隨龍龍,田景山,張煦怡,趙寶改,向?qū)?,張旺鋒
(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆石河子 832003;2.新疆烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站,新疆石河子 832003)
【研究意義】新疆具有發(fā)展棉花的光熱資源優(yōu)勢,但無霜期短,棉花生長季節(jié)有限,極易受到春季不穩(wěn)定氣溫的影響,尤其是春季早播出現(xiàn)降溫、霜凍等極端天氣[1]。同時(shí),新疆秋季降溫快,影響棉鈴生長,很大程度的限制了棉花生長和吐絮[2]。新疆棉花早熟是優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的前提,研究機(jī)采棉脫葉催熟、棉鈴發(fā)育狀況對提高棉花品質(zhì)有實(shí)際意義。【前人研究進(jìn)展】棉鈴發(fā)育時(shí)間和所處的溫度環(huán)境直接影響著棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)[3]。早播是實(shí)現(xiàn)早熟的關(guān)鍵措施[4],研究表明,早播條件下棉花花鈴期光合效率高,有利于加快干物質(zhì)累積,提高霜前花率、單鈴重,改善品質(zhì)[5-7],但春季早播極易出現(xiàn)降溫天氣,不利于棉花出苗和幼苗植株生長[8]。相對于早播,晚播棉花纖維品質(zhì)隨著鈴期日均氣溫和日均最高氣溫的下降而降低[3]。也有學(xué)者認(rèn)為播期推遲,由于生育期短,棉鈴所需的有效積溫不足,導(dǎo)致棉鈴的吐絮期受到延長,中、上部果枝鈴重顯著降低,棉花纖維品質(zhì)下降[9],不利于機(jī)械正常采收?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】新疆棉花生育后期氣溫下降,應(yīng)提高棉花成熟度和改善棉花纖維品質(zhì)。研究不同播期播種與頂部棉鈴發(fā)育的關(guān)系,確定適宜的播種時(shí)間、脫葉催熟?!緮M解決的關(guān)鍵問題】研究不同播期處理生育后期不同氣溫變化對棉鈴發(fā)育響應(yīng),測定棉花頂部棉鈴發(fā)育時(shí)間、單鈴重、纖維品質(zhì)等指標(biāo),分析棉花頂部棉鈴發(fā)育和鈴期變化特點(diǎn),揭示鈴期和頂部纖維發(fā)育過程中頂部棉鈴對溫度的響應(yīng)機(jī)制,為實(shí)現(xiàn)棉花最佳播期和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供參考依據(jù)。
試驗(yàn)于 2016~2017 年在石河子氣象局烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站試驗(yàn)地(44°17' N,85°49' E) 進(jìn)行,當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶡o霜期約 170 d,年平均氣溫 7.0 ℃,年日照時(shí)數(shù) 2 861.2 h;試驗(yàn)地土壤類型為灰漠土,土壤質(zhì)地為中壤土,肥力中等。土壤含有機(jī)質(zhì) 19.0 g/kg、全氮 1.25 g/kg、全磷 2.04 g/kg、堿解氮 78.0 mg/kg、速效磷 91.5 mg/kg、速效鉀 315 mg/kg。2年供試品種均為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)上主栽品種新陸早 59 號。
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)以播種前3 d的溫度變化確定播期,依據(jù)棉花播種對溫度的要求,設(shè)置3~4個(gè)播期。列出播種日期及前3 d氣溫、膜下5 cm土壤平均溫度等指標(biāo)。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每處理重復(fù)3次。種植模式1膜4行,寬窄行距配置,膜面寬140 cm;行長 15 m,小區(qū)面積21 m2,理論密度為19.21×104株/hm2。結(jié)合當(dāng)?shù)貦C(jī)采棉大田生產(chǎn)實(shí)際,各處理棉花生育期內(nèi)隨水施肥,一水一肥,共施用純N 440 kg/hm2、P2O5420 kg/hm2、K2O 270 kg/hm2。其它田間管理措施按當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田進(jìn)行。表1
