新疆早熟陆地棉品种更替产量提高过程中冠层结构特征的演变

杨延龙肖 飞徐守振王宇轩左文庆梁福斌张旺锋,*石河子大学农学院 / 新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室, 新疆石河子 83003;石河子大学生命科学学院, 新疆石河子83003

新疆早熟陆地棉品种更替产量提高过程中冠层结构特征的演变

杨延龙1肖 飞2徐守振1王宇轩1左文庆1梁福斌1张旺锋1,*
1石河子大学农学院 / 新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室, 新疆石河子 832003;2石河子大学生命科学学院, 新疆石河子832003

选用新疆近30年不同年代(1990s、2000s、2010s)早熟陆地棉(Gossypium hirsutum L.)大面积主栽品种, 在膜下滴灌栽培条件下, 测定其冠层开度、叶倾角、冠层光分布等指标, 明确品种更替及产量提高过程中棉花冠层结构的变化特征, 为棉花新品种选育及栽培管理提供依据。结果表明, 在棉花品种更替及产量提高过程中, 不同年代品种生育期相差不大, 2010s品种生育期相对较长; 盛铃期至吐絮期, 2010s的主栽品种冠层开度相对较适宜, 光吸收率比1990s和2000s的品种平均高 1.06%和5.95%, 且生育后期冠层开度、冠层光吸收率均能维持较高水平。2010s品种干物质积累量比1990s和2000s的品种平均高11.51%和15.59%, 各器官干物质积累量也呈现增加的趋势。随品种更替叶倾角变化趋势不明显, 但不同品种之间差异较大, 叶倾角与叶片面积呈负相关。因此, 随着棉花品种更替, 目前推广品种生育中后期具有适宜的叶面积指数和冠层开度, 光吸收率维持在 90%左右, 总干物质积累量较大是其冠层结构和光合物质生产的重要特征。

陆地棉; 早熟品种; 品种更替; 冠层结构; 产量; 新疆

新疆属典型大陆性干旱气候, 光热资源丰富, 绿洲灌溉农业, 具有发展棉花生产的优势。自 1994年以来, 棉花单产、总产在全国一直名列前茅, 成为我国最大的商品棉生产基地; 至2012年, 新疆植棉面积和总产量占全国的比例高达38.9%和53.9%, 实现了棉花产量占全国棉花总产“半壁江山”的历史性突破[1]。分析新疆棉花生产发展的历程, 20世纪 80年代末90年代初, 地膜覆盖技术的应用, 为解决新疆棉区热量不足、无霜期短提供了有效技术保障,形成了“密、早、矮、膜”综合栽培技术体系[2]; 2000年以来随着高密度种植技术的发展以及膜下滴灌植棉技术形成与应用[3-5], 新疆棉花产量水平取得了跨越式发展。在生产技术不断发展的同时, 棉花品种更替对产量突破也有巨大贡献[6-8]。资料表明, 至20世纪末, 新疆早熟陆地棉品种经历了 4～5次更替[9],前人对棉花品种更替及产量提高过程中品种农艺性状[9]、养分吸收与分配[10]、棉铃发育[11]、品种遗传性状[12]等开展了研究, 但对冠层结构特征及改良报道较少。作物冠层结构与群体光能利用、光合产物的运输分配、库源关系等密切相关[13], 作物株型影响其冠层结构和产量潜力[14]。棉花叶、茎和冠层大小决定光的截获和光驱动的可塑性, 叶倾角分布及空间聚合程度影响光的截获效率[15]; 不同株型结构的光截获和辐射利用效率不同, 直接导致光合生产的差异[16], 直立叶片能降低消光系数[17], 优化光和比叶面积的空间分布, 是提高冠层光利用效率的关键[18]。不同密度条件下, 株型不同、冠层结构差异较大的 2个早熟陆地棉品种, 其群体光合效率和产量不同[19]; 较高的叶面积指数及叶面积指数高值持续期较长是杂交棉实现超高产的保证, 鸡脚叶形杂交棉具有良好的透光性, 是保持整个冠层较高的光吸收率、群体光合效能较高且高值持续时间较长的主要原因[20-21]。群体叶面积配置与光分布较均匀, 是高产杂交棉冠层结构的主要特征[22]。

