种植密度对南疆机采棉群体农艺特征和产量的影响

张娜， 冯璐， 马云珍， 李玲， 范正义， 李小飞，杨北方， 万素梅， 李亚兵*， 徐文修*

(1.新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052；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；3.塔里木大学植物科学学院，新疆 阿拉尔 843300)

棉花(GossypiumhirsutumL.)是世界性的大宗经济作物，是重要的战略物资。我国是世界产棉和用棉大国，目前单产和总产均居世界前列[1]。新疆是我国主要产棉区之一，依靠“矮、密、早、膜”的栽培技术，尤其是膜下滴灌和水肥一体化先进技术的加持，其植棉面积、总产及单产在全国均一路攀升。据统计，2018年新疆棉花播种面积为249.13万hm2，总产达511.1万t，分别占全国的74.32%和83.84%，单产为全国平均水平的112.83%[2]。然而，由于近年来棉花生产向“轻简节本”转变以及机采对集中收获的要求[3]，诸如因群体密度过大存在荫蔽而造成蕾铃脱落率、烂铃率升高[4]、脱叶效果差[5]等高密度小株型群体结构的弊端也随之显现。因此，探究如何通过合理密植发挥棉花个体优势，将传统小株型群体优化为健株型群体，构建良好群体结构以符合“轻简化”栽培的新发展需求是目前生产中亟待解决的现实问题。

研究表明，通过不同肥料施用、水肥管理措施可对机采棉农艺性状进行有效调控，进而实现优化棉花产量结构、增加籽棉产量的目的[6-7]。增加植株高度可使株型更符合机采要求，增加茎粗则可减少倒伏、降低机采损失[8]；低密度下杂交棉产量最高，生育前期叶面积指数增长迅速，生育后期叶面积指数下降较缓慢，个体光合生产能力相对较高[9]，而高密度栽培条件下作物直立叶有利于群体的光能截获[10]。然而，前人研究多是基于结合不同种植模式[11]、品种比较[12]、氮肥[13]、化学调控[14-15]等措施下进行的，有关密度对机采棉株型影响的研究较少，且研究结果也因区域生态环境及栽培品种而有所差异。为此，本试验在前人研究基础上，以塑造稳健株型群体结构为目标，针对我国棉花生产中产量水平较高的南疆棉区，探寻棉花种植密度对群体农艺特征及产量结构的影响，揭示南疆高产群体特征，以期为优化南疆棉区机采棉高产群体构建提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年4月至10月在中国农业科学院棉花研究所阿拉尔试验站(81.31°E、40.60°N)进行。多年平均降雨量48.2 mm，年均气温10.56 ℃，年均≥10 ℃日照时数1 793 h，无霜期208 d，试验期间降雨量96 mm。试验地土壤质地类型为沙壤土，播前0—40 cm土壤基础养分含量为有机质9.82 g·kg-1、全氮0.27 g·kg-1、碱解氮23.74 mg·kg-1、速效磷30.14 mg·kg-1、速效钾92.42 mg·kg-1。

1.2 试验设计

采用单因子随机区组试验设计，共设置 6个密度处理：9万株·hm-2(P1)、12万株·hm-2(P2)、15万株·hm-2(P3)、18万株·hm-2(P4)、21万株·hm-2(P5)和24万株·hm-2(P6)，每个处理重复3次，小区面积47.88 m2(7.00 m×6.84 m)，播前结合整地基施有机肥4.8 t·hm-2、尿素(N≥46.4%)225 kg·hm-2和重过磷酸钙(P2O5≥46%)300 kg·hm-2。试验以中棉所88号为供试材料，播种日期为4月18日，种植方式为新疆地区普遍采用的(66+10)cm 一膜六行膜下滴灌机采模式，于5月21日人工定苗至各处理所需理论密度。试验地滴灌带铺设方式为“三管六行”，棉花全生育期共灌溉9次，总灌水量4 200 m3·hm-2，期间随水共计滴施尿素150 kg·hm-2，磷酸二铵(总养分≥64%)270 kg·hm-2，磷酸二氢钾(K2O≥34%，P2O5≥51%)112.5 kg·hm-2。其他管理措施同当地大田一致，于10月13日统一进行人工采收。