表1 不同溫度播種播前3 d氣溫指標(biāo)及膜下土壤溫度變化
Table 1 Changes of air temperature averaged over three days before sowing date and soil temperature under mulching film at different sowing dates
年份Year播期Sowing date name播種日期sowing date(M/D)平均氣溫DMT(℃)最高氣溫HT(℃)最低氣溫LT(℃)土壤平均溫度DST(℃)2016第一播期4/0814.10±0.3021.70±2.526.90±2.8317.60±0.49第二播期4/1613.80±1.8718.70±1.729.20±3.7018.40±1.53第三播期4/2217.50±0.6726.20±1.398.10±1.1122.2±1.222017第一播期4/086.70±2.2611.30±1.191.76±3.049.50±1.41第二播期4/1210.00±1.8916.20±3.053.70±2.6612.00±2.36第三播期4/2115.70±0.6823.90±2.677.50±2.2118.70±2.30第四播期4/2917.60±1.5418.20±2.4317.00±1.4524.70±3.05
注:土壤平均溫度為膜下5 cm土壤平均溫度(平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差). DMT為平均溫度, HT為最高溫度, LT為最低溫度, DST為土壤平均溫度
Note:average soil temperature is that under 5 cm for mulching film (mean±SD). DMT, mean daily temperature; Tmax, the maximum temperature; Tmin, the minimum temperature; ST, soil temperature
1.2.2 測定項(xiàng)目
1.2.2.1 鈴期
于開花期,在各處理中選取有代表性的棉株50株進(jìn)行掛牌,掛棉花第8或9節(jié)果枝頂部的花期,記載鈴期、吐絮期所需時(shí)間,待完全吐絮收回掛牌并記錄時(shí)間。
1.2.2.2 單鈴重
于鈴齡15、22、29、36、43、50 d取長勢基本一致的棉株頂部第8或9果枝棉鈴,每個(gè)處理取10個(gè)棉鈴,105℃殺青30 min,80℃至恒重,稱取各鈴期單鈴重并記錄。于吐絮期,在各處理中選取有代表性的棉株取頂部第8或9果枝棉鈴,每個(gè)小區(qū)取45個(gè)棉鈴,取完裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室,自然風(fēng)干后稱取棉花單鈴重并記錄。
1.2.2.3 測定棉花纖維品質(zhì)
將各處理皮棉纖維樣品,送至農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心(河南安陽市)進(jìn)行各指標(biāo)的品質(zhì)測定。
1.2.2.4 溫度指標(biāo)
各氣象溫度數(shù)據(jù)均來自石河子市烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站。
1.2.2.5 有效積溫
采用公式K=N(T-C)計(jì)算有效積溫[10],式中,K為棉花完成某階段發(fā)育所需要的總有效積溫(℃);T為當(dāng)天發(fā)育溫度,N即完成某階段發(fā)育所需要的天數(shù)(d);C為生長發(fā)育的下限溫度 15℃。
采用 Microsoft Excel 2010 軟件處理數(shù)據(jù)和作圖,用 spss21.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用 LSD 法檢驗(yàn)差異顯著性。
