黄土高原棉区棉花高光效密矮群体株型研究

张卫民，杨苏龙，史高川，席凯鹏，范博红，陶民刚，丘毓蓉，范志杰

（山西省农业科学院棉花研究所，山西运城044000）

地处山西运城的黄土高原棉区，多年来棉花皮棉产量一直徘徊在1 500 kg/hm2上下，植棉效益较低，棉农植棉积极性受挫。山西棉区目前的生产模式是群体密度4.5万～6.0万株/hm2，株高都在1.0～1.2 m，株型表现为纵高横宽，主茎节间长，果枝多，果节长，叶片多而大，棉株中下部遮光阴蔽，通风透光差，造成内围优质大铃少，而外围及顶尖小铃多，单株平均铃质量减轻，且成熟晚，霜后花多等“稀高大”的栽培模式。基于目前生产现状，要想使皮棉产量再提高，达到公顷产量1 875 kg以上，采用哪种栽培模式，塑造什么样的群体和株型，才能更有效地利用当地光热资源，进一步提高棉花产量，成为当前研究和探讨的课题。为此，山西省农业科学院运城综合试验站2015—2018年在万荣光华棉花试验基地，通过6种种植密度和高密化控措施对“稀高大”和“密矮小”2种群体株型进行对比试验，旨在寻找适于黄土高原气候特点的大群体、小个体、高光效的密矮群体株型及相应配套栽培技术，实现棉花产量的再高产[1]。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于山西省农业科学院棉花研究所试验基地万荣县光华乡大兴村，年平均温度13.9℃，全年降雨量532.0 mm，光照时间为2 182.3 h，＞20℃积温7 456.7℃。土壤有机质含量1.20%，全N含量0.081%，全P含量0.138%，速效N 71.8 mg/kg，速效P 25.52 mg/kg，速效 K109.09 mg/kg。

1.2 试验材料及试剂

供试棉花品种为晋棉11号，由山西省农业科学院棉花研究所育种课题组提供。

缩节胺由张家口长城化工厂生产。

1.3 试验方法

试验设6个种植密度，分别为4.5万、6.0万、7.5万、9.0万、10.5万、12.0万株 /hm2。小区面积为75 m2，3次重复。3个高密度（9.0万、10.5万、12.0万株/hm2）进行4次叶面化控，分别在主茎7叶龄喷施7.5 g/hm2缩节胺，11叶龄喷施15.0 g/hm2缩节胺，16叶龄喷施22.5 g/hm2缩节胺，打顶后7 d喷施 30.0～37.5 g/hm2缩节胺[2]。纯 N 450 g/hm2、P2O5270 g/hm2、K2O360 g/hm2，氮肥 2/3 作底肥，1/3做追肥，磷、钾肥全部作底肥，一次施入。追肥条施后浇水。在浇足底墒水基础上，第1水提前到11叶龄期（盛蕾期）进行，第2水在16叶龄期（初花期），第3水在20叶龄期，每次浇水量600 m3/hm2。

1.4 测定项目及方法

在各生育期和成熟期，测定了棉花的农艺性状和产量性状。分别在棉花7叶龄期、11叶龄期、16叶龄期和20叶龄期，分上、中、下部，用LuxMeter HT-13测光仪测定光照强度，计算透光率。在以上各叶龄期，对营养器官和生殖器官每个处理取样5株，烘干测定干物质积累量。

1.5 数据分析

对常规密度（4.5万、6.0万、7.5万株 /hm2）和高密（9.0万、10.5万、12.0万株/hm2）的群体和个体性状进行数据对比和差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植密度对产量结构的影响

由表1可知，10.5万株/hm2的总成铃数最高，达117.2万个/hm2，比6.0万株/hm2的总成铃数（90.0万个/hm2）高30.2%。密度大于90万株/hm2以上的皮棉产量皆可达1 875 kg/hm2以上，其中，产量最高的是10.5万株/hm2，达到2 026.5 kg/hm2，分别比4.5万、6.0万、7.5万株/hm2增产33.5%、24.7%和15.8%；其次，12.0万株/hm2产量也达到1 875 kg/hm2，而9.0万株/hm2以下密度的产量皆还停留在1 650 kg/hm2上下。

表1 不同密度群体的产量结构

对产量构成的3个因素统计分析表明，公顷铃数与皮棉产量的相关系数最大，呈高度正相关，达极显著水平（r＝0.927 4），而铃质量和衣分与产量相关系数较小，并为负相关，未达显著水平。说明密度在4.5万～12.0万株/hm2，随着种植密度增加，公顷成铃数增加，皮棉产量由1 518.0 kg/hm2提高到1 875.0 kg/hm2，单位面积总铃数起决定作用，而单铃质量和衣分略有降低，但不显著。表明增加种植密度能够有效提高单位面积总铃数，达到增株、增铃、增产的效果。从试验结果来看，在目前生产条件下，种植密度在10.5万株/hm2的皮棉产量可达到2 026.5 kg/hm2[3]。

