黃土高原棉區棉花高光效密矮群體株型研究

張衛民，楊蘇龍，史高川，席凱鵬，范博紅，陶民剛，丘毓蓉，范志杰

（山西省農業科學院棉花研究所，山西運城044000）

地處山西運城的黃土高原棉區，多年來棉花皮棉產量一直徘徊在1 500 kg/hm2上下，植棉效益較低，棉農植棉積極性受挫。山西棉區目前的生產模式是群體密度4.5萬～6.0萬株/hm2，株高都在1.0～1.2 m，株型表現為縱高橫寬，主莖節間長，果枝多，果節長，葉片多而大，棉株中下部遮光陰蔽，通風透光差，造成內圍優質大鈴少，而外圍及頂尖小鈴多，單株平均鈴質量減輕，且成熟晚，霜后花多等“稀高大”的栽培模式。基于目前生產現狀，要想使皮棉產量再提高，達到公頃產量1 875 kg以上，采用哪種栽培模式，塑造什么樣的群體和株型，才能更有效地利用當地光熱資源，進一步提高棉花產量，成為當前研究和探討的課題。為此，山西省農業科學院運城綜合試驗站2015—2018年在萬榮光華棉花試驗基地，通過6種種植密度和高密化控措施對“稀高大”和“密矮小”2種群體株型進行對比試驗，旨在尋找適于黃土高原氣候特點的大群體、小個體、高光效的密矮群體株型及相應配套栽培技術，實現棉花產量的再高產[1]。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省農業科學院棉花研究所試驗基地萬榮縣光華鄉大興村，年平均溫度13.9℃，全年降雨量532.0 mm，光照時間為2 182.3 h，＞20℃積溫7 456.7℃。土壤有機質含量1.20%，全N含量0.081%，全P含量0.138%，速效N 71.8 mg/kg，速效P 25.52 mg/kg，速效 K109.09 mg/kg。

1.2 試驗材料及試劑

供試棉花品種為晉棉11號，由山西省農業科學院棉花研究所育種課題組提供。

縮節胺由張家口長城化工廠生產。

1.3 試驗方法

試驗設6個種植密度，分別為4.5萬、6.0萬、7.5萬、9.0萬、10.5萬、12.0萬株 /hm2。小區面積為75 m2，3次重復。3個高密度（9.0萬、10.5萬、12.0萬株/hm2）進行4次葉面化控，分別在主莖7葉齡噴施7.5 g/hm2縮節胺，11葉齡噴施15.0 g/hm2縮節胺，16葉齡噴施22.5 g/hm2縮節胺，打頂后7 d噴施 30.0～37.5 g/hm2縮節胺[2]。純 N 450 g/hm2、P2O5270 g/hm2、K2O360 g/hm2，氮肥 2/3 作底肥，1/3做追肥，磷、鉀肥全部作底肥，一次施入。追肥條施后澆水。在澆足底墑水基礎上，第1水提前到11葉齡期（盛蕾期）進行，第2水在16葉齡期（初花期），第3水在20葉齡期，每次澆水量600 m3/hm2。

1.4 測定項目及方法

在各生育期和成熟期，測定了棉花的農藝性狀和產量性狀。分別在棉花7葉齡期、11葉齡期、16葉齡期和20葉齡期，分上、中、下部，用LuxMeter HT-13測光儀測定光照強度，計算透光率。在以上各葉齡期，對營養器官和生殖器官每個處理取樣5株，烘干測定干物質積累量。

1.5 數據分析

對常規密度（4.5萬、6.0萬、7.5萬株 /hm2）和高密（9.0萬、10.5萬、12.0萬株/hm2）的群體和個體性狀進行數據對比和差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同種植密度對產量結構的影響

由表1可知，10.5萬株/hm2的總成鈴數最高，達117.2萬個/hm2，比6.0萬株/hm2的總成鈴數（90.0萬個/hm2）高30.2%。密度大于90萬株/hm2以上的皮棉產量皆可達1 875 kg/hm2以上，其中，產量最高的是10.5萬株/hm2，達到2 026.5 kg/hm2，分別比4.5萬、6.0萬、7.5萬株/hm2增產33.5%、24.7%和15.8%；其次，12.0萬株/hm2產量也達到1 875 kg/hm2，而9.0萬株/hm2以下密度的產量皆還停留在1 650 kg/hm2上下。

表1 不同密度群體的產量結構

對產量構成的3個因素統計分析表明，公頃鈴數與皮棉產量的相關系數最大，呈高度正相關，達極顯著水平（r＝0.927 4），而鈴質量和衣分與產量相關系數較小，并為負相關，未達顯著水平。說明密度在4.5萬～12.0萬株/hm2，隨著種植密度增加，公頃成鈴數增加，皮棉產量由1 518.0 kg/hm2提高到1 875.0 kg/hm2，單位面積總鈴數起決定作用，而單鈴質量和衣分略有降低，但不顯著。表明增加種植密度能夠有效提高單位面積總鈴數，達到增株、增鈴、增產的效果。從試驗結果來看，在目前生產條件下，種植密度在10.5萬株/hm2的皮棉產量可達到2 026.5 kg/hm2[3]。

