王霜 李田甜 甘塘煌 王俊生 田玉剛 李志鵬 候金枚 張家琪 林皎 萬(wàn)素梅
摘要:探索南疆棗棉間作系統(tǒng)下種植密度與施氮量對(duì)棉花鈴期葉片光合日變化規(guī)律及產(chǎn)量的影響,為間作棉花的種植密度及氮肥管理策略提供理論依據(jù)。設(shè)置3個(gè)種植密度為主處理:22萬(wàn)株/hm2(D1)、18萬(wàn)株/hm2(D2)、14萬(wàn)株/hm2(D3),5個(gè)氮肥梯度為副處理:560 kg/hm2(N560)、420 kg/hm2(N420)、280 kg/hm2(N280)、140 kg/hm2(N140)、0 kg/hm2(N0),以單作棉花(CK)為對(duì)照,在棉花鈴期對(duì)光合日變化各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,并分析經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值。結(jié)果表明,棉花葉片的Pn、Gs、WUE日變化呈雙峰曲線(xiàn)變化趨勢(shì),Tr日變化呈單峰曲線(xiàn)變化趨勢(shì),Ci和Ls值日變化分別呈“V”形和倒“V”形變化趨勢(shì)。在間作系統(tǒng)中籽棉產(chǎn)量以D1N280處理(22 萬(wàn)株/hm2和280 kg/hm2)最高,其值為2 983.70 kg/hm2,且D1(22 萬(wàn)株/hm2)的土地當(dāng)量比為1.39,與未施氮相比,增施氮肥可以顯著增加間作系統(tǒng)的光合性能和棉花產(chǎn)量。因此本試驗(yàn)中棗棉間作系統(tǒng)棉花適宜的種植密度和施氮量分別為22 萬(wàn)株/hm2和280 kg/hm2,該研究結(jié)果可為南疆棗棉間作系統(tǒng)作物增產(chǎn)提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。
關(guān)鍵詞:間作;棉花;光合日變化;密度;氮肥;產(chǎn)量
中圖分類(lèi)號(hào):S562.04文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1002-1302(2023)21-0055-07
新疆地區(qū)具有光熱資源豐富、日照時(shí)間長(zhǎng)、降水量少等特點(diǎn)[1]。全疆林果種植面積已達(dá)到 125.93 萬(wàn)hm2,塔里木盆地林果種植面積達(dá)到 7.03 萬(wàn)hm2,占新疆農(nóng)果面積的75%以上[2]。南疆地區(qū)可耕面積有限,為保障棉花產(chǎn)業(yè)的增收效率,促進(jìn)農(nóng)果增收,農(nóng)果間作成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的特色發(fā)展模式之一。農(nóng)果類(lèi)復(fù)合系統(tǒng)中小氣候復(fù)雜多樣[3],導(dǎo)致作物之間出現(xiàn)爭(zhēng)水爭(zhēng)肥、光熱利用不充足等一系列矛盾[4],因此通過(guò)科學(xué)的水肥管理、合理的空間分布,構(gòu)建出適宜作物生長(zhǎng)的冠層微環(huán)境[5],提高間作系統(tǒng)中的光、溫、水、肥以及土地資源的利用效率,有利于增加經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的高效利用[6]。
光合作用能夠維持大氣中O2和CO2的穩(wěn)定,是植物體能量的來(lái)源,對(duì)生物進(jìn)化有重要作用。合理的種植密度和水肥管理有利于作物光合產(chǎn)物的形成,提高作物產(chǎn)量[7]。研究表明,間作系統(tǒng)種植4行棉花能夠更好地協(xié)調(diào)個(gè)體與群體之間的關(guān)系[8],種植密度24 萬(wàn)株/hm2時(shí)有較高的群體光合速率,保證較多的光合物質(zhì)分配[9];施氮不足或過(guò)量都會(huì)導(dǎo)致葉片光合生理活性下降,光合能力降低[10]。施氮水平在207~310 kg/hm2 能保障棉花生育后期光合產(chǎn)物的形成[11],有利于提高植物葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和水分利用效率(WUE) [12]。適宜的種植密度和施氮水平能夠充分發(fā)揮作物群體優(yōu)勢(shì),為光合生產(chǎn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)提供保障[13]。
