棉花轻简化栽培关键技术及其生理生态学机制

董合忠 杨国正 李亚兵 田立文 代建龙 孔祥强



棉花轻简化栽培关键技术及其生理生态学机制

董合忠1,*杨国正2李亚兵3田立文4代建龙1孔祥强1

1山东棉花研究中心 / 黄淮海棉花遗传改良与栽培生理重点实验室, 山东济南250100;2华中农业大学植物科学技术学院, 湖北武汉430070;3中国农业科学院棉花研究所, 河南安阳 455000;4新疆农业科学院经济作物研究所, 新疆乌鲁木齐830091

棉花轻简化栽培是指采用现代农业装备代替人工作业、减轻劳动强度, 简化种植管理、减少田间作业次数, 农机农艺融合, 实现棉花生产轻便简捷、节本增效的耕作栽培方式和方法。本文对轻简化栽培内涵、关键技术内容和相关生理生态学机制进行了总结性评述。实现棉花生产的轻便简捷、节本增效, 依赖于轻简化栽培的关键技术, 包括精准播种或轻简育苗技术, 经济施肥技术、节水灌溉技术、集中成铃技术等。单粒精播的壮苗机制在于棉花种子萌发出苗时, 其弯钩形成关键基因与和下胚轴伸长关键基因与的差异表达; 密植减免整枝机制在于密植引起棉株激素合成代谢相关基因差异表达, 抑制了叶枝的生长; 轻简栽培棉花的丰产稳产机制在于棉花产量构成、生物量和经济系数的适应性协同; 依据适宜叶面积指数及其动态, 适宜株高、节枝比和棉柴比等量化指标, 可以有效塑造高光效群体, 实现优化成铃和集中成铃与采收; 轻简施肥的依据在于棉花对肥料N的吸收集中在开花后20 d以内, 初花肥利用效率最高且主要分配到生殖器官; 分区灌溉节水机制在于部分根区灌溉诱导地上部合成茉莉酸, 茉莉酸又经韧皮部运至灌水侧根系, 增强了该侧根系的吸水能力, 提高了水分利用率。展望未来, 应在深入研究轻简化植棉生理生态学规律的基础上, 进一步改革和优化种植制度, 创新关键栽培技术, 研制新的物质装备, 促进农艺技术和物质装备高度融合, 为轻简化植棉提供更加有力的理论和技术支撑, 推动棉花生产的可持续发展。

棉花; 轻简化栽培; 生理生态

中国是世界产棉大国, 但进入21世纪以来, 棉花种植用工多、投入大、效益低的问题凸显, 成为我国棉花产业可持续发展和原棉竞争力提高的重要障碍[1-2]。为解决这些问题, 国内众多棉花科技工作者按照对传统精耕细作技术“既吸收继承又创新改造”的基本思路, 以轻简节本为目标, 研究建立了包括精准播种、简化整枝、轻简施肥、集中收获在内的系列轻简化栽培关键技术, 并对轻简化栽培的生理生态学机制进行了深入研究[3], 为我国棉花生产从传统劳动密集型向轻简快乐型转变提供了坚实的支撑。本文主要基于作者近年来的研究成果, 并结合国内外相关研究进展, 对棉花轻简化栽培的关键技术及其生理生态学机制作一简要总结和评述, 以期为我国轻简化植棉技术的深入研究与推广应用提供支持。

1 棉花轻简化栽培的概念和关键技术

1.1 轻简化栽培的概念和内涵

棉花轻简化栽培是指采用现代农业装备代替人工作业、减轻劳动强度, 简化种植管理、减少田间作业次数, 农机农艺融合, 实现棉花生产轻便简捷、节本增效的耕作栽培方式与方法[4]。顾名思义, “轻”是机械代替人工, 减轻劳动强度; “简”是减少不必要的作业环节和次数, 简化种植管理; “化”则是农机与农艺融合、良种与良法配套等, 体现出轻简化栽培技术的系统完整性。棉花轻简化栽培是以人为本, 以科技为支撑, 以市场为先导, 与经济发展水平相适应的规模化、机械化、轻简化和集约化棉花生产方式与技术的统称, 是与以手工劳动为主的传统精耕细作相对的概念[3,5]。棉花轻简化栽培首先是观念上的, 它体现在栽培管理的每一个环节、每一道工序之上; 同时也是相对的、建立在现有条件水平之上的, 其内涵和标准在不同时期有不同的约定。基于此, 轻简化栽培还是动态、发展的, 其具体的管理措施、物质装备、保障技术等都在不断变化、提升、完善和发展之中。轻简化栽培必须遵循“既要技术简化, 又要高产、优质、高效, 还要对环境友好”的原则。技术简化必须与科学化、规范化、标准化结合。轻简化栽培不是粗放管理的回归, 粗放的、不科学的轻简化栽培, 与高产优质背道而驰, 绝不是棉花轻简化栽培的目标和要求, 而是对技术进行精简优化, 用机械代替人工, 用物质装备予以保障, 以此解决技术简化与高产的矛盾。轻简化栽培的途径是, 尽可能使用机械, 用机械代替人工; 尽可能简化管理、减少工序, 减少用工; 提高社会化服务水平, 提高棉花种植的规模化和标准化[3]。

