机采棉模式下麦棉两熟配置方式对作物产量和棉花早熟性的影响

王国平，刘连涛，雷亚平，冯璐，张永江，王占彪，李小飞，李亚兵*，李存东*

（1.河北农业大学农学院/ 华北作物改良与调控国家重点实验室/ 棉花生物学国家重点实验室（河北基地），河北 保定071001；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）

麦棉两熟在我国具有广泛的种植基础，是棉区缓解粮棉争地矛盾的有效途径[1-2]。 黄河流域传统的麦棉两熟模式以小麦套种春棉（中早熟品种，生育期125 d 以上，播种时间在4 月中下旬）为主，由于麦田预留行较宽（一般为80～120 cm）、麦棉共生期长（可达50～60 d），不仅小麦产量低、棉花早熟性差，而且难以实行机械化管理[3-4]。当前我国小麦种植基本实现了全程机械化，不仅单位劳动力产出高，而且综合效益高[5-6]，生产者积极寻求新型麦棉配置方式以扩大套作中小麦播种面积。 此外，在农村劳动力日趋短缺的情况下，机采棉必将成为棉花生产的发展方向[4]。 因此，在传统麦棉复种区通过合理布局以构建新型麦棉配置方式， 在小麦机械化收获基础上采用采棉机行距76 cm 植棉，不仅有利于实现小麦增产，还有助于麦棉全程机械化[5-6]。

作物配置是推进一定生产关系下耕作方式变革和升级的基础，通过改变作物的田间小气候影响光、温、水、气的分配，进而影响作物群体结构、生长发育、产量和品质的形成[1,7]。 王树林等[8]比较不同麦套春棉模式发现，“3-1 式”（小麦3 行占地40 cm，预留行40 cm 种1 行棉花）对棉花前期生长影响较大，共生期棉行光照、温度均显著降低，小麦产量高而棉花产量低；而“4-2 式”（小麦4 行占地80 cm，预留行80 cm 种2 行棉花）下起垄植棉，可提高棉花产量。杨铁钢等[9]开展了麦套春棉模式下不同带宽和预留行试验，指出预留行越宽，其光照、地表温度等条件越好，越有利于棉苗发育。李孟良等[10]研究表明，当小麦种植带中预留行宽度从40 cm 增加到100 cm 时， 其边行较内行的增产优势从53.6%提高到116.4%；超过100 cm 时，其有效穗数、穗粒数、千粒重的边行优势较100 cm 时增加不明显。 还有研究表明，小麦带状种植中边行优势因小麦生育期、品种特征表现出不同的差异，进而影响小麦及后茬作物（棉花）的产量[4,11-13]。 前人关于春棉和冬小麦的配置研究较多[14-17]，然而，立足小麦全程机械化和机采棉模式，开展小麦短季棉配置方式等的研究报道较少。

因此，本研究在小麦全程机械化和机采棉标准种植行距76 cm 条件下，选择黄河流域不同熟性棉花品种开展了麦棉田间配置研究，旨在明确机采棉模式下配置方式对小麦产量、 边行效应，以及棉花的生长发育、产量及其构成、早熟性和品质的影响，为麦棉两熟制的机采棉管理提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计与田间管理

试验地位于河南省安阳县（37°41′02″N，116°37′23″E）， 全年大于等于10 ℃积温4 647 ℃，降水量573 mm，年日照时间2 324 h。试验地为棕壤土，耕层（0～30 cm）含有机质12.9 g·kg-1、速效氮63.8 mg·kg-1、 速效磷15.9 mg·kg-1、 速效钾112.1 mg·kg-1，pH 为 8.18。 田 间 试 验 于2017/2018 和2018/2019 年度进行，采用随机区组和两因素裂区设计， 主处理为麦棉配置方式，副处理为棉花品种，在小麦收割幅宽228 cm（3 个机采棉行距）下设置3 种麦棉配置方式（图1），即W2C1 （2 行小麦， 预留行内种植1 行棉花）、W3C1（3 行小麦，1 行棉花）、W6C2（6 行小麦，2行棉花）； 供试棉花品种为中早熟品种中棉所79（ZM79）和早熟品种中棉所50（ZM50）；共6 个处理，小区宽9.12 m、长7.0 m，每个处理重复3次。 10 月下旬播种小麦，品种为中育1123，分别于2018 年6 月8 日和2019 年6 月12 日收获。棉花播种时间为5 月15 日， 定苗密度为9 万株·hm-2。 分别于2018 年7 月26 日和2019 年7月29 日进行人工打顶， 打顶后1 周进行化学调控，用甲哌可溶性粉剂75 g·hm-2。 其他田间管理均采用当地高产管理措施。

