種植模式對機采棉冠層光能利用與產量形成的影響

張 昊，林 濤，湯秋香，崔建平，郭仁松，王 亮，鄭子漂

（1. 新疆農業(yè)大學農學院/棉花教育部工程研究中心，烏魯木齊 830052；2. 新疆農業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所，烏魯木齊 830091；3. 中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；4. 農業(yè)農村部荒漠綠洲作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，烏魯木齊 830091）

0 引 言

新疆是中國最大的棉花產區(qū)，但采摘環(huán)節(jié)仍大量使用人工，占整個生產過程用工量50%以上[1]。實現(xiàn)機械化采收是緩解勞動力短缺、生產效率低下，用工成本上漲的迫切需求[2-4]。棉花機械收獲采用的是對行原理，需要推廣與之相適應的行距配置。然而，以往人工采收形成的多樣化種植模式無法滿足主流采棉機（美國約翰迪爾、

凱斯）76～102 cm的特殊行距要求，嚴重降低了機械化采收采摘效率和品質，是棉花機械化采收比例低的重要原因[5]。此外，國外棉花生產技術也無法適應新疆當?shù)匦兄行У摹鞍⒚?、早”農藝栽培要求[6]。因此，優(yōu)化種植模式對棉花機械化采收有重要意義。

美國、澳大利亞等發(fā)達國家農機農藝相配套、高產與資源高效利用同步的機采棉生產理念對中國棉花機械化采摘具有重要借鑒意義[6-8]。為了促進農機農藝融合技術的發(fā)展，通過“推行并壟”將相鄰2行棉株推并在一起，形成了以“一膜六行（66+10）cm模式”為主的機采棉種植模式[3]，該模式雖然具有較好的產量表現(xiàn)[9]，但由于果枝交叉纏繞，化學脫葉效果差，成為機械采收籽棉葉屑雜質含量高的主要因素[10]。為此，近年來栽培學家通過“擴行縮株”方式建立了“一膜三行76 cm等行距”機采棉種植模式，可顯著提高化學脫葉效率，降低子棉葉屑雜質含量和皮棉清花過程的纖維損傷[11-12]。雖然76 cm等行距種植有利于提升機采品質，但產量表現(xiàn)不一[11,13-14]。種植模式對機采棉光能利用及產量形成影響的機制尚不明確制約了該模式的發(fā)展。

大田條件下，作物冠層內部的光輻射傳輸特征具有極強的空間異質性，是衡量作物冠層結構、干物質轉化效率、產量構成因子是否理想的重要指標[15-17]。優(yōu)化種植模式有利于形成較為合理的冠層結構，不但能增強棉株中下部的透光性，還能提高光能利用率[18-21]，成為奪取棉花高產優(yōu)質的關鍵。研究表明，葉片與果枝的空間分布是光能利用的重要影響參數(shù)[22]。寬窄種植模式下，窄行內可被占據(jù)的空間有限，主莖與果枝及主莖葉和果枝與果枝葉夾角變小，葉片鑲嵌排列的重疊程度加重，從而造成冠層郁閉，不利于氣體交換和光能利用[11,18,23]。擴大行距能促使棉花生長中后期時果枝和葉片的水平伸展，以占據(jù)盡可能多的空間，葉片鑲嵌排列的重疊程度減輕，冠層間透光率高，光能利用效果較好[18]。當然，行距的變化有一定的限制，行距過大時，田間漏光較多，易造成光的損失，不利于棉花的高產、高效[24]。此外前人關于冠層輻射的研究多采用單點、單時段觀測，其空間范圍和精確度有限，有關不同種植模式下冠層內光合有效輻射時空變化規(guī)律的研究更是鮮有報道。因此，本研究擬探索主流機采種植模式光能利用的差異和基礎，研究結果不僅有助于篩選出適宜機采且冠層透光合理，光能利用較好的種植模式，還有助于通過品種、株距、氮肥、化控、灌溉等措施建立輔助的配套技術，為改革現(xiàn)行機采種植模式，為促進農機農藝的深度融合提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017—2018年于新疆阿瓦提縣農業(yè)農村部荒漠綠洲作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室野外觀測站（40°06'N、80°44'E，海拔1 025 m）進行。該地為溫帶大陸性干旱氣候，年均氣溫10.4℃，≥10℃年積溫為3 988 ℃，日照時數(shù)2 679 h，無霜期211 d，年平均降水量46.7 mm，蒸發(fā)量2 900 mm，蒸發(fā)降水比>50，農業(yè)生產完全依賴于灌溉。供試區(qū)0～40 cm深度土壤質地為粉砂壤土，平均干體積密度為1.5 g/cm3田間持水率（質量分數(shù)）為22.5%，凋萎系數(shù)7.3%，土壤有效水15.2%。土壤中有機質10.6 g/kg，全氮1.8 g/kg，堿解氮43.8 mg/kg，速效磷21.4 mg/kg，速效鉀207.5 mg/kg，總鹽分1.02%。地下水位40～50 m，地下水不能補給到作物根系分布層，向上補給量忽略不計。

