无人机喷施化学打顶剂对棉花生长发育及产量品质的影响

白志坤, 高 山, 陈 兵, 王 静, 王海斌, 王 利,赵 静, 王 刚, 孙乐鑫, 陈子杰, 韩焕勇, 王方永

(1.塔里木大学农学院,新疆阿拉尔 843300; 2.新疆农垦科学院棉花研究所,新疆石河子 832003 3.新疆石河子职业技术学院水建分院,新疆石河子 832000; 4.北京甸甸丰生物科技有限公司,北京 100000)

棉花是天然纤维作物,在世界范围内棉花生产国的经济中扮演着重要角色[1]。新疆棉花种植历史悠久,棉花种植面积及产量日益增加,已连续25年成为中国最大的棉花生产基地[2-3],棉花已成为新疆极为重要的优势作物。新疆棉花生产机械化水平较全国平均水平高,已基本实现种植全过程机械化[4]。然而,随着棉种、化肥及人工成本的不断上涨,棉农的植棉成本提高,加之近年来棉花市场相对不稳定,一系列不良因素致使棉农植棉的生产积极性波动较大[5-6]。因此,实现棉花机械化、规模化、轻简化栽培是新疆棉花“两高一优”可持续发展的必经之路[7]。

打顶是棉花生产过程中一项尤为重要的环节,主要采用人工打顶去除棉花主茎顶心,抑制棉株顶端优势,调节棉株体内的养分积累及运输过程,促使棉株生殖生长、营养生长达到动态平衡,减少蕾铃脱落,进而提高产量。近年来,国内外学者对棉花化学打顶技术研究做了很多研究工作。Zhu等对黄河流域棉花进行化学打顶的研究表明,化学打顶后棉花株高、果枝数和上果枝长度均显著低于人工打顶[8]。Shi等认为,甲哌(DPC)和25% DPC水剂(DPC+)能够调节棉花顶部结构,抑制棉花顶端优势,延缓棉花主茎生长,提高棉籽产量[9]。赵强等对棉花进行化学打顶后发现,棉花株高较人工打顶高,籽棉产量及结铃数优于人工打顶[10]。杨成勋等对棉花进行化学打顶试验发现,喷施化学打顶剂能塑造棉株株型,改变棉花冠层结构特征和冠层光的均匀分布性,优化棉株群体光合质量,提高棉花产量[11]。徐守振等研究发现,适当减少棉花滴灌水量,合理运用化学打顶剂,对棉花产量及衣分无显著影响[12]。可见,在棉花中将化学打顶替代人工打顶是可行的。近年来,无人机技术快速发展,广泛应用于各个领域。无人机技术在农业领域的应用可视为一场“绿色革命”,极大地解放了劳动力,提高了农业生产水平,促进了现代农业发展[13]。目前,棉花喷施化学打顶剂主要以人工、机械喷雾为主,耗时费力,用水量大,机械损失较大,农药利用率偏低[14],且打顶过程易受人力、物力、财力、药械等条件限制,短期内难以达到预期的打顶效果。尤其在丘陵山区,因交通不便,地面机械及人工难以进入作业,而无人机航空施药可很好地解决这一难题。此外,无人机航空施药作为一种新型的施药方式,与传统的施药方式相比具有节水、节药、省时、省工、高效等优势,是未来棉花打顶的发展趋势[15]。

综上可知,前人研究棉花打顶主要以人工打顶、机械化或半机械化喷施化学打顶剂为主,在无人机喷施棉花化学打顶剂方面报道较少,无人机药剂打顶参数的筛选和药剂浓度的对比分析未见有系统报道。因此,本试验研究无人机在不同高度、速度、施药浓度条件下喷施化学打顶剂对棉花生长发育及产量品质的影响,为机采棉提质增效、合理使用化学打顶剂提供了借鉴与参考。

1 材料与方法

1.1 试验地情况

2021年在北疆地区的新疆农垦科学院棉花研究所试验田(44°18′52″N,85°58′50″E)开展试验。试验田前茬为棉花,品种为早熟棉金垦1565。土壤质地为黏壤土,中等肥力,其中速效磷含量12.34 mg/kg,碱解氮含量61.96 mg/kg,速效钾含量381.75 mg/kg,有机质含量9.61 g/kg。

