行距对机采棉干物质积累及氮磷利用效率的影响

尔晨，林涛，张昊，田立文，崔建平，郭仁松，邓方宁，汤秋香,5*

（1.新疆农业大学农学院／棉花教育部工程研究中心，乌鲁木齐830052；2.新疆农业科学院经济作物研究所，乌鲁木齐830091；3.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京100081；4.农业农村部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室，乌鲁木齐830091；5.农业农村部农业环境重点实验室，北京100081）

棉花（Gossypium hirsutumL.）是新疆的支柱产业，目前生产的主要作业环节均已实现机械化，但采摘仍大量采用人工作业， 采棉成本过高制约棉产业的可持续健康发展[1]。农机与农艺无法深度融合是导致机采比例低的重要原因。 优化机采棉行距配置是实现农机农艺融合的有效途径。

目前全球范围内采棉机行业被美国约翰迪尔（DEERE）与凯斯（CASE IH）公司高度垄断。 美国采棉机采棉部件的适应行距在76～102 cm 之间，其棉区无霜期长，以中晚熟品种为主，棉花自然成熟[2]。 与之相比新疆棉区无霜期短，机采棉既要脱叶又要催熟，因此国外棉花生产技术和农机装备不能完全适应新疆当地行之有效的“矮、密、早”农艺栽培要求。 针对上述问题近年来李建峰等[3]提出了一膜三行（76 cm）等行距机采棉配置，该模式不仅很好地解决了传统（10＋66）cm 行距配置下机采棉冠层郁闭、成熟一致性差的问题；还可提高化学脱叶效率，解决采收后籽棉杂质含量超标等问题。 虽然76 cm 等行距种植有利于提升机采品质，但产量出现下降趋势[4-6]，行距配置对机采棉产量形成及养分利用影响的机制尚不明确制约了该模式的发展。

国内外学者对株行距模式优化进行了大量研究，结果表明不同作物对株行距改变的响应存在较大的差异。 张倩等[7]发现，随着行距的缩小，玉米地上部氮素积累总量、叶片高氮转运量以及产量均呈增加趋势，而碳氮比呈下降趋势。 但苌建峰等[8]发现，增大玉米行距，植株氮积累量、氮收获指数、氮素偏生产力均呈先上升后下降的趋势。冯伟等[9]研究表明，缩小行距可减少小麦养分及光能的浪费，提高营养器官氮素总转运量及对单粒重的贡献率。 而在对大豆的研究发现，增大行距有利于增加个体生产能力，提高单株干物质重量、粒数及单粒重[10]。Zhang 等[11]、梁淑敏等[12]研究发现， 缩小棉花株距会增强根系间的竞争能力，使植株结构复杂度增大，单株经济产量显著增加，进而提高产量。

以往对棉花株行距配置的研究多基于不同密度条件， 对等密度条件下棉花的不同行距配置研究较少， 且对该条件下植株养分积累与分配及氮、磷利用率鲜有报道。 虽然棉花具有较强的密度调节能力， 但热量条件是确立合理密度范围的重要因素，因此本研究在南疆常规生产、密度一致的基础上， 从不同行距下机采棉养分吸收与分配以及氮、磷利用效率的差异入手，探讨行距对机采棉干物质积累及氮、磷利用效率的影响， 研究结论为机采棉行距优化提供了科学依据， 对促进机采棉农机农艺的深度融合具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2017―2018 年在新疆农业科学院阿瓦提棉花综合试验站进行 （N 40°06'，E 80°44'，海拔1 025 m）。 该地区属于典型温带大陆性干旱气候，降水稀少、热量丰富。 年平均降雨量46.4 mm，蒸发量 2 900 mm，日照时间2 679 h，≥10 ℃年积温3 987.7 ℃，无霜期211 d，农业生产完全依赖于灌溉。 试验区土壤类型为灌淤土，母质为冲积物，质地为沙壤土，土壤0-40 cm 耕层有机质含量 7.1 g·kg－1、全氮 1.5 g·kg－1、铵态氮1.6 mg·kg－1、硝态氮 27.2 mg·kg－1、速效磷35.4 mg·kg－1、速效钾 309.1 mg·kg－1，土壤容重1.5 g·cm－3，土壤 pH 7.3。

