機(jī)采棉種植模式對(duì)脫葉劑霧滴截獲、脫葉效果和產(chǎn)量的影響

麻向陽(yáng),丁宸旸,呂新,韓小強(qiáng),郝婷麗,尤春源,劉世豪,田程程,劉尚昌,侯彤瑜*

(1 石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,新疆 石河子 832003; 2 石河子大學(xué)分析測(cè)試中心,新疆 石河子 832003;3 石河子農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院棉花研究所,新疆 石河子 832099)

新疆是我國(guó)最大的商品棉生產(chǎn)基地,也是棉花機(jī)械化采收技術(shù)發(fā)展推廣最廣泛的地區(qū)[1]。2021年新疆棉花產(chǎn)量達(dá)到512.9萬(wàn)t,占全國(guó)棉花總產(chǎn)量的89.5%,而種植面積占全國(guó)棉花種植面積的82.8%,其中機(jī)采棉的種植面積比例超過(guò)42%[2-3]。棉花機(jī)械采收前,需要噴施脫葉劑促進(jìn)棉花植株提前脫葉,以提高機(jī)械采收效率,減少棉纖維的雜質(zhì)污染。目前,新疆機(jī)采棉通過(guò)噴施脫葉劑噻苯隆,改變?nèi)~片內(nèi)乙烯、生長(zhǎng)素和脫落酸間的平衡,促進(jìn)棉花莖枝和葉柄之間形成離層,達(dá)到葉片快速脫落的目的[4]。噻苯隆是一種無(wú)內(nèi)吸傳導(dǎo)性的接觸性脫葉劑,藥液必須直接接觸葉面才能發(fā)揮脫葉功能[5-6]。脫葉效果直接影響機(jī)械采收的作業(yè)質(zhì)量、棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)[7]。

新疆棉區(qū)通過(guò)多年研究和實(shí)踐,形成了適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)的“矮、密、早、膜”棉花高產(chǎn)栽培體系[8],機(jī)采棉由于對(duì)行的需要普遍采用一膜六行(66+10 cm)寬窄行種植模式,通過(guò)發(fā)揮群體優(yōu)勢(shì),取得棉花高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。然而,這種模式所形成的過(guò)密群體,不利于化學(xué)脫葉和機(jī)械采收,導(dǎo)致籽棉含雜率升高,是影響新疆機(jī)采棉纖維品質(zhì)提升的關(guān)鍵限制因子[9]。研究[10-12]表明,采用一膜三行等行距種植模式可以減小冠層內(nèi)枝葉間的交叉纏繞,達(dá)到優(yōu)化群體冠層結(jié)構(gòu)的目的,有利于提高脫葉率效率,但種植模式的變化對(duì)接觸性脫葉劑霧滴截獲沉積特性的影響尚不明確。

當(dāng)前作物冠層對(duì)霧滴的截獲沉積研究主要在冠層尺度[13]。然而,對(duì)于噻苯隆等接觸性脫葉劑,冠層尺度的測(cè)定結(jié)果無(wú)法精準(zhǔn)反映每個(gè)葉片的截獲和沉積情況。為此,本文提出一種棉花單葉尺度的霧滴截獲測(cè)定及沉積量計(jì)算的方法,通過(guò)開(kāi)展機(jī)采棉種植模式的田間試驗(yàn),定量測(cè)定了棉花冠層內(nèi)每個(gè)葉片的脫葉劑霧滴沉積分布數(shù)據(jù),分析了種植模式對(duì)脫葉劑霧滴截獲沉積、脫葉率和產(chǎn)量的影響,為優(yōu)化新疆機(jī)采棉高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020—2021年在石河子大學(xué)農(nóng)試場(chǎng)(44°19′N(xiāo),85°59′E)進(jìn)行,參試棉花品種為新陸早79號(hào)(由石河子農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院棉花研究所提供)。種植模式為目前新疆機(jī)采棉大田生產(chǎn)所采用的兩種主流模式[14]:一膜三行等行距(76 cm+76 cm+76 cm)和一膜六行寬窄行(66 cm+10 cm)。試驗(yàn)全程按新疆機(jī)采棉高產(chǎn)栽培管理技術(shù)進(jìn)行管理[15]。機(jī)采棉噴施化學(xué)脫葉劑之前(噴施脫葉劑時(shí)間根據(jù)棉花生長(zhǎng)及氣溫狀況綜合確定,分別為:2020年9月5日和2021年9月12日),在每個(gè)種植模式試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)選取長(zhǎng)勢(shì)長(zhǎng)相能代表田間平均水平的2×2相鄰的4株棉花組成的群體冠層,進(jìn)行脫葉劑霧滴截獲-沉積特性的測(cè)定(圖1),其中一膜六行模式選取一膜中間2個(gè)窄行,一膜三行模式選取一膜的中間行和一個(gè)邊行(圖1)。脫葉劑采用540 g·L-1噻苯·敵草隆懸浮劑(有效成分為360 g·L-1噻苯隆和180 g·L-1敵草隆,拜爾作物科學(xué)(中國(guó))有限公司)使用劑量180 mL·hm-2,其增效助劑280 g·L-1烷基乙基磺酸鹽(拜爾作物科學(xué)(中國(guó))有限公司)使用劑量720 mL·hm-2,催熟劑采用40%乙烯利水劑(安道麥安邦(江蘇)有限公司)使用劑量900 mL·hm-2。

