新疆阿拉爾墾區(qū)種植密度對(duì)中棉113冠層光資源高效利用和空間成鈴的影響

摘要：本研究旨在分析寬窄行配置下不同種植密度對(duì)中棉113冠層光資源利用及成鈴結(jié)構(gòu)的影響，明確中棉113在新疆阿拉爾墾區(qū)寬窄行種植模式下的合理密度，達(dá)到高效利用光能、優(yōu)化株型與提高產(chǎn)量的目的。設(shè)置6個(gè)密度：9萬(wàn)株·hm-2（D1）、12萬(wàn)株·hm-2（D2）、15萬(wàn)株·hm-2（D3）、18萬(wàn)株·hm-2（D4）、21萬(wàn)株·hm-2（D5）、24萬(wàn)株·hm-2（D6），采用一膜四行（66+10） cm種植模式，使用光合有效輻射傳感器與株式圖采集系統(tǒng)，比較不同密度處理對(duì)棉花群體光合有效輻射（photosynthetically active radiation， PAR）截獲率、棉鈴空間分布差異以及棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響。結(jié)果表明：各密度處理棉花PAR截獲率均表現(xiàn)為雙峰曲線，且隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)呈現(xiàn)出先增加后減小的動(dòng)態(tài)變化。在吐絮期，PAR截獲率隨密度增加而下降，此時(shí)D4處理PAR截獲率合理，D6密度過(guò)大PAR截獲率較低。棉株成鈴受PAR截獲率影響，隨密度增加，成鈴在水平方向上向棉株內(nèi)側(cè)集中（內(nèi)圍鈴比例增加），在豎直方向上向棉株中上部集中。D4處理的籽棉單產(chǎn)顯著高于其他處理。D1（9萬(wàn)株·hm-2）處理的單株優(yōu)勢(shì)明顯，單株結(jié)鈴數(shù)較高；D4（18萬(wàn)株·hm-2）處理的群體優(yōu)勢(shì)明顯，群體光能利用與成鈴結(jié)構(gòu)合理，籽棉產(chǎn)量最高。綜上，在新疆阿拉爾地區(qū)中棉113的最適宜種植密度為18萬(wàn)株·hm-2左右。

關(guān)鍵詞：棉花；密度；中棉113；新疆阿拉爾；光合有效輻射；成鈴結(jié)構(gòu)；空間分布；產(chǎn)量

根據(jù)新疆地域特點(diǎn)，科研人員提出“矮、密、早”的棉花栽培技術(shù)體系[1]。但是該植棉技術(shù)體系一膜四行或一膜六行下的窄行行距較小，棉花封行后的冠層光資源利用率變差，使棉花生長(zhǎng)發(fā)育受到限制[2-3]。光合有效輻射（photosynthetically active radiation， PAR）是能被綠色植物用來(lái)進(jìn)行光合作用的太陽(yáng)光輻射，也是形成生物量的基本能源，對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的提高有重要影響，也是衡量株型結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)[4-5]。前人在研究PAR截獲率時(shí)常用氣候?qū)W統(tǒng)計(jì)法或者空間插值法，而在區(qū)域棉田生態(tài)系統(tǒng)中，由于棉花冠層存在空間異質(zhì)性，PAR呈不規(guī)則分布，運(yùn)用基于空間統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的Surfer軟件研究棉花冠層PAR更具優(yōu)勢(shì)[6]。利用Surfer軟件和空間網(wǎng)格測(cè)量法量化分析，可科學(xué)準(zhǔn)確地確定棉花冠層PAR的空間分布。中棉113（原代號(hào)為中棉所979）[7]是2019年甘肅省審定的棉花品種，并被批準(zhǔn)引入新疆種植。利用Surfer和空間網(wǎng)格測(cè)量法分析中棉113在新疆阿拉爾墾區(qū)傳統(tǒng)行距配置下的封行后光資源的利用情況及成鈴結(jié)構(gòu)，可為該品種的群體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、冠層PAR測(cè)定和精準(zhǔn)估產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2022年4月至10月在新疆阿拉爾市（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)十團(tuán)）中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所試驗(yàn)基地（40°51′N，81°30′E）進(jìn)行。土壤質(zhì)地為砂壤。試驗(yàn)點(diǎn)屬暖溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫10.56 ℃，氣溫日較差12.2～17.7 ℃，棉花生育期間日照時(shí)間1 793 h，平均無(wú)霜期208 d，常年平均降水量48.2 mm。供試棉花品種為中棉113（由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所提供）。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)。采用單因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共設(shè)置6個(gè)密度，分別為D1（9萬(wàn)株·hm-2）、D2（12萬(wàn)株·hm-2）、D3（15萬(wàn)株·hm-2）、D4（18萬(wàn)株·hm-2）、D5（21萬(wàn)株·hm-2）、D6（24萬(wàn)株·hm-2），3次重復(fù)，共計(jì)18個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積47.88 m2（7.00 m×6.84 m）。播種日期為4月26日（人工播種），采用一膜四行（66 cm+10 cm）膜下滴灌機(jī)采模式種植，7月4日打頂，其余田間管理均與當(dāng)?shù)卮筇锕芾砟Ｊ揭恢隆?/p>

