郑曙峰 刘小玲 王 维 徐道青 阚画春 陈 敏 李淑英

论两熟制棉花绿色化轻简化机械化栽培

郑曙峰*刘小玲 王 维 徐道青 阚画春 陈 敏 李淑英

安徽省农业科学院棉花研究所, 安徽合肥 230031

传统两熟制下的棉花生产存在种植模式和棉花栽培技术复杂、棉花生产周期长、机械化程度低、用工多、化肥农药投入多、植棉效益低等突出问题。经过近10年的研究和实践, 我国建立并应用了两熟制棉花绿色化(减肥减药)、轻简化(简化管理)、机械化(机械代替人工)栽培技术。本文基于笔者的研究成果, 结合国内外相关研究进展, 对两熟制棉花绿色化轻简化机械化栽培的基本概念、技术路线、关键技术及其理论基础进行了总结和评述。其技术核心内容是, 通过一次性“机播” (机械免耕单粒精量播种代替棉苗移栽, 种肥同播, 不间苗, 不补苗), 全程“机管” (通过合理密植和全程株型和熟性调控, 免整枝、免人工打顶)和一次性机械收获(通过综合调控建立集中成熟的群体结构), 实现省工70%; 采用早中熟棉花品种, 合理增密, 一次性侧深施用专用控释肥、无人机喷施叶面溶肥等技术省肥50%; 通过利用抗虫棉品种的抗性, 适期晚播缩短棉花生长期, 采用食诱、性诱剂及生物农药、杀虫灯、无人机施药等防控病虫害, 实现省药40%。与传统技术比, 本技术大大减少了棉花生产用工, 农业机械对人工的替代率达60%, 化肥利用率提高11.2%以上, 经济效益提高30%, 减轻了因过量使用化肥和化学农药造成的面源污染, 为推进棉花生产方式的根本变革提供技术支撑。

减肥减药; 机播机采; 绿色化栽培; 机械化栽培; 两熟制棉花

我国三大棉区中, 两熟制棉花分别占长江流域棉区、黄河流域棉区植棉面积的80%、20%左右, 很长一段时间以来, 两熟制棉花对我国稳定棉花面积、促进农民增收、保障棉花安全有效供给发挥了重要作用。随着我国经济的快速发展和农业农村形势的巨大变化, 现有的两熟制棉花种植模式和栽培技术存在的问题逐步显现, 并已成为了两熟制棉花生产的瓶颈问题。这些问题主要有2个方面, 一是种植模式和棉花栽培技术复杂, 棉花生产周期长、技术环节多, 不利于机械化, 用工多。长江流域、黄河流域两大棉区现有的棉田两熟种植模式主要有棉花油菜双育苗双移栽、油后移栽棉花、麦棉两熟套栽、麦后移栽棉花、蒜(葱)后移栽棉花等, 强调精耕细作, 棉花生长期达240～270 d (从4月上中旬到12月上旬), 从种到收有40～50多道工序, 还包括前茬收获和后茬播种或育苗移栽, 不仅费工多而且劳动强度大, 这些种植模式和栽培技术难以实现机械化作业和规模化种植, 生产50 kg皮棉的平均用工量是美国的40～30倍, 相比稻、麦等粮食作物, 棉花整个生育期每公顷需要474个工日, 而水稻仅需要186个工日、小麦仅需45个工日[1]。二是化学肥料和农药过量使用, 施肥施药技术复杂、次数多, 生产成本高, 效益低。长江流域棉区、黄河流域棉区两熟制棉花生产常规肥料和常规施肥需多次施肥(3～5次)、施肥花工多, 施肥技术(如蕾肥、花铃肥、盖顶肥施肥时期、施肥量及氮磷钾配比等)不易掌握, 追肥工序复杂操作不便, 肥料利用率低(氮肥、磷肥利用率只有35%和25%左右), 难以满足轻简化机械化栽培的需要, 常规技术中存在施肥高峰期与干旱雨涝灾害高发期重叠导致无法追肥或产生肥害。另外, 棉花病虫草害防控存在过分依赖化学农药、过量施用农药(打保险药)、施药次数多(7～10次)、盲目施药、化学农药利用率低(利用率只有35%左右)等问题,往往造成化肥农药浪费、降低收益、导致面源污染等不良后果。以上技术问题加上棉花价格及补贴等问题导致长江流域和黄河流域两大棉区棉花种植面积锐减, 农民植棉积极性低迷, 因此急需绿色化、轻简化和机械化栽培技术, 做到“三减三提”, 即: 减少用工、减少化肥用量、减少化学农药用量, 提高农业机械对人工的替代率、提高化肥利用率、提高植棉效益, 实现两熟制棉花生产技术的根本变革。本文基于笔者近年来的研究成果, 结合国内外相关研究进展[2-9], 对两熟制棉花绿色化轻简化机械化栽培的基本概念、技术路线、关键技术及其理论基础等进行了述评和展望。

