不同密度棉花群体光分布和棉铃空间分布差异研究

刘锦涛，冯璐，杨北方，古力巴努尔阿依甫，李志鹏，周相，马云珍，陈国栋，李亚兵，熊世武，辛明华，范正义

(1.塔里木大学农学院，新疆 阿拉尔 843300；2.中国农业科学院棉花研究所，河南 安阳 455000)

确立合理种植密度是发挥单株优势和调节群体质量的关键栽培技术[1，2]，还是肥料施用的先决条件[3]。构建高产优质的栽培理论就要综合量化气候与品种特性[4]，提高单位面积总铃数和光能利用效率[5]。因此研究种植密度对群体光资源利用率与棉铃空间分布的影响十分必要。

随着棉花种植轻简化[6]、机械化[7]和绿色环保技术的日趋完善，其规模化种植已成为趋势，但近几年棉花品种不断更新，相应种植地区的生态条件与管理措施也存在差异，所得有关种植密度的结论不尽相同。通过测定花铃期棉花群体所表现的生理特性[8，9]，更能客观得出最优种植密度。白志刚[10]研究得出，冠层光分布直接影响植物对光能的吸收和利用。刘帅等[11]基于密度与播期互作的研究发现，在一定范围内棉花冠层PAR截获率与密度呈正相关。还有研究表明一穴两株可有效改善棉花下部叶片受光情况[12]。冠层受光情况还会影响作物长势[13]。低密度棉花基部中部成铃比例大，高密度上部成铃比例大[14]，低密度中下部内围成铃数量较高[15]，棉株具有较大成铃空间，成铃数量也较高[16]。

在种植密度对群体质量指标影响方面，前人研究得出不同密度群体的光合利用效率与光合产物分配存在差异，但有关棉花冠层光分布与棉铃空间分布相关性的研究较少。由于棉花花铃期的性状表现更能客观反映同种植密度所带来的群体差异，因此本试验以中641品种为材料，通过比较其花铃期连续3天内群体光能有效辐射量的截获情况与棉铃空间动态分布的规律，探求两者的相关性，以期筛选出适宜该品种的最佳种植密度，并为测量PAR与精准估产提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与供试品种

试验于2021年4—10月在新疆阿拉尔市十团中国农业科学院棉花研究所试验基地(40°51′N，81°30′E)进行。试验点属暖温带大陆性干旱气候，年平均气温11.8℃，气温日较差11.7～18.2℃，生育期内活动积温为4 265.7℃，期间日照时数1 695 h，全年平均无霜冻期208 d，常年平均降水量48.2 mm。土壤质地为砂壤土。

供试棉花品种为中641。

1.2 试验设计与方法

试验设置3个种植密度处理，分别为12万株/hm2(Ⅰ:低密度)、18万株/hm2(Ⅱ:中密度)和24万株/hm2(Ⅲ:高密度)。随机区组设计，重复3次。小区行长7 m，面积132.3 m2。采用(76 cm+76 cm)一膜三行种植模式，4月20日播种，出苗后根据密度定苗。所有小区施肥、病虫害防治和化学调控参照当地高产管理水平。

气象数据由当地气象监测站提供，见表1。

表1 4—10月主要气候因子

1.3 测定项目及方法

1.3.1 冠层光合有效辐射测定 在棉花花铃期(花铃期棉花叶片数量最多且棉叶生长到最大，此时单位面积内的叶面积达到全生育期最高，选择此时测定最能反映种植密度对群体光合有效辐射截获量的影响)选择晴朗无云天气，连续3天使用LI-191SA光合有效辐射传感器[17]，对小区内具有代表性的棉花群体进行冠层光分布测定。与地面平行方向上，以20 cm为间隔，分布5个传感器；与地面垂直方向上，以20 cm为间隔，分布6个传感器，共30个传感器(图1)。设定测定频率为1 h/次，数据保存于内存卡中，待全部测完后导出。

图1 LI-191SA光合有效辐射传感器田间摆放示意图

1.3.2 棉铃空间分布 9月15日，每小区选取10株长势均匀一致的棉花，调查棉花下部(1～3果枝)、中部(4～7果枝)和上部(8果枝及以上)果节棉铃情况等，并随机选取2株连续棉株拔出，进行剪枝分样，其中地上部地下部以子叶节为界，花、蕾、铃、铃壳为生殖器官，处理后放入烘箱内烘干，分别称重。

