种植模式与灌溉定额对机采长绒棉产量及纤维品质形成的影响

王 心,林 涛,崔建平,吴凤全,唐志轩,崔来园,郭仁松,王 亮,郑子漂

(1.新疆农业科学院经济作物研究所,乌鲁木齐 830091;2.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;3.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)

0 引 言

【研究意义】新疆是我国唯一的长绒棉产区,由于新疆无霜期较短,在收获期间为提高棉花吐絮率需要喷施脱叶催熟剂以促进棉铃的集中成熟。与陆地棉相比长绒棉为零式果枝,株型更为凑型,此外长绒棉叶片大而肥厚,叶面蜡质较多,化学脱叶效果差,主要表现为脱叶剂的渗透和吸收效果差[1],脱落的叶片易挂在下部果枝而不落地,造成机采过程中棉籽叶屑杂质含量高,商品属性下降。研发长绒棉的机械采摘农机农艺深度融合关键技术,对促进长绒棉产业发展具有重要意义。【前人研究进展】目前,长绒棉机采种植模式,主要借鉴陆地棉宽窄行(66 cm+10 cm)模式,该模式对水肥要求较高,容易导致中下部冠层郁闭,通风透光不良,蕾铃脱落率增加,影响早熟[2-4];此外冠层郁闭,不利于脱叶剂的穿透,降低脱叶剂的脱叶效率,为降低皮棉叶屑杂质,须增加籽棉清理和皮棉清理工序2～3次,又会引起纤维长度、纤维强度的机械损伤,即加工损失[4],降低了商品等级。近年来生产中提出76 cm等行距机采棉种植模式,具有通风透光良好,叶片脱落率较高,纤维品质较好的优势[5],也有研究表明,该模式下产量不稳定[6-7],株距缩小后,群体水肥竞争加剧,可能是产量下降的主要原因。【本研究切入点】水资源短缺制约长绒棉的产量和品质,机采模式的优化必须建立在节水的基础上[8]。目前机采长绒棉种植模式较为单一,种植模式与灌溉定额对产量形成和机采品质的影响尚缺乏系统研究。需研究种植模式与灌溉定额对机采长绒棉产量及纤维品质形成的影响。【拟解决的关键问题】在最优种植密度的基础上,调控机采种植模式和灌溉定额,分析不同处理对机采长绒棉产量和品质形成的影响,为机采长绒棉农机农艺融合措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2021年4～10月在新疆阿克苏地区阿瓦提县新疆农业科学院阿瓦提棉花综合实验基地进行(N 40°06＇,E 80°44＇,海拔1 025 m)。该区属典型暖温带大陆性干旱气候,降雨稀少,日照充足,热量丰富。近50年年均降水量46.4 mm,日照时数2 679 h,≥10℃年积温3 987.7℃,无霜期211 d。土壤为沙质壤土,0～40 cm耕层土壤有机质8.3 g/kg,全氮0.5 g/kg,速效氮58.4 mg/kg,速效磷35.4 mg/kg,速效钾130.7 mg/kg。

供试品种为新78(机采长绒棉品种,新疆农业科学院经济作物研究所选育),于2020年4月14日播种,4月22日出苗,10月上旬收获。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用双因素裂区试验设计,主区为种植模式。依据主流采棉机对于行距的基本要求,选择生产中最佳密度22.5×104株/hm2,在密度一致的基础上,设置3种不同的机采棉行距:1膜3行平均行距76 cm、株距5.8 cm(S3);1膜4行平均行距57 cm、株距7.7 cm(S4);1膜6行平均行距38 cm、株距11.6 cm(S6)。副区为3个灌溉定额:重度亏缺3 150 m3/hm2(W1)、轻度亏缺4 050 m3/hm2(W2)和充分灌溉4 980 m3/hm2(W3)。试验共9个处理,27个小区,小区面积49 m2(长7 m,宽7 m)。采用1膜3管种植方式,膜宽2.05 m,滴头间距0.25 m,滴头流量2.1 L/h2。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/hm2,尿素(N 46.4%)300 kg/hm2,硫酸钾(K2O 51%)225 kg/hm2。生育期采用 “1水1肥”方式追肥,6月中旬开始灌溉,8月中旬停水,灌水定额为灌溉定额的1/10,共追施尿素600 kg/hm2,其他管理方式参照当地高产棉田。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 干物质积累量及特征值计算