2.2 增密化控对棉花株型的影响

通过提高种植密度和运用叶龄指标化控技术后，棉花群体和株型特征发生系列明显变化。从表2可以看出，随着密度增加棉株个体变矮，单株主茎叶、果枝数及其叶片数、主茎节间数、果枝节间数都相应减少；主茎节间长度、果枝节间长度也相应变短；单株总叶片数、单株成铃数和单株生殖量也相应减少，但棉株1、2节位优质大铃成铃率却大幅提高，形成一个高密、矮株、短枝、小叶、大铃的高光效密矮群体株型[4]。其增产机理主要表现在以下5个方面。

表2 1 875 kg/hm2群体株型特征

2.2.1 密矮株型群体生育前期叶面积增加迅速、光合面积大 由表3可知，在20叶龄（盛花期）以前，9.0万～12.0万株/hm2的单株叶片数、单株叶面积都小于4.5万株/hm2，但单位面积的总叶片数和总叶面积却大于4.5万株/hm2的。特别是7～16叶龄（现蕾—开花期），单位面积叶片数和叶面积增长速度极快。如7叶龄（现蕾期）9.0万～12.0万株/hm2的总叶片数已达72.0万～84.0万片/hm2，而4.5万株/hm2仅有36.9万片/hm2，分别增加了95.1%、127.6%；总叶面积分别达到750.6、882.0 m2/hm2，比4.5万株/hm2（455.0 m2/hm2）分别增加65.0%、93.8%；叶面系数分别达到0.075、0.088，也较4.5万株/hm2（0.045）分别增大66.7%、95.6%。进入11叶龄、16叶龄、直到20叶龄，皆表现同样趋势。表明密度9.0万～12.0万株/hm2较4.5万株/hm2能够充分利用棉花生长前期的光热资源，减少大面积地面裸露和太阳光能的损失，提高了棉花生育前期光能的利用，为中后期的开花成铃积累较多的光合产物，奠定了提高成铃数和增加铃质量的物质基础。

表3 不同生育时期叶面积动态

通过增密化控后，棉株个体的各个营养器官皆变低、变小、变少、变短，但是单位面积上却是株多、叶片多、果枝多、果节多、总生殖多、总成铃数多，特别是前期制造有机营养的光合面积增大，这是密矮株型高光效的主要性能之一[5]。

2.2.2 密矮株型群体中期植株下部光照强度增加、消光系数减小 由表4可知，从处理I可以看出，16叶期10.5万株/hm2化控处理的棉株下部光照强度为2.89万lx，分别比4.5万、10.5万株/hm2不化控的光照强度（1.54万、1.46万lx）高87.4%、97.4%。3个处理表现同样的趋势，高密化控的10.5万株/hm2的平均光照强度为2.98万lx，比4.5万株/hm2的平均光照强度（1.50万lx）和10.5万株/hm2不化控处理的平均光照强度（1.39万lx）分别高出99.1%和113.9%[6]。

从棉株下、中、上3个部分的消光系数看，密矮群体的消光系数在3个部位皆小于不化控处理的棉株群体。同样，密矮群体的下部温度和相对湿度也都小于不化控处理的棉株群体，这种密矮群体株型下部光照强度高，下、中、上各部位的消光系数较小和下部温、湿度较低，有利于棉株中、下部开花、成铃和提高铃质量，也有利于棉纤维的发育，减少中下部蕾铃脱落和烂铃，增加棉花产量和提高品质[7-8]。

表4 不同群体株型棉株各部位光照强度及温湿度

2.2.3 密矮株型群体光合产物积累峰值前移 由表5可知，在11叶铃期，9.0万～12.0万株/hm2，单株营养器官光合产量为4.3～4.52 g，较4.5万株/hm2（6.4 g）低32.8%～29.4%；生殖器官为0.09～0.10 g，也比4.5万株/hm2（0.18 g）低50%～44.4%。但是9.0万株～12.0万株/hm2单位面积营养器官和生殖器官的光合产物分别比4.5万株/hm2高41.3%～79.2%和11.1%～33.3%，地上部分总光合产量也表现同样规律。进入16叶龄期、20叶龄期，一直到吐絮期，皆表现如此规律。但随着生育进程，单位面积光合总生成量的差别越来越小。说明了棉株不同叶龄期地上部分光合产物累积，从棉株个体而言，单株光合产物皆以种植密度小的积累较多；但从群体来看，在棉株生长发育的各个时期，皆以种植密度大的密矮群体的光合产物较多。由于密矮群体光合产物累积前期较多，峰值前移，为棉花的现蕾开花成铃提供了充足的有机营养[9-10]。

