干旱区滴灌模式和种植密度对棉花生长和产量性能的影响

牛玉萍 陈宗奎 杨林川 罗宏海张旺锋

石河子大学农学院 / 新疆兵团绿洲生态农业重点实验室， 新疆石河子 832003

干旱区滴灌模式和种植密度对棉花生长和产量性能的影响

牛玉萍 陈宗奎 杨林川 罗宏海*张旺锋

石河子大学农学院 / 新疆兵团绿洲生态农业重点实验室， 新疆石河子 832003

以高产棉花品种新陆早45为材料， 自初花至吐絮设置常规滴灌（I500）和有限滴灌（I425） 2种处理， 每种滴灌模式下设低（D12）、中（D24）和高（D36） 3个种植密度， 分析棉花不同生育时期叶面积指数（LAI）、群体生长率（CGR）、棉铃生长率（BGR）、净同化率（NAR）以及产量、灌溉水分利用效率（IWUE）等变化。结果表明， 与I500相比， I425将LAI到达顶峰的时间推迟至盛铃期并延缓了盛铃期以后的叶片衰老， 显著提高了盛花期至吐絮期 NAR， 在不显著降低籽棉产量的前提下， 提高了IWUE。在I500条件下， LAI、CGR、BGR、NAR、总生物量（TDW）、铃生物量（BDW）、总铃数（BN）、生殖器官与营养器官质量的比例（RVR）均以 D24较高， D12最低； I425条件下， 上述参数均以 D36最高。籽棉产量以I500D24、I425D36较高， IWUE则以I425D36较高。相关分析表明， 籽棉产量和IWUE与BN、RVR呈显著正相关， IWUE 与NAR呈显著正相关。表明盛花期至盛铃期较快的群体生长速率、较强的物质生产能力以及较多的干物质持续向棉铃的供应， 是I425D36提高产量的重要原因。

棉花； 滴灌模式； 种植密度； 生长参数； 产量

棉花是新疆最重要的经济作物， 水资源匮乏是限制新疆棉花可持续发展最主要的因素之一。虽然新疆实行了“膜下滴灌”技术， 灌溉水分利用效率大幅度提高， 然而在严格的水资源管理制度下， 350万吨棉花生产目标将面临水资源紧缺的巨大压力［1］。因此， 在膜下滴灌高效灌溉模式下， 如何利用棉花自身具有的较强抗旱能力， 通过农田水分调控， 挖掘棉花生物节水潜能已成为人们关注的焦点。

关于土壤水分对棉花生长发育、产量及水分利用效率的影响， 前人做了大量的研究［2-8］， 普遍认为棉花苗期轻、中度水分亏缺， 蕾期轻度水分亏缺， 花铃期保证充足供水， 吐絮期中度水分亏缺的水分环境， 可以诱导根系下扎， 控制棉株营养体过旺生长，使株型和根冠比更为理想， 同时可以促进生殖生长，有利于光合产物向籽棉的分配和转运。课题组前期研究认为， 膜下滴灌条件下， 适度减少盛蕾至初花期、盛铃至吐絮期滴水量， 保证初花至盛铃期正常滴水量， 有利于发挥棉花缺水补偿效应， 提高水分利用效率， 但地上部总生物量显著降低导致籽棉产量降低［9-10］。因此， 在有限供水条件下， 如何维持较高的地上部生物量， 促进光合产物向生殖器官转运，保证棉花不减产的前提下提高水分利用效率， 是实现膜下滴灌棉花高产高效的重要研究内容。