1.2 棉花轻简化栽培的关键技术

实现棉花生产的轻便简捷、节本增效, 依赖于轻简化栽培的关键技术, 包括精准播种技术、轻简育苗技术、经济施肥技术、轻简节水灌溉技术以及集中成铃技术等[3]。

精准播种技术是选用优质精加工种子, 精细整地, 合理株行距配置, 机械定量播种, 不疏苗、不间苗、不定苗, 保留所有成苗的大田棉花播种技术[4]。在西北内陆棉区, 建立并应用了以“先覆膜、后播种”为特点的棉花单粒精播技术, 将预定数量的高质量种子插播到棉田土壤中预定位置, 使棉花种子在田间三维坐标空间和数量上准确分布, 实现了株距、行距、播种深度和播种量的最佳配置[6]。在黄河流域一熟制棉区, 建立并应用了以“先播种、后盖膜”为特点的棉花精准播种技术[7], 减免了间苗和定苗环节。在黄河和长江流域两熟制棉田, 逐渐改棉蒜(小麦、油菜)套种为蒜(小麦、油菜)后短季棉机械精量播种, 也可大大减少用工[8]。

棉花轻简育苗移栽技术是替代传统营养钵育苗移栽的新技术, 包括苗床基质育苗、穴盘基质育苗和水浮育苗等[9]。这些育苗方式虽然也遵循了传统营养钵育苗移栽的一般程序, 但创造性地用基质或营养液替代营养土, 并配合使用促根剂、保叶剂等植物生长调节剂, 特别是研制应用育苗成套设备和棉苗移栽机, 在一定程度上实现工厂化育苗和机械化移栽, 在一定程度上简化了程序, 降低了劳动强度。

轻简高效施肥是我国三大产棉区棉花轻简化栽培的另一关键技术。该技术要求, 一是以产定量。长江流域棉区单产籽棉3600~4500 kg hm–2, 适宜施N量为240~270 kg hm–2, N∶P2O5∶K2O大致为1.0∶0.6∶0.8。黄河流域棉区, 中低产田单产籽棉3000~3750 kg hm–2, 适宜施N量195~225 kg hm–2, 高产田单产籽棉3750 kg hm–2以上, 适宜施N量240~270 kg hm–2, N∶P2O5∶K2O大致为1.0∶0.6∶0.7~0.9。西北内陆棉区单产籽棉4500~5250 kg hm–2, 适宜施N量为300~375 kg hm–2, N∶P2O5∶K2O比例大致为1.0∶0.5∶0~0.3, 采用水肥一体化时还可减少15%左右[3,6,10]。二是应用棉花专用缓控释肥减少施肥次数。长江流域棉区采用一次性基施缓控释肥或“一基一追”, 施肥减为1~2次, 缓控释肥80％用量与速效肥100%用量基本等效; 黄河流域棉区采用一次性基施缓控释肥, 施肥次数减为1次, 缓控释肥与速效肥为等量等效[11-12]。

棉花节水灌溉技术是采用良好的灌溉方法, 最大限度地提高灌溉水利用率的灌水技术。以新疆为主的西北内陆棉区大面积推广应用的膜下滴灌是最典型的节水灌溉技术, 它将地膜覆盖栽培与地表滴灌相结合, 利用低压管道系统供水, 将加压的水经过过滤设施滤“清”后, 再溶入水溶性肥料, 形成水溶液, 均匀而又定量地浸润棉花根系集中区域, 使棉花根系活跃区的土壤始终保持在适宜的含水状态,实现了水肥一体化, 平均用水量是传统灌溉方式的12%, 是喷灌的50%, 节肥15%~20%[3]。在此基础上, 西北内陆棉区还开发出调亏灌溉和隔沟交替灌溉等非充分灌溉技术, 节水、节肥效果更加明显[13]。黄河流域棉区则在淘汰漫灌的基础上, 改长畦为短畦, 改宽畦为窄畦, 改大畦为小畦, 改大定额灌水为小定额灌水, 整平畦面, 保证灌水均匀, 大大改善了畦灌技术[3]。

简化整枝主要是指通过控制或利用营养枝实现整枝的简化。一是适当稀植下保留利用叶枝, 每公顷留苗2.70~3.75万株, 对保留的叶枝在主茎打顶前5~7 d打顶, 充分发挥营养枝“先扩源、后增库”的作用[14-15], 适合长江流域和黄河流域棉区的杂交棉。二是中等密度条件下撸裤腿, 即于6月中旬大部分棉株出现1~2个果枝时, 将第1果枝下的营养枝和主茎叶全部撸掉, 较精细整枝简便快捷[16], 适合黄河流域棉区的一熟春棉。三是高密度条件下利用小个体、大群体控制营养枝生长, 并配合化控减免去营养枝环节。其中, 西北内陆棉区以化控与水肥紧密结合, 黄河流域棉区在现有基础上提早化控(由盛蕾期提前到现蕾期)并增加化控次数(由2~3次增加到3~4次)[3]。

