张常赫, 戴艳娇, 杨洪坤, 张馨月, 杜祥备, 陈兵林, 周治国^*
南京农业大学农学院 / 农业部作物生长调控重点开放实验室, 江苏南京 210095
^* 通讯作者(Corresponding author): 周治国, E-mail: giscott@njau.edu.cn, Tel: 025-84396813 第一作者联系方式: E-mail: 2012101065@njau.edu.cn
收稿日期:2015-01-16 接受日期:2015-05-04网络出版日期:2015-05-14基金:本研究由国家公益性行业(农业)科研专项经费项目(201203096)资助

摘要我国农业对自然环境依赖性强, 农业生产环境相对恶劣、资源利用效率低下, 作物栽培理论与技术需要不断创新和完善。为建立与当前生产模式相匹配的作物高产高效栽培管理方式, 选用棉花品种泗杂3号, 于2012—2013年在长江下游棉区(江苏大丰)不同地力水平田块(高、低)进行麦棉两熟栽培管理方式定位试验, 设超高产栽培、常规栽培和高产高效栽培, 系统测定棉花生物量、产量和生育期间的温光、氮肥资源利用效率。结果表明, 栽培方式和地力水平显著影响棉花产量, 而产量的差异主要由温光、氮肥资源利用效率的差异造成。棉花产量提高的限制因子是低下的资源利用效率。高产高效栽培较常规栽培产量提高27.5%, 温光资源利用效率分别提高27.7%、23.4%、氮肥偏生产力提高10.1%, 是长江下游较为适宜的栽培方式。因此未来生产中应进一步合理优化栽培方式来提高棉田资源利用效率, 以达到高产高效的目标。

关键词:棉花; 栽培管理方式; 产量; 资源利用效率
Effects of Different Cultivation Patterns on Cotton Field Resources Use Efficiency in Yangtze River Valley
ZHANG Chang-He, DAI Yan-Jiao, YANG Hong-Kun, ZHANG Xin-Yue, DU Xiang-Bei, CHEN Bing-Lin, ZHOU Zhi-Guo^*
Key Laboratory of Crop Physiology & Ecology, Ministry of Agriculture / Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China

AbstractThe agricultural production in China is mainly dependent on nature environment. But the use efficiency of field resources in China is lower than those in developed countries, and the current crop cultivation theory and technology need to be innovated and improved continuously. The efficiency field stationary experiments using cotton cultivate Siza 3 with different cultivation patterns were carried out in high and low soil fertility levels in Dafeng, Jiangsu province. The cultivation patterns included super high cultivation patterns (SH), farmers practice cultivation (FP), high yield and high efficiency cultivation (HH). The result showed that lint yield of cotton was significantly affected by cultivation patterns and soil fertility levels. Lint yield difference was correlated with the differences of temperature production efficiency (TPE), radiation use efficiency (RUE) and nitrogen partial factor productivity (NPFP) under different cultivation patterns. Our results suggested that the key factor limited cotton production is the lower resources use efficiency. The lint yield, temperature and radiation use efficiency and nitrogen partial factor productivity of HH were 27.5%, 27.7%, 23.4%, and 10.1% higher than there of FP. Therefore, HH should be encouraged to extend in the Yangtze River Valley, and field resources use efficiency in wheat-cotton double cropping system should be further improved in the future for increasing cotton productivity.

