西北内陆棉区包括新疆、甘肃河西走廊和内蒙古西端的黑河灌区。该区棉花种植主要分布在新疆。自20世纪90年代中期以来,以新疆为主的西北内陆棉区成为全国优势产区,近年来更得到长足发展,成为全国最大的优势棉花产区[1-3]。2015年西北内陆棉区植棉230万hm2、总产428万t,分别占全国的58%和69%,单产1 900 kg·hm-2,比全国平均水平高33%,其中新疆和生产建设兵团棉花单产分别为1 676和2 381 kg·hm-2,高于全国平均水平的18%和67%（表1）。不仅如此,新疆产棉区还大力发展规模化、轻简化和机械化植棉,通过机械代替人工减少劳动力投入,膜上精量播种免除放苗、定苗,合理密植配合化学调控实现简化整枝与集中收花,节水灌溉与水肥一体化实现节肥节水,这些关键农艺技术与物质装备的有机结合与综合运用,既保证了棉花高产或超高产,又实现了棉花生产的轻便简捷,较好地解决了高产与简化的矛盾,使新疆棉花生产走上了持续高产高效的路子。在一个热量严重不足、水资源季节性短缺严重、低温霜冻等自然灾害频发的地区[1-2, 4],棉花生产取得如此巨大成就令人叹为观止。关于新疆棉花持续高产高效的技术原因,业内多数****认为主要是采取了“密、矮、早、膜”栽培技术[1-2, 5-7];也有****认为是合理密植、宽膜覆盖、膜下滴灌、水肥一体化和农业机械化技术综合运用的结果[8-11]。笔者认为,以上所述都是新疆棉花高产高效的因素,但尚不足以阐明多年来新疆棉花持续高产高效的原因和机制。新疆棉花持续高产与对“温、光、水”资源的充分挖掘有关,持续高效与农机、农艺高度融合有关。深入分析、揭示新疆棉花持续高产高效的原因和机制,不仅能为新疆棉花生产进一步发展提供指导,对内地棉区棉花生产也有重要参考和借鉴。
Table 1
表1
表1主要产棉区（省）棉花生产情况
Table 1Cotton productivity in the main cotton growing regions and provinces
| 棉区或省份 Region or province | 种植面积 Planting area (×103 hm2) | 总产量 Total output (×103 t) | 皮棉单产 Lint yield (kg·hm-2) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1991-2000 | 2001-2010 | 2011-2014 | 1991-2000 | 2001-2010 | 2011-2014 | 1991-2000 | 2001-2010 | 2011-2014 | |
| 全国 National total | 5075 | 5175 | 4573 | 4458 | 6134 | 6476 | 899 | 1183 | 1420 |
| 西北内陆 Northwest | 819 | 1368 | 1801 | 1047 | 2245 | 3481 | 1335 | 1649 | 1806 |
| 长江流域 Yangtze River | 1787 | 1397 | 1188 | 1532 | 1479 | 1361 | 943 | 1117 | 1221 |
| 黄河流域 Yellow River | 2425 | 2395 | 1573 | 1560 | 2394 | 1617 | 732 | 1078 | 1145 |
| 新疆自治区 Xinjiang | 798 | 1307 | 1758 | 1016 | 2142 | 3408 | 1252 | 1622 | 1939 |
| 山东省 Shandong | 749 | 847 | 677 | 554 | 903 | 692 | 792 | 1066 | 1025 |
| 湖北省 Hubei | 447 | 419 | 431 | 448 | 426 | 473 | 994 | 1019 | 1095 |
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1 促早栽培,向“温”要棉