种植密度一直是栽培学家用于调节作物群体质量和提高产量的重要手段［11］。与内地其他棉区相比，新疆棉花栽培技术的最大特色是密植， 它是新疆棉花增产的主要途径［12］。在有限供水条件下， 能否通过增加种植密度， 利用群体优势弥补有限供水造成的个体生长不足， 尚缺乏系统研究。深入研究这一问题， 对进一步阐明棉花有限灌溉增产机制和建立挖掘棉花生物节水潜能的技术途径有重要意义。因此， 本文研究滴灌模式和种植密度对生物量累积与分配及产量和水分利用效率的影响， 并系统分析不同生育时期叶面积指数（LAI）、群体生长率（CGR）、棉铃生长率（BGR）、净同化率（NAR）、生殖器官质量与营养器官质量的比例（RVR）等生长参数对滴灌模式和种植密度的响应， 以期为西北干旱区棉花实现精确灌溉提供理论与实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

石河子大学农学试验站（86º03′ E， 45º19′ N）土壤质地为中壤土， pH 7.5， 含有机质15.3 g kg-1， 全氮1.1 g kg-1、碱解氮54.9 mg kg-1、速效磷19 mg kg-1、速效钾194 mg kg-1。2014—2015年棉花生长期内（4月1日至10月31日）降雨量和温度变化如图1。

1.2 试验设计

以新疆目前生产中大面积推广的早熟棉品种新陆早45为试验材料， 设2种滴灌模式， 即常规滴灌（I500）和有限滴灌（I425）， 前者为本地生产中普遍采用的滴灌方式［13］； 后者为课题组前期研究提出的滴灌方式［9-10］。具体滴水量和滴水时间见表1。每种滴灌模式下设3个种植密度， 即低密度（D12， 12万株 hm-2，株距20 cm； 稀植棉田的种植密度）、中密度（D24， 24万株 hm-2， 株距10 cm； 普遍采用的种植密度）、高密度（D36， 36万株 hm-2， 株距6.5 cm； 目前推广的超高种植密度）。采用裂区设计， 滴灌模式为主区， 种植密度为裂区， 重复4次， 其中第4重复用于破坏性取样； 小区面积为3.4 m×7.6 m。

图1 石河子月平均气温和降雨量（2014-2015）Fig.1 Monthly changes in precipitation and air temperature in Shihezi （2014-2015）

表1 不同滴灌模式灌水量Table1 Irrigation norm of different drip irrigation patterns （mm）

采用宽膜覆盖膜下滴灌栽培， 先铺膜后点播， 1 膜4行， 行距为30 cm+50 cm+30 cm， 2条滴灌毛管置于窄行中间。播种前不灌水造墒。2014年4月17日播种， 4月19日补出苗水； 2015年4月20日播种，4月22日补出苗水。严格按照试验设定株行距配置人工点播， 出苗后及时调查苗情， 对出苗率不足95%以上的处理立刻补种， 保证成苗率在90%以上。按公顷皮棉2250 kg以上棉田的施肥量和施用方式，播种前每公顷深施油渣（N 13%、P2O52%、K2O 16%）4500 kg、尿素（N 46%） 156 kg、三料磷肥（P2O545%）225 kg作基肥， 生育期每公顷随滴水施尿素（N 46%） 630 kg、磷酸二氢钾（P2O552%、K2O 34%） 188 kg。全生育期人工喷施缩节胺（含N，N-二甲基哌啶氯化物≥96%）， 化学调控5次， 用量285 g hm-2， 其中出苗期、现蕾期各喷施1次， 用量15 g hm-2； 盛蕾期喷施1次， 用量30 g hm-2； 初花期喷施1次， 用量90 g hm-2； 盛花期喷施1次， 用量150 g hm-2。于2014年7月10日、2015年7月14日人工打顶。其他田间管理措施同膜下滴灌高产棉田。

1.3 测定项目及方法

于盛蕾期（水分处理前）、初花期、盛花期、盛铃前期、盛铃期、盛铃后期、吐絮期， 相应为播种后59、73、89、105、119、133和143 d， 在第4重复区取样， 共6个处理， 每处理取6株， 每个时期共取36株。取样时， 先从子叶节处剪去植株地上部， 分成茎、叶、蕾铃壳等， 洗净后装袋， 带回实验室。先用LI-3000叶面积仪（LI-COR， Lincoln， USA）测定叶片鲜样叶面积， 再将叶片、茎、蕾铃壳等放入烘箱，105℃杀青0.5 h， 80℃烘干至恒重后称重。