1.3 测定项目与方法

1.3.1株高、茎粗及节枝比的测定 自苗期开始，于各小区分别选取5株长势均匀一致具有代表性的棉株，挂牌标记，测量株高(打顶前测量棉株子叶节到主茎生长点顶端的距离，打顶后棉株测量至打顶横截面处)和茎粗，每隔15 d调查一次，至吐絮期结束。

于棉花吐絮期在各处理分别选取长势一致的6株棉花，计数其果节数及果枝数。节枝比计算公式如下。

节枝比=果节数/果枝数

(1)

1.3.2叶面积的测定 自苗期至吐絮期，在棉花各关键生育时期，于各小区选取具有代表性的2株棉花，取样后立即装入塑料袋带回实验室，参照支晓宇等[16]的方法将叶片剪下展平铺开于白板上(禁止叠放)，同时放置40 cm量尺作为标尺，用照相机拍照后用Image-Pro Plus(Media Cybernetics，Inc.)得出叶面积后，利用下面公式计算叶面积指数(leaf area index，LAI)。

叶面积指数(LAI)=单株总叶面积(cm2)×株数/10 000

(2)

1.3.3冠层结构的测定 于盛蕾期至花铃后期，在田间各处理选择长势均匀的样点，参照Malone等[17]和牛玉萍等[18]的方法使用美国 Li-cor 公司生产的LAI-2000冠层分析仪测定棉花叶倾角与冠层开度。

1.3.4产量及其构成因素 于收获期在每小区选14.35 m2(7.00 m×2.05 m，即一膜)调查收获株数和总成铃数，以此计算单株成铃数；在各个小区内分别随机摘取上、中、下部果枝吐絮铃各20个混合，自然晒干称量单铃重后轧花，测定皮棉重。

1.4 数据统计分析

采用Microsoft Excel 2016软件进行数据处理，采用SPSS 25中的最小显著性差异(LSD)法检验差异的显著性和回归分析，采用Origin 2018制图。

2 结果与分析

2.1 种植密度对株高及主茎日增长量的影响

株高是株型评价的主要指标之一。如图1所示，随着生育时期的推进，自苗期(5月23日)至初花期(7月6日)，各处理棉花株高均呈现快速增长态势，于打顶(7月13日)后以不同程度逐步趋于稳定，至吐絮期(9月27日)，不同密度处理下棉花株高随密度的增大而减小，株高在76.72～95.08 cm范围内浮动，其中低密度P1处理与高密度P6处理株高差值高达18.37 cm，达显著差异水平(P<0.05)，表现为每上升一个密度梯度，平均株高下降3.67 cm。进一步对主茎日增长量进行分析可以看出，生育期内各处理棉花主茎日增长量以初花期为节点，整体表现为初花期前快速增长，之后增量锐减的变化趋势，苗期至吐絮各处理平均日增量分别为0.58、1.02、1.19、1.56、0. 80及0.05 cm·d-1，于初花期达到峰值，处理间表现为初花期以前密度越大，主茎日增量也较高；初花期后则变化趋势相反，呈现出密度越小，主茎日增量越大。对各处理打顶后至初絮期日增量求平均值可得，低密度至高密度依次分别为0.48、0.43、0.39、0.32、0.19、0.07 cm·d-1，表现为至初絮期间，较低的密度处理株高仍有小幅增长，高密度则基本停滞生长，这可能是由于同等水肥供应条件下，低密度较高密度处理棉花生长空间相对充足，可汲取的水分、养分相对较多，棉花个体优势得以更大程度的发挥所致。

注：同一日期不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

2.2 种植密度对茎粗动态变化的影响

不同处理下棉花各生育期间茎粗变化同株高类似(图2)，表现为快速增加(苗期至盛蕾期)→缓慢增加(盛蕾期至盛花期)→趋于平稳(盛花期至吐絮期)的趋势，处理间则始终呈现出密度越大茎粗越细变化趋势，至吐絮期，以P1处理最高，为15.00 mm，较其余处理分别高出11.94%、16.73%、24.65%、41.51%和47.06%，且均达显著差异水平(P<0.05)，但高密度的P5与P6处理间并无显著差异(P>0.05)，说明在一定范围内，减小种植密度可显著增加茎粗，但在较高密度下继续增大种植密度，茎粗变化不明显。这可能是由于密度过大，养分及空间竞争激烈引发了作物的自疏机制，使得群体内部分植株死亡以满足其余个体生长需求，进而使茎粗维持在变幅较小的范围内。