Keyword:Cotton; Cultivation patterns; Yield; Resources use efficiency
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棉花具有无限生长习性^[1], 对环境条件和栽培管理极端敏感^[2]。适宜的温光水肥条件是棉花高产优质的基础^{[3, 4]}; 合理的栽培管理措施如种植密度^{[5, 6]}、播期^{[7, 8]}、施肥量^{[9, 10]}等可调节棉田温光、养分等资源的分配利用^{[4, 11, 12]}保证棉花高产优质。在当前全球气候多变的背景下, 温光等资源的分配将有更大的不确定性^{[13, 14]}; 同时肥料的不合理施用面临着环境污染、资源浪费的困境^[7]。通过合理的栽培管理方式来解决上述难题是实现棉花高产优质的重要途径^{[5, 8, 10]}。小麦-棉花两熟模式种植是我国长江流域棉区和黄河流域棉区重要的种植制度^[15], 现有的农民习惯常规栽培管理方式(FP)难以满足现阶段棉花高产高效栽培需求, 而通过提高施氮量来追求棉花超高产的栽培管理方式(SH)也将面临着氮肥利用效率低下的问题。通过研究麦棉两熟种植制度下不同栽培管理方式棉田资源利用效率的差异, 探索与现阶段农民生产模式相匹配的作物高产稳产高效新型栽培理论和技术及其种植系统的优化, 将为农作物增产增效提供强有力的科技支撑。然而, 前人的研究多集中在单一的栽培措施对棉田单一资源利用效率的影响^{[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]}, 而限制棉花高产的因子相互关联, 研究单一的栽培措施难以消除其他因子对产量和资源利用效率的影响, 因此只有通过综合研究不同栽培方式对棉花产量和资源利用效率的影响, 才能更好地优化棉花栽培方式, 更大限度地提高棉花产量和资源利用效率。
1 材料与方法1.1 试验设计试验于2012— 2013年在江苏省大丰市大丰稻麦原种场(120^o28′ E, 33° 12′ N)进行, 供试土壤为沙壤土, 定位高、低地力田块各一块, 两年间重复处理, 0~20 cm土层有机质含量分别为11.5 g kg^-1、9.2 g kg^-1, 全氮含量分别为1.3 g kg^-1、1.0 g kg^-1, 速效磷含量分别为30.5 mg kg^-1、30.1 mg kg^-1, 速效钾含量分别为188 mg kg^-1、178 mg kg^-1, pH分别为8.25、8.46。
试验设常规栽培管理方式(FP)、超高产栽培管理方式(SH)和高产高效栽培管理方式(HH)(表1)。在HH处理中, 增加零氮肥对照区(N0)。采用完全随机区组设计, 重复4次, 小区面积222 m²。
表1
Table 1
表1(Table 1)

表1 不同栽培管理方式试验设计 Table 1 Schematic representation of experimental design and treatments 栽培方式 Cultivation pattern 常规栽培 Farmers practice 超高产栽培 Super high cultivation 高产高效栽培 High yield and efficiency 棉花品种 Cotton variety 泗杂3号 Siza 3 泗杂3号 Siza 3 泗杂3号 Siza 3 育苗方式 Seedling pattern 常规育苗 Conventional seedling 常规育苗 Conventional seedling 轻简育苗 Simply seedling 育苗期/移栽 Seedling/transplant date (month/day) 4/15-5/15 4/15-5/15 4/25-5/20 移栽密度 Transplant density (plant hm-2 ) 18000 30000 30000 有机肥施用量 Organic fertilizer level (kg hm-2) 0 1500 1500 N用量 Nitrogen fertilizer level (kg hm-2) 300 525 375 N:P2O5:K2O 1.0:0.6:1.1 1.0:0.6:1.1 1.0:0.6:1.1 施用方法 Fertilizer application method 撒施 Broadcast 划沟埋施 Row application 划沟埋施 Row application 施用时期 Fertilizer application date 移栽40%、盛花期60%。 40% at transplanting stage, 60% at bloom flowing stage. 移栽20%、初花期25%、盛花期 40%、盖顶肥15%。 20% at transplanting stage, 25% at initial flowing stage, 40% at bloom flowing stage, 15% at pinch top stage. 移栽20%、初花期25%、盛花期 40%、盖顶肥15%。 20% at transplanting stage, 25% at initial flowing stage, 40% at bloom flowing stage, 15% at pinch top stage.