群体调控优化成铃是指塑造高光效群体结构实现集中多结优质铃的栽培技术, 不仅是棉花高产优质栽培的根本技术途径, 也是轻简化、机械化植棉的重要技术保障, 其核心是“提前干预、渐进调控、内外调节、促控结合”[3]。在西北内陆棉区, 一是选用适宜品种, 采用精加工种子, 精细整地, 适时播种, 播深2.5 cm左右, 确保一播全苗壮苗而形成足够的基础群体; 二是适当降密, 南疆收获株数降为16.5~19.5万株hm–2, 北疆降为18.0~22.5万株hm–2, 单株果枝数8~12个, 株高75~85 cm; 通过“宽膜边行内移、多管滴灌矮化”技术, 确保棉田水肥、光温高效供给与利用[17]; 四是采用“适增水肥投入次数、头水与尾水间隔时间和耕翻深度, 以合理密植和灌溉调节群体结构, 以优化肥水运筹调节成铃质量[18]。在内地棉区, 一是适增密度, 长江流域棉区在现有基础上每公顷增加7500株左右, 达到3.0万株hm–2左右; 黄河流域棉区在现有基础上每公顷增加1.5~3.0万株, 达到6~9万株hm–2; 二是提倡垄作栽培, 垄作与密度互作显著, 垄作配合密植可显著减少漏光损失和烂铃, 增产13.6%[19]; 三是控制株高, 适时适度封行[4]。

2 棉花轻简化栽培的生理生态学机制

2.1 单粒精播壮苗机制

一播全苗、壮苗是棉花高产稳产的基础环节。棉花是双子叶出土的大田作物, 播种保苗难度大, 加大播种量通常被认为是保障全苗的最有效措施。但现有试验证明, 在精细整地和地膜覆盖条件下单粒精播与多粒(10粒)播种的田间出苗率没有显著差异。但多粒播种棉苗的带壳出土率为16.5%, 单粒精播棉苗的带壳出土率仅为1.4%, 多粒播种棉苗的带壳出土率显著高于单粒精播。棉苗2片真叶展开时, 单粒精播棉苗发病率、成苗率、苗高和茎粗分别比多粒播种低36.3%、高26.7%、低35.6%、高29.3%[3], 表明单粒精播易形成壮苗(图1)。

单粒精播壮苗的生理学机制在于, 单粒精播促进弯钩形成的关键基因和上调表达, 而抑制弯钩形成、促进下胚轴伸长的和基因下调表达, 使棉苗顶端适时形成弯钩, 以最小的受力面积顶出土面, 弯钩及时伸直, 子叶展开并脱掉种壳, 完成出苗过程。而多粒穴播种子出苗时, 顶土力量大, 易使土层提前裂开, 光线透过裂缝照射到棉苗, 导致和基因表达下降,和基因表达上升, 棉苗弯钩过早伸直而带壳出苗; 出苗后棉苗聚集在一起, 促进和基因表达量显著升高, 棉苗纵向生长加快、横向生长减慢而形成高脚苗(表1)[3]。

表1 单粒精播和多粒穴播出苗成苗能力及其机制

2.2 密植减免整枝机制

在一定密度范围(3~9万株hm–2)内, 随密度升高, 棉株顶端生长优势越明显, 而叶枝生长被显著抑制: 低密度(3万株hm–2)下, 棉花植株横向生长旺盛, 叶枝发达, 其干重占棉株总干重的35%, 而高密度(9万株hm–2)叶枝干重占棉株总干重的比例不足10%。同时, 高密度的叶枝数比低密度的叶枝数减少30%。生理生化分析表明, 生长素合成基因、细胞分裂素合成基因和赤霉素合成基因的表达量及相应激素含量, 随密度升高, 在叶枝中呈下降趋势, 而在主茎顶端叶片中呈上升趋势, 这是密植抑制叶枝生长的重要机制[3]。

2.3 轻简化栽培棉花的丰产稳产机制

棉花的种植区域广, 从海拔1000多米的高地, 到低于海平面的洼地; 棉花对土壤适应性强, 黄壤、红壤, 中度、轻度盐碱地均可种植, 不适合种植粮食和蔬菜等作物的旱、薄地也可种植棉花; 棉花既适合单作、连作, 也可以套种、间作、轮作, 成为我国作物种植体系的重要组成部分[9]。棉花对密度和一穴多株有较好的适应性[7], 在肥水条件差、无霜期较短的地区, 走小株、密植、早打顶的技术途径, 可充分发挥群体产量潜力实现高产; 在热量肥水条件较好的地区, 走稀植、大株路线, 充分发挥个体产量潜力实现高产[20]。轻简化栽培棉花的丰产稳产机制在于, 一方面通过协调产量构成因素维持棉花产量的相对稳定, 在一定范围内随密度升高, 铃重降低、铃数增加; 另一方面, 通过干物质积累和生物量分配维持棉花产量的相对稳定, 在一定范围内随密度升高, 经济系数有所降低、干物质积累增加, 最终保持了棉花经济产量的相对稳定(表2)[21]。

表2 棉花产量构成、生物量和经济系数对密度的响应(黄河流域36点次的调查数据)

同列数据后标注不同字母者为Duncan’s复极差检验差异显著(<0.05)。

Values within the same column followed by different letters are significantly different at<0.05 according to Duncan’s multiple range test.

