播期推迟对棉花根系生长发育特征及产量的影响

收稿日期：2024-02-19" " "第一作者简介：张超（1998―），男，硕士研究生，18733902790@163.com。 *通信作者：刘连涛，liultday@126.com；李存东，nxylcd@hebau.edu.cn

基金项目：河北省现代棉花产业技术体系（HBCT2023070207）；国家自然科学基金（32272220；32172120）

摘要：【目的】研究推迟播期对棉花根系生长发育特征和产量的影响，为黄河流域棉区棉花适期播种提供依据。【方法】2022―2023年在河北农业大学威县试验站开展田间试验，设置常规播期（4月15日）和推迟播期（5月1日）2个处理，分析推迟播期对棉花品种冀农大23号的根系分布、根系生长速率、根冠比、干物质积累量和产量等的影响。【结果】与常规播期相比，推迟播期条件下，棉花根系长度和生物量的最大增长速率分别增加2.92～5.35 cm·d－1和0.40～0.76 mg·d－1；深层土壤中棉花根系占比提高，其中30～60 cm土层根系长度占比和根系生物量占比分别增加2.99～3.55百分点和3.94～4.42百分点；生育后期棉株地上部干物质积累量和根冠比无明显差异；根系载荷能力显著降低6.43%～17.69%；2022年籽棉产量无显著差异，2023年单位面积铃数和籽棉产量分别显著增加9.72%和7.66%。相关分析表明，0～60 cm土层根长密度、0～60 cm土层根系生物量密度、根系生物量最大增长速率和30～60 cm土层根系长度占比均与籽棉产量极显著正相关。【结论】黄河流域棉区推迟播期（5月1日）可通过提高棉花根系生长速率、深层土壤中根系长度和根系生物量的占比，增强根系吸收功能以保障地上部干物质的积累，促进棉花高产。

关键词：棉花；推迟播种；根系；根长；生物量；根冠比；产量

Effect of delayed sowing on root growth and development characteristics and yield in cotton

Zhang Chao1， Zhang Peng1， Yang Zhe2， Sun Hongchun1， Zhu Lingxiao1， Zhang Ke1， Zhang Yongjiang1， Bai Zhiying1， Liu Liantao1*， Li Cundong1*

（1. State Key Laboratory of North China Crop Improvement and Regulation/Key Laboratory of North China Water-saving Agriculture， Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Key Laboratory of Crop Growth Regulation of Hebei Province/College of Agronomy， Hebei Agricultural University， Baoding， Hebei 071001， China; 2. Seed Workstation， Baoding Agriculture and Rural Affairs Bureau， Baoding， Hebei 071001， China）

Abstract： [Objective] This research aims to study the effects of delayed sowing on cotton root growth and development characteristics and yield， so as to provide a basis for the timely sowing of cotton in the cotton planting area of the Yellow River Basin. [Methods] A field experiment was carried out at Weixian Experimental Station of Hebei Agricultural University from 2022 to 2023. Two treatments were set as conventional sowing date （15 April） and delayed sowing date （1 May）. And the effects of delayed sowing on the root distribution， root growth rate， root-shoot ratio， dry matter accumulation， and yield of a cotton variety Jinongda 23 were analyzed. [Results] Compared with the conventional sowing date， under the delayed sowing condition， the maximum growth rate of cotton root length and root biomass increased by 2.92-5.35 cm·d－1 and 0.40-0.76 mg·d－1， respectively. The proportion of cotton roots in deep soil increased， with root length and biomass in the 30-60 cm soil layer increased by 2.99-3.55 percentage points and 3.94-4.42 percentage points， respectively. There was no obvious difference in aboveground biomass and root-shoot ratio in the late growth stage of cotton. The boll capacity of root system significantly decreased by 6.43%-17.69%. There was no significant difference in seed cotton yield in 2022. In 2023， the number of bolls per unit area and seed cotton yield increased significantly by 9.72% and 7.66%， respectively. Correlation analysis showed that root length density in 0-60 cm soil layer， root biomass density in 0-60 cm soil layer， maximum growth rate of root length， and the proportion of root length in 30-60 cm soil layer are extremely significantly correlated with seed cotton yield. [Conclusion] Delaying the sowing date （1 May） in cotton planting area of the Yellow River Basin can enhance the absorption function of cotton roots by increasing the growth rate of roots， the proportion of root length and biomass in deep soil layers， so as to ensure the accumulation of aboveground dry matter and promote the high yield of cotton.

