基于缩节胺调控的免打顶棉花群体结构及产量分析

石 峰，李海江，孙孝贵，时晓娟，郝先哲，田 雨，韩焕勇

(1.石河子大学农学院，新疆石河子 832000；2.新疆农垦科学院棉花研究所，新疆石河子 832003；3.第六师芳草湖农场，新疆呼图壁 831005；4.兵团第六师农业技术推广站，新疆五家渠 831008)

0 引 言

【研究意义】全程机械化是棉花轻简化种植的主要途径[1-2]。新疆是我国棉花产量最高、面积最大的种植区，长期以来棉花栽培管理以“矮、密、早”技术为核心[3]。人工打顶耗时耗力、机械打顶仍存在对棉株损坏大的问题、水肥调控成本依然较高，限制了全程机械化的发展[4-6]。化学调控技术是一种新型封顶整枝技术，是代替人工打顶实现植棉全程机械化的必然趋势和要求[1,7]。【前人研究进展】缩节胺(1,1-二甲基哌啶鎓氯化物；1,1-dimethyl piperidinium chloride，DPC)是国内外棉花生产中应用最广泛的一种植物生长调节剂[8]。利用缩节胺调控是棉花生产过程中重要的栽培措施，也是获得高产的主要途径[9]。研究表明，喷施缩节胺有助于塑造良好的棉花株型[10-12]，且能改善叶片生理活性，延缓叶片衰老[13]。轻量喷施缩节胺有助于杂交棉形成高光效冠层结构[8]，显著提高单株结铃数和单铃重，有利于获得高产[14]。但棉花品种对缩节胺化控的敏感性具有差异性[15]。马晓梅[16]研究表明，澳棉sic75在未化控的情况下与缩节胺化控处理相比，外部株型特征符合机采棉形态要求，而作为对照的新陆早36号在未化控的条件下与缩节胺处理后的相比，株高、果枝台数、主茎节间总数差异均呈显著增加。也有研究表明[17]，在常规DPC化控的基础上，打顶时喷施DPC缓释型水乳剂可以代替人工打顶，但其应用机理还需进一步完善。打顶期氟节胺和缩节胺复配使用可以起到封顶效果[18]，但成本仍然偏高。株高是决定棉花是否适合机采的主要指标之一[16]。叶片是光合作用的主要器官，其数量和空间分布对棉花光能吸收和干物质积累有着重要影响，一般来说，叶片数量越多，叶面积越大，光合产物累积越大[19]。冠层开度(DIFN)表示未被叶片遮挡的天空部分，DIFN值在0(全叶片)～1(无叶片)之间，其大小可直接反映冠层结构是否合理[20]。干物质累积是棉花产量形成的基础，其分配比例的优劣影响着作物生长[21]。【本研究切入点】关于缩节胺的研究主要集中在缩节胺对棉花生长发育及产量形成的影响，而有关利用全生育缩节胺调控替代人工打顶的研究尚未见报道。研究利用品种对缩节胺敏感的差异性，构建基于缩节胺调控的棉花免打顶技术体系。【拟解决的关键问题】试验选用对缩节胺敏感的材料，以人工打顶作为对照，研究基于缩节胺调控的免打顶棉花农艺性状、冠层结构及透光率的动态变化及产量，分析缩节胺调控代替人工打顶的作用机理和技术途径，为完善新疆棉花全程机械化技术和新品种培育提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2019年4～11月在新疆农垦科学院棉花所试验地(44°19′N，86°03′E)进行。对缩节胺敏感的参试品种为新陆早67号、Z901、Z903和澳棉sic75，对照品种为新陆早60号。试验地土质为壤土，含有机碳7.51 mg/kg、全氮1.32 g/kg、速效钾185 mg/kg、速效磷7.12 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验采用随机区组设计，以新陆早67号、Z901、Z903、澳棉sic75对缩节胺敏感的材料作为试验对象，分别用P1、P2、P3、P4表示；以新陆早60号人工打顶作为对照CK。小区宽2.3 m，行长9 m，面积为20.7 m2，3次重复。

采用2.05 m超宽膜、机采棉等行距(76 cm)密植模式，株距为6.0 cm，理论密度为21.8×104株/hm2。于4月17日播种，人工打顶时间为7月8日，7月9日与人工打顶同期进行田间调查，9月7日喷施脱叶催熟剂，10月初收获。