2.4 基于集中成铃的棉花高光效群体指标

基于优化成铃、提高霜前花率和集中收获的需要, 确定了高光效群体主要指标。一是适宜的LAI, 西北内陆、黄河流域和长江流域棉区分别为3.7~4.0、3.5~3.8和3.7~4.5。二是适宜LAI动态, 要求盛铃期以前LAI总体呈较快增长, 使最大适宜LAI在盛铃期出现, 之后平稳下降(图2)[20]。三是适宜的株高, 西北内陆、黄河流域和长江流域高产棉花的适宜株高分别为75~85、100~110和110~120 cm, 盛蕾期、开花期和盛花期株高日增长量分别为0.80、1.25和1.10 cm d–1, 0.95、1.30和1.15 cm d–1, 1.5~2.0、2.0~2.5和1.0~1.5 cm d–1。四是适宜的节枝比, 新疆、山东和江苏的适宜节枝比分别为2.5、3.5和4.0~4.5[22]。五是果枝及叶片角度分布合理。新疆高产棉花, 在盛铃吐絮期冠层由上至下, 叶倾角由大到小, 上部76°~61°, 分别比中部下部大17°~12°和36°~25°[23-26]。六是适宜的棉柴比, 棉柴比与收获指数呈显著正相关(= 4.6251– 0.8496,2=0.9603**)[27], 轻简栽培下黄河、长江流域和西北内陆棉区适宜的棉柴比分别为0.8~0.9、0.9~1.0∶1.0和0.75~0.85。

2.5 棉花N素营养规律

杨国正等[28]围绕轻简施肥开展的15N示踪试验表明, 棉株累积的N素量, 随施N量增加而增加, 随生育进程而增加; 累积速率随施N量增加而加快, 开花期最快, 开花以前和吐絮以后均较慢, 符合Logistic函数。花铃期累积的N素平均占总量的67%, 也随施N量增加而上升; 而累积的肥料N素平均占总肥料N素的79%, 而且与施N量关系不大。但棉株对N的吸收速率, 随施N量增加而加快。棉株体内积累的N素以肥料N素为主, 平均占75%, 随施N量增加而上升。肥料N在不同器官中所占比例随施N量增加而增加, 且以生殖器官最高, 营养枝其次, 赘芽最低。

研究表明, 棉株对底肥N的吸收主要在苗期和蕾期, 且底肥N在棉株中所占比例以苗期最高(65%), 随生育进程而稀释, 吐絮期仅占18%。棉株对初花肥N的吸收主要在开花期(93%), 且首先在果枝叶(占32.4%)和蕾铃(占29.4%)中累积, 然后转移至蕾铃(占69.8%), 但随施N量增加在蕾花铃中比例大幅下降, 在营养枝中比例大幅度上升。初花肥N在棉株中所占比例, 开花期为49%、吐絮期为35%。棉株对盛花肥N的吸收利用率大致为56%, 其中98%在结铃期吸收, 盛花肥中N主要在蕾铃(占54.1%)中累积, 随后其他器官累积盛花肥的N进一步向蕾铃(占70.4%)转移, 但随施N量增加营养枝和赘芽中比例上升, 盛花肥N在棉株中所占比例保持23%, 随施N量增加而增加。棉株对肥料N的吸收率平均为59%, 随施N量增加而提高, 其中对初花肥中N的吸收率最高(69.6%), 对底肥中N的吸收率最低(48%)。肥料N的土壤留存率平均为12%, 随施N量增加而下降, 其中底肥中N的比例最高(17.2%), 盛花肥最低(8.2%)。肥料N损失率平均为29%, 其中底肥和盛花肥损失率(34.6%, 36.1%)高于初花肥(19%), 中N处理损失率(34%)高于其他施N量处理[29]。

N肥后移(减少底肥N、增加花铃肥N或施用缓控释肥), 使棉株对肥料N素吸收最快的时期维持在出苗后58~96 d; 棉株吸收的肥料N分配给蕾铃和果枝叶的比例平均为71%, 随N肥后移而进一步提高, 吸收的土壤N分配给蕾铃和果枝叶的比例平均只有66%, 不受N肥后移的影响; 棉株对肥料N的吸收率、肥料N在土壤中的残留率均随N肥后移而增加, 肥料N损失率却随N肥后移而下降[30]。适当提高密度, 能够提高氮肥利用率, 表现出一定的以密代氮的作用[31]。棉花的N素营养规律为科学施肥、轻简施肥提供了理论依据, 根据棉花需肥规律科学施肥、合理施肥, 不仅能够提高肥料利用率, 还能控制营养枝和赘芽的发育, 协调营养生长和生殖生长的关系, 促进棉花产量和品质的提高。

2.6 棉花适应非充分灌溉的生理学机制

干旱地区灌水量减少30%, 分区交替灌溉棉花产量基本不减, 但常规灌溉显著减产。利用嫁接分根系统模拟分区灌溉, 发现其提高水分利用率的机制在于, 分区灌溉诱导棉株地上部MeJA大量合成并通过韧皮部运输到灌水侧根系, 促进基因表达, 增加了灌水侧根系中H2O2含量, 一方面直接提高了根系中水通道蛋白(PIP)含量, 另一方面诱导基因表达、抑制基因表达, 增加了ABA含量, 进一步提高了PIP蛋白的活性, 从而增加了灌溉侧根系的吸水能力, 提高了灌溉水的利用率(图3)[32]。

3 展望

针对轻简植棉、快乐植棉的需要, 我国已经初步建立了符合国情、操作性强的轻简化栽培技术, 并在生产中发挥了越来越重要的作用。但是, 棉花轻简化栽培是相对的, 是建立在现有经济和生产力水平之上的, 其内涵和标准在不同时期有不同的约定; 轻简化栽培还是动态、发展的, 其具体管理措施、物质装备、保障技术等需要不断提升、完善和发展。目前看, 还存在突破性关键技术和物质装备少, 农艺技术与物质装备融合度差, 轻简化植棉水平地区间不平衡等突出问题[3]。针对这些问题, 必须以适度规模化基础上的规范化植棉为保障, 在深入研究揭示轻简化植棉生理生态学规律的基础上, 进一步改革和优化种植制度, 创新关键栽培技术, 研制包括农业机械和专用肥在内的相应物质装备, 实现最大限度的农艺技术和物质装备的有机融合。

