董合忠 楊國(guó)正 李亞兵 田立文 代建龍 孔祥強(qiáng)

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棉花輕簡(jiǎn)化栽培關(guān)鍵技術(shù)及其生理生態(tài)學(xué)機(jī)制

董合忠1,*楊國(guó)正2李亞兵3田立文4代建龍1孔祥強(qiáng)1

1山東棉花研究中心 / 黃淮海棉花遺傳改良與栽培生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東濟(jì)南250100;2華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 湖北武漢430070;3中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所, 河南安陽(yáng) 455000;4新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所, 新疆烏魯木齊830091

棉花輕簡(jiǎn)化栽培是指采用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備代替人工作業(yè)、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度, 簡(jiǎn)化種植管理、減少田間作業(yè)次數(shù), 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合, 實(shí)現(xiàn)棉花生產(chǎn)輕便簡(jiǎn)捷、節(jié)本增效的耕作栽培方式和方法。本文對(duì)輕簡(jiǎn)化栽培內(nèi)涵、關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容和相關(guān)生理生態(tài)學(xué)機(jī)制進(jìn)行了總結(jié)性評(píng)述。實(shí)現(xiàn)棉花生產(chǎn)的輕便簡(jiǎn)捷、節(jié)本增效, 依賴于輕簡(jiǎn)化栽培的關(guān)鍵技術(shù), 包括精準(zhǔn)播種或輕簡(jiǎn)育苗技術(shù), 經(jīng)濟(jì)施肥技術(shù)、節(jié)水灌溉技術(shù)、集中成鈴技術(shù)等。單粒精播的壯苗機(jī)制在于棉花種子萌發(fā)出苗時(shí), 其彎鉤形成關(guān)鍵基因與和下胚軸伸長(zhǎng)關(guān)鍵基因與的差異表達(dá); 密植減免整枝機(jī)制在于密植引起棉株激素合成代謝相關(guān)基因差異表達(dá), 抑制了葉枝的生長(zhǎng); 輕簡(jiǎn)栽培棉花的豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)機(jī)制在于棉花產(chǎn)量構(gòu)成、生物量和經(jīng)濟(jì)系數(shù)的適應(yīng)性協(xié)同; 依據(jù)適宜葉面積指數(shù)及其動(dòng)態(tài), 適宜株高、節(jié)枝比和棉柴比等量化指標(biāo), 可以有效塑造高光效群體, 實(shí)現(xiàn)優(yōu)化成鈴和集中成鈴與采收; 輕簡(jiǎn)施肥的依據(jù)在于棉花對(duì)肥料N的吸收集中在開(kāi)花后20 d以內(nèi), 初花肥利用效率最高且主要分配到生殖器官; 分區(qū)灌溉節(jié)水機(jī)制在于部分根區(qū)灌溉誘導(dǎo)地上部合成茉莉酸, 茉莉酸又經(jīng)韌皮部運(yùn)至灌水側(cè)根系, 增強(qiáng)了該側(cè)根系的吸水能力, 提高了水分利用率。展望未來(lái), 應(yīng)在深入研究輕簡(jiǎn)化植棉生理生態(tài)學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步改革和優(yōu)化種植制度, 創(chuàng)新關(guān)鍵栽培技術(shù), 研制新的物質(zhì)裝備, 促進(jìn)農(nóng)藝技術(shù)和物質(zhì)裝備高度融合, 為輕簡(jiǎn)化植棉提供更加有力的理論和技術(shù)支撐, 推動(dòng)棉花生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

棉花; 輕簡(jiǎn)化栽培; 生理生態(tài)

中國(guó)是世界產(chǎn)棉大國(guó), 但進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái), 棉花種植用工多、投入大、效益低的問(wèn)題凸顯, 成為我國(guó)棉花產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和原棉競(jìng)爭(zhēng)力提高的重要障礙[1-2]。為解決這些問(wèn)題, 國(guó)內(nèi)眾多棉花科技工作者按照對(duì)傳統(tǒng)精耕細(xì)作技術(shù)“既吸收繼承又創(chuàng)新改造”的基本思路, 以輕簡(jiǎn)節(jié)本為目標(biāo), 研究建立了包括精準(zhǔn)播種、簡(jiǎn)化整枝、輕簡(jiǎn)施肥、集中收獲在內(nèi)的系列輕簡(jiǎn)化栽培關(guān)鍵技術(shù), 并對(duì)輕簡(jiǎn)化栽培的生理生態(tài)學(xué)機(jī)制進(jìn)行了深入研究[3], 為我國(guó)棉花生產(chǎn)從傳統(tǒng)勞動(dòng)密集型向輕簡(jiǎn)快樂(lè)型轉(zhuǎn)變提供了堅(jiān)實(shí)的支撐。本文主要基于作者近年來(lái)的研究成果, 并結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展, 對(duì)棉花輕簡(jiǎn)化栽培的關(guān)鍵技術(shù)及其生理生態(tài)學(xué)機(jī)制作一簡(jiǎn)要總結(jié)和評(píng)述, 以期為我國(guó)輕簡(jiǎn)化植棉技術(shù)的深入研究與推廣應(yīng)用提供支持。

1 棉花輕簡(jiǎn)化栽培的概念和關(guān)鍵技術(shù)

