新疆机采棉花实现叶片快速脱落需要的温度条件

田景山 张煦怡 张丽娜 徐守振 祁炳琴 随龙龙 张鹏鹏 杨延龙 张旺锋 勾 玲



新疆机采棉花实现叶片快速脱落需要的温度条件

田景山 张煦怡 张丽娜 徐守振 祁炳琴 随龙龙 张鹏鹏 杨延龙 张旺锋*勾 玲*

石河子大学农学院 / 新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室, 新疆石河子 832003

随着机采棉的快速推进, 籽棉含杂率过高导致清理工序过多及纤维不必要的损伤。新疆棉区棉花生长后期的热量资源有限, 如何合理喷施脱叶催熟剂是改善原棉品质的关键技术措施。本研究采用分期喷施脱叶催熟剂的方式, 探讨了温度变化对棉花叶片脱落率的影响及实现棉花叶片快速脱落需要的温度条件。结果表明, 在喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内, 棉花叶片脱落率最高, 达55%~79%, 且与最高温度和每日≥12°C有效积温呈显著的线性关系。若要在喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内实现>55%的叶片脱落率, 则应满足该时间段最高温度大于27.2°C、每日≥ 12°C有效积温大于7.0°C·日的要求。因此, 喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内是实现良好脱叶效果的关键时间段, 期间的最高温度和每日≥12°C有效积温则是影响的关键因素。

机采棉; 脱叶催熟; 叶片脱落; 最高温度; 有效积温

棉花脱叶催熟技术是实现棉花机械采收的重要前提, 不仅能解决棉花生育后期的晚熟问题, 而且加快收获前叶片脱落, 能提高机采棉的采摘率和作业效率[1], 降低机采籽棉含杂率[2]。脱叶催熟效果受品种特性[3]、植株生长状况[4]、脱叶催熟剂喷施时间[5-6]、温度[7-9]等多重因素影响。

合理喷施脱叶催熟剂不仅能实现良好的脱叶催熟效果, 而且可以降低对棉花产量和纤维品质的负面影响[5-6,10]。目前, 确定脱叶催熟剂喷施时间主要依据吐絮率(percentage of open boll)、裂铃以上主茎节数(node above cracked boll)、热量积累量(calculating DD60s after NAWF5)、刀切法(sharp knife technique)、马克隆值预测法(Hal Lewis Method)[11], 其中棉铃吐絮率是较为常用的指标[5,12]。一般情况下, 推荐在60%的棉铃吐絮后进行脱叶催熟[5,12-13]。如果脱叶催熟剂喷施时间过早, 将严重影响成铃和纤维发育[14], 增加不成熟棉铃和纤维的比例[12,15], 特别是铃龄45 d以下棉铃的铃重明显下降[16], 导致棉花产量下降和纤维品质变劣[12,15]。喷施时间推迟虽对棉花产量和品质都有利[6], 但是药效不大, 失去了催熟的意义, 又会增加遭遇霜冻和恶劣天气的风险[8], 出现叶片干枯而不脱落现象(sticking), 导致籽棉含杂率增加[2]。因此, 何时喷施脱叶催熟剂非常关键, 但也较难确定[5], 需考虑棉花产量和纤维品质之间的平衡关系[17]。

通常喷施脱叶催熟剂后的温度变化是影响脱叶效果的重要因素[18-19], 较高的温度可促进药剂快速渗入叶片、利于药剂发挥[20], 以实现快速脱叶[9]。研究表明, 要取得良好的脱叶效果, 应确保施药后> 20.0°C的最高气温持续数日[7]、最低温度>12.0°C[21]。喷施脱叶催熟剂后一个较短时间范围内的气温变化趋势对脱叶率也有很大的影响, 施药5 d的温度与脱叶率呈显著正相关[22], 施药后10 d脱叶率则受温度影响较小[18]。另有研究表明, 脱叶效果与施药当天和施药后5 d内气温无显著相关, 与施药后6~10 d的温度关系最密切, 是脱叶率的气温决定期[19]。此外,也有学者认为有效积温(growing degree days, GDD)也是影响化学脱叶催熟剂效果的重要因素[8,23]。