图2 不同处理下棉花茎粗动态变化

2.3 种植密度对节枝比的影响

节枝比可反映作物的纵横向生长特征，通过分析吐絮期各处理棉株节枝比可知(图3)，密度越大，节枝比越小，以P1处理最高，为4.23，依次显著高于其他处理19.56%、41.02%、45.05%、62.51%和72.36%(P<0.05)。随着密度梯度的攀升，低密度条件下节枝比呈显著下降趋势，但中密度的P3与P4处理、高密度的P5与P6处理差异不显著。说明低密度条件下适当增大密度可显著抑制棉花横向生长，但这种抑制效应在中、高密度条件下要随密度梯度的进一步拉大才能得以显现，但密度过大，植株茎秆瘦细，亦不利于高产群体的构建。

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

2.4 种植密度对单株叶面积及群体叶面积指数的影响

叶片是反映冠层结构性能的重要指标。如图4所示，从苗期至喷施脱叶剂前，测定期间各处理棉花单株叶面积及群体叶面积指数(LAI)均随生育进程的推进呈快速增长→缓慢增长→下降的变化趋势，均在盛铃期(8月20日)达到峰值后降低。不同的是，各处理单株叶面积在全测定期间始终为密度越低、单株叶面积越大的走势，至9月4日，P1处理叶面积仍然保持在0.30 m2，较其余处理依次高出24.59%、36.18%、31.68%、96.12%和106.46%(P<0.05)，但P3处理与P4处理、P5处理与P6处理差异不显著。各处理群体LAI在盛蕾期(6月21日)前差异不明显，其后处理间差距逐渐拉大，对各处理盛花期(7月20日)后求阶段平均值可知，以P4处理LAI最大，为4.40，P6处理与P3处理次之，分别为3.87和3.83(P>0.05)，而后为P5处理>P2处理>P1处理，分别为3.73、3.40和3.06。由此可见，适宜的种植密度有利于延缓棉花在盛铃后期及以后的衰减，低密度下虽具有较大的个体优势，但因密度过低，群体优势不明显，而密度过高也会因群体过大形成郁闭导致下部叶片脱落，亦不利于群体良好叶面积指数的形成。

图4 不同处理下棉花单株叶面积及群体叶面积指数的动态变化

2.5 种植密度对冠层开度及平均叶倾角的影响

种植密度对棉株冠层开度及平均叶倾角同样具有显著影响，如图5所示，随着生育进程的推进，各处理棉花蕾期至盛铃期冠层开度均呈陡然下降→缓慢下降→缓慢上升的变化趋势，各处理均在花铃初期(7月27日)最低，P1至P6处理由盛蕾期峰值跌至最小值，降幅分别高达84.66%、88.87%、89.46%、89.89%、90.44%和91.71%；冠层开度随密度增大显著降低(P<0.05)，但随时间的推移，处理间差异逐渐减小。不同于冠层开度的变化趋势，各处理平均叶倾角在测定期间均表现为先升后降的变化趋势，多在初花后(7月12日)达到峰值(P1处理除外)，这是因为棉花生育前期植株较小，叶片较为平展，初花期后植株生长空间受限，叶片变的相对直立，而密度最低的P1处理则因生长空间充足，可充分发挥其个体优势，故高值点出现时间有所后移。测定期间各处理则始终呈现为P1

图5 不同处理下棉花冠层开度及叶倾角变化

2.6 产量及产量构成因素

由表1中的产量构成因素可以看出，虽然P3、P4、P5、P6四个处理收获株数较试验设计理论株数略低，尤其是P3处理，由于试验过程中遭受局部点棉蚜侵害，导致其收获株数与理论株数相差最多，减少了6 800株·hm-2，但各处理间仍达显著性差异水平(P<0.05)，因此结果仍具有代表性。单株铃数随密度的增加呈显著下降趋势(P<0.05)，以最低密度的P1处理单株铃数最多，较其他处理依次增加了26.95%、36.35%、62.87%、80.61%和113.11%，虽然P2处理与P3处理、P4处理与P5处理间差异不显著，但均显著高于P6处理(P<0.05)，这可能是密度增大导致群体内部环境变差进而造成蕾铃脱落所致；单铃重则以P3处理最高，达6.93 g，但其与P2、P4处理并无显著差异，说明种植密度在12万～18万株·hm-2范围内浮动对单铃重的影响较小，但密度过大(P6处理)，铃重则显著降低；衣分在各处理间均未达显著性差异水平，说明其主要受遗传因素影响，种植密度对衣分的影响较小。籽棉及皮棉产量变化趋势一致，均随密度增大呈先增后降变化规律，在P5处理达到最高，较P1、P2、P3、P4、P6处理籽棉分别增产28.54%、18.61%、3.87%、2.95%和12.78%，但其与P3、P4处理间差异并不显著，说明在单株铃数和单铃重不占优势的情况下，可通过适当增大种植密度以获得高产。进一步模拟分析密度与产量关系可知，产量随密度增大呈开口向下抛物线变化态势(图6)，在15万～21万株·hm-2(P3处理至P5处理)范围内产量最优，继续增大种植密度，产量不增反降。

