种植密度对76 cm等行距机采棉冠层结构、冠层温湿度及产量的影响

王家勇,李春梅,徐文修,李鹏程,张 娜,李 玲,马云珍,王 芳

(1.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;2 中国农业科学院棉花研究所, 河南安阳 455000)

0 引 言

【研究意义】棉花是我国重要的经济作物[1],我国新疆2019年棉花种植面积约为2 040.5×103hm2,总产达500.2×104t[2],且80%以上棉花都已机械化采摘[3],提高了棉花产业的市场竞争力[4]。一直以来,新疆南疆机械采收棉田多采取(66 cm +10 cm)的株行距配置方式[5],但在机采双行高密度种植方式时,由于群体较为密闭,脱叶剂不能均匀的喷洒,导致下层叶片不易落入地面,进而导致籽棉含杂率过高[6]。由此76 cm等行距种植方式应运而生,该种植方式为单行种植,改善了棉花群体结构的通风透光状况,增大机采空间,有利于提高田间采净率和机采棉品质[7-9]。为持续保持和提高新疆棉花产量,研究76 cm等行距种植方式下的机采棉最适种植密度就成为亟待解决的问题。【前人研究进展】作物群体的田间微环境受作物本身的冠层结构所调节[10],同时不同种植密度会形成不同的作物冠层结构,最终由此调控作物冠层内的光照、温度、相对湿度和二氧化碳等作物生活要素[7, 11, 12]。合理密植是实现棉花高产的重要手段[13],在(66 cm +10 cm)配置方式下,增加种植密度使作物叶面积增大[14],叶片趋于直立[15],有利于群体的光能截获[16, 17]。前人在76 cm种植方式下研究发现,棉花表现出较强个体优势,可加快棉花生育进程,提高霜前花率、主茎结铃率[18, 19]。李建峰等[20]研究认为等行距下10.95×104株/hm2低密度可以将单株优势充分发挥,个体光合生产能力相对较高,并且单株产量可以弥补群体产量[21],马克隆值较高[22],纤维品质较好[23],李春梅等[24]在新疆南疆地区研究认为15×104株/hm2下棉花长势较好,干物质分配系数较高,群体库源比例较好,产量潜力较高。吴凤全等[25]在新疆南疆研究认为,在76 cm等行距种植方式下,提高密度能显著提高生物产量和单位面积铃数。【本研究切入点】以往的研究均是基于76 cm等行距种植方式下棉花农艺性状及干物质积累与分配确定最适宜产量,但有关76 cm等行距模式下的冠层结构方面的研究相对较少,新疆南疆地区76 cm等行距种植方式下通过冠层环境确定适宜密度尚不明确。需筛选出适宜76 cm等行距种植的最适宜种植密度。【拟解决的关键问题】在76 cm等行距条件下,研究种植密度对棉花冠层特性、冠层温湿度、光分布及产量的影响,分析76 cm等行距种植方式下不同密度下棉花冠层结构与产量的形成差异与规律,筛选出有利于棉花提质增效的机采种植密度。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2020年在新疆阿拉尔第一师10团中国农业科学院棉花研究所阿拉尔试验站进行,试验地位于天山山脉南麓、塔里木盆地北缘(E 80°30′～81°58′,N 40°22′～40°57′)。土壤类型为沙壤土,土地平整,有机质含量10.23 g/kg,碱解氮含量84.87 mg/kg、速效磷22.00 mg/kg、速效钾126.50 mg/kg,pH值7.68,棉花品种为中棉所96A,于4月21日播种,1穴2粒下种,在苗期通过补苗移苗来保证全苗,于三叶期(5月21日)定苗,7月14日人工打顶。图1

图1 气象要素

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用单因素随机区组试验设计,在76 cm等行距种植方式下,共设置5个种植密度:9×104株/hm2(处理A)、12×104株/hm2(处理B)、15×104株/hm2(处理C)、18×104株/hm2(处理D)、21×104株/hm2(处理E)。地膜栽培,膜宽2.25 m,各小区面积为71.14 m2(10.40 m×6.84 m),3次重复,共15个小区。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 冠层结构

