無人機噴施化學打頂劑對棉花生長發育及產量品質的影響

白志坤, 高 山, 陳 兵, 王 靜, 王海斌, 王 利,趙 靜, 王 剛, 孫樂鑫, 陳子杰, 韓煥勇, 王方永

(1.塔里木大學農學院,新疆阿拉爾 843300; 2.新疆農墾科學院棉花研究所,新疆石河子 832003 3.新疆石河子職業技術學院水建分院,新疆石河子 832000; 4.北京甸甸豐生物科技有限公司,北京 100000)

棉花是天然纖維作物,在世界范圍內棉花生產國的經濟中扮演著重要角色[1]。新疆棉花種植歷史悠久,棉花種植面積及產量日益增加,已連續25年成為中國最大的棉花生產基地[2-3],棉花已成為新疆極為重要的優勢作物。新疆棉花生產機械化水平較全國平均水平高,已基本實現種植全過程機械化[4]。然而,隨著棉種、化肥及人工成本的不斷上漲,棉農的植棉成本提高,加之近年來棉花市場相對不穩定,一系列不良因素致使棉農植棉的生產積極性波動較大[5-6]。因此,實現棉花機械化、規模化、輕簡化栽培是新疆棉花“兩高一優”可持續發展的必經之路[7]。

打頂是棉花生產過程中一項尤為重要的環節,主要采用人工打頂去除棉花主莖頂心,抑制棉株頂端優勢,調節棉株體內的養分積累及運輸過程,促使棉株生殖生長、營養生長達到動態平衡,減少蕾鈴脫落,進而提高產量。近年來,國內外學者對棉花化學打頂技術研究做了很多研究工作。Zhu等對黃河流域棉花進行化學打頂的研究表明,化學打頂后棉花株高、果枝數和上果枝長度均顯著低于人工打頂[8]。Shi等認為,甲哌(DPC)和25% DPC水劑(DPC+)能夠調節棉花頂部結構,抑制棉花頂端優勢,延緩棉花主莖生長,提高棉籽產量[9]。趙強等對棉花進行化學打頂后發現,棉花株高較人工打頂高,籽棉產量及結鈴數優于人工打頂[10]。楊成勛等對棉花進行化學打頂試驗發現,噴施化學打頂劑能塑造棉株株型,改變棉花冠層結構特征和冠層光的均勻分布性,優化棉株群體光合質量,提高棉花產量[11]。徐守振等研究發現,適當減少棉花滴灌水量,合理運用化學打頂劑,對棉花產量及衣分無顯著影響[12]。可見,在棉花中將化學打頂替代人工打頂是可行的。近年來,無人機技術快速發展,廣泛應用于各個領域。無人機技術在農業領域的應用可視為一場“綠色革命”,極大地解放了勞動力,提高了農業生產水平,促進了現代農業發展[13]。目前,棉花噴施化學打頂劑主要以人工、機械噴霧為主,耗時費力,用水量大,機械損失較大,農藥利用率偏低[14],且打頂過程易受人力、物力、財力、藥械等條件限制,短期內難以達到預期的打頂效果。尤其在丘陵山區,因交通不便,地面機械及人工難以進入作業,而無人機航空施藥可很好地解決這一難題。此外,無人機航空施藥作為一種新型的施藥方式,與傳統的施藥方式相比具有節水、節藥、省時、省工、高效等優勢,是未來棉花打頂的發展趨勢[15]。

綜上可知,前人研究棉花打頂主要以人工打頂、機械化或半機械化噴施化學打頂劑為主,在無人機噴施棉花化學打頂劑方面報道較少,無人機藥劑打頂參數的篩選和藥劑濃度的對比分析未見有系統報道。因此,本試驗研究無人機在不同高度、速度、施藥濃度條件下噴施化學打頂劑對棉花生長發育及產量品質的影響,為機采棉提質增效、合理使用化學打頂劑提供了借鑒與參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地情況

2021年在北疆地區的新疆農墾科學院棉花研究所試驗田(44°18′52″N,85°58′50″E)開展試驗。試驗田前茬為棉花,品種為早熟棉金墾1565。土壤質地為黏壤土,中等肥力,其中速效磷含量12.34 mg/kg,堿解氮含量61.96 mg/kg,速效鉀含量381.75 mg/kg,有機質含量9.61 g/kg。

