直播稀植高产杂交棉农艺及冠层结构特征研究

郝先哲，冯 杨，夏 军，时晓娟，田 雨，李军宏，罗宏海

(1.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；2.新疆兵团第七师农科所，新疆奎屯 833200)

新疆作为中国重要的商品棉生产基地，棉花产业发展迅速，其种植面积、单产水平、总产量均居于全国首位。近年来，新疆棉花发展进入瓶颈，单产增幅缓慢，“高投入、低产出”现象严重[1-3]，进一步提高棉花单产及植棉效益，是新疆棉花可持续发展的关键。合理利用棉花杂种优势，是棉花产量水平进一步提高的有效措施[4]。但由于新疆高密度植棉用种量大，定苗和化调繁琐，使得植棉成本不断提高，导致杂交棉植棉效益不断降低[5-6]。近年来，通过调整株行距配置降低种植密度，结合杂交棉的种植，表现出较高的产量潜力且适宜机采[7]。因此，开展直播稀植杂交棉产量形成机理的研究，充分挖掘杂交棉增产潜力，实现新疆棉花产量的持续提高具有重要意义。

棉花农艺性状和冠层结构特性与产量形成关系密切[8-17]。前人从株高[14,16]、果枝数[15-16,18]、倒四叶宽[13,15]、叶面积指数[7,10-11]、冠层开度[7-8,10]等不同角度对高产棉花的农艺性状和冠层结构特征进行了研究，提出群体密度过高或过低都不利于形成理想群体冠层和获得高产[19]，高产棉花应具有适宜的株高[14,16]，较高的果枝数[15-16,18]，适宜的叶面积指数[7,10-11]；对高产杂交棉的研究表明，杂交棉适宜低密度种植[7]，稀植条件能充分发挥杂交棉的杂种优势，能够有效的协调个体发育和群体生长[6,20-22]。然而以往大多是针对皮棉产量水平为2500kg·hm-2的常规高产棉花品种开展的研究，有关稀植条件下3000kg·hm-2以上高产杂交棉农艺性状和冠层结构特征的研究开展较少，基础研究的薄弱限制了杂交棉直播稀植技术节本增产潜力的发挥。因此，本试验以直播稀植杂交棉为研究对象，常规棉密植为对照，通过测定棉花株高、果枝台数、始节高度、倒四叶宽及叶面积指数(LAI)、冠层开度(DIFN)、叶倾角(MTA)，明确稀植条件下杂交棉产量形成过程中农艺性状及冠层结构特征与产量形成的关系，提出实现3000kg·hm-2高产稀植杂交棉的产量结构和主要农艺冠层指标，以期为新疆棉花高产高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

杂交棉品种选用‘鲁棉研24号’，该品种植株筒形、较紧凑，抗枯萎病，耐黄萎病，抗棉铃虫。常规棉品种选用当地主栽品种‘科研5号’，该品种株型较紧凑，茎秆坚韧，不易倒伏；抗枯萎病，感黄萎病，不抗棉铃虫。

1.2 试验概况

试验于2017-2018年在新疆生产建设兵团第七师主要植棉团场(125、128、129、130团)，采用大田创建超高产试验示范田的方法进行。以杂交棉稀植为试验对象，常规棉密植为对照，在各示范区内选择长势均匀的地块设置试验小区，小区面积为6.9 m×16 m，重复3次，详细取样点见表1。杂交棉种植采用205 cm的超宽膜，1膜3行，等行距(76 cm+76 cm+ 76 cm)种植，株距为 9.5 cm，1穴1粒精量播种，理论密度为 14.4×104株·hm-2。常规棉种植采用新疆棉区常规品种高密度种植1膜6行，宽窄行(66 cm+10 cm)，株距为11 cm，理论密度为28.8×104株·hm-2。2017年4月13-15日播种，6月28日-7月1日打顶，全生育期灌水10～12次，总滴灌量 5 700～6 000 m3·hm-2，共施用尿素600 kg·hm-2，磷钾复合肥525 kg·hm-2；2018年4月19-20日播种，7月1-5日打顶，全生育期灌水10～12次，总滴灌量5 250～6 000 m3·hm-2，共施用尿素600 kg·hm-2，磷钾复合肥375～525 kg·hm-2。全生育期内化调(缩节胺)7次，其中杂交棉稀植棉田用量270 g·hm-2，常规棉密植棉田量为525 g·hm-2；田间的其他管理同膜下滴灌高产棉田。

