不同机采棉花品种生长发育及光合物质生产的比较

陈秀玲，张巨松，陈 振，张玮涛，窦巧巧，代健敏，何庆雨

(新疆农业大学农学院/教育部棉花工程研究中心，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】新疆是中国最大的棉花生产基地，在全国产棉区中占有极其重要的地位[1-2]。目前新疆北疆地区棉花品种存在多、杂、乱，始果节位低、株型松散、冠层结构不合理等问题，在不同程度上影响着机械化采棉进程的整体推进。目前尚缺乏既优质丰产，又适宜机械采收的专用机采棉品种。比较分析北疆地区大面积种植的6个棉花品种的生长发育、光合特性以及产量性状方面的差异，筛选出较适宜北疆地区机采的棉花品种，对促进新疆机采棉快速发展具有重要意义。【前人研究进展】李雪源[3]通过对39个棉花品种、3个主要机采性状的调查与机采性状标准、机采对照品种的比较分析发现，在机采棉育种机采性状选择中应注重第1果枝节位在5节左右、果枝节位高度在18 cm左右育种材料的选择。赵会薇[4]认为棉花机械采摘对机采棉品种选择要求为保持单位面积产量的稳定增长，即提高单产；提高机采效率，即棉花农艺性状有利于机采，选育具备生育期120 d、株高75～85 cm、始果节位高度大于15 cm、叶片较小等性状的棉花品种。光合作用是棉花生长发育和产量形成的生理基础，改善棉花的光合作用对提高棉花生产潜力具有重要意义[5]。采用合理的栽培手段，调节冠层结构，增加作物光截获量，提高群体光合生产能力，对光合物质积累及产量的增加有重要作用。改善作物冠层结构是进一步增产的基本途径[6]。张旺锋等[7]认为新疆气候生态条件下，叶面积指数适宜、冠层结构优良，则群体光合速率、光合物质积累量较高。吕丽华等[8]认为冠层结构合理，冠层光合性能较高更有利于产量的提高。不同的棉花品种对干物质积累有极大的影响[9]。李艳军等[10]通过田间试验研究了4个棉花品种干物质积累的变化规律，发现早期品种在出苗期至初花期干物质积累速度最快，积累量最多，近期品种的干物质积累主要发生在盛花期至盛铃期间。【本研究切入点】目前还没有选育出既早熟、丰产又适宜机械采收的专用机采棉品种。机采棉品种特性，筛选出适宜新疆北疆地区机采的棉花品种。【拟解决的关键问题】对新疆北疆地区大面积推广的棉花品种进行对比试验，田间调查供试棉花品种的生长发育状况、光合特性以及产量性状之间的差异并比较分析，筛选出更适宜北疆地区机采的棉花品种，为棉花机械化采收提供理论支撑，为棉花品种选育提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于新疆农业大学棉花高产课题组北疆试验基地沙湾县四道河子镇(44°29'N、85°57'E，海拔352 m)进行。该区属于温带大陆性干旱气候，平均降水量140～200 mm，蒸发量1 500～2 000 mm，日照时数2 800～2 870 h，年均气温6.9℃，无霜期170～190 d。试验田前茬为棉花，土质为粘质壤土，2019年试验地土壤基础理化性质。表1

供试棉花品种共6个，分别为新陆早50号、新陆早57号、新陆早71号、金棉18、惠远720、合信63。表2

表1 土壤基础理化性质

Table 1 Physical and chemical properties of soil

土层深度(cm)pH有机质(g/kg)总盐(g/kg)速效氮(mg/kg)速效磷(mg/kg)速效钾(mg/kg)0～208.1813.461.267.911.937620～407.9911.570.2567.215.130340～608.168.571.3564.25.1176

表2 参试材料和供种单位

Table 2 Cultivars name and breeding unites in trial

序号No.品种Cultivars供种单位Breeding unites 1新陆早50号新疆农业科学院经济作物研究所2新陆早57号新疆农业科学院经济作物研究所3新陆早71号新疆闫氏德海农业科技有限公司4金棉18新疆鲁成种业有限公司5惠远720新疆惠远种业股份有限公司6合信63新疆合信种业有限公司

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，小区行长9 m，宽6.78 m(3膜)，小区面积61.02 m2，6个处理，3次重复，共18个小区，总面积为1 098.36 m2。重复之间设1 m小道，小区四周设置保护行。试验地棉花种植采用膜下滴灌技术，采用1膜6行(66+10)cm的棉花机采种植模式，株距12 cm，理论株数为21.93×104株/hm2。栽培管理同当地常规大田。