要优化种植制度和种植模式。在热量和灌溉条件较差的产棉区, 继续推行一熟种植; 热量和灌溉条件较好的产棉区要稳定麦棉两熟和油棉两熟制, 稳步发展棉花与大蒜等高效作物的两熟制[33]。种植模式要进一步调整, 逐步推行油后、蒜后移栽棉和油(麦、蒜)后直播棉。要加强棉田种植制度和种植模式的研究与优化, 结合气候变化, 研究形成一个生态区、一个地区稳定的种植模式, 实现种植模式的优化和简化。要以棉田两熟、多熟持续高产高效为目标, 研究提出麦棉、油棉套种(栽)和接茬复种的新型种植制度, 改进田间结构配置, 优化棉田周年的配置组合, 合理衔接茬口和季节, 优化作物品种搭配, 合理密植, 机械化作业管理; 深化研究棉田两熟、多熟制光热水土肥和病虫害的竞争、协同、补偿和利用机制, 研究两熟种植制度周年多作物调控的理论和方法, 提高复种指数, 提高周年产出和效益, 进一步提高资源利用和转化效率。

要完善提升精准播种技术水平。棉花是大粒种子类型, 适合精确定量播种。新疆生产建设兵团在棉花机械精准播种方面已经做得比较到位, 不仅实现了机械化准确定量和定位播种, 还实现了播种、施肥、喷除草剂、铺设滴灌管和地膜等多道程序的联合作业[34]。黄河流域和和长江流域棉区要在学习、借鉴新疆精准播种技术的基础上, 进一步研究优化适合本地生态和生产条件要求的精准播种技术, 确保苗全苗壮、轻简高效。

研究完善机械打顶或化学封顶技术。目前条件下打顶尚不能减免, 特别是西北内陆棉区和黄河流域棉区的机采棉, 种植密度高, 人工打顶费工费时。因此, 探索机械打顶或化学封顶技术和配套物质装备显得十分必要, 当是今后棉花轻简化栽培研究的重要内容之一。

继续研制新型肥料及其施用技术, 进一步简化施肥和提高肥料利用率。棉花生育期长、需肥量大, 采用速效肥一次施下, 会造成肥料流失, 利用率降低; 多次施肥费工费时。从简化施肥来看, 速效肥与缓控释肥配合施用是长江和黄河流域棉区棉花生产与简化管理的新方向, 而进一步发展和完善水肥一体化技术则是西北内陆棉区棉花轻简高效施肥的重要方向。因此, 在长江和黄河流域棉区要加强成本低、效果好的缓控释肥的研制, 制定与之配套的科学施肥技术, 确保1~2次施肥的效果; 在西北内陆棉区要加强高效水溶性肥料的研制, 并与非充分灌溉技术结合, 协同提高水肥利用效率。

要因地制宜发展棉花生产机械化。西北内陆棉区棉花生产全程机械化的条件和技术比较完备, 可在推进的过程中进一步优化提升, 特别是要进一步提升棉花生产品质。黄河流域棉区一熟区, 棉田趋于集中, 地表平整, 气候特点适宜, 农田基本设施适当建设后能满足大型农业机械作业的要求, 因此具备棉花机械化收获的基本硬性条件。应选用适宜机械化收获的棉花品种, 在保证棉花单产的前提下改进棉花种植模式、加强棉田管理, 协调和扶持棉花加工企业升级改造机采棉生产线, 先进行机械化采收试点示范, 然后再逐步推进。黄河流域棉区的两熟或多熟棉田和长江流域棉区, 由于种植规模小, 且采用麦棉、油棉套种的栽培模式, 实现机械化的难度很大。因此, 应该首先改革种植模式, 实现麦后、油后棉花机械化直播; 其次研制适用于南方包括采收机械在内的小型机械。

继续研究适宜机械化的农艺栽培技术, 实现农机农艺高度融合。目前我国除了新疆生产建设兵团外, 各大棉区的种植模式繁多, 株距、行距配置不统一, 套作、平作、垄作等种植模式复杂多样。各地农艺习惯不同, 种植标准化程度普遍较低, 加之机播与人工播种混杂, 导致种植方式的多样化, 机具难以与农艺需求相适应, 给棉花机械化收获造成了较大的困难。要研究探索与机械收获相配套的栽培技术, 推进农艺与农机的高度融合。

用机械化、信息化、智能化武装棉花轻简化栽培。传统的机械化作业虽然在某些方面替代了人工作业, 提高了作业效率, 但是无法将现代化农业生产中的测土配方技术、专家配方施肥技术、变量施肥技术、按需施肥技术等应用于农业生产, 会在棉花生产中造成不必要的水肥浪费。精准农业是农业信息技术和现代农业机械化技术的高度融合, 具有省种、省工, 提高土地利用率, 提升水肥作用效果, 降低劳动强度, 减少生产投入, 增加农业收益等优点。因此, 利用精准农业理论与技术改造传统棉花产业, 在我国棉花生产中发展适合我国国情的精准农业技术, 是未来产业发展的一个重要方向。