1.2 試驗設計

試驗設置7個處理,小區間設有保護行。4月18日播種,鋪膜精量點播,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%磷酸一銨345 kg/hm2、61%氯化鉀360 kg/hm2,全部隨水滴施。生育期總灌水量為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。藥劑選用棉花生物免打頂劑水劑(北京甸甸豐生物科技有限公司),主要成分由吲熟酯5份、乳化劑5份、二甲苯15份、控旺劑1份、授粉劑0.5份、膨大劑0.5份、防落素0.5份、微生物復合菌劑0.2份、微生物代謝物0.5份、氟節胺3份等原料組成(北京神農源生物科技發展有限公司),規格為500 mL/瓶。設置人工打頂處理7(CK)以及無人機(廣州極飛科技有限公司生產,極飛P30,電動多旋翼,4個旋轉式離心噴頭,最大載液量16 kg)噴藥處理1～6(無人機距離冠層飛行高度1、2 m,飛行速度3、5、7 m/s,施藥濃度 0.525、0.750、0.975 L/hm2),每個處理噴施長度100 m,詳細內容見表1。各處理田間管理保持一致,7月9日同期進行無人機化學打頂和人工打頂,其他管理措施按當地大田栽培進行。

表1 不同處理具體設置

1.3 測定指標及方法

1.3.1 農藝性狀 各處理選擇長勢均勻的3個點,各點取10株棉花(內外行各5株),對其進行掛牌定點定時調查。施藥當天調查1次,施藥后5、10、15、20 d分別調查1次。每次調查時間均保持在11:00左右,主要調查棉花的農藝性狀,諸如株高、葉齡、果枝數、果枝始節位、果枝始節高、單株結鈴數等。取樣,采用烘干法[16]測定不同棉株器官鮮質量和干質量;采用打孔法[17]測定棉株葉面積指數;根據下式計算棉株含水量[18]:

棉株含水量=(棉株鮮質量-棉株干質量)/棉株鮮質量×100%。

1.3.2 產量及構成因素 棉花收獲前調查各處理株數、單株鈴數,重復3次,每次重復取長勢均勻的10株棉株測定衣分、單鈴質量,計算產量。

1.3.3 棉花纖維品質 棉花收獲前各處理分別收獲60個鈴,包括下部1～3果枝20個鈴,中部4～6果枝20個鈴,上部7以上果枝20個鈴,重復3次。由新疆農墾科學院測定樣品的纖維長度(LEN)、整齊度指數(UI)、馬克隆值(MIC)、比強度(STR)、伸長率(ELG)、成熟度系數(MR)、短纖維指數(SFI)等。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2013進行數據歸納整理及繪圖,采用SPSS 26.0進行方差分析;采用LSD和Duncan’s進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同打頂處理對棉花農藝性狀的影響

表2所示,打頂前,各處理之間的棉花株高、葉齡、果枝數、果枝始節位、果枝始節高分別相差0.02～2.31 cm、0～0.89葉、0～1臺、0～0.56、0～2.43 cm,且均無顯著差異。打頂后,隨時間推移,不同打頂方式(處理1～7)株高均緩慢增長,打頂后20 d,其中UAV飛行高度2 m、速度3 m/s、噴藥濃度 0.750 L/hm2處理的株高最高、增長速率(與打頂前相比,下同)最大,分別為87.09 cm、3.29%,UAV飛行高度2 m、速度5 m/s、噴藥濃度0.975 L/hm2處理的株高與UAV飛行高度2 m、速度(5、7 m/s)、噴藥濃度0.750 L/hm2處理差異顯著(P<0.05)。各處理棉花株高變化的大小順序為處理2>處理6>處理4>處理3>處理7>處理1>處理5。UAV噴藥處理1～6葉齡和果枝數在打頂后15～20 d均高于CK,分別為1.01～2.02葉、0.44～2.56臺,且與CK差異顯著(P<0.05),其中打頂20 d后UAV飛行高度2 m、速度5 m/s、噴藥濃度0.750 L/hm2處理最高。葉齡變化的大小順序為處理3>處理4>處理1>處理6>處理7>處理5>處理2。單株結鈴數在打頂10～20 d后,UAV飛行高度2 m、速度 5 m/s、噴藥濃度0.525 L/hm2處理與CK相比達顯著差異水平(P<0.05),其他UAV噴藥打頂處理與CK基本無顯著差異(P>0.05)。打頂5～20 d后,棉花果枝始節位和果枝始節高多數基本不變,UAV噴藥處理1～6與CK相比基本無顯著差異(P>0.05)。

