棉花应用脱叶催熟剂对后茬小麦生长及产量的影响

汤可心 霍旖旎 宋兴虎 张 祥 李亚兵 杜明伟* 田晓莉 李召虎

(1.中国农业大学 农学院/作物化控研究中心/植物生长调节剂教育部工程研究中心，北京 100193；2.扬州大学 农学院，江苏 扬州 225009；3.中国农业科学院 棉花研究所,河南 安阳 455000)

化学脱叶催熟是通过外源施用脱叶剂和催熟剂加快叶片脱落、加速作物成熟的一种技术[1]，是机采棉生产中必不可少的一项配套技术措施。20世纪50年代,在我国新疆棉区就已开展了棉花脱叶催熟剂的应用探索，自20世纪90年代开始进行了大量的机采棉脱叶催熟相关研究工作[2-5]，该技术对于我国机采棉生产节本增效、提高原棉产量和品质有着重要意义[1,6]。

麦-棉轮作制度能够充分利用光热和土地资源，对于“两熟双高产”栽培具有重要意义[7-8]。黄淮海平原及长江流域北部地区，光温水资源丰富，无霜期长，适宜发展粮-棉轮作制度[9]。但该地区在棉花收获季节气候多变、棉铃吐絮不集中，导致收获期延长，影响棉花机械收获和后茬作物播种。实施棉花化学脱叶催熟，可以加快棉铃吐絮和棉叶脱落[10-12]，不仅有利于提高机械采收质量和效率，也有利于后茬作物适期早播。但有研究发现‘噻苯隆’和‘敌草隆’等常用的化学脱叶剂成分会在棉株[13-14]和土壤[15-16]中残留，且‘噻苯隆’会引起一些植物如天竺葵生长迟缓及叶片皱缩[17]；水稻除草剂残留也会对后茬作物如甜菜、烟草等造成药害，导致新生叶片皱缩，叶色变深，根系变短[18-19]。棉花脱叶催熟与后茬作物播种(移栽)间隔期较短(一般相隔15～20 d)，关于‘噻苯隆’在土壤中的残留消解动态研究表明，‘噻苯隆’在土壤中的消解符合一级动力学方程，在150～450 g/hm2用量下，长江流域棉区土壤中‘噻苯隆’消解半衰期为7.1～16.8 d[13,20]。

尽管棉花脱叶催熟技术在世界主要植棉区已大面积推广应用，但由于美国、澳大利亚及我国等棉花机收水平较高的国家和地区基本无麦-棉轮作模式，目前，在麦-棉轮作区残留的脱叶催熟剂对后茬小麦影响的研究鲜见报道。本研究分别在盆栽和田间条件下，设置不同脱叶催熟剂处理，分析冬小麦生长发育和产量等指标，旨在探究麦后直播棉应用脱叶催熟剂对后茬小麦出苗、苗期生长及产量的影响，以期为完善麦后直播棉应用化学脱叶催熟技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试药剂：50%‘噻苯隆’可湿性粉剂(Thidiazuron，四川国光农化有限公司)、98%的‘噻苯隆’标准品(Thidiazuron，美国Sigma-Aldrich公司)、40%的‘乙烯利’水剂(Ethephon，江苏安邦电化有限公司)。

1.2 试验设计

1.2.1土壤添加‘噻苯隆’对冬小麦生长发育影响的试验

土壤添加试验在中国农业大学温室进行，小麦品种为‘济麦22’。多组试验处理和药剂浓度，见表1。

表1 不同处理 ‘噻苯隆’的用量Table 1 The dosage of ‘Thidiazuron’ in different treatments g/hm2

我国农药利用率已达40.6%[21]，本试验以农药利用率为40%计算，即按照最高60%的药剂残留于土壤中，以此为基础模拟田间‘噻苯隆’使用量(440～450 g/hm2)的60.0%、30.0%、3.0%和0.3%等设置处理，即土壤残留‘噻苯隆’的有效成分分别为132.00～135.00 (60.0%)、66.00(30.0%)、6.60(3.0%)和0.66(0.3%)，并分3批次进行试验。根据盆口径面积以300 L/hm2水等比折算，在不同消解时间取样检测土壤中‘噻苯隆’残留量，放置消解14～17 d，将盆内土壤翻匀，播种冬小麦。