不同播期下,棉花各生育進(jìn)程的早晚與經(jīng)歷時(shí)間的長短均有差異,兩年各生育進(jìn)程變化結(jié)果相一致。早播(2017年4月8日)條件下,播種至出苗時(shí)間延長,苗期階段長,但棉株吐絮期棉鈴生長發(fā)育時(shí)間增加,吐絮時(shí)間提前3~10 d。晚播條件(2017年4月29日),出苗所需時(shí)間縮短,苗期至開花期生育進(jìn)程加快;但棉株吐絮期棉鈴生長發(fā)育遲緩,收獲期延遲。表2
表2 不同播期下棉花生育進(jìn)程變化
Table 2 Changes of growth stage under different sowing date in cotton
年份Years播期Sowing date(M/D)出苗期(d)播種-出苗期(M/D)Emergence/S-E現(xiàn)蕾期(d)出苗-蕾期(M/D) Squaring/E-B開花期(d)蕾期-花期(M/D)Flowering/B-F吐絮期(d)花期-吐絮期(M/D)Boll opening/F-BODate (m-d) /Days (d)20164/084-17/96-01/457-08/378-31/534/164-24/86-05/427-10/359-04/564/225-02/106-10/397-13/339-08/5720174/084-23/156-05/447-05/308-28/544/124-24/126-06/447-09/339-05/584/214-28/76-09/377-10/319-08/604/295-07/86-12/347-12/309-18/68
不同播期處理下棉花各生育時(shí)期的溫度變化各不同,2年氣溫變化規(guī)律基本一致。晚播(4月22~29日)條件下,出苗至現(xiàn)蕾期日均最高氣溫、≥15℃/d有效積溫較高,吐絮期日均最高氣溫和≥15℃/d的有效積溫表現(xiàn)最低。相反,早播(2017年4月8日)條件下吐絮期日均最高氣溫、≥15℃/d有效積溫較高。圖1
不同播期頂部棉鈴隨播期推遲頂部鈴?fù)滦鯐r(shí)間推遲,單鈴重顯著下降,2年單鈴重變化趨勢相一致。其中2016年4月8日播種條件下頂部棉鈴單鈴重最大,較4月16日、4月22日高0.79%、2.38%,2017年4月8日播種條件下頂部棉鈴單鈴重最大,較4月12日、4月21日、4月29日高5.35%、7.46%、11.02%。不同播期處理?xiàng)l件下頂部棉鈴發(fā)育時(shí)間隨著開花期和吐絮期的推遲縮短,且各溫度指標(biāo)及≥15℃氣積溫均呈下降趨勢。表3
注: ES: 出苗期; SS: 現(xiàn)蕾期;SS: FOS: 開花期; FBO: 吐絮期
Note: SE: Emergence stage; SS: Squaring stage; FOS: flowering open stage; FBO: Flocculation boll opening
圖1 不同播期條件下棉花各生育時(shí)期日均最高氣溫、有效積溫變化
Fig.1 The changes of mean daily maximum temperature, accumulated temperature variation at different growth stages in cotton with different sowing date表3 不同播期棉花頂部棉鈴發(fā)育與溫度關(guān)系
Table 3 Relationship between cotton boll development and temperature at the top of different sowing dates
年份Year播期Sowing date(M/D)開花日期Flowering stage(M/D)吐絮日期Flocculation stage(M/D)日均氣溫DAT(℃)日均最高氣溫DHT(℃)日均最低溫度DLT(℃)≥15℃氣積溫Accumulation temperature(℃)單鈴重Boll weight(g)20164/087/159/1323.7031.2116.87530.705.67±0.06a4/167/179/1723.3330.9416.45525.005.53±0.11a4/227/239/2223.1130.8916.09502.805.34±0.07b20174/087/139/0623.8631.5216.57496.205.55±0.15a4/127/169/1123.4931.2916.07492.285.26±0.07b4/217/189/1622.9630.8015.55486.585.14±0.11c4/297/219/2122.4430.5514.90469.504.94±0.12b
