中国农业科学, 2021, 54(20): 4286-4298 doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2021.20.004

耕作栽培·生理生化·农业信息技术

我国现代植棉理论与技术的新发展——棉花集中成熟栽培

聂军军,1, 代建龙1, 杜明伟2, 张艳军1, 田晓莉2, 李召虎,2, 董合忠,1

1山东棉花研究中心,济南250100

2中国农业大学农学院,北京100091

New Development of Modern Cotton Farming Theory and Technology in China - Concentrated Maturation Cultivation of Cotton

NIE JunJun,1, DAI JianLong1, DU MingWei2, ZHANG YanJun1, TIAN XiaoLi2, LI ZhaoHu,2, DONG HeZhong,1

1Cotton Research Center, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Jinan 250100

2College of Agronomy, China Agricultural University, Beijing 100193

通讯作者: 李召虎,E-mail： lizhaohu@cau.edu.cn。董合忠,E-mail： donghezhong@163.com。

责任编辑: 杨鑫浩

收稿日期: 2020-12-26   接受日期: 2021-04-9  

基金资助: 国家重点研发计划(2020YFD1001002)
国家现代农业产业技术体系(CARS-15-15)
国家现代农业产业技术体系(CARS-15-16)

Received: 2020-12-26   Accepted: 2021-04-9  

作者简介 About authors

聂军军,E-mail： niejunjun521@126.com。

摘要

集中成熟是棉花机械收获的基本要求,系指整株棉花的棉铃集中在一个较短的时间段内成熟吐絮的现象,而集中成熟栽培则是指实现棉花优化成铃、集中吐絮的栽培管理技术和方法。经过多年研究和实践,我国棉花集中成熟栽培的理论和技术业已形成,成为现代植棉理论与技术的重要内容。本文对棉花集中成熟的概念与内涵、关键栽培技术及其生理生态学机理进行了创新性总结。棉花集中成熟栽培要从播种开始,通过单粒精播技术实现一播全苗、壮苗,为集中成熟创造稳健的基础群体;在全苗壮苗基础上,以集中成熟为目标,根据当地的生态条件和生产条件,综合运用水、肥、药调控棉花个体和群体生长发育,构建集中结铃的株型和集中成熟的高效群体结构,实现优化成铃、集中吐絮。单粒精播能够创造适宜的顶土压力和出苗前的黑暗环境,诱导棉苗顶端弯钩形成和下胚轴增粗关键基因表达,促进弯钩形成、下胚轴稳健生长和顶土出苗;出苗后具有独立的生长空间,相互影响小,形成壮苗。密植与化控降低了叶枝叶的光合作用,诱导激素代谢关键基因表达,改变了内源激素含量和分布,抑制了叶枝和主茎顶端生长,实现了免整枝并促进了集中结铃;分区灌溉诱导叶片合成大量茉莉酸,其作为信号分子通过韧皮部运输到灌水区根系,促进水孔蛋白基因表达,提高了根系吸水能力和水分利用率;膜下分区滴灌、水肥协同管理,进一步提高了棉花光合产物向产品形成器官的分配比例和棉株化学脱叶率,促进了集中成熟和高效脱叶,在节水减肥的前提下,产量不减,机采籽棉含杂率显著降低。棉花集中成熟栽培理论与技术是新时代棉花栽培学研究的新成果,是现代棉业发展的重要科技支撑。展望未来,应在深入研究棉花集中成熟栽培生理生态学机制的基础上,选用更加配套的棉花新品种,创新关键栽培技术,研制新的配套物质装备,促进良种良法配套、农艺农机高度融合。同时,还应加强农艺技术与现代智慧植棉技术的有机结合,进一步提高棉花集中成熟栽培的科学性和有效性,为轻简高效植棉提供更加有力的理论和技术支撑。

关键词： 棉花; 集中成熟; 高效群体; 优化成铃; 高效脱叶; 栽培技术

Abstract

Concentrated maturation is the basic requirement of cotton mechanical harvesting, referring to the phenomenon that bolls of the whole cotton plant complete opening in a relatively short period of time. Concentrated maturation cultivation refers to the cultivation management technique and measure for achieving optimized fruiting and grouped maturation in cotton. After many years of research and practice, the theory and technology of centralized maturation cultivation of cotton in China have been established, becoming an important approach of modern cotton farming theory and technology. The concept and connotation, key regulatory technologies and the eco-physiological mechanisms of cotton concentrated maturation were innovatively highlighted and reviewed in this paper. The cultivation and regulation for cotton concentrated maturation should start from sowing. The precision monoseeding technology assured well-established strong seedlings, which created a solid basic population for realization of concentrated maturation. Based on good stand establishment, irrigation, fertilization and plant growth regulators were comprehensively used to regulate the growth and development of plant individuals and populations to construct the ideal plant type and the efficient population structure according to local ecological conditions and production conditions, and finally realize the optimized spatiotemporal distribution and concentrated opening of cotton bolls. Precision monoseeding created a suitable soil pressure to seedlings during emergence and a dark environment before emergence, and induced expression of apical hook formation- and hypocotyl elongation-related genes, which promoted hook formation and hypocotyl growth and seedling emergence. The seedlings under monoseeding had independent growth space after emergence, which had little mutual influence and were easy to establish strong seedlings. Close-planting and chemical control inhibited the photosynthesis of leaves sourced from vegetative branches, and altered the content and distribution of endogenous hormones through changing the expression of key genes of hormone metabolism, which regulated the vegetative branching and apical growth of main stems, and finally realized non-pruning and promoted concentrated boll-setting. Leaf-derived jasmonic acid induced by partial root-zone irrigation, as a long-distance signal transported through the phloem to the irrigated root side, promoted the expression of aquaporin gene, and then improved the capacity of water absorption and water use efficiency. The partitioning of assimilates to cotton bolls and the defoliation rate were significantly improved by fertigation under partial root-zone drip irrigation. In this case, reduced inputs of water and fertilizer as well as significant reduction in heterozygosity in machine harvested seed cotton have been achieved without yield loss. The theory and technology of cotton concentrated maturation cultivation was a new achievement of cotton cultivation research in the new era, and an important scientific and technological support for the development of modern cotton industry. In order to provide a more powerful theoretical and technical support for light and efficient cultivation of cotton in the future, on the one hand, in-depth study is required to reveal the physiological and ecological mechanisms of concentrated maturation. On the other hand, it is necessary to innovate the key cultivation techniques, and to develop the well-matched varieties and agricultural mechanic equipment for their better integration. It is also necessary to strengthen the combination of agronomic technologies with smart agricultural technology, so as to provide a more powerful theoretical and technical support for concentrated maturation cultivation of cotton.