1.2 试验设计

采用单因素随机区组试验设计，依据主流采棉机（CP690，美国约翰迪尔公司）对于行距的基本要求，选择生产中最佳密度（22.5 万株·hm－2），在密度一致的基础上，设置3 种不同的机采棉行距：S1，“一膜三行” 即平均行距 76 cm， 株距5.8 cm；S2，“一膜四行”即平均行距 57 cm，株距7.7 cm；S3，“一膜六行”即平均行距 38 cm，株距11.6 cm。 每3 个播幅为一个试验小区，长7 m，宽6.5 m，面积45.5 m2，重复3 次，种植单元的标准配置模式详见图1。 为减少处理之间的边际效应，每小区的第1 和第3 幅膜为保护行，第2 膜为定点调查和取样位点。

供试品种为新陆中88 号 （新疆农业科学院经济作物研究所提供），采用膜下滴灌种植方式，滴头间距 0.25 m，滴头流量 2.1 L·h－1。 用普通聚乙烯地膜覆盖，膜宽2.05 m，厚度0.01 mm，地膜覆盖率约为 80%。2017 年 4 月 15 日播种，4 月 22日出苗，2018 年 4 月 17 日播种，4 月 24 日出苗，8 月下旬开始收获，9 月下旬完成收获，生育进程详见表1。 不同处理之间均采用统一的水肥管理措施， 所有小区施肥量和施肥频率均保持一致。其中基肥施入磷酸二铵 （P2O553.8%，N 21.2%）450 kg·hm－2，尿素（N 46.4%）300 kg·hm－2，硫酸钾（K2O 51%） 225 kg·hm－2。 6 月中旬开始灌溉，8月中旬结束灌溉，每7 d 滴灌1 次，灌溉定额均为4 650 m3·hm－2， 每次灌水定额为灌溉总定额的1/10。采用“一水一肥”的灌溉施肥方式进行追肥，追施尿素600 kg·hm－2，其他管理方式同大田。

1.3 相关指标的测定和计算

1.3.1干物质积累量的测定及特征值计算方法。于苗期、蕾期、开花期、盛铃期和吐絮期在各小区内选长势均匀的中行和边行棉株各3 株， 按茎叶、蕾花铃及根等不同器官分开，105 ℃杀青30 min 后于80 ℃烘干至恒重， 测定其干物质质量。 植株干物质积累特征值的增长符合Logistic曲线， 该模型蕴藏着很多生物生态学特性信息，利用这些信息参数能较好的解析棉株干物质增长特点，并使之定量化[13]。

1.3.2产量测定。吐絮期分别测定各处理棉铃数及株数， 选取每小区长势均匀且连续的棉株处选取150 个棉铃称重， 计算铃重， 风干后轧花，用电子天平测定皮棉质量，计算衣分，折算产量[14]。

1.3.3植株氮、磷含量的测定。将1.3.1 部分烘干称重后的植株粉碎过筛， 经H2SO4－H2O2消解定容后， 分别采用纳氏试剂比色法测定植株全氮含量， 采用钒钼黄比色法测定植株全磷含量[15]。

1.3.4氮、磷积累量的计算。植株有效氮（磷）累积量 （NAA/PAA, Nitrogen accumulation amount/Phosphorus accumulation amount）＝ 植 株 含 氮（磷）量×单株干物质质量×种植密度[16]。

1.3.5植株各器官氮（磷）分配率的计算。植株各器官氮（磷）分配率＝植株各器官氮（磷）吸收量／植株氮（磷）总吸收量

1.3.6氮（磷）利用效率的计算。氮（磷）利用效率＝皮棉产量／植株氮（磷）吸收量[14]；

100 kg 皮棉氮（磷）吸收量＝植株氮（磷）吸收量／皮棉产量×100[14]。

1.4 数据分析

采用 DPS Version 7.05（Data Processing System Software,Inc.CHN）软件进行统计与分析，采用最小显著性差异法进行显著性测验。 采用Sigmaplot Version 12.5 （Systat Software,Inc.USA）软件对分析数据进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同机采行距配置下棉花干物质积累与分配