对缩节胺敏感的材料全程调控为：出苗、两叶一心、头水前、二水前、7月5日、7月12日前后分别为45+30+30+30+120+150 (g/hm2)，采用背负式电动喷雾器整株均匀叶面喷施。全生育期总滴灌水量(不含出苗水)为4 125 m3/hm2，肥料为尿素525 kg/hm2，磷酸钾铵(64%)450 kg/hm2，随水滴施。其它田管措施同高产棉田。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 农艺性状

于7月9日开始，每隔10 d在各小区随机选择具有代表性的植株2株，调查不同品种株高(子叶节至主茎顶端的距离)、果枝数、叶龄，共测定6次。

1.2.2.2 冠层结构指标

于7月9日开始，每隔10 d测定1次，共测定6次。采用LAI-2200冠层仪(Li-cor,USA)，参照Malone等测定方法[22]，重复4次。

1.2.2.3 透光率

于7月9日开始，每隔10 d测定1次，共测定6次。参照高亮之等[23]测定方法，根据植株的平均高度将冠层分为上、中、下3层，重复5～6次，并计算每层的透光率。

1.2.2.4 干物质累积与分配

于7月9日开始，每隔10 d取样1次，共取样6次。每个小于随机选择具有代表性的植株，分为根、茎、叶和铃(包括蕾和花)等部分，105℃下杀青30 min，80℃下烘干至恒重后称重。

1.2.2.5 产量及产量构成因子

于收获期在每个小区随机选取代表性棉株6株，取棉株的全部铃进行考种，测定单铃重和衣分。并在每个处理选择长势均匀一致具有代表性的样点，样点面积为6.67 m2，3次重复。

1.3 数据处理

数据分析用SPSS 18.0，用Ducan多重比较法检验其差异显著性，作图用Origin 2017。

2 结果与分析

2.1 棉花农艺性状

2.1.1 株 高

研究表明，与CK相比，在7月9日后，免打顶棉花品种的株高均显著增加以P2处理增加的幅度最大，达45.2%，P1处理增加的幅度最小，仅36.2%。各处理株高最终P2>P1>P4>P3>CK，分别为68.2、65.8、59.3、58.0和52.2 cm。图1

图1 不同处理棉花株高的动态变化

2.1.2 果枝数

研究表明，与CK相比，免打顶棉花品种的果枝数均呈增加的趋势且显著高于CK以P2处理最为明显，增幅达到了100%且比CK高80%，P3处理果枝数相对较低，增幅为47.3%且比CK高35%。各处理果枝数最终P2>P1>P4>P3>CK。图2

图2 不同处理棉花果枝数的动态变化

2.1.3 叶 龄

研究表明，不同处理棉花随时间的推移叶龄都呈递增的曲线。与CK相比，P3处理增幅最大，达到了39.4%，P1处理增幅最小，仅为21.7%。叶龄最终表现为P2>P3>P4>P1>CK。图3

图3 不同处理棉花叶龄的动态变化

2.2 棉花冠层结构

2.2.1 叶面积指数

研究表明，不同处理棉花随生育时期的推移，叶面积指数均表现为单峰曲线，在7月9～19日增长速度均达到最快。与CK相比，免打顶棉花品种降幅均低于CK，其中 P2降幅最小仅19.6%。叶面积指数降幅最终CK>P4>P1>P3>P2，分别为35.3%、28.6%、22.6%、21.0%和19.6%。P1、P2、P3和P4处理保持较高叶面积指数的同时在生育期间内较稳定，而CK在后期降幅较大会影响棉花后期对光能的利用。图4

图4 不同处理棉花叶面积指数的动态变化

2.2.2 冠层开度

研究表明，随生育时期的推移，不同处理棉花冠层开度在7月19日之前都呈现出快速降低的趋势，主要原因是这期间叶片增加较多，遮阴面积大，随生育进程的推移，不同处理均表现上升的趋势，分别上升了0.030、0.037、0.044、0.055和0.073。冠层开度增幅最终CK>P4>P1>P2>P3。图5

图5 不同处理棉花冠层开度的动态变化

2.2.3 叶倾角

研究表明，不同处理棉花叶倾角都呈现为单峰曲线。与CK相比，免打顶棉花品种叶倾角峰值均高于CK，其中P2处理峰值最大，比CK高3.4%，P3处理峰值最小，仅比CK高0.91%，免打顶棉花品种叶片在接收光能上有更大的潜力。图6