Keywords： cotton; delayed sowing; root system; root length; biomass; root-shoot ratio; yield

棉花广泛种植于150多个国家[1]，是世界上重要的经济作物。适宜的播期是其免受灾害、充分利用光热资源的关键[2]。黄河流域棉区多采用适当早播促发的传统栽培模式，但棉花易遭遇倒春寒等灾害，危害种子萌发，影响棉苗长势。根系是植物吸收、转运水分和营养物质的重要器官[3]，影响地上部性状及产量[4]。在推迟播期条件下，温度较高，利于培育壮苗，促进棉花生长发育，不降低籽棉产量[5]，这可能与根系发育密切相关。

合理的播期通过改变棉花生长的光温环境，有效调控棉花生长发育，实现稳产高产[6-8]。目前，黄河流域传统的播期一般为4月中旬，此条件下虽然可以延长棉花的生育期，促进棉株更加充分地利用光温资源，但同时棉苗易受低温危害，造成缺苗及弱苗现象[9]，严重影响棉花的正常生长发育，不利于棉花高产。适当推迟播期可使棉花处于更加有利的生长环境中，有效避免低温对棉苗的伤害，但不可过晚。董灵艳等[10]在黄河流域的研究表明，播期推迟到5月12日，棉花因不能有效利用光温资源，从而引起产量下降。黄河流域棉区的其他研究表明，播期从4月22日推迟到4月30日棉花产量并未显著下降，说明适当推迟播期并不是必然导致产量降低，这主要是因为推迟播期改善了群体冠层结构，增加了第一果枝节位高度，利于增强棉株下部通风透光性，减少烂铃[11]，同时还能延缓叶片衰老[3]，延长光合作用时间，为棉铃和纤维发育提供更多的光合产物[12]，利于稳定产量；另外，推迟播期条件下的温度变化可能会影响根系的生长发育，根系作为植物与土壤“交流”的介质[13]，其在土壤中的数量和分布直接决定作物的生产能力。不同的播期条件下，棉花所处的光温环境有所不同，根系直径、根系表面积以及根系生物量和根长密度在土壤中的分布也会发生改变[14]。因此，探究不同播期条件下根系的生长发育特征，对于黄河流域棉区确定合理的播期具有重要参考意义。

前人研究发现，黄河流域棉花播期推迟至4月底或5月初不会导致产量降低，并探索了植株地上部发育特性对播期推迟的响应特征[5]，但对推迟播期条件下棉花根系的变化特征则较少关注。因此，本研究从根系分布特征、变化规律及根冠关系入手，探究推迟播种对棉花根系发育特征和产量的影响。针对黄河流域的常规栽培模式，我们设置了常规播期（4月15日）和推迟播期（5月1日）处理，探索棉花生长发育过程中根系的分布特征及变化规律，解析根系变化特征对棉株发育及产量的影响，为黄河流域棉区棉花适期播种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2022―2023年在河北农业大学威县试验站（115°27′E， 36°56′N）进行。该地区为温带季风气候区。2022年和2023年棉花生长季（4月15日－10月15日）的降水量分别为530.0 mm和586.1 mm，2年棉花生长季内的日平均气温和降水量见图1（气象数据来自当地气象站）。土壤质地为壤土，中等肥力，含全氮0.88 g·kg－1、碱解氮61.62 mg·kg－1、速效磷18.7 mg·kg－1、速效钾144.66 mg·kg－1、有机质9.3 g·kg－1。