不同行距配置下棉花干物质积累过程的变化趋势基本一致，即随着生育进程的推进干物质积累总量逐渐增加，且均呈现“慢- 快- 慢”的趋势， 用Logistic 方程进行模拟， 特征值如表2 所示。 2017 年，S2 处理干物质快速积累开始时间（t1）最早，出现在出苗后 54.1 d，S3 处理干物质快速积累结束时间（t2）最晚，为出苗后110.0 d。随着平均行距的降低， 快速积累持续时间 （△t）从21.7 d 延长至47.0 d， 但干物质最大积累速率（Vm）呈下降趋势，干物质快速积累开始（t1）和结束 （t2） 时间推迟。 S1 处理干物质最大积累速率（Vm） 分别较 S2 和 S3 处理增加 1.7 g·株－1·d－1和1.4 g·株－1·d－1， 干物质最大积累速率出现时间（T）分别提前 7.2 d 和 16.7 d。S3 处理干物质快速积累持续时间 （△t） 分别较 S1 和 S2 处理延长25.3 d 和1.4 d。 S2 处理快速增长期生长特征值（GT） 分别较 S1 和 S3 处理低 26.6%和 27.8%。2018 年， 除S1 处理干物质快速积累起始时间分别早于 S2 和 S3 处理 19.6 d 和 18.0 d 外，干物质最大积累速率 （Vm）、干物质快速积累结束时间（t2）与快速积累持续时间（△t）与 2017 年表现规律相似。 说明在当前密度条件下，增大平均行距可提早进入干物质快速积累时期并提高干物质最大积累速度，但会减少干物质快速积累持续天数。

表2 不同行距下棉花干物质积累的模型及特征值Table 2 The logistic models and characteristic values of dry matter accumulation under different row space

不同行距配置下机采棉干物质分配如表3所示。 2017 年，营养器官干物质积累量仅在开花期S2 处理显著高出S1 处理27.5%。 经济器官干物质积累量在蕾期表现出S3 处理显著高于S1处理100.0%；吐絮期，S1 处理分别比S2 和S3 处理显著高92.2%和52.3%；最终，吐絮期S1 处理干物质积累总量比S2 和S3 处理显著高63.3%和40.4%。2018 年，开花期至吐絮期，营养器官干物质积累均为S1 处理显著高于S3 处理。 吐絮期，S1 处理经济器官干物质积累量显著高于S3处理59.8%；最终，吐絮期S1 处理干物质积累总量分别比S2 和S3 处理显著高22.8%和45.8%。

2.2 不同机采行距配置对棉花产量及其构成因素的影响

不同处理棉花产量及构成因素如表4 所示，2 年间S2 和S3 处理产量差异不显著，但二者皮棉产量显著低于S1 处理。 2017 年，S1 处理籽棉产量和皮棉产量均最高， 分别较最低的S2 处理显著高17.7%和19.3%。分析其产量构成因素，仅单株结铃数随平均行距增大显著增多。S1 处理单株结铃达 5.4 个， 较最低的 S3 处理多0.9 个。2018 年的产量与2017 年表现出一致的规律，S1处理籽棉产量和皮棉产量分别较最低的S3 处理显著高18.1%和17.0%。其中S2 处理单株结铃显著低于S1 处理0.4 个，显著高出S3 处理0.5 个。2 年间铃重均表现为S1 处理最高， 达到6.1 g 和5.8 g，与S2 和S3 处理无显著差异，各处理衣分均无显著差异。 因此S1 行距配置有利于提高棉花单株结铃，从而获得更高的产量。

表3 不同行距配置棉花干物质积累量及分配Table 3 Dry matter accumulation and distribution of cottons under different row space/（g·株－1）

2.3 不同机采行距配置棉花氮、磷素的积累量

2.3.1不同机采行距配置棉花氮素的积累量。不同机采行距配置对棉花氮积累量的影响如图2所示。 2 年数据表明各处理蕾期植株氮积累总量无显著差异；进入盛铃期后，随平均行距增大呈上升趋势；至吐絮期，2017 年S1 处理氮累积量达956.0 kg·hm－2较 S2 处理显著高 34.6%，2018 年S1 处理氮累积量为 858.0 kg·hm－2，分别较 S2 和S3 处理显著高26.5%和42.9%。

表4 不同行距配置对棉花产量及产量构成因素的影响Table 4 Effect of different row space on cottons yield and yield components

