棉田不同種植模式的環境生物學效應

張教海 吳勇剛 王孝剛 別墅 夏松波

摘要：通過對油菜-棉花、小麥-棉花和馬鈴薯-棉花3種種植模式下的直播棉生育進程、干物質積累與分配、產量及效益的分析，明確了播期早晚對直播棉產量影響較大，隨播期推遲，子棉日均減產18.75 kg/hm2，棉田收益馬鈴薯-棉花模式最高，小麥-棉花模式最低。與小麥前茬相比，油菜秸稈還田改善土壤環境效果好，土壤磷酸酶和脲酶活性高，容重低。土壤真菌多樣性檢測結果表明，油菜-棉花、小麥-棉花和馬鈴薯-棉花3種模式OTU數分別為976、803、715個;3種模式共有OTU數為208個。

關鍵詞：棉花;種植模式;環境生物學效應

中圖分類號：S562 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）24-0031-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.24.008 ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study of different planting patterns on eco-environmental effect of cotton

ZHANG Jiao-hai1，WU Yong-gang2，WANG Xiao-gang1，BIE Shu1，XIA Song-bo1

（1.Economic Crop Institute/Key Laboratory of Cotton Biology and Breeding in the Middle Reaches of Yangtze River，Hubei Academy of Agricultural Sciences，Wuhan 430070，China;2.Agricultural Technology Extension Center of Gongan County，Gongan 434300，Hubei，China）

Abstrct： The cotton growing process，dry matter accumulation and distribution，yield and comprehensive benefit of cotton field all decreased with the delay of seeding times through the study on eco-environmental effect of three planting patterns，wheet-cotton，rapeseed-cotton and potato-cotton. With the delay of seedlings dates，the yield decreased 18.75 kg/hm2. The economic income of potato-cotton is the highest，and that of wheet-cotton is the lowest. Compared with wheet-cotton， in straw returning，rapeseed-cotton reduced soil bulk density and significantly improved soil structure， the activity of soil phosphatase and urease. The results of soil fungal diversity test showed that the OTU in three patterns of rapeseed-cotton， wheat-cotton and potato-cotton is 976，803，715， respectively. The number of total OTU in three modes is 208.

Key words： cotton; different planting patterns; eco-environmental effect

由于棉花生產成本剛性上漲和糧棉爭地的直接影響，加上糧食生產農藝簡單、機械化程度高、用工少、補貼多的間接影響，中國三大棉區植棉面積不同程度縮減[1]，特別是機械化水平低、勞動力成本高的長江流域和黃河流域棉區下降幅度更大。發展棉田輕簡化種植模式，加快提高機械化植棉水平是促進內陸棉區原棉產能供給的重要途徑[2-4]。湖北省是產棉用棉大省，湖北紡織服裝業年主營收入3 000億元以上，紗產量300萬t以上，原棉需求量大。近年來，隨著棉花種植面積大幅下滑，產不足需的矛盾突現。為適應新常態，推動棉花供給側結構性改革，維持基本產能，促進棉花產業提質增效，棉農增產增收，從棉田種植模式上優化創新，提高棉田整體效益很有必要。改傳統麥（油）套栽棉花為麥（油）后移栽或直播棉花，既有利于前作機械化收獲和棉田機械化管理，還能促進糧棉雙豐收，是近年來湖北省棉區逐步發展的棉田種植模式，加上瓜套棉、棉花馬鈴薯連作等，成為湖北省棉田目前主要的種植模式。本研究選擇油后直播棉、麥后直播棉和馬鈴薯棉花連作3種模式，探析不同模式對直播棉生長發育的影響及其對棉田養分和真菌微生物多樣性的影響。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗設計

試驗于2017—2018年在湖北省公安縣進行。設置3個種植模式：麥后直播棉（小麥-棉花）、油后直播棉（油菜-棉花）和馬鈴薯收后直播棉（馬鈴薯-棉花）。小區面積各66.7 m2，4次重復（含1個取樣區）。供試棉花品種為CN01，由湖北省農業科學院經濟作物研究所提供。

1.2 ?棉花干物質積累與分配測定

分別在苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期每小區選擇代表性植株5株，烘干稱重，葉面積和葉面積系數用S1500A2AF型掃描儀掃描葉片后通過葉面積分析軟件imageI分析計算。

1.3 ?土壤容重和酶活測定

油菜、馬鈴薯、小麥、棉花播種前和收獲后，采用烘干法測定土壤容重。油菜-棉花模式和小麥-棉花模式，前作機械收獲后秸稈經旋耕粉碎還田，為了解秸稈還田后棉田氮和磷養分變化特點，在播種后每20 d取一次土樣測定脲酶和磷酸化酶活性，分小麥留茬和小麥無茬處理、油菜留茬和無茬處理，無茬處理為小麥或油菜收獲后拔除并清理了殘茬。土壤磷酸化酶和脲酶活性采用北京索萊寶科技有限公司試劑盒測定。