表2 不同打頂方式對棉花農藝性狀的影響

綜上,打頂20天后與打頂前相比,UAV飛行高度2 m、速度7 m/s、噴藥濃度0.750 L/hm2處理對棉花株高和葉齡抑制性較好,且差值最小,CK單株結鈴數最多,有利于產量形成。說明UAV不同打頂方式對棉花株高和葉齡影響較大,但15 d后趨于穩定,可起到控制株高和葉齡的作用,果枝數和單株結鈴數不斷增加,營養生長趨于穩定的同時,生殖生長不斷增強。

2.2 不同打頂方式對棉花群體指標的影響

表3顯示,隨著打頂時間的推移,棉株各器官鮮質量、干質量均呈現出緩慢升高的趨勢。打頂前,無人機(UAV)噴藥處理1～6和人工打頂處理7(CK)相比無顯著差異(P>0.05)。打頂5 d后,UAV飛行高度1 m、速度5 m/s、噴藥濃度 0.750 L/hm2處理的棉株各器官鮮質量均高于其他處理0.86～5.15、10.40～34.67、8.91～32.03、1.70～28.43 g,各處理間無明顯變化(P>0.05)。打頂15 d后,處理1～6葉鮮質量顯著低于CK 2.81～29.53 g(P<0.05),降幅達1.84%～19.37%。打頂5～20 d 后,地上總鮮質量有明顯升高的趨勢,其中UAV飛行高度2 m、速度5 m/s、噴藥濃度 0.975 L/hm2處理的增長速率最大。打頂20 d后,UAV噴藥所有處理的葉干質量均小于CK,但無顯著變化(P>0.05)。打頂5 d后,UAV飛行高度 1 m、速度5 m/s、噴藥濃度0.750 L/hm2處理的地上總干質量均高于其他處理,但無顯著變化(P>0.05);打頂10 d后,處理1～6的地上總干質量均比CK高1.80～51.67 g,其中UAV飛行高度1 m、速度 5 m/s、噴藥濃度0.750 L/hm2處理與CK差異顯著(P<0.05)。打頂20 d后,UAV飛行高度2 m、速度5 m/s、噴藥濃度0.975 L/hm2處理的地上總干質量顯著高于其他處理11.65～53.12 g,較CK增長約3.54%。綜上,UAV化學打頂20 d后與打頂前相比,飛行高度2 m、速度5 m/s、噴藥濃度 0.975 L/hm2處理棉株干質量較高,能有效促進生殖生產,有利于產量形成。說明UAV不同打頂方式對棉株各個器官鮮質量和干質量影響較大,且總體上一直在增加,同時為棉花產能的提高供應了較多的物質基礎。

表3 不同打頂方式對棉花群體指標的影響

表4顯示,在打頂前,無人機(UAV)噴藥處理 1～6棉株葉面積指數(LAI)與人工打頂處理7(CK)相比多數無顯著差異。打頂10 d后,處理1～6的WC均高于CK,其中處理1、2、4與CK差異顯著(P<0.05);打頂15 d后,處理1顯著高于CK(P<0.05);打頂20 d后,UAV飛行高度1 m、速度5 m/s、噴藥濃度0.750 L/hm2處理的WC與其他處理差異顯著(P<0.05)。打頂5～15 d后,UAV飛行高度1 m、速度5 m/s、噴藥濃度0.750 L/hm2處理的LAI高于其他處理;打頂20 d后,UAV噴藥處理1～5的LAI小于CK,且各處理間多數存在顯著差異(P<0.05)。綜上,打頂20 d后與打頂前相比,UAV飛行高度2 m、速度5 m/s、噴藥濃度 0.975 L/hm2處理的棉花LAI最大,指標最優。說明UAV不同打頂方式對WC和LAI有一定的影響,15 d后WC和LAI不斷增加,有助于棉花光合作用,與棉花群體指標增加的趨勢一致。

