邢 晉 張思平 趙新華 魏 然 閆貞貞 張立禎,*

(1 臨沂市氣象局， 山東 臨沂 276004；2 中國農業(yè)科學院棉花研究所， 河南 安陽 455000；3 中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院， 北京 100094)

棉花(Gossypium, ssp.)是我國主要的纖維類經濟作物，隨著人們對優(yōu)質原棉需求量的增加，對棉花產量的總體提升有了更高的要求[1]。地膜覆蓋是棉花輕簡化、機械化栽培體系中一項有效的增產措施，已得到廣泛應用[2-3]。諸多研究表明，覆蓋地膜處理能顯著提高耕作層土壤溫度和土壤濕度[4-5]，促進棉花根系分化及生長[6]，提高棉花植株的代謝活性[7]，增強其抗逆能力[8]，并提高棉花的棉鈴數和纖維品質[9-10]。馮營等[11]研究發(fā)現(xiàn)半膜覆蓋方式的棉鈴對位葉中可溶性糖、氨基酸和可溶性蛋白含量較高，說明半膜覆蓋可促進棉鈴對位葉的生理代謝活動，有利于棉花產量的形成。彭小峰等[12]研究發(fā)現(xiàn)一膜兩行比一膜四行棉花植株高，單株果枝層數多，單鈴重大。劉紅霞等[13]研究發(fā)現(xiàn)與白色地膜相比，黑色地膜透光率低，但保溫性能好，溫度變幅小，使棉花生長快，單株座桃數和單鈴重均有增加，可增產6%～10%。但棉田殘膜的存在會阻礙土壤鹽分的向下運移，且隨著殘膜量的增加，阻礙土壤鹽分的運移程度加強，導致土壤鹽分在地表富集[14]。目前研究多集中于覆膜方式和殘膜效應等領域[15-16]，關于不同顏色地膜的研究多局限于黑、白兩種顏色，對其他顏色地膜增產效應的研究并不多見，而側重于不同顏色地膜增產的生物學機制研究更是鮮見報道。

棉花產量形成的實質是干物質在葉片“源”器官合成后在花鈴“庫”器官的積累過程[17]。其中，棉花冠層的植株構型影響光能在冠層的傳輸效率及冠層光的捕獲能力[18]，同時，棉花葉面積指數和凈光合速率決定著棉花群體光合產物的同化強度[19]。不同顏色地膜覆蓋后會引起棉田光質差異，故本研究從棉花冠層形態(tài)、光合參數和干物質積累分配等方面探究不同顏色地膜對棉花生長的調控作用并分析其內在生物學機制，以期為棉花覆膜栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

供試材料為北方主栽品種魯棉研28號，于2017年4月22日在中國農業(yè)科學院棉花研究所田間試驗區(qū)(河南省安陽市)布置田間試驗。試驗地屬暖溫帶季風氣候，雨熱同季，年平均氣溫15～19℃。供試土壤有機質含量11.3 g·kg-1，速效氮含量53.6 mg·kg-1，速效磷含量35.2 mg·kg-1，速效鉀含量70.4 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區(qū)組設計，采用厚度0.1 mm以上的PE薄膜，設無地膜覆蓋(CK)、覆白色透明地膜(WF)、覆黑色地膜(BF)、覆銀色地膜(SF)、覆綠色地膜(GF)、覆紅色地膜(RF)共6個處理。小區(qū)面積8 m×6.4 m，種植密度4株·m-2，每處理4次重復，共24個試驗小區(qū)。棉花播種前試驗小區(qū)進行翻耕，劃分小區(qū)后撒施肥料。供試肥料選用尿素、磷酸二胺和硫酸鉀，N、P2O5和K2O用量分別為150、180和300 kg·hm-2，50%尿素和全部磷酸二胺和硫酸鉀作基肥底施，另外50%尿素在棉花盛鈴期作為追肥施用。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 地膜光學特性及棉田光質差異 棉花種植前，采用3412紅光/遠紅光測量儀(Spectrum, 美國)測定地膜反射及透射紅光及遠紅光強度，并在棉花花鈴期測定棉田冠層紅光及遠紅光強度。

1.3.2 棉花產量及構成因子 9月22日(吐絮期)于每小區(qū)中間位置隨機選取長勢均勻的15株棉花，收獲所有吐絮棉鈴，計算其單鈴重，同時計算每個試驗小區(qū)棉花單株結鈴數、總鈴數。

