基于不同配置棉花化學控頂?shù)墓庾V特征和光合特征響應研究

王 剛，王 靜，陳 兵,張國蕾，趙 靜，韓煥勇, 王方永

(1.新疆農(nóng)墾科學院/農(nóng)業(yè)部西北內陸區(qū)棉花生物學與遺傳育種重點實驗室,新疆石河子 832003;2.新疆石河子職業(yè)技術學院水利建筑工程分院, 新疆石河子 832003;3.石河子大學 農(nóng)學院，新疆石河子 832000)

當前，新疆棉花在全國棉花的龍頭重要性日益凸顯。國家統(tǒng)計局發(fā)布了2018年全國棉花產(chǎn)量公告：2018年全國棉花種植面積為3 352.3 khm2，產(chǎn)量達到609.6萬 t。其中，新疆棉花種植面積2 491.3 khm2，產(chǎn)量達到511.1萬 t，新疆棉花的面積和產(chǎn)量分別占全國的74.3%和 83.8%[1-2]。近年來，新疆兵團的棉花機械化水平已經(jīng)達到95%以上，棉花病蟲害防控、機采棉脫葉、化學調控和葉面肥噴施都完全實現(xiàn)了機械化，唯有打頂技術還未完全實現(xiàn)機械化，是棉花實現(xiàn)全程機械化的最后一項瓶頸[3-4]。新疆棉花打頂主要靠人工打頂，費工、費時，而且成本高，勞動強度大[5]。也有機械打頂?shù)膰L試，但由于機械打頂對土地平整狀況、棉花長勢均勻度等有較高的要求，也存在棉株的機械損傷，過打、漏打等技術問題，需要進一步完善，至今未能實現(xiàn)大面積應用[6]。正在興起的化學控頂技術，表現(xiàn)為棉花塑型打頂一體化，效率高、費用低、勞力少、勞動強度低、可全天候作業(yè)等，為棉花打頂技術開辟了新的方法，為棉花生產(chǎn)實現(xiàn)全程機械化提供了解決方案[7-8]。當前新疆棉花提質增效已成為制約棉花生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)和重中之重，而棉花化學藥劑控頂技術是提質增效的一項重要措施[9]，積極推進該項技術的熟化與應用刻不容緩。

國內外學者針對棉花化學藥劑控頂技術開展了一系列研究，多數(shù)研究集中在棉花化學控頂技術的脫葉和吐絮效果上，少數(shù)研究對化學控頂后棉株的生長發(fā)育進行了分析，極少數(shù)研究化學控頂后棉花的生理特征變化[10]。蘇成付等[11]對棉花噴施不同濃度氟節(jié)胺代替人工打頂?shù)男ЧM行了研究，認為氟節(jié)胺處理后，棉株長勢旺盛、株高降低，頂部葉片變小，單鈴質量和籽棉質量增加，但品質無明顯變化。趙強等[12]研究了化學打頂和人工打頂方式下棉花農(nóng)藝性狀、冠層特征、棉鈴空間分布、產(chǎn)量性狀及纖維品質的異同。吉秀梅[13]采用噴施打頂劑與人工打頂?shù)拇筇镌囼灒砻骰瘜W打頂在控制棉花株高效果的同時，既節(jié)省人工和時間，又降低了植棉成本。陳兵等[14]研究了土優(yōu)塔棉花打頂劑對棉花農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及纖維品質的影響，認為低濃度(450和600 mL/hm2)土優(yōu)塔打頂劑處理打頂效果較好，且對棉花品質基本無影響。張曉莉等[15]基于兵團第八師 134 團調查數(shù)據(jù)對棉花化學打頂?shù)木C合效益進行了分析，認為化學打頂綜合效益好于人工打頂。可見，化學打頂節(jié)本增效顯著，有效提高了勞動效率，減輕了勞動強度，并可顯著提高棉花打頂?shù)臅r效性，具有很好的應用前景。國內外學者也對棉花生長調控的光合特性進行了一些研究，Shahbaz 等[16]研究認為氯甲吡喹酮的應用降低了短季棉的碳水化合物代謝及葉片光合作用的1%～28%，皮棉產(chǎn)量降低6%～29%。Cetin 等[17]在土耳其安納托利亞地區(qū)開展了不同灌溉施肥頻率的試驗，發(fā)現(xiàn)灌溉施肥頻率對皮棉產(chǎn)量、葉綠素含量的影響較小，提高了皮棉品質。國內外學者對棉花生長狀況的光譜特征也進行了研究，田春燕等[18]對‘新陸早33號’不同水分處理，4個關鍵生育時期的冠層高光譜數(shù)據(jù)和葉片凈光合速率進行分析后發(fā)現(xiàn)，利用 RVI 能更好地預測棉花葉片凈光合速率。祁亞琴等[19]對棉花不同生育時期的冠層高光譜反射率進行研究，建立了基于高光譜歸一化植被指數(shù)和比值植被指數(shù)的棉田冠層特征信息葉面積指數(shù)、鮮生物量、干生物量的定量模型，決定系數(shù)均高于0.8。Priscila 等[20]利用高光譜成像近紅外技術和線性判別分析，將光譜范圍從 1 000～2 500 nm降至1 000～1 381 nm，對棉花炭疽病原體進行了分類識別。