1.1 輕簡(jiǎn)化栽培的概念和內(nèi)涵

棉花輕簡(jiǎn)化栽培是指采用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備代替人工作業(yè)、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度, 簡(jiǎn)化種植管理、減少田間作業(yè)次數(shù), 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合, 實(shí)現(xiàn)棉花生產(chǎn)輕便簡(jiǎn)捷、節(jié)本增效的耕作栽培方式與方法[4]。顧名思義, “輕”是機(jī)械代替人工, 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度; “簡(jiǎn)”是減少不必要的作業(yè)環(huán)節(jié)和次數(shù), 簡(jiǎn)化種植管理; “化”則是農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合、良種與良法配套等, 體現(xiàn)出輕簡(jiǎn)化栽培技術(shù)的系統(tǒng)完整性。棉花輕簡(jiǎn)化栽培是以人為本, 以科技為支撐, 以市場(chǎng)為先導(dǎo), 與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相適應(yīng)的規(guī)模化、機(jī)械化、輕簡(jiǎn)化和集約化棉花生產(chǎn)方式與技術(shù)的統(tǒng)稱, 是與以手工勞動(dòng)為主的傳統(tǒng)精耕細(xì)作相對(duì)的概念[3,5]。棉花輕簡(jiǎn)化栽培首先是觀念上的, 它體現(xiàn)在栽培管理的每一個(gè)環(huán)節(jié)、每一道工序之上; 同時(shí)也是相對(duì)的、建立在現(xiàn)有條件水平之上的, 其內(nèi)涵和標(biāo)準(zhǔn)在不同時(shí)期有不同的約定?；诖? 輕簡(jiǎn)化栽培還是動(dòng)態(tài)、發(fā)展的, 其具體的管理措施、物質(zhì)裝備、保障技術(shù)等都在不斷變化、提升、完善和發(fā)展之中。輕簡(jiǎn)化栽培必須遵循“既要技術(shù)簡(jiǎn)化, 又要高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效, 還要對(duì)環(huán)境友好”的原則。技術(shù)簡(jiǎn)化必須與科學(xué)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)合。輕簡(jiǎn)化栽培不是粗放管理的回歸, 粗放的、不科學(xué)的輕簡(jiǎn)化栽培, 與高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)背道而馳, 絕不是棉花輕簡(jiǎn)化栽培的目標(biāo)和要求, 而是對(duì)技術(shù)進(jìn)行精簡(jiǎn)優(yōu)化, 用機(jī)械代替人工, 用物質(zhì)裝備予以保障, 以此解決技術(shù)簡(jiǎn)化與高產(chǎn)的矛盾。輕簡(jiǎn)化栽培的途徑是, 盡可能使用機(jī)械, 用機(jī)械代替人工; 盡可能簡(jiǎn)化管理、減少工序, 減少用工; 提高社會(huì)化服務(wù)水平, 提高棉花種植的規(guī)?；蜆?biāo)準(zhǔn)化[3]。

1.2 棉花輕簡(jiǎn)化栽培的關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)棉花生產(chǎn)的輕便簡(jiǎn)捷、節(jié)本增效, 依賴于輕簡(jiǎn)化栽培的關(guān)鍵技術(shù), 包括精準(zhǔn)播種技術(shù)、輕簡(jiǎn)育苗技術(shù)、經(jīng)濟(jì)施肥技術(shù)、輕簡(jiǎn)節(jié)水灌溉技術(shù)以及集中成鈴技術(shù)等[3]。

精準(zhǔn)播種技術(shù)是選用優(yōu)質(zhì)精加工種子, 精細(xì)整地, 合理株行距配置, 機(jī)械定量播種, 不疏苗、不間苗、不定苗, 保留所有成苗的大田棉花播種技術(shù)[4]。在西北內(nèi)陸棉區(qū), 建立并應(yīng)用了以“先覆膜、后播種”為特點(diǎn)的棉花單粒精播技術(shù), 將預(yù)定數(shù)量的高質(zhì)量種子插播到棉田土壤中預(yù)定位置, 使棉花種子在田間三維坐標(biāo)空間和數(shù)量上準(zhǔn)確分布, 實(shí)現(xiàn)了株距、行距、播種深度和播種量的最佳配置[6]。在黃河流域一熟制棉區(qū), 建立并應(yīng)用了以“先播種、后蓋膜”為特點(diǎn)的棉花精準(zhǔn)播種技術(shù)[7], 減免了間苗和定苗環(huán)節(jié)。在黃河和長(zhǎng)江流域兩熟制棉田, 逐漸改棉蒜(小麥、油菜)套種為蒜(小麥、油菜)后短季棉機(jī)械精量播種, 也可大大減少用工[8]。

棉花輕簡(jiǎn)育苗移栽技術(shù)是替代傳統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)缽育苗移栽的新技術(shù), 包括苗床基質(zhì)育苗、穴盤基質(zhì)育苗和水浮育苗等[9]。這些育苗方式雖然也遵循了傳統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)缽育苗移栽的一般程序, 但創(chuàng)造性地用基質(zhì)或營(yíng)養(yǎng)液替代營(yíng)養(yǎng)土, 并配合使用促根劑、保葉劑等植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑, 特別是研制應(yīng)用育苗成套設(shè)備和棉苗移栽機(jī), 在一定程度上實(shí)現(xiàn)工廠化育苗和機(jī)械化移栽, 在一定程度上簡(jiǎn)化了程序, 降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