1.3.3 棉花各器官干物質積累量及生長 于棉花生長苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期和收獲期，在每個試驗小區(qū)選取長勢均勻的棉花5株，統(tǒng)計分枝數、葉片數，測量節(jié)間長度。用直尺測量棉花葉片的最大葉片長度和寬度，按照棉花葉面積指數計算公式乘以0.75系數換算各處理葉面積，即葉面積=葉長×寬×0.75。取整株帶回，按器官分解分裝入袋后放入烘箱105℃殺青20 min，75℃烘干至恒重，稱量各部位干物質積累量。按照各部位比例計算干物質分配率。各覆膜處理的棉花干物質量積累量，根據S型Logistics方程進行擬合：

y=k/(1+ae-bx)

(1)

式中，k為干物質量，g。

1.3.4 SPAD值、光合參數、葉綠素熒光參數 于棉花花鈴期，每小區(qū)隨機選取5株棉花植株，利用SPAD-520 SPAD儀(日本柯尼卡美能達)測量棉花功能葉SPAD值；利用FMS-2便攜式脈沖調制式熒光儀(Hansatech，英國)測定功能葉葉綠素熒光動力學參數；利用CIRAS-3便攜式光合測定儀(PP SYSTEM，美國)測定凈光合速率。

1.3.5 棉花植株構型 于棉花盛鈴期每小區(qū)選取棉株5株，參照Gu等[20]的方法采用量角器測定相鄰果枝夾角、果枝與主莖葉方位角、相鄰果枝傾角和主莖葉傾角等參數，其中各部位參數如圖1所示。

1.4 數據分析

采用Excel 2010進行數據整理并繪制表格；采用SAS 9.5進行數據統(tǒng)計分析，采用LSD進行差異顯著性分析；采用R i386 3.3.1軟件進行冗余分析(redundancy analysis, RDA)分析；采用Origin 8.5軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同顏色地膜覆蓋條件下棉田光質特性差異

由表1可知，不同顏色地膜因材質等因素，其光學特性存在差異。白色地膜對紅光和遠紅光透射強度最大，銀色地膜對紅光和遠紅光的透射能力最低，僅為12.2和12.1 klx。由光的反射性能來看，紅色地膜反射的紅光、遠紅光的強度最高，分別為44.0和37.0 klx；綠色地膜對紅光的反射最弱，為8.7 klx；而黑色地膜對遠紅光的反射強度最弱，僅為9.6 klx。

棉花生長階段，地膜通過反射自然光改變了棉田冠層的光質特性。由圖2-A可知，BF和GF棉花冠層的紅光強度顯著低于CK；WF、RF和SF棉花冠層的紅光強度均顯著高于CK，其中RF較WF和SF分別顯著高68.4%和76.6%。由圖2-B可知，棉田冠層遠紅光強度表現(xiàn)出相似特性，RF棉花冠層遠紅光強度最高，GF最低，但SF與CK間差異不顯著。

2.2 不同顏色地膜覆蓋對棉花生長的影響

棉花葉面積指數、分枝數等參數與棉花光合特性密切相關。由圖3-A可知，與CK相比，覆蓋不同顏色地膜均能提高棉花整個生育期的葉面積指數。不同顏色地膜間相比較，紅色地膜效果相對最佳，黑膜次之，綠膜效果相對最差。功能葉SPAD值與葉綠素含量呈顯著正相關，可用SPAD值表示葉片中葉綠素相對含量。與CK相比，GF和SF的SPAD值無顯著變化，WF和BF略有提高，增幅分別為20.8%和21.8%(P>0.05)，RF增幅最大，為38.0%(P<0.05)(圖3-B)。覆膜后棉花節(jié)間長度均略有升高，但各處理間差異未達顯著水平(圖3-C)。棉花分枝數對不同顏色地膜有明顯的響應，與CK相比，RF增幅最大，為40.2%(P<0.05)，SF、BF和WF次之，分別為27.1%，21.2%和15.7%(P<0.05)，GF增幅最小，為14.7%(P>0.05)。

注：αinsert i：果枝傾角，βinsertj：主莖葉傾角，αazim i：相鄰節(jié)位果枝方位角的夾角，βazimj：同一節(jié)位果枝和主莖葉方位的夾角。Note: αinserti: Fruit branch inclination. βinsertj: Inclination of main stem. αazimi: Angle of bearing angles of fruit branches. βazimj: The angle between the bearing of fruit branch and main at the same node.圖1 棉株結構示意圖Fig.1 Schematic representation of cotton structure

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level among treatments. The same as following.圖2 不同顏色地膜覆蓋條件下棉花花鈴期棉田冠層光質特性Fig.2 Light quality characteristics of cotton canopy at flowering and bolling stage under different color plastic film mulching conditions

表1 不同顏色地膜覆蓋反射和透射的紅光及遠紅光特性Table 1 Red and far-red light characteristics of reflection and transmission under different color mulching conditions /klx

