密度和灌溉量互作對76 cm等行距機采棉產量及水分利用效率的影響

吳鳳全,林濤,陳兵林,周治國,趙文青,陳利軍,湯秋香*

(1.新疆農業(yè)大學農學院/棉花教育部工程研究中心,新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆農業(yè)科學院經濟作物研究所,新疆 烏魯木齊 830091;3.南京農業(yè)大學農業(yè)農村部作物生理生態(tài)與生產管理重點實驗室,江蘇 南京 210095)

新疆是我國最大的棉花優(yōu)勢產區(qū),棉花機械化采收是一項復雜的系統(tǒng)工程,其中農業(yè)機械與農藝技術無法深度融合是導致機采質量差、采摘效率低的重要因素[1-2]。種植密度和灌溉量是協(xié)調產量構成要素與收獲指數(shù)之間重要的調控因子[3-4],同時也影響了個體與群體發(fā)育,避免果枝纏繞,提高落葉效率和纖維成熟的重要影響因素[5]。種植密度過高造成株高、葉面積指數(shù)(LAI)和葉向值過大[6],且冠層中、下部郁閉,光合速率減小[7],經濟器官分配比例下降。種植密度太低有利于通風透光,但冠層對光的攔截率及利用效率顯著降低[8],同時使得果枝交錯纏繞加劇,降低脫葉效率和采凈率[9]。干旱缺水是新疆典型的生態(tài)特點,優(yōu)化種植密度和灌溉量可以調控蒸散量[10-11],協(xié)調作物產量和水分利用率之間的關系[12]。適度的虧缺灌溉雖然抑制棉花營養(yǎng)生長,但可以促進經濟器官分配比例的提高,從而達到較好的節(jié)水效果[13-14]。牛玉萍等[15]研究表明,在虧缺灌溉的技術上進一步優(yōu)化種植密度,可以調節(jié)植株群體葉傾角,保證冠層中、下部有較高的光吸收率,彌補虧缺灌溉帶來的產量損失。

近年來,為了減少果枝纏繞,降低機采棉葉屑等雜質含量,生產中出現(xiàn)了76 cm等行距機采棉種植模式,與傳統(tǒng)(10+66)cm寬窄行種植模式相比,該模式具有通風透光性好,葉片脫落率高,機采籽棉含雜率低的優(yōu)勢[5]。由于該模式田間管理和豐產技術的研究還比較有限,農機農藝融合技術仍需要進一步完善。因此,本研究開展密度與灌溉量互作對機采棉光合產物積累與分配的影響研究,探明二者對76 cm等行距機采棉種植模式下產量和水分利用效率的調控效應,對促進機采棉農機農藝深度融合技術的發(fā)展,提高機械化采摘效率具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

1.1.1 試驗區(qū)概況試驗于2019—2020年在新疆阿瓦提縣(N41°06′,E80°44′,海拔1 025 m)農業(yè)農村部荒漠綠洲耕作與栽培野外綜合觀測試驗站進行。該站屬于典型的暖溫帶大陸性干旱氣候,具有夏季炎熱、降雨稀少的特點。近30年(1990—2019年),年平均氣溫10.4 ℃,大于等于10 ℃積溫3 988 ℃,日照時數(shù)2 679 h,無霜期 211 d,年降水量 46.7 mm,年蒸發(fā)量 2 900 mm,蒸發(fā)降水比大于50,農業(yè)生產完全依賴于灌溉。土壤質地為砂壤土,播前0～40 cm土壤平均干容重1.48 g·cm-3,田間持水率(質量分數(shù))為 22.5%,凋萎系數(shù)7.3%,有效水15.20%。土壤有機質 10.60 g·kg-1,全氮 1.79 g·kg-1,堿解氮43.80 mg·kg-1,速效磷 21.4 mg·kg-1,速效鉀 207.47 mg·kg-1,總鹽分 1.02%。地下水位 40～50 m,地下水不能補給作物根系分布層,向上補給量忽略不計。