表1 不同试验处理取样点详情Table 1 Details of sampling points under different treatments

1.3 测定项目与方法

1.3.1 棉花农艺性状 于2017年在盛蕾期、盛花期、盛铃期、盛铃后期、吐絮期，2018年在现蕾期、盛蕾期、盛花期、盛铃期、盛铃后期、吐絮期，各取样点小区内选择有代表性的植株20株(内行10株、外行10株)，调查棉花株高、倒四叶宽、果枝台数和始节高度等农艺性状。

1.3.2 冠层结构指标 2017和2018年在盛花期、盛铃期、盛铃后期、吐絮期进行测定。参照Malone的方法[23]，采用LAI-2200冠层仪(Li-cor，USA)测定叶面积指数(LAI)、冠层开度(DIFN)、叶倾角(MTA)。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4次，每个处理重复3次。

1.3.3 产量及其构成因素 于收获期(2017-09-12、2018-09-14)在每个小区内选择长势均匀且有代表性面积为2.0 m×2.28 m的样点，重复3次，调查样点内的全部株数和结铃数，折算出单株结铃数和单位面积总铃数并以实际收获产量计产。每个样点选取长势一致的棉株按自然高度分上、中、下各取吐絮棉铃50个，重复3次，装袋带回实验室分别称量，计算单铃质量及衣分。

1.4 数据分析

采用 Microsoft Office 2010和 SPSS 19.0 整理分析处理数据并进行相关分析，用Duncan 多重比较法进行差异显著性分析，用Excel作图。

2 结果与分析

2.1 产量及其构成

通过对不同处理棉花产量的分析表明(表2)，2017年Z2棉田、2018年Z1棉田的皮棉产量均达到了3 000 kg·hm-2以上的高产水平，对照棉田的皮棉产量为2 413～2 553 kg·hm-2，杂交棉稀植的皮棉产量较对照棉田增幅为7.9%～ 24.1%。进一步分析产量构成因子，可以看出杂交棉稀植条件下，单株结铃数及单铃质量显著高于对照棉田、单位面积株数显著低于对照棉田，且除了2018年的Z2处理显著低于CK外，单位面积总铃数差异不显著。与常规棉密植相比，杂交棉稀植实现2 500 kg·hm-2以上的产量水平，单株结铃数和单铃质量的增幅分别为34.8%～ 40.2%和14.3%～19.2%；当产量达3 000 kg·hm-2的高产水平时，单株结铃数增加的同时单铃质量进一步增加，增幅分别为43.7%和20.4%。且产量达3 000 kg·hm-2的棉田总铃数较2 500 kg·hm-2的棉田提高了1.8%～ 8.6%，单位面积收获株数的增幅为5.1%～ 15.1%。所以实现杂交棉稀植达到3 000 kg·hm-2以上的高产水平，应保证总铃数大于120×104hm-2，单铃质量大于5.3 g，衣分率不低于42%。

表2 不同种植模式下棉花产量及产量构成因素Table 2 Cotton yield and yield components under different planting patterns

注：同列中标相同字母表示Duncan’s分析中5%水平上没有显著性差异。

Note:Same letters in a column indicate no significantly different(P=0.05) by Duncan’s multiple range test.