Keywords： cotton; concentrated maturation; high-efficiency population; optimization of boll-setting; high-efficiency defoliation; cultivation technology

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本文引用格式

聂军军, 代建龙, 杜明伟, 张艳军, 田晓莉, 李召虎, 董合忠. 我国现代植棉理论与技术的新发展——棉花集中成熟栽培. 中国农业科学, 2021, 54(20): 4286-4298 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.20.004

NIE JunJun, DAI JianLong, DU MingWei, ZHANG YanJun, TIAN XiaoLi, LI ZhaoHu, DONG HeZhong. New Development of Modern Cotton Farming Theory and Technology in China - Concentrated Maturation Cultivation of Cotton. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(20): 4286-4298 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.20.004

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

棉花原产于热带和亚热带地区,是多年生植物,经过在暖温带长期种植驯化,演变成一年生作物。因此,它既有一年生作物生长发育的普遍规律,又保留了多年生植物无限生长的习性[1]。只要温、光、水等条件适宜,棉株就会不断现蕾、开花、结铃,导致传统栽培棉花的吐絮成熟期（棉株第一个棉铃开裂吐絮到绝大多数棉铃吐絮）长达70—90 d,需要人工收获4—7次[2,3]。但近10多年来,随着经济社会发展和城镇化进程加快,我国农村劳动力数量减少、质量下降,改人工采摘为机械采收已是大势所趋,而机械采收的前提则是集中成熟吐絮[4]。棉花集中成熟是指整株棉花的棉铃集中在一个较短时间内吐絮成熟的现象。对具有无限生长习性的棉花而言,特别是在自然条件较差、种植制度复杂、产量目标要求颇高的中国主要产棉区,实现集中成熟的难度很大,一度成为全程轻简化、机械化植棉“卡脖子”的难题。面对发展机采棉的迫切需求,我国棉花科技工作者因地制宜,创建了适宜不同棉区的独具中国特色的棉花集中成熟栽培技术,并对棉花集中成熟栽培理论进行了较为系统的研究,为我国棉花轻简化栽培、机械化采收提供了坚实的理论和技术支撑[4]。本文以笔者在该领域的研究成果为主,结合国内外其他相关研究,就棉花集中成熟栽培技术及其机理作一创新性总结,为轻简高效植棉高质量发展提供理论和技术支持。

1 棉花集中成熟栽培的背景与概念

我国长江和黄河流域棉区传统栽培的棉花结铃时空分布比较分散,导致吐絮成熟期长达2—3个月,植株高大,外围铃较多,不利于集中收获或机械采摘[4];西北内陆棉区采用密植矮化栽培,虽然能够实现相对集中结铃,但脱叶效果较差,机采籽棉含杂率常在12%以上[5],严重影响机采棉的质量。棉株集中在一个较短的时间段内成熟吐絮并高效脱叶是机械采摘的前提。

1.1 棉花集中成熟栽培产生的背景

棉花具有其他大宗农作物所不具备的生物学特性,如喜温好光、无限生长、结铃自动调节和补偿能力强等[1],我国人多地少和以往农业生产不计人工成本的状况与习惯,导致传统棉花栽培一直走精耕细作的道路,特别是收获环节,人工采摘4—7次,虽然费工费时,但棉花含杂率低、品质较好[6]。因此,传统精耕细作栽培对棉花是否集中成熟没有要求,结铃分散、吐絮成熟期长反而有利于劳动力的安排,适合一家一户的小农生产。

随着经济社会快速发展和城镇化进程加快,我国农村青壮年劳动力大量流失,留在农村从事农业生产的劳动力呈现出老龄化、妇女化和兼职化的特征[7]。加之农村雇工费用大幅度增长,一家一户的分散经营模式和劳动密集的精耕细作栽培管理技术不仅不适应当前棉花生产的发展,更成为今后棉花生产可持续发展的严重障碍。尽管我国西北内陆棉区采用密植矮化栽培,实现了相对集中结铃,但是受群体密度过大、行株距配置不合理、水肥投入多等因素的影响,棉田脱叶效果差,机采籽棉含杂率常在12%以上[5],严重影响了机采棉的质量。因此改革传统生产经营方式和栽培管理技术,特别是优化株行距配置、肥水调控等,创建集中成熟、高效脱叶的棉花群体,并最大限度地用机械代替人工,实行规模化、机械化和集约化植棉,简化种植管理程序、减少作业次数、减轻劳动强度,实现棉花生产的轻便简捷、节本增效是我国棉花生产高质量、可持续发展的必由之路[3]。轻简高效植棉最难的环节是采收的轻简化、机械化,也就是集中吐絮和机械采摘问题。因此,实现棉铃优化分布、集中吐絮成熟成为轻简高效植棉研究的重点。

1.2 集中成熟栽培的概念和内涵

棉花集中成熟是指整株棉花的棉铃集中在一个较短的时间段内成熟吐絮的现象[3]。棉花集中成熟栽培则是指实现棉花优化成铃、集中吐絮的栽培管理技术及其理论依据。总结起来,棉花集中成熟具有四方面内涵。

