密度和灌溉量互作对76 cm等行距机采棉产量及水分利用效率的影响

吴凤全,林涛,陈兵林,周治国,赵文青,陈利军,汤秋香*

(1.新疆农业大学农学院/棉花教育部工程研究中心,新疆 乌鲁木齐 830052;2.新疆农业科学院经济作物研究所,新疆 乌鲁木齐 830091;3.南京农业大学农业农村部作物生理生态与生产管理重点实验室,江苏 南京 210095)

新疆是我国最大的棉花优势产区,棉花机械化采收是一项复杂的系统工程,其中农业机械与农艺技术无法深度融合是导致机采质量差、采摘效率低的重要因素[1-2]。种植密度和灌溉量是协调产量构成要素与收获指数之间重要的调控因子[3-4],同时也影响了个体与群体发育,避免果枝缠绕,提高落叶效率和纤维成熟的重要影响因素[5]。种植密度过高造成株高、叶面积指数(LAI)和叶向值过大[6],且冠层中、下部郁闭,光合速率减小[7],经济器官分配比例下降。种植密度太低有利于通风透光,但冠层对光的拦截率及利用效率显著降低[8],同时使得果枝交错缠绕加剧,降低脱叶效率和采净率[9]。干旱缺水是新疆典型的生态特点,优化种植密度和灌溉量可以调控蒸散量[10-11],协调作物产量和水分利用率之间的关系[12]。适度的亏缺灌溉虽然抑制棉花营养生长,但可以促进经济器官分配比例的提高,从而达到较好的节水效果[13-14]。牛玉萍等[15]研究表明,在亏缺灌溉的技术上进一步优化种植密度,可以调节植株群体叶倾角,保证冠层中、下部有较高的光吸收率,弥补亏缺灌溉带来的产量损失。

近年来,为了减少果枝缠绕,降低机采棉叶屑等杂质含量,生产中出现了76 cm等行距机采棉种植模式,与传统(10+66)cm宽窄行种植模式相比,该模式具有通风透光性好,叶片脱落率高,机采籽棉含杂率低的优势[5]。由于该模式田间管理和丰产技术的研究还比较有限,农机农艺融合技术仍需要进一步完善。因此,本研究开展密度与灌溉量互作对机采棉光合产物积累与分配的影响研究,探明二者对76 cm等行距机采棉种植模式下产量和水分利用效率的调控效应,对促进机采棉农机农艺深度融合技术的发展,提高机械化采摘效率具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验设计

1.1.1 试验区概况试验于2019—2020年在新疆阿瓦提县(N41°06′,E80°44′,海拔1 025 m)农业农村部荒漠绿洲耕作与栽培野外综合观测试验站进行。该站属于典型的暖温带大陆性干旱气候,具有夏季炎热、降雨稀少的特点。近30年(1990—2019年),年平均气温10.4 ℃,大于等于10 ℃积温3 988 ℃,日照时数2 679 h,无霜期 211 d,年降水量 46.7 mm,年蒸发量 2 900 mm,蒸发降水比大于50,农业生产完全依赖于灌溉。土壤质地为砂壤土,播前0～40 cm土壤平均干容重1.48 g·cm-3,田间持水率(质量分数)为 22.5%,凋萎系数7.3%,有效水15.20%。土壤有机质 10.60 g·kg-1,全氮 1.79 g·kg-1,碱解氮43.80 mg·kg-1,速效磷 21.4 mg·kg-1,速效钾 207.47 mg·kg-1,总盐分 1.02%。地下水位 40～50 m,地下水不能补给作物根系分布层,向上补给量忽略不计。