輕簡(jiǎn)高效施肥是我國(guó)三大產(chǎn)棉區(qū)棉花輕簡(jiǎn)化栽培的另一關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)要求, 一是以產(chǎn)定量。長(zhǎng)江流域棉區(qū)單產(chǎn)籽棉3600~4500 kg hm–2, 適宜施N量為240~270 kg hm–2, N∶P2O5∶K2O大致為1.0∶0.6∶0.8。黃河流域棉區(qū), 中低產(chǎn)田單產(chǎn)籽棉3000~3750 kg hm–2, 適宜施N量195~225 kg hm–2, 高產(chǎn)田單產(chǎn)籽棉3750 kg hm–2以上, 適宜施N量240~270 kg hm–2, N∶P2O5∶K2O大致為1.0∶0.6∶0.7~0.9。西北內(nèi)陸棉區(qū)單產(chǎn)籽棉4500~5250 kg hm–2, 適宜施N量為300~375 kg hm–2, N∶P2O5∶K2O比例大致為1.0∶0.5∶0~0.3, 采用水肥一體化時(shí)還可減少15%左右[3,6,10]。二是應(yīng)用棉花專用緩控釋肥減少施肥次數(shù)。長(zhǎng)江流域棉區(qū)采用一次性基施緩控釋肥或“一基一追”, 施肥減為1~2次, 緩控釋肥80％用量與速效肥100%用量基本等效; 黃河流域棉區(qū)采用一次性基施緩控釋肥, 施肥次數(shù)減為1次, 緩控釋肥與速效肥為等量等效[11-12]。

棉花節(jié)水灌溉技術(shù)是采用良好的灌溉方法, 最大限度地提高灌溉水利用率的灌水技術(shù)。以新疆為主的西北內(nèi)陸棉區(qū)大面積推廣應(yīng)用的膜下滴灌是最典型的節(jié)水灌溉技術(shù), 它將地膜覆蓋栽培與地表滴灌相結(jié)合, 利用低壓管道系統(tǒng)供水, 將加壓的水經(jīng)過(guò)過(guò)濾設(shè)施濾“清”后, 再溶入水溶性肥料, 形成水溶液, 均勻而又定量地浸潤(rùn)棉花根系集中區(qū)域, 使棉花根系活躍區(qū)的土壤始終保持在適宜的含水狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了水肥一體化, 平均用水量是傳統(tǒng)灌溉方式的12%, 是噴灌的50%, 節(jié)肥15%~20%[3]。在此基礎(chǔ)上, 西北內(nèi)陸棉區(qū)還開(kāi)發(fā)出調(diào)虧灌溉和隔溝交替灌溉等非充分灌溉技術(shù), 節(jié)水、節(jié)肥效果更加明顯[13]。黃河流域棉區(qū)則在淘汰漫灌的基礎(chǔ)上, 改長(zhǎng)畦為短畦, 改寬畦為窄畦, 改大畦為小畦, 改大定額灌水為小定額灌水, 整平畦面, 保證灌水均勻, 大大改善了畦灌技術(shù)[3]。

簡(jiǎn)化整枝主要是指通過(guò)控制或利用營(yíng)養(yǎng)枝實(shí)現(xiàn)整枝的簡(jiǎn)化。一是適當(dāng)稀植下保留利用葉枝, 每公頃留苗2.70~3.75萬(wàn)株, 對(duì)保留的葉枝在主莖打頂前5~7 d打頂, 充分發(fā)揮營(yíng)養(yǎng)枝“先擴(kuò)源、后增庫(kù)”的作用[14-15], 適合長(zhǎng)江流域和黃河流域棉區(qū)的雜交棉。二是中等密度條件下擼褲腿, 即于6月中旬大部分棉株出現(xiàn)1~2個(gè)果枝時(shí), 將第1果枝下的營(yíng)養(yǎng)枝和主莖葉全部擼掉, 較精細(xì)整枝簡(jiǎn)便快捷[16], 適合黃河流域棉區(qū)的一熟春棉。三是高密度條件下利用小個(gè)體、大群體控制營(yíng)養(yǎng)枝生長(zhǎng), 并配合化控減免去營(yíng)養(yǎng)枝環(huán)節(jié)。其中, 西北內(nèi)陸棉區(qū)以化控與水肥緊密結(jié)合, 黃河流域棉區(qū)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提早化控(由盛蕾期提前到現(xiàn)蕾期)并增加化控次數(shù)(由2~3次增加到3~4次)[3]。

群體調(diào)控優(yōu)化成鈴是指塑造高光效群體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)集中多結(jié)優(yōu)質(zhì)鈴的栽培技術(shù), 不僅是棉花高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培的根本技術(shù)途徑, 也是輕簡(jiǎn)化、機(jī)械化植棉的重要技術(shù)保障, 其核心是“提前干預(yù)、漸進(jìn)調(diào)控、內(nèi)外調(diào)節(jié)、促控結(jié)合”[3]。在西北內(nèi)陸棉區(qū), 一是選用適宜品種, 采用精加工種子, 精細(xì)整地, 適時(shí)播種, 播深2.5 cm左右, 確保一播全苗壯苗而形成足夠的基礎(chǔ)群體; 二是適當(dāng)降密, 南疆收獲株數(shù)降為16.5~19.5萬(wàn)株hm–2, 北疆降為18.0~22.5萬(wàn)株hm–2, 單株果枝數(shù)8~12個(gè), 株高75~85 cm; 通過(guò)“寬膜邊行內(nèi)移、多管滴灌矮化”技術(shù), 確保棉田水肥、光溫高效供給與利用[17]; 四是采用“適增水肥投入次數(shù)、頭水與尾水間隔時(shí)間和耕翻深度, 以合理密植和灌溉調(diào)節(jié)群體結(jié)構(gòu), 以優(yōu)化肥水運(yùn)籌調(diào)節(jié)成鈴質(zhì)量[18]。在內(nèi)地棉區(qū), 一是適增密度, 長(zhǎng)江流域棉區(qū)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上每公頃增加7500株左右, 達(dá)到3.0萬(wàn)株hm–2左右; 黃河流域棉區(qū)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上每公頃增加1.5~3.0萬(wàn)株, 達(dá)到6~9萬(wàn)株hm–2; 二是提倡壟作栽培, 壟作與密度互作顯著, 壟作配合密植可顯著減少漏光損失和爛鈴, 增產(chǎn)13.6%[19]; 三是控制株高, 適時(shí)適度封行[4]。

