麻向陽,丁宸旸,呂新,韓小強(qiáng),郝婷麗,尤春源,劉世豪,田程程,劉尚昌,侯彤瑜*

(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)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,新疆 石河子 832003; 2 石河子大學(xué)分析測試中心,新疆 石河子 832003;3 石河子農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院棉花研究所,新疆 石河子 832099)

新疆是我國最大的商品棉生產(chǎn)基地,也是棉花機(jī)械化采收技術(shù)發(fā)展推廣最廣泛的地區(qū)[1]。2021年新疆棉花產(chǎn)量達(dá)到512.9萬t,占全國棉花總產(chǎn)量的89.5%,而種植面積占全國棉花種植面積的82.8%,其中機(jī)采棉的種植面積比例超過42%[2-3]。棉花機(jī)械采收前,需要噴施脫葉劑促進(jìn)棉花植株提前脫葉,以提高機(jī)械采收效率,減少棉纖維的雜質(zhì)污染。目前,新疆機(jī)采棉通過噴施脫葉劑噻苯隆,改變?nèi)~片內(nèi)乙烯、生長素和脫落酸間的平衡,促進(jìn)棉花莖枝和葉柄之間形成離層,達(dá)到葉片快速脫落的目的[4]。噻苯隆是一種無內(nèi)吸傳導(dǎo)性的接觸性脫葉劑,藥液必須直接接觸葉面才能發(fā)揮脫葉功能[5-6]。脫葉效果直接影響機(jī)械采收的作業(yè)質(zhì)量、棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)[7]。

新疆棉區(qū)通過多年研究和實(shí)踐,形成了適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)的“矮、密、早、膜”棉花高產(chǎn)栽培體系[8],機(jī)采棉由于對(duì)行的需要普遍采用一膜六行(66+10 cm)寬窄行種植模式,通過發(fā)揮群體優(yōu)勢,取得棉花高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。然而,這種模式所形成的過密群體,不利于化學(xué)脫葉和機(jī)械采收,導(dǎo)致籽棉含雜率升高,是影響新疆機(jī)采棉纖維品質(zhì)提升的關(guān)鍵限制因子[9]。研究[10-12]表明,采用一膜三行等行距種植模式可以減小冠層內(nèi)枝葉間的交叉纏繞,達(dá)到優(yōu)化群體冠層結(jié)構(gòu)的目的,有利于提高脫葉率效率,但種植模式的變化對(duì)接觸性脫葉劑霧滴截獲沉積特性的影響尚不明確。

當(dāng)前作物冠層對(duì)霧滴的截獲沉積研究主要在冠層尺度[13]。然而,對(duì)于噻苯隆等接觸性脫葉劑,冠層尺度的測定結(jié)果無法精準(zhǔn)反映每個(gè)葉片的截獲和沉積情況。為此,本文提出一種棉花單葉尺度的霧滴截獲測定及沉積量計(jì)算的方法,通過開展機(jī)采棉種植模式的田間試驗(yàn),定量測定了棉花冠層內(nèi)每個(gè)葉片的脫葉劑霧滴沉積分布數(shù)據(jù),分析了種植模式對(duì)脫葉劑霧滴截獲沉積、脫葉率和產(chǎn)量的影響,為優(yōu)化新疆機(jī)采棉高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020—2021年在石河子大學(xué)農(nóng)試場(44°19′N,85°59′E)進(jìn)行,參試棉花品種為新陸早79號(hào)(由石河子農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院棉花研究所提供)。種植模式為目前新疆機(jī)采棉大田生產(chǎn)所采用的兩種主流模式[14]:一膜三行等行距(76 cm+76 cm+76 cm)和一膜六行寬窄行(66 cm+10 cm)。試驗(yàn)全程按新疆機(jī)采棉高產(chǎn)栽培管理技術(shù)進(jìn)行管理[15]。機(jī)采棉噴施化學(xué)脫葉劑之前(噴施脫葉劑時(shí)間根據(jù)棉花生長及氣溫狀況綜合確定,分別為:2020年9月5日和2021年9月12日),在每個(gè)種植模式試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)選取長勢長相能代表田間平均水平的2×2相鄰的4株棉花組成的群體冠層,進(jìn)行脫葉劑霧滴截獲-沉積特性的測定(圖1),其中一膜六行模式選取一膜中間2個(gè)窄行,一膜三行模式選取一膜的中間行和一個(gè)邊行(圖1)。脫葉劑采用540 g·L-1噻苯·敵草隆懸浮劑(有效成分為360 g·L-1噻苯隆和180 g·L-1敵草隆,拜爾作物科學(xué)(中國)有限公司)使用劑量180 mL·hm-2,其增效助劑280 g·L-1烷基乙基磺酸鹽(拜爾作物科學(xué)(中國)有限公司)使用劑量720 mL·hm-2,催熟劑采用40%乙烯利水劑(安道麥安邦(江蘇)有限公司)使用劑量900 mL·hm-2。

