種植密度對76 cm等行距機(jī)采棉冠層結(jié)構(gòu)、冠層溫濕度及產(chǎn)量的影響

王家勇,李春梅,徐文修,李鵬程,張 娜,李 玲,馬云珍,王 芳

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/棉花教育部工程研究中心,烏魯木齊 830052;2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所, 河南安陽 455000)

0 引 言

【研究意義】棉花是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物[1],我國新疆2019年棉花種植面積約為2 040.5×103hm2,總產(chǎn)達(dá)500.2×104t[2],且80%以上棉花都已機(jī)械化采摘[3],提高了棉花產(chǎn)業(yè)的市場競爭力[4]。一直以來,新疆南疆機(jī)械采收棉田多采取(66 cm +10 cm)的株行距配置方式[5],但在機(jī)采雙行高密度種植方式時(shí),由于群體較為密閉,脫葉劑不能均勻的噴灑,導(dǎo)致下層葉片不易落入地面,進(jìn)而導(dǎo)致籽棉含雜率過高[6]。由此76 cm等行距種植方式應(yīng)運(yùn)而生,該種植方式為單行種植,改善了棉花群體結(jié)構(gòu)的通風(fēng)透光狀況,增大機(jī)采空間,有利于提高田間采凈率和機(jī)采棉品質(zhì)[7-9]。為持續(xù)保持和提高新疆棉花產(chǎn)量,研究76 cm等行距種植方式下的機(jī)采棉最適種植密度就成為亟待解決的問題。【前人研究進(jìn)展】作物群體的田間微環(huán)境受作物本身的冠層結(jié)構(gòu)所調(diào)節(jié)[10],同時(shí)不同種植密度會形成不同的作物冠層結(jié)構(gòu),最終由此調(diào)控作物冠層內(nèi)的光照、溫度、相對濕度和二氧化碳等作物生活要素[7, 11, 12]。合理密植是實(shí)現(xiàn)棉花高產(chǎn)的重要手段[13],在(66 cm +10 cm)配置方式下,增加種植密度使作物葉面積增大[14],葉片趨于直立[15],有利于群體的光能截獲[16, 17]。前人在76 cm種植方式下研究發(fā)現(xiàn),棉花表現(xiàn)出較強(qiáng)個(gè)體優(yōu)勢,可加快棉花生育進(jìn)程,提高霜前花率、主莖結(jié)鈴率[18, 19]。李建峰等[20]研究認(rèn)為等行距下10.95×104株/hm2低密度可以將單株優(yōu)勢充分發(fā)揮,個(gè)體光合生產(chǎn)能力相對較高,并且單株產(chǎn)量可以彌補(bǔ)群體產(chǎn)量[21],馬克隆值較高[22],纖維品質(zhì)較好[23],李春梅等[24]在新疆南疆地區(qū)研究認(rèn)為15×104株/hm2下棉花長勢較好,干物質(zhì)分配系數(shù)較高,群體庫源比例較好,產(chǎn)量潛力較高。吳鳳全等[25]在新疆南疆研究認(rèn)為,在76 cm等行距種植方式下,提高密度能顯著提高生物產(chǎn)量和單位面積鈴數(shù)。【本研究切入點(diǎn)】以往的研究均是基于76 cm等行距種植方式下棉花農(nóng)藝性狀及干物質(zhì)積累與分配確定最適宜產(chǎn)量,但有關(guān)76 cm等行距模式下的冠層結(jié)構(gòu)方面的研究相對較少,新疆南疆地區(qū)76 cm等行距種植方式下通過冠層環(huán)境確定適宜密度尚不明確。需篩選出適宜76 cm等行距種植的最適宜種植密度。【擬解決的關(guān)鍵問題】在76 cm等行距條件下,研究種植密度對棉花冠層特性、冠層溫濕度、光分布及產(chǎn)量的影響,分析76 cm等行距種植方式下不同密度下棉花冠層結(jié)構(gòu)與產(chǎn)量的形成差異與規(guī)律,篩選出有利于棉花提質(zhì)增效的機(jī)采種植密度。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2020年在新疆阿拉爾第一師10團(tuán)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所阿拉爾試驗(yàn)站進(jìn)行,試驗(yàn)地位于天山山脈南麓、塔里木盆地北緣(E 80°30′～81°58′,N 40°22′～40°57′)。土壤類型為沙壤土,土地平整,有機(jī)質(zhì)含量10.23 g/kg,堿解氮含量84.87 mg/kg、速效磷22.00 mg/kg、速效鉀126.50 mg/kg,pH值7.68,棉花品種為中棉所96A,于4月21日播種,1穴2粒下種,在苗期通過補(bǔ)苗移苗來保證全苗,于三葉期(5月21日)定苗,7月14日人工打頂。圖1