圖1 一膜三行和一膜六行兩種機(jī)采棉種植模式及棉花冠層地面水敏霧滴測(cè)試卡擺放位置示意圖

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1 葉片尺度脫葉劑霧滴特性測(cè)定

為了定量獲取冠層內(nèi)葉片尺度的脫葉劑霧滴截獲-沉積特性參數(shù),將標(biāo)準(zhǔn)水敏霧滴測(cè)試卡(六六山下,中國(guó))裁剪為25 mm×30 mm的長(zhǎng)方形,之后從植株下部開(kāi)始按照主莖葉和果枝葉發(fā)育順序,采用微型曲別針將裁剪后背面寫(xiě)有種植模式、植株和葉位信息的水敏霧滴測(cè)試卡,依次固定在冠層內(nèi)每個(gè)葉片基部。2021年,待植株冠層內(nèi)所有葉片均完成固定后,在選定冠層下方地面上沿垂直行向方向依次固定7張30 mm×110 mm的水敏霧滴測(cè)試卡(圖1),測(cè)定冠層行間不同位置的脫葉劑霧滴損失。冠層內(nèi)所有葉片及地面卡片固定完成后,采用地面自走式噴桿噴霧機(jī)(東方紅3W-1000Y,中農(nóng)豐茂植保機(jī)械有限公司)對(duì)整個(gè)試驗(yàn)田進(jìn)行脫葉劑噴施。脫葉劑噴施完成后,立即用防水密封袋將固定在冠層葉片和地面的水敏霧滴測(cè)試卡回收,以進(jìn)行霧滴截獲和沉積分析。為防止水敏霧滴測(cè)試卡在固定和回收過(guò)程中遇水變色,整個(gè)操作過(guò)程需佩戴防水手套。

1.2.2 霧滴粒徑和覆蓋率測(cè)定

采用高清掃描儀(惠普,美國(guó))將霧滴測(cè)試卡掃描成分辨率為600 dpi的灰度圖像,通過(guò)ImageJ專(zhuān)用圖像處理軟件(National Institutes of Health,美國(guó))對(duì)掃描圖像進(jìn)行分析,得到棉株冠層內(nèi)每個(gè)葉片所截獲脫葉劑霧滴的霧滴粒徑(μm)和霧滴覆蓋率(%)。霧滴粒徑分DV1、DV5和DV9三個(gè)尺度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分別表示霧滴累計(jì)分布為10%、50%和90%的霧滴粒徑。

1.2.3 霧化性能評(píng)價(jià)方法

采用霧滴分布跨度(Rs)反映噴頭霧化霧滴的均一性,Rs越小說(shuō)明霧滴均勻性越好[16]。當(dāng)Rs=1時(shí),表示霧滴粒徑呈對(duì)稱(chēng)分布,霧滴分布跨度計(jì)算公式為:

(1)

采用冠層內(nèi)不同葉片所截獲霧滴沉積量的變異系數(shù)衡量不同種植模式下,脫葉劑霧滴沉積分布均勻性,變異系數(shù)數(shù)值越小說(shuō)明霧滴沉積分布的均勻性越好。變異系數(shù)公式為:

(2)

(3)