圖1 一膜三行和一膜六行兩種機(jī)采棉種植模式及棉花冠層地面水敏霧滴測試卡擺放位置示意圖

1.2 測定項(xiàng)目及方法

1.2.1 葉片尺度脫葉劑霧滴特性測定

為了定量獲取冠層內(nèi)葉片尺度的脫葉劑霧滴截獲-沉積特性參數(shù),將標(biāo)準(zhǔn)水敏霧滴測試卡(六六山下,中國)裁剪為25 mm×30 mm的長方形,之后從植株下部開始按照主莖葉和果枝葉發(fā)育順序,采用微型曲別針將裁剪后背面寫有種植模式、植株和葉位信息的水敏霧滴測試卡,依次固定在冠層內(nèi)每個(gè)葉片基部。2021年,待植株冠層內(nèi)所有葉片均完成固定后,在選定冠層下方地面上沿垂直行向方向依次固定7張30 mm×110 mm的水敏霧滴測試卡(圖1),測定冠層行間不同位置的脫葉劑霧滴損失。冠層內(nèi)所有葉片及地面卡片固定完成后,采用地面自走式噴桿噴霧機(jī)(東方紅3W-1000Y,中農(nóng)豐茂植保機(jī)械有限公司)對(duì)整個(gè)試驗(yàn)田進(jìn)行脫葉劑噴施。脫葉劑噴施完成后,立即用防水密封袋將固定在冠層葉片和地面的水敏霧滴測試卡回收,以進(jìn)行霧滴截獲和沉積分析。為防止水敏霧滴測試卡在固定和回收過程中遇水變色,整個(gè)操作過程需佩戴防水手套。

1.2.2 霧滴粒徑和覆蓋率測定

采用高清掃描儀(惠普,美國)將霧滴測試卡掃描成分辨率為600 dpi的灰度圖像,通過ImageJ專用圖像處理軟件(National Institutes of Health,美國)對(duì)掃描圖像進(jìn)行分析,得到棉株冠層內(nèi)每個(gè)葉片所截獲脫葉劑霧滴的霧滴粒徑(μm)和霧滴覆蓋率(%)。霧滴粒徑分DV1、DV5和DV9三個(gè)尺度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分別表示霧滴累計(jì)分布為10%、50%和90%的霧滴粒徑。

1.2.3 霧化性能評(píng)價(jià)方法

采用霧滴分布跨度(Rs)反映噴頭霧化霧滴的均一性,Rs越小說明霧滴均勻性越好[16]。當(dāng)Rs=1時(shí),表示霧滴粒徑呈對(duì)稱分布,霧滴分布跨度計(jì)算公式為:

(1)

采用冠層內(nèi)不同葉片所截獲霧滴沉積量的變異系數(shù)衡量不同種植模式下,脫葉劑霧滴沉積分布均勻性,變異系數(shù)數(shù)值越小說明霧滴沉積分布的均勻性越好。變異系數(shù)公式為:

(2)

(3)

