棉花轻简化栽培是指采用现代农业装备代替人工作业、减轻劳动强度, 简化种植管理、减少田间作业次数, 农机农艺融合, 实现棉花生产轻便简捷、节本增效的耕作栽培方式与方法^[4]。顾名思义, “ 轻” 是机械代替人工, 减轻劳动强度; “ 简” 是减少不必要的作业环节和次数, 简化种植管理; “ 化” 则是农机与农艺融合、良种与良法配套等, 体现出轻简化栽培技术的系统完整性。棉花轻简化栽培是以人为本, 以科技为支撑, 以市场为先导, 与经济发展水平相适应的规模化、机械化、轻简化和集约化棉花生产方式与技术的统称, 是与以手工劳动为主的传统精耕细作相对的概念^{[3, 5]}。棉花轻简化栽培首先是观念上的, 它体现在栽培管理的每一个环节、每一道工序之上; 同时也是相对的、建立在现有条件水平之上的, 其内涵和标准在不同时期有不同的约定。基于此, 轻简化栽培还是动态、发展的, 其具体的管理措施、物质装备、保障技术等都在不断变化、提升、完善和发展之中。轻简化栽培必须遵循“ 既要技术简化, 又要高产、优质、高效, 还要对环境友好” 的原则。技术简化必须与科学化、规范化、标准化结合。轻简化栽培不是粗放管理的回归, 粗放的、不科学的轻简化栽培, 与高产优质背道而驰, 绝不是棉花轻简化栽培的目标和要求, 而是对技术进行精简优化, 用机械代替人工, 用物质装备予以保障, 以此解决技术简化与高产的矛盾。轻简化栽培的途径是, 尽可能使用机械, 用机械代替人工; 尽可能简化管理、减少工序, 减少用工; 提高社会化服务水平, 提高棉花种植的规模化和标准化^[3]。

实现棉花生产的轻便简捷、节本增效, 依赖于轻简化栽培的关键技术, 包括精准播种技术、轻简育苗技术、经济施肥技术、轻简节水灌溉技术以及集中成铃技术等^[3]。

精准播种技术是选用优质精加工种子, 精细整地, 合理株行距配置, 机械定量播种, 不疏苗、不间苗、不定苗, 保留所有成苗的大田棉花播种技术^[4]。在西北内陆棉区, 建立并应用了以“ 先覆膜、后播种” 为特点的棉花单粒精播技术, 将预定数量的高质量种子插播到棉田土壤中预定位置, 使棉花种子在田间三维坐标空间和数量上准确分布, 实现了株距、行距、播种深度和播种量的最佳配置^[6]。在黄河流域一熟制棉区, 建立并应用了以“ 先播种、后盖膜” 为特点的棉花精准播种技术^[7], 减免了间苗和定苗环节。在黄河和长江流域两熟制棉田, 逐渐改棉蒜(小麦、油菜)套种为蒜(小麦、油菜)后短季棉机械精量播种, 也可大大减少用工^[8]。

棉花轻简育苗移栽技术是替代传统营养钵育苗移栽的新技术, 包括苗床基质育苗、穴盘基质育苗和水浮育苗等^[9]。这些育苗方式虽然也遵循了传统营养钵育苗移栽的一般程序, 但创造性地用基质或营养液替代营养土, 并配合使用促根剂、保叶剂等植物生长调节剂, 特别是研制应用育苗成套设备和棉苗移栽机, 在一定程度上实现工厂化育苗和机械化移栽, 在一定程度上简化了程序, 降低了劳动强度。

轻简高效施肥是我国三大产棉区棉花轻简化栽培的另一关键技术。该技术要求, 一是以产定量。长江流域棉区单产籽棉3600~4500 kg hm^-2, 适宜施N量为240~270 kg hm^-2, N:P₂O₅:K₂O大致为1.0:0.6:0.8。黄河流域棉区, 中低产田单产籽棉3000~3750 kg hm^-2, 适宜施N量195~225 kg hm^-2, 高产田单产籽棉3750 kg hm^-2以上, 适宜施N量240~270 kg hm^-2, N:P₂O₅:K₂O大致为1.0:0.6:0.7~0.9。西北内陆棉区单产籽棉4500~5250 kg hm^-2, 适宜施N量为300~375 kg hm^-2, N:P₂O₅:K₂O比例大致为1.0:0.5:0~0.3, 采用水肥一体化时还可减少15%左右^{[3, 6, 10]}。二是应用棉花专用缓控释肥减少施肥次数。长江流域棉区采用一次性基施缓控释肥或“ 一基一追” , 施肥减为1~2次, 缓控释肥80％用量与速效肥100%用量基本等效; 黄河流域棉区采用一次性基施缓控释肥, 施肥次数减为1次, 缓控释肥与速效肥为等量等效^{[11, 12]}。