1.2 试验调查内容

1.2.1小麦产量和边行优势调查。 冬小麦收获前在小区中选取长势均匀的1 个种植带（2.28 m），逐行取样，取样面积为4.56 m2（长2 m，宽2.28 m），然后调查每行的有效穗数、穗粒数、千粒重，脱粒

后记录产量，折算成单位面积产量。参考文献[13]计算边行优势指数（edge effect index,EI），边行优势指数（%）＝（边行产量或产量构成因素-内行产量或产量构成因素）/ 内行产量或产量构成因素×100%。

1.2.2棉花生育时期调查。 调查棉花出苗、现蕾、开花、吐絮的日期，计算苗期、蕾期、花铃期和吐絮期（d）。

1.2.3棉花生物量测定。2018 年取样时间为5 月30 日、6 月18 日、6 月29 日、7 月13 日、7 月30日、8 月13 日、8 月26 日、9 月10 日和25 日；2019 年为5 月28 日、6 月12 日、6 月27 日、7 月10 日、7 月24 日、8 月7 日、8 月21 日、9 月10 日和26 日，每小区每次取典型植株2 株，按根、叶、茎、生殖器官分开，置于烘箱105 ℃杀青30 min、85 ℃烘干至质量恒定，测定各器官干物质质量[6]；最后一次取样时， 将棉铃的铃壳和籽棉分开，分别称量，计算壳铃比。采用逻辑斯谛生长（logistic growth）模型对全株生殖器官生物量（m）与出苗后时间（t，单位：d）进行函数拟合，可表示为：

式中，mmax为单株生物量理论最大值 （g），a、b为生长参数。 根据该方程的函数性质可进一步计算生物量快速增长的起始时间t1、终止时间t2、持续时间Δt、最大增长速率Vm（g·d-1）等特征值[6,17]，计算公式如下：

1.2.4棉花伏前桃、伏桃、秋桃（“三桃”）和农艺性状调查。在每小区选10 株典型棉株，在7 月15日、8 月15 日和9 月15 日调查成铃数，7 月15日及之前的成铃计为伏前桃 （early season bolls,EB），7 月16 日 至8 月15 日 的 成 铃 计 为 伏 桃（middle season bolls,MB），8 月16 日及以后的成铃计为秋桃（late season bolls,LB）[6]。9 月15 日调查株高、果枝数和果节数，其中株高测量为子叶节到主茎最高处，计算单株平均果枝数、果节数、节枝比（总果节数与果枝数的比值）。

1.2.5棉花产量及纤维品质测定。 每年10 月24-25 日将每小区吐絮铃和青铃全部采收，分别晾干称重，计算单位面积籽棉产量。 此外，在收花前1 周，选取一致性较好的棉株（取样行长3 m），收获全部棉铃，测定单株结铃数、铃重和衣分。 皮棉纤维送农业农村部棉花品质监督检验测试中心检测（HVI 校准棉花标准校准）纤维上半部平均长度、断裂比强度和马克隆值等指标[6]。霜前花率为收获的吐絮铃产量占总产量的比例。

1.2.6土地当量比。 土地当量比（land equivalent ratio,LER）常用来衡量间作较单作增加产量或效益优势[6]，计算公式为LER＝miw/msw＋mic/msc。 式中，miw和mic分别表示麦棉间作模式中小麦和棉花的单产；msw和msc分别是本地单作小麦、 棉花的产量，数据由试验地提供，2018 年和2019 年中育1123 的单作产量分别为7 838 kg·hm-2和8 880 kg·hm-2， 单作棉花的籽棉产量分别为5 175 kg·hm-2和4 950 kg·hm-2。

