种植模式对机采棉冠层光能利用与产量形成的影响

2021-09-15汤秋香崔建平郭仁松郑子漂

农业工程学报 2021年12期

张昊，林涛，汤秋香，崔建平，郭仁松，王亮，郑子漂

（1. 新疆农业大学农学院/棉花教育部工程研究中心，乌鲁木齐 830052；2. 新疆农业科学院经济作物研究所，乌鲁木齐 830091；3. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；4. 农业农村部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室，乌鲁木齐 830091）

0 引言

新疆是中国最大的棉花产区，但采摘环节仍大量使用人工，占整个生产过程用工量50%以上[1]。实现机械化采收是缓解劳动力短缺、生产效率低下，用工成本上涨的迫切需求[2-4]。棉花机械收获采用的是对行原理，需要推广与之相适应的行距配置。然而，以往人工采收形成的多样化种植模式无法满足主流采棉机（美国约翰迪尔、

凯斯）76～102 cm的特殊行距要求，严重降低了机械化采收采摘效率和品质，是棉花机械化采收比例低的重要原因[5]。此外，国外棉花生产技术也无法适应新疆当地行之有效的“矮、密、早”农艺栽培要求[6]。因此，优化种植模式对棉花机械化采收有重要意义。

美国、澳大利亚等发达国家农机农艺相配套、高产与资源高效利用同步的机采棉生产理念对中国棉花机械化采摘具有重要借鉴意义[6-8]。为了促进农机农艺融合技术的发展，通过“推行并垄”将相邻2行棉株推并在一起，形成了以“一膜六行（66+10）cm模式”为主的机采棉种植模式[3]，该模式虽然具有较好的产量表现[9]，但由于果枝交叉缠绕，化学脱叶效果差，成为机械采收籽棉叶屑杂质含量高的主要因素[10]。为此，近年来栽培学家通过“扩行缩株”方式建立了“一膜三行76 cm等行距”机采棉种植模式，可显著提高化学脱叶效率，降低子棉叶屑杂质含量和皮棉清花过程的纤维损伤[11-12]。虽然76 cm等行距种植有利于提升机采品质，但产量表现不一[11,13-14]。种植模式对机采棉光能利用及产量形成影响的机制尚不明确制约了该模式的发展。

大田条件下，作物冠层内部的光辐射传输特征具有极强的空间异质性，是衡量作物冠层结构、干物质转化效率、产量构成因子是否理想的重要指标[15-17]。优化种植模式有利于形成较为合理的冠层结构，不但能增强棉株中下部的透光性，还能提高光能利用率[18-21]，成为夺取棉花高产优质的关键。研究表明，叶片与果枝的空间分布是光能利用的重要影响参数[22]。宽窄种植模式下，窄行内可被占据的空间有限，主茎与果枝及主茎叶和果枝与果枝叶夹角变小，叶片镶嵌排列的重叠程度加重，从而造成冠层郁闭，不利于气体交换和光能利用[11,18,23]。扩大行距能促使棉花生长中后期时果枝和叶片的水平伸展，以占据尽可能多的空间，叶片镶嵌排列的重叠程度减轻，冠层间透光率高，光能利用效果较好[18]。当然，行距的变化有一定的限制，行距过大时，田间漏光较多，易造成光的损失，不利于棉花的高产、高效[24]。此外前人关于冠层辐射的研究多采用单点、单时段观测，其空间范围和精确度有限，有关不同种植模式下冠层内光合有效辐射时空变化规律的研究更是鲜有报道。因此，本研究拟探索主流机采种植模式光能利用的差异和基础，研究结果不仅有助于筛选出适宜机采且冠层透光合理，光能利用较好的种植模式，还有助于通过品种、株距、氮肥、化控、灌溉等措施建立辅助的配套技术，为改革现行机采种植模式，为促进农机农艺的深度融合提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017—2018年于新疆阿瓦提县农业农村部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室野外观测站（40°06'N、80°44'E，海拔1 025 m）进行。该地为温带大陆性干旱气候，年均气温10.4℃，≥10℃年积温为3 988 ℃，日照时数2 679 h，无霜期211 d，年平均降水量46.7 mm，蒸发量2 900 mm，蒸发降水比>50，农业生产完全依赖于灌溉。供试区0～40 cm深度土壤质地为粉砂壤土，平均干体积密度为1.5 g/cm3田间持水率（质量分数）为22.5%，凋萎系数7.3%，土壤有效水15.2%。土壤中有机质10.6 g/kg，全氮1.8 g/kg，碱解氮43.8 mg/kg，速效磷21.4 mg/kg，速效钾207.5 mg/kg，总盐分1.02%。地下水位40～50 m，地下水不能补给到作物根系分布层，向上补给量忽略不计。