綜上可知，國內外學者對棉花化學藥劑控頂技術，棉花生長調控的光合特性和光譜特性等生理特征分別進行了研究，而對化學控頂技術與生理特征之間的關系少有研究。對不同配置下化學藥劑控頂后的高光譜和光合特性未開展系統(tǒng)研究。本文開展化學藥劑控頂對棉花光譜和光合特征影響的分析，為化學藥劑控頂技術的推廣提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 種植情況及試驗設計

2018年在新疆農(nóng)墾科學院農(nóng)試場3～13號和2～6號地進行小區(qū)試驗。土壤肥力中等(表1),小區(qū)為隨機區(qū)組設計，3個重復，每個重復約23 m2(長10 m,寬2.3 m)。2塊試驗地頭對頭挨著，供試棉花品種均為‘金墾86-29’。3～13號地是76 cm等行距，5.6 cm株距的一膜三行等行距密植配置，2～6號地是(10+66)cm行距，9.5 cm株距的一模六行寬窄行密植配置。4月17-20日播種，膜上點播，膜下滴灌，生育期灌水量為 5 000 m3/hm2，施基肥硫磷二銨(美國)150 kg/hm2, 追施尿素600 kg/hm2，磷酸二氫鉀450 kg/hm2，隨水滴施。全生育期滴水11次，9～ 10 d滴1 次水。其他按當?shù)馗弋a(chǎn)栽培模式管理。供試藥劑為土優(yōu)塔化學打頂水劑(河南東立信生物工程有限公司)。試驗共設 2 種行距配置，4 種控頂處理，其中3～13號地設置4個處理，T1：人工控頂(CK)；T2：450 mL/hm2；T3：750 mL/hm2；T4： 1 050 mL/ hm2；2～6號地設置4個處理，T5：人工控頂(CK)；T6：450 mL/ hm2；T7：750 mL/hm2；T8：1 050 mL/hm2。各處理田間管理措施保持一致，2018-07-08 選擇棉株健壯且整齊度一致、無病害的樣點，采用背負式噴霧器模擬機車頂噴人工噴施藥劑。

表1 試驗地不同處理分布情況Table 1 Distribution of different treatments in experimental field

1.2 測定項目和方法

1.2.1 農(nóng)藝性狀測定 在每個小區(qū)選擇長勢均勻一致的植株10株(內外行各5株)，掛牌標記。在控頂前1天，控頂后第5天、10天、20天，分別測定株高、單株成鈴數(shù)、倒四果枝鈴數(shù)、葉齡、果枝數(shù)、頂端棉葉面積等農(nóng)藝性狀指標。