1.2 试验设计

试验设置7个处理,小区间设有保护行。4月18日播种,铺膜精量点播,膜下滴灌,1膜6行,行距(66+10) cm,株距9.5 cm。不施基肥,追施46%尿素705 kg/hm2、73%磷酸一铵345 kg/hm2、61%氯化钾360 kg/hm2,全部随水滴施。生育期总灌水量为5 475 m3/hm2,每8～10 d滴灌1次,每次滴灌 450～600 kg/hm2,共滴灌10次。药剂选用棉花生物免打顶剂水剂(北京甸甸丰生物科技有限公司),主要成分由吲熟酯5份、乳化剂5份、二甲苯15份、控旺剂1份、授粉剂0.5份、膨大剂0.5份、防落素0.5份、微生物复合菌剂0.2份、微生物代谢物0.5份、氟节胺3份等原料组成(北京神农源生物科技发展有限公司),规格为500 mL/瓶。设置人工打顶处理7(CK)以及无人机(广州极飞科技有限公司生产,极飞P30,电动多旋翼,4个旋转式离心喷头,最大载液量16 kg)喷药处理1～6(无人机距离冠层飞行高度1、2 m,飞行速度3、5、7 m/s,施药浓度 0.525、0.750、0.975 L/hm2),每个处理喷施长度100 m,详细内容见表1。各处理田间管理保持一致,7月9日同期进行无人机化学打顶和人工打顶,其他管理措施按当地大田栽培进行。

表1 不同处理具体设置

1.3 测定指标及方法

1.3.1 农艺性状 各处理选择长势均匀的3个点,各点取10株棉花(内外行各5株),对其进行挂牌定点定时调查。施药当天调查1次,施药后5、10、15、20 d分别调查1次。每次调查时间均保持在11:00左右,主要调查棉花的农艺性状,诸如株高、叶龄、果枝数、果枝始节位、果枝始节高、单株结铃数等。取样,采用烘干法[16]测定不同棉株器官鲜质量和干质量;采用打孔法[17]测定棉株叶面积指数;根据下式计算棉株含水量[18]:

棉株含水量=(棉株鲜质量-棉株干质量)/棉株鲜质量×100%。

1.3.2 产量及构成因素 棉花收获前调查各处理株数、单株铃数,重复3次,每次重复取长势均匀的10株棉株测定衣分、单铃质量,计算产量。

1.3.3 棉花纤维品质 棉花收获前各处理分别收获60个铃,包括下部1～3果枝20个铃,中部4～6果枝20个铃,上部7以上果枝20个铃,重复3次。由新疆农垦科学院测定样品的纤维长度(LEN)、整齐度指数(UI)、马克隆值(MIC)、比强度(STR)、伸长率(ELG)、成熟度系数(MR)、短纤维指数(SFI)等。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2013进行数据归纳整理及绘图,采用SPSS 26.0进行方差分析;采用LSD和Duncan’s进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同打顶处理对棉花农艺性状的影响

表2所示,打顶前,各处理之间的棉花株高、叶龄、果枝数、果枝始节位、果枝始节高分别相差0.02～2.31 cm、0～0.89叶、0～1台、0～0.56、0～2.43 cm,且均无显著差异。打顶后,随时间推移,不同打顶方式(处理1～7)株高均缓慢增长,打顶后20 d,其中UAV飞行高度2 m、速度3 m/s、喷药浓度 0.750 L/hm2处理的株高最高、增长速率(与打顶前相比,下同)最大,分别为87.09 cm、3.29%,UAV飞行高度2 m、速度5 m/s、喷药浓度0.975 L/hm2处理的株高与UAV飞行高度2 m、速度(5、7 m/s)、喷药浓度0.750 L/hm2处理差异显著(P<0.05)。各处理棉花株高变化的大小顺序为处理2>处理6>处理4>处理3>处理7>处理1>处理5。UAV喷药处理1～6叶龄和果枝数在打顶后15～20 d均高于CK,分别为1.01～2.02叶、0.44～2.56台,且与CK差异显著(P<0.05),其中打顶20 d后UAV飞行高度2 m、速度5 m/s、喷药浓度0.750 L/hm2处理最高。叶龄变化的大小顺序为处理3>处理4>处理1>处理6>处理7>处理5>处理2。单株结铃数在打顶10～20 d后,UAV飞行高度2 m、速度 5 m/s、喷药浓度0.525 L/hm2处理与CK相比达显著差异水平(P<0.05),其他UAV喷药打顶处理与CK基本无显著差异(P>0.05)。打顶5～20 d后,棉花果枝始节位和果枝始节高多数基本不变,UAV喷药处理1～6与CK相比基本无显著差异(P>0.05)。