试验品种选用冀农大23号。采用随机区组试验，设置常规播期（4月15日，S4/15）和推迟播期（5月1日，S5/1）2个处理。8行区，76 cm等行距种植，每个小区长10 m。种植密度为9万株·hm－2。各处理施纯氮240 kg·hm－2、P2O5 105 kg·hm－2、K2O 105 kg·hm－2，其中氮肥分2次施入（基施60%，初花期追施40%），磷肥和钾肥一次性基施。每个小区重复3次，其他田间管理措施同当地高产棉田。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 根系长度和生物量及其密度。在播种后30 d、50 d、70 d、90 d和120 d，在每个小区选取5株代表性的棉株进行根系取样。在距离主茎植株10 cm（行间）的位置使用根钻（直径7 cm）进行取样[15]，垂直方向上最大深度为60 cm，每层10 cm（图2）。将取回的根样冲洗擦干后，使用扫描仪（EPSON Expression 10000XL）成像，用根系分析软件（WinRhizo REG 2009，加拿大）获取根系表型信息（根系长度），并进一步计算根长密度。将扫描后的根系于80 ℃烘箱中烘干至质量恒定，测定根系生物量（干物质质量），计算根系生物量密度，公式如下。

根长密度（cm·cm－3）＝■" " " " " " （1）

根系生物量密度（mg·cm－3）＝■

（2）

1.2.2 根系长度和生物量的动态。使用逻辑斯谛（logistic）模型模拟0～60 cm土层棉花根系长度和根系生物量的动态变化：

Y＝■" " " " " " " " " " " "（3）

式中，t（d）是播种后天数，Y是t时的根系长度（cm）或根系生物量（mg），K是根系长度或根系生物量的理论最大值，a和b是常数。

Vm＝Kb/4" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（4）

t1＝■" "（5）

t2＝■" "（6）

Δt＝t2－t1 （7）

式中，Vm是根系长度或根系生物量增长的最大速率，t1和t2分别是根系长度或根系生物量快速增长的开始时间和结束时间，Δt（d）为根系长度或根系生物量快速增长期的持续时间。

1.2.3 干物质积累量、根冠比和根系载荷能力。S4/15处理在5月15日、6月4日、6月24日、7月14日、7月30日、8月13日和8月29日，S5/1处理处理在5月31日、6月20日、7月10日、7月30日、8月13日和8月29日，每个小区选取5株具有代表性的植株，于子叶节处分为地上部和地下部，地上部又分为营养器官和生殖器官（蕾花铃），分别装入牛皮纸袋，于105 ℃烘箱中杀青30 min后，在80 ℃条件下烘干至质量恒定，测定干物质质量。以地下部干物质质量与地上部干物质质量之比计算根冠比，并计算根系载荷能力。

根系载荷能力＝■

（8）

1.2.4 产量及其构成因素。棉花完全吐絮后，每个小区选取中间2行（长10 m）的全部棉株，记录铃数，计算单位面积铃数。将收获的棉花风干至含水量小于12%时测定铃重。随后进行轧花，计算衣分。根据单位面积铃数和铃重计算籽棉产量。

1.3 数据统计与分析

采用 Microsoft Excel 2019整理数据，每个数据以5个重复的平均值表示。采用SPSS 22软件进行统计分析，所有数据均采用单因素方差分析，用邓肯氏新复极差法进行差异显著性分析。使用DPS 7.05拟合logistic方程。采用Origin 2021绘制等高线图、折线图、柱状图和相关性热图。

2 结果与分析

2.1 不同播期处理下棉花生长季内日平均气温的变化

推迟播期处理下棉花生长季内日平均气温的平均值比常规播期高（表1）。2022年推迟播期（S5/1）处理下，日平均气温的平均值较常规播期（S4/15）处理提高0.7 ℃，气温变异系数降低2.66百分点；2023年推迟播期处理下，日平均气温的最低值和日平均气温的平均值分别提高7.6 ℃和0.8 ℃，气温变异系数降低3.46百分点。

2.2 推迟播种对棉花根长密度和根系生物量密度分布的影响

推迟播种增加了深层土壤中的根长密度和根系生物量密度（图3）。2022年S4/15处理下根系长度主要分布在0～50 cm土层，50～60 cm土层的根系长度分布较少；S5/1处理下根系长度在50～60 cm土层中的分布较S4/15处理有所增加（图3A～B）。2023年根系长度分布与2022年略有不同，S4/15处理下根系长度主要分布在0～40 cm土层，S5/1处理的根系长度在40～60 cm土层中的分布较S4/15处理明显增加（图3C～D）。此外，2022年和2023年S4/15处理下根系生物量主要分布在0～40 cm土层，40～60 cm土层分布较少，S5/1处理下40～60 cm土层的根系生物量密度较S4/15处理明显增加（图3E～H）。

