机采种植模式下无膜栽培在棉花生产上的应用效果

辛明华，魏恒玲，杨北方，李小飞，范正义，韩迎春，李亚兵，喻树迅

(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)

0 引 言

【研究意义】2014年棉花产业技术体系提出棉花无膜种植方案，2019年无膜棉的研究和利用初见成效，但配套栽培技术研究滞后，栽培管理方式还不能充分发挥无膜棉的潜力，急需针对无膜棉与有膜棉在生育期、株型、光资源等指标的差异性原因研究出一套新的栽培管理规程，以加快其推广，无膜棉品种配套栽培技术的研究工作[1-3]，通过农艺配套栽培管理措施促使无膜棉增产增效。【前人研究进展】研究表明，地膜能有效接纳太阳辐射，并被土壤吸收转化为热能，可阻止近地层冷空气流动造成的膜下土壤热量散失，阻断了热能以长波向外辐射，减少水分蒸发时所需热能，减少了热量通过向近地表空气对流时散失，具有显著增温和保温作用[4-19]。目前，全国50多种作物使用地膜覆盖可使作物水分利用效率平均提高58.0%，利于株型发展，利于冠层结构合理配置[21-29]。研究表明，无膜种植可以提高棉花对逆境的适应力，增强自身耐盐性、促进根系下扎、抑制田间杂草[30-34]等作用，利于盐碱地开发[9, 35]。此外地膜棉前期根系发育较好，但一级侧根离地面较近，呈水平生长，在花铃期最易受旱，开花以后根系功能显著衰退，主茎生长过早停止，叶面积指数在2.5以下，管理不当极易发生早衰[20]。喻树迅等[36]研究表明，通过选育出早熟、无膜覆盖品种中棉619，可以躲开传统棉花前期地温和积温不足的生长期，促进棉花生长发育，并保持产量和效益，实现棉花行业节本增效、绿色可持续发展。【本研究切入点】前人对传统棉花覆膜研究较为深入，但有关无膜种植模式下机采棉的报道较少。研究无膜种植对机采棉生长发育及产量的影响。【拟解决的关键问题】利用目前筛选到的示范试验面积最大且适宜新疆无膜种植的棉花新品系中棉619，研究无膜棉在机采等行距种植模式下的生长发育特点及物质产量形成规律，为无膜棉合理密植栽培技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2019年在中国农业科学院棉花研究所新疆阿拉尔试验站开展(40°51'N，81°30'E)。供试土壤为砂壤土，中等肥力，属暖温带大陆干旱荒漠气候，年均气温10.71℃，≥10℃累计年日照时数达1 812.00 h，常年平均降雨量50.13 mm,无霜期198.74 d。试验田土壤pH为7.18，0～20 cm土层有机质含量为13.41 g/kg、全氮含量1.27 g/kg、有效磷29.66 mg/kg、速效钾162.31 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验采用随机区组设计，3 次重复，行距配置为66 cm+10 cm机采棉种植模式，每区6膜，每膜6行，50 m长，覆膜宽2.05 m，小区面积 667 m2。前茬作物棉花。4月14日开始整地，4月15日撒施化肥，施肥量为磷酸二铵375 kg/hm2，尿素225 kg/hm2，有机肥1 500 kg/hm2，随后翻耕，耕深25～30 cm，播期为4月16日，播种密度 25.2 ×104株/hm2。5月24日滴头水，全生育期共滴水11次，每次灌水量430 m3/hm2，共滴施尿素660 kg/hm2、高钾高磷滴灌肥495 kg/hm2。全生育期防治棉蓟马2次、蚜虫8次，7月16日打顶，10月初开始收花。打顶、化控、植保措施同当地机采棉栽培模式相同。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 农艺性状

从棉花播种开始到吐絮结束记录不同阶段的生育时期，并于3叶期定苗。分别于播种后48、63、72、86、94、108和121 d，在每小区中间2行选取具有代表性的2株棉花，对其器官根、茎、叶、花、铃、絮测定鲜重；采用扫描仪(Phan-tom 9800xl，MICROTEK，Shanghai，China)和图像处理软件Image-Pro Plus(Media Cybernetics，Rockville，MD， USA.)获取叶面积，计算叶面积指数(Leaf area index)。将分解后的鲜样放入烘箱105℃杀青处理30 min，再80℃恒温烘干至恒重，称重获取干物质质量。

