種植密度對機(jī)采麥套棉產(chǎn)量形成及品質(zhì)的影響

趙欣欣，劉太杰，韓迎春，王國平，陳煥軒，熊世武，雷亞平，楊北方，李亞兵，，馮 璐，

（1.棉花生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄭州大學(xué)研究基地/鄭州大學(xué)，鄭州 450000；2.塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾 843300；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南安陽 455000）

0 引言

【研究意義】我國是棉花生產(chǎn)大國[1]。麥棉兩熟是黃河流域棉花最重要的生產(chǎn)方式之一，對提高棉花產(chǎn)量起到了重要作用[2]。在黃河流域，棉花大多與小麥套作種植，延長了土壤覆蓋期[3]。常規(guī)麥棉套作，棉花多選用中熟品種，麥棉共生期7周左右，而采用小麥和短季棉（5月中旬播種）套作可減少麥棉共生時(shí)期4周以上，不僅能夠更加有效地利用光溫水肥各項(xiàng)資源，還有助于小麥和棉花的機(jī)械化收獲。【前人研究進(jìn)展】合理密植是實(shí)現(xiàn)棉花優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)及棉花機(jī)械化生產(chǎn)的重要技術(shù)手段[4，5]。種植密度對促進(jìn)光溫水肥資源利用起重要作用[6]，對棉花生長發(fā)育，生物量累積和分配，產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成單位以及纖維品質(zhì)等均有影響[7-9]。由于作物的補(bǔ)償效應(yīng)，棉花產(chǎn)量在一定的密度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，但是過高或者過低種植密度均會(huì)顯著減少棉花產(chǎn)量[10]。隨著密度增加，主莖節(jié)點(diǎn)、營養(yǎng)枝數(shù)量和單株果節(jié)數(shù)均減少，能夠促進(jìn)棉花集中成鈴，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)[11、12]。【本研究切入點(diǎn)】不同氣候和地域條件下棉花種植密度一般不同，同一地區(qū)不同品種適宜種植密度也存在差異[13-15]，棉花最適密度與種植模式、品種和環(huán)境均相關(guān)[10]。以往麥棉兩熟棉花種植密度的研究中，主要以麥套中熟品種為研究對象，對于短季棉在黃河流域適宜機(jī)械化生產(chǎn)的種植密度的研究較少。需研究機(jī)采麥套短季棉種規(guī)模式下，不同種植密度對棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】研究麥套早熟棉模式下，品種和種植密度對棉花生物量、產(chǎn)量和成鈴產(chǎn)量分布的影響，分析麥套早熟棉在黃河流域適宜機(jī)械化生產(chǎn)的種植密度，為麥棉兩熟種植制度早熟棉管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)于2018～2019年在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所東場試驗(yàn)基地進(jìn)行，該基地位于河南安陽（36°06′N，114°21′E），沙壤土，土壤0～20 cm的基礎(chǔ)地力：pH7.05，有機(jī)質(zhì)含量10.67 g/kg，堿解氮含量81.31 mg/kg，有效磷含量23.37 mg/kg，速效鉀含量97.86 mg/kg。2019年5～10月有效積溫（≥12℃）為2 127℃，7月平均氣溫最高；降水量320.6 mm，其中8月降雨最多，5月降雨最少；日照時(shí)數(shù)1 448 h，表1

表1 試驗(yàn)地棉花生育期氣象數(shù)據(jù)Table 1 Meteorological information of cotton growing period in the test site

供試棉花品種為錦科707（優(yōu)質(zhì)品種）和魯棉2387（高衣分品種）。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采取裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為品種，副區(qū)為種植密度，設(shè)置4.5×104（D1）、9×104（D2）、13.5×104（D3）株/hm23個(gè)處理，重復(fù)3次。麥套棉模式為2-1式（即2行小麥1行棉花），試驗(yàn)小區(qū)為6行，行距0.76 m，行長8 m，小區(qū)面積36.48 m2。2018年10月30日播種冬小麥，2019年5月15日播種棉花于小麥行間，其他管理措施參照當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)管理水平。圖1

圖1 麥棉套作模式（2-1式）Fig.1 The planting pattern of wheat intercropped cotton（2-1 type）

1.2.2 測定指標(biāo)

1.2.2.1 地上部干物質(zhì)及葉面積

棉花苗期（5月底）開始，每隔15 d取樣1次，每個(gè)小區(qū)選擇有代表性且長勢均勻一致的2株棉花，將棉花按根、葉片、莖、生殖器官（蕾、花、鈴、絮）進(jìn)行分解。分解后鮮樣放入烘箱調(diào)至105℃殺青，再將其放入80℃烘箱中烘至恒重，測量并記錄棉花各部位的干物質(zhì)質(zhì)量。將葉片平鋪在白色板子上，拍照后使用Image Pro Plus軟件（Media Cybernetics，Inc）計(jì)算葉面積指數(shù)（LAI）。