于蕾期、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。棉花干物质随时间变化的量化特征利用Logistic 曲线拟合[9]。

1.2.2.2 产量及其构成因素

吐絮期每个处理的试验小区分别选取长势均衡的66.7 m2代表性区域,调查实收株数和总铃数,折算出单株结铃数和单位面积铃数。每小区取30株长势均匀的棉株,分冠层上、中、下部位棉铃数,并按照相应部位摘取吐絮铃30朵,自然风干后称质量,折算出棉铃质量、籽棉产量和衣分率等产量指标。

1.2.2.3 脱叶率与挂枝率

当天喷施脱叶剂之前,每处理标记连续长绒棉10株,调查其单株叶片数。喷施后7和14 d调查单株叶片数与叶片挂枝数,计算脱叶率与挂枝率。

脱叶率(%)=(施药前叶片总数-施药后叶片总数)/施药前叶片总数×100% ;

挂枝率(%)=挂枝叶片总数/施药前叶片总数×100%。

1.2.2.4 纤维品质

将采取的长绒棉绵样送至农业部棉花品质监督检验测试中心(乌鲁木齐)测定。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2016软件计算和绘制图表;DPS 7.05统计软件,LSD法进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 种植模式与灌溉互作对干物质积累动力学参数的影响

研究表明,干物质积累的动力学参数用Logistic方程进行模拟,其模拟效果较好(R2>0.99)。在同一灌溉定额下,S4处理平均干物质积累开始时间(t1)最早,出现在苗后88.35 d。S6处理干物质快速积累结束时间(t2)最晚,出现在苗后118.84 d。随着平均行距的降低,干物质最大积累速率(Vm)呈上升趋势,t1和t2缩短。S3处理Vm平均分别比S4和S6处理增加0.62和0.77 g/(株·d)。干物质最大积累速率出现时间(T)分别增减4.11和-1.02 d。S6处理Δt分别较S3和S4处理延长8.33和5.68 d。S3处理快速增长期生长特征值平均分别较S4和S6处理高出22.78%和17.28%。随着平均行距的扩大可提早进入干物质快速积累时期并提高Vm,但会减少Δt。在同一种植模式下,随着灌溉定额的减少,t1提前,W1处理平均干物质积累开始时间最早,出现在苗后66.80 d,平均分别比W2和W3处理提前2.00和3.42 d。并且灌溉定额的减少使Δt缩短,Vm降低,W1处理平均分别比W2和W3处理降低0.53和0.10 g/(株·d)。两者互作下,随平均行距的扩大和灌溉定额的增加,Vm变大,Δt较长。表1

表1 不同种植模式与灌溉定额下长绒棉干物质累积动态特征值变化

2.2 种植模式与灌溉定额对干物质积累与分配的影响

研究表明,干物质积累量随生育期的推进而增加。平均行距和灌溉定额的增加显著提升了干物质积累量和生殖器官的分配比例(P<0.05)。在同一灌溉定额下,S3处理在蕾期、花期、铃期和吐絮期干物质积累量平均比S4处理大了10.34%、0.78%、19.08%和22.08%;平均比S6处理大了20.38%、7.69%、21.36%和19.96%。S3处理在蕾期、花期、铃期和吐絮期生殖器官干物质积累量平均比S4处理大了1.46%、32.11%、41.68%和20.12%;平均比S6处理大了31.89%、38.46%、3.73%和15.43%。随行距的增加,棉株个体之间的竞争得到缓解,冠层下部通风透光条件好,LAI适宜,促进了生殖器官的发育。

