种植密度对长江流域直播棉花群体生长的影响

刘 帅,李亚兵,白志刚,胡启星,崔爱花*

(1.江西省棉花研究所,江西 九江 332105;2.中国农业科学院 棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室,河南 安阳 455000)

棉花是我国的重要战略物资,在国防和国民经济中占有重要地位。近年来,粮棉争地的矛盾日益凸显,增加棉花单产则是缓解这一问题的关键[1],而合理的种植密度是实现作物高产高效的重要途径之一[2]。棉花的合理密植有利于协调个体与群体之间的矛盾,在个体发育健壮而不早衰的同时保证一定数量的群体,使单位面积株数、单株结铃数、铃重得到协调发展,从而实现棉花高产高效[3,4]。关于棉花种植密度的研究已有诸多报道,但由于试验地区、遗传材料和试验设计的差异,结论不尽相同。张旺锋等[5]认为在新疆光照充足条件下,棉花种植密度为18.0万株/hm2时具有良好的冠层结构,群体光合速率较高;周永萍等[6]用冀863品种进行试验，得出在河北省适宜的种植密度为7.0万～9.0万株/hm2;也有学者发现不同氮肥用量、整枝方式和化控措施均对棉花的适宜种植密度有一定的影响[7～9]。

长江流域棉区棉花种植以育苗移栽为主,也有采用地膜覆盖和育苗移栽加大田地膜覆盖方式的,而直播方式很少采用[10],但直播棉花是长江流域植棉区由传统栽培向轻简化栽培转变的重要标志[11]。因此本研究以长江流域主栽棉花品种为试验材料,在常规田间管理方式下,通过分析不同种植密度对棉花群体生长的影响,探索了在长江流域直播方式下棉花的适宜种植密度,旨在为提高长江流域棉区棉花的产量与品质，以及加快轻简化、高效化栽培的研究提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在江西省棉花研究所试验基地(江西省九江市,29°42′N,115°51′E)进行,试验用棉花品种为赣早5号(由江西省棉花研究所提供),播种日期为5月20日,采用直播方式种植,行间距为0.76 m,等行距种植,小区面积68.4 m2。该地土壤类型为壤质灰潮土,耕作表层有机质含量为1500 mg/kg,全氮为1070 mg/kg,速效磷为60 mg/kg,速效钾为251 mg/kg。耕作制度为多年棉花连作,冬季空闲。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计,设置6个种植密度处理：M1，1.50万株/hm2；M2，3.75万株/hm2；M3，6.00万株/hm2；M4，8.25万株/hm2；M5，10.50万株/hm2；M6，12.75万株/hm2,每个处理3次重复。施肥方式为基施和追施,基肥为棉花专用氮肥600 kg/hm2、氯化钾150 kg/hm2、过磷酸钙375 kg/hm2；在7月30日追施尿素300 kg/hm2;在棉花蕾期、初花期、盛花期和打顶后各喷施1次缩节胺(DPC);打顶日期为8月5～10日,方式为人工打顶;此外的其他田间管理与当地生产管理方式一致。

1.3 调查方法与内容

冠层PARI (Photosynthetically active radiation interception rate, PARI)测量:在8月15日上午10:00～11:00,采用SY-HGY光合有效辐射传感器(由石家庄世亚科技有限公司生产),在试验小区内选取具有代表性的两行棉花,在棉行中间纵向和横向每隔20 cm,即在冠层空间以网格形状从西至东、从下至上将探头朝上测定入射光(Incident photosynthetically active radiation, PARi),探头向下测定反射光(Reflected photosynthetically active radiation, PARr), PARI的计算公式为:PARI=1-PARr/PARi。由Surfer 12(美国Golden Software公司)的辛普森3/8规则计算得出冠层PARI的空间分布数据。

农艺性状调查:在播种后50、70、90、110 d进行单株棉叶取样,将棉叶平整无重叠地置于白色底板上，用固定高度的Microsoft摄像头(美国Microsoft公司)拍照,用Image-Pro Plus 6.0(美国Media Cybernetics公司)内置算法计算叶面积(Leaf area, LA),由试验小区实收株数与小区面积进一步计算得出叶面积指数(Leaf area index, LAI);于打顶前,在每个小区内选择长势均匀一致的连续10株棉花,进行株高、果枝始节、果枝数和干物质量的调查。

产量性状调查:于收获前选定连续生长的10株棉花，调查单株吐絮铃数,由此计算单株铃数;于每个试验小区内采收正常吐絮的棉铃50个，计算铃重。采用皮辊轧花机(SY-20)获取皮棉,并以50铃的皮棉质量计算衣分。

纤维品质调查:于50铃皮棉中抽取样品约25 g，测定纤维品质(由农业部棉花品质监督检验测试中心测定)。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和 SAS 9.2对试验数据进行统计分析,采用单因素方差分析和Duncan’s新复极差法进行差异显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同处理对棉花冠层PARI空间分布的影响