2 棉花輕簡(jiǎn)化栽培的生理生態(tài)學(xué)機(jī)制

2.1 單粒精播壯苗機(jī)制

一播全苗、壯苗是棉花高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。棉花是雙子葉出土的大田作物, 播種保苗難度大, 加大播種量通常被認(rèn)為是保障全苗的最有效措施。但現(xiàn)有試驗(yàn)證明, 在精細(xì)整地和地膜覆蓋條件下單粒精播與多粒(10粒)播種的田間出苗率沒(méi)有顯著差異。但多粒播種棉苗的帶殼出土率為16.5%, 單粒精播棉苗的帶殼出土率僅為1.4%, 多粒播種棉苗的帶殼出土率顯著高于單粒精播。棉苗2片真葉展開(kāi)時(shí), 單粒精播棉苗發(fā)病率、成苗率、苗高和莖粗分別比多粒播種低36.3%、高26.7%、低35.6%、高29.3%[3], 表明單粒精播易形成壯苗(圖1)。

單粒精播壯苗的生理學(xué)機(jī)制在于, 單粒精播促進(jìn)彎鉤形成的關(guān)鍵基因和上調(diào)表達(dá), 而抑制彎鉤形成、促進(jìn)下胚軸伸長(zhǎng)的和基因下調(diào)表達(dá), 使棉苗頂端適時(shí)形成彎鉤, 以最小的受力面積頂出土面, 彎鉤及時(shí)伸直, 子葉展開(kāi)并脫掉種殼, 完成出苗過(guò)程。而多粒穴播種子出苗時(shí), 頂土力量大, 易使土層提前裂開(kāi), 光線透過(guò)裂縫照射到棉苗, 導(dǎo)致和基因表達(dá)下降,和基因表達(dá)上升, 棉苗彎鉤過(guò)早伸直而帶殼出苗; 出苗后棉苗聚集在一起, 促進(jìn)和基因表達(dá)量顯著升高, 棉苗縱向生長(zhǎng)加快、橫向生長(zhǎng)減慢而形成高腳苗(表1)[3]。

表1 單粒精播和多粒穴播出苗成苗能力及其機(jī)制

2.2 密植減免整枝機(jī)制

在一定密度范圍(3~9萬(wàn)株hm–2)內(nèi), 隨密度升高, 棉株頂端生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)越明顯, 而葉枝生長(zhǎng)被顯著抑制: 低密度(3萬(wàn)株hm–2)下, 棉花植株橫向生長(zhǎng)旺盛, 葉枝發(fā)達(dá), 其干重占棉株總干重的35%, 而高密度(9萬(wàn)株hm–2)葉枝干重占棉株總干重的比例不足10%。同時(shí), 高密度的葉枝數(shù)比低密度的葉枝數(shù)減少30%。生理生化分析表明, 生長(zhǎng)素合成基因、細(xì)胞分裂素合成基因和赤霉素合成基因的表達(dá)量及相應(yīng)激素含量, 隨密度升高, 在葉枝中呈下降趨勢(shì), 而在主莖頂端葉片中呈上升趨勢(shì), 這是密植抑制葉枝生長(zhǎng)的重要機(jī)制[3]。

2.3 輕簡(jiǎn)化栽培棉花的豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)機(jī)制

棉花的種植區(qū)域廣, 從海拔1000多米的高地, 到低于海平面的洼地; 棉花對(duì)土壤適應(yīng)性強(qiáng), 黃壤、紅壤, 中度、輕度鹽堿地均可種植, 不適合種植糧食和蔬菜等作物的旱、薄地也可種植棉花; 棉花既適合單作、連作, 也可以套種、間作、輪作, 成為我國(guó)作物種植體系的重要組成部分[9]。棉花對(duì)密度和一穴多株有較好的適應(yīng)性[7], 在肥水條件差、無(wú)霜期較短的地區(qū), 走小株、密植、早打頂?shù)募夹g(shù)途徑, 可充分發(fā)揮群體產(chǎn)量潛力實(shí)現(xiàn)高產(chǎn); 在熱量肥水條件較好的地區(qū), 走稀植、大株路線, 充分發(fā)揮個(gè)體產(chǎn)量潛力實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)[20]。輕簡(jiǎn)化栽培棉花的豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)機(jī)制在于, 一方面通過(guò)協(xié)調(diào)產(chǎn)量構(gòu)成因素維持棉花產(chǎn)量的相對(duì)穩(wěn)定, 在一定范圍內(nèi)隨密度升高, 鈴重降低、鈴數(shù)增加; 另一方面, 通過(guò)干物質(zhì)積累和生物量分配維持棉花產(chǎn)量的相對(duì)穩(wěn)定, 在一定范圍內(nèi)隨密度升高, 經(jīng)濟(jì)系數(shù)有所降低、干物質(zhì)積累增加, 最終保持了棉花經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的相對(duì)穩(wěn)定(表2)[21]。