1.3.3 棉花生物学产量 于播种后每隔15 d取样调查棉花地下部、地上部营养器官、生殖器官单株干物质重和总干物质重，计算生物学产量。

1.4 数据处理与分析

对未采样点的光合有效辐射率通过Kriging插值方法[18]进行无偏差估计。果节发生概率计算公式:

式中，Pij为第i果枝j果节生殖器官发生概率，nijk为第k株棉花第i果枝第j果节生殖器官发生与否。

用Microsoft Excel 2010、Surfer 2017、Stata 15、Origin 2018软件进行数据处理、绘图，用SPSS软件对棉花生物学产量进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植密度对棉花光合有效辐射(PAR)截获量的影响

由图2可知，10时处理Ⅲ棉花冠层PAR截获量为5 500 μmol/(m2·s)，高于Ⅱ、Ⅰ的5 400 μmol/(m2·s)与4 750 μmol/(m2·s)。13时各处理间冠层PAR截获量差异达到最大，表现为Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ。16时，各处理冠层PAR截获量也为Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ。14时至18时，PAR截获量存在处理Ⅱ高于处理Ⅰ的时间段。18时后处理Ⅱ的PAR截获量提前出现下降趋势，处理Ⅰ、Ⅲ则均随时间进程而增长。处理Ⅲ与处理Ⅱ的PAR截获量变化幅度近似在同一范围，18时之前远高于处理Ⅰ的PAR截获量。

图2 不同密度处理棉花群体PAR截获量的变化

由此得出，各处理10—18时群体PAR截获量的变化趋势具有相同规律，并与植物光合作用强度曲线的变化趋势一致，表现为双峰曲线。18时后，随着太阳光照强度下降，不同处理群体PAR截获量出现波动，不具有规律性。其中处理Ⅰ对光照利用存在不充分现象，处理Ⅱ、Ⅲ利用光照充分，群体PAR截获量在近似范围。

2.2 不同种植密度对棉花冠层PAR截获率空间分布影响

由图3看出，各处理棉花冠层光合有效辐射截获率在不同时间节点处表现出一致的空间分布规律，PAR截获率均由棉花行间中心的纵向位置向两侧延伸而出现上升趋势，呈现“V”字型。不同种植密度处理的棉株高度存在差异，空间分布中处理ⅠPAR截获率0.15的等高线的垂直高度要明显高于处理Ⅱ、Ⅲ。13时，太阳光照强度达到最大，截获率0.9的等高线在平行于地面的水平方向上向下移动，“V”字型更加清晰，不同种植密度对冠层PAR截获率的影响较其它时刻更加显著。

图3 棉花花铃期冠层PAR截获率空间分布

等值线分布密集，说明光照的透射率下降快，等值线稀疏，说明透射率下降慢。正午13时，相邻等值线的间隔为0.15，处理Ⅰ中，高度50 cm的水平面上PAR截获率大于0.6，高度10 cm、水平位置20～60 cm处PAR截获率为0.9，棉株下部能获得充分光照。处理Ⅱ中，高度60 cm的水平面上PAR截获率大于0.75，且等高线分布密集，说明叶片覆盖程度高；高度20 cm、水平距离30～50 cm处，仍有0.1的光线透射率。处理Ⅲ由于种植密度大，导致等值线分布较其它处理更密集，在高度70 cm水平位置上光线透射率在0.25左右，棉行60 cm和行间30 cm以下光线透射率不足0.1。

在冠层PAR截获率的空间分布中，处理Ⅲ的等值线密集，除行间部分下陷外其余等值线大致在同一水平高度，其棉株上部叶片覆盖面积大，导致下部透光率低，采光效果差。处理Ⅱ棉株上部等值线较密集，中部光照透射率下降放缓，下部仍获光照，呈现合理的光分布。处理Ⅰ叶片空间分布松散，等高线稀疏，光照透射率下降缓慢，光照透射率高，棉株下部充分获得光照，但存在漏光现象。

2.3 不同种植密度对棉铃空间分布的影响

图4显示，不同处理间棉花果枝数无明显差异，均为10个。随着种植密度增加，棉铃着生区域向棉株内侧靠拢，着生棉铃的果节数量与果枝数量呈负相关。其中处理Ⅰ棉铃分布主要集中在中部果枝，处理Ⅱ中下部果枝棉铃分布数量多，处理Ⅲ中部棉铃分布少，主要集中在棉株上、下部。