1.2.2.2 株式圖和生育期

于7月15日、8月15日和9月15日，調(diào)查選取小區(qū)中間2行長勢均勻的10株棉花，記錄生育時(shí)期。

1.2.2.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

收獲期按小區(qū)實(shí)收計(jì)產(chǎn)，各小區(qū)收取正常開裂的50個(gè)棉鈴，測定鈴重和衣分等產(chǎn)量性狀，取棉纖維樣品用于檢測纖維品質(zhì)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016和Stata 14.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用surfer 16軟件作圖。方差分析采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件，采用最小顯著性差異（LSD）法進(jìn)行分析差異顯著性（P＜0.05）。

棉花生長發(fā)育符合Logistic生長模型，棉花出苗后天數(shù)與生物量累積的關(guān)系可用以下函數(shù)公式來表示：

式中，t表示棉花出苗后的天數(shù)（d）；Y表示在時(shí)間為t時(shí)所累積的生物量（g）；Wmax表示棉株累積最大生物量（g）；a、b為生長參數(shù)。

計(jì)算生物量快速増長期的起始時(shí)間（t1）、終止時(shí)間（t2）、最大増長速率VM、最大増長速率出現(xiàn)的時(shí)間tM及快速累積持續(xù)期T=t2-t1。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種與密度對棉花農(nóng)藝性狀的影響

研究表明，品種和種植密度對株高的影響無互作效應(yīng)。密度顯著影響棉花株高，而品種間株高差異不顯著。不同種植密度間，株高以D1最高，D3最低，D2與D1間無顯著差異。

品種和種植密度對果枝臺數(shù)均有顯著影響。JK707的果枝臺數(shù)（13.7臺/株）較LM2387（12.6臺/株）多1.1臺/株。不同種植密度間，果枝臺數(shù)隨密度增加而逐漸降低，與D1相比，D2和D3果枝臺數(shù)分別減少1.2和2.2臺/株。

品種和種植密度對節(jié)枝比的影響無互作效應(yīng)。品種間節(jié)枝比無顯著差異，而種植密度則顯著影響棉花節(jié)枝比。隨種植密度增加，節(jié)枝比逐漸降低，與D1相比，D2和D3節(jié)枝比分別降低0.51和0.70。

JK707，種植密度D2和D3下的脫落顯著高于D1，但D2和D3的脫落率無顯著差異；LM2387，不同密度間的脫落率均無顯著差異。表2

表2 不同密度與品種下棉花農(nóng)藝性狀變化Table 2 Effect of different density and variety on agronomic characters of cotton

2.2 不同品種與密度對棉花葉面積指數(shù)（LAI）的影響

研究表明，在棉花生育期內(nèi)，LAI隨出苗后時(shí)間呈先增加后降低的趨勢。錦科707在3個(gè)密度處理均在8月23日左右達(dá)到最大值；LM2387中D1也在8月23日左右達(dá)到最大值，而D2和D3在9月12日左右達(dá)到最大值。不同品種和不同密度處理LAI峰值不同，2個(gè)品種都在D3下LAI最大，LAI分別達(dá)到3.14和4.16，均表現(xiàn)為D3＞D2＞D1。圖2

圖2 棉花葉面積指數(shù)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic change of cotton leaf area index with date

2.3 不同密度與品種對麥棉套作棉花生物量累積與分配的影響

研究表明，對于不同品種，全生育期棉花地上部生物量均隨密度增加而增加。出苗后126 d（吐絮期），JK707，D2和D3地上部生物量分別較D1高47.01%、52.43%；LM2387，D2和D3地上部生物量分別較D1高71.62%、119.68%。圖3

圖3 棉花地上部生物量群體累積動(dòng)態(tài)Fig.3 Accumulation dynamics of aboveground biomass population in cotton

JK707，棉株理論最大累積生物量（Wmax）以D2最高，D3次之，D1最低。LM2387，則以D3最高，D2次之，D1最低。JK707和LM2387的生物量快速積累持續(xù)期（Rapid Accumulation Period，F(xiàn)AP）分別以D2和D1最長（均為43 d）。JK707生物量平均累積速率（VT）以D2最大，LM2387則以D3最大，對2個(gè)品種，最大累積速率（Vmax）均以D3最高，D1最低。JK707和LM2387生物量快速累積起始期均以D2最遲，分別從出苗后第66 d、第68 d開始，但生物量快速累積結(jié)束期JK707以D2最遲，LM2387以D1最遲。JK707以中密度處理（9×104株/hm2）生物量累積理論最大值和平均累積速率最大；而LM2387則以高密度處理（13.5×104株/hm2）生物量累積理論最大值和平均累積速率最大。表3

