，促進了集中成熟和高效脫葉，在節水減肥的前提下，產量不減，機采籽棉含雜率顯著降低。棉花集中成熟栽培理論與技術是新時代棉花栽培學研究的新成果，是現代棉業發展的重要科技支撐。展望未來，應在深入研究棉花集中成熟栽培生理生態學機制的基礎上，選用更加配套的棉花新品種，創新關鍵栽培技術，研制新的配套物質裝備，促進良種良法配套、農藝農機高度融合。同時，還應加強農藝技術與現代智慧植棉技術的有機結合，進一步提高棉花集中成熟栽培的科學性和有效性，為輕簡高效植棉提供更加有力的理論和技術支撐。

棉花；集中成熟；高效群體；優化成鈴；高效脫葉；栽培技術

棉花原產于熱帶和亞熱帶地區，是多年生植物，經過在暖溫帶長期種植馴化，演變成一年生作物。因此，它既有一年生作物生長發育的普遍規律，又保留了多年生植物無限生長的習性[1]。只要溫、光、水等條件適宜，棉株就會不斷現蕾、開花、結鈴，導致傳統栽培棉花的吐絮成熟期（棉株第一個棉鈴開裂吐絮到絕大多數棉鈴吐絮）長達70—90 d，需要人工收獲4—7次[2-3]。但近10多年來，隨著經濟社會發展和城鎮化進程加快，我國農村勞動力數量減少、質量下降，改人工采摘為機械采收已是大勢所趨，而機械采收的前提則是集中成熟吐絮[4]。棉花集中成熟是指整株棉花的棉鈴集中在一個較短時間內吐絮成熟的現象。對具有無限生長習性的棉花而言，特別是在自然條件較差、種植制度復雜、產量目標要求頗高的中國主要產棉區，實現集中成熟的難度很大，一度成為全程輕簡化、機械化植棉“卡脖子”的難題。面對發展機采棉的迫切需求，我國棉花科技工作者因地制宜，創建了適宜不同棉區的獨具中國特色的棉花集中成熟栽培技術，并對棉花集中成熟栽培理論進行了較為系統的研究，為我國棉花輕簡化栽培、機械化采收提供了堅實的理論和技術支撐[4]。本文以筆者在該領域的研究成果為主，結合國內外其他相關研究，就棉花集中成熟栽培技術及其機理作一創新性總結，為輕簡高效植棉高質量發展提供理論和技術支持。

1 棉花集中成熟栽培的背景與概念

我國長江和黃河流域棉區傳統栽培的棉花結鈴時空分布比較分散，導致吐絮成熟期長達2—3個月，植株高大，外圍鈴較多，不利于集中收獲或機械采摘[4]；西北內陸棉區采用密植矮化栽培，雖然能夠實現相對集中結鈴，但脫葉效果較差，機采籽棉含雜率常在12%以上[5]，嚴重影響機采棉的質量。棉株集中在一個較短的時間段內成熟吐絮并高效脫葉是機械采摘的前提。

1.1 棉花集中成熟栽培產生的背景

棉花具有其他大宗農作物所不具備的生物學特性，如喜溫好光、無限生長、結鈴自動調節和補償能力強等[1]，我國人多地少和以往農業生產不計人工成本的狀況與習慣，導致傳統棉花栽培一直走精耕細作的道路，特別是收獲環節，人工采摘4—7次，雖然費工費時，但棉花含雜率低、品質較好[6]。因此，傳統精耕細作栽培對棉花是否集中成熟沒有要求，結鈴分散、吐絮成熟期長反而有利于勞動力的安排，適合一家一戶的小農生產。

隨著經濟社會快速發展和城鎮化進程加快，我國農村青壯年勞動力大量流失，留在農村從事農業生產的勞動力呈現出老齡化、婦女化和兼職化的特征[7]。加之農村雇工費用大幅度增長，一家一戶的分散經營模式和勞動密集的精耕細作栽培管理技術不僅不適應當前棉花生產的發展，更成為今后棉花生產可持續發展的嚴重障礙。盡管我國西北內陸棉區采用密植矮化栽培，實現了相對集中結鈴，但是受群體密度過大、行株距配置不合理、水肥投入多等因素的影響，棉田脫葉效果差，機采籽棉含雜率常在12%以上[5]，嚴重影響了機采棉的質量。因此改革傳統生產經營方式和栽培管理技術，特別是優化株行距配置、肥水調控等，創建集中成熟、高效脫葉的棉花群體，并最大限度地用機械代替人工，實行規模化、機械化和集約化植棉，簡化種植管理程序、減少作業次數、減輕勞動強度，實現棉花生產的輕便簡捷、節本增效是我國棉花生產高質量、可持續發展的必由之路[3]。輕簡高效植棉最難的環節是采收的輕簡化、機械化，也就是集中吐絮和機械采摘問題。因此，實現棉鈴優化分布、集中吐絮成熟成為輕簡高效植棉研究的重點。

1.2 集中成熟栽培的概念和內涵

棉花集中成熟是指整株棉花的棉鈴集中在一個較短的時間段內成熟吐絮的現象[3]。棉花集中成熟栽培則是指實現棉花優化成鈴、集中吐絮的栽培管理技術及其理論依據。總結起來，棉花集中成熟具有四方面內涵。

