王 亮,郭仁松,田立文,王 静,林 涛,郑子漂,徐海江,吾买尔江·库尔班,金 亮,崔建平

(1.新疆农业科学院 经济作物研究所,乌鲁木齐 830091;2.新疆农业科学院 库车陆地棉试验站,新疆库车 842099;3.新疆农业广播电视学校,乌鲁木齐 830052)

新疆是中国唯一的长绒棉产区,新疆的长绒棉主要分布在南疆阿克苏、喀什地区,其中阿克苏地区是长绒棉的主产区,有着"长绒棉之乡"的美誉[1]。近年来,劳动力日益紧缺,用工难、用工贵问题突出,导致长绒棉植棉成本居高不下,种植效益比大幅降低[2]。新疆长绒棉种植面积自2018年以来连续3 a大幅下降,2018年新疆长绒棉种植面积8.33×104hm2,到2020年,长绒棉种植面积缩减到5.67×104hm2左右,3 a内长绒棉种植面积下降32%,长绒棉产量总体也呈下滑趋势[3]。且目前长绒棉仍以人工打顶为主,费时费工、人工成本高、劳动强度大,生产效率难以提高,这已成为限制新疆长绒棉种植全程机械化的一项主要障碍[4]。探索长绒棉封顶方式,用化学调控策略替代人工管理,抑制长绒棉顶端生长,提高其群体一致性,协调棉株营养生长和生殖生长,已成为目前南疆长绒棉生产上亟待解决的关键科学问题。这对塑造长绒棉合理群体结构,形成与机采要求相适应的农艺性状目标,实现机械化采收,进而降低长绒棉植棉成本、提高生产效率,稳定长绒棉种植面积,促进长绒棉高产高效向机械化、轻简化方向健康发展具有重要意义。

目前关于棉花封顶的研究已有较多报道,并且新疆陆地棉区已陆续开展了化学封顶的相关研究。前人研究表明,化学封顶可以通过重塑棉花株型冠层以达到协调群体结构和提高产量的目的[5],对棉花株型的调控可达到类似于人工打顶的效果[6]。喷施化学封顶剂能有效抑制棉花顶尖生长,降低株高,缩短节间长度,获得更为紧凑的株型[7-8],且株高和节间长度可作为评价化学封顶对棉花株型调控效果的最佳指标[9]。化学封顶可优化上部冠层结构,棉株叶片叶绿素含量及叶面积指数呈增加趋势[10],群体冠层透光率显著改善[11]。与人工打顶相比,化学封顶可促进棉花源器官的物质输出,有利于干物质的积累与蕾铃发育及合理分配[12],可增加干物质的有效运转率,调节棉株内养分及水分向生殖器官的运输,增加产量物质积累[13],对棉铃时空分布的优化及单株结铃数的提高具有积极作用[14-15],且这种效果与人工打顶差异不大。此外,近年来,化学封顶与外源调节物质相互交叉应用的研究也越来越多,化学封顶施用技术的不断完善,对新疆机采棉全程机械化的实现起到较大的促进作用。

然而上述研究多集中在北疆植棉区,且绝大部分为不同打顶方式或化学打顶剂施用时间及浓度对陆地棉生长发育调控方面的比对分析,针对南疆极端干旱灌溉棉区条件下的化学封顶研究较少,特别是化学封顶对南疆长绒棉生长调控的系统性研究鲜见报道,限制了南疆长绒棉轻简高效化学封顶技术的推广应用。因此,本试验通过研究不同封顶方式对南疆机采长绒棉株型性状、生物量积累及产量性状的调控效应,探讨南疆机采长绒棉化学封顶的可行性,以期为化学封顶在南疆机采长绒棉上的应用和推广提供理论依据和实践经验。

1 材料与方法

1.1 试验材料

化学封顶剂“向铃转”为250 g·L-1的甲哌鎓水剂,由新疆强农丰禾农业科技有限公司提供;常规化控采用98%缩节胺可湿性粉剂,由四川国光农化股份有限公司生产提供。供试棉花品种为机采长绒棉‘新78’,该品种生育期135 d左右,零式果枝,始果节高度16 cm以上,单株果枝数15～17台。

