播期、播种深度和覆盖物对直播棉生理特性及生长发育的影响

邹佳怡，谢章书，魏忆萍，李侃，杨丹，熊圆，何玉玺，刘爱玉，周仲华

（湖南农业大学棉花研究所，长沙 410128）

棉花，锦葵科（Malvaceae）棉属（Gossypium）植物，具有无限生长习性，营养生长与生殖生长、早熟与早衰的矛盾十分突出［1］。随着棉花生育期的推进，其器官或组织在逐渐走向功能衰退或死亡的变化过程中，棉株体内会发生一系列的生理生化变化［2］。在生产中，人们通常用生长形态指标来诊断棉株生长发育能力的大小，但单独运用这些指标进行判断并不准确，还需综合考虑其与棉株相关生理生化代谢指标间的内在联系，才能得到可靠的结果。目前有关植物在大田中的生理生化代谢研究很多，如叶片的光合特性、糖氮代谢、保护酶活性等。关于不同耕作方式对棉株生长发育的影响，目前的研究结果不尽相同，尚待进一步深入研究［3］。

近年来，长江流域发展的油后直播棉短季栽培模式不仅可以避开早春的不良温度，实现油棉连作，又可缓解粮棉争地的矛盾，有利于实现棉花轻简化、机械化栽培［4］。但仍存在棉花一播全苗难以实现、产量较低、品质较差的情况［5］。适宜的播种深度是培育健壮棉苗的关键措施［6］，而适时播种能协调营养生长与生殖生长的关系，有利于一播全苗、壮苗，为棉花全生育期的生长发育奠定基础［7］。育苗基质颜色偏黑且密度小、透气性好，所以同时期播种，基质育苗较土壤育苗出苗速度快，能有效缩短苗龄［8］。目前，关于油后直播棉配套栽培技术的研究有很多［9］，但对其生理特性和生长发育的研究较少。为此，笔者在大田条件下研究播期、播种深度和覆盖物对棉花生理特性及生长发育的影响，以为优化长江流域棉区油后直播棉栽培模式、实现棉花生产机械化提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验时间与地点

试验于2019年在湖南农业大学浏阳基地进行。试验地前作为油菜。

1.2 供试材料

供试棉花为湖南农业大学棉花研究所选育的短季常规棉花品种JX0010。在试验前进行脱绒并晒种，挑选籽粒饱满的种子作为试验材料，以消除因种子质量等原因导致的误差，确保试验材料的一致性和试验结果的准确性。

1.3 试验设计与田间管理

试验采用播期（A，主区因素）、播种深度（B，副区因素）、覆盖物（C，副副区因素）3因素再裂区设计。播期设2个水平：5月24日（A1）、6月3日（A2）；播种深度设2个水平：2 cm（B1）、4 cm（B2）；覆盖物设3个水平：基质（C1）、50%基质+50%耕作层土壤（混合土）（C2）、耕作层土壤（C3）。3次重复，主区按随机区组设计。小区面积为20 m2（5 m×4 m），共36个小区，每小区种植4行棉花。

试验地肥力中等、均匀一致。播种前土壤在阳光下曝晒后用50%多菌灵进行消毒处理。采用地膜覆盖、膜上直播的栽培方式。种植密度为30 000株/hm2，每穴精确播种2粒种子，播种深度即为覆土深度，其他田间栽培管理措施参照DB43/T 286—2006棉花栽培技术规范执行。

1.4 测试项目与方法

1.4.1 生理生化指标调查

棉花出苗后，分别于苗期、蕾期、花铃期3个时期取棉株主茎倒4叶，吐絮期于棉株打顶后取棉株主茎顶叶，测定棉株叶片的SPAD值、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游离氨基酸含量、脯氨酸（pro）含量、硝酸还原酶活性（Nitrate reductase，NR）、超氧化物歧化酶（SOD）活性以及丙二醛（MDA）含量。取样时每个处理选择发育一致的5株棉株，各指标取同样的样品重复测定3次，取平均值。