一是集中成熟是一個相對的概念。集中成熟就是要求吐絮成熟期盡可能縮短。就整株棉花而言，成熟期或吐絮期通常是指一棵棉花第一個棉鈴吐絮到最后一個棉鈴（或絕大多數棉鈴）吐絮完成所需要的天數；就整塊棉田而言，則是指一塊棉田50%棉株上的第一個棉鈴吐絮到50%棉株的最后一個棉鈴（或絕大多數棉鈴）吐絮所需要的天數。吐絮成熟天數越短，集中成熟程度越高，越便于集中或機械采摘。但是，吐絮成熟期的長短沒有統一的規定，集中成熟是相對于傳統栽培棉花結鈴吐絮分散、成熟期過長而言的，是一個相對的概念。

二是集中成熟與早熟的關系。早熟也是集中成熟的一個重要指標和基本要求，即在有效生長季節內棉鈴盡可能早的吐絮成熟，完成生活周期。我國主要產棉區要么熱量條件十分有限，要么實行兩熟甚至多熟制，需要及時騰茬，因此對棉花早熟的要求十分嚴格[8]。實現棉花早熟，一來可以避免棉花生育后期害蟲或低溫早霜對產量、品質的影響，二來對于兩熟或多熟種植系統，能夠為后茬作物的播種爭取時間。對于機采棉而言，采摘前需要化學脫葉催熟，早熟既是減少脫葉催熟所致棉花產量損失的重要途徑，也是提高脫葉率的根本保證。由此可見，早熟是機械采收的必然要求，無論是一年一熟還是兩熟種植都必須強調早熟。吐絮“早而集中”是集中成熟、機械采收的基本要求。

三是集中成熟與優化成鈴的關系。棉花產量和纖維品質的形成是通過棉株不斷結鈴實現的，受結鈴時間、棉鈴所處空間部位及棉株生理年齡等因素的顯著影響。優化成鈴就是要求棉株在最佳結鈴期、最佳結鈴部位和最優生理狀態時多結鈴，結優質鈴[9]。優化成鈴是實現集中成熟的必然要求和重要途徑。棉花集中成熟不只是時間上的“集中”，在結鈴的空間部位上也要相對集中。為實現優化成鈴和集中收獲的目標，應充分協調品種、環境和栽培措施三者的關系，在增加生物學產量的基礎上，穩定或提高經濟系數；在增加單位面積總鈴數的基礎上，穩步提高鈴重。這不僅要主動而有預見性地控制棉花個體發育，培植集中結鈴的理想株型，促進棉花正常成熟，還要根據當地生態條件，優化群體結構，協調好棉花生長發育與環境條件、個體與群體、營養生長與生殖生長以及地上部與地下部的關系[1, 10-11]。黃河流域棉區優質棉鈴開花期為7月10日至8月15日；長江流域棉區為7月15日至8月20—25日；西北內陸棉區為6月底日至7月底[12-13]。優化成鈴、集中成鈴就是要求棉花開花結鈴高峰期集中在這一時間范圍內。

四是集中成熟與高效脫葉的關系。高效脫葉是棉花機械采收的關鍵配套技術，通常是利用噻苯隆等脫葉劑誘導葉片產生乙烯，同時抑制葉柄中生長素的極性運輸，使離區細胞對乙烯更為敏感，葉柄基部形成離層，繼而誘導葉片脫落[14]。棉花具無限生長習性，生育中后期往往繼續長葉、現蕾、開花，化學脫葉的同時一并去除了無效蕾、花、鈴，并防止了棉花的二次生長，因此，在一定程度上直接優化了棉鈴的時空分布。并且，脫葉劑噻苯隆等通常還與催熟劑乙烯利等混配施用[14-15]，在脫葉的同時，促進了棉鈴的開裂，進一步提高了集中成熟吐絮的程度。另外，脫葉后棉田通透性提高，也間接促進了棉鈴開裂吐絮，有利于機械采摘。由此可見，集中成熟與高效脫葉是高度統一的，但有時也會出現矛盾。例如，高密栽培雖然促進了集中成熟，但是密度過高、行距過窄，群體郁閉，脫葉劑打不透、落葉掛枝不掉落，則會顯著影響化學脫葉效果，導致機采籽棉雜質含量高達12%以上[1]，嚴重影響機采棉的質量[16-17]。實際生產中要通過密度與行株距合理配置，以及優化肥水運籌等盡可能避免這一矛盾的出現。

1.3 棉花集中成熟高效群體

就生產而言，重要的是群體而不是單株意義上的集中成熟。因此，建立集中成熟的高效群體至關重要。在傳統精耕細作、人工采摘條件下，我國西北內陸、黃河流域和長江流域棉區通常分別采用“高密小株型”、“中密中株型”和“稀植大株型”3種群體結構[9, 17]。這3種群體結構以高產超高產為主攻目標，較少考慮生產品質和成本投入，更沒有顧及集中成熟收獲的便宜。其中，西北內陸棉區采用的“高密小株型”群體密度過大，行株距配置不合理、水肥投入多，群體臃腫，株高過低，脫葉效果差，不利于機械采收，也降低了機采籽棉的生產品質[3, 17]；黃河和長江流域棉區采用的“中密中株型”和“稀植大株型”群體，密度偏低，基礎群體不足，植株高大，結鈴分散，爛鈴多，纖維一致性差，難以集中（機械）采收[3, 17]。