1.2 试验设计

试验于2021年在阿瓦提县新疆农业科学院棉花综合科研示范基地(40°27′N,80°21′E,海拔 1 025 m)进行。试验地土质类型为粉砂质壤土,土壤肥力中等,含有机质10.2 mg·kg-1,碱解氮61.5 mg·kg-1、速效磷14.0 mg·kg-1、速效钾70.2 mg·kg-1,前茬作物为棉花。试验采用一膜三管六行机采种植模式,膜宽2.05 m,播幅 2.3 m,株行配置为窄行10 cm,宽行66 cm,株距10 cm,种植密度为2.63×105株·hm-2,2021年4月13日播种,9月底收获,其他栽培管理同当地 大田。

试验采用单因素随机区组设计,设置4个处理:人工打顶(MT)、化学封顶(CT)、缩节胺(DT)和化学封顶(CT)+缩节胺(DT)处理,其中人工打顶、化学封顶和缩节胺处理均于7月20日进行,人工打顶以一叶一心为标准摘除棉花主茎顶尖,化学封顶剂和缩节胺处理采用背负式电动喷雾器进行叶面喷施1次,以叶面润湿而不下滴为宜,化学封顶剂和缩节胺剂量分别为750 mL·hm-2和150 g·hm-2,化学封顶剂+缩节胺处理次序为先化学封顶后缩节胺处理(7月13日喷施化学封顶剂750 mL·hm-2,7月20日喷施缩节胺150 g·hm-2)。喷施药剂时选择晴朗无云天气,当天10:00-12:00,药品均为现配现用。喷施剂量参照使用说明书中的最佳喷施剂量。以常规人工打顶为对照,每个处理重复3次,共12个小区,小区宽(4膜)9.2 m,长8 m,小区面积73.6 m2,小区之间留1播幅设为保护行。全生育期共滴水8次,肥料用量为尿素(N质量分数≥46%)675 kg·hm-2,农用硫酸钾(K2O质量分数≥50%)150 kg·hm-2,三料磷肥(P2O5质量分数≥46%)375 kg·hm-2,其中尿素的30%、钾肥的50%和全部磷肥作为底肥基施,其余则随水追施,病虫草害防控等其他田间管理措施同大田常规管理一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 农艺性状 于每小区中行选取长势均匀的棉株10株,在封顶前及封顶后每隔10 d定点调查棉花株高、果枝数、单株节间数、平均节间长度(株高/节间数)、茎粗、蕾铃脱落数等农艺性状。

1.3.2 叶绿素SPAD值 封顶前,于各处理小区中行选取长势均匀的连续5株棉株定点,在封顶前及封顶后每间隔10 d采用SPAD-502型便携式叶绿素测定仪测定棉株倒四功能叶叶绿素SPAD值(人工打顶处理为倒三功能叶),选取叶片5个不同部位测量,取其平均值作为测量值,测量时避开叶脉,并尽量避免测量过程对叶片造成损伤。

1.3.3 棉花生物量测定 棉花封顶前及封顶后每间隔10 d,每小区选取代表性株植5株,采集地上部分,单株按茎、叶、蕾花铃等器官进行分样,称其鲜质量后,分别置105 ℃烘箱中杀青30 min,80 ℃烘干至恒量,冷却后分别称干质量。

1.3.4 棉铃空间分布的调查 棉花吐絮期,在各小区随机选取具有代表性的棉花10株,调查其下部果枝(1～5果枝)、中部果枝(6～10果枝)、上部果枝(10果枝及以上)棉铃空间分布特征,其上、中、下部划分依据按供试品种生育特性划分。

1.3.5 产量及产量构成 棉花吐絮期,每小区选定2.9 m×2.3 m 样方调查有效株数和单株结铃数;并在每小区连续几株单独采收下部(1～5果枝)吐絮棉铃30朵、中部(6～10果枝)吐絮棉铃40朵、上部(10果枝及以上)吐絮棉铃30朵,将采收回吐絮棉铃晾干,进行室内拷种,分别计算棉花上、中、下部单铃质量和衣分,并计算籽棉产量。