于收获期（2014年9月10日、2015年9月12日）调查各处理每小区单位面积株数， 并在每小区选择15株棉花， 先统计单株铃数， 再取上、中、下（按照株高由上至下的1/3为上部果枝， 2/3为中部果枝，3/3为下部果枝）棉花各25朵， 分装入纸袋， 带回实验室分别称量， 以平均值计算单铃重； 以实际收获籽棉重计产量。

采用Wang等［14］计算的方法： 叶面积指数（LAI）、群体生长率（CGR）、净同化率（NAR）和棉铃生长率（BGR）； 采用Donald和Hamblin［15］计算生殖器官质量与营养器官质量的比例（RVR）； 采用Nagfelen等［16］方法计算灌溉水分利用效率（IWUE）。

式中， W1（BW1）和W2（BW2）分别为植株在T1和T2时的平均总干重（铃干重）。LA为总叶面积， LA1和LA2分别为植株在T1和T2时的总叶面积， P为土地面积。BDW、SDW和LDW分别为蕾铃干重、茎干重和叶干重， Max表示最大值。

1.4 数据分析

以方差分析（ANOVA）确定处理间的差异， Duncan’s新复极差检验法（DMRT）， 0.05水平下检验差异。用SigmaPlot 10.0作图， 用SPASS17.0统计分析软件检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 滴灌模式和种植密度对棉花干物质积累和分配的影响

2014—2015年不同处理棉蕾花铃、叶、茎干物质量的增长， 苗期缓慢， 蕾期逐渐加快， 进入盛花期至盛铃期达高峰， 盛铃期以后又趋于平缓， 至吐絮期单位面积植株总干重（TDW）和蕾铃干重（BDW）达最大（图2）。有限滴灌处理的TDW在初花期至盛铃期较常规滴灌处理平均降低 10%， 而盛铃期以后仅低2%， 说明有限滴灌主要降低了初花期至盛铃期棉花干物质累积量。TDW随种植密度的增加而增大，中、高密度的 TDW 显著高于低密度处理。滴灌模式和种植密度互作表现为， I425D36、I500D24处理的TDW最大， I500D36、I425D24处理次之， I500D12和I425D12处理最小， 说明常规滴灌下中密度、有限滴灌下高密度有利于增加群体生物量； 无论何种滴灌模式下，密度过低均不利于棉花群体生物量累积。不同处理BDW的变化趋势与TDW基本一致（表3）。

图2 不同处理对棉花干物质积累与分配的影响（2014-2015）Fig.2 Effects of different treatments on dry matter accumulation and distribution of cotton （2014-2015）

2.2 滴灌模式和种植密度对棉花各生长参数的影响

由表2可以看出， 叶面积指数（LAI）在两年的变化趋势相同， 随生育进程呈先升后减的趋势， 但不同滴灌模式到达最大值的生育时期有所不同， 其中常规滴灌处理 LAI在盛铃前期到达最大值， 其值为2.8～4.3， 有限滴灌处理在盛铃期到达最大值， 其值为 2.6～4.1。相比常规滴灌， 有限滴灌显著降低了棉花初花期至盛铃前期的 LAI， 其他生育时期差异不显著。LAI随种植密度的增加而增大（常规滴灌下吐絮期除外）。滴灌模式与种植密度互作的LAI表现为，盛铃前期以前 I500D36>I500D24>I425D36>I425D24， 盛铃前 期 以 后 I425D36>I500D24>I425D24>I500D36， 说 明I425D36和 I500D24处理有利于棉花在盛铃前期以后保持较高LAI， 并延缓LAI衰减速度； 其中I500D12和I425D12处理在整个生育期一直处于较低水平， 说明无论何种滴灌模式下， 密度过低均不利于棉花合理LAI的形成。