1.1.2 試驗設計采用裂區(qū)試驗設計,以密度為主區(qū):13.5萬株·hm-2(D1,低密度)、18.0萬株·hm-2(D2,中密度,CK)和22.5萬株·hm-2(D3,高密度),灌溉量為副區(qū):3 150 m3·hm-2[I1,重度虧缺(田間持水率的50%)]、4 050 m3·hm-2[I2(CK),輕度虧缺(田間持水率的75%)]和4 950 m3·hm-2[I3,充分灌溉(田間持水率的100%)],小區(qū)面積39 m2(長6.5 m,寬6.0 m),重復4次(其中1個為取樣小區(qū))。供試品種為‘新陸中88號’,4月15日播種,“1膜3行3管”76 cm等行距機采棉種植模式,地膜幅寬 2.05 m,機械覆膜打孔,人工點播,每穴放入3～4粒種子,出苗后保留1棵健壯植株,其余拔除。滴灌帶間距為76 cm,滴頭間距為25 cm,滴頭流量2.1 L·h-1。每個小區(qū)采用水表和開關單獨控水,為了防止不同水分處理的邊際效應,小區(qū)邊界挖0～50 cm窄溝,采用PVC薄板阻隔。所有小區(qū)灌溉和施肥頻率均為每7 d 1次,生育期采用“一水一肥”灌溉施肥,2年試驗均在6月20日滴頭水,8月22日停水。底肥一次性投入磷酸二銨(P2O553.8%,N 21.2%)450 kg·hm-2,硫酸鉀(K2O 51%)225 kg·hm-2,尿素150 kg·hm-2(N 46.4%)。其余管理參照常規(guī)大田進行。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 干物質測定于苗期、蕾期、花期、鈴期和吐絮期選擇長勢均勻,具有代表性植株6株,將每一株分成根、葉、莖、生殖器官(蕾鈴花),105 ℃殺青30 min后80 ℃烘干至恒重。

1.2.2 棉花“三桃”數(shù)量調查每個小區(qū)隨機選取植株20 株,于7月15日、8 月10日和9月5日調查單株成鈴數(shù),折算成伏前桃、伏桃和秋桃。

1.2.3 棉花冠層結構的測定使用CI-110植物冠層數(shù)字圖像分析儀(Li-Cor Inc.,USA),從蕾期開始每10 d測定基本種植單元行間、寬行及裸行位點的葉面積指數(shù)(leaf area index,LAI),取其平均值。

1.2.4 產量及水分利用效率的測定收獲期各小區(qū)進行實收計產。主要測量指標有籽棉產量、單鈴質量、單株結鈴數(shù)。灌溉水分利用效率(IWUE,m3·kg-1)=Y/I,其中:Y為籽棉產量(kg·hm-2);I為灌溉量(m3·hm-2)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 22.0的LSD法進行數(shù)據(jù)差異顯著性分析(P<0.05)。采用SigmaPlot 12.0和Excel 2010進行數(shù)據(jù)分析和繪圖。

2 結果與分析

2.1 密度與灌溉量互作對棉花葉面積指數(shù)(LAI)的影響

從圖1可見:LAI隨著生育進程的推進呈單峰曲線,在不同種植密度和灌溉量下,D1I3在出苗后115 d LAI達到最大值,其中2019年為5.20,2020年為5.27,其余處理在出苗后105 d達到最大值,為3.52～6.72。出苗后105 d以前LAI從大到小的處理依次為D3I3、D2I3、D3I2、D2I2、D3I1、D2I1、D1I3、D1I2、D1I1,在出苗后105 d以后LAI從大到小的處理依次為D3I3、D3I1、D2I2、D2I3、D3I2、D2I1、D1I3、D1I2、D1I1。說明在棉花花鈴期后D3I1和D2I3處理緩解LAI的衰減速度僅次于D3I3。但在D1種植條件下,無論是否增加灌溉量,LAI在整個生育期均處于較低水平。

圖1 密度與灌溉量互作對棉花葉面積指數(shù)(LAI)的影響Fig.1 Effect of density and irrigation volume interaction on leaf area index(LAI)of cotton D1、D2、D3:種植密度分別為13.5、18.0、22.5萬株·hm-2;I1、I2、I3:灌溉量分別為3 150 、4 050 和4 950 m3·hm-2。下同。D1,D2,D3:Planting densities are 13.5×104,18.0×104,22.5×104 plants·hm-2;I1,I2,I3:Irrigation amounts are 3 150,4 050 and 4 950 m3·hm-2. The same as follows.