1.2.2 生育進(jìn)程測(cè)定。記錄棉花出苗期（超過(guò)50%棉株出苗的日期）、現(xiàn)蕾期（超過(guò)50%棉株現(xiàn)蕾的日期）、盛蕾期（超過(guò)50%棉株出現(xiàn)第4個(gè)果枝的日期）、開(kāi)花期（超過(guò)50%的棉株開(kāi)花的日期）、吐絮期（超過(guò)50%的棉株吐絮的日期）、收獲期（植株吐絮基本完全）。

1.2.3 測(cè)定項(xiàng)目。（1）冠層PAR測(cè)定。采用空間網(wǎng)格測(cè)量法[8]，從蕾期開(kāi)始，每隔約15 d采集1次冠層PAR截獲率數(shù)據(jù)。測(cè)定當(dāng)天，天氣晴朗無(wú)云，在12：00-15：00時(shí)間段利用自制網(wǎng)格狀金屬架（網(wǎng)格點(diǎn)上固定PAR傳感器，傳感器型號(hào)為SMCPAR-2500）進(jìn)行測(cè)量。在每個(gè)小區(qū)中選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的2行棉花進(jìn)行測(cè)量，后續(xù)測(cè)量仍在相同位置進(jìn)行。在自制的網(wǎng)格狀金屬架水平方向上固定5個(gè)PAR傳感器，豎直方向上固定6個(gè)傳感器，共30個(gè)，2個(gè)方向上傳感器間隔均為20 cm（在垂直方向上的高度分別是10、30、50、70、90、110 cm），具體田間布置見(jiàn)圖1。

（2）棉鈴空間分布。從花鈴期開(kāi)始，在每個(gè)小區(qū)選取10株長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的棉花做好標(biāo)記，每隔30 d調(diào)查1次棉花下部（1～3果枝）、中部（4～7果枝）和上部（8果枝及以上）果節(jié)結(jié)鈴情況。

（3）產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素。收獲期（9月15日）按小區(qū)實(shí)收計(jì)產(chǎn)，各小區(qū)收取正常開(kāi)裂的100個(gè)棉鈴，其中上部鈴20個(gè)，中部鈴、下部鈴各40個(gè)。測(cè)定單株結(jié)鈴數(shù)、鈴重等產(chǎn)量性狀。

（4）數(shù)據(jù)處理。用Microsoft Excel 2019和Stata14對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，用DPS 7.05軟件的鄧肯多重范圍檢驗(yàn)法（Duncan’s新復(fù)極差法）進(jìn)行差異顯著性分析，計(jì)算特定功能區(qū)PAR截獲率總量時(shí)，采用Surfer軟件的辛普森3/8計(jì)算方法[8]，PAR等值線圖采用Surfer 16軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植密度中棉113的PAR截獲率隨生育時(shí)期的變化特征

