短生长周期栽培对耐迟播棉花品种干物质积累的影响研究

阳会兵，代英男，马一学，杨俊兴

(湖南农业大学东方科技学院， 湖南 长沙 410128)

近几年来，长江流域棉花机械化程度低，目前长江流域棉田种植制度以油棉两熟制为主，为了充分利用光热资源，发挥棉株个体生产优势，通常采取育苗移栽的方式。而移栽棉花生育期较长，全生育期为220 d左右，棉花开花结铃和吐絮时间长，从8月到12月均为结铃吐絮期。因全生育期长，用工多，成本高，效益低[1-3]，大量棉农种棉积极性不高，长江流域棉区种棉面积逐年下降。如何提高长江流域棉区的植棉机械化程度，增大植棉效益是当前棉花生产的核心，棉花短季栽培模式有利于实现节本增效和棉田机械化栽培[4]。棉花干物质量的生产主要依赖光合作用，光合系统中包括产量“源”和“库”[5]。大量研究表明棉花干物质的积累与播期、密度和施氮量有关。棉花干物质累积受棉花生产与分配过程的共同作用影响，叶片，铃壳、苞叶和茎杆对光合作用有一定的作用[6]。干物质生产是连续不间断的过程，受生长发育各个时期的影响，每个时期的累积量和特性也不同。代英男[7]通过研究表明棉花叶干物质分配系数随生育进程推进逐渐降低，生殖器官干物质分配系数随生育进程推进逐渐升高。马一学[8]等研究表明，棉株群体地上部分干物质积累随着生育进程推进逐渐增多。马宗斌等[9]研究表明，施氮量过低时，干物质积累量较少；施氮量过高时，有利于营养器官生长，干物质积累量最大。棉花干物质积累直接影响棉花的产量和品质。阿丽艳·肉孜等[10]研究指出，不同施氮量下棉花干物质累积存在显著差异，氮素缺乏或过量均影响其干物质在不同生育时期的累积量，使产量降低。赵新华等[11]研究表明，施氮量过低影响棉铃干物质的累积，而施氮量过高则主要影响棉铃干物质在铃壳、棉子和纤维间的分配，二者最终导致铃重降低、棉纤维和棉子品质变劣。肖荧南等[12]采用数学模拟方法探究了栽培密度对棉花干物质累积的影响。结果表明：全株、营养或生殖器官干物质积累均随密度增加而减少，而对群体干物质累积的影响是低密度下各时期干物质累积量明显比中密度和高密度的低。

目前为止，国内外尚未有人对播期、密度、施氮量三因素对棉花短季栽培干物质积累的影响做相关研究。本研究以早熟品种JX0010为实验材料，通过多年反复实验，研究了播期、施氮量、密度三因子对棉花短季栽培干物质积累的影响，以期为确定科学合理的种植方式，实现缩短棉花生育期，节本增产，提高棉农种棉的积极性，为长江流域棉区推广棉花轻简化高效栽培技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料与实验地点

实验于2015、2016年在湖南农业大学浏阳基地进行，供试土壤质地为砂壤土，地力均匀，地势平坦，排灌方便。供试品种为早熟品种JX0010，由湖南农业大学棉花研究所提供。棉花种子选用毛籽，不进行催芽处理。供试土壤基本理化性质如表1所示。

表1 供试土壤的理化性质

Tab.1 physicochemical properties of experiment soils

全氮TotalN/(g·kg⁃1)全磷TotalP/(g·kg⁃1)全钾TotalK/(g·kg⁃1)碱解氮EffectiveN/(mg·kg⁃1)速效磷RapidlyavailableP/(mg·kg⁃1)速效钾RapidlyavailableK/(mg·kg⁃1)有机质Organicmatter/(g·kg⁃1)pH1 260 887 1142 6335 461908 66 1

1.2 实验设计

实验采取短季栽培直播模式，设施氮量(X1)、种植密度(X2)、播种期(X3)3个栽培因子，每个因子5个实验水平。实验采用二次回归组合设计的最优混合设计(311设计)，共11个处理。小区面积23 m2，3次重复，随机排列，共33个小区。各因子零水平及变化间距见表2，各因子的线性编码及各处理实验方案见表3。每个小区种5行，等行种植，行距1 m，株距依密度而定，除了上述3因子按设计水平来实施外，其它田间管理措施按照湖南省棉花规范化栽培标准执行(BD/T-2006)。