1 绿色化轻简化机械化栽培的基本概念

1.1 绿色化生产

陈吉平[10]认为, 绿色化生产广义上是绿色发展在农业领域的具象化, 是集资源节约、环境友好、生态保育、质量高效为一体的可持续行为系统; 狭义上是指农业生产环节中的绿色生产行为。

党的“十八大”以来, 绿色发展理念已成共识。2021年《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》进一步指出要“推进农业绿色转型”。

绿色化生产是相对的, 是随着作物学、植物保护学、土壤学和植物营养学、肥料学等科学技术的进步而完善、优化和发展的。就目前来说, 棉花绿色化生产主要是通过选用抗病虫棉花品种、优化棉田种植制度、增密减肥、种肥同播(免耕精量直播、施用棉花专用配方缓控释肥)、病虫草害绿色防控等技术, 减少化肥、农药、水、农膜的用量, 达到提高资源利用效率、减少面源污染、保育耕地质量、助力减排固碳碳达峰碳中和等目的。

1.2 轻简化机械化栽培

棉花轻简化栽培是通过选用抗虫抗病品种、免耕精量直播、合理增密、一次性施用专用配方缓控释肥(种肥同播)、株型和熟性全程化学调控、安全化学除草、简化病虫害防控等技术措施, 免去常规栽培的间苗、补苗、整枝、打杈、打顶等环节, 简化和合并作业工序, 减少生产环节, 节省劳动力, 提高生产效率, 实现棉花生产轻便化和简捷化[11]。棉花机械化栽培是从播种到收获的栽培措施均使用机械代替人力。

董合忠等[12]、张冬梅等[13]认为, 机械化是轻简化的重要手段和保障, 但不是轻简化的全部, 一是轻简化要求以机械代替人工, 但还强调农机农艺融合、良种良法配套; 二是轻简化栽培还包括简化管理工序、减少作业次数。

笔者认为, 轻简化是机械化的前提, 只有做到了轻简化, 机械化才能真正实现, 才能提高机械化的效益; 另一方面, 机械化是轻简化的高级阶段, 智慧化的机械化是终极的轻简化, 轻简化的技术只有通过机械化来实现, 才能称得上真正意义上的轻简化。另外, 轻简化机械化也是绿色化的需要, 轻简化技术可以减少生产环节, 减少农机作业量, 从而减少能源的消耗, 机械化技术可以实现精准施肥和施药, 从而减少化肥和农药的用量, 因此可以进一步提高绿色化水平。

2 两熟制棉花绿色化轻简化机械化栽培关键技术

2.1 技术路线

针对两熟制棉花常规栽培存在的问题, 利用棉花无限生长、可塑性强等生物学习性, 从提高产出(提高两熟复种周年作物产量、提高作物品质)和减少投入(减少人力投入: 减少生产环节、用机械代替人力; 减少物化投入: 减肥、减药、控水、免膜) 2个方面着手[14-15](图1), 创新种植制度和种植方式、品种、农艺措施和配套农机等技术和装备, 实现两熟制棉花绿色化轻简化机械化栽培[16]。

2.1.1 绿色化技术 通过优化种植结构(棉花与肥用油菜、紫云英等绿肥作物接茬种植, 与花生等豆科作物轮作间作)、变革种植方式(油/麦后高密度直播, 大大缩短生育期、集中吐絮, 减少肥料流失, 提高肥料利用率)、基于棉花养分需求特性与限量标准、减量施用棉花专用配方缓控释肥、运用无人机喷施叶面水溶肥等新型肥料、秸秆覆盖还田(增加有机质、免膜)等技术, 实现化肥减量简化施用; 通过变革种植方式(油/麦后高密度直播, 可避开前期虫害、病害)、物理防治(安装杀虫灯)、生物防治(棉铃虫生物食诱、绿盲蝽性诱、生物源农药)、化学防治(按有害生物防治指标与化学农药限量标准防治、地面高杆喷雾、无人机施药、统防统治)、秸秆覆盖还田(抑草、减少除草剂的使用量), 实现化学农药的减量简化施用。