在新疆棉花生育后期, 一天内气温>20°C的时间逐渐减少, 夜间温度急剧下降[24]。为确保机械采收, 部分棉田植株顶部棉铃尚未完全发育就喷施脱叶催熟剂, 这势必严重影响棉铃发育[14,16]。因此, 确定脱叶催熟剂喷施时间时不仅要考虑气温变化, 还应观察棉铃发育状况。为此, 本研究采用分期喷施脱叶催熟剂的方式, 探讨温度变化对棉花叶片脱落的影响及实现叶片快速脱落需要的温度条件, 以期为降低机采籽棉含杂率提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2013—2014、2016—2017年在新疆生产建设兵团第八师一四九团三连(44°52′N, 86°09′E)、石河子大学农学试验站(45°19′N, 86°03′E)和新疆乌兰乌苏农业气象试验站(44°17′N, 85°49′E)进行, 选用生产中曾大面积种植过或目前主栽的“新陆早”系列棉花品种, 包括新陆早6号、新陆早13号、新陆早33号、新陆早45号、新陆早59号; 分期喷施脱叶剂, 以不喷施脱叶剂为对照(CK), 脱叶剂为噻苯隆(80%可湿性粉剂), 并复配乙烯利(40%水剂), 每公顷用量分别为450 g、1350 mL; 随机区组设计, 小区面积为长×宽= 10.0 m × 4.6 m, 留苗密度18~23万株 hm–2, 田间管理措施按当地大田管理模式进行。不同年份和试验点具体种植的棉花品种、播种日期、脱叶剂喷施时间和叶片数调查时间见表1。

表1 脱叶催熟剂试验中的棉花品种、播种日期、脱叶催熟剂喷施时间和调查时间

1.2 叶片脱落率的调查与计算

选取每小区有代表性且连续的棉株10~20株定点调查, 从喷施脱叶剂当天开始, 每隔6 d左右调查单株叶片数。棉花叶片脱叶率(D)是指喷施脱叶剂当天的单株叶片数(0)与喷施后第天(L)的差值占0的百分比, 计算方法见公式(1)。

为了明确喷施脱叶剂后叶片脱落率的变化规律, 采用分段计算的方式, 根据调查时间和次数将叶片脱落过程划分为4个时间段, 即7.0±1.0 d (6~8 d)、15.0±1.6 d (13~17 d)、21.0±1.6 d (19~23 d)、29.8±3.8 d (26~36 d), 不同时间段的叶片脱落率是第+1次调查的脱落率与第次之间的差值, 喷施脱叶剂当天至第1次的脱落率可根据公式(1)计算。

D= [(0–L)/0]×100% (1)

1.3 温度资料的采集

用HOBO (Onset, 美国)空气温湿度记录仪自动采集石河子大学农学试验站的温度数据, 新疆生产建设兵团第八师一四九团三连和新疆乌兰乌苏农业气象试验站的温度数据由石河子气象局提供。选取叶片脱落的不同时间段的平均温度、最低温度、最高温度、日温差和每日≥12°C有效积温(GDD)作为影响该时间段叶片脱落率的温度因子; 每日≥12°C有效积温根据公式(2)计算, 各时间段≥12°C有效积温是该时间段每日有效积温的总和。

GDD= [(maxmin)/2]–base(2)

2 结果与分析

2.1 脱叶催熟剂喷施时间对棉花脱叶效果的影响

由图1可看出, 喷施脱叶催熟剂后, 叶片脱落率随时间推移而显著下降。在喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d左右时叶片快速脱落, 平均叶片脱落率高达65.7%, 较对照增加了3倍。之后, 叶片脱落率显著降低, 且变化趋于平缓; 在喷施后(7.0±1.0)~ (15.0±1.6) d期间叶片脱落率显著降低至15.6%, 仅有(7.0±1.0) d时的1/5; 喷施后(15.0±1.6) d后叶片脱落率逐渐降至10%以下。

图1 喷施脱叶催熟剂后不同时间段棉花叶片脱叶率的变化

图中粗实线表示该组数据的平均值, 标以不同小写字母的值在0.05水平差异显著。

The thick solid line represents the average value of the defoliant treatment, values followed by different letters are significantly different at< 0.05.