图2 不同行距下植株各器官有效氮积累量Fig.2 Available nitrogen accumulation in various organs of cottons under different row space

在各器官氮积累量方面（图2），将茎叶和根归为营养器官， 蕾花铃归为经济器官进行分析。2017 年，各生育时期营养器官各处理间均无显著差异。 蕾期至盛铃期，各处理间经济器官氮积累量均无显著差异；仅吐絮期S1 处理显著高出S2处理52.4%， 而S3 处理与S1 和 S2 处理均无显著差异。

2018 年营养器官氮积累量开花期至盛铃期S1 处理最高， 至吐絮期各处理间均无显著差异。开花期，经济器官氮积累量S3 处理分别比S1 和S2 处理显著低36.2%和30.8%；盛铃期氮积累量S1 处理分别比 S2 和 S3 处理显著高 80.5%和28.2%； 至吐絮期，S1 处理分别比 S2 和 S3 处理显著高47.3%和66.8%， 而S2 和S3 处理并无显著差异。 综上，S1 处理有利于提高生育后期棉花氮积累量， 其中对经济器官积累量的增加尤为明显。

2.3.2 不同机采行距下棉花磷的积累量

不同机采行距配置对棉花磷积累量的影响如图3 所示。 2017 年蕾期，各处理磷积累总量无显著差异；开花期，S2 处理显著高于S1 和S3 处理；盛铃期后，S1 处理磷积累总量快速增加；至吐絮期，S1 处理磷积累总量为 75.0 kg·hm－2， 分别较S2 和S3 处理显著高48.2%和 46.8%。 2018 年蕾期至吐絮期，S1 处理均显著高于S2 和S3 处理，除吐絮期S2 和S3 处理差异显著外，S2 和S3处理间均无显著性差异。 至吐絮期，S1 处理磷积累总量为 41.5 kg·hm－2，分别比 S2 和 S3 处理显著高31.3%和56.0%。

图3 不同行距下棉花各器官有效磷积累量Fig.3 Available phosphorous accumulation in various organs of cottons under different row space

在各器官磷积累量方面 （图 3）：2017 年，营养器官在开花期S2 处理分别比S1 和S3 处理显著高26.0%和39.9%；至吐絮期，各处理无显著差异。 经济器官磷积累量各处理蕾期和开花期趋势与营养器官相同； 进入盛铃期后，S1 处理分别比S2 和S3 处理显著高 136.0%和 87.7%； 至吐絮期，S1 处理分别比S2 和S3 处理显著高83.2%和62.3%，而S2 和S3 处理无显著差异。

2018 年营养器官磷积累量在各生育期均呈S1＞S2＞S3 的特点。经济器官开花期，S3 处理分别比S1 和S2 处理显著低50.0%和40.0%。 盛铃期，S1 处理分别比S2 和S3 处理显著高131.9%和 53.3%； 吐絮期，S1 处理分别比 S2 和 S3 处理显著高39.6%和64.0%， 而S2 和S3 处理无显著差异。 综上，S1 行距配置有利于生育后期磷向经济器官的积累，而对蕾期和开花期磷积累量规律还需进一步探究。

2.4 不同机采行距配置下棉花氮磷分配率

平均行距改变对各生育时期内氮分配率均有不同程度影响（图 4）。 2017 年蕾期，S1 处理经济器官氮分配率显著高于S3 处理0.5 百分点；开花期，S2 处理经济器官氮分配率显著高于S3 处理4.1 百分点；盛铃期至吐絮期，经济器官氮分配率呈S1＞S3＞S2 的特点， 但各处理间并无显著差异。 2018 年蕾期和开花期，经济器官氮分配率无显著差异；盛铃期，S3 处理分别比S1 和S2 处理显著高 9.9 和 11.6 百分点； 吐絮期，S1 处理经济器官氮分配率分别比S2 和S3 处理显著高8.1和8.4 百分点。 综上，S1 处理吐絮期经济器官氮分配率最高，利于氮素向经济器官转移，而S2处理经济器官氮素分配率最低，容易造成贪青晚熟。

图4 不同行距棉株氮分配率Fig.4 Nitrogen partition coefficient of cottons under different row space