1.1.2 试验设计采用裂区试验设计,以密度为主区:13.5万株·hm-2(D1,低密度)、18.0万株·hm-2(D2,中密度,CK)和22.5万株·hm-2(D3,高密度),灌溉量为副区:3 150 m3·hm-2[I1,重度亏缺(田间持水率的50%)]、4 050 m3·hm-2[I2(CK),轻度亏缺(田间持水率的75%)]和4 950 m3·hm-2[I3,充分灌溉(田间持水率的100%)],小区面积39 m2(长6.5 m,宽6.0 m),重复4次(其中1个为取样小区)。供试品种为‘新陆中88号’,4月15日播种,“1膜3行3管”76 cm等行距机采棉种植模式,地膜幅宽 2.05 m,机械覆膜打孔,人工点播,每穴放入3～4粒种子,出苗后保留1棵健壮植株,其余拔除。滴灌带间距为76 cm,滴头间距为25 cm,滴头流量2.1 L·h-1。每个小区采用水表和开关单独控水,为了防止不同水分处理的边际效应,小区边界挖0～50 cm窄沟,采用PVC薄板阻隔。所有小区灌溉和施肥频率均为每7 d 1次,生育期采用“一水一肥”灌溉施肥,2年试验均在6月20日滴头水,8月22日停水。底肥一次性投入磷酸二铵(P2O553.8%,N 21.2%)450 kg·hm-2,硫酸钾(K2O 51%)225 kg·hm-2,尿素150 kg·hm-2(N 46.4%)。其余管理参照常规大田进行。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 干物质测定于苗期、蕾期、花期、铃期和吐絮期选择长势均匀,具有代表性植株6株,将每一株分成根、叶、茎、生殖器官(蕾铃花),105 ℃杀青30 min后80 ℃烘干至恒重。

1.2.2 棉花“三桃”数量调查每个小区随机选取植株20 株,于7月15日、8 月10日和9月5日调查单株成铃数,折算成伏前桃、伏桃和秋桃。

1.2.3 棉花冠层结构的测定使用CI-110植物冠层数字图像分析仪(Li-Cor Inc.,USA),从蕾期开始每10 d测定基本种植单元行间、宽行及裸行位点的叶面积指数(leaf area index,LAI),取其平均值。

1.2.4 产量及水分利用效率的测定收获期各小区进行实收计产。主要测量指标有籽棉产量、单铃质量、单株结铃数。灌溉水分利用效率(IWUE,m3·kg-1)=Y/I,其中:Y为籽棉产量(kg·hm-2);I为灌溉量(m3·hm-2)。

1.3 数据分析

采用SPSS 22.0的LSD法进行数据差异显著性分析(P<0.05)。采用SigmaPlot 12.0和Excel 2010进行数据分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 密度与灌溉量互作对棉花叶面积指数(LAI)的影响

从图1可见:LAI随着生育进程的推进呈单峰曲线,在不同种植密度和灌溉量下,D1I3在出苗后115 d LAI达到最大值,其中2019年为5.20,2020年为5.27,其余处理在出苗后105 d达到最大值,为3.52～6.72。出苗后105 d以前LAI从大到小的处理依次为D3I3、D2I3、D3I2、D2I2、D3I1、D2I1、D1I3、D1I2、D1I1,在出苗后105 d以后LAI从大到小的处理依次为D3I3、D3I1、D2I2、D2I3、D3I2、D2I1、D1I3、D1I2、D1I1。说明在棉花花铃期后D3I1和D2I3处理缓解LAI的衰减速度仅次于D3I3。但在D1种植条件下,无论是否增加灌溉量,LAI在整个生育期均处于较低水平。

图1 密度与灌溉量互作对棉花叶面积指数(LAI)的影响Fig.1 Effect of density and irrigation volume interaction on leaf area index(LAI)of cotton D1、D2、D3:种植密度分别为13.5、18.0、22.5万株·hm-2;I1、I2、I3:灌溉量分别为3 150 、4 050 和4 950 m3·hm-2。下同。D1,D2,D3:Planting densities are 13.5×104,18.0×104,22.5×104 plants·hm-2;I1,I2,I3:Irrigation amounts are 3 150,4 050 and 4 950 m3·hm-2. The same as follows.