推迟播种增加了较深土层中的根系长度占比和根系生物量占比（图4）。当根系长度达到最大时，2022年和2023年S5/1处理的总根系长度较S4/15处理分别增加6.89%（P＜0.05）和6.33%（P＜0.05）。同时播期还显著影响不同土层棉花根系长度占比。2022年，与S4/15处理相比，S5/1处理0～10 cm土层的根系长度占比显著增加2.70百分点；10～20 cm、20～30 cm土层的根系长度占比分别显著降低5.15百分点和1.09百分点；50～60 cm土层根系长度占比显著增加2.24百分点。2023年的结果与2022年略有不同，与S4/15处理相比，S5/1处理0～10 cm土层的根系长度占比显著增加2.44百分点；10～20 cm、20～30 cm土层的根系长度占比分别显著降低3.34百分点和2.03百分点；30～40 cm和40～50 cm土层根系长度占比分别显著增加1.79百分点和1.80百分点。总体来看，2022年和2023年，S5/1处理下30～60 cm土层的根系长度占比较S4/15处理分别增加3.55百分点和2.99百分点（P＜0.05）。

当根系生物量达到最大时，2022年和2023年S5/1处理下0～60 cm土层根系总生物量较S4/15处理分别增加28.81%（P＜0.05）和16.75%（P＜0.05）。不同土层的棉花根系生物量占比也受播期的显著影响。2022年，与S4/15处理相比，S5/1处理下0～10 cm土层的根系生物量占比显著增加1.65百分点；10～20 cm和20～30 cm土层的根系生物量占比分别显著降低2.59百分点和2.99百分点；30～40 cm和40～50 cm土层根系生物量占比分别显著增加2.18百分点和1.38百分点。2023年的结果与2022年略有不同，与S4/15处理相比，S5/1处理10～20 cm、20～30 cm土层的根系生物量占比分别显著降低2.58百分点和3.01百分点；30～40 cm、40～50 cm和50～60 cm土层根系生物量占比分别显著增加1.25百分点、1.57百分点和1.60百分点。综上，2022年和2023年，S5/1处理下30～60 cm土层的根系生物量占比分别较S4/15处理增加3.94百分点和4.42百分点。

2.3 推迟播种条件下棉花根系长度和根系生物量的动态变化

播期影响棉花根系长度和根系生物量的变化规律。随着生育进程的推进，0～60 cm土层根系长度呈“慢-快-慢”的增长变化趋势，棉花生长发育前期不同播期处理下根系长度差异较为明显。S4/15处理下播种时间较早，根系长度增加的起始时间较早，在7月中旬之前其根系长度均大于S5/1处理；但因S5/1处理根系长度增长速率较快，随生育进程的推进，2个处理间根系长度的差距逐渐缩小，在7月下旬S4/15处理和S5/1处理的根系长度相近均趋于稳定（图5A～B）。S5/1处理下，较晚的播期导致0～60 cm土层根系生物量增长的起始时间推迟，在7月之前根系生物量略低于S4/15处理；但因S5/1处理较高的根系生物量积累速率，7月中上旬前后2个处理的根系生物量相近，8月中下旬均趋于平缓（图5C～D）。

用logistic模型拟合棉花根系长度随生育进程的动态变化。2022年，与S4/15处理相比，S5/1处理下t1 和t2分别提前了7.7 d和10.1 d，Vm增加了5.35 cm·d－1，虽然Δt 缩短了2.4 d，但根系长度的理论最大值反而略有增长。2023年与2022年的结果相似，S5/1处理下t1 和t2分别提前6.9 d和8.2 d，Vm增加2.92 cm·d－1，Δt 缩短1.3 d，但S5/1处理与S4/15处理的根系长度的理论最大值没有明显差异（表2）。