選取單鈴重(y)、日均氣溫(x1)、日均最高氣溫(x2)、日均最低氣溫(x3)和≥15℃積溫(x4)作為棉花頂部棉鈴發(fā)育間的因素。棉鈴發(fā)育階段,Y與x3和x4之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.750 0、0.920 0、0.770 0均達(dá)到顯著或極顯著水平,說明棉花頂部棉鈴發(fā)育氣象因素與單鈴重之間以及各單項(xiàng)因素之間相互的影響,從直接通徑系數(shù)值可以看出,日均氣溫(x1)、日均最高氣溫(x2)對頂部棉鈴發(fā)育的直接通徑系數(shù)值較大。故日均氣溫和日均最高氣溫可分別作為棉花頂部棉鈴發(fā)育單項(xiàng)指標(biāo)的第一選擇和第二選擇,適當(dāng)早播,增加日均氣溫和日均最高氣溫,有助于最終產(chǎn)量的形成。間接通徑系數(shù)表明,構(gòu)成棉鈴發(fā)育的各單因素通過其他各因素對單鈴重的影響程度,日均氣溫對單鈴重的影響主要是直接影響,而通過≥15℃有效積溫對單鈴重的影響次之。日均最低氣溫通過日均氣溫對單鈴重的間接影響最大,而直接對單鈴重的影響次之。表4
表4 頂部棉鈴單鈴重的相關(guān)分析和直接通徑系數(shù)變化
Table 4 Correlation analysis of boll weight per boll on top of cotton and change of direct path coefficient
因子Factors相關(guān)系數(shù)Correlation coefficent直接通徑系數(shù)Direct path coefficient間接通徑系數(shù) Indirect path coefficientx1→yx2→yx3→yx4→yx10.750 0*1.981 8-1.642 80.421 8-0.012 1x20.560 0-1.705 31.909 20.360 4-0.003 9x30.920 0**0.466 21.793 0-1.318 3-0.022 5x40.770 0**-0.034 60.692 9-0.192 60.303 5
注:*表示P<0.05,**表示P<0.01
Note:*indicatesP<0.05,**indicatesP<0.01
2.5.1 棉株頂部棉鈴干物質(zhì)累積的變化
不同播期棉花隨鈴齡增加頂部棉鈴干物質(zhì)累積變化呈“慢-快-慢”的S型曲線,棉鈴發(fā)育期間隨著播期推遲頂部棉鈴干物質(zhì)累積量降低,4月8日(早播)播種條件下棉株頂部單鈴重較4月16日、4月22日高2.52%、5.39%。圖2
2.5.2 棉株頂部棉鈴干物質(zhì)累積擬合特征值的變化
不同播期間棉花頂部棉鈴生長差異均達(dá)到極顯著水平。早播(4月8日)處理頂部棉鈴生長提前進(jìn)入棉鈴快速累積期,且持續(xù)時(shí)間延長,但最大累積速率減慢。當(dāng)日均氣溫為23.70℃時(shí),棉花頂部棉鈴在17 d開始快速累積,持續(xù)到鈴齡40 d時(shí),最大累積速率為0.396 0 g/d;在日均氣溫為23.33℃鈴齡18 d進(jìn)入快速累積期,持續(xù)時(shí)間為19 d,當(dāng)日均氣溫為22.98℃時(shí),鈴齡21 d才開始快速累積,持續(xù)時(shí)間不足16 d,最大累積速率則高達(dá)1.842 0 g/d。表5
圖2 不同播期下棉花頂部棉鈴干物質(zhì)累積變化
Fig.2 Effects of different sowing dates on dry matter accumulation of cotton bolls at the top
表5 不同播期棉花頂部棉鈴干物質(zhì)累積的擬合特征值
Table 5 Characteristic values of dry matter accumulation from cotton bolls at different sowing dates
年份Year播期Sowing date(m-d)R2特征值 Characteristic valuet1 (d)t2 (d)T (d)Vmax (g/d)Wm (g)20164-80.980 4**17.437 340.669 923.232 70.396 05.879 64-160.998 0**18.386 238.176 819.790 60.622 95.780 44-220.999 5**21.029 736.605 615.575 91.841 95.637 7