新疆产棉区的热量条件较差,尤其是北疆棉区,苗期和吐絮期热量严重不足[12-13]。主要表现在,无霜期短,前期易遭受冷害;后期降温快,秋季易遭受霜冻危害。南疆初霜冻一般出现在10月初至10月中旬,北疆则出现在9月底至10月初[14]。热量条件差、积温不足是新疆棉花生产的主要限制因素（表 2）。针对无霜期短、热量资源相对不足的气候特点,新疆产棉区采取了一系列“促早”措施,加快棉花生育进程,多数棉田可以达到“4月苗、5月蕾、6月花、7月铃,北疆8月絮、南疆9月絮”生育进程要求。Table 2
表2
表2主要产棉亚区自然条件比较
Table 2Comparison of ecological conditions among major cotton growing sub-regions
| 产棉亚区 Sub-region | ≥10℃活动积温持续 时间 The number of days ≥10℃ (d) | ≥10℃活动积温 ≥10℃ active accumulated temperature (℃) | 年日照时数 Annual sunshine hours (h) | 年降水量 Rain fall (mm) | 主要灾害天气 Major weather disasters |
|---|---|---|---|---|---|
| 新疆南疆 South Xinjiang | 190-210 | 3800-4400 | 2600-3100 | 25-98 | 春寒缺水、夏季干热风 Sprring chill and dought, and dry hot wind in summer |
| 新疆北疆 North Xinjiang | 160-180 | 3100-4100 | 2600-3000 | 100-200 | 春季冻害、秋季冷害 Freezing in spring and, chilling in autumn |
| 淮北平原 Huaibei Pleatu | 210-230 | 4600-4900 | 2100-2200 | 700-1000 | 春旱、夏涝、秋雨 Spring drought, summer floods and autumn rain |
| 华北平原 Huabei Pleatu | 180-220 | 3800-4800 | 2600-2900 | 550-800 | 春寒、夏涝、秋季低温 spring chill, summer floods and autumn cold |
| 长江中游 Middle Reaches of Yangze River | 240-280 | 5100-5800 | 1700-1900 | 1200-1400 | 梅雨、伏旱、极端高温 Rainy season, summer drought, extreme high temperature |
| 长江下游 Lower Reaches of Yangze River | 220-250 | 4600-5400 | 2000-2400 | 1000-1200 | 梅雨、秋雨渍涝、台风 Rainy season, autumn waterlogging and typhoon |
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1.1 选择熟性对路的棉花品种
新疆棉花适宜品种的选择,首先考虑的是生育期,一般南疆要求生育期135 d左右,北疆125 d左右,正常年份霜前花率≥85%。生育期过短的棉花品种产量潜力小、易早衰,不易高产;过长则易受早霜的影响,霜前花率低。在此基础上再综合考虑产量、品质、抗逆性等。基于这些考虑,北疆一般要种植早熟棉花品种[14],而其中北疆光热资源较好的地区可种植中早熟品种;南疆一般选用早中熟品种,部分地区可种植长绒棉品种。为满足棉花轻简化栽培、机械化采摘,还应具备良好的机采棉性状：果枝始节较高,株型相对紧凑、抗倒性强;植株生长发育稳健,结铃和吐絮比较集中,含絮力适中;纤维品质好,2.5%跨长≥30 mm、比强度≥30.0 cN/tex、马克隆值4.5以下;对脱叶剂敏感,确保脱叶催熟效果好[15-16]。1.2 适期早播种
