棉花夏播短季栽培高產高效生產模型研究

摘要：研究栽培措施與棉花產量之間的關系，尋找其最佳的生產管理方案，是奪取單位面積高產、提高經濟效益的重要途徑。本試驗以早熟品種JX0010為供試材料，于2018—2019年在瀏陽永和設定施氮量、種植密度、播期三個栽培因子，采用311-A最優二次回歸設計，對棉花的農藝性狀、干物質、光合作用、產量和品質等進行一系列的研究，建立適合長江流域棉區短季栽培的高產、高效數學模型，以在生產上推廣應用。結合試驗過程中的成本、收益及早熟情況進行綜合分析與評價，結果分析表明，最高產量模型組合及最優生產模型推行方案為：露地直播，5月20日左右播種，施氮量為225 kg/hm2，種植密度為5.25萬株/hm2，可獲得平均皮棉產量為1372.16 kg/hm2，10月10日收花截止，按生育期140 d計算，日均皮棉產量為9.801 kg/hm2，用工日為135 個/hm2，植棉效益為6783.77元/hm2。

關鍵詞：棉花；短季栽培；露地直播；高產高效；生產模型

中圖分類號：S562 文獻標志碼：A

Abstract： To study relationship between cultivation measures and cotton yield for optimal production management method is an important way to gain high yield per unit area and greater economic benefits.In this experiment， the early-maturing variety JX0010 was used as test material. From 2018 to 2019， three cultivation factors， nitrogen application rate， planting density and sowing date were set in Yonghe， Liuyang. Studies on agronomic traits， dry matter， photosynthesis， yield and quality of cotton were carried out using 311-A optimal quadratic regression design. Mathematical model of high-yielding and efficient short season cultivation suitable for cotton production area of Yangtze River Basin was established to be popularized and applied in production. Considering cost， benefit and early maturity in the experiments， comprehensive analysis and evaluation were carried out. The results showed that plan combining model for maximum yield and optimal production was as follows： With open field direct seeding on May 20th，" nitrogen application rate of 225 kg/hm2， planting density of 52，500 plants /hm2， the average lint yield of 1372.16 kg/hm2; by October 10th when flower harvest ended， the average daily lint yield was 9.801 kg/hm2 during 140 d growth period. The labor was 135 working days /hm2， and the benefit of cotton planting was 6783.77 yuan /hm2.

Key words： Cotton; short season cultivation; open field direct seeding; high-yielding and efficient; production model

棉花作為我國的重要經濟作物，多年來一直是國計民生的重要組成部分，為我國經濟的發展和出口創匯做出了巨大貢獻。近年來由于我國農村勞動力不斷向城鎮化轉移，農村勞動力嚴重缺乏，加之受國際國內棉花收購形勢低迷，生產資料價格和人工勞動力成本不斷攀高以及自然災害等因素影響，加之棉花生產價格低，導致棉花生產成本逐年增加，植棉效益越來越低，棉農缺乏保障，棉花生產穩定性較差，植棉農戶越來越少[1]。目前，中國每年棉花消費量接近800萬t，而國內產值每年只有600萬t，將近200萬t的缺口。新疆是我國的棉花生產大省，棉花總產量占全國總產的80 %。自2022年6月份開始，美國海關對從中國進口的棉制產品加強查驗，禁止進口與新疆相關的棉花產品。因此，必須加大黃河流域和長江流域的棉花種植面積。

棉花高產高效栽培技術是解決當前棉花產業困境的有效措施，多年來，國內學者對棉花高產高效栽培作了許多研究，并取得不錯的研究成果。王順領等[2]通過試驗總結出實現棉花高產高效栽培技術，主要技術為放寬行距1.2～1.5 m，高肥力800～1000株/667 m2，中低肥力1500株/667 m2，全生育期不整枝，每株留2～3個葉枝，棉株全生育過程，噴施2～3次誘導調控劑，一生只澆2～3次水和施1～2次肥，這種模式每667 m2可省工10～16個，減少物化投入90～120元，比常規棉增產20 %以上，新增效益達300元/667 m2以上。楊懷信等[3]研究密度及氮、磷、鉀肥對棉花產量及經濟效益的影響得出了以高產高效為目標，皮棉產量大于1875 kg/hm2，經濟收益不低于20250元/hm2的模式優化方案為：每公頃保苗17.3萬～18.5萬，施純氮159～166 kg、五氧化二磷82～91 kg，配施氧化鉀127～135 kg。

