不同密度棉花群體光分布和棉鈴空間分布差異研究

劉錦濤，馮璐，楊北方，古力巴努爾阿依甫，李志鵬，周相，馬云珍，陳國棟，李亞兵，熊世武，辛明華，范正義

(1.塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，河南 安陽 455000)

確立合理種植密度是發(fā)揮單株優(yōu)勢和調(diào)節(jié)群體質(zhì)量的關(guān)鍵栽培技術(shù)[1，2]，還是肥料施用的先決條件[3]。構(gòu)建高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的栽培理論就要綜合量化氣候與品種特性[4]，提高單位面積總鈴數(shù)和光能利用效率[5]。因此研究種植密度對群體光資源利用率與棉鈴空間分布的影響十分必要。

隨著棉花種植輕簡化[6]、機械化[7]和綠色環(huán)保技術(shù)的日趨完善，其規(guī)?；N植已成為趨勢，但近幾年棉花品種不斷更新，相應(yīng)種植地區(qū)的生態(tài)條件與管理措施也存在差異，所得有關(guān)種植密度的結(jié)論不盡相同。通過測定花鈴期棉花群體所表現(xiàn)的生理特性[8，9]，更能客觀得出最優(yōu)種植密度。白志剛[10]研究得出，冠層光分布直接影響植物對光能的吸收和利用。劉帥等[11]基于密度與播期互作的研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)棉花冠層PAR截獲率與密度呈正相關(guān)。還有研究表明一穴兩株可有效改善棉花下部葉片受光情況[12]。冠層受光情況還會影響作物長勢[13]。低密度棉花基部中部成鈴比例大，高密度上部成鈴比例大[14]，低密度中下部內(nèi)圍成鈴數(shù)量較高[15]，棉株具有較大成鈴空間，成鈴數(shù)量也較高[16]。

在種植密度對群體質(zhì)量指標影響方面，前人研究得出不同密度群體的光合利用效率與光合產(chǎn)物分配存在差異，但有關(guān)棉花冠層光分布與棉鈴空間分布相關(guān)性的研究較少。由于棉花花鈴期的性狀表現(xiàn)更能客觀反映同種植密度所帶來的群體差異，因此本試驗以中641品種為材料，通過比較其花鈴期連續(xù)3天內(nèi)群體光能有效輻射量的截獲情況與棉鈴空間動態(tài)分布的規(guī)律，探求兩者的相關(guān)性，以期篩選出適宜該品種的最佳種植密度，并為測量PAR與精準估產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與供試品種

試驗于2021年4—10月在新疆阿拉爾市十團中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所試驗基地(40°51′N，81°30′E)進行。試驗點屬暖溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫11.8℃，氣溫日較差11.7～18.2℃，生育期內(nèi)活動積溫為4 265.7℃，期間日照時數(shù)1 695 h，全年平均無霜凍期208 d，常年平均降水量48.2 mm。土壤質(zhì)地為砂壤土。

供試棉花品種為中641。

1.2 試驗設(shè)計與方法

試驗設(shè)置3個種植密度處理，分別為12萬株/hm2(Ⅰ:低密度)、18萬株/hm2(Ⅱ:中密度)和24萬株/hm2(Ⅲ:高密度)。隨機區(qū)組設(shè)計，重復(fù)3次。小區(qū)行長7 m，面積132.3 m2。采用(76 cm+76 cm)一膜三行種植模式，4月20日播種，出苗后根據(jù)密度定苗。所有小區(qū)施肥、病蟲害防治和化學(xué)調(diào)控參照當?shù)馗弋a(chǎn)管理水平。