一是集中成熟是一个相对的概念。集中成熟就是要求吐絮成熟期尽可能缩短。就整株棉花而言,成熟期或吐絮期通常是指一棵棉花第一个棉铃吐絮到最后一个棉铃（或绝大多数棉铃）吐絮完成所需要的天数;就整块棉田而言,则是指一块棉田50%棉株上的第一个棉铃吐絮到50%棉株的最后一个棉铃（或绝大多数棉铃）吐絮所需要的天数。吐絮成熟天数越短,集中成熟程度越高,越便于集中或机械采摘。但是,吐絮成熟期的长短没有统一的规定,集中成熟是相对于传统栽培棉花结铃吐絮分散、成熟期过长而言的,是一个相对的概念。

二是集中成熟与早熟的关系。早熟也是集中成熟的一个重要指标和基本要求,即在有效生长季节内棉铃尽可能早的吐絮成熟,完成生活周期。我国主要产棉区要么热量条件十分有限,要么实行两熟甚至多熟制,需要及时腾茬,因此对棉花早熟的要求十分严格[8]。实现棉花早熟,一来可以避免棉花生育后期害虫或低温早霜对产量、品质的影响,二来对于两熟或多熟种植系统,能够为后茬作物的播种争取时间。对于机采棉而言,采摘前需要化学脱叶催熟,早熟既是减少脱叶催熟所致棉花产量损失的重要途径,也是提高脱叶率的根本保证。由此可见,早熟是机械采收的必然要求,无论是一年一熟还是两熟种植都必须强调早熟。吐絮“早而集中”是集中成熟、机械采收的基本要求。

三是集中成熟与优化成铃的关系。棉花产量和纤维品质的形成是通过棉株不断结铃实现的,受结铃时间、棉铃所处空间部位及棉株生理年龄等因素的显著影响。优化成铃就是要求棉株在最佳结铃期、最佳结铃部位和最优生理状态时多结铃,结优质铃[9]。优化成铃是实现集中成熟的必然要求和重要途径。棉花集中成熟不只是时间上的“集中”,在结铃的空间部位上也要相对集中。为实现优化成铃和集中收获的目标,应充分协调品种、环境和栽培措施三者的关系,在增加生物学产量的基础上,稳定或提高经济系数;在增加单位面积总铃数的基础上,稳步提高铃重。这不仅要主动而有预见性地控制棉花个体发育,培植集中结铃的理想株型,促进棉花正常成熟,还要根据当地生态条件,优化群体结构,协调好棉花生长发育与环境条件、个体与群体、营养生长与生殖生长以及地上部与地下部的关系[1, 10-11]。黄河流域棉区优质棉铃开花期为7月10日至8月15日;长江流域棉区为7月15日至8月20—25日;西北内陆棉区为6月底日至7月底[12,13]。优化成铃、集中成铃就是要求棉花开花结铃高峰期集中在这一时间范围内。

四是集中成熟与高效脱叶的关系。高效脱叶是棉花机械采收的关键配套技术,通常是利用噻苯隆等脱叶剂诱导叶片产生乙烯,同时抑制叶柄中生长素的极性运输,使离区细胞对乙烯更为敏感,叶柄基部形成离层,继而诱导叶片脱落[14]。棉花具无限生长习性,生育中后期往往继续长叶、现蕾、开花,化学脱叶的同时一并去除了无效蕾、花、铃,并防止了棉花的二次生长,因此,在一定程度上直接优化了棉铃的时空分布。并且,脱叶剂噻苯隆等通常还与催熟剂乙烯利等混配施用[14,15],在脱叶的同时,促进了棉铃的开裂,进一步提高了集中成熟吐絮的程度。另外,脱叶后棉田通透性提高,也间接促进了棉铃开裂吐絮,有利于机械采摘。由此可见,集中成熟与高效脱叶是高度统一的,但有时也会出现矛盾。例如,高密栽培虽然促进了集中成熟,但是密度过高、行距过窄,群体郁闭,脱叶剂打不透、落叶挂枝不掉落,则会显著影响化学脱叶效果,导致机采籽棉杂质含量高达12%以上[1],严重影响机采棉的质量[16,17]。实际生产中要通过密度与行株距合理配置,以及优化肥水运筹等尽可能避免这一矛盾的出现。

1.3 棉花集中成熟高效群体

就生产而言,重要的是群体而不是单株意义上的集中成熟。因此,建立集中成熟的高效群体至关重要。在传统精耕细作、人工采摘条件下,我国西北内陆、黄河流域和长江流域棉区通常分别采用“高密小株型”、“中密中株型”和“稀植大株型”3种群体结构[9, 17]。这3种群体结构以高产超高产为主攻目标,较少考虑生产品质和成本投入,更没有顾及集中成熟收获的便宜。其中,西北内陆棉区采用的“高密小株型”群体密度过大,行株距配置不合理、水肥投入多,群体臃肿,株高过低,脱叶效果差,不利于机械采收,也降低了机采籽棉的生产品质[3, 17];黄河和长江流域棉区采用的“中密中株型”和“稀植大株型”群体,密度偏低,基础群体不足,植株高大,结铃分散,烂铃多,纤维一致性差,难以集中（机械）采收[3, 17]。