总之, 耕种制度、种植模式的优化, 管理程序的简化和多程序合并作业, 用机械代替人工, 建立和完善有中国特色的轻简化栽培技术, 实现轻简节本、提质增效是必然的发展方向。要结合生产需求, 研究形成一个生态区稳定的种植模式, 实现种植模式的简化; 重视生产管理程序的减省和简化、农艺操作方法的精确和简化; 要依托先进实用农机具, 实行多程序的联合作业与合并作业; 要正确处理好简化与高产、简化与优质、简化与环境友好的关系, 在高产、优质、环境友好的基础上实行简化, 力争高产, 改善品质, 增加收益。

References

[1] 董合忠. 棉花轻简栽培的若干技术问题分析. 山东农业科学, 2013, 45(4): 115–117 Dong H Z. Analysis of cotton extensive cultivation technology in China., 2013, 45(4): 115–117 (in Chinese with English abstract)

[2] 董合忠. 棉花重要生物学特性及其在丰产简化栽培中的应用. 中国棉花, 2013, 40(9): 1–4 Dong H Z. Major biological characteristics of cotton and their application in extensive high-yielding cultivation., 2013, 40(9): 1–4 (in Chinese)

[3] 董合忠, 杨国正, 田立文, 郑曙峰. 棉花轻简化栽培. 北京: 科学出版社, 2016. pp 1–30, 48–123, 194–291 Dong H Z, Yang G Z, Tian L W, Zheng S F. Light and Simplified Cultivation of Cotton. Beijing: Science Press, 2016. pp 1–30, 48–123, 194–291 (in Chinese)

[4] 董合忠, 李维江, 代建龙, 辛承松, 孔祥强, 唐薇, 张冬梅, 李振怀, 罗振, 卢合全, 王琦. 棉花轻简化栽培技术规程。山东省地方标准, DB37/T 2739–2015, 2015 Dong H Z, Li W J, Dai J L, Xin C S, Kong X Q, Tang W, Zhang D M, Li Z H, Luo Z, Lu H Q, Wang Q. Technical regulations for light and simplified cultivation of cotton. Shandong Provincial Standard, DB37/T 2739-2015, 2015 (in Chinese)

[5] Dai J L, Dong H Z. Intensive cotton farming technologies in China: Achievements, challenges and countermeasures., 2014, 155: 99–110

[6] 白岩, 毛树春, 田立文, 李莉, 董合忠. 新疆棉花高产简化栽培技术评述与展望. 中国农业科学, 2017, 50: 38–50 Bai Y, Mao S C, Tian L W, Li L, Dong H Z. Advances and prospects of high-yielding and simplified cotton cultivation technology in Xinjiang cotton-growing area., 2017, 50: 38–50 (in Chinese with English abstract)

[7] 代建龙, 李振怀, 罗振, 卢合全, 唐薇, 张冬梅, 李维江, 辛承松, 董合忠. 精量播种减免间定苗对棉花产量和产量构成因素的影响. 作物学报, 2014, 40: 2040–2045 Dai J L, Li Z H, Luo Z, Lu H Q, Tang W, Zhang D M, Li W J, Xin C S, Dong H Z. Effects of precision seeding without thinning process on yield and yield components of cotton, 2014, 40: 2040–2045 (in Chinese with English abstract)

[8] Lu H Q, Dai J L, Li W J, Tang W, Zhang D M, Eneji A E, Dong H Z. Yield and economic benefits of late planted short-season cotton versus full-season cotton relayed with garlic., 2017, 200: 80–87

[9] 中国农业科学院棉花研究所. 中国棉花栽培学. 上海: 上海科学技术出版社, 2013. pp 798–811 Cotton Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences. Cultivation of Cotton in China. Shanghai: Shanghai Science and Technology Publisher, 2013. pp 798–811 (in Chinese)

[10] 林涛, 郭仁松, 崔建平, 徐海江, 汤秋香, 张巨松, 田立文. 施氮对南疆荒漠绿洲滴灌棉田产量及棉纤维品质的影响. 西北农业学报, 2013, 22(11): 47–53 Lin T, Guo R S, Cui J P, Xu H J, Tang Q X, Zhang J S, Tian L W. Effects of nitrogen application on cotton yield and fiber quality under drip irrigation condition in oasis of south Xinjiang., 2013, 22(11): 47–53 (in Chinese with English abstract)

[11] 辛承松, 杨晓东. 黄河流域棉区棉花分类平衡施肥技术及其应用. 中国棉花, 2015, 42(6): 44–45 Xin C S, Yang X D. Classified fertilizer technology and application of cotton in the Yellow River valley region.2015, 42(6): 44–45 (in Chinese)

[12] 辛承松, 杨晓东, 罗振, 焦光婧, 余学科, 薛中立. 黄河流域棉区棉花肥水协同管理技术及其应用. 中国棉花, 2016, 43(3): 31–32 Xin C S, Yang X D, Luo Z, Jiao G J, Yu X K, Xue Z L. Fertilization-water collaborative management technology and application of cotton in the Yellow River valley region., 2016, 43(3): 31–32 (in Chinese)

[13] Zhang D M, Luo Z, Liu S H, Li W J, Tang W, Dong H Z. Effects of deficit irrigation and plant density on the growth, yield and fiber quality of irrigated cotton., 2016, 197: 1–9

[14] 董合忠, 李维江, 唐薇, 李振怀, 牛曰华, 张冬梅. 留叶枝对抗虫杂交棉库源关系的调节效应和对叶片衰老与皮棉产量的影响. 中国农业科学, 2007, 40: 909–915 Dong H Z, Li W J, Tang W, Li Z H, Niu Y H, Zhang D M. Effects of retention of vegetative branches on source-sink relation, leaf senescence and lint yield in Bt transgenic hybrid cotton, 2007, 40: 909–915 (in Chinese with English abstract)

