基于縮節胺調控的免打頂棉花群體結構及產量分析

石 峰，李海江，孫孝貴，時曉娟，郝先哲，田 雨，韓煥勇

(1.石河子大學農學院，新疆石河子 832000；2.新疆農墾科學院棉花研究所，新疆石河子 832003；3.第六師芳草湖農場，新疆呼圖壁 831005；4.兵團第六師農業技術推廣站，新疆五家渠 831008)

0 引 言

【研究意義】全程機械化是棉花輕簡化種植的主要途徑[1-2]。新疆是我國棉花產量最高、面積最大的種植區，長期以來棉花栽培管理以“矮、密、早”技術為核心[3]。人工打頂耗時耗力、機械打頂仍存在對棉株損壞大的問題、水肥調控成本依然較高，限制了全程機械化的發展[4-6]。化學調控技術是一種新型封頂整枝技術，是代替人工打頂實現植棉全程機械化的必然趨勢和要求[1,7]。【前人研究進展】縮節胺(1,1-二甲基哌啶鎓氯化物；1,1-dimethyl piperidinium chloride，DPC)是國內外棉花生產中應用最廣泛的一種植物生長調節劑[8]。利用縮節胺調控是棉花生產過程中重要的栽培措施，也是獲得高產的主要途徑[9]。研究表明，噴施縮節胺有助于塑造良好的棉花株型[10-12]，且能改善葉片生理活性，延緩葉片衰老[13]。輕量噴施縮節胺有助于雜交棉形成高光效冠層結構[8]，顯著提高單株結鈴數和單鈴重，有利于獲得高產[14]。但棉花品種對縮節胺化控的敏感性具有差異性[15]。馬曉梅[16]研究表明，澳棉sic75在未化控的情況下與縮節胺化控處理相比，外部株型特征符合機采棉形態要求，而作為對照的新陸早36號在未化控的條件下與縮節胺處理后的相比，株高、果枝臺數、主莖節間總數差異均呈顯著增加。也有研究表明[17]，在常規DPC化控的基礎上，打頂時噴施DPC緩釋型水乳劑可以代替人工打頂，但其應用機理還需進一步完善。打頂期氟節胺和縮節胺復配使用可以起到封頂效果[18]，但成本仍然偏高。株高是決定棉花是否適合機采的主要指標之一[16]。葉片是光合作用的主要器官，其數量和空間分布對棉花光能吸收和干物質積累有著重要影響，一般來說，葉片數量越多，葉面積越大，光合產物累積越大[19]。冠層開度(DIFN)表示未被葉片遮擋的天空部分，DIFN值在0(全葉片)～1(無葉片)之間，其大小可直接反映冠層結構是否合理[20]。干物質累積是棉花產量形成的基礎，其分配比例的優劣影響著作物生長[21]。【本研究切入點】關于縮節胺的研究主要集中在縮節胺對棉花生長發育及產量形成的影響，而有關利用全生育縮節胺調控替代人工打頂的研究尚未見報道。研究利用品種對縮節胺敏感的差異性，構建基于縮節胺調控的棉花免打頂技術體系。【擬解決的關鍵問題】試驗選用對縮節胺敏感的材料，以人工打頂作為對照，研究基于縮節胺調控的免打頂棉花農藝性狀、冠層結構及透光率的動態變化及產量，分析縮節胺調控代替人工打頂的作用機理和技術途徑，為完善新疆棉花全程機械化技術和新品種培育提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2019年4～11月在新疆農墾科學院棉花所試驗地(44°19′N，86°03′E)進行。對縮節胺敏感的參試品種為新陸早67號、Z901、Z903和澳棉sic75，對照品種為新陸早60號。試驗地土質為壤土，含有機碳7.51 mg/kg、全氮1.32 g/kg、速效鉀185 mg/kg、速效磷7.12 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，以新陸早67號、Z901、Z903、澳棉sic75對縮節胺敏感的材料作為試驗對象，分別用P1、P2、P3、P4表示；以新陸早60號人工打頂作為對照CK。小區寬2.3 m，行長9 m，面積為20.7 m2，3次重復。

采用2.05 m超寬膜、機采棉等行距(76 cm)密植模式，株距為6.0 cm，理論密度為21.8×104株/hm2。于4月17日播種，人工打頂時間為7月8日，7月9日與人工打頂同期進行田間調查，9月7日噴施脫葉催熟劑，10月初收獲。

