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棉花（Gossypium hirsutum L.）是我国大宗经济作物和纺织工业原料,关系国计民生。黄河流域是我国三大棉区之一,但近年来受粮棉争地矛盾突出、植棉用工多效益低等因素的影响,植棉面积显著减少,且不断向盐碱地、旱地和沙薄地等中低产田转移。目前中低产田植棉普遍采用春棉品种,一年一熟,早春播种、地膜覆盖、精细管理、人工多次收花的栽培模式,虽然产量较高,但用工多、投入大,吐絮分散,难以机械采收,且残膜污染严重,因而效益并不高。短季棉是一类生育期短、开花结铃集中、晚播早熟的棉花品种。已有研究表明,中低产田覆膜栽培短季棉不仅能够获得较好的收成,而且容易集中成熟和机械采收,但残膜污染依然存在。无膜栽培是解决残膜污染的根本途径,然而,迄今尚不清楚黄河流域棉区中低产田无膜栽培短季棉的可行性,其生长发育和产量形成规律更缺乏研究。为此,本研究以山东省主栽春棉品种K836和短季棉品种鲁棉532为材料,于2017～2021年在山东棉花研究中心试验站（临清）中等偏下地力的试验田,设置春播的覆膜春棉和无膜春棉、夏播的覆膜短季棉和无膜短季棉4个栽培模式处理,随机区组设计,研究了不同栽培模式对棉花产量、投入产出、早熟性及相关生理生态指标的影响,重点比较研究了覆膜和无膜栽培条件下短季棉的产量构成和分布、光合物质生产与分配、叶片衰老、根系特征及内源激素含量与衰老相关基因表达的差异,旨在揭示无膜栽培对短季棉叶片衰老与产量形成的调控效应和机制,为短季棉无膜栽培提供理论依据,为棉田残膜污染和植棉节本增效提供解决方案。主要结果和结论如下:1.无膜春棉的籽棉产量和总铃数比覆膜春棉分别降低了16.2%和14.7%;无膜短季棉的籽棉产量、铃数、铃重均与覆膜短季棉相当,比覆膜春棉分别降低了17.5%、5.5%和12.9%,相应的产值也降低了17.3%,但因投入成本减少了28.1%,净效益提高了15.0%。说明无膜栽培显著降低了春棉产量,但对短季棉产量没有影响;无膜短季棉产量低于覆膜春棉,但投入少、净效益高。2.短季棉主茎生长点的赤霉素（GA3）、双氢玉米素（DHZR）、异戊烯基腺苷（IPA）、生长素（IAA）和细胞分裂素（CTKs）含量在2叶期达到峰值,而春棉在4叶或5叶期才达高峰。无膜栽培延迟了春棉的开花时间,但对短季棉没有显著影响。前4周开花结铃对产量的贡献率,覆膜春棉为79.2%,无膜短季棉却高达92.8%;覆膜春棉74.6%的棉铃分布在1～8果枝、62.4%的棉铃分布在1～2果节,而无膜短季棉91.7%的棉铃分布在1～8果枝、97.6%的棉铃分布在1～2果节。棉株开始吐絮至42 d后,无膜短季棉的吐絮率为82.5%,而覆膜春棉只有66.3%。由此可见,不论是否覆膜,短季棉花芽分化相关内源激素含量在2叶期达到峰值,春棉则在4叶或5叶期达到峰值,花芽分化早是短季棉晚播早熟的重要机制之一;无膜短季棉比覆膜春棉的开花速率高、结铃吐絮快而集中,这是无膜短季棉晚播早熟的另一重要机制。3.无膜短季棉的伏前桃和伏桃数少于覆膜短季棉,但早秋桃数增加了67.2%,烂铃率降低了36.0%,伏桃和中部铃的铃重分别降低了5.7%和9.2%,早秋桃和上部铃的铃重则分别增加了8.1%和9.9%。无膜短季棉生育后期叶片叶绿素含量和净光合速率比覆膜短季棉分别提高了26.7%和65.7%,丙二醛含量则降低了20.9%。无膜短季棉的群体光合速率在初花期比覆膜短季棉降低了13.0%,盛铃期两者相当,始絮期却提高了3.1倍。与覆膜短季棉相比,无膜短季棉在初花期光合产物向营养器官的分配提高了9.0%,向生殖器官的分配降低了28.3%;始絮期向营养器官的分配降低了12.3%,向生殖器官的分配却提高了10.4%。表明与覆膜栽培相比,无膜栽培对短季棉产量无显著影响,但改变了棉铃的时空分布,提高了后期棉铃的铃重,这与无膜栽培延缓了短季棉生育后期叶片衰老,促进了光合物质生产与同化物向棉铃的分配有关。4.与覆膜短季棉相比,无膜短季棉开花后14 d的库源比（叶面积载铃量）降低了32.3%,始絮期的根系伤流量增加了78.3%;盛铃期株间0～20 cm土层的根长度密度（RLD）、根表面积密度（RSD）和根体积密度（RVD）分别降低了61.5%、58.9%和55.8%;20～40 cm土层则分别提高了52.2%、42.7%和39.1%;始絮期无膜短季棉叶片叶绿素合成关键基因Gh LHCB,CTKs合成相关基因Gh IPT1和Gh IPT2,脱落酸（ABA）降解相关基因Gh CYPA707A1、Gh CYP707A2和CYP707A4均显著上调表达;ABA合成相关基因Gh NCED2、Gh NCED3、Gh NCED5和Gh NCED9,茉莉酸（JA）合成相关基因Gh AOC3、Gh LOX3和Gh AOS6均显著下调表达。始絮期无膜短季棉叶片ABA、茉莉酸甲酯（JA-Me）和水杨酸（SA）含量比覆膜短季棉分别降低了25.2%、12.3%和43.3%,CTKs（ZR+DHZR）含量提高了48.3%。对无膜和覆膜短季棉始絮期主茎功能叶进行转录组测序,共鉴定出995个差异表达基因（DEGs）,其中上调的DEGs 630个,下调的DEGs 365个,GO富集分析显示DEGs主要富集在生物过程上,KEGG富集分析显示,DEGs富集数量最多的四条通路分别是植物病原菌互作、内质网中的蛋白质加工、植物激素信号转导以及淀粉和蔗糖代谢通路。其中转录因子C2H2、WRKY、MYB、HSF、AP2/B3-Like、NAC和PLATZ参与了对叶片衰老的调控。采用q RT-PCR对其中16个DEGs验证,与转录组测序结果一致,推测短季棉无膜与覆膜之间叶片衰老差异与这些衰老相关基因的差异表达有关。因此,无膜栽培短季棉生育后期叶片衰老的延缓,与库源比和根系分布特征,以及相关激素含量和衰老相关基因的差异表达有关。综上所述,短季棉不论是否覆膜,花芽分化早、开化结铃快、吐絮集中,晚播早熟。与覆膜春棉相比,无膜短季棉产量有所降低,但生产成本低,净效益显著增加,在黄河流域中低产棉田具有替代传统覆膜春棉的应用前景。与覆膜短季棉相比,无膜短季棉生育后期叶片衰老慢,促进了后期光合物质生产和同化物向棉铃的分配,早秋桃多而大,不仅弥补了中前期结铃少的不足,还减少了烂铃,最终产量相当。无膜短季棉叶片衰老慢,与较低的库源比和较深的根系分布,以及内源激素含量变化和衰老相关基因的差异表达有关。