李鳳瑞 史加亮 董靈艷 張東樓 趙文超 李子雙 楊秀鳳
(德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,山東 德州 253015)
短季棉因生育期短,經(jīng)濟(jì)系數(shù)高,對(duì)我國(guó)黃河、長(zhǎng)江流域棉區(qū)提高復(fù)種指數(shù)、增加單位面積效益具有重要意義[1]。 近年來,隨著機(jī)械化程度的提高和輕簡(jiǎn)栽培技術(shù)的推廣,短季棉的推廣優(yōu)勢(shì)更加突出[2]。 短季棉的生長(zhǎng)受多種環(huán)境因素影響,其中光照、溫度、降雨量和土壤等因素難以人為控制,而密度、肥料和化控等措施可根據(jù)棉花生長(zhǎng)的具體情況進(jìn)行人為調(diào)節(jié)[3],因此構(gòu)建短季棉優(yōu)良的生長(zhǎng)環(huán)境是提高短季棉植棉效益的關(guān)鍵。 目前,關(guān)于適宜密度、施肥量和縮節(jié)胺用量在調(diào)節(jié)個(gè)體發(fā)育、構(gòu)建合理群體結(jié)構(gòu)和提高棉花產(chǎn)量品質(zhì)等方面的研究多集中在中熟棉。 研究表明,種植密度能夠顯著影響產(chǎn)量和品質(zhì)[4-5],中等密度植棉條件下,棉花(Gossypium spp)的個(gè)體與群體協(xié)調(diào)生長(zhǎng)[6-8],冠層結(jié)構(gòu)特征和光合特性較優(yōu)[9-10],群體光合速率保持較高水平[11-12];氮磷鉀肥平衡施用[13-15],在施足底肥的同時(shí)采用尿素硝酸銨溶液追肥[16-17],適當(dāng)?shù)屎笠芠18-19],均可有效增加葉面積,延長(zhǎng)冠層葉片光合功能期,提高棉花產(chǎn)量;在較高的葉面積指數(shù)條件下,適當(dāng)增加化學(xué)調(diào)節(jié)劑用量,通過協(xié)調(diào)水肥運(yùn)籌,培育良好的冠層結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)棉花高產(chǎn)及超高產(chǎn)[20-21]。
在短季棉研究方面,王欣悅等[22]認(rèn)為,在一定范圍內(nèi)合理密植,能夠有效調(diào)控棉花個(gè)體及群體間同化產(chǎn)物的生產(chǎn)能力,增加密度可以提高棉花產(chǎn)量。 李伶俐等[23]研究發(fā)現(xiàn)在充足的氮肥條件下,保證適量鉀肥的供應(yīng),維持氮鉀平衡對(duì)提高短季棉的氮肥利用效率、產(chǎn)量和纖維品質(zhì)極為重要;馬宗斌等[24]研究表明,適宜的縮節(jié)胺用量能提高短季棉的光合速率和產(chǎn)量。 目前,關(guān)于綜合肥料、密度和化控三要素對(duì)短季棉動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)效應(yīng)的研究尚鮮見報(bào)道。 本研究通過探究不同密度、施肥量和縮節(jié)胺處理對(duì)短季棉新品種德0720 個(gè)體發(fā)育和冠層結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)及產(chǎn)量品質(zhì)的影響,明確其對(duì)短季棉營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)的效應(yīng),構(gòu)建德0720 的最優(yōu)生長(zhǎng)環(huán)境,以期為充分發(fā)揮其增產(chǎn)潛力和科學(xué)開發(fā)利用該品種提供理論依據(jù)。
供試棉花品種:德0720,山東省德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育出的轉(zhuǎn)基因抗蟲短季棉新品種,2015年8月通過山東省農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定。 該品種屬早熟陸地棉類型,親本來源于魯棉研19 號(hào)×德夏棉1 號(hào),全生育期105 d,早熟不早衰,高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),抗病抗逆性強(qiáng),綜合性狀較好。
肥料:氮、磷、鉀肥,其中,氮肥為尿素(N 含量46%,魯西化工集團(tuán)有限公司)、磷肥為過磷酸鈣(P2O5≥12%,銅陵市銅官山化工有限公司)、鉀肥為硫酸鉀(K2O≥50%,山東青上化工有限公司)。 化控藥劑為縮節(jié)胺(dimethyl piperidinium chloride,DPC,98%原藥,安陽市小康農(nóng)藥有限責(zé)任公司)。
