乙烯利催熟對機采棉鈴重和纖維品質(zhì)的影響

劉韜奮 羅 單 張啟鵬 孫圓圓 李培松 田景山,* 張旺鋒 向 導 張亞黎 楊明鳳 勾 玲

1 石河子大學農(nóng)學院 / 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室, 新疆石河子 832003; 2 石河子氣象局烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗站,新疆石河子 832003

新疆具有適于植棉的自然環(huán)境與生態(tài)優(yōu)勢, 是我國特大優(yōu)質(zhì)棉花生產(chǎn)基地。隨著勞務(wù)成本逐年攀升和植棉效益相對下滑, 發(fā)展機采棉已成為降低生產(chǎn)成本、提質(zhì)增效的重要途徑[1]。新疆機采棉種植既要脫葉又要催熟, 這將在一定程度上影響棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)。從機采棉田間生產(chǎn)、機械采收和清理加工等關(guān)鍵環(huán)節(jié)來分析, 田間采收環(huán)節(jié)尤其是脫葉催熟劑的使用對纖維品質(zhì)的損傷更為明顯[2]。適時噴施催熟劑可加速棉鈴提前成熟和縮短棉花吐絮時間, 提高機械采收效率, 這是實現(xiàn)機采棉提質(zhì)增效的有效途徑之一。

機采棉催熟技術(shù)是實現(xiàn)棉鈴提前吐絮和集中吐絮的關(guān)鍵栽培技術(shù), 乙烯利作為最常用和最經(jīng)濟的催熟劑, 能夠解決棉花生育后期晚熟和棉鈴成熟度不一致的問題[3]。較早噴施乙烯利雖能迫使棉鈴提前開裂吐絮, 但易形成僵瓣棉, 鈴重和纖維品質(zhì)會顯著降低[4]。推遲乙烯利的噴施時間對產(chǎn)量影響較小, 甚至可以提高鈴重和改善纖維品質(zhì)[5-6], 但會增加遭遇低溫天氣的概率, 使葉片易枯而不落、造成籽棉含雜率偏高[7]。適時噴施催熟劑對均衡產(chǎn)量和纖維品質(zhì)尤為重要。20世紀80年代, 棉田應(yīng)用乙烯利催熟有效解決了棉花晚熟問題, 促進了棉花早熟、增產(chǎn)[8]。乙烯利通過改變棉花生長發(fā)育進程來發(fā)揮催熟作用, 促使棉鈴釋放大量乙烯, 使棉鈴提前7～10 d吐絮, 霜前吐絮鈴數(shù)顯著增多[9]。乙烯催熟作用受棉鈴發(fā)育程度和環(huán)境因素的影響, 棉鈴鈴期在60%～70%以上使用乙烯利才能實現(xiàn)早熟優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[10-11]。研究表明, 乙烯利改變了棉鈴內(nèi)激素平衡關(guān)系[12], 促進光合產(chǎn)物更多的向棉鈴輸送與分配, 有更多光合產(chǎn)物積累在纖維中[13]。新疆棉花生長發(fā)育后期熱量資源有限, 通常采用高密度、促早熟的種植模式, 在棉鈴全部成熟、吐絮率85%以上時進行一次性機械采收。因此, 適時噴施乙烯利以實現(xiàn)機采棉提前吐絮和集中吐絮就非常關(guān)鍵。前人研究多集中于乙烯利促進棉田早熟, 而對其如何影響棉鈴提前吐絮、鈴重及纖維品質(zhì)形成的研究較少。那么, 乙烯利是否能夠促進鈴重和纖維品質(zhì)的協(xié)同提高？基于此, 本研究利用Rd/b值(噴施催熟劑時的棉鈴鈴齡與對照鈴期的比值)確定催熟劑乙烯利的噴施時間, 分析乙烯利對機采棉鈴重和纖維品質(zhì)的影響, 闡明棉鈴鈴期縮短與鈴重及纖維品質(zhì)的定量關(guān)系, 以期為機采棉催熟與集中吐絮技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2020—2021年在新疆烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗站(44°18′N、85°51′E)進行, 供試棉花材料選擇催熟劑敏感性和棉鈴形態(tài)差異較大的18個品種(材料), 包括蘇K202、巴1、巴2、巴4、巴6、巴8、新陸早33號、新陸早50號、新陸早57號、新陸早61號、新陸早74號、新陸早80號、65-38、16566、2A0620、80511、80506和3413, 棉鈴鈴期在47～69 d。試驗采用裂區(qū)設(shè)計, 主區(qū)為噴施藥劑處理, 催熟劑選擇乙烯利(40%水劑, 1350 mL hm–2),對照噴施清水。裂區(qū)為噴施時間處理, 采用開花時序差方式, 掛牌標記棉株下部果枝(第2～3果枝)、中部果枝(第5～6果枝)、上部果枝(第7～8果枝)和頂部果枝(第9～10果枝)的第1果節(jié)當日所開白花,根據(jù)Rd/b值確定催熟劑的噴施時間, 不同部位果枝對應(yīng)的噴施時間為Rd/b0.82×鈴期、Rd/b0.72×鈴期、Rd/b0.62×鈴期和Rd/b0.52×鈴期; 每個棉花品種(材料)噴施1次催熟劑乙烯利, 采用背負式噴霧器進行人工噴施。小裂區(qū)為供試棉花品種(材料), 完全隨機排列種植。小區(qū)面積為7.0 m × 6.8 m, 重復(fù)3次。2年播種日期分別是4月20日和4月17日, 均于7月9日進行人工打頂; 株行距配置為(66+10+66+10+66+10)×10.0 cm, 留苗密度約2.6×105株hm–2。采用膜下滴灌, 田間管理措施均與當?shù)卮筇锕芾砟Ｊ揭恢隆＞唧w種植的棉花品種(材料)、掛花日期和對照棉鈴鈴期見表1。

