機采種植模式下無膜栽培在棉花生產(chǎn)上的應(yīng)用效果

辛明華，魏恒玲，楊北方，李小飛，范正義，韓迎春，李亞兵，喻樹迅

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國家重點實驗室，河南安陽 455000)

0 引 言

【研究意義】2014年棉花產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系提出棉花無膜種植方案，2019年無膜棉的研究和利用初見成效，但配套栽培技術(shù)研究滯后，栽培管理方式還不能充分發(fā)揮無膜棉的潛力，急需針對無膜棉與有膜棉在生育期、株型、光資源等指標(biāo)的差異性原因研究出一套新的栽培管理規(guī)程，以加快其推廣，無膜棉品種配套栽培技術(shù)的研究工作[1-3]，通過農(nóng)藝配套栽培管理措施促使無膜棉增產(chǎn)增效?！厩叭搜芯窟M展】研究表明，地膜能有效接納太陽輻射，并被土壤吸收轉(zhuǎn)化為熱能，可阻止近地層冷空氣流動造成的膜下土壤熱量散失，阻斷了熱能以長波向外輻射，減少水分蒸發(fā)時所需熱能，減少了熱量通過向近地表空氣對流時散失，具有顯著增溫和保溫作用[4-19]。目前，全國50多種作物使用地膜覆蓋可使作物水分利用效率平均提高58.0%，利于株型發(fā)展，利于冠層結(jié)構(gòu)合理配置[21-29]。研究表明，無膜種植可以提高棉花對逆境的適應(yīng)力，增強自身耐鹽性、促進根系下扎、抑制田間雜草[30-34]等作用，利于鹽堿地開發(fā)[9, 35]。此外地膜棉前期根系發(fā)育較好，但一級側(cè)根離地面較近，呈水平生長，在花鈴期最易受旱，開花以后根系功能顯著衰退，主莖生長過早停止，葉面積指數(shù)在2.5以下，管理不當(dāng)極易發(fā)生早衰[20]。喻樹迅等[36]研究表明，通過選育出早熟、無膜覆蓋品種中棉619，可以躲開傳統(tǒng)棉花前期地溫和積溫不足的生長期，促進棉花生長發(fā)育，并保持產(chǎn)量和效益，實現(xiàn)棉花行業(yè)節(jié)本增效、綠色可持續(xù)發(fā)展?！颈狙芯壳腥朦c】前人對傳統(tǒng)棉花覆膜研究較為深入，但有關(guān)無膜種植模式下機采棉的報道較少。研究無膜種植對機采棉生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】利用目前篩選到的示范試驗面積最大且適宜新疆無膜種植的棉花新品系中棉619，研究無膜棉在機采等行距種植模式下的生長發(fā)育特點及物質(zhì)產(chǎn)量形成規(guī)律，為無膜棉合理密植栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2019年在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所新疆阿拉爾試驗站開展(40°51'N，81°30'E)。供試土壤為砂壤土，中等肥力，屬暖溫帶大陸干旱荒漠氣候，年均氣溫10.71℃，≥10℃累計年日照時數(shù)達(dá)1 812.00 h，常年平均降雨量50.13 mm,無霜期198.74 d。試驗田土壤pH為7.18，0～20 cm土層有機質(zhì)含量為13.41 g/kg、全氮含量1.27 g/kg、有效磷29.66 mg/kg、速效鉀162.31 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，3 次重復(fù)，行距配置為66 cm+10 cm機采棉種植模式，每區(qū)6膜，每膜6行，50 m長，覆膜寬2.05 m，小區(qū)面積 667 m2。前茬作物棉花。4月14日開始整地，4月15日撒施化肥，施肥量為磷酸二銨375 kg/hm2，尿素225 kg/hm2，有機肥1 500 kg/hm2，隨后翻耕，耕深25～30 cm，播期為4月16日，播種密度 25.2 ×104株/hm2。5月24日滴頭水，全生育期共滴水11次，每次灌水量430 m3/hm2，共滴施尿素660 kg/hm2、高鉀高磷滴灌肥495 kg/hm2。全生育期防治棉薊馬2次、蚜蟲8次，7月16日打頂，10月初開始收花。打頂、化控、植保措施同當(dāng)?shù)貦C采棉栽培模式相同。

1.2.2 測定指標(biāo)