棉花节水灌溉技术是采用良好的灌溉方法, 最大限度地提高灌溉水利用率的灌水技术。以新疆为主的西北内陆棉区大面积推广应用的膜下滴灌是最典型的节水灌溉技术, 它将地膜覆盖栽培与地表滴灌相结合, 利用低压管道系统供水, 将加压的水经过过滤设施滤“ 清” 后, 再溶入水溶性肥料, 形成水溶液, 均匀而又定量地浸润棉花根系集中区域, 使棉花根系活跃区的土壤始终保持在适宜的含水状态, 实现了水肥一体化, 平均用水量是传统灌溉方式的12%, 是喷灌的50%, 节肥15%~20%^[3]。在此基础上, 西北内陆棉区还开发出调亏灌溉和隔沟交替灌溉等非充分灌溉技术, 节水、节肥效果更加明显^[13]。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, 大大改善了畦灌技术^[3]。

简化整枝主要是指通过控制或利用营养枝实现整枝的简化。一是适当稀植下保留利用叶枝, 每公顷留苗2.70~3.75万株, 对保留的叶枝在主茎打顶前5~7 d打顶, 充分发挥营养枝“ 先扩源、后增库” 的作用^{[14, 15]}, 适合长江流域和黄河流域棉区的杂交棉。二是中等密度条件下撸裤腿, 即于6月中旬大部分棉株出现1~2个果枝时, 将第1果枝下的营养枝和主茎叶全部撸掉, 较精细整枝简便快捷^[16], 适合黄河流域棉区的一熟春棉。三是高密度条件下利用小个体、大群体控制营养枝生长, 并配合化控减免去营养枝环节。其中, 西北内陆棉区以化控与水肥紧密结合, 黄河流域棉区在现有基础上提早化控(由盛蕾期提前到现蕾期)并增加化控次数(由2~3次增加到3~4次)^[3]。

群体调控优化成铃是指塑造高光效群体结构实现集中多结优质铃的栽培技术, 不仅是棉花高产优质栽培的根本技术途径, 也是轻简化、机械化植棉的重要技术保障, 其核心是“ 提前干预、渐进调控、内外调节、促控结合” ^[3]。在西北内陆棉区, 一是选用适宜品种, 采用精加工种子, 精细整地, 适时播种, 播深2.5 cm左右, 确保一播全苗壮苗而形成足够的基础群体; 二是适当降密, 南疆收获株数降为16.5~19.5万株 hm^-2, 北疆降为18.0~22.5万株 hm^-2, 单株果枝数8~12个, 株高75~85 cm; 通过“ 宽膜边行内移、多管滴灌矮化” 技术, 确保棉田水肥、光温高效供给与利用^[17]; 四是采用“ 适增水肥投入次数、头水与尾水间隔时间和耕翻深度, 以合理密植和灌溉调节群体结构, 以优化肥水运筹调节成铃质量^[18]。在内地棉区, 一是适增密度, 长江流域棉区在现有基础上每公顷增加7500株左右, 达到3.0万株 hm^-2左右; 黄河流域棉区在现有基础上每公顷增加1.5~3.0万株, 达到6~9万株 hm^-2; 二是提倡垄作栽培, 垄作与密度互作显著, 垄作配合密植可显著减少漏光损失和烂铃, 增产13.6%^[19]; 三是控制株高, 适时适度封行^[4]。

一播全苗、壮苗是棉花高产稳产的基础环节。棉花是双子叶出土的大田作物, 播种保苗难度大, 加大播种量通常被认为是保障全苗的最有效措施。但现有试验证明, 在精细整地和地膜覆盖条件下单粒精播与多粒(10粒)播种的田间出苗率没有显著差异。但多粒播种棉苗的带壳出土率为16.5%, 单粒精播棉苗的带壳出土率仅为1.4%, 多粒播种棉苗的带壳出土率显著高于单粒精播。棉苗2片真叶展开时, 单粒精播棉苗发病率、成苗率、苗高和茎粗分别比多粒播种低36.3%、高26.7%、低35.6%、高29.3%^[3], 表明单粒精播易形成壮苗(图1)。