用logistic模型拟合棉花根系生物量随生育进程的动态变化（表3）。2022年，与S4/15处理相比，S5/1处理下t1 和t2分别提前12.0 d和14.5 d，Vm增加0.40 mg·d－1，虽然Δt 缩短2.5 d，但S5/1处理下根系生物量的理论最大值并未明显降低。2023年与2022年的结果相似，S5/1处理下t1 和t2分别提前11.5 d和16.2 d，Vm增加0.76 mg·d－1，Δt 缩短4.7 d，但S5/1处理与S4/15处理的根系生物量的理论最大值无明显差异。

2.4 推迟播种对棉花地上部干物质积累量的影响

播期影响棉花地上部干物质积累量，但2022年和2023年的结果略有不同。2022年，S4/15处理下地上部干物质积累起始时间较早，7月下旬之前其干物质积累量均高于S5/1处理；但因S5/1处理具有较大的地上部干物质积累速率，7月下旬后表现为S5/1处理的地上部干物质积累量略高于S4/15处理。2023年7月下旬之前2个处理的地上部干物质积累规律与2022年一致，但后期2个处理的地上部干物质积累量没有明显差异（图6）。

2.5 推迟播种对棉花根冠比和根系载荷能力的影响

推迟播种影响棉花的根冠比。5月中旬S4/15处理的根冠比较高，但随着生育进程的推进根冠比呈先快速下降后缓慢下降的趋势；6月初至8月中旬，S5/1处理的根冠比略高于S4/15处理；8月之后S4/15处理和S5/1处理的根冠比趋于一致（图7A～B）。

推迟播种显著降低棉花根系载荷能力。2022年7月30日、8月13日和8月29日S5/1处理的根系载荷能力较S4/15处理分别显著降低17.69%、11.55 %和8.98%。2023年7月30日、8月13日和8月29日S5/1处理的根系载荷能力较S4/15处理分别显著降低16.25%、11.45%和6.43%（图7C～D）。

2.6 棉花产量及构成因素对播期的响应

播期影响棉花产量及其构成因素，但2022年和2023年播期对棉花产量及其构成因素的影响程度不同。2022年，S5/1处理下单位面积铃数及籽棉产量略高于S4/15处理，但差异不显著。2023年，S5/1处理下单位面积铃数及籽棉产量较S4/15处理分别显著提高9.72%和7.66%。2022年和2023年播期对铃重和衣分均无显著影响（表4）。

2.7 测定指标的相关分析

日平均气温（average daily temperature， ADT）与30～60 cm土层根系长度占比（the proportion of cotton root length in 30-60 cm soil layer， PRL60）和30～60 cm土层根系生物量占比（the proportion of cotton root biomass in 30-60 cm soil layer， PRM60）呈极显著正相关关系；根系长度最大增长速率（maximum growth rate of root length， MRL）、根系生物量最大积累速率（maximum growth rate of root biomass， MRM）、0～60 cm土层根系生物量密度（root biomass density in 0-60 cm soil layer， RMD60）及PRL60均与地上部干物质积累量（accumulation of aboveground dry matter， ADM）呈极显著正相关关系；ADT和0～60 cm土层根长密度（root length density in 0-60 cm soil layer， RLD60）均与ADM呈显著正相关关系；RLD60、ADM与单位面积铃数（boll number per unit area， BN）呈极显著正相关关系，MRM、RMD60和PRL60均与BN呈显著正相关关系；MRM、RLD60、RMD60、PRL60、ADM和BN均与籽棉产量呈极显著正相关关系，MRL与籽棉产量呈显著正相关关系（图8）。

3 讨论

合理的播期可以调节棉花的生长发育进程，使之与适宜的季节同步，充分发挥品种优质、高产潜能，是栽培管理中的关键技术。较早播种虽然可以使棉花更加充分地利用光热资源及土壤中的水分和养分[12， 16]，但早播加大了植株遭受低温和病虫害的风险。适当推迟播期可解决上述问题。有学者认为，推迟播期可能会导致棉花生育进程不完全，不能充分利用光温资源，引起棉花产量下降[17]；但Dong[5]和Wang等[11]在黄河流域的试验表明，播期从4月中旬推迟到4月底或5月上旬，棉花产量并没有显著降低。本试验结果也表明，播期推迟至5月1日没有降低籽棉产量，且2023年籽棉产量还显著提高。推迟播种条件下棉花生育期内的日平均气温的平均值高于常规播期，气温更稳定（变异系数较低），表明棉花生育期内较高且更加稳定的温度可能与产量的稳定密切相关。