注:**P=0.01 水平顯著;t1、t2:快速累積期起始時(shí)間、終止時(shí)間;T:快速累積持續(xù)時(shí)間; Vmax:最大累積速:Wm:干物質(zhì)最大含量。同列不同大、小寫字母分別表示在 0.01 和 0.05 水平差異顯著
Note: ** Significantly at 0.01 probability level; t1, t2: Date for starting and terminating of dry matter speedy accumulation period in cotton(d); T: Duration for dry matter speedy accumulating in cotton (d); Vmax: Maximal speed of dry matter accumulating in cotton(%/d); Wm: Maximal dry matter accumulation content in cotton(%). Values followed by a different capital and small letter within the same column mean different significantly at 0.01 and 0.05 levels, respectively
不同播期條件下棉花頂部棉鈴隨播期推遲纖維長度、整齊度、比強(qiáng)度馬克隆值下降,兩年試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)相一致。不同播期處理間棉花纖維品質(zhì)存在顯著差異,其中,2016年4月8日(早播)播種條件下棉花纖維長度值較4月16日、4月22日1.05%、1.89%;整齊度分別高0.59%、0.71%;纖維比強(qiáng)度高2.00%、4.00%;馬克隆值高2.55%、11.28%。2017年4月8日(早播)播種條件下棉花纖維長度值較4月12日、4月21日、4月29日高1.40%、2.46%、3.86%;整齊度高0.96%、1.56%、2.03%;纖維比強(qiáng)度高5.52%、6.82%、9.74%。馬克隆值高0.41%、3.49%、13.76%。表6
表6 不同播期條件下棉花頂部鈴纖維品質(zhì)變化
Table 6 Effect of different sowing date on cotton top boll fiber quality
年份Year播期Date(M/D)纖維長度Fiber length(mm)整齊度Fiber uniformit(%)比強(qiáng)度Fiber strength(CN/ tex)馬克隆值Micronaire20164/829.67±0.26a84.50±0.22a30.00±0.83a4.70±0.11a4/1629.35±0.50a84.00±0.35b29.40±0.58a4.58±0.20b4/2229.10±0.23b83.90±0.43b28.80±0.63b4.17±0.13c20174/828.50±0.13a83.60±0.24a30.80±0.24a4.87±0.23a4/1228.10±0.26b82.80±0.41b29.10±0.42b4.85±0.18a4/2127.80±0.55c82.30±0.34b28.70±0.36b4.70±0.12a4/2927.40±0.42c81.90±0.33b27.80±0.25c4.20±0.15b
棉花纖維品質(zhì)發(fā)育與溫度有著密切關(guān)系,各溫度指標(biāo)對棉花纖維品質(zhì)均有不同程度的影響,棉花纖維品質(zhì)與各溫度指標(biāo)存在顯著或極顯著差異。其中,整齊度、比強(qiáng)度、馬克隆值與日均氣溫均達(dá)到顯著和極顯著水平,比強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)最大達(dá)到0.95;馬克隆值與日均最高氣溫達(dá)到顯著水平,比強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)最大達(dá)到0.90;纖維長度、整齊度、比強(qiáng)度均與日均最低氣溫達(dá)到極顯著水平,整齊度相關(guān)系數(shù)最大達(dá)到0.92;纖維長度、整齊度與≥15℃氣積溫均達(dá)到極顯著水平,纖維長度相關(guān)系數(shù)最大達(dá)到0.96。表7