表1 不同栽培管理方式试验设计 Table 1 Schematic representation of experimental design and treatments

1.2 生物量累积及产量测定于7月15日、7月31日、8月15日、8月31日、9月15日在每小区随机选取有代表性的棉株3株, 按不同果枝部位、不同器官分样。用叶面积仪(Li-3100C, Li-Cor Inc., Lincoln, NE, USA)测定叶面积。样品在105℃杀青30 min, 80℃烘至恒重后称重。吐絮期测产, 并于10月25日调查吐絮和成铃的分布位置(顶、上、中、下和内、外)和数量, 用于计算各部位成铃强度。取各部位吐絮棉铃各20个称重, 结合成铃强度加权平均计算铃重。
1.3 资源利用效率测定与计算参照Du等方法^[15], 利用冠层分析仪(Delta T Devices Ltd., Cambridge, UK)测定棉花冠层光能截获率。根据生育期PAR截获率测定值的拟合多项式计算得到棉株冠层每日光能截获率^[16]。利用安装于试验田中的气象观测站(Campbell AG800, Genetics, USA)自动测定整个生育期内每天的入射光合有效辐射(PAR)、空气温度、降雨量(表2)等。
辐射利用效率(RUE)=累积生物量/∑ 生育期日截获率× 日入射有效辐射
温度生产效率(TPE)=累积生物量/生育期累积有效积温(≥ 12℃)
氮肥偏生产力(NPFP)=施氮区籽棉产量/施氮量
表2
Table 2
表2(Table 2)

表2 棉花生育期间气象条件 Table 2 Meteorological factors of cotton growth period in 2012 and 2013 月份 Month 2012 2013 平均温度 MDT (℃) 降雨量 Rainfall (mm) 有效辐射 PAR (MJ m-2) 平均温 MDT (℃) 降雨量 Rainfall (mm) 有效辐射 PAR (MJ m-2) 4月April 15.3 77.5 7.0 12.3 21.2 9.8 5月May 20.4 28.8 7.7 18.9 96.0 8.3 6月June 22.8 21.0 5.5 22.2 77.3 7.8 7月July 27.3 260.2 7.0 29.8 207.5 9.0 8月August 27.5 68.8 6.8 29.5 68.6 9.1 9月September 21.5 94.7 6.4 22.6 57.8 6.9 10月October 16.9 28.8 6.9 17.3 45.2 6.6 MDT and PAR stand for mean daily temperature and photosynthetically active radiation. Rainfall amounts are monthly total, other values represent monthly average of daily values. MDT、PAR分别为日平均温度和有效辐射; 降雨量为每月累加值, 其他指标为平均值。

表2 棉花生育期间气象条件 Table 2 Meteorological factors of cotton growth period in 2012 and 2013

1.4 统计分析采用Microsoft Excel处理数据, 用Origin 8.0作图; SPSS11.0统计软件进行数据统计和方差分析, LSD法检验显著性, 显著性水平均为0.05。

2 结果与分析2.1 麦棉两熟栽培管理方式对棉花产量的影响从表3看出, 栽培管理方式显著影响了棉花产量, 两年试验皮棉产量均表现为SH> HH> FP> N0。不同地力水平间也具有显著差异, 两年数据平均, 高地力田皮棉产量比低地力田高6.2%~8.0%。高地力田HH和SH分别比FP增加27.9%和43.0%, 低地力田分别增加27.1%和42.0%。对产量构成因子分析发现, 栽培管理方式极显著影响棉株铃数, 两年结果均表现为SH> HH> FP> N0。衣分受栽培管理方式影响显著, HH、SH显著高于FP、N0。栽培管理方式对铃重则无显著影响。地力水平也显著影响棉株铃数, 高地力田铃数比低地力田高5.6%~6.2%。地力水平对铃重和衣分的影响未达显著水平。可见, 不同栽培管理方式和地力水平间产量差异主要由铃数不同造成。
2.2 麦棉两熟栽培管理方式对棉田温光资源利用效率的影响栽培管理方式显著影响棉花累积有效积温(≥ 12℃大气温度)和截获辐射量(表4), 不同栽培管理方式累积有效积温趋势表现为SH> FP> HH> N0, 两年规律一致。截获辐射量以SH最高, FP与HH差异不显著。地力水平间累积积温差异不显著, 但高地力田棉花累积截获的辐射量显著大于低地力田。比较温光资源利用效率发现, 不同栽培管理方式间存在显著差异, 2012年温度生产效率和辐射利用效率均表现为HH> SH> FP> N0, 2013年则表现为SH> HH> FP> N0。温光资源利用效率在不同地力水平间差异显著, 高地力田温度生产效率比低地力田高4.9%~ 10.7%, 辐射利用效率高2.5%~37.8%。
2.3 麦棉两熟栽培管理方式对棉田氮肥利用效率的影响图1所示, 通过方差分析可知不同栽培管理方式间棉田氮肥偏生产力差异显著。两年试验, 氮肥偏生产力均表现为HH> FP> SH。不同地力水平棉田氮肥利用效率差异显著, 氮肥偏生产力在高地力田比在低地力田高7.7%~8.2%。
表3
Table 3
表3(Table 3)