1.2 试验方案

采用单因素随机区组设计，依据主流采棉机（CP690，美国约翰迪尔公司）对于行距的基本要求，选择生产中最佳密度（22.5 万株/hm2）在密度一致的基础上，设置3种不同的机采棉行距：“一膜三行”：株距5.8 cm；“一膜四行”：株距7.7 cm；“一膜六行”：株距11.6 cm（分别记为S1、S2和S3）。每3个播幅为1个试验小区，长7 m，宽6.5 m，面积45.5 m2，重复3次，行距及种植单元的标准种植模式详见图1。为减少处理之间的边际效应，每小区的第1和第3幅膜为保护行，第2幅膜为定点调查和取样位点。

供试品种为新陆中88号（新疆农业科学院经济作物研究所提供），生育时期划分如表1所示。采用膜下滴灌生产方式，聚乙烯地膜宽205 cm，厚度0.01 mm，地表覆盖度约为80%，机器覆膜人工打孔点播进行播种，出苗后只保留健壮植株1株。基肥施入磷酸二铵（P2O553.8%，N 21.2%）450 kg/hm2，尿素（N 46.4%）300 kg/hm2，硫酸钾（K2O 51%）225 kg/hm2。6月中旬开始灌溉，8月下旬结束灌溉，处理之间均采用统一的水肥管理措施，灌溉定额为4 650 m3/hm2，追施尿素600 kg/hm2，灌水定额为灌溉定额的1/10，灌溉施肥频率均为7 d/次，其他管理方式同大田。

表1 2017—2018年机采棉生育期划分Table 1 Division of growth period for machine-harvested cotton in 2017 and 2018

1.3 测定方法

1.3.1 干物质及产量测定

在主要生育时期选取长势均匀棉株3株，测量农艺性状后，拆分成营养器官（根、茎叶）和生殖器官（蕾、铃、花）2部分，在105 ℃下杀青30 min，然后转到80 ℃下烘干至恒质量。

1.3.2 叶面积指数

于主要生育时期，选择晴朗无风的天气，采用CI-110植物冠层分析仪（CID，Inc，USA）于18:00—20:00测定各处理的叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）。

1.3.3 光合有效辐射的测量

使用SunScan杆状光量子仪（Delta-T，Inc，UK）均匀分布于1 m测量杆上的64个独立传感器进行光合有效辐射（Photosynthetically active radiation，PAR）空间分布的测量。采样空间网格的建立，包括以1个标准种植单元（播幅228 cm）中轴线为基点确定0、38、76和114 cm共4个水平采样位点（W1、W2、W3和W4）；并以高度10 cm为间隔，直至冠层上方10 cm处建立垂直采样位点（H1、H2、H3、H4…）。采样周期与LAI测量保持同步，时间13:00-15:00。

1.3.4 冠层PAR透过率与截获率的计算

因为本研究中在观测期间难免会因瞬时天气的变化致使测量时的入射PAR的观测结果稍有误差，从而导致不同处理间PAR的观测不能完全同步，为此，在本研究中采用相对值（透过率和截获率）加以克服。

冠层PAR透过率[25-26]（Transmitted PAR rate，Tr）、截获率[27-28]（Intercepted PAR rate，In）计算方法如下

式中PARI为冠层顶部入射PAR（μmol/(m2·s)），PARi为冠层第i冠层高度的入射PAR。

为了更好地观察不同种植模式下机采棉冠层不同垂直方向上光截获率的变化，将冠层分为上中下3层，地面至株高1/3处为下层、株高1/3至2/3处为中层、2/3处以上为上层。并采用李艳大等[29]的方法，对相同冠层高度上4个不同水平行间位的PAR截获率进行平均处理，得到该冠层高度上的PAR截获率：

