旱區(qū)地膜與種植密度對棉花冠層光分布及產(chǎn)量的影響

候金枚 王娟 王有武 陳國棟 曹楠 林皎 萬素梅

摘 要 棉花冠層光合有效輻射截獲率（PARI）是影響干物質積累和產(chǎn)量形成的重要因素，然而對于不同覆膜方式下種植密度對棉花冠層光分布的影響尚未明確。在旱區(qū)一膜三行的機采種植模式下，設2種覆膜方式（有膜和無膜）與5種種植密度（D1：9×104株/hm2，D2：13.5×104株/hm2，D3：18×104株/hm2，D4：? 22.5×104株/hm2，D5：27×104株/hm2），研究不同覆膜方式下種植密度對棉花冠層PARI的影響。結果表明，在全生育期，有膜處理下棉花冠層光合有效輻射（PAR）的截獲能力較強；冠層PARI與種植密度呈顯著正相關關系，不同種植密度之間PARI存在差異；葉面積指數(shù)（LAI）隨生育進程推進呈單峰曲線。有膜處理下，不同種植密度LAI在第94～98天達到峰值；無膜處理下，不同種植密度LAI在第109～113天達到峰值；隨著種植密度的增加干物質積累量減少，其生殖器官生物量有所下降。種植密度為18×104株/hm2下的產(chǎn)量顯著高于其他處理（有膜為5 805.07 kg/hm2，無膜為5 436.96 kg/hm2），研究結果為旱區(qū)合理密植、構建合理的冠層結構提供理論依據(jù)。

關鍵詞 光合有效輻射；冠層結構；覆蓋；種植密度；產(chǎn)量構成

棉花是新疆最主要的經(jīng)濟作物之一，在新疆經(jīng)濟發(fā)展中占有十分重要的地位[1]。南疆是中國最重要的優(yōu)質棉花生產(chǎn)基地[2]，20世紀90年代以來，膜下滴灌技術在新疆大面積推廣，對棉花生產(chǎn)起到了至關重要的作用[3]，同時解決了南疆水資源短缺、灌溉水利用率低的問題[4]。董合忠等[5]研究發(fā)現(xiàn)地膜能提高土壤溫度進而提高棉花的成苗率。邢晉等[6]和Braunack等[7]研究表明，覆蓋地膜可以促進棉花生長，改變冠層結構，從而提高光合性能及產(chǎn)量。膜下滴灌棉田利于棉花生長，但殘膜污染問題日益嚴重，殘膜會阻礙根系生長發(fā)育，迫使根系變形，減少根系對水分的吸收，從而降低產(chǎn)量[8]。因此，為了實現(xiàn)綠色、可持續(xù)化發(fā)展這一目標推出無膜滴灌，無膜滴灌改變了土壤小氣候、群體生態(tài)條件[9]，其干物質積累、光合有效輻射和棉鈴空間分布與有膜滴灌棉田有所不同[10-11]。

種植密度是構建合理群體結構的重要因素[12]，通過影響個體的生長發(fā)育，進而影響群體的冠層光合有效輻射截獲率（PARI）。群體PARI與干物質轉運、產(chǎn)量構成因素密切相關[13-15]。選用合理的種植密度以構建合理高效的群體結構是棉花獲得高產(chǎn)的基礎[16]。張旺鋒等[17]研究認為，當棉花種植密度為18×104? 株/hm2時，冠層結構優(yōu)良，群體光合速率較高。不同的覆膜方式下種植密度具有不同的群體發(fā)展優(yōu)勢。因此，結合群體生態(tài)環(huán)境尋求適宜的種植密度是獲得優(yōu)良冠層結構的基礎，且是否覆膜與種植密度互作對棉花經(jīng)濟效益的影響尚不明確。