經(jīng)調(diào)查，中棉113的出苗期為5月3日，現(xiàn)蕾期為6月1日，開(kāi)花期為7月6日，吐絮期為9月1日。

圖2顯示，所有密度下中棉113的PAR截獲率均表現(xiàn)出隨生育進(jìn)程的推進(jìn)呈先上升后下降的趨勢(shì)，均在花鈴期（出苗后90～105 d）達(dá)到最大。D5處理的PAR截獲率在出苗后60～90 d始終高于其他處理，D6處理的PAR截獲率在出苗后75～120 d時(shí)低于其他處理，D4處理的PAR截獲率在出苗后60～90 d時(shí)保持較高水平，且在出苗后105～120 d時(shí)高于D3、D5、D6處理，說(shuō)明適當(dāng)增加密度有利于增加中棉113的PAR截獲率，且在生長(zhǎng)發(fā)育后期仍能保持較高的PAR截獲率，而密度過(guò)大則會(huì)抑制PAR截獲率尤其是在生長(zhǎng)發(fā)育中后期。在出苗后105～135 d時(shí)，D2處理PAR截獲率最高，說(shuō)明低密度時(shí)單株優(yōu)勢(shì)大，有利于上部鈴形成。

2.2 不同密度下中棉113在吐絮期的PAR截獲率空間分布比較

如圖3所示，各處理中棉113的PAR截獲率均表現(xiàn)為雙峰曲線，且受光照角度影響均呈現(xiàn)為左高右低。在行間（水平方向）20～40 cm處、冠層間（豎直方向）30 cm處，6個(gè)密度處理的PAR截獲率變化范圍分別是0.50～0.90、0.80～0.90、0.85～0.90、0.50～0.90、0.25～0.75、0.50～0.80，其中D1～D6處理PAR截獲率除D5處理外均在0.50以上，說(shuō)明各密度下部仍有充足光能，D5處理存在漏光現(xiàn)象。在行間50 cm處、冠層60 cm處，6個(gè)密度處理的PAR截獲率變化范圍分別是0.50～0.86、0.80～0.85、0.75～0.85、0.50～0.90、0.50～0.90、0.25～0.50，其中D1～D5處理的PAR截獲率均在0.5以上，而D6處理由于密度過(guò)大導(dǎo)致株高矮小從而在60 cm處蔭蔽程度高，說(shuō)明D1～D5處理在中部依然有足夠的光能，而D6處理封行程度高導(dǎo)致高能利用率差。在行間30 cm處、冠層90 cm處，6個(gè)密度處理的PAR截獲率變化范圍分別是0.25～0.50、0.25～0.50、0.25～0.50、0.20～0.50、0.20～0.50、0.00～0.20，說(shuō)明D1～D5處理棉株上部也有較高的光能利用率，而D6處理封行程度高導(dǎo)致高能利用率差。

在中棉113吐絮期PAR截獲率的空間結(jié)構(gòu)方面，D1處理兩端冠層（豎直空間）等值線密集，光能利用結(jié)構(gòu)合理；D2處理冠層中部（豎直空間）PAR截獲率等值線凹陷程度不規(guī)則且棉株下部存在漏光現(xiàn)象；D3處理在冠層水平距離80 cm處PAR截獲率為0.25的高度為50 cm，在水平距離20 cm處PAR截獲率為0.25的高度為100 cm，說(shuō)明邊行與中行的光能利用結(jié)構(gòu)不合理，邊行與中行對(duì)光能利用的分配存在種群競(jìng)爭(zhēng)；D4、D5處理棉株上部冠層兩端的PAR截獲率等值線密集，行間中部D4處理的PAR截獲率變化平緩且下部仍有較高的光能利用率，而D5處理中下部PAR截獲率等值線的傾斜角度大，表明D4處理的光能利用率結(jié)構(gòu)較合理，即其在保證上部PAR截獲率高的同時(shí)使中下部也能獲得一定光照；D6處理密度過(guò)高，由于光能利用結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致棉株矮、種群間競(jìng)爭(zhēng)大。