1.2 試驗方案

采用單因素隨機區(qū)組設計，依據(jù)主流采棉機（CP690，美國約翰迪爾公司）對于行距的基本要求，選擇生產中最佳密度（22.5 萬株/hm2）在密度一致的基礎上，設置3種不同的機采棉行距：“一膜三行”：株距5.8 cm；“一膜四行”：株距7.7 cm；“一膜六行”：株距11.6 cm（分別記為S1、S2和S3）。每3個播幅為1個試驗小區(qū)，長7 m，寬6.5 m，面積45.5 m2，重復3次，行距及種植單元的標準種植模式詳見圖1。為減少處理之間的邊際效應，每小區(qū)的第1和第3幅膜為保護行，第2幅膜為定點調查和取樣位點。

供試品種為新陸中88號（新疆農業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所提供），生育時期劃分如表1所示。采用膜下滴灌生產方式，聚乙烯地膜寬205 cm，厚度0.01 mm，地表覆蓋度約為80%，機器覆膜人工打孔點播進行播種，出苗后只保留健壯植株1株?；适┤肓姿岫@（P2O553.8%，N 21.2%）450 kg/hm2，尿素（N 46.4%）300 kg/hm2，硫酸鉀（K2O 51%）225 kg/hm2。6月中旬開始灌溉，8月下旬結束灌溉，處理之間均采用統(tǒng)一的水肥管理措施，灌溉定額為4 650 m3/hm2，追施尿素600 kg/hm2，灌水定額為灌溉定額的1/10，灌溉施肥頻率均為7 d/次，其他管理方式同大田。

表1 2017—2018年機采棉生育期劃分Table 1 Division of growth period for machine-harvested cotton in 2017 and 2018

1.3 測定方法

1.3.1 干物質及產量測定

在主要生育時期選取長勢均勻棉株3株，測量農藝性狀后，拆分成營養(yǎng)器官（根、莖葉）和生殖器官（蕾、鈴、花）2部分，在105 ℃下殺青30 min，然后轉到80 ℃下烘干至恒質量。

1.3.2 葉面積指數(shù)

于主要生育時期，選擇晴朗無風的天氣，采用CI-110植物冠層分析儀（CID，Inc，USA）于18:00—20:00測定各處理的葉面積指數(shù)（Leaf Area Index，LAI）。

1.3.3 光合有效輻射的測量

使用SunScan桿狀光量子儀（Delta-T，Inc，UK）均勻分布于1 m測量桿上的64個獨立傳感器進行光合有效輻射（Photosynthetically active radiation，PAR）空間分布的測量。采樣空間網(wǎng)格的建立，包括以1個標準種植單元（播幅228 cm）中軸線為基點確定0、38、76和114 cm共4個水平采樣位點（W1、W2、W3和W4）；并以高度10 cm為間隔，直至冠層上方10 cm處建立垂直采樣位點（H1、H2、H3、H4…）。采樣周期與LAI測量保持同步，時間13:00-15:00。

1.3.4 冠層PAR透過率與截獲率的計算

因為本研究中在觀測期間難免會因瞬時天氣的變化致使測量時的入射PAR的觀測結果稍有誤差，從而導致不同處理間PAR的觀測不能完全同步，為此，在本研究中采用相對值（透過率和截獲率）加以克服。