探索光在作物群體冠層內(nèi)的空間分布特征以及提高PARI是國內(nèi)外學者研究的熱點之一[18-19]。前人對冠層截獲率的研究多使用單一時期觀測，其連續(xù)性和整體準確性有限，有關不同覆膜方式及種植密度對棉花全生育期PARI時空變化的研究鮮有報道。因此，本試驗在不同覆膜方式下設置不同種植密度，研究不同覆膜方式下種植密度對棉花冠層PARI的影響，以期為該區(qū)域覆膜方式和種植密度的制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2022年在新疆阿拉爾市塔里木大學農(nóng)學示范基地（40°32′42″N，81°18′53″E）進行。試區(qū)屬于暖溫帶大陸性極端干旱氣候，年均氣溫10.7 ℃，≥10 ℃ 積溫4 113 ℃·d，無霜期220 d，日照時數(shù)2 900 h，降水量46.7～69.5 mm，年均蒸發(fā)量1 989.7～2 049.6 mm，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)完全依賴于滴灌。試區(qū)0～20 cm土壤質地為沙壤土，土壤有機質10.59 g/kg，全氮1.72 mg/kg，有效磷29.66 mg/kg，速效鉀162.31 mg/kg，pH?? 7.93。

1.2 試驗設計

試驗采用裂區(qū)設計，以旱區(qū)不同覆膜方式（PM：有膜，NM：無膜）為主區(qū)，種植密度（D1：9×104?? 株/hm2，D2：13.5×104株/hm2，D3：18×104? 株/hm2，D4：22.5×104株/hm2，D5：27×104? 株/hm2）為副區(qū)，重復3次，試驗共30個小區(qū)，小區(qū)面積11.5 m2（2.3 m×5 m）。標準種植模式見圖1。

供試品種為‘中棉619，生育期劃分如表1所示。播種方式為人工點播，每穴2粒，播深? 2～3 cm，出苗后只保留健壯植株1株，其他管理方式同大田生產(chǎn)保持一致。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 葉面積指數(shù) 在棉花各生育時期，每個小區(qū)隨機選取具有代表性的植株6株，將單株棉花的所有葉片從基部剪下，用LI-3100C臺式葉面積儀（北京力高泰科技有限公司）測定單株葉面積，計算葉面積指數(shù)（LAI）。

1.3.2 冠層PAR的測定

分別于6月6日（苗期）、6月25日（蕾期）、7月16日（花期）、8月17日（鈴期）、9月11日（吐絮期）測定不同處理的棉花冠層PAR分布，測定方法：選擇晴朗無云天氣，在上午12：00-13：00，利用LI-188B線型光量子傳感器（美國LI-COR公司）和LI-1400（美國LI-COR公司）數(shù)據(jù)記錄器，每個小區(qū)選擇長勢均勻一致的2行棉花并進行標記（圖2），在棉行橫向和縱向每隔20 cm設一個傳感器，各傳感器同時測定入射光（incident photosynthetically active radiation，PARi）和反射光（reflected photosynthetically active radiation，PARr），并根據(jù)相應公式[20]計算冠層PAR截獲率（photosynthetically active radiation interception rate，PARI）。

PARI=1-PARr/PARi

其他位置的PARI估算采用Surfer軟件Kriging空間插值法[20]，計算公式為：

式中，Z（X0）為已知的PARI，Z（Xi）為第i個預測點PARI，i為樣品系數(shù)，此處無偏條件下∑ni=1i值為1。

為了更好地觀察不同種植密度下冠層不同垂直方向上PARI的變化，因此將冠層分為不同的部分，地面至株高1/3處為下部、1/3～2/3處為中部、2/3處以上為上部。采用張昊等[21]的方法，對冠層不同水平行間位點的PARI進行平均? 處理。

1.3.3 干物質 在棉花各生育時期，每個小區(qū)隨機選取具有代表性的植株6株，拆分成營養(yǎng)器官（根、莖、葉）和生殖器官（蕾、鈴、花），于信封袋中在105 ℃下殺青30 min，然后在80 ℃下烘干至恒質量，再進行稱量并記錄數(shù)值。