图1 两熟制棉花绿色化轻简化机械化栽培技术路线

2.1.2 轻简化机械化技术 一次性“机种” (一次性施用棉花专用配方缓控释肥, 免耕灭茬、洁区、开沟、单粒精量播种、施肥、覆秸一次完成), 全程“机管” (通过合理密植和全程株型和熟性调控实现不间苗、不补苗、不整枝、不打杈、不打顶, 喷肥、喷药、化调、脱叶催熟等用无人机作业), 一次性“机收” (通过合理增密、营养调控、化学调控、脱叶催熟等综合调控建立集中成熟的群体结构, 实现集中吐絮, 一次性收获), 大大减少生产环节, 减少人工, 实现轻简化和机械化。

2.1.3 两熟复种周年高产技术 选用适合周年两熟均衡增产的棉花、小麦、油菜等作物优质高产品种, 均衡调控周年两熟作物生长期, 周年两熟作物养分合理运筹, 实现周年两熟作物高产。

2.2 技术概述

与常规栽培相比, 两熟制棉花绿色化轻简化机械化栽培技术主要有8个方面的变革和创新, 技术概括起来有10个“关键字”和4个“关键节点”。

2.2.1 8个变革和创新点 一是种植制度、种植方式和技术途径变革, 将油菜、小麦、大麦、蒜、葱等作物套栽棉花或在其收获后移栽棉花模式变革为收获后直播棉花, 将低密度育苗移栽“以个体换群体, 以时间换空间”的技术途径变革为高密度直播“以群体换群体, 以空间换时间”的技术途径; 二是品种变革, 将中熟杂交棉个体优势品种变革为早中熟群体优势品种; 三是播种方式和种植密度变革, 将低密度(18,000～30,000株 hm–2)育苗移栽方式变革为高密度(90,000～150,000株 hm–2)机械单粒精量种肥同播, 不间苗, 不补苗; 四是施肥技术变革, 将多次施用常规复合肥的方式变革为减量简化棉花专用配方缓控释肥(与低密度育苗移栽技术比较, 施肥量减少50%; 一次性种肥同播), 中后期无人机喷施叶面水溶肥料; 五是整枝、打杈、打顶等精耕细作的管理方式变革为全程株型和熟性调控、脱叶催熟, 不整枝、不打杈、化学封顶等轻简化管理方式; 六是以化学防治为主变革为病虫草害绿色防控; 七是用免耕洁区覆秸单粒精量种肥同播机械、中耕除草机、农用无人机、采棉机、秸秆粉碎机作业代替人工作业; 八是通过合理增密、营养调控、化学调控、脱叶催熟等综合调控建立集中成熟的群体结构, 实现集中收获, 吐絮收获期60～90 d多次收获变革为30～40 d内集中成熟一次性收获。

2.2.2 10个“关键字” 种[zhǒng]、密、肥、播、防、调、催、收、茬、机, 其中“密、肥、播”一次性完成(图2)。

2.2.3 4个“关键节点” “六一”前后(5月下旬至6月初), 前茬收获、免耕洁区覆秸单粒精量种肥同播一次性完成; 通过全程株型调控和熟性调控, “立秋”前后(8月上中旬), 实现化学封顶; “国庆节”后1～2周(10月上中旬), 集中成铃, 脱叶催熟; 10月底至11月初, 集中吐絮, 一次性收获、下茬作物播种(图3)。

与常规栽培相比, 两熟制棉花绿色化轻简化机械化栽培可以实现: 棉花单产不减少; 优质成铃比例提高, 纤维一致性变好; 棉花生长期缩短60～90 d,生产环节减少, 省工70%; 肥料利用率提高, 减少化肥用量50%, 化肥利用率提高11.2%以上; 农药施用量减少40%; 农业机械对人工的替代率达60%; 总体上可提高效益30%以上。