图1

Fig. 1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 单粒精播和多粒穴播棉苗形态比较Fig. 1 Phenotype difference between single (individual) seeding and cluster seeding in cotton

单粒精播壮苗的生理学机制在于, 单粒精播促进弯钩形成的关键基因HLS1和COP1上调表达, 而抑制弯钩形成、促进下胚轴伸长的HY5和ARF2基因下调表达, 使棉苗顶端适时形成弯钩, 以最小的受力面积顶出土面, 弯钩及时伸直, 子叶展开并脱掉种壳, 完成出苗过程。而多粒穴播种子出苗时, 顶土力量大, 易使土层提前裂开, 光线透过裂缝照射到棉苗, 导致HLS1和COP1基因表达下降, HY5和ARF2基因表达上升, 棉苗弯钩过早伸直而带壳出苗; 出苗后棉苗聚集在一起, 促进HY5和ARF2基因表达量显著升高, 棉苗纵向生长加快、横向生长减慢而形成高脚苗(表1)^[3]。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 单粒精播和多粒穴播出苗成苗能力及其机制 Table 1 Difference in emergence and stand establishment between single seeding and cluster seeding in cotton 项目 Item 单粒穴播(精播) Individual seeding (precision seeding) 多粒穴播(传统播) Cluster seeding (traditional seeding) 两者比较 Comparison 出苗率 Seedling emergence rate 高(≥ 70%) High (≥ 70%) 高(≥ 70%) High (≥ 70%) 相当 Comparable 带壳出土率 Rate of seedlings with shell 超低(1.4%) Ultra low 较高(16.5%) Higher 差异显著(P< 0.01) Significant difference (P< 0.01) 棉苗发病率 Incidence rate of cotton seedlings 较低(13.5%) Lower 高(21.2%) High 差异显著(P< 0.05) Significant difference (P< 0.05) 2片真叶棉苗 Two-true leaf stage seedlings 下胚轴粗短, 棉苗壮实 Strong seedlings with short hypocotyls 下胚轴细长, 多为高脚苗 Mostly high-foot seedlings with elongated hypocotyls 差异显著(P< 0.01) Significant difference (P< 0.01) 弯钩形成和展开 时间 Hook formation and expansion time 促进下胚轴伸长、弯钩形成和展开的关键基因HLS1和COP1适时、适量表达, 棉苗形成弯钩以最小的受力面积顶土出苗并适时展开弯钩和脱掉种壳 Timely and moderate expression of the key genes HLS1 and COP1 related to hypocotyl elongation and hook formation assures better stand establishment by timely formation and expansion of the hooks and timely shedding of seed shells 多粒种子顶盖, 过早见光导致HLS1和COP1基因表达下降, HY5和ARF2基因表达上升, 弯钩过早伸直, 不利于脱掉种壳 Delayed and reduced expression of HLS1 and COP1 as well as the promoted expression of HY5 and ARF2 leads to earlier expansion of hooks and delayed shedding of seed shells 弯钩形成没有显著差异, 展开早晚差异显著(P< 0.05) Significant difference (P< 0.05) in hook expansion time rather than hook formation 下胚轴伸长和棉苗长势 Hypocotyl elongation and seedling growth 出苗后促进下胚轴生长的HY5和ARF2基因表达降低, 棉苗生长敦实, 发病率低, 易形成壮苗 Increased expression of HY5 and ARF2 genes in hypocotyls after germination leads to strong growth with low disease incidence and better stand establishment 出苗后促进下胚轴生长的HY5和ARF2基因过量表达, 棉苗细长, 易形成高脚苗 Overexpression of HY5 and ARF2 gene after emergence leads to slender seedlings of cotton 下胚轴伸长差异显著(P< 0.01) Significant difference (P< 0.01) in hypocotyl elongation

表1 单粒精播和多粒穴播出苗成苗能力及其机制 Table 1 Difference in emergence and stand establishment between single seeding and cluster seeding in cotton