采用SPAD-502型叶绿素测定仪（日本Monita公司）进行棉苗叶片SPAD值测定，换算成叶绿素含量［10］；可溶性蛋白质含量的测定参照Read等的考马斯亮蓝G-250染色法，用量根据实际情况稍做改动，在595 nm波长下比色测定［11］；参照邹琦主编的《植物生理学实验指导》，采用硫酸—蒽酮比色法测定可溶性糖含量［12］；脯氨酸（pro）含量的测定采用酸性茚三酮法［13］；游离氨基酸含量采用茚三酮比色法测定［13］；棉株叶片SOD活性、MDA含量和NR活性均采用Solarbio公司生产的试剂盒测定。

1.4.2 农艺性状调查

苗期、蕾期、花铃期和吐絮期4个时期各小区分别连续固定5株棉株，测定株高、果枝数和吐絮期的始节高度，取平均值。

1.5 数据处理与分析

采用EXCEL和DPS进行数据处理与统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对SPAD值的影响

SPAD值能反映叶片的叶绿素含量。光合色素尤其是叶绿素，是作物进行光合作用的重要因素，作物体内叶绿素含量的多少对光合速率的高低有直接影响。从图1可以看出，SPAD值在不同处理下都呈现相似的规律：棉花叶片生育前期叶绿素含量较低，随着生育进程的推进，叶绿素含量升高，于花铃期达到最大值，随后降低。方差分析表明，在棉花的各个生育时期，播期、播种深度和覆盖物均对SPAD值无显著影响。在苗期，SPAD值为40.0～44.6，A2B1C2处理SPAD值较高，与A2B2C1、A1B1C1、A2B2C2处理间差异显著，其余各处理间差异不显著。在蕾期，SPAD值为43.0～46.3，各处理间差异不显著。在花铃期，SPAD值为44.6～50.5，其中A1B1C2、A1B2C1、A1B2C3与A1B1C1处理间差异显著，其余各处理间差异不显著。在吐絮期，SPAD值为40.1～43.8，不同处理表现出的差异不大。

图1 不同处理的棉花SPAD值比较Fig.1 Comparison of SPAD value of cotton under different treatments

2.2 不同处理对可溶性糖含量的影响

可溶性糖既是高等植物主要的光合产物，又是碳水化合物代谢和暂时贮藏的主要形式，在植物碳代谢中具有重要作用，且与产量密切相关。由图2可知，棉花生长过程中可溶性糖含量逐渐升高，在花铃期达到最大值，之后下降。蕾期之前可溶性糖含量增长相对较缓，蕾期到花铃期增长速度加快。方差分析表明，在棉花的各个生育时期，播期、播种深度和覆盖物对可溶性糖含量存在影响。在苗期，播种深度和覆盖物对其含量的变化影响显著，播种深度为B1时，可溶性糖含量比B2处理高19%，且差异显著；覆盖物为C2时，其含量分别比C1、C3处理高10.7%、11.8%，差异达到显著水平；各处理可溶性糖含量为0.5～0.7 mg/g，其中A1B1C2处理的可溶性糖含量较高，A2B1C2处理次之，A1B1C2处理与A1B2C3处理间差异显著，其余各处理间差异不显著。在蕾期，可溶性糖含量为0.7～0.8 mg/g，其中A2B1C2处理的可溶性糖含量较高，不同处理表现出的差异不大。在花铃期，覆盖物对可溶性糖含量有显著影响，覆盖物为C2时，其含量分别比C3、C1处理高17%、19%，差异达到显著水平；各处理可溶性糖含量为0.9～1.1 mg/g，不同处理差异不大。在吐絮期，播种深度对其含量的变化存在显著影响，B1处理可溶性糖含量比B2处理高9%，且差异显著；各处理可溶性糖含量为0.7～0.8 mg/g，其中A2B1C2与A1B2C1、A2B2C1差异显著，A2B1C1与A2B2C1差异显著，其余各处理间差异不显著。

图2 不同处理棉花的可溶性糖含量比较Fig.2 Comparison of soluble sugar content of cotton under different treatments