N肥选用含氮量为46%的尿素，p、K肥施用为：每亩施过磷酸钙60 kg(含p2O516%)、氯化钾15 kg(含K2O 55%)。施肥方法：(1)N肥施用方法，N肥于盛花期(全实验区50%棉株第四果枝开花时，大约7月10-15日期间)一次施用。(2)氯化钾、过磷酸钙在实验小区作基肥一次性开沟埋施。

表2 实验因素与水平

Tab.2 Elements and levels of experiment

施氮量(kg/667m2)Napplicationrate密度(株/667m2)Density播种期(月⁃日)Seedingdate零水平15350005⁃25变化间距510005

表3 实验方案

Tab. 3 plan of experiment

处理施氮量(X1)Napplication密度(X2)Density播种期(X3)Seedingdate编码值Codingvaluekg/667m2编码Codingvalue株/667m2编码值Codingvalue月⁃日Monthday101503500206⁃04201503500⁃205⁃153⁃1 4147 93⁃1 4142086105⁃3041 41422 07⁃1 4142086105⁃305⁃1 4147 931 4144914105⁃3061 41422 071 4144914105⁃30722503500⁃105⁃208⁃2403500⁃105⁃20901525500⁃105⁃2010015⁃21500⁃105⁃201101503500005⁃25

2 测定项目与方法

2.1 干物质积累动态

分别于6月12日、6月22日、7月2日、7月12日、7月22日、8月20日、9月20日七个时间点进行，拔取整株，在每小区内选择长势一致的3株，分成根、茎枝、叶片、花(蕾、铃)三部分，105 ℃杀青30 min，置于80 ℃烘箱中烘48 h。分别称量各部位干重，然后计算获得整株干重，每次取样干重为3株干重的平均值。

2. 2 数据处理及分析方法

2.2.1 数据处理

采用DpS数据处理系统(V7.05专业版)和 Excel进行数据的统计和分析，采用Originpro8和Excel作图。

2.2.2 干物质积累量的模型建立

干物质积累量采用Logistic方程Y=K/(1+ea+bx) 进行模拟。

Logistic方程y=k/(1+ea+bx)，其中y为出苗后x天时干物质重(g)；x为出苗后天数(d)；k为干物重最大量(g)；a、b为待定系数。由方程可推出x0=a/b，x1=(a-In(2+31/2))/-b，x2=(a+In(2+31/2))/-b。

(1)当x=x0时，干物质积累速率最大，其值为V=-bk/4，也称为速率特征值。

(2)x1、x2是方程的两个拐点，x1之前和x2之后干物质积累较慢，当x=x1时植株进入快速积累期。

2.2.3 多项式回归方程的建立

统计数据先以随机区组方法分析重复间的差异显著性，在区组间无显著差异的前提下，采用各处理组合的平均值进行回归分析，建立多项式二次回归方程，其回归模型为[13]：

其中，b0：常数项；bj：一次项回归系数；bij：互作项回归系数；bjj：二次项回归系数。

3 结果与分析

3.1 棉花单株营养器官干物质积累

如下图1所示，棉花单株营养器官干物质积累动态基本一致，符合“S”型曲线变化规律，用Logistic方程模拟决定系数R2都达到了极显著水平，棉花生长前期根系干物质积累速度较为缓慢，中期积累速度加快，后期干物质积累趋于平缓。在各处理中，以处理10营养器官干物质积累最高，达到207.89 g/株，比其他处理高4.28%-107.24%；以处理8营养器官干物质积累最低，为100.31 g/株，比其他处理低19.71%-107.24%。

由表4可知，各处理单株营养器官干物质积累最佳时期出现的时间相差较大，其中以处理6出现的时间最早，出苗后29天营养器官干物质开始迅速积累，处理10迅速积累的时期最迟，为出苗后46天。这表明处理10营养生长时间相对最长，进入生殖生长最晚。单株营养器官干物质积累的最大速度以处理10最大，为4.62 g/d，处理8最小，为1.43 g/d，就总体平均速度来看，处理4的平均速度最大，为1.88 g/d，处理8最小，为0.87 g/d。由此可见，栽培因子对棉花营养生长影响较大。