1.2.2田间应用脱叶剂‘噻苯隆’对后茬冬小麦生长发育影响的试验

大田试验于2011、2012—2013、2019年分别在安徽省东至县棉花原种场(安徽东至)、江苏省盐城市大丰区稻麦原种场(江苏大丰)、安徽省东至县大渡口镇(安徽东至)进行。多组试验处理和药剂浓度，见表2。

表2 不同剂量‘噻苯隆’和‘乙烯利’混合处理Table 2 Mixed treatment with different doses of ‘Thidiazuron’ and ‘Ethephon’

1.3 指标测定

土壤中‘噻苯隆’的提取参考Cui等[15]的方法。利用OVA-TDZ抗原包被酶标板进行测定。采用logit曲线来计算ELISA试验结果。以‘噻苯隆’标样质量浓度的自然对数为横坐标，各浓度与零孔显色值的比值为纵坐标来制作标准曲线。得到样品中‘噻苯隆’的浓度后，样品中‘噻苯隆’的含量计算公式为：

A=(N×V2×V3×B)/(V1×W)

式中：A，‘噻苯隆’的含量，ng/g；N，样品中‘噻苯隆’的浓度，ng/mL；V2，提取样品得到上清液的总体积，mL；V1，N2吹干后的上清液总体积(当提取的上清液全部吹干时V1与V2的体积相同),mL；V3，N2吹干后定容所用样品稀释液的体积,mL；W，样品的鲜重，g；B，样品的稀释倍数(样品稀释液定容以后的稀释倍数)。

从播种后3 d开始，记录1周内小麦出苗情况，统计出苗率，%；株高，cm；干物质重，g；根冠比。将盆栽小麦根系用水冲洗干净，保持根系完整用EPSON V700型扫描仪进行扫描，利用WinRHIZO根系分析软件计算总长度(Len)，根总体积(Vol)，总表面积(SA)，平均根直径(AvgD)。

1.4 数据统计及分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据整理，用IBM SPSS Statistics 21数据统计软件进行ANOVA 方差分析，用最小显著差数法(LSD)检验平均数(P=0.05)。

2 结果与分析

2.1 土壤添加‘噻苯隆’对盆栽冬小麦生长发育的影响

2.1.1土壤中‘噻苯隆’的消解动态

由图1可知，土壤添加‘噻苯隆’剂量为135.00 g/hm2时，在添加0 d(3 h)后，土壤中‘噻苯隆’含量为1.08 mg/g，消解14 d后，土壤中‘噻苯隆’含量降至0.36 mg/g，降解率为67%，‘噻苯隆’半衰期为6.9 d。

图1 土壤添加‘噻苯隆’的残留及消解动态Fig.1 Residue and degradation dynamics of ‘Thidiazuron’ added in soil

2.1.2幼苗形态

由图2可知，土壤添加高剂量(135.00 g/hm2) ‘噻苯隆’，播种后14 d‘噻苯隆’会抑制小麦生长，地上部长势偏弱，根系形态建成受到影响，抑制须根形成，导致根量减少(图3(a))；添加低剂量(0～66.00 g/hm2)‘噻苯隆’，播种后14 d地上部受影响程度较小，但随着添加剂量增大，地上部生长和根系形态建成受抑制程度增加(图3(b))。

图2 添加高剂量(a)和低剂量(b)‘噻苯隆’的盆栽小麦播种后14 d的幼苗(比例尺：cm)Fig.2 Seedling of potted wheat after sowing 14 d in added high dose (a) and low dose (b) of ‘Thidiazuron’ soil (scale：cm)

