机采棉株行距配置对棉花生物量和氮素累积分配及产量的影响

阿不都卡地尔·库尔班，李健伟，杨培，张巨松，郭仁松，林涛

(1.新疆农业大学教育部棉花工程研究中心，乌鲁木齐 830052；2.新疆农业科学院经济作物研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】棉花是我国国民经济中占主要地位的经济作物之一[1]。“密、早、矮、膜” 是新疆棉花高产优质的主体栽培技术[2]。机械采收棉花，能减轻劳动强度和降低植棉成本和有效提高植棉经济效益[3]。机采棉种植是迫切需要推广应用收获模式。机械采收棉花不仅可解决手工采摘效率低，从而能降低国外棉花低价的竞争压力，同时能激发采棉技术创新等作用[4-5]。实现棉花机械采收技术和合理密植种植，主要采用调整机采棉株行距配置手段。由于采棉机采摘头是决定机采棉株行距配置的重要因素，新疆机采棉在高密度种植下以(66 +10) cm及(68+8) cm等作为主要的配置方式[6]。研究不同机采棉株行距配置在棉花生产与实践中具有实际意义。【前人研究进展】棉花栽培技术与种植品种、种植密度、气候等因素间存在密切联系[7]，棉区的品种特性、栽培模式和生态条件决定棉花高产的适宜密度[8-9]。作物高产优质以较高的生物量为前提[10-11]，棉花高产优质与群体生物量生产密切相关。群体生物量累积以养分吸收为基础[12]，且生物量的积累与养分吸收关系密切[13]。大量研究表明，作物生长模型(Logistic 模型)为深入研究作物产量、品质形成与生物量和养分积累及分配特征关系提供了必要手段[7,14-15]，研究机采棉株行距配置对棉花生物量和养分积累、分配和运移具有重要意义。目前,关于作物氮素吸收和转化方面的研究多集中在氮肥的施用方式[16]、种植方式[17]、棉花品种[18]、种植密度[19]等方面。【本研究切入点】不同品种与机采株行距配置对机采棉氮素积累分配特征的研究尚鲜见报道。研究机采棉株行距配置对棉花生物量和氮素累积分配及产量的影响。【拟解决的关键问题】研究机采棉株行距配置对不同株型棉花品种生物量和氮素积累、分配与运移特征，为机采棉株行距配置对不同株型棉花品种养分运移规律及高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2016年4～10月在新疆阿克苏市阿瓦提县丰收二场新疆农业科学院综合试验中心进行。试验中心位于天山南麓,处于E80°44′,N40°06′,海拔1 025 m,地势平坦,坡度<1°;属暖温带大陆性气候,无霜期183～227 d,多年平均气温10.4℃,全年≥10℃积温3 987.7 ℃,多年平均降水量46.7 mm,多年平均蒸发量1 890.7 mm,年日照时数为2 750～3 029 h试验地土质为砂壤土。表1

表1 供试土壤养分状况Table 1 Nutrients contents of the tested soil

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验选新疆南疆常规品种新陆中54号和新陆中75号(生育期相同为140 d左右)。采用裂区设计，主区分别用松散型品种新陆中54号和紧凑型品种新陆中75号。试验设置3个行距配置处理，分别用R1为高密度一膜六行宽窄行(66 +10) cm、平均行距38 cm，株距11 cm，理论密度24×104株/hm2：R2为高密度一膜六行宽窄行(64+12) cm，平均行距38 cm，株距11 cm，理论密度24 万株/hm2：R3为低密度一膜四行单双行(64+12) cm，平均行距57 cm，单株距9 cm，双行株距10 cm理论密度19.5 万株/hm2。试验共六个处理，三次重复，共18个小区，每个小区占地面积44.85 m2，试验总占地面积869.4 m2。4月8日人工播种，全生育期共滴水7 次，灌溉总定额4 500 m3/hm2。基肥施N 160 kg/hm2、三料磷肥(含P2O546%) 347 kg/hm2和硫酸钾(含K2O 51%) 75 kg/hm2，其他田间管理措施同大田膜下滴灌棉花。图1