試驗(yàn)于2014-2015年在山東省德州市科技示范園進(jìn)行。 2014年播種前,試驗(yàn)地0~20 cm 耕層土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)1.37%、全氮1.70 g·kg-1、速效磷13.74 mg·kg-1、速效鉀68.93 mg·kg-1。 排灌條件良好,每年整地前底施優(yōu)質(zhì)雞糞45 方·hm-2。
氣象資料如圖1 所示,在夏棉整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié),2年月平均氣溫均較常年略高;2014年日照時(shí)數(shù)5、7、8月份較常年略多,6、9、10月份較常年略少,2015年日照時(shí)數(shù)前期較常年略高,9、10月份略低; 2014年全年降雨量均少于常年,2015年8月份降雨量超出常年158.8 mm,其余月份降雨均少于常年。
由表1 可知,2年試驗(yàn)均采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),其中種植密度設(shè)4 個(gè)水平,分別為7.2、8.1、9.0、9.9萬株·hm-2;氮肥設(shè)2 個(gè)水平,分別為150、300 kg·hm-2;磷肥設(shè)2 個(gè)水平,分別為300、600 kg·hm-2;鉀肥設(shè)2 個(gè)水平,分別為90、210 kg·hm-2;縮節(jié)胺用量設(shè)2個(gè)水平,分別為60、90 g·hm-2。 選擇最優(yōu)處理組合8個(gè)(T1~T8),每個(gè)處理設(shè)3 次重復(fù)。 氮肥在盛蕾期1次施入,磷鉀肥底施,縮節(jié)胺分別于初蕾、初花、盛花期噴灑。 5 行區(qū)等行種植,行距0.60 m,行長(zhǎng)5.56 m,5月26日播種,其他管理措施同大田。
圖1 2014、2015年平均溫度、日照時(shí)數(shù)和降雨量與常年對(duì)比Fig.1 2014、2015 average temperature, sunshine hours and precipitation compared to the average year
表1 2014-2015年試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 The experimental design in 2014 to 2015
1.4.1 生長(zhǎng)發(fā)育狀況調(diào)查 于6月30日,在試驗(yàn)各小區(qū)內(nèi)選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻、具有代表性的植株10 株,并連續(xù)標(biāo)號(hào)掛牌,進(jìn)行定點(diǎn)定株調(diào)查。
1)株高測(cè)量(cm):子葉節(jié)至主莖頂端的高度。 于6月30日(見蕾期)、7月15日(盛蕾期)、7月30日(盛花期)、8月15日(盛鈴期)和9月4日(吐絮期)分別對(duì)掛牌植株進(jìn)行株高測(cè)量。 試驗(yàn)于7月30日打頂。
2)莖粗測(cè)量(mm):子葉節(jié)到第一片真葉節(jié)間最細(xì)部分莖的直徑。 于6月30日(見蕾期)、7月15日(盛蕾期)、7月30日(盛花期)、8月15日(盛鈴期)和9月4日(吐絮期)利用游標(biāo)卡尺分別對(duì)掛牌植株進(jìn)行測(cè)量。
3)冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)測(cè)定:分別于7月15日(盛蕾期)、7月30日(盛花期)、8月15日(盛鈴期)和9月4日(吐絮期)上午10:00-12:00,利用Lp-80 型冠層分析儀(美國(guó)Decagon Devices 公司)測(cè)定冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo):在行間中央平行于播種行分別測(cè)量棉花冠層的自然光強(qiáng)、群體底層(距地面10 cm 處)的自然光強(qiáng)和葉面積指數(shù),各小區(qū)每個(gè)部位分別測(cè)定5 個(gè)點(diǎn),并按照公式計(jì)算底層透光率:
1.4.2 棉花產(chǎn)量及構(gòu)成因素調(diào)查 于9月10日在每個(gè)小區(qū)中間3 行,調(diào)查株數(shù)和總成鈴數(shù),計(jì)算單位面積成鈴數(shù);于吐絮盛期,每小區(qū)取棉株中部?jī)?nèi)圍鈴50 個(gè),曬干后測(cè)單鈴重、衣分;于10月25日前按小區(qū)實(shí)收的籽棉產(chǎn)量,根據(jù)衣分折算出霜前皮棉產(chǎn)量。
1.4.3 纖維品質(zhì)檢測(cè) 將各小區(qū)霜前花(揀出僵瓣花)充分混合均勻,軋花后隨機(jī)稱取100 g 皮棉,取樣送中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所棉花纖維品質(zhì)檢測(cè)中心檢測(cè)纖維品質(zhì)。
