密度對(duì)棉花株間小氣候、農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響

華 燁，周昊楠，許婷婷，吉春容

（1新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺(tái)，烏魯木齊 830002；2烏魯木齊市氣象局，烏魯木齊 832002；3新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺(tái)，烏魯木齊 832000；4中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002）

0 引言

作物種植方式關(guān)系著作物群體結(jié)構(gòu)是否合理、動(dòng)態(tài)規(guī)律是否正常的關(guān)鍵，尤其是在高產(chǎn)栽培條件下，作用更顯得突出[1]。作物群體密度不同，其內(nèi)部形成不同的小氣候環(huán)境[2-3]，可改變作物生長(zhǎng)性狀，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的形成、病蟲(chóng)害發(fā)生程度都有很大影響[4-5]，棉花合理密植才能獲得優(yōu)質(zhì)棉和高產(chǎn)量。新疆棉區(qū)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始至今，已成為優(yōu)質(zhì)棉和彩色棉的生產(chǎn)基地。棉花產(chǎn)量除生產(chǎn)因素及非自然因素影響外，氣象因子極端變化往往對(duì)其影響重大[6-7]，而氣候因素的變化最終要體現(xiàn)在改變棉田內(nèi)部小氣候環(huán)境上。因此，研究棉花不同栽培密度及所形成的田間小氣候條件變化對(duì)棉花農(nóng)藝性狀的改變以及對(duì)產(chǎn)量的影響非常必要。1985年金桂紅[8]研究了受小氣候的影響棉花雄性敗育，認(rèn)為田間活動(dòng)層高溫響應(yīng)最直接；2000—2002年李富先等[9]設(shè)計(jì)棉花膜下滴灌與普通灌溉比較試驗(yàn)，認(rèn)為膜下滴灌棉花的田間小氣候因子優(yōu)于普通灌溉。在不同棉花栽培密度處理上，王海洋等[10]進(jìn)行不同種植密度田間試驗(yàn)，認(rèn)為隨著種植密度的增大，單株成鈴數(shù)明顯減少，單位面積籽棉產(chǎn)量均呈先增加后減少的趨勢(shì)；寧新柱等[11]研究了不同密度對(duì)棉花產(chǎn)量、生長(zhǎng)性狀及纖維品質(zhì)的影響；李伶俐[12]、王延琴[13]等測(cè)試了棉花不同密度的光合特性。近年來(lái)，賴奕英[14]研究了栽培密度對(duì)新疆棉花產(chǎn)量及纖維品質(zhì)的影響。對(duì)于有些作物，田間小氣候研究較早，如王興亞等[15]對(duì)冬小麥種植方式和施氮量對(duì)農(nóng)田小氣候影響進(jìn)行了分析，在棉花氣候生態(tài)方面研究成果較多[16-18]，而棉花新品種更新?lián)Q代后不同密度棉田小氣候的研究相對(duì)較少。為提高棉花產(chǎn)量，棉花新品種的種植密度不斷發(fā)生變化，使得棉田小氣候改變，最終必然會(huì)影響到產(chǎn)量。筆者從不同密度的田間小氣候變化角度研究對(duì)棉花農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響，小氣候觀測(cè)確定在棉花郁閉度最大的開(kāi)花盛期進(jìn)行，觀測(cè)項(xiàng)目包括株間溫度、透光率、濕度狀況、通風(fēng)狀況及其葉片、蕾鈴脫落和產(chǎn)量，以期研究棉田不同密度的小氣候變化規(guī)律，為當(dāng)?shù)孛藁ǜ哔|(zhì)量栽培管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

使用北疆地區(qū)主栽品種‘新路早33號(hào)’作為棉花實(shí)驗(yàn)素材，來(lái)源于新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花研究所。

1.2 試驗(yàn)方法

種植形式、栽培管理與大田棉花一致。小區(qū)面積120 m2，設(shè)定6個(gè)密度處理，分別為9萬(wàn)(A)、13.5萬(wàn)(B)、18萬(wàn)(C)、22.5萬(wàn)(D)、27萬(wàn)(E)、31.5(F)萬(wàn)株/hm2，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。

1.3 農(nóng)藝性狀測(cè)定項(xiàng)目

在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選取10株×3記錄棉花農(nóng)藝性狀，包括現(xiàn)蕾期之后每隔25天測(cè)定棉株干物重、吐絮后期測(cè)定株高、莖粗、葉片數(shù)、單株鈴數(shù)、單鈴重、成熟期密度和實(shí)際產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀。