表2 不同打顶方式对棉花农艺性状的影响

综上,打顶20天后与打顶前相比,UAV飞行高度2 m、速度7 m/s、喷药浓度0.750 L/hm2处理对棉花株高和叶龄抑制性较好,且差值最小,CK单株结铃数最多,有利于产量形成。说明UAV不同打顶方式对棉花株高和叶龄影响较大,但15 d后趋于稳定,可起到控制株高和叶龄的作用,果枝数和单株结铃数不断增加,营养生长趋于稳定的同时,生殖生长不断增强。

2.2 不同打顶方式对棉花群体指标的影响

表3显示,随着打顶时间的推移,棉株各器官鲜质量、干质量均呈现出缓慢升高的趋势。打顶前,无人机(UAV)喷药处理1～6和人工打顶处理7(CK)相比无显著差异(P>0.05)。打顶5 d后,UAV飞行高度1 m、速度5 m/s、喷药浓度 0.750 L/hm2处理的棉株各器官鲜质量均高于其他处理0.86～5.15、10.40～34.67、8.91～32.03、1.70～28.43 g,各处理间无明显变化(P>0.05)。打顶15 d后,处理1～6叶鲜质量显著低于CK 2.81～29.53 g(P<0.05),降幅达1.84%～19.37%。打顶5～20 d 后,地上总鲜质量有明显升高的趋势,其中UAV飞行高度2 m、速度5 m/s、喷药浓度 0.975 L/hm2处理的增长速率最大。打顶20 d后,UAV喷药所有处理的叶干质量均小于CK,但无显著变化(P>0.05)。打顶5 d后,UAV飞行高度 1 m、速度5 m/s、喷药浓度0.750 L/hm2处理的地上总干质量均高于其他处理,但无显著变化(P>0.05);打顶10 d后,处理1～6的地上总干质量均比CK高1.80～51.67 g,其中UAV飞行高度1 m、速度 5 m/s、喷药浓度0.750 L/hm2处理与CK差异显著(P<0.05)。打顶20 d后,UAV飞行高度2 m、速度5 m/s、喷药浓度0.975 L/hm2处理的地上总干质量显著高于其他处理11.65～53.12 g,较CK增长约3.54%。综上,UAV化学打顶20 d后与打顶前相比,飞行高度2 m、速度5 m/s、喷药浓度 0.975 L/hm2处理棉株干质量较高,能有效促进生殖生产,有利于产量形成。说明UAV不同打顶方式对棉株各个器官鲜质量和干质量影响较大,且总体上一直在增加,同时为棉花产能的提高供应了较多的物质基础。

表3 不同打顶方式对棉花群体指标的影响

表4显示,在打顶前,无人机(UAV)喷药处理 1～6棉株叶面积指数(LAI)与人工打顶处理7(CK)相比多数无显著差异。打顶10 d后,处理1～6的WC均高于CK,其中处理1、2、4与CK差异显著(P<0.05);打顶15 d后,处理1显著高于CK(P<0.05);打顶20 d后,UAV飞行高度1 m、速度5 m/s、喷药浓度0.750 L/hm2处理的WC与其他处理差异显著(P<0.05)。打顶5～15 d后,UAV飞行高度1 m、速度5 m/s、喷药浓度0.750 L/hm2处理的LAI高于其他处理;打顶20 d后,UAV喷药处理1～5的LAI小于CK,且各处理间多数存在显著差异(P<0.05)。综上,打顶20 d后与打顶前相比,UAV飞行高度2 m、速度5 m/s、喷药浓度 0.975 L/hm2处理的棉花LAI最大,指标最优。说明UAV不同打顶方式对WC和LAI有一定的影响,15 d后WC和LAI不断增加,有助于棉花光合作用,与棉花群体指标增加的趋势一致。