2.3 不同密度處理中棉113吐絮期棉鈴的空間分布比較

不同密度處理的中棉113棉鈴空間分布如圖4所示。由圖4可知，隨種植密增加，棉株更為緊湊，單株果枝數(shù)減少，且越靠近棉株主莖的果節(jié)成鈴率越高。在第1果節(jié)的吐絮率方面，D1處理的果枝分布范圍最廣，第9果枝的吐絮概率依然達(dá)到50%，棉株形態(tài)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“下部寬大上部收緊的三角形”；D2、D3處理第8果枝的吐絮概率為50%；D4處理在第8果枝處的吐絮概率為25%；D5處理在第7果枝處的吐絮概率為25%；D6處理在第5果枝處的吐絮概率為25%。說(shuō)明低密度處理的中棉113單株優(yōu)勢(shì)明顯，棉株上部成鈴率較過(guò)高密度處理的高。

各處理吐絮率大于等于25%的果枝位極值為11、10、10、9、8、6，說(shuō)明棉株上部成鈴?fù)滦醺怕孰S著密度增加逐漸降低。較低密度D1處理的成鈴果枝位極值高，D2～D4處理成鈴果枝位極值處于較高水平，D5～D6處理由于種群結(jié)構(gòu)不合理成鈴果枝位極值處在較低水平。

2.4 不同密度處理中棉113吐絮期棉鈴脫落率空間分布比較

由圖5可知，隨密度增加，棉鈴脫落率在水平方向上越往外側(cè)越高，即靠近棉株內(nèi)部的棉鈴脫落率低，在豎直方向上向越往棉株中下部果枝棉鈴脫落率越高。D1處理在第2～6果枝第2果節(jié)處的棉鈴脫落率達(dá)到50%；D2處理在第4～8果枝第2果節(jié)處的棉鈴脫落率達(dá)到50%；D3處理在第3～7果枝第2果節(jié)處的棉鈴脫落率達(dá)到50%；D4處理在第7～9果枝第1果節(jié)處的棉鈴脫落率達(dá)到50%，在第2～6果枝第2果節(jié)處的棉鈴脫落率也達(dá)到50%；D5處理在第2～6果枝第2～4果節(jié)處的棉鈴脫落率達(dá)到30%～40%；D6處理在第4～7果枝第1果節(jié)處的棉鈴脫落率達(dá)到50%，在第1～3果枝第2～4果節(jié)處的棉鈴脫落率達(dá)到100%。由此可知，隨密度增加，中棉113棉鈴脫落率高于50%的空間增加，尤其是D6處理。

2.5 產(chǎn)量及構(gòu)成因素

經(jīng)單因素方差分析可知，不同種植密度間單株結(jié)鈴數(shù)與籽棉單產(chǎn)存在極顯著差異（單株結(jié)鈴數(shù)：F=12.53，P=0.000 5；籽棉產(chǎn)量：F=5.214，P=0.013），但對(duì)棉花的鈴重?zé)o顯著影響（F=0.328，P=0.885 1）。其中：D1處理單株結(jié)鈴數(shù)最多，D6處理單株結(jié)鈴數(shù)最少（表1）；籽棉單產(chǎn)表現(xiàn)為隨著密度的增加呈現(xiàn)先增加再減少的趨勢(shì)，D4處理最高，與其他處理呈現(xiàn)顯著差異。

3 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在阿拉爾墾區(qū)采用合理的種植密度可以構(gòu)建中棉113的合理冠層結(jié)構(gòu)，從而提高其群體光能利用率，促進(jìn)該品種優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。李亞兵等[8]的研究指出在一定密度范圍內(nèi)增加棉花密度可以構(gòu)建適宜的種群結(jié)構(gòu)，與光資源利用率呈現(xiàn)正相關(guān)，但密度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致光能利用率低下。本研究也得出相似結(jié)論，在一膜四行種植模式下，中棉113在不同種植密度下的光合輻射截獲率隨生育進(jìn)程推進(jìn)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，過(guò)高的密度非但不能使光能利用率進(jìn)一步提高，反而會(huì)抑制PAR截獲率。劉帥等[9]研究表明棉花在高密度下棉株距離地面60 cm處（中下部）PAR截獲率降低速率慢，且其封行程度最高、群體的郁閉度最大。本研究對(duì)不同密度下中棉113中下部PAR截獲率的進(jìn)一步研究得出相似結(jié)論：D1～D4處理行間（豎直方向）中下部PAR截獲率變化幅度較大；D5處理在行間（豎直方向）30 cm處的PAR截獲率僅為25%，說(shuō)明棉株下部存在漏光現(xiàn)象，不利于構(gòu)建合理的光合結(jié)構(gòu)；D6處理冠層中下部PAR截獲率變化幅度小，說(shuō)明其封行程度高中下部不易透光，導(dǎo)致光能利用率低下。但本研究?jī)H針對(duì)中棉113進(jìn)行了1年試驗(yàn)，不同密度處理的冠層PAR結(jié)果是否受到氣候等因素影響以及是否適用于其他品種還需要進(jìn)一步研究。