表1 催熟劑試驗的材料、棉鈴鈴期、掛花日期和處理時間Table 1 Materials, boll growth period, date of flower hanging and treatment time of ripening agent test

1.2 樣品采集與測定項目

待掛牌標記的棉鈴裂鈴時, 每天標記裂鈴日期,統(tǒng)計鈴期。收獲前, 收取大小一致棉鈴30～50個, 統(tǒng)一風干、軋花, 稱重測定單鈴纖維重與單鈴棉籽重;軋花后的皮棉試樣送至農(nóng)業(yè)農(nóng)村部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心(河南安陽)測定纖維上半部平均長度(長度)、斷裂比強度(比強度)和馬克隆值, 測試儀器PREMIERHFT 9000型大容量纖維檢測儀, 實驗室環(huán)境溫濕度為19.5～20.0℃和67%～68%。

棉鈴鈴期縮短天數(shù)是指噴施乙烯利試樣的鈴期與對照的差值, 單鈴重損傷量是指噴施乙烯利試樣的單鈴重與對照的差值, 纖維品質(zhì)損傷量是指噴施乙烯利試樣的纖維品質(zhì)與對照的差值。其中, 差值為負值表示噴施乙烯利試樣較對照降低, 正值則表示增加。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)分析運用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)v19.05進行,數(shù)據(jù)間多重比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 乙烯利對棉鈴鈴期的影響

由圖1可知, 噴施乙烯利對不同發(fā)育階段的棉鈴鈴期均有顯著性影響, 隨噴施時間提前, 棉鈴鈴期縮短天數(shù)增加。噴施時間Rd/b(0.72, 0.82)時棉鈴鈴期約為53.7～57.0 d, 鈴期較對照平均縮短了3.5～3.9 d; 噴施時間Rd/b(0.62)時, 棉鈴鈴期較對照顯著縮短了4.5 d; 噴施時間Rd/b(0.52)時棉鈴鈴期僅有35.0～52.8 d, 較對照顯著縮短了5.7 d。