2.2 密度和灌溉量互作對棉花干物質積累動力學參數(shù)的影響

從表1可見:干物質積累動力學參數(shù)受種植密度的影響顯著(P<0.05);快速積累期終止時期(T2)、最大積累速率出現(xiàn)時間(Tm)受灌溉量影響顯著(P<0.05);其中除快速積累持續(xù)期(ΔT)、T2、最大積累速率(Vm)受二者交互作用的影響不顯著外,各處理的干物質快速積累量(Adm)、快速積累期起始時期(T1)、Tm等參數(shù)均表現(xiàn)出顯著差異。隨著種植密度和灌溉量增加,棉株干物質和Vm升高,T2和Tm推后,ΔT延長;在種植密度和灌溉量互作條件下,D3I1的干物質快速積累量、快速積累速率最大,在2019年分別為 14.30 t·hm-2、375.14 kg·hm-2·d-1,與各處理平均值相比,D3I1棉株干物質快速累積量提高25.18%,最大累積速率提高24.25%。綜上所述,高密度重度虧缺條件下,棉花的Vm較大,促進Adm的形成,使高密度重度虧缺與高密度輕度虧缺、高密度充分灌溉干物質積累狀況基本一致。

表1 密度與灌溉量互作對棉花干物質累積動態(tài)特征值的影響Table 1 Effect of density and irrigation volume interaction on eigenvalues of dry matter accumulation dynamics of cotton

由圖2可知:棉花在整個生育進程中,干物質積累量呈“緩慢—快速—緩慢”的變化趨勢,隨著種植密度和灌溉量增加,棉花生育中后期干物質積累量升高。在棉花收獲期,D2、D3條件下干物質積累量比D1分別提高13.98%、35.76%;I2、I3干物質積累量比 I1提高11.74%、17.16%。在種植密度與灌溉量互作條件下,D3I3、D3I2和D3I1收獲期的干物質積累量比D2I2分別提高17.82%、17.48%和9.64%,在高密度(D3)種植條件下,I2、I3的干物質積累量顯著高于I1處理。因此,增加種植密度和灌溉量可以顯著提高棉花成熟期干物質積累量,但在高密度種植條件下,采用重度虧缺灌溉仍然有利于干物質的積累,且顯著高于中等種植密度虧缺灌溉組合。

圖2 密度與灌溉量互作對棉花干物質積累動態(tài)的影響Fig.2 Effect of density and irrigation volume interaction on dynamics of cotton biomass

2.3 密度和灌溉量互作對棉花干物質分配的影響

由表2可見:密度、灌溉量及二者交互作用均對棉花干物質分配影響顯著(P<0.05)。在棉花進入吐絮期,隨著種植密度的增加,經濟器官的分配比例顯著提高。在中、低種植密度條件下,隨著灌溉量的增加,I2的經濟器官的分配比例最高,但在高密度種植條件下,經濟器官的分配比例隨灌溉量的增加呈現(xiàn)遞減趨勢。在密度與灌溉量互作條件下,在棉花進入花鈴期,D2I2的經濟器官分配比例最大,在2019年和2020年分別達到43.03%和42.31%。當棉花進入吐絮期時,D3I1的經濟器官分配比例顯著提高,在2020年達到最大值,為57.82%。說明提高種植密度能夠提高棉花干物質積累量,若在高密度種植條件下,可將灌溉量降低至田間持水量的50%左右,有利于棉花在吐絮期經濟器官分配比例的提高,使更多的干物質向生殖器官轉移,獲得高產。

表2 密度與灌溉量互作對棉花不同生育期干物質分配的影響Table 2 Effects of density and irrigation volume interaction on dry matter distribution of cotton at different stage

2.4 密度和灌溉量互作對“三桃”的影響

從圖3可見:隨著種植密度的增加,單株伏前桃、伏桃、秋桃呈先增加后減少的趨勢。在中、低密度種植條件下,隨著灌溉量的增加,單株伏前桃、伏桃、秋桃呈先增加后減小的趨勢;但在高密度種植條件下,I1的單株伏前桃、伏桃、秋桃分別為每株1.7、5.8、2.5個。在種植密度和灌溉量互作條件下,D2I2的伏前桃和秋桃分別為每株1.8、2.7個,但伏桃較D3I1減少14.6%。中密度(D2)種植和輕度虧缺灌溉(I2)條件下雖然有利于伏前桃與秋桃的生長,但若采用高密度、重度虧缺灌溉,能夠促進棉花鈴期同化物向生殖器官轉移,有利于單株伏桃數(shù)的提高,促進棉花產量的提高。