1.2.4 霧滴沉積量計(jì)算

當(dāng)水敏霧滴測試卡的霧滴覆蓋率小于30%時(shí),直接采用ImageJ軟件導(dǎo)出該測試卡的霧滴沉積量(μL·cm-2)。當(dāng)水敏霧滴測試卡的霧滴覆蓋率大于30%時(shí),超過了ImageJ軟件能夠計(jì)算霧滴沉積量的閾值,因此利用霧滴接觸角與霧滴覆蓋率的關(guān)系[17],基于水敏試紙上所有變色面積都為半飽和吸收狀態(tài)噴施藥液的假設(shè),計(jì)算了這類水敏霧滴測試卡理論最小霧滴沉積量(D):

(4)

式中,C為ImageJ軟件分析提取的霧滴覆蓋率;H為水敏霧滴測試卡平均厚度,計(jì)算時(shí)設(shè)為0.1 mm;2表示藥液為半飽和吸收狀態(tài);100為分析面積單位間換算。

1.2.5 冠層劃分方法

依據(jù)主莖節(jié)位將棉花植株冠層劃分為不同高度,研究了不同冠層高度脫葉劑霧滴的截獲情況,結(jié)果表明以每株棉花主莖第8～9節(jié)位為分界線時(shí)能夠有效表征冠層上下層霧滴的截獲情況。因此,本文將棉花植株主莖第9節(jié)位及以下主莖和分枝上所著生的葉片定義為棉花冠層下部,主莖第9節(jié)位以上主莖及分枝上所著生的葉片定義為棉花冠層上部,分析了2種種植模式對(duì)冠層上下部脫葉劑霧滴截獲沉積的差異。

1.2.6 脫葉率調(diào)查

在一膜三行和一膜六行2種種植模式小區(qū)內(nèi),各選取10株生長發(fā)育狀況具有代表性植株統(tǒng)計(jì)棉花脫葉情況,從噴施脫葉劑當(dāng)天開始,每隔7～10 d調(diào)查單株葉片數(shù)量,計(jì)算不同處理棉花冠層脫葉率T:

(5)

式中,T代表脫葉率;L0為施藥當(dāng)天棉花葉片數(shù)量;Li為噴施脫葉劑后第i天葉片數(shù)量。

1.2.7 產(chǎn)量測定

于收獲期在每個(gè)處理選取2.05 m×1 m的小區(qū)樣點(diǎn)3個(gè),調(diào)查每個(gè)樣點(diǎn)內(nèi)全部棉花株數(shù)、鈴數(shù),折算出單位面積株數(shù)和單株結(jié)鈴數(shù)。之后對(duì)每個(gè)小區(qū)樣點(diǎn)棉花進(jìn)行實(shí)收,測定單鈴重,計(jì)算單位面積籽棉產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2019和IBM SPSS 26.0,作圖采用Matplotlib。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植模式對(duì)脫葉劑霧滴體積粒徑分布的影響

一膜三行和一膜六行2種模式的脫葉劑霧滴粒徑分布跨度值分別為1.1和1.0(表1),說明噴霧器具有穩(wěn)定的霧化性能,霧滴均勻性較好。在DV5尺度下,一膜三行較一膜六行模式葉片所截獲霧滴的體積粒徑增大了81.1%,霧滴粒徑的變異系數(shù)減少了23.2%,模式間差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)。在DV5尺度下,一膜三行棉花冠層上部與下部葉片的霧滴粒徑僅相差122.5 μm(6.4%),且霧滴粒徑變異系數(shù)基本沒有變化,而一膜六行冠層下部的霧滴粒徑相比上部降低了455 μm(44.5%),變異系數(shù)增加了23%。2種模式間霧滴粒徑差異主要來自冠層下部,兩年平均差值達(dá)到898.5 μm(87.9%)。

表1 不同種植模式下棉花冠層葉片尺度脫葉劑霧滴粒徑、變異系數(shù)和分布跨度(2020—2021)

2.2 種植模式對(duì)脫葉劑霧滴覆蓋率的影響

試驗(yàn)表明(圖2),一膜三行棉花葉片的脫葉劑霧滴覆蓋率變化范圍為13.1%～78.4%,兩年平均為46.5%,較一膜六行提高了31%,其中冠層上部的霧滴覆蓋率提升了1.7倍,冠層下部提升了3倍。

圖2 不同種植模式下棉花冠層葉片尺度脫葉劑霧滴覆蓋率(2020—2021)

