種植密度對長江流域直播棉花群體生長的影響

劉 帥,李亞兵,白志剛,胡啟星,崔愛花*

(1.江西省棉花研究所,江西 九江 332105;2.中國農業科學院 棉花研究所/棉花生物學國家重點實驗室,河南 安陽 455000)

棉花是我國的重要戰略物資,在國防和國民經濟中占有重要地位。近年來,糧棉爭地的矛盾日益凸顯,增加棉花單產則是緩解這一問題的關鍵[1],而合理的種植密度是實現作物高產高效的重要途徑之一[2]。棉花的合理密植有利于協調個體與群體之間的矛盾,在個體發育健壯而不早衰的同時保證一定數量的群體,使單位面積株數、單株結鈴數、鈴重得到協調發展,從而實現棉花高產高效[3,4]。關于棉花種植密度的研究已有諸多報道,但由于試驗地區、遺傳材料和試驗設計的差異,結論不盡相同。張旺鋒等[5]認為在新疆光照充足條件下,棉花種植密度為18.0萬株/hm2時具有良好的冠層結構,群體光合速率較高;周永萍等[6]用冀863品種進行試驗，得出在河北省適宜的種植密度為7.0萬～9.0萬株/hm2;也有學者發現不同氮肥用量、整枝方式和化控措施均對棉花的適宜種植密度有一定的影響[7～9]。

長江流域棉區棉花種植以育苗移栽為主,也有采用地膜覆蓋和育苗移栽加大田地膜覆蓋方式的,而直播方式很少采用[10],但直播棉花是長江流域植棉區由傳統栽培向輕簡化栽培轉變的重要標志[11]。因此本研究以長江流域主栽棉花品種為試驗材料,在常規田間管理方式下,通過分析不同種植密度對棉花群體生長的影響,探索了在長江流域直播方式下棉花的適宜種植密度,旨在為提高長江流域棉區棉花的產量與品質，以及加快輕簡化、高效化栽培的研究提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年在江西省棉花研究所試驗基地(江西省九江市,29°42′N,115°51′E)進行,試驗用棉花品種為贛早5號(由江西省棉花研究所提供),播種日期為5月20日,采用直播方式種植,行間距為0.76 m,等行距種植,小區面積68.4 m2。該地土壤類型為壤質灰潮土,耕作表層有機質含量為1500 mg/kg,全氮為1070 mg/kg,速效磷為60 mg/kg,速效鉀為251 mg/kg。耕作制度為多年棉花連作,冬季空閑。

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計,設置6個種植密度處理：M1，1.50萬株/hm2；M2，3.75萬株/hm2；M3，6.00萬株/hm2；M4，8.25萬株/hm2；M5，10.50萬株/hm2；M6，12.75萬株/hm2,每個處理3次重復。施肥方式為基施和追施,基肥為棉花專用氮肥600 kg/hm2、氯化鉀150 kg/hm2、過磷酸鈣375 kg/hm2；在7月30日追施尿素300 kg/hm2;在棉花蕾期、初花期、盛花期和打頂后各噴施1次縮節胺(DPC);打頂日期為8月5～10日,方式為人工打頂;此外的其他田間管理與當地生產管理方式一致。

1.3 調查方法與內容

冠層PARI (Photosynthetically active radiation interception rate, PARI)測量:在8月15日上午10:00～11:00,采用SY-HGY光合有效輻射傳感器(由石家莊世亞科技有限公司生產),在試驗小區內選取具有代表性的兩行棉花,在棉行中間縱向和橫向每隔20 cm,即在冠層空間以網格形狀從西至東、從下至上將探頭朝上測定入射光(Incident photosynthetically active radiation, PARi),探頭向下測定反射光(Reflected photosynthetically active radiation, PARr), PARI的計算公式為:PARI=1-PARr/PARi。由Surfer 12(美國Golden Software公司)的辛普森3/8規則計算得出冠層PARI的空間分布數據。

農藝性狀調查:在播種后50、70、90、110 d進行單株棉葉取樣,將棉葉平整無重疊地置于白色底板上，用固定高度的Microsoft攝像頭(美國Microsoft公司)拍照,用Image-Pro Plus 6.0(美國Media Cybernetics公司)內置算法計算葉面積(Leaf area, LA),由試驗小區實收株數與小區面積進一步計算得出葉面積指數(Leaf area index, LAI);于打頂前,在每個小區內選擇長勢均勻一致的連續10株棉花,進行株高、果枝始節、果枝數和干物質量的調查。

產量性狀調查:于收獲前選定連續生長的10株棉花，調查單株吐絮鈴數,由此計算單株鈴數;于每個試驗小區內采收正常吐絮的棉鈴50個，計算鈴重。采用皮輥軋花機(SY-20)獲取皮棉,并以50鈴的皮棉質量計算衣分。

纖維品質調查:于50鈴皮棉中抽取樣品約25 g，測定纖維品質(由農業部棉花品質監督檢驗測試中心測定)。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010和 SAS 9.2對試驗數據進行統計分析,采用單因素方差分析和Duncan’s新復極差法進行差異顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同處理對棉花冠層PARI空間分布的影響