1.2.2 测定项目

于棉花现蕾期(出苗后45 d)、盛蕾期(出苗后60 d)、开花期(出苗后75 d)、盛花期(出苗后90 d)、盛铃期(出苗后105 d)、吐絮期(出苗后135 d)取样,每试验小区取棉花6株,将棉株按茎、叶、蕾/花/铃等器官分解,105 ℃下杀青30 min,80 ℃下烘干后称重。将烘干棉株样品按各器官分别粉碎,过0.5 mm筛,留样备用。

棉株按各器官进行测定全氮含量(采用奈氏比色法)。以出苗后天数(x)为自变量,以各生育时期测得的生物量、氮素累积量为因变量(Y),用Logistic 方程模拟生物量、氮素累积的动态过程。

收获时实数各小区处理的收获株数及单株结铃数，并取180个吐絮铃(上、中、下果节各60个)测其单铃重，轧花后测算衣分，并以各小区收获株数、单铃重及衣分计算皮棉产量。

1.2.3 指标计算

氮素累积量(kg/hm2)=生物量×氮含量

(1)

营养器官氮素转移量=盛铃期营养器官氮素积累量-吐絮期营养器官氮素积累量。

(2)

营养器官氮素转移率(%)=营养器官氮素转移量/营养器官氮素总积累量×100。

(3)

1.3 数据处理

采用SPSS19.0进行分析显著性差异并在Microsoft Excel 2010作图。方差分析均为0.05水平,采用LSD法。

图1 不同机采棉株行配置示意
Fig.1 Different machine production line configuration diagram of cotton

2 结果与分析

2.1 不同机采株行距配置对棉花地上部分生物量积累与分配的影响

2.1.1 对棉花地上部分生物量积累的动态变化

研究表明，用Logistic 生长模型对各处理地上部生物量累积进行拟合,对其分析表明。生物量累积最快时期，最大累积速率分别出现在出苗后71～125 d，96～98 d。新陆中54号在不同处理间R3生物量累积最大速率比R2，R1大且分别提前3 d、7 d;生物量最大累积速率则比R1，R2处理高34.88%、14.57%;总体水平积累表现为R3>R2>R1。新陆中75号在不同处理间R3生物量累积最大速率比R1，R2大且分别延迟1 d、2 d; 生物量最大累积速率则比R1，R2处理高15.11%、5.97%;总体水平积累表现为R3>R2>R1。不同品种间,新陆中54号生物量累积最大速率比新陆中75号平均提前6 d。表明新陆中54号与新陆中75号中R3处理各特征参数表现最为协调，从而可获得较高的生物量积累。表2

表2 地上生物量的动态累积模型参数特征值Table 2 Parameter eigenvalues of the dynamic cumulative model of aboveground biomass

注：t为棉花出苗后的时间(d)；t1和t2分别为Logistic 生长函数模型的2 个拐点,t0为最大积累速率出现时间(d)，Δt=t2-t1为快速增长持续期。y为棉花生物量积累量(kg/hm2)，Vm为最大积累速率(kg/(hm2·d2))，*表示P<0.05
Note:tis the time for cotton emergence (d),t0is the time of the maximum accumulation rate occurred (d),t1andt2are the two inflection points of Logistic growth function model respectively,yis the cotton dry matter accumulation (kg/hm2),Vmis the maximum increase rate (kg/(hm2·d2)),*P<0.05

2.1.2 对机采棉地上部分营养器官生物量的动态变化

研究表明，用Logistic 生长模型函数对各处理地上部营养器官生物量累积进行拟合。对其分析表明，生物量累积最快时期，最大累积速率分别出现在出苗后48～86 d、64～67 d。新陆中54号在不同处理间快速增长期起始日和结束日、最大生长速率无明显差异。但，R3处理营养器官积累较协调。新陆中75号在不同处理间R2、R3生物量累积最大速率无明显差异。R3处理营养器官生物量快速积累开始时间与结束时间比R1，R2分别提前均1.5 d、3.5 d;总体水平积累表现为R3>R2>R1。品种间,新陆中54号比新陆中75号生物量累积最大速率大2.9 kg/(hm2·d2)。新陆中54号中R3处理特征参数表现最为协调，获得较高的生物量积累。表3