2種種植模式下,冠層上部的脫葉劑霧滴覆蓋率均大于下部,但一膜三行冠層上下部葉片的霧滴覆蓋率分別為52.5%和19.5%,相差33%,而一膜六行冠層上部霧滴覆蓋率為下部的4倍。

2.3 種植模式對(duì)脫葉劑霧滴沉積量的影響

由圖3可見,一膜三行棉花葉片的霧滴沉積量在0.1～4.9 μL·cm-2,兩年平均為2.2 μL·cm-2,是一膜六行模式的1.8倍(圖3)。其中冠層上部的霧滴沉積量提升了1.5倍,冠層下部提升了2.4倍。2種種植模式下,冠層上部的脫葉劑霧滴沉積量均大于下部,但一膜三行冠層上下部葉片的霧滴沉積量分別為3.3 μL·cm-2和3.1 μL·cm-2,相差僅0.2 μL·cm-2,而一膜六行冠層上部霧滴沉積量為下部的1.7倍。

圖3 不同種植模式下棉花冠層葉片尺度脫葉劑理論霧滴沉積量(2020—2021)

2.4 種植模式對(duì)脫葉劑霧滴損失的影響

試驗(yàn)表明(圖4),一膜三行和一膜六行模式下,霧滴通過葉面滾落或穿透冠層流失到地面造成霧滴沉積量損失差異顯著(P<0.001)。一膜六行冠層地面的霧滴損失沉積量中位數(shù)為1.1 μL·cm-2,而一膜三行冠層地面的霧滴損失沉積量中位數(shù)為3.6 μL·cm-2,是一膜六行地面損失沉積量的3.5倍。

圖4 不同種植模式下棉花冠層尺度地面理論霧滴沉積量

2.5 種植模式對(duì)脫葉率的影響

噴施脫葉劑后11 d內(nèi)棉花冠層脫葉速率最高,2種模式平均每天脫葉率均為6%(圖5),隨著時(shí)間推移,脫葉速率不斷降低,噴施脫葉劑后11～23 d間脫葉率每天變化率約為2.5%。噴施脫葉劑14 d內(nèi),一膜三行棉花冠層的脫葉率相比一膜六行提高了約2%～3%,施藥17 d后一膜六行棉花冠層的脫葉率超過一膜三行,但兩種模式間脫葉率差異不超過3%,差異不顯著(P>0.2)。噴施脫葉劑20 d后,2種模式脫葉率均已接近90%,基本滿足棉花機(jī)采需求。

圖5 不同種植模式下棉花冠層脫葉率(2020—2021)

2.6 種植模式對(duì)產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由圖6可見,一膜三行和一膜六行的平均收獲株數(shù)分別為13.5萬株·hm-2和25.5萬株·hm-2。一膜三行的平均單株鈴數(shù)為8.5個(gè),單鈴重為6.5 g,較一膜六行分別增加了62.9%和18.5%。2020年,一膜三行模式籽棉產(chǎn)量為7 845 kg·hm-2,相比一膜六行降低了8.6%,2021年一膜三行產(chǎn)量為6 360 kg·hm-2,比一膜六行提高了5.0%。

圖6 不同種植模式下棉花產(chǎn)量及其要素構(gòu)成(2020—2021)

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

目前,對(duì)于棉花冠層霧滴截獲沉積的定量測定相關(guān)研究主要集中在冠層尺度,即對(duì)冠層進(jìn)行高度劃分后,在每個(gè)冠層高度內(nèi)放置1～2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)水敏霧滴測試卡實(shí)現(xiàn)冠層尺度霧滴截獲和沉積特性的測定[18-20]。然而,噻苯隆是無內(nèi)吸傳導(dǎo)性的接觸性脫葉劑,藥液必須接觸葉面才能發(fā)揮脫葉功能,經(jīng)噻苯隆處理后,棉花不同葉位葉片離層形成的時(shí)間不同,且脫落順序與離層形成的順序不一致[6]。因此,在田間原位定量測定葉片尺度脫葉劑霧滴截獲及沉積,對(duì)于真實(shí)地反映脫葉劑噴施、霧滴分布及其與棉花冠層結(jié)構(gòu)和脫葉效果之間的關(guān)系更具意義。