表3 不同密度與品種下棉花地上部生物量累積特征值變化Table 3 Effects of different densities and varieties on aboveground biomass accumulation characteristics of cotton

2.4 不同品種與密度對麥棉套作棉花生物量分配的影響

研究表明，2個(gè)品種棉株生物量、葉/鈴比均隨著密度增加而增多。相較于D1，JK707中D2和D3總生物量分別增加了40.4%和42.0%；LM2387則分別增加65.5%和85.1%。隨密度增加生殖器官分配比例降低，以D1最大，D2和D3無顯著差異。JK707，相較于D1，D2和D3生殖器官比例分別降低8.7%和11.9%；LM2387，D2和D3生殖器官比例較D1分別降低10.6%和11.7%，2個(gè)品種中JK707生殖器官比例較LM2387較低，葉鈴比較大。由于JK707生殖器官占比小，葉片較多，成鈴較少。表4

表4 不同密度和品種下棉株生物量分配變化Table 4 Effects of different densities and varieties on biomass allocation of cotton plants

2.5 不同品種與密度對棉花產(chǎn)量的影響

2.5.1 不同品種與密度對棉花產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成的影響

研究表明，隨著密度增加，單位面積鈴數(shù)也增加。2個(gè)品種間鈴數(shù)和鈴重?zé)o顯著差異，但LM2387的衣分顯著高于JK707。2個(gè)品種的籽棉產(chǎn)量無顯著差異，不同密度間籽棉產(chǎn)量差異顯著，以D1籽棉產(chǎn)量最低（3 552 kg/hm2），D2產(chǎn)量最高（4 069 kg/hm2），但D2和D3籽棉產(chǎn)量差異不顯著。JK707中D2較D3和D1的籽棉產(chǎn)量分別高1.1%和4.9%；LM2387中D2較D3和D1的籽棉產(chǎn)量分別高0.8%和15.8%。棉花品種和密度對棉花皮棉產(chǎn)量影響存在互作效應(yīng)。JK707，皮棉產(chǎn)量以D2最高，但不同密度間皮棉產(chǎn)量無顯著差異；LM2387，皮棉產(chǎn)量隨密度增加而逐漸提高，D2和D3皮棉產(chǎn)量（1 674和1 698 kg/hm2）顯著高于D1（1 446 kg/hm2），但D2和D3間皮棉產(chǎn)量無顯著差異。LM2387的皮棉產(chǎn)量在D1，D2和D3下分別較JK707高1.9%，11.8%和15.9%，隨密度增加兩個(gè)品種間皮棉產(chǎn)量的差異增大。鈴數(shù)是不同密度間棉花產(chǎn)量差異的主要原因。表5

表5 不同密度和品種下棉株生物量分配變化Table 5 Effects of different densities and varieties on biomass allocation of cotton plants

2.5.2 不同密度和品種對棉花產(chǎn)量空間分布的影響

研究表明，在棉株內(nèi)部，JK707和LM2387，在垂直方向上隨著密度的增大，棉鈴分布向中部集中，有棉鈴分布的最高果枝按從上到下的順序排列依次為D1＞D2＞D3，營養(yǎng)枝數(shù)量和營養(yǎng)枝上棉鈴分布均隨密度增加而減少；在水平方向上，隨密度增加，棉鈴分布向內(nèi)圍集中。2個(gè)品種相比，LM2387產(chǎn)量分布較JK707更為集中。圖4

圖4 不同密度和品種下棉花產(chǎn)量空間分布Fig.4 Spatial distribution of cotton yield with different densities and varieties

2.5.3 不同品種與密度對棉花纖維品質(zhì)的影響

研究表明，不同品種和密度影響棉花纖維品質(zhì)。不同密度對棉纖維上半部平均長度影響不顯著，但2個(gè)品種間呈顯著性差異，JK707纖維長度較LM2387長3 mm。纖維整齊度在不同品種和密度間均無顯著差異。密度和品種對馬克隆值和斷裂比強(qiáng)度的影響均存在互作效應(yīng)。LM2387，馬克隆值隨著密度的升高而逐漸降低，斷裂比強(qiáng)度則無顯著差異；JK707，不同密度間的馬克隆值無顯著差異，斷裂比強(qiáng)度則以D2最高，D3次之，D1最小。JK707的纖維斷裂比強(qiáng)度較LM2387高3.3 cN/tex，馬克隆值則較LM2387低0.6。表6