圖1 氣象要素

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),在76 cm等行距種植方式下,共設(shè)置5個(gè)種植密度:9×104株/hm2(處理A)、12×104株/hm2(處理B)、15×104株/hm2(處理C)、18×104株/hm2(處理D)、21×104株/hm2(處理E)。地膜栽培,膜寬2.25 m,各小區(qū)面積為71.14 m2(10.40 m×6.84 m),3次重復(fù),共15個(gè)小區(qū)。

1.2.2 測定指標(biāo)

1.2.2.1 冠層結(jié)構(gòu)

采用 LAI-2000冠層儀,于棉花各關(guān)鍵生育時(shí)期,在各小區(qū)選取長勢均勻的3個(gè)樣點(diǎn)測定葉面積指數(shù)、冠層開度和葉傾角。參照牛玉萍等[26]的方法使用美國 Li-cor 公司生產(chǎn)的LAI-2000冠層分析儀測定。

1.2.2.2 冠層溫、濕度

采用英國 Lascar EL-USB-2 型溫濕度記錄儀,于棉花各生育時(shí)期在各小區(qū)選擇群體長勢一致的具有代表性的5株作為1個(gè)樣點(diǎn),避開裸地的影響,于晴朗無風(fēng)的天氣,在10:00～21:00測定記錄棉花冠層1/3、1/2與2/3處的冠層溫度和濕度,當(dāng)棉株果枝數(shù)高于7果枝后,將冠層溫濕度儀分別掛置于各處理小區(qū)棉花長勢一致的選定樣株第2果枝節(jié)位高度、第5果枝節(jié)位高度和第8果枝節(jié)位高度位置,用以測定下部1～3果枝、中部4～6果枝和上部≥7果枝冠層內(nèi)溫濕度變化。

1.2.2.3 冠層光合有效輻射

在花鈴期,于11:00～14:00,利用LI-191SA 光合有效輻射傳感器和LI-1400 數(shù)據(jù)記錄器測定光合有效輻射(Photosynthetically active radiation,PAR)截獲量(μmol/(m2·s))。在每個(gè)處理長勢均勻的兩行棉花中間放置儀器支架。采用網(wǎng)格法測定冠層光合有效輻射截獲量,水平方向上,每隔20 cm為一個(gè)光傳感器;垂直方向上,自地面10 cm從支架下部至上部每隔20 cm為一個(gè)光傳感器,總計(jì)30個(gè)采樣點(diǎn)。

1.2.2.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

棉花完全吐絮后,每小區(qū)選中間1膜調(diào)查收獲株數(shù)和總成鈴數(shù),并計(jì)算單株成鈴數(shù)。棉花收獲后,各個(gè)小區(qū)選取具有代表性的連續(xù)植株10株測定單鈴重,產(chǎn)量以實(shí)收籽棉產(chǎn)量計(jì)產(chǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL 2019、SPSS 19.0、orgin2021等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植密度對棉花葉面積指數(shù)的影響

研究表明,各處理棉花群體葉面積指數(shù)均隨生育進(jìn)程的推進(jìn)呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢,均在盛鈴前期達(dá)到峰值。各處理間的群體葉面積指數(shù)在6月16日(盛蕾期)差異不顯著,7月5日(盛花期)至8月20日(盛鈴后期)差異顯著,各處理間葉面積指數(shù)總體表現(xiàn)為隨密度增大而葉面積指數(shù)增大,各處理并呈現(xiàn)出E>D>C>B>A的變化規(guī)律,即處理E葉面積指數(shù)峰值最高在8月7日(盛鈴中期)達(dá)到4.35,較其余各處理依次高出28.31%、26.82%、13.57%、4.31%,但D處理與E處理間差異不顯著,B處理和A處理間差異不顯著。各處理葉面積指數(shù)在8月7日之后均呈下降趨勢,且均呈現(xiàn)出E處理葉面積指數(shù)最大。圖2

圖2 不同處理下棉花葉面積變化規(guī)律

2.2 種植密度對棉花葉傾角的影響

研究表明,各處理平均葉傾角(MTA)在測定期間均表現(xiàn)為“先升后降”的變化趨勢,除處理A外,其他處理均在7月21日(盛鈴前期)達(dá)到最大值,測定期間各處理的葉傾角始終表現(xiàn)為E>D>C>B>A,且高密度E處理的平均葉傾角分別較其余各處理的平均葉傾角增大了23.19%、17.42%、11.29%和6.64%,隨著密度減小,葉軸與水平面的夾角隨之增大,葉片變直立的趨勢更加明顯。圖3