式中n分别表示冠层顶部、冠层2/3处、冠层1/3处，n-1分别表示冠层2/3处、冠层1/3处、冠层底部（地面处）。

1.3.5 产量构成因子测定

于收获期在每小区选取66.7 m2代表性样方（长2.93 m，宽2.28 m），调查实收株数和铃数，折算出单株结铃数和单位面积铃数。随机选取连续棉株10株，调查下部（1～3果枝）、中部（4～6果枝）、上部（7及以上果枝）的棉铃数，并按照相应部位摘取30朵棉铃，自然风干后称质量，折算出棉铃质量、籽棉产量、皮棉产量和衣分率等产量指标。

1.3.6 气象资料

太阳辐射及气温等气象参数由高精度自动气象站测定（Campbell Scientific Inc. USA），该气象站采用10 Hz频率采集原始数据，并提供30 min的计算均值。2017和2018年生育期太阳辐射和气温情况如图2。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS v. 22.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）LSD法进行数据差异显著性分析（P<0.05），采用SigmaPlot Version 12.5（Systat Software，Inc，USA）和Surfer 8.0（Golden Software，Inc，USA）软件作图。

2 结果与分析

2.1 种植模式对冠层内LAI变化的影响

如图3所示，各处理LAI生育期变化呈单峰曲线，在播种后108～112 d达到峰值（花期）。随着平均行距的增加，花后（110 d）LAI的峰值显著（P<0.05）降低，峰值出现时期明显提前。S3处理的LAI峰值和出现时间较S2处理高7.67%和9.89%，推迟2.40和1.80 d；较S1处理高8.00%和5.91%，推迟1.10和6.30 d。上述分析表明增大行距可以降低LAI，促进通风透光，防止贪青晚熟。

2.2 种植模式对冠层PAR透过率时空变化的影响

2.2.1 种植模式对冠层PAR透过率时间变化的影响

冠层间的透光情况可以很好的反应棉花田间的封行早晚和封行程度[30]，图4、图5为2017和2018年3个种植模式下棉花在4个主要生育时期（蕾期、花期、铃期和吐絮期）的冠层PAR透过率变化情况。结果显示，随生育时期的推进，冠层内的PAR透过率呈“高-低-高”变化趋势，且随平均行距的增加，冠层内的PAR透过率逐渐增加。如在2018年水平位置38 cm位点处，冠层下部，S1处理下，棉花冠层PAR透过率在4个主要生育时期的值分别为0.50、0.25、0.20、0.35左右，显著（P<0.05）高于S2和S3处理在同生育时期、同位点处的PAR透过率（0.30、0.20、0.15、0.30左右（S2处理），0.20、0.15、0.10、0.25左右（S3处理）），这表明随着平均行距的增加可以推迟封行的时间和减缓封行程度。

2.2.2 种植模式对冠层PAR透过率空间变化的影响

由图4、图5也可以看出，在生长发育前期，平均行距的增加，主要提高了行间水平位置38 cm和114 cm位点处的PAR透过率，对种植行水平位置0 cm和76 cm位点处的PAR透过率提升效果不大。以蕾期为例，在冠层下部，S3处理在水平位置38 cm位点处的PAR透过率为0.20（2017年）、0.20（2018年），显著（P<0.05）低于S2处理同位点处的PAR透过率0.25（2017）、0.25（2018）和S1处理同位点处的PAR透过率0.45（2017）、0.30（2018）；而3个处理在水平位置76 cm位点，冠层下部的PAR透过率均维持在0.10～0.15之间，无显著性（P>0.05）差异，表现为行间PAR透过率随平均行距的增加而增加。

在生长发育后期，田间封行，水平方向上4个位点的PAR透过率无显著（P>0.05）性差异，平均行距的增加主要提升了冠层下部的PAR透过率。以铃期为例，在水平位置114 cm位点处，S3处理冠层下部的PAR透过率为0.10（2017年）、0.10（2018年），显著（P<0.05）低于S2处理同位点处的PAR透过率0.15（2017）、0.15（2018）和S1处理同位点处的PAR透过率0.25（2017）、0.20（2018），表现为随平均行距的增加，冠层下部的PAR截获率呈增加趋势。

2.3 种植模式对PAR截获率垂直分布的影响

种植模式对冠层内平均PAR截获率时空分布的影响如表2所示。种植模式对PAR截获率的影响主要体现在蕾期和花期，随着平均行距的增加，冠层PAR截获率的总体表现为减小的趋势。

表2 种植模式对机采棉冠层光截获率空间分布平均值的影响Table 2 Effects of different planting pattern on spatial distribution of light interception for machine-harvested cotton

