种植密度和施氮量对等行距机采棉根系形态指标及产量的影响

徐高羽，林 涛，邵亚杰，张 昊 ，汤秋香

(1.新疆农业大学农学院, 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.农业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 前 言

【研究意义】机械采收棉花已成为新疆主要的采棉方式[1]。大面积实施机械采收棉花后，原来高密度种植模式下棉花行距较小，喷施脱叶剂效果不明显，残留叶较多，脱叶率较低达不到机械采收的要求，机采籽棉含杂量较高，原棉品质下降[2-3]。76 cm等行距模式下棉花机械化采摘效果较好[4]。现有76 cm等行距密度和施氮调控机理尚不清晰，针对种植密度和施氮量对等行距机采棉的调控机制，研究种植密度和施氮量对棉花根系生长发育的影响,对于促进机艺融合和提高产量有重要意义。【前人研究进展】作物种植密度与单株次生根数和根干重呈负相关，密度过大时，田间冠层郁蔽，光照不足，光合产物减少，根系和地上部的生长同时受到阻碍[5-7]。需要通过调配氮肥施用量来缓和密度过大时根系间的竞争[8]。增加施氮量，作物可以以相对较少的根系获取充足的养分，满足作物生长发育的需求，可以在降低根系生物量的情况下，促进地上部生物量的增长[9]；而在土壤养分亏缺条件下，根系则需要增加扩展范围才能获得足够的养分保证植株生长需求[10]。【本研究切入点】作物根系在生长发育过程中能够自我调节，根系生物量增加和减少也是根系自我调节的一个方面。目前施氮量对植物根系的研究报道较多，但有关种植密度和施氮量对76 cm等行距种植模式下棉花根系生长的研究鲜有报道。亟需研究在76 cm等行距条件下不同种植密度和施氮量组合对棉花根系生物量以及形态指标的影响。【拟解决的关键问题】供试棉花品种为新陆中88号,采用裂区设计，分别为主区密度3个和副区氮肥处理3个。研究不同密度和施氮量下合理的根系构型，筛选出76 cm等行距机采棉种植模式下较好的密度和氮肥组合。

1 材料与方法

1.1 材 料

大田试验于2019年在阿瓦提县新疆农业科学院棉花综合试验站进行(N 40°06'，E 80°44'，海拔1 025 m)。该地区属于典型温带大陆性干旱气候，降雨稀少、热量丰富。年平均降雨量46.4 mm，蒸发量2 900 mm，日照时数2 679 h，≥10℃年积温3 987.7℃，无霜期211 d。试验区土壤类型为灌淤土，母质为冲积物，质地为沙壤土，播前土壤基础养分有机质8.3 g/kg、全氮0.48 g/kg、碱解氮58.4 mg/kg、速效磷35.4 mg/kg、速效钾130.7 mg/kg。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)。

1.2 方 法

棉花生育期：苗期(5月15日～6月7日)、蕾期(6月8日～7月6日)、开花期(7月7日～8月1日)、盛铃期(8月2日～8月21日)、吐絮期(8月22日～9月28日)、生育期(5月15日～9月28日)。生育期灌溉10次，6月下旬开始，8月下旬结束，灌溉定额270 m3/hm2，灌溉间隔7 d，灌水定额27 m3/hm2。

1.2.1 试验设计

采用裂区试验设计，分别为主区密度(M1：13.5×104株/hm2、M2：18×104株/hm2、M3：22.5×104株/hm2)和子区施氮量(N1：0 kg/hm2、N2：300 kg/hm2、N3：600 kg/hm2)。即有M1N1、M1N2、M1N3、M2N1、M2N2、M2N3、M3N1、M3N2、M3M39个处理，每个处理重复4次，总共36个试验小区。每小区长6.8 m,宽是7.0 m,面积是47.6 m2，小区总面积1 644 m2(2.46亩)。采用1膜3行3管(76 cm等行距)的种植方式，磷肥(P2O5150 kg/hm2)和钾肥(K2O 150 kg/hm2)全部作为种肥，在播种时一次性施入，氮肥30%作为基肥，70%作为追肥，分10次随水滴入。6月22日滴头水，每7 d灌水1次，生育期共灌水10次，灌水定额为4 050 m3/hm2，随水施入尿素。表1