表6 棉花纖維品質(zhì)與不同密度和品種的關(guān)系Table 6 Relationship between fiber quality and different density and varieties of cotton

3 討論

合理密植是構(gòu)建良好棉花株型和群體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，是提高棉花產(chǎn)量的重要技術(shù)手段[16]。密度過大和過小都不利于棉花個(gè)體發(fā)育[17、18]。種植密度通過影響葉面積指數(shù)，株高，節(jié)枝比，生物量等指標(biāo)影響棉花的株型和群體結(jié)構(gòu)。棉花株高隨密度增加而增加，尤其在生育前期較為明顯[19]；株高隨密度增加呈下降趨勢[20]。研究中，棉花株高隨密度的增加呈下降趨勢，但在中、低密度下株高差異不顯著，可能是由高密度下棉株間資源競爭加劇所致。適宜的株高能夠確保足夠數(shù)量的果枝臺數(shù)。隨著密度升高，棉株果枝臺數(shù)降低，棉株的橫向生長也受到抑制，節(jié)枝比減少，總果節(jié)數(shù)減少，庫的減少導(dǎo)致較高的葉鈴比和較低的生殖器官生物量分配比例。隨著密度增加，營養(yǎng)枝減少，且棉鈴在棉株內(nèi)部的分布向中部和內(nèi)部集中，有利于棉鈴集中成熟，對棉花的機(jī)械化采收有利，與前人的研究結(jié)果一致[12、21]。

生物量的累積和分配是產(chǎn)量形成的重要決定因素[22]。高密度下單位面積生物量顯著提高，這主要由于群體效應(yīng)以及較旺盛的營養(yǎng)生長。適宜的LAI可以使作物合理的利用光能。LAI越大，葉片交錯(cuò)重疊程度越大，過高的LAI反而會(huì)引起冠層下部光照不足，使光合凈同化速率降低，增加蕾鈴脫落，減少生物量向生殖器官的累積，降低產(chǎn)量[23]。研究中發(fā)現(xiàn)密度增加顯著提高LAI，蕾鈴脫落增加，生殖器官生物量的分配比例減少，葉鈴比和葉分配系數(shù)提高。在棉花生育后期，較高的生殖器官分配率有助于產(chǎn)量的提高[22]。研究中隨密度增加后期生殖器官的分配比例降低，是中等密度和高密度下籽棉產(chǎn)量差異不顯著的原因。

棉花產(chǎn)量是由多項(xiàng)產(chǎn)量構(gòu)成因素共同作用的結(jié)果[24]，可通過影響鈴數(shù)、單鈴重和衣分等產(chǎn)量構(gòu)成因素影響其產(chǎn)量[25-27]。周永萍等[28]的研究中，棉花單位面積總成鈴數(shù)隨種植密度增加而增加，與試驗(yàn)中的結(jié)果一致。隨著密度的升高，鈴數(shù)隨密度增大逐漸增大，而鈴重隨密度變化差異不顯著，密度對產(chǎn)量的影響主要通過影響鈴數(shù)影響籽棉產(chǎn)量。隨著密度增加，籽棉產(chǎn)量逐漸增加，D2和D3籽棉產(chǎn)量無顯著差異。種子成本是棉花生產(chǎn)物化成本的主要構(gòu)成部分，在產(chǎn)量無顯著差異時(shí)，以較低密度更有利于節(jié)約物化成本和管理成本，種植密度D2更利于產(chǎn)量提高和降低生產(chǎn)成本。LM2387與JK707籽棉產(chǎn)量無顯著差異，但皮棉產(chǎn)量則顯著高于JK707，衣分不同是兩個(gè)品種間皮棉產(chǎn)量差異的主要原因。

棉花纖維品質(zhì)與密度，品種和環(huán)境因素均密切相關(guān)[29、30]。低密度較高密度纖維更長，馬克隆值更優(yōu)[31]。研究中，種植密度對纖維長度和成熟度無影響，但顯著影響纖維馬克隆值和比強(qiáng)度。隨著種植密度增加，馬克隆值呈降低趨勢。纖維比強(qiáng)度以D2密度最強(qiáng)，D3次之，D1最小。

4 結(jié)論

不同種植密度和品種影響棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)，在黃河流域麥套短季棉種植模式下，品種錦科707和魯棉2387在種植密度D2（9×104株/hm2）下既能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，還有利于降低生產(chǎn)成本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收獲。錦科707纖維品質(zhì)優(yōu)，而魯棉2387衣分高，且株型更加緊湊，成鈴更集中，更適宜機(jī)械化采收。