不同密度下南疆陆地棉铃形及各组分干物质发育规律

宋 佳, 何良荣, 郭金成, 郭伟锋, 胡守林, 曹新川

(塔里木大学农学院,新疆阿拉尔 843300)

作物生产是群体生产的过程,群体内各个体间相互独立又密切联系,作物高产是群体数量和质量相互协调的结果[1-3],作物群体质量受播期、密度、施肥等栽培措施的影响[4-6]。合理密植是作物高产的重要技术措施[7],研究种植密度对作物群体干物质累积的影响对作物产量提高具有重要意义。

棉铃作为棉花生产中重要的经济产物[8],是由铃壳、纤维和棉籽组成。棉纤维的产量及品质与品种遗传和环境因素密切相关,适宜的密度有助于改善棉株的通风透光情况,提高光合利用率,密度过高容易导致棉株生长发育受阻、产量下降。冯艳波等研究发现,正常播种情况下纤维、棉籽干物质累积量分别在开花后16～52、13～53 d快速增加,铃壳干物质量在22～28 d达到最大值,棉纤维和棉籽干物质在花后45 d左右达到最大值[9]。棉铃变化不仅表现为内部充实物的变化,也表现为外在体积的变化;而体积变化则具体表现为铃纵径和铃横径的变化。刘萍等研究发现,棉铃体积、铃纵径和铃横径在30～35 d趋于稳定,10～20 d横径增长最快,20～30 d体积和纵径增长最快[10]。王修山等用方程模拟推测出铃纵径是影响铃质量最显著的指标[11]。棉铃铃部性状特征前人已做大量试验,但因区域、品种遗传、栽培方式等不同而出现差异。本试验通过研究3种密度下28个陆地棉材料棉铃各组分干物质的累积规律和铃形性状变化规律,以期为新疆南疆陆地棉高产栽培及新品种选育提供理论依据。

1 研究方法

1.1 试验材料

本试验材料为7个亲本:新陆中37、99B/R9、新陆中51、德0905/R2//无号卡、德0905/R2、新宇7号/R6、德0905/R2//新宇7号/R6,以Griffing-Ⅱ方式配置杂交种21个。

1.2 试验方法

2021年4月13日将7个亲本及F1代种植于新疆阿拉尔市12团11连。本试验采用随机区组设计,设置3次重复,小区行长4 m,株行比配置为(10+66+10+66+10)cm。种植方式为人工点播。分别设置高密度(24万株/hm2)、中密度(18万株/hm2)和低密度(12万株/hm2),肥水管理同大田生产。

7月11日选取当日盛开的花统一挂牌,5、10、15、20、25、30、40、50 d在每个小区随机取9个棉铃,用排水法测定铃体积,游标卡尺测定铃纵径(棉铃铃尖到基部),最大粗径为铃横径;室内分解为铃壳、纤维和棉籽,将鲜样置于 105 ℃烘箱中杀青 0.5 h,然后将温度调至80 ℃烘至恒质量,称各组分干质量。

1.3 分析方法

利用Logistic曲线拟合棉铃各部分干物质及铃形性状,并估算方程的累计特征值Wm、速度特征值(最大累积速率vm以及出现时间t0)、时间特征值(进入快增期时间t1和结束快增期时间t2、快增期的持续时间Δt)[12]。利用Origin 2019和DPS 7.05数据处理系统进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 不同密度下陆地棉单铃不同发育时期各组分干质量变化趋势

由图1可知,高、中、低3种密度下棉铃各组分干质量变化趋势基本相似。铃壳干质量在5～30 d生长速度较快,且在30 d达到最大值,之后由于同化物质向种子、纤维输送,干质量逐渐下降,最终干质量表现为中密度处理>低密度处理>高密度处理。3种密度处理的纤维干质量在5～20 d生长缓慢,20～25 d生长速度略有上升,25～30 d生长速度加快,几乎呈直线增长,30～50 d纤维干质量持续增加,最终低密度处理干物质量大于中密度处理,但生长速度却慢于中密度处理,可能是因为棉铃在50 d已经进入吐絮期,但还没有达到完全成熟的程度;高密度处理生长起始质量虽然高于中密度和低密度处理,但最终积累量低于中密度和低密度处理。3种密度处理的棉籽干质量在5～10 d生长缓慢,高密度处理10～25 d生长速度加快,几乎呈直线增长,25～50 d生长速度略有下降;中密度处理10～50 d基本呈直线增长;低密度处理10～30 d生长速度明显增大,几乎呈直线增长,30～50 d生长速度略有降低,棉籽干质量最终表现为中密度处理>低密度处理>高密度处理。铃壳作为源头将光合产物转运到纤维和棉籽,干质量先增加后下降;纤维干物质量在不同密度处理的变化趋势基本相同,低密度处理增质量快于中密度处理,中密度处理又快于高密度处理,最终干质量亦如此;棉籽的干物质量在中密度处理增加速度最快, 可能是由于密度适中,营养物质有效运输,导致棉籽干物质累积速度快,最终干物质量最大。