播期影响棉花生物量积累速率[18]。本研究发现，推迟播期处理下棉花地上部的生长速率更快，表现为生物量积累速率增加，使其在较短时间内获得与常规播期处理相同水平的生物量，这可能与根系的快速生长密切相关。根系与地上部是统一的整体[19]，根冠比可以反映二者的协调关系[20]。温度升高会促进根系对养分和水分的吸收，降低植株对根系生物量投入的比例，导致根冠比降低[21]。本试验结果表明，常规播期（4月15日）条件下生育前期棉花的根冠比较高，说明前期较低的温度导致地上部发育缓慢[22-23]，使根冠比提高；推迟播期（5月1日）处理下，播种后30 d根冠比明显降低，说明较高的环境温度提高了根系吸收水分和养分的能力[24]，有效促进了地上部的发育[25]。根系载荷能力可以反映根系生长与蕾铃发育的关系[26]。本研究结果表明，推迟播期显著降低了根系载荷能力，这主要是因为常规播期条件下棉花在盛铃期和吐絮期根系生长减慢，而推迟播期条件下由于深层土壤根系分布的增加延缓了棉株衰老[27]，使得根系在后期仍有一定的生长，根系载荷能力有所降低。

不同播期导致的作物生育期内温度变化显著影响根系干物质积累[28-30]。低温显著降低了花椰菜幼苗的根系干物质积累量和生长速率[31]。本试验表明，推迟播期提高了根系长度增长的最大速率及根系生物量增长的最大速率，弥补了快速增长期持续时间缩短带来的不足。相关分析结果显示，根系生物量最大积累速率、0～60 cm土层根长密度和0～60 cm土层根系生物量密度均与单位面积铃数及籽棉产量呈显著或极显著正相关关系，这表明推迟播期处理下，较大的根系生物量增长速率、0～60 cm土层更大的根系长度及根系生物量密度是提高单位面积铃数及籽棉产量的关键。

根系分布与土壤环境密切相关[32]。水分分布影响根系分布，在干旱土壤中根系下扎更深，深层根系分布增多[33-34]，以进一步利用深层土壤贮水，缓解水分亏缺[35]。播期也影响作物的根系分布[36]。Turman等[37]研究发现，播期从4月15日推迟到5月19日，大豆的最大根长显著增加，但其产量未受到显著影响。Stalham等[38]的试验表明，推迟播期增加了马铃薯的最大生根深度。本研究发现，推迟播种显著提高了0～60 cm土层棉花根系总长度和总生物量，同时30～60 cm土层的根系长度占比、根系生物量占比均增加。这可能是因为播期推迟条件下较高的温度使得0～10 cm土层根系长度占比和根系生物量占比提高，增强了棉花根系在表层土壤中的竞争，促使根系下扎，以增强对深层水分和养分的吸收[39]。

根系的分布特征及增长规律直接影响棉花产量。本研究结果表明，推迟播期条件下籽棉产量较常规播期并未明显下降，这可能与根系的发育密切相关。推迟播期条件下，较高的温度提高了根系增长速率，增加了30～60 cm土层的根系分布，有利于棉花对深层土壤中水分和养分的吸收利用，同时有利于协调棉花的营养生长和生殖生长以维持产量。但该试验主要针对黄河流域棉区且仅选取了1个供试棉花品种，推迟播期对其他棉花品种根系生长发育、产量和纤维品质的具体影响尚不明确，有待进一步研究。

4 结论

本试验条件下，与正常播期（4月15日）相比，播期推迟至5月1日可提高棉花根系的增长速率，补偿根系快速增长时间缩短的不利影响；促进根系下扎，增加30～60 cm土层中的根系长度和根系生物量的占比，利于植株获取深层土壤中的水分和养分，促进地上部的发育，维持地上部生物量；降低根系载荷能力以协调营养器官和生殖器官的发育，最终改善了根系性状及根冠关系，促进棉花高产。

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（责任编辑：王小璐责任校对：秦凡）

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