2.3 不同处理对可溶性蛋白含量的影响

植物体内的可溶性蛋白质大多数是参与各种代谢的酶类，可溶性蛋白质含量是了解植物体总代谢的一个重要指标。由表1可知，棉花生长过程中，可溶性蛋白含量呈现出抛物线变化趋势，蕾期之前可溶性蛋白含量迅速增加，于蕾期达到最大值，蕾期至花铃期可溶性蛋白含量又迅速降低，花铃期到吐絮期间其含量缓慢降低。方差分析表明，覆盖物对可溶性蛋白含量存在影响。在苗期，可溶性蛋白含量为0.5～0.7 mg/g，不同处理的差异不大，其中A2B2C3处理的可溶性蛋白含量较高，为0.7 mg/g，A2B1C2处理次之，为0.6 mg/g；覆盖物为C2时，其含量分别比C3、C1处理高3%、7%，但差异不显著。在蕾期，可溶性蛋白含量为1.5～1.6 mg/g，除A1B2C2与A2B2C1处理间差异显著外，其余各处理间差异不显著；覆盖物为C2时，其含量分别比C3、C1处理高3.8%和4.1%，差异显著。在花铃期，可溶性蛋白含量为0.8～1.0 mg/g，A1B1C2处理可溶性蛋白含量较高，与A1B2C1、A2B2C1处理间差异显著，其余各处理间差异不显著；覆盖物为C2时，其含量分别比C3、C1处理高5.8%、9.4%，但差异不显著。在吐絮期，可溶性蛋白含量为0.6～0.8 mg/g，A1B2C2、A1B1C2、A2B2C2与A2B2C1处理间差异显著，其余各处理间差异不显著；覆盖物为C2时，其含量分别比C3、C1处理高8.6%、11.2%，但差异不显著。

表1 不同处理棉花的可溶性蛋白含量比较Table 1 Comparison of soluble protein content of cotton under different treatments mg·g-1

2.4 不同处理对游离氨基酸含量的影响

叶片是氨基酸合成的主要器官，而氨基酸是合成蛋白质的主要物质，其含量的多少直接影响到可溶性蛋白的含量。由图3可知，在棉花的整个生育过程中，游离氨基酸含量的变化与叶片中可溶性蛋白含量的动态变化基本一致，说明游离氨基酸和可溶性蛋白的合成过程是协调一致的。方差分析表明，在棉花的各个生育时期，播期、播种深度和覆盖物对游离氨基酸含量存在影响。在苗期，播期和播种深度的交互作用对游离氨酸含量存在显著影响，播期为A1时，B2处理的游离氨酸含量比B1处理高6.8%，差异显著；播期为A2时，B1处理比B2处理高3.9%，差异显著；各处理游离氨基酸含量为211.0～264.4μg/g，A2B1C1处理的游离氨基酸含量 较 高，为 264.4 μg/g，A2B1C1、A2B1C2 与A1B1C2处理差异显著，其余处理间差异不显著。在蕾期，游离氨基酸含量为371.8～550.5μg/g，不同处理间差异不大。在花铃期，播期和播种深度交互对游离氨酸含量存在显著影响，播期为A1时，B2处理的游离氨酸含量比B1处理高3.1%，但差异不显著；播期为A2时，B1处理比B2处理高13%，差异显著；游离氨基酸含量为214.1～280.3μg/g，A2B1C2、A2B1C1与A2B2C2、A1B1C2、A2B2C3差异显著，A1B2C3与A2B2C3差异显著，其余处理间差异不显著。在吐絮期，游离氨基酸含量为217.3～245.6μg/g，不同处理间差异不大，其中A2B1C2处理的游离氨基酸含量较高。

图3 不同处理的棉花游离氨基酸含量比较Fig.3 Comparison of free amino acid content of cotton under different treatments

2.5 不同处理对脯氨酸含量的影响

脯氨酸与植物抗旱性存在一定的相关性，其含量的多少是植物抗旱性的一种信号，同时也是调控植物生长发育的一种信号分子。由表2可知，苗期到蕾期，各处理脯氨酸含量呈下降趋势，蕾期至吐絮期，各处理的脯氨酸含量有较大幅度的上升。方差分析表明，在棉花的各个生育时期，播期、播种深度和覆盖物均对脯氨基酸含量无显著影响。在苗期，脯氨基酸含量为17.4～20.4 μg/g，A2B1C1、A2B1C2与A1B1C1处理差异显著，其余各处理间差异不显著，其中A2B1C1处理的脯氨基酸含量较高，为20.4μg/g，A2B1C2处理次之。在蕾期，脯氨基酸含量为15.6～19.1μg/g，不同处理间差异不大。在花铃期，播期与覆盖物对脯氨酸含量存在交互作用，播期为A1时，C3处理分别比C1、C2处理高1.7%、4%，但差异不显著；播期为A2时，C2、C1处理分别比C3处理高13.9%、13.2%，差异显著；各处理脯氨基酸含量为20.9～26.8μg/g，A2B1C2处理脯氨酸含量较高，其中A2B1C2、A2B1C1与A1B1C1、A1B2C3、A2B1C3、A1B1C2处理间差异显著，A2B2C1与A1B2C3、A2B1C3、A1B1C2处理间差异显著，A1B1C3、A2B2C2与A1B1C2处理间差异显著，其余处理间差异不显著。在吐絮期，脯氨酸含量为28.4～31.2μg/g，不同处理间差异不大，A1B2C1处理的脯氨基酸含量较高，A2B1C2处理次之。

