種植密度對南疆機采棉群體農藝特征和產量的影響

張娜， 馮璐， 馬云珍， 李玲， 范正義， 李小飛，楊北方， 萬素梅， 李亞兵*， 徐文修*

(1.新疆農業大學農學院，烏魯木齊 830052；2.中國農業科學院棉花研究所，棉花生物學國家重點實驗室，河南 安陽 455000；3.塔里木大學植物科學學院，新疆 阿拉爾 843300)

棉花(GossypiumhirsutumL.)是世界性的大宗經濟作物，是重要的戰略物資。我國是世界產棉和用棉大國，目前單產和總產均居世界前列[1]。新疆是我國主要產棉區之一，依靠“矮、密、早、膜”的栽培技術，尤其是膜下滴灌和水肥一體化先進技術的加持，其植棉面積、總產及單產在全國均一路攀升。據統計，2018年新疆棉花播種面積為249.13萬hm2，總產達511.1萬t，分別占全國的74.32%和83.84%，單產為全國平均水平的112.83%[2]。然而，由于近年來棉花生產向“輕簡節本”轉變以及機采對集中收獲的要求[3]，諸如因群體密度過大存在蔭蔽而造成蕾鈴脫落率、爛鈴率升高[4]、脫葉效果差[5]等高密度小株型群體結構的弊端也隨之顯現。因此，探究如何通過合理密植發揮棉花個體優勢，將傳統小株型群體優化為健株型群體，構建良好群體結構以符合“輕簡化”栽培的新發展需求是目前生產中亟待解決的現實問題。

研究表明，通過不同肥料施用、水肥管理措施可對機采棉農藝性狀進行有效調控，進而實現優化棉花產量結構、增加籽棉產量的目的[6-7]。增加植株高度可使株型更符合機采要求，增加莖粗則可減少倒伏、降低機采損失[8]；低密度下雜交棉產量最高，生育前期葉面積指數增長迅速，生育后期葉面積指數下降較緩慢，個體光合生產能力相對較高[9]，而高密度栽培條件下作物直立葉有利于群體的光能截獲[10]。然而，前人研究多是基于結合不同種植模式[11]、品種比較[12]、氮肥[13]、化學調控[14-15]等措施下進行的，有關密度對機采棉株型影響的研究較少，且研究結果也因區域生態環境及栽培品種而有所差異。為此，本試驗在前人研究基礎上，以塑造穩健株型群體結構為目標，針對我國棉花生產中產量水平較高的南疆棉區，探尋棉花種植密度對群體農藝特征及產量結構的影響，揭示南疆高產群體特征，以期為優化南疆棉區機采棉高產群體構建提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年4月至10月在中國農業科學院棉花研究所阿拉爾試驗站(81.31°E、40.60°N)進行。多年平均降雨量48.2 mm，年均氣溫10.56 ℃，年均≥10 ℃日照時數1 793 h，無霜期208 d，試驗期間降雨量96 mm。試驗地土壤質地類型為沙壤土，播前0—40 cm土壤基礎養分含量為有機質9.82 g·kg-1、全氮0.27 g·kg-1、堿解氮23.74 mg·kg-1、速效磷30.14 mg·kg-1、速效鉀92.42 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

采用單因子隨機區組試驗設計，共設置 6個密度處理：9萬株·hm-2(P1)、12萬株·hm-2(P2)、15萬株·hm-2(P3)、18萬株·hm-2(P4)、21萬株·hm-2(P5)和24萬株·hm-2(P6)，每個處理重復3次，小區面積47.88 m2(7.00 m×6.84 m)，播前結合整地基施有機肥4.8 t·hm-2、尿素(N≥46.4%)225 kg·hm-2和重過磷酸鈣(P2O5≥46%)300 kg·hm-2。試驗以中棉所88號為供試材料，播種日期為4月18日，種植方式為新疆地區普遍采用的(66+10)cm 一膜六行膜下滴灌機采模式，于5月21日人工定苗至各處理所需理論密度。試驗地滴灌帶鋪設方式為“三管六行”，棉花全生育期共灌溉9次，總灌水量4 200 m3·hm-2，期間隨水共計滴施尿素150 kg·hm-2，磷酸二銨(總養分≥64%)270 kg·hm-2，磷酸二氫鉀(K2O≥34%，P2O5≥51%)112.5 kg·hm-2。其他管理措施同當地大田一致，于10月13日統一進行人工采收。