本文通過將尺寸大小合適的水敏霧滴測試卡固定在植株單個(gè)葉片上,實(shí)現(xiàn)了對(duì)棉花全株葉片尺度霧滴截獲和沉積的定量測量。葉片尺度霧滴截獲與沉積能夠綜合考慮葉片位置、傾角、面積等結(jié)構(gòu)要素的影響,從而更加真實(shí)的反映接觸性藥劑在冠層內(nèi)的空間分布,為進(jìn)一步解釋種植模式和冠層結(jié)構(gòu)變化對(duì)棉花脫葉效果的影響提供了一種深入的定量化視角。

種植模式能夠顯著影響脫葉劑霧滴在棉花冠層內(nèi)的粒徑分布、覆蓋率及沉積量。霧滴粒徑分析表明,一膜三行模式下霧滴穿透性超過一膜六行(表1),但是種植模式對(duì)霧滴在冠層上部的穿透性影響較小,主要影響冠層下部葉片所截獲的霧滴粒徑[21-22]。一膜三行模式下冠層葉片的脫葉劑霧滴覆蓋率比一膜六行提高了31%(圖2),霧滴沉積量是一膜六行模式的1.9倍(圖3),這可能是導(dǎo)致低密度種植模式比高密度模式脫葉效果好的原因之一[23]。對(duì)于在棉株內(nèi)傳導(dǎo)能力弱的脫葉劑化合物,棉花葉片的脫葉劑霧滴覆蓋率及沉積量越高對(duì)促進(jìn)葉片脫落越有利,但脫葉劑霧滴的不均勻分布容易造成局部藥液過量,導(dǎo)致葉片干枯掛枝或粘附到棉絮上,使棉花含雜率升高[5,10]。

種植模式能夠改變棉花植株高度、果枝長度、葉片面積、葉傾角等棉花個(gè)體和冠層的結(jié)構(gòu)參數(shù)[24],達(dá)到改變脫葉劑霧滴分布、改善機(jī)采棉脫葉效果的目的[25]。研究表明,一膜三行模式下由于行距大,植株密度小,株高增高,果枝長度增長,且果枝交錯(cuò)系數(shù)低,更有利于霧滴均勻分布在葉面(圖2、圖3)[10],從而提高脫葉效果(圖5)[21]。本研究表明,噴施化學(xué)脫葉劑后14 d內(nèi),一膜三行模式的脫葉速率和脫葉率比一膜六行分別提升了4%和3%(圖5),對(duì)于充分利用新疆短暫的脫葉劑噴施“溫度窗口”而言,具有重要的意義。種植模式對(duì)產(chǎn)量的影響目前還沒有明確的結(jié)論(圖6),李建峰等[23]研究表明一膜三行等行距低密度模式可以使雜交棉籽棉產(chǎn)量增加4.7%,但石峰等[14]研究認(rèn)為2種種植模式間產(chǎn)量沒有顯著差異。為了更加明確的分析種植模式對(duì)機(jī)采棉脫葉效果和產(chǎn)量的影響,在未來工作中需要對(duì)種植模式的葉片空間結(jié)構(gòu)、單葉霧滴分布以及冠層產(chǎn)量分布等進(jìn)行同步測定和同步分析,為進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)采棉種植模式,改善新疆機(jī)采棉脫葉效果提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

3.2 結(jié)論

機(jī)采棉種植模式對(duì)脫葉劑霧滴截獲和沉積特性有顯著影響,與一膜六行模式相比,一膜三行棉花葉片的霧滴粒徑、霧滴覆蓋率和沉積量均顯著增加,冠層內(nèi)脫葉劑霧滴分布更加均勻,但棉花冠層地面霧滴損失沉積量也顯著增加,有利于機(jī)采棉脫葉速率和脫葉率的提升。一膜三行模式下單位面積收獲株數(shù)較一膜六行顯著降低,但單株鈴數(shù)和單鈴重均顯著增加,2種模式不同年份間產(chǎn)量表現(xiàn)不穩(wěn)定,因此對(duì)產(chǎn)量的影響還有待進(jìn)一步研究。