1.2.2 光譜測定 冠層光譜使用ASD Fieldspec Pro FR 2500便攜式光譜儀測量，棉花單葉光譜采用ASD Field spec Pro FR 2500 便攜式光譜儀與ASD Leaf Clip 測試夾耦合測定。測定方法詳見參考文獻[21-22]。分別于7月8日和8月12日測定葉片光譜；7月8日，7月21日和8月3日測定冠層光譜。

1.2.3 光合測定 光合測定采用德國WALZ公司的GFS-3000便攜式光合作用測定系統(tǒng)，測定方法詳見參考文獻[23]。7月21日和8月3日測試光合參數(shù)。光譜和光合測定時選擇頂部倒二和倒三展開葉各 3 片進行測試，取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

用美國ASD公司提供的Viewspec Program軟件處理單葉和冠層的反射光譜數(shù)據(jù)并生成光譜反射率曲線。利用Excel 2013和SPASS 22.0軟件進行數(shù)據(jù)整理和方差分析(Student-Newman-Keuls 多重比較法)。

2 結果與分析

2.1 不同控頂處理對棉花葉片和冠層光譜特征的影響

圖1可知，控頂前后不同控頂處理(T1～T8)的棉花葉片光譜發(fā)生較大變化。不論哪個配置模式，與對照(T1，T5)相比，噴藥前(7月8日)，不同藥劑控頂處理(T2～T4，T6～T8)的棉花葉片光譜反射率和光譜曲線均在整個波段(400～ 2 500 nm)無明顯變化。噴藥后(8月12日)，與對照相比(T1，T5)，不同藥劑控頂處理(T2～T4，T6～T8)棉葉光譜反射率在多數(shù)光譜波段均大于對照葉片(紅谷處低于對照)。不同藥劑控頂處理間的反射率差異較小，但都與對照(T1，T5)差異顯著(P<0.05)。等行密植下不同藥劑控頂處理(T2～T4)間的光譜反射率在可見光段變化較小，在近紅外光波段(700～1 300 nm)和短波紅外波段(1 300～2 500 nm)變化較大，差異顯著(P<0.05)，均呈先增后降的趨勢。寬窄行配置下不同藥劑控頂處理(T6～T8)間的光譜反射率在可見光和近紅外光波段變化均較大，差異顯著(P< 0.05)，均呈現(xiàn)先增后降的趨勢，短波紅外波段呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。

由圖2可知，控頂前后不同控頂處理的棉花冠層光譜發(fā)生變化。對照的冠層光譜反射率隨時間的推移逐漸降低，近紅外波段尤為明顯。不論哪種配置模式，與對照相比，藥劑控頂前(7月8日)，不同藥劑控頂處理的棉花冠層光譜反射率和光譜曲線均在整個波段無明顯變化。藥劑控頂后(7月21日，8月3日)，不同藥劑控頂處理的棉花冠層光譜反射率在整個光譜波段均發(fā)生較大變化。隨著時間的推移，兩種配置下不同藥劑控頂處理(T2～T4，T6～T8)反射率均在可見光波段無明顯變化，近紅外～短波紅外波段呈現(xiàn)不同的變化趨勢，差異顯著(P<0.05)。近紅外波段，等行距密植配置的棉花冠層反射率在噴藥后第10 天，低濃度時(T2，T3)高于對照，高濃度時(T4)低于對照，呈先增后減的趨勢，在噴藥后第20天，不同藥劑控頂處理(T2～T4)均高于對照T1，呈逐漸增加的趨勢。寬窄行密植配置的棉花冠層反射率在噴藥后第10 天，不同藥劑控頂處理(T6～T8)均高于對照T5，呈先增后減趨勢，噴藥后第20天，低濃度時(T6，T7)低于對照，高濃度時(T8)高于對照，整體呈現(xiàn)先降后增的趨勢。相比之下，兩種配置間的變化在可見光波段基本相同，在近紅外光差異較大，等行距密植配置的光譜特征隨著噴藥濃度的增加而增加，寬窄行密植配置的變化則先降后增。