表4 不同打顶方式对棉花WC和LAI的影响

2.3 不同打顶方式对棉花产量及构成因素的影响

表5可知,无人机(UAV)喷药处理1～6与人工打顶处理7(CK)的棉花株数、单株铃数、籽棉产量无显著差异(P>0.05)。UAV飞行高度2 m、速度5 m/s、施药浓度0.975 L/hm2处理的棉花株数、单株铃数、籽棉产量均高于其他处理0～15 818.10株、0.05～1.53个、828.26～1 659.39 kg/hm2。UAV飞行高度(1、2 m)、速度(3、5、7 m/s)、喷药浓度(0.525、0.750 L/hm2)棉花单株铃数均小于CK 0.64～1.48个。单株铃数的大小为处理6>处理7>处理2>处理5>处理4>处理3>处理1。UAV飞行高度2 m、速度(3、5 m/s)、喷药浓度(0.750、0.975 L/hm2)籽棉产量较CK增加321.65～1 253.59 kg/hm2,增产率4.79%～18.66%,其中飞行高度2 m、速度5 m/s、喷药浓度0.975 L/hm2处理增产最多,达18%以上,其他UAV喷药处理的籽棉产量比CK低 38.23、307.42、405.80 kg/hm2,减产率达0.57%、4.58%、6.04%,籽棉产量的大小顺序为处理6>处理3>处理2>处理7>处理4>处理5>处理1。处理2、4、5的衣分比CK高7.26%～10.85%,衣分的大小顺序为处理5>处理2>处理 4>处理7>处理3>处理6>处理1。处理1～6的单铃质量分别比CK高 0.30～1.11 g,其中飞行高度2 m、速度5 m/s、喷药浓度0.750 L/hm2处理最高,较CK增加1.11 g,增幅约22.20%,单铃质量变化的大小顺序为处理3>处理1>处理4>处理6>处理5>处理2>处理7。综上,处理2、3、6棉花产量较高。说明UAV不同打顶方式对棉花产量的影响存在较大差异,产量构成因素中单铃质量的影响差异较大,各处理间单铃质量多数差异显著,株数、单株铃数和衣分影响较小,可通过调控单铃质量来提高或降低产量。

表5 不同打顶方式对棉花产量的影响

2.4 不同打顶方式对棉花品质的影响

表6可知,UAV喷药处理1～6的棉花品质参数LEN、UI、MIC、SFI、ELG、MR变化较小,较CK无显著差异(P>0.05),其中品质参数LEN、STR高于CK。UAV在同一飞行高度2 m、速度5 m/s和不同喷药浓度(0.750、0.975 L/hm2)下喷施打顶剂时,喷药浓度为0.975 L/hm2处理的ELG、SFI更高。说明除比强度外,UAV喷药处理的棉花品质指标与CK基本一致,其飞行高度(1、2 m)、速度(5、7 m/s)、喷药浓度(0.750 L/hm2)处理的棉花纤维品质指标LEN、UI、STR、MR、SFI优于人工打顶,一定程度上提高了棉花的潜在品质。

表6 不同方式打顶对棉花品质的影响

3 讨论

当前,新疆棉花在实际生产中,人工打顶是限制其全程机械化的主导因素之一,而且人工打顶易出现漏打或多打的现象[19]。相较于人工打顶,无人机化学打顶高效、实时、准确、省工,且打顶全过程中棉株不易出现机械损伤,能有效避免漏打顶或重复打顶等问题[20-21]。

3.1 不同打顶方式对棉花农艺性状的影响

随无人机(UAV)喷药时间的推移,各处理棉花株高、叶龄、果枝数有不同程度的增加,且存在显著差异(P<0.05),而果枝始节位、果枝始节高、单株结铃数多数无显著变化。棉花株高随UAV喷药浓度的增加而下降,与韩焕勇等的人工模拟机车喷药打顶类似的研究[5]基本一致,其中UAV飞行高度 2 m、速度5 m/s、喷药浓度0.750 L/hm2处理明显低于其他处理。棉花叶龄、果枝数在不同喷药处理下均有增加,果枝始节位、果枝始节高基本不变,与陈兵等的人工模拟机车喷药打顶类似的研究[22]基本一致。打顶20 d后,UAV喷药处理1～6棉花单株结铃数均增加,其中喷药处理2、3、6高于其他喷药处理1、4、5,但低于人工打顶处理(CK),与张特等的人工模拟机车喷药打顶研究结果[23]类似。说明UAV飞行高度2 m,速度5 m/s,喷药浓度0.750、0.975 L/hm2处理对棉花生长参数较好。