影響棉花產量的因素是多種多樣的，如環境條件、人的因素等，研究栽培措施與棉花產量之間的關系，尋找其最佳的生產管理方案，是奪取單位面積高產，提高經濟效益的重要途徑[4]。為了尋求棉花短季栽培高產高效的農藝方案，本試驗于2018—2019年，以早熟品種JX0010為供試材料，在瀏陽永和設定施氮量、種植密度、播期三個栽培因子，通過311-A最優二次回歸設計，對棉花的農藝性狀、干物質、光合作用、產量和品質等進行了研究，其目的是通過調控一系列的栽培措施，建立適合長江流域棉區夏播短季栽培的高產、高效的數學模型，以在生產上推廣應用，解決目前長江流域棉區的生產現狀。本研究對2018—2019年試驗結果所獲得皮棉產量與栽培因子進行回歸分析，結合試驗過程中的成本、收益及早熟情況進行綜合分析與評價，獲取最高產量模型組合以及最優生產模型推廣方案。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗在瀏陽基地進行。根據棉花短季栽培的主要影響因子，選擇了棉花施氮量（x1）、種植密度（x2）、播期（x3）作為參試因子，每個因子設定5個水平，試驗采用311-A最優二次回歸設計，其數學模型參照以下多項式回歸方程的數據處理與分析方法。

統計數據先以隨機區組方法，分析重復間的差異顯著性，在區組間無顯著差異的前提下，采用各處理組合的平均值進行回歸分析，建立多項式二次回歸方程，其回歸模型為[5]：

其中，b0為常數項；bj為一次項回歸系數；bij為互作項回歸系數；bjj為二次項回歸系數。

根據數學模型和試驗所得結果建立皮棉產量的數學模型。按試驗設計要求，共設33個試驗小區，小區面積為23 m2，行距1 m左右，株距根據密度不同而有差異，平均為13～15 cm。各小區之間采用完全隨機區組排列。試驗設計具體方案見表1和表2。

1.2 栽培條件

以湖南農業大學棉花研究所提供的JX0010中、早熟品種為試驗材料。試驗地土壤為紅壤土，試驗田地力均勻，地勢平坦，排灌方便，前作物為油菜。試驗均采用油后直播的方式。

供試肥料與施用方法：N肥選用含氮量為46 %的尿素；每667 m2施過磷酸鈣60 kg（含P2O5 16 %）、氯化鉀15 kg（含K2O 55 %）。施肥方法：（1）N肥施用方法，N肥于盛花期（全試驗區50 %棉株，第四果枝開花時，大約7月10—15日期間）在棉行旁邊6.5 cm處開淺溝一次性施用；（2）氯化鉀、過磷酸鈣在試驗小區作基肥一次性開溝埋施。其它田間管理措施按照湖南省棉花栽培技術規范標準（DB 43/T 286-2006）執行。

播種前，每667 m2用10 %草甘膦水劑400～700 g噴施棉田。盛蕾至初花期根據棉田具體情況，每667 m2施用縮節胺0～3 g。當大田有30%～40%棉鈴開始吐絮時，噴施化學催熟劑，采用清水600～750 mL/hm2 +脫吐隆135～225 mL/hm2噴施棉花葉面，促使棉株脫葉、棉鈴集中吐絮。

2 結果與分析

2.1 皮棉產量回歸方程

以短季栽培棉花皮棉產量（y）為目標函數，以編碼值x1（施氮量）、x2（密度）、x3（播期）為決策變量，根據實驗結果與311-A最優回歸設計建立皮棉產量與施氮量（x1）、密度（x2）、播種期（x3）3因子的多項式回歸方程為：

y=86.6183+1.9679x1+2.4422x2－8.4793x3－2.2047x12－2.000x22－3.6203x32－4.9977x1x2－0.2763x1x3+1.2383x2x3

經F測驗，求得F=63.0362，［F0.01（4.31）=4.02］，達到極顯著水平，證明該試驗實施方法是正確的，用此數學模型預測皮棉產量是可靠的。

2.2 短季栽培高產高效農藝措施的頻率分析

根據皮棉產量的回歸方程，由計算機模擬每公頃皮棉1320 kg以上的農藝方案共24個，其中每公頃1320～1350 kg的8個，每公頃1350～1470 kg的16個。現將它們的各自變量取值范圍內出現的頻率統計于表3。