棉花冠層PARI與種植密度密切相關。為了便于觀察棉花冠層不同部位的PARI,將棉花冠層劃分成不同部位(圖1)分別進行分析,其中a1區(內部)為靠近棉行的冠層位置,a2區(外部)為兩條棉行中間的冠層位置,b1、b2、b3則分別為冠層上、中、下位置。

a1:冠層內部；a2:冠層外部；b1:冠層上部；b2:冠層中部；b3:冠層下部。圖1 棉花冠層不同空間位置的劃分

在8月15日,棉花已處于花鈴期,此時是棉花生殖生長和營養生長兩旺的重要時期,該時期群體冠層PARI達到最大。從表1可以看出,在一定的密度范圍內,棉花冠層群體PARI與密度呈正相關關系,并在密度為6.00萬株/hm2(M3)時達到最大,M1處理的PARI最低。在M1處理下,棉花冠層上部和中部的PARI差別較小, 上部和下部的差異較大;而M2處理的中部PARI較上部有明顯升高,且下部PARI達到了較高水平;M3處理不同冠層位置的PARI均較其他處理高,在冠層上部區域已經達到0.42,在中、下部區域均在0.82以上;隨著種植密度的繼續增加,棉花冠層不同位置的PARI有所降低,這可能與密度過高引起棉株節間分化減少,果枝向內收縮生長有關。不同處理棉花冠層內部與外部的PARI變化不大,且均隨密度的增大呈先增大后降低的趨勢。

表1 棉花冠層不同部位的PARI

距棉株橫向距離20 cm處為棉鈴內圍鈴著生部位,該部位PARI的大小對于內圍鈴的生長具有重要影響。由圖2可見,在距地面一定高度內,PARI隨高度的升高而保持平緩趨勢,但在到達一定高度后開始快速降低,這主要與冠層上部葉片減少有關。其中M1、M2、M3、M4、M5和M6處理分別在距地面約20、40、80、60、50、45 cm以上PARI開始快速降低，可見隨著種植密度的增加,PARI開始快速降低的高度呈先升高后降低的趨勢,并在M3處理達到最高。

圖2 距棉株橫向20 cm處PARI的縱向變化

2.2 不同處理對棉花農藝性狀的影響

不同密度處理之間株高差異不顯著(P>0.05),但M1處理的株高較低(圖3)。不同密度處理的果枝始節差異亦不顯著,各處理的果枝始節均在第6.0果枝及以上,高密度(M4、M5、M6)處理的果枝始節較低密度(M1、M2、M3)處理略高,其中M3處理的果枝始節最低。在一定范圍內,棉株的果枝數總體上隨密度的增大而減少,其中M1、M2處理的果枝數明顯多于其他密度處理的；在M3、M4、M5、M6處理之間棉株果枝數無顯著差異(圖4)。

同一顏色柱不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。下同。圖3 不同處理棉花株高的變化

圖4 不同處理對棉花果枝始節與果枝數的影響

棉花單株葉面積與密度在一定生育時期內呈負相關,在播種后70 d內,不同處理的單株葉面積差別不大;在播種后90～110 d期間,高密度處理(M4、M5、M6)的單株葉面積低于低密度處理(M1、M2、M3),且在M4、M5和M6處理之間差別不大;M1處理在生育后期仍保持較高的單株葉面積,而其他處理在播種后90 d時達到峰值,之后開始逐漸降低(圖5A)。在一定生育時期內,棉花的LAI與密度呈正相關,LAI隨生育時期的推進表現出先升高后降低的趨勢;各處理的LAI在播種后90 d時達到最大值,此時,M1、M2、M3、M4、M5、M6處理的LAI分別為1.38、3.05、4.36、4.63、5.74、7.27(圖5B)。

圖5 不同處理棉花單株葉面積和LAI的變化

由表2可知,在一定范圍內,全株干物質量隨密度的增加呈逐漸減小的趨勢；棉株地下部分、地上營養器官和地上生殖器官干物質量亦與密度呈負相關,并在不同密度處理之間表現出顯著差異(P<0.05)。不同處理棉株的根冠比保持在0.10～0.11。M2處理的地上部生殖與營養器官比最大,但地上部生殖與營養器官比隨密度變化的規律不明顯。

表2 不同處理對棉花干物質量的影響

2.3 不同處理對棉花產量構成的影響

由表3可知,在一定范圍內,隨著播種密度的增加,籽棉產量表現為先增加后降低的趨勢。其中,在M4密度處理下,籽棉產量顯著高于其他密度處理的(P<0.05);在M6處理下,籽棉產量最低。在一定范圍內,單株鈴數大致與密度呈負相關,其中M6處理的單株鈴數顯著低于M1處理的(P<0.05)。在不同處理間棉株鈴重差異不顯著,但M1處理的鈴重較大,M6處理的鈴重較小。M1處理的衣分最高,M3、M4、M5和M6處理的衣分較低。