2.3 关键技术

2.3.1 优化种植制度和种植模式 种植制度和种植模式的优化是实现两熟制棉花绿色化轻简化机械化的前提, 需将传统的油菜、小麦、大麦、蒜、葱等前茬作物套栽棉花或在其收获后移栽棉花模式变革为前茬收获后直播棉花。前茬作物应于5月下旬至6月初收获完成, 6月上旬末前完成棉花直播, 10月底至11月初棉花集中成熟并完成收获, 然后进行下茬作物播种。

根据各地的经验, 除小麦、油菜(以收获油菜籽为目的)、大麦、蒜、葱等作物收获后直播棉花外, 还可以根据当地农业生产、农产品市场行情等实际情况, 采用棉花–多用途油菜(油用、菜用、饲用、肥用、花用、蜜用) –棉花、棉花–荷兰豆–棉花、棉花–马铃薯–棉花、棉花花生间作轮作、棉花–绿肥–棉花轮作休耕、重金属污染区棉花–绿肥、油菜–棉花替代种植等复种模式, 前茬作物收获后实行机械化直播棉花。

2.3.2 选择耐密植适宜机械化作业的早熟或早中熟品种 采用两熟制棉花绿色化轻简化机械化栽培技术时, 棉花生长期大大缩短, 要求棉花集中吐絮、适宜机收, 因此棉花品种应具备产量高、株型紧凑、第1果枝高度适合、早熟或早中熟、吐絮集中、含絮力适度等特性。由于机械采收和机械清理杂质会对棉花纤维有一定的损伤, 因此对棉花品种的遗传品质有更高的要求, 即纤维品质宜达到“双28.5” (纤维长度≥28.5 mm, 断裂比强度≥28.5 cN tex–1)或“双30” (纤维长度≥30.0 mm, 断裂比强度≥30.0 cN tex–1)、衣分≥40%, 可以说需要97分(28.5+28.5+40)或100分(30+30+40)以上的品种。另外, 两熟制棉花前茬和后茬作物也应选择早熟或早中熟品种, 以保证能按时收获后, 不影响棉花播种。

图2 两熟制棉花绿色化轻简化机械化栽培技术的10个关键字

图3 两熟制棉花绿色化轻简化机械化栽培技术的4个关键节点

2.3.3 增密减肥、免耕洁区覆秸单粒精量种肥同播一次性完成、不间苗不补苗 合理增密、一播全苗是两熟制棉花绿色化轻简化机械化栽培的基础也是关键。与常规育苗移栽栽培方式比较, 油菜、小麦、大麦、蒜、葱等作物收获后直播棉花, 棉花收获密度应增加300%～500%。播种时, 用棉花免耕洁区覆秸单粒精量种肥同播机作业[17], 一次作业可完成“破茬浅旋—秸秆捡拾粉碎、播种带清洁—种肥同播(单粒精量播种、测深施肥、一次性施用棉花专用配方缓控释肥料)—覆土镇压—均匀抛撒秸秆覆盖—喷施苗前除草剂”等, 可形成无秸秆的“清洁”播种区, 既可为残茬秸秆的实现清洁功能, 又可同时实现秸秆覆盖地表, 保温保墒、封闭杂草, 解决了常规全量秸秆覆盖地免耕播种存在的挂草壅堵、架种、晾种等三大难题, 棉花出苗和成苗质量好, 可实现不间苗、不补苗, 省工省时节本效果显著。播种施肥覆土后, 用除草剂对杂草茎叶和土壤进行喷雾防除杂草。

两熟复种地区雨水较多, 应开好排水沟, 保持田间排水沟通畅, 否则如遇雨易发生渍涝灾害, 影响棉花出苗和棉苗生长。一般沟宽30 cm、厢宽260 cm为宜, 每厢播3行棉花, 播种行距为81 cm或76 cm, 株距为6～10 cm, 每穴精量播1粒棉种, 播种密度150,000株苗 hm–2以上, 收获密度为90,000～150,000株 hm–2 [18]。密度过低, 在相同的生长时间情况下难以保障产量, 也可能延长开花、结铃和吐絮时间, 难以保证集中收获; 密度过高, 易造成烂铃的发生。