從表3中的編碼值頻率分析可知，x1編碼0和1水平出現的頻率最大，比編碼-1、2和-2水平分別高出20 %、40 %、60 %。這表明施氮量以225～300 kg/hm2為最佳，同時也說明施氮量過高或過低都不利于棉花高產。這一結論與前人研究的結果一致，與生產實際相吻合。x2頻率分布相對較分散，但以編碼0、1和2水平的頻率較高，分別占20.8 %、20.8 %、25 %，其它-2和-1兩個水平的頻率分布均勻，均占16.7 %，說明密度在5.25萬～" " "8.25萬株/hm2范圍內，適當增加密度有利于提高產量。x3以編碼-2和-1水平的頻率最高，均達到45.8 %，0水平的頻率僅為8.3 %，在每公頃大于1320 kg的皮棉組合中，x3編碼中的1和2水平沒有出現過，這表明5月15日—5月25日之間，有利于奪取棉花高產，當播期推遲到5月30日之后時，不利于棉花高產。

2.3 短季栽培棉花高產農藝措施組合方案

為了尋找生產上容易實現的高產栽培優化技術方案，用步長法求高產高效農藝組合。依據統計選優法，以皮棉產量為目標函數進行頻數分析。在約束條件下（-2≤xi≤2），各變量取步長為1時，施氮量、種植密度、播期3個因子各有5個水平，通過微機運算53=125套農藝組合方案[6]。經微機模擬，每公頃皮棉產量≥1320 kg的技術組合有24個，占總組合數的19.2 %（表3）。根據表3中各編碼值的均值可知，施氮量、種植密度、播期3因子的編碼值分別為0.1250、0.0833、-1.3750時，能獲得高產。即施氮量為234.38 kg/hm2，種植密度為" " "5.3745萬株/hm2，播期為5月18日，皮棉產量為1399.838 kg/hm2。

為了適應各地的具體條件，本研究對各栽培因子提出了一定的幅度范圍，在生產具體應用中，可根據具體情況選擇其中一個農藝措施組合，確定方案中各個因子的上限或下限。如在土壤含氮量較高的情況下，在施氮量方面宜采用低限；土壤含氮量較低的情況下，在施氮量方面采用高限。通過計算機模擬求得各項農藝措施加權平均值的95%的置信區域，通過95 %置信區間的編碼值（施氮量為-0.4222～0.6722，種植密度為-0.5382～0.7049，播期為-1.6482～-1.1018），獲得皮棉單產≥1320 kg的農藝措施的范圍是：施氮量為193.35～275.4 kg/hm2，種植密度為4.44萬～6.31萬株/hm2，播種期為5月17日—5月20日。

2.4 棉花短季栽培高效益分析

（1）溫、光、水資源的高效利用

棉花大田生產的生長發育過程受氣候因子影響很大，最終將反映在棉花產量和棉纖維品質上。影響棉花生長發育的氣候因素很多，其中溫度、光照和降水三個氣候因子影響最大。湖南位于長江中游南岸，地處北緯24°39′～30°08′，東經108°47′～114°15′。溫度適宜，雨水充沛，熱量充足，夏秋季太陽輻射強。棉花短季栽培一般于5月中下旬播種，避開了湖南春季短期低溫時期，播種后由于氣溫高，加快了棉花整個生育進程，出苗快，生育期縮短。棉花好光，整個生育季節光照充足，全年日照時數在1400 h以上，平均日照率在40 %以上。在棉花生育期間，從播種到收花結束，≥15 ℃的活動積溫為4000～4700 ℃，有效積溫達到1400～1700 ℃。在長江中下游，7—8月份降水量適中，降雨量在400 mm左右，分布合理。7月上旬至8月底，是棉花產量形成的關鍵時期，大約有35～40 d的優質鈴開花期，該時期雨水充沛，平均氣溫在27～30 ℃之間，棉鈴發育快，利于多結鈴及優質鈴。吐絮期（9月上旬至10月下旬）的平均氣溫仍有16～26 ℃，有利于后期纖維素的積累和棉纖維生理上的正常成熟，棉花短季栽培整個生育季節都能充分利用溫、光、水等氣候資源，這為實現湖南省棉花短季栽培高產高效提供了有利的氣候因素。