1.3 数据分析与作图

利用Microsoft Excel 2013 进行数据初步整理，利用DPS 13 软件进行方差分析、邓肯多重范围检验以及逻辑斯谛生长模型拟合， 采用GraphPad Prism 8 软件作图。

2 结果与分析

2.1 麦棉两熟机采棉模式下作物生育进程

配置方式对小麦生育进程影响不大（表1）。2年试验中，不同配置方式下，小麦抽穗期相差0～1 d（均在4 月初），W6C2 略早；不同配置方式下的小麦均能实现统一播种和统一收获。

表1 不同麦棉配置方式下作物生育进程及生育期的比较Table 1 The crop growth process and growth period for the different cropping modes

对于同一棉花品种，W6C2 下各生育期均早于W3C1，W2C1 介于二者之间，2 年结果基本一致。 2 年试验中，W3C1 配置方式下ZM50 的苗期、蕾期、花铃期较W6C2 均多2～3 d，均无显著差异；但吐絮期比W6C2 少7 d，差异显著。 2018年，ZM79 在W6C2 下蕾期和吐絮期与W3C1 差异 显 著；2019 年，ZM79 在W6C2 配 置 下 苗 期 和吐絮期与W3C1 配置下差异显著，其他生育时期无显著差异。 品种间比较，ZM50 蕾期、花铃期较ZM79 分别缩短了4～6 d、7～13 d； 而吐絮期增加了20～25 d，差异均达到显著水平。 ZM50 可在9 月中旬进入吐絮期， 吐絮期超过34 d，为产量提高奠定基础。

2.2 小麦产量、产量构成及边行效应

2.2.1小麦产量及构成因素。 2 年试验中，W3C1小麦产量显著高于W2C1 和W6C2，比W2C1 高16.2%～43.3%， 比W6C2 高28.4%～52.3%（图2A）；W3C1 配置下小麦每公顷有效穗数最高，达到513.0 万～533.8 万（图2B），较W2C1 和W6C2分别高出29.2%～47.5%和34.9%～53.6%， 差异达到显著水平；而穗粒数和千粒重在3 个方式间无显著差异（图2C、D）。

2.2.2小麦边行、内行产量及边行效应。2 年试验中，除了W3C1 边行小麦产量（2019 年）、边行每公顷有效穗数（2018 年）显著低于另外2 个配置方式外，3 个配置方式下边行的其他产量指标均无显著差异（表2）。2 年试验中，W3C1 内行产量、有效穗数、 穗粒数与W6C2 的均无显著差异，但是W3C1 这3 指标的边行优势指数（2019 年穗粒数边行优势指数除外）均显著低于W6C2，说明了W3C1 内行与其边行的群体一致性更好。

表2 不同麦棉配置方式下小麦边行和内行的产量指标及其边行优势指数比较Table 2 Wheat yield and yield components in different rows and edge effect index under different cropping modes

2.3 棉花产量、产量构成因素及生物量累积特性

2.3.1棉花生物量、收获指数、籽棉产量及其构成。 从表3 可以看出：品种对棉花生物量影响极显著，ZM79 的生物量较高；年份、配置方式对棉花生物量的影响不显著；但品种与配置方式的互作显著影响棉花生物量； 早熟品种ZM50 在W2C1 下生物量最高； 而中早熟性品种ZM79 在W6C2 下生物量最高，2018 年显著高于W2C1。

表3 不同麦棉配置方式棉花生物量、产量及产量构成因素比较Table 3 The comparison of cotton biomass, yield and yield components among the three cropping modes