2.2 农艺性状

2.2.1 株 高 株高是衡量棉花群体株型状况是否合理最敏感的指标之一[12]。试验表明(图1)，棉花株高随生育期的变化表现为盛花期前快速增长，盛花期后逐渐趋于稳定。其中，除了2017年和2018年的Z1与CK生育后期差异不显著外，其他各点株高均表现为盛花期前CK与杂交棉株高差异不显著(P>0.05)；盛花期之后CK株高显著高于杂交棉(P<0.05)。在整个生育期内，CK的株高较杂交棉平均提高了4.4%～5.8%。杂交棉稀植产量水平为2 500 kg·hm-2以上时，株高表现为69 cm以下；产量水平为3 000 kg·hm-2以上时，株高表现为70～73 cm。

2.2.2 果枝台数 试验表明(图2)，杂交棉稀植果枝台数比CK增加了18.9%。两年杂交棉稀植群体盛铃期达到峰值均表现为Z1>Z2>Z3，分别为11.5、10、9.8台和10.5、9.5、9.3台。杂交棉稀植产量水平为2 500 kg·hm-2以上时，果枝台数表现为9.8台以下和11台以上，3 000 kg·hm-2以上时，表现为10～10.5台，说明实现杂交棉稀植3 000 kg·hm-2以上的高产水平，应保持单株10台果枝左右。

2.2.3 果枝始节高度 如图3所示，杂交棉稀植与CK的果枝始节高度变化趋势一致，始节高度从盛花期到吐絮期基本不变，CK的始节高度为22～25 cm，杂交棉稀植始节高度为16～20 cm，杂交棉的始节高度较CK降低了23.6%。杂交棉群体之间差异不显著，CK的始节高度显著高于杂交棉。与2 500 kg·hm-2以上的杂交棉群体相比，3 000 kg·hm-2以上的杂交棉群体果枝始节高度增加了2.2%。

2.2.4 倒四叶宽 倒四叶的大小是判断棉花生长好坏和管理措施是否恰当的最直观的形态指标之一[24]。试验表明(图4)，棉花的倒四叶宽随棉花的生育期呈S型变化曲线，且不同处理均在盛铃后期达到最大。杂交棉稀植处理的倒四叶宽较CK增加了9.6%。杂交棉稀植产量水平为2 500 kg·hm-2以上时，倒四叶宽表现为大于17 cm，产量水平为3 000 kg·hm-2以上时，倒四叶宽表现为大于18 cm。

IS.现蕾期 Initial squaring stage;FS.盛蕾期 Full squaring stage;FF.盛花期 Full flowering stage;FB.盛铃期 Full boll stage;LFB.盛铃后期 Later full boll stage;BO.吐絮期 Boll opening stage。下同 The same below

图1 不同产量水平下棉花株高的变化
Fig.1 Changes of plant height of cotton under different yields

图2 不同产量水平下棉花果枝台数的变化Fig.2 Number of cotton branches under different yields

图3 不同产量水平下棉花果枝始节高度的变化Fig.3 Changes of the height of the first fruit branch under different yields

2.3 冠层结构特性

2.3.1 叶面积指数 叶面积指数(LAI)的大小直接影响作物对光的截获，进而影响作物的高产[22]。由图5可知，不同处理的LAI呈先增加后下降的单峰曲线，均在盛铃后期达到最大。在整个生育期中，杂交棉的 LAI较CK平均提高了53.3%。CK的LAI最大值平均为3.1，杂交棉稀植处理LAI最大值平均为3.9～4.1，且杂交棉稀植吐絮期LAI仍能保持在3.4～4.6，衰减率为11.9%，小于CK的22.1%。杂交棉稀植产量为2 500 kg·hm-2以上时，LAI盛铃后期表现为 3.8～3.9；3 000 kg·hm-2以上时，LAI现为 4.3～4.9，较2 500 kg·hm-2的棉田提高了 11.6%，吐絮期LAI衰减率为10.7%～19.8%。

图4 不同产量水平下棉花的倒四叶宽的变化Fig.4 Changes of function leaf width of cotton under different yields

图5 不同产量水平下棉花叶面积指数的变化Fig.5 Changes of leaf area index of cotton under different yields