圖3 密度與灌溉量互作對棉花“三桃”的影響Fig.3 Effects of density and irrigation volume interaction on time distribution of cotton bolls

2.5 密度和灌溉量互作對籽棉產量及水分利用效率的影響

如表3所示:種植密度和灌溉量以及二者互作均對籽棉產量影響顯著(P<0.05)。隨著種植密度和灌溉量的增加,籽棉產量呈現(xiàn)遞增趨勢,D3I1的籽棉產量比D3I2、D2I2分別高出12.3%和3.4%。在產量構成因素方面,單鈴重只受種植密度的影響,隨種植密度的降低而顯著增加。單位面積鈴數(shù)(鈴密度)受種植密度、灌溉量及其互作的影響(P<0.05)。在高種植密度(D3)下,3種不同灌溉量的鈴密度無顯著差異;在中等種植密度條件(D2)下,I3和I2的鈴數(shù)比I1分別多11.2%和7.5%;在低密度種植條件(D1)下,I3鈴數(shù)比I1和I2多12.10%和2.44%。在水分利用效率(WUE)方面,種植密度和灌溉量均對WUE影響顯著(P<0.05),隨著灌溉量的增加,WUE呈遞減趨勢。在各處理組合中,D3I1條件下的WUE最高,在2020年達到1.87 m3·kg-1,分別比D2I2和D1I3高32.08%和41.17%。因此,采用76 cm等行距種植模式,當種植密度為22.5萬株·hm-2,灌溉量為3 150 m2·hm-2時,有利于籽棉產量和水分利用效率的提高。

表3 密度與灌溉量互作對籽棉產量及水分利用效率的影響Table 3 Effects of density and irrigation volume interaction on seed cotton yield and water use efficiency

3 討論

在棉花生長發(fā)育過程中,合理的冠層結構能提高群體光合效能[16]。種植密度增加,葉面積指數(shù)增大,冠層光截獲率增加,群體光合效能明顯增強[17-18]。隨著滴灌量減少,棉花葉面積指數(shù)、冠層開度、群體光吸收率、群體光合速率均降低[19]。本研究中,棉花采用76 cm等行距種植,在常規(guī)種植密度下增加25%種植密度,減少20%的灌溉量仍然能夠在生育后期保持較高的綠葉面積。但關于密度和灌溉量對棉花葉傾角、葉相比及光能截獲利用效率等的影響需要進一步研究。

干物質積累是棉花產量的物質基礎,群體干物質保持在適宜的范圍內,有利于協(xié)調營養(yǎng)生長與生殖生長的分配比例,為棉花高產建立合理的群體基礎。相關研究發(fā)現(xiàn),種植密度的提高,使群體干物質呈先升高后降低趨勢[20],但單株光合物質積累量向生殖器官的分配比例在生育后期減少,不利于產量提高[21]。采用虧缺灌溉能有效控制植株營養(yǎng)生長,獲得理想的株型和根冠比[22]。本試驗在76 cm等行距種植條件下,增加密度能顯著提高干物質積累量,且與灌溉量存在顯著的互作效應,采用高密度重度虧缺灌溉有利于棉花群體生物量的積累及經濟器官分配比例的提高,這可能是適當?shù)乃痔澣笨烧{節(jié)作物群體向生長中心的轉移或某些組織器官的生長發(fā)育,使整個植物干物質向各器官的分配比例更合理,以應對水分短缺。

棉花具有較強的自身調節(jié)能力,通?？梢愿鶕?jù)環(huán)境條件的變化,通過調整生物產量及其分配來保持產量的穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn),種植密度的增加,雖然使平均凈同化率下降,導致單株結鈴數(shù)和單鈴重下降,但能提高單位面積結鈴數(shù)[23],本試驗結果與之基本一致。此外,本研究發(fā)現(xiàn),在高密度種植條件下,適當減少灌溉量能提高單鈴重,從而使高密度重度虧缺灌溉條件下的棉花產量及水分利用效率提高。

綜上所述,在76 cm等行距種植模式下,提高密度能顯著提高生物產量和單位面積鈴數(shù);在高密度種植條件下,適當減少灌溉量,能促進同化物向生殖器官分配,有利于經濟器官分配比例的提高,從而進一步提高棉花產量。