圖1 催熟劑乙烯利對棉鈴鈴期的影響Fig. 1 Effect of ethephon on cotton boll period days

2.2 乙烯利催熟條件下棉鈴鈴期縮短天數(shù)與鈴重的關(guān)系

2.2.1 鈴期縮短天數(shù)對鈴重的影響 將棉鈴鈴期縮短天數(shù)與鈴重損傷量進行分類, 由圖2可知, 第III象限分布樣本數(shù)最多, 占總樣本數(shù)的65.5%～72.6%, 即乙烯利催熟條件下棉鈴鈴期縮短了0.2～15.8 d, 單鈴重降低了0～2.4 g。在第II象限樣本數(shù)所占比例為9.5%～16.7%, 乙烯利催熟使棉鈴鈴期縮短了0.2～11.0 d, 單鈴重則增加了0～0.5 g。在第IV象限中單鈴重隨棉鈴鈴期增加而降低, 占樣本總數(shù)的4.8%～11.9%。

圖2 乙烯利催熟條件下根據(jù)棉鈴鈴期縮短天數(shù)對單鈴纖維重及單鈴棉籽重的損傷量進行分類Fig. 2 Relationship between shortening of boll period days and decrease amounts of fiber weight and seed weight under ethephon ripening

2.2.2 鈴期縮短天數(shù)與鈴重的相關(guān)分析 將棉鈴鈴期及其縮短天數(shù)與單鈴纖維重和單鈴棉籽重的損傷量進行擬合, 由圖3可看出, 棉鈴鈴期及其縮短天數(shù)均與鈴重損傷量呈極顯著正線性關(guān)系,P值小于0.001。據(jù)此可計算出, 棉鈴鈴期每提前1 d, 單鈴纖維重和單鈴棉籽重則均降低0.04～0.05 g。若控制單鈴纖維重和單鈴棉籽重的損傷量為0時, 棉鈴鈴期需大于69.7 d和60.5 d, 棉鈴鈴期可縮短約4.5 d。若控制單鈴纖維重和單鈴棉籽重的損傷量小于5%(單鈴纖維重損傷量<0.11 g和單鈴棉籽重損傷量<0.15 g), 棉鈴鈴期需大于64.1 d和54.8 d, 鈴期縮短天數(shù)為3.1 d。

圖3 乙烯利催熟條件下棉鈴鈴期及其縮短天數(shù)與單鈴纖維重和單鈴棉籽重損傷量的關(guān)系Fig. 3 Relationship between boll weight and boll period days and shortening of boll period days under ethephon ripening

2.3 乙烯利催熟條件下棉鈴鈴期縮短天數(shù)與纖維品質(zhì)的關(guān)系

2.3.1 鈴期縮短天數(shù)對纖維品質(zhì)的影響 將棉鈴鈴期縮短天數(shù)與纖維長度、斷裂比強度和馬克隆值的損傷量進行分類, 由圖4可看出, 在第III象限,纖維長度、斷裂比強度和馬克隆值的樣本數(shù)分布最多, 占樣本總數(shù)的58.0%～76.5%, 即乙烯利催熟條件下棉鈴鈴期縮短了0.2～13.7 d, 纖維長度降低了0.1～3.4 mm、斷裂比強度降低了0.1～3.4 cN tex–1、馬克隆值降低了0.1～1.8。在第II象限, 棉鈴鈴期平均縮短1.5～3.5 d, 纖維長度增加了0.4 mm、斷裂比強度增加了0.8 cN tex–1, 其樣本數(shù)所占比例為13.6%～23.5%。在第IV象限中纖維品質(zhì)隨棉鈴鈴期增加呈降低趨勢, 占樣本總數(shù)的9.9%～13.6%。