冠層PAR透過率[25-26]（Transmitted PAR rate，Tr）、截獲率[27-28]（Intercepted PAR rate，In）計算方法如下

式中PARI為冠層頂部入射PAR（μmol/(m2·s)），PARi為冠層第i冠層高度的入射PAR。

為了更好地觀察不同種植模式下機采棉冠層不同垂直方向上光截獲率的變化，將冠層分為上中下3層，地面至株高1/3處為下層、株高1/3至2/3處為中層、2/3處以上為上層。并采用李艷大等[29]的方法，對相同冠層高度上4個不同水平行間位的PAR截獲率進行平均處理，得到該冠層高度上的PAR截獲率：

式中n分別表示冠層頂部、冠層2/3處、冠層1/3處，n-1分別表示冠層2/3處、冠層1/3處、冠層底部（地面處）。

1.3.5 產量構成因子測定

于收獲期在每小區(qū)選取66.7 m2代表性樣方（長2.93 m，寬2.28 m），調查實收株數(shù)和鈴數(shù)，折算出單株結鈴數(shù)和單位面積鈴數(shù)。隨機選取連續(xù)棉株10株，調查下部（1～3果枝）、中部（4～6果枝）、上部（7及以上果枝）的棉鈴數(shù)，并按照相應部位摘取30朵棉鈴，自然風干后稱質量，折算出棉鈴質量、籽棉產量、皮棉產量和衣分率等產量指標。

1.3.6 氣象資料

太陽輻射及氣溫等氣象參數(shù)由高精度自動氣象站測定（Campbell Scientific Inc. USA），該氣象站采用10 Hz頻率采集原始數(shù)據(jù)，并提供30 min的計算均值。2017和2018年生育期太陽輻射和氣溫情況如圖2。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS v. 22.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）LSD法進行數(shù)據(jù)差異顯著性分析（P<0.05），采用SigmaPlot Version 12.5（Systat Software，Inc，USA）和Surfer 8.0（Golden Software，Inc，USA）軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 種植模式對冠層內LAI變化的影響

如圖3所示，各處理LAI生育期變化呈單峰曲線，在播種后108～112 d達到峰值（花期）。隨著平均行距的增加，花后（110 d）LAI的峰值顯著（P<0.05）降低，峰值出現(xiàn)時期明顯提前。S3處理的LAI峰值和出現(xiàn)時間較S2處理高7.67%和9.89%，推遲2.40和1.80 d；較S1處理高8.00%和5.91%，推遲1.10和6.30 d。上述分析表明增大行距可以降低LAI，促進通風透光，防止貪青晚熟。

2.2 種植模式對冠層PAR透過率時空變化的影響

2.2.1 種植模式對冠層PAR透過率時間變化的影響

冠層間的透光情況可以很好的反應棉花田間的封行早晚和封行程度[30]，圖4、圖5為2017和2018年3個種植模式下棉花在4個主要生育時期（蕾期、花期、鈴期和吐絮期）的冠層PAR透過率變化情況。結果顯示，隨生育時期的推進，冠層內的PAR透過率呈“高-低-高”變化趨勢，且隨平均行距的增加，冠層內的PAR透過率逐漸增加。如在2018年水平位置38 cm位點處，冠層下部，S1處理下，棉花冠層PAR透過率在4個主要生育時期的值分別為0.50、0.25、0.20、0.35左右，顯著（P<0.05）高于S2和S3處理在同生育時期、同位點處的PAR透過率（0.30、0.20、0.15、0.30左右（S2處理），0.20、0.15、0.10、0.25左右（S3處理）），這表明隨著平均行距的增加可以推遲封行的時間和減緩封行程度。