通过Logistic方程[37]对棉花干物质积累变化进行拟合。Logistic方程的方法和特征值如下：Y=K/[1+e(a+bt)]，其中Y为棉花干物质积累量，t为棉花播种后天数，K为干物质最大积累量，a、b、k为待定系数。当t=t0时，Vm=﹣bK/4，此时又叫速度特征值。通过求二阶导数得出t1和t2。t1和t2将Logistic生长函数“S”型曲线分为3个阶段，在0～t1时间内，干物质积累呈缓慢上升的趋势；在t1和t2时间内干物质或养分的积累速度加快，几乎呈直线增加趋势；在过了t2时刻后，干物质或养分的积累速度又减缓下来，使Y最终趋向于K。Δt=t2-t1,为时间特征值，表示作物旺盛生长期(干物质积累快速增长期)的时间长短；在t2～t1时间内，GT=-bk/4×Δt，GT为“生长特征值”，它表示干物质或养分的积累量已达到最大积累量的65.8%。

1.2.2.2 光截获率

采用空间网格法，分别于播种后48、63、72、86、94、108和121 d在不同处理的试验区域选取长势均匀一致的2行棉花，在棉花行间(横向80 cm)以及地面至冠层顶部(纵向100 cm)均以20 cm为间距测定冠层光合有效辐射(PAR)，测量仪器选用1 m长的线性光量子传感器(LI-191SA, LI-COR, Lincoln, NE, USA)，将其与数据采集器(LI-1400, LI-COR, Lincoln, NE, USA)相连，记录测量结果。冠层的PAR[(μmol/(m2·s)]透过率(Tr)、反射率(Rr)和截获率(In)计算公式参考刘帅等[38]的方法。

Tr=PARt/PARi，

Rr=PARr/PARi，

In=(PARi-PARt-PARr)/PARi．

式中，Tr代表冠层PAR透过率(μmol / (m2·s))，PARi为冠层顶部入射PAR(μmol / (m2·s))，PARt和PARr分别为冠层底部入射PAR和冠层顶部反射PAR。

1.2.2.3 指标测定

在棉花成熟期进行田间测产，每个处理选取连续50株带回室内进行考种，分别测定其果枝数、果枝始节、单株铃数等农艺性状。在吐絮盛期时，每小区随机抽取200个正常吐絮的棉铃，分别测定其籽棉重、单株铃数，计算单铃重，籽棉分别扎花，测定皮棉重，计算衣分。

1.3 数据处理

用Microsoft Excel2017软件进行数据整理；用Surfer 16和Stata 14软件进行光合数据处理；用SPSS 23.0统计软件进行差异显著性分析(Duncan法)。

2 结果与分析

2.1 无膜种植对棉花生育进程的影响

研究表明，无膜棉种植使棉花生育各时期延长，较对照处理出苗期延迟7 d，差异显著，现蕾期推迟12 d，差异显著；前者与后者相比，开花期和吐絮期均推迟5 d，差异不显著；全生育期相差9 d，差异显著。表1

表1 不同处理棉花生育进程比较Table 1 Comparison of growth process of cotton with different treatments

2.2 无膜种植对棉花叶面积指数的影响

研究表明，2种栽培模式下，叶面积指数呈现单凸曲线变化，无膜栽培的棉花叶面积指数均低于覆膜栽培，前者与后者相比，从播种后48至94 d各阶段总的叶面积指数差距较大，降幅达到27.91%，播种后94至121 d差距变小，降幅达到15.82%。且播种后94 d时，2处理的叶面积指数最高，此时2处理差距最小，无膜叶面积指数(3.84)较有膜叶面积指数(4.18)降幅达到8%。图1

2.3 无膜种植对棉花群体光截获率的影响

研究表明，冠层光截获率和播种后时间线性拟合度分别为0.846 7、0.940 3。2种种植模式冠层光截获率呈现开口向下的二项式分布，于播种后94 d达到最大值，无膜、有膜处理的冠层光截获率分别为0.609、0.628。不同处理间比较，整个生育期内无膜处理的冠层光截获率均低于有膜处理，且R2均达0.8以上。棉花生育前期(播种后48至94 d)植株矮小，群体结构差异较大，冠层光截获率增加缓慢；随着植株生长，冠层光截获率差异逐渐缩小，达到最大值后无膜与有膜处理的冠层光截获率分别相差0.019；后期(播种后94至121 d)棉株生理机能逐渐下降，叶片发黄脱落，冠层光截获率也随之下降，此时无膜处理的下降速度低于有膜，其降幅分别为58.59%、65.75%。图2

有膜栽培和无膜栽培对叶面积指数的影响直接导致了冠层光截获率的差异，2处理对冠层光截获率的影响主要通过影响叶面积的生长来体现，其相关系数分别为0.936 5和0.879 4。图3

2.4 无膜种植对棉花干物质积累的响应

研究表明，棉花地上部干物质积累最快时期出现在播种后62～101 d，其中无膜处理的t1比有膜处理推迟6 d，其旺盛生长结束期(t2)也比有膜处理推迟3 d；无膜处理干物质快速积累期持续时间(Δt)比有膜处理短3 d；无膜处理的干物质积累最大速率(Vm)和干物质积累最大值(Wm)分别低于有膜处理32.24%、33.74%，但无膜处理的生长特征值(GT)比有膜处理高29.30%。表2