對縮節胺敏感的材料全程調控為：出苗、兩葉一心、頭水前、二水前、7月5日、7月12日前后分別為45+30+30+30+120+150 (g/hm2)，采用背負式電動噴霧器整株均勻葉面噴施。全生育期總滴灌水量(不含出苗水)為4 125 m3/hm2，肥料為尿素525 kg/hm2，磷酸鉀銨(64%)450 kg/hm2，隨水滴施。其它田管措施同高產棉田。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 農藝性狀

于7月9日開始，每隔10 d在各小區隨機選擇具有代表性的植株2株，調查不同品種株高(子葉節至主莖頂端的距離)、果枝數、葉齡，共測定6次。

1.2.2.2 冠層結構指標

于7月9日開始，每隔10 d測定1次，共測定6次。采用LAI-2200冠層儀(Li-cor,USA)，參照Malone等測定方法[22]，重復4次。

1.2.2.3 透光率

于7月9日開始，每隔10 d測定1次，共測定6次。參照高亮之等[23]測定方法，根據植株的平均高度將冠層分為上、中、下3層，重復5～6次，并計算每層的透光率。

1.2.2.4 干物質累積與分配

于7月9日開始，每隔10 d取樣1次，共取樣6次。每個小于隨機選擇具有代表性的植株，分為根、莖、葉和鈴(包括蕾和花)等部分，105℃下殺青30 min，80℃下烘干至恒重后稱重。

1.2.2.5 產量及產量構成因子

于收獲期在每個小區隨機選取代表性棉株6株，取棉株的全部鈴進行考種，測定單鈴重和衣分。并在每個處理選擇長勢均勻一致具有代表性的樣點，樣點面積為6.67 m2，3次重復。

1.3 數據處理

數據分析用SPSS 18.0，用Ducan多重比較法檢驗其差異顯著性，作圖用Origin 2017。

2 結果與分析

2.1 棉花農藝性狀

2.1.1 株 高

研究表明，與CK相比，在7月9日后，免打頂棉花品種的株高均顯著增加以P2處理增加的幅度最大，達45.2%，P1處理增加的幅度最小，僅36.2%。各處理株高最終P2>P1>P4>P3>CK，分別為68.2、65.8、59.3、58.0和52.2 cm。圖1

圖1 不同處理棉花株高的動態變化

2.1.2 果枝數

研究表明，與CK相比，免打頂棉花品種的果枝數均呈增加的趨勢且顯著高于CK以P2處理最為明顯，增幅達到了100%且比CK高80%，P3處理果枝數相對較低，增幅為47.3%且比CK高35%。各處理果枝數最終P2>P1>P4>P3>CK。圖2

圖2 不同處理棉花果枝數的動態變化

2.1.3 葉 齡

研究表明，不同處理棉花隨時間的推移葉齡都呈遞增的曲線。與CK相比，P3處理增幅最大，達到了39.4%，P1處理增幅最小，僅為21.7%。葉齡最終表現為P2>P3>P4>P1>CK。圖3

圖3 不同處理棉花葉齡的動態變化

2.2 棉花冠層結構

2.2.1 葉面積指數

研究表明，不同處理棉花隨生育時期的推移，葉面積指數均表現為單峰曲線，在7月9～19日增長速度均達到最快。與CK相比，免打頂棉花品種降幅均低于CK，其中 P2降幅最小僅19.6%。葉面積指數降幅最終CK>P4>P1>P3>P2，分別為35.3%、28.6%、22.6%、21.0%和19.6%。P1、P2、P3和P4處理保持較高葉面積指數的同時在生育期間內較穩定，而CK在后期降幅較大會影響棉花后期對光能的利用。圖4

圖4 不同處理棉花葉面積指數的動態變化

2.2.2 冠層開度

研究表明，隨生育時期的推移，不同處理棉花冠層開度在7月19日之前都呈現出快速降低的趨勢，主要原因是這期間葉片增加較多，遮陰面積大，隨生育進程的推移，不同處理均表現上升的趨勢，分別上升了0.030、0.037、0.044、0.055和0.073。冠層開度增幅最終CK>P4>P1>P2>P3。圖5

圖5 不同處理棉花冠層開度的動態變化

2.2.3 葉傾角

研究表明，不同處理棉花葉傾角都呈現為單峰曲線。與CK相比，免打頂棉花品種葉傾角峰值均高于CK，其中P2處理峰值最大，比CK高3.4%，P3處理峰值最小，僅比CK高0.91%，免打頂棉花品種葉片在接收光能上有更大的潛力。圖6