棉花目标单产皮棉为1500～1800 kg hm–2时, 在用播种机播种的同时一次性施用棉花专用配方缓控释肥料50 kg左右, 每厢分3行施肥, 施肥行距播种行10 cm, 比播种行深10 cm。以长江流域棉区安徽沿江为例, 棉花专用配方缓控释肥料中有效元素以纯养分计重量百分比为: N 18%～20%、P2O58%～10%、K2O 18%～20%[18-19], 其中控释N占总N的80%～100%, 控释N养分释放期为60 ～90 d, 释放期为60 d的控释N和释放期为90 d的控释N各占50%左右。棉花专用配方缓控释肥料中的N、P2O5、K2O含量和控释N释放期、不同释放期控释N的所占比例可根据年份气候信息、地势高低、土壤类型、土壤基础养分情况、棉花品种类型等进行调整[20]。中后期可用无人机喷施叶面水溶肥料。免耕直播棉田, 宜每5年深松1次, 深松深度以50 cm为宜。

2.3.4 病虫草害绿色防控 用免耕洁区覆秸单粒精量播种机播种施肥的同时, 完成前茬作物秸秆覆盖还田, 可有效减少草害的发生。安全防除油菜、小麦等幼苗及田间杂草防控: 棉花出苗后现蕾前, 以禾本科杂草为主时, 用乙草胺或精异丙甲草胺等对杂草茎叶和土壤定向喷雾, 在禾本科、阔叶和莎草科杂草混生时, 用乙氧氟草醚等杀草谱较广的除草剂, 或选择2种或多种除草剂进行混配使用, 或使用氧氟•乙草胺等混剂; 棉花株高30 cm以上且棉株茎秆下部转红变硬后, 用草甘膦对杂草茎叶进行定向喷雾。还可用中耕除草机进行机械除草。病虫害绿色防控: 安装杀虫灯, 采用棉铃虫生物食诱、绿盲蝽性诱, 使用生物源农药等, 根据防治指标与化学农药限量标准喷施化学农药, 使用无人机或大型喷药机进行统防统治。

2.3.5 全程株型和熟性调控, 不整枝、不打杈、不人工打顶, 集中收获 全程株型和熟性化学调控[21]:在棉花4～6叶期、蕾期、初花期、盛花期, 每公顷分别用98%甲哌鎓7.5、7.5～15.0、15.0～30.0、30.0～ 45.0 g兑水喷雾; 当每公顷果枝数达105万～120万台或果节数达到300万～375万个时, 每公顷用98%甲哌鎓75～150 g兑水对棉株全株喷雾, 时间上不晚于8月上旬, 可用无人机作业。不整枝、不打杈、不人工打顶。

脱叶催熟、一次性收获: 当棉花自然吐絮率达到40%, 棉花上部铃的铃龄达40 d以上, 最低气温不低于14℃时, 每公顷用50%噻苯隆可湿性粉剂600～750 g加40%乙烯利水剂2250～3750 mL, 兑水全株喷施, 用无人机作业[22]; 10月底至11月初, 当棉株脱叶率达90%以上、吐絮率达95%以上时, 用3行采棉机一次性采收。

3 两熟制棉花绿色化轻简化机械化栽培理论基础

3.1 一次性减量简化施肥理论基础

棉花具有生育期长、无限生长、营养生长和生殖生长并进时间长等生物学习性, 使得棉花施肥技术复杂且对产量的贡献率大。变革施肥技术对两熟制棉花绿色化轻简化机械化栽培至关重要, 包括减少化肥用量和减少施肥次数2个方面。通过基于棉花养分需求特性与限量标准确定用量和配比、增加种植密度缩短生长期提高肥料利用率等农艺措施减少化肥施用量, 通过改变肥料供肥的方式和性能(即研制一次性施用的专用缓控释肥)来提高肥料利用率、减少施肥用量、施肥次数和减少施肥用工, 可进行机械化种肥同播, 中后期用无人机喷施叶面水溶肥料, 进而实现施肥的绿色化轻简化机械化。