表2 棉花单株干物质积累Logistic模型Table 2 Logistic model of dry matter accumulation per cotton plant

2.5 无膜种植对棉花产量及其构成因素的影响

研究表明，在相同栽培技术条件下，无膜种植的棉花产量及其构成因素指标均低于有膜种植。除始果枝节位低于有膜处理0.29节差异不显著外，单株果枝数、单株结铃数和铃重分别低于有膜处理2.1个、2.7个、1.1 g，显著性差异；另外，从产量收获指标来看，无膜处理的籽棉和皮棉产量比有膜处理低6.73%、7.79%，差异不显著，且衣分变化不明显。表3

表3 不同处理下棉花产量及其构成因素的变化Table 3 Changes in cotton yield and its constituent factors under different treatments

3 讨 论

3.1 无膜种植对棉花生育期、产量的影响

已筛选到适宜无膜种植的早熟棉花新品系中棉619及其相应的配套栽培技术[39-41]。生育期是影响棉花生态适应性的重要指标之一，在不同生态区具体表现也不同[42]。练文明等[3]研究认为,南疆无膜棉的最佳播期在4月中旬，中棉619可以巧妙的躲开早春低温霜冻等不良天气导致棉花出苗缓慢的劣势，实现棉花种植不再需要覆盖地膜的目标。马丽等[1]研究表明，无膜栽培生育期延长，水肥流失较快对棉花产量提高不利，但节本增效，减少土壤污染。试验结果与前人研究一致，无膜栽培与覆膜栽培相比于出苗期晚7 d、现蕾期晚12 d，造成整个生育期滞后9 d。此外，覆膜虽对作物生长发育和增产起到重要作用，但也存在不足。覆膜对作物生长发育和增产起到重要作用。蒋锐等[43]研究指出，覆膜改变了土壤的水热状况，促进了作物生长，导致水分高额消耗，造成土壤水肥的“透支”，不利于农业可持续发展。刘胜尧等[44]发现膜内温度高，可能加重旱情，反而不利于激发作物产量潜力。汪景宽等[45]研究指出，覆膜导致作物生理性早衰，易出现前期作物徒长，后期营养不足的现象。严重影响产量指标形成。研究结果中，无膜栽培棉花产量构成指标均低于有膜棉，籽棉和皮棉产量低于有膜棉，降幅达6.73%、7.79%，差异不明显，可能是由于无膜棉收获密度少，不利于发挥群体产量，产量低。

3.2 无膜种植棉花的群体形成特征

生育期不同会影响作物植株叶面积的形成和群体的光合势的大小，对群体光能截获率产生重要影响[46,47]。研究表明，作物冠层特性受生态环境影响，覆膜的增温保湿效应引起土壤生态环境变化有利于形成合理冠层结构，促进土壤养分转化和作物吸收利用，可形成优良株型，叶片分布合理，有效提高光合辐射，从而利于叶片形成，促进光合作用[48,49]。试验区内，2种栽培模式叶面积指数和光截获率均呈先升高后降低的趋势，且在生长前期差距最大，生长末期差距最小，但各时期均因是否覆膜表现出差异，尤其是无膜棉，在整个生育期内叶面积指数和光截获率均处于较低水平，后期势头较大，差距变小，无膜棉贪青晚熟，有利于维持较长期的光合作用，保持绿叶持续时间。且两者呈指数变化的正相关关系，相关系数分别为0.936 5和0.879 4，随叶面积指数增大，光截获率表现出随之比例的增加，其对PAR截获率的影响主要体现在植株群体叶片的分布，这与前人[48]研究结果一致。

干物质是作物光合产物的表现形式，是作物产量形成的基础，棉花产量和品质的形成实质上就是干物质生产、积累和分配的过程[50-51]。研究显示，无膜处理下的干物质积累起始期和结束期晚于有膜棉，且干物质积累的持续期和最大速率均低于有膜棉，但干物质最大积累量和生长特征值却高于有膜棉。无膜条件下棉花的干物质积累量仍有着较高潜力，但或是因干物质积累起始期较晚，或持续期时间不够，才最终导致无膜棉与有膜棉产量上的差异。生产上通过优化、协调、配套各项管理措施，通过发挥群体效应，可以弥补这种差距。

4 结 论

无膜栽培模式下棉花生育期、叶面积指数、冠层光截获率、干物质积累以及产量与覆膜条件下相比均有显著变化，无膜棉生长发育较覆膜条件下有所滞后，后期差异逐渐缩小。覆膜与无膜改变了棉花的生态环境，影响无膜栽培下弱苗迟发、贪青晚熟，植株的果枝始节、果枝数、单株铃数、单铃重、衣分均低于覆膜栽培，但籽棉和皮棉产量较有膜减少6.73%、7.79%，差异不明显。