1.4 ?土壤真菌多樣性分析

播種后10 d，取3種模式0～20 cm土壤，每處理3個樣點，由上海派森諾生物科技有限公司進行高通量測序。

2 ?結果與分析

2.1 ?不同種植模式對棉花產量、效益的影響

由表1可知，馬鈴薯-棉花、油菜-棉花、小麥-棉花3種種植模式前茬收獲時間分別為5月10、14、24日。小麥、油菜為機械收獲并秸稈還田旋耕后直播棉花，馬鈴薯為人工收獲后旋耕直播棉花。生育進程上，小麥-棉花模式分別比油菜-棉花模式和馬鈴薯-棉花模式遲7、12 d。馬鈴薯-棉花模式棉花產量比油菜-棉花模式增產5.4%，差異顯著（P<0.05），比小麥-棉花模式增產13.3%，差異極顯著（P<0.01），油菜-棉花模式與小麥-棉花模式相比，棉花產量差異極顯著（P<0.01），分析還表明播種每推遲1 d，子棉日均減產18.75 kg/hm2。在純收益方面，馬鈴薯-棉花模式分別比油菜-棉花模式和小麥-棉花模式多6 675、8 205元/hm2。

2.2 ?不同種植模式對棉花干物質與葉面積的影響

由表2可知，從3種種植模式看，馬鈴薯-棉花模式各期干物質積累量均為最大，其次為油菜-棉花模式、小麥-棉花模式，說明播期越早，棉花營養器官建成越快，光能利用的越多，積累的干物質越多，產量越高。蕾期到花鈴期正值棉花營養生長和生殖生長并進期，是棉花干物質積累最多、葉面積擴大最快的時期，生產上應注重肥水合理運籌與調控，搭建豐產架子，減少蕾鈴脫落率，以達到多現蕾、多開花、多結鈴的目的。

2.3 ?不同種植模式對棉田土壤脲酶和磷酸化酶活性的影響

脲酶能夠水解尿素，產生氨和碳酸。土壤脲酶活性與土壤的微生物數量、有機物質含量、全氮和速效氮含量呈正相關[5，6]。土壤脲酶活性反映土壤的氮素狀況。從表3可以看出，棉花播種后60 d內，土壤脲酶活性無茬處理大部分比留茬處理高;60 d后留茬處理比無茬處理高，小麥-棉花模式和油菜-棉花模式變化趨勢一致。

土壤磷酸化酶是一類催化土壤有機磷化合物礦化的酶，其活性的高低直接影響著土壤中有機磷的分解轉化及其生物有效性，是評價土壤磷素生物轉化方向與強度的指標。不同茬口處理土壤磷酸化酶活性大部分在播后60 d達到最高值。小麥留茬處理土壤磷酸化酶活性除棉花播后60 d略低于無茬處理外，其余時期均高于無茬處理;油菜-棉花模式則在播后0～60 d留茬低于對照，此后留茬處理高于無茬處理。

測定不同種植模式棉花播前和收獲后土壤容重，馬鈴薯收后直播棉田為1.32、1.27 g/cm3、麥后直播棉田為1.51、1.37 g/cm3、油后直播棉田為1.52、1.48 g/cm3，收獲后均小于收獲前，同期不同模式間馬鈴薯-棉花模式<小麥-棉花模式<油菜-棉花模式。

2.4 ?3種種植模式棉田真菌多樣性特征

在微生物生態學領域，OTU（Operational Taxonomic Unit，可操作分類單元）通常是指根據某一人為設定的序列相似度閾值，將來自一個或多個樣本的序列進行歸并，彼此間相似度高于該閾值的序列都將歸并為一個OTU[7]。通過序列歸并和OTU劃分，既簡化數據結構，也更有利于在某一確定的分類水平對不同來源的微生物群落樣本進行互相比較。目前，大多數基于16S rRNA基因的菌群結構多樣性研究中，通常以97%的序列相似度作為OTU劃分閾值，該閾值大致相當于分類學中物種水平的序列差異。土壤樣品檢測OTU數（2018年）結果（圖1）表明，油菜-棉花、小麥-棉花和馬鈴薯-棉花3種模式OTU數分別為976、803、715個;3種模式相同OTU數為208個;油菜-棉花模式和小麥-棉花模式相同OTU數為401個，油菜-棉花模式和馬鈴薯-棉花模式相同OTU數為360個;馬鈴薯-棉花模式和小麥-棉花模式相同OTU數為295個。

3 ?小結與討論

通過棉田3種種植模式比較試驗，播期對棉花產量影響較大，子棉日均減產18.75 kg/hm2。馬鈴薯-棉花模式整體效益高，棉田肥力基礎好，播期較早，棉花產量最高，油菜-棉花模式播期稍遲，加上油菜機械收獲損失較大，造成油菜再生苗多，形成草害，棉苗遲發;小麥因收獲期比油菜遲10 d，棉花遲播遲發，產量減幅最大。不同模式干物質積累和葉面積增長動態也反映了3種種植模式的產量趨勢。此外，試驗中還發現油菜-棉花模式出苗率低，發病率高，其原因需進一步研究。

小麥、油菜秸稈還田能明顯提高中后期棉田的脲酶和磷酸化酶活性，以滿足棉花開花結鈴期對氮、磷的需求。不同種植模式微生物多樣性分析結果表明，油菜-棉花模式土壤真菌微生物最多，為976個;油菜-棉花模式和小麥-棉花模式相同OTU數為401個。不同模式真菌門、科、目、屬、種水平的多樣性差異特征及其與苗期病害發生規律相關性需進一步分析。

參考文獻：

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[4] 紀從亮.讓“四化”助圓“快樂植棉”之夢—記長江、黃河兩大棉區機采棉跨出可喜的一步[J].中國棉花，2014，41（10）：4-6.

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[7] BLAXTER M，MANN J，CHAPMAN T，et al. Defining operational taxonomic units using DNA barcode data[J].Philos Trans R Soc B Biol Sci，2005，360：1935-1943.