1.3.4 產(chǎn)量構成因子測定 在棉花吐絮率超過80%時進行測產(chǎn)，測產(chǎn)時在每個小區(qū)選取長勢均勻的10株棉花，帶回室內(nèi)按下部（第1～3果枝）、中部（第4～6果枝）、上部（第7以上果枝）進行考種，按相應部位摘取棉鈴，自然風干后稱量，折算出單株鈴數(shù)、棉鈴質量；籽棉產(chǎn)量按小區(qū)采摘并稱重，最后換算為每公頃產(chǎn)量。

1.3.5 經(jīng)濟效益 基本田間管理成本一致，因此僅考慮地膜投入成本。近5 a籽棉市場價格平均為6.93 元/kg，試驗所用的地膜價格為825?? 元/hm2，根據(jù)公式計算[22]：

E=G-P

式中，E為經(jīng)濟效益（元/hm2）；G為毛利潤（元/hm2）；P為地膜費用（元/hm2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2019進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和預處理，采用DPS v7.05進行數(shù)據(jù)分析，Origin 2021和Surfer 18軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同覆膜方式下種植密度對冠層LAI變化的影響

由圖3可知，各處理LAI隨生育期的推進呈單峰曲線。結果顯示：同一覆膜方式下隨著種植密度增加LAI逐漸增大，NM處理較PM的LAI下降快。PM處理在播種后第94～98天（花期）達到峰值，隨后LAI的峰值緩慢降低。D5處理的LAI峰值和出現(xiàn)時間較D1、D2、D3、D4處理高90.59%、58.36%、15.98%、11.61%；NM處理在播種后第109～113天（鈴期）達到峰值，PM較NM處理LAI峰值提前15 d。

2.2 不同覆膜方式下種植密度對冠層PARI時空變化的影響

2.2.1 對冠層PARI時間變化的影響 圖4、圖5為不同覆膜方式下種植密度對棉花各生育時期冠層PARI的影響。隨著生育進程的推進，冠層PARI呈現(xiàn)“低-高-低”的總體動態(tài)變化趨勢，且隨著密度的增加，冠層PARI逐漸增加。不同覆膜方式下，距離棉行40 cm處，苗期各處理PARI為0；蕾期時，距離地面25 cm處，PM處理下，D4處理PARI高于其他4個處理；NM處理下，D1、D2處理的PARI明顯低于D4、D5處理，且D5處理距離地面40 cm處PARI為0.25?；ㄆ跁r，PM處理下，D5處理存在光截獲的高度大于其他4個處理，且距離地面25 cm處，D5處理PARI最大。鈴期時，不同覆膜方式下，D5處理的PARI均明顯高于其他4個處理，但NM處理下，距離地面25 cm處，5個處理的PARI無明顯變化。不同覆膜方式下，吐絮期相比生長發(fā)育前期PARI明顯下降，但D5處理距離地面25 cm處高于其他處理。

2.2.2 對冠層PARI空間變化的影響 由圖4、圖5可以看出，不同覆膜方式下，冠層PARI整體呈“V”型，表現(xiàn)為棉行中間低于棉行附近。鈴期時，PM處理在距地面25 cm處，棉行中間D5處理PARI為0.61，明顯低其他4個處理，但截獲高度最高，達到90 cm以上；NM處理棉行中間D1處理PARI為0.95，明顯高于其他4個處理。在距離地面65? cm高度處，PM處理下5個處理的PARI橫向波動范圍分別為0.15～0.89、? 0.11～0.95、? 0.12～0.94、0.10～0.92，0.12～? 0.93，其中，D2處理的波動范圍較大，說明該高度棉花行間PARI最少；在距離地面45 cm高度處，NM處理下，5個處理的PARI橫向波動范圍分別為0.32～0.96、? 0.72～0.96、0.67～0.96、? 0.70～? 0.92、0.64～0.96，其中，D1處理的波動范圍最大，說明該高度棉花行間PARI最小。不同覆膜方式下，花期時，PM處理在距離地面? 65 cm、棉行40 cm處，5個處理PARI分別為? 0.5、0.23、? 0.19、0.67、0.66；鈴期時，NM處理在距離地面45 cm、棉行40 cm處，D1處理的PARI為0.32，明顯低于D5處理。