图1 不同处理单株营养器官干物质积累(g)Fig.1 Dry matter accumulation of vegetative organ under different treatments(g)

表4 不同处理单株营养器官干物质积累的模拟方程

Tab.4 Dry matter simulation of cotton vegetative organs under different treatments

处理Treatment回归方程RegressionequationR2快速积累(d)Rapidaccumulationperiod速度特征值(g/d)Velocityfeaturevalue平均速度(g/d)Averagevelocity1y=136 8840/(1+e(4 6859⁃0 084592x))0 9972∗∗402 891 292y=167 0918/(1+e(3 2946⁃0 063892x))0 9981∗∗312 671 393y=160 4366/(1+e(3 6004⁃0 070076x))0 9977∗∗332 811 484y=215 2724/(1+e(3 6830⁃0 058232x))0 9993∗∗413 131 885y=125 1019/(1+e(3 8241⁃0 076481x))0 9935∗∗332 391 136y=134 9244/(1+e(3 5789⁃0 077267x))0 9973∗∗292 611 237y=169 4795/(1+e(3 8708⁃0 071732x))0 9998∗∗363 041 468y=101 0416/(1+e(2 8136⁃0 056635x))0 9969∗∗261 430 879y=128 7365/(1+e(3 1758⁃0 05376x))0 9980∗∗351 731 0510y=216 8488/(1+e(5 2525⁃0 085207x))0 9897∗∗464 621 8111y=195 7306/(1+e(4 1186⁃0 067463x))0 9979∗∗423 301 66

为了探究各参试因子对单株营养器官干物质积累的影响，选取9月20日干物质积累为研究对象，需建立回归方程，根据实验结果与311-A最优回归设计建立施氮量(X1)、密度(X2)、播种期(X3)各因子与单株营养器官干物质积累的多项式回归方程为：

Y=187.9143+13.0990x1-20.2009x2-3.4408x3-10.6989x12-3.0852x22-9.7459x32-03.9274x1x2-3.8010x1x3+1.4616x2x3

(1)

方程经F检验，F回=6.82>F0.01(10,10)=4.85，决定系数R2=0.9718，说明所建立的回归方程关系显著，能反映实际情况。由于采用回归设计时，各因素水平的取值已经过无量纲的编码变换，回归方程的统计值已相对独立，反映各因子与实验结果的关系时，一般将其它的两个因子取值水平固定为零水平，本实验施氮量(X1)、密度(X2)、播种期(X3)与棉花单株营养器官干物质积累的三个一元二次数学方程为：

y1=187.9143+13.0990x1-10.6989 x12

(2)

y2=187.9143-20.2009x2-3.0852x22

(3)

y3=187.9143-3.4408x3-9.7459x32

(4)

根据以上三个数学方程，可作出施氮量(X1)、密度(X2)、播种期(X3)与棉花单株营养器官干物质积累的效应图2。

图2 单因子效应曲线Fig.2 The single factor effect curve

由回归方程(1)一次项绝对值可知，各参试因子中密度是影响单株营养器官干物质积累的主要因子，施氮量次之，播种期影响最小。由回归方程(2)、(3)、(4)可知，施氮量、密度和播种期对棉花单株营养器官干物质积累的影响都表现为开口向下的抛物线。在本实验条件下，单株营养器官干物质积累随施氮量的增加、播种期的推迟出现先上升后下降的趋势，这表明合理的施氮以及适宜播期有利于营养器官干物质积累；单株营养器官干物质积累随密度的增加而下降，这表明在本实验条件下，增大密度不利于单株营养器官干物质积累。

3.2 棉花单株生殖器官干物质积累

如图3示，棉花单株生殖器官干物质积累动态基本一致，符合“S”型曲线变化规律，用Logistic方程模拟决定系数R2都达到了极显著水平。棉花生长前期根系干物质积累速度较为缓慢，中期积累速度加快，后期干物质积累趋于平缓。在各处理中，以处理10生殖器官干物质积累最高，达到260.34 g/株，比其他处理高12.73%-158.60%；以处理5生殖器官干物质积累最低，为100.67 g/株，比其他处理低7.39%-158.60%。