圖4 乙烯利催熟條件下根據(jù)棉鈴鈴期縮短天數(shù)對纖維品質(zhì)的損傷量進行分類Fig. 4 Relationship between shortening of boll period days days and fiber quality decrease amount of cotton bolls under ethephon ripening

2.3.2 鈴期縮短天數(shù)與纖維品質(zhì)的相關(guān)分析 將棉鈴鈴期及其縮短天數(shù)與纖維品質(zhì)損傷量進行擬合,由圖5可知, 棉鈴鈴期及其鈴期縮短天數(shù)與纖維長度損傷量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,P值小于0.050, 與斷裂比強度和馬克隆值的損傷量呈極顯著正線性關(guān)系,P值小于0.001。據(jù)此可計算出, 棉鈴鈴期每提前1 d,纖維長度和斷裂比強度則分別降低0.05 mm和0.20 cN tex–1。若控制長度和斷裂比強度損傷量為0時,棉鈴鈴期需大于65.3 d和62.1 d; 控制損傷量小于1% (長度損傷量<0.28 mm、斷裂比強度損傷量<0.30 cN tex–1), 棉鈴鈴期則需大于59.4～60.6 d, 鈴期可縮短0.1～3.8 d。若控制馬克隆值在3.7～4.2時, 需棉鈴鈴期大于59.0～66.9 d。

(圖3)

圖5 乙烯利催熟條件下棉鈴鈴期及其縮短天數(shù)與纖維品質(zhì)損傷量的關(guān)系Fig. 5 Relationship between fiber quality decrease amount and boll period days and shortening of boll growth period under ethephon ripening

2.4 乙烯利催熟條件下棉鈴鈴期縮短對纖維品質(zhì)和鈴重的影響

由表2可知, 在乙烯利催熟條件下部分品種(材料)的棉鈴鈴期縮短了0.5～5.8 d, 其纖維長度、斷裂比強度和單鈴重則呈增加趨勢。蘇K202和新陸早61號在噴施時間Rd/b0.82時鈴期較對照分別縮短3.17 d和2.55 d, 纖維長度較對照顯著增加了3.44%和7.18%。噴施時間Rd/b0.62時, 新陸早57號的棉鈴鈴期較對照縮短了5.8 d, 斷裂比強度則顯著增加了2.1 cN tex–1; 材料3413在噴施時間Rd/b0.62時斷裂比強度顯著增加了0.80 cN tex–1、單鈴重顯著增加了0.73 g。

表2 乙烯利催熟條件下棉鈴鈴期縮短對纖維長度、斷裂比強度和單鈴重的影響Table 2 Effect of spraying ethephon on fiber length, strength, and boll weight after shortening the boll period

3 討論

3.1 噴施乙烯利對頂部鈴重和纖維品質(zhì)的影響

作物合理使用催熟劑加速了收獲器官成熟, 縮短了發(fā)育歷程[14]。棉花生育后期噴施乙烯利催熟需協(xié)調(diào)棉鈴發(fā)育狀況與氣溫的關(guān)系, 獲得成熟、優(yōu)質(zhì)纖維是機采棉催熟技術(shù)的關(guān)鍵。本研究表明, 棉花使用乙烯利縮短了棉鈴鈴期, 乙烯利使棉鈴鈴期平均縮短了3.5～5.7 d。一般而言, 棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)的形成與棉鈴發(fā)育時間成正比[15], 合理使用催熟劑不僅能產(chǎn)生良好的催熟效果, 還可以降低對產(chǎn)量和纖維品質(zhì)的不良影響[6]。棉纖維細胞突起伸長起始于開花當天, 花后～30 d纖維伸長基本結(jié)束[16], 在棉鈴鈴期42 d噴施乙烯利, 此時對纖維長度的影響較小。確保棉株頂部棉鈴基本成熟和較高的纖維成熟度是實現(xiàn)機采棉優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的關(guān)鍵, 催熟劑乙烯利能夠促使棉鈴快速、集中吐絮, 這是機采棉適時收獲的必要手段。纖維比強度形成與次生壁加厚期纖維素沉積密切相關(guān)[17-18], 在此期間使用乙烯利雖能實現(xiàn)良好的催熟效果, 但會嚴重損害葉片光合性能、限制光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運速率[19-20], 易形成僵瓣棉鈴, 且乙烯利使用時間越早對棉鈴重和纖維品質(zhì)的損傷越大[21]。本研究表明, 在乙烯利催熟條件下, 棉株頂部棉鈴?fù)耆墒烨彝滦跛璧拿掴忊徠趹?yīng)在60.5～69.7 d, 鈴齡40.5～49.7 d噴施乙烯利可使棉鈴提前約4.5 d吐絮。