氣象數(shù)據(jù)由當?shù)貧庀蟊O(jiān)測站提供，見表1。

表1 4—10月主要氣候因子

1.3 測定項目及方法

1.3.1 冠層光合有效輻射測定 在棉花花鈴期(花鈴期棉花葉片數(shù)量最多且棉葉生長到最大，此時單位面積內(nèi)的葉面積達到全生育期最高，選擇此時測定最能反映種植密度對群體光合有效輻射截獲量的影響)選擇晴朗無云天氣，連續(xù)3天使用LI-191SA光合有效輻射傳感器[17]，對小區(qū)內(nèi)具有代表性的棉花群體進行冠層光分布測定。與地面平行方向上，以20 cm為間隔，分布5個傳感器；與地面垂直方向上，以20 cm為間隔，分布6個傳感器，共30個傳感器(圖1)。設(shè)定測定頻率為1 h/次，數(shù)據(jù)保存于內(nèi)存卡中，待全部測完后導(dǎo)出。

圖1 LI-191SA光合有效輻射傳感器田間擺放示意圖

1.3.2 棉鈴空間分布 9月15日，每小區(qū)選取10株長勢均勻一致的棉花，調(diào)查棉花下部(1～3果枝)、中部(4～7果枝)和上部(8果枝及以上)果節(jié)棉鈴情況等，并隨機選取2株連續(xù)棉株拔出，進行剪枝分樣，其中地上部地下部以子葉節(jié)為界，花、蕾、鈴、鈴殼為生殖器官，處理后放入烘箱內(nèi)烘干，分別稱重。

1.3.3 棉花生物學(xué)產(chǎn)量 于播種后每隔15 d取樣調(diào)查棉花地下部、地上部營養(yǎng)器官、生殖器官單株干物質(zhì)重和總干物質(zhì)重，計算生物學(xué)產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

對未采樣點的光合有效輻射率通過Kriging插值方法[18]進行無偏差估計。果節(jié)發(fā)生概率計算公式:

式中，Pij為第i果枝j果節(jié)生殖器官發(fā)生概率，nijk為第k株棉花第i果枝第j果節(jié)生殖器官發(fā)生與否。

用Microsoft Excel 2010、Surfer 2017、Stata 15、Origin 2018軟件進行數(shù)據(jù)處理、繪圖，用SPSS軟件對棉花生物學(xué)產(chǎn)量進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植密度對棉花光合有效輻射(PAR)截獲量的影響

由圖2可知，10時處理Ⅲ棉花冠層PAR截獲量為5 500 μmol/(m2·s)，高于Ⅱ、Ⅰ的5 400 μmol/(m2·s)與4 750 μmol/(m2·s)。13時各處理間冠層PAR截獲量差異達到最大，表現(xiàn)為Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ。16時，各處理冠層PAR截獲量也為Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ。14時至18時，PAR截獲量存在處理Ⅱ高于處理Ⅰ的時間段。18時后處理Ⅱ的PAR截獲量提前出現(xiàn)下降趨勢，處理Ⅰ、Ⅲ則均隨時間進程而增長。處理Ⅲ與處理Ⅱ的PAR截獲量變化幅度近似在同一范圍，18時之前遠高于處理Ⅰ的PAR截獲量。

圖2 不同密度處理棉花群體PAR截獲量的變化

由此得出，各處理10—18時群體PAR截獲量的變化趨勢具有相同規(guī)律，并與植物光合作用強度曲線的變化趨勢一致，表現(xiàn)為雙峰曲線。18時后，隨著太陽光照強度下降，不同處理群體PAR截獲量出現(xiàn)波動，不具有規(guī)律性。其中處理Ⅰ對光照利用存在不充分現(xiàn)象，處理Ⅱ、Ⅲ利用光照充分，群體PAR截獲量在近似范圍。

2.2 不同種植密度對棉花冠層PAR截獲率空間分布影響

由圖3看出，各處理棉花冠層光合有效輻射截獲率在不同時間節(jié)點處表現(xiàn)出一致的空間分布規(guī)律，PAR截獲率均由棉花行間中心的縱向位置向兩側(cè)延伸而出現(xiàn)上升趨勢，呈現(xiàn)“V”字型。不同種植密度處理的棉株高度存在差異，空間分布中處理ⅠPAR截獲率0.15的等高線的垂直高度要明顯高于處理Ⅱ、Ⅲ。13時，太陽光照強度達到最大，截獲率0.9的等高線在平行于地面的水平方向上向下移動，“V”字型更加清晰，不同種植密度對冠層PAR截獲率的影響較其它時刻更加顯著。