棉花品种极显著影响籽棉产量，配置方式对籽棉产量的影响显著，品种与配置方式的互作对籽棉产量无显著影响。 2 年试验中，ZM50 的籽棉产量、单位面积铃数和铃重在3 种配置方式下均无显著差异。2018 年ZM79 在W6C2 处理下的籽棉产量显著高于W3C1， 高21.0%， 主要是因为W6C2 处理的铃重较W3C1 显著增加了19.0%；2019 年不同配置方式下ZM79 的籽棉产量、铃数和铃重均无显著差异。 3 个配置方式平均，ZM50籽棉产量显著高于ZM79，2 年分别高11.3%和16.4%，2019 年ZM50 铃重高于ZM79， 增幅为16.1%～23.4%。

不同品种的收获指数差异极显著，其他因素（及互作）的影响均不显著。 ZM50 的收获指数显著高于ZM79。 2 年试验中， 不同配置方式下ZM50 的收获指数无显著差异。2018 年，ZM79 在W2C1 配置方式下的收获指数显著高于W3C1，但与W6C2 无显著差异；2019 年，ZM79 的收 获指数在不同配置方式间无显著差异。

不同年份和不同品种的衣分差异极显著；可能是因为ZM50 收获指数高、霜前花率较高（图3），提高了总体衣分。

2.3.2棉株生殖器官生物量积累动态规律。 2018年，2 个棉花品种生殖器官生物量均在W2C1 配置方式下最先进入快速增长期（表4），比W3C1早8.4 d（ZM50）和8.2 d（ZM79）。 2019 年，W6C2配置方式下棉株生殖器官生物量最先进入快速增长期， 较W3C1 早8.9 d （ZM50） 和5.6 d（ZM79）； 而品种间，ZM50 进入快速增长期的起始时间比ZM79 提前8.5～12.9 d。 在W3C1 与W6C2 配置方式下，2018 年的ZM50 快速增长持续时间接近，显著长于W2C1。2018 年，在同一配置方式下，ZM50 生殖器官生物量最大积累速率（Vm）均显著高于ZM79；而在2019 年，同一配置方式下2 个品种的Vm无显著差异； 但W6C2 配置方式2 个品种的Vm均显著高于W3C1。2 年试验中，2 个品种的单株生殖器官生物量理论最大值均出现在W6C2 配置方式下，但同一品种在不同配置方式间无显著差异。

表4 不同麦棉配置方式下棉花生殖器官生物量积累方程参数Table 4 Eigenvalues of equation of cotton reproductive organ biomass accumulation under different cropping modes

2.4 成熟期棉株主要农艺性状比较

麦棉机收模式下，在不同麦棉配置方式下同一棉花品种成熟期的株高和单株果枝数均无显著差异（表5）。 ZM50 株高较ZM79 低；单株果枝数较ZM79 多，2 年分别多13.9%和11.0%。

表5 不同麦棉配置方式棉花主要农艺性状比较Table 5 The comparison of main agronomic traits of cotton among different cropping modes

同一棉花品种在不同配置方式下的单株结铃数和果节数均无显著差异；各配置方式间的节枝比差异不显著；但品种间比较，ZM79 节枝比显著高于ZM50， 其中W3C1 配置方式下二者相差0.29～0.50，达到显著水平。 ZM50 的壳铃比低于ZM79，2018 年和2019 年分别低9.5%和11.1%；2018 年同一品种各配置方式的壳铃比无显著差异；2019 年，W3C1 配 置 下ZM79 的 壳 铃 比 显 著高于另外2 种配置方式。

2.5 霜前花率和纤维品质

2018 年，ZM50 在W2C1 配置下的霜前花率显著高于其在W6C2 和W3C1 配置下的霜前花率（图3）；2019 年，3 种配置方式间ZM50 的霜前花率无显著差异。 对于ZM79，2 年均是W3C1 的霜前花率显著低于W2C1 和W6C2。 品种间比较，ZM50 的霜前花率显著大于ZM79，2 年试验W3C1 配置下ZM50 的模式霜前花率分别达到82.1%和93.2%， 分别高出ZM79 的W3C1 模式38.7 百分点和54.2 百分点。 可见， 采用短季棉ZM50 较ZM79 显著提高两熟机采棉模式下的霜前花率，有利于棉花早熟。

