行距和密度对冀南棉区机采棉株型塑造、产量和品质的影响

王燕,张谦,董明,李冰,王树林,冯国艺,梁青龙,祁虹*

(1.河北省农林科学院棉花研究所/农业农村部黄淮海半干旱区棉花生物学与遗传育种重点实验室/国家棉花改良中心河北分中心,河北 石家庄 050051;2.邢台市任泽区农业农村局,河北 邢台 054000)

棉花是我国重要的经济作物,河北省是我国棉花主产区之一,棉区主要分布在冀南地区。近年来,随着棉花种植成本提高,农村劳动力缺乏等原因,内地棉花种植面积连年萎缩,棉花生产逐渐转移到新疆［1］。棉花机采是解决棉花种植过程中大量消耗劳动力的棉花采收问题,是棉花发展的重要出路之一［2］。但冀南地区棉花机采发展缓慢,研究也相对滞后,适宜的种植模式尚不明确。新疆发展机采棉多年,依靠栽培方法塑造机采棉株型的方法比较成熟,但生态条件与冀南地区相差很大。因此,研究适合冀南棉区机采棉的种植模式,增加河北省机采棉栽培措施的技术储备,可为河北省机采棉栽培管理提供理论基础和科学依据。

株型结构是棉花能否成功机采的最重要指标,而行距与密度配置是塑造棉花株型的主要方法之一［3］,也是实现棉花合理密植与机械采收技术相结合的重要手段。在不同种植密度条件下,通过合理的行距设置,使植株得到均匀分布,既能充分发挥个体潜力,又能为棉花生长提供更好的通风透光条件,利于优化群体结构［4］。有研究表明,小行距配置的植株光截获量高于大行距配置［5］。株行距配置可以显著影响棉花生长发育和产量品质。与宽窄行高密度种植相比,等行距低密度种植可以达到优化棉花冠层结构的目的,利于棉花生育后期植株间通风透光,增强群体光合作用,增加结铃数和铃重,显著提高机采棉产量［6］。在新疆喀什地区,一膜六行宽窄行模式的籽棉和皮棉产量均高于等行距模式［7］;在长江中下游棉区,与等行距种植相比,杂交棉宽窄行种植有通风好、透光强、产量高等优势［8］。棉花成铃分布受密度影响显著,密度越高棉铃分布越集中,1～5果枝成铃占全部棉铃的60%,第1果节成铃比例达 80% 以上［9］。棉花株高、果枝始节高度、果枝长度、果枝第1节位长度、果枝节数、果枝数和单株干重随着密度的增加而下降;增加种植密度使棉花株高降低,果枝变短,株型更为紧凑,可以通过密度塑造适合机械采收的株型［10］。新疆机采棉种植模式的特点是“矮、密、早”,行距主要采用(66+10)cm或76 cm等行距种植,密度为18.0～22.5 万株·hm-2,这种株行距配置是基于滴管带要求和配合采棉机而设置的［11］。河北省棉区传统棉花种植方式大多采用(95+45)cm大小行种植,种植密度为45 000 株·hm-2左右,为稀植大棵的株型结构。目前河北省机采棉种植多直接参考新疆的76 cm等行距种植,密度为75 000 株·hm-2。机采棉种植行距配置多是农艺措施匹配采棉机,受采棉机限制较大,而适合冀南地区棉区气候条件的株行距配置方法则需要进一步研究。本研究中,不局限目前采棉机要求,探索冀南棉区行距和密度对机采棉株型塑造、高产和优质群体结构的影响,以明确适合本区域机采棉株行距配置的方法,为冀南地区推广机采棉提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试棉花品种为‘冀棉803’,由河北省农林科学院棉花研究所选育。

1.2 研究方法

试验于2020年在河北省威县试验站(威县枣元乡东张庄村)进行,试验地土壤为砂壤土,中等肥力,连作棉田。土壤的基础地力为0～20 cm土层含有机质10.38 g·kg-1、全氮0.82 g·kg-1、速效磷43.77 mg·kg-1、速效钾135.50 mg·kg-1。