如表2所示，不同覆膜方式下種植密度的增加對整個生育時期不同處理冠層下部PARI無顯著影響，但對蕾期和花期冠層上部的PARI存在顯著影響。在PM處理下，D1處理冠層上部PARI為0.17，顯著高于D2、D3、D4處理；花期D3處理冠層上部PARI為0.27顯著高于其他處理，且各處理之間差異顯著。在NM處理下，蕾期D1上部PARI顯著高于其他處理；花期D3處理PARI最高為0.18，顯著高于D1、D2、D4、D5處理，分別高出39%、64%、80%、50%。

2.3 不同覆膜方式下種植密度對干物質積累、分配的影響

干物質積累是產(chǎn)量形成的重要因素，分析地膜有無與種植密度變化對干物質積累分配的差異，對構建合理的冠層結構具有指導意義。如表3所示，不同覆膜方式下，PM處理下干物質積累量顯著高于NM處理。在同一覆膜方式下，種植密度的減少可以顯著提高干物質的積累量和生殖器官的比率。鈴期D1處理的生殖器官干物質積累量，分別為144.18 g/株（PM）、63.06 g/株（NM），高于其他處理；生殖器官分配占比，分別為62%（PM）、51%（NM），顯著高于其他處理。

2.4 不同覆膜方式下種植密度對棉鈴空間分布及鈴質量的影響

如圖6和圖7所示，不同覆膜方式下，分布在不同空間植株的單株鈴數(shù)和棉鈴質量均存在顯著差異。PM處理下，D4處理上部單株鈴數(shù)與D1、D3處理差異顯著；D2處理中部的單株鈴數(shù)與D3處理差異顯著；高密度（D4、D5）處理下部的單株鈴數(shù)與低密度（D1）處理之間差異顯著。由圖7可以看出，PM處理下，D1處理上部、中部和下部棉鈴質量顯著高于其他4個處理。D1處理下部平均單株鈴數(shù)和平均棉鈴質量為5.5和6.87 g，分別較D2處理多0.8和0.31 g、D3處理多0.2和? 0.36 g、D4處理多1.1和0.44 g、D5處理多1.2和0.49 g。

在NM處理下，冠層上部和中部的平均單株鈴數(shù)隨密度的增加，顯著下降。冠層下部D1處理單株鈴數(shù)顯著高于D2、D3、D4、D5處理。D1處理的棉鈴質量在上部和中部顯著高于D5處理，下部D1處理顯著高于其他處理。D1處理冠層下部平均單株鈴數(shù)為5.3，較D2、D3、D4、D5處理分別多0.9、0.4、1.5、1.5；D5處理冠層下部棉鈴質量為5.87 g，較D1、D2、D3、D4處理分別下降0.58 g、0.16 g、0.13 g、0.06 g。上述分析表明，同一覆膜方式下，種植密度減少有利于冠層下部結鈴和提高棉鈴質量，從而提高經(jīng)濟效益。

2.5 不同覆膜方式下種植密度對產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響

由表4可知，PM和NM處理的產(chǎn)量之間差異顯著，但經(jīng)濟效益無顯著差異；隨著種植密度的下降，單株鈴數(shù)和棉鈴質量均呈增加趨勢，且PM與NM處理具有顯著差異。D3處理的籽棉產(chǎn)量最高，分別達到5 805.07 kg/hm2（PM）、5 436.96 kg/hm2（NM），同時經(jīng)濟效益也最高，分別為? 39? 404.15元/hm2（PM）、37? 678.11 元/hm2（NM），且與其他處理在產(chǎn)量和經(jīng)濟效益差異? 顯著。