1.4 小氣候觀測(cè)項(xiàng)目

觀測(cè)時(shí)間確定在棉花開(kāi)花盛期7月5日，群體郁閉度達(dá)到最大，在此階段觀測(cè)棉田小氣候具有代表性。小氣候觀測(cè)儀定位在棉株高度的2/3處(40 cm)和地面0 cm處。連續(xù)10天觀測(cè)溫度、濕度，測(cè)定棉株底部透光率及頂部光照強(qiáng)度等氣象要素。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)處理及分析采用Excel統(tǒng)計(jì)軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同密度棉花株間小氣候變化

2.1.1 株間溫度變化 圖1為棉花株間平均溫度日變化，隨時(shí)間變化不同密度棉花植株間溫度與氣溫日變化有著一致性，最高溫度出現(xiàn)在16:00時(shí)。在有限的小氣候觀測(cè)時(shí)段里，不同密度之間地面至40 cm株間平均溫度，大、小密度處理株間的平均溫度小于中等密度，即C=D＞B=A＞E=F。以C、D處理溫度最高，比E、F處理高約0.2℃。此外，各個(gè)密度在12:00時(shí)冠層溫度相近，而在14:00—16:00時(shí)大密度升溫緩慢，小密度升溫加快，并且在16:00之后小密度溫度高于大密度。

圖1 不同密度冠層(40 cm)溫度晝變化

圖2 為不同密度株間梯度溫度變化，各個(gè)密度均反映出株高40 cm處（代表冠層）的溫度高于地面(0 cm)溫度，而不同的密度存在明顯的梯度溫度差，隨著密度增加梯度溫度差具有逐漸加大的特點(diǎn)，如A、B處理梯度溫度差為0.2℃，而E、F處理梯度溫度差為0.5℃，并且密度與梯度溫度差具有顯著線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.961(P＜0.01)。說(shuō)明種植密度小冠層與近地面通透性好，有利于熱量交換；反之，密度越大越不利于株間熱量交換。從試驗(yàn)結(jié)果看，棉花群體間梯度溫度差應(yīng)0.3～0.4℃較為適宜。

圖2 不同密度梯度（棉株高度0～40 cm）溫度差

2.1.2 株間透光率 圖3為不同密度通過(guò)棉株冠層到達(dá)地面的透光率。密度與透光率呈負(fù)相關(guān)顯著，相關(guān)系數(shù)為-0.995(P＜0.01)。在棉花開(kāi)花后期葉面積最大，稀植的A處理達(dá)到地面的透光率為11.5%，是密植F處理(2.6%)的4.4倍。密度大到達(dá)地面的光照就少，而透光率大說(shuō)明上層截獲的光少，棉株底層接受的光就越多，下層葉面積接收光能而發(fā)揮其功能性，光合面積相對(duì)增大，才有利于光合作用，棉田通風(fēng)透光及湍流交換性能才會(huì)增強(qiáng)[24]，對(duì)減少蕾鈴脫落、提高鈴的發(fā)育質(zhì)量均有利。涂勇[16]研究認(rèn)為，棉花群體基部受光強(qiáng)度在2500 lx左右時(shí)葉片仍可正常進(jìn)行光合作用，合成有機(jī)營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)棉鈴發(fā)育。晴天10:00—16:00，自然光強(qiáng)為56500～70800 lx。棉株群體地面處透光率為5%時(shí)光強(qiáng)為2825～3540 lx。本試驗(yàn)C處理棉株地面透光率為7.4%，D處理透光率為5.5%，C、D處理棉株農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量均表現(xiàn)良好。

圖3 不同密度通過(guò)冠層到達(dá)地面透光率

2.1.3 冠層空氣相對(duì)濕度日變化 圖4為不同密度冠層內(nèi)空氣相對(duì)濕度日變化趨勢(shì)。白天（10:00—20:00時(shí)）相對(duì)濕度呈二次項(xiàng)變化y=0.4111x2-13.294x+160.55，復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.981(P＜0.01)達(dá)極顯著水平。經(jīng)過(guò)一夜較低溫度之后，早上棉田空氣濕度較大，10:00時(shí)A處理比F處理低6個(gè)百分點(diǎn)。隨著光照時(shí)間、光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，氣溫的升高，棉田冠層空氣濕度逐漸下降，16:00—18:00時(shí)降到最低，這個(gè)最低時(shí)間點(diǎn)與氣溫日變化的最高時(shí)間點(diǎn)相一致。在最低點(diǎn)處各個(gè)密度處理空氣相對(duì)濕度相近。20:00時(shí)棉田空氣濕度轉(zhuǎn)為升高，此時(shí)A處理比F處理低10個(gè)百分點(diǎn)。隨著密度的增加棉田冠層空氣濕度有所增加，不同密度冠層平均空氣濕度排序?yàn)锳=B＜C＜D＜E＜F，其中最大密度F相對(duì)于最小密度A冠層空氣濕度平均提高4個(gè)百分點(diǎn)，而中間密度(B、C、D)比疏(A)密(F)冠層空氣相對(duì)濕度變化幅度小。

