種植密度對南疆機(jī)采棉群體農(nóng)藝特征和產(chǎn)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(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.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；3.塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

棉花(GossypiumhirsutumL.)是世界性的大宗經(jīng)濟(jì)作物，是重要的戰(zhàn)略物資。我國是世界產(chǎn)棉和用棉大國，目前單產(chǎn)和總產(chǎn)均居世界前列[1]。新疆是我國主要產(chǎn)棉區(qū)之一，依靠“矮、密、早、膜”的栽培技術(shù)，尤其是膜下滴灌和水肥一體化先進(jìn)技術(shù)的加持，其植棉面積、總產(chǎn)及單產(chǎn)在全國均一路攀升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年新疆棉花播種面積為249.13萬hm2，總產(chǎn)達(dá)511.1萬t，分別占全國的74.32%和83.84%，單產(chǎn)為全國平均水平的112.83%[2]。然而，由于近年來棉花生產(chǎn)向“輕簡節(jié)本”轉(zhuǎn)變以及機(jī)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(jié)構(gòu)的弊端也隨之顯現(xiàn)。因此，探究如何通過合理密植發(fā)揮棉花個(gè)體優(yōu)勢，將傳統(tǒng)小株型群體優(yōu)化為健株型群體，構(gòu)建良好群體結(jié)構(gòu)以符合“輕簡化”栽培的新發(fā)展需求是目前生產(chǎn)中亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題。

研究表明，通過不同肥料施用、水肥管理措施可對機(jī)采棉農(nóng)藝性狀進(jìn)行有效調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化棉花產(chǎn)量結(jié)構(gòu)、增加籽棉產(chǎn)量的目的[6-7]。增加植株高度可使株型更符合機(jī)采要求，增加莖粗則可減少倒伏、降低機(jī)采損失[8]；低密度下雜交棉產(chǎn)量最高，生育前期葉面積指數(shù)增長迅速，生育后期葉面積指數(shù)下降較緩慢，個(gè)體光合生產(chǎn)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(jié)合不同種植模式[11]、品種比較[12]、氮肥[13]、化學(xué)調(diào)控[14-15]等措施下進(jìn)行的，有關(guān)密度對機(jī)采棉株型影響的研究較少，且研究結(jié)果也因區(qū)域生態(tài)環(huán)境及栽培品種而有所差異。為此，本試驗(yàn)在前人研究基礎(chǔ)上，以塑造穩(wěn)健株型群體結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，針對我國棉花生產(chǎn)中產(chǎn)量水平較高的南疆棉區(qū)，探尋棉花種植密度對群體農(nóng)藝特征及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響，揭示南疆高產(chǎn)群體特征，以期為優(yōu)化南疆棉區(qū)機(jī)采棉高產(chǎn)群體構(gòu)建提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019年4月至10月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所阿拉爾試驗(yàn)站(81.31°E、40.60°N)進(jìn)行。多年平均降雨量48.2 mm，年均氣溫10.56 ℃，年均≥10 ℃日照時(shí)數(shù)1 793 h，無霜期208 d，試驗(yàn)期間降雨量96 mm。試驗(yàn)地土壤質(zhì)地類型為沙壤土，播前0—40 cm土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)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(yàn)設(shè)計(jì)

采用單因子隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共設(shè)置 6個(gè)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(gè)處理重復(fù)3次，小區(qū)面積47.88 m2(7.00 m×6.84 m)，播前結(jié)合整地基施有機(jī)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(yàn)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(qū)普遍采用的(66+10)cm 一膜六行膜下滴灌機(jī)采模式，于5月21日人工定苗至各處理所需理論密度。試驗(yàn)地滴灌帶鋪設(shè)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(jì)滴施尿素150 kg·hm-2，磷酸二銨(總養(yǎng)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(dāng)?shù)卮筇镆恢?，?0月13日統(tǒng)一進(jìn)行人工采收。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1株高、莖粗及節(jié)枝比的測定 自苗期開始，于各小區(qū)分別選取5株長勢均勻一致具有代表性的棉株，掛牌標(biāo)記，測量株高(打頂前測量棉株子葉節(jié)到主莖生長點(diǎn)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(diào)查一次，至吐絮期結(jié)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(jì)數(shù)其果節(jié)數(shù)及果枝數(shù)。節(jié)枝比計(jì)算公式如下。

節(jié)枝比=果節(jié)數(shù)/果枝數(shù)

(1)