新疆棉区无霜期短、热量资源相对不足,而且春季气温多变,要达到“4月苗”的生育进程要求,必须适期早播[13-14]。一般当地表或膜下5 cm土层温度稳定达到12—14℃时即可播种。南疆棉区播种期一般4月5日至15日,在4月20日之前播种结束;北疆棉区播种期一般4月10日至20日,在4月25日之前播种结束[17]。为节约用水并避免降低地温,近年来新疆应用干播湿出、滴水出苗技术,取得良好的节水保苗和促早效果[18]。1.3 地膜覆盖
地膜覆盖具有显著的增温、保墒、抑盐和控草等效应,不仅保证了棉花早播,而且促进了棉花出苗、成苗和生长发育,调整棉花开花结铃期与当地光热最佳时段高度吻合[19],是新疆产棉区实现“一播全苗、促早发争早熟”必不可少的关键技术。据1982—1984年在新疆莎车、墨玉、库车等地测定[6],4月15日至5月25日,5 cm处地膜棉田地温比露地棉田高2.5—3.29℃;4月中旬至6月中旬,5 cm 和10 cm 的地积温分别比露地棉田高239℃和162℃。地膜覆盖度越大,地温越高,地积温也越多。地膜覆盖棉田主茎叶的出叶速度快,现蕾提前7—10 d。新疆产棉区通过不断改进和完善,创造出丰富多样的覆盖模式,有一膜四行（即一幅地膜种植4行棉花）、五行、六行、八行等多种模式,还有增温保墒效果更好的双膜覆盖等[20-21]。1.4 密植促早
汪若海和张雄伟[5]指出,“密植与促早互相关联、相得益彰”。针对新疆气候干旱和无霜期短的特点,通过培育密度高、分布匀、整齐一致的高产群体,确保棉田能尽快达到较高的叶面积系数,充分利用棉花生长前中期光能,是促进新疆棉花早熟的重要途径之一[22]。通常新疆南疆棉区收获株数为17.25—22.5万株/hm2,北疆棉区（早熟棉亚区）收获株数为20.25—24.00万株/hm2[17]。合理密植虽然能够促进早熟,但密度过高反而不利于早熟。根据试验和实践,当密度超过22.5万株/hm2以后,中下部结铃受到严重抑制,烂铃和脱落严重,更多地靠上部成铃形成产量,反而不早熟。加之密度越大,需要株高越低,也不利于机械采收[13]。随着机采棉不断普及,目前新疆棉花种植密度呈现出回落的趋势。在现有平均收获密度22.5万株/hm2的基础上普降2万株/hm2左右,平均达到20.5万株/hm2左右是可行的。此外,新疆产棉区还配套了早中耕、早追肥、早浇水、早打顶、适时停水等促早措施,进一步挖掘了热量潜力[17]。
2 塑造合理群体,向“光”要棉
密植是促早的重要手段,是向温要棉的重要途径。但是,密植条件下,个体间相互影响、相互竞争程度加剧,个体发育自然会受到不利影响,进而导致群体结构不合理,则不利于棉花经济产量和品质的形成,因此必须在早发早熟、用好积温的基础上,通过塑造合理群体,利用好光能[13]。2.1 合理密植奠定丰产基础群体
密度与叶面积系数的关系密切,合理密植群体的叶面积系数增长较快,可以较早达到适宜叶面积系数,为充分利用生育前期的光能,增加早期结铃奠定基础[23-25]。合理密植能确保棉田较早达到较高的叶面积系数,奠定丰产的基础群体。在新疆降雨少、淡水资源又十分有限的生态和生产条件下,尽早建立较大的基础群体是充分利用光能的根本保障[2,17,26-27]。据对不同密度棉花的测定,在苗期至蕾期叶面积指数随密度增加而增大,但当叶面积指数超过1后,其与密度间的正相关关系逐渐减弱[13]。为奠定丰产基础群体,通常南疆棉区收获株数为16.5—19.5万株/hm2,北疆棉区（早熟棉亚区）收获株数为18.0—22.5万株/hm2,平均株距控制在10.0—12.0 cm之间[17, 27]。适宜机采棉田行距主要采用66 cm+10 cm或64 cm+12 cm或68 cm+8 cm带状种植模式,近年新疆还积极探索72 cm+4 cm的三角留苗带状种植模式,以确保棉田充分密植和棉花的高采净率,76 cm等行距种植也在示范推行中[28]。目前新疆大部分机采棉田采用66 cm+10 cm或64 cm+12 cm种植模式[17]。
2.2 促控结合,塑造高光效群体结构