表3 地上部营养器官生物量动态累积模型参数特征值Table 3 Eigenvalues of the dynamic models of aboveground biomass accumulation of vegetative organs

注：t为棉花出苗后的时间(d)，t1和t2分别为Logistic 生长函数模型的2 个拐点,t0为最大积累速率出现时间(d)，Δt=t2-t1为快速增长持续期。y为棉花生物量积累量(kg/hm2)，Vm为最大积累速率(kg/(hm2·d2))，*表示P<0.05
Note:tis the time for cotton emergence (d),t0is the time of the maximum accumulation rate occurred (d),t1andt2are the two inflection points of Logistic growth function model respectively,yis the cotton dry matter accumulation (kg/hm2),Vmis the maximum increase rate (kg/(hm2·d2)),*P<0.05

2.1.3 对机采棉地上部分生殖器官生物量的动态变化

研究表明，用Logistic 生长函数模型对各处理地上部生殖器官生物量累积进行拟合,对其分析表明，生殖器官生物量累积最快时期，最大累积速率分别出现在出苗后81～112 d、86～98 d。新陆中54号在不同处理间R3生殖器官生物量累积最大速率比R1，R2大且均提前2 d;生物量最大累积速率则比R1，R2处理高57.30%、27.16%;总体水平积累表现为R3>R2>R1。新陆中75号在不同机采株行距配置间R3处理生殖器官生物量累积最大速率比R1，R2大。生殖器官生量最大累积速率则比R1，R2处理高10.21%、18.60%，总体水平积累表现为R3>R2>R1。品种间,新陆中54号生殖器官生物量累积最大速率比新陆中75号平均高356.6 kg/(hm2·d2)，但，快速积累持续时间平均短12.3 d。表明新陆中54号中R3处理为较高产量打下较高的生殖器官生物量。表4

表4 生殖器官生物量动态累积模型参数特征值Table 4 Eigenvalues of the dynamic models of reproductive organ biomass accumulation

注：t为棉花出苗后的时间(d)；t1和t2分别为Logistic 生长函数模型的2个拐点,t0为最大积累速率出现时间(d)，Δt=t2-t1为快速增长持续期。y为棉花生物量积累量(kg/hm2)，Vm为最大积累速率(kg/(hm2·d2))，*表示P<0.05
Note:tis the time for cotton emergence (d),t0is the time of the maximum accumulation rate occurred (d),t1andt2are the two inflection points of Logistic growth function model respectively,yis the cotton dry matter accumulation (kg/hm2),Vmis the maximum increase rate (kg/(hm2·d2)),*P< 0.05

2.2 不同机采株行距配置对机采棉地上部分氮素积累与分配的影响

2.2.1 对机采棉地上部分氮素积累的动态变化

研究表明，对各处理地上部氮素累积用生长模型Logistic方程进行拟合。出苗后59～99 d是氮素累积的主要时期,出苗后73～83 d出现氮素累积速率最大值。新陆中54号在不同处理间，R3处理氮素累积最大速率出现时间分别比R1、R2处理平均延迟7、5 d;快速增长持续期比R1、R2平均延长4、3 d，而氮素最大累积速率则表现为R3>R2>R1，新陆中54号在R3处理氮素吸收最高。新陆中75号在不同处理间，氮素累积最大速率出现时间各处理无明显差异；快速增长持续期R3处理平均比R1、R2均延迟4 d。整体氮素累积则表现为R3>R2>R1，新陆中54号在R3处理氮素吸收最高。品种间，新陆中54号较新陆中75号氮素积累各特征参数协调，有利于棉花生长发育过程中合理地吸收氮素，为机采棉花高产打下基础。表5

表5 地上部氮素动态累积模型参数特征值Table 5 Eigenvalues of the dynamic models of aboveground nitrogen accumulation