圖4 不同密度冠層空氣相對(duì)濕度晝變化

2.2 不同密度棉花農(nóng)藝性狀

從棉花現(xiàn)蕾后6月10日開(kāi)始，每隔約20～25天測(cè)定一次棉株干物重，于9月25日結(jié)束。由圖5所示，各個(gè)時(shí)期單株干物重疏(A)～密(F)存在較大的差異，始終表現(xiàn)出稀植棉株的個(gè)體強(qiáng)勢(shì)，呈A＞B＞C＞D＞E＞F排列。9月5日測(cè)定棉株干物重最大，且A處理棉株干物重是F處理的4.6倍。

圖5 棉花不同發(fā)育期單株干物重

不同密度棉花農(nóng)藝性狀見(jiàn)表1，收獲期實(shí)有密度與設(shè)計(jì)密度相比有增有減，差異較小。實(shí)有密度與株高、根部莖粗、單株葉數(shù)、單株果枝數(shù)、單株鈴數(shù)、單鈴重、單株干物重呈顯著負(fù)相關(guān)，隨著密度的增加呈減小減少趨勢(shì)；實(shí)有密度與始節(jié)高度、總鈴數(shù)、衣分呈正相關(guān)，隨著密度的增加呈增大增多趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，隨密度增加群體優(yōu)勢(shì)增加，單株優(yōu)勢(shì)隨著密度的增加而減弱。稀植A處理與密植F處理相比，株高增加17.17 cm，莖粗增加4.55 mm，葉數(shù)增加3.16個(gè)，單株果枝數(shù)增加0.55個(gè)，始節(jié)距地面高度矮1.36 cm，每公頃總鈴數(shù)減少417368個(gè)，單株鈴增加4.47個(gè)，衣分減小1.44個(gè)百分點(diǎn)，9月25日測(cè)得單株干物重增加58.05 g。密度大（?。┊a(chǎn)量均處于最低位，密度中等D處理產(chǎn)量最高，相對(duì)A處理和F處理產(chǎn)量分別增加24.7%和10.4%。不同密度產(chǎn)量排序?yàn)镈＞E＞C＞B＞F＞A。

表1 不同密度處理棉株的農(nóng)藝性狀

2.3 不同密度小氣候變化對(duì)棉花農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響

表2 為不同密度小氣候要素與棉花生長(zhǎng)的農(nóng)藝性狀相關(guān)分析結(jié)果。棉株間0～40 cm溫度差、透光率對(duì)各項(xiàng)棉花農(nóng)藝性狀（衣分除外）具有顯著的相關(guān)關(guān)系；表現(xiàn)出隨著密度的增加，株間梯度溫度差變大，而透光率變小，個(gè)體優(yōu)勢(shì)逐漸減弱，反之則個(gè)體優(yōu)勢(shì)增強(qiáng)。株間的濕度變化對(duì)棉花農(nóng)藝性狀的影響并不明顯。當(dāng)棉花產(chǎn)量達(dá)到最高時(shí)，密度應(yīng)在23.0萬(wàn)株/hm2左右，此密度下棉株間梯度溫度差應(yīng)在0.3～0.4℃之間，透光率則應(yīng)＞5.5%。

表2 密度、小氣候要素與棉花農(nóng)藝性狀的相關(guān)系數(shù)

3 討論

3.1 密度影響株間湍流交換

北疆棉區(qū)花期和見(jiàn)絮初期氣溫較高[6]，日平均氣溫在24℃以上，日最高氣溫出現(xiàn)在下午16:00左右，而此時(shí)棉花冠層空氣溫度也最高，中午時(shí)段冠層空氣溫度高密度處理(32～36℃)略高于低密度(31～36℃)，說(shuō)明密度越大，越不利于熱量交換，使株間溫度越高；這與婁善偉[19]研究棉花寬窄行所反映的冠層氣溫變化的結(jié)果相同。棉株40 cm處溫度較地面0 cm高，且高密度冠層至地面溫度差小于低密度。說(shuō)明密度的不同嚴(yán)重影響了株間溫度、空氣濕度以及通風(fēng)透光[20-21]，高密度可造成株間湍流交換較差，尤其在高溫時(shí)段湍流交換更差，這一結(jié)果符合劉樹(shù)華[23]對(duì)農(nóng)田近地面層湍流交換的研究特征。