1.3 測定項目與方法

1.3.1株高、莖粗及節枝比的測定 自苗期開始，于各小區分別選取5株長勢均勻一致具有代表性的棉株，掛牌標記，測量株高(打頂前測量棉株子葉節到主莖生長點頂端的距離，打頂后棉株測量至打頂橫截面處)和莖粗，每隔15 d調查一次，至吐絮期結束。

于棉花吐絮期在各處理分別選取長勢一致的6株棉花，計數其果節數及果枝數。節枝比計算公式如下。

節枝比=果節數/果枝數

(1)

1.3.2葉面積的測定 自苗期至吐絮期，在棉花各關鍵生育時期，于各小區選取具有代表性的2株棉花，取樣后立即裝入塑料袋帶回實驗室，參照支曉宇等[16]的方法將葉片剪下展平鋪開于白板上(禁止疊放)，同時放置40 cm量尺作為標尺，用照相機拍照后用Image-Pro Plus(Media Cybernetics，Inc.)得出葉面積后，利用下面公式計算葉面積指數(leaf area index，LAI)。

葉面積指數(LAI)=單株總葉面積(cm2)×株數/10 000

(2)

1.3.3冠層結構的測定 于盛蕾期至花鈴后期，在田間各處理選擇長勢均勻的樣點，參照Malone等[17]和牛玉萍等[18]的方法使用美國 Li-cor 公司生產的LAI-2000冠層分析儀測定棉花葉傾角與冠層開度。

1.3.4產量及其構成因素 于收獲期在每小區選14.35 m2(7.00 m×2.05 m，即一膜)調查收獲株數和總成鈴數，以此計算單株成鈴數；在各個小區內分別隨機摘取上、中、下部果枝吐絮鈴各20個混合，自然曬干稱量單鈴重后軋花，測定皮棉重。

1.4 數據統計分析

采用Microsoft Excel 2016軟件進行數據處理，采用SPSS 25中的最小顯著性差異(LSD)法檢驗差異的顯著性和回歸分析，采用Origin 2018制圖。

2 結果與分析

2.1 種植密度對株高及主莖日增長量的影響

株高是株型評價的主要指標之一。如圖1所示，隨著生育時期的推進，自苗期(5月23日)至初花期(7月6日)，各處理棉花株高均呈現快速增長態勢，于打頂(7月13日)后以不同程度逐步趨于穩定，至吐絮期(9月27日)，不同密度處理下棉花株高隨密度的增大而減小，株高在76.72～95.08 cm范圍內浮動，其中低密度P1處理與高密度P6處理株高差值高達18.37 cm，達顯著差異水平(P<0.05)，表現為每上升一個密度梯度，平均株高下降3.67 cm。進一步對主莖日增長量進行分析可以看出，生育期內各處理棉花主莖日增長量以初花期為節點，整體表現為初花期前快速增長，之后增量銳減的變化趨勢，苗期至吐絮各處理平均日增量分別為0.58、1.02、1.19、1.56、0. 80及0.05 cm·d-1，于初花期達到峰值，處理間表現為初花期以前密度越大，主莖日增量也較高；初花期后則變化趨勢相反，呈現出密度越小，主莖日增量越大。對各處理打頂后至初絮期日增量求平均值可得，低密度至高密度依次分別為0.48、0.43、0.39、0.32、0.19、0.07 cm·d-1，表現為至初絮期間，較低的密度處理株高仍有小幅增長，高密度則基本停滯生長，這可能是由于同等水肥供應條件下，低密度較高密度處理棉花生長空間相對充足，可汲取的水分、養分相對較多，棉花個體優勢得以更大程度的發揮所致。

注：同一日期不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 種植密度對莖粗動態變化的影響

不同處理下棉花各生育期間莖粗變化同株高類似(圖2)，表現為快速增加(苗期至盛蕾期)→緩慢增加(盛蕾期至盛花期)→趨于平穩(盛花期至吐絮期)的趨勢，處理間則始終呈現出密度越大莖粗越細變化趨勢，至吐絮期，以P1處理最高，為15.00 mm，較其余處理分別高出11.94%、16.73%、24.65%、41.51%和47.06%，且均達顯著差異水平(P<0.05)，但高密度的P5與P6處理間并無顯著差異(P>0.05)，說明在一定范圍內，減小種植密度可顯著增加莖粗，但在較高密度下繼續增大種植密度，莖粗變化不明顯。這可能是由于密度過大，養分及空間競爭激烈引發了作物的自疏機制，使得群體內部分植株死亡以滿足其余個體生長需求，進而使莖粗維持在變幅較小的范圍內。