图3 不同处理单株生殖器官干物质积累(g)Fig.3 Dry matter accumulation of reproductive organ under different treatments (g)

由下表5可知，各处理单株生殖器官干物质积累最佳时期出现的时间相差较小，处理3出现的时间最早，出苗后62天开迅速积累，处理10迅速积累的时期最迟，为出苗后70天，这表明处理3较早进入生殖生长，处理10较迟进入生殖生长。单株生殖器官干物质积累的最大速度以处理4最大，为7.99 g/d，处理10次之，为7.52 g/d，处理5最小，为2.34 g/d，就总体平均速度来看，处理10的平均速度最大，为2.26 g/d，处理5最小，为0.95 g/d。

表5 不同处理单株生殖器官干物质积累的模拟方程

Tab.5 Dry matter simulation of cotton reproductive organs under different treatments

处理Treatment回归方程RegressionequationR2快速积累(d)Rapidaccumulationperiod速度特征值(g/d)Velocityfeaturevalue平均速度(g/d)Averagevelocity1y=108 9326/(1+e(11 7366⁃0 161310x))0 9999∗∗654 391 052y=133 1339/(1+e(9 0936⁃0 117101x))0 9994∗∗663 901 113y=120 9574/(1+e(10．0457⁃0 141145x))0 9999∗∗624 271 134y=234 0702/(1+e(10．1766⁃0 136544x))0 9999∗∗657 992 185y=111 3901/(1+e(6 6639⁃0 083971x))0 9986∗∗642 340 956y=119 0120/(1+e(9 5339⁃0 118389x))0 9999∗∗693 521 077y=178 3235/(1+e(9 2146⁃0 115600x))0 9998∗∗685 151 538y=124 3606/(1+e(8 2433⁃0 109616x))0 9989∗∗633 411 079y=131 2465/(1+e(8 8911⁃0 111177x))0 9998∗∗683 651 1210y=266 3760/(1+e(9 2238⁃0 112939x))0 9998∗∗707 522 2611y=132 2778/(1+e(9 2513⁃0 118939x))0 9998∗∗673 931 15

由此可见，参试因子对棉花生殖生长影响较大，为了分析栽培因子对棉花单株生殖器官干物质积累的影响，选取9月20日干物质积累为研究对象，需建立回归方程，根据实验结果与311-A最优回归设计建立施氮量(X1)、密度(X2)、播种期(X3)各因子与单株生殖器官干物质积累的多项式回归方程为：

Y=130.3158+17.4854x1-28.5626x2-10.6485x3+1.5274x12+12.8624x22-2.5366x32-12.2625x1x2+4.3729x1x3+4.3599x2x3

(5)

方程经F检验，F回=8.88>F0.01(10,10)=4.85，决定系数R2=0.9876，说明所建立的回归方程关系显著，能反映实际情况。

由于采用回归设计时，各因素水平的取值已经过无量纲的编码变换，回归方程的统计值已相对独立，反映各因子与实验结果的关系时，一般将其它的两个因子取值水平固定为零水平，本实验施氮量(X1)、密度(X2)、播种期(X3)与棉花单株营养生殖器官干物质积累的三个一元二次数学方程为：

y1=130.3158+17.4854x1+1.5274 x12

(6)

y2=130.3158-28.5626x2+12.8624x22

(7)

y3=130.3158-10.6485x3-2.5366x32

(8)

根据以上三个数学方程，可作出施氮量(X1)、密度(X2)、播种期(X3)与棉花单株生殖器官干物质积累的效应图4。

图4 单因子效应曲线Fig.4 The single factor effect curve

由回归方程(5)一次项的绝对值可知，各参试因子对棉花单株生殖器官干物质积累的影响表现为密度>施氮量>播种期；由回归方程(6)(7)(8)可知，施氮量和密度对单株生殖器官干物质积累影响表现为开口向上的抛物线，播种期对单株生殖器官干物质积累影响表现为开口向下的抛物线，在本实验条件下表现为随着施氮量增加，单株生殖器官干物质积累上升，随着密度增加和播种期推迟，单株生殖器官干物质积累减少。