图6 不同处理品种棉花叶倾角的动态变化

2.3 冠层不同部位透光率

研究表明，不同处理棉花冠层上部透光率随生育时期的推移先上升后降低再上升，中部除P1和P2处理表现为先上升后降低再上升的趋势，其余处理均表现为先降低后上升的趋势；下部透光率则都表现为先降低后上升的趋势。在棉花各生育期间，透光率均表现为上层>中层>下层，其中，P1、P2、P3和P4处理在7月9～19日上部透光率均低于CK处理，而中部除P1和P2在7月19日显著高于CK，其余处理相比CK差异不显著，P3和P4处理在7月9日下部透光率显著低于CK处理。随生育进程的推移，不同处理冠层各部位透光率都表现为上升的趋势，在7月29日～8月28日，P1、P2和P4处理上部透光率分别增加了17.6%、24.0%、27.1%，P3处理在8月8～28日增加了10.7%，而CK处理增加了16.7%；P1、P2、P3和P4处理在7月29日～8月28日中部透光率分别增加了15.1%、28.3%、17.4%、14.6%，CK处理则增加了18.9%；P1、P2、P3和P4处理在7月29日～8月28日下部透光率分别增加了22.5%、6.9%、23.9%、4.0%，CK处理增加了16.7%。图7

注：U：冠层上部；M：冠层中部；L：冠层下部

2.4 干物质累积与分配

研究表明，随着生育时期的推移，不同处理棉花干物质累积质量的变化有明显差异，但都符合作物生长的“S”型曲线。P1和P3处理营养器官干物质量均缓慢增长，其中P1处理总干物质质量累积增加81.9 g/株，最终生殖器官和营养器官干物质质量比例为2.1∶1；P3处理总干物质质量累积增加62.0 g/株，最终生殖器官和营养器官干物质质量比例为2.2∶1。P2、P4和CK处理在7月19日～8月18营养器官干物质质量均缓慢增长，在8月18日后均呈下降的趋势，其中P2处理生殖器官、营养器官干物质质量分别下降9.0%、42.8%，总干物质质量累积增加43.7 g/株，最终生殖器官和营养器官干物质质量比例为1.6∶1；P4处理和CK生殖器官干物质质量分别增加7.6%和83.7%，营养器官干物质质量分别下降32.0%和18.9%，总干物质质量累积分别增加37.5和63.0 g/株，最终生殖器官和营养器官干物质质量比例分别为1.5∶1和2.3∶1。P2和P4处理全株干物质质量在8月18日后呈现下降趋势主要是由于营养器官干物质质量下降导致的。与CK相比，P1和P3处理营养器官和生殖器官的分配比例差异不大，在保证营养器官能维持较长活力的同时，可以促进生殖器官的生长发育。图8

图8 不同处理棉花干物质累积与分配的的动态变化

2.5 产量及产量构成因子

研究表明，与CK相比，在产量构成因子中除P4处理单铃重显著低于人工打顶，P1、P2、P3和P4处理收获株数、单株有效铃数、总铃数和单铃重相比差异均不显著(P>0.05)。其中，P3最终收获株数略高于CK，其余处理均低于CK；P1和P4处理单株有效铃数高于CK，其余处理均低于CK；P1处理总铃数高于CK，其余处理均低于CK；P1、P2、P3和P4处理单铃重均低于CK。P2和P4籽棉产量与CK相比差异显著(P<0.05)，而P1和P3籽棉产量与CK相比差异不显著(P>0.05)，CK>P1>P3>P2>P4。从衣分来看，P1和CK衣分显著高于处理(P<0.05)，不同处理表现为CK和P1>P4>P2和P3。表1

表1 不同处理棉花产量及产量构成

2.6 应用全程缩节胺调控效益分析

据调查，2019年新疆人工打顶的费用约合750元/hm2(据新疆农垦科学院农试场数据)，而全程缩节胺调控的成本仅为人工打顶成本的54%，随着施用面积的扩大，该成本还有进一步下降的空间。