表3 不同栽培管理方式对棉花产量及产量构成的影响 Table 3 Influence of different cultivation patterns on cotton yield and yield components 地力水平 Fertility level 栽培管理方式 Cultivation pattern 铃数 Boll No. (× 104 hm-2) 铃重 Boll weight (g) 衣分 Lint percentage (%) 皮棉产量 Lint yield (kg hm-2) 2012 低地力Low 零氮肥对照区N0 65.0 d 5.63 a 36.8 c 1347 d 高产高效栽培管理方式HH 79.6 b 5.91 a 41.8 a 1966 b 常规栽培管理方式FP 69.4 c 5.74 a 39.2 b 1562 c 超高产栽培管理方式SH 90.2 a 5.70 a 42.1 a 2165 a 高地力High 零氮肥对照区N0 67.8 d 5.76 a 37.1 b 1449 d 高产高效栽培管理方式HH 85.6 b 5.94 a 41.8 a 2125 b 常规栽培管理方式FP 73.9 c 5.76 a 38.7 b 1647 c 超高产栽培管理方式SH 96.0 a 5.96 a 41.6 a 2380 a 方差分析Analysis of variance 地力水平 Fertility level (FL) * ns ns * 栽培管理方式 Cultivation pattern (CP) * * ns * * * * FL× CP ns ns ns ns 2013 低地力 Low 零氮肥对照区N0 66.5 d 5.21 a 37.4 c 1296 d 高产高效栽培管理方式HH 98.7 b 5.30 a 41.9 a 2192 b 常规栽培管理方式FP 82.3 c 5.22 a 39.3 b 1688 c 超高产栽培管理方式SH 112.4 a 5.31 a 41.6 a 2483 a 高地力 High 零氮肥对照区N0 66.8 d 5.32 a 37.7 c 1341 d 高产高效栽培管理方式HH 104.0 b 5.38 a 41.7 a 2333 b 常规栽培管理方式FP 89.2 c 5.31 a 39.3 b 1861 c 超高产栽培管理方式SH 119.9 a 5.26 a 41.2 a 2601 a 方差分析Analysis of variance 地力水平 Fertility level (FL) * ns ns * 栽培管理方式 Cultivation pattern (CP) * * ns * * * * FL× CP ns ns ns ns N0: cultivation without nitrogen as control; HH: high yield and high efficiency cultivation; FP: farmers practice cultivation; SH: super high cultivation patterns. Values followed by different letters within a column are significantly different at the 0.05 probability level. * and * * : significant differences at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; ns: no significant difference (P< 0.05). 表中同一列中不同字母表示0.05水平差异显著。* 和* * 分别表示在0.05、0.01水平上显著, ns表示差异不显著。

表3 不同栽培管理方式对棉花产量及产量构成的影响 Table 3 Influence of different cultivation patterns on cotton yield and yield components

2.4 棉花产量与生物量的影响因子表5表明, 皮棉产量与GDD、LAI_max和IPAR呈显著正相关关系, 生物量与GDD、LAI_max和LI呈极显著正相关, 与IPAR呈显著正相关。比较各因素对产量的影响, 发现生物量和IPAR对产量形成影响最大, 而其中有效积温和LAI_max对生物量累积影响最大。