2.2 温度变化对棉花脱叶效果的影响及其关系

由表2可知, 喷施脱叶催熟剂后的时间段不同, 影响叶片脱落率的温度因子亦有所不同。在喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内, 叶片脱落率受温度的影响较为明显, 均呈正相关; 其中, 与平均温度、最高温度和≥12°C有效积温的< 0.01, 达到极显著性水平, 与最低温度呈显著正相关。在喷施后(15.0±1.6) ~(21.0±1.6) d期间, 叶片脱落率与平均温度、最低温度和每日≥12°C有效积温呈显著负相关; 而在喷施后(7.0±1.0)~(15.0±1.6) d期间则受温度的影响不显著。

对喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内的叶片脱落率与最低温度、最高温度、平均温度和≥12°C有效积温进行曲线拟合(图2)可看出, 最高温度与叶片脱落率呈线性正相关, 决定系数为0.4868, 达到极显著水平; 叶片脱落率与每日≥12°C有效积温亦呈显著的正线性关系, 决定系数为0.3880。最低温度和平均温度与叶片脱落率的决定系数分别为0.2128和0.3429, 均未达到显著性水平。

表2 喷施脱叶催熟剂后不同时间段的温度与叶片脱落率的方差分析

GDD: growing degree days.

图2 脱叶催熟剂喷施后(7.0±1.0) d内叶片脱落率与平均温度(a)、最低温度(b)、最高温度(c)和有效积温(d, e)变化的关系

GDD: growing degree days.

通过联立叶片脱落速率与最高温度和每日≥12°C有效积温的拟合曲线(图2-c, e), 计算出实现叶片脱落速率>55%、>60%和>65%所需要的最高温度和每日≥12°C有效积温, 再根据最高温度和每日≥12°C有效积温可计算出最低温度的适宜范围。由表3可看出, 在喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内, 若要实现叶片脱落速率>55%需要期间的最高温度大于27.2°C、每日≥12°C有效积温大于7.0°C·日、最低温度大于10.8°C。实现更高的叶片脱落速率就需要更高的温度条件, 实现>65%以上的叶片脱落速率则应满足喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内的最高温度不低于29.2°C、每日≥12°C有效积温大于9.6°C·日、最低温度大于13.9°C。

表3 喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内实现>55%叶片脱叶速率所需要的温度条件

2.3 新疆棉区适宜喷施脱叶催熟剂时间的估算

根据新疆2010—2015年的棉花播种面积[25-26]选择了疏勒县、莎车县、博乐市等21个市县, 并收集各市县的温度资料(中国气象数据网http://data. cma.cn/site/index.html), 计算出最高温度和≥12°C有效积温在2008—2017年的平均值, 代表该市县温度条件一般的年份。通过对21个市县9月1日至30日的最高温度和每日≥12°C有效积温与日序进行线性拟合, 结合表3中最高温度和每日≥12°C有效积温的阈值计算出对应的日期(日序), 即各市县适宜喷施脱叶催熟剂的时间。由图3可看出, 若在喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内实现叶片脱落速率>55%, 各市县的喷施时间基本在9月9日至17日。其中, 沙湾县喷施脱叶催熟剂的时间最早, 为8月31日; 博乐市、呼图壁县、库车县、石河子市、精河县、乌苏市和五家渠市则在9月5日至10日, 轮台县、且末县、麦盖提县和巴楚县喷施脱叶催熟剂的时间可延迟至9月18日至20日; 吐鲁番市喷施脱叶催熟剂的时间最晚, 为10月7日。若在喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内实现叶片脱落速率>65%, 各市县基本在9月1日左右就需喷施脱叶催熟剂。其中, 沙湾县、库车县、莎车县、阿克苏市、博乐市和呼图壁县的喷施时间最早, 为8月24日至29日; 精河县、且末县、巴楚县和轮台县喷施时间较晚, 为9月3日至6日; 吐鲁番市喷施时间最晚, 为9月27日。

图3 新疆棉区各市县适宜喷施脱叶催熟剂的时间

市县的选择依据是2010–2015年各市县的棉花平均播种面积占新疆总播种面积的比例>1%。横坐标是日序, 244为9月1日。

Cities or countries accounted for more than 1% of Xinjiang’s cotton areas in 2010–2015 were chosen. the abscissa is the Julian calendar day, 244 is 1st September.