全生育期同一种植模式下,随着灌溉定额的增加,干物质积累量及干物质向生殖器官的转运逐渐增加。均表现出W3与W2处理差异不显著,与W1处理差异显著。W3处理在蕾期、花期、铃期和吐絮期干物质积累量平均比W1处理大了21.89%、57.07%、35.76%和29.20%;平均比W2处理大了12.87%、16.54%、7.22%和6.78%。W3处理在蕾期、花期、铃期和吐絮期生殖器官干物质积累量平均比W1处理大了37.17%、68.13%、35.35%和68.08%;平均比W2处理大了26.94%、9.98%、10.76%和13.31%。W2处理在减少了灌溉量的基础上,还提升了生殖器官分配比例,并与W3处理差异不显著;而W1处理对干物质积累量及生殖器官分配比例影响显著,不利于产量的形成。图1,图2

图1 不同种植模式和灌溉定额下干物质动态积累变化

图2 不同种植模式和灌溉定额下生殖器官群体干物质积累量变化

2.3 种植模式与灌溉定额对产量构成的影响

研究表明,灌溉定额对籽棉产量影响显著(P<0.05)。籽棉产量随平均行距和灌溉定额的增加而增加。以S4W1处理产量最低,S3W3处理产量最高。同一灌溉定额下,S3处理的籽棉产量分别比S4和S6处理高13.90%和10.26%。在同一种植模式下,W3处理的籽棉产量分别比W2和W3处理高2.49%和3.57%。在产量构成因素方面,单株结铃数受各处理的影响,随着平均行距和灌溉定额的增加而增加,W2与W3处理差异不显著。单铃重受各处理的影响(P<0.05)。3种种植模式下,各灌溉处理的单铃重差异显著(P<0.05),均以W3处理单铃重最大,W1处理单铃重最小。两者互作下,随平均行距和灌溉定额的增加,单铃重变大;S3W3处理分别比S4W3和S6W3处理大了10.14%和4.30%。1膜3行种植模式与灌溉定额为4 980 m3/hm2(S3W3)组合籽棉产量最高,S3W2与其差异不显著。表2

2.4 种植模式与灌溉定额对长绒棉脱叶率和挂枝率的影响

研究表明,随着脱叶剂喷施时间的延长,叶片开始大量脱落,各处理间差异显著。喷药后7 d左右,脱叶率已达70%以上;喷药后14 d,脱叶率可达80%以上;喷施脱叶剂14 d时,各种植模式之间差异不显著,但随平均行距的扩大脱叶率上升。在同一灌溉定额下,S3处理分别比S4和S6处理高出3.21%和5.01%。在同一种植模式下,W3处理分别比W1和W2处理高出10.49%和0%。二者互作下,脱叶率随平均行距和灌溉定额的增加而增加。

喷药后第14 d,叶片挂枝数达到稳定。挂枝数随平均行距的扩大和灌溉定额的降低而降低,达到显著水平。同一灌溉定额下,S3处理挂枝率最低,分别比S4和S6处理低了11.37%和16.75%。同一种植模式下,挂枝率随灌溉定额的增加而降低,W1处理分别比W2和W3处理低了32.84%和41.97%。两者互作条件下,随着平均行距的扩大和灌溉定额的降低,叶片挂枝率最低,以S3W1处理挂枝率最低,为7.2%,最高为S6W3,为15.78%。图3

图3 不同种植模式和灌溉定额下脱叶率和挂枝率变化

2.5 种植模式与灌溉定额对长绒棉纤维品质的影响

研究表明,种植模式对纤维品质影响显著,灌溉定额及二者互作对纤维品质影响不显著。同一灌溉定额下,平均行距的扩大显著增加了上半部均长、整齐度、强度和纺织参数。等行距与宽窄行处理之间差异显著,S3处理的上半部均长、整齐度、比强度和纺织参数较S6处理高出1.09 mm、0.61、0.81和4.15 CN/tex。表3