试验采用二因素裂区设计,设计行距和密度2个因素,主区为行距,副区为密度。行距处理设置4个水平,分别为66 cm(L1)、76 cm(L2)、86 cm(L3)和96 cm(L4),均为等行距处理;密度处理设置3个水平,分别为45 000 株·hm-2(D1)、75 000 株·hm-2(D2)和105 000 株·hm-2(D3),共12个处理(表1),其中行距76 cm、密度75 000 株·hm-2(L2D2)为该区域机采棉常规栽培模式。小区长8 m,宽6 m,面积48 m2,3次重复。4月18日小区撒施复合肥(N、P2O5、K2O含量质量分数分别为15%、13%、17%)750 kg·hm-2,并灌底墒水,灌水量为1 200 m3·hm-2;4月26日用微耕机旋耕,所有小区耙耱后播种。4月28日播种棉花,采用地膜覆盖,等行距种植,出苗后根据不同密度株距定苗(表1),10月30日收获。田间管理措施同当地大田。

1.3 测定方法

1.3.1 株型指标测定于9月10日调查株高、果枝数、果枝始节高度、果枝始节节位、果枝长度、果枝节数和果枝夹角;其中,果枝长度、果枝节数和果枝夹角调查的是第4果枝。吐絮率=喷施催熟剂前的吐絮铃数/单株铃数×100%,9月30日喷施催熟剂。每小区连续调查10株棉花,重复4次。

1.3.2 冠层结构指标测定于棉花花铃期,将LAI-2200冠层仪(Li-cor,USA)探头水平放置于冠层上方,按下测定按钮,2声蜂鸣后将探头放入棉花行中间地面上,仍保持水平,再次按下测定按钮,2声蜂鸣后水平均匀移动探头,选择不同位置测量,重复4次。每个小区选6个点测定。

1.3.3 棉花产量及品质测定每小区连续收获10株棉花用于测定单株铃数、单铃重和衣分,重复3次。总铃数为单株铃数乘以小区实收株数计算。小区单独收获以计算每公顷产量。棉花送交中国农业科学院棉花研究所农业农村部棉花品质监督检验测试中心测定纤维长度、整齐度、比强度、伸长率和马克隆值。

1.3.4 雷达图综合评价分析选取部分指标作为评价指标,对评价指标测定数据进行标准化处理后得到指标转化值。根据指标转化值制作雷达图。指标转化值=指标测定数据/指标测定数据最大值。

1.4 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2003和SPSS 19.0软件进行处理和分析,均采用t测验分析差异显著性。采用在线分析平台派森诺基因云(https://www.genescloud.cn/home)进行数据的相关系数热图分析。采用Microsoft Excel 2003软件绘制雷达图。

2 结果与分析

2.1 行距和密度对棉花个体株型的影响

从表2可见:行距、密度均显著影响棉花株型。不同处理的果枝始节高度均高于20 cm,满足机采要求。与行距L2、L3处理相比,L1处理果枝始节节位和果枝长度增加,果枝夹角和吐絮率降低;L4处理棉花株高、果枝数降低,果枝夹角和吐絮率增加。与L1和L4处理相比,L2和L3中间行距处理的果枝长度显著降低。说明不同行距处理棉花株型有不同的特点:66 cm行距的株型特点为果枝长度较长,果枝夹角较小;76和86 cm中间行距的株型特点为果枝长度较短;96 cm行距的株型特点为株高较低,果枝数较少。与D1相比,D2和D3处理株高、果枝始节高度增加,果枝长度、果枝节数和吐絮率降低。说明D2(75 000 株·hm-2)和D3(105 000 株·hm-2)处理棉花的株型更加紧凑,为冀南棉区机采棉适宜株型塑造的密度。

表2 行距和密度对棉花适宜机采农艺性状的影响Table 2 Effects of row spacing and density on mechanical harvest agronomic traits of cotton