為解決以上問題，筆者提出了3種集中成熟高效群體[17]，即“降密健株型”、“增密壯株型”和“直密矮株型”群體，分別適應于西北內陸、黃河流域和長江流域棉區。這3種新型群體，充分利用了不同產棉區的生態條件，個體株型合理、群體結構優化，使棉花高光合效能期、成鈴高峰期和光熱資源高能期同步（“三高”同步），在最佳結鈴期、最佳結鈴部位和棉株生理狀態穩健時集中結鈴，實現了集中成熟和便于脫葉，為集中成熟或機械采收奠定了基礎。其中，“降密健株型”群體是在傳統“高密小株型”群體的基礎上，以培育健壯棉株、優化成鈴、提高機采前脫葉率為主攻目標，通過適當降低密度（20%—25%）和適當增加株高（20%—30%）等措施而發展起來的新型棉花群體，皮棉產量目標為2 250—2 400 kg·hm-2，適合于西北內陸棉區[17]。“增密健株型”群體是在傳統“中密中株型”群體的基礎上，以培育壯株、優化成鈴、集中成熟為主攻目標，通過適當增加種植密度（30%—50%），并適度降低株高（25%—30%）等措施而發展起來的新型棉花群體，皮棉目標產量為1 650—1 800 kg·hm-2，適合黃河流域一熟制棉花[7]。“直密矮株型”群體是在黃河、長江流域兩熟制棉區傳統“稀植大株”群體的基礎上，改套種或育苗移栽為大蒜（油菜、小麥）收獲后搶茬機械直播早熟棉或短季棉品種，通過增加密度、培育矮化健壯植株、優化成鈴、集中成熟為主攻目標的新型棉花群體，皮棉目標產量為1 500 kg·hm-2[3, 17]。

2 棉花集中成熟關鍵栽培技術

棉花集中成熟栽培或調控要從播種開始。通過單粒精播實現一播全苗、壯苗，創造穩健的基礎群體；在全苗壯苗基礎上，以集中成熟為目標，根據當地的生態條件和生產條件，綜合運用水、肥、藥調控棉花個體和群體生長發育，構建理想株型和集中成熟高效群體結構，優化成鈴、集中吐絮，為集中收獲或機械采摘奠定基礎。

2.1 單粒精播全苗壯苗技術

棉花是子葉全出土作物，出苗成苗難度大。加大播量或多粒穴播是傳統棉花出苗保苗措施，但出苗后需要人工間定苗，費工費時、效率極低，不僅浪費種子，而且間定苗不及時，棉苗擁擠在一起還容易得病死苗或形成高腳苗，造成棉花基礎群體質量差，影響集中成熟[18]。改傳統播種為單粒精播、增加播種穴數是解決這一難題的有效途徑。為此，建立了“單粒穴播、精準淺播、增加穴數”為核心的棉花單粒精播技術[4]，不僅保障了全苗壯苗，使發病死苗率降低，帶殼出苗率減少，而且省去了間定苗工序，每公頃省工15個以上，節約用種量50%以上[19-20]。

為適應長江與黃河流域兩熟制棉花精量播種的要求，改春棉套種為短季棉或早熟棉接茬機械直播[3, 21]，采用大蒜（小麥、油菜）收獲后機械精量直播早熟棉技術，實現了兩熟制棉花的機械精量播種[8]。為應對西北內陸春季低溫干旱，采用“寬膜覆蓋邊行內移增溫、膜下適時適量滴水增墑”的保苗技術，即改窄膜覆蓋為寬膜覆蓋、將邊行棉花適當內移，以提高種子發芽出苗所需的地溫；改冬前或春季造墑為干子干土播種，適時適量滴水調控土壤墑情促進種子發芽、出苗和成苗，保障了低溫干旱條件下的單粒精播棉花的全苗壯苗[16, 22]。

2.2 密植化控集中成鈴技術

棉花具有無限生長習性，棉株主莖基部長有不能直接結鈴的葉枝，因此去葉枝是重要的傳統植棉技術[1]。為保證在有限生長期內開花結鈴和吐絮，傳統植棉還要求人工適時打頂[1]。通過提高種植密度控制葉枝的生長發育是簡化整枝甚至免整枝的有效途徑。