表1 施肥日历Table 1 Date of fertilization

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 生育时期

调查并记录各处理到达苗期、蕾期、盛花期、盛铃期、吐絮期的时间，到达该时期均以各处理棉花达到50%为标准进行记录。

1.2.2.2 产量及产量构成因素

将标准煤样放入复合溶液中分别浸泡12h、24h、48h，浸泡温度为25℃，将浸泡前后煤样放在105℃烘干箱中烘干24h后研磨成粉末状，分别取3g样品进行X射线衍射实验，测试浸泡前后煤样中矿物质含量的变化，并绘制X射线衍射图谱，如图3所示。

在收获期每小区分上中下部分各取30 朵棉花，晒干至恒重后测其单铃质量、籽棉产量，轧花后测其皮棉产量、衣分。吐絮期在各小区随机挑选3个2.27 m×2.93 m大小(6.67 m2)的样方，记录其株数和结铃数。

衣分(%)=皮棉质量(kg)/籽棉质量(kg)×100。

籽棉产量(kg/hm2)=单铃重(kg)×样方株数×单株铃数×100×15。

1.2.2.3 根系指标

在试验小区内，选择长势均匀且连续的棉株作为棉花根系取样点，在棉花吐絮期采用根钻法取样，根钻规格为长、宽和高均为10 cm的正方形土钻，在每个处理平行中行取3个样点，垂直于中行取5个样点，每个样点分 0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～40 cm，40～50 cm，50～60 cm 6层取样。冲洗后称重，按照不同位点，不同层次分类后用扫描仪于Epson Perfection V39型扫描仪在300dpi 象素下扫描成图片，将扫描以后的根系样本放入 80℃ 烘箱中烘至恒重，用万分之一天平称重。扫描后图片采用LA-S(杭州万深检测科技有限公司, CHN)万深根系处理系统进行处理，分析根系长度、根系表面积、体积及平均直径。图1

图1 取样位点Fig.1 Sampling site

1.3 数据处理

采用DPS Version 7.05(Data Processing System Software, Inc.CHN)软件和Excel 2010软件进行数据的整理与分析，采用最小显著性差异(LSD)法进行显著性测验。采用Sigmaplot Version 12.5(Systat Software, Inc.USA)软件进行。

2 结果与分析

2.1 不同种植密度和施氮量对产量及产量构成因素的影响

研究表明，种植密度和施肥量及二者交互作用对产量构成因素均有不同程度影响。在种植密度一定时，随着施氮量的增加各处理单株成铃无显著差异。在N1施氮量下，随着种植密度的增加，单株成玲数显著减小,高密度处理比低密度处理少3.8个/株。在N2施氮量下，M2处理与M1和M3处理无显著差异。种植密度对单株结铃有极显著影响，但二者交互作用影响不显著。在M1种植密度下，各施氮量处理差异不显著；在M2种植密度下，各施氮量处理间差异显著呈N3>N2>N1趋势，N3处理比N1处理 和N2处理分别高15.4%和7.1%。在M3种植密度下各处理间差异不显著。种植密度、施氮量和二者交互作用对单铃质量均有极显著影响。在M1种植密度下，N3处理衣分显著高于N1处理2.0%。M2和M3种植密度下各处理间衣分均无显著差异。种植密度对衣分具有极显著差异，施氮量对衣分有显著差异，但二者交互作用对衣分均无显著影响。