表3表明， 不同滴灌模式处理间CGR、BGR、RVR无显著差异， 但有限滴灌处理的NAR显著高于常规滴灌处理。随种植密度增加， CGR、BGR均显著增大， 中、高密度处理间差异不显著， 但均显著高于低密度处理； 滴灌模式和种植密度互作表现为， 以I425D36、I500D24处理的CGR、BGR和RVR较高。

相关分析表明（表4）， CGR与NAR、BGR在盛花期至吐絮期均呈显著正相关， LAI与CGR在盛花期至盛铃前期呈显著正相关、与NAR在盛花期至盛铃期呈显著正相关。BGR与RVR、BN、NAR在盛花期至盛铃期呈显著正相关（表5）， 说明盛花期至盛铃期的棉铃生长率与净同化率、生殖器官质量与营养器官质量比例密切相关。

2.3 滴灌模式和种植密度对棉花产量及产量构成的影响

由表6可知， 不同滴灌模式间棉花籽棉产量无显著差异， 种植密度及滴灌模式与种植密度互作对籽棉产量有显著影响， 常规滴灌下籽棉产量随种植密度先增后减， 有限滴灌下籽棉产量随种植密度增加而增大， 最终以 I425D36和 I500D24处理的籽棉产量最大、I425D12处理最小。年际之间表现为， 2015年籽棉产量显著大于2014年。灌溉模式对IWUE有显著影响， 种植密度对 IWUE影响不显著。滴灌模式与种植密度互作表现为， IWUE以 I425D36处理较大、I500D12处理较小。

表4 各生长参数之间的相关性Table4 Correlation coefficients among growth parameters

表5 棉铃生长率与生殖器官质量与营养器官质量的比例、净同化率、单位面积铃数和单铃重的相关性Table5 Correlation coefficients of BGR with RVR， NAR， boll number （BN）， and boll weight （BW）

进一步分析产量构成因子可以看出（表6）， 滴灌模式对单位面积铃数、单铃重无显著影响； 随种植密度增加， 单位面积铃数显著增加； 种植密度对单铃重无显著影响， 但随种植密度的增加， 单铃重呈减小趋势， 说明密度过大会造成单铃重的下降； 常规滴灌条件下， 单位面积铃数随种植密度先增后减，以 I500D24处理较大； 有限滴灌条件下， 单位面积铃数随种植密度增加而增加， 以 I425D36处理较大。滴灌模式与种植密度互作对单铃重无显著影响， 但常规滴灌下单铃重比有限滴灌减少1%， 表明有限滴灌有利于促进同化物向生殖器官分配。

相关分析（表7）表明， 棉花籽棉产量和IWUE与单位面积铃数、RVR呈显著正相关， IWUE与NAR呈显著正相关。说明较高的单位面积铃数、NAR和RVR均有利于提高棉花的产量和IWUE。

3 讨论

作物不同生理过程和不同生育时期对水分亏缺的反应不同， 一定时期的有限水分亏缺能改善作物生长、提高产量和水分利用效率［17-18］， 关于有限水分亏缺对作物生长、产量和水分利用效率的影响，前人已做了大量研究［19-22］。本研究表明， 相比常规滴灌的滴水量， 有限滴灌下盛蕾至初花期和盛铃后期至吐絮期滴水量分别减少 40%和 36%， 籽棉产量仅比常规滴灌降低2.1% （表6）。说明盛蕾至初花期、盛铃后期以后适当减少滴水量对籽棉产量的影响不大。常规滴灌条件下， 籽棉产量、单位面积铃数随种植密度呈先增后减的趋势， 以中密度处理较高，这与张旺锋等研究结果一致［23］； 有限滴灌条件下，籽棉产量、单位面积铃数均随种植密度的增加而显著增加。相关分析表明， 单位面积铃数与产量呈正相关， 说明单位面积铃数较大是I425D36、I500D24处理获得较高产量的一个主要原因。此外， I425D36处理与I500D24处理的籽棉产量无显著差异， 但 I425D36处理的 IWUE显著大于 I500D24处理， 且籽棉产量和IWUE与RVR呈显著正相关、IWUE与NAR呈显著正相关， 表明提高群体物质生产能力， 促进了较多的干物质分配到经济器官， 保证较高的单位面积铃数是实现棉花高产节水的关键。而I425D36处理产量增加的另外一个原因主要是显著提高了盛花期以后棉花群体干物质累积量（图2）。但有关有限滴灌下种植密度对干物质积累的影响及其生理机制尚未见报道。