董合忠等[10]研究得出棉花成鈴受冠層空間結(jié)構(gòu)和植株生理發(fā)育時(shí)期影響。本研究結(jié)果表明隨密度增加，中棉113成鈴在水平方向上向棉株內(nèi)側(cè)集中（內(nèi)圍鈴比例增加），在豎直方向上隨密度增加棉鈴向棉株中下部集中。豎直方向上，隨密度增加，第2果節(jié)的棉鈴脫落率從中上部果枝向下部果枝遞增；水平方向上，隨密度增加，棉鈴脫落率由棉株內(nèi)側(cè)向外部遞增，這與薛慧云[11]和劉錦濤等[12]的結(jié)論相似。薛慧云[11]研究得出在高密度處理下棉株成鈴靠近主莖內(nèi)側(cè)，各果枝的第2果節(jié)脫落率增加。劉錦濤等[12]研究表明種植密度對(duì)光資源利用率有重要影響：密度過(guò)低易造成光資源浪費(fèi)，降低單位面積產(chǎn)量；密度過(guò)高時(shí)，棉株中下部靠近主莖處由于蔭蔽導(dǎo)致光照不足，蕾鈴脫落嚴(yán)重。D4處理株型和成鈴結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化方法包括：適時(shí)早播、平衡施肥、精細(xì)管理和安裝膜下滴灌與噴灌系統(tǒng)相結(jié)合的水利設(shè)施調(diào)控溫度，以減少棉鈴脫落，增加秋桃數(shù)量[13-16]。

種植密度對(duì)阿拉爾墾區(qū)中棉113產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素有重要影響。本研究中隨密度增加單株結(jié)鈴數(shù)減少，鈴重變化不大，可見(jiàn)種植密度對(duì)單株產(chǎn)量有重要影響；而籽棉單產(chǎn)總體隨密度增大先增后減，說(shuō)明種植密度對(duì)產(chǎn)量形成有重要影響，過(guò)稀過(guò)密都不利。本研究結(jié)果表明，D1（9萬(wàn)株·hm-2）處理下，單株優(yōu)勢(shì)強(qiáng)，可以結(jié)更多的鈴，且鈴重較高；但是單產(chǎn)與單位面積總鈴數(shù)有很大關(guān)系，即適宜的種植密度有助于提升最終產(chǎn)量。其中D1（9萬(wàn)株·hm-2）處理種植密較小，植株的種群結(jié)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)小，有良好的通風(fēng)性和透光性，從而鈴重優(yōu)勢(shì)較大，但密度過(guò)低導(dǎo)致最終產(chǎn)量低；種植密度較大的D6（24萬(wàn)株·hm-2）處理棉株單株優(yōu)勢(shì)弱，種群結(jié)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)大，通風(fēng)透光性差，導(dǎo)致鈴重降低和蕾鈴脫落嚴(yán)重，最終影響棉花產(chǎn)量。D4（18萬(wàn)株·hm-2）處理籽棉單產(chǎn)最高，PAR截獲率結(jié)構(gòu)合理，成鈴果枝數(shù)較高且鈴重處于適中水平。

本研究結(jié)果表明：中棉113在阿拉爾墾區(qū)的種植密度在9萬(wàn)株·hm-2時(shí)，可獲得較高的單株結(jié)鈴數(shù)；在18萬(wàn)株·hm-2時(shí)，群體株型結(jié)構(gòu)適宜且成鈴結(jié)構(gòu)合理，利于獲得更高的產(chǎn)量；24萬(wàn)株·hm-2時(shí)，種植密度過(guò)大使棉花個(gè)體發(fā)育受限，棉鈴脫落率大幅增加，導(dǎo)致很難獲得高產(chǎn)。

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