1.2.2.1 農(nóng)藝性狀

從棉花播種開始到吐絮結(jié)束記錄不同階段的生育時期，并于3葉期定苗。分別于播種后48、63、72、86、94、108和121 d，在每小區(qū)中間2行選取具有代表性的2株棉花，對其器官根、莖、葉、花、鈴、絮測定鮮重；采用掃描儀(Phan-tom 9800xl，MICROTEK，Shanghai，China)和圖像處理軟件Image-Pro Plus(Media Cybernetics，Rockville，MD， USA.)獲取葉面積，計算葉面積指數(shù)(Leaf area index)。將分解后的鮮樣放入烘箱105℃殺青處理30 min，再80℃恒溫烘干至恒重，稱重獲取干物質(zhì)質(zhì)量。

通過Logistic方程[37]對棉花干物質(zhì)積累變化進行擬合。Logistic方程的方法和特征值如下：Y=K/[1+e(a+bt)]，其中Y為棉花干物質(zhì)積累量，t為棉花播種后天數(shù)，K為干物質(zhì)最大積累量，a、b、k為待定系數(shù)。當(dāng)t=t0時，Vm=﹣bK/4，此時又叫速度特征值。通過求二階導(dǎo)數(shù)得出t1和t2。t1和t2將Logistic生長函數(shù)“S”型曲線分為3個階段，在0～t1時間內(nèi)，干物質(zhì)積累呈緩慢上升的趨勢；在t1和t2時間內(nèi)干物質(zhì)或養(yǎng)分的積累速度加快，幾乎呈直線增加趨勢；在過了t2時刻后，干物質(zhì)或養(yǎng)分的積累速度又減緩下來，使Y最終趨向于K。Δt=t2-t1,為時間特征值，表示作物旺盛生長期(干物質(zhì)積累快速增長期)的時間長短；在t2～t1時間內(nèi)，GT=-bk/4×Δt，GT為“生長特征值”，它表示干物質(zhì)或養(yǎng)分的積累量已達(dá)到最大積累量的65.8%。

1.2.2.2 光截獲率

采用空間網(wǎng)格法，分別于播種后48、63、72、86、94、108和121 d在不同處理的試驗區(qū)域選取長勢均勻一致的2行棉花，在棉花行間(橫向80 cm)以及地面至冠層頂部(縱向100 cm)均以20 cm為間距測定冠層光合有效輻射(PAR)，測量儀器選用1 m長的線性光量子傳感器(LI-191SA, LI-COR, Lincoln, NE, USA)，將其與數(shù)據(jù)采集器(LI-1400, LI-COR, Lincoln, NE, USA)相連，記錄測量結(jié)果。冠層的PAR[(μmol/(m2·s)]透過率(Tr)、反射率(Rr)和截獲率(In)計算公式參考劉帥等[38]的方法。

Tr=PARt/PARi，

Rr=PARr/PARi，

In=(PARi-PARt-PARr)/PARi．

式中，Tr代表冠層PAR透過率(μmol / (m2·s))，PARi為冠層頂部入射PAR(μmol / (m2·s))，PARt和PARr分別為冠層底部入射PAR和冠層頂部反射PAR。

1.2.2.3 指標(biāo)測定

在棉花成熟期進行田間測產(chǎn)，每個處理選取連續(xù)50株帶回室內(nèi)進行考種，分別測定其果枝數(shù)、果枝始節(jié)、單株鈴數(shù)等農(nóng)藝性狀。在吐絮盛期時，每小區(qū)隨機抽取200個正常吐絮的棉鈴，分別測定其籽棉重、單株鈴數(shù)，計算單鈴重，籽棉分別扎花，測定皮棉重，計算衣分。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel2017軟件進行數(shù)據(jù)整理；用Surfer 16和Stata 14軟件進行光合數(shù)據(jù)處理；用SPSS 23.0統(tǒng)計軟件進行差異顯著性分析(Duncan法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 無膜種植對棉花生育進程的影響

研究表明，無膜棉種植使棉花生育各時期延長，較對照處理出苗期延遲7 d，差異顯著，現(xiàn)蕾期推遲12 d，差異顯著；前者與后者相比，開花期和吐絮期均推遲5 d，差異不顯著；全生育期相差9 d，差異顯著。表1

表1 不同處理棉花生育進程比較Table 1 Comparison of growth process of cotton with different treatments