[15] 董合忠, 牛曰华, 李维江, 唐薇, 李振怀, 张冬梅. 不同整枝方式对棉花库源关系的调节效应. 应用生态学报, 2008, 19: 819–824 Dong H Z, Niu Y H, Li W J, Tang W, Li Z H, Zhang D M. Regulation effects of various training modes on source-sink relation of cotton., 2008, 19: 819–824 (in Chinese with English abstract)

[16] Dai J L, Luo Z, Li W J, Tang W, Zhang D M, Lu H Q, Li Z H, Xin C S, Kong X Q, Eneji A E, Dong H Z. A simplified pruning method for profitable cotton production in the Yellow River valley of China., 2014, 164: 22–29

[17] 田立文, 崔建平, 郭仁松, 徐海江, 林涛, 朱家辉, 张银宝, 刘志清, 曾鹏明, 柏超华, 欧州, 张黎. 新疆棉花精量播种棉田保苗方法. ZL 2013 10373743.9 Tian L W, Cui J P, Guo R S, Xu H J, Lin T, Zhu J H, Zhang Y B, Liu Z Q, Zeng P M, Bai C H, Ou Z, Zhang L. A Seedling Establishment Method of Precision Seeding of Cotton in Xinjiang. ZL2013 10373743.9 (in Chinese)

[18] 田立文, 崔建平, 徐海江, 林涛, 张黎. 南疆膜下滴灌超高产棉田棉纤维品质保优栽培技术规程. DB65 /T3192-2010, 2010 Tian L W, Cui J P, Xu H J, Lin T, Zhang L. A High Fiber Quality Cultivation Technical Regulations Under Drip-irrigation in Super High-yield Cotton Field in South Xinjiang. DB65/T3192-2010, 2010 (in Chinese)

[19] 卢合全, 李振怀, 董合忠, 李维江, 唐薇, 张冬梅. 黄河流域棉区高密度垄作对棉花的增产效应. 中国农业科学, 2013, 46: 4018–4026 Lu H Q, Li Z H, Dong H Z, Li W J, Tang W, Zhang D M. Effects of raised-bed planting and high plant density on yield-increasing of cotton in the Yellow River Basin., 2013, 46: 4018–4026 (in Chinese with English abstract)

[20] 董合忠, 毛树春, 张旺锋, 陈德华. 棉花优化成铃栽培理论及其新发展. 中国农业科学, 2014, 47: 441–451 Dong H Z, Mao S C, Zhang W F, Chen D H. On boll-setting optimization theory for cotton cultivation and its new development., 2014, 47: 441–451 (in Chinese with English abstract)

[21] Dai J L, Li W J, Tang W, Zhang D M, Li Z H, Lu H Q, Eneji A E, Dong H Z. Manipulation of dry matter accumulation and partitioning with plant density in relation to yield stability of cotton under intensive management., 2015, 180: 207–215

[22] 田立文, 娄春恒, 文如镜, 李蕾, 谢迪佳. 新疆高产棉田光合特性. 西北农业学报, 1997, 6(3): 41–43 Tian L W, Lou C H, Wen R J, Li L, Xie D J. Research on photosynthesis characteristics in Xinjiang cotton fields with high yield., 1997, 6(3): 41–43 (in Chinese with English abstract)

[23] 郭仁松, 刘盼, 张巨松, 饶翠婷, 王宏伟, 高云光, 赵强. 南疆超高产棉花光合物质生产与分配关系的研究. 棉花学报, 2010, 22: 471–478 Guo R S, Liu P, Zhang J S, Rao C T, Wang H W, Gao Y G, Zhao Q. Study on relations on photosynthetic production and its distribution of super high-yield cotton in south Xinjiang., 2010, 22: 471–478 (in Chinese with English abstract)

[24] 郭仁松, 魏红国, 张巨松, 田立文, 林涛, 赵强. 新疆超高产棉花群体质量指标研究. 干旱地区农业研究, 2011, 29(6): 86–91 Guo R S, Wei H G, Zhang J S, Tian L W, Lin T, Zhao Q. Studies on population quality index of super high-yield cotton in Xinjiang., 2011, 29(6): 86–91 (in Chinese with English abstract)

[25] 冯国艺, 姚炎帝, 罗宏海, 张亚黎, 杜明伟, 张旺锋, 夏冬利, 董恒义. 新疆超高产棉花冠层光分布特征及其与群体光合生产的关系. 应用生态学报, 2012, 23: 1286–1294 Feng G Y, Yao Y D, Luo H H, Zhang Y L, Du M W, Zhang W F, Xia D L, Dong H Y. Canopy light distribution and its correlation with photosynthetic production in super-high yielding cotton fields of Xinjiang, northwest China., 2012, 23: 1286–1294 (in Chinese with English abstract)

[26] 冯国艺, 罗宏海, 姚炎帝, 杨美森, 杜明伟, 张亚黎, 张旺锋. 新疆超高产棉花叶、铃空间分布及与群体光合生产的关系. 中国农业科学, 2012, 45: 2607–2617 Feng G Y, Luo H H, Yao Y D, Yang M S, Du M W, Zhang Y L, Zhang W F. Spatial distribution of leaf and boll in relation to canopy photosynthesis of super high-yielding cotton in Xinjiang., 2012, 45: 2607–2617 (in Chinese with English abstract)