新疆棉區(qū)采用高密度種植模式, 通過地膜覆蓋、適期早播等一系列栽培措施促進棉花早發(fā), 實現(xiàn)了機采棉集中吐絮和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[22]。然而, 新疆棉花生長季節(jié)有限, 生育后期的脫葉催熟技術(shù)是機采棉綜合農(nóng)藝配套技術(shù)中最難協(xié)調(diào)的技術(shù), 需權(quán)衡棉鈴發(fā)育狀況和當?shù)貧鉁刈兓年P(guān)系[7], 且要兼顧棉株頂部棉鈴鈴重和纖維品質(zhì)[4]。本研究表明, 控制單鈴重損傷量小于5% (鈴重損傷量<0.26 g)和纖維品質(zhì)損傷量在1% (長度損傷量<0.28 mm、斷裂比強度損傷量<0.30 cN tex-1)時, 棉鈴鈴期應(yīng)在54.8～64.1 d,鈴齡34.8～44.1 d便能噴施乙烯利。新疆棉區(qū)脫葉催熟劑噴施時間過晚勢必導致機采棉脫葉率驟降、籽棉含雜量劇增, 增加機采棉清理加工工序, 這些均會造成纖維品質(zhì)較大的損傷[2]。過早使用催熟劑則會改變棉鈴內(nèi)源激素的平衡關(guān)系[12], 迫使棉鈴提前開裂吐絮, 但棉鈴鈴重和纖維品質(zhì)顯著降低[4]。因此,適度降低棉株頂部棉鈴5%鈴重和1%纖維品質(zhì)是實現(xiàn)棉鈴提前吐絮的有效途徑之一。

3.2 乙烯利縮短了部分品種的棉鈴鈴期但能提高鈴重與纖維品質(zhì)