表2 不同处理的棉花脯氨酸含量比较Table 2 Comparison of proline content of cotton under different treatments μg·g-1

2.6 不同处理对硝酸还原酶活性的影响

硝酸还原酶（NR）是旱生植物氮素代谢中的关键酶之一，对作物吸收利用氮素至关重要。由图4可知，在棉花的整个生育过程中，硝酸还原酶含量基本呈抛物线变化趋势，苗期至花铃期NR含量不断增加，于花铃期达到最高值，随后NR含量减少。方差分析表明，在棉花的各个生育时期，播期、播种深度和覆盖物对游离氨基酸含量存在影响。在苗期，播期对NR的含量存在显著影响，A1处理比A2处理高6.5%，且差异显著；覆盖物对NR的含量存在显著影响，其中C2处理分别比C3、C1处理高4.6%、5.6%，差异显著；各处理NR含量为1.9～2.2 U/g，A1B1C2、A1B2C2、A1B1C3与A2B2C3、A2B2C1处理间差异显著，A1B1C1、A2B1C2、A1B2C3与A2B2C1处理间差异显著，其余各处理间差异不显著。在蕾期，NR含量为3.0～4.5U/g，不同处理间差异不大。在花铃期，播种深度对NR含量存在显著影响，B1处理比B2处理高16.5%，差异显著；各处理NR含量为4.5～6.8U/g，A2B1C2与A1B1C1、A1B2C3、A2B2C2、A2B2C1、A1B1C2、A1B2C2、A1B2C1处理间差异显著，A1B1C3与A2B2C1、A1B1C2、A1B2C2、A1B2C1处理间差异显著，其余各处理间差异不显著。在吐絮期，NR含量为3.1～3.9 U/g，不同处理差异不大。

图4 不同处理的棉花NR活性比较Fig.4 Comparison of NR activity of cotton under different treatments

2.7 不同处理对SOD活性的影响

SOD是植物体内自由基清除系统中重要的酶，在棉株整个生长发育过程中起着非常重要的作用。其活性的高低与植物体自身清除有害物质能力的强弱相关，且其标志着叶片衰老程度。由表3可知，苗期到吐絮期，各处理SOD含量均呈不断上升趋势。方差分析表明，在棉花的各个生育时期，播种深度和覆盖物均对SOD含量无显著影响，而播期对其含量影响较大。在苗期，SOD含量为324.7～378.5 U/g，A2B2C3处理SOD含量最高，A2B1C2次之；A2B2C3显著高于A1B2C3、A1B1C3、A1B1C2、A1B2C2、A2B1C1、A1B2C1、A2B1C3、A2B2C1，A2B1C2显著高于A1B2C1、A2B1C3、A2B2C1，A2B2C2显著高于A2B1C3、A2B2C1，其余处理间差异不显著。在蕾期，SOD含量为365.7～404.9 U/g，不同处理差异不大。在花铃期，SOD含量为389.0～520.9 U/g，A2B1C2处理的SOD含量最高，A2B1C2、A2B2C3、A1B1C1、A1B2C2、A2B1C3与A1B2C3处理间差异显著，其余处理间差异不显著。在吐絮期，播期对SOD的含量存在显著影响，A1处理SOD含量较A2处理高1.6%，且差异显著；各处理SOD含量为614.0～637.6 U/g，A1B1C2显著高于A2B2C2、A2B2C1、A2B1C3、A2B2C3，A1B1C3显著高于A2B2C3，其余处理间差异不显著。