图5 不同行距下棉株磷分配率Fig.5 Phosphorus partition coefficient of cottons under different row space

不同行距配置下植株经济器官磷分配率如图5 所示，平均行距变化主要影响蕾期至盛铃期经济器官磷分配率，对吐絮期影响较小。 2017 年蕾期，S1 处理经济器官磷分配率显著高于S3 处理1.3 百分点； 开花期，S2 处理经济器官磷分配率比S1 处理显著高6.8 百分点； 盛铃期和吐絮期，经济器官磷分配率呈S1＞S3＞S2 趋势，但各处理间并无显著差异。2018 年开花期，S2 处理经济器官磷分配率显著高于S3 处理6.1 百分点；盛铃期，S3 处理显著高于S2 处理18.2 百分点；吐絮期，经济器官磷分配率呈S1＞S3＞S2 趋势，但各处理无显著差异。 综上，S2 处理开花期经济器官磷分配率较高，而进入铃期后均低于S1 和S3处理，S1 和S3 处理经济器官磷分配率在进入开花期后无显著差异。

2.5 不同行距配置对机采棉氮、磷利用效率的影响

不同行距配置下氮、磷利用效率如表5 所示。增大平均行距有利于提高100 kg 皮棉氮吸收量，而减小平均行距有利于提高氮素利用效率；2年磷素利用效率及100 kg 皮棉磷吸收量表现规律不同。2017 年，氮磷比随平均行距增加而增加，各处理100 kg 皮棉氮吸收量和氮利用效率均无显著差异；S3 处理100 kg 磷吸收量分别比S1 和S2 处理显著高68.4%和45.5；S1 处理磷利用效率比S3 处理显著高84.0%。2018 年，各处理氮磷比较为相近，S1 处理100 kg 皮棉氮吸收量比S3处理显著高21.5%；S3 处理氮利用效率比S1 处理显著高21.9%；S3 处理100 kg 磷吸收量分别比S1 和S2 处理显著低26.7%和21.4%；S3 处理磷利用效率分别比S1 和S2 处理显著高34.1%和18.2%。综上，增大平均行距可有效提高100 kg皮棉氮吸收量而但会降低氮利用效率。

表5 不同行距配置对棉花氮和磷利用效率的影响Table 5 Plant nitrogen and phosphorus economic coefficient of cottons under different row spacing patterns

3 讨论

3.1 不同行距对机采棉干物质积累及产量形成的影响

行距配置是影响作物生长发育及产量形成的因素之 一，徐新霞 等[17]在对 （72 ＋4）cm 和（66＋10）cm，2 种行距配置的研究表明增加窄行的行距有利于减弱植株间对养分、水分、光能等的竞争，有利于“库”的构建，从而增加干物质积累量。 何萍等[18]在对玉米的研究表明，干物质最大速率出现的早，有利于营养生长更早的向生殖生长转化。 程林等[19]研究表明，增大平均行距，不会影响棉花出苗期和现蕾期，但会提前进入开花期及吐絮期。在本研究条件下，76 cm 等行距配置有效的提高了干物质最大积累速率，干物质快速积累时期提前， 致使棉花提早进入生殖生长，吐絮期干物质积累量最高。 而（66＋10）cm 配置下虽然干物质快速积累的时间较长，但积累速率较低，进入生殖生长阶段较晚，导致经济器官发育较慢，影响盛铃期-吐絮期干物质总量积累。

2015 年Dai 等[20]发现，棉花对自身有一定的调控作用， 能在一定密度下保持产量的稳定，其研究结果表明种植密度在3.3 万～10.5·万株·hm－2时，棉花产量的稳定性最佳。 其原理是由于棉花通过调节自身干物质的运输，从而使得棉花产量在一定的范围内趋于稳定。 2017 年龚双凤等[21]在对 76 cm 等行距配置与（66＋10）cm 配置的对比研究后表明，等行距配置下有利于提高棉株的有效结铃数。2016 年Zhang 等[11]研究表明棉花衣分只受基因型影响， 与栽培管理方式无关。本试验条件下，增大平均行距显著增加了籽棉与皮棉产量。分析其产量形成因素，76 cm 等行距配置表现出了较高的结铃数。 在铃重及衣分方面，三种行距配置下均无显著差异。 综上所述，增大平均行距可提高干物质积累速度， 增加结铃数，从而提高产量， 但2017 年花期前干物质积累总量较低，这可能是由于增大行距导致生育前期根系对水分竞争压力大，而适宜等76 cm 等行距配置的滴灌方式，还需进一步研究。