2.2.2 種植模式對冠層PAR透過率空間變化的影響

由圖4、圖5也可以看出，在生長發(fā)育前期，平均行距的增加，主要提高了行間水平位置38 cm和114 cm位點處的PAR透過率，對種植行水平位置0 cm和76 cm位點處的PAR透過率提升效果不大。以蕾期為例，在冠層下部，S3處理在水平位置38 cm位點處的PAR透過率為0.20（2017年）、0.20（2018年），顯著（P<0.05）低于S2處理同位點處的PAR透過率0.25（2017）、0.25（2018）和S1處理同位點處的PAR透過率0.45（2017）、0.30（2018）；而3個處理在水平位置76 cm位點，冠層下部的PAR透過率均維持在0.10～0.15之間，無顯著性（P>0.05）差異，表現(xiàn)為行間PAR透過率隨平均行距的增加而增加。

在生長發(fā)育后期，田間封行，水平方向上4個位點的PAR透過率無顯著（P>0.05）性差異，平均行距的增加主要提升了冠層下部的PAR透過率。以鈴期為例，在水平位置114 cm位點處，S3處理冠層下部的PAR透過率為0.10（2017年）、0.10（2018年），顯著（P<0.05）低于S2處理同位點處的PAR透過率0.15（2017）、0.15（2018）和S1處理同位點處的PAR透過率0.25（2017）、0.20（2018），表現(xiàn)為隨平均行距的增加，冠層下部的PAR截獲率呈增加趨勢。

2.3 種植模式對PAR截獲率垂直分布的影響

種植模式對冠層內平均PAR截獲率時空分布的影響如表2所示。種植模式對PAR截獲率的影響主要體現(xiàn)在蕾期和花期，隨著平均行距的增加，冠層PAR截獲率的總體表現(xiàn)為減小的趨勢。

表2 種植模式對機采棉冠層光截獲率空間分布平均值的影響Table 2 Effects of different planting pattern on spatial distribution of light interception for machine-harvested cotton

2 a數(shù)據(jù)顯示，在蕾期，S3處理下的PAR總體截獲率為87.52%（2017）和95.77%（2018），較S1處理顯著（P<0.05）高出15.79%（2017）和1.74%（2018）。冠層PAR截獲率的垂直變化表明，總體差異主要來源于冠層內上層部位與下層部位的差異，表現(xiàn)為隨行距的增加，下層PAR截獲率增加，上層PAR截獲率減小。例如在鈴期，與S3處理相比，S1處理的上層PAR截獲率下降18.75%（2017）和21.94%（2018），下層PAR截獲率增加52.53%（2017）和69.88%（2018）。綜上所述，擴大行距雖然會降低冠層內的PAR截獲率，但會增加冠層內下層的PAR截獲率。

2.4 種植模式對干物質積累分配的影響

種植模式對光合產物積累和分配的影響如表3所示。行距的增加顯著提高了花后干物質積累量和生殖器官分配比率，且2 a變化規(guī)律相似。為了簡化分析本文僅以2 a數(shù)據(jù)平均值為例，花期S1處理生殖器官的干物質積累量、分配比率分為121.20 g/m2和11.61%，分別較S3處理高25.92%和8.18%，營養(yǎng)器官干物質積累量僅在花期、鈴期分別較S3處理顯著（P<0.05）高出18.20%（2017）、21.53%（2018）和40.12%（2017）、42.77%（2018），吐絮期無顯著性（P>0.05）差異。上述分析表明增加平均行距有利于光合產物積累，促進了花后光合產物向生殖器官的轉運效率。

表3 種植模式對機采棉干物質積累量的影響Table 3 Effects of planting pattern on dry matter accumulation of machine-harvested cotton

2.5 種植模式對棉鈴空間分布的影響

種植模式對棉花成鈴規(guī)律的影響如圖6所示。隨著平均行距的增大，冠層中、上部平均單株鈴數(shù)和棉鈴質量無顯著（P>0.05）變化，但冠層下部相應指標則顯著（P<0.05）增加。例如，S1處理下部平均單株鈴數(shù)達2.30（2017）和2.60個（2018），分別較S2處理多0.60和0.60個，分別較S3處理多0.60和1.00個；S1處理下部平均棉鈴質量分別達5.73（2017）和6.17 g（2018），較S2處理高0.33和0.47 g，較S3處理高0.33和1.00 g。上述分析表明，增加行距有利于冠層下部結鈴。