采用Microsoft Excel 2007 整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)和作圖;DPS 7.05 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。 由于冠層結(jié)構(gòu)、莖粗和株高2年測(cè)定的數(shù)據(jù)較為相似,所以均取2014年數(shù)據(jù)作圖;產(chǎn)量和纖維品質(zhì)取2年數(shù)據(jù)。
由圖2-A 可知,從見蕾期到吐絮期,不同處理下德0720 的株高均表現(xiàn)出相同的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,見蕾期到盛花期增長(zhǎng)迅速,且呈線性增長(zhǎng),盛花期(7月30日)打頂后基本停止生長(zhǎng)。 不同處理下德0720 的株高在見蕾期和盛蕾期差異均不明顯,而在盛花期、盛鈴期和吐絮期均表現(xiàn)為隨著種植密度的增加而增大,隨著化控量的增大而減小。 由圖2-B 可知,德0720 生長(zhǎng)過程中莖粗迅速增加,其中從見蕾期到盛花期莖粗增加最快,盛花期(7月30日)打頂后增速減慢,盛鈴期(8月15日)后逐漸變緩趨于穩(wěn)定。 不同處理下德0720 的莖粗在蕾期差異并不明顯,但隨著生育進(jìn)程的推進(jìn),莖粗隨著密度的增大呈下降趨勢(shì)。 由圖2-C 可知,不同處理下德0720的葉面積指數(shù)(leaf area index,LAI)均從盛蕾期至盛鈴期持續(xù)增長(zhǎng),盛鈴期后明顯下降。 不同處理下德0720的LAI 均隨著種植密度的增加而增大。 其中,T6 處理的LAI 曲線在整個(gè)生育期表現(xiàn)適中,從盛蕾期到盛花期平穩(wěn)增長(zhǎng),從盛花期到盛鈴期較快增長(zhǎng),從盛鈴期到吐絮期緩慢下降,說明中等密度配合較高的縮節(jié)胺用量能夠使群體結(jié)構(gòu)更合理,有利于群體光合性能的發(fā)揮,在生育后期既能為棉鈴發(fā)育提供養(yǎng)分,又不會(huì)引起棉鈴?fù)硎臁?由圖2-D 可知,底層透光率變化與LAI 相反,不同處理的底層透光率在盛蕾期至盛鈴期持續(xù)下降,盛鈴期后又迅速升高。 底層透光率隨著種植密度的增加而減小,隨著化控量增大而增大。 其中T6 處理的底層透光率曲線適中,變化平穩(wěn)。
圖2 不同處理下德0720 生長(zhǎng)發(fā)育和冠層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 The dynamic changes of growing development and canopy structureof De0720 under different treatment
由圖3 可知,在棉花中后期光溫條件優(yōu)越的2014年,霜前皮棉產(chǎn)量先隨著底層透光率的增加而逐漸增大,當(dāng)透光率達(dá)到4. 8%時(shí)出現(xiàn)峰值(1 776 kg·hm-2),后又隨著底層透光率的增大而迅速下降,當(dāng)透光率高達(dá)6. 2%時(shí),霜前皮棉產(chǎn)量最低(1 632 kg·hm-2)。
由表2 可知,德0720 霜前皮棉產(chǎn)量2014年表現(xiàn)為T6>T2>T7>T3>T8>T4>T5>T1,其中T6 和T2霜前皮棉產(chǎn)量均極顯著高于其他處理,但二者之間差異不顯著。 分析不同處理德0720 的產(chǎn)量構(gòu)成因素,發(fā)現(xiàn)2年均表現(xiàn)為T1 和T5 處理的單位面積成鈴數(shù)顯著低于其他處理,T6 處理鈴重(2015年)顯著高于其他處理,T2 和T6 處理的衣分均極顯著高于其他處理。
圖3 德0720 在盛鈴期底層透光率與霜前皮棉產(chǎn)量的關(guān)系Fig.3 The relationship between bottom light transmission ratio and pre-frost lint cotton yield of De0720
采用偏最小二乘回歸建模對(duì)2014年產(chǎn)量結(jié)果進(jìn)行分析。 以霜前皮棉產(chǎn)量作為目標(biāo)函數(shù)(因變量Y),以密度(X1)、施氮量(X2)、施磷量(X3)、施鉀量(X4)、化控量(X5)作為自變量,求得目標(biāo)函數(shù)與自變量的數(shù)學(xué)模型:
表2 不同處理下德0720 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 2 The yield and yield components of De 0720under different treatment