1.3.2葉面積的測定 自苗期至吐絮期，在棉花各關(guān)鍵生育時(shí)期，于各小區(qū)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(shí)驗(yàn)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(shí)放置40 cm量尺作為標(biāo)尺，用照相機(jī)拍照后用Image-Pro Plus(Media Cybernetics，Inc.)得出葉面積后，利用下面公式計(jì)算葉面積指數(shù)(leaf area index，LAI)。

葉面積指數(shù)(LAI)=單株總?cè)~面積(cm2)×株數(shù)/10 000

(2)

1.3.3冠層結(jié)構(gòu)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(diǎn)，參照Malone等[17]和牛玉萍等[18]的方法使用美國 Li-cor 公司生產(chǎn)的LAI-2000冠層分析儀測定棉花葉傾角與冠層開度。

1.3.4產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 于收獲期在每小區(qū)選14.35 m2(7.00 m×2.05 m，即一膜)調(diào)查收獲株數(shù)和總成鈴數(shù)，以此計(jì)算單株成鈴數(shù)；在各個(gè)小區(qū)內(nèi)分別隨機(jī)摘取上、中、下部果枝吐絮鈴各20個(gè)混合，自然曬干稱量單鈴重后軋花，測定皮棉重。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 25中的最小顯著性差異(LSD)法檢驗(yàn)差異的顯著性和回歸分析，采用Origin 2018制圖。

2 結(jié)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(jià)的主要指標(biāo)之一。如圖1所示，隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，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(xiàn)快速增長態(tài)勢，于打頂(7月13日)后以不同程度逐步趨于穩(wěn)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(nèi)浮動(dòng)，其中低密度P1處理與高密度P6處理株高差值高達(dá)18.37 cm，達(dá)顯著差異水平(P<0.05)，表現(xiàn)為每上升一個(gè)密度梯度，平均株高下降3.67 cm。進(jìn)一步對主莖日增長量進(jìn)行分析可以看出，生育期內(nèi)各處理棉花主莖日增長量以初花期為節(jié)點(diǎn)，整體表現(xiàn)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(dá)到峰值，處理間表現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(yīng)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(yǎng)分相對較多，棉花個(gè)體優(yōu)勢得以更大程度的發(fā)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(dòng)態(tài)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(xiàn)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(wěn)(盛花期至吐絮期)的趨勢，處理間則始終呈現(xiàn)出密度越大莖粗越細(xì)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(dá)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(nèi)，減小種植密度可顯著增加莖粗，但在較高密度下繼續(xù)增大種植密度，莖粗變化不明顯。這可能是由于密度過大，養(yǎng)分及空間競爭激烈引發(fā)了作物的自疏機(jī)制，使得群體內(nèi)部分植株死亡以滿足其余個(gè)體生長需求，進(jìn)而使莖粗維持在變幅較小的范圍內(nèi)。

圖2 不同處理下棉花莖粗動(dòng)態(tài)變化

2.3 種植密度對節(jié)枝比的影響

節(jié)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(jié)枝比可知(圖3)，密度越大，節(jié)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(jié)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(dāng)增大密度可顯著抑制棉花橫向生長，但這種抑制效應(yīng)在中、高密度條件下要隨密度梯度的進(jìn)一步拉大才能得以顯現(xiàn)，但密度過大，植株莖稈瘦細(xì)，亦不利于高產(chǎn)群體的構(gòu)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(shù)的影響

葉片是反映冠層結(jié)構(gòu)性能的重要指標(biāo)。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(shù)(LAI)均隨生育進(jìn)程的推進(jìn)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(dá)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(gè)體優(yōu)勢，但因密度過低，群體優(yōu)勢不明顯，而密度過高也會(huì)因群體過大形成郁閉導(dǎo)致下部葉片脫落，亦不利于群體良好葉面積指數(shù)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(shù)的動(dòng)態(tài)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(jìn)程的推進(jìn)，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(dá)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(shí)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(xiàn)為先升后降的變化趨勢，多在初花后(7月12日)達(dá)到峰值(P1處理除外)，這是因?yàn)槊藁ㄉ捌谥仓贻^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(fā)揮其個(gè)體優(yōu)勢，故高值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間有所后移。測定期間各處理則始終呈現(xiàn)為P1