1.2.2 测定指示

1.2.2.1 生育进程

生育期是从出苗期到吐絮期的天数，调查并记载各小区棉花出苗、现蕾、初花、盛花、盛铃、吐絮的日期，以大田50%棉株到达各时期调查数量标准为准。

1.2.2.2 农艺性状

在棉花收获阶段，每小区均选取长势均匀的棉株10株，调查各小区棉花品种的株高、果枝始节位、始果节高度、果枝数、果枝长度、果枝夹角、茎粗。

1.2.2.3 叶面积指数、净光合速率、叶绿素含量

叶面积指数：使用上海泽泉公司生产的CI-110植物冠层分析仪在棉花的盛蕾期、盛铃期、吐絮期，在田间选择长势均匀样点，将光探头水平放置在距地面20 cm处，冠层分析仪每次观测时，先将探头放置于冠层拍探测点，保持探头水平，按下测定按钮，每个点保存5张图片，选择冠层内地面不同位置测量，重复3次。

净光合速率：选择晴天11:00～13:00，在各小区膜上棉花的中行及边行分别选取生长一致的连续棉株3株，挂牌标记。采用CARIS-2光合测定仪(美国PP Systems公司产)于棉花生长的花铃期至吐絮期测定棉花功能叶(倒3叶)的净光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)测定时设置气源CO2浓度为(410±5) μmol/mol，温度控制在(23±3)℃，相对湿度为65%～75%。各小区以6株棉花叶片的均值作为最终测定值。

叶绿素含量：在各小区膜上棉花的中行及边行分别选取生长一致的连续棉株5株，采用SPAD-502便携式叶绿素测定仪，于棉花生长的蕾期至吐絮期测定棉花功能叶(倒3叶)的叶绿素含量，每小区测定10片叶片，3次重复。

1.2.2.4 干物质

从苗期至吐絮期，每个时期取样1次，每小区选取长势均匀具有代表性的6株棉花，按茎、叶、棉铃等不同器官分开，放入电热恒温鼓风干燥箱105℃杀青30 min，80℃下烘至恒重，冷却后称干物质重。

1.2.2.5 产量

在棉花收获时期调查各小区的实际收获株数及铃数，并在每个小区拾取棉株上部吐絮棉铃30朵，中部吐絮棉铃40朵，下部吐絮棉铃30朵，共计100朵，称量并计算棉花的单铃重和衣分，重复3次。根据棉花产量构成，计算各小区籽棉产量和皮棉产量。

1.3 数据处理

采用 Microsoft Office 2016和SPSS19. 0进行数据统计及分析，用最小显著差异法( LSD) 检验平均数(P<0.05)，用prism进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同棉花品种生育进程的比较

研究表明,金棉18的生育期最短，为120 d，较其它棉花品种提前2～4 d。合信63的生育期最长，为124 d。各参试品种播种至出苗天数为10～12 d，其中惠远720和合信63出苗相对较晚。各参试品种从出苗到初花需要59～62 d，从初花到吐絮需要60～63 d，金棉18开花最早，其次是新陆早50号，新陆早71号出苗至初花历时最长，而初花至吐絮历时最短，表明该品种开花和吐絮相对集中。表3，表4

表3 不同品种棉花生育时期的比较(月/日)

Table 3 Comparison of growth period of different varieties of cotton (m/d)

品种Variety出苗Emergence现蕾Bud初花Early flowering盛花Full flowers盛铃Full bolls吐絮Opening bolls新陆早50号Xinluzao505/36/57/27/118/19/2新陆早57号Xinluzao575/36/67/37/127/309/1新陆早71号Xinluzao715/36/77/57/128/29/3金棉18Jinmian185/26/46/307/87/268/30惠远720Huiyuan7205/46/67/47/128/29/4合信63Hexin635/46/77/57/138/39/5

2.2 不同棉花品种农艺性状的比较

研究表明,各参试棉花品种的株高变动范围在 74.6～81.5 cm，其中金棉18的株高最高，为81.5 cm，其次为新陆早71号，为80.1 cm，新陆早50号株高为74.6 cm，增加地面至子叶节高度后，新陆早50号的株高可达到75 cm以上。各参试棉花品种的始果节位在5.4～6.4节，始果高度在20 cm以上，参试的6个棉花品种均符合机械采收对株高、始果节高度以及始果节位的要求。单株果枝数变动范围在8.5～9.2台，果枝台数最多的是新陆早71号，为6.3台，其次是合信63，为6.2台，其它品种均在8.5～8.9台。果枝夹角变动范围为50.2～62.0。果枝夹角大小为金棉18>新陆早50号>合信63>新陆早71号>惠远720>新陆早57号，果枝夹角越小越有利于机采，其中果枝夹角适中，株型紧凑的品种为新陆早71号、合信63。各棉花品种平均果枝长度变化范围为9.8～19.9 cm，最长的是金棉18，最短的是新陆早57号。各棉花品种茎粗范围在9.4～10.1 cm，茎粗大小为金棉18>新陆早71号>合信63>新陆早50号>新陆早57号>惠远720，茎粗越大越抗倒伏。表5