表2 棉花產(chǎn)量構(gòu)成、生物量和經(jīng)濟(jì)系數(shù)對(duì)密度的響應(yīng)(黃河流域36點(diǎn)次的調(diào)查數(shù)據(jù))

同列數(shù)據(jù)后標(biāo)注不同字母者為Duncan’s復(fù)極差檢驗(yàn)差異顯著(<0.05)。

Values within the same column followed by different letters are significantly different at<0.05 according to Duncan’s multiple range test.

2.4 基于集中成鈴的棉花高光效群體指標(biāo)

基于優(yōu)化成鈴、提高霜前花率和集中收獲的需要, 確定了高光效群體主要指標(biāo)。一是適宜的LAI, 西北內(nèi)陸、黃河流域和長(zhǎng)江流域棉區(qū)分別為3.7~4.0、3.5~3.8和3.7~4.5。二是適宜LAI動(dòng)態(tài), 要求盛鈴期以前LAI總體呈較快增長(zhǎng), 使最大適宜LAI在盛鈴期出現(xiàn), 之后平穩(wěn)下降(圖2)[20]。三是適宜的株高, 西北內(nèi)陸、黃河流域和長(zhǎng)江流域高產(chǎn)棉花的適宜株高分別為75~85、100~110和110~120 cm, 盛蕾期、開(kāi)花期和盛花期株高日增長(zhǎng)量分別為0.80、1.25和1.10 cm d–1, 0.95、1.30和1.15 cm d–1, 1.5~2.0、2.0~2.5和1.0~1.5 cm d–1。四是適宜的節(jié)枝比, 新疆、山東和江蘇的適宜節(jié)枝比分別為2.5、3.5和4.0~4.5[22]。五是果枝及葉片角度分布合理。新疆高產(chǎn)棉花, 在盛鈴?fù)滦跗诠趯佑缮现料? 葉傾角由大到小, 上部76°~61°, 分別比中部下部大17°~12°和36°~25°[23-26]。六是適宜的棉柴比, 棉柴比與收獲指數(shù)呈顯著正相關(guān)(= 4.6251– 0.8496,2=0.9603**)[27], 輕簡(jiǎn)栽培下黃河、長(zhǎng)江流域和西北內(nèi)陸棉區(qū)適宜的棉柴比分別為0.8~0.9、0.9~1.0∶1.0和0.75~0.85。

2.5 棉花N素營(yíng)養(yǎng)規(guī)律

楊國(guó)正等[28]圍繞輕簡(jiǎn)施肥開(kāi)展的15N示蹤試驗(yàn)表明, 棉株累積的N素量, 隨施N量增加而增加, 隨生育進(jìn)程而增加; 累積速率隨施N量增加而加快, 開(kāi)花期最快, 開(kāi)花以前和吐絮以后均較慢, 符合Logistic函數(shù)?；ㄢ徠诶鄯e的N素平均占總量的67%, 也隨施N量增加而上升; 而累積的肥料N素平均占總肥料N素的79%, 而且與施N量關(guān)系不大。但棉株對(duì)N的吸收速率, 隨施N量增加而加快。棉株體內(nèi)積累的N素以肥料N素為主, 平均占75%, 隨施N量增加而上升。肥料N在不同器官中所占比例隨施N量增加而增加, 且以生殖器官最高, 營(yíng)養(yǎng)枝其次, 贅芽最低。

研究表明, 棉株對(duì)底肥N的吸收主要在苗期和蕾期, 且底肥N在棉株中所占比例以苗期最高(65%), 隨生育進(jìn)程而稀釋, 吐絮期僅占18%。棉株對(duì)初花肥N的吸收主要在開(kāi)花期(93%), 且首先在果枝葉(占32.4%)和蕾鈴(占29.4%)中累積, 然后轉(zhuǎn)移至蕾鈴(占69.8%), 但隨施N量增加在蕾花鈴中比例大幅下降, 在營(yíng)養(yǎng)枝中比例大幅度上升。初花肥N在棉株中所占比例, 開(kāi)花期為49%、吐絮期為35%。棉株對(duì)盛花肥N的吸收利用率大致為56%, 其中98%在結(jié)鈴期吸收, 盛花肥中N主要在蕾鈴(占54.1%)中累積, 隨后其他器官累積盛花肥的N進(jìn)一步向蕾鈴(占70.4%)轉(zhuǎn)移, 但隨施N量增加營(yíng)養(yǎng)枝和贅芽中比例上升, 盛花肥N在棉株中所占比例保持23%, 隨施N量增加而增加。棉株對(duì)肥料N的吸收率平均為59%, 隨施N量增加而提高, 其中對(duì)初花肥中N的吸收率最高(69.6%), 對(duì)底肥中N的吸收率最低(48%)。肥料N的土壤留存率平均為12%, 隨施N量增加而下降, 其中底肥中N的比例最高(17.2%), 盛花肥最低(8.2%)。肥料N損失率平均為29%, 其中底肥和盛花肥損失率(34.6%, 36.1%)高于初花肥(19%), 中N處理?yè)p失率(34%)高于其他施N量處理[29]。