圖3 不同處理下棉花葉傾角變化規(guī)律

2.3 種植密度對棉花冠層開度的影響

研究表明,冠層開度(DIFN)是指從植物冠層底部向上可觀測到的天空比例,范圍為0～1,數(shù)值越大代表觀測到的天空范圍越大。在測定期內(nèi)各處理的冠層開度變化趨勢與LAI相反,即隨著生育進(jìn)程各處理的DIFN呈先降后增的變化趨勢,在7月21日(盛鈴前期)各處理的DIFN均達(dá)到最低值,各處理由最高降至最低的降幅在74.89%～77.73%。各處理基本呈現(xiàn)出A>B>C>D>E的規(guī)律。密度越大,棉株封行程度越高,冠層郁閉,棉花冠層內(nèi)的通風(fēng)透光條件越差。 圖4

圖4 不同處理下棉花冠層開度變化規(guī)律

2.4 種植密度對棉花冠層溫度的影響

研究表明,各處理的棉花冠層日均溫度總體表現(xiàn)為上部>中部>下部,冠層上層接觸大氣,溫度最高,冠層下層受葉片遮擋多,溫度最低。A處理的冠層上部溫度平均值分別依次高于其余各處理3.11%、4.17%、4.63%、5.97%。中部溫度平均值分別依次高于其余各處理0.98%、3.85%、3.98%、4.97%,下部溫度平均值分別依次高于其余各處理1.86%、2.07%、5.37%、7.67%,處理間各個(gè)部位冠層溫度整體均呈現(xiàn)出A>B>C>D>E變化規(guī)律,密度越高冠層溫度越低,尤其是冠層內(nèi)下部位的溫度最低。圖5

圖5 不同處理下棉花冠層溫度變化規(guī)律

2.5 種植密度對棉花冠層濕度的影響

研究表明,各處理冠層內(nèi)部濕度總體表現(xiàn)為上部<中部<下部,正好與溫度變化規(guī)律相反,且各個(gè)部位各處理的濕度整體上隨著密度增大而逐漸增大,呈現(xiàn)出E>D>C>B>A的變化趨勢,E處理的冠層上部平均濕度值在各分別依次高于其余各處理18.80%、13.59%、10.38%、7.01%。E處理中部平均濕度值分別依次高于其余各處理18.12%、11.88%、4.75%、4.06%,E處理下部平均濕度值分別依次高于其余各處理14.80%、12.10%、4.70%、3.43%,即密度越低,冠層內(nèi)濕度越低,反之密度過高、部位過低均易導(dǎo)致冠層內(nèi)濕度偏高。圖6

圖6 不同處理下棉花冠層濕度變化規(guī)律

2.6 種植密度對棉花鈴期群體冠層光截獲率(PAR)空間分布的影響

研究表明,棉花花鈴期的群體冠層光截獲率在橫向40 cm處,即兩行棉花之間,各處理棉花的PAR值較小,近株處則較大,空間上基本上呈現(xiàn)出“V”型變化趨勢,尤其是處理A、B、C極為明顯。從冠層頂部到地面,群體內(nèi)部PAR值逐漸增大,且種植密度越大,光截獲離地面越高,A處理垂直距離20 cm時(shí)光截獲率達(dá)到0.8,當(dāng)種植密度繼續(xù)增大至D處理,“V”型底部高度開始上移,至E處理時(shí),近株處PAR與行間基本趨于一致,E處理垂直距離50 cmPAR達(dá)到0.8,高密度E處理冠層郁閉程度高,植株過于緊湊,使下部葉片受光較弱,不利于提高整體光合效率,低密度A處理漏光較多,對光能資源造成了浪費(fèi),不利于提高群體光能利用率。圖7

圖7 不同處理下棉花花鈴期冠層PARI截獲率空間變化規(guī)律

2.7 種植密度對機(jī)采棉產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

研究表明,不同種植密度下收獲株數(shù)均達(dá)顯著性差異水平(P<0.05)。隨種植密度的增加單株鈴數(shù)逐漸降低,以A處理最多為6.23個(gè)/株,分別顯著高出處理D 32.55%和處理E 63.52%,但與處理B和處理C無顯著差異。單鈴重隨種植密度的增加也呈減小的變化趨勢,A處理單鈴重最大,顯著高于E處理11.04%,但與其余各處理差異不顯著。籽棉產(chǎn)量隨種植密度的增加呈“先增后減”的變化,雖然A處理單株鈴數(shù)和單鈴重均最高,但由于密度最低,導(dǎo)致產(chǎn)量最低,而以處理C產(chǎn)量最高達(dá)4 849.96 kg/hm2,較A、B、D、E處理分別增產(chǎn)41.94%、24.20%、4.72%、15.20%。表1