3.2 株間小氣候改變了棉株農(nóng)藝性狀

氣候條件是農(nóng)作物的產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，適宜的農(nóng)田小氣候條件是豐產(chǎn)基本保障。栽培密度不同會(huì)改變棉田內(nèi)部不同層次的光、溫、水、氣小氣候環(huán)境，這些小氣候環(huán)境的改變對(duì)產(chǎn)量有較大的影響[10-11,19,23-24]。密度對(duì)株間透光率影響十分明顯，通風(fēng)透光相輔相成，密度過(guò)大下層葉片接收不到光照而萎蔫落葉。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，A處理稀植株間冠層與地面溫差小，透光率高，相對(duì)濕度相對(duì)較小，通風(fēng)透光效果好單株鈴數(shù)達(dá)到9.28個(gè)；高密植F處理通風(fēng)透光效果較差，單株結(jié)鈴僅4.01個(gè)。這2個(gè)極端密度處理在6個(gè)密度處理中產(chǎn)量為最低。最高產(chǎn)量是D處理，密度為22.5萬(wàn)株/mh2，成為最優(yōu)密度；其次是E處理；再其次是C處理。依據(jù)C、D、E試驗(yàn)結(jié)果，縱觀棉田株間小氣候條件，梯度溫度差在0.3～0.4℃之間，底層透光率在5.5%以上，這與涂勇[21]研究的結(jié)果一致；冠層空氣濕度在59%左右，為棉田開(kāi)花后期（最大郁閉度期）適宜的小氣候條件。低密度群體生物產(chǎn)量低，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量有限，很難進(jìn)一步提高；高密度生物產(chǎn)量高，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量則較低。

3.3 合理的群體結(jié)構(gòu)是棉花產(chǎn)量的基礎(chǔ)

在相同栽培措施下，作物豐產(chǎn)由2個(gè)基本要素組成，一是合理群體優(yōu)勢(shì)，二是個(gè)體優(yōu)勢(shì)。當(dāng)個(gè)體優(yōu)勢(shì)明顯的前提下，就要發(fā)揮群體優(yōu)勢(shì)。種植密度的不同造成了棉株個(gè)體差異，也影響著群體結(jié)果。密度小個(gè)體優(yōu)勢(shì)明顯，密度大群體優(yōu)勢(shì)明顯。個(gè)體與群體間是矛盾的集合體，只有集合體完美結(jié)合才能達(dá)到最優(yōu)效果[25-27]。群體與個(gè)體則存在共生與相互干擾問(wèn)題，群體之中的小氣候條件變化是否合理，直接影響到作物的產(chǎn)量。棉花密度過(guò)大改變了棉株群體間的溫、光以及熱量條件，會(huì)對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生影響[14,28]。研究表明，首先是密度改變了田間小氣候環(huán)境，進(jìn)而影響了棉株的農(nóng)藝性狀，D處理既保留了棉株的個(gè)體優(yōu)勢(shì)，也體現(xiàn)了群體優(yōu)勢(shì)，得到了突出的產(chǎn)量；其次是棉株間合理的小氣候條件，具有量化的通風(fēng)透光條件，發(fā)揮底層葉片功能，才能促使光合作用積累更多的干物質(zhì)，為產(chǎn)量提供能量源泉。密度過(guò)大，透光率減小，光合性能差，通風(fēng)效果差，株間縱向溫度梯度變化小，落葉、蕾鈴脫落嚴(yán)重[29]，個(gè)體優(yōu)勢(shì)減弱，影響干物質(zhì)積累，造成產(chǎn)量低。隨著種植密度的增加，棉花生育期延長(zhǎng)，株高與始果枝節(jié)位高度越高，單株主莖葉片數(shù)、果枝、蕾、花、鈴越少鈴重越輕[14,30]。在目前栽培管理水平下，棉花密度控制在20萬(wàn)～25萬(wàn)株/mh2，棉花個(gè)體與群體優(yōu)勢(shì)協(xié)調(diào)，確保通風(fēng)透光，田間小氣候條件環(huán)境適宜，即可得到較高的棉花產(chǎn)量，這與婁善偉[19]、唐震超[28]、賴奕英[14]等研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

本研究共設(shè)計(jì)6個(gè)棉花不同密度試驗(yàn)，在棉花生長(zhǎng)最大郁閉度（盛花期）觀測(cè)田間小氣候要素變化，隨著密度的增加，棉株間溫度呈拋物線變化，其株間梯度溫度差呈線性變化，最小密度A為0.2℃，最大密度F為0.5℃；而中等密度D梯度溫度差在0.4℃左右。達(dá)到地面的透光率A處理為11.5%，F(xiàn)處理為2.6%，C、D、E在3.5%～7.4%之間。依據(jù)產(chǎn)量分析最佳密度群體株間梯度溫度差應(yīng)0.3～0.4℃；棉株間地面透光率應(yīng)在5.5%以上。結(jié)果表明，新疆早熟棉花栽培密度22.5萬(wàn)株/hm2產(chǎn)量表現(xiàn)最佳，其次是27.0萬(wàn)株/hm2，再其次是18.0萬(wàn)株/hm2。