1.4 数据处理及统计分析

试验数据采用Microsoft Excel 2010进行处理及作图,采用IBM SPSS statistics 19.0统计分析软件进行处理间显著性方差分析(Duncan’s新复极差法),显著水平取P<0.05。

2 结果与分析

2.1 不同封顶方式对长绒棉农艺性状的影响

由表1可知,4种不同封顶方式对棉花株高、果枝数、主茎节间数和蕾铃脱落数具有显著影响,对平均节间长度和茎粗影响差异不显著。MT处理、CT处理和CT+DT处理的株高均显著低于DT处理,分别较DT处理降低3.76%、4.57%和7.40%,MT处理、CT处理株高显著高于CT+DT处理,但MT处理与CT处理间差异不显著,其中CT+DT处理对株高的抑制效果最强。DT处理和CT处理果枝数显著高于MT处理,DT处理的主茎节间数显著较MT处理、CT处理和CT+DT处理高出6.81%、7.10%和12.50%;且DT处理蕾铃脱落数较其他处理显著增加,分别较MT处理、CT处理和CT+DT处理增加 62.60%、31.13%和28.44%,虽DT处理株高和果枝数增加,但其蕾铃脱落数也显著增加,不利于成铃形成。

表1 不同封顶方式下长绒棉农艺性状的变化Table 1 Agronomic traits of long-staple cotton under different topping methods

2.2 不同封顶方式对长绒棉叶绿素SPAD值的影响

由图1可知,不同封顶方式下长绒棉倒四功能叶叶绿素SPAD值随着封顶后时间的延长,呈现单峰变化趋势。封顶前各处理叶绿素SPAD值没有显著性差异。封顶10 d后DT处理和CT+DT处理呈降低变化趋势,DT处理叶绿素SPAD值显著较MT处理、CT处理和CT+DT处理分别降低9.09%、7.70%和5.41%,其他处理间无显著性差异。封顶后20 d各处理叶绿素SPAD值达到峰值,DT处理和CT+DT处理较MT处理和CT处理显著降低,MT处理和CT处理间无显著性差异。封顶30 d后DT处理叶绿素SPAD值最低,分别较MT处理、CT处理显著降低3.38%、2.14%。封顶后40 d处理间叶绿素SPAD值表现为MT>CT>CT+DT>DT处理的变化规律,DT处理较MT和CT处理显著降低4.51%和2.17%。综上分析表明,DT处理显著降低了封顶后长绒棉功能叶叶绿素SPAD值,不利于棉花叶片叶绿素合成,而CT处理封顶后SPAD值可保持较高的水平,在封顶后10～30 d内与MT处理无显著性差异。

图1 不同封顶方式长绒棉功能叶叶绿素SPAD值Fig.1 Chlorophyll SPAD of functional leaves of long staple cotton under different topping methods

2.3 不同封顶方式对长绒棉生物量积累与分配的影响

2.3.1 封顶方式对生物量积累的影响 生物量积累合成是形成作物产量的关键。图2显示不同封顶处理前后长绒棉生物量积累的变化,封顶前各处理生物量没有显著性差异。封顶后10 d虽处理间差异不显著,但DT处理生物量略高。封顶20 d后CT+DT处理生物量较MT处理和DT处理显著降低17.90%和15.94%,CT处理较MT处理显著降低10.94%。封顶后30 d各处理间生物量差异达到显著水平,MT处理较CT处理、DT处理和CT+DT处理显著增加 5.70%、13.00%和 17.80%,CT处理较DT处理和CT+DT处理显著增加6.90%和11.44%,而DT处理和CT+DT处理间未达到显著性水平。封顶40 d后MT处理和CT处理生物量显著高于DT处理和CT+DT处理,MT处理较DT处理和CT+DT处理显著增加13.90%和 17.46%,CT处理则分别增加9.23%和 12.64%,而MT处理和CT处理间差异不显著。表明随处理后时间的延长,DT处理和CT+DT处理对生物量积累的抑制作用逐渐增强,而CT处理生物量积累量与MT处理间的差异逐渐缩小。