3 讨论

3.1 最高温度和≥12°C有效积温是实现良好脱叶效果的关键气象因素

发展机采棉有利于实现规模化经营、大幅降低植棉成本和提高劳动生产率, 推动棉花生产方式向现代农业的快速发展。然而, 机采棉在新疆棉区的快速发展过程中, 现有的原棉品质变劣问题日益突出[27], 其原因在于机采籽棉含杂率过高, 导致加工过程中清理工序多, 造成不必要的纤维损伤[28]。良好的脱叶效果既可以有效降低机采籽棉含杂率, 又能减少机械采收和清理加工对纤维的潜在损伤。在新疆棉区, 棉花生长发育后期既要催熟又要脱叶, 脱叶催熟技术需要协调棉铃发育状况和气温变化之间的关系; 适宜的脱叶催熟剂喷施时间既要促使棉株顶部棉铃基本发育成熟, 又要满足脱叶所需的气温条件。

有关脱叶催熟剂对棉花脱叶效果及与温度的关系已有大量的报道, 研究表明, 喷施脱叶催熟剂后不同时段的温度是影响棉花脱叶效果的关键因素[18-19,22],明确指出了温度变化与叶片脱落率之间存在显著相关性。本研究发现, 在喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内, 叶片脱落率受温度(平均温度、最高温度、最低温度、≥12°C有效积温)的显著影响, 且随最高温度和≥12°C有效积温升高而直线增加; 然而, 在喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0)~(15.0±1.6) d, 温度对脱叶脱落率的影响很小。因此, 喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内是实现良好脱叶效果的关键时间段, 期间的最高温度和每日≥12°C有效积温是影响的关键因素。

多数研究者虽然确定了喷施脱叶催熟剂的适宜时期[7, 21], 但多为生产经验总结, 温度变化与叶片脱落率之间的定量关系尚不清晰。本研究表明, 喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内要求达到的叶片脱落率越高, 则就需要更高的温度条件, 若要实现>65%的叶片脱落率就需要最高温度>29.2°C。新疆植棉区域分布广泛, 气候变化亦存在明显的地域性, 脱叶催熟剂喷施时间理应有所差异。在喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内, 若实现叶片脱落率>65%, 新疆各市、县应在8月29日至9月3日左右喷施脱叶催熟剂。然而, 新疆棉区棉花生长后期的热量资源有限, 温度下降快[24], 8月29日至9月3日喷施脱叶催熟剂时部分地区, 尤其是南疆棉区棉花顶部棉铃尚未发育完全, 这势必严重影响纤维品质; 再者, 此时喷施脱叶催熟剂将会缩短棉花发育期, 不能充分利用后期的温度资源。若在喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内实现叶片脱落率>55%, 新疆各市、县可在9月9日至17日喷施脱叶催熟剂。本研究认为, 在喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内, 新疆棉区应至少实现55%的叶片脱落率, 此时要求该时间段的最高温度大于27.2°C、每日≥12°C有效积温大于7.0°C·日。

3.2 如何实现棉花叶片快速脱落

根据行业标准NT/T 113-2006 《采棉机作业质量》的要求, 叶片脱落率≥80%时就可进行机械采收[29]。在本试验条件下, 棉花叶片大量脱落集中在喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内, 期间的平均脱落率是喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0)~(15.0±1.6) d的4.2倍; 在喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内, 叶片脱落率虽存在较大波动, 约37%~92%, 但仍有1/5试点的叶片脱叶率>80%。可见, 喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内是实现棉花叶片快速脱落的重要时间段。

除温度因素影响外, 脱叶剂种类[30]和喷施量[31]也是影响棉花叶片脱落的重要因素。脱叶剂喷施量应根据喷施时间、天气条件和棉花长势而定, 坚持“适量偏少、适量偏多”原则[21], 喷施量过高易造成叶片迅速干枯而不脱落[32]。机采棉杂质包括叶、茎杆、铃壳、尘土、杂草等[33], 其中以叶含杂量最高[34], 据调查新疆机采籽棉中以叶杂含量最高, 占总杂质的53%~93%。根据喷施脱叶催熟剂后单株残留叶片的状况, 可将叶杂的来源分为干枯叶(指离层未形成, 干枯在茎枝上的叶片, Drying)、挂枝叶(指离层已形成, 脱落留在茎枝或吐絮铃上的叶片, Hanging) 2类[35]。在新疆北疆棉区的调查结果显示, 棉花单株干枯叶数平均为4.1个, 较挂枝叶显著高出1.2个株–1。可见, 实现棉花叶片快速脱落, 首先要解决喷施脱叶催熟剂后棉花叶片干枯问题, 这就需要明确噻苯隆喷施量、温度条件与叶片脱落率之间的关系, 根据温度变化和棉田状况随时调整脱叶催熟剂的喷施量。