2.1.3根系形态参数

由表3可知，播种后14 d，0.66和6.60 g/hm2‘噻苯隆’处理对盆栽小麦总根长、根表面积和根体积与对照相比均无显著差异；66.00 g/hm2剂量‘噻苯隆’处理显著降低了小麦总根长、根表面积和根体积；随着脱叶剂浓度的提高，小麦幼苗平均根直径呈上升趋势。由表4可知，播种后28 d，‘噻苯隆’处理盆栽冬小麦的总根长、根表面积、平均根直径、根体积都有不同程度的下降，且随‘噻苯隆’浓度的增加各指标的下降幅度增大；低剂量(66.00 g/hm2)‘噻苯隆’处理对小麦根系生长无显著影响，但高剂量(132.00 g/hm2)‘噻苯隆’显著降低根表面积和体积，表明<66.00 g/hm2‘噻苯隆’处理的小麦根系生长指标与对照相比差异不显著。高剂量(132.00 g/hm2)‘噻苯隆’处理使小麦须根减少，从而影响总根长和根体积，根量显著减少，会导致养分和水分吸收减少，进而影响地上部的生长发育。

表3 不同剂量‘噻苯隆’处理后播种14 d盆栽小麦根系形态指标Table 3 Root morphological indexes of potted wheat 14 d after sowing under different doses of ‘Thidiazuron’

表4 不同剂量‘噻苯隆’处理后播种28 d盆栽小麦根系形态指标Table 4 Root morphological indexes of potted wheat 28 d after sowing under different doses of ‘Thidiazuron’

2.1.4物质积累及分配

由图3可知，播种后14 d，与清水对照相比，土壤添加0.66、6.60、66.00 g/hm2‘噻苯隆’会导致地上部和根干重下降，66.00 g/hm2处理与0.66、6.60 g/hm2处理相比根冠比显著下降。由图4可见，随土壤添加‘噻苯隆’剂量增加，地上部和根的干重逐渐下降。播种后28 d，剂量增加至132.00 g/hm2时，地上部和根干重及根冠比均显著低于清水对照。‘噻苯隆’脱叶剂处理在影响根系建成的同时会减少根对水分及养分的吸收，从而影响小麦根和地上部的物质积累和分配。

图3 不同剂量‘噻苯隆’处理后播种14 d的小麦干重(a)和根冠比(b)Fig.3 Dry weight (a) and root-shoot ratio (b) of potted wheat 14 dafter sowing under different doses of ‘Thidiazuron’

图4 不同剂量‘噻苯隆’处理后播种28 d的小麦干重(a)和根冠比(b)Fig.4 Dry weight (a) and root-shoot ratio (b) of potted wheat 28 dafter sowing under different doses of ‘Thidiazuron’

2.2 两种棉花脱叶剂混用残留对后茬小麦田间生长及产量的影响

2.2.1出苗率

由图5可知，2011年安徽省东至县棉花原种场(安徽东至)试验结果表明，脱叶催熟处理棉田后茬小麦出苗率有所下降但与对照相比无显著差异，处理和对照的出苗率分别为82.6%和81.2%，2012年江苏省盐城市大丰区稻麦原种场(江苏大丰)试验结果与2011年一致，表明施用‘噻苯隆’450 g/hm2+‘乙烯利’2 250 mL/hm2后茬小麦出苗率与对照相比无显著差异。此外，与对照相比，2013年棉花脱叶催熟剂3个用量水平处理的小麦出苗率均有所下降，但在相对低剂量(‘噻苯隆’600 g/hm2+‘乙烯利’2 250 mL/hm2)下对小麦出苗率没有显著影响，且600 g/hm2‘噻苯隆’+2 250 mL/hm2‘乙烯利’与900 g/hm2‘噻苯隆’+4 500 mL/hm2‘乙烯利’两种混用处理之间出苗率无显著差异，说明在这个用量范围内，脱叶催熟剂对后茬小麦出苗无显著影响，可以作为脱叶催熟剂安全剂量。用量增加至1 200 g/hm2‘噻苯隆’+9 000 mL/hm2‘乙烯利’时，小麦出苗率比对照降低18.7%。

2.2.2幼苗形态及株高和根长

由图6和图7可知，2019年安徽东至试验点的结果表明，‘噻苯隆’+‘乙烯利’混合用量450 g+1 725 mL/hm2、600 g+3 000 mL/hm2和600 g+4 500 mL/hm23种处理的后茬小麦2叶期株高与对照相比无显著差异，但根长分别比对照降低41%、35%和43%。