2.2 增密化控對棉花株型的影響

通過提高種植密度和運用葉齡指標化控技術后，棉花群體和株型特征發生系列明顯變化。從表2可以看出，隨著密度增加棉株個體變矮，單株主莖葉、果枝數及其葉片數、主莖節間數、果枝節間數都相應減少；主莖節間長度、果枝節間長度也相應變短；單株總葉片數、單株成鈴數和單株生殖量也相應減少，但棉株1、2節位優質大鈴成鈴率卻大幅提高，形成一個高密、矮株、短枝、小葉、大鈴的高光效密矮群體株型[4]。其增產機理主要表現在以下5個方面。

表2 1 875 kg/hm2群體株型特征

2.2.1 密矮株型群體生育前期葉面積增加迅速、光合面積大 由表3可知，在20葉齡（盛花期）以前，9.0萬～12.0萬株/hm2的單株葉片數、單株葉面積都小于4.5萬株/hm2，但單位面積的總葉片數和總葉面積卻大于4.5萬株/hm2的。特別是7～16葉齡（現蕾—開花期），單位面積葉片數和葉面積增長速度極快。如7葉齡（現蕾期）9.0萬～12.0萬株/hm2的總葉片數已達72.0萬～84.0萬片/hm2，而4.5萬株/hm2僅有36.9萬片/hm2，分別增加了95.1%、127.6%；總葉面積分別達到750.6、882.0 m2/hm2，比4.5萬株/hm2（455.0 m2/hm2）分別增加65.0%、93.8%；葉面系數分別達到0.075、0.088，也較4.5萬株/hm2（0.045）分別增大66.7%、95.6%。進入11葉齡、16葉齡、直到20葉齡，皆表現同樣趨勢。表明密度9.0萬～12.0萬株/hm2較4.5萬株/hm2能夠充分利用棉花生長前期的光熱資源，減少大面積地面裸露和太陽光能的損失，提高了棉花生育前期光能的利用，為中后期的開花成鈴積累較多的光合產物，奠定了提高成鈴數和增加鈴質量的物質基礎。

表3 不同生育時期葉面積動態

通過增密化控后，棉株個體的各個營養器官皆變低、變小、變少、變短，但是單位面積上卻是株多、葉片多、果枝多、果節多、總生殖多、總成鈴數多，特別是前期制造有機營養的光合面積增大，這是密矮株型高光效的主要性能之一[5]。

2.2.2 密矮株型群體中期植株下部光照強度增加、消光系數減小 由表4可知，從處理I可以看出，16葉期10.5萬株/hm2化控處理的棉株下部光照強度為2.89萬lx，分別比4.5萬、10.5萬株/hm2不化控的光照強度（1.54萬、1.46萬lx）高87.4%、97.4%。3個處理表現同樣的趨勢，高密化控的10.5萬株/hm2的平均光照強度為2.98萬lx，比4.5萬株/hm2的平均光照強度（1.50萬lx）和10.5萬株/hm2不化控處理的平均光照強度（1.39萬lx）分別高出99.1%和113.9%[6]。

從棉株下、中、上3個部分的消光系數看，密矮群體的消光系數在3個部位皆小于不化控處理的棉株群體。同樣，密矮群體的下部溫度和相對濕度也都小于不化控處理的棉株群體，這種密矮群體株型下部光照強度高，下、中、上各部位的消光系數較小和下部溫、濕度較低，有利于棉株中、下部開花、成鈴和提高鈴質量，也有利于棉纖維的發育，減少中下部蕾鈴脫落和爛鈴，增加棉花產量和提高品質[7-8]。

表4 不同群體株型棉株各部位光照強度及溫濕度

2.2.3 密矮株型群體光合產物積累峰值前移 由表5可知，在11葉鈴期，9.0萬～12.0萬株/hm2，單株營養器官光合產量為4.3～4.52 g，較4.5萬株/hm2（6.4 g）低32.8%～29.4%；生殖器官為0.09～0.10 g，也比4.5萬株/hm2（0.18 g）低50%～44.4%。但是9.0萬株～12.0萬株/hm2單位面積營養器官和生殖器官的光合產物分別比4.5萬株/hm2高41.3%～79.2%和11.1%～33.3%，地上部分總光合產量也表現同樣規律。進入16葉齡期、20葉齡期，一直到吐絮期，皆表現如此規律。但隨著生育進程，單位面積光合總生成量的差別越來越小。說明了棉株不同葉齡期地上部分光合產物累積，從棉株個體而言，單株光合產物皆以種植密度小的積累較多；但從群體來看，在棉株生長發育的各個時期，皆以種植密度大的密矮群體的光合產物較多。由于密矮群體光合產物累積前期較多，峰值前移，為棉花的現蕾開花成鈴提供了充足的有機營養[9-10]。