表4 不同打頂方式對棉花WC和LAI的影響

2.3 不同打頂方式對棉花產量及構成因素的影響

表5可知,無人機(UAV)噴藥處理1～6與人工打頂處理7(CK)的棉花株數、單株鈴數、籽棉產量無顯著差異(P>0.05)。UAV飛行高度2 m、速度5 m/s、施藥濃度0.975 L/hm2處理的棉花株數、單株鈴數、籽棉產量均高于其他處理0～15 818.10株、0.05～1.53個、828.26～1 659.39 kg/hm2。UAV飛行高度(1、2 m)、速度(3、5、7 m/s)、噴藥濃度(0.525、0.750 L/hm2)棉花單株鈴數均小于CK 0.64～1.48個。單株鈴數的大小為處理6>處理7>處理2>處理5>處理4>處理3>處理1。UAV飛行高度2 m、速度(3、5 m/s)、噴藥濃度(0.750、0.975 L/hm2)籽棉產量較CK增加321.65～1 253.59 kg/hm2,增產率4.79%～18.66%,其中飛行高度2 m、速度5 m/s、噴藥濃度0.975 L/hm2處理增產最多,達18%以上,其他UAV噴藥處理的籽棉產量比CK低 38.23、307.42、405.80 kg/hm2,減產率達0.57%、4.58%、6.04%,籽棉產量的大小順序為處理6>處理3>處理2>處理7>處理4>處理5>處理1。處理2、4、5的衣分比CK高7.26%～10.85%,衣分的大小順序為處理5>處理2>處理 4>處理7>處理3>處理6>處理1。處理1～6的單鈴質量分別比CK高 0.30～1.11 g,其中飛行高度2 m、速度5 m/s、噴藥濃度0.750 L/hm2處理最高,較CK增加1.11 g,增幅約22.20%,單鈴質量變化的大小順序為處理3>處理1>處理4>處理6>處理5>處理2>處理7。綜上,處理2、3、6棉花產量較高。說明UAV不同打頂方式對棉花產量的影響存在較大差異,產量構成因素中單鈴質量的影響差異較大,各處理間單鈴質量多數差異顯著,株數、單株鈴數和衣分影響較小,可通過調控單鈴質量來提高或降低產量。

表5 不同打頂方式對棉花產量的影響

2.4 不同打頂方式對棉花品質的影響

表6可知,UAV噴藥處理1～6的棉花品質參數LEN、UI、MIC、SFI、ELG、MR變化較小,較CK無顯著差異(P>0.05),其中品質參數LEN、STR高于CK。UAV在同一飛行高度2 m、速度5 m/s和不同噴藥濃度(0.750、0.975 L/hm2)下噴施打頂劑時,噴藥濃度為0.975 L/hm2處理的ELG、SFI更高。說明除比強度外,UAV噴藥處理的棉花品質指標與CK基本一致,其飛行高度(1、2 m)、速度(5、7 m/s)、噴藥濃度(0.750 L/hm2)處理的棉花纖維品質指標LEN、UI、STR、MR、SFI優于人工打頂,一定程度上提高了棉花的潛在品質。

表6 不同方式打頂對棉花品質的影響

3 討論

當前,新疆棉花在實際生產中,人工打頂是限制其全程機械化的主導因素之一,而且人工打頂易出現漏打或多打的現象[19]。相較于人工打頂,無人機化學打頂高效、實時、準確、省工,且打頂全過程中棉株不易出現機械損傷,能有效避免漏打頂或重復打頂等問題[20-21]。

3.1 不同打頂方式對棉花農藝性狀的影響

隨無人機(UAV)噴藥時間的推移,各處理棉花株高、葉齡、果枝數有不同程度的增加,且存在顯著差異(P<0.05),而果枝始節位、果枝始節高、單株結鈴數多數無顯著變化。棉花株高隨UAV噴藥濃度的增加而下降,與韓煥勇等的人工模擬機車噴藥打頂類似的研究[5]基本一致,其中UAV飛行高度 2 m、速度5 m/s、噴藥濃度0.750 L/hm2處理明顯低于其他處理。棉花葉齡、果枝數在不同噴藥處理下均有增加,果枝始節位、果枝始節高基本不變,與陳兵等的人工模擬機車噴藥打頂類似的研究[22]基本一致。打頂20 d后,UAV噴藥處理1～6棉花單株結鈴數均增加,其中噴藥處理2、3、6高于其他噴藥處理1、4、5,但低于人工打頂處理(CK),與張特等的人工模擬機車噴藥打頂研究結果[23]類似。說明UAV飛行高度2 m,速度5 m/s,噴藥濃度0.750、0.975 L/hm2處理對棉花生長參數較好。