图3 不同麦棉配置方式棉花霜前花率和纤维品质指标比较Fig. 3 The comparison of the percentage of seed-cotton before frost and fiber quality among the three cropping modes combined with cotton cultivars

不同配置方式间，2 个棉花品种的纤维上半部平均长度、断裂比强度及马克隆值差异均不显著。 2018 年，ZM50 的纤维上半部平均长度低于ZM79，2019 年二者无显著差异。

2.6 “三桃”比例

品种间比较，ZM50 伏桃和伏前桃的比例之和高于ZM79，2 年分别高38.4 百分点和36.9 百分点（图4）。 ZM50 在3 种配置方式下的伏桃比例差异不显著， 为69.3%～93.2%， 符合生产要求； 而ZM79 在W6C2 配置下伏桃比例达到67.3%～77.5%，W3C1 和W2C1 配置方式下伏桃比例低，甚至没有伏前桃，霜前花率降低，不适合麦棉机收模式种植。

图4 不同麦棉配置方式下“三桃”比例比较Fig. 4 Comparison of the proportion of three-seasons bolls among the cropping modes

2.7 土地当量比

由图5 可知，ZM50-W3C1 配置方式的LER最高，达1.689～1.697，在2 年试验中均显著高于ZM50-W6C2、ZM79-W2C1 和ZM79-W6C2，分别高11.1%～18.2%、12.3%～19.7%和15.0%～19.8%。 究其原因主要是W3C1 小麦产量较高，基本与当地单作小麦产量接近，对LER 的贡献较大；而同一棉花品种在不同配置方式下的籽棉产量相差不大，即机采棉模式下麦棉组合的LER 主要取决于小麦产量。

图5 不同麦棉配置方式的土地当量比比较Fig. 5 Comparison of land equivalent ratio among different cropping modes

3 讨论

3.1 配置方式对小麦产量和边行效应的影响

黄河流域麦棉两熟制下，冬小麦行数、行距和带间预留行宽度不仅决定了小麦实际占地面积，也决定了棉花的行距配置[1-2,18]。一般小麦行距为15～25 cm， 播种2～6 行形成一个种植带，带间预留行用于其他作物的间套作或连作[18]。 在作物复合系统中，小麦群体大小[3]、预留行宽度[9-10]、管理措施[3]等因素会改变麦棉共生期环境，从而进一步影响前后茬作物的生长和产量。 研究表明，麦棉种植带中小麦占地宽为40 cm 条件下，预留行越宽，小麦单产越低[15]；但是，套作小麦边行优势随预留行宽度增加而增加，但预留行宽到92～100 cm 后， 则不再显著增加[9]。根据樊高琼等[19]研究，窄幅（窄厢）配置下小麦播幅小，会限制有效穗数的增加，内行与边行的差异会缩小；宽幅（宽厢）的配置方式（模式）由于非边行比例太大，边际效应增加但小麦单产降低。

本研究中，W3C1 和W2C1 种植带宽固定为适宜采棉机作业的76 cm，W6C2 带宽为3 倍采棉机作业行距 （228 cm），W3C1 的小麦产量比W2C1 和W6C2 分 别 增 加16.2%～43.3% 和28.4%～52.3%；产量构成因素中有效穗数存在显著差异，而穗粒数、千粒重无显著差异。 产量增加的原因主要有：一是由于W3C1 小麦占地面积较大，而且小麦因分蘖使成熟期占地面积进一步提高， 其有效穗数较W2C1 和W6C2 分别增加了29.2%～47.5%、34.9%～53.6%， 在固定带宽下扩大带内小麦面积可使其有效穗数和单产增加；二是W3C1 配置的预留行宽压缩至46 cm， 群体中内行和边行的差异小，一致性好。

3.2 配置方式对棉花早熟性的影响

研究报道表明，预留行环境不仅影响套作棉花的出苗和苗期生长，而且这些效应会影响后期生长，导致开花迟、棉铃晚熟、吐絮迟[15]。预留行宽度相同时，套作小麦生物量越大，越不利于行间棉花苗期生长发育[11]。还有研究指出，预留行窄的棉苗发育慢、苗质弱、产量低[16]；而且共生期内麦棉间距越小，越不利于棉苗发育，间距不得小于20 cm[3,15]。