表6 棉花产量及产量构成与灌溉水分利用效率Table6 Yield， yield components and IWUE of cotton

表7 棉花产量和灌溉水分利用效率与产量构成、净同化率和生殖器官质量与营养器官质量的比例的相关系数Table7 Correlation coefficients of yield and IWUE with yield components， NAR and RVR

为什么有限滴灌下增加种植密度可以显著提高盛花期以后棉花群体干物质累积量， 进而提高产量？本研究认为， 一个重要的原因在于有限滴灌高密度（I425D36）处理显著提高了盛铃前期以后的LAI，并延缓了LAI的衰减速度， 充足的光合面积是实现干物质快速积累的关键因素。前人研究认为， 在轻干湿交替灌溉方式下， 生育后期保持较高的绿叶面积， 降低叶面积衰减， 可以提高群体生物量［11］。Yang等［24］研究认为棉花盛花期以前生物量大并不利于产量形成， 盛花期以后干物质积累对最终总生物量和产量的提高起关键作用。LAI与CGR、NAR在盛花期至吐絮期正相关， 尤其在盛花期至盛铃期显著正相关（表4）， 说明盛花期以后LAI较高可以促进棉花群体干物质的生产。杨惠杰等研究也认为， 超高产水稻的干物质积累量高， 主要是由于中、后期具有较高的CGR和NAR［25］。本试验中， CGR、BGR和NAR均以I425D36处理较高（表3）， 且CGR与BGR在盛花期至吐絮期显著正相关（表4）， BDW和TDW在盛花期至盛铃期快速增加（图2）， 表明I425D36处理盛花期以后棉铃的快速增长是促使其棉花干物质快速增长的另一个重要原因。此外， 棉花盛花期至盛铃期BGR与BN、NAR呈显著正相关（表5）， 表明盛花期至盛铃期适度增加成铃数、增强物质生产能力保证了较高的棉铃生长速率。

作物产量的高低不仅取决于干物质总量的积累，也取决于干物质向生殖器官的分配。RVR是反映群体源库协调的重要指标， 其值越高， 光合物质向经济器官分配越多。本研究表明， 有限滴灌处理的RVR比常规滴灌处理高3.7%， 说明有限滴灌有助于促进同化物优先向生殖器官分配， 这与前人研究结果一致［4，26］。滴灌模式与种植密度互作表现为， I425D36、I500D24处理的RVR较高， 且在盛花期至盛铃期RVR 与BGR呈显著正相关（表5）， 吐絮期棉花的TDW和BDW也以I425D36、I500D24处理较高（表3）， 表明盛花期至盛铃期棉花干物质积累量大且向生殖器官的分配比例大、棉铃生长就快， 从而有利于促进棉花最终总干物质和生殖器官干物质的提高。