[27] Dong H Z, Kong X Q, Li W J, Tang W, Zhang D M. Effects of plant density and nitrogen and potassium fertilization on cotton yield and uptake of major nutrients in two fields with varying fertility., 2010, 119: 106–113

[28] Yang G Z, Chu K Y, Tang H Y, Nie Y C, Zhang X L. Fertilizer15N accumulation, recovery and distribution in cotton plant as affected by N rate and split., 2013, 12: 999–1007

[29] Yang G Z, Tang H Y, Tong J, Nie Y C, Zhang X L. Effect of fertilization frequency on cotton yield and biomass accumulation., 2012, 125: 161–166

[30] Yang G Z, Tang H Y, Nie Y C, Zhang X L. Responses of cotton growth, yield, and biomass to nitrogen split application ratio., 2011, 35: 164–170

[31] Dong H Z, Li W J, Eneji A E, Zhang D M. Nitrogen rate and plant density effects on yield and late-season leaf senescence of cotton raised on a saline field., 2012, 126: 137–144

[32] Luo Z, Kong X Q, Dong H Z. Physiological and molecular mechanisms of the improved root hydraulic conductance under partial root-zone irrigation in cotton. Proceedings of World Cotton Research Conference-6, Brazil, 2016. p 75

[33] 董合忠. 棉蒜两熟制棉花轻简化生产的途径——短季棉蒜后直播. 中国棉花, 2016, 43(1): 8–9 Dong H Z. A new alternative of extensive farming under garlic-cotton double cropping—direct seeding of short-season co­tton after garlic., 2016, 43(1): 8–9 (in Chinese)

[34] 徐辉胜. 棉花精量播种及一播全苗关键措施. 新疆农垦科技, 2013, (4): 13–14Xu H S. Key measures of precision sowing and full standing in cotton., 2013, (4): 13–14 (in Chinese)

Key Technologies for Light and Simplified Cultivation of Cotton and Their Eco-physiological Mechanisms

DONG He-Zhong1,*, YANG Guo-Zheng2, LI Ya-Bing3, TIAN Li-Wen4, DAI Jian-Long1, and KONG Xiang-Qiang1

1Cotton Research Center, Shandong Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory for Cotton Genetic Improvement and Cultivation Physio­logy in Huanghuaihai, Jinan 250100, China;2College of Plant Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China;3Cotton Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Anyang 455000, China;4Research Institute for Cash Crops, Xinjiang Aca­demy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091, China

Light and simplified cultivation (LSC) of cotton refers to the use of modern agricultural equipment instead of manual operation, the simplification and minimization of field management and operations, as well as the integration of agricultural machinery and agronomic technologies to reduce production costs and labor intensity during cotton farming and cultivation. The connotation, key technical contents and the related eco-physiological mechanisms of LSC are reviewed in this paper. The achievement of easy and convenient as well as cost-saving and benefit-increasing production of cotton is dependent on the key technologies of LSC, mainly including practices of precision seeding, simplified seedlings nursing and transplanting, high-efficient fertilization, water-saving irrigation and regulation of fruiting distribution and so on. The mechanism of well-established strong seedlings by individual seeding lies in the hypocotyl differential expression of hook formation genesandas well as hypocotyl elongation genesandduring seed germination and emergence. The mechanism of the inhibited growth and development of vegetative branches by close-planting lies in differential expression of genes related to hormone synthesis in cotton plants. That of yield stability lies in the adaptive coordination among yield components, biomass, and harvest index under LSC. Optimized and concentrated fruiting in cotton plants can be realized through the establishment of a high photosynthetic efficiency population in terms of the required LAI and its dynamics, rational plant height and the ratio of seed cotton to stalks. The absorption of fertilizer N in cotton occurs mainly within 20 days after flowering and is mainly distributed to the reproductive organs with the highest use efficiency when N fertilizer applies at early flowering which provides a theoretical basis for efficient and simplified fertilization of cotton. The mechanism of water use efficiency improvement through partial root-zone irrigation (PRI) lies in the enhanced water absorption in the irrigated root side, which is regulated by the shoot-sourced jasmonic acid transported through the phloem. In order to provide a more powerful theoretical and technical support for LSC of cotton in the future, on the one hand, in-depth study is required to reveal the physiological and ecological mechanisms of LSC; on the other hand, it is necessary to further reform and optimize the cotton cropping systems, to innovate the key cultivation techniques, and to develop the corresponding agricultural equipment with better integration of agronomic technology. Improved LSC technologies will further promote the sustainable development of cotton production in China.

Cotton; Light and simplified cultivation; Eco-physiology

10.3724/SP.J.1006.2017.00631

本研究由国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-18-21), 国家自然科学基金项目(31371573, 31271665), 山东省重点研发计划项目(2015GNC110001), 新疆维吾尔自治区重点研发专项(2016B01001-2)和山东省农业科学院农业科技创新工程项目(CXGC2016B05)资助。

This study was supported by the China Agriculture Research System (CARS-18-21), the National Natural Science Foundation of China (31371573, 31271665), the Specific Key Project for Research and Development of Shandong (2015GNC110001) and Xinjiang (CXGC2016B05), and SAAS Scientific and Technological Innovation Project (CXGC2016B05).

(Corresponding author): 董合忠, E-mail: donghz@saas.ac.cn, Tel: 0531-83179255

(收稿日期): 2016-11-09; Accepted(接受日期): 2017-03-02; Published online(网络出版日期): 2017-03-07.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170307.1841.006.html