在一定密度范围(3~9万株 hm^-2)内, 随密度升高, 棉株顶端生长优势越明显, 而叶枝生长被显著抑制: 低密度(3万株 hm^-2)下, 棉花植株横向生长旺盛, 叶枝发达, 其干重占棉株总干重的35%, 而高密度(9万株 hm^-2)叶枝干重占棉株总干重的比例不足10%。同时, 高密度的叶枝数比低密度的叶枝数减少30%。生理生化分析表明, 生长素合成基因YUC、细胞分裂素合成基因IPT和赤霉素合成基因GA20ox的表达量及相应激素含量, 随密度升高, 在叶枝中呈下降趋势, 而在主茎顶端叶片中呈上升趋势, 这是密植抑制叶枝生长的重要机制^[3]。

棉花的种植区域广, 从海拔1000多米的高地, 到低于海平面的洼地; 棉花对土壤适应性强, 黄壤、红壤, 中度、轻度盐碱地均可种植, 不适合种植粮食和蔬菜等作物的旱、薄地也可种植棉花; 棉花既适合单作、连作, 也可以套种、间作、轮作, 成为我国作物种植体系的重要组成部分^[9]。棉花对密度和一穴多株有较好的适应性^[7], 在肥水条件差、无霜期较短的地区, 走小株、密植、早打顶的技术途径, 可充分发挥群体产量潜力实现高产; 在热量肥水条件较好的地区, 走稀植、大株路线, 充分发挥个体产量潜力实现高产^[20]。轻简化栽培棉花的丰产稳产机制在于, 一方面通过协调产量构成因素维持棉花产量的相对稳定, 在一定范围内随密度升高, 铃重降低、铃数增加; 另一方面, 通过干物质积累和生物量分配维持棉花产量的相对稳定, 在一定范围内随密度升高, 经济系数有所降低、干物质积累增加, 最终保持了棉花经济产量的相对稳定(表2)^[21]。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 棉花产量构成、生物量和经济系数对密度的响应(黄河流域36点次的调查数据) Table 2 Response of yield components, biomass and harvest index to plant population density (Data from 36 sites in Yellow River Basin) 密度 Plant density (plants m-2) 结铃量 Boll density (bolls m-2) 单铃重 Boll weight (g boll-1) 衣分 Lint percentage (%) 产量 Yield (kg hm-2) 生物量 Final biomass (kg hm-2) 经济系数 Harvest index 籽棉 Seed cotton 皮棉 Lint 1.5 82.6 c 5.52 a 43.1 a 4111 b 1771 b 9469 c 0.43 a 3.3 88.4 b 5.37 ab 43.0 a 5126 a 2204 a 12534 b 0.41 a 5.1 92.5 ab 5.34 ab 42.5 a 5249 a 2231 a 14139 b 0.37 b 6.9 94.1 a 5.27 b 42.7 a 5323 a 2273 a 14350 b 0.37 b 8.7 94.2 a 5.26 b 42.6 a 5381 a 2292 a 16883 a 0.32 c 10.5 94.8 a 5.21 b 42.4 a 5371 a 2277 a 17160 a 0.31 c Values within the same column followed by different letters are significantly different atP< 0.05 according to Duncan’ s multiple range test. 同列数据后标注不同字母者为Duncan’ s复极差检验差异显著(P< 0.05)。

表2 棉花产量构成、生物量和经济系数对密度的响应(黄河流域36点次的调查数据) Table 2 Response of yield components, biomass and harvest index to plant population density (Data from 36 sites in Yellow River Basin)

基于优化成铃、提高霜前花率和集中收获的需要, 确定了高光效群体主要指标。一是适宜的LAI, 西北内陆、黄河流域和长江流域棉区分别为3.7~4.0、3.5~3.8和3.7~4.5。二是适宜LAI动态, 要求盛铃期以前LAI总体呈较快增长, 使最大适宜LAI在盛铃期出现, 之后平稳下降(图2)^[20]。三是适宜的株高, 西北内陆、黄河流域和长江流域高产棉花的适宜株高分别为75~85、100~110和110~120 cm, 盛蕾期、开花期和盛花期株高日增长量分别为0.80、1.25和1.10 cm d^-1, 0.95、1.30和1.15 cm d^-1, 1.5~2.0、2.0~2.5和1.0~1.5 cm d^-1。四是适宜的节枝比, 新疆、山东和江苏的适宜节枝比分别为2.5、3.5和4.0~4.5^[22]。五是果枝及叶片角度分布合理。新疆高产棉花, 在盛铃吐絮期冠层由上至下, 叶倾角由大到小, 上部76° ~61° , 分别比中部下部大17° ~12° 和36° ~25° ^{[23, 24, 25, 26]}。