为解决以上问题,笔者提出了3种集中成熟高效群体[17],即“降密健株型”、“增密壮株型”和“直密矮株型”群体,分别适应于西北内陆、黄河流域和长江流域棉区。这3种新型群体,充分利用了不同产棉区的生态条件,个体株型合理、群体结构优化,使棉花高光合效能期、成铃高峰期和光热资源高能期同步（“三高”同步）,在最佳结铃期、最佳结铃部位和棉株生理状态稳健时集中结铃,实现了集中成熟和便于脱叶,为集中成熟或机械采收奠定了基础。其中,“降密健株型”群体是在传统“高密小株型”群体的基础上,以培育健壮棉株、优化成铃、提高机采前脱叶率为主攻目标,通过适当降低密度（20%—25%）和适当增加株高（20%—30%）等措施而发展起来的新型棉花群体,皮棉产量目标为2 250—2 400 kg·hm-2,适合于西北内陆棉区[17]。“增密健株型”群体是在传统“中密中株型”群体的基础上,以培育壮株、优化成铃、集中成熟为主攻目标,通过适当增加种植密度（30%—50%）,并适度降低株高（25%—30%）等措施而发展起来的新型棉花群体,皮棉目标产量为1 650—1 800 kg·hm-2,适合黄河流域一熟制棉花[7]。“直密矮株型”群体是在黄河、长江流域两熟制棉区传统“稀植大株”群体的基础上,改套种或育苗移栽为大蒜（油菜、小麦）收获后抢茬机械直播早熟棉或短季棉品种,通过增加密度、培育矮化健壮植株、优化成铃、集中成熟为主攻目标的新型棉花群体,皮棉目标产量为1 500 kg·hm-2[3, 17]。

2 棉花集中成熟关键栽培技术

棉花集中成熟栽培或调控要从播种开始。通过单粒精播实现一播全苗、壮苗,创造稳健的基础群体;在全苗壮苗基础上,以集中成熟为目标,根据当地的生态条件和生产条件,综合运用水、肥、药调控棉花个体和群体生长发育,构建理想株型和集中成熟高效群体结构,优化成铃、集中吐絮,为集中收获或机械采摘奠定基础。

2.1 单粒精播全苗壮苗技术

棉花是子叶全出土作物,出苗成苗难度大。加大播量或多粒穴播是传统棉花出苗保苗措施,但出苗后需要人工间定苗,费工费时、效率极低,不仅浪费种子,而且间定苗不及时,棉苗拥挤在一起还容易得病死苗或形成高脚苗,造成棉花基础群体质量差,影响集中成熟[18]。改传统播种为单粒精播、增加播种穴数是解决这一难题的有效途径。为此,建立了“单粒穴播、精准浅播、增加穴数”为核心的棉花单粒精播技术[4],不仅保障了全苗壮苗,使发病死苗率降低,带壳出苗率减少,而且省去了间定苗工序,每公顷省工15个以上,节约用种量50%以上[19,20]。

为适应长江与黄河流域两熟制棉花精量播种的要求,改春棉套种为短季棉或早熟棉接茬机械直播[3, 21],采用大蒜（小麦、油菜）收获后机械精量直播早熟棉技术,实现了两熟制棉花的机械精量播种[8]。为应对西北内陆春季低温干旱,采用“宽膜覆盖边行内移增温、膜下适时适量滴水增墒”的保苗技术,即改窄膜覆盖为宽膜覆盖、将边行棉花适当内移,以提高种子发芽出苗所需的地温;改冬前或春季造墒为干子干土播种,适时适量滴水调控土壤墒情促进种子发芽、出苗和成苗,保障了低温干旱条件下的单粒精播棉花的全苗壮苗[16, 22]。

2.2 密植化控集中成铃技术

棉花具有无限生长习性,棉株主茎基部长有不能直接结铃的叶枝,因此去叶枝是重要的传统植棉技术[1]。为保证在有限生长期内开花结铃和吐絮,传统植棉还要求人工适时打顶[1]。通过提高种植密度控制叶枝的生长发育是简化整枝甚至免整枝的有效途径。

为实现免整枝,可根据当地生态条件和生产条件合理密植,利用小个体、大群体抑制叶枝生长;通过缩节安等植物生长调节剂抑制赤霉素生物合成,控制棉花节间与主茎顶端生长,并配合株行距配置、水肥调控等措施减免去叶枝和打顶环节[23]。其中,西北内陆棉区收获密度为12—20万株/hm2,在前期缩节安化控2—3次的基础上,棉花正常打顶（达到预定果枝数）前5 d,喷施缩节安120—220 g·hm-2,10 d后用缩节安120—220 g·hm-2再次叶面喷施;同时采取节水滴灌、减施氮肥等措施,实现免整枝[17]。黄河流域棉区一熟制春棉收获密度为7.5—9.0万株/hm2,在现有基础上提早化控,首次化控提前到3—4叶期,然后在盛蕾和初花时根据长势各化控1次,3次用量分别为15.0、22.5—30.0和37.5—45.0 g·hm-2;正常打顶前5 d,用缩节安（甲哌鎓）75—105 g·hm-2叶面喷施,10 d后再次叶面喷施105—120 g·hm-2,实现免整枝。黄河和长江流域棉区晚播早熟棉收获密度为9.0—10.5万株/hm2,可根据情况于盛蕾期前后化控1—2次;棉花正常打顶前5 d,用缩节安75—105 g·hm-2叶面喷施1次,实现免整枝。为进一步提高化学调控促进集中成铃的效果,笔者所在团队先后研制出“全精控”（40%甲哌鎓泡腾片,农药登记证号PD20160843）,解决了甲哌鎓粉剂易吸潮不便使用的问题;研制出“化学封顶剂”（25%甲哌鎓水剂,农药登记证号PD20152036）,利用助剂环烷酸盐对顶芽造成微触伤,与甲哌鎓协同作用增强了化学封顶的效果。此外,还应注意选用株型紧凑,叶枝弱、赘芽少的棉花品种;减施基肥和氮肥,苗期慎浇水,氮肥适当后移;合理株行距配置,等行距、南北向种植便于控制叶枝生长发育。