本研究选择新疆近 30年不同年代(1990s、2000s、2010s)的自育早熟陆地棉(Gossypium hirsutum L.)主栽品种, 采用膜下滴灌栽培技术, 通过测定不同品种冠层结构的变化, 探讨品种更替及产量提高过程中冠层结构特征及物质生产的变化, 为棉花新品种选育及生产上优化冠层结构实现高产高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

自育早熟陆地棉6个代表性品种新陆早1号、新陆早 6号、新陆早 7号、新陆早 13号、新陆早33号和新陆早45号(表1), 根据审定的时间及大面积种植年代, 将其划归3个年代。

表1 供试棉花品种的主栽年代划分Table 1 Cotton varieties main cultivated years formation

1.2 试验概况

试验于2015—2016年在石河子大学农学试验站(45°19′N, 86°03′E)进行。试验地前茬是小麦, 土质中壤, 含有机质15.3 g kg–1、碱解氮54.9 mg kg–1、速效磷19.0 mg kg–1、速效钾194.7 mg kg–1。播前每公顷深施油渣4500 kg、尿素156 kg、三料磷肥225 kg作基肥。采用随机区组设计, 3次重复。两年播种期分别为4月21日、4月19日。采用宽膜覆盖栽培技术, 先铺膜后点播, 1膜 4行, 宽窄行行距为(20cm+60 cm+20 cm), 分别在4月22日、4月21日滴出苗水, 每公顷留苗密度约18万株。棉花生育期缩节胺用量225 g hm–2。生育期共滴水7～9次, 滴水量4125～4650 m3hm–2, 随水滴施尿素520 kg hm–2、磷酸二氢钾158 kg hm–2。2年分别于7月6日、7月7日人工打顶, 按生产上高产田进行其他田间管理。

1.3 生育时期及植株形态特征调查

从出苗期开始调查。打顶前选择各处理长势均匀且具有代表性的棉株测量植株形态特征, 收获前各处理选择有代表性的棉株15株, 调查株高、果枝节间长度等。

1.3.1 冠层结构指标 在盛花期(出苗后 75 d)、盛铃期(出苗后105 d)、吐絮期(出苗后135 d), ①采用 LAI-2000冠层仪(Li-Cor, USA)测定叶面积指数(LAI)、冠层开度(DIFN)和叶倾角(MTA); 参照Malone等[23]的方法, 先将探头水平放置于冠层上方,按下测定按钮, 两声蜂鸣后将探头放入群体内地面上, 仍保持水平, 按下测定按钮, 两声蜂鸣后水平均匀移动探头, 选择冠层内不同位置测量, 重复 6次; ②采用高亮之等[24]的方法测定光截获率。用Sunscan植物冠层分析仪(Delta-T Devices, UK)在11:00—14:00测定棉株顶部30 cm处自然总光Io(探头面水平向上)、植株反射光In(探头面水平向下)、入射到冠层底部的光强 I, 重复 5～6次。反射率(LRR)=In/Io, 透射率(LLR) = I/Io, 总光吸收率(LIR) = 1–LRR–LLR。

1.3.2 植株干物质积累量 于盛花期、盛铃期、吐絮期, 选择各处理生长整齐一致的棉株 4株, 从子叶节处剪取地上部分, 分解成叶片、茎秆和棉铃等器官, 分别装入纸袋, 105℃杀青30 min, 80℃烘干后称重。计算各器官干重及地上部总干重。