棉花單鈴重在很大程度上由品種遺傳特性決定,一般情況下, 棉鈴單鈴重越大則鈴期越長, 棉籽和纖維也能轉(zhuǎn)化和積累更多的光合產(chǎn)物, 形成較好的品質(zhì)[23]。乙烯利在植物中使用可使其呼吸速率加強、乙烯含量升高[24]、生長素含量下降[25], 光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運分配比例亦隨之發(fā)生改變[26], 轉(zhuǎn)運至棉籽分配量呈減少趨勢, 使纖維中獲得更多同化物[27]。本研究表明, 乙烯利催熟條件下棉鈴鈴期每縮短1 d, 單鈴重降低0.08～0.10 g、纖維長度和斷裂比強度降低0.05 mm和0.20 cN tex–1。據(jù)此計算, 在乙烯利催熟條件下棉纖維基本發(fā)育成熟時棉鈴鈴期需達64.1～69.7 d, 棉籽則需鈴期在54.8～60.5 d。可見, 乙烯利對纖維發(fā)育影響更顯著。前人研究表明, 棉纖維蔗糖代謝過程中磷酸蔗糖合成酶和蔗糖合成酶等酶促進了蔗糖合成與快速轉(zhuǎn)化, 有利于纖維素累積和高強纖維的形成[28]。乙烯利的使用干擾了作物物質(zhì)代謝的過程[29-30], 促進了鈴殼中同化物向棉籽和纖維的轉(zhuǎn)運[31]。噴施乙烯利亦改變了油菜角果果皮細胞的膜透性, 增加了籽粒產(chǎn)量和提高了油脂品質(zhì)[32]。本研究表明, 在第III象限中纖維品質(zhì)和鈴重的樣本數(shù)所占比例高達58.0%～76.5%, 即棉鈴提前5.4～6.2 d吐絮, 單鈴重降低了0～1.5 g, 纖維長度、斷裂比強度和馬克隆值也均隨鈴期縮短呈下降趨勢。鈴殼作為養(yǎng)分運輸分配的“中轉(zhuǎn)站”, 既是“庫”接受外來養(yǎng)分, 又是“源”供養(yǎng)棉籽和纖維發(fā)育[33-34]。噴施乙烯利迫使葉片凈光合速率急劇降低, 葉片中光合產(chǎn)物的合成與轉(zhuǎn)運被快速阻斷[35]。而形成纖維和棉籽的同化物來自鈴殼的輸送, 纖維素、脂肪和蛋白質(zhì)等物質(zhì)形成方式在時間和空間上存在差異性, 那么,乙烯利是否能夠協(xié)調(diào)鈴殼同化物在纖維與棉籽間的分配比例, 進而影響鈴重和纖維品質(zhì)的形成？

作物產(chǎn)量和品質(zhì)往往相互制約, 這是作物收獲器官中淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)和糖類等物質(zhì)的合成與轉(zhuǎn)運路徑各異以及能量消耗差異造成的[36-37]。雖然這種負相關(guān)關(guān)系并非絕對, 但作物品質(zhì)和產(chǎn)量協(xié)同發(fā)展的難度依舊存在。棉花纖維品質(zhì)是通過棉株結(jié)鈴建成, 協(xié)調(diào)品種、環(huán)境和栽培措施三者的關(guān)系, 可有效優(yōu)化成鈴[38]。棉花品種選育一般會根據(jù)用棉實際需求進行取舍, 相互協(xié)調(diào)高產(chǎn)與高品質(zhì)的關(guān)系。本研究表明, 在乙烯利催熟條件下, 第II象限中棉鈴鈴期縮短且鈴重增加、纖維品質(zhì)提高的概率為9.5%～23.5%, 即棉鈴提前1.5～4.0 d吐絮, 單鈴重亦增加了0～0.5 g、纖維長度和斷裂比強度增加了0.4 mm和0.8 cN tex-1。因此, 合理噴施乙烯利能夠?qū)崿F(xiàn)縮短棉鈴鈴期和提高鈴重與纖維品質(zhì)的協(xié)同。乙烯利改變了棉鈴內(nèi)源乙烯合成途徑中ACC合酶和ACC氧化酶等酶活性及其調(diào)控基因的表達, 促進乙烯含量增加[39-40], 加速作物成熟、衰老進程[20]。那么, 乙烯利協(xié)調(diào)棉鈴鈴重和纖維品質(zhì)的生理機制是什么, 鈴殼內(nèi)光合產(chǎn)物在棉籽和纖維間如何轉(zhuǎn)運與分配仍需進一步研究。

4 結(jié)論

噴施催熟劑乙烯利促使了機采棉提前吐絮, 棉鈴鈴期平均縮短了3.5～5.7 d。在乙烯利催熟條件下,棉鈴鈴期每提前1 d, 單鈴重減少0.08～0.10 g、纖維長度和斷裂比強度分別降低0.05 mm和0.20 cN tex–1。此外, 棉鈴鈴期縮短且單鈴重增加和纖維品質(zhì)提高的概率為9.5%～23.5%, 適時使用乙烯利可實現(xiàn)機采棉棉鈴鈴期縮短且能提高鈴重和纖維品質(zhì)。