根據(jù)模型的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù),得到各因子對(duì)德0720霜前皮棉產(chǎn)量的影響依次為施鉀量(X4系=0.306 3)>施氮量(X2系=0.114 9)>縮節(jié)胺用量(X5系=0.102 1)>密度(X1系=0.026 6)>施磷量(X3系=0.025 5)。 通過對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化,得到自變量?jī)?yōu)化值分別為X1=8.137 0、X2= 299.896 6、 X3= 599.889 8、 X4= 209.978 4、X5=90.000 0,最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)為 Y = 1 762.216 0 kg·hm-2,這與T6 處理因素及產(chǎn)量值基本一致。
運(yùn)用偏最小二乘回歸分析法對(duì)2015年產(chǎn)量結(jié)果進(jìn)行分析,得到2015年各因子對(duì)德0720 霜前皮棉產(chǎn)量的影響依次為施鉀量(X4系=0.240 0)>施氮量(X2系=0.019 6)>縮節(jié)胺用量(X5系=0.009 6)>密度(X1系=0.002 2)>施磷量(X3系=-0.006 9)。 自變量的優(yōu)化值分別為:X1=8.330 9,X2=299.972 0,X3=599.542 0,X4=210.000 0,X5=90.000 0,最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)為Y=1 463.185 6 kg·hm-2,與T6 處理及產(chǎn)量值大致接近。2年產(chǎn)量的分析結(jié)果表明,運(yùn)用偏最小二乘回歸分析本試驗(yàn)?zāi)P团c實(shí)際情況擬合較好。
同理,采用偏最小二乘回歸分析法對(duì)德0720 產(chǎn)量構(gòu)成因素進(jìn)行分析,2年試驗(yàn)結(jié)果表明,各因子對(duì)單位面積鈴數(shù)的影響依次為密度(X1系,2014= 0.299 0、X1系,2015=0.301 0)>施鉀量(X4系,2014=0.181 3、X4系,2015=0.151 4)>施氮量(X2系,2014=0.020 4、X2,2015=0.036 1)>縮節(jié)胺用量(X5,2014=0.013 6、X5,2015=0.030 3)>施磷量(X3,2014=0.006 8、X3系,2015=-0.012 7);各因子對(duì)鈴重的影響為鈴重隨著密度(X1系,2014=-0.2846、X1,2015=-0.288 6)增大呈逐漸降低趨勢(shì),隨著施肥量和化控量的增大而增大(2014年X2系、X3系、X4系、X5系均為0.027 7,2015年X2系、X3系、X4系、X5系均為0.025 5);各因子對(duì)衣分的影響依次為施鉀量(X4系2年均為0.367 9)>密度(X1系2年均為0.117 5)>施氮量(X2系2年均為0.105 1)>縮節(jié)胺用量(X5系2年均為0)>施磷量(X3系2年均為-0.105 1)。
由表3 可知,不同處理下,2014、2015年斷裂比強(qiáng)度均隨著密度的增加呈增加趨勢(shì),但增幅較小,且差異不顯著;馬克隆值均隨著密度的增加呈降低趨勢(shì);上半部平均長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度和斷裂伸長(zhǎng)率變化規(guī)律均不明顯。 總體來看,不同處理對(duì)德0720 纖維品質(zhì)的影響不大。
表3 不同處理下德0720 的纖維品質(zhì)Table 3 The fiber quality of De0720 under different treatment
合理密植能夠協(xié)調(diào)個(gè)體與群體生長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)之間的關(guān)系,進(jìn)而使棉田動(dòng)態(tài)群體結(jié)構(gòu)合理,棉株內(nèi)“源、庫、流”協(xié)調(diào),為棉花優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)提供較多的光合產(chǎn)物。 然而,隨著棉花化控技術(shù)水平的提高,種植密度范圍不斷發(fā)生改變[25]。 羅宏海等[26]研究發(fā)現(xiàn)中密度群體具有足夠群體,培育健壯個(gè)體,葉面積指數(shù)高,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),冠層結(jié)構(gòu)合理,光合物質(zhì)累積多,皮棉產(chǎn)量高等特點(diǎn);趙振勇等[27]研究表明,棉花生育前期對(duì)密度并不敏感,但后期(7月18日以后)存在顯著性差異。 