圖5 不同處理下棉花冠層開度及葉傾角變化

2.6 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

由表1中的產(chǎn)量構(gòu)成因素可以看出，雖然P3、P4、P5、P6四個(gè)處理收獲株數(shù)較試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論株數(shù)略低，尤其是P3處理，由于試驗(yàn)過程中遭受局部點(diǎn)棉蚜侵害，導(dǎo)致其收獲株數(shù)與理論株數(shù)相差最多，減少了6 800株·hm-2，但各處理間仍達(dá)顯著性差異水平(P<0.05)，因此結(jié)果仍具有代表性。單株鈴數(shù)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(shù)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(dǎo)致群體內(nèi)部環(huán)境變差進(jìn)而造成蕾鈴脫落所致；單鈴重則以P3處理最高，達(dá)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(nèi)浮動(dòng)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(dá)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(chǎn)量變化趨勢一致，均隨密度增大呈先增后降變化規(guī)律，在P5處理達(dá)到最高，較P1、P2、P3、P4、P6處理籽棉分別增產(chǎn)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(shù)和單鈴重不占優(yōu)勢的情況下，可通過適當(dāng)增大種植密度以獲得高產(chǎn)。進(jìn)一步模擬分析密度與產(chǎn)量關(guān)系可知，產(chǎn)量隨密度增大呈開口向下拋物線變化態(tài)勢(圖6)，在15萬～21萬株·hm-2(P3處理至P5處理)范圍內(nèi)產(chǎn)量最優(yōu)，繼續(xù)增大種植密度，產(chǎn)量不增反降。

表1 不同處理下棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

圖6 種植密度與產(chǎn)量的關(guān)系

3 討論

3.1 種植密度改變棉花的群體結(jié)構(gòu)

選用合理的種植密度以塑造良好的群體結(jié)構(gòu)是棉花獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的重要措施[19]，而適宜葉面積指數(shù)及其動(dòng)態(tài)，適宜株高、節(jié)枝比等量化指標(biāo)可以有效塑造高光效群體，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化成鈴和集中成鈴與采收[20]。前人研究認(rèn)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(fā)現(xiàn)，棉花株高隨密度的增加呈下降趨勢[23]，但密度過高會(huì)導(dǎo)致植株莖稈質(zhì)量變差、增加倒伏的風(fēng)險(xiǎn)[24-25]。本研究結(jié)果與前人研究結(jié)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(dāng)間隔密度梯度拉大到6萬株·hm-2時(shí)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(shí)肥水差異導(dǎo)致的。此外，雖然本研究結(jié)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(jié)果，但增加密度對前期株高的促進(jìn)作用并不顯著，反而因密度較大，導(dǎo)致棉花莖稈細(xì)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(jié)胺的敏感度存在差異所致。

合理高效的冠層結(jié)構(gòu)是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[26]，研究表明，在一定密度范圍內(nèi)，密度會(huì)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(shù)和葉傾角顯著增加，葉傾角降低[18,28]，類似于前人研究結(jié)果，本研究亦呈現(xiàn)出密度越大，葉傾角越大而冠層開度越小的結(jié)果，且密度越大，葉傾角變幅越小，隨時(shí)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(yōu)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(dá)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(jìn)一步說明了通過適當(dāng)降低密度，發(fā)揮單株個(gè)體優(yōu)勢仍可維持較高LAI，且可在一定程度上減緩葉面積指數(shù)在后期的衰減。

3.2 種植密度影響棉花產(chǎn)量

研究發(fā)現(xiàn)，在較大的密度范圍內(nèi)(2.5萬～23.0萬株·hm-2)，棉花可以調(diào)節(jié)個(gè)體的生長發(fā)育和群體之間的關(guān)系，產(chǎn)量不會(huì)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(yōu)水平，作物產(chǎn)量將以拋物線的變化形式對密度作出反應(yīng)[31]。隨著密度的增大，棉株果枝臺數(shù)、果節(jié)數(shù)及成鈴數(shù)均有不同程度下降[32]，同時(shí)鈴重和收獲指數(shù)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(chǎn)量[34-35]。與前人研究結(jié)果基本一致，本研究結(jié)果表明，在低密度下增密可顯著提升產(chǎn)量，但在15萬～21萬株·hm-2區(qū)間內(nèi)產(chǎn)量差異不顯著，繼續(xù)增密反而導(dǎo)致作物產(chǎn)量的損失。

綜合考量棉株形態(tài)結(jié)構(gòu)及產(chǎn)量，本研究中在南疆機(jī)采棉區(qū)(66 + 10) cm種植模式下，建議中棉所88號種植密度應(yīng)介于15萬～18萬株·hm-2之間，以適當(dāng)降密的方式充分發(fā)揮棉花個(gè)體優(yōu)勢，緩解因群體過大產(chǎn)生的弊端，此時(shí)棉花群體結(jié)構(gòu)較好，籽棉產(chǎn)量亦較高。