作物生产是基于群体， 而非个体， 要获得高产节水， 就必须使个体、群体和环境相协调达到最优化［27］。本试验结果表明， 要使棉花产量和水分利用效率得到同步提高， 首先要选择较高的群体密度，扩大群体库容； 其次通过盛花期前控制供水控制单株叶面积， 增加生殖生长早期成铃数， 从而改善群体结构并提高群体物质生产能力， 并促进干物质持续向棉铃的供应， 是干旱区棉花节水高产栽培的基本技术原理。因此， 在新疆生长期较短且水资源相对紧张的特早熟和早熟棉区， 采用膜下滴灌高密度栽培， 通过适度减少盛蕾至初花期、盛铃后期以后的滴水量， 控制群体的发展， 保证生育中后期足够的群体总生物量， 可以实现棉花早熟高产节水。但将有限灌溉高密度栽培向新疆中早熟高产区推广，还需要深入研究高密度栽培引起的一系列问题（化学调控、打顶等）； 否则在现有栽培措施下， 仅通过增加种植密度和前期控制供水是难以实现棉花高产节水优质高效的。

4 结论

常规滴灌中密度、有限滴灌高密度处理有利于延缓棉花叶片衰老， 提高群体生长速率和物质生产能力， 增加干物质积累量的同时促进干物质持续向棉铃的供应， 保证了较高的单位面积铃数， 最终获得较高籽棉产量； 灌溉水分利用效率以有限滴灌高密度处理较高。该处理可作为促进早熟棉区棉花高产节水的一项调控技术。

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Effect of Drip Irrigation Pattern and Planting Density on Growth and Yield Performance of Cotton in Arid Area

NIU Yu-Ping， CHEN Zong-Kui， YANG Lin-Chuan， LUO Hong-Hai*， and ZHANG Wang-Feng

Key Laboratory of Oasis Eco-agriculture of Xinjiang Production Construction Group / Agricultural College of Shihezi University， Shihezi 832003，China

Water shortage is one of the major constraints in cotton （Gossypium hirsutum L.） production in north-western China.A field experiment was conducted using high-yielding cotton cultivars Xinluzao 45， with two drip irrigation patterns including conventional drip irrigation （I500） and limited drip irrigation （I425）， and three planting densities of 12×104（D12）， 24×104（D24）， 36×104（D36）.Leaf area index （LAI）， crop growth rate （CGR）， boll growth rate （BGR）， net assimilation rate （NAR）， yield and irrigation water use efficiency （IWUE） were determined.The results showed that， compared with I500， I425postponed getting peak LAI and alleviated the leaf senescence after full boll stage， and increased the NAR from full flowering stage to boll opening stage significantly， which increased IWUE， on the premise of non-significant changes in seed yield.The effects of plant density on growth parameters， dry matter accumulation and yield components depended on irrigation patterns.In the treatment of I500， LAI， CGR，BGR， total dry matter weight （TDW）， boll dry matter weight （BDW）， boll number per area （BN） and the mass ratio of reproductive organs and vegetative organs were the maximum observed under D24， and the minimum under D12.In the treatment of I425， all of the above parameters significantly increased with increasing planting density， and achieved the maximum under D36.Finally，I425D36and I500D24had the highest seed yield resulting from the increase of boll number per area.The seed yield and IWUE had significantly positive correlation with BN and RVR.There was a significantly positive correlation between IWUE and NAR.The reason that I425D36enhanced the yield is the large crop growth rate， capability of dry matter production， and transportation to successive dry matter to boll from full flowering stage to full boll stage.

Cotton； Drip irrigation pattern； Planting density； Growth parameters； Yield

10.3724/SP.J.1006.2016.01506

本研究由国家自然科学基金联合基金重点项目（U1203283）和新疆生产建设兵团博士专项（2014BB009）资助。

This research was supported by the Stake Key Program of Joint Founds of the National Natural Science Foundation of China （U1203283） and the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Xinjiang Production and Construction Corps （2014BB009）.

（Corresponding author）： 罗宏海， E-mail： luohonghai79@163.com， Tel： 0993-2058075

联系方式： E-mail： 1054460258@qq.com， Tel： 13040548890

Received（）： 2015-12-25； Accepted（接受日期）： 2016-06-20； Published online（网络出版日期）： 2016-06-27.

URL： http：//www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20160627.0837.010.html