N肥后移(減少底肥N、增加花鈴肥N或施用緩控釋肥), 使棉株對(duì)肥料N素吸收最快的時(shí)期維持在出苗后58~96 d; 棉株吸收的肥料N分配給蕾鈴和果枝葉的比例平均為71%, 隨N肥后移而進(jìn)一步提高, 吸收的土壤N分配給蕾鈴和果枝葉的比例平均只有66%, 不受N肥后移的影響; 棉株對(duì)肥料N的吸收率、肥料N在土壤中的殘留率均隨N肥后移而增加, 肥料N損失率卻隨N肥后移而下降[30]。適當(dāng)提高密度, 能夠提高氮肥利用率, 表現(xiàn)出一定的以密代氮的作用[31]。棉花的N素營(yíng)養(yǎng)規(guī)律為科學(xué)施肥、輕簡(jiǎn)施肥提供了理論依據(jù), 根據(jù)棉花需肥規(guī)律科學(xué)施肥、合理施肥, 不僅能夠提高肥料利用率, 還能控制營(yíng)養(yǎng)枝和贅芽的發(fā)育, 協(xié)調(diào)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)的關(guān)系, 促進(jìn)棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。

2.6 棉花適應(yīng)非充分灌溉的生理學(xué)機(jī)制

干旱地區(qū)灌水量減少30%, 分區(qū)交替灌溉棉花產(chǎn)量基本不減, 但常規(guī)灌溉顯著減產(chǎn)。利用嫁接分根系統(tǒng)模擬分區(qū)灌溉, 發(fā)現(xiàn)其提高水分利用率的機(jī)制在于, 分區(qū)灌溉誘導(dǎo)棉株地上部MeJA大量合成并通過(guò)韌皮部運(yùn)輸?shù)焦嗨畟?cè)根系, 促進(jìn)基因表達(dá), 增加了灌水側(cè)根系中H2O2含量, 一方面直接提高了根系中水通道蛋白(PIP)含量, 另一方面誘導(dǎo)基因表達(dá)、抑制基因表達(dá), 增加了ABA含量, 進(jìn)一步提高了PIP蛋白的活性, 從而增加了灌溉側(cè)根系的吸水能力, 提高了灌溉水的利用率(圖3)[32]。

3 展望

針對(duì)輕簡(jiǎn)植棉、快樂(lè)植棉的需要, 我國(guó)已經(jīng)初步建立了符合國(guó)情、操作性強(qiáng)的輕簡(jiǎn)化栽培技術(shù), 并在生產(chǎn)中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。但是, 棉花輕簡(jiǎn)化栽培是相對(duì)的, 是建立在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力水平之上的, 其內(nèi)涵和標(biāo)準(zhǔn)在不同時(shí)期有不同的約定; 輕簡(jiǎn)化栽培還是動(dòng)態(tài)、發(fā)展的, 其具體管理措施、物質(zhì)裝備、保障技術(shù)等需要不斷提升、完善和發(fā)展。目前看, 還存在突破性關(guān)鍵技術(shù)和物質(zhì)裝備少, 農(nóng)藝技術(shù)與物質(zhì)裝備融合度差, 輕簡(jiǎn)化植棉水平地區(qū)間不平衡等突出問(wèn)題[3]。針對(duì)這些問(wèn)題, 必須以適度規(guī)?；A(chǔ)上的規(guī)范化植棉為保障, 在深入研究揭示輕簡(jiǎn)化植棉生理生態(tài)學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步改革和優(yōu)化種植制度, 創(chuàng)新關(guān)鍵栽培技術(shù), 研制包括農(nóng)業(yè)機(jī)械和專用肥在內(nèi)的相應(yīng)物質(zhì)裝備, 實(shí)現(xiàn)最大限度的農(nóng)藝技術(shù)和物質(zhì)裝備的有機(jī)融合。

要優(yōu)化種植制度和種植模式。在熱量和灌溉條件較差的產(chǎn)棉區(qū), 繼續(xù)推行一熟種植; 熱量和灌溉條件較好的產(chǎn)棉區(qū)要穩(wěn)定麥棉兩熟和油棉兩熟制, 穩(wěn)步發(fā)展棉花與大蒜等高效作物的兩熟制[33]。種植模式要進(jìn)一步調(diào)整, 逐步推行油后、蒜后移栽棉和油(麥、蒜)后直播棉。要加強(qiáng)棉田種植制度和種植模式的研究與優(yōu)化, 結(jié)合氣候變化, 研究形成一個(gè)生態(tài)區(qū)、一個(gè)地區(qū)穩(wěn)定的種植模式, 實(shí)現(xiàn)種植模式的優(yōu)化和簡(jiǎn)化。要以棉田兩熟、多熟持續(xù)高產(chǎn)高效為目標(biāo), 研究提出麥棉、油棉套種(栽)和接茬復(fù)種的新型種植制度, 改進(jìn)田間結(jié)構(gòu)配置, 優(yōu)化棉田周年的配置組合, 合理銜接茬口和季節(jié), 優(yōu)化作物品種搭配, 合理密植, 機(jī)械化作業(yè)管理; 深化研究棉田兩熟、多熟制光熱水土肥和病蟲(chóng)害的競(jìng)爭(zhēng)、協(xié)同、補(bǔ)償和利用機(jī)制, 研究?jī)墒旆N植制度周年多作物調(diào)控的理論和方法, 提高復(fù)種指數(shù), 提高周年產(chǎn)出和效益, 進(jìn)一步提高資源利用和轉(zhuǎn)化效率。