3 讨论3.1 资源利用效率是棉花产量的主要限制因素温、光、氮肥等资源是作物生产的先决条件, 其有效利用为单位面积耕地上获得较高的产量提供可能^{[17, 18]}。作物产量与温光^[19]、氮肥^[20]资源利用效率呈正相关。本研究发现不同栽培管理方式下限制棉花生产力的主要因素为GDD、IPAR和LAI_max, 三者显著影响棉花的RUE和TPE。2年数据平均, 高地力条件下HH的RUE、TPE分别比FP提高了34.0%、31.1%, SH比FP提高了33.5%、24.7%; 低地力条件下HH提高了21.2%、16.3%, SH提高了21.4%、14.6%。施氮量与产量显著正相关, HH的NPEP比FP提高了8.9%~12.6%, SH的NPEP比FP降低了20.3%~26.3%。说明合理施氮有利于氮肥利用效率的提高。
表4
Table 4
表4(Table 4)

表4 麦棉两熟栽培管理方式对棉田温光资源利用效率的影响 Table 4 Influence of cultivation patterns on cotton temperature production efficiency and radiation use efficiency 地力水平 Fertility level 栽培管理方式 Cultivation pattern 生物量 Biomass (kg hm-2) 有效积温 GDD (℃ d) 温度生产效率 TPE (kg hm-2℃ d) 辐射截获量 Intercepted PAR (MJ hm-2) 辐射利用效率 RUE (g MJ-1) 2012 低地力Lower 零氮肥对照区N0 6365 d 1093 d 5.82 c 544 c 1.17 b 高产高效栽培管理方式HH 8438 b 1188 c 7.10 a 640 b 1.32 a 常规栽培管理方式FP 6904 c 1211 b 5.70 d 639 b 1.08 c 超高产栽培管理方式SH 9302 a 1343 a 6.93 b 769 a 1.21 d 高地力Higher 零氮肥对照区N0 7253 d 1074 d 6.75 c 576 c 1.26 b 高产高效栽培管理方式HH 9686 b 1160 c 8.35 a 687 b 1.41 a 常规栽培管理方式FP 8215 c 1213 b 6.77 c 684 b 1.20 c 超高产栽培管理方式SH 9974 a 1300 a 7.67 b 804 a 1.24 b 方差分析Analysis of variance 地力水平 Fertility level (FL) * * ns * * * * * 栽培管理方式 Cultivation pattern (CP) * * * * * * * * FL× CP ns ns ns ns ns 2013 低地力Lower 零氮肥对照区N0 7177 d 1263 b 5.68 b 536 c 1.34 b 高产高效栽培管理方式HH 10280 b 1259 b 8.16 a 584 b 1.76 a 常规栽培管理方式FP 7489 c 1316 a 5.69 b 590 b 1.27 b 超高产栽培管理方式SH 10952 a 1322 a 8.28 a 637 a 1.72 a 高地力Higher 零氮肥对照区N0 8778 d 1288 c 6.81 d 578 c 1.52 d 高产高效栽培管理方式HH 13211 b 1350 b 9.78 b 654 b 2.02 b 常规栽培管理方式FP 11429 c 1395 a 8.19 c 653 b 1.75 c 超高产栽培管理方式SH 15020 a 1430 a 10.50 a 702 a 2.14 a 方差分析Analysis of variance 地力水平 Fertility level (FL) * * ns * * * * * 栽培管理方式 Cultivation pattern (CP) * * * * * * * * FL× CP ns ns ns ns ns N0: cultivation without nitrogen as control; HH: high yield and high efficiency cultivation; FP: farmers practice cultivation; SH: super high cultivation patterns. Values followed by different letters within a column are significantly different at 5% probability level. * and * * : significant differences at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; ns: no significant difference (P< 0.05). 表中同一列中不同字母表示5%水平差异显著。* 和* * 分别表示在0.05、0.01水平上显著, ns表示差异不显著。

表4 麦棉两熟栽培管理方式对棉田温光资源利用效率的影响 Table 4 Influence of cultivation patterns on cotton temperature production efficiency and radiation use efficiency

图1
Fig. 1

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	图1 不同栽培管理方式棉田氮肥偏生产力(NPFP)Fig. 1 Cotton field nitrogen partial factor productivity (NPFP) in different cultivation patterns