圖3 棉花花鈴期冠層PAR截獲率空間分布

等值線分布密集，說明光照的透射率下降快，等值線稀疏，說明透射率下降慢。正午13時，相鄰等值線的間隔為0.15，處理Ⅰ中，高度50 cm的水平面上PAR截獲率大于0.6，高度10 cm、水平位置20～60 cm處PAR截獲率為0.9，棉株下部能獲得充分光照。處理Ⅱ中，高度60 cm的水平面上PAR截獲率大于0.75，且等高線分布密集，說明葉片覆蓋程度高；高度20 cm、水平距離30～50 cm處，仍有0.1的光線透射率。處理Ⅲ由于種植密度大，導(dǎo)致等值線分布較其它處理更密集，在高度70 cm水平位置上光線透射率在0.25左右，棉行60 cm和行間30 cm以下光線透射率不足0.1。

在冠層PAR截獲率的空間分布中，處理Ⅲ的等值線密集，除行間部分下陷外其余等值線大致在同一水平高度，其棉株上部葉片覆蓋面積大，導(dǎo)致下部透光率低，采光效果差。處理Ⅱ棉株上部等值線較密集，中部光照透射率下降放緩，下部仍獲光照，呈現(xiàn)合理的光分布。處理Ⅰ葉片空間分布松散，等高線稀疏，光照透射率下降緩慢，光照透射率高，棉株下部充分獲得光照，但存在漏光現(xiàn)象。

2.3 不同種植密度對棉鈴空間分布的影響

圖4顯示，不同處理間棉花果枝數(shù)無明顯差異，均為10個。隨著種植密度增加，棉鈴著生區(qū)域向棉株內(nèi)側(cè)靠攏，著生棉鈴的果節(jié)數(shù)量與果枝數(shù)量呈負相關(guān)。其中處理Ⅰ棉鈴分布主要集中在中部果枝，處理Ⅱ中下部果枝棉鈴分布數(shù)量多，處理Ⅲ中部棉鈴分布少，主要集中在棉株上、下部。

圖4 花鈴期棉鈴空間分布

2.4 不同種植密度對棉鈴脫落空間分布的影響

圖5顯示，不同處理間棉鈴脫落差異顯著，棉株上部棉鈴脫落概率低，中下部果枝為脫落高發(fā)區(qū)域，并集中在第二果節(jié)位置。其中處理Ⅰ脫落以第4與第7果枝的第2果節(jié)為中心向其它果枝衍射，處理Ⅱ棉鈴脫落集中在第3與第6果枝的第2果節(jié)處，處理Ⅲ第2、第3、第4果枝的第2果節(jié)脫落最嚴重。隨種植密度增加，脫落概率最高的果枝高度開始下降，兩個脫落中心逐漸靠攏。

圖5 花鈴期棉鈴脫落空間分布

2.5 不同種植密度對棉花生物學(xué)產(chǎn)量的影響

由表2可以看出，各處理地下部、地上部營養(yǎng)器官、生殖器官、總干物質(zhì)的單株干物質(zhì)重均存在顯著差異，其與種植密度呈負相關(guān)，處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ棉花根冠比分別為17.0%、19.3%、20.1%，即隨種植密度增加而增大。處理Ⅰ地上部營養(yǎng)器官單株干物質(zhì)重比處理Ⅱ、Ⅲ分別高45.6%和65.5%，單位面積干物質(zhì)重分別低0.2%和14.1%。生殖器官中，處理Ⅱ單產(chǎn)比處理Ⅰ、Ⅲ分別高16.6%和29.9%，且總干物質(zhì)重處理Ⅱ也高于其它兩個處理。