2.3 膜下分区交替滴灌技术

西北内陆棉区在传统膜下滴灌技术的基础上,通过调整滴灌带布局、灌水量和灌水频次的“三调整”,创立了膜下分区交替滴灌或变量滴灌技术。一是因地制宜,将膜带布局调整为1膜6行3带或1膜3行3带为主;二是连续高水量（50—60 mm/次）定额滴灌调整为高水量滴灌与低水量滴灌（23—30 mm/次）交替;三是调整灌水终止期,比传统滴灌提前7 d左右[4]。产量不减,灌水量减少了20%—30%,水分生产效率平均为1.26 kg·m-3,比常规滴灌提高了约20%[24,25]。

黄河流域棉区则在淘汰漫灌的基础上,改长畦为短畦,改宽畦为窄畦,改大畦为小畦,改大定额灌水为小定额灌水,整平畦面,保证灌水均匀。同时,优化后的灌水方式与控释复混肥一次性基施或种肥同播结合,也在一定程度上实现了水肥协同管理[17]。

2.4 肥料轻简运筹技术

不同地区根据种植制度和棉花品种类型制定施肥技术,简化施肥、提高肥料利用率。

一是以产定量,适当减少施氮量。黄河流域一熟制棉花氮肥使用量以180—225 kg·hm-2为宜,N﹕P2O5﹕K2O的比例为1﹕0.45（0.4—0.5）﹕0.8（0.6—1.0）。黄河和长江流域晚播早熟棉施氮量以180—210 kg·hm-2为好,N﹕P2O5﹕K2O的比例以1﹕0.6﹕（0.6—0.8）为宜,适当使用硼肥。西北内陆棉区氮肥施用量为225—330 kg·hm-2,N﹕P2O5﹕K2O比例为1﹕0.6﹕（0—0.2）,适当使用锌肥[1, 17]。

二是适当减少施肥次数或一次性施肥。黄河流域纯作春棉在施用一定数量基肥或种肥的基础上,初花期一次性追施氮肥,其中全部磷、钾肥和40%—50%的氮肥作基肥,剩余氮肥在初花期一次性追施;控释肥或掺混肥可作为基肥一次性施用,提倡采用“种肥同播”方式,大小行种植的施于小行中间,等行距种植的施于覆膜行间,肥料与种子相距10 cm,施用深度10 cm以下[1, 17]。长江流域和黄河流域大蒜（油菜、小麦）后直播早熟棉,一般在盛蕾期或初花期一次性追施速效肥,或采用控释肥“种肥同播”,选择养分释放期为90 d控释肥[26]。为保障土壤肥力的可持续发展,一次性施肥的棉田要实行秸秆还田并结合秋冬深耕培肥土壤[3]。

三是水肥协同高效管理。西北内陆棉区宜采用水肥协同（一体化）管理。依据棉花需肥规律随水带肥,通常20%—30%的氮肥、50%的磷钾肥基施,其余作为滴灌追肥在现蕾、初花、盛花和盛铃期随水追施,花铃肥应占追肥的40%—50%[17]。具体为N 240—300 kg·hm-2,P2O5 120—180 kg·hm-2,K2O 50—100 kg·hm-2。高产棉田适当加入水溶性好的硼肥15—30 kg·hm-2、硫酸锌20—30 kg·hm-2。在分区交替滴灌或变量滴灌时,先滴水再滴肥,或在低水量滴灌时滴肥,达到水肥协同高效利用的效果[25]。

2.5 高效脱叶技术

棉花高效脱叶是提高机采棉的采摘率和作业效率,降低机采籽棉含杂率的关键[14, 27]。研究发现,影响脱叶的关键因素是喷施脱叶剂7—10 d内的最高温度和≥12℃的有效积温[28]。另外,脱叶还受药剂浓度、药械和喷施方法的显著影响。因此,要采取“三优”脱叶催熟技术,即优化配方、优选药械、优择喷期,力争达到脱叶率92%以上、机采籽棉含杂率8%以下的目标[29]。

优化配方。目前,脱叶剂大多以噻苯隆为有效成分[30,31],但其对温度较为敏感,敌草隆与噻苯隆复配可以提高低温条件下的脱叶效果[32];同时为了达到较好的脱叶、催熟双重效果,脱叶剂需与催熟剂乙烯利混用,但二者“桶混”（现混现用）应用难度大,通过引入高效助剂和消泡技术,研制出化学封顶剂“欣噻利”（50%噻苯·乙烯利悬浮剂,农药登记证号LS20160119）,有效解决了碱性噻苯隆和酸性乙烯利在液体环境下不能共存的难题,实现单一产品即可脱叶又能催熟;消泡技术的采用,使药剂兑水稀释后几乎无泡沫产生,更适用于无人机高效施药[33]。

优选药械。为了保障棉花脱叶效果,脱叶剂的喷施常采用带吊喷、风幕及分禾器的高地隙大型施药机械来完成[34]。但是,大型施药机械用水量大,无形中增加了成本投入;如遇倒伏严重的棉田,大型施药机械作业对棉花的损伤进一步增大,因此使用植保无人机进行脱叶剂喷施越发普遍。由于无人机施药液量少且欠均匀,常需二次喷施[35,36]。

优择喷期。高效脱叶有利于棉花集中收获,但何时施用脱叶剂需要均衡考虑产量和品质之间的平衡关系[37,38,39]。西北内陆棉区无霜期短,常根据噻苯隆脱叶对最低温度（18℃）及其持续时间（5—7 d）的要求,以吐絮期气温为判断施药时间的第一标准,采用“时到不等絮”的因时施药策略,脱叶剂提前施用,适当降低用药剂量。施药后15—20 d,脱叶率和吐絮率均可达到90%以上,一次性机械采收[40,41];黄河和长江流域棉区一般在棉田自然吐絮50%以上或上部棉铃铃期在40 d以上时（9月底或10月初）进行化学脱叶催熟[4, 42]。