2.2 密度和灌溉量互作对棉花干物质积累动力学参数的影响

从表1可见:干物质积累动力学参数受种植密度的影响显著(P<0.05);快速积累期终止时期(T2)、最大积累速率出现时间(Tm)受灌溉量影响显著(P<0.05);其中除快速积累持续期(ΔT)、T2、最大积累速率(Vm)受二者交互作用的影响不显著外,各处理的干物质快速积累量(Adm)、快速积累期起始时期(T1)、Tm等参数均表现出显著差异。随着种植密度和灌溉量增加,棉株干物质和Vm升高,T2和Tm推后,ΔT延长;在种植密度和灌溉量互作条件下,D3I1的干物质快速积累量、快速积累速率最大,在2019年分别为 14.30 t·hm-2、375.14 kg·hm-2·d-1,与各处理平均值相比,D3I1棉株干物质快速累积量提高25.18%,最大累积速率提高24.25%。综上所述,高密度重度亏缺条件下,棉花的Vm较大,促进Adm的形成,使高密度重度亏缺与高密度轻度亏缺、高密度充分灌溉干物质积累状况基本一致。

表1 密度与灌溉量互作对棉花干物质累积动态特征值的影响Table 1 Effect of density and irrigation volume interaction on eigenvalues of dry matter accumulation dynamics of cotton

由图2可知:棉花在整个生育进程中,干物质积累量呈“缓慢—快速—缓慢”的变化趋势,随着种植密度和灌溉量增加,棉花生育中后期干物质积累量升高。在棉花收获期,D2、D3条件下干物质积累量比D1分别提高13.98%、35.76%;I2、I3干物质积累量比 I1提高11.74%、17.16%。在种植密度与灌溉量互作条件下,D3I3、D3I2和D3I1收获期的干物质积累量比D2I2分别提高17.82%、17.48%和9.64%,在高密度(D3)种植条件下,I2、I3的干物质积累量显著高于I1处理。因此,增加种植密度和灌溉量可以显著提高棉花成熟期干物质积累量,但在高密度种植条件下,采用重度亏缺灌溉仍然有利于干物质的积累,且显著高于中等种植密度亏缺灌溉组合。

图2 密度与灌溉量互作对棉花干物质积累动态的影响Fig.2 Effect of density and irrigation volume interaction on dynamics of cotton biomass

2.3 密度和灌溉量互作对棉花干物质分配的影响

由表2可见:密度、灌溉量及二者交互作用均对棉花干物质分配影响显著(P<0.05)。在棉花进入吐絮期,随着种植密度的增加,经济器官的分配比例显著提高。在中、低种植密度条件下,随着灌溉量的增加,I2的经济器官的分配比例最高,但在高密度种植条件下,经济器官的分配比例随灌溉量的增加呈现递减趋势。在密度与灌溉量互作条件下,在棉花进入花铃期,D2I2的经济器官分配比例最大,在2019年和2020年分别达到43.03%和42.31%。当棉花进入吐絮期时,D3I1的经济器官分配比例显著提高,在2020年达到最大值,为57.82%。说明提高种植密度能够提高棉花干物质积累量,若在高密度种植条件下,可将灌溉量降低至田间持水量的50%左右,有利于棉花在吐絮期经济器官分配比例的提高,使更多的干物质向生殖器官转移,获得高产。

表2 密度与灌溉量互作对棉花不同生育期干物质分配的影响Table 2 Effects of density and irrigation volume interaction on dry matter distribution of cotton at different stage

2.4 密度和灌溉量互作对“三桃”的影响

从图3可见:随着种植密度的增加,单株伏前桃、伏桃、秋桃呈先增加后减少的趋势。在中、低密度种植条件下,随着灌溉量的增加,单株伏前桃、伏桃、秋桃呈先增加后减小的趋势;但在高密度种植条件下,I1的单株伏前桃、伏桃、秋桃分别为每株1.7、5.8、2.5个。在种植密度和灌溉量互作条件下,D2I2的伏前桃和秋桃分别为每株1.8、2.7个,但伏桃较D3I1减少14.6%。中密度(D2)种植和轻度亏缺灌溉(I2)条件下虽然有利于伏前桃与秋桃的生长,但若采用高密度、重度亏缺灌溉,能够促进棉花铃期同化物向生殖器官转移,有利于单株伏桃数的提高,促进棉花产量的提高。