表7 不同播期條件對棉花頂部鈴纖維品質(zhì)與溫度指標(biāo)相關(guān)性
Table 7 Correlation analysis of cotton top boll fiber quality and temperature under different sowing date
項(xiàng)目Project日均氣溫Daily average temperature日均最高氣溫Daily maximum temperature日均最低氣溫Daily minimum temperature≥15℃氣積溫Accumulation temperature纖維長度 Fiber length0.610.380.86**0.96**整齊度 Fiber uniformity0.72*0.520.92**0.93**比強(qiáng)度 Fiber strength0.95**0.90**0.88**0.58馬克隆值 Micronaire0.75*0.78*0.530.25
注:*表示P<0.05,**表示P<0.01
Note:*indicatesP<0.05,**indicatesP<0.01
正常播期棉花生育后期溫度和熱量條件分布合理適合棉鈴正常生長,隨著播期推后,棉花現(xiàn)蕾早,光合物質(zhì)快速積累期提前,但吐絮期棉鈴生長速率慢,從而造成花鈴期過長,吐絮晚且吐絮率低[11]。研究表明,早播(4月8日)條件下棉花生長提前進(jìn)入開花期,且鈴期縮短7~20 d,而晚播(4月22日)條件下與則早播表現(xiàn)相反趨勢。這可能是早播鈴期日均溫度高,棉鈴中POD酶活性和與I-AAO含量升高加快了對營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化效率,使得棉花頂部棉鈴快速生長時(shí)間提前,而晚播條件下則由于日均最低氣溫較低,保護(hù)性酶活性降低使得棉鈴發(fā)育時(shí)間延長[3]。
播期是影響棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的重要栽培措施,有學(xué)者認(rèn)為,棉花鈴重受日照時(shí)數(shù)、地面溫度在1800小時(shí)和最高氣溫氣象因子的影響[12],最高日溫度與鈴重間存在相關(guān)關(guān)系[13]。研究表明,早播(4月8日)條件下棉花頂部棉鈴單鈴重較大,這可能是由于鈴期日均溫對棉鈴葉片的保護(hù)性酶和碳、氮代謝對營養(yǎng)物質(zhì)向鈴的輸送有促進(jìn)作用,進(jìn)而使得單鈴重增加[14-16],而由于棉鈴發(fā)育的日均溫度較高和有效積溫的增加使得棉花鈴期提前[17-18]。研究表明,棉株頂部棉鈴快速生長時(shí)間提前,棉鈴發(fā)育時(shí)間延長,最大干物質(zhì)累積速率增大。這可能是由于日均溫度和日均差溫差較低時(shí)對鈴重的增加有明顯抑制作用,蒸發(fā)速率和日照時(shí)數(shù)的增加導(dǎo)致棉鈴重的降低[13,19]。
早播可以獲得最佳纖維長度和強(qiáng)度,可溶性糖含量在早播作物中含量較高,說明可溶性碳水化合物對籽棉產(chǎn)量有較大影響[5]。早播條件下作物生育期延長,保證了棉花的成熟度[20],研究表明,早播(4月8日)棉花頂部棉鈴纖維長度、整齊度、比強(qiáng)度、馬克隆值隨日均氣溫和日均最低氣溫的上升顯著增加。晚播減少棉花產(chǎn)量、纖維成熟度和馬克隆值,但是提高纖維長度和強(qiáng)度[21]。溫度適宜條件下,開花早的棉鈴,較多營養(yǎng)物質(zhì)被運(yùn)輸?shù)矫蘩w維中,有利于棉花纖維伸長[22];研究表明,晚播(4月29日)相對于早播(4月8日)而言棉花頂部棉鈴纖維長度、比強(qiáng)度等指標(biāo)顯著降低,這可能是由于鈴期日均溫度和最低溫度的降低導(dǎo)致后期葉片生理活性變?nèi)鹾兔掴徍铣衫w維素累積量減小,使得纖維品質(zhì)下降[16,22,23]。
適期早播(4月8日)播前3 d膜下5 cm土壤溫度9.5℃播種、棉花頂部棉鈴發(fā)育日均溫在23.49℃條件下,棉花頂部鈴鈴期縮短,且花鈴期提前;單鈴重較大,棉花纖維品質(zhì)較高。其中,日均溫度和最高氣溫對棉花單鈴重和棉花纖維品質(zhì)影響最大,可作為衡量棉花頂部棉鈴發(fā)育的重要指標(biāo)。而晚播(4月29日)播前3 d膜下5 cm土壤溫度24.7℃播種條件下棉花頂部棉鈴發(fā)育由于最低溫度的影響導(dǎo)致鈴期增加,不利于高強(qiáng)纖維和高質(zhì)量棉鈴的形成。