2.6 產(chǎn)量和產(chǎn)量構成因素與PARI的相關分析

如圖8所示，棉鈴質量、籽棉產(chǎn)量以及單株鈴數(shù)、冠層PARI在各部位之間具有一定的相關性。單株總鈴數(shù)與各部位鈴數(shù)呈顯著正相關關系；籽棉產(chǎn)量與單株鈴數(shù)、棉鈴質量呈正相關關系，說明增加棉鈴質量和單株鈴數(shù)有利于產(chǎn)量的提高。冠層下部PARI與各部位單株鈴數(shù)、棉鈴質量和籽棉產(chǎn)量呈正相關關系，其中，與單株總鈴數(shù)、棉鈴質量及籽棉產(chǎn)量呈顯著正相關關系。冠層中部、上部的PARI與產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素呈負相關關系。以上分析說明冠層下部PARI的增加有利于增加籽棉產(chǎn)量，從而提高經(jīng)濟效益。

3 討? 論

3.1 不同覆膜方式下種植密度對棉花LAI的影響

種植密度是影響群體結構的重要因素，而葉面積指數(shù)是反映冠層光合生產(chǎn)潛力和作物長勢的重要參數(shù)之一，是作物群體質量的重要量化指標[23]。理想的群體結構通過控制群體的密度，從而得到適宜的LAI。本文中不同覆膜方式對棉花LAI總體變化趨勢基本相同，PM處理對棉花生長具有促進作用；種植密度與棉花LAI呈顯著的正相關關系，且LAI的增加使群體透光率下降，與王全九等[24]研究結果一致。本研究中不同種植密度間LAI在第66天差異較小，隨棉花生長發(fā)育，9×104株/hm2和13.5×104株/hm2差異小，但與18×104株/hm2、22.5×104株/hm2、27×104株/hm2之間差異顯著，說明高密度處理的冠層空間郁閉，限制個體生長發(fā)育，群體冠層結構受限，光分布下降。

3.2 不同覆膜方式下種植密度對冠層PARI的影響

光合有效輻射是太陽輻射中能被植物吸收并進行光合作用的部分，是形成植物干物質的能量來源[25]。冠層PARI是反映光合有效輻射的重要指標，產(chǎn)量與冠層下部PARI呈顯著正相關關系，說明提高冠層下部PARI有利于光合產(chǎn)物積累和棉鈴形成[24]。本研究結果同劉帥等[20]研究一致，總體PARI均呈先升高后下降的趨勢，無膜處理對冠層PARI的影響，由于棉花生長延緩造成群體冠層結構差異引起的。種植密度的高低直接影響棉花個體與群體結構發(fā)展，同時影響冠層對PAR的截獲，則直接影響了冠層對PAR的截獲[26]。本研究表明，隨著種植密度的增加冠層上部和中部PARI增加，冠層下部降低。因此，高密度處理會使冠層結構變劣，低密度處理下棉花群體存在浪費光資源的現(xiàn)象，兩者都不是理想的冠層結構，中密度處理下棉花冠層PARI較好，這與馮國藝等[27]得出的新疆超高產(chǎn)棉花光分布特性相同。

3.3 不同覆膜方式下密度對干物質積累、轉運的影響

干物質是作物光合作用的產(chǎn)物，對作物產(chǎn)量具有重要意義。不同覆膜方式和種植密度對干物質積累量的影響存在差異[28]。本研究結果表明，PM處理下棉花干物質顯著高于NM處理，表明覆膜促進作物干物質的積累。周相等[29]的研究表明：18×104株/hm2種植密度處理單株干物質積累量較高，整個生育期葉面積指數(shù)適中，無顯著變化，有利于產(chǎn)量提高。李春梅等[30]研究認為在76 cm等行距下，種植密度為12×104株/hm2處理的籽棉產(chǎn)量最高。本研究結果表明：干物質積累量隨密度增加而減少，在整個生長發(fā)育過程中高密度與低密度處理差異顯著，可能是由于高密度條件下生長空間緊湊，影響棉株個體發(fā)育，低密度條件下生長空間充足，促進個體發(fā)育，18×104株/hm2處理下干物質積累量較高，與支曉宇等[31]研究結果一致。