表4 不同品种棉花生育阶段比较

Table 4 Comparison of growth stages of different varieties of cotton (d)

品种Variety出苗-现蕾Emergence-bud现蕾-初花Bud-Earlyflowering初花-盛花Early flowering-Full flowers盛花-盛铃Full flowers-Full bolls盛铃-吐絮Full bolls-Opening bolls出苗-初花Emergence-Early flowering初花-吐絮Early flowering-Opening bolls生育期Growthperiod新陆早50号Xinluzao503327921326062122新陆早57号Xinluzao573427918336160121新陆早71号Xinluzao713529721326360123金棉18Jinmian183326818355962120惠远720Huiyuan7203528821336162123合信63Hexin633529821366263124

表5 不同品种棉花主要农艺性状比较

Table 5 Comparison of main agronomic traits of different cotton varieties

品种Variety株高Plantheight(cm)果枝数Number fruit branch(台)始果节位Starting fruit node(节)始果枝高Branch High envoy(cm)果枝夹角Fruit branch angle(度)平均果枝长度Average fruit length(cm)茎粗Stem thick(mm)新陆早50号Xinluzao5074.6c8.7a5.5b20.2d60.3a16.1b 9.5a新陆早57号Xinluzao5775.9bc8.9a5.4b23.5bc50.2c9.8e 9.5a新陆早71号Xinluzao7180.1a9.2a6.2ab25.6a55.7b13.4c 9.9a金棉18Jinmian1881.5a8.5a5.9a22.1c62.0a19.9a 10.1a惠远720Huiyuan72077.8bc8.8a6.3a24.9b52.5c11.5d 9.4a合信63Hexin6378.3ab9.1a6.4a25.3a56.7b13.7c 9.8a

注: 同列不同字母表示差异达 5% 显著水平，下同

Note: Different small letters in a column mean significant at 5% leves，the same as below

2.3 不同棉花品种净光合速率Pn的比较

研究表明,各棉花品种净光合速率(Pn)值随着生育进程的推进呈先升后降的趋势。新陆早71号在吐絮期仍有较高的Pn，且与新陆早50号、新陆早57号、惠远720差异显著(P<0.05)，生育后期新陆早71号仍较高的生产有机物能力,不早衰。图1

注：FS：盛蕾期；FF：盛花期；FB：盛铃期；BO：吐絮期。下同

Note: FS:full squaring stage；FF: full flower stage；FB: full boll stage；BO: boll opening stage. The same as the following figure

图1 不同棉花品种净光合速率Pn变化

Fig. 1 Changes in net photosynthetic ratePnof different cotton varieties

2.4 不同棉花品种叶面积指数的比较

研究表明,随生育进程的推移，各品种棉花叶面积指数(LAI)呈先增长后绛低的趋势，不同棉花品种在各生育时期均存在差异。盛蕾-盛铃期，金棉18、新陆早71号、合信63的LAI值均显著高于其它棉花品种，盛铃期后营养生长停滞，从盛铃期至吐絮期呈下降趋势，棉株冠层下部的叶片逐渐进入功能衰退期甚至衰老死亡，绿色叶片数量减少，叶面积降低，光合性能减弱。新陆早71号和合信63在吐絮期仍保持较高水平，更好的保证了生育后期光合作用的顺利进行。新陆早71号、合信63的LAI更为合理，有利于塑造良好的冠层结构，提高光能利用率。图2

图2 不同棉花品种叶面积指数LAI的变化

Fig. 2 Changes in leaf area index LAI of different cotton varieties

2.5 不同棉花品种SPAD值的比较

研究表明,随着生育进程的持续，各品种棉花的叶绿素含量呈先增加后下降的趋势，盛蕾期各棉花品种SPAD值较低，无显著差异。盛铃期，新陆早71号SPAD值高于其它棉花品种，但差异不显著，吐絮期，新陆早71号和合信63维持较高的SPAD值，其中新陆早71号与新陆早57号差异显著(P<0.05)。图3