2 a数据显示，在蕾期，S3处理下的PAR总体截获率为87.52%（2017）和95.77%（2018），较S1处理显著（P<0.05）高出15.79%（2017）和1.74%（2018）。冠层PAR截获率的垂直变化表明，总体差异主要来源于冠层内上层部位与下层部位的差异，表现为随行距的增加，下层PAR截获率增加，上层PAR截获率减小。例如在铃期，与S3处理相比，S1处理的上层PAR截获率下降18.75%（2017）和21.94%（2018），下层PAR截获率增加52.53%（2017）和69.88%（2018）。综上所述，扩大行距虽然会降低冠层内的PAR截获率，但会增加冠层内下层的PAR截获率。

2.4 种植模式对干物质积累分配的影响

种植模式对光合产物积累和分配的影响如表3所示。行距的增加显著提高了花后干物质积累量和生殖器官分配比率，且2 a变化规律相似。为了简化分析本文仅以2 a数据平均值为例，花期S1处理生殖器官的干物质积累量、分配比率分为121.20 g/m2和11.61%，分别较S3处理高25.92%和8.18%，营养器官干物质积累量仅在花期、铃期分别较S3处理显著（P<0.05）高出18.20%（2017）、21.53%（2018）和40.12%（2017）、42.77%（2018），吐絮期无显著性（P>0.05）差异。上述分析表明增加平均行距有利于光合产物积累，促进了花后光合产物向生殖器官的转运效率。

表3 种植模式对机采棉干物质积累量的影响Table 3 Effects of planting pattern on dry matter accumulation of machine-harvested cotton

2.5 种植模式对棉铃空间分布的影响

种植模式对棉花成铃规律的影响如图6所示。随着平均行距的增大，冠层中、上部平均单株铃数和棉铃质量无显著（P>0.05）变化，但冠层下部相应指标则显著（P<0.05）增加。例如，S1处理下部平均单株铃数达2.30（2017）和2.60个（2018），分别较S2处理多0.60和0.60个，分别较S3处理多0.60和1.00个；S1处理下部平均棉铃质量分别达5.73（2017）和6.17 g（2018），较S2处理高0.33和0.47 g，较S3处理高0.33和1.00 g。上述分析表明，增加行距有利于冠层下部结铃。

2.6 种植模式对产量及产量构成的影响

不同种植模式对棉花产量有显著（P<0.05）的影响（表4所示）。随着平均行距的增加单株铃数和棉铃质量均呈增加趋势，且分别在2018年和2017年表现出显著（P<0.05）的处理间差异。行距变化对衣分无显著（P>0.05）影响。单株结铃数和棉铃质量的不同，使得不同年份的处理间均具有显著（P<0.05）的产量差异。例如，S1处理获得最高的籽棉产量，分别达到了6 507.50（2017）和6 161.08 kg/hm2（2018），较S2处理提高10.66%（2017）、10.29%（2018），较S3处理高出23.10%和15.32%（P<0.05）。上述分析表明，增加行距能够增加成铃数量（2 a平均增加16.7%）和棉铃质量（2 a平均增加6.6%），显著(P<0.05)增加了籽棉（2 a平均增加19.21%）和皮棉产量。

表4 种植模式对机采棉产量和产量构成因子的影响Table 4 Effects of planting pattern on yield and its components factors for machine-harvested cotton

2.7 不同种植模式下行距与产量和产量构成及PAR截获率的相关分析

由图7可知，行距、单株铃数、棉铃质量、籽棉产量以及冠层间PAR截获率之间具有一定的相关性。其中，行距与单株铃数、棉铃质量以及籽棉产量呈正相关关系，且达到了显著性（P<0.05）水平。说明行距的增加有利于产量及产量构成因素的形成。行距与PAR截获率相关分析表明，行距与下层PAR截获率呈极显著（P<0.01）正相关关系（相关系数为0.82），与中层、上层之间呈负相关关系，说明行距的增加会减少中层、上层的PAR截获率，提高下层的PAR截获率。冠层间PAR截获率与产量构成间的相关分析表明，单株铃数、棉铃质量和籽棉产量与下层PAR截获率呈显著正相关关系，与中层、上层PAR截获率间呈负相关关系。说明行距的增加，提升了冠层内下层的PAR截获率，从而增加了单株铃数和棉铃质量，最终实现了产量的提高。