為實現免整枝，可根據當地生態條件和生產條件合理密植，利用小個體、大群體抑制葉枝生長；通過縮節安等植物生長調節劑抑制赤霉素生物合成，控制棉花節間與主莖頂端生長，并配合株行距配置、水肥調控等措施減免去葉枝和打頂環節[23]。其中，西北內陸棉區收獲密度為12—20萬株/hm2，在前期縮節安化控2—3次的基礎上，棉花正常打頂（達到預定果枝數）前5 d，噴施縮節安120—220 g·hm-2，10 d后用縮節安120—220 g·hm-2再次葉面噴施；同時采取節水滴灌、減施氮肥等措施，實現免整枝[17]。黃河流域棉區一熟制春棉收獲密度為7.5—9.0萬株/hm2，在現有基礎上提早化控，首次化控提前到3—4葉期，然后在盛蕾和初花時根據長勢各化控1次，3次用量分別為15.0、22.5—30.0和37.5—45.0 g·hm-2；正常打頂前5 d，用縮節安（甲哌鎓）75—105 g·hm-2葉面噴施，10 d后再次葉面噴施105—120 g·hm-2，實現免整枝。黃河和長江流域棉區晚播早熟棉收獲密度為9.0—10.5萬株/hm2，可根據情況于盛蕾期前后化控1—2次；棉花正常打頂前5 d，用縮節安75—105 g·hm-2葉面噴施1次，實現免整枝。為進一步提高化學調控促進集中成鈴的效果，筆者所在團隊先后研制出“全精控”（40%甲哌鎓泡騰片，農藥登記證號PD20160843），解決了甲哌鎓粉劑易吸潮不便使用的問題；研制出“化學封頂劑”（25%甲哌鎓水劑，農藥登記證號PD20152036），利用助劑環烷酸鹽對頂芽造成微觸傷，與甲哌鎓協同作用增強了化學封頂的效果。此外，還應注意選用株型緊湊，葉枝弱、贅芽少的棉花品種；減施基肥和氮肥，苗期慎澆水，氮肥適當后移；合理株行距配置，等行距、南北向種植便于控制葉枝生長發育。

2.3 膜下分區交替滴灌技術

西北內陸棉區在傳統膜下滴灌技術的基礎上，通過調整滴灌帶布局、灌水量和灌水頻次的“三調整”，創立了膜下分區交替滴灌或變量滴灌技術。一是因地制宜，將膜帶布局調整為1膜6行3帶或1膜3行3帶為主；二是連續高水量（50—60 mm/次）定額滴灌調整為高水量滴灌與低水量滴灌（23—30 mm/次）交替；三是調整灌水終止期，比傳統滴灌提前7 d左右[4]。產量不減，灌水量減少了20%—30%，水分生產效率平均為1.26 kg·m-3，比常規滴灌提高了約20%[24-25]。

黃河流域棉區則在淘汰漫灌的基礎上，改長畦為短畦，改寬畦為窄畦，改大畦為小畦，改大定額灌水為小定額灌水，整平畦面，保證灌水均勻。同時，優化后的灌水方式與控釋復混肥一次性基施或種肥同播結合，也在一定程度上實現了水肥協同管理[17]。

2.4 肥料輕簡運籌技術

不同地區根據種植制度和棉花品種類型制定施肥技術，簡化施肥、提高肥料利用率。

一是以產定量，適當減少施氮量。黃河流域一熟制棉花氮肥使用量以180—225 kg·hm-2為宜，N﹕P2O5﹕K2O的比例為1﹕0.45（0.4—0.5）﹕0.8（0.6—1.0）。黃河和長江流域晚播早熟棉施氮量以180—210 kg·hm-2為好，N﹕P2O5﹕K2O的比例以1﹕0.6﹕（0.6—0.8）為宜，適當使用硼肥。西北內陸棉區氮肥施用量為225—330 kg·hm-2，N﹕P2O5﹕K2O比例為1﹕0.6﹕（0—0.2），適當使用鋅肥[1, 17]。

二是適當減少施肥次數或一次性施肥。黃河流域純作春棉在施用一定數量基肥或種肥的基礎上，初花期一次性追施氮肥，其中全部磷、鉀肥和40%—50%的氮肥作基肥，剩余氮肥在初花期一次性追施；控釋肥或摻混肥可作為基肥一次性施用，提倡采用“種肥同播”方式，大小行種植的施于小行中間，等行距種植的施于覆膜行間，肥料與種子相距10 cm，施用深度10 cm以下[1, 17]。長江流域和黃河流域大蒜（油菜、小麥）后直播早熟棉，一般在盛蕾期或初花期一次性追施速效肥，或采用控釋肥“種肥同播”，選擇養分釋放期為90 d控釋肥[26]。為保障土壤肥力的可持續發展，一次性施肥的棉田要實行秸稈還田并結合秋冬深耕培肥土壤[3]。

三是水肥協同高效管理。西北內陸棉區宜采用水肥協同（一體化）管理。依據棉花需肥規律隨水帶肥，通常20%—30%的氮肥、50%的磷鉀肥基施，其余作為滴灌追肥在現蕾、初花、盛花和盛鈴期隨水追施，花鈴肥應占追肥的40%—50%[17]。具體為N 240—300 kg·hm-2，P2O5120—180 kg·hm-2，K2O 50—100 kg·hm-2。高產棉田適當加入水溶性好的硼肥15—30 kg·hm-2、硫酸鋅20—30 kg·hm-2。在分區交替滴灌或變量滴灌時，先滴水再滴肥，或在低水量滴灌時滴肥，達到水肥協同高效利用的效果[25]。

2.5 高效脫葉技術

棉花高效脫葉是提高機采棉的采摘率和作業效率，降低機采籽棉含雜率的關鍵[14, 27]。研究發現，影響脫葉的關鍵因素是噴施脫葉劑7—10 d內的最高溫度和≥12℃的有效積溫[28]。另外，脫葉還受藥劑濃度、藥械和噴施方法的顯著影響。因此，要采取“三優”脫葉催熟技術，即優化配方、優選藥械、優擇噴期，力爭達到脫葉率92%以上、機采籽棉含雜率8%以下的目標[29]。