3.2 不同打顶方式对棉花群体指标的影响

不同打顶方式下各处理间棉花物质积累量多数存在显著差异(P<0.05)。打顶20 d后,无人机(UAV)飞行高度2 m、速度5 m/s、喷药浓度 0.975 L/hm2处理的棉花根鲜质量、茎鲜质量、地上总鲜质量、根干质量、茎干质量、地上总干质量、叶面积指数均显著高于其他处理(P<0.05)。与康正华等的人工模拟机车喷药打顶研究结果[24]类似。与时晓娟等的人工模拟机车喷药打顶试验结果[6,25]略有不同。黎芳等认为,化学打顶后棉花叶面积指数和地上总干质量间无显著差异[25];时晓娟等认为,随施药浓度增加棉花叶面积指数呈下降趋势[6]。造成试验结果不同可能是因为前人在开展试验时所种植的棉花品种及后期施肥量存在差异所致。说明UAV飞行高度2 m、速度5 m/s、喷药浓度 0.975 L/hm2处理有利于棉花群体指标增加。

3.3 不同打顶方式对棉花产量的影响

无人机(UAV)喷药处理2、3、6的籽棉产量高于CK,但无显著差异(P>0.05),与齐海坤等的人工模拟机车喷药打顶研究结果[26]类似。UAV飞行高度2 m、速度5 m/s、喷药浓度0.975 L/hm2处理的籽棉产量显著高于其他处理,且其经济效益相对最高。所有UAV喷药处理下棉花单铃质量较CK均有不同程度的增加,且存在显著差异(P<0.05)。这与赵强等的人工模拟机车喷药打顶研究结果[ 10,25]类似。说明UAV飞行高度2 m、速度 5 m/s、喷药浓度0.975 L/hm2处理对棉花增产效果最好。

3.4 不同打顶方式对棉花品质的影响

不同打顶方式对棉花品质整体影响较小,各处理间多数无显著差异,与陈兵等的人工模拟机车喷药打顶研究结果[22,27]趋于一致。UAV飞行高度 2 m,速度5 m/s,喷药浓度0.750、0.975 L/hm2处理与CK相比存在差异,其中飞行高度、速度一致时,喷药浓度0.750 L/hm2处理的棉花整齐度指数、马克隆值、成熟度系数优于喷药浓度0.975 L/hm2处理,喷药浓度0.975 L/hm2处理的棉花伸长率、短纤维指数优于喷药浓度0.750 L/hm2处理。本研究结果与王刚等的人工模拟机车喷药打顶类似研究[28]基本一致,即整齐度指数、纤维长度、马克隆值、伸长率等品质参数与CK相比均无显著差异。说明UAV打顶在很大程度上优于人工打顶,对提高棉花潜在品质有一定的促进作用,UAV飞行高度2 m、速度 5 m/s、喷药浓度0.750、0.975 L/hm2对棉花品质较好。

4 结论

与人工打顶(CK)相比,无人机(UAV)化学打顶可提高棉花株高、叶龄,增加果枝数。UAV化学打顶对棉花产能有不同增减效应,其中飞行高度 2 m,速度3、5 m/s,喷药浓度0.750、0.975 L/hm2处理高于CK,且喷药浓度0.975 L/hm2处理的增产潜力更大,其余UAV化学打顶的籽棉产量低于CK。UAV飞行高度2 m、速度5 m/s、喷药浓度 0.975 L/hm2处理的棉花群体指标量均高于其他处理。除比强度外,UAV化学打顶同CK相比无明显变化。综上,UAV飞行高度2 m,速度5 m/s,喷药浓度0.750、0.975 L/hm2处理的效果较好,可在北疆早熟棉区推广应用。