表3 不同處理對棉花產量構成因子的影響

2.4 不同處理對棉花纖維品質的影響

在M4、M5處理下,棉花纖維上半部平均長度較大,在27.30 mm以上,顯著大于M1處理的(P<0.05);整齊度指數在M4處理下較高,并顯著高于M1處理的(P<0.05);M3、M4和M5處理的斷裂比強度均在31.30 cN/tex以上,顯著高于M1和M6處理的(P<0.05);在一定范圍內,棉花纖維上半部平均長度、整齊度指數和斷裂比強度有隨密度的增加呈先增大后減小的趨勢;種植密度對棉花纖維的馬克隆值和伸長率沒有顯著影響(表4)。

表4 不同處理對棉花纖維品質的影響

3 討論

種植密度對棉花群體結構的發育具有重要影響,這主要表現在密度對光合作物冠層間的分布[12]和對LAI的影響上。在本研究中,當種植密度為6.00萬株/hm2時,距棉株橫向20 cm處的PARI在距地面80 cm以下均較高,這表明在該密度下冠層中上部群體發育情況較好;當植棉密度在6.00萬～8.75萬株/hm2之間時,棉花冠層群體的PARI達到最大,且在冠層不同部位PARI均較大,因此,在該密度范圍內棉花冠層對PAR的截獲能力較大,這與劉帥等[13]在黃河流域研究得出的結論相似。LAI是衡量群體結構是否合理的重要指標之一,高產棉田群體在整個生育期內的LAI變化曲線呈開口向下的趨勢,在花鈴前期LAI達到最大LAI的1/2,在生育后期LAI下降較為平緩且至少維持在最大LAI的1/2以上[14]。前人研究表明,高產棉田生育期內的最大LAI在4.32左右較為適宜[10]。在本研究中,當種植密度為6.00萬株/hm2和8.75萬株/hm2時籽棉產量較高,而在這2個密度處理下棉田的最大LAI分別為4.74和5.12,高于4.32,這可能與近年來棉花品種的改良和栽培方式的不斷改進有關。

種植密度是構成棉花群體結構的重要因素,直接影響棉株的生長和發育,是重要的棉田管理措施。本研究得出：在密度為1.50萬株/hm2時,棉株的株高最低；隨著密度的增大,株高有所增加,但不顯著；果枝數與密度呈負相關關系,這與戴茂華等[15]的研究結論相似。本研究發現，果枝始節隨密度變化不顯著,這可能是因為密度對棉花苗期生長的影響較小。對于低密度處理的棉花群體,其植株個體生長條件較好,有助于個體的生長發育[16]。刑晉等[17]的研究發現,增加栽培密度會使棉株各部位的干物質量均呈降低趨勢。本研究亦發現棉株全株、地下部、地上營養器官和生殖器官的干物質量與密度在一定范圍內呈負相關關系。

棉花產量由鈴數、鈴重和衣分決定,對于同一品種,鈴數是決定產量的關鍵因素。李建峰等[16]的研究表明,單株鈴數與密度呈負相關關系。本研究結果表明：單株鈴數亦隨密度的增加而減??；在不同處理之間鈴重差異不顯著；當密度為1.50萬株/hm2和3.75萬株/hm2時,棉花的衣分較高。有一部分學者認為衣分受密度的影響較小,主要受遺傳因素的調節[18,19]；但也有學者的研究發現衣分會隨著密度的增加而減小[20],這可能是由于密度過大導致光合產物運輸不均。姬攀攀等[21]的研究表明,當夏直播棉的種植密度為6.75萬～7.50萬株/hm2時,能有效提高棉花的單株鈴數與鈴重,獲得較高的產量。本研究發現,雖然在低密度下獲得的單株鈴數較多,但由于密度較小,籽棉產量并沒有得到提高；而當種植密度為6.00萬株/hm2或8.25萬株/hm2時,既保留了高密度的群體,也保持了較高的單株鈴數,從而獲得了較高的籽棉產量。

棉花纖維品質受到栽培措施和環境條件的影響,采取適當的種植密度,并配合農藝措施,有助于纖維品質的改善。適當的種植密度有利于冠層PAR的合理分布[22],能有效地促進光合產物向棉鈴的運輸,有助于纖維品質的改善。本研究結果顯示,當種植密度為6.00萬～10.50萬株/hm2時,棉花纖維的上半部平均長度、整齊度和斷裂比強度較高,而馬克隆值與伸長率在不同處理之間差異不顯著。

4 結論

本研究結果表明:在長江流域,當棉花的種植密度為6.00萬～8.25萬株/hm2時,冠層可獲得較高的PARI及適宜的群體LAI;在低種植密度(1.50萬～6.00萬株/hm2)下,棉株的株高、果枝數均低于高密度(8.25萬～12.75萬株/hm2)下的;在一定的密度范圍內,棉株全株、地下部、地上營養器官和地上生殖器官的干物質量均與密度呈負相關關系;棉株的單株鈴數與密度呈負相關關系,但籽棉產量在一定范圍內隨密度的增大先升高后降低,并在密度為8.25萬株/hm2時達到最大;當種植密度為6.00萬～10.50萬株/hm2時,棉花纖維的上半部平均長度、整齊度和斷裂比強度較高。綜上可知,當直播棉花的種植密度為6.00萬～8.25萬株/hm2時,有利于棉花產量與纖維品質的提高。