李伶俐等[28]研究發(fā)現(xiàn)合理增加種植密度,結(jié)合適量的縮節(jié)胺系統(tǒng)化控,維持適宜LAI 是麥后直播短季棉優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的基礎(chǔ);秦亞平等[29]研究表明,盛鈴期最適、最大LAI 及其功能持續(xù)期是協(xié)調(diào)庫源關(guān)系的重要因素。 上述研究結(jié)果與本研究基本一致。 本研究中,種植密度對(duì)德0720 個(gè)體發(fā)育的影響表現(xiàn)為盛花期后,株高隨著密度的增大而增高,而莖粗隨著密度增大而減小;密度對(duì)德0720 冠層結(jié)構(gòu)的影響表現(xiàn)為葉面積指數(shù)隨著種植密度的增加而增大,底層透光率隨著密度增加而減小;德0720 為8.1 ~9.0 萬株·hm-2中密度(與山東省夏棉區(qū)試密度接近)時(shí),其葉面積指數(shù)、底層透光率適中,冠層結(jié)構(gòu)優(yōu)良,霜前皮棉產(chǎn)量達(dá)到最大值(1 776 kg·hm-2)種植密度對(duì)德0720 纖維品質(zhì)的影響不大。 這與李伶俐等[28]的研究結(jié)果不一致,可能與密度的設(shè)計(jì)梯度不同有關(guān)。
李祥云等[15]研究發(fā)現(xiàn)氮磷鉀對(duì)棉花產(chǎn)量的影響效果依次為氮>鉀>磷,其中氮肥可以適量多施,磷鉀肥中等用量即可。 這與本試驗(yàn)結(jié)果基本一致。 本研究中,影響德0720 產(chǎn)量的首要因子是鉀,其次是氮;影響鈴數(shù)、鈴重和衣分的因子均表現(xiàn)為鉀>氮,這與李伶俐等[23]的研究結(jié)果一致,這可能與土壤的基礎(chǔ)肥力不同有關(guān)。 本試驗(yàn)中,化控對(duì)德0720 株高的影響主要表現(xiàn)在控制株高效果顯著,噴施縮節(jié)胺90 g·hm-2對(duì)控制株高效果較好。 化控對(duì)德0720 冠層結(jié)構(gòu)的影響表現(xiàn)為葉面積指數(shù)隨著化控量的增大而減小,底層透光率隨著化控量的增大而增大,噴施縮節(jié)胺90 g·hm-2可使德0720 的葉面積指數(shù)和底層透光率適中,形成優(yōu)良的冠層結(jié)構(gòu);化控對(duì)產(chǎn)量的影響僅次于鉀肥和氮肥,表明適宜的縮節(jié)胺用量可以通過對(duì)株高的控制和冠層結(jié)構(gòu)的塑造增加單位面積結(jié)鈴數(shù)和鈴重,進(jìn)而提高產(chǎn)量。 這與羅宏海等[21]和馬宗斌等[24]的研究結(jié)果一致。 本試驗(yàn)中,化控對(duì)德0720 纖維品質(zhì)的影響不大,這與李伶俐[28]的研究結(jié)果基本一致,但其影響機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。
本試驗(yàn)存在密度、肥料和化控的多重相關(guān),因此運(yùn)用偏最小二乘回歸分析模型與實(shí)際情況擬合較好[30-31]。 經(jīng)過對(duì)2年試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,發(fā)現(xiàn)密度、肥料和化控的最佳組合均為T6 處理,該處理單位面積成鈴數(shù)較高,鈴重、衣分和霜前皮棉產(chǎn)量均為最高(且均極顯著高于其他處理)。 T6 和T2 間霜前皮棉產(chǎn)量差異不顯著,但T6 鈴重顯著高于T2,表明T6 更具增產(chǎn)潛力。
2014年6月下旬至9月上旬的蕾鈴期(除7月上旬降水64 mm 外)未出現(xiàn)有效降雨,氣溫較常年略高,光照充足,有利于夏棉開花結(jié)鈴,7月下旬及時(shí)進(jìn)行人工灌溉,因此德0720 長(zhǎng)勢(shì)穩(wěn)健、整株成鈴多,鈴重高,產(chǎn)量高。 2015年,由于5、6月份偏旱, 7月份雨水適中,所以德0720 生育前期生長(zhǎng)穩(wěn)健,結(jié)鈴較多。 8月份雨水較多,特別是8月27日大風(fēng)降雨后,倒伏嚴(yán)重,迅速早衰,秋桃成鈴率低,鈴重下降,導(dǎo)致產(chǎn)量較低。
采用偏最小二乘回歸分析法,分析2年試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出密度、肥料和化控的最佳組合為T6,即密度8.1萬株·hm-2,底施雞糞45 方·hm-2、過磷酸鈣600 kg·hm-2、硫酸鉀210 kg·hm-2、盛蕾期一次施入尿素300 kg·hm-2,初蕾、初花、盛花3 個(gè)時(shí)期共噴施縮節(jié)胺90 g·hm-2。該處理組合的株高、莖粗曲線適中偏高;單位面積成鈴數(shù)和單鈴重均處于較高水平;LAI 曲線在整個(gè)生育期變化平穩(wěn)、表現(xiàn)適中;盛鈴期底層透光率在4.8%左右;霜前皮棉產(chǎn)量達(dá)到1 776.0 kg·hm-2峰值。