2.3 不同顏色地膜覆蓋對棉花冠層構型的影響

外界生境因素的改變會引起棉花冠層形態(tài)結構的調整，其中相鄰果枝方位夾角、果枝和主莖葉方位角、果枝傾角和主莖葉傾角是表征棉花生長形態(tài)的重要參數?；ㄢ徠诿藁ㄐ螒B(tài)結構參數如表2所示。與CK相比，各顏色地膜覆蓋處理均能降低相鄰果枝方位夾角、果枝傾角和主莖葉傾角，但提高了果枝和主莖葉方位角。將棉花冠層形態(tài)結構與分枝數和葉面積指數等生長參數結合分析可知，覆蓋地膜能誘導分化更多果枝，較高果枝密度促使果枝向內收縮，從而避免葉片的相互遮擋，進而提高了葉面積指數以截獲更多的光能進行光合產物的積累。

圖3 不同顏色地膜覆蓋對棉花生長的影響Fig.3 Effects of different color plastic film mulching on cotton growth parameters

2.4 不同顏色地膜覆蓋對棉花光合特性的影響

由表3可知，與CK相比，各覆膜處理均能提高棉花花鈴期Pn。其中，RF增幅最大，BF、SF、WF次之，GF增幅最小，僅為6.4%。而Gs和Ci的變化特性與相匹配。棉花覆膜后Pn的提升主要由葉片氣孔的開張，增強捕食CO2強度所致。同時，棉花花鈴期Tr也相對增加,與CK相比，WF、BF、RF、GF、SF分別增加2.9%、8.6%、22.9%、11.4%和17.1%。

表2 不同顏色地膜覆蓋條件下棉花株型結構Table 2 Plant structure of cotton with different color film mulching /°

2.5 不同顏色地膜覆蓋對棉花干物質積累分配的影響

由表5中棉花整體的干物質擬合方程可知，與CK相比，各覆膜處理均能顯著提高棉花的干物質量。其中RF的干物質量(K值)最大(10 546)，BF次之，而WF和GF的干物質量相近，GF的干物質量最小，僅為8 242。這表明紅膜對棉田群體干物質積累的提升效應最強。由棉花單株的干物質分配狀況分析可知，CK將50.14%的干物質分配于莖，而鈴的干物質分配系數低至9.64%；各覆膜處理間比較，GF葉片和鈴的干物質分配系數均相對最低，而莖中干物質分配系數最高，RF葉片和鈴中干物質分配系數相對最高。

表3 不同顏色地膜覆蓋條件下棉花光合特性Table 3 Dynamic characteristics of chlorophyll fluorescence in cotton at flowering and boll stage under different color plastic film mulching conditions

表5 不同顏色地膜覆蓋條件下花鈴期棉花干物質積累分配Table 5 Accumulation distribution of dry matter in cotton under different color mulching film mulching

2.6 不同顏色地膜覆蓋對棉花產量的影響

不同顏色地膜覆蓋條件下棉花產量及構成因子如表6所示。與CK相比，覆蓋地膜均能提高棉花單鈴重、總鈴數、霜前花率和衣分率，最終實現(xiàn)棉花增產。

表6 不同顏色地膜覆蓋條件下棉花產量及構成因子Table 6 Yield and composition factors of cotton under different color mulching film mulching

其中WF、BF、RF、GF和SF的籽棉產量分別較CK提高21.8%、24.5%、25.7%、8.4%和10.3%。RF主要通過提高棉田總鈴數進而獲得最高籽棉產量，為3 153.6 kg·hm-2，而GF增產幅度相對最低，籽棉產量僅為2 721.9 kg·hm-2。

3 討論

3.1 不同顏色地膜覆蓋條件下棉田冠層結構

覆蓋地膜后棉田增溫保墑可促發(fā)根等增益效果已被廣泛報道[21]，且該栽培措施已被廣泛應用?；诓煌伾啬じ采w條件下膜材料的光質特性，棉田的冠層光分布勢必受到影響[22]。本研究發(fā)現(xiàn)不同顏色地膜覆蓋后構造了棉田冠層的異質性光環(huán)境(圖2)。光不僅能供給作物生長所需的能量，也能調控其形態(tài)建成，二者相互協(xié)調[23]。此觀點在本研究中得以驗證，其結果表現(xiàn)為棉田冠層紅光和遠紅光的強度差異誘導了棉花果枝分化數和葉面積指數的差異，即為獲得更優(yōu)的光能利用效率導致棉花植株改變冠層的受光結構[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，與CK相比，各顏色地膜均能降低相鄰果枝方位夾角、果枝傾角和主莖葉傾角，但提高了果枝和主莖葉方位角。這表明覆蓋地膜能誘導分化更多果枝，較高果枝密度促使果枝向內收縮，從而避免葉片的相互遮擋，進而提高了葉面積指數以提高棉花冠層光截獲量[25]。這符合棉花利用光照資源優(yōu)勢，采取以提高資源利用效率為主的空間均衡發(fā)展策略[26]。本研究還發(fā)現(xiàn)，不同顏色地膜對植株構型的調控存在差異，其中紅色地膜因膜材料反射更大強度的紅光與遠紅光，導致構型的塑性較其他顏色地膜更強，黑色地膜、白色地膜和銀色地膜的效果相近，而綠色地膜對構型的影響相對最弱。