群体结构决定着叶片在群体内的空间分布及其受光态势,进而直接影响叶片光合作用。通过合理密植,使棉田具有较大的基础群体还不足以保证光能有效利用,还必须通过一系列促控措施,使群体结构合理,建立高光效群体是进一步提高光能利用率、实现“向光要棉”的核心。构建棉花高光效群体,就是要使叶面积的时空分布能最大限度地利用光能,而呼吸消耗最小[13,29]。2.2.1 高光效群体结构指标要求 一是适宜的叶面积系数。适宜叶面积系数是群体获得最大干物质积累量所需要的最小叶面积指数。低于适宜范围,制造的光合产物少,产量低;超过该范围,则冠层中下部荫蔽,群体光合速率降低而导致减产[30-31]。不同群体结构类型的适宜的最大叶面积系数范围不同。新疆产棉区采用密植小株类型为3.7—4.0,黄河流域棉区中密壮株类型为3.5—3.8,长江流域棉区稀植大株类型为3.7—4.3[1]。
二是适宜叶面积系数动态。苗期是以促进叶面积增长为主,现蕾到盛花期叶面积系数要求平稳增长,使最大适宜叶面积系数在盛铃期出现,之后棉花生长趋向衰退。为防止过快过早衰退,则要采取促进措施,使叶面积系数平稳下降（表3）[32]。据2008—2009年在新疆阿克苏的研究,与普通棉花相比,高产棉花开花前株高、现蕾速率增长较快,至开花期高产棉花株高达到55 cm;现蕾期叶龄每增加1,现蕾增加2.5—3个;高产棉花现蕾期至开花期LAI增长较快,盛花期达到峰值,且光合速率保持较高水平,吐絮期下降速度比普通中低产棉花缓慢,同时后期保持较大的光合有效面积[33]。
Table 3
表3
表3不同群体结构类型适宜叶面积系数动态
Table 3Dynamics of optimum LAI in different types of population
| 群体结构类型 Type of population | 现蕾期 Early squaring | 盛蕾期 Peak squaring | 初花期 Early flowering | 盛花期 Peak flowering | 盛铃前期 Early peak boll-setting | 盛铃后期 Late peak boll-setting | 盛絮期 Peak boll- opening |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 密植小株类型 High plant density with small-sized plants | 0.25-0.6 | 1.0-2.0 | 1.3-3.3 | 2.8-4.4 | 3.5-5.0 | 3.0-3.8 | 2.0-3.3 |
| 中密壮株类型 Moderate plant density with strong plants | 0.25-0.3 | 0.4-0.6 | 1.3-1.7 | 2.3-3.2 | 3.5-3.8 | 2.7-3.2 | 1.8-2.5 |
| 稀植大株类型 Low plant density with large-sized plants | 0.3-0.8 | 1.0-1.2 | 2.4-2.6 | 3.3-3.5 | 4.0-4.3 | 3.0-3.3 | 2.5-2.7 |
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三是株高适宜。新疆产棉区密植小株类型群体结构,公顷产皮棉1 875 kg以上,株高应控制在70 cm左右,单株果枝8—11个,主茎节间长度4—5 cm。北疆公顷皮棉2 250 kg的棉田,种植密度14.6万株/hm2,株高64.1 cm,单株果枝11.3个,单株结铃7.4个,单铃籽棉重5.6 g,衣分38%,实收公顷皮棉2 292 kg;在13—16.2万株/hm2的高产棉田,收获期株高65—69 cm [30, 34]。据郭仁松等[33]的研究,盛蕾期、开花期和盛花期株高日增长量以0.83、1.26和1.11 cm·d-1比较适宜[33]。不过,从提高品质和便于机采考虑,在适当降低密度的前提下,株高宜提高到75cm左右。