棉花冠层PARI与种植密度密切相关。为了便于观察棉花冠层不同部位的PARI,将棉花冠层划分成不同部位(图1)分别进行分析,其中a1区(内部)为靠近棉行的冠层位置,a2区(外部)为两条棉行中间的冠层位置,b1、b2、b3则分别为冠层上、中、下位置。

a1:冠层内部；a2:冠层外部；b1:冠层上部；b2:冠层中部；b3:冠层下部。图1 棉花冠层不同空间位置的划分

在8月15日,棉花已处于花铃期,此时是棉花生殖生长和营养生长两旺的重要时期,该时期群体冠层PARI达到最大。从表1可以看出,在一定的密度范围内,棉花冠层群体PARI与密度呈正相关关系,并在密度为6.00万株/hm2(M3)时达到最大,M1处理的PARI最低。在M1处理下,棉花冠层上部和中部的PARI差别较小, 上部和下部的差异较大;而M2处理的中部PARI较上部有明显升高,且下部PARI达到了较高水平;M3处理不同冠层位置的PARI均较其他处理高,在冠层上部区域已经达到0.42,在中、下部区域均在0.82以上;随着种植密度的继续增加,棉花冠层不同位置的PARI有所降低,这可能与密度过高引起棉株节间分化减少,果枝向内收缩生长有关。不同处理棉花冠层内部与外部的PARI变化不大,且均随密度的增大呈先增大后降低的趋势。

表1 棉花冠层不同部位的PARI

距棉株横向距离20 cm处为棉铃内围铃着生部位,该部位PARI的大小对于内围铃的生长具有重要影响。由图2可见,在距地面一定高度内,PARI随高度的升高而保持平缓趋势,但在到达一定高度后开始快速降低,这主要与冠层上部叶片减少有关。其中M1、M2、M3、M4、M5和M6处理分别在距地面约20、40、80、60、50、45 cm以上PARI开始快速降低，可见随着种植密度的增加,PARI开始快速降低的高度呈先升高后降低的趋势,并在M3处理达到最高。

图2 距棉株横向20 cm处PARI的纵向变化

2.2 不同处理对棉花农艺性状的影响

不同密度处理之间株高差异不显著(P>0.05),但M1处理的株高较低(图3)。不同密度处理的果枝始节差异亦不显著,各处理的果枝始节均在第6.0果枝及以上,高密度(M4、M5、M6)处理的果枝始节较低密度(M1、M2、M3)处理略高,其中M3处理的果枝始节最低。在一定范围内,棉株的果枝数总体上随密度的增大而减少,其中M1、M2处理的果枝数明显多于其他密度处理的；在M3、M4、M5、M6处理之间棉株果枝数无显著差异(图4)。

同一颜色柱不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。下同。图3 不同处理棉花株高的变化

图4 不同处理对棉花果枝始节与果枝数的影响

棉花单株叶面积与密度在一定生育时期内呈负相关,在播种后70 d内,不同处理的单株叶面积差别不大;在播种后90～110 d期间,高密度处理(M4、M5、M6)的单株叶面积低于低密度处理(M1、M2、M3),且在M4、M5和M6处理之间差别不大;M1处理在生育后期仍保持较高的单株叶面积,而其他处理在播种后90 d时达到峰值,之后开始逐渐降低(图5A)。在一定生育时期内,棉花的LAI与密度呈正相关,LAI随生育时期的推进表现出先升高后降低的趋势;各处理的LAI在播种后90 d时达到最大值,此时,M1、M2、M3、M4、M5、M6处理的LAI分别为1.38、3.05、4.36、4.63、5.74、7.27(图5B)。

图5 不同处理棉花单株叶面积和LAI的变化

由表2可知,在一定范围内,全株干物质量随密度的增加呈逐渐减小的趋势；棉株地下部分、地上营养器官和地上生殖器官干物质量亦与密度呈负相关,并在不同密度处理之间表现出显著差异(P<0.05)。不同处理棉株的根冠比保持在0.10～0.11。M2处理的地上部生殖与营养器官比最大,但地上部生殖与营养器官比随密度变化的规律不明显。

表2 不同处理对棉花干物质量的影响

2.3 不同处理对棉花产量构成的影响

由表3可知,在一定范围内,随着播种密度的增加,籽棉产量表现为先增加后降低的趋势。其中,在M4密度处理下,籽棉产量显著高于其他密度处理的(P<0.05);在M6处理下,籽棉产量最低。在一定范围内,单株铃数大致与密度呈负相关,其中M6处理的单株铃数显著低于M1处理的(P<0.05)。在不同处理间棉株铃重差异不显著,但M1处理的铃重较大,M6处理的铃重较小。M1处理的衣分最高,M3、M4、M5和M6处理的衣分较低。