1.3.3 产量及产量构成 于收获期选各处理每小区有代表性植株 10株, 考察单株结铃数, 然后收获整株棉铃装袋带回实验室称重, 计算单铃重, 轧花后称皮棉重并计算衣分, 最后以小区实际收获籽棉计产。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 16.0统计软件统计分析试验数据。

表2 不同年代棉花品种生育期及植株形态特征的变化Table 2 Changes of growth stage and morphological characters of cotton varieties grown in different decades

2 结果与分析

2.1 品种生育期及植株形态特征的变化

由表 2可知, 随品种更替, 不同年代自育早熟陆地棉品种生育期相差不大, 2010s品种生育期相对较长, 比1990s和2000s品种长3.5～5.2 d。株高是衡量棉花长势长相的重要指标, 随品种更替, 株高呈增加趋势。为适应棉花机采的要求, 2010s品种株高相对较高, 2年试验分别比 1990s和 2000s品种高29.15%～34.59%和2.29%～20.40%。棉花倒四叶宽可衡量植株整体叶片的大小, 随品种更替倒四叶宽相差不大, 但不同品种间差异较大。果枝节间长度是衡量株型紧凑程度的重要指标, 平均果枝节间长度2010s品种与2000s品种相差不大, 但较1990s的品种明显长, 2年试验分别长 16.53%～32.23%和23.47%～31.93%。节枝比反映棉株的纵横向生长状况,随品种的更替节枝比呈逐渐增大的趋势, 表明株型更加紧凑, 2年试验表明2010s品种分别比1990s和2000s品种高3.73%～21.49%和1.83%～10.53%。

2.2 叶面积指数(LAI)的变化

表 3表明, 盛花期至吐絮期, 随生育进程不同年代品种LAI均在盛铃期达最大值。盛花期, 1990s品种LAI均显著高于2000s和2010s的品种, 2年试验分别高 26.52%～62.93%和 42.61%～60.17%; 盛花期至盛铃期, 2010s品种LAI较1990s和2000s品种增幅较大, 2年试验增幅分别为0.54和2.96; 至吐絮期, 1990s品种LAI下降较快, 2000s品种和2010s品种下降较为缓慢。

表3 不同年代棉花品种叶面积指数的生育期变化Table 3 Changes of leaf area index at different growth stages in cotton varieties grown in different decades

2.3 叶倾角(MTA)的变化

表 4表明, 棉花盛花期至吐絮期, 不同年代品种MTA均先增大后减小。在测定的3个生育时期内,随品种更替MTA变化趋势不明显, 但不同品种之间差异较大。MTA与叶片的大小关系密切, 特别在盛铃期, 倒四叶越宽、叶面积越大, 叶倾角越小, 相关性分析表明, 盛铃期, 2年试验不同年代品种 MTA与倒四叶宽均呈显著负相关, 相关系数分别为–0.895和–0.827 (P＜0.05), 叶片大小影响叶片倾斜角度。

2.4 冠层开度(DIFN)的变化

表 5表明, 盛花期至吐絮期, 不同年代品种DIFN变化趋势一致, 均先减小后增大。在测定的3个生育时期内, 不同年代品种DIFN差异较大, 随品种更替, 2年试验盛铃期DIFN的变化表现为2000s品种＞2010s品种＞1990s品种, 2010s品种具有相对较适宜的冠层光环境; 盛花期和吐絮期, 2年变化趋势不一致, 特别是1990s品种2年差异较大, 可能与2年试验期间7月份降水差异较大有关。

2.5 冠层光吸收率的变化

表 6表明, 盛花期至吐絮期, 不同年代品种光吸收率的变化趋势一致, 均呈先增后减的趋势。盛花期, 随品种更替 2年变化趋势不一致, 可能因生育前期未封垄, 受品种株型特性影响较大; 盛铃期和吐絮期, 2年变化趋势较一致, 2010s品种盛铃期光吸收率分别比 1990s品种和 2000s品种高0.33%～6.29%和0.85%～2.43%, 吐絮期分别比1990s品种和2000s品种高0.03%～7.35%和3.04%～7.68%。随品种更替棉花生育后期的光吸收率提高, 产量水平提高。