图2

Fig. 2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 不同群体结构类型适宜叶面积系数动态Fig. 2 Suitable dynamics of leaf area index (LAI) under different types of plant population

六是适宜的棉柴比, 棉柴比与收获指数呈显著正相关(y = 4.6251x - 0.8496, R²=0.9603^{* *} )^[27], 轻简栽培下黄河、长江流域和西北内陆棉区适宜的棉柴比分别为0.8~0.9、0.9~1.0:1.0和0.75~0.85。

杨国正等^[28]围绕轻简施肥开展的¹⁵N示踪试验表明, 棉株累积的N素量, 随施N量增加而增加, 随生育进程而增加; 累积速率随施N量增加而加快, 开花期最快, 开花以前和吐絮以后均较慢, 符合Logistic函数。花铃期累积的N素平均占总量的67%, 也随施N量增加而上升; 而累积的肥料N素平均占总肥料N素的79%, 而且与施N量关系不大。但棉株对N的吸收速率, 随施N量增加而加快。棉株体内积累的N素以肥料N素为主, 平均占75%, 随施N量增加而上升。肥料N在不同器官中所占比例随施N量增加而增加, 且以生殖器官最高, 营养枝其次, 赘芽最低。

研究表明, 棉株对底肥N的吸收主要在苗期和蕾期, 且底肥N在棉株中所占比例以苗期最高(65%), 随生育进程而稀释, 吐絮期仅占18%。棉株对初花肥N的吸收主要在开花期(93%), 且首先在果枝叶(占32.4%)和蕾铃(占29.4%)中累积, 然后转移至蕾铃(占69.8%), 但随施N量增加在蕾花铃中比例大幅下降, 在营养枝中比例大幅度上升。初花肥N在棉株中所占比例, 开花期为49%、吐絮期为35%。棉株对盛花肥N的吸收利用率大致为56%, 其中98%在结铃期吸收, 盛花肥中N主要在蕾铃(占54.1%)中累积, 随后其他器官累积盛花肥的N进一步向蕾铃(占70.4%)转移, 但随施N量增加营养枝和赘芽中比例上升, 盛花肥N在棉株中所占比例保持23%, 随施N量增加而增加。棉株对肥料N的吸收率平均为59%, 随施N量增加而提高, 其中对初花肥中N的吸收率最高(69.6%), 对底肥中N的吸收率最低(48%)。肥料N的土壤留存率平均为12%, 随施N量增加而下降, 其中底肥中N的比例最高(17.2%), 盛花肥最低(8.2%)。肥料N损失率平均为29%, 其中底肥和盛花肥损失率(34.6%, 36.1%)高于初花肥(19%), 中N处理损失率(34%)高于其他施N量处理^[29]。

N肥后移(减少底肥N、增加花铃肥N或施用缓控释肥), 使棉株对肥料N素吸收最快的时期维持在出苗后58~96 d; 棉株吸收的肥料N分配给蕾铃和果枝叶的比例平均为71%, 随N肥后移而进一步提高, 吸收的土壤N分配给蕾铃和果枝叶的比例平均只有66%, 不受N肥后移的影响; 棉株对肥料N的吸收率、肥料N在土壤中的残留率均随N肥后移而增加, 肥料N损失率却随N肥后移而下降^[30]。适当提高密度, 能够提高氮肥利用率, 表现出一定的以密代氮的作用^[31]。棉花的N素营养规律为科学施肥、轻简施肥提供了理论依据, 根据棉花需肥规律科学施肥、合理施肥, 不仅能够提高肥料利用率, 还能控制营养枝和赘芽的发育, 协调营养生长和生殖生长的关系, 促进棉花产量和品质的提高。

干旱地区灌水量减少30%, 分区交替灌溉棉花产量基本不减, 但常规灌溉显著减产。利用嫁接分根系统模拟分区灌溉, 发现其提高水分利用率的机制在于, 分区灌溉诱导棉株地上部MeJA大量合成并通过韧皮部运输到灌水侧根系, 促进RBOHC基因表达, 增加了灌水侧根系中H₂O₂含量, 一方面直接提高了根系中水通道蛋白(PIP)含量, 另一方面诱导NCED基因表达、抑制CYP707A基因表达, 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(图3)^[32]。

图3

Fig. 3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 分区灌溉提高棉花水分利用率的机理Fig. 3 Mechanism of increasing water use efficiency under partial root-zone irrigation