優化配方。目前，脫葉劑大多以噻苯隆為有效成分[30-31]，但其對溫度較為敏感，敵草隆與噻苯隆復配可以提高低溫條件下的脫葉效果[32]；同時為了達到較好的脫葉、催熟雙重效果，脫葉劑需與催熟劑乙烯利混用，但二者“桶混”（現混現用）應用難度大，通過引入高效助劑和消泡技術，研制出化學封頂劑“欣噻利”（50%噻苯·乙烯利懸浮劑，農藥登記證號LS20160119），有效解決了堿性噻苯隆和酸性乙烯利在液體環境下不能共存的難題，實現單一產品即可脫葉又能催熟；消泡技術的采用，使藥劑兌水稀釋后幾乎無泡沫產生，更適用于無人機高效施藥[33]。

優選藥械。為了保障棉花脫葉效果，脫葉劑的噴施常采用帶吊噴、風幕及分禾器的高地隙大型施藥機械來完成[34]。但是，大型施藥機械用水量大，無形中增加了成本投入；如遇倒伏嚴重的棉田，大型施藥機械作業對棉花的損傷進一步增大，因此使用植保無人機進行脫葉劑噴施越發普遍。由于無人機施藥液量少且欠均勻，常需二次噴施[35-36]。

優擇噴期。高效脫葉有利于棉花集中收獲，但何時施用脫葉劑需要均衡考慮產量和品質之間的平衡關系[37-39]。西北內陸棉區無霜期短，常根據噻苯隆脫葉對最低溫度（18℃）及其持續時間（5—7 d）的要求，以吐絮期氣溫為判斷施藥時間的第一標準，采用“時到不等絮”的因時施藥策略，脫葉劑提前施用，適當降低用藥劑量。施藥后15—20 d，脫葉率和吐絮率均可達到90%以上，一次性機械采收[40-41]；黃河和長江流域棉區一般在棉田自然吐絮50%以上或上部棉鈴鈴期在40 d以上時（9月底或10月初）進行化學脫葉催熟[4, 42]。

3 棉花集中成熟栽培機理

棉花集中成熟栽培關鍵技術是單粒精播、密植免整枝、肥水輕簡運籌和高效脫葉等。其相應的機理和機制構成了棉花集中成熟栽培的理論，主要包括單粒精播全苗壯苗機理、密植化控免整枝機理、分區交替灌溉節水機理、棉花水肥協同利用提高肥料利用率的機理等。

3.1 單粒精播全苗壯苗機理

雙子葉的棉花在幼苗頂土出苗過程中，為保護幼嫩的主莖分生組織免遭機械壓力損傷，會在頂端形成彎鉤結構，再由下胚軸伸長生長將彎鉤頂出土壤，子葉展開，完成出苗[2]。頂端彎鉤的形成對棉花正常頂土出苗和脫掉種殼具有重要作用。單粒精播較之多粒穴播，棉苗頂土出苗時，單株棉苗受到的頂土壓力較大，誘導乙烯合成基因表達，產生足量乙烯。乙烯一方面誘導彎鉤形成關鍵基因的表達，促進彎鉤形成；另一方面誘導促進下胚軸增粗、抑制下胚軸伸長的關鍵基因的表達，從而促進下胚軸增粗，形成壯苗[20]。另外，單粒精播還能夠通過提高棉苗中吲哚乙酸和赤霉素的含量、降低茉莉酸的含量，促進彎鉤形成基因的表達。單粒精播種子出苗后有獨立生長的空間，互相影響小，形成壯苗[20]。

3.2 密植化控集中成鈴機理

不同密度、葉枝遮陰和縮節安處理試驗發現，合理密植促進棉株頂端生長而抑制葉枝生長，縮節安化控有效控制頂端生長[43-44]。密植和人工遮陰改變光照強度和光譜特性，一方面直接削弱了葉枝光合作用；另一方面抑制葉枝頂光受體基因（）的表達，降低了葉枝生長素合成與轉運關鍵基因（、）、細胞分裂素合成關鍵基因（）的表達及相應激素含量，提高了編碼獨腳金內酯受體基因（）的表達及其含量，從而抑制了葉枝生長，而主莖頂相關基因的表達和激素含量變化則表現出相反的趨勢[43-44]。縮節安通過負反饋調節赤霉素（GA）合成基因等及GA信號轉導基因降低內源GA3和GA4的含量，從而抑制伸長生長[45]；通過提高頂芽活性氧和膜脂過氧化產物含量、降低頂端分生組織相關基因及開花相關基因和的表達起到封頂作用，并有助于塑造緊湊株型[46]；還通過提高光合產物向根和生殖器官的運輸，減少向主莖頂端運輸，抑制了頂端生長[47]。可見，密植和縮節安綜合調控不僅降低了棉花株高、果枝和果節數，使節枝比減小，株型緊湊；而且還優化了棉鈴時空分布，縮短了結鈴期，直接促進了集中成鈴。