表4 不同年代棉花品种叶倾角的生育期变化Table 4 Changes of mean foliage title angle at different growth stages in cotton varieties grown in different decades

表5 不同年代棉花品种冠层开度的生育期变化Table 5 Changes of diffuse none-interceptance at different growth stages in cotton varieties grown in different decades

表6 不同年代棉花品种光吸收率的生育期变化Table 6 Changes of light absorption rate at different growth stages in cotton varieties grown in different decades (%)

2.6 植株干物质积累量的变化

随品种更替, 2010s品种总干物质积累量明显高于 1990s品种和 2000s品种, 2年试验分别高12.24%～13.81%和 10.78%～17.36%; 分配到各器官的干物质也呈相似的变化趋势, 其中茎秆干物质量2年试验分别高 29.22%～33.07%和 9.59%～19.83%,叶片干物质量 2年分别高 12.45%～26.49%和17.94%～18.15%, 棉铃干物质量 2年分别高 4.68%～5.51%和4.54%～20.00% (表7)。

2.7 产量及构成因素的变化

在群体密度相同的情况下, 随品种更替, 棉花衣分和籽棉产量均有明显提高, 单株结铃数和单铃重有上升趋势, 但变化不大(表 8)。2010s品种比1990s及2000s推广的品种, 2年籽棉产量分别提高9.03%～17.31%和6.72%～7.77%。2000s和2010s品种的衣分相对较高, 2年试验分别比 1990s的品种高6.67%～10.01%和4.87%～11.30%。可见, 新疆早熟陆地棉品种更替皮棉产量提高过程中, 衣分的提高对产量起到了很大的贡献作用。

3 讨论

3.1 冠层结构优化、光能利用率提高是棉花品种更替及产量提高过程中的重要因素

作物品种株型特征影响冠层结构状况, 进而影响群体光合性能。棉花合理的冠层结构能减少漏光,有利于提高光能利用率, 延长花铃期光合能力的高值持续期[19,25-26]。株高变化和叶片角度改善是作物光能利用效率提高的主要原因之一[17]。本试验表明,随品种的更替, 2010s品种的株型结构更趋合理, 主要表现在株高逐渐增加, 果枝节间长度较 1990s品种明显增加, 株型相对较紧凑, 节枝比随品种更替呈逐渐增大的趋势(表2), 紧凑的株型使棉株纵横向生长较协调, 有利于光在冠层的均匀分布和群体干物质生产与积累[27]。叶面积及其分布和角度影响光合有效辐射的截获, 从而影响冠层光合作用和产量,是表征冠层结构的主要变量[28]。本试验表明, 随品种的更替, 2010s品种的冠层结构也更趋合理, 主要表现在叶面积指数在盛花期至盛铃期增幅较大, 吐

絮期仍维持在较高水平, 下降缓慢(表 3)。因此, 在今后新疆棉花品种选育中, 选育果枝节间长度在5～6 cm之间, 节枝比趋近于 2, 株型相对较紧凑的品种符合生产要求; 同时在栽培管理中通过化控和水肥的调控, 盛铃期至吐絮期调整群体的叶面积配置, 保持叶面积指数在较高水平, 优化冠层结构,增加群体的透光性, 有利于更多的光到达植株基部叶片, 从而提高光能利用率。

表7 不同年代棉花品种单株干物质积累与分配的变化Table 7 Changes of dry matter accumulation and distribution in plant of cotton varieties grown in different decades (g)

表8 不同年代棉花品种产量及产量构成因素Table 8 Yield and yield component of cotton varieties grown in different decades