注：t为棉花出苗后的时间(d)；t1和t2分别为Logistic 生长函数模型的2 个拐点,t0为最大积累速率出现时间(d)，Δt=t2-t1为快速增长持续期。y为棉花氮素积累量(kg/hm2)，Vm为最大积累速率(kg/(hm2·d2))，*表示P<0.05
Note:tis the time for cotton emergence (d),t0is the time of the maximum accumulation rate occurred (d),t1andt2are the two inflection points of Logistic growth function model respectively,yis the accumulation of nitrogen in cotton (kg/hm2),Vmis the maximum increase rate (kg/(hm2·d2)),*P< 0.05

2.2.2 对机采棉地上部分氮素分配的动态变化

研究表明，营养器官氮素累积先增加后降低;营养器官氮素积累比例逐渐减少;生殖器官的累积量和分配比例均随生育进程的推移而逐渐增加。新陆中54号不同处理在现蕾期到盛花期营养器官氮素积累量逐渐增加，盛花期至吐絮期反而降低，不同处理间无明显差异。生殖器官氮素积累随生育期的推移先增后降的趋势，于盛铃期出现最大值。其表现为R3>R2>R1。新陆中75号在不同处理间,营养器官与生殖器官氮素积累量随生育期的推移先增后降的趋势，于盛铃期出现最大值。整体表现为R3>R2>R1。R3处理有利于不同品种营养器官和生殖器官氮素积累且有利于营养器官氮素及时向生殖生长转化并促进最终产量的形成。品种间，新陆中54号对新陆中75号而言整体氮素积累、转运较协调，更有利于棉花高产的形成。图2

图2 不同机采行株距配置下不同器官中氮素分配变化
Fig.2 Effects of row spacing on nitrogen distribution in different organs

2.3 机采株行配置对棉花氮素净吸收量和净转移量的影响

研究表明，随着生育期的推移营养器官氮的吸收量呈现先增后降的趋势，在初花期前，营养器官是氮素的净吸收器官，随后则呈下降趋势，生殖器官的积累逐渐增加，到盛铃期以后，则成为氮素的转移器官。新陆中54号在不同处理间，营养器官氮的吸收量、转移量和转运率差异无显著(P>0.05)。生殖器官氮的吸收量差异达到显著水平(P<0.05)，其表现为R3>R2>R1,R3比R1、R2处理高35.97%、14.34%。新陆中75号在不同处理间，R2与R3处理营养器官氮的吸收量、转移量和转运率差异无显著(P>0.05)。生殖器官氮的吸收量差异达到显著水平(P<0.05)，其表现为R3>R2>R1,R3比R1、R2处理高40.54%、12.36%。在生殖器官氮的转移量和转运率R1、R2、R3处理差异达到显著水平(P<0.05)。其表现为R3>R2>R1。不同品种间，新陆中54号对新陆中75号而言生殖器官氮吸收量较高。新陆中54号R3处理具有较高的生殖器官氮积累量，有利于棉花产量形成。表6

2.4 不同机采株行距配置对机采棉产量及构成因素的影响

研究表明，不同品种间，新陆中54号对新陆中75号而言单株结铃数高出9.23%，最终皮棉产量高出4.98%。 新陆中54号各处理的收获株数、单株结铃数、衣分，皮棉产量存在显著性差异(P<0.05)。收获株数呈现为R2>R1>R3，单株结铃数呈现为R3>R2>R1，皮棉产量呈现为R3处理最优，比R1，R2处理高19.44%，4.08%。 新陆中75号各处理收获株数，单株结铃数、衣分，皮棉产量存在显著性差异(P<0.05)。收获株数呈现为R1>R2>R3，单株结铃数呈现为R3>R1>R2，皮棉产量表现为R3的最优，比R1，R2处理高11.42%，7.51%。行距的合理增加与种植密度的减少有利于增加单铃数和单铃重，提高皮棉产量。新陆中54号的R3处理表现最优。表7