2.3.2 冠层开度 冠层开度(DIFN)即为透光率的大小。试验表明(图6)，不同时期杂交棉稀植处理的DIFN小于CK，较CK减少了45.5%～ 81.1%。当杂交棉稀植产量水平为2 500 kg·hm-2以上时，DIFN盛铃后期表现为 0.02～0.04；3 000 kg·hm-2以上时，DIFN表现为0.013，较产量水平为2 500 kg·hm-2以上的棉田下降了56.7%，漏光损失更少。

2.3.3 叶倾角 叶倾角(MTA)是叶轴与水平面的夹角，范围为(0～90°)，MTA越大，叶片越直立；MTA小，则叶片呈水平状。如图所示(图7)，各处理棉花MTA随生育期呈单峰曲线，峰值出现在盛铃后期。盛花期杂交棉稀植处理的MTA显著大于CK，由于常规棉盛花期植株生长细弱，叶面积指数较小，叶片较平展；盛铃期至盛铃后期是棉铃干物质积累最快的时期，MTA逐渐增大。全生育期内杂交棉稀植处理的MTA较CK提高了23.9%～26.4%。当杂交棉稀植产量水平为 2 500kg·hm-2以上时，MTA盛铃后期表现为49.8°～50.9°；3 000 kg·hm-2以上时，MTA表现为52.7°～53.1°，较产量水平为2 500 kg·hm-2以上的棉田提高了4.8%。

图6 不同产量水平下棉花冠层开度的变化Fig.6 Changes of DIFN of cotton under different yields

图7 不同产量水平下棉花叶倾角的变化Fig.7 Changes of MTA of cotton under different yields

2.4 不同时期各参数的相关性分析

不同时期的相关分析(表2)可得，籽棉产量在盛花期与始节高度呈显著负相关，与MTA呈显著正相关；在盛铃期与果枝台数和LAI呈显著正相关，DIFN呈显著负相关；在盛铃后期与倒四叶块呈显著正相关；在吐絮期与果枝台数和LAI呈显著正相关。单株结铃数在盛花期至吐絮期，与LAI呈显著正相关，与始节高度和DIFN呈显著负相关；单铃质量在盛花期至盛铃期，与MTA呈显著正相关，在盛花期至吐絮期，与始节高度和DIFN呈显著负相关；单位面积株数在盛花期至吐絮期，与始节高度和DIFN呈显著或极显著正相关，LAI及MTA呈显著负相关；总铃数在盛花期和吐絮期与株高显著正相关。说明棉花产量的增高，与LAI和果枝台数的增加直接相关。此外，LAI与MTA的增加能够显著提高单株结铃数和单铃质量，而始节高度、DIFN与单位面积株数显著正相关。

3 讨论与结论

合理密植是棉花高产栽培中的关键技术[25]。随着种植密度增加，棉花个体生长受到限制，表现为单株结铃数和铃质量的降低[21]。本试验表明，杂交棉稀植与常规棉密植相比产量有所提高，增幅为7.9%～24.1%；且主要表现单株结铃数和铃质量的同步增长，增幅分别为38%和17%。表明杂交棉稀植条件下，有利于充分发挥杂交棉的杂种优势，棉株个体生长旺盛从而弥补了群体不足对产量的负面效应，是杂交棉稀植获得高产的主要原因。与2 500 kg·hm-2的棉田相比， 3 000 kg·hm-2以上棉田主要表现为总铃数和单位面积收获株数增幅分别为1.8%～8.6%、5.1%～15.1%。表明杂交棉种植亦并非越“稀”越好，保证种植密度在12.4×104hm-2左右，是进一步挖掘杂交棉增产潜力的前提。

表3 不同时期测定参数与产量及产量构成的相关系数Table 3 The correlation coefficient between the measured parameters and yield and yield composition in different periods

注：*和**分别表示 5%和 1%的显著性水平。

Note:* and ** indicate significance at the 5% and 1% levels,respectively.