3 棉花集中成熟栽培机理

棉花集中成熟栽培关键技术是单粒精播、密植免整枝、肥水轻简运筹和高效脱叶等。其相应的机理和机制构成了棉花集中成熟栽培的理论,主要包括单粒精播全苗壮苗机理、密植化控免整枝机理、分区交替灌溉节水机理、棉花水肥协同利用提高肥料利用率的机理等。

3.1 单粒精播全苗壮苗机理

双子叶的棉花在幼苗顶土出苗过程中,为保护幼嫩的主茎分生组织免遭机械压力损伤,会在顶端形成弯钩结构,再由下胚轴伸长生长将弯钩顶出土壤,子叶展开,完成出苗[2]。顶端弯钩的形成对棉花正常顶土出苗和脱掉种壳具有重要作用。单粒精播较之多粒穴播,棉苗顶土出苗时,单株棉苗受到的顶土压力较大,诱导乙烯合成基因ACO1表达,产生足量乙烯。乙烯一方面诱导弯钩形成关键基因HLS1的表达,促进弯钩形成;另一方面诱导促进下胚轴增粗、抑制下胚轴伸长的关键基因ERF1的表达,从而促进下胚轴增粗,形成壮苗[20]。另外,单粒精播还能够通过提高棉苗中吲哚乙酸和赤霉素的含量、降低茉莉酸的含量,促进弯钩形成基因HLS1的表达。单粒精播种子出苗后有独立生长的空间,互相影响小,形成壮苗[20]。

3.2 密植化控集中成铃机理

不同密度、叶枝遮阴和缩节安处理试验发现,合理密植促进棉株顶端生长而抑制叶枝生长,缩节安化控有效控制顶端生长[43,44]。密植和人工遮阴改变光照强度和光谱特性,一方面直接削弱了叶枝光合作用;另一方面抑制叶枝顶光受体基因（phyB）的表达,降低了叶枝生长素合成与转运关键基因（GhYUC5、GhPIN）、细胞分裂素合成关键基因（GhIPT3）的表达及相应激素含量,提高了编码独脚金内酯受体基因（GhD14）的表达及其含量,从而抑制了叶枝生长,而主茎顶相关基因的表达和激素含量变化则表现出相反的趋势[43,44]。缩节安通过负反馈调节赤霉素（GA）合成基因GhCPS等及GA信号转导基因DELLA-like降低内源GA3和GA4的含量,从而抑制伸长生长[45];通过提高顶芽活性氧和膜脂过氧化产物含量、降低顶端分生组织相关基因GhREV3及开花相关基因GhSPL3和GhV1的表达起到封顶作用,并有助于塑造紧凑株型[46];还通过提高光合产物向根和生殖器官的运输,减少向主茎顶端运输,抑制了顶端生长[47]。可见,密植和缩节安综合调控不仅降低了棉花株高、果枝和果节数,使节枝比减小,株型紧凑;而且还优化了棉铃时空分布,缩短了结铃期,直接促进了集中成铃。

3.3 部分根区灌溉节水机理

淡水资源缺乏是我国主要产棉区,特别是西北内陆棉区棉花持续发展的重要限制因素。部分根区灌溉是亏缺灌溉的一种类型,通过诱导根区土壤水分不均匀分布,利用处于干旱区的根系因渗透胁迫而产生根源信号,调节叶片气孔导度,在减少作物蒸腾耗水的同时保证光合作用正常进行;同时通过叶源信号,调控湿润区根系吸水,提高水分利用率,实现节水不减产[2]。

研究发现部分根区灌溉条件下,受到渗透胁迫的干旱区根系产生大量脱落酸（ABA）并运输到地上部,一方面通过ABA信号调控气孔开度,减少水分蒸腾;另一方面诱导叶片合成大量茉莉酸（JAs）,JAs作为信号分子经韧皮部运输到灌水区根系,促进H2O2合成关键基因GhRBOHC表达,增加了灌水侧根系中H2O2含量,不仅直接提高了根系中水孔蛋白（PIP）含量,而且诱导ABA合成基因GhNCED表达、抑制ABA分解酶基因GhCYP707A表达,增加了ABA含量,进一步提高了PIP蛋白的活性,从而增加了灌溉侧根系的吸水能力,提高了灌溉水的利用率[48]。

3.4 棉花氮素营养规律与水肥协同高效管理机理

15N示踪试验发现,棉花花铃期累积的氮占其一生吸收总量的67%,其中累积的肥料氮占总吸收肥料氮的79%;棉花对底肥氮吸收的比例最小、对初花肥氮的利用率最高;减施底肥氮、增施初花肥氮,可显著提高棉花经济系数和氮肥利用率,一次性基施棉花专用控释复混肥也可达到与减施底肥氮、增施初花肥氮的施肥策略基本相同的效果,肥料利用率比传统施肥提高了14%—30%[49,50,51]。根据棉花需肥规律合理施肥,特别是速效肥和控释肥配合或复混使用,不仅能够提高肥料利用率,还能控制营养枝和赘芽的生长发育,协调营养生长和生殖生长的关系,促进棉花集中成熟[17]。

西北内陆棉区采用膜下滴灌水肥协同高效管理,即减少施基肥比例、增加追肥比例（基追比由4﹕6调整为2﹕8）;在分区交替滴灌时,先滴水再滴肥,或在低水量滴灌时滴肥,确保肥料集中分布在根系活跃区,实现了水肥协同高效利用;按照棉花需肥规律滴肥,滴肥高峰安排在需肥高峰的花铃期[4]。研究和实践证实,在膜下分区交替滴灌、水肥协同管理条件下,棉花光合产物向产品形成器官的分配显著提高[52],收获指数提高了6%;非叶光合器官（茎枝、铃壳等）的光合生产能力和对产量的贡献率也分别提高了12%和15%[53],脱叶率提高了3—5个百分点;保证了节水省肥条件下棉花经济产量的相对稳定和脱叶率的提高,实现了节水、省肥不减产、提高脱叶率的目标[24]。