四是适宜的节枝比。在密度相同或果枝数相同的情况下,节枝比较低,说明各果枝上的果节太少,棉株细瘦,不利于形成高产株型。当节枝比过高时,由于各果枝上果节太多,表明横向生长过强,造成棉株群体严重荫蔽,产量也难以提高。新疆产棉区高密小株类型群体结构,适宜节枝比为2.5左右;山东棉区中密壮株类型群体结构,适宜节枝比为3.5左右;江苏棉区稀植大株类型群体结构,适宜节枝比为4—4.5 [35-36]。
五是果枝及叶片角度分布。光合作用和干物质生产与冠层光截获和分布状况密切相关。不同产量水平棉花冠层光分布和光合分布之间均存在极显著正相关 [31, 37],产量水平高的棉花,冠层中两者的分布相对较均匀,有利于提高光能利用率和群体光合生产能力[37]。在LAI相同的条件下,叶角大小是影响群体内部光照强度的一个重要因素。叶角与透光率之间呈负相关。新疆高产棉花群体冠层叶丛倾角,随LAI变化由小变大,再由大变小。在盛铃吐絮期冠层由上至下,叶倾角（与主茎的夹角）由大到小,上部76°—61°,分别比中部、下部大17°—12°和36°—25°。散射光透过系数,盛蕾期最高,盛花期开始减弱,盛铃后期下降到最低值,吐絮期又有增加。直射光透过系数变化趋势与散射光相似[26, 31]。
冠层顶部叶倾角较大,底部较小,有利于增加冠层透光率,而与棉铃着生部位邻近的叶片面积大且趋于水平,可提高同化物的吸收效率,增加透过冠层的光合有效辐射能增加光合作用[39-41]。果枝的角度分布直接影响到叶角的分布,一般果枝与主茎的夹角越小,则该果枝上叶片与主茎的夹角也越小,果枝着生角度与叶角分布呈显著正相关,棉花冠层的叶角几乎与果枝的夹角相当,叶角小则冠层下方透光率和单株成铃率高。因此,从缩小果枝与主茎的夹角入手,进而缩小叶角十分重要[38]。
六是铃叶比。提高铃叶比,意味着能提高棉花群体冠层叶片光合作用潜能,促进光合强度增强,光合产物总量增多,提高干物质积累量,并能促进光合产物向外输送,调节光合产物的合理分配,最终能有效地提高棉花产量。因此,提高棉花单位叶面积对棉铃的负载能力,是棉花增产的重要途径,但是铃叶比要控制在一定范围,过高的铃叶比会引起棉花早衰,反而不利于高产优质[42]。
近年对新疆产区高产棉田群体结构的分析表明,这些高产棉田基本上都达到了高光效群体结构的要求。主要体现在：一是光合面积增加、动态合理。北疆子棉单产3 500 kg·hm-2以上超高产棉田LAI在盛铃期高达4.5—5.0,且吐絮初期仍维持在3左右,较3 200 kg·hm-2和2 250 kg·hm-2棉田分别高4.1%和92.8%[31, 37]。南疆子棉单产4 500 kg·hm-2以上棉田盛铃期LAI峰值为4.4,至吐絮期LAI降低并仍保持在3左右[43]。因此,LAI高且持续期长,光合面积大,叶片衰老缓慢,是新疆棉花高产超高产的重要生理基础。二是超高产棉花叶片光合速率较高,持续期呈增长趋势。新疆棉花在盛蕾期至盛花期均具有较高的光合速率,至初絮期,3 500 kg·hm-2以上的超高产棉田叶片光合速率仍维持在22.2 μmol·m-2·s-1左右,显著高于一般产量水平的棉田[38]。三是超高产棉花群体光合速率整体较高。群体光合速率越高,干物质累积越多;盛铃期后,高产棉田群体光合速率显著高于中低产棉田;盛铃期和吐絮期群体光合物质生产对棉花产量高低有重要作用[30-31, 37]。四是超高产棉花干物质积累量大,生殖器官分配的比例较高,具有较高的经济系数[30, 37, 43]。
2.2.2 塑造高光效群体结构的主要措施 一是合理密植和行株距配置。合理的冠层结构是获取高产的基础,适宜的种植密度和行株距配置可以构建理想的冠层结构,改善田间群体的通风透光条件[24]。行距过窄或过宽都会导致棉田群体与个体之间关系不协调,最终造成减产。调整行株距配置也是实现种植方式与机械化作业相结合的重要手段。正在新疆推广普及的机采棉配置方式,除有利于机械采收外,生育前期有较高叶面积指数,后期叶面积指数下降较缓慢,光能利用率高。新疆生产建设兵团第七师近年来推广杂交棉健株栽培技术,76 cm 等行距,收获密度12—15万株/hm2,封行要求的果枝长度达到35 cm,株高80—90 cm,全株10—11个果枝,通风透光好,产量品质高[28, 44]。二是综合调控塑群体。按照高光效群体指标的要求,综合运用调控手段塑造高光效群体。新疆棉花群体调控手段主要有水肥调控、耕作调控、化学调控等[45]。首先应合理运筹水肥,如适时适量灌水、追肥,控制中后期氮素化肥用量,杜绝“大水大肥”猛攻导致营养生长过旺,生殖生长发育迟缓,形成“高、大、空”植株的现象;其次是以缩节胺进行化学调控,促进营养生长及时向生殖生长转化,最终实现株型矮化不松散、主茎节间与果枝长度较短的目的。第三是适时早打顶,并配合中耕等措施。通过合理的群体结构调控与优化技术,可实现新疆棉田植株矮化、群体结构合理的目的[17]。