表3 不同种植模式和灌溉定额下长绒棉纤维品质变化

3 讨 论

3.1 种植模式与灌溉定额对机采长绒棉产量形成的影响

李建伟、魏鑫等[10-12]对比1膜3行、1膜4行和1膜6行研究得出,与宽窄行相比,1膜3行处理显著改善了棉行间的通风透光条件,提高了干物质向生殖器官的分配比例,增加了单株结铃数进而提高了产量[13]。试验结果与其基本一致。等行距处理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。且扩大平均行距显著降低了冠层中下部叶片的重叠程度,增加冠层中下部的透光率,从而增加冠层中下部单株结铃数与单铃重,促进产量的提高。杨北方等[7]研究发现,轻度亏缺灌溉在减少灌溉定额的基础上,还能保持棉花不减产(增产),若灌溉定额过低,虽然WUE 较高,但产量明显降低[14-19]。研究发现,随着灌溉定额的增加,W3处理的生殖器官分配比例和W2处理差异不显著,分别较W1和W2高出30.32%和4.02%;W3处理的籽棉产量分别比W2和W3高2.49%和3.57%。可能是因为灌溉定额过低不利于光合同化物的积累,而灌溉定额过大不利于同化物向棉铃转运[20],导致单株结铃数和单铃质量显著下降,不利于产量的形成。

3.2 种植模式与灌溉定额对机采长绒棉脱叶挂枝的影响

脱叶是影响籽棉含杂率的重要因素[21-23],提高棉花脱叶率降低挂枝率可有效降低籽棉含杂率,提升原棉纤维品质。WANG等[24]在调整行距和适当降低密度下发现,在HWR(76 cm等行距,密度21.9×104株/hm2)处理下,等行距通过增加铃重获得了高产稳产,并且对棉纤维品质没有负面影响。该模式可使吐絮显著提前,有利于促进成熟,落叶效果好,干叶和无效落叶少,对提高机采棉质量具有重要作用。李建峰[25]、王聪[26]等研究结果表明,株行距配置对棉株脱叶率、挂枝叶片数影响较大,施药后35 d,等行距低密度下脱叶率显著高于宽窄行高密度,干枯叶片数表现与其相反。适量增加行距有利于棉花脱叶率的提高和挂枝率的降低,脱叶效果更好。研究结果与其基本一致,在脱叶14 d后,脱叶数量居于稳定。随平均行距的扩大脱叶率上升,挂枝率下降。可能是因为随着平均行距的扩大,极大改善了棉行间的通风透光条件,使脱叶剂的药效发挥到最大,且棉行间较大的行距也利于棉花叶片的脱落,不易挂枝。王刚等[27]研究表明,土壤过于干旱及灌水量太大,都不利于棉花脱叶。研究发现,在常规灌溉处理下(W3),长绒棉脱叶率随灌溉定额的增加而增加,叶片挂枝率表现与其相反。可能是棉花灌溉定额过高或过低,导致棉花叶片活性过低或过旺,导致棉花叶片脱落时易干枯挂在吐絮棉铃上或不易脱落。

3.3 种植模式与灌溉定额对机采长绒棉纤维品质的影响

研究发现[28, 29],棉花纤维品质受遗传因素的影响较显著,但也在一定程度上受栽培方式影响。张文等[30]研究表明,种植模式对棉花纤维品质影响显著,随平均行距的扩大断裂比强度显著增加[31];研究表明,等行距模式下的马克隆值显著变大,但衣分较低。研究发现,种植模式对上半部均长、整齐度、强度和纺织参数影响显著,均随平均行距的扩大而增加。可能是因为随着平均行距的扩大,长绒棉叶片脱叶率上升,挂枝率下降,降低了机采的籽棉含杂率,减少了轧花步骤,纤维品质较好。研究发现,除伸长率外,灌溉定额对纤维品质影响不显著,均以重度亏缺处理(W1)纤维品质较好。等行距和重度亏缺处理(S3W1)下纤维品质较好。

4 结 论

棉花干物质的积累符合 Logistic 生长函数模型。同一灌溉定额下,随平均行距的扩大可提早进入干物质快速积累时期,S3处理最大干物质积累速率平均分别比S4和S6处理增加0.62和0.77 g/(株·d)。76 cm 1膜3行等行距机采种植模式和适度亏缺灌溉组合处理(S3W2)在降低了灌溉定额的基础上,促进了同化物向生殖器官分配,提高了经济器官分配比例,提高棉花产量。同时该模式还兼具化学脱叶效率较高,叶片挂枝率较低,籽棉叶屑杂质少,纤维品质优的特性。