1.2.4 霧滴沉積量計(jì)算

當(dāng)水敏霧滴測(cè)試卡的霧滴覆蓋率小于30%時(shí),直接采用ImageJ軟件導(dǎo)出該測(cè)試卡的霧滴沉積量(μL·cm-2)。當(dāng)水敏霧滴測(cè)試卡的霧滴覆蓋率大于30%時(shí),超過(guò)了ImageJ軟件能夠計(jì)算霧滴沉積量的閾值,因此利用霧滴接觸角與霧滴覆蓋率的關(guān)系[17],基于水敏試紙上所有變色面積都為半飽和吸收狀態(tài)噴施藥液的假設(shè),計(jì)算了這類(lèi)水敏霧滴測(cè)試卡理論最小霧滴沉積量(D):

(4)

式中,C為ImageJ軟件分析提取的霧滴覆蓋率;H為水敏霧滴測(cè)試卡平均厚度,計(jì)算時(shí)設(shè)為0.1 mm;2表示藥液為半飽和吸收狀態(tài);100為分析面積單位間換算。

1.2.5 冠層劃分方法

依據(jù)主莖節(jié)位將棉花植株冠層劃分為不同高度,研究了不同冠層高度脫葉劑霧滴的截獲情況,結(jié)果表明以每株棉花主莖第8～9節(jié)位為分界線(xiàn)時(shí)能夠有效表征冠層上下層霧滴的截獲情況。因此,本文將棉花植株主莖第9節(jié)位及以下主莖和分枝上所著生的葉片定義為棉花冠層下部,主莖第9節(jié)位以上主莖及分枝上所著生的葉片定義為棉花冠層上部,分析了2種種植模式對(duì)冠層上下部脫葉劑霧滴截獲沉積的差異。

1.2.6 脫葉率調(diào)查

在一膜三行和一膜六行2種種植模式小區(qū)內(nèi),各選取10株生長(zhǎng)發(fā)育狀況具有代表性植株統(tǒng)計(jì)棉花脫葉情況,從噴施脫葉劑當(dāng)天開(kāi)始,每隔7～10 d調(diào)查單株葉片數(shù)量,計(jì)算不同處理棉花冠層脫葉率T:

(5)

式中,T代表脫葉率;L0為施藥當(dāng)天棉花葉片數(shù)量;Li為噴施脫葉劑后第i天葉片數(shù)量。

1.2.7 產(chǎn)量測(cè)定

于收獲期在每個(gè)處理選取2.05 m×1 m的小區(qū)樣點(diǎn)3個(gè),調(diào)查每個(gè)樣點(diǎn)內(nèi)全部棉花株數(shù)、鈴數(shù),折算出單位面積株數(shù)和單株結(jié)鈴數(shù)。之后對(duì)每個(gè)小區(qū)樣點(diǎn)棉花進(jìn)行實(shí)收,測(cè)定單鈴重,計(jì)算單位面積籽棉產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2019和IBM SPSS 26.0,作圖采用Matplotlib。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植模式對(duì)脫葉劑霧滴體積粒徑分布的影響

一膜三行和一膜六行2種模式的脫葉劑霧滴粒徑分布跨度值分別為1.1和1.0(表1),說(shuō)明噴霧器具有穩(wěn)定的霧化性能,霧滴均勻性較好。在DV5尺度下,一膜三行較一膜六行模式葉片所截獲霧滴的體積粒徑增大了81.1%,霧滴粒徑的變異系數(shù)減少了23.2%,模式間差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)。在DV5尺度下,一膜三行棉花冠層上部與下部葉片的霧滴粒徑僅相差122.5 μm(6.4%),且霧滴粒徑變異系數(shù)基本沒(méi)有變化,而一膜六行冠層下部的霧滴粒徑相比上部降低了455 μm(44.5%),變異系數(shù)增加了23%。2種模式間霧滴粒徑差異主要來(lái)自冠層下部,兩年平均差值達(dá)到898.5 μm(87.9%)。

表1 不同種植模式下棉花冠層葉片尺度脫葉劑霧滴粒徑、變異系數(shù)和分布跨度(2020—2021)

2.2 種植模式對(duì)脫葉劑霧滴覆蓋率的影響

試驗(yàn)表明(圖2),一膜三行棉花葉片的脫葉劑霧滴覆蓋率變化范圍為13.1%～78.4%,兩年平均為46.5%,較一膜六行提高了31%,其中冠層上部的霧滴覆蓋率提升了1.7倍,冠層下部提升了3倍。