3 节水灌溉,向“水”要棉
新疆干旱少雨,南疆主产棉区年降水量常年仅为70 mm左右,而淡水资源又十分有限[3]。因此,采用膜下滴灌,实现水肥一体化,是充分发挥有限淡水资源潜力、向水要棉的的关键技术[10]。3.1 膜下滴灌技术
新疆棉花现有滴灌面积120万hm2以上,基本为有压滴灌技术,该技术与地膜覆盖结合,形成新疆独具特色的棉花膜下滴灌技术[17]。在棉花播种时,通过专用播种机实现铺滴灌带、铺膜和播种一条龙作业。通常每幅膜下铺设二带（指滴灌带）或三带,即一膜二带或一膜三带。浇头水前,人工铺设支、辅管于地表并与干管相连接,毛管入口与相应的支管及配套设备连接。全生育期滴水8—12次,每次用水量225—300 m3·hm-2,晚滴头水的棉田头水量可增至300—375 m3·hm-2,全生育期滴水量4 625—5 300 m3·hm-2[9]。根据棉花长势、长相确定滴水时间与水量,同时调节投入的可溶性肥料种类与数量,使棉花主要根系区的土壤始终保持疏松和最佳供水、供肥状态,因而既能提高地温、减少棵间蒸发,又能减少深层渗漏,达到综合节水与增产的效果[46]。
3.2 干播湿出播种技术
随着新疆农业用水越来越多,特别是主产植棉区的棉田面积不断扩大,以及因全球温度上升导致高山雪线的不断上移,冬灌或春灌用水日益紧缺,已无法提供充足的冬灌或春灌用水。针对此,新疆产棉区,特别是北疆普遍应用“干播湿出”播种技术,即在棉花播种前既不冬灌也不春灌,而是直接整地后铺设地膜、滴灌带和棉花播种,待达到出苗温度时通过膜下滴灌方式少量滴水,使膜下土壤墒情达到棉花种子出苗的要求[47]。干播湿出技术要求高标准整地,铺设滴灌带和地膜,采用“一管二”滴灌模式;及时播种,播种后,待地温上升到适宜棉花出苗的温度时开始膜下滴水[48];“干播湿出”棉田棉苗高脚苗现象较严重,应注重苗期缩节胺化调,一般在棉花出苗达二片真叶展平期第5—7天,喷施缩节胺[49]。由于“干播湿出”棉田不进行冬、春灌,只是在棉花播种后滴水补墒,用水量只有传统播种技术的20%左右,节水效果显著,对缓解新疆水资源季节性紧张作用明显[50]。3.3 水肥一体化技术
基于特殊的气候环境与农业特色,新疆棉花膜下滴灌水肥一体化技术已成为该区棉花生产的重要技术[10, 51-52]。随水滴灌施肥的水肥一体化技术,将可溶性固体或液体肥料,溶解于施肥罐水中,借助可控有压力的管道系统供水、供肥,通过管道和滴头形成均匀、定时、定量滴灌,浸润棉花根系发育生长区域,使棉花主要根系所在局部区域土壤始终保持疏松和适宜的含水量。目前新疆高产滴灌棉田已普遍实现推广应用灌溉与追肥融为一体的水肥一体化技术,实现了“少量多次”的水肥精准管理。水肥一体化能及时供肥,且易于棉花吸收,减少了肥料挥发和流失,尤其是有效避免了铵态和尿素态氮肥的挥发损失问题,大大提高水肥利用率,不仅节水、省肥,而且施肥简便、省工节本。3.4 调亏灌溉技术
调亏灌溉（RDI）就是根据作物的生理需水特性,在作物生长发育的某些时期人为施加一定程度的水分胁迫,达到节水不减产或增产的目的。基于多年研究和实践,新疆南疆探索形成的“宽膜覆盖、膜下滴灌、中等密度、正常灌溉定额”技术得到广泛应用,该技术中普遍采用种植密度一般在18万株/hm2,生育期内滴水5 000 m3·hm-2左右,滴水12次[52-54]。山东棉花研究中心与兵团第三师农业科学研究所的研究发现,在正常灌溉条件下,采用18—24万株/hm2的密度能够获得较高的产量;增加灌溉量,实现饱和灌溉,无论种植密度如何调整,其经济产量并没有提高,反而在中、高密度下出现显著减产;采用调亏灌溉,在灌水量减少20%的情况下,尽管中低密度下经济产量不高,但在高密度条件下,经济产量与正常灌溉的产量相当。从节约用水、提高水分利用率角度分析,采用调亏灌溉并适当提高种植密度是新疆干旱区植棉可行的节水栽培途径[55]。4 农机农艺融合,向“轻简化”要 效益