3.2 棉花品种更替及产量提高过程中增加冠层光吸收率是提高光合物质生产的关键

冠层光环境直接影响作物的光合物质生产[29]。本试验表明, 随品种的更替, 2010s品种的光吸收率在生育中后期相对较大(表6), 表明现代生产应用品种在生育中后期能截获更多的光能, 提高群体的光能利用率; 2000s品种的光吸收率在盛铃期之后下降较快, 表明该时期应用品种在生育后期漏光较多,光能利用率较低。作物冠层内部的透光性与群体光合作用及产量密切相关[30-31], 通过优化冠层结构,使光能在冠层中合理分布, 可以有效地提高光能利用效率[32]。作物具有较高的光合物质积累是产量提高的物质基础[33]。本试验表明, 2010s品种各器官干物质及总干物质量均明显高于1990s和2000s的品种, 特别是棉铃干物质量增幅较大(表7), 2010s品种冠层具有良好的光吸收率, 提高了光能利用效率,增加了光合产物的积累量。

4 结论

在品种更替及产量提高过程中, 2010s品种株型结构合理、具有较高的叶面积指数及光吸收率, 不同年代品种各器官干物质量及总干物质量逐渐增大。选育及培育果枝节间长度在5～6 cm之间, 节枝比趋近于2, 株型较紧凑, 倒四叶宽为11～12 cm的品种, 能使叶面积指数和叶倾角在各时期处于相对适宜的范围, 冠层结构优良, 能最大限度地提高光能利用率, 这些是今后新疆棉花品种选育和栽培管理的重要参考指标。

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Development of Cotton Canopy Structure Characteristics of Cotton Varieties Grown in Different Decades in Northern Xinjiang

YANG Yan-Long1, XIAO Fei2, XU Shou-Zhen1, WANG Yu-Xuan1, ZUO Wen-Qing1, LIANG Fu-Bin1, and ZHANG Wang-Feng1,*
1College of Agriculture, Shihezi University / Key Laboratory of Oasis Ecology Agriculture of Xinjiang Production and Construction Corps, Shihezi 832003, China;2College of Life Science, Shihezi University, Shihezi 832003, China

Widespread cultivated early maturing upland cotton varieties bred in Xinjiang in different decades (1990s, 2000s, and 2010s) were used as experimental materials under mulching drip irrigation conditions. Canopy openness, mean foliage titled angle and canopy light distribution at different growing stages were measured to analyze cotton canopy structural characteristics, which provides a theoretical basis for breeding new cotton varieties and optimizing cultivation management. In the cotton varieties replacement process with yield increase, there was no significant difference in growth stage among different decades, and the growth stage of varieties grown in 2010s was relatively long. In the growth period from full boll stage to boll opening stage, the canopy openness was more reasonable and the light absorption rate was higher for the varieties in 2010s than in 1990s and 2000s; in the late growth period, the canopy openness and canopy light absorption rate for the varieties in 2010s were averagely 1.06% to 5.94% higher than those in 1990s and 2000s. Furthermore, dry matter accumulation of varieties in 2010s was averagely 11.51% to 15.59% higher than that in 1990s and 2000s, with an increasing trend in various organs. There was a consistent changing trend in leaf inclination angle for different varieties, but with a great difference among varieties and closely relating to leaf size. Therefore, with cotton varieties replacing, the appropriate leaf area index and canopy openness at the middle and later stages of cotton growth have been up to about 90% of light absorption now and got more dry matter accumulation, resulting in increased yield.

Upland cotton; Early maturing variety; Variety renew; Canopy structure; Yield; Xinjiang

(

): 2017-01-17; Accepted(接受日期): 2017-05-09; Published online(网络出版日期): 2017-05-22.

10.3724/SP.J.1006.2017.01518

本研究由国家自然科学基金项目(U1203283)资助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (U1203283).

*通讯作者(Corresponding author): 张旺锋, E-mail: zhwf_agr@shzu.edu.cn, Tel: 0993-2057326

联系方式: E-mail: yangyl0629 @163.com, Tel: 18152930615

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170522.0915.004.html