3.2 不同行距对机采棉氮、磷素积累与养分利用的影响

已有研究表明在机采模式下，棉花需养时间提前，对养分的吸收量提高，前人在对玉米的研究表明[22]，缩小株间距有利于氮素总积累量及氮素转运量的提高， 但氮肥利用效率呈下降趋势。本研究条件下，植株营养器官氮积累量的峰值出现在盛铃期，经济器官氮积累量的峰值出现在吐絮期，氮积累总量呈“S”型曲线增长，生育前期积累缓慢，进入生殖生长阶段后积累速度加快并达到最大值，吐絮期后增长速度下降；经济器官中磷的积累量在吐絮期达到峰值。 76 cm 等行距配置盛铃期后氮积累量和磷积累量均最高，且在开花期- 盛铃期磷积累速率增长最快，而（66＋10）cm 配置在2018 年吐絮期磷积累量较其他处理下降更为迅速， 其原因可能是叶片间相互遮挡，光合能力不足，植株得不到充足的营养，致使叶片早衰[20]。 （66＋10）cm 配置 100 kg 皮棉氮吸收量较低，氮利用效率较高，其原因为该配置下营养生长时间较长，氮素主要供给了植株营养器官的生长。 而76 cm 等行距配置养分更早的向经济器官积累，100 kg 皮棉养分吸收量最高， 从而获得较高产量。 综上所述，增加平均行距有利于缩短营养生长所需时间，使养分快速向经济器官积累，提高养分在经济器官中的分配率。

3.3 一膜三行与传统宽窄行的管理差异

76 cm 等行距配置较传统宽窄行配置在一定程度上减轻了冠层郁闭对棉株生长的影响，但要大面积推广该行距配置，还需从种子的选择到栽培管理措施进一步优化。 有学者在对等行距下不同品种棉花冠层特性研究后发现， 相较常规品种，杂交棉可充分发挥杂种优势，株高及群体叶面积更早、更快增长进而获得高产[3]，但新疆地区传统高密度种植模式，加之种子用量大成本高[23]，一定程度上限制了杂交棉在新疆的推广。 其次应选择株型较为松散的品种，可更好的发挥空间优势，提高对光能的有效利用。76 cm 等行距配置下行距增大，株距减小，棉株根系对水分和养分的竞争压力提高， 因此对地力的要求更为严格，若地力贫瘠、保水能力差则易造成根系在浅层横向生长旺盛，难以深扎。 在灌溉方面，采用传统宽窄行配置一膜两管的滴管带铺设方式易造成76 cm等行距配置中行棉株矮小，若灌溉初期水肥供给不足易造成严重减产，因此可以考虑增加滴灌带行数，由一膜两管改为一膜三管，及各种植行分别对应一条滴灌带，同时还可通过缩短两滴头间距以达到对根系水分补偿的目的。 76 cm 等行距配置下棉株生长旺盛，打顶应坚持“枝到不等时，时到不等枝”的原则[24]，防止花铃期营养生长过剩导致的贪青晚熟。 综上所述，与76 cm 等行距配置相配套的一系列管理技术，尤其是灌溉施肥制度仍需进一步调整优化。

4 结论

行距是影响植株养分吸收及产量的重要因素，增大平均行距促使养分更早地向经济器官积累，单株结铃增加，植株营养生长所需时长缩短，提高经济器官氮磷分配率及100 kg 皮棉氮素吸收量，从而获得较高产量。 一膜六行行距配置（平均行距38 cm）下，植株干物质快速积累量持续时间最长。相比之下，一膜四行（平均行距57 cm）虽在开花期氮磷经济器官分配率最高，但吐絮期各项指标均低于一膜三行（平均行距76 cm）和一膜六行（平均行距38 cm）。 综合来看，一膜三行（平均行距76 cm）是一种值得推广的行距配置。优化行距配置能显著提高养分的利用效率，对农机农艺融合具有重要的促进作用。