3.5 棉花化学脱叶机理

化学脱叶是利用特定化合物抑制生长素的功能,促进或者诱导乙烯产生,进而促进叶片离层的形成,最终达到脱叶目的[54]。从作用机制上可将其分为触杀型和内吸型脱叶剂,触杀型脱叶剂包括脱叶磷、噻节因、草甘膦等通过抑制叶绿素生物合成过程中原卟啉原氧化酶,引起细胞膜破坏或直接作用于叶绿体细胞结构,使叶片迅速脱水干枯、死亡[1]。这类脱叶剂起效快,施用时间宜偏晚,并且注意用量,以免叶片干燥过快挂枝不落。内吸型脱叶剂通过促进内源乙烯的生成来诱导叶柄离层的形成,并且具有催熟作用[55,56]。生产上常用的噻苯隆就属于内吸型脱叶剂,通过调控叶柄离区厚壁组织细胞微管的排列和解聚促进离层形成,还可通过诱导离区脱落相关基因（GhCEL1、GhPG）及乙烯合成基因（GhACS）的表达、增强离区纤维素酶和多聚半乳糖醛酸酶的活性、增加乙烯的积累而促进叶片脱落[41]。噻苯隆在棉株中的传导性较差,幼叶中与乙烯合成（GhACS、GhACO）和信号转导（GhEIN3、GhERFs）相关的基因上调时间早、幅度大,较老叶更容易脱落[57]。对脱叶剂敏感的棉花品种,对乙烯更为敏感,而且脱叶处理后叶片中细胞分裂素氧化酶基因GhCKX3等急剧上调表达,细胞分裂素含量降低,表明细胞分裂素和乙烯信号相互作用共同调控棉花脱叶[58]。

4 集中成熟栽培模式

我国三大产棉区生态和生产条件不同,棉花集中成熟栽培的途径不尽一致。必须因地制宜,建立和应用与三大棉区生态条件相适应的棉花集中成熟模式才能达到预期效果[59,60]。

4.1 西北内陆棉花“降密健株”集中成熟栽培模式

西北内陆棉区构建“降密健株型”群体的核心目标是提高脱叶率,便于机械采收。要实现这一目标的主要技术途径是降密健株,提高群体的通透性[17, 59-60]。为此,要优化株行距配置、膜管配置,综合运用水、肥、药、膜等措施,科学合理调控,即通过调控萌发出苗和苗期膜下温墒环境,实现一播全苗、壮苗,建立稳健的基础群体;结合化学调控、适时打顶（封顶）、水肥协同高效管理等措施调控棉株地上部生长、优化冠层结构,优化成铃,集中吐絮,提高脱叶率。

4.2 黄河流域一熟制棉花“增密壮株”集中成熟栽培模式

黄河流域棉区一熟制棉花通常采用“中密中株型”群体,而且采用早播早发,大小行种植,株高过高、封行过早,导致棉花地上部徒长、根系发育不良而出现根冠失调,因此,要以“控冠壮根”为主线构建“增密壮株型”群体[17, 59-60]。具体而言,一是适当增加密度,并由大小行种植改为等行距种植;二是控冠壮根,通过提早化控和适时打顶（封顶）,控制棉株地上部生长,实现适时适度封行;三是棉田深耕或深松、控释肥深施、适时揭膜或破膜,促进根系发育,实现正常熟相;四是适当晚播,减少伏前桃,进一步促进集中成铃。

4.3 长江流域与黄河流域两熟制“直密矮株”集中成熟栽培模式

长江流域与黄河流域棉区两熟制棉田以接茬直播早熟棉密植争早为主线构建的“直密矮株型”群体。即采用早熟棉或短季棉品种,小麦（油菜、大蒜）后抢茬机械直播,在5月下旬至6月上旬直接贴茬播种,省去营养钵育苗和棉苗移栽,降低了劳动强度,节省了用工,无伏前桃;增密、化控、矮化、促早,种植密度一般在9.0万株/hm2以上,株高控制在90— 100 cm,促进集中成铃[17, 59-60]。

综上所述,棉花集中成熟栽培过程实质是集中成熟高效群体结构的建设和管理过程。为此,首先要根据生态条件、种植模式来确定高效群体结构类型和栽培管理模式;其次根据群体结构类型确定起点群体的大小和行株距搭配,协调好个体和群体的关系,既要使个体生产力充分发展,又要使群体生产力得到最大提高;最后,在群体发展过程中,依靠水、肥、药等手段,综合管理、调控,一方面在控制群体适宜叶面积的同时,促进群体总铃数的增加,达到扩库、强源、畅流的要求,不断协调营养生长和生殖生长的关系,实现正常成熟和高产稳产;另一方面,调控株型和集中成铃,实现优化成铃、集中结铃、集中吐絮,实现产量品质协同提高前提下的集中采摘或机械收获（图1）。

图1

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图1   棉花集中成熟栽培模式图

Fig. 1   Cotton cultivation mode for centralized maturity


5 总结与展望

棉花机械采收提出了集中成熟的要求,集中成熟程度越高,越便于集中或机械采摘。集中成熟是相对于传统栽培棉花结铃吐絮分散、成熟期过长而言的,是一个相对的概念。集中成熟既要求结铃吐絮时间上的相对集中,也要求结铃空间部位上的相对集中。早熟和高效脱叶都是集中成熟的重要内容和要求,即要求吐絮早而集中,集中成熟与高效脱叶相统一。优化成铃是集中成熟的重要途径和协同要求。为此,要良种良法配套、农机农艺结合,从播种开始,通过单粒精播保苗壮苗技术构建高质量的基础群体;通过水、肥、药等措施有效调控个体生长发育,建立集中成熟、高效脱叶的群体结构,确保集中成熟。