3 讨论

3.1 种植模式对棉花LAI的影响

叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）是指每单位面积上的叶总面积[31]，反映了作物生长状况与发育态势，同时也是衡量群体冠层结构是否合理的一个重要指标。LAI消长情况是群体结构的重要组成部分，LAI在作物生长发育中会先随作物的生长而增加，在作物叶片衰老和达到最大值后降低[18]。LAI是直接量化棉花群体发展动态的一个指标，比较容易受到人为调控。本文不同处理间的LAI分析表明，种植模式对棉花群体的LAI具有明显的调节作用，这与李建峰[11,32]等研究一致。本文2 a试验结果表明，在生育前期，与S3处理相比，S1处理的LAI有所减小，但差异不显著（P>0.05）；在生育后期，S3处理的LAI降幅较小，在吐絮期时也维持了较大的LAI，2 a数据分别为3.97、4.13，这会造成群体过大，导致冠层中下部荫蔽，下部叶片光照条件不好，光合作用有效面积小，最终降低群体光合速率降低而影响高产的形成。

3.2 种植模式对冠层透光率及光截获的影响

作物冠层PAR透过率的大小是受到叶片生理特性和冠层结构特征决定的[18,22,23]。对棉花等栽培作物而言，冠层PAR透过率情况直接影响群体光合速率，适当提高冠层中下部的透过率能够提高作物的光合能力，可提升产量[33]。冠层PAR透过率和LAI大小关系密切，并且同时也受叶片镶嵌排列的影响[34]。有研究表明，作物上部LAI过高，随生育进程的推进植株中下部叶片的受光条件将会恶化，从而降低冠层下部PAR透过率，影响下部叶片光合作用，进而降低冠层群体光合总效益[18,20]。而适当增加行距，可改善窄行和冠层中下部叶片的重叠程度，从而解决PAR透过率较低的问题，提升群体冠层光能利用率。本文2 a试验数据（图4～5、图6）表明，与S3处理相比，S1处理冠层中部的光截获率减小，冠层下部的光截获率增加，但S1处理棉花中部的棉铃数和棉铃质量并没有降低，反而是下部的棉铃数和棉铃质量出现了增加的现象。这说明，在S3处理冠层中部的光截获出现饱和，而冠层下部受光较弱，不能满足其棉铃的发育，从而造成了冠层中部的光能浪费，下部的光能缺失，不利于产量的形成。而S1处理在没有影响冠层中部发育的基础上，把多余的光能传输到了冠层下部，增加了下部的结铃数和棉铃质量，从而增加了产量。

3.3 种植模式对干物质积累、分配及产量的影响

合理的种植模式可以较好的协调新疆高密度条件下棉花个体的通风透光条件[33]，能够改善棉花对微气象因子特别是光的利用，进而增加产量。受地域限制和环境因子的影响，关于种植模式对棉花干物质积累、分配及产量影响的研究结果并不一致。李建峰等[11]认为，适宜密度下采用S3种植棉花可以减小植株间的竞争，进而促进个体的生长发育，提高群体的光和特性，而杨培等[32]认为，S1种植可以提高群体整齐度，冠层内的光分布更为合理，有利于干物质的积累和产量的形成。本文2 a试验数据表明：不同机采棉配置模式对棉花干物质积累量及干物质分配量产生了一定的影响。与S1处理相比，S3处理虽然冠层内中层、上层PAR截获率较高，但其在花期、铃期的干物质积累量显著低于S1处理，2 a数据显示分别低出20.31%、35.13%和21.00%、21.37%，且向生殖器官的分配比例较低。产量与冠层中层、上层PAR截获率呈负相关关系，与下层光截获率呈正相关关系。这与柏延文等[16-17]的研究结果不同，可能原因是，在光能资源丰富的新疆棉区，S3种植模式下棉花冠层中上部截获了90%以上的光能，但并不能全被冠层中、上部器官吸收利用，造成了光能的浪费，而下部能被叶片吸收利用的光能有限，生长发育受阻，甚至出现下部叶片早衰、蕾铃脱落的现象，极大地影响了产量的形成。S1种植模式下，行距的扩大减少了冠层中、上部PAR截获率，但与S3处理下中上部的结铃数和棉铃质量相比，并没有出现降低的现象，反而是由于下层PAR截获率的提升，下部的叶片可以进行正常的光合作用，终增加了下部的结铃数和棉铃质量，这说明高的光能截获率并不是棉花高产决定性因素，冠层内光能的合理分配才是棉花高产的关键。