目前, 我国批准登记并在有效期内的棉花脱叶剂产品共有68个, 有效成分仍以噻苯隆为主[36]。脱叶剂复配往往能获得更好的脱叶效果, 且更为安全[37], 其中, 敌草隆是一种触杀型化合物[38], 常与噻苯隆复配[36], 用于提高低温条件下的脱叶效果[39], 但喷施量过高也很容易形成干枯叶。因此, 实现棉花叶片快速脱落的另一途径是, 改良脱叶剂配方以增强棉花叶片的附着性和吸收能力, 避免触杀型复配剂带来的负面影响。

机采棉自身杂质高[40], 棉花加工厂一般采用多道清理工序, 以提高机采棉清杂效率和皮棉等级[41], 过多增加清理次数势必造成纤维损伤[42]。机采籽棉清理过程中叶片特性是决定纤维损伤程度的关键因素之一[43-44], 研究表明, 棉花叶片表面光滑的品种机采籽棉含杂率较茸毛多的品种明显减少[43,45], 棉花加工过程只需较少的清理工序即可获得高等级、损伤较小的原棉[46]。Anthony等[46]认为光滑叶品种的机采籽棉经4道籽棉清理后比多茸毛叶品种多清除17%的杂质, Smith[47]认为籽棉含杂率受叶片茸毛的影响大于脱叶剂的影响。李雪源[48]、李蒙春等[49]提出, 机采棉品种应具备叶片光滑、茸毛少等特点。因此, 在机采棉品种选育及推广中, 更应注重有无茸毛叶片的筛选。

4 结论

在喷施脱叶催熟剂后, 不同时间段的叶片脱落率存在显著差异, 以喷施后(7.0±1.0) d内的脱落率最高, 而且影响叶片脱落率的温度因子因时间段不同亦有较大差异。在喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内是实现良好脱叶效果的关键时间段, 期间的最高温度和≥12°C有效积温是影响叶片脱落率的关键因子。在新疆棉区喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内至少实现叶片脱落率>55%, 要求该时间段的最高温度大于27.2°C、每日≥12°C有效积温大于7.0°C·日。

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Temperatures of promoting rapid leaf abscission of cotton in Xinjiang region

TIAN Jing-Shan, ZHANG Xu-Yi, ZHANG Li-Na, XU Shou-Zhen, QI Bing-Qin, SUI Long-Long, ZHANG Peng-Peng, YANG Yan-Long, ZHANG Wang-Feng*, and GOU Ling*

College of Agronomy, Shihezi University / Key Laboratory of Oasis Eco-Agriculture, the Xinjiang Production and Construction Corps, Shihezi 832003, Xinjiang, China

Machinical harvesters have increasing used in recent years, but excessive seed-cotton cleaning processes resulting from the higher foreign matter of mechanically harvested cotton cause unintended fiber damage. How to apply the defoliant to improve lint quality is a dominant cultural practice, because temperatures are unstable in the Xinjiang cotton belt with minimum dropping sharply in early autumn. The objective of this study was to analyze the relationship between temperatures and the rapid leaf abscission of cotton. The cotton leaf abscission rate was the highest, being from 55% to 79% at (7.0±1.0) days after defoliant application. And growing degree days (GDD) and maximum temperature were positively correlated with the cotton leaf abscission during (7.0±1.0) days after defoliant application. If obtaining more than 55% leaf abscission at (7.0±1.0) days after defoliant application, the maximum temperature and GDD should be more than 27.2°C and 7.0°C day, respectively. Therefore, the critical period promoting the good leaf abscission of cotton is during (7.0±1.0) days after defoliant application, and the dominant temperature factors influencing cotton leaf abscission are the maximum temperature and growing degree days.

mechanically harvested cotton; defoliation; lead abscission; maximum temperature; growing degree days

2018-03-13;

2018-12-24;

2019-01-23.

10.3724/SP.J.1006.2019.84068

张旺锋, E-mail: zhwf_agr@shzu.edu.cn; 勾玲, E-mail: glxj8162@sina.com.cn

E-mail: tjshan1983@sina.com

本研究由国家自然科学基金项目(31560366)和引进国际先进农业科学技术计划(948计划)项目(2016-X25)资助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31560366) and the Introduction of International Advanced Agricultural Science and Technology Program (2016-X25).

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.s.20190122.1414.002.html