棉花轻简化栽培中的“化”是指农艺技术与物质装备的有机融合,是轻简化栽培的重要组成部分。物质装备包括棉花品种、农业机械和肥料、植物生长调节剂等。农机农艺融合贯穿到棉花生产的全过程,包括土地整理及播前灌溉、前茬作物秸秆处理与耕前残膜回收、耕整地、种植、田间管理乃至棉花采收等诸多环节实行机械化作业,最大程度地减少人工操作和投入[8, 17]。全程机械化是棉花 “轻简化”生产的奋斗目标。新疆生产建设兵团在棉花全程机械化生产技术的研究和实践方面走在了全国前列,为全国棉花轻简化生产树立了典范。棉花生产全程机械化技术是一项综合性工程,涉及遗传育种、农艺栽培、机械设计、信息控制、智能装备等多个学科。近年来,新疆生产建设兵团等单位开展深入研究与实践,较好地实现了农机与农艺的融合[2, 56]：根据农艺栽培要求,研发了符合机械采收的66 cm+10 cm和72 cm+4 cm宽窄行距配置模式;针对棉花精量播种对种子质量的要求,研发了棉种加工及精选技术与装备;提出“矮、密、早、膜、匀”超窄行精量播种技术,实现了窄行最小行距4 cm;基于模块化设计思想研制了机械式穴播器,解决了种子卡壳、破碎等技术难题,实现了每穴1 粒、2 粒或“1-2-1”粒的定量精播,并研发了超窄行及机械式膜下滴灌精量播种机,既节省了用种,也减免了放苗、间苗和定苗环节;研发了与大马力拖拉机配套的联合整地机系列产品,满足了宽膜铺设、精密播种及种子出苗生长对土壤环境的要求;通过消化、吸收国外先进滴灌技术,成功研发了本地化的低成本滴灌节水技术与装备;研发了棉花全耕作期专用喷雾机,解决了高密度栽培模式下施药效果差的难题,突破了脱叶剂均匀施药技术瓶颈;通过引进、消化、再创新,成功研发了水平摘锭式、梳齿式两种不同类型的采棉机,实现了采棉摘锭等关键部件的国产化。在此基础上,成功构建了以膜下滴灌精量播种、宽膜覆盖和水肥一体化为核心的棉花全程机械化生产技术体系,包括棉种精选、棉田整理、精量播种、植保管理、脱叶催熟、机械采收、籽棉贮运等,实现了农艺技术与物质装备的高度融合,较好地解决了“高产”与“简化”的矛盾,促进了新疆棉花持续高产高效[8, 56]。
5 高产简化栽培技术与机理研究展望
新疆棉区干旱少雨,光能丰富,热量不足,无霜期短的自然生态条件特点,决定着棉花栽培管理技术体系的基本特征与趋向[57]。由于光温高能同步期短,光照资源未能充分利用。因此,如何延长从开花结铃到霜前吐絮的时间,为多结铃以及促进棉纤维发育成熟、提高霜前花率赢得更多时间与光热资源,也就是如何在有限时间内多结铃、结优质铃,提高光能利用率,是新疆棉花持续高产优质的关键所在;突破化学封顶、水肥药一体化、地膜优化或替代技术,农机农艺融合、机械化智能化结合,建立和提升以机械化采收为核心的全程机械化植棉技术,是新疆棉花轻简高效生产的关键。5.1 棉花高产简化栽培途径与机理的创新和引领
受单纯高产技术思路的影响,当前新疆棉区出现了棉花种植成本较高、棉花生产品质较差,进一步提高单产和效益难度大等问题[58]。基于新疆自然生态特点和存在问题,笔者认为,新疆棉花持续高产高效的技术途径也要与时俱进,首先应由“向温、向水要棉、要效益”,转变为“向光、向水肥一体化、向农艺技术与物质装备高度融合要产量、要品质、要效益”;其次棉花栽培管理要改过去“三分种、七分管”为“七分种、三分管”,通过提高种子质量、整地质量、播种质量等实现一播全苗、壮苗和合理的基础群体,简化和减少管理环节;第三是摒弃单纯追求高产的指导思想,应以质量、效益为中心,实现高产优质平衡发展。因此,要注重对棉花高光效群体的调控,通过建立高光效群体,提高光能利用率,协同提高棉花产量和品质[58-61];要重视种子品质、提高播种质量,在“种”的环节多下功夫,进一步节本增效。棉花高产简化栽培理论是创新和运用棉花高产简化栽培技术的指导和依据。因此,要根据新疆棉花的生态特点和生产条件,深入研究轻简化、机械化栽培条件下棉花产量和品质形成的规律及其调控机理,包括精量播种棉花成苗机理,行株距及密度对叶枝生长发育、株型及群体结构的调控机理,免打顶及化学封顶棉花的产量、品质形成与时空分布规律,脱叶催熟与环境因子对棉花产量、品质的互作效应等,为新疆轻简化、机械化植棉提供理论指导。同时,进一步明确单产皮棉3 000 kg·hm-2以上棉田的高光效群体结构指标,膜下滴灌与水肥一体化条件下的根系发育与分布规律、水肥利用效率及其影响因素,为实现棉花高产更高产提供理论依据。