3 讨 论

在棉花生产中，通常使用打顶的方法，破除顶端优势，使营养生长向生殖生长转移，同时也出现了2次生长和营养生长几乎停止导致的早衰等现象[24-25]。研究表明，基于缩节胺调控的免打顶棉花随生育期的推移缓慢生长，避免了因打顶而出现的早衰现象，这与周小云等[26]研究一致。机采棉要求采收成熟棉花株高在65～75 cm[27]。研究表明，基于缩节胺调控的免打顶棉花株高均显著高于人工打顶，其中新陆早67号和Z901株高适宜，而Z903和澳棉sic75略低，与马晓梅[16]研究结果略有差异，导致差异的原因可能是行距配置造成[19]。

合理的冠层结构有利于作物提升光合能力，而作物的干物质累积量反映了光合生产情况，干物质分配比例的优劣影响着作物生长[21,28]，有研究表明，叶面积指数过大会造成冠层中下部受光条件差，会造成中下部叶片受光不足引起早衰的可能[29]。研究发现，基于缩节胺调控的棉花前期叶面积指数增加时，冠层开度减小，叶倾角增大，棉株冠层上部透光率均表现出增长趋势，而冠层中下部透光率均表现为下降趋势，说明各处理棉花在生育前期冠层上中部吸收更多的光能，下部漏光损失小，叶片吸收更多光能，利于营养器官干物质累积。当叶面积指数达到峰值后，冠层开度增大，叶倾角略有下降，棉株冠层不同部位透光率都呈现出上升的趋势，其中新陆早67号、Z901和澳棉sic75相比对照上部透光率增加较大；冠层中部除Z901外，其余处理透光率均低于人工打顶，说明中部漏光损失小；下部除新陆早67号和Z903透光率增幅略高于人工打顶，其余处理均低于人工打顶，漏光损失较小。综合来看，随生育进程的推移，对缩节胺敏感的材料表现为株型紧凑，有利于光能均匀的分布在各个冠层部位上，避免了因中下部叶片受光不足而引起的早衰问题。

不打顶并不影响棉花(陆地棉和长绒棉)产量，掌握好缩节胺的施用时期和剂量，棉花(长绒棉)产量与人工打顶相差不大[30-31]。基于缩节胺全程调控的棉花品种新陆早67号产量与人工打顶相比差异最小，其中叶面积指数在3.2～4.8，与CK相比差异较小；8月8日前冠层开度在0.02～0.08，8月8日后增加幅度在0.02左右，与CK相比差异最小；冠层不同部位透光率增幅与CK相比差异均较小，生殖器官和营养器官干物质量比例为2.1∶1，与CK相比差异较小；最终表现为较高的单株结铃和单铃重，产量差异最小。而Z901和澳棉sci75的产量和人工打顶相比差异显著，主要是由于生殖器官和营养器官干物质量比例仅为1.6∶1和1.5∶1，表现为较低的单株结铃和单铃重，产量与CK相比较低。但所有对缩节胺敏感的材料产量都低于人工打顶，基于缩节胺全程调控的棉花表现为紧凑的株型结构，且能实现自然封顶，叶片较多有利于吸收光能，但营养器官向生殖器官传递的营养物质较少，表现为生殖器官与营养器官干物质量比例均低于人工打顶，最终单株结铃和单铃重低于人工打顶。基于缩节胺调控的免打顶棉花要达到人工打顶的产量，需适度调节棉株的叶面积指数，控制在3.1～4.7，叶面积指数达到峰值前的冠层开度在0.03～0.08，达到峰值后的冠层开度增幅在0.03左右，同时冠层不同部位透光率增幅分别在16.7%、18.9%、16.7%左右，最终生殖器官和营养器官干物质量比例达到2.3∶1，还可通过对行距配置的调节[32]，及播期和种植密度[33]的进一步优化来提高光能利用率，促进营养物质向生殖器官转移，增加单株结铃和单铃重。依据对缩节胺敏感棉花主茎自然封顶的特性，结合株型结构、冠层结构等性状在生长发育过程中的动态变化，可进一步揭示棉花顶端优势减弱的机理，挖掘控制棉花顶端的基因，为免打顶种质资源创新和新品种培育提供理论支持，实现棉花全程机械化管理。

4 结 论

基于缩节胺全程调控的棉花株高生长自然减缓，生育期间不早衰，叶片功能期延长，且表现为株型结构紧凑，利于棉株冠层不同部位对光能的吸收，其中叶面积指数控制在3.2～4.8，冠层不同部位透光率分别在17.6%、15.1%、22.5%，营养器官和生殖器官干物质量比例达到2.1∶1，产量与CK相比差异不显著，具有代替人工打顶的可能性。