2.2 無膜種植對棉花葉面積指數(shù)的影響

研究表明，2種栽培模式下，葉面積指數(shù)呈現(xiàn)單凸曲線變化，無膜栽培的棉花葉面積指數(shù)均低于覆膜栽培，前者與后者相比，從播種后48至94 d各階段總的葉面積指數(shù)差距較大，降幅達(dá)到27.91%，播種后94至121 d差距變小，降幅達(dá)到15.82%。且播種后94 d時，2處理的葉面積指數(shù)最高，此時2處理差距最小，無膜葉面積指數(shù)(3.84)較有膜葉面積指數(shù)(4.18)降幅達(dá)到8%。圖1

2.3 無膜種植對棉花群體光截獲率的影響

研究表明，冠層光截獲率和播種后時間線性擬合度分別為0.846 7、0.940 3。2種種植模式冠層光截獲率呈現(xiàn)開口向下的二項式分布，于播種后94 d達(dá)到最大值，無膜、有膜處理的冠層光截獲率分別為0.609、0.628。不同處理間比較，整個生育期內(nèi)無膜處理的冠層光截獲率均低于有膜處理，且R2均達(dá)0.8以上。棉花生育前期(播種后48至94 d)植株矮小，群體結(jié)構(gòu)差異較大，冠層光截獲率增加緩慢；隨著植株生長，冠層光截獲率差異逐漸縮小，達(dá)到最大值后無膜與有膜處理的冠層光截獲率分別相差0.019；后期(播種后94至121 d)棉株生理機能逐漸下降，葉片發(fā)黃脫落，冠層光截獲率也隨之下降，此時無膜處理的下降速度低于有膜，其降幅分別為58.59%、65.75%。圖2

有膜栽培和無膜栽培對葉面積指數(shù)的影響直接導(dǎo)致了冠層光截獲率的差異，2處理對冠層光截獲率的影響主要通過影響葉面積的生長來體現(xiàn)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.936 5和0.879 4。圖3

2.4 無膜種植對棉花干物質(zhì)積累的響應(yīng)

研究表明，棉花地上部干物質(zhì)積累最快時期出現(xiàn)在播種后62～101 d，其中無膜處理的t1比有膜處理推遲6 d，其旺盛生長結(jié)束期(t2)也比有膜處理推遲3 d；無膜處理干物質(zhì)快速積累期持續(xù)時間(Δt)比有膜處理短3 d；無膜處理的干物質(zhì)積累最大速率(Vm)和干物質(zhì)積累最大值(Wm)分別低于有膜處理32.24%、33.74%，但無膜處理的生長特征值(GT)比有膜處理高29.30%。表2

表2 棉花單株干物質(zhì)積累Logistic模型Table 2 Logistic model of dry matter accumulation per cotton plant

2.5 無膜種植對棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

研究表明，在相同栽培技術(shù)條件下，無膜種植的棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素指標(biāo)均低于有膜種植。除始果枝節(jié)位低于有膜處理0.29節(jié)差異不顯著外，單株果枝數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)和鈴重分別低于有膜處理2.1個、2.7個、1.1 g，顯著性差異；另外，從產(chǎn)量收獲指標(biāo)來看，無膜處理的籽棉和皮棉產(chǎn)量比有膜處理低6.73%、7.79%，差異不顯著，且衣分變化不明顯。表3

表3 不同處理下棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的變化Table 3 Changes in cotton yield and its constituent factors under different treatments