图3 密度与灌溉量互作对棉花“三桃”的影响Fig.3 Effects of density and irrigation volume interaction on time distribution of cotton bolls

2.5 密度和灌溉量互作对籽棉产量及水分利用效率的影响

如表3所示:种植密度和灌溉量以及二者互作均对籽棉产量影响显著(P<0.05)。随着种植密度和灌溉量的增加,籽棉产量呈现递增趋势,D3I1的籽棉产量比D3I2、D2I2分别高出12.3%和3.4%。在产量构成因素方面,单铃重只受种植密度的影响,随种植密度的降低而显著增加。单位面积铃数(铃密度)受种植密度、灌溉量及其互作的影响(P<0.05)。在高种植密度(D3)下,3种不同灌溉量的铃密度无显著差异;在中等种植密度条件(D2)下,I3和I2的铃数比I1分别多11.2%和7.5%;在低密度种植条件(D1)下,I3铃数比I1和I2多12.10%和2.44%。在水分利用效率(WUE)方面,种植密度和灌溉量均对WUE影响显著(P<0.05),随着灌溉量的增加,WUE呈递减趋势。在各处理组合中,D3I1条件下的WUE最高,在2020年达到1.87 m3·kg-1,分别比D2I2和D1I3高32.08%和41.17%。因此,采用76 cm等行距种植模式,当种植密度为22.5万株·hm-2,灌溉量为3 150 m2·hm-2时,有利于籽棉产量和水分利用效率的提高。

表3 密度与灌溉量互作对籽棉产量及水分利用效率的影响Table 3 Effects of density and irrigation volume interaction on seed cotton yield and water use efficiency

3 讨论

在棉花生长发育过程中,合理的冠层结构能提高群体光合效能[16]。种植密度增加,叶面积指数增大,冠层光截获率增加,群体光合效能明显增强[17-18]。随着滴灌量减少,棉花叶面积指数、冠层开度、群体光吸收率、群体光合速率均降低[19]。本研究中,棉花采用76 cm等行距种植,在常规种植密度下增加25%种植密度,减少20%的灌溉量仍然能够在生育后期保持较高的绿叶面积。但关于密度和灌溉量对棉花叶倾角、叶相比及光能截获利用效率等的影响需要进一步研究。

干物质积累是棉花产量的物质基础,群体干物质保持在适宜的范围内,有利于协调营养生长与生殖生长的分配比例,为棉花高产建立合理的群体基础。相关研究发现,种植密度的提高,使群体干物质呈先升高后降低趋势[20],但单株光合物质积累量向生殖器官的分配比例在生育后期减少,不利于产量提高[21]。采用亏缺灌溉能有效控制植株营养生长,获得理想的株型和根冠比[22]。本试验在76 cm等行距种植条件下,增加密度能显著提高干物质积累量,且与灌溉量存在显著的互作效应,采用高密度重度亏缺灌溉有利于棉花群体生物量的积累及经济器官分配比例的提高,这可能是适当的水分亏缺可调节作物群体向生长中心的转移或某些组织器官的生长发育,使整个植物干物质向各器官的分配比例更合理,以应对水分短缺。

棉花具有较强的自身调节能力,通常可以根据环境条件的变化,通过调整生物产量及其分配来保持产量的稳定。研究发现,种植密度的增加,虽然使平均净同化率下降,导致单株结铃数和单铃重下降,但能提高单位面积结铃数[23],本试验结果与之基本一致。此外,本研究发现,在高密度种植条件下,适当减少灌溉量能提高单铃重,从而使高密度重度亏缺灌溉条件下的棉花产量及水分利用效率提高。

综上所述,在76 cm等行距种植模式下,提高密度能显著提高生物产量和单位面积铃数;在高密度种植条件下,适当减少灌溉量,能促进同化物向生殖器官分配,有利于经济器官分配比例的提高,从而进一步提高棉花产量。