表3 不同处理的棉花SOD活性比较Table 3 Comparison of SOD activity of cotton under different treatments U·g-1

2.8 不同处理对MDA含量的影响

MDA是膜脂过氧化的产物，其含量的高低在一定程度上可以表示细胞膜脂过氧化的程度和植物对逆境条件反应的强弱。由图5可知，苗期到吐絮期，各处理MDA含量的变化与SOD含量的变化趋势相似，随生育期的延长而不断增加。方差分析表明，在棉花的各个生育时期，播期和播种深度均对MDA含量无显著影响，而覆盖物在吐絮期对其含量影响显著。在苗期、蕾期和花铃期，各处理棉花MDA含量分别为106.0～114.7、119.8～165.2和190.7～241.3 nmol/g，均为C3、C1处理比C2处理高，但处理间差异不显著。在吐絮期，C3、C1处理分别比C2处理高8.4%、5.9%，差异显著，各处理MDA含量为234.3～262.3 nmol/g，不同处理差异不大。

图5 不同处理的棉花MDA含量比较Fig.5 Comparison of MDA content of cotton under different treatments

2.9 不同处理对棉花农艺性状的影响

棉花的农艺性状影响着棉花的产量，其中始节高度、株高和果枝数是较为关键的农艺性状。由表4可知，播期、播种深度和覆盖物对始节高度无显著影响，各处理始节高度为18.0～27.3 cm，其中A2B1C2处理较高。

表4 不同处理的棉花农艺性状比较Table 4 Comparison of agronomic characters of cotton with different treatments

在棉花的各个生育时期，播期、播种深度和覆盖物对株高影响不一。在苗期，各处理株高为38.2～47.0 cm，不同处理差异不大。在蕾期，各处理株高为59.1～85.2 cm，播种深度和覆盖物对株高有显著影响，B1处理比B2处理高3.6%，差异显著；覆盖物处理中，C2处理株高比C1处理高16.7%，差异显著；播期与播种深度间的互作效应对株高也存在显著影响，播期为A2时，B1处理比B2处理高7.6%，差异显著；同时，播期、播种深度和覆盖物三因素间的交互作用对株高存在显著影响。在花铃期，各处理株高为95.5～118.9 cm，不同处理差异不大。在吐絮期，各处理株高为101.6～130.1 cm，播期对株高存在显著影响，A2处理比A1处理高11.9%，差异显著；A2B1C2处理最高，其中A2B1C2、A2B1C3与A1B2C3、A1B2C1、A1B1C1、A1B1C2、A1B1C3之间差异显著，A2B2C3、A2B2C2、A1B2C2与A1B1C2、A1B1C3之间差异显著，A2B2C1、A2B1C1与A1B1C3之间差异显著，其余各处理差异不显著。

覆盖物对花铃期的果枝数影响显著。其中C3处理花铃期的果枝数比C1处理高9.4%，差异显著，与C2处理差异不显著。播期和播种深度对蕾期果枝数的影响存在显著交互作用，播期为A1时，B2处理的果枝数比B1处理多12.9%，播期为A2时，B1处理的果枝数比B2处理多15.8%。同时，播期、播种深度和覆盖物三因素对蕾期的果枝数存在显著交互作用。蕾期的果枝数为3.8～8.3，A1B2C1与A2B2C1差异显著，其他处理间差异不显著。花铃期的果枝数为11.1～13.7，各处理间差异不显著。吐絮期的果枝数为11.6～13.9，各处理间差异不显著。