构建合理群体是棉花生产中高产高效的重要栽培措施，西北内陆棉区适宜发展“降密健株型”的群体结构，有利于棉花优化成铃和集中收获[26]。随着密度的增加，棉花个体生长减弱，整体的株高和节间长度会增加，同一节间果枝分化减少，果枝整体向内收缩生长，叶片和茎干物质分配系数减少，导致个体干物质积累减少[27]。本试验表明，常规棉高密度种植，使得株高增加和单株果枝台数减少，继续增大种植密度对产量的增幅较缓，与周永萍等[28]研究结论相似。棉花株型与产量密切相关，建立合理株型能改良群体的透光性，提高光合效率达到增产的目的[29]。本试验表明，盛铃期至吐絮期果枝台数和倒四叶宽与产量呈显著正相关，始节高度在全生育期与单位面积株数呈极显著的正相关。可见，适度稀植可以通过提高杂交棉的株高、倒四叶宽和控制始节高度，增加单株果枝数进而影响单株结铃数，从而使直播稀植杂交棉产量高于常规棉密植。杂交棉在稀植条件下，随着产量水平的增加，主要表现为株高的增加和倒四叶宽的提高，且株高在盛花期和吐絮期与总铃数显著正相关，说明杂交棉稀植条件下，适当减少化调用量，一定程度上可以提高杂交棉株高，有利于产量的增加。此外，棉花产量并不是随着果枝台数的增加而增加，高产杂交棉的果枝台数维持在10台左右。因为棉花果枝台数过少，库容较少不能发挥杂交棉的个体优势；而果枝台数过多，库容过大而源供应不足，导致上部铃成熟度低，不利于高产的形成，与付远志等[29]研究结论相似。因此，皮棉产量3 000 kg·hm-2以上的棉花株高应在73 cm以上，果枝台数维持在 10台左右，始节高度大于20 cm，倒四叶宽大于 18 cm。

合理密植有利于作物形成合理的冠层结构，合理的冠层结构能够减少漏光损失，提高光能利用率，从而提高群体光合生产力，利于干物质积累[8,10,30]。杜明伟等[22]研究表明，在新疆棉区，皮棉产量2 850～4 300 kg·hm-2水平棉田的最大叶面积指数可达4.8～5.3。本试验表明，与常规棉密植相比，杂交棉稀植显著提高了叶面积指数并延缓了叶片衰老；且在直播稀植条件下，杂交棉产量可达3 000 kg·hm-2以上，最大叶面积指数达到了4.3～4.9，并且吐絮期叶面积指数衰减率为10.7%～19.8%，在盛花期至吐絮期叶面积指数与产量呈显著正相关，维持较高的叶面积指数有利于产量的提升。刘翠等[20]研究表明，当杂交棉密度达到26.25×104株·hm-2时，群体内部通风透光性不良，下部叶片脱落严重，不利于高产群体的构建。本试验表明，杂交棉收获密度大于12.4×104株·hm-2时，叶倾角较常规棉密植提高了23.9%～26.4%，表明杂交棉适度稀植，充分发挥了其自我调节能力，在高的叶面积指数下，能够保持叶片直立，群体通风透光性强。在杂交棉稀植条件下，3 000 kg·hm-2以上的棉田，较 2 500 kg·hm-2的棉田叶倾角提高了4.8%，且叶倾角与单株结铃数和单铃质量显著正相关，这充分说明了杂交棉适度稀植可以获得更加合理的冠层结构，叶面积指数高且持续时间长，延长了光合功能期，群体内部漏光损失少，光能截获能力强，为产量的提高奠定了基础。

与常规高产密植棉花相比，杂交棉适度稀植有利于形成适宜机采的株型结构，叶面积指数高且持续期长，冠层结构合理，群体透光性强，显著提高了单株结铃数和单铃质量。实现杂交棉皮棉3 000 kg·hm-2的产量结构和农艺性状及冠层结构指标：总铃数大于120×104hm-2、单铃质量大于5.3 g、衣分率不低于42%；株高应大于在70 cm、果枝台数维持在10台、始节高度保持在20 cm、倒四叶宽保持大于18 cm；在盛铃后期LAI达到峰值4.3～4.9，衰减率为10.7%～19.8%、MTA达到峰值为52.7～53.1°、DIFN为 0.011～0.015。