3 讨 论

3.1 机采株行距配置对棉花地上部生物量积累与分配的影响

薛晓萍等[20-21]研究表明,作物高产以较高生物量为前提,棉花单位面积总积累生物量与不同种植密度下生物量积累及分配有着十分重要的关系。有研究认为，增加种植密度使棉花群体的生物量积累提高，但不利于棉花单株个体生物量的积累;随着种植密度的增加不仅使各器宫生物量积累减少，而且后期生物量向生殖器宫的转移比重减少，不利于高产。前人研究表明，棉花生物量的积累符合Logistic 生长模型[22-23]。研究各处理地上部生物量累积用Logistic 生长模型函数进行拟合发现,不同机采株行距配置间,在新陆中54号上R3处理地上部生物量最大累积速率的出现时间均较R1和R2提前,反而在新陆中75号上较延迟，最大累积速率反而最高,有利于地上部生物量的积累,说明较低种植密度机采株行距配置在生长后期生殖生长旺盛,为较高产量的形成奠定了基础。

3.2 机采株行距配置对棉花地上部氮素积累、分配与转运的影响

前人研究表明，棉花氮素动态积累和吸收规律均符合Logistic生长模型[24]。不同株行距配置对作物的地上部氮素累积与分配具有一定的影响。研究与其研究结果一致，新陆中54号在不同处理间,氮素最大累积速率以R3处理较高。新陆中75号在不同处理间，R3处理氮素最大累积速率以及积累持续天数较长较高，总体累积水平均表现R3>R2>R1。表明不同处理下,R3处理有利于提高棉花对氮素的吸收。品种间,株型松散品种新陆中54号的氮素最大累积速率在各水分处理下均大于株型紧凑品种新陆中75号。株型松散品种新陆中54号在机采株行距配置较适宜获得高产。Grechi等[25]和Wang等[26]研究认为，作物提高适应和竞争能力以向主次生长部位合理分配氮素实现。研究中,盛蕾期以后,生殖器官的氮素吸收量，氮素累积量均以R3处理较高,较低种植密度会向生殖器官分配较多的氮;有利于生物量的合成,为最终获得高产奠定基础。宋海星等[27]研究发现,生物量增长的快慢与养分吸收的多少有一定关系,但并不具有同步性的特点,养分吸收最大速率出现的时间早于生物量最大累积速率出现的时间。其与研究结果一致,棉花地上部生物量最大累积速率出现时间比氮素平均晚21 d。

表6 各器官氮的净吸收与净转移量Table 6 Net absorption and transfer of nitrogen ineach organ

注：Bd—现蕾期,Fl—初花期,Fb—盛铃期,Bo—吐絮期,正值表示积累量，负值表示转移量。不同字母表示在0.05水平差异显著
Note： Bd—Budding; Fl—Flowering; Fb—Full boll; Bo—Boll opening,Positive values mean net absorption,Negative values mean net transfer.The different letters mean significant difference at 0.05 level

表7 不同机采株行距配置下棉花产量及产量构成因素变化Table 7 Influence of row spacing of different machine on cotton yield and yield components

注：不同字母表示在0.05水平差异显著
Note：The different letters mean significant difference at 0.05 level．The same as follows

3.3 机采株行距配置对棉花产量及产量构成因素的影响

不同机采棉株行距种植配置与棉花不同品种对棉花产量构成因子中单位面积结铃数的变化起主要调节作用并直接影响产量形成。对不同机采棉株行距配置而言，在保证单位面积结铃数不降低的前提下，提高单铃重是机采棉花增产的关键。研究与其研究结果一致，不同机采株行距配置处理可使棉花产量显著提高。研究中不同机采株行距配置处理间,在R3机采棉株行距配置下皮棉产量最高,平均可达3 307.8 kg/hm2,比R1、R2分别平均高19.44%、4.08%。品种间，新陆中54号的各处理皮棉产量均高于新陆中75号，且单株结铃数高出9.23%，最终皮棉产量高出4.98%。说明，松散型品种新陆中54号单株优势比较强。

4 结 论

不同品种及机采株行距配置对棉株生物量和氮素积累影响较明显，生殖器官的氮素净吸收量、净转移量和对棉花产量贡献最大。在南疆，不同品种在机采棉株行距配置间，松散型品种新陆中54号在低密度一膜四行(64+12) cm配置下地上部生物量及氮素累积特征值较协调,各器官分配比例较合理,使皮棉产量较高。