要完善提升精準(zhǔn)播種技術(shù)水平。棉花是大粒種子類型, 適合精確定量播種。新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)在棉花機(jī)械精準(zhǔn)播種方面已經(jīng)做得比較到位, 不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化準(zhǔn)確定量和定位播種, 還實(shí)現(xiàn)了播種、施肥、噴除草劑、鋪設(shè)滴灌管和地膜等多道程序的聯(lián)合作業(yè)[34]。黃河流域和和長(zhǎng)江流域棉區(qū)要在學(xué)習(xí)、借鑒新疆精準(zhǔn)播種技術(shù)的基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化適合本地生態(tài)和生產(chǎn)條件要求的精準(zhǔn)播種技術(shù), 確保苗全苗壯、輕簡(jiǎn)高效。

研究完善機(jī)械打頂或化學(xué)封頂技術(shù)。目前條件下打頂尚不能減免, 特別是西北內(nèi)陸棉區(qū)和黃河流域棉區(qū)的機(jī)采棉, 種植密度高, 人工打頂費(fèi)工費(fèi)時(shí)。因此, 探索機(jī)械打頂或化學(xué)封頂技術(shù)和配套物質(zhì)裝備顯得十分必要, 當(dāng)是今后棉花輕簡(jiǎn)化栽培研究的重要內(nèi)容之一。

繼續(xù)研制新型肥料及其施用技術(shù), 進(jìn)一步簡(jiǎn)化施肥和提高肥料利用率。棉花生育期長(zhǎng)、需肥量大, 采用速效肥一次施下, 會(huì)造成肥料流失, 利用率降低; 多次施肥費(fèi)工費(fèi)時(shí)。從簡(jiǎn)化施肥來(lái)看, 速效肥與緩控釋肥配合施用是長(zhǎng)江和黃河流域棉區(qū)棉花生產(chǎn)與簡(jiǎn)化管理的新方向, 而進(jìn)一步發(fā)展和完善水肥一體化技術(shù)則是西北內(nèi)陸棉區(qū)棉花輕簡(jiǎn)高效施肥的重要方向。因此, 在長(zhǎng)江和黃河流域棉區(qū)要加強(qiáng)成本低、效果好的緩控釋肥的研制, 制定與之配套的科學(xué)施肥技術(shù), 確保1~2次施肥的效果; 在西北內(nèi)陸棉區(qū)要加強(qiáng)高效水溶性肥料的研制, 并與非充分灌溉技術(shù)結(jié)合, 協(xié)同提高水肥利用效率。

要因地制宜發(fā)展棉花生產(chǎn)機(jī)械化。西北內(nèi)陸棉區(qū)棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化的條件和技術(shù)比較完備, 可在推進(jìn)的過(guò)程中進(jìn)一步優(yōu)化提升, 特別是要進(jìn)一步提升棉花生產(chǎn)品質(zhì)。黃河流域棉區(qū)一熟區(qū), 棉田趨于集中, 地表平整, 氣候特點(diǎn)適宜, 農(nóng)田基本設(shè)施適當(dāng)建設(shè)后能滿足大型農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)的要求, 因此具備棉花機(jī)械化收獲的基本硬性條件。應(yīng)選用適宜機(jī)械化收獲的棉花品種, 在保證棉花單產(chǎn)的前提下改進(jìn)棉花種植模式、加強(qiáng)棉田管理, 協(xié)調(diào)和扶持棉花加工企業(yè)升級(jí)改造機(jī)采棉生產(chǎn)線, 先進(jìn)行機(jī)械化采收試點(diǎn)示范, 然后再逐步推進(jìn)。黃河流域棉區(qū)的兩熟或多熟棉田和長(zhǎng)江流域棉區(qū), 由于種植規(guī)模小, 且采用麥棉、油棉套種的栽培模式, 實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的難度很大。因此, 應(yīng)該首先改革種植模式, 實(shí)現(xiàn)麥后、油后棉花機(jī)械化直播; 其次研制適用于南方包括采收機(jī)械在內(nèi)的小型機(jī)械。

繼續(xù)研究適宜機(jī)械化的農(nóng)藝栽培技術(shù), 實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝高度融合。目前我國(guó)除了新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)外, 各大棉區(qū)的種植模式繁多, 株距、行距配置不統(tǒng)一, 套作、平作、壟作等種植模式復(fù)雜多樣。各地農(nóng)藝習(xí)慣不同, 種植標(biāo)準(zhǔn)化程度普遍較低, 加之機(jī)播與人工播種混雜, 導(dǎo)致種植方式的多樣化, 機(jī)具難以與農(nóng)藝需求相適應(yīng), 給棉花機(jī)械化收獲造成了較大的困難。要研究探索與機(jī)械收獲相配套的栽培技術(shù), 推進(jìn)農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)的高度融合。