（2）農業生產栽培措施的高效利用

棉花短季栽培通過合理增加種植密度，協調群體與個體之間的關系，以群體數量的增加來彌補個體數量的不足，在保證足夠群體的基礎上來培育健壯的個體；通過增加棉花群體葉面積，提高棉花群體對土壤和光能的利用率，在優質鈴開花期保證充分熱量資源，確保整個產量形成期具備較高的群體光合性能，提高棉花光能的利用率。從而通過提高棉花群體日均子棉產量來實現高產目標。增加播種密度，能更好的提高群體光合利用率，由于直播較傳統移栽棉推遲了一個月，棉花無緩苗期，無根系損傷，棉花只有一次生長期，有效提高了光、溫、水肥資源的利用率。為節約施肥成本，改變為爭取高產過多施用化肥的現象，棉株全生育期一共施肥兩次，一次是于播種時，磷肥、鉀肥作為基肥一次性開溝埋施，第二次是氮肥于盛花期開穴一次性埋施，減少施肥次數，節省了勞動力，降低肥料成本，提高效益。

（3）露地直播方式可實現節本高效的目標

直播方式與移栽棉相比，無需育苗和移栽，出苗后氣溫較高，無壟斷現象，一播全苗無需補苗。以皮棉高產1399.838 kg/hm2為目標，根據當地2015年皮棉目標價格19.8元/kg計算，產值為27716.79元/hm2，物化成本為4185元/hm2，比育苗移栽提高262元/hm2，這主要是由于選用的種子為雜交棉種，短季栽培直播方式的種子成本要高于育苗移栽。實際用工日為135 個/hm2，比育苗移栽減少170 個/hm2，按照目前每個用工日120元計算，勞動力成本為16200元/hm2，比育苗移栽降低20400元/hm2，棉花短季直播栽培模式一共所需成本為20385元/hm2，其植棉效益為7331.79元/hm2，由于試驗品種選用的是早熟雜交棉，若選用常規棉品種進行短季直播栽培，將能大大降低種子的成本，進一步提高植棉效益。

2.5 產量的最佳優化方案分析

本試驗建立了施氮量、種植密度、播期3個生產要素與皮棉產量的數學模型（見2.1中的回歸模型），通過數學模型所計算出的高產優化方案并非一定是最優化的推廣方案，由于棉花生產函數模型是栽培經濟研究中的一種經濟計量模型，所以必須通過一系列的評價指標從各個側面來反映優化方案的栽培投資經濟效果[7]。本研究對每公頃皮棉單產≥1320 kg的24個組合方案中，經初步篩選，確定6個較優的方案，見表4。

（1）綜合評分。參考陳金湘等[8]的文獻，結合試驗設計的具體情況，約定產值的權重系數為0.3，參試因子的投資成本為0.1，模擬預報的可信度為0.1，早熟性（10月10日前收花的皮棉產量）為0.5。根據加權綜合評分法的公式[9]：

式中，Pj為綜合得分[0≤Pj≤100]，Pj越大，方案越優；Wi （i=1，2......n），0＜Wi＜1，[i=1nWi]=1，W為權重系數；[Qij]（i=1，2......n，j=1，2，......m），［0≤[Qij]≤1，[Q]為某方案的指標值］，結果見表4。

（2）決策分析

首先擬定皮棉的價格為30元/kg，成本只計算參試因子的投資（純氮3.91元/kg，棉花種子90元/kg），早熟性以10月10日前收花的皮棉產量表示，可信度以因子半徑（編碼值的平方之和）表示，由于編碼值為2和-2水平時，因子半徑大，可信度低，所以不予評選。在本表中，同時還規定，凡在綜合評分中任一[Qij]值為0的方案不能入選評優。根據表4的綜合得分結果，獲得最優推廣方案一個，其編碼值分別為（x1=0，x2=0，x3=-1），最優推廣方案綜合得分為71.22分，在四項評價指標中，產值較高，成本較低，早熟性較好，可信度也較高。與前面討論高產優化方案比較，最優推廣方案皮棉單產施氮量比高產優化方案（234.38 kg/hm2）降低9.38 kg/hm2，密度比高產優化方案低1245株/hm2，播種期比高產優化方案推遲2 d，兩種方案中的密度和播期基本上與高產方案中的一致。

（3）棉花短季栽培高產高效最優推廣方案

通過311-A最優混合設計，建立了施氮量、密度、播期三因子與皮棉產量的回歸模型，根據產值與成本的綜合評價分析（表4），獲得棉花短季栽培高產高效最優生產方案：采用露地直播，選用耐遲播早熟品種JX0010，于5月20日左右播種，全生育期共2次施肥，施氮量為225 kg/hm2，種植密度為5.25萬株/hm2，可獲得平均皮棉產量為1372.16 kg/hm2，10月10日收花截止，按生育期140 d計算，日均皮棉產量為9.801 kg/hm2，用工日為135個/hm2，植棉效益為6783.77元/hm2。