不同栽培管理方式棉田资源利用效率差异形成的原因不同。FP因种植密度偏小(18 000株 hm^-2), 群体冠层结构不合理, 导致温光资源利用效率低; SH由于氮肥过量施用限制了棉花氮肥利用效率的提高; HH比FP和SH拥有更加合理的冠层结构, 同时肥料施用合理, 拥有较高的资源利用效率。因此, 较高的资源利用效率是棉花高产的保障。限制棉花产量提高的主要因子是资源利用效率较低, 未来生产中进一步提高棉花产量的措施应采取合理的栽培措施提高棉田的资源利用效率。
3.2 合理的栽培管理方式选择及提高措施合理的资源利用是现代可持续高产高效农业的基础。本研究中SH产量最高, 温光资源利用效率较高, 但由于氮肥过量投入导致氮肥利用效率低, 同时存在着种植成本高和有环境污染等问题, 与现代高产高效农业相违背; FP产量最低, 氮肥利用效率较高, 但温光资源利用效率低, 不能充分利用生态资源、发挥土地生产潜力。HH具有较高的产量, 同时拥有较高的温光、氮肥资源利用效率, 能够充分利用资源, 达到高产高效的目的, 是当前长江流域棉区较为适宜的栽培管理方式。
表5
Table 5
表5(Table 5)

表5 棉花产量与资源截获和利用效率的相关分析 Table 5 Correlation coefficients among lint yield, biomass, growth degree day (GDD), maximum leaf area index (LAImax), light interception (LI) and cumulative intercepted PAR (IPAR) Lint yield Biomass GDD LAImax LI IPAR 皮棉产量Lint yield 1.000 生物量Biomass 0.819* * 1.000 累积积温GDD 0.569* 0.740* * 1.000 最大LAI LAImax 0.570* 0.837* * 0.582* 1.000 光能截获率 LI 0.401 0.652* * 0.680* * 0.577* 1.000 截获PAR IPAR 0.604* 0.550* 0.410 0.492 0.146 1.000 相关系数临界值: n=16, r0.05=0.497, r0.01=0.623. The critical value of correlation coefficients: n=16, r0.05=0.497, r0.01=0.623.

表5 棉花产量与资源截获和利用效率的相关分析 Table 5 Correlation coefficients among lint yield, biomass, growth degree day (GDD), maximum leaf area index (LAImax), light interception (LI) and cumulative intercepted PAR (IPAR)

本研究发现, 提高棉花生产力的重点是提高资源的利用效率。高产高效栽培管理方式具有较高的资源利用效率, 因此在实际生产中可以在HH栽培管理方式的基础上进一步优化, 探究出棉花高产优质、资源高效利用的栽培管理方式。生产中可通过一系列的栽培措施来进一步提高资源的利用效率, 提高产量。如可用减小行距、增大密度、化控、轻简育苗移栽等措施构建合理的冠层结构^[21], 提高温光资源利用效率^{[15, 22]}。同时生产中可采用合理的肥料施用量^[23]、分施^{[24, 25]}、氮磷钾平衡施肥^[26]、精准施肥^[27]等肥料管理措施提高氮肥的利用率, 减少肥料损失, 增加棉花产量, 提高植棉效益。

4 结论不同栽培管理方式下棉花产量的差异主要由温光、氮肥资源利用效率的差异造成, SH由于氮肥大量施用导致偏生产力下降, HH较FP提高产量27.5%, 温光、氮肥资源利用效率分别提高27.7%、23.4%和10.1%, 满足高产高效栽培要求。不同地力水平棉田资源利用效率差异显著。高地力田块比低地力田块拥有更高的资源截获率和利用效率, 生产力较高。在生产中需要针对不同地力水平在棉花栽培管理方式上做出调整, 如以合理密植、调整移栽期、增施有机肥等措施来缩小地力水平间的产量差。高产高效栽培管理方式拥有较高的资源利用效率, 产量较高, 是较为适宜的栽培管理方式。
The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.


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