2.2 行距和密度对棉花花铃期群体冠层结构的影响

如表3所示:行距、密度及二者的互作效应显著影响棉花花铃期群体冠层结构。与L2处理相比,L3和L4处理的叶面积指数分别显著降低5.74%和25.36%,透光率分别显著增加50.00%和125.00%;与机采棉常规行距L2相比,行距L1处理的叶面积指数、透光率和叶倾角均没有显著变化,说明在适当减小行距的情况下,棉花的冠层结构并没有出现显著变化。随着密度的增加,棉花叶面积指数显著增加,透光率显著降低,叶倾角也随之降低。与该区域常规机采棉栽培模式L2D2相比,L1D2、L1D3和L2D3的冠层结构没有显著差异,L3D3的叶面积指数显著增加,透光率显著降低。

表3 行距和密度对棉花冠层结构的影响Table 3 Effects of row spacing and density on canopy structure of cotton

2.3 行距和密度对棉花产量及其构成因素的影响

从表4可见:随行距增加,棉花单株铃数和总铃数降低;铃重有增加趋势;产量降低,其中L1处理的棉花产量分别比L3和L4处理增加8.74%和18.49%,均达到显著水平。随密度增加,棉花单株铃数降低;总铃数增加;铃重和衣分没有显著变化;棉花产量增加,其中D3处理的棉花产量比D1处理显著增加8.79%。高密度D3处理下,L3处理比L1处理的总铃数减少8.28%,铃重增加9.87%,产量没有显著变化。棉花产量较高的株行距配置组合为L1D2、L1D3、L2D2、L2D3和L3D3。与常规机采棉种植模式L2D2相比,L1D2、L1D3和L3D3的产量分别增加8.70%、7.97%和4.38%,但差异均不显著。

表4 行距和密度对棉花产量及其构成因素的影响Table 4 Effects of row spacing and density on seed cotton yield and yield components

2.4 行距和密度对棉花纤维品质的影响

从表5可见:L2处理的棉纤维长度比L1和L4处理显著增加3.67%和4.40%,L4处理的棉纤维整齐度比L1和L2处理显著降低2.15%和2.11%。与L2D2相比,L1D1、L1D2、L4D2和L4D3的棉纤维长度显著降低,L4D1的棉纤维整齐度显著降低,L4D2的棉纤维马克隆值显著增加。L1D2的产量比L2D2高,而棉纤维长度比L2D2显著降低5.38%。表明行距对棉纤维的比强度、伸长率和马克隆值没有显著影响,密度对棉纤维品质没有显著影响。

表5 行距和密度对棉花纤维品质的影响Table 5 Effects of row spacing and density on fiber quality of cotton

2.5 棉花性状间的相关性分析

对棉花株型、冠层结构、产量及品质进行相关性分析,由图1可知,行距L与铃重A3、吐絮率B8和透光率C2呈显著正相关关系;与总铃数A2和产量A5呈极显著负相关关系,与纤维整齐度E2呈显著负相关关系。密度D与果枝始节高度B3呈极显著正相关关系,与叶面积指数C1呈正相关关系;与单株铃数A1、果枝长度B5、果枝节数B6和叶倾角C3呈极显著负相关关系,与果枝数B2和透光率C2呈显著负相关关系。因此,行距L与产量及其构成因素关系密切,密度D与棉花株型和冠层结构关系密切。

图1 棉花性状间的相关性分析热图Fig.1 Heat map of correlation analysis between cotton characters L:行距 Row spacing;D:密度 Density;A1:单株铃数 Number of bolls per plant;A2:总铃数 Total boll numbers;A3:铃重 Boll weight;A4:衣分 Lint percentage;A5:籽棉产量 Seed cotton yield;B1:株高 Plant height;B2:果枝数 First fruit branch height;B3:果枝始节高度 First fruit branch height;B4:果枝始节节位 Node of first fruit branch;B5:果枝长度 Length of the fruit branches;B6:果枝节数 Number of fruit nodes;B7:果枝夹角 Fruit branch angle;B8:吐絮率 Flocculation rate;C1:叶面积指数 Leaf area index;C2:透光率 Light transmission;C3:叶倾角 Mean leaf angle;E1:纤维长度 Fiber length;E2:整齐度 Uniformity;E3:比强度 Strength;E4:伸长率 Elongation rate;E5:马克隆值 Micronaire.

