密度对棉花株间小气候、农艺性状及产量的影响

华 烨，周昊楠，许婷婷，吉春容

（1新疆维吾尔自治区气象台，乌鲁木齐 830002；2乌鲁木齐市气象局，乌鲁木齐 832002；3新疆维吾尔自治区气象台，乌鲁木齐 832000；4中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，乌鲁木齐 830002）

0 引言

作物种植方式关系着作物群体结构是否合理、动态规律是否正常的关键，尤其是在高产栽培条件下，作用更显得突出[1]。作物群体密度不同，其内部形成不同的小气候环境[2-3]，可改变作物生长性状，对作物生长发育和产量的形成、病虫害发生程度都有很大影响[4-5]，棉花合理密植才能获得优质棉和高产量。新疆棉区从20世纪80年代开始至今，已成为优质棉和彩色棉的生产基地。棉花产量除生产因素及非自然因素影响外，气象因子极端变化往往对其影响重大[6-7]，而气候因素的变化最终要体现在改变棉田内部小气候环境上。因此，研究棉花不同栽培密度及所形成的田间小气候条件变化对棉花农艺性状的改变以及对产量的影响非常必要。1985年金桂红[8]研究了受小气候的影响棉花雄性败育，认为田间活动层高温响应最直接；2000—2002年李富先等[9]设计棉花膜下滴灌与普通灌溉比较试验，认为膜下滴灌棉花的田间小气候因子优于普通灌溉。在不同棉花栽培密度处理上，王海洋等[10]进行不同种植密度田间试验，认为随着种植密度的增大，单株成铃数明显减少，单位面积籽棉产量均呈先增加后减少的趋势；宁新柱等[11]研究了不同密度对棉花产量、生长性状及纤维品质的影响；李伶俐[12]、王延琴[13]等测试了棉花不同密度的光合特性。近年来，赖奕英[14]研究了栽培密度对新疆棉花产量及纤维品质的影响。对于有些作物，田间小气候研究较早，如王兴亚等[15]对冬小麦种植方式和施氮量对农田小气候影响进行了分析，在棉花气候生态方面研究成果较多[16-18]，而棉花新品种更新换代后不同密度棉田小气候的研究相对较少。为提高棉花产量，棉花新品种的种植密度不断发生变化，使得棉田小气候改变，最终必然会影响到产量。笔者从不同密度的田间小气候变化角度研究对棉花农艺性状及产量的影响，小气候观测确定在棉花郁闭度最大的开花盛期进行，观测项目包括株间温度、透光率、湿度状况、通风状况及其叶片、蕾铃脱落和产量，以期研究棉田不同密度的小气候变化规律，为当地棉花高质量栽培管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

使用北疆地区主栽品种‘新路早33号’作为棉花实验素材，来源于新疆农垦科学院棉花研究所。

1.2 试验方法

种植形式、栽培管理与大田棉花一致。小区面积120 m2，设定6个密度处理，分别为9万(A)、13.5万(B)、18万(C)、22.5万(D)、27万(E)、31.5(F)万株/hm2，每个处理设置3次重复。

1.3 农艺性状测定项目

在试验区内选取10株×3记录棉花农艺性状，包括现蕾期之后每隔25天测定棉株干物重、吐絮后期测定株高、茎粗、叶片数、单株铃数、单铃重、成熟期密度和实际产量等农艺性状。

1.4 小气候观测项目

观测时间确定在棉花开花盛期7月5日，群体郁闭度达到最大，在此阶段观测棉田小气候具有代表性。小气候观测仪定位在棉株高度的2/3处(40 cm)和地面0 cm处。连续10天观测温度、湿度，测定棉株底部透光率及顶部光照强度等气象要素。

1.5 统计分析

数据处理及分析采用Excel统计软件。

2 结果与分析

2.1 不同密度棉花株间小气候变化

2.1.1 株间温度变化 图1为棉花株间平均温度日变化，随时间变化不同密度棉花植株间温度与气温日变化有着一致性，最高温度出现在16:00时。在有限的小气候观测时段里，不同密度之间地面至40 cm株间平均温度，大、小密度处理株间的平均温度小于中等密度，即C=D＞B=A＞E=F。以C、D处理温度最高，比E、F处理高约0.2℃。此外，各个密度在12:00时冠层温度相近，而在14:00—16:00时大密度升温缓慢，小密度升温加快，并且在16:00之后小密度温度高于大密度。