采用 LAI-2000冠层仪,于棉花各关键生育时期,在各小区选取长势均匀的3个样点测定叶面积指数、冠层开度和叶倾角。参照牛玉萍等[26]的方法使用美国 Li-cor 公司生产的LAI-2000冠层分析仪测定。

1.2.2.2 冠层温、湿度

采用英国 Lascar EL-USB-2 型温湿度记录仪,于棉花各生育时期在各小区选择群体长势一致的具有代表性的5株作为1个样点,避开裸地的影响,于晴朗无风的天气,在10:00～21:00测定记录棉花冠层1/3、1/2与2/3处的冠层温度和湿度,当棉株果枝数高于7果枝后,将冠层温湿度仪分别挂置于各处理小区棉花长势一致的选定样株第2果枝节位高度、第5果枝节位高度和第8果枝节位高度位置,用以测定下部1～3果枝、中部4～6果枝和上部≥7果枝冠层内温湿度变化。

1.2.2.3 冠层光合有效辐射

在花铃期,于11:00～14:00,利用LI-191SA 光合有效辐射传感器和LI-1400 数据记录器测定光合有效辐射(Photosynthetically active radiation,PAR)截获量(μmol/(m2·s))。在每个处理长势均匀的两行棉花中间放置仪器支架。采用网格法测定冠层光合有效辐射截获量,水平方向上,每隔20 cm为一个光传感器;垂直方向上,自地面10 cm从支架下部至上部每隔20 cm为一个光传感器,总计30个采样点。

1.2.2.4 产量及其构成因素

棉花完全吐絮后,每小区选中间1膜调查收获株数和总成铃数,并计算单株成铃数。棉花收获后,各个小区选取具有代表性的连续植株10株测定单铃重,产量以实收籽棉产量计产。

1.3 数据处理

采用EXCEL 2019、SPSS 19.0、orgin2021等软件进行数据统计及分析。

2 结果与分析

2.1 种植密度对棉花叶面积指数的影响

研究表明,各处理棉花群体叶面积指数均随生育进程的推进呈现先上升后下降的变化趋势,均在盛铃前期达到峰值。各处理间的群体叶面积指数在6月16日(盛蕾期)差异不显著,7月5日(盛花期)至8月20日(盛铃后期)差异显著,各处理间叶面积指数总体表现为随密度增大而叶面积指数增大,各处理并呈现出E>D>C>B>A的变化规律,即处理E叶面积指数峰值最高在8月7日(盛铃中期)达到4.35,较其余各处理依次高出28.31%、26.82%、13.57%、4.31%,但D处理与E处理间差异不显著,B处理和A处理间差异不显著。各处理叶面积指数在8月7日之后均呈下降趋势,且均呈现出E处理叶面积指数最大。图2

图2 不同处理下棉花叶面积变化规律

2.2 种植密度对棉花叶倾角的影响

研究表明,各处理平均叶倾角(MTA)在测定期间均表现为“先升后降”的变化趋势,除处理A外,其他处理均在7月21日(盛铃前期)达到最大值,测定期间各处理的叶倾角始终表现为E>D>C>B>A,且高密度E处理的平均叶倾角分别较其余各处理的平均叶倾角增大了23.19%、17.42%、11.29%和6.64%,随着密度减小,叶轴与水平面的夹角随之增大,叶片变直立的趋势更加明显。图3

图3 不同处理下棉花叶倾角变化规律

2.3 种植密度对棉花冠层开度的影响

研究表明,冠层开度(DIFN)是指从植物冠层底部向上可观测到的天空比例,范围为0～1,数值越大代表观测到的天空范围越大。在测定期内各处理的冠层开度变化趋势与LAI相反,即随着生育进程各处理的DIFN呈先降后增的变化趋势,在7月21日(盛铃前期)各处理的DIFN均达到最低值,各处理由最高降至最低的降幅在74.89%～77.73%。各处理基本呈现出A>B>C>D>E的规律。密度越大,棉株封行程度越高,冠层郁闭,棉花冠层内的通风透光条件越差。 图4