用機(jī)械化、信息化、智能化武裝棉花輕簡(jiǎn)化栽培。傳統(tǒng)的機(jī)械化作業(yè)雖然在某些方面替代了人工作業(yè), 提高了作業(yè)效率, 但是無(wú)法將現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的測(cè)土配方技術(shù)、專家配方施肥技術(shù)、變量施肥技術(shù)、按需施肥技術(shù)等應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn), 會(huì)在棉花生產(chǎn)中造成不必要的水肥浪費(fèi)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)信息技術(shù)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)的高度融合, 具有省種、省工, 提高土地利用率, 提升水肥作用效果, 降低勞動(dòng)強(qiáng)度, 減少生產(chǎn)投入, 增加農(nóng)業(yè)收益等優(yōu)點(diǎn)。因此, 利用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)理論與技術(shù)改造傳統(tǒng)棉花產(chǎn)業(yè), 在我國(guó)棉花生產(chǎn)中發(fā)展適合我國(guó)國(guó)情的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù), 是未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

總之, 耕種制度、種植模式的優(yōu)化, 管理程序的簡(jiǎn)化和多程序合并作業(yè), 用機(jī)械代替人工, 建立和完善有中國(guó)特色的輕簡(jiǎn)化栽培技術(shù), 實(shí)現(xiàn)輕簡(jiǎn)節(jié)本、提質(zhì)增效是必然的發(fā)展方向。要結(jié)合生產(chǎn)需求, 研究形成一個(gè)生態(tài)區(qū)穩(wěn)定的種植模式, 實(shí)現(xiàn)種植模式的簡(jiǎn)化; 重視生產(chǎn)管理程序的減省和簡(jiǎn)化、農(nóng)藝操作方法的精確和簡(jiǎn)化; 要依托先進(jìn)實(shí)用農(nóng)機(jī)具, 實(shí)行多程序的聯(lián)合作業(yè)與合并作業(yè); 要正確處理好簡(jiǎn)化與高產(chǎn)、簡(jiǎn)化與優(yōu)質(zhì)、簡(jiǎn)化與環(huán)境友好的關(guān)系, 在高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、環(huán)境友好的基礎(chǔ)上實(shí)行簡(jiǎn)化, 力爭(zhēng)高產(chǎn), 改善品質(zhì), 增加收益。

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Key Technologies for Light and Simplified Cultivation of Cotton and Their Eco-physiological Mechanisms

DONG He-Zhong1,*, YANG Guo-Zheng2, LI Ya-Bing3, TIAN Li-Wen4, DAI Jian-Long1, and KONG Xiang-Qiang1

1Cotton Research Center, Shandong Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory for Cotton Genetic Improvement and Cultivation Physio-logy in Huanghuaihai, Jinan 250100, China;2College of Plant Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China;3Cotton Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Anyang 455000, China;4Research Institute for Cash Crops, Xinjiang Aca-demy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091, China

Light and simplified cultivation (LSC) of cotton refers to the use of modern agricultural equipment instead of manual operation, the simplification and minimization of field management and operations, as well as the integration of agricultural machinery and agronomic technologies to reduce production costs and labor intensity during cotton farming and cultivation. The connotation, key technical contents and the related eco-physiological mechanisms of LSC are reviewed in this paper. The achievement of easy and convenient as well as cost-saving and benefit-increasing production of cotton is dependent on the key technologies of LSC, mainly including practices of precision seeding, simplified seedlings nursing and transplanting, high-efficient fertilization, water-saving irrigation and regulation of fruiting distribution and so on. The mechanism of well-established strong seedlings by individual seeding lies in the hypocotyl differential expression of hook formation genesandas well as hypocotyl elongation genesandduring seed germination and emergence. The mechanism of the inhibited growth and development of vegetative branches by close-planting lies in differential expression of genes related to hormone synthesis in cotton plants. That of yield stability lies in the adaptive coordination among yield components, biomass, and harvest index under LSC. Optimized and concentrated fruiting in cotton plants can be realized through the establishment of a high photosynthetic efficiency population in terms of the required LAI and its dynamics, rational plant height and the ratio of seed cotton to stalks. The absorption of fertilizer N in cotton occurs mainly within 20 days after flowering and is mainly distributed to the reproductive organs with the highest use efficiency when N fertilizer applies at early flowering which provides a theoretical basis for efficient and simplified fertilization of cotton. The mechanism of water use efficiency improvement through partial root-zone irrigation (PRI) lies in the enhanced water absorption in the irrigated root side, which is regulated by the shoot-sourced jasmonic acid transported through the phloem. In order to provide a more powerful theoretical and technical support for LSC of cotton in the future, on the one hand, in-depth study is required to reveal the physiological and ecological mechanisms of LSC; on the other hand, it is necessary to further reform and optimize the cotton cropping systems, to innovate the key cultivation techniques, and to develop the corresponding agricultural equipment with better integration of agronomic technology. Improved LSC technologies will further promote the sustainable development of cotton production in China.

Cotton; Light and simplified cultivation; Eco-physiology

10.3724/SP.J.1006.2017.00631

本研究由國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-18-21), 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31371573, 31271665), 山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2015GNC110001), 新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)(2016B01001-2)和山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目(CXGC2016B05)資助。

This study was supported by the China Agriculture Research System (CARS-18-21), the National Natural Science Foundation of China (31371573, 31271665), the Specific Key Project for Research and Development of Shandong (2015GNC110001) and Xinjiang (CXGC2016B05), and SAAS Scientific and Technological Innovation Project (CXGC2016B05).

(Corresponding author): 董合忠, E-mail: donghz@saas.ac.cn, Tel: 0531-83179255

(收稿日期): 2016-11-09; Accepted(接受日期): 2017-03-02; Published online(網(wǎng)絡(luò)出版日期): 2017-03-07.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170307.1841.006.html