2.2 不同密度下陆地棉单铃不同发育时期铃形性状变化趋势

棉铃铃形性状变化趋势如图2所示。高密度下,5～25 d体积生长速度较快,几乎呈直线增长并在25 d达到最大值,25～40 d体积略有下降,可能是由于棉铃内部含水量逐渐减少,40～50 d体积基本不变;铃纵径在5～25 d呈上升趋势,25～50 d略有上升;铃横径在5～25 d呈上升趋势,25～30 d呈下降趋势,30～50 d基本保持不变。中密度处理的体积在5～25 d呈直线增长,25～30 d减小,30～50 d 略有上升;铃纵径在5～25 d生长较快,25～30 d 生长缓慢,30～50 d略有上升;铃横径在5～20 d 呈上升趋势,20～25 d略有下降,25～50 d继续增加。低密度处理的体积在5～25 d生长速度较快,几乎呈直线增长,25～40 d生长缓慢,40～50 d下降;铃纵径在5～20 d生长较快,20～25 d基本持平,25～30 d略有上升,之后基本保持不变;铃横径5～25 d呈直线增长,25～40 d缓慢下降,40～50 d缓慢上升。结果表明,3种密度处理的铃体积、铃纵径和铃横径均在5～25 d快速增长,30 d后趋于稳定,50 d的铃体积、铃纵径表现为低密度处理>中密度处理>高密度处理,铃横径为低密度处理>高密度处理>中密度处理。

2.3 不同密度下陆地棉单铃各组分干质量生长特征值差异

由表1可知,不同密度棉铃各组分干物质累积呈“S”形曲线,且Logistic方程拟合均达极显著水平(P<0.01)。各处理的铃壳最大累积量为1.73～1.86 g,随着密度降低而增加。速度特征值表明,最大生长速率出现时间随密度降低而增加,在低密度处理达到最大值(13.12 d),与中密度处理无显著差异(P>0.05),与高密度处理存在极显著差异;高密度和低密度处理的最大累积速率无显著差异,与中密度处理存在极显著差异。时间特征值表明,3种密度处理的时间特征值存在极显著或显著差异,中密度处理进入快增期时间最早, 结束快增期时间最晚,持续时间最长。

表1 不同密度处理陆地棉单铃各组分干物质生长特征值比较

纤维干物质的最大生物累积量随密度降低呈先上升后下降的趋势,但无显著差异。速度特征值中,最大累积速率出现时间随密度降低而降低,低密度处理出现时间最早,为31.29 d,与高密度处理出现的最晚时间33.24 d存在极显著差异;最大累积速率随密度降低而上升,且各密度处理间存在极显著差异,低密度处理最大,为0.12 g/d。时间特征值上,进入快增期的时间无显著差异,均在23 d左右,高密度处理快增期持续时间最长,但由于密度过高,累积速率较慢,最终累积量最低。中密度处理快增期持续时间适中,累积量最大,这可能与棉花种植密度有关,适宜的密度有利于干物质累积。低密度条件下棉花营养供应充足,快增期持续时间最短。

不同密度下棉籽干物质的生长特征值存在显著或极显著差异,表明密度会影响棉籽的生长发育。高密度处理最大累积量和最大累积速率均最小,且与中密度处理存在极显著差异;进入快增期时间最快,与低密度处理无显著差异,与中密度处理存在极显著差异;快增期持续时间最长,为 21.99 d,与低密度处理存在显著差异。中密度处理的最大累积量最大(2.53 g),最大累积速率极显著高于高密度处理,与低密度处理无显著差异,最大累积速率出现时间和结束快增期时间均晚于其他2个密度;低密度处理结束快增期时间均较早,持续时间最短,最大累积量适中。

2.4 不同密度处理陆地棉单铃铃形性状生长特征值差异

对不同密度处理棉铃体积进行Logistic方程拟合,结果见表2。不同密度处理的拟合结果均较好,达到了极显著水平。最大累积量在23.99～25.46 cm3之间,随着密度增加呈下降趋势,各密度处理之间存在极显著差异。高密度处理的最大累积速率出现时间在13.14 d,与低密度处理存在显著差异;最大累积速率为1.85 cm3/d,与其他2个密度处理无显著差异;进入快增期较晚,结束时间较早,快增期持续时间较短。中密度处理最大累积速率出现时间较早,最大累积速率适中,进入快增期时间较早。低密度处理最大累积速率出现时间均晚于中密度和高密度处理,最大累积速率小于中密度和高密度处理,快增期持续时间最长。体积累积量和快增期持续时间表现为低密度处理>中密度处理>高密度处理。