表1 不同处理下棉花产量及产量构成因素

图6 种植密度与产量的关系

3 讨论

3.1 种植密度改变棉花的群体结构

选用合理的种植密度以塑造良好的群体结构是棉花获得高产优质的重要措施[19]，而适宜叶面积指数及其动态，适宜株高、节枝比等量化指标可以有效塑造高光效群体，实现优化成铃和集中成铃与采收[20]。前人研究认为，随着棉花密度的增加，植株高度增加[21]，且高密度对棉花生育前期增加株高有一定作用，生育后期则不显著[22]，然而，也有研究发现，棉花株高随密度的增加呈下降趋势[23]，但密度过高会导致植株茎秆质量变差、增加倒伏的风险[24-25]。本研究结果与前人研究结果类似，本研究中，棉花的株高随种植密度的增高而降低，虽密度相邻处理间差异不显著，但当间隔密度梯度拉大到6万株·hm-2时差异显著，且最低密度与最高密度处理间存在显著性差异，这可能是由田间管理时肥水差异导致的。此外，虽然本研究结果中株高日增长量存在密度越大，盛花期前主茎日增长量也较高、后期变化趋势相反的结果，但增加密度对前期株高的促进作用并不显著，反而因密度较大，导致棉花茎秆细瘦，而密度较低的处理则在打顶后依旧保持一定的增速且茎秆粗壮，提升了植株抗倒伏的能力。分析原因也可能是在同等化控条件下，不同密度条件下植株对缩节胺的敏感度存在差异所致。

合理高效的冠层结构是作物产量形成的基础[26]，研究表明，在一定密度范围内，密度会显著影响棉花的横向生长和纵向生长，增加密度可使株型更为紧凑[27]，随着种植密度的增大，棉花群体叶面积指数和叶倾角显著增加，叶倾角降低[18,28]，类似于前人研究结果，本研究亦呈现出密度越大，叶倾角越大而冠层开度越小的结果，且密度越大，叶倾角变幅越小，随时间的推移，冠层开度显著降低，处理间差异逐渐减小。另一方面，在盛蕾期以前基本为密度越大LAI越高，但其后则始终以18万株·hm-2(P4处理)LAI最高，且这种优势一直保持至喷施脱叶剂前的最后一次测定(9月4日)，仍高达4.12。相比之下，密度为15万和21万株·hm-2的P3、P5处理则基本持平，至末次测定，P3处理的LAI反而较P5处理高出0.09，这也进一步说明了通过适当降低密度，发挥单株个体优势仍可维持较高LAI，且可在一定程度上减缓叶面积指数在后期的衰减。

3.2 种植密度影响棉花产量

研究发现，在较大的密度范围内(2.5万～23.0万株·hm-2)，棉花可以调节个体的生长发育和群体之间的关系，产量不会显著增高或降低[29-30]，但也有研究表明，如果其他因素处于最优水平，作物产量将以抛物线的变化形式对密度作出反应[31]。随着密度的增大，棉株果枝台数、果节数及成铃数均有不同程度下降[32]，同时铃重和收获指数显著降低[33]，不孕籽率及烂铃率增加，但通过合理密植可获得更高的皮棉产量[34-35]。与前人研究结果基本一致，本研究结果表明，在低密度下增密可显著提升产量，但在15万～21万株·hm-2区间内产量差异不显著，继续增密反而导致作物产量的损失。

综合考量棉株形态结构及产量，本研究中在南疆机采棉区(66 + 10) cm种植模式下，建议中棉所88号种植密度应介于15万～18万株·hm-2之间，以适当降密的方式充分发挥棉花个体优势，缓解因群体过大产生的弊端，此时棉花群体结构较好，籽棉产量亦较高。