5.2 基于充分利用光能的群体综合调控技术优化和提升
基于“干旱少雨、热量不足”的自然生态条件,新疆产棉区的棉花栽培管理历来围绕“温”和“水”而展开,但进一步挖掘热量和水资源的潜力不大,而“光”则有很大的潜力可挖[13]。因此,应根据当地土壤类型、光、温、水等条件和品种类型等,确定合理的种植密度和棉花个体生长发育技术指标;根据“精准化、全调控、高效率”的基本要求,提升棉花群体综合调控技术,进一步提高光能利用率[56]。为此,应在进一步优化棉花高效群体结构指标的基础上,一方面要突破或完善精量播种技术、精准施肥技术、水肥药一体化技术、化学整枝技术等单项关键技术;另一方面要研发新型肥料、植物生长调节剂以及播种、植保和打顶机械等物质装备,实现对棉花群体结构的精准高效调控,进而将光能利用率提高到一个新水平。5.3 适宜全程机械化植棉的单项关键技术的突破
一是研究熟化化学封顶技术。化学封顶是利用植物生长调节剂抑制棉花顶尖生长,代替人工打顶的技术措施。化学封顶能降低用工成本、提高劳动生产率,化学打顶代替人工打顶是全程机械化植棉的必然趋势和要求。目前,化学封顶技术正在西北内陆棉区试验示范之中。人工打顶只去掉主茎顶,而化学封顶则在抑制主茎顶端生长的同时,侧枝、叶片等的生长发育也受到一定程度的抑制。因此,要进一步研究棉花化学封顶剂的作用机理及对棉花农艺性状的影响;掌握化学封顶剂适宜的喷施时间和剂量,在此基础上,加快制定棉花化学打顶综合配套技术规程。二是地膜覆盖技术的污染消除和替代措施。地膜覆盖因物理学、生物学的独特功能被喻为“白色革命”,也因严重污染农田被誉为“白色污染”,与环境友好不相协调。多年多地膜替代试验示范指出,光解膜[62-63]、生物降解膜[64]和液体地膜[65]等虽可在一定程度上解决白色污染问题,但都不易达到传统聚乙烯地膜覆盖产生的增温保墒控草效果[65]。因此,一方面要继续研发新型完全降解地膜;另一方面要通过地膜加厚或添加新材料提高地膜抗老化能力,提高地膜回收率,减少残膜污染。三是发展信息智能化技术。新疆棉花信息智能化技术目前主要体现在播种和灌溉两个方面。在棉花播种作业时,播种机械上装有GPS卫星定位和自动导航系统,能实现无人自动驾驶操作,且白天黑夜均可作业。自动化智能滴灌系统采用无线数据采集监控技术及滴灌自动化技术,能根据地块位置和棉田用户不同层次用水的实际需求,实现棉田滴水、施肥的自动控制[2, 67]。应在继续完善提升和加大应用智能化播种和灌溉技术的基础上,研发智能化综合调控技术、植保技术和机械采收标准化技术。综上,多年来,新疆产棉区采取的棉花持续高产高效的技术途径是“促早栽培,向‘温’要棉;密植矮化,向‘光’要棉;水肥一体化,向‘水肥高效’要棉;农机农艺融合,向‘轻简化’要效益”。当然,新疆棉花生产发展的最终目标是实现质量效益型的轻简化栽培。基于新疆自然生态特点和存在问题,今后为实现更高层次的高产简化栽培,保障新疆产棉区持续高产高效,其栽培技术途径应由“向温、向水要棉、要效益”,转变为“向光、向水肥一体化,向农艺技术与物质装备高度融合要棉、要效益”;要改过去“三分种、七分管”为“七分种、三分管”。同时,要深入研究高产棉花产量和品质形成的生物学原理,研究轻简化、机械化条件下的生物学、生理学机制为轻简栽培提供理论指导。要通过建立高光效群体,提高光能利用率,进一步提高产量和品质;要研究熟化化学封顶或机械打顶技术,重视解决地膜覆盖所引发的污染问题,大力发展信息智能化技术。可以预见,新疆棉花高产简化栽培技术体系的提升和完善,将进一步推进新疆棉花生产的持续健康发展。
The authors have declared that no competing interests exist.