圖2 不同處理下棉花莖粗動態變化

2.3 種植密度對節枝比的影響

節枝比可反映作物的縱橫向生長特征，通過分析吐絮期各處理棉株節枝比可知(圖3)，密度越大，節枝比越小，以P1處理最高，為4.23，依次顯著高于其他處理19.56%、41.02%、45.05%、62.51%和72.36%(P<0.05)。隨著密度梯度的攀升，低密度條件下節枝比呈顯著下降趨勢，但中密度的P3與P4處理、高密度的P5與P6處理差異不顯著。說明低密度條件下適當增大密度可顯著抑制棉花橫向生長，但這種抑制效應在中、高密度條件下要隨密度梯度的進一步拉大才能得以顯現，但密度過大，植株莖稈瘦細，亦不利于高產群體的構建。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.4 種植密度對單株葉面積及群體葉面積指數的影響

葉片是反映冠層結構性能的重要指標。如圖4所示，從苗期至噴施脫葉劑前，測定期間各處理棉花單株葉面積及群體葉面積指數(LAI)均隨生育進程的推進呈快速增長→緩慢增長→下降的變化趨勢，均在盛鈴期(8月20日)達到峰值后降低。不同的是，各處理單株葉面積在全測定期間始終為密度越低、單株葉面積越大的走勢，至9月4日，P1處理葉面積仍然保持在0.30 m2，較其余處理依次高出24.59%、36.18%、31.68%、96.12%和106.46%(P<0.05)，但P3處理與P4處理、P5處理與P6處理差異不顯著。各處理群體LAI在盛蕾期(6月21日)前差異不明顯，其后處理間差距逐漸拉大，對各處理盛花期(7月20日)后求階段平均值可知，以P4處理LAI最大，為4.40，P6處理與P3處理次之，分別為3.87和3.83(P>0.05)，而后為P5處理>P2處理>P1處理，分別為3.73、3.40和3.06。由此可見，適宜的種植密度有利于延緩棉花在盛鈴后期及以后的衰減，低密度下雖具有較大的個體優勢，但因密度過低，群體優勢不明顯，而密度過高也會因群體過大形成郁閉導致下部葉片脫落，亦不利于群體良好葉面積指數的形成。

圖4 不同處理下棉花單株葉面積及群體葉面積指數的動態變化

2.5 種植密度對冠層開度及平均葉傾角的影響

種植密度對棉株冠層開度及平均葉傾角同樣具有顯著影響，如圖5所示，隨著生育進程的推進，各處理棉花蕾期至盛鈴期冠層開度均呈陡然下降→緩慢下降→緩慢上升的變化趨勢，各處理均在花鈴初期(7月27日)最低，P1至P6處理由盛蕾期峰值跌至最小值，降幅分別高達84.66%、88.87%、89.46%、89.89%、90.44%和91.71%；冠層開度隨密度增大顯著降低(P<0.05)，但隨時間的推移，處理間差異逐漸減小。不同于冠層開度的變化趨勢，各處理平均葉傾角在測定期間均表現為先升后降的變化趨勢，多在初花后(7月12日)達到峰值(P1處理除外)，這是因為棉花生育前期植株較小，葉片較為平展，初花期后植株生長空間受限，葉片變的相對直立，而密度最低的P1處理則因生長空間充足，可充分發揮其個體優勢，故高值點出現時間有所后移。測定期間各處理則始終呈現為P1

圖5 不同處理下棉花冠層開度及葉傾角變化

2.6 產量及產量構成因素

由表1中的產量構成因素可以看出，雖然P3、P4、P5、P6四個處理收獲株數較試驗設計理論株數略低，尤其是P3處理，由于試驗過程中遭受局部點棉蚜侵害，導致其收獲株數與理論株數相差最多，減少了6 800株·hm-2，但各處理間仍達顯著性差異水平(P<0.05)，因此結果仍具有代表性。單株鈴數隨密度的增加呈顯著下降趨勢(P<0.05)，以最低密度的P1處理單株鈴數最多，較其他處理依次增加了26.95%、36.35%、62.87%、80.61%和113.11%，雖然P2處理與P3處理、P4處理與P5處理間差異不顯著，但均顯著高于P6處理(P<0.05)，這可能是密度增大導致群體內部環境變差進而造成蕾鈴脫落所致；單鈴重則以P3處理最高，達6.93 g，但其與P2、P4處理并無顯著差異，說明種植密度在12萬～18萬株·hm-2范圍內浮動對單鈴重的影響較小，但密度過大(P6處理)，鈴重則顯著降低；衣分在各處理間均未達顯著性差異水平，說明其主要受遺傳因素影響，種植密度對衣分的影響較小。籽棉及皮棉產量變化趨勢一致，均隨密度增大呈先增后降變化規律，在P5處理達到最高，較P1、P2、P3、P4、P6處理籽棉分別增產28.54%、18.61%、3.87%、2.95%和12.78%，但其與P3、P4處理間差異并不顯著，說明在單株鈴數和單鈴重不占優勢的情況下，可通過適當增大種植密度以獲得高產。進一步模擬分析密度與產量關系可知，產量隨密度增大呈開口向下拋物線變化態勢(圖6)，在15萬～21萬株·hm-2(P3處理至P5處理)范圍內產量最優，繼續增大種植密度，產量不增反降。