表2 不同处理下产量及产量构成因素变化Table 2 Yield and yield components under different treatments

2.2 不同种植密度和施氮量对0～60 cm土层根系质量的影响

研究表明，不同种植密度和施氮量处理对根系质量影响显著。在M1种植密度下，随着施氮量的增加，根系质量呈先增大后减小的趋势。N2处理根系质量最高，分别比N1和N3处理高16.0%和29.1%。M2和M3种植密度下，根系质量都随施肥量的增加而减小，其中M3处理下根系质量下降幅度比M1处理大，M3种植密度下，N1处理根系质量最高，比最低处理N3高23.9%。相同种植密度下，施氮量由N1增加到N3，根系质量分别减小10.1%、34.3%和23.9%。相同施氮下密度由M3增加到M1根系质量分别减小3.7%、增加31.8%和增加22.1%。种植密度为M1施氮量为N2时，根系质量最大。图2

2.3 不同种植密度和施氮量对0～60 cm土层平均根长密度的影响

研究表明，在N1处理即不施肥的情况下，平均根长密度随种植密度的增加而减小。在N2和N3施氮量下，根系的平均根长密度随种植密度的增加而增加，分别增加28.7%和21.4%；M1种植密度下，增加施肥量具有提高平均根长密度的作用，最高处理N3较最低N1处理高16.2%。M2种植密度下，根系根长密度随着施氮量的增加而分别减小20.3%和22.3%。 M3种植密度下，N1处理根长密度比N2处理高20.9%。种植密度为M3时会抑制根长密度的增加。图3

图2 不同处理下根系质量变化Fig.2 Effects of different treatments on total root weight

图3 不同处理下棉花平均根长密度变化Fig.3 Effects of different treatments on average length denslty

2.4 不同种植密度和施氮量对0～60 cm土层平均根表面积密度的影响

研究表明，密度和施氮对0～60 cm土层平均根表面积密度的影响。M1种植密度下，平均根表面积密度随施肥量的增加呈先上升后下降的趋势，N2处理平均根表面积密度分别比N1和N3处理显著高18.0%和39.5%。M2种植密度下，随着施氮量的增加，平均根表面积密度逐渐降低,N3处理分别较N1和N2处理降低22.71%和9.5%。M3种植密度下，平均根表面积密度随施肥量的增加呈先下降后上升的趋势，N1处理平均根表面积密度分别比N2和N3处理高21.7%和4.2%；N1和N2施氮量下，种植密度由M3增加至M1平均根表面积密度分别显著提高15.5%和59.8%，N3施氮量下平均根表面积密度M3较M1和M2分别提高1.9%和7.9%。提高种植密度可显著提高平均根表面积密度。在中等施氮(N2)情况下高密度(M1)种植可获得最大平均根表面积。图4

图4 不同处理下棉花平均根表面积密度变化Fig.4 Effects of different treatments on average root surface

2.5 不同种植密度和施氮量对棉花根体积和平均直径的影响

研究表明，M1种植密度下，棉花根体积随施氮量增加呈先上升后下降的趋势，其中N2处理下棉花根体积比N1处理显著高13.4%，比N3处理显著高17.0%。M2种植密度下，随着施氮量的增加，棉花根体积逐渐降低，施氮量由N1增加至N3棉花根体积分别显著减少10.0%和24.6%。M3种植密度下，N1处理棉花根体积比N2处理显著高43.1%，与比N3处理高18.2%；N1施氮量下，随着种植密度的增大，棉花根体积先减小后增大，棉花根体积最大处理M3比最低处理M2高21.2%。N2和N3施氮量下，棉花根体积随种植密度的增大而增加，分别显著增加28.2%和48.5%。图5

在M1和M2种植密度下，随着施氮量的增加，根系平均直径均呈先增大后减小的趋势，最高处理都为N2分别比最低处理高32.7%和25.6%。在M3种植密度下，根系平均直径随着施氮量的增高而减小25.8%；N1施氮量下，根系平均直径随种植密度的增加呈先下降后上升的趋势，其中M3处理下根系平均直径比M2处理显著高22.2%。N2和N3施氮量下，根系平均直径随着种植密度的增大分别显著增加30.7%和17.7%。过量施用氮肥都会显著降低棉花根体积和根系平均直径，提高种植密度都可显著提高棉花根体积和根系平均直径，高密度(M1)种植配合中等施氮量(N2)可得到最大根体积和根系平均直径。图6