图2 不同封顶方式下长绒棉生物量积累变化Fig.2 Changes of biomass accumulation of long staple cotton under different topping methods

用Logistic生长函数对不同封顶方式下长绒棉生物量积累进行拟合(表2),从长绒棉生物量积累动态变化来看,DT处理生物量积累进入快速积累期起始时间、结束时间及最大积累速率出现时间均最早,DT处理最大积累速率出现时间分别较MT处理、CT处理和CT+DT处理提前11 d、8 d和7 d,快速积累出现时间分别提前9 d、7 d和6 d,但其快速积累终止时间也均较其他处理分别提前12 d、9 d和7 d,其中MT处理生物量快速积累持续天数最久,DT处理快速积累持续期最短。生物量最大积累速率呈现MT>CT>CT+DT>DT处理的变化,DT处理最大积累速率分别较MT处理、CT处理和CT+DT处理降低4.13%、3.63%和2.54%。综上表明,与其他处理相比,DT处理缩短长绒棉生物量快速积累的持续时间,降低生物量最大积累速率,不利于生物量在快速增长期的积累,进而影响了棉花由营养生长向生殖生长的转变,最终影响产量形成。

表2 棉株地上部分生物量积累的Logistic模型及其特征值Table 2 Logistic equation and its features of above ground cotton biomass accumulation

2.3.2 封顶方式对长绒棉生物量分配的影响 从图3可以看出,长绒棉生物量在茎、叶和蕾花铃中的分配量随封顶后时间的延长不断增加。在封顶后 0～10 d内,不同封顶处理间生物量在各器官中的分配量均无显著性差异。封顶20 d后,不同封顶处理生物量在各器官中的分配量差异显著,其中DT处理生物量在茎叶中的分配量均显著高于其他处理,而在蕾花铃中的分配量则以MT处理最高,分别较CT处理、DT处理和CT+DT处理显著高出16.16%、31.46%和18.60%。封顶30 d后,各处理生物量在蕾花铃中的分配量增量进一步增大,且不同处理间差异显著,DT处理显著较MT处理、CT处理和CT+DT处理降低28.46%、24.39%和12.20%,生物量在茎和叶中的分配量仍以DT处理最大。封顶后40 d,不同处理下生物量在各器官中的分配情况与封顶30 d后变化趋势一致,生物量在茎和叶中分配量的增加幅度逐渐减小,而在蕾花铃中的分配量持续增大,DT处理和CT+DT处理在蕾花铃中的分配量显著低于MT处理和CT处理,DT处理最低,而MT处理和CT处理间则无显著性差异。

图中不同字母分别对应不同处理间在 P<0.05水平差异显著,第一排字母为生物量总积累量的显著性差异,第二排字母为蕾花铃生物积累量的显著性差异,第三排为叶片生物积累量的显著性差异,第四排为茎生物积累量的显著性差异Different letters indicate significant differences between corresponding treatments at P<0.05 level.The first row of letters is the significant difference of the total biomass accumulation, the second one is the significant difference of the biomass accumulation of buds,flower and bolls, the third one is the significant difference of the biomass accumulation of leaves, and the fourth one is the significant difference of the biomass accumulation of stems图3 不同封顶方式下长绒棉各器官生物量分配变化Fig.3 Changes of biomass distribution in different organs of long staple cotton under different topping methods

从表3不同封顶方式下生物量在各器官中的分配比例来看,随封顶后时间的推进,生物量在茎、叶中的分配比例呈逐渐降低的趋势,蕾花铃生物量的分配比例则由封顶前的 22.89 %～ 23.93%增加到封顶40 d后的41.64%～ 52.79%,增加幅度较大,封顶前至封顶20 d内棉株营养生长占主导地位,封顶30 d后生殖生长速率加快,棉株生殖器官(蕾花铃)生物量分配比例超过营养器官。封顶20～40 d内不同封顶处理下,DT处理生物量在茎和叶中的分配比例最高,而在蕾花铃中的分配比例均最低。封顶30 d后MT处理和CT处理生物量在蕾花铃中的分配比例一致,DT处理蕾花铃占比最低,至封顶40 d后CT处理生物量在蕾花铃中的分配比例反超MT处理,不同处理间表现为CT >MT> CT+DT> DT处理的变化,MT处理和CT处理生物量在蕾花铃中的分配比例较DT处理分别高出 24.81%和 26.78%。从不同处理生物量积累与分配规律可以看出,DT处理茎叶生物积累量及分配比例较大,营养生长偏旺,但不利于向生殖生长的转化,而CT处理在打顶30～40 d后可获得与MT处理相差较小的生物积累量与分配比例。