表5 不同群体光合生产量累积动态

2.2.4 密矮株型群体经济系数提高 由表6可知，密度4.5万～12.0万株/hm2，随着密度增加，单株生物学产量逐渐降低，但单位面积上的生物学产量都随之增高。4.5万株/hm2的单株营养器官干质量较9.0万～12.0万株/hm2的高出94.1%～157.8%；单株籽棉质量高出50.4%～113.0%。而单位面积上的营养器官干物质量9.0万～12.0万株/hm2比4.5万株/hm2略高3.1%～4.8%，差异不大；但单位面积籽棉质量却增加25.2%～35.1%，营/生降低18.3%～22.5%。从生物学产量比较，4.5万株/hm2单株生物学产量比9.0万～12.0万株/hm2高出76.3%～140.4%，但单位面积上生物学产量却以9.0万～12.0万株 /hm2比 4.5万株 /hm2的高出10.9%～15.2%，经济系数提高12.8%～17.4%。进一步表明，密矮群体株型在单位面积的营养器官干质量差异不大的情况下，有效提高了生殖器官的干质量，减少有机营养的浪费，提高了经济系数。

表6 不同群体营/生值和经济系数

2.2.5 密矮株型群体成铃的时空分布 由表7可知，密度9.0万～12.0万株/hm2，采取增加密度和适时化控，塑造出大群体、小个体、高光效的群体株型，使棉株开花成铃提早，在6月下旬开花数已占到单株总花数的12.7%～14.1%，成铃数已占到总成铃数的19.5%～22.2%，而密度9.0万株/hm2以下的皆未开花成铃。进入7月上旬至中下旬，是当地光热资源高能期，也是当地开花成铃最佳时期，此时，9.0万～12.0万株/hm2开花数分别占株开花数的22.90%～26.70%和61.4%～70.8%，成铃数分别占株成铃数的39.0%～44.6%和80.5%～89.1%。而此时密度4.5万～7.5万株/hm2的开花数仅占株花数的6.59%～9.12%和24.0%～40.1%，成铃数也只占到株成铃数的10.2%～13.5%和33.9%～45.6%。更重要的是此时棉株1～2节位成铃，9.0万～12.0万株/hm2成铃占比达80.5%～89.1%，而4.5万～7.5万株/hm2成铃占比仅为43.1%～47.1%，1～2节位成铃率平均提高92.0%。表明了密矮株型开花成铃高峰期与当地光热资源高能期相同步，最佳铃位成铃与当地最佳结铃期相同步，这是对当地气候资源和棉花自身开花成铃优势期充分的利用和发掘，也是密矮株型单位面积成铃多、平均铃质量高的原因所在[11-12]。

表7 密矮株型开花成铃动态%

3 结论和讨论

通过增密化控技术，塑造矮株、短枝、小叶、大铃的高光效“密矮小”群体株型，使棉花皮棉产量由1 500 kg/hm2增加到到1 875 kg/hm2以上。其增产原因，从产量结构上看，是单位面积总铃数增加的结果；从生理方面分析，是由于光合性能改善——光合面积增大，光照强度增强，光合产量增加，营养短线运输等综合生理功能增大增强的结果。特别是棉株生长的前期和中期，有机光合产物的积累峰值提前，为棉花的开花、增铃和增质量奠定了物质基础。

总铃数达到105万个/hm2以上，是种植密度提高到9.0万～10.5万株/hm2而实现的；密度低于9.0万株/hm2成铃数仅有90万个/hm2左右；密度12.0万株/hm2的成铃数、铃质量都略有下降趋势。因而，在目前生产状况下，种植密度以10.5万株/hm2左右为宜。

关于铃质量问题，常规情况下，单铃籽棉平均质量是随着密度增加而降低，但密矮株型的平均铃质量基本不会降低，这是因为增密化控后，果枝缩短，每个果枝仅有1、2个节位的铃位，也是全株优质大铃的最佳铃位，而且这些铃都是在光热资源高能期和最佳结铃期形成的，所以，铃质量基本不会降低[13]。

关于矮株、短枝、小叶问题，该试验是在充分同步保证水肥供给的条件下进行的，所以，形成的矮株是壮株，而不是弱株，形成的短枝是粗枝，而不是细枝，形成的小叶是厚而深绿的健叶，而不是薄而黄的弱叶，只有这样的株、枝、叶才能保证生产更多的有机营养，满足成铃增质量的需要，进一步提高棉花产量。