图5 不同处理下棉花根体积变化Fig.5 Effects of different treatments on cotton root volume

图6 不同处理下棉花平均直径变化Fig.6 Effects of different treatments on average root diameter of cotton

3 讨 论

种植密度和施氮量对作物的生长发育和产量有巨大的调控作用[11]，通过影响单位面积铃数和干物质积累、分配进而影响产量。随着种植密度增加时，单株结铃数和铃重有所降低，单位面积上的总铃数和铃重会显著提升，但种植密度不宜过大，否则密度的增加效应不能弥补铃数和铃重的降低效应，产量反而会下降。随着施氮量的增加，棉花生长发育加速，干物质积累增加，但施氮量过高时，冠层中上部的叶片发育较好，致使冠层郁闭，导致中下部的棉铃大量脱落[12]。侯秀玲等[13]研究表明，增施氮肥棉花产量提高，单株成铃数增多，而单铃重和衣分的变化较小。Dong等[14]研究结果为增加施氮量能够显著提高产量，单铃重显著提高，而单位面积铃数、衣分无显著变化。李红等[15]研究指出，在相同密度下，随着施氮量增加，棉花的单株铃数、单铃重、籽棉和皮棉产量均出现上升趋势。与试验结果一致，在不施氮情况下,随着密度的增加，单株结铃数显著减少；在常规种植密度下，单铃重随施氮量的增加而增加；种植密度和施氮量对衣分无显著影响；产量随着施氮量的增加呈先增大后减小的趋势，产量最低均为N3处理，比最高N2处理分别低14.5%。皮棉产量最高组合为M1N3,但只比M2N2高出32.4 kg/hm2，高产最佳组合为M2N2。

棉花根系是植物吸收水分和养分的重要器官，根系在土壤中的分布状态，直接影响到作物地上部分的生长发育，种植密度和施氮量对根系的分布都有显著性的影响。谢志良等[16]研究发现，施氮对根系具有明显的抑制作用，各土层根干重、根长、根表面积下降。张凤翔等[17]指出，在土壤水分较低情况下增加施氮水平能够显著增加水稻根干重，增大根体积和促进水稻根系的下扎。还有研究表明，氮素的亏缺首先使根长缩短[18]，低氮胁迫下根长呈下降趋势，高氮水平同样抑制根长的生长[19]。试验表明，提高种植密度会减小根系质量，但是有利于根长密度、根表面积密度、根体积和根系平均直径的增加。过量施氮量会降低根系质量、根长密度、根表面积密度、根体积和根系平均直径，在高密度下适当提高施氮量对根系各形态指标都有促进作用。王曼[20]研究表明，高氮处理下，总根长、根表面积、根体积和根平均直径增加，与实验结果不符，原因有可能是文献实验中做的是施氮量对幼苗根系的影响，而试验为吐絮期，具体差异原因需进一步实验证明。

4 结 论

4.1低密中等施氮M1N2(22.5×104株/hm2，300 kg/hm2)处理下棉株干物质可得到快速积累，提高施氮量(N2)可使籽棉产量显著增加10.6%～14 .5%。但施氮量过高(N3)时，干物质积累量反而下降，高产最佳组合为M2N2(18×104株/hm2，300 kg/hm2)。

4.2适当提高种植密度和施氮量对棉花根重密度、根长密度、根表面积密度、根体积和根系平均直径等指标均有促进作用。处理M1N2(22.5×104株/hm2，300 kg/hm2)下根系质量、平均根表面积、根体积和根系平均直径最大，根长密度在处理M1N3(22.5×104株/hm2，600 kg/hm2)下最大。