圖6 不同處理品種棉花葉傾角的動態變化

2.3 冠層不同部位透光率

研究表明，不同處理棉花冠層上部透光率隨生育時期的推移先上升后降低再上升，中部除P1和P2處理表現為先上升后降低再上升的趨勢，其余處理均表現為先降低后上升的趨勢；下部透光率則都表現為先降低后上升的趨勢。在棉花各生育期間，透光率均表現為上層>中層>下層，其中，P1、P2、P3和P4處理在7月9～19日上部透光率均低于CK處理，而中部除P1和P2在7月19日顯著高于CK，其余處理相比CK差異不顯著，P3和P4處理在7月9日下部透光率顯著低于CK處理。隨生育進程的推移，不同處理冠層各部位透光率都表現為上升的趨勢，在7月29日～8月28日，P1、P2和P4處理上部透光率分別增加了17.6%、24.0%、27.1%，P3處理在8月8～28日增加了10.7%，而CK處理增加了16.7%；P1、P2、P3和P4處理在7月29日～8月28日中部透光率分別增加了15.1%、28.3%、17.4%、14.6%，CK處理則增加了18.9%；P1、P2、P3和P4處理在7月29日～8月28日下部透光率分別增加了22.5%、6.9%、23.9%、4.0%，CK處理增加了16.7%。圖7

注：U：冠層上部；M：冠層中部；L：冠層下部

2.4 干物質累積與分配

研究表明，隨著生育時期的推移，不同處理棉花干物質累積質量的變化有明顯差異，但都符合作物生長的“S”型曲線。P1和P3處理營養器官干物質量均緩慢增長，其中P1處理總干物質質量累積增加81.9 g/株，最終生殖器官和營養器官干物質質量比例為2.1∶1；P3處理總干物質質量累積增加62.0 g/株，最終生殖器官和營養器官干物質質量比例為2.2∶1。P2、P4和CK處理在7月19日～8月18營養器官干物質質量均緩慢增長，在8月18日后均呈下降的趨勢，其中P2處理生殖器官、營養器官干物質質量分別下降9.0%、42.8%，總干物質質量累積增加43.7 g/株，最終生殖器官和營養器官干物質質量比例為1.6∶1；P4處理和CK生殖器官干物質質量分別增加7.6%和83.7%，營養器官干物質質量分別下降32.0%和18.9%，總干物質質量累積分別增加37.5和63.0 g/株，最終生殖器官和營養器官干物質質量比例分別為1.5∶1和2.3∶1。P2和P4處理全株干物質質量在8月18日后呈現下降趨勢主要是由于營養器官干物質質量下降導致的。與CK相比，P1和P3處理營養器官和生殖器官的分配比例差異不大，在保證營養器官能維持較長活力的同時，可以促進生殖器官的生長發育。圖8

圖8 不同處理棉花干物質累積與分配的的動態變化

2.5 產量及產量構成因子

研究表明，與CK相比，在產量構成因子中除P4處理單鈴重顯著低于人工打頂，P1、P2、P3和P4處理收獲株數、單株有效鈴數、總鈴數和單鈴重相比差異均不顯著(P>0.05)。其中，P3最終收獲株數略高于CK，其余處理均低于CK；P1和P4處理單株有效鈴數高于CK，其余處理均低于CK；P1處理總鈴數高于CK，其余處理均低于CK；P1、P2、P3和P4處理單鈴重均低于CK。P2和P4籽棉產量與CK相比差異顯著(P<0.05)，而P1和P3籽棉產量與CK相比差異不顯著(P>0.05)，CK>P1>P3>P2>P4。從衣分來看，P1和CK衣分顯著高于處理(P<0.05)，不同處理表現為CK和P1>P4>P2和P3。表1

表1 不同處理棉花產量及產量構成

2.6 應用全程縮節胺調控效益分析

據調查，2019年新疆人工打頂的費用約合750元/hm2(據新疆農墾科學院農試場數據)，而全程縮節胺調控的成本僅為人工打頂成本的54%，隨著施用面積的擴大，該成本還有進一步下降的空間。