2.6 種植模式對產量及產量構成的影響

不同種植模式對棉花產量有顯著（P<0.05）的影響（表4所示）。隨著平均行距的增加單株鈴數(shù)和棉鈴質量均呈增加趨勢，且分別在2018年和2017年表現(xiàn)出顯著（P<0.05）的處理間差異。行距變化對衣分無顯著（P>0.05）影響。單株結鈴數(shù)和棉鈴質量的不同，使得不同年份的處理間均具有顯著（P<0.05）的產量差異。例如，S1處理獲得最高的籽棉產量，分別達到了6 507.50（2017）和6 161.08 kg/hm2（2018），較S2處理提高10.66%（2017）、10.29%（2018），較S3處理高出23.10%和15.32%（P<0.05）。上述分析表明，增加行距能夠增加成鈴數(shù)量（2 a平均增加16.7%）和棉鈴質量（2 a平均增加6.6%），顯著(P<0.05)增加了籽棉（2 a平均增加19.21%）和皮棉產量。

表4 種植模式對機采棉產量和產量構成因子的影響Table 4 Effects of planting pattern on yield and its components factors for machine-harvested cotton

2.7 不同種植模式下行距與產量和產量構成及PAR截獲率的相關分析

由圖7可知，行距、單株鈴數(shù)、棉鈴質量、籽棉產量以及冠層間PAR截獲率之間具有一定的相關性。其中，行距與單株鈴數(shù)、棉鈴質量以及籽棉產量呈正相關關系，且達到了顯著性（P<0.05）水平。說明行距的增加有利于產量及產量構成因素的形成。行距與PAR截獲率相關分析表明，行距與下層PAR截獲率呈極顯著（P<0.01）正相關關系（相關系數(shù)為0.82），與中層、上層之間呈負相關關系，說明行距的增加會減少中層、上層的PAR截獲率，提高下層的PAR截獲率。冠層間PAR截獲率與產量構成間的相關分析表明，單株鈴數(shù)、棉鈴質量和籽棉產量與下層PAR截獲率呈顯著正相關關系，與中層、上層PAR截獲率間呈負相關關系。說明行距的增加，提升了冠層內下層的PAR截獲率，從而增加了單株鈴數(shù)和棉鈴質量，最終實現(xiàn)了產量的提高。

3 討 論

3.1 種植模式對棉花LAI的影響

葉面積指數(shù)（Leaf Area Index，LAI）是指每單位面積上的葉總面積[31]，反映了作物生長狀況與發(fā)育態(tài)勢，同時也是衡量群體冠層結構是否合理的一個重要指標。LAI消長情況是群體結構的重要組成部分，LAI在作物生長發(fā)育中會先隨作物的生長而增加，在作物葉片衰老和達到最大值后降低[18]。LAI是直接量化棉花群體發(fā)展動態(tài)的一個指標，比較容易受到人為調控。本文不同處理間的LAI分析表明，種植模式對棉花群體的LAI具有明顯的調節(jié)作用，這與李建峰[11,32]等研究一致。本文2 a試驗結果表明，在生育前期，與S3處理相比，S1處理的LAI有所減小，但差異不顯著（P>0.05）；在生育后期，S3處理的LAI降幅較小，在吐絮期時也維持了較大的LAI，2 a數(shù)據(jù)分別為3.97、4.13，這會造成群體過大，導致冠層中下部蔭蔽，下部葉片光照條件不好，光合作用有效面積小，最終降低群體光合速率降低而影響高產的形成。