图6 脱叶剂残留大田播种后21 d的小麦幼苗(比例尺：cm)Fig.6 Wheat seedlings 21 d after sowing in the field with defoliant residues (Scale：cm)

1 725和3 000 mL分别代表40%乙烯利的剂量。下同。1 725 and 3 000 mL indicate dose of 40% ‘Ethephon’ respectively. The same below.图7 脱叶剂残留大田播种21 d后小麦的株高和根长Fig.7 Plant height and root length of wheat 21 d after sowing in the field with defoliant residues

2.2.3产量及千粒重

由图8可知，450 g/hm2‘噻苯隆’+1 725 mL/hm2‘乙烯利’混用时，后茬小麦产量与对照相比无显著差异。600 g/hm2‘噻苯隆’+3 000 mL/hm2‘乙烯利’时，小麦产量与对照相比未显著降低，但600 g/hm2‘噻苯隆’+4 500 mL/hm2‘乙烯利’混用时，后茬小麦产量低于清水对照22%。可见，施用棉花脱叶剂‘噻苯隆’对后茬小麦产量无显著影响，但催熟剂‘乙烯利’用量较高会导致小麦产量显著降低。

图8 安徽东至试验点脱叶剂残留大田的后茬小麦产量Fig.8 Yield of wheat in the field with defoliant residues at Dongzhi County, Anhui Province

由图9可知，‘噻苯隆’与‘乙烯利’混用进行棉花脱叶催熟对后茬小麦千粒重的影响较小。‘噻苯隆’+‘乙烯利’用量分别为450 g+1 725 mL/hm2和600 g+3 000 mL/hm2时小麦千粒重与对照无显著差异，但‘噻苯隆’+‘乙烯利’的用量为600 g+4 500 mL/hm2时，小麦千粒重低于清水对照11%。

图9 脱叶剂残留大田后茬小麦的千粒重Fig.9 1 000-grain weight of wheat in the field with defoliant residues

3 讨 论

3.1 土壤中残留‘噻苯隆’的降解动态及其对后茬小麦生长发育的影响

已有研究表明，‘噻苯隆’和‘敌草隆’等植物生长调节剂会造成棉株[13-14]和土壤[15-16]中的残留，土壤中的化学农药会对作物和轮作后茬造成不利影响[17,22-25]。化学农药的残留和消解受多种因素影响，不同施用量以及不同土壤类型、土壤温度和土壤养分条件下的残留消解情况不同，土壤养分含量高更有利于土壤中残留的药剂消解[26-27]；适宜的土壤温度和湿度有利于土壤中药物分解及微生物降解[27-28]；不同质地的土壤团粒结构对农药的吸附作用不同，粘土颗粒的吸附作用大于壤土，砂土吸附作用最小，因此农药在黏土中半衰期最长，壤土次之、砂土最短[29]。本研究利用ELISA方法检测土壤添加‘噻苯隆’后其残留消解动态，结果表明在室内人工气候室18～22 ℃时，土壤添加135.00 g/hm2‘噻苯隆’后3 h土壤中‘噻苯隆’的原始累积量为1.08 mg/g，经过14 d的降解后土壤中‘噻苯隆’残留量降低至0.36 mg/g，降解率约为67%，半衰期为6.9 d。已有研究表明不同条件下‘噻苯隆’在大田中的消解半衰期为7.07～16.80 d[13,20]，由于与田间消解条件不同，本试验结果与冯义志等[13]、蔡德玲等[20]的研究存在一定差异。有研究表明，土壤中的‘噻苯隆’会对植株生长发育产生影响，例如导致盆栽天竺葵根量减少和生长迟缓[17]，本研究中冬小麦苗期生长发育受残留‘噻苯隆’影响的结果与之一致，高剂量‘噻苯隆’(135.00 g/hm2)处理土壤后，播种时‘噻苯隆’残留量为0.36 mg/g，小麦出苗和生长发育受到显著抑制，尤其对后茬小麦须根形成有显著的抑制作用。土壤添加剂量降低至66.00 g/hm2时，施用14 d后‘噻苯隆’含量为0.09 mg/g，该剂量对小麦出苗及地上部生长发育有一定促进作用，这可能与‘噻苯隆’具有细胞分裂素活性有关[30]。但根系形态建成仍受到显著抑制，随残留量增加呈逐渐降低趋势，但与对照无显著差异。由于根系受到‘噻苯隆’残留的直接影响，因此受抑制作用更显著，小麦根系对水分和养分吸收量减少，从而影响植株长势及地上部和根的干物质积累。