3 討論與結論

研究表明[10-11]缺氮會在一定程度上降低棉花的株高、莖粗，不利于構建高產群體株型。婁善偉等[12]在南疆地區進行了不同氮素水平對棉花功能葉及產量的影響研究，結果顯示增施氮肥對棉花的農藝性狀有顯著影響，合理的施氮量" " " " " " " " " " " （562.5 kg/hm2）能夠令主莖增粗，使株高更合理，果枝臺數得到保證，有利于棉花的生長發育，為棉花增產打下基礎。棉花的群體結構由單位面積有效株數、株行距的配置、葉面積系數、株型和葉型、單株成鈴數等因素構成[5]。Dai[13]等研究表明，一定范圍內增加植株密度，能增加總鈴數和鈴重。適期播種是實現一播全苗、高產優質的重要環節，選擇適宜的播種期，才能經濟有效的利用溫、光、熱等自然資源，協調個體營養生長與生殖生長，從而達到高產的目的。劉春芳等[14]在寧夏引黃灌區進行棉花播種期與密度試驗，結果顯示同一密度下，隨著播種期的推遲，播種至出苗、出苗至現蕾的天數相對減少，開花至吐絮的天數則隨播種期的推遲而延長，就全生育期而言，生育期隨播種期推遲而縮短。de Barcellos Ferreira等[15-16]研究表明，推遲播種將降低株高、單位面積鈴重以及皮棉產量。陽會兵等[17-19]研究表明，單株成鈴數與密度成正效應，密度是影響單株成鈴數的主要因子，施氮量次之，播期影響最小。同一播種期、不同密度和施氮量不同，產量結果差異很大。

通過計算機模擬組合，建立了125個農藝措施組合方案，其中每公頃皮棉產量≥1320 kg的24個，具有指導短季栽培高產高效的實際意義。通過“尋優”，找出了一個高產的“最優方案”即：x1取0.1250，x2取0.0833，x3取-1.3750，即施氮量為234.38 kg/hm2，密度為5.3745萬株/hm2，播期為5月18日，獲得最高皮棉產量為1399.838 kg/hm2。但高產方案不一定是最優推廣方案，還要根據當時當地的勞動力價格、皮棉價格以及肥料價格綜合而定。本研究從溫、光、水、肥資源，農業生產栽培措施以及生產用工方面對棉花短季栽培的高效益進行分析，得出以皮棉高產1399.838 kg/hm2為目標，根據當地2015年皮棉目標價格19.8元/kg計算，產值為27716.79元/hm2，物化成本為" " " " " 4185元/hm2，實際用工日為135 個/hm2，比育苗移栽減少170 個/hm2，按照目前每個用工日120元計算，勞動力成本為16200元/hm2 ，其植棉效益為7331.79元/ hm2。

依據棉花短季栽培的皮棉產量數學模型，結合成本、收益、早熟性的綜合評價指標，經過模擬、篩選獲得了最優推廣方案為：全生育期共施肥2次，一次是播種前，氯化鉀、過磷酸鈣在試驗小區作基肥一次性施入；另一次是于盛花期，將尿素在棉行旁邊6.5 cm處開淺溝一次性施用。在播種前，每667㎡用10 %草甘膦水劑400～700 g噴施棉田。盛蕾至初花期根據棉田具體情況，每667 m2施用縮節胺0～3 g。9月25日，當大田有30 %～40 %棉鈴開始吐絮時，噴施化學催熟劑，采用清水600～750 mL/hm2 +脫吐隆135～225 mL/hm2噴施棉花葉面，促使棉株脫葉、棉鈴集中吐絮。采用露地直播的方式，5月20日左右播種，施純氮量為225 kg/hm2，種植密度為5.25萬株/hm2，可獲得皮棉產量1372.16 kg/hm2以上。可獲得日均皮棉產量為9.801 kg/hm2，用工日為135 個/hm2，植棉效益為6783.77元/hm2。

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責任編輯：李菊馨

基金項目：2022年湖南省棉花科技創新專項（湘財建指〔2022〕51號）；2021年湖南省自然科學基金面上項目（2021JJ30348）。

第一作者：陽會兵（1982—），女，教授，碩士生導師，E-mail：yhb_12304@hunau.edu.cn。

*通信作者：楊俊興（1979—），男，博士，副教授，E-mail：35903234@qq.com。