3.3 部分根區灌溉節水機理

淡水資源缺乏是我國主要產棉區，特別是西北內陸棉區棉花持續發展的重要限制因素。部分根區灌溉是虧缺灌溉的一種類型，通過誘導根區土壤水分不均勻分布，利用處于干旱區的根系因滲透脅迫而產生根源信號，調節葉片氣孔導度，在減少作物蒸騰耗水的同時保證光合作用正常進行；同時通過葉源信號，調控濕潤區根系吸水，提高水分利用率，實現節水不減產[2]。

研究發現部分根區灌溉條件下，受到滲透脅迫的干旱區根系產生大量脫落酸（ABA）并運輸到地上部，一方面通過ABA信號調控氣孔開度，減少水分蒸騰；另一方面誘導葉片合成大量茉莉酸（JAs），JAs作為信號分子經韌皮部運輸到灌水區根系，促進H2O2合成關鍵基因表達，增加了灌水側根系中H2O2含量，不僅直接提高了根系中水孔蛋白（PIP）含量，而且誘導ABA合成基因表達、抑制ABA分解酶基因表達，增加了ABA含量，進一步提高了PIP蛋白的活性，從而增加了灌溉側根系的吸水能力，提高了灌溉水的利用率[48]。

3.4 棉花氮素營養規律與水肥協同高效管理機理

15N示蹤試驗發現，棉花花鈴期累積的氮占其一生吸收總量的67%，其中累積的肥料氮占總吸收肥料氮的79%；棉花對底肥氮吸收的比例最小、對初花肥氮的利用率最高；減施底肥氮、增施初花肥氮，可顯著提高棉花經濟系數和氮肥利用率，一次性基施棉花專用控釋復混肥也可達到與減施底肥氮、增施初花肥氮的施肥策略基本相同的效果，肥料利用率比傳統施肥提高了14%—30%[49-51]。根據棉花需肥規律合理施肥，特別是速效肥和控釋肥配合或復混使用，不僅能夠提高肥料利用率，還能控制營養枝和贅芽的生長發育，協調營養生長和生殖生長的關系，促進棉花集中成熟[17]。

西北內陸棉區采用膜下滴灌水肥協同高效管理，即減少施基肥比例、增加追肥比例（基追比由4﹕6調整為2﹕8）；在分區交替滴灌時，先滴水再滴肥，或在低水量滴灌時滴肥，確保肥料集中分布在根系活躍區，實現了水肥協同高效利用；按照棉花需肥規律滴肥，滴肥高峰安排在需肥高峰的花鈴期[4]。研究和實踐證實，在膜下分區交替滴灌、水肥協同管理條件下，棉花光合產物向產品形成器官的分配顯著提高[52]，收獲指數提高了6%；非葉光合器官（莖枝、鈴殼等）的光合生產能力和對產量的貢獻率也分別提高了12%和15%[53]，脫葉率提高了3—5個百分點；保證了節水省肥條件下棉花經濟產量的相對穩定和脫葉率的提高，實現了節水、省肥不減產、提高脫葉率的目標[24]。

3.5 棉花化學脫葉機理

化學脫葉是利用特定化合物抑制生長素的功能，促進或者誘導乙烯產生，進而促進葉片離層的形成，最終達到脫葉目的[54]。從作用機制上可將其分為觸殺型和內吸型脫葉劑，觸殺型脫葉劑包括脫葉磷、噻節因、草甘膦等通過抑制葉綠素生物合成過程中原卟啉原氧化酶，引起細胞膜破壞或直接作用于葉綠體細胞結構，使葉片迅速脫水干枯、死亡[1]。這類脫葉劑起效快，施用時間宜偏晚，并且注意用量，以免葉片干燥過快掛枝不落。內吸型脫葉劑通過促進內源乙烯的生成來誘導葉柄離層的形成，并且具有催熟作用[55-56]。生產上常用的噻苯隆就屬于內吸型脫葉劑，通過調控葉柄離區厚壁組織細胞微管的排列和解聚促進離層形成，還可通過誘導離區脫落相關基因（、）及乙烯合成基因（）的表達、增強離區纖維素酶和多聚半乳糖醛酸酶的活性、增加乙烯的積累而促進葉片脫落[41]。噻苯隆在棉株中的傳導性較差，幼葉中與乙烯合成（、）和信號轉導（、）相關的基因上調時間早、幅度大，較老葉更容易脫落[57]。對脫葉劑敏感的棉花品種，對乙烯更為敏感，而且脫葉處理后葉片中細胞分裂素氧化酶基因等急劇上調表達，細胞分裂素含量降低，表明細胞分裂素和乙烯信號相互作用共同調控棉花脫葉[58]。

4 集中成熟栽培模式

我國三大產棉區生態和生產條件不同，棉花集中成熟栽培的途徑不盡一致。必須因地制宜，建立和應用與三大棉區生態條件相適應的棉花集中成熟模式才

能達到預期效果[59-60]。

4.1 西北內陸棉花“降密健株”集中成熟栽培模式

西北內陸棉區構建“降密健株型”群體的核心目標是提高脫葉率，便于機械采收。要實現這一目標的主要技術途徑是降密健株，提高群體的通透性[17, 59-60]。為此，要優化株行距配置、膜管配置，綜合運用水、肥、藥、膜等措施，科學合理調控，即通過調控萌發出苗和苗期膜下溫墑環境，實現一播全苗、壯苗，建立穩健的基礎群體；結合化學調控、適時打頂（封頂）、水肥協同高效管理等措施調控棉株地上部生長、優化冠層結構，優化成鈴，集中吐絮，提高脫葉率。