3 討 論

在棉花生產中，通常使用打頂的方法，破除頂端優勢，使營養生長向生殖生長轉移，同時也出現了2次生長和營養生長幾乎停止導致的早衰等現象[24-25]。研究表明，基于縮節胺調控的免打頂棉花隨生育期的推移緩慢生長，避免了因打頂而出現的早衰現象，這與周小云等[26]研究一致。機采棉要求采收成熟棉花株高在65～75 cm[27]。研究表明，基于縮節胺調控的免打頂棉花株高均顯著高于人工打頂，其中新陸早67號和Z901株高適宜，而Z903和澳棉sic75略低，與馬曉梅[16]研究結果略有差異，導致差異的原因可能是行距配置造成[19]。

合理的冠層結構有利于作物提升光合能力，而作物的干物質累積量反映了光合生產情況，干物質分配比例的優劣影響著作物生長[21,28]，有研究表明，葉面積指數過大會造成冠層中下部受光條件差，會造成中下部葉片受光不足引起早衰的可能[29]。研究發現，基于縮節胺調控的棉花前期葉面積指數增加時，冠層開度減小，葉傾角增大，棉株冠層上部透光率均表現出增長趨勢，而冠層中下部透光率均表現為下降趨勢，說明各處理棉花在生育前期冠層上中部吸收更多的光能，下部漏光損失小，葉片吸收更多光能，利于營養器官干物質累積。當葉面積指數達到峰值后，冠層開度增大，葉傾角略有下降，棉株冠層不同部位透光率都呈現出上升的趨勢，其中新陸早67號、Z901和澳棉sic75相比對照上部透光率增加較大；冠層中部除Z901外，其余處理透光率均低于人工打頂，說明中部漏光損失小；下部除新陸早67號和Z903透光率增幅略高于人工打頂，其余處理均低于人工打頂，漏光損失較小。綜合來看，隨生育進程的推移，對縮節胺敏感的材料表現為株型緊湊，有利于光能均勻的分布在各個冠層部位上，避免了因中下部葉片受光不足而引起的早衰問題。

不打頂并不影響棉花(陸地棉和長絨棉)產量，掌握好縮節胺的施用時期和劑量，棉花(長絨棉)產量與人工打頂相差不大[30-31]。基于縮節胺全程調控的棉花品種新陸早67號產量與人工打頂相比差異最小，其中葉面積指數在3.2～4.8，與CK相比差異較小；8月8日前冠層開度在0.02～0.08，8月8日后增加幅度在0.02左右，與CK相比差異最小；冠層不同部位透光率增幅與CK相比差異均較小，生殖器官和營養器官干物質量比例為2.1∶1，與CK相比差異較小；最終表現為較高的單株結鈴和單鈴重，產量差異最小。而Z901和澳棉sci75的產量和人工打頂相比差異顯著，主要是由于生殖器官和營養器官干物質量比例僅為1.6∶1和1.5∶1，表現為較低的單株結鈴和單鈴重，產量與CK相比較低。但所有對縮節胺敏感的材料產量都低于人工打頂，基于縮節胺全程調控的棉花表現為緊湊的株型結構，且能實現自然封頂，葉片較多有利于吸收光能，但營養器官向生殖器官傳遞的營養物質較少，表現為生殖器官與營養器官干物質量比例均低于人工打頂，最終單株結鈴和單鈴重低于人工打頂。基于縮節胺調控的免打頂棉花要達到人工打頂的產量，需適度調節棉株的葉面積指數，控制在3.1～4.7，葉面積指數達到峰值前的冠層開度在0.03～0.08，達到峰值后的冠層開度增幅在0.03左右，同時冠層不同部位透光率增幅分別在16.7%、18.9%、16.7%左右，最終生殖器官和營養器官干物質量比例達到2.3∶1，還可通過對行距配置的調節[32]，及播期和種植密度[33]的進一步優化來提高光能利用率，促進營養物質向生殖器官轉移，增加單株結鈴和單鈴重。依據對縮節胺敏感棉花主莖自然封頂的特性，結合株型結構、冠層結構等性狀在生長發育過程中的動態變化，可進一步揭示棉花頂端優勢減弱的機理，挖掘控制棉花頂端的基因，為免打頂種質資源創新和新品種培育提供理論支持，實現棉花全程機械化管理。

4 結 論

基于縮節胺全程調控的棉花株高生長自然減緩，生育期間不早衰，葉片功能期延長，且表現為株型結構緊湊，利于棉株冠層不同部位對光能的吸收，其中葉面積指數控制在3.2～4.8，冠層不同部位透光率分別在17.6%、15.1%、22.5%，營養器官和生殖器官干物質量比例達到2.1∶1，產量與CK相比差異不顯著，具有代替人工打頂的可能性。