2.2 不同控頂處理對棉花葉片光合性能的影響

控頂前后不同控頂處理(T1～T8)的棉花葉片光合參數(shù)：凈光合速率(A)、蒸騰速率(E)、氣孔導度(GH2O)和胞間CO2濃度(Ci)均發(fā)生較大變化(圖3)。與對照(T1，T5)相比，噴藥后，2種配置下不同藥劑控頂處理(T2～T4，T6～T8)都提高葉片的凈光合速率，噴藥后第12 天差異均不顯著(T2除外)，噴藥后第25 天差異均顯著(P< 0.05)，變幅均小于4.3 μmol/(m2·s)，等行距密植配置凈光合速率的增幅大于寬窄行密植配置。藥劑控頂處理對蒸騰速率影響較大，都提高葉片的蒸騰速率，等行密植配置下不同藥劑控頂處理與對照差異為0.4～2.2 mmol/(m2·s)，差異顯著(P<0.05)，而寬窄行密植配置不同噴藥處理與對照差異為1.7～3.2 mmol/(m2·s)，差異顯著(P<0.05)，等行距密植配置蒸騰速率提高的幅度小于寬窄行密植配置。藥劑控頂處理對GH2O影響較大，都提高葉片的GH2O，等行密植配置的不同藥劑控頂處理與對照差異為 32.71～126.50 mmol/(m2·s)，差異顯著(P<0.05)，而寬窄行密植配置下不同藥劑控頂處理與對照差異為51.92～214.58 mmol/(m2·s)，差異顯著(P<0.05)，等行距密植配置的蒸騰速率提高的幅度小于寬窄行密植配置。噴藥處理對胞間CO2濃度影響較大，都提高葉片的胞間CO2濃度，等行密植配置下不同藥劑控頂處理與對照差異為7.3～33 ppm，差異顯著(P<0.05)，而寬窄行密植配置下不同噴藥處理與對照差異為 17.1～25.4 ppm，差異顯著(P<0.05)，等行距密植配置的蒸騰速率提高的幅度小于寬窄行密植配置(表2)。

表2 不同藥劑控頂處理的棉花葉片光合特征Table 2 Photosynthetic performance of cotton leaves under different topping treatments

2.3 不同控頂處理對棉花生長發(fā)育的影響

由表3可知，隨著時間推進，所有控頂處理的棉花頂葉葉面積和株高一直增加，單株成鈴數(shù)和果枝數(shù)變化較小，7-26日T5～T8差異不顯著，其他時期各處理差異均不顯著，倒4果枝鈴數(shù)變化很小，差異不顯著。與對照相比，控頂處理的頂葉葉面積在控頂前差異不顯著，控頂后所有處理的頂葉葉面積均增加，且藥劑控頂(T2～T4，T6～T8)與對照(T1，T5)均差異顯著(P<0.05)。對照處理的株高基本不變，藥劑控頂?shù)闹旮咧饾u增加，噴藥前各藥劑控頂?shù)闹旮吲c對照差別很小，多數(shù)處理間差異1 cm以內，不顯著，施藥后10 d藥劑控頂?shù)闹旮呷栽谠黾樱渲休p中濃度處理(T3，T6，T7)增加較大(5～9 cm)，差異顯著 (P<0.05)，高濃度處理(T4，T8)增加較少，差異不顯著。20 d后，藥劑控頂?shù)闹旮咴黾?～9 cm，差異顯著(P<0.05)。藥劑控頂?shù)墓ε_數(shù)與對照在控頂前和控頂后第10 天均無變化，各處理間顯著不差異，但20 d后藥劑控頂?shù)墓黾?～4臺，與對照差異顯著(P<0.05)。倒4果枝鈴數(shù)先增后減，各控頂處理間差異不顯著。控頂后藥劑控頂處理的頂端棉葉有隆起，頂心內縮。

表3 不同控頂處理下棉花的生長發(fā)育Table 3 Cotton growth and development under different topping treatments