表5 不同群體光合生產量累積動態

2.2.4 密矮株型群體經濟系數提高 由表6可知，密度4.5萬～12.0萬株/hm2，隨著密度增加，單株生物學產量逐漸降低，但單位面積上的生物學產量都隨之增高。4.5萬株/hm2的單株營養器官干質量較9.0萬～12.0萬株/hm2的高出94.1%～157.8%；單株籽棉質量高出50.4%～113.0%。而單位面積上的營養器官干物質量9.0萬～12.0萬株/hm2比4.5萬株/hm2略高3.1%～4.8%，差異不大；但單位面積籽棉質量卻增加25.2%～35.1%，營/生降低18.3%～22.5%。從生物學產量比較，4.5萬株/hm2單株生物學產量比9.0萬～12.0萬株/hm2高出76.3%～140.4%，但單位面積上生物學產量卻以9.0萬～12.0萬株 /hm2比 4.5萬株 /hm2的高出10.9%～15.2%，經濟系數提高12.8%～17.4%。進一步表明，密矮群體株型在單位面積的營養器官干質量差異不大的情況下，有效提高了生殖器官的干質量，減少有機營養的浪費，提高了經濟系數。

表6 不同群體營/生值和經濟系數

2.2.5 密矮株型群體成鈴的時空分布 由表7可知，密度9.0萬～12.0萬株/hm2，采取增加密度和適時化控，塑造出大群體、小個體、高光效的群體株型，使棉株開花成鈴提早，在6月下旬開花數已占到單株總花數的12.7%～14.1%，成鈴數已占到總成鈴數的19.5%～22.2%，而密度9.0萬株/hm2以下的皆未開花成鈴。進入7月上旬至中下旬，是當地光熱資源高能期，也是當地開花成鈴最佳時期，此時，9.0萬～12.0萬株/hm2開花數分別占株開花數的22.90%～26.70%和61.4%～70.8%，成鈴數分別占株成鈴數的39.0%～44.6%和80.5%～89.1%。而此時密度4.5萬～7.5萬株/hm2的開花數僅占株花數的6.59%～9.12%和24.0%～40.1%，成鈴數也只占到株成鈴數的10.2%～13.5%和33.9%～45.6%。更重要的是此時棉株1～2節位成鈴，9.0萬～12.0萬株/hm2成鈴占比達80.5%～89.1%，而4.5萬～7.5萬株/hm2成鈴占比僅為43.1%～47.1%，1～2節位成鈴率平均提高92.0%。表明了密矮株型開花成鈴高峰期與當地光熱資源高能期相同步，最佳鈴位成鈴與當地最佳結鈴期相同步，這是對當地氣候資源和棉花自身開花成鈴優勢期充分的利用和發掘，也是密矮株型單位面積成鈴多、平均鈴質量高的原因所在[11-12]。

表7 密矮株型開花成鈴動態%

3 結論和討論

通過增密化控技術，塑造矮株、短枝、小葉、大鈴的高光效“密矮小”群體株型，使棉花皮棉產量由1 500 kg/hm2增加到到1 875 kg/hm2以上。其增產原因，從產量結構上看，是單位面積總鈴數增加的結果；從生理方面分析，是由于光合性能改善——光合面積增大，光照強度增強，光合產量增加，營養短線運輸等綜合生理功能增大增強的結果。特別是棉株生長的前期和中期，有機光合產物的積累峰值提前，為棉花的開花、增鈴和增質量奠定了物質基礎。

總鈴數達到105萬個/hm2以上，是種植密度提高到9.0萬～10.5萬株/hm2而實現的；密度低于9.0萬株/hm2成鈴數僅有90萬個/hm2左右；密度12.0萬株/hm2的成鈴數、鈴質量都略有下降趨勢。因而，在目前生產狀況下，種植密度以10.5萬株/hm2左右為宜。

關于鈴質量問題，常規情況下，單鈴籽棉平均質量是隨著密度增加而降低，但密矮株型的平均鈴質量基本不會降低，這是因為增密化控后，果枝縮短，每個果枝僅有1、2個節位的鈴位，也是全株優質大鈴的最佳鈴位，而且這些鈴都是在光熱資源高能期和最佳結鈴期形成的，所以，鈴質量基本不會降低[13]。

關于矮株、短枝、小葉問題，該試驗是在充分同步保證水肥供給的條件下進行的，所以，形成的矮株是壯株，而不是弱株，形成的短枝是粗枝，而不是細枝，形成的小葉是厚而深綠的健葉，而不是薄而黃的弱葉，只有這樣的株、枝、葉才能保證生產更多的有機營養，滿足成鈴增質量的需要，進一步提高棉花產量。