本研究中，在机采棉模式下配置方式显著影响棉花生育进程和早熟性， 表现为预留行窄的W3C1 的生育进程晚于较宽的W2C1 和W6C2，吐絮期晚5～11 d，与前人研究结果[9,15]基本一致。小麦收获后，随着棉花生长自我调节，配置方式间的生物量、 成铃数等产量相关指标差异缩小，最终各配置方式的籽棉产量无显著差异。 短季棉品种ZM50 在W3C1 下的早熟性表现较好，表现为株高较低，果枝数多，节枝比低，壳铃比低；而且其伏桃比例可达69.3%，2 年的霜前花率达82.1%～93.2%。 究其主要原因：一是短季棉花生长发育快，在W3C1 配置方式下，也能保证实现较好的生育进程和产量相关的群体指标[1-2]；二是麦棉共生期（20～25 d）较常规春季套播棉较短，不同配置方式下预留行的宽窄仅对中早熟品种果枝数有一定影响， 而对短季棉的不利影响有限[13]。 在品质指标比较中，纤维上半部平均长度、断裂比强度和马克隆值在3 个配置方式间无显著差异。 本研究因采用小麦全程机械化和机采棉管理模式，麦棉共生期缩短，棉花播期推后20～25 d（5 月15 日播种），加上麦棉带宽较传统的麦套春棉模式窄[1]，若采用早中熟品种中棉所79 不利于形成合理的群体结构， 伏前桃和伏桃比例低。这可能是由于早中熟棉花品种营养生长旺，花铃期过长，易受花铃后期气温降低的影响，导致吐絮期延迟至9 月底10 月初， 棉铃内部干物质运转量低，壳铃比高，不利于铃重提高，也不能满足机采棉集中成铃的要求[20]。 因此，选择早熟品种如ZM50 可以缩短不同间作方式下的生育进程差距， 符合两熟制下机采棉管理要求，可以弥补W3C1 因预留行变窄对棉花晚发的不利影响。

3.3 配置方式对麦棉土地当量比的影响

基于作物种类、基因型、群体大小等科学配置作物种植方式能够实现作物互补与合理竞争，充分利用作物种群和个体、地上和地下的时空关系提高系统资源利用率，从而有利于作物周年产出或效益最大化[20]。 LER 是评价间套（连）作模式产出效益的重要指标[3,6]。 在麦棉两熟中，LER 大小取决于小麦或棉花相对各自单作的产量比值。Zhang 等[16]报道常规麦套春棉的3-1 式（带宽100 cm，预留行60 cm）和4-2 式（带宽150 cm，预留行90 cm）中，前者预留行窄小麦单产高，但后者棉花产量高，综合比较LER 无显著差异。 本研究中麦棉种植带宽固定为76 cm（或其整数倍），配置方式间LER 以预留行窄的W3C1 显著高于其他方式，其小麦产量得到了显著提高，贡献达0.9 以上；而籽棉产量差异不显著，因此小麦产量决定了 系 统 LER 大 小。 其 中，ZM50-W3C1 较ZM50-W6C2 的LER 提高11.1%～18.2%， 而且可以在小麦机械收获、棉花机采基础上实现棉花产量不减和小麦增产[4,20]。

4 结论

麦棉两熟模式下，麦棉配置方式对小麦生育期影响不大，W3C1 小麦产量显著高于W6C2 和W2C1；且W3C1 内行与边行的小麦产量、有效穗数和穗粒数差异小，群体一致性好。 麦棉配置方式显著影响棉花生育进程和早熟性，采用短季棉可缩小配置方式间的生育时期差距，且不影响籽棉产量和棉花纤维品质。 综合比较，选择短季棉采用W3C1 麦棉配置方式，土地当量比高，棉花早熟性好， 有利于提高麦棉机械化管理水平，实现麦棉高产高效。