4.2 黃河流域一熟制棉花“增密壯株”集中成熟栽培模式

黃河流域棉區一熟制棉花通常采用“中密中株型”

群體，而且采用早播早發，大小行種植，株高過高、封行過早，導致棉花地上部徒長、根系發育不良而出現根冠失調，因此，要以“控冠壯根”為主線構建“增密壯株型”群體[17, 59-60]。具體而言，一是適當增加密度，并由大小行種植改為等行距種植；二是控冠壯根，通過提早化控和適時打頂（封頂），控制棉株地上部生長，實現適時適度封行；三是棉田深耕或深松、控釋肥深施、適時揭膜或破膜，促進根系發育，實現正常熟相；四是適當晚播，減少伏前桃，進一步促進集中成鈴。

4.3 長江流域與黃河流域兩熟制“直密矮株”集中成熟栽培模式

長江流域與黃河流域棉區兩熟制棉田以接茬直播早熟棉密植爭早為主線構建的“直密矮株型”群體。即采用早熟棉或短季棉品種，小麥（油菜、大蒜）后搶茬機械直播，在5月下旬至6月上旬直接貼茬播種，省去營養缽育苗和棉苗移栽，降低了勞動強度，節省了用工，無伏前桃；增密、化控、矮化、促早，種植密度一般在9.0萬株/hm2以上，株高控制在90— 100 cm，促進集中成鈴[17, 59-60]。

綜上所述，棉花集中成熟栽培過程實質是集中成熟高效群體結構的建設和管理過程。為此，首先要根據生態條件、種植模式來確定高效群體結構類型和栽培管理模式；其次根據群體結構類型確定起點群體的大小和行株距搭配，協調好個體和群體的關系，既要使個體生產力充分發展，又要使群體生產力得到最大提高；最后，在群體發展過程中，依靠水、肥、藥等手段，綜合管理、調控，一方面在控制群體適宜葉面積的同時，促進群體總鈴數的增加，達到擴庫、強源、暢流的要求，不斷協調營養生長和生殖生長的關系，實現正常成熟和高產穩產；另一方面，調控株型和集中成鈴，實現優化成鈴、集中結鈴、集中吐絮，實現產量品質協同提高前提下的集中采摘或機械收獲（圖1）。

5 總結與展望

棉花機械采收提出了集中成熟的要求，集中成熟程度越高，越便于集中或機械采摘。集中成熟是相對于傳統栽培棉花結鈴吐絮分散、成熟期過長而言的，是一個相對的概念。集中成熟既要求結鈴吐絮時間上的相對集中，也要求結鈴空間部位上的相對集中。早熟和高效脫葉都是集中成熟的重要內容和要求，即要求吐絮早而集中，集中成熟與高效脫葉相統一。優化成鈴是集中成熟的重要途徑和協同要求。為此，要良種良法配套、農機農藝結合，從播種開始，通過單粒精播保苗壯苗技術構建高質量的基礎群體；通過水、肥、藥等措施有效調控個體生長發育，建立集中成熟、高效脫葉的群體結構，確保集中成熟。

必須強調，棉花集中成熟栽培是一個涉及品種、農藝技術、機械裝備的系統工程，既受環境條件的影響，也受制于生產要素之間的協調和配套程度，目前建立的栽培技術雖能滿足集中成熟和機械采收的基本需要，但尚達不到輕簡高效植棉高質量發展的要求，在良種良法配套、農藝農機融合以及集中成熟栽培的信息化和智能化方面還有很大潛力可挖，集中成熟栽培的理論基礎也需要進一步夯實。因此，今后應在繼續深入揭示棉花集中成熟栽培生理生態學機理的基礎上，重點注意以下幾個方面的研究。

一是強化良種良法配套、農機農藝融合的研究與應用。當前用于輕簡化機械化栽培的棉花品種大都是在精耕細作管理條件下育成的，不是集中成熟栽培和輕簡高效植棉的專用品種，達不到優化成鈴、集中吐絮、高效脫葉的要求，嚴重影響了良種良法配套[3]。因此，必須創新品種選育方式，特別是要在輕簡化、機械化栽培管理的選擇壓力下，有針對性的選育株型緊湊、結鈴集中、葉枝弱贅芽少、對脫葉劑敏感、棉鈴含絮力適中的棉花品種，促進良種良法配套。要進一步研制提升整地、播種、中耕施肥、植保等機械，特別是下大力氣研制適合我國內地棉區的中小型采棉機，實現“種、管、收”全程農機與農藝的高度融合。

圖1 棉花集中成熟栽培模式圖

二是進一步創新完善棉花集中成熟栽培的關鍵技術。我國不同棉區的生態和生產條件差別較大，實現集中成熟面臨的主要問題和困難也不盡一致，要因地制宜，有針對性地創新完善關鍵栽培和調控技術。西北內陸棉區的重點在于提高脫葉效果、降低機采籽棉含雜率，要做到這一點，關鍵技術是降密健株、科學運籌肥水并與化學調控結合，建立便于脫葉的高效群體結構。黃河流域棉區一熟制棉花的重點是壓縮吐絮成熟期，關鍵技術是晚播增密、優化成鈴；黃河和長江流域棉區兩熟制棉花集中成鈴的關鍵是改套種為小麥（油菜、大蒜）后直播，重點是前茬作物收獲后搶茬直播早熟棉或短季棉，并實現一播全苗。這些關鍵技術需要進一步優化或提升，提高集中成熟栽培的效果和效率。