表3 不同处理对棉花产量构成因子的影响

2.4 不同处理对棉花纤维品质的影响

在M4、M5处理下,棉花纤维上半部平均长度较大,在27.30 mm以上,显著大于M1处理的(P<0.05);整齐度指数在M4处理下较高,并显著高于M1处理的(P<0.05);M3、M4和M5处理的断裂比强度均在31.30 cN/tex以上,显著高于M1和M6处理的(P<0.05);在一定范围内,棉花纤维上半部平均长度、整齐度指数和断裂比强度有随密度的增加呈先增大后减小的趋势;种植密度对棉花纤维的马克隆值和伸长率没有显著影响(表4)。

表4 不同处理对棉花纤维品质的影响

3 讨论

种植密度对棉花群体结构的发育具有重要影响,这主要表现在密度对光合作物冠层间的分布[12]和对LAI的影响上。在本研究中,当种植密度为6.00万株/hm2时,距棉株横向20 cm处的PARI在距地面80 cm以下均较高,这表明在该密度下冠层中上部群体发育情况较好;当植棉密度在6.00万～8.75万株/hm2之间时,棉花冠层群体的PARI达到最大,且在冠层不同部位PARI均较大,因此,在该密度范围内棉花冠层对PAR的截获能力较大,这与刘帅等[13]在黄河流域研究得出的结论相似。LAI是衡量群体结构是否合理的重要指标之一,高产棉田群体在整个生育期内的LAI变化曲线呈开口向下的趋势,在花铃前期LAI达到最大LAI的1/2,在生育后期LAI下降较为平缓且至少维持在最大LAI的1/2以上[14]。前人研究表明,高产棉田生育期内的最大LAI在4.32左右较为适宜[10]。在本研究中,当种植密度为6.00万株/hm2和8.75万株/hm2时籽棉产量较高,而在这2个密度处理下棉田的最大LAI分别为4.74和5.12,高于4.32,这可能与近年来棉花品种的改良和栽培方式的不断改进有关。

种植密度是构成棉花群体结构的重要因素,直接影响棉株的生长和发育,是重要的棉田管理措施。本研究得出：在密度为1.50万株/hm2时,棉株的株高最低；随着密度的增大,株高有所增加,但不显著；果枝数与密度呈负相关关系,这与戴茂华等[15]的研究结论相似。本研究发现，果枝始节随密度变化不显著,这可能是因为密度对棉花苗期生长的影响较小。对于低密度处理的棉花群体,其植株个体生长条件较好,有助于个体的生长发育[16]。刑晋等[17]的研究发现,增加栽培密度会使棉株各部位的干物质量均呈降低趋势。本研究亦发现棉株全株、地下部、地上营养器官和生殖器官的干物质量与密度在一定范围内呈负相关关系。

棉花产量由铃数、铃重和衣分决定,对于同一品种,铃数是决定产量的关键因素。李建峰等[16]的研究表明,单株铃数与密度呈负相关关系。本研究结果表明：单株铃数亦随密度的增加而减小；在不同处理之间铃重差异不显著；当密度为1.50万株/hm2和3.75万株/hm2时,棉花的衣分较高。有一部分学者认为衣分受密度的影响较小,主要受遗传因素的调节[18,19]；但也有学者的研究发现衣分会随着密度的增加而减小[20],这可能是由于密度过大导致光合产物运输不均。姬攀攀等[21]的研究表明,当夏直播棉的种植密度为6.75万～7.50万株/hm2时,能有效提高棉花的单株铃数与铃重,获得较高的产量。本研究发现,虽然在低密度下获得的单株铃数较多,但由于密度较小,籽棉产量并没有得到提高；而当种植密度为6.00万株/hm2或8.25万株/hm2时,既保留了高密度的群体,也保持了较高的单株铃数,从而获得了较高的籽棉产量。

棉花纤维品质受到栽培措施和环境条件的影响,采取适当的种植密度,并配合农艺措施,有助于纤维品质的改善。适当的种植密度有利于冠层PAR的合理分布[22],能有效地促进光合产物向棉铃的运输,有助于纤维品质的改善。本研究结果显示,当种植密度为6.00万～10.50万株/hm2时,棉花纤维的上半部平均长度、整齐度和断裂比强度较高,而马克隆值与伸长率在不同处理之间差异不显著。

4 结论

本研究结果表明:在长江流域,当棉花的种植密度为6.00万～8.25万株/hm2时,冠层可获得较高的PARI及适宜的群体LAI;在低种植密度(1.50万～6.00万株/hm2)下,棉株的株高、果枝数均低于高密度(8.25万～12.75万株/hm2)下的;在一定的密度范围内,棉株全株、地下部、地上营养器官和地上生殖器官的干物质量均与密度呈负相关关系;棉株的单株铃数与密度呈负相关关系,但籽棉产量在一定范围内随密度的增大先升高后降低,并在密度为8.25万株/hm2时达到最大;当种植密度为6.00万～10.50万株/hm2时,棉花纤维的上半部平均长度、整齐度和断裂比强度较高。综上可知,当直播棉花的种植密度为6.00万～8.25万株/hm2时,有利于棉花产量与纤维品质的提高。