3.2 不同打頂方式對棉花群體指標的影響

不同打頂方式下各處理間棉花物質積累量多數存在顯著差異(P<0.05)。打頂20 d后,無人機(UAV)飛行高度2 m、速度5 m/s、噴藥濃度 0.975 L/hm2處理的棉花根鮮質量、莖鮮質量、地上總鮮質量、根干質量、莖干質量、地上總干質量、葉面積指數均顯著高于其他處理(P<0.05)。與康正華等的人工模擬機車噴藥打頂研究結果[24]類似。與時曉娟等的人工模擬機車噴藥打頂試驗結果[6,25]略有不同。黎芳等認為,化學打頂后棉花葉面積指數和地上總干質量間無顯著差異[25];時曉娟等認為,隨施藥濃度增加棉花葉面積指數呈下降趨勢[6]。造成試驗結果不同可能是因為前人在開展試驗時所種植的棉花品種及后期施肥量存在差異所致。說明UAV飛行高度2 m、速度5 m/s、噴藥濃度 0.975 L/hm2處理有利于棉花群體指標增加。

3.3 不同打頂方式對棉花產量的影響

無人機(UAV)噴藥處理2、3、6的籽棉產量高于CK,但無顯著差異(P>0.05),與齊海坤等的人工模擬機車噴藥打頂研究結果[26]類似。UAV飛行高度2 m、速度5 m/s、噴藥濃度0.975 L/hm2處理的籽棉產量顯著高于其他處理,且其經濟效益相對最高。所有UAV噴藥處理下棉花單鈴質量較CK均有不同程度的增加,且存在顯著差異(P<0.05)。這與趙強等的人工模擬機車噴藥打頂研究結果[ 10,25]類似。說明UAV飛行高度2 m、速度 5 m/s、噴藥濃度0.975 L/hm2處理對棉花增產效果最好。

3.4 不同打頂方式對棉花品質的影響

不同打頂方式對棉花品質整體影響較小,各處理間多數無顯著差異,與陳兵等的人工模擬機車噴藥打頂研究結果[22,27]趨于一致。UAV飛行高度 2 m,速度5 m/s,噴藥濃度0.750、0.975 L/hm2處理與CK相比存在差異,其中飛行高度、速度一致時,噴藥濃度0.750 L/hm2處理的棉花整齊度指數、馬克隆值、成熟度系數優于噴藥濃度0.975 L/hm2處理,噴藥濃度0.975 L/hm2處理的棉花伸長率、短纖維指數優于噴藥濃度0.750 L/hm2處理。本研究結果與王剛等的人工模擬機車噴藥打頂類似研究[28]基本一致,即整齊度指數、纖維長度、馬克隆值、伸長率等品質參數與CK相比均無顯著差異。說明UAV打頂在很大程度上優于人工打頂,對提高棉花潛在品質有一定的促進作用,UAV飛行高度2 m、速度 5 m/s、噴藥濃度0.750、0.975 L/hm2對棉花品質較好。

4 結論

與人工打頂(CK)相比,無人機(UAV)化學打頂可提高棉花株高、葉齡,增加果枝數。UAV化學打頂對棉花產能有不同增減效應,其中飛行高度 2 m,速度3、5 m/s,噴藥濃度0.750、0.975 L/hm2處理高于CK,且噴藥濃度0.975 L/hm2處理的增產潛力更大,其余UAV化學打頂的籽棉產量低于CK。UAV飛行高度2 m、速度5 m/s、噴藥濃度 0.975 L/hm2處理的棉花群體指標量均高于其他處理。除比強度外,UAV化學打頂同CK相比無明顯變化。綜上,UAV飛行高度2 m,速度5 m/s,噴藥濃度0.750、0.975 L/hm2處理的效果較好,可在北疆早熟棉區推廣應用。