三是用信息化智能化技術武裝棉花集中成熟栽培技術，提升栽培管理的精確化、定量化程度。精量播種、水肥運籌、系統化控、脫葉催熟等集中成熟栽培關鍵技術的運用，目前仍然主要依賴傳統經驗和知識，針對性、應變性、科學性不強，不僅效果差，還造成大量水、肥、藥的浪費。用現代信息化、模型化、智能化、工程化技術武裝這些關鍵技術，實現智慧植棉、精確植棉，必將大大提高調控的技術效果和資源利用效率。因此，加強信息化、智能化、工程化技術與集中成熟調控關鍵技術的有機結合也是今后研究的重點之一。

總之，集中成熟栽培是棉花栽培學研究的新成果，也已成為我國現代植棉理論與技術的重要組成部分，是新時代我國棉花高產優質高效栽培的重要理論與技術支撐。展望未來，要與時俱進，使之不斷創新、完善并用現代化技術和手段予以武裝，為我國現代棉業的可持續發展做出新貢獻。

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New Development of Modern Cotton Farming Theory and Technology in China - Concentrated Maturation Cultivation of Cotton

NIE JunJun1, DAI JianLong1, DU MingWei2, ZHANG YanJun1, TIAN XiaoLi2, LI ZhaoHu2*, DONG HeZhong1*

1Cotton Research Center, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Jinan 250100;2College of Agronomy, China Agricultural University, Beijing 100193

Concentrated maturation is the basic requirement of cotton mechanical harvesting, referring to the phenomenon that bolls of the whole cotton plant complete opening in a relatively short period of time.Concentrated maturation cultivation refers to the cultivation management technique and measure for achieving optimized fruiting and grouped maturation in cotton.After many years of research and practice, the theory and technology of centralized maturation cultivation of cotton in China have been established, becoming an important approach of modern cotton farming theory and technology.The concept and connotation, key regulatory technologies and the eco-physiological mechanisms of cotton concentrated maturation were innovatively highlighted and reviewed in this paper.The cultivation and regulation for cotton concentrated maturation should start from sowing.The precision monoseeding technology assured well-established strong seedlings, which created a solid basic population for realization of concentrated maturation.Based on good stand establishment, irrigation, fertilization and plant growth regulators were comprehensively used to regulate the growth and development of plant individuals and populations to construct the ideal plant type and the efficient population structure according to local ecological conditions and production conditions, and finally realize the optimized spatiotemporal distribution and concentrated opening of cotton bolls.Precision monoseeding created a suitable soil pressure to seedlings during emergence and a dark environment before emergence, and induced expression of apical hook formation- and hypocotyl elongation-related genes, which promoted hook formation and hypocotyl growth and seedling emergence.The seedlings under monoseeding had independent growth space after emergence, which had little mutual influence and were easy to establish strong seedlings.Close-planting and chemical control inhibited the photosynthesis of leaves sourced from vegetative branches, and altered the content and distribution of endogenous hormones through changing the expression of key genes of hormone metabolism, which regulated the vegetative branching and apical growth of main stems, and finally realized non-pruning and promoted concentrated boll-setting.Leaf-derived jasmonic acid induced by partial root-zone irrigation, as a long-distance signal transported through the phloem to the irrigated root side, promoted the expression of aquaporin gene, and then improved the capacity of water absorption and water use efficiency.The partitioning of assimilates to cotton bolls and the defoliation rate were significantly improved by fertigation under partial root-zone drip irrigation.In this case, reduced inputs of water and fertilizer as well as significant reduction in heterozygosity in machine harvested seed cotton have been achieved without yield loss.The theory and technology of cotton concentrated maturation cultivation was a new achievement of cotton cultivation research in the new era, and an important scientific and technological support for the development of modern cotton industry.In order to provide a more powerful theoretical and technical support for light and efficient cultivation of cotton in the future, on the one hand, in-depth study is required to reveal the physiological and ecological mechanisms of concentrated maturation.On the other hand, it is necessary to innovate the key cultivation techniques, and to develop the well-matched varieties and agricultural mechanic equipment for their better integration.It is also necessary to strengthen the combination of agronomic technologies with smart agricultural technology, so as to provide a more powerful theoretical and technical support for concentrated maturation cultivation of cotton.

cotton; concentrated maturation; high-efficiency population; optimization of boll-setting; high-efficiency defoliation; cultivation technology

2020-12-26；

2021-04-09

國家重點研發計劃（2020YFD1001002）、國家現代農業產業技術體系（CARS-15-15，CARS-15-16）

聶軍軍，E-mail：niejunjun521@126.com。

李召虎，E-mail：lizhaohu@cau.edu.cn。通信作者董合忠，E-mail：donghezhong@163.com。

（責任編輯 楊鑫浩）