图4 不同处理下棉花冠层开度变化规律

2.4 种植密度对棉花冠层温度的影响

研究表明,各处理的棉花冠层日均温度总体表现为上部>中部>下部,冠层上层接触大气,温度最高,冠层下层受叶片遮挡多,温度最低。A处理的冠层上部温度平均值分别依次高于其余各处理3.11%、4.17%、4.63%、5.97%。中部温度平均值分别依次高于其余各处理0.98%、3.85%、3.98%、4.97%,下部温度平均值分别依次高于其余各处理1.86%、2.07%、5.37%、7.67%,处理间各个部位冠层温度整体均呈现出A>B>C>D>E变化规律,密度越高冠层温度越低,尤其是冠层内下部位的温度最低。图5

图5 不同处理下棉花冠层温度变化规律

2.5 种植密度对棉花冠层湿度的影响

研究表明,各处理冠层内部湿度总体表现为上部<中部<下部,正好与温度变化规律相反,且各个部位各处理的湿度整体上随着密度增大而逐渐增大,呈现出E>D>C>B>A的变化趋势,E处理的冠层上部平均湿度值在各分别依次高于其余各处理18.80%、13.59%、10.38%、7.01%。E处理中部平均湿度值分别依次高于其余各处理18.12%、11.88%、4.75%、4.06%,E处理下部平均湿度值分别依次高于其余各处理14.80%、12.10%、4.70%、3.43%,即密度越低,冠层内湿度越低,反之密度过高、部位过低均易导致冠层内湿度偏高。图6

图6 不同处理下棉花冠层湿度变化规律

2.6 种植密度对棉花铃期群体冠层光截获率(PAR)空间分布的影响

研究表明,棉花花铃期的群体冠层光截获率在横向40 cm处,即两行棉花之间,各处理棉花的PAR值较小,近株处则较大,空间上基本上呈现出“V”型变化趋势,尤其是处理A、B、C极为明显。从冠层顶部到地面,群体内部PAR值逐渐增大,且种植密度越大,光截获离地面越高,A处理垂直距离20 cm时光截获率达到0.8,当种植密度继续增大至D处理,“V”型底部高度开始上移,至E处理时,近株处PAR与行间基本趋于一致,E处理垂直距离50 cmPAR达到0.8,高密度E处理冠层郁闭程度高,植株过于紧凑,使下部叶片受光较弱,不利于提高整体光合效率,低密度A处理漏光较多,对光能资源造成了浪费,不利于提高群体光能利用率。图7

图7 不同处理下棉花花铃期冠层PARI截获率空间变化规律

2.7 种植密度对机采棉产量及产量构成因素的影响

研究表明,不同种植密度下收获株数均达显著性差异水平(P<0.05)。随种植密度的增加单株铃数逐渐降低,以A处理最多为6.23个/株,分别显著高出处理D 32.55%和处理E 63.52%,但与处理B和处理C无显著差异。单铃重随种植密度的增加也呈减小的变化趋势,A处理单铃重最大,显著高于E处理11.04%,但与其余各处理差异不显著。籽棉产量随种植密度的增加呈“先增后减”的变化,虽然A处理单株铃数和单铃重均最高,但由于密度最低,导致产量最低,而以处理C产量最高达4 849.96 kg/hm2,较A、B、D、E处理分别增产41.94%、24.20%、4.72%、15.20%。表1