董合忠等[23-24]、杨长琴等[25]、王士红等[26]研究表明, 适当提高密度能够提高肥料利用率, 表现出一定的以密代肥、增密减肥的作用。李鹏程等[27]研究表明, 密度和氮肥的互作效应显著影响棉花氮肥利用效率。缓控释肥料是以物理、化学、生物等调控机制使肥料养分释放按照设定的释放模式(释放速率和释放时间)与作物吸收养分的规律相吻合的一类肥料, 一次性施用专用缓控释肥料是减少施肥次数、提高肥料利用率的有效手段[1]。研究表明, 棉花不同生育期棉株N、P2O5、K2O吸收量约占全生育期总量的比率分别为苗期4.5%、3.0%、4.0%, 蕾期28%～30%、25%～29%、28%～32%, 花铃期60%～62%、64%～67%、62%～63%, 吐絮期3.0%～8.0%、1.0%～7.0%、1.0%～6.0%[28]。杨国正等[29]开展的15N示踪试验也证实, 花铃期累积的N素平均占总量的67%, 累积的肥料N素平均占总肥料N素的79%。郑曙峰等[30]在前人研究的基础上, 根据主栽棉花品种营养需求, 开发了系列棉花专用配方, 研制了多种易降解缓控释包膜新材料[31], 研制的棉花专用缓控释肥料, 实现了一次性施用棉花专用缓控释肥料养分释放与棉花不同生育期养分需求的基本匹配[32-34]。阚画春等[35]和梅建虎等[36-42]在安徽、李景龙等[43]在湖南和湖北、张教海等[44]和羿国香等[45]在湖北、淦城等[46]在江西、王维等[47]在新疆和田开展的研究表明, 与等量养分常规施肥相比, 一次性施用棉花专用缓控释肥, 棉花单产提高3.8%～14.1%, 增效10.1%～25.5%, 棉花纤维品质差异不显著; 施肥次数减为1次, 施肥用工减少50%以上, 等产量情况下单位面积化肥施用量减少11.2%～52.3%; 氮、磷、钾肥料的农学利用率分别提高15.2%～28.8%、12.3%～23.5%和11.2%～19.7%。一次性施用棉花专用缓控释肥养分释放与棉花养分需求基本匹配, 可以增加棉花中下部果枝的成铃率及各果枝内围第1、第2果节的成铃率, 能增加伏桃、秋桃及总桃数, 提高单株结铃性, 棉花后劲足, 不易早衰, 从而达到提高产量、优化成铃、简化栽培、节本省工的目的[48-50]。

3.2 不间苗不补苗、不整枝不打杈、不人工打顶等简化管理理论基础

常规的棉花栽培需要间苗、补苗、整枝、打杈和人工打顶, 费时费工、周期长, 且难以用机械代替,规模化种植时更是大大增加了成本、降低了效益。通过单粒精量播种、合理增密、营养调控和化学调控等技术措施, 实现了不间苗不补苗、不整枝不打杈、不人工打顶, 大大简化了管理、节省了用工, 可实现机械化作业。

董合忠等[23]研究表明, 单粒精播棉花种子萌发出苗时, 其弯钩形成关键基因和下胚轴伸长关键基因的差异表达, 使棉苗顶端适时形成弯钩, 以最小的受力面积顶出土面, 弯钩及时伸直, 子叶展开并脱掉种壳, 完成出苗过程, 进而更易形成壮苗。而多粒穴播种子出苗时, 顶土力量大, 易使土层提前裂开, 光线透过裂缝照射到棉苗, 导致弯钩形成关键基因表达下降, 下胚轴伸长关键基因表达上升, 棉苗弯钩过早伸直而带壳出苗; 出苗后棉苗聚集在一起, 促进下胚轴伸长关键基因表达量显著升高, 棉苗纵向生长加快、横向生长减慢而形成高脚苗。因此, 在保证合理播种量和播种株距的情况下, 单粒精播可以实现目标密度和株距, 可以做到不间苗不补苗, 既可以实现一播全苗, 又可以大大节省人力成本。

董合忠等[1]研究表明, 高密度条件下的相互遮阴, 导致棉株生长素合成基因、细胞分裂素合成基因和赤霉素合成基因的表达量及相应激素含量在叶枝中呈下降趋势, 而在主茎顶端叶片中呈上升趋势引起棉株激素合成代谢相关基因差异表达, 抑制了叶枝的生长, 高密度种植时叶枝数比低密度的叶枝数减少30%, 因此可以实现不整枝不打杈。祝令晓等[51]研究认为, 在全程化学调控的基础上, 棉花盛蕾期进行化学封顶可显著调控棉花的营养生长, 显著降低了主茎的节间长度和上部果枝长度, 且与人工打顶相比对产量无显著影响, 可以代替人工打顶。