表2 不同處理的棉花生物學(xué)產(chǎn)量

3 討論

合理密植是棉花栽培管理中的一項重要技術(shù)措施，通過調(diào)控株行距配置可以最大限度激發(fā)棉花單株優(yōu)勢，搭建合理的冠層結(jié)構(gòu)，提高群體光能利用效率，最終達到促成鈴、少落果的增產(chǎn)效應(yīng)。本研究表明，不同種植密度群體全天光合有效輻射(PAR)截獲量分布呈現(xiàn)雙峰曲線，與馬云珍等[17]的結(jié)論一致；正午13時各處理冠層PAR截獲率空間分布最顯著，其原因可能由植物葉片對光溫脅迫產(chǎn)生的形態(tài)學(xué)與功能響應(yīng)機理所致[19，20]。

光能高效利用[21]是反映群體產(chǎn)量優(yōu)勢的標準之一。有研究指出，合理的植株冠層上部光照透射率高，植株下部葉片受光充分，底部光照截獲率高，減少漏光[22]。本試驗各處理棉花冠層PAR截獲率隨種植密度增大“V”字型愈發(fā)不明顯。其中，低密度處理棉花群體存在漏光現(xiàn)象，高密度處理棉花中下部光照透射率低，冠層結(jié)構(gòu)不良造成郁蔽，兩者均非合理冠層結(jié)構(gòu)，而中密度棉花冠層光合有效輻射(PAR)截獲率與馮國藝等[23]研究得出的新疆超高產(chǎn)棉花光分布特性呈現(xiàn)均勻分布即上、中、下層光吸收率比例2∶2∶1的結(jié)論相同。

種植密度對棉花生長及成鈴分布存在較大影響[2]。本試驗中，各處理棉花成鈴果枝數(shù)量無顯著差異，這與戴茂華等[24]的結(jié)論(隨種植密度增加果枝數(shù)減少)不同。隨種植密度增加，棉鈴生長由外圍果節(jié)向棉株內(nèi)側(cè)集中，高密度棉花群體棉鈴脫落愈發(fā)嚴重，脫落中心向棉株內(nèi)側(cè)中部果枝靠攏，這與薛惠云[25]的結(jié)論(高密度棉花群體越到棉鈴后期脫落越嚴重、越靠近主莖)一致。

關(guān)于種植密度對棉花產(chǎn)量構(gòu)成的影響，研究指出合理的種植密度可使棉花各部分生長協(xié)調(diào)，光合產(chǎn)物向棉鈴轉(zhuǎn)移效率高[26]；冠層結(jié)構(gòu)不良，會造成群體光合截獲量低，進而影響光合效率與物質(zhì)轉(zhuǎn)化[27]。本試驗各處理棉花生物學(xué)產(chǎn)量結(jié)果表明，種植密度對單株產(chǎn)量影響顯著，對群體產(chǎn)量影響小，一定范圍內(nèi)植株根冠比與種植密度呈正相關(guān)，中密度棉花群體的生殖器官產(chǎn)量與總干物質(zhì)產(chǎn)量表現(xiàn)優(yōu)異，說明其群體光能利用效率高，光合產(chǎn)物得到充分轉(zhuǎn)化。不同種植密度棉花冠層光合有效輻射(PAR)截獲量、棉鈴空間分布特征與所對應(yīng)各處理生物學(xué)產(chǎn)量特征呈現(xiàn)出的栽培優(yōu)勢表現(xiàn)一致。

4 結(jié)論

本試驗棉花各處理全天光合有效輻射(PAR)截獲量趨勢表現(xiàn)為雙峰曲線，其中，中密度群體與高密度群體的截獲量水平在近似范圍。各處理冠層PAR截獲率空間分布均呈現(xiàn)“V”字型，隨種植密度增大“V”型愈發(fā)不明顯。受冠層PAR空間分布調(diào)控，高密度處理成鈴區(qū)域向棉株內(nèi)側(cè)集中，由于缺少光照造成空間郁閉，生長不平衡，使棉鈴脫落嚴重。密度過低會導(dǎo)致光資源浪費，減少單位面積產(chǎn)量。

本研究通過比較群體光合有效輻射(PAR)截獲量和截獲率、棉鈴空間分布與生物學(xué)產(chǎn)量得出，南疆阿拉爾地區(qū)中641品種最適宜的種植密度為18萬株/hm2。