3.2 不同顏色地膜覆蓋對棉花光合性能的調控

覆膜條件下棉花通過改變冠層的受光構型提高了整體的光截獲總量。棉花通過系列光合作用將光能加以利用催化形成光合產物[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，與CK相比，WF、BF和RF的功能葉SPAD值提高了20.8%～38.0%。葉綠素含量的提升直接影響了凈光合速率的提高，這也是覆膜提高作物光合性能的直觀表現(xiàn)。這與在玉米[28]、小麥[29]和馬鈴薯[30]等作物中的研究結論一致。另外，覆膜條件下異質光環(huán)境誘導了葉片半月細胞的開放程度，增加了Gs和Ci進而促進了Pn的提高。這也與陳愷林等[31]的研究結論部分相同。不同顏色地膜覆蓋后土壤增溫效應不同，而不同的土壤溫度環(huán)境引起作物體內酶活性的變化進而影響地上部的光合性能[32]。但覆膜條件下地下部土壤環(huán)境與地上部光合特性相互調控分子生物學機制需進一步的探究。

3.3 不同顏色地膜覆蓋條件下光合產物的積累分配及產量形成

棉花產量的形成依賴于光合產物在源器官的積累效率及在鈴中的分配比例[33]。本研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋地膜處理通過提高葉面積指數、葉綠素含量及Pn方式顯著提高了棉花群體的干物質積累量(33.6%～66.8%)。覆膜均能提高光合產物在葉片和鈴中的分配系數，增加源強度和庫容量，降低在莖干中的消耗，進而提高棉田的總鈴數，最終提高產量。另有研究表明，覆膜能提高棉田土壤的水熱狀況[34]，通過促進代謝活性延緩棉花的衰老進程[35]，較長的光合持續(xù)期為棉花產量進一步增加提供了時間基礎。但不同顏色地膜覆蓋條件下棉花不同器官光合產物分配系數存在差異，覆蓋綠色地膜(GF)葉片和鈴中干物質分配系數均相對最低，莖中干物質分配系數最高，覆蓋紅色地膜(RF)葉片和鈴中干物質分配系數相對最高[36]。這可能是由于覆蓋紅色地膜處理(RF)棉田冠層紅光和遠紅光反射強度較高，2個波段的光質誘導了葉片中蔗糖的積累，增強了干物質葉片投資效應[37]。而對于黑色地膜來說，盡管其對紅光和遠紅光的反射和投射能力較弱，造成該處理下棉花冠層的紅光和遠紅光強度弱，但覆蓋黑色地膜對棉花的葉面積指數、葉綠素含量、Pn均有較大幅度的提高，效果僅次于覆蓋紅色地膜；此外，黑色地膜具有抑制雜草，避免養(yǎng)分競爭的效果；且在鈴重相差不大的前提下，覆蓋黑色地膜和紅色地膜和的總鈴數和籽棉產量顯著高于其他處理，故從棉花的產量效應來看，黑色地膜和紅色地膜一樣具有良好的生產性能。所以綜合棉花的產量和干物質量分析，覆蓋紅色地膜和黑色地膜更能促進棉花產量的提高，提高其生產效益。

4 結論

地膜覆蓋能夠改變棉花冠層紅光與遠紅光的比值，增加分枝數，調整果枝夾角和棉花冠層形態(tài)結構，同時能夠提高葉面積指數、葉綠素含量及光合特性，進而促進干物質積累和產量的提高。不同顏色地膜對棉花的生長和調控存在差異，其中紅色地膜對紅光和遠紅光的反射能力最強，能夠增加棉花冠層紅光和遠紅光強度，從而對冠層構型、光合性能和干物質積累等具有更好的促進作用，而黑色地膜對棉花生長效應的促進作用僅次于紅色地膜，并且在產量方面，黑、紅兩種地膜之間差異不顯著，但均顯著高于其他處理。綜上所述，覆蓋黑色地膜和紅色地膜具有更好的生產性能和效益。