3.2 種植模式對冠層透光率及光截獲的影響

作物冠層PAR透過率的大小是受到葉片生理特性和冠層結構特征決定的[18,22,23]。對棉花等栽培作物而言，冠層PAR透過率情況直接影響群體光合速率，適當提高冠層中下部的透過率能夠提高作物的光合能力，可提升產量[33]。冠層PAR透過率和LAI大小關系密切，并且同時也受葉片鑲嵌排列的影響[34]。有研究表明，作物上部LAI過高，隨生育進程的推進植株中下部葉片的受光條件將會惡化，從而降低冠層下部PAR透過率，影響下部葉片光合作用，進而降低冠層群體光合總效益[18,20]。而適當增加行距，可改善窄行和冠層中下部葉片的重疊程度，從而解決PAR透過率較低的問題，提升群體冠層光能利用率。本文2 a試驗數(shù)據(jù)（圖4～5、圖6）表明，與S3處理相比，S1處理冠層中部的光截獲率減小，冠層下部的光截獲率增加，但S1處理棉花中部的棉鈴數(shù)和棉鈴質量并沒有降低，反而是下部的棉鈴數(shù)和棉鈴質量出現(xiàn)了增加的現(xiàn)象。這說明，在S3處理冠層中部的光截獲出現(xiàn)飽和，而冠層下部受光較弱，不能滿足其棉鈴的發(fā)育，從而造成了冠層中部的光能浪費，下部的光能缺失，不利于產量的形成。而S1處理在沒有影響冠層中部發(fā)育的基礎上，把多余的光能傳輸?shù)搅斯趯酉虏浚黾恿讼虏康慕Y鈴數(shù)和棉鈴質量，從而增加了產量。

3.3 種植模式對干物質積累、分配及產量的影響

合理的種植模式可以較好的協(xié)調新疆高密度條件下棉花個體的通風透光條件[33]，能夠改善棉花對微氣象因子特別是光的利用，進而增加產量。受地域限制和環(huán)境因子的影響，關于種植模式對棉花干物質積累、分配及產量影響的研究結果并不一致。李建峰等[11]認為，適宜密度下采用S3種植棉花可以減小植株間的競爭，進而促進個體的生長發(fā)育，提高群體的光和特性，而楊培等[32]認為，S1種植可以提高群體整齊度，冠層內的光分布更為合理，有利于干物質的積累和產量的形成。本文2 a試驗數(shù)據(jù)表明：不同機采棉配置模式對棉花干物質積累量及干物質分配量產生了一定的影響。與S1處理相比，S3處理雖然冠層內中層、上層PAR截獲率較高，但其在花期、鈴期的干物質積累量顯著低于S1處理，2 a數(shù)據(jù)顯示分別低出20.31%、35.13%和21.00%、21.37%，且向生殖器官的分配比例較低。產量與冠層中層、上層PAR截獲率呈負相關關系，與下層光截獲率呈正相關關系。這與柏延文等[16-17]的研究結果不同，可能原因是，在光能資源豐富的新疆棉區(qū)，S3種植模式下棉花冠層中上部截獲了90%以上的光能，但并不能全被冠層中、上部器官吸收利用，造成了光能的浪費，而下部能被葉片吸收利用的光能有限，生長發(fā)育受阻，甚至出現(xiàn)下部葉片早衰、蕾鈴脫落的現(xiàn)象，極大地影響了產量的形成。S1種植模式下，行距的擴大減少了冠層中、上部PAR截獲率，但與S3處理下中上部的結鈴數(shù)和棉鈴質量相比，并沒有出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，反而是由于下層PAR截獲率的提升，下部的葉片可以進行正常的光合作用，終增加了下部的結鈴數(shù)和棉鈴質量，這說明高的光能截獲率并不是棉花高產決定性因素，冠層內光能的合理分配才是棉花高產的關鍵。

4 結 論

本文主要探討了不同種植模式對機采棉光能利用和產量構成的影響，主要結論如下：

1）與“一膜六行”寬窄行處理相比，“一膜三行”新型機采種植模式，能增加垂直方向上冠層中下部光合有效輻射透過率，使光能利用效率整體提升，單株結鈴數(shù)平均增加16.7%，棉鈴質量平均增加6.6%，最終產量平均提升19.21%。

2）種植模式主要影響冠層內垂直方向上的光傳輸來影響冠層內的PAR透過率和截獲量。隨著平均行距的增加，冠層中下部透光率逐漸增加，在不同程度上緩解了寬、窄行之間果枝交錯、葉量過于集中，而導致的冠層中下部郁閉與光合產物供給需求之間的矛盾。

因此，在新疆棉區(qū)，采用“一膜三行”機采棉種植模式能夠增加冠層內下部的PAR透過率和截獲量，利于棉花產量和光能利用的提升，并且利于提高機械采摘質量，促進農機農藝深度融合。