3.3 棉花集中成熟调控理论基础

两熟制棉花常规栽培吐絮期达到70 d左右, 按每7 d人工收获1次, 需要收获10次之多, 而且不能用机械收获。因此, 集中成熟调控、一次性收获是棉花轻简化机械化栽培技术核心中的核心, 否则, 棉花轻简化机械化也就无从谈起。棉花具有无限开花结铃习性, 棉株可塑性强。在结铃习性上具有很强的时空调节能力和补偿能力, 若前期结铃少, 可利用中后期成铃进行补偿, 内围铃少的棉株, 外围铃就会增多, 反之亦然[1]。棉花的这些习性为棉花集中成熟调控奠定了生物学基础。据此, 可以通过早熟或早中熟品种、合理增密适期播种等农艺措施、减少肥料用量等营养调控及使用化学调节剂脱叶催熟剂等化学调控, 实现棉叶系统的高光合效能期、成铃高峰期和当地光热资源高能期相同步, 使棉花最佳开花结铃期、优质铃的空间部位和棉株最佳生理年龄多成铃、快成铃、成优质铃, 达到7月集中现蕾、7月底至9月中旬集中开花、集中成铃和10月上中旬脱叶催熟10月下旬集中吐絮的目的, 即“二同步、三成铃、四集中”, 吐絮期缩短45 d以上。

通过应用以上理论, 各地两熟制棉花集中成熟、一次性收获已很好地实现, 如: 刘爱玉等[52]通过适当增加种植密度、控制氮肥用量、改变打顶方式和化学催熟来实现长江流域油后直播棉花集中吐絮;董合忠等[53]提出了“降密健株型”、“增密壮株型”和“直密矮株型”3种适于集中收获的新型棉花群体结构及其主要指标和调控技术; 刘瑞显等[54]总结了麦(油)后直播集中现蕾、集中成铃和集中吐絮的本质指标、群体结构指标、株型特征和栽培途径。

4 讨论

以增密减肥、免耕洁区覆秸单粒精量种肥同播一次性完成、不间苗不补苗、病虫草害绿色防控、全程株型和熟性调控、不整枝不打杈不人工打顶、集中收获为核心的两熟制棉花绿色化轻简化机械化栽培技术, 大大减少棉花生产用工, 减少了化肥和化学农药的用量, 提高了农业机械对人工的替代率、化肥利用率和植棉效益, 为推进长江流域和黄河流域两大棉区两熟制棉花生产方式的根本变革提供了科技支撑。但是, 不同规模、不同地区和不同年份的应用和验证表明, 在技术上, 如下几个方面还有进一步研究、修正、完善和优化的空间:

(1) 进一步优化种植制度和种植模式, 综合考虑包括棉花在内的周年两熟作物优质高产高效、周年两熟养分运筹、周年两熟用地和养地等关系, 实现周年两熟全面轻简化机械化绿色化, 周年两熟均衡提质增产增效。

(2) 两熟复种留给棉花播种和收获2个关键环节的窗口期或档期非常短且相对固定, 而播种窗口期发生连阴雨、干旱和收获窗口期发生连阴雨对棉花生产及前后茬作物生产的影响都很大, 因此, 需研究两熟复种棉区不同生态区这2个窗口期的气候趋势, 以此作为选择两熟制棉花前后茬作物的依据。

(3) 长江流域棉区和黄河流域棉区两熟复种棉区, 5月中下旬至6月初这段时间发生连阴雨、干旱等天气的概率较大, 加上该区域土壤类型较多、土壤质地偏粘, 免耕精量播种对播种机的单粒精播、施肥、开沟等功能及作业质量要求非常高, 需要不断优化和改进。

(4) 长江流域和黄河流域两大棉区两熟复种地区雨水较多, 加上不用地膜覆盖, 棉田杂草和油菜、小麦等前茬作物收获后再生长的幼苗对棉花危害严重, 需进一步研究优化安全有效的防除杂草、前茬幼苗的技术和产品, 进一步研制和优化适合76 cm或81 cm行距田间除草的中耕除草机。