圖2 不同種植模式下棉花冠層葉片尺度脫葉劑霧滴覆蓋率(2020—2021)

2種種植模式下,冠層上部的脫葉劑霧滴覆蓋率均大于下部,但一膜三行冠層上下部葉片的霧滴覆蓋率分別為52.5%和19.5%,相差33%,而一膜六行冠層上部霧滴覆蓋率為下部的4倍。

2.3 種植模式對(duì)脫葉劑霧滴沉積量的影響

由圖3可見(jiàn),一膜三行棉花葉片的霧滴沉積量在0.1～4.9 μL·cm-2,兩年平均為2.2 μL·cm-2,是一膜六行模式的1.8倍(圖3)。其中冠層上部的霧滴沉積量提升了1.5倍,冠層下部提升了2.4倍。2種種植模式下,冠層上部的脫葉劑霧滴沉積量均大于下部,但一膜三行冠層上下部葉片的霧滴沉積量分別為3.3 μL·cm-2和3.1 μL·cm-2,相差僅0.2 μL·cm-2,而一膜六行冠層上部霧滴沉積量為下部的1.7倍。

圖3 不同種植模式下棉花冠層葉片尺度脫葉劑理論霧滴沉積量(2020—2021)

2.4 種植模式對(duì)脫葉劑霧滴損失的影響

試驗(yàn)表明(圖4),一膜三行和一膜六行模式下,霧滴通過(guò)葉面滾落或穿透冠層流失到地面造成霧滴沉積量損失差異顯著(P<0.001)。一膜六行冠層地面的霧滴損失沉積量中位數(shù)為1.1 μL·cm-2,而一膜三行冠層地面的霧滴損失沉積量中位數(shù)為3.6 μL·cm-2,是一膜六行地面損失沉積量的3.5倍。

圖4 不同種植模式下棉花冠層尺度地面理論霧滴沉積量

2.5 種植模式對(duì)脫葉率的影響

噴施脫葉劑后11 d內(nèi)棉花冠層脫葉速率最高,2種模式平均每天脫葉率均為6%(圖5),隨著時(shí)間推移,脫葉速率不斷降低,噴施脫葉劑后11～23 d間脫葉率每天變化率約為2.5%。噴施脫葉劑14 d內(nèi),一膜三行棉花冠層的脫葉率相比一膜六行提高了約2%～3%,施藥17 d后一膜六行棉花冠層的脫葉率超過(guò)一膜三行,但兩種模式間脫葉率差異不超過(guò)3%,差異不顯著(P>0.2)。噴施脫葉劑20 d后,2種模式脫葉率均已接近90%,基本滿(mǎn)足棉花機(jī)采需求。

圖5 不同種植模式下棉花冠層脫葉率(2020—2021)

2.6 種植模式對(duì)產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由圖6可見(jiàn),一膜三行和一膜六行的平均收獲株數(shù)分別為13.5萬(wàn)株·hm-2和25.5萬(wàn)株·hm-2。一膜三行的平均單株鈴數(shù)為8.5個(gè),單鈴重為6.5 g,較一膜六行分別增加了62.9%和18.5%。2020年,一膜三行模式籽棉產(chǎn)量為7 845 kg·hm-2,相比一膜六行降低了8.6%,2021年一膜三行產(chǎn)量為6 360 kg·hm-2,比一膜六行提高了5.0%。

圖6 不同種植模式下棉花產(chǎn)量及其要素構(gòu)成(2020—2021)

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

目前,對(duì)于棉花冠層霧滴截獲沉積的定量測(cè)定相關(guān)研究主要集中在冠層尺度,即對(duì)冠層進(jìn)行高度劃分后,在每個(gè)冠層高度內(nèi)放置1～2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)水敏霧滴測(cè)試卡實(shí)現(xiàn)冠層尺度霧滴截獲和沉積特性的測(cè)定[18-20]。然而,噻苯隆是無(wú)內(nèi)吸傳導(dǎo)性的接觸性脫葉劑,藥液必須接觸葉面才能發(fā)揮脫葉功能,經(jīng)噻苯隆處理后,棉花不同葉位葉片離層形成的時(shí)間不同,且脫落順序與離層形成的順序不一致[6]。因此,在田間原位定量測(cè)定葉片尺度脫葉劑霧滴截獲及沉積,對(duì)于真實(shí)地反映脫葉劑噴施、霧滴分布及其與棉花冠層結(jié)構(gòu)和脫葉效果之間的關(guān)系更具意義。