3 討 論

本文對兩種不同配置模式下不同控頂方式棉花的光譜特征、光合特性及生長發(fā)育情況等方面進行深入探討。研究發(fā)現(xiàn)，兩種配置下不同藥劑控頂處理(T2～T4，T6～T8)的葉片光譜都在大多數(shù)波段大于對照(T1，T5)，但在不同波段出現(xiàn)了略微差異，等行密植配置下藥劑控頂?shù)拿奕~光譜在可見光波段變化較小，紅外～短波紅外波段變化較大，而寬窄行配置下藥劑控頂?shù)拿奕~片光譜在整個波段一直變化較大。陳兵等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在可見光范圍內單葉光譜反射率主要受葉綠素含量的影響，葉綠素含量高，對光吸收的多，所以反射率就低，病害葉片單位面積上葉綠素含量較低，對光吸收的少，所以反射率就高，而在近紅外和短波紅外范圍內，單葉光譜反射率主要受葉綠素、葉片單位面積含水量、干物質含量和葉片內部結構的影響。兩種配置下不同藥劑控頂處理葉片均受到了藥劑的破壞，葉片內部葉綠素減少、葉片單位面積含水量降低，干物質含量和葉片內部結構等都受到了影響，導致葉片光譜都在大多數(shù)波段大于對照。另外，等行密植配置下棉花的植株個體生長勢旺盛，個體優(yōu)勢較強，藥劑控頂前株高較高，頂部同一葉位葉片的葉面積較大，控頂后吸收藥劑較慢，葉片內部結構損傷速度較慢，葉片單位面積含水量減少，所以葉片光譜紅外～短波紅外波段變化較大；相比之下，寬窄行配置下棉株個體在藥劑控頂前生長相對較弱，優(yōu)勢不強，頂部同一葉位葉片的葉面積較小，控頂后吸收藥劑較快，葉片內部結構損傷速度較快，所以葉片光譜紅外～短波紅外波段變化都更大。

兩種配置下藥劑控頂?shù)拿藁ü趯臃瓷渎食霈F(xiàn)不同的變化趨勢，等行距密植配置下不同藥劑控頂處理(T2～T4)的棉花冠層反射率在噴藥10 d后有高有低，20 d后均高于對照，寬窄行密植配置下不同藥劑控頂處理(T6～T8)的棉花冠層反射率在噴藥后10 d均高于對照T5，20 d后有高有低。可能是因為控頂后，開始10 d，對照處理反應較快，頂端優(yōu)勢即刻被抑制，營養(yǎng)生長減慢，生殖生長加快，營養(yǎng)生長快速向生殖生長轉化[25-27]，由于頂端被人為去除，果枝數(shù)不再增加，倒4果枝鈴數(shù)先增加，20 d后，生長趨于穩(wěn)定，倒4果枝鈴數(shù)逐漸減小，冠層光譜變化較小。而藥劑控頂后，開始10 d，藥劑需要在棉花內吸收一段時間，棉花仍在生長，果枝數(shù)仍在增加，倒4果枝鈴數(shù)增加，20 d后，生長趨于穩(wěn)定，倒4果枝鈴數(shù)減小，冠層光譜變化較大。而不同配置下棉株個體發(fā)育的差異導致群體的差異，寬窄行密植配置下個體較弱，但群體較強，噴藥后短期內藥劑控制力較弱，群體仍在增大，果枝數(shù)仍在增加，倒4果枝鈴數(shù)增加，反射率增加較快，此時對照處理反應較快，頂端優(yōu)勢即刻被抑制，生長緩慢，反射率基本不變，所以不同藥劑控頂處理T6～T8均高于對照T5。長期吸收藥劑后，低濃度時藥劑對群體的控制力逐漸增強，群體基本受到控制，反射率不再增加，高濃度時藥劑對群體的控制力較強，群體長期受到控制后，藥效減弱時出現(xiàn)2次增長現(xiàn)象，果枝數(shù)仍在增加，倒4果枝鈴數(shù)增加，反射率快速增加，此時的對照反射率略微增加，所以低濃度時(T6，T7)低于對照，高濃度時(T8)高于對照。等行距密植配置的棉花植株在控頂后的變化趨勢與窄行密植配置相似。兩種配置模式下不同控頂方式下的棉花葉片和冠層具有明顯的光譜變化，說明他們對光譜產(chǎn)生了較大的影響，可以通過光譜特征變化來分析不同藥劑控頂?shù)倪^程。