3 讨论

通过对不同基质配比对戈壁温室茄子幼苗生长的研究表明，合理的基质配比能显著提高茄子出苗率、株高与茎粗，同时可使幼苗保持较高的代谢能力［14］。孟长军等［15］研究发现，复配基质的育苗效果要优于单一基质，采用复配基质（园土∶草炭∶珍珠岩=1∶2∶1）能够显著促进华山新麦草幼苗根系的发育，提高根系活力，进而增加了华山新麦草幼苗叶片中的氮素含量及叶绿素含量，最终使得华山新麦草幼苗生物量的积累表现更优。黎少玮等［16］研究发现，米老排苗高、地径和总生物量随轻基质比例的增加呈先增加后降低的趋势。常晓晓等［17］通过黄瓜育苗试验发现，添加了菇渣的基质与添加草炭的对照基质相比，黄瓜的生长指标、根系活力及可溶性蛋白质量分数均显著高于对照，而根冠比及叶绿素质量分数与对照均无显著性差异；添加了玉米秸秆和珍珠岩的基质，黄瓜生长指标及叶绿素质量分数与对照无显著性差异，但根系活力、可溶性蛋白质量分数显著高于对照。本研究表明，覆盖物对棉花的生理生化指标影响显著，混合土覆种处理能显著提高苗期和花铃期可溶性糖的含量、苗期NR含量以及蕾期可溶性蛋白含量，显著降低吐絮期MDA含量，同时能显著提高棉花蕾期的株高。覆盖物对花铃期的果枝数也存在显著影响，C3处理果枝数最多，与C1处理差异显著，与C2处理差异不显著。

适宜的播种深度有利于主根的生长和侧根的发生，但播种过深会影响第一次侧根的发生与生长，易造成烂种死苗或棉苗生长势偏弱［6］。甄晓宇等［18］研究发现，播种深度会明显影响花生出苗时间，过浅（3 cm）或过深（＞7 cm）的播种深度显著降低了植株主茎高、侧枝长和叶面积指数（LAI），影响产量形成期叶片叶绿素含量和光合速率，并导致植株干物质积累量显著降低；播种过深（＞7 cm）显著降低了产量形成期叶片可溶性蛋白含量、超氧化物歧化酶（SOD）及过氧化物酶（POD）活性，同时显著提高了丙二醛（MDA）含量，导致叶片膜脂过氧化加剧。前人研究表明，小麦播种过深，会使出苗推迟，对后期的生育进程、株高及叶绿素含量影响较大［19］。陈彩锦等［20］通过研究不同播种深度对燕麦生理特性的影响发现，叶片持水力、POD、SOD、CAT活性均为播深7 cm＞播深5 cm＞播深9 cm。刘斌祥等［21］通过对玉米的研究发现，随着播种深度增加，3叶期的叶绿素含量降低，但5、7叶期后的叶绿素含量则增加，且SOD、POD和CAT活性和MDA含量降低，光合能力和抗旱性增强。韦德斌等［22］研究发现，在土壤结构疏松的条件下，不同的播种深度对玉米生育期、出苗率、倒伏率及植株性状的影响较小。本研究表明，播种深度对苗期和吐絮期可溶性糖含量以及花铃期NR含量存在显著影响，播种深度为2 cm时，其含量更高。播种深度对棉花蕾期的株高有显著影响，株高随着播种深度增加而降低。

娄善伟等［7］认为，播期越推后，棉花越容易出现株高过高，株宽过大现象；只有适时早播，才能利于苗期苗壮，塑造良好群体结构。李世可等［23］研究发现，随着播种时间的推迟，丹参幼苗可溶性糖含量依次降低，可溶性蛋白、POD活性、MDA含量逐渐升高，SOD活性几乎没有变化。花生的田间试验结果表明，随播期推迟，主茎高变矮、侧枝长变短，分枝数、主茎绿叶数和饱果数减少，同时夏直播花生早播有利于提高花针期和结荚期叶绿素含量［24］。高永刚等［25］研究表明，不同播期玉米叶片的光合特性差异显著，随着播期推迟，叶绿素含量、水分利用效率先增加后降低，适期播种可充分利用光、温、水等气候资源，促进光合效率、干物质积累及转化，显著增加产量。赵中亭等［26］发现，播期的推迟会导致蒜后短季直播棉的出苗时间缩短，开花期到吐絮期生育时间延长，株高增加，第一果枝节位降低等变化。本研究表明，播期推迟会使苗期NR含量、吐絮期SOD含量降低。播期对吐絮期的株高也存在显著影响，随着播期的推迟，棉花吐絮期的株高增加。

4 结论

通过播期、播种深度和覆盖物的三因素再裂区试验，研究不同栽培方式对棉花生理特性及生长发育的影响，结果表明，6月初播种、播种深度为2 cm、采用混合土覆种的栽培方式能有效改善植株的生理代谢和形态指标，较适宜湖南区域油后直播棉的生产。该结果为棉花机械化生产提供了理论基础。