3 討 論

3.1 無膜種植對棉花生育期、產(chǎn)量的影響

已篩選到適宜無膜種植的早熟棉花新品系中棉619及其相應(yīng)的配套栽培技術(shù)[39-41]。生育期是影響棉花生態(tài)適應(yīng)性的重要指標(biāo)之一，在不同生態(tài)區(qū)具體表現(xiàn)也不同[42]。練文明等[3]研究認(rèn)為,南疆無膜棉的最佳播期在4月中旬，中棉619可以巧妙的躲開早春低溫霜凍等不良天氣導(dǎo)致棉花出苗緩慢的劣勢，實現(xiàn)棉花種植不再需要覆蓋地膜的目標(biāo)。馬麗等[1]研究表明，無膜栽培生育期延長，水肥流失較快對棉花產(chǎn)量提高不利，但節(jié)本增效，減少土壤污染。試驗結(jié)果與前人研究一致，無膜栽培與覆膜栽培相比于出苗期晚7 d、現(xiàn)蕾期晚12 d，造成整個生育期滯后9 d。此外，覆膜雖對作物生長發(fā)育和增產(chǎn)起到重要作用，但也存在不足。覆膜對作物生長發(fā)育和增產(chǎn)起到重要作用。蔣銳等[43]研究指出，覆膜改變了土壤的水熱狀況，促進了作物生長，導(dǎo)致水分高額消耗，造成土壤水肥的“透支”，不利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。劉勝堯等[44]發(fā)現(xiàn)膜內(nèi)溫度高，可能加重旱情，反而不利于激發(fā)作物產(chǎn)量潛力。汪景寬等[45]研究指出，覆膜導(dǎo)致作物生理性早衰，易出現(xiàn)前期作物徒長，后期營養(yǎng)不足的現(xiàn)象。嚴(yán)重影響產(chǎn)量指標(biāo)形成。研究結(jié)果中，無膜栽培棉花產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)均低于有膜棉，籽棉和皮棉產(chǎn)量低于有膜棉，降幅達(dá)6.73%、7.79%，差異不明顯，可能是由于無膜棉收獲密度少，不利于發(fā)揮群體產(chǎn)量，產(chǎn)量低。

3.2 無膜種植棉花的群體形成特征

生育期不同會影響作物植株葉面積的形成和群體的光合勢的大小，對群體光能截獲率產(chǎn)生重要影響[46,47]。研究表明，作物冠層特性受生態(tài)環(huán)境影響，覆膜的增溫保濕效應(yīng)引起土壤生態(tài)環(huán)境變化有利于形成合理冠層結(jié)構(gòu)，促進土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和作物吸收利用，可形成優(yōu)良株型，葉片分布合理，有效提高光合輻射，從而利于葉片形成，促進光合作用[48,49]。試驗區(qū)內(nèi)，2種栽培模式葉面積指數(shù)和光截獲率均呈先升高后降低的趨勢，且在生長前期差距最大，生長末期差距最小，但各時期均因是否覆膜表現(xiàn)出差異，尤其是無膜棉，在整個生育期內(nèi)葉面積指數(shù)和光截獲率均處于較低水平，后期勢頭較大，差距變小，無膜棉貪青晚熟，有利于維持較長期的光合作用，保持綠葉持續(xù)時間。且兩者呈指數(shù)變化的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.936 5和0.879 4，隨葉面積指數(shù)增大，光截獲率表現(xiàn)出隨之比例的增加，其對PAR截獲率的影響主要體現(xiàn)在植株群體葉片的分布，這與前人[48]研究結(jié)果一致。

干物質(zhì)是作物光合產(chǎn)物的表現(xiàn)形式，是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的形成實質(zhì)上就是干物質(zhì)生產(chǎn)、積累和分配的過程[50-51]。研究顯示，無膜處理下的干物質(zhì)積累起始期和結(jié)束期晚于有膜棉，且干物質(zhì)積累的持續(xù)期和最大速率均低于有膜棉，但干物質(zhì)最大積累量和生長特征值卻高于有膜棉。無膜條件下棉花的干物質(zhì)積累量仍有著較高潛力，但或是因干物質(zhì)積累起始期較晚，或持續(xù)期時間不夠，才最終導(dǎo)致無膜棉與有膜棉產(chǎn)量上的差異。生產(chǎn)上通過優(yōu)化、協(xié)調(diào)、配套各項管理措施，通過發(fā)揮群體效應(yīng)，可以彌補這種差距。

4 結(jié) 論

無膜栽培模式下棉花生育期、葉面積指數(shù)、冠層光截獲率、干物質(zhì)積累以及產(chǎn)量與覆膜條件下相比均有顯著變化，無膜棉生長發(fā)育較覆膜條件下有所滯后，后期差異逐漸縮小。覆膜與無膜改變了棉花的生態(tài)環(huán)境，影響無膜栽培下弱苗遲發(fā)、貪青晚熟，植株的果枝始節(jié)、果枝數(shù)、單株鈴數(shù)、單鈴重、衣分均低于覆膜栽培，但籽棉和皮棉產(chǎn)量較有膜減少6.73%、7.79%，差異不明顯。