图3 不同棉花品种叶绿素含量SPAD变化

Fig. 3 Changes in chlorophyll content SPAD of different cotton varieties

2.6 不同棉花品种干物质积累的比较

研究表明,不同棉花品种的营养器官和生殖器官干物质积累与分配比例随着生育进程的推移而逐渐增加，盛蕾期是棉花营养生长和生殖生长同时进行的时期，但此时仍以营养生长为主，各棉花品种干物质积累量差异不显著。盛铃期后生殖生长迅速，干物质积累比例不断增加，且主要向棉铃分配。各棉花品种总干物量表现为金棉18>新陆早71号>合信63>惠远720>新陆早50号>新陆早57号；各棉花品种生殖器官干重表现为：新陆早71号>金棉18>新陆早50号>合信63>新陆早57号>惠远720。各品种间金棉18的干物质积累总量最大，但新陆早71号生殖器官干物质量最高，该时期金棉18营养生长过旺，干物质积累量大，但干物质向生殖器官分配速率较新陆早71号慢。吐絮期，新陆早71号干物质积累量最大，同时干物质向棉铃分配的量也最高，更多的干物质分配到生殖器官为获得高产奠定基础。生殖器官干物质积累量表现为新陆早71号>合信63>金棉18>惠远720>新陆早50号>新陆早57号。新陆早71号干物质积累与分配有较突出的优势。图4

图4 不同棉花品种地上部干物质积累与分配

Fig. 4 Dry matter accumulation and distribution in the upper part of different cotton varieties

2.7 不同棉花品种产量及产量构成因素的比较

研究表明,单株结铃数最高的是新陆早71号，为6.8个，其次是合信63，单株结铃数最少的是新陆早57号，仅有5.8个。各棉花品种单铃重范围在5.4～6.0 g，单铃重最大的是金棉18，为6.0 g，其次是新陆早71号和合信63，单铃重分别为5.9 和5.8 g，单铃重最小的是新陆早50号，为5.4 g。衣分最高的是金棉18，衣分为44.9%，与其它棉花品种差异显著(P<0.05)，各棉花品种衣分大小顺序为金棉18>新陆早71号>新陆早50号>合信63>新陆早57号>惠远720。新陆早71号籽棉产量和皮棉产量最高，分别为7 836.7和3 398 kg/hm2，其次为合信63，籽棉产量和皮棉产量分别为7 244和3 117.8 kg/hm2。表6

表6 不同品种棉花产量及产量构成因素比较

Table 6 Comparison of yield and yield components of different cotton varieties

品种Variety收获株数Plant number(104株/hm2)单株结铃数Boll number per plant(个/株)单铃重 Single Boll weight (g)衣分Lint percentage (%)籽棉产量Seed cotton yield(kg/hm2)皮棉产量Lint cotton yield(kg/hm2)新陆早50号Xinluzao5019.6a6.2b5.4b43.2b6 563.3cd2 832.1c新陆早57号Xinluzao5719.6a5.8b5.6b42.3bc6 361.2d2 689.5d新陆早71号Xinluzao7119.5a6.8a5.9a43.4b7 836.7a3 398.0a金棉18Jinmian1819.5a 5.9b6.0a44.9a6 918.9bc3 108.0b惠远720Hulyuan72019.6a6.2b5.6b41.3c6 825.9c2 817.1c 合信63Hexin6319.5a6.4ab5.8ab43.0b7 244.0b3 117.8b

3 讨 论

3.1 不同棉花品种农艺性状的比较

在栽培措施相同的情况下，不同棉花品种的农艺性状主要受其自身的遗传性质的影响[11]。有研究发现机采棉株高、第1果枝高度、果枝始节等机采性状有极显著正相关关系，这为早熟机采棉在生长前期快速生长发育适合机采又高产提供了有利的遗传基础[12]。赵会薇[4]总结适于大面积推广的机采棉花品种要高产、稳产、早熟性好，生育期120 d左右，机械采收要求棉花品种的株型要较紧凑抗倒伏，株高应控制在75～85 cm。在试验研究条件下，参试的6个棉花品种生育期在120～124 d，符合机械采收对棉花品种早熟的要求，株高变动范围在74.6～81.5 cm，新陆早50号株高相对略低，但株高这一性状可受栽培管理和化学调控，做到农艺适合农机。果枝始节高是判断棉花是否利于机采的一个重要指标[13,14]，适宜机采的棉花品种，其果枝始节高在20 cm以上。6个棉花品种的始果高度在20.2～25.6 cm，始果节位在5.4～6.4节，果枝夹角在62°以内，新陆早57号的果枝夹角最小，平均果枝长度最短，株型较紧凑；金棉18 的果枝夹角最大，平均果枝长度最长，株型相对松散。6个棉花品种中，新陆早71号和合信63的果枝夹角和平均果枝长度较为适中，茎粗较粗，株型紧凑、抗倒伏。综合比较6个参试品种的8个主要农艺性状，新陆早71号和合信63更符合机采要求。