棉花株型指标中,株高B1与叶面积指数C1和纤维长度E1呈显著正相关关系,与透光率C2和马克隆值E5呈显著负相关关系;果枝数B2与单株铃数A1呈极显著正相关关系,与果枝始节高度B3呈显著负相关关系;果枝始节高度B3与单株铃数A1呈极显著负相关关系;果枝始节节位B4与纤维长度E1呈显著负相关关系;果枝长度B5与单株铃数A1和果枝节数B6呈极显著正相关关系;果枝节数B6与单株铃数A1呈极显著正相关关系,与透光率C2和叶倾角C3呈显著正相关关系;果枝夹角B7与透光率C2呈显著正相关关系,与总铃数A2、产量A5和叶面积指数C1呈显著负相关关系;吐絮率B8与透光率C2和叶倾角C3呈显著正相关关系,与叶面积指数C1和纤维整齐度E2正显著负相关关系,与总铃数A2和产量A5呈极显著负相关关系。因此,棉花株型指标与冠层结构指标及单株铃数关系密切。

2.6 雷达图综合分析

应用雷达图对不同行距和密度处理下棉花株型结构、产量和品质进行综合评价。选取株高、果枝数、果枝始节高度、果枝长度、果枝节数、果枝夹角和吐絮率7个指标评价密度对棉花株型的影响,选取籽棉产量和棉纤维长度评价不同行距和密度组合对棉花产量和品质的影响。进行雷达图分析之前先将评价指标进行标准化处理,将值约束在［0,1］范围内。如图2-A所示:与D1相比,D2和D3处理棉花株型指标变化趋势较一致,株型更紧凑,可作为冀南棉区机采棉的推荐密度。如图2-B所示:在中高密度(D2和D3)处理下,小行距L1更有利于棉花获得较高产量。L1D2的产量较高,但棉纤维长度降低。因此,冀南棉区机采棉兼顾株型和产量的株行距配置3个组合为行距76 cm、密度75 000 株·hm-2,行距66 cm、密度105 000 株·hm-2和行距86 cm、密度105 000 株·hm-2。

图2 棉花株型(A)和产量(B)的雷达图综合分析Fig.2 Comprehensive analysis of radar charts for cotton architecture type(A)and yield(B)under different row spacing and density treatments

3 讨论

3.1 行距和密度对棉花个体株型的影响

棉花机械化收获对棉花株型结构有一定要求。收获期棉株适宜机采株高在100 cm左右,果枝始节高度高于地面20 cm以上,果枝较短并上冲,吐絮集中,株型紧凑等。研究发现,与70 cm行距相比,80 cm行距处理‘石抗126’的株高增加,‘冀863’果枝数降低［9］;在相同密度条件下,行距越大棉花向行间倾斜的角度越大［12］。本研究中,行距最小为66 cm时的株型特点为果枝长度较长,果枝夹角较小,可能是因为此时棉花株间空间较大,而行间生长空间受限。96 cm行距的株型特点为株高较低、果枝数较少,76和86 cm中间行距的株型特点为果枝长度较短。原因是96 cm行距处理的平均株距为15.67 cm,而76和86 cm行距处理的平均株距为22.77和17.50 cm,96 cm行距处理的株距小,株间竞争大,因此株高较低,果枝数较少。而96 cm行距处理的行间距较大,果枝向行间生长的空间较大,因此果枝比76 cm行距处理长。棉花株型指标中,果枝始节高度过低易造成采摘不净及含杂严重,本研究中不同处理果枝高度均高于20 cm,满足机采要求,因此机采棉果枝始节高度与品种有关。本研究中相关性分析结果表明,与行距相比,密度与果枝始节高度、果枝始节节位、果枝长度和果枝节数等棉花株型的关系更密切,棉花的个体株型更易受密度影响。前人研究表明,果枝长度和节数对密度的变化更为灵敏,增加种植密度使棉花株高降低,果枝变短,株型更为紧凑［10］;也有研究认为,随着棉花种植密度的提高,节间长度和株高增加,果枝倾角和主茎叶倾角减小［13］。本研究表明,与低密度(45 000 株·hm-2)处理相比,增加密度导致个体竞争加剧,棉花株高、果枝始节高度增加,而生长空间减少,造成果枝长度、果枝节数降低,因此可以通过密度塑造适合机械采收的株型。中密度(75 000 株·hm-2)和高密度(105 000 株·hm-2)处理棉花的株型更加紧凑,为冀南棉区机采棉适宜株型塑造的密度。株型指标中,吐絮率与行距呈显著正相关关系,与密度呈负相关关系,小行距66 cm和高密度105 000 株·hm-2处理下棉花的吐絮率低,通过适当推迟收获或者喷施催熟剂,也能实现正常吐絮,不影响棉花采收。