本文通過(guò)將尺寸大小合適的水敏霧滴測(cè)試卡固定在植株單個(gè)葉片上,實(shí)現(xiàn)了對(duì)棉花全株葉片尺度霧滴截獲和沉積的定量測(cè)量。葉片尺度霧滴截獲與沉積能夠綜合考慮葉片位置、傾角、面積等結(jié)構(gòu)要素的影響,從而更加真實(shí)的反映接觸性藥劑在冠層內(nèi)的空間分布,為進(jìn)一步解釋種植模式和冠層結(jié)構(gòu)變化對(duì)棉花脫葉效果的影響提供了一種深入的定量化視角。

種植模式能夠顯著影響脫葉劑霧滴在棉花冠層內(nèi)的粒徑分布、覆蓋率及沉積量。霧滴粒徑分析表明,一膜三行模式下霧滴穿透性超過(guò)一膜六行(表1),但是種植模式對(duì)霧滴在冠層上部的穿透性影響較小,主要影響冠層下部葉片所截獲的霧滴粒徑[21-22]。一膜三行模式下冠層葉片的脫葉劑霧滴覆蓋率比一膜六行提高了31%(圖2),霧滴沉積量是一膜六行模式的1.9倍(圖3),這可能是導(dǎo)致低密度種植模式比高密度模式脫葉效果好的原因之一[23]。對(duì)于在棉株內(nèi)傳導(dǎo)能力弱的脫葉劑化合物,棉花葉片的脫葉劑霧滴覆蓋率及沉積量越高對(duì)促進(jìn)葉片脫落越有利,但脫葉劑霧滴的不均勻分布容易造成局部藥液過(guò)量,導(dǎo)致葉片干枯掛枝或粘附到棉絮上,使棉花含雜率升高[5,10]。

種植模式能夠改變棉花植株高度、果枝長(zhǎng)度、葉片面積、葉傾角等棉花個(gè)體和冠層的結(jié)構(gòu)參數(shù)[24],達(dá)到改變脫葉劑霧滴分布、改善機(jī)采棉脫葉效果的目的[25]。研究表明,一膜三行模式下由于行距大,植株密度小,株高增高,果枝長(zhǎng)度增長(zhǎng),且果枝交錯(cuò)系數(shù)低,更有利于霧滴均勻分布在葉面(圖2、圖3)[10],從而提高脫葉效果(圖5)[21]。本研究表明,噴施化學(xué)脫葉劑后14 d內(nèi),一膜三行模式的脫葉速率和脫葉率比一膜六行分別提升了4%和3%(圖5),對(duì)于充分利用新疆短暫的脫葉劑噴施“溫度窗口”而言,具有重要的意義。種植模式對(duì)產(chǎn)量的影響目前還沒(méi)有明確的結(jié)論(圖6),李建峰等[23]研究表明一膜三行等行距低密度模式可以使雜交棉籽棉產(chǎn)量增加4.7%,但石峰等[14]研究認(rèn)為2種種植模式間產(chǎn)量沒(méi)有顯著差異。為了更加明確的分析種植模式對(duì)機(jī)采棉脫葉效果和產(chǎn)量的影響,在未來(lái)工作中需要對(duì)種植模式的葉片空間結(jié)構(gòu)、單葉霧滴分布以及冠層產(chǎn)量分布等進(jìn)行同步測(cè)定和同步分析,為進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)采棉種植模式,改善新疆機(jī)采棉脫葉效果提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

3.2 結(jié)論

機(jī)采棉種植模式對(duì)脫葉劑霧滴截獲和沉積特性有顯著影響,與一膜六行模式相比,一膜三行棉花葉片的霧滴粒徑、霧滴覆蓋率和沉積量均顯著增加,冠層內(nèi)脫葉劑霧滴分布更加均勻,但棉花冠層地面霧滴損失沉積量也顯著增加,有利于機(jī)采棉脫葉速率和脫葉率的提升。一膜三行模式下單位面積收獲株數(shù)較一膜六行顯著降低,但單株鈴數(shù)和單鈴重均顯著增加,2種模式不同年份間產(chǎn)量表現(xiàn)不穩(wěn)定,因此對(duì)產(chǎn)量的影響還有待進(jìn)一步研究。