表2 不同密度处理陆地棉单铃体积生长特征值差异比较

对不同密度铃处理的纵径、铃横径进行Logistic方程拟合,结果见表3。不同密度处理拟合结果均较好,达极显著水平。铃纵径在高密度处理的最大累积量为45.36 mm,与中密度处理无显著差异,与低密度处理存在极显著差异;最大累积速率出现时间最晚;最大累积速率与其他2个密度处理无显著差异。中密度处理的最大累积量最小,为 45.33 mm;最大累积速率出现时间较早,与低密度处理无显著差异,与高密度处理存在极显著差异;最大累积速率最大,为2.58 mm/d。低密度处理的最大累积量最大(46.03 mm),快增期持续时间最长,达到12 d。

表3 不同密度处理陆地棉单铃纵径、横径生长特征值差异比较

高密度处理的铃横径最大累积量为33.17 mm,与中密度处理相同,与低密度处理无显著差异;最大累积速率出现时间均较中密度和低密度处理晚;最大累积速率与中密度处理相同,较低密度处理小,快增期进入和结束时间均较晚。中密度处理快增期持续时间最长。低密度处理的最大累积量、最大累积速率出现时间和快增期持续时间均低于中密度和高密度处理,最大累积速率高于其他2个密度处理。

3 讨论

种植密度决定着群体数的大小,影响棉花个体生长发育和竞争、产量形成以及品质提升[13-14]。棉铃是协调棉花源库关系的主要器官,在发育早期,铃壳主要作为库接受叶输送的光合产物,后期将光合产物转运到纤维和棉籽,与自身生长发育存在竞争关系。干物质作为产量形成的基础,其物质累积与合理分配是提高作物产量的关键[15]。

棉铃的生长发育与环境密切相关,不同的环境不仅影响棉铃的数量与质量,还调节植株营养运输情况[16-17]。本试验棉铃各组分(铃壳、纤维和棉籽)和铃形性状(体积、长和直径)在3种密度的生长趋势基本相同,表明外界条件对棉铃的生长发育具有一定的影响,但不改变总体趋势,这一点与薛晓萍等的研究结果[18-19]一致。徐敏等研究发现,铃壳干物质累积量前期较多,分配比例在前期占有绝对优势,之后迅速下降[20]。本研究也印证了这一规律,铃壳30 d即可达到最大值,之后缓慢下降;纤维和棉籽干物质量30～50 d快速增加,几乎呈直线增长;体积、铃纵径和横径0～25 d生长较快,25～50 d在一定范围内波动。环境中充足的水分会影响棉铃体积的增大[21-22],水分变少会导致棉铃体积减小[23]、铃壳变薄[24-25]。本试验与前人研究结果基本相同,在高密度下,铃壳干质量和体积均最小。徐乃银等认为棉铃体积、铃横径和铃纵径与铃质量之间都存在极显著正相关关系[26],因此在陆地棉品种选育时可以有目的地选择棉铃纵径、横径和体积均较大的。中密度处理的纤维最终干质量小于低密度处理,可能是因为最后一次取样时,虽然棉花生育期进入吐絮期,但还没有达到完全成熟的程度。铃壳和棉籽干质量在中密度处理最大,低密度处理次之,高密度处理最小。

对不同密度铃壳、纤维和棉籽进行Logistic方程拟合,棉铃累积过程符合“S”形变化,拟合效果较好,均达到极显著水平,这与前人研究结果[27-31]一致。本研究表明,铃壳的累积早于种子和纤维的累积,且累积速度较快;铃壳干物质的累积集中在7～18 d,高密度、低密度处理进入快增期时间较晚,结束时间较早。与中密度处理相比,快增期持续时间短。不同密度处理的纤维、棉籽快增期分别为22～43、15～38 d,说明棉籽快速发育时间早于纤维发育。随着密度降低,棉铃体积增大,这与周治国等的研究结果[32]一致。棉铃体积在开花受精后35 d内增长较快,这与陈冠文等的研究结果[33]出现差异,可能与品种和所处环境有关。

4 结论

研究表明,棉铃各组分和铃形性状的累积快慢不同,但生长趋势基本相同。其中,铃壳30 d即可达到最大值,之后缓慢下降;纤维和棉籽干物质 30～50 d生长加快,几乎呈直线增长。体积、纵径和横径0～25 d生长较快,25～50 d在一定范围内波动。比较不同密度棉铃各组分和铃形性状,低密度铃壳累积量最大,最大累积速率出现时间最晚;棉籽和纤维在高密度处理快增期持续时间最长,中密度的累积量最大,纤维干物质累积量无显著差异,棉籽在高密度和中密度处理中存在极显著差异。各密度间体积最大累积量和快增期持续时间存在极显著或显著差异,且低密度处理>中密度处理>高密度处理;铃纵径最大累积量在高密度和中密度处理无显著差异,极显著低于低密度处理;铃横径特征值在3种密度下无显著差异。不同密度特征值之间存在显著或极显著差异,表明陆地棉棉铃发育不仅受材料遗传特征影响,还受环境影响。在栽培上应创造棉铃发育的适宜环境条件,新疆南疆地区陆地棉栽培应以中密度为主。