3.2 行距和密度对棉花花铃期群体冠层结构的影响

适当缩小行距有助于提升单位面积大豆的群体数量,且群体叶面积指数与光截获量随行距减小而升高［5］,与本研究结果一致。冠层结构会随种植密度的改变发生变化,进而影响棉花光合作用和产量。如果种植密度较小,群体叶面积较低,生育期内棉花冠层漏光损失严重,群体光合效率较低,不利于高产形成［14］;但如果群体密度较大,群体叶面积较大,下层叶片吸收光能较少,光合效能较低,叶片易变黄枯萎［15］。合理的行距配置能够较好协调密植条件下群体的通风受光条件,有效调节地上部与地下部的竞争,缓解高密度对群体生长发育的不利影响,有效增强植株群体的密植潜力。本研究中行距和密度及其交互效应对棉花花铃期群体冠层结构影响显著。与机采棉常规株行距配置方式(行距76 cm、密度75 000 株·hm-2,L2D2)相比,小行距66 cm、高密度105 000 株·hm-2处理的棉花没有出现明显的郁闭现象;而大行距96 cm处理时棉花花铃期冠层均漏光损失严重,说明不适合本区域。不同行距和密度下的化学脱叶效果和籽棉的含杂差异还需进一步研究。

3.3 行距和密度对棉花产量及其构成因素的影响

适宜的株行距配置可使一定密度下作物群体分布更加均匀。在密度一定的情况下,窄行距能够通过增加冠层光能截获来提高产量［16］,而行距过窄,群体过大,植株间光能和资源竞争加剧,不利于产量的提高［17］。有研究发现,60和75 cm行距处理的棉花产量显著高于90 cm行距处理［18］。一般来讲,产量与种植密度呈正相关,但是密度增加到一定程度时单株产量降低,当密度增加所带来的群体正效应小于单株产量下降所带来的负效应时,群体产量就会下降［19-20］,本研究结果与之一致。也有研究表明,在(2.5～23)×104株·hm-2的密度范围内,棉花可以通过调节个体的生长发育和群体之间的关系,使产量不发生显著变化［21-22］。与行距76 cm、密度75 000 株·hm-2(L2D2)相比,在相同密度条件下,小行距66 cm弱化了群体内单株间竞争,更能发挥单株成铃潜力,单株铃数增加;而在高密度105 000 株·hm-2条件下,小行距66 cm群体总铃数和产量增加,增加了棉花植株的耐阴性。高密度105 000 株·hm-2处理下,与小行距66 cm相比,扩大行距到86 cm时,棉花株距由14.4 cm降低到11.1 cm,单株间竞争加剧,成铃数降低,铃重增加,铃重增加的正效应可以补偿铃数减少的负效应,因此产量没有显著变化。行距为96 cm时,棉花行距过大,漏光严重,产量下降。本试验是在冀南棉区进行,冀南棉区地属黄河流域,为北方半干旱区,雨热同期,降雨少且集中,本研究结果在生态条件相似的河北、山东等黄河流域棉区应有一定的推广潜力。与黄河流域棉区相比,长江流域棉区降雨增加,年均温度和≥10 ℃活动积温均较高,无霜期较长,生态条件有一定差异,本研究结果不一定适合长江流域棉区。

综上,冀南棉区机采棉兼顾株型和产量的株行距配置的3个适宜组合为行距76 cm、密度75 000 株·hm-2,行距66 cm、密度105 000 株·hm-2和行距86 cm、密度105 000 株·hm-2。