(5) 两熟制棉花绿色化轻简化机械化栽培技术体系需进一步优化和修正, 以适应不同规模、不同地区和不同年份应用。

除以上技术问题外, 还有政策层面的问题需要进一步探索和优化。一是优化棉花目标价格政策。与新疆棉区相比, 长江流域和黄河流域两大棉区主产省棉花价格补贴少且不能按时到位, 未能给棉农提供一个稳定和良好的预期, 应实行“同棉同策”“优质优价”。二是棉花是产业关联度高、产业链长、商品化程度高的社会性大产业, 作为加工原料型农产品, 棉花是国际贸易中的活跃产品, 近年来中美贸易战中, 棉花就成了“武器”之一。需进一步出台棉花产业扶持政策, 尽快充分发挥我国233万公顷棉花生产保护区的功能, 引导扶持棉业龙头企业、新型经营主体, 建立棉花种植业与纺织业利益共同体(如产业联盟等), 完善产业化组织体系和运行机制, 促进棉花生产和经营方式的根本变革, 实现棉花生产和经营的适度规模化、全产业链化、品牌化, 有效开发和利用本地资源, 提高产业整体效益。三是进一步充分发挥棉花油用、饲用及重金属污染农田棉花替代种植及修复等功能。

感谢山东省农业科学院经济作物研究所(山东棉花研究中心)董合忠研究员、南京农业大学周治国教授的思路启发与指导。

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On the green and light-simplified and mechanized cultivation of cotton in a cotton-based double cropping system

ZHENG Shu-Feng*, LIU Xiao-Ling, WANG Wei, XU Dao-Qing, KAN Hua-Chun, CHEN Min, and LI Shu-Ying

Cotton Research Institute, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei 230031, Anhui, China

There are many prominent problems or challenges in the traditional cotton production under the cotton-based double cropping system, which include complex planting pattern and cumbersome cultivation technology, long growth period, low degree of mechanization, heavy inputs of labor, chemical fertilizers and pesticides, and the resulted low economic benefits. After nearly 10 years of researches and practice, China has established and applied the green and light-simplified and mechanized cultivation technology of cotton in a cotton-based double cropping system, namely the green production with reduced chemical fertilizers and pesticides, light and simplified field management, and mechanized production by using mechanics instead of labors. Based on the author's research and relevant research progress at home and abroad, this paper summarizes and reviews the basic concept, the technical route, the key technologies and theoretical basis of the green, light and mechanized cultivation of cotton under the cotton-based double cropping system. The core contents of the technology are one-time sowing by machinery (direct one seed precision sowing by machinery under no-tillage instead of cotton seedling transplanting, simultaneous sowing of seed and fertilizer, no thinning and no seedling replenishment), no pruning (avoid removal of vegetative branches and manual topping through close planting and chemical regulation to shape reasonable plant type and maturity), and one-time mechanical harvesting (establish a centralized fruiting population structure through comprehensive regulation and control) to save labor by 70%; Using cotton varieties with early maturity or mid-early maturity, reasonably higher plant density, one-off deep-soil application of controlled-release fertilizer and spraying fertilizer by UAV (Unmanned Aerial Vehicle) with water-soluble fertilizer for foliage, which can save fertilizer by 50%; and by making use of the resistance of insect-resistant cotton varieties, sowing late at an appropriate time to shorten cotton growth period, and control pests and diseases by using food or sex induced inducers, biological pesticides, insecticidal lamps, and UAV, which can save pesticide by 40%. Compared with traditional technologies, this technology has greatly reduced the labor inputs in cotton production, the substitution rate of agricultural machinery for labor has reached 60%, the utilization rate of chemical fertilizer has increased by more than 11.2%, and the economic benefit has increased by 30%. It also alleviates the non-point source pollution caused by excessive use of chemical fertilizer and pesticides, and provides technical support for promoting the fundamental reform of cotton production mode.

reduce the use of chemical fertilizers and pesticides; mechanized seeding and harvesting; green cultivation; mechanization cultivation; cotton in a double cropping system

10.3724/SP.J.1006.2022.14090

本研究由国家重点研发计划项目(2017YFD0201900), 国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-15-37), 安徽省油菜棉花产业技术体系(AHCARS-04)和安徽省农业科学院科技创新团队(2021YL032)资助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2017YFD0201900), the China Agriculture Research System (CARS-15-37), the Anhui Agriculture Research System in Rapeseed and Cotton (AHCARS-04), and the AAAS Scientific and Technological Innovation Project (2021YL032).

通信作者(Corresponding author):郑曙峰, E-mail: zhengsf@188.com

2021-05-12;

2021-07-26;

2021-08-03.

https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20210803.1037.002.html