由表2可知，產(chǎn)量與冠層下部PARI呈顯著正相關關系，與冠層上部、中部PARI呈負相關關系，與李亞兵等[32]的研究結果相同。隨著種植密度增加，冠層中部、上部PARI增加，下部PARI與之相反，但低密度處理（D1、D2）相比高密度處理（D4、D5）在產(chǎn)量上無顯著差異，這可能低密度處理提高冠層下部的PARI，促進葉片進行光合作用，造成下部鈴數(shù)和棉鈴質量增加，最終增加產(chǎn)量。高密度處理（D4、D5）提高冠層上部、中部PARI，由于株距緊湊，冠層中部、上部截獲率高，下部葉片對光吸收并固定的能力有限，生長發(fā)育受到不良影響，導致葉片早衰、蕾鈴脫落等問題。因此，中密度處理（D3）產(chǎn)量最好，且PM處理產(chǎn)量顯著高于NM，但是經(jīng)濟效益差異不顯著，后續(xù)對提高干旱區(qū)無膜栽培下棉花產(chǎn)量的途徑還有待進一步研究。

4 結? 論

本研究結果表明，棉花冠層PARI與種植密度呈正相關關系，不同覆膜方式下種植密度在棉花不同生育期內(nèi)的冠層PARI差異顯著，且隨密度的增加而增加。不同種植密度下的棉花群體冠層結構不同，棉花葉片的空間分布決定冠層PARI的大??；LAI隨著生育期推進呈單峰曲線，PM處理的LAI峰值出現(xiàn)在播種后第94～98天，而NM處理的LAI峰值出現(xiàn)在第109～113天，NM處理的生長延緩；隨密度的增加單株干物質積累量下降，18×104株/hm2處理下干物質積累量較高；PM處理與NM處理經(jīng)濟效益之間差異不顯著，18×104株/hm2處理經(jīng)濟效益最高。

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Effects of Plastic Film and Planting Density on Canopy Light Distribution and Yield of Cotton in Arid Area

Abstract The photosynthetic active radiation interception rate （PARI） within the cotton canopy plays a vital role in dry matter accumulation and yield formation.However， the effect of planting density on cotton canopy light distribution under different mulching methods has not been clarified.In this experiment， this experiment was? set up in the machine harvesting planting mode of one film strip of three rows set up with two film mulching methods （PM： with film mulching， NM： without film mulching） and five planting densities （D1， 9×104 plants/hm2 ; D2， 13.5×104 plants/hm2; D3，?? 18×104 plants/hm2; D4， 22.5×104 plants/hm2; D5，27×104 plants/hm2）， to study the effects of planting density on cotton canopy PARI under different cultivation modes.The results showed that compared with NM PM had a higher PARI in the cotton canopy during the whole growth period.The PARI was positively correlated with planting density，with variations observed among different planting densities.The leaf area index （LAI ） displayed a unimodal curve，peaking at 94-98 days for? PM and at 109-113 days for all the density treatments.As the planting density increased，the dry matter accumulation decreased.With gradual decline in the contribution of repoductive organs to dry matter accumulation.The yield at a planting density of 18×104 plants/hm2 was significantly higher than those of other treatments （PM was 5 805.07 kg/hm2，NM was? 5 436.96 kg/hm2）.This study provides a theoretical basis for implementing reasonable dense planting praticess and estalishing a suitable canopy structure in arid areas.

Key words Photosynthetic active radiation; Canopy structure; Cover; Planting density; Yield composition