图1 不同密度冠层(40 cm)温度昼变化

图2 为不同密度株间梯度温度变化，各个密度均反映出株高40 cm处（代表冠层）的温度高于地面(0 cm)温度，而不同的密度存在明显的梯度温度差，随着密度增加梯度温度差具有逐渐加大的特点，如A、B处理梯度温度差为0.2℃，而E、F处理梯度温度差为0.5℃，并且密度与梯度温度差具有显著线性相关，相关系数0.961(P＜0.01)。说明种植密度小冠层与近地面通透性好，有利于热量交换；反之，密度越大越不利于株间热量交换。从试验结果看，棉花群体间梯度温度差应0.3～0.4℃较为适宜。

图2 不同密度梯度（棉株高度0～40 cm）温度差

2.1.2 株间透光率 图3为不同密度通过棉株冠层到达地面的透光率。密度与透光率呈负相关显著，相关系数为-0.995(P＜0.01)。在棉花开花后期叶面积最大，稀植的A处理达到地面的透光率为11.5%，是密植F处理(2.6%)的4.4倍。密度大到达地面的光照就少，而透光率大说明上层截获的光少，棉株底层接受的光就越多，下层叶面积接收光能而发挥其功能性，光合面积相对增大，才有利于光合作用，棉田通风透光及湍流交换性能才会增强[24]，对减少蕾铃脱落、提高铃的发育质量均有利。涂勇[16]研究认为，棉花群体基部受光强度在2500 lx左右时叶片仍可正常进行光合作用，合成有机营养供应棉铃发育。晴天10:00—16:00，自然光强为56500～70800 lx。棉株群体地面处透光率为5%时光强为2825～3540 lx。本试验C处理棉株地面透光率为7.4%，D处理透光率为5.5%，C、D处理棉株农艺性状和产量均表现良好。

图3 不同密度通过冠层到达地面透光率

2.1.3 冠层空气相对湿度日变化 图4为不同密度冠层内空气相对湿度日变化趋势。白天（10:00—20:00时）相对湿度呈二次项变化y=0.4111x2-13.294x+160.55，复相关系数为0.981(P＜0.01)达极显著水平。经过一夜较低温度之后，早上棉田空气湿度较大，10:00时A处理比F处理低6个百分点。随着光照时间、光照强度的增强，气温的升高，棉田冠层空气湿度逐渐下降，16:00—18:00时降到最低，这个最低时间点与气温日变化的最高时间点相一致。在最低点处各个密度处理空气相对湿度相近。20:00时棉田空气湿度转为升高，此时A处理比F处理低10个百分点。随着密度的增加棉田冠层空气湿度有所增加，不同密度冠层平均空气湿度排序为A=B＜C＜D＜E＜F，其中最大密度F相对于最小密度A冠层空气湿度平均提高4个百分点，而中间密度(B、C、D)比疏(A)密(F)冠层空气相对湿度变化幅度小。

图4 不同密度冠层空气相对湿度昼变化

2.2 不同密度棉花农艺性状

从棉花现蕾后6月10日开始，每隔约20～25天测定一次棉株干物重，于9月25日结束。由图5所示，各个时期单株干物重疏(A)～密(F)存在较大的差异，始终表现出稀植棉株的个体强势，呈A＞B＞C＞D＞E＞F排列。9月5日测定棉株干物重最大，且A处理棉株干物重是F处理的4.6倍。

图5 棉花不同发育期单株干物重

不同密度棉花农艺性状见表1，收获期实有密度与设计密度相比有增有减，差异较小。实有密度与株高、根部茎粗、单株叶数、单株果枝数、单株铃数、单铃重、单株干物重呈显著负相关，随着密度的增加呈减小减少趋势；实有密度与始节高度、总铃数、衣分呈正相关，随着密度的增加呈增大增多趋势。由此可见，随密度增加群体优势增加，单株优势随着密度的增加而减弱。稀植A处理与密植F处理相比，株高增加17.17 cm，茎粗增加4.55 mm，叶数增加3.16个，单株果枝数增加0.55个，始节距地面高度矮1.36 cm，每公顷总铃数减少417368个，单株铃增加4.47个，衣分减小1.44个百分点，9月25日测得单株干物重增加58.05 g。密度大（小）产量均处于最低位，密度中等D处理产量最高，相对A处理和F处理产量分别增加24.7%和10.4%。不同密度产量排序为D＞E＞C＞B＞F＞A。

表1 不同密度处理棉株的农艺性状

2.3 不同密度小气候变化对棉花农艺性状及产量的影响

表2 为不同密度小气候要素与棉花生长的农艺性状相关分析结果。棉株间0～40 cm温度差、透光率对各项棉花农艺性状（衣分除外）具有显著的相关关系；表现出随着密度的增加，株间梯度温度差变大，而透光率变小，个体优势逐渐减弱，反之则个体优势增强。株间的湿度变化对棉花农艺性状的影响并不明显。当棉花产量达到最高时，密度应在23.0万株/hm2左右，此密度下棉株间梯度温度差应在0.3～0.4℃之间，透光率则应＞5.5%。