表1 不同種植密度下棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

3 討 論

3.1 種植密度對棉花冠層結(jié)構(gòu)的影響

葉面積指數(shù)、冠層開度、葉傾角是反映冠層結(jié)構(gòu)性能的重要指標(biāo),在棉花生長發(fā)育過程中,保持冠層不同層次葉面積合理分布,使群體內(nèi)光均勻分布,冠層開度較合理,能提高群體光合效能[27]。前人研究表明在(66+10)cm下,在一定密度范圍內(nèi),棉花的冠層結(jié)構(gòu)受密度影響顯著,增加密度可使株型更為緊湊[28],隨著種植密度的增大,棉花群體葉面積指數(shù)和葉傾角顯著增加,MTA降低[13],但張娜等[29]得出相反結(jié)論,其研究認(rèn)為適當(dāng)降低密度可提高葉面積指數(shù),可能是研究下76 cm等行距種植密度較張娜等[29]研究(66+10)cm下密度有所降低。李春梅等[24]亦得出在76 cm等行距下,隨密度增大葉面積指數(shù)增大,試驗(yàn)結(jié)果與前人研究一致。

3.2 種植密度對棉花冠層溫度及光分布的影響

試驗(yàn)研究表明,種植密度對冠層內(nèi)溫濕度的影響始終表現(xiàn)為隨密度的增加溫度降低、濕度增加,且冠層位置越低,這種降溫增濕的效應(yīng)越明顯。密度越大,越不利于熱量交換,使株間溫度越高,與婁善偉等[30]研究棉花寬窄行所反映的冠層氣溫變化的結(jié)果相同。但這些結(jié)果與Yang等[31]得出的“在空氣溫度上升期間,低種植密度和高種植密度都會導(dǎo)致更高的冠層溫度”結(jié)果不盡相同,可能是因?yàn)樾陆N植密度較高,超過了Yang等[31]研究的高密范疇,且種植方式不同所造成的。

由于棉花的各個(gè)器官在其生育期內(nèi)一直處于不斷的發(fā)展變化狀態(tài)中,導(dǎo)致群體結(jié)構(gòu)受株型及器官配置的影響極大,在一定生育時(shí)期內(nèi),群體冠層PAR截獲率呈“Ⅴ”型分布,與李亞兵等[32]研究1膜6行的結(jié)果一致。棉花密度低時(shí),棉行中空隙大,較多的光穿過冠層透射到地面被土壤反射或吸收,導(dǎo)致沒有或遠(yuǎn)離植株覆蓋的位置光截獲率低,而在層內(nèi)的垂直方向上,光更容易被植株截獲吸收,使光強(qiáng)衰減速度更快,也就意味著光截獲率的增加速度較快[33]。種植密度的增大對于棉花以營養(yǎng)生長為主的階段的光資源截獲更多,為光資源的利用提供了“源”的保障,與劉帥等[34]在寬窄行上研究結(jié)果一致。花鈴期為棉花光合作用最強(qiáng)烈的時(shí)期,此階段棉花生長重心由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長,群體LAI也最高,棉田已經(jīng)封行,冠層結(jié)構(gòu)最為密閉。不同種植密度棉花群體對光的截獲也均達(dá)到峰值。種植密度越高,光的截獲率也越高,但高度郁閉的冠層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致光難以達(dá)到冠層中下部,反而種植密度較低的處理,冠層內(nèi)空隙相對較大,雖然降低了光的截獲率,但冠層中下部也可受光,一定程度上增大了光能的利用率,更有利于光合產(chǎn)物的積累,與呂麗華等[16]在玉米上研究結(jié)果一致。

3.3 種植密度對棉花產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

產(chǎn)量對增加種植密度的響應(yīng)呈“先增后降”的變化形式,合理密植、提高群體鈴數(shù)和單鈴重是提高新疆機(jī)采模式下棉花的產(chǎn)量的重要措施[35]。張旺鋒等[17]在(66+10)cm寬窄行研究表明,密度6×104～30×104株/hm2下單鈴重和單株鈴數(shù)隨密度增加減小,高密度處理下單位面積鈴數(shù)較高,但單鈴重低,低密度條件下,單鈴重、單株鈴數(shù)高,單株優(yōu)勢強(qiáng)但群體產(chǎn)量不足。李春梅等[36]在棉花76 cm等行距下研究,密度9×104～21×104株/hm2下籽棉產(chǎn)量隨密度增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。試驗(yàn)研究結(jié)果與前人研究結(jié)果一致,因此并非高密度即可獲得高產(chǎn),密度適中時(shí)單位面積產(chǎn)量最高。

4 結(jié) 論

棉花76 cm等行距模式下,在9×104～21×104株/hm2密度范圍內(nèi),該地區(qū)棉花種植密度以15×104株/hm2較為適宜,此時(shí)棉花冠層結(jié)構(gòu)及冠層溫濕度環(huán)境良好,既可以充分發(fā)揮棉花個(gè)體優(yōu)勢,緩解因群體過大導(dǎo)致冠層微環(huán)境的惡化,又可以保證一定的適宜密度,獲得群體高產(chǎn)。