必须强调,棉花集中成熟栽培是一个涉及品种、农艺技术、机械装备的系统工程,既受环境条件的影响,也受制于生产要素之间的协调和配套程度,目前建立的栽培技术虽能满足集中成熟和机械采收的基本需要,但尚达不到轻简高效植棉高质量发展的要求,在良种良法配套、农艺农机融合以及集中成熟栽培的信息化和智能化方面还有很大潜力可挖,集中成熟栽培的理论基础也需要进一步夯实。因此,今后应在继续深入揭示棉花集中成熟栽培生理生态学机理的基础上,重点注意以下几个方面的研究。

一是强化良种良法配套、农机农艺融合的研究与应用。当前用于轻简化机械化栽培的棉花品种大都是在精耕细作管理条件下育成的,不是集中成熟栽培和轻简高效植棉的专用品种,达不到优化成铃、集中吐絮、高效脱叶的要求,严重影响了良种良法配套[3]。因此,必须创新品种选育方式,特别是要在轻简化、机械化栽培管理的选择压力下,有针对性的选育株型紧凑、结铃集中、叶枝弱赘芽少、对脱叶剂敏感、棉铃含絮力适中的棉花品种,促进良种良法配套。要进一步研制提升整地、播种、中耕施肥、植保等机械,特别是下大力气研制适合我国内地棉区的中小型采棉机,实现“种、管、收”全程农机与农艺的高度融合。

二是进一步创新完善棉花集中成熟栽培的关键技术。我国不同棉区的生态和生产条件差别较大,实现集中成熟面临的主要问题和困难也不尽一致,要因地制宜,有针对性地创新完善关键栽培和调控技术。西北内陆棉区的重点在于提高脱叶效果、降低机采籽棉含杂率,要做到这一点,关键技术是降密健株、科学运筹肥水并与化学调控结合,建立便于脱叶的高效群体结构。黄河流域棉区一熟制棉花的重点是压缩吐絮成熟期,关键技术是晚播增密、优化成铃;黄河和长江流域棉区两熟制棉花集中成铃的关键是改套种为小麦（油菜、大蒜）后直播,重点是前茬作物收获后抢茬直播早熟棉或短季棉,并实现一播全苗。这些关键技术需要进一步优化或提升,提高集中成熟栽培的效果和效率。

三是用信息化智能化技术武装棉花集中成熟栽培技术,提升栽培管理的精确化、定量化程度。精量播种、水肥运筹、系统化控、脱叶催熟等集中成熟栽培关键技术的运用,目前仍然主要依赖传统经验和知识,针对性、应变性、科学性不强,不仅效果差,还造成大量水、肥、药的浪费。用现代信息化、模型化、智能化、工程化技术武装这些关键技术,实现智慧植棉、精确植棉,必将大大提高调控的技术效果和资源利用效率。因此,加强信息化、智能化、工程化技术与集中成熟调控关键技术的有机结合也是今后研究的重点之一。

总之,集中成熟栽培是棉花栽培学研究的新成果,也已成为我国现代植棉理论与技术的重要组成部分,是新时代我国棉花高产优质高效栽培的重要理论与技术支撑。展望未来,要与时俱进,使之不断创新、完善并用现代化技术和手段予以武装,为我国现代棉业的可持续发展做出新贡献。

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随着机采棉的快速推进, 籽棉含杂率过高导致清理工序过多及纤维不必要的损伤。新疆棉区棉花生长后期的热量资源有限, 如何合理喷施脱叶催熟剂是改善原棉品质的关键技术措施。本研究采用分期喷施脱叶催熟剂的方式, 探讨了温度变化对棉花叶片脱落率的影响及实现棉花叶片快速脱落需要的温度条件。结果表明, 在喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内, 棉花叶片脱落率最高, 达55%~79%, 且与最高温度和每日≥12°C有效积温呈显著的线性关系。若要在喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内实现>55%的叶片脱落率, 则应满足该时间段最高温度大于27.2°C、每日≥ 12°C有效积温大于7.0°C·日的要求。因此, 喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内是实现良好脱叶效果的关键时间段, 期间的最高温度和每日≥12°C有效积温则是影响的关键因素。

TIAN J S, ZHANG X Y, ZHANG L N, XU S Z, QI B Q, SUI L L, ZHANG P P, YANG Y L, ZHANG W F, GOU L.

Temperatures of promoting rapid leaf abscission of cotton in Xinjiang region

Acta Agronomica Sinica, 2019, 45(4):613-620. (in Chinese)

DOI:10.3724/SP.J.1006.2019.84068      [本文引用: 1]

随着机采棉的快速推进, 籽棉含杂率过高导致清理工序过多及纤维不必要的损伤。新疆棉区棉花生长后期的热量资源有限, 如何合理喷施脱叶催熟剂是改善原棉品质的关键技术措施。本研究采用分期喷施脱叶催熟剂的方式, 探讨了温度变化对棉花叶片脱落率的影响及实现棉花叶片快速脱落需要的温度条件。结果表明, 在喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内, 棉花叶片脱落率最高, 达55%~79%, 且与最高温度和每日≥12°C有效积温呈显著的线性关系。若要在喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内实现>55%的叶片脱落率, 则应满足该时间段最高温度大于27.2°C、每日≥ 12°C有效积温大于7.0°C·日的要求。因此, 喷施脱叶催熟剂后(7.0±1.0) d内是实现良好脱叶效果的关键时间段, 期间的最高温度和每日≥12°C有效积温则是影响的关键因素。

代建龙, 董合忠, 李维江, 卢合全, 李振怀, 罗振, 唐薇, 张冬梅, 辛承松, 孔祥强. 一种棉花脱叶催熟悬浮剂及其施用方法: CN201410062858.0. 2014-05-21 [2020-11-01]. https://wenku.baidu.com/view/6b1bc187cdc789eb172ded630b1c59eef8c79a98?fr=xueshu.

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