表2 密度、小气候要素与棉花农艺性状的相关系数

3 讨论

3.1 密度影响株间湍流交换

北疆棉区花期和见絮初期气温较高[6]，日平均气温在24℃以上，日最高气温出现在下午16:00左右，而此时棉花冠层空气温度也最高，中午时段冠层空气温度高密度处理(32～36℃)略高于低密度(31～36℃)，说明密度越大，越不利于热量交换，使株间温度越高；这与娄善伟[19]研究棉花宽窄行所反映的冠层气温变化的结果相同。棉株40 cm处温度较地面0 cm高，且高密度冠层至地面温度差小于低密度。说明密度的不同严重影响了株间温度、空气湿度以及通风透光[20-21]，高密度可造成株间湍流交换较差，尤其在高温时段湍流交换更差，这一结果符合刘树华[23]对农田近地面层湍流交换的研究特征。

3.2 株间小气候改变了棉株农艺性状

气候条件是农作物的产量形成的基础，适宜的农田小气候条件是丰产基本保障。栽培密度不同会改变棉田内部不同层次的光、温、水、气小气候环境，这些小气候环境的改变对产量有较大的影响[10-11,19,23-24]。密度对株间透光率影响十分明显，通风透光相辅相成，密度过大下层叶片接收不到光照而萎蔫落叶。通过研究发现，A处理稀植株间冠层与地面温差小，透光率高，相对湿度相对较小，通风透光效果好单株铃数达到9.28个；高密植F处理通风透光效果较差，单株结铃仅4.01个。这2个极端密度处理在6个密度处理中产量为最低。最高产量是D处理，密度为22.5万株/mh2，成为最优密度；其次是E处理；再其次是C处理。依据C、D、E试验结果，纵观棉田株间小气候条件，梯度温度差在0.3～0.4℃之间，底层透光率在5.5%以上，这与涂勇[21]研究的结果一致；冠层空气湿度在59%左右，为棉田开花后期（最大郁闭度期）适宜的小气候条件。低密度群体生物产量低，经济产量有限，很难进一步提高；高密度生物产量高，经济产量则较低。

3.3 合理的群体结构是棉花产量的基础

在相同栽培措施下，作物丰产由2个基本要素组成，一是合理群体优势，二是个体优势。当个体优势明显的前提下，就要发挥群体优势。种植密度的不同造成了棉株个体差异，也影响着群体结果。密度小个体优势明显，密度大群体优势明显。个体与群体间是矛盾的集合体，只有集合体完美结合才能达到最优效果[25-27]。群体与个体则存在共生与相互干扰问题，群体之中的小气候条件变化是否合理，直接影响到作物的产量。棉花密度过大改变了棉株群体间的温、光以及热量条件，会对产量产生影响[14,28]。研究表明，首先是密度改变了田间小气候环境，进而影响了棉株的农艺性状，D处理既保留了棉株的个体优势，也体现了群体优势，得到了突出的产量；其次是棉株间合理的小气候条件，具有量化的通风透光条件，发挥底层叶片功能，才能促使光合作用积累更多的干物质，为产量提供能量源泉。密度过大，透光率减小，光合性能差，通风效果差，株间纵向温度梯度变化小，落叶、蕾铃脱落严重[29]，个体优势减弱，影响干物质积累，造成产量低。随着种植密度的增加，棉花生育期延长，株高与始果枝节位高度越高，单株主茎叶片数、果枝、蕾、花、铃越少铃重越轻[14,30]。在目前栽培管理水平下，棉花密度控制在20万～25万株/mh2，棉花个体与群体优势协调，确保通风透光，田间小气候条件环境适宜，即可得到较高的棉花产量，这与娄善伟[19]、唐震超[28]、赖奕英[14]等研究结果一致。

4 结论

本研究共设计6个棉花不同密度试验，在棉花生长最大郁闭度（盛花期）观测田间小气候要素变化，随着密度的增加，棉株间温度呈抛物线变化，其株间梯度温度差呈线性变化，最小密度A为0.2℃，最大密度F为0.5℃；而中等密度D梯度温度差在0.4℃左右。达到地面的透光率A处理为11.5%，F处理为2.6%，C、D、E在3.5%～7.4%之间。依据产量分析最佳密度群体株间梯度温度差应0.3～0.4℃；棉株间地面透光率应在5.5%以上。结果表明，新疆早熟棉花栽培密度22.5万株/hm2产量表现最佳，其次是27.0万株/hm2，再其次是18.0万株/hm2。