表1 不同种植密度下棉花产量及产量构成因素

3 讨 论

3.1 种植密度对棉花冠层结构的影响

叶面积指数、冠层开度、叶倾角是反映冠层结构性能的重要指标,在棉花生长发育过程中,保持冠层不同层次叶面积合理分布,使群体内光均匀分布,冠层开度较合理,能提高群体光合效能[27]。前人研究表明在(66+10)cm下,在一定密度范围内,棉花的冠层结构受密度影响显著,增加密度可使株型更为紧凑[28],随着种植密度的增大,棉花群体叶面积指数和叶倾角显著增加,MTA降低[13],但张娜等[29]得出相反结论,其研究认为适当降低密度可提高叶面积指数,可能是研究下76 cm等行距种植密度较张娜等[29]研究(66+10)cm下密度有所降低。李春梅等[24]亦得出在76 cm等行距下,随密度增大叶面积指数增大,试验结果与前人研究一致。

3.2 种植密度对棉花冠层温度及光分布的影响

试验研究表明,种植密度对冠层内温湿度的影响始终表现为随密度的增加温度降低、湿度增加,且冠层位置越低,这种降温增湿的效应越明显。密度越大,越不利于热量交换,使株间温度越高,与娄善伟等[30]研究棉花宽窄行所反映的冠层气温变化的结果相同。但这些结果与Yang等[31]得出的“在空气温度上升期间,低种植密度和高种植密度都会导致更高的冠层温度”结果不尽相同,可能是因为新疆种植密度较高,超过了Yang等[31]研究的高密范畴,且种植方式不同所造成的。

由于棉花的各个器官在其生育期内一直处于不断的发展变化状态中,导致群体结构受株型及器官配置的影响极大,在一定生育时期内,群体冠层PAR截获率呈“Ⅴ”型分布,与李亚兵等[32]研究1膜6行的结果一致。棉花密度低时,棉行中空隙大,较多的光穿过冠层透射到地面被土壤反射或吸收,导致没有或远离植株覆盖的位置光截获率低,而在层内的垂直方向上,光更容易被植株截获吸收,使光强衰减速度更快,也就意味着光截获率的增加速度较快[33]。种植密度的增大对于棉花以营养生长为主的阶段的光资源截获更多,为光资源的利用提供了“源”的保障,与刘帅等[34]在宽窄行上研究结果一致。花铃期为棉花光合作用最强烈的时期,此阶段棉花生长重心由营养生长转向生殖生长,群体LAI也最高,棉田已经封行,冠层结构最为密闭。不同种植密度棉花群体对光的截获也均达到峰值。种植密度越高,光的截获率也越高,但高度郁闭的冠层结构导致光难以达到冠层中下部,反而种植密度较低的处理,冠层内空隙相对较大,虽然降低了光的截获率,但冠层中下部也可受光,一定程度上增大了光能的利用率,更有利于光合产物的积累,与吕丽华等[16]在玉米上研究结果一致。

3.3 种植密度对棉花产量及构成因素的影响

产量对增加种植密度的响应呈“先增后降”的变化形式,合理密植、提高群体铃数和单铃重是提高新疆机采模式下棉花的产量的重要措施[35]。张旺锋等[17]在(66+10)cm宽窄行研究表明,密度6×104～30×104株/hm2下单铃重和单株铃数随密度增加减小,高密度处理下单位面积铃数较高,但单铃重低,低密度条件下,单铃重、单株铃数高,单株优势强但群体产量不足。李春梅等[36]在棉花76 cm等行距下研究,密度9×104～21×104株/hm2下籽棉产量随密度增大呈现先增大后减小的趋势。试验研究结果与前人研究结果一致,因此并非高密度即可获得高产,密度适中时单位面积产量最高。

4 结 论

棉花76 cm等行距模式下,在9×104～21×104株/hm2密度范围内,该地区棉花种植密度以15×104株/hm2较为适宜,此时棉花冠层结构及冠层温湿度环境良好,既可以充分发挥棉花个体优势,缓解因群体过大导致冠层微环境的恶化,又可以保证一定的适宜密度,获得群体高产。