图4 花铃期棉铃空间分布

2.4 不同种植密度对棉铃脱落空间分布的影响

图5显示，不同处理间棉铃脱落差异显著，棉株上部棉铃脱落概率低，中下部果枝为脱落高发区域，并集中在第二果节位置。其中处理Ⅰ脱落以第4与第7果枝的第2果节为中心向其它果枝衍射，处理Ⅱ棉铃脱落集中在第3与第6果枝的第2果节处，处理Ⅲ第2、第3、第4果枝的第2果节脱落最严重。随种植密度增加，脱落概率最高的果枝高度开始下降，两个脱落中心逐渐靠拢。

图5 花铃期棉铃脱落空间分布

2.5 不同种植密度对棉花生物学产量的影响

由表2可以看出，各处理地下部、地上部营养器官、生殖器官、总干物质的单株干物质重均存在显著差异，其与种植密度呈负相关，处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ棉花根冠比分别为17.0%、19.3%、20.1%，即随种植密度增加而增大。处理Ⅰ地上部营养器官单株干物质重比处理Ⅱ、Ⅲ分别高45.6%和65.5%，单位面积干物质重分别低0.2%和14.1%。生殖器官中，处理Ⅱ单产比处理Ⅰ、Ⅲ分别高16.6%和29.9%，且总干物质重处理Ⅱ也高于其它两个处理。

表2 不同处理的棉花生物学产量

3 讨论

合理密植是棉花栽培管理中的一项重要技术措施，通过调控株行距配置可以最大限度激发棉花单株优势，搭建合理的冠层结构，提高群体光能利用效率，最终达到促成铃、少落果的增产效应。本研究表明，不同种植密度群体全天光合有效辐射(PAR)截获量分布呈现双峰曲线，与马云珍等[17]的结论一致；正午13时各处理冠层PAR截获率空间分布最显著，其原因可能由植物叶片对光温胁迫产生的形态学与功能响应机理所致[19，20]。

光能高效利用[21]是反映群体产量优势的标准之一。有研究指出，合理的植株冠层上部光照透射率高，植株下部叶片受光充分，底部光照截获率高，减少漏光[22]。本试验各处理棉花冠层PAR截获率随种植密度增大“V”字型愈发不明显。其中，低密度处理棉花群体存在漏光现象，高密度处理棉花中下部光照透射率低，冠层结构不良造成郁蔽，两者均非合理冠层结构，而中密度棉花冠层光合有效辐射(PAR)截获率与冯国艺等[23]研究得出的新疆超高产棉花光分布特性呈现均匀分布即上、中、下层光吸收率比例2∶2∶1的结论相同。

种植密度对棉花生长及成铃分布存在较大影响[2]。本试验中，各处理棉花成铃果枝数量无显著差异，这与戴茂华等[24]的结论(随种植密度增加果枝数减少)不同。随种植密度增加，棉铃生长由外围果节向棉株内侧集中，高密度棉花群体棉铃脱落愈发严重，脱落中心向棉株内侧中部果枝靠拢，这与薛惠云[25]的结论(高密度棉花群体越到棉铃后期脱落越严重、越靠近主茎)一致。

关于种植密度对棉花产量构成的影响，研究指出合理的种植密度可使棉花各部分生长协调，光合产物向棉铃转移效率高[26]；冠层结构不良，会造成群体光合截获量低，进而影响光合效率与物质转化[27]。本试验各处理棉花生物学产量结果表明，种植密度对单株产量影响显著，对群体产量影响小，一定范围内植株根冠比与种植密度呈正相关，中密度棉花群体的生殖器官产量与总干物质产量表现优异，说明其群体光能利用效率高，光合产物得到充分转化。不同种植密度棉花冠层光合有效辐射(PAR)截获量、棉铃空间分布特征与所对应各处理生物学产量特征呈现出的栽培优势表现一致。

4 结论

本试验棉花各处理全天光合有效辐射(PAR)截获量趋势表现为双峰曲线，其中，中密度群体与高密度群体的截获量水平在近似范围。各处理冠层PAR截获率空间分布均呈现“V”字型，随种植密度增大“V”型愈发不明显。受冠层PAR空间分布调控，高密度处理成铃区域向棉株内侧集中，由于缺少光照造成空间郁闭，生长不平衡，使棉铃脱落严重。密度过低会导致光资源浪费，减少单位面积产量。

本研究通过比较群体光合有效辐射(PAR)截获量和截获率、棉铃空间分布与生物学产量得出，南疆阿拉尔地区中641品种最适宜的种植密度为18万株/hm2。