表3 不同封顶方式下长绒棉生物量积累与分配Table 3 Biomass accumulation and distribution under different topping methods

2.4 不同封顶方式对长绒棉棉铃空间分布的 影响

由表4可知,不同封顶方式对长绒棉单株结铃数的影响差异显著,DT处理显著较MT处理、CT处理和CT+DT处理减少15.53%、11.10%和7.72%。对棉铃纵向分布进行分析,不同处理长绒棉单株结铃数均表现为下部铃>中部铃>上部铃,且主要集中于长绒棉下部,各处理间下部铃数无显著差异。DT处理对中部铃有一定影响,其显著较CT处理降低16.15%,CT处理可有效提高中部铃比例,显著较MT处理提高14.15%。不同封顶方式对上部铃及上部铃比例具有显著影响,DT处理上部铃数显著较MT处理、CT处理和CT+DT处理减少51.95%、32.73%和 26.00%,CT处理和CT+DT处理间无显著差异。DT处理显著降低了上部成铃率,不利于上部铃的形成。

表4 不同封顶方式对棉铃空间分布的调节效应Table 4 Adjustment effects of different topping methods on boll spatial distribution

2.5 不同封顶方式对长绒棉产量及构成的影响

由表5可知,不同封顶方式对下部单铃质量,上、中、下部及平均衣分无显著性影响,各处理平均衣分为33.80%～34.17%。不同处理间中部及平均单铃质量均呈现为MT>CT> CT+DT>DT处理的变化趋势,MT处理中部单铃质量显著较DT处理高5.62%,DT处理上部单铃质量和平均单铃质量显著较MT处理、CT处理降低6.52%、7.67%和4.13%、3.21%。各处理间籽棉产量存在显著性差异,DT处理显著较MT处理、CT处理和CT+DT处理降低16.83%、11.72%和7.93%,而MT处理和CT处理间无显著性差异。综上可知,与MT处理相比,DT处理不利于长绒棉中、上部及平均单铃质量的增加,且DT处理和CT+DT处理均不利于籽棉产量的形成,CT处理单铃质量和籽棉产量虽较MT处理略有降低,但均无显著性差异。

表5 不同封顶方式下棉花产量及产量构成因素Table 5 Yield and yield components of cotton under different topping methods

3 讨 论

化学封顶对塑造及调节棉花株高、果枝数、节间长度等关键农艺指标方面具有积极作用[16]。前人研究表明,化学封顶能有效降低棉花株高、果枝始节高度和果枝台数,减少主茎节间数和节间长度,缩小茎粗,特别是对主茎及上部果枝伸长抑制效果显著[17-18],且越靠近顶尖抑制效应越强[19],可获得更为紧凑的株型。本试验研究结果表明,喷施缩节胺处理株高和主茎节间数较其他处理显著增加,化学封顶+缩节胺处理对株高及主茎节间数的抑制作用最强,而化学封顶处理对株高和主茎节间数的调控效果与人工打顶无差异。与人工打顶相比,其他封顶方式对主茎节间长度和茎粗影响较小,但均有略微减小趋势,而果枝数则呈不同幅度的增加,这与黎芳等[20]的研究结果基本一致。但也有研究认为,喷施化学封顶剂对株高及茎粗有正增长效应,而果枝台数则呈降低变化[21]。造成化学封顶对棉花株型形态调控差异的主要原因可能是由于长绒棉和陆地棉在株型性状上存在较明显的差别,以及与化学封顶剂的配方、合理的剂量和喷施时间对长绒棉的敏感程度等有关,故封顶方式对长绒棉农艺指标的影响也不尽相同。