3.3 棉花群体干物质积累

播期、氮肥和密度对棉花群体干物质积累的影响如图5所示。各处理棉花群体干物质积累随着生育进程的推进而逐渐增加。在各处理中，以处理9群体干物质总量最大，达到1 374.4 kg/667 m2，比其他处理高15.74%-137.48%；以处理3群体干物质总量最小，为578.8 kg/667 m2，比其他处理低16.44%-57.89%。

图5 不同处理不同时期棉花群体干物质重(kg/667 m2)Fig.5 Total dry matter accumulation of cotton under different treatments during different periods(kg/667 m2)

4 讨论与展望

4.1 讨论

氮肥水平、种植密度和播种期等栽培措施是影响棉花产量的重要因素，不仅影响棉花的生育期、产量，还能影响棉花群体光合作用、干物质积累与分配。代英男等[14]研究表明，棉株生长后期干物质积累趋于平缓，由于后期植株衰老，叶片、茎枝等掉落，导致部分处理生长后期干物质积累出现下降趋势。随着生育进程的推进，营养器官干物质所占比重降低，生殖器官干物质所占比重逐渐升高。本研究总体来看，在整个生育期棉花单株营养器官、生殖器官干物质积累动态基本一致，符合“S”型曲线变化规律，棉花生长前期根系干物质积累速度较为缓慢，中期积累速度加快，后期干物质积累趋于平缓。这是由于在棉花生长前期，为了给地上植株创造良好的营养生长条件，根系生长发育较快，根冠比逐渐增大，到了生长中期，随着地上部植株生长速度的加快，根冠比逐渐下降。盛铃期是棉花产量形成的关键时期，也是干物质增长速度最快的时期。刘瑞显等[15]研究表明，在棉花初花后群体干物质积累量随生育进程推延而呈Logistic曲线。本实验表明各处理单株营养器官干物质积累最佳时期出现的时间相差较大，其中以处理6出现的时间最早，出苗后29天营养器官干物质开始迅速积累，处理10迅速积累的时期最迟，为出苗后46天。种植密度影响干物质与氮素动态变化模型的特征参数，提高种植密度可使棉花干物质与氮素快速累积的起始日提高。干物质与氮素快速累积速率以22 500株/hm2处理较高、持续时间长、平均日干物质积累的量多。

通过建立各参试因子与单株营养器官干物质、生殖器官干物质的回归方程发现密度是影响单株营养器官干物质积累的主要因子，施氮量次之，播种期影响最小。在本实验条件下，单株营养器官干物质积累随施氮量的增加、播种期的推迟出现先上升后下降的趋势，随密度的增加而下降，这表明合理的施氮以及适宜播期有利于营养器官干物质积累，而增大密度不利于单株营养器官干物质积累。单株生殖器官干物质积累随着施氮量增加而上升，随着密度增加和播种期推迟，单株生殖器官干物质积累减少。各处理棉花群体干物质积累随着生育进程的推进而逐渐增加，以处理9群体干物质总量最大，达到20 640 kg/hm2。以处理10(施氮量225 kg/hm2、密度22 500株/hm2、播期为5月20日)的单株营养器官干物质和单株生殖器官干物质积累速度最大，分别为4.62 g/d和7.52 g/d。通过提高棉花平均日干物质积累量，进而获得高产，缩短了大田生育期，简化生产工序，提高种棉效益。

4.2 展望

针对长江流域棉区的目前现状和特点，棉花品种的更新将会是本地区未来棉花发展的主要目标，棉花育种技术的提升才能适应未来棉花生产模式的变化[16]。为了健全长江流域棉花短季栽培模式，应从多方面进行深入的研究工作，如加强种质资源收集与创新，利用新的育种技术，深入开展抗逆育种，培育特色棉等[17]。短季栽培模式下，继续进行大田实验，分析不同年份间产量差异以及该模式能否承担由自然条件改变造成的损失。大田实验可增加棉花生理生化指标，深入研究造成差异的原因，增强理论说服力，完善该模式的理论依据。为了适应未来棉花生产机械化、轻简化发展，应坚持培育适应本地区的短季棉品种，推广粮棉两熟制。另外应当增加施肥实验，为短季栽培理论提供依据。

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