3.2 土壤残留‘噻苯隆’对后茬小麦生长发育的剂量效应

不同剂量棉花脱叶催熟剂对后茬小麦出苗、生长发育及产量的影响程度存在差异。低剂量‘噻苯隆’残留不会影响后茬小麦出苗率，对小麦的生长发育和产量也未产生显著影响，但‘噻苯隆’1 200 g/hm2+‘乙烯利’9 000 mL/hm2会导致小麦出苗率降低18.7%；‘噻苯隆’+‘乙烯利’用量为450 g+1 725 mL、600 g+3 000 mL和600 g+4 500 mL处理的残留分别导致小麦根长比对照降低41%、35%和43%，3种处理均导致小麦根长显著低于清水对照，地上部生长与清水对照并无显著差异；加大用量至600 g‘噻苯隆’+4 500 mL‘乙烯利’，小麦产量降低近22%，千粒重降低近11%。

本研究使用的脱叶剂为50%‘噻苯隆’可湿性粉剂、催熟剂为40%‘乙烯利’水剂。中国农药信息网企业登记的50%‘噻苯隆’用量为450～600 g/hm2，40%‘乙烯利’水剂用量为330～500倍液，田间进行脱叶催熟时，需兑水450 L/hm2，因此40%‘乙烯利’用量达到900～1 364 mL/hm2。本试验棉花应用‘噻苯隆’450 g/hm2+‘乙烯利’1 725～2 250 mL/hm2进行脱叶催熟，对后茬小麦苗期的根系发育造成不利的影响，但对后茬小麦的出苗率及产量无显著影响，更适于麦棉两熟模式的棉花脱叶催熟。与中国农药信息网‘噻苯隆’推荐剂量相比450 g/hm2的用量是安全的，与‘乙烯利’推荐用量330～500倍液(900.0～1 363.5 mL/hm2)相比，本研究得出田间用量为1 725～2 250 mL/hm2(200～260倍液)可以实现较好的催熟效果且不会对后茬小麦造成不利影响。

3.3 应用脱叶催熟剂对后茬作物的影响

脱叶催熟效果易受棉田长势和气象因素等影响，导致不同地区、不同时期的应用效果存在差异[31]。长江中下游流域棉区气候湿度较高，将‘噻苯隆’与‘乙烯利’复配施用可以达到比单用‘噻苯隆’或‘乙烯利’更理想的脱叶催熟效果，同时可以减少‘噻苯隆’在田间的残留[32-33]。麦后直播棉的化学脱叶催熟不仅要保证棉花脱叶催熟效果，还要考虑脱叶催熟剂在土壤中的残留消解动态及其对后茬作物生长的安全性影响。‘噻苯隆’及其衍生物具有高度细胞分裂素活性，能够促进愈伤组织生长和激素的相互作用[30]，残留在土壤中的微量‘噻苯隆’及其发挥的细胞分裂素活性对后茬作物激素水平变化及苗期生理的影响仍有待研究。此外，在大田生产中如果能够适当改善间隔期内的残留消解条件(如提高土壤湿度、增加有机质含量等)，促进残留降解，使残留量降低，利用低浓度‘噻苯隆’促进后茬小麦出苗和生长发育，对后茬作物苗期抗逆和促早发也具有积极的作用。

4 结 论

本研究结果表明，土壤中高剂量‘噻苯隆’(132.00～135.00 g/hm2)对小麦苗期生长发育存在不利影响，显著降低了小麦株高、根表面积、根体积和根干重。棉花应用‘噻苯隆’450 g/hm2+‘乙烯利’1 725 mL/hm2进行脱叶催熟，对后茬小麦的出苗率及产量无显著影响，更适于黄淮海平原南部及长江流域北部麦棉两熟生产模式的棉花脱叶催熟。