合理的化学封顶调控,能优化作物冠层结构,提高群体光合势能,有利于协调棉花营养生长与生殖生长的关系,促进干物质积累量的形成[22]。何庆雨等[10]研究表明化学封顶和缩节胺喷施均有利于延缓棉株衰老进程,促进棉花叶绿素合成。崔延楠等[5]和王潭刚等[23]研究表明,相同种植密度下,化学封顶处理能够促进干物质向生殖器官转运与分配,有利于提高棉株干物质积累量。而本试验研究结果表明,缩节胺及化学封顶+缩节胺处理均显著降低了长绒棉功能叶叶绿素SPAD值,而化学封顶处理在封顶后20～30 d内降低变化不显著。与人工打顶相比,其他处理生物积累量均呈不同程度的降低变化,缩节胺处理缩短了长绒棉生物量快速积累的持续时间,降低了最大积累速率,不利于生物量在快速增长期的积累,且该处理封顶后生物积累量在茎叶中的分配量及分配比例仍较大,不利于生物量向生殖生长的转变。而化学封顶处理生物量快速积累持续时间与最大积累速率与人工打顶处理相差较小,且生物量的积累及向生殖器官的转移和分配随施药后时间的延长与人工打顶基本趋于一致。这主要是由于缩节胺及化学封顶+缩节胺喷施后蕾铃脱落数显著增加所致,同时受不同耕作区域土壤、气候等环境因子和品种类型的影响而存在差异。

化学封顶对棉花群体与个体生长发育和产量形成有一定的调控效应[24]。有研究表明,化学封顶可增加棉花单株结铃数和单铃质量[25],特别是对上部铃数的增加具有促进作用[26],进而达到提高产量的效果[27]。但也有研究认为,化学封顶后单株结铃数随化学封顶剂量的增加有增加趋势[28-29],而单铃质量有所下降,且易造成上部果枝结铃率降低[30]。本研究结果表明,封顶方式对长绒棉下部结铃数及衣分无显著影响,化学封顶、缩节胺和化学封顶+缩节胺处理单株结铃数均较人工打顶显著降低,且对单株结铃数的显著影响主要取决于中、上部铃数的差异变化,其中缩节胺处理中、上部结铃数及单株结铃数最低。缩节胺处理显著降低了长绒棉平均单铃质量,且主要对中、上部单铃质量影响较明显,相比于人工打顶,缩节胺和化学封顶+缩节胺处理籽棉产量显著降低,而化学封顶处理产量变化差异不显著。这主要是由于缩节胺及化学封顶+缩节胺处理虽增加了棉株的果枝数,但蕾铃脱落严重,上部果枝无效铃较多,在一定程度上影响了封顶后长绒棉产量的稳定性。

关于棉花株型结构及生长发育对化学封顶调控技术响应存在的差异,与众多因素关系密切。应因地制宜,形成适宜当地生态环境条件及棉花品种的化学调控措施,推动化学封顶技术的普及应用。然而,本研究仅探讨了不同封顶方式对长绒棉生长的影响,对化学封顶剂剂型选用、剂量与喷施时间的协同效应及调控生理机制需要进一步研究。

4 结 论

本试验条件下,喷施缩节胺处理显著增加了长绒棉株高、果枝数及主茎节间数,化学封顶+缩节胺处理对株高及主茎节间数的抑制作用最强,但缩节胺及化学封顶+缩节胺处理均不利于生物量在快速增长期的积累,抑制了生物量向生殖生长的转变,蕾铃脱落数显著增加,减少了中、上部结铃数和单铃质量,不利于产量形成。而化学封顶处理可有效调控长绒棉的生长,有利于蕾花铃的发育及生物量的合理分配,较好地协调了长绒棉营养生长与生殖生长,对长绒棉株型、单铃质量及产量的调控效果与人工打顶无显著差异,在一定程度上具有人工打顶的效果,是较符合南疆长绒棉轻简化、机械化生产发展需求的封顶方式。