表1 不同處理下棉花產量及產量構成因素

圖6 種植密度與產量的關系

3 討論

3.1 種植密度改變棉花的群體結構

選用合理的種植密度以塑造良好的群體結構是棉花獲得高產優質的重要措施[19]，而適宜葉面積指數及其動態，適宜株高、節枝比等量化指標可以有效塑造高光效群體，實現優化成鈴和集中成鈴與采收[20]。前人研究認為，隨著棉花密度的增加，植株高度增加[21]，且高密度對棉花生育前期增加株高有一定作用，生育后期則不顯著[22]，然而，也有研究發現，棉花株高隨密度的增加呈下降趨勢[23]，但密度過高會導致植株莖稈質量變差、增加倒伏的風險[24-25]。本研究結果與前人研究結果類似，本研究中，棉花的株高隨種植密度的增高而降低，雖密度相鄰處理間差異不顯著，但當間隔密度梯度拉大到6萬株·hm-2時差異顯著，且最低密度與最高密度處理間存在顯著性差異，這可能是由田間管理時肥水差異導致的。此外，雖然本研究結果中株高日增長量存在密度越大，盛花期前主莖日增長量也較高、后期變化趨勢相反的結果，但增加密度對前期株高的促進作用并不顯著，反而因密度較大，導致棉花莖稈細瘦，而密度較低的處理則在打頂后依舊保持一定的增速且莖稈粗壯，提升了植株抗倒伏的能力。分析原因也可能是在同等化控條件下，不同密度條件下植株對縮節胺的敏感度存在差異所致。

合理高效的冠層結構是作物產量形成的基礎[26]，研究表明，在一定密度范圍內，密度會顯著影響棉花的橫向生長和縱向生長，增加密度可使株型更為緊湊[27]，隨著種植密度的增大，棉花群體葉面積指數和葉傾角顯著增加，葉傾角降低[18,28]，類似于前人研究結果，本研究亦呈現出密度越大，葉傾角越大而冠層開度越小的結果，且密度越大，葉傾角變幅越小，隨時間的推移，冠層開度顯著降低，處理間差異逐漸減小。另一方面，在盛蕾期以前基本為密度越大LAI越高，但其后則始終以18萬株·hm-2(P4處理)LAI最高，且這種優勢一直保持至噴施脫葉劑前的最后一次測定(9月4日)，仍高達4.12。相比之下，密度為15萬和21萬株·hm-2的P3、P5處理則基本持平，至末次測定，P3處理的LAI反而較P5處理高出0.09，這也進一步說明了通過適當降低密度，發揮單株個體優勢仍可維持較高LAI，且可在一定程度上減緩葉面積指數在后期的衰減。

3.2 種植密度影響棉花產量

研究發現，在較大的密度范圍內(2.5萬～23.0萬株·hm-2)，棉花可以調節個體的生長發育和群體之間的關系，產量不會顯著增高或降低[29-30]，但也有研究表明，如果其他因素處于最優水平，作物產量將以拋物線的變化形式對密度作出反應[31]。隨著密度的增大，棉株果枝臺數、果節數及成鈴數均有不同程度下降[32]，同時鈴重和收獲指數顯著降低[33]，不孕籽率及爛鈴率增加，但通過合理密植可獲得更高的皮棉產量[34-35]。與前人研究結果基本一致，本研究結果表明，在低密度下增密可顯著提升產量，但在15萬～21萬株·hm-2區間內產量差異不顯著，繼續增密反而導致作物產量的損失。

綜合考量棉株形態結構及產量，本研究中在南疆機采棉區(66 + 10) cm種植模式下，建議中棉所88號種植密度應介于15萬～18萬株·hm-2之間，以適當降密的方式充分發揮棉花個體優勢，緩解因群體過大產生的弊端，此時棉花群體結構較好，籽棉產量亦較高。