3.2 不同棉花品种光合特性及光合物质生产的比较

光合作用是作物进行一切生命活动的生理代谢基础，较高的光合生产力是棉花获得更高干物质、进一步增产的必要条件，净光合速率(Pn)的高低直接决定了作物产量的高低。合理的冠层结构是实现作物高产高效的基础[15-16]。冠层光合作用能为作物提供90%～95%的干物质[17]。前人研究表明，不同基因型棉花品种在棉田透光条件、叶面积、各生育时期光合速率及其产量上有明显差异，薛惠云等[18]研究得出百棉1号生育后期总叶绿素含量、Pn仍较高，叶片的生理状况优于其他4个基因型棉花品种，其合理的群体结构、高效的光合速率配合后期叶片良好的生理状况，是百棉1号实现高产稳产的原因。张娟等[19]分析了小麦冠层结构与产量及其构成因素的相关性，结果表明，合理的冠层结构，可以提高产量。叶面积指数(LAI)是衡量棉花群体冠层结构是否合理的重要指标之一[7]。合理的叶面积动态和数值是实现棉花高产的重要保证。研究中，盛蕾-盛铃期，金棉18、新陆早71号、合信63的LAI值均显著高于其它棉花品种，新陆早71号和合信63在吐絮期仍保持较高LAI值水平。叶片叶绿素含量的消长是反映叶片生理活性变化的重要指标之一，与叶片光合机能大小有着密切联系。有研究表明，棉花叶片SPAD值与Pn呈线性相关，研究盛铃期叶绿素SPAD值达到最大时叶片的Pn也最高。随着叶片的衰老，SPAD值逐渐变小，同时Pn降低，与前人研究结果一致。对参试品种的光合特性进行比较，新陆早71号、合信63的LAI更为合理，有利于塑造良好的冠层结构，生育后期仍有较高的SPAD值和Pn，延长了叶片光合功能期，保证棉株群体光合生产力高效平稳进行，利于干物质积累。产量形成过程是光合产物累积及分配的过程，作物高产是以高的生物量为基础的，棉花不同生育期生物量的累积直接影响棉花产量的形成。研究发现，盛花至盛铃期，金棉18的茎叶干重比例较大，而新陆早71号的生殖器官积累量最多，新陆早71号的光合产物向生殖器官转换比例大，转移速率快。合理的冠层结构，较高的光合生产力，更多的干物质分配到生殖器官为新陆早71号获得高产奠定良好的物质基础。

3.3 不同棉花品种产量及产量构成因素的比较

棉花的产量构成主要由单位面积的收获株数、单株结铃数、单铃重、衣分所决定[20]。其中单株铃数对产量的贡献最大，其次是单铃重和衣分。试验表明，新陆早71号单株结铃数最多，合信63次之。金棉18的单铃重和衣分最大，而单株结铃数较少，可能是因为金棉18生育前期棉株个体长势强劲，在盛花期至盛铃期营养生长旺盛，LAI值水平高，群体郁闭不利于下层叶片截获光照，阻碍下部棉铃的生长[18]。6个参试品种中新陆早71号的籽棉产量和皮棉产量均为最高，该品种冠层结构合理，光合效率高以及较高的生物量积累，诠释了该品种高产的原因。

4 结 论

4.1 金棉18的生育期较其它棉花品种提前2～4 d，且棉株个体长势强劲；在株高、始果节高度、始果节位、茎粗等主要农艺性状方面，新陆早71号、合信63的表现更优于其它品种，且株型紧凑、不易倒伏，更利于后期机械采收。

4.2 新陆早71号、合信63在整个生育期有较高的Pn和SPAD值，LAI也更为合理，能保证棉株群体光合生产力高效平稳进行，有利于干物质的积累。

4.3 单株结铃数、籽棉产量、皮棉产量最高的棉花品种为新陆早71号。对6个棉花品种的生育进程、农艺性状、光合特性、光合物质生产以及产量性状进行比较，新陆早71号综合表现较优，为适宜北疆棉区机械采收的棉花品种。