從光合生理來看，控頂使棉花葉片的光合參數(shù)凈光合速率(A)、氣孔導度(GH2O)、蒸騰速率(E)和胞間CO2濃度(Ci)均增加，提高了棉花葉片的光合能力。本研究結果與楊成勛等[28]和崔佳麗等[29]類似，楊成勛等[28]對藥劑控頂?shù)拿藁ㄈ后w光合研究表明，藥劑控頂?shù)拿藁ㄈ后w光合速率高于人工打頂棉花，具有較大的葉面積指數(shù), 持續(xù)期延長。由于人工控頂后植株生長受到了抑制，尤其頂部葉片生長迅速受到了抑制，光合能力減弱，而藥劑控頂后植株仍在生長，尤其葉片短期內仍在生長，光合能力較強，藥劑吸收后，頂部葉片慢慢受到了抑制，光合能力開始減弱，但整個過程相比人工控頂，藥劑控頂處理提高了控頂后植株頂部倒二和倒三葉片的光合能力，A、H2O、E和Ci均顯著提高，不同配置存在略微差異。控頂處理(T2～T7)的棉花頂葉葉面積和株高增加最大，單株成鈴數(shù)和果枝臺數(shù)較大，倒4果枝鈴數(shù)變化很小，兩種配置方式對棉花生長發(fā)育的影響基本相同，說明化學打頂對不同配置的生長發(fā)育過程和效果是一致的。兩種配置的頂部棉葉在噴藥后均出現(xiàn)了皺縮和壞死現(xiàn)象，程度不同，說明化學控頂對棉花葉片造成了一定的損傷。說明化學控頂能抑制不同配置棉花的頂尖生長，但需要長期過程，后期還可能出現(xiàn)二次生長，導致光譜反射率短期內仍在增加，光能能力增加，這些與光譜特征的變化和光合參數(shù)變化具有很好的一致性。

4 結 論

與對照相比，2種配置下噴藥前不同藥劑控頂處理的棉花葉片和冠層光譜反射率和光譜曲線變化趨勢均在整個波段無明顯變化。噴藥后，不同藥劑控頂?shù)拿奕~光譜反射率均在不同波段具有相同的變化趨勢，但光譜之間存在顯著差異，在多數(shù)波段均大于對照，差異顯著(P<0.05)。不同藥劑控頂?shù)拿藁ü趯庸庾V反射率均在不同波段差異不同，不同配置模式下藥劑濃度不同，在噴藥后的不同持續(xù)期光譜反射率與對照有高有低。說明不同藥劑控頂對棉花葉片和冠層光譜均產(chǎn)生了影響，在葉片層面表現(xiàn)一致且不受配置的影響，在冠層層面表現(xiàn)不一致且受配置的影響較大。

與對照相比，藥劑控頂后，2種配置下不同藥劑控頂處理都提高了葉片的光合速率、蒸騰速率、胞間二氧化碳濃度和氣孔導度。說明藥劑控頂提高了棉花葉片的光合能力，對棉花頂部葉片的生長起到了促進作用。

與對照相比，2種配置下藥劑控頂?shù)拿藁ㄖ旮咧饾u增加直至停止生長，果枝均增加2～4臺，倒4果枝鈴數(shù)先增后減，頂端棉葉有隆起，頂心內縮。說明藥劑控頂對棉花頂尖具有很好的抑制作用，能起到控頂效果，同時能增加棉花后期的生殖器官生長，提高產(chǎn)量。