在棗棉間作系統(tǒng)中,棉花處于光能截獲劣勢(shì)地位,密度與氮肥互作能否促進(jìn)間作作物的光合性能與產(chǎn)量,其影響因素尚不明確。因此,本試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)種植密度、5個(gè)氮肥梯度和1個(gè)棉花單作為對(duì)照,探討間作系統(tǒng)中不同處理下棉花功能葉片光合性能變化規(guī)律,進(jìn)一步明確種植密度和氮肥用量對(duì)棉花產(chǎn)量的影響機(jī)制,為提高實(shí)際生產(chǎn)中間作系統(tǒng)下作物產(chǎn)量提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)地概況
本試驗(yàn)于2022年在新疆第一師塔里木大學(xué)園藝試驗(yàn)站(40°32′N(xiāo)、81°18′E,海拔1 015 m)棗棉間作試驗(yàn)田進(jìn)行,該試驗(yàn)區(qū)處于塔里木河上游,屬于暖溫帶干旱荒漠區(qū),光照充足,日照時(shí)間長(zhǎng),主風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng),土壤類(lèi)型為沙壤土,日照率為66%,年蒸發(fā)量為1 976.6~2 558.9 mm,年降水量為40.1~82.5 mm,降水量少,年蒸發(fā)量大。試驗(yàn)地供試紅棗品種為灰棗,該品種樹(shù)勢(shì)中強(qiáng),結(jié)果齡期早,產(chǎn)量高而穩(wěn)定。棉花品種為中棉619,該品種為早熟品種,具有生育期短、株高適宜、鈴殼較薄、吐絮集中等特點(diǎn)。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)設(shè)置3種不同的棉花種植密度,分別為 22 萬(wàn)株/m2(D1)、18 萬(wàn)株/m2(D2)、14 萬(wàn)株/m2(D3);5種氮肥梯度,分別為560 kg/hm2(N560)、420 kg/hm2(N420)、280 kg/hm2(N280)、140 kg/hm2(N140)、0 kg/hm2(N0)。在距離棗樹(shù) 1 m 處種植棉花,寬窄行為0.6 m和0.2 m,并設(shè)置棉花單作為對(duì)照,種植密度見(jiàn)圖1,共設(shè)置20個(gè)處理,每個(gè)處理重復(fù)3次,隨機(jī)區(qū)組排列。在棉花生育期進(jìn)行7次氮肥追施,隨水施入,追施比例分別為10%、10%、20%、20%、20%、10%、10%,試驗(yàn)地的其他管理措施與生產(chǎn)上保持一致。
1.3 測(cè)定指標(biāo)
1.3.1 棉花鈴期光合性能日變化 使用Li-6400XT便攜式光合儀測(cè)定,時(shí)間為08:00—20:00,每2 h測(cè)定1次,共7次。各處理選取3株具有代表性的植株,測(cè)定棉花植株倒數(shù)第4張功能葉光合指標(biāo),包括凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr),并計(jì)算氣孔限制值(Ls)=1-Ci/Ca,葉片水分利用效率:WUE=Pn/Tr,其中Ca為大氣CO2濃度。每次測(cè)定之前,先進(jìn)行自然光強(qiáng)度測(cè)定、調(diào)整光源,以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。
1.3.2 棉花產(chǎn)量 于棉花收獲期分別對(duì)間作和單作處理下棉花收獲株數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)進(jìn)行測(cè)量,然后每個(gè)小區(qū)選取具有代表性的10株棉花測(cè)定其單鈴質(zhì)量,并測(cè)定棉花實(shí)際收獲產(chǎn)量。
土地當(dāng)量比:指在同一農(nóng)田間混種2種或2種以上作物的收益與作物單作時(shí)收益的比值。根據(jù)公式(1)計(jì)算:
土地當(dāng)量比(LER)=棗樹(shù)間作產(chǎn)量/棗樹(shù)單作產(chǎn)量+棉花間作產(chǎn)量/棉花單作產(chǎn)量。(1)
1.4 數(shù)據(jù)分析
用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,利用DPS做顯著性分析,用Origin繪制折線(xiàn)圖。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同種植密度和施氮量對(duì)棉花鈴期凈光合速率日變化的影響
由圖2可知,棉花間作和單作(CK)的Pn日變化規(guī)律呈雙峰曲線(xiàn),峰值出現(xiàn)的時(shí)間分別為 12:00 和16:00,并且第2個(gè)峰值均小于第1個(gè)峰值。14:00 時(shí)各處理下棉花葉片均呈不同程度的光合“午休”現(xiàn)象。單作棉田中以N420的Pn日變化均值最高,分別比N0、N140、N280、N560提高了19.8%、8.1%、6.4%、6.9%;在間作系統(tǒng)中D1處理Pn日變化均值較D2、D3處理高出3.0%和7.9%,均以N280處理下的Pn日變化均值最高,D1、D2、D3分別為20.25、19.57、17.71 μmol/(m2·s)。綜上所述,與單作棉花相比,間作棉花整個(gè)生育期都受到棗樹(shù)遮光影響,從而降低了棉花的凈光合速率日變化均值。
2.2 不同種植密度和施氮量對(duì)棉花鈴期氣孔導(dǎo)度日變化的影響
如圖3所示,棉花間作和單作的Gs日變化均呈“雙峰”曲線(xiàn)變化趨勢(shì),峰值出現(xiàn)的時(shí)間為 12:00 和16:00,且各處理的第2個(gè)峰值均小于第1個(gè)峰值,其變化趨勢(shì)與凈光合速率一致。單作棉田中Gs光合日變化均值以N280處理最高,分別比N0、N140、N420、N560提高了26.4%、14.3%、1.9%、16.9%;在間作系統(tǒng)中,D3處理Gs日變化均值較D1、D2處理分別高5.6%和7.5%,均以N280處理最高,D1、D2、D3分別為0.22、0.22、0.23 mol/(m2·s)。由Gs日變化趨勢(shì)可知,各處理在12:00植物葉片的氣孔張開(kāi)最大,CO2和水分供應(yīng)充足。
2.3 不同種植密度和施氮量對(duì)棉花鈴期蒸騰速率日變化的影響
如圖4所示,棉花間作和單作葉片Tr日變化均呈“單峰”曲線(xiàn)變化趨勢(shì),峰值出現(xiàn)的時(shí)間為14:00。在單作棉田中N420處理的Tr日變化均值最高,分別比N0、N140、N280、N560提高了17.0%、2.8%、2.8%、10.4%;在間作系統(tǒng)中,D3處理Tr日變化均值較D1、D2處理分別高9.8%和18.7%,均以N280處理最高,D1、D2、D3分別為9.19、8.63、9.07 mmol/(m2·s)。試驗(yàn)結(jié)果表明,在14:00時(shí)各處理Tr最強(qiáng),水分散失量高。
2.4 不同種植密度和施氮量對(duì)棉花鈴期胞間CO2濃度日變化的影響
如圖5所示,間作和棉花單作葉片Ci日變化均呈“V”形變化趨勢(shì),最低值出現(xiàn)時(shí)間為18:00。在單作棉田中不施氮肥(N0)處理的Ci日變化均值最高,分別比N140、N280、N420、N560提高了2.7%、2.6%、13.7%、10.0%;在間作系統(tǒng)中,D2處理Ci日變化均值較D1、D3處理分別高出1.0%和0.8%,均以N0處理最高,D1、D2、D3分別為233.2、237.2、240.7 μmol/mol??傮w而言,施氮能夠降低植物葉片Ci。
2.5 不同種植密度和施氮量對(duì)棉花鈴期氣孔限制值日變化的影響
如圖6所示,間作和單作棉花葉片Ls日變化均呈倒“V”形變化趨勢(shì),整體變化規(guī)律與Ci相反,全天以18:00的值最高。間作系統(tǒng)下施氮量最高的處理(N560)Ls日變化均值最低并且均小于單作棉花,D1、D2、D3分別為0.36、0.38、0.37。綜上所述,18:00 時(shí)各處理的Ls最高,說(shuō)明CO2向植物羧化部位擴(kuò)散較快。
2.6 不同種植密度和施氮量對(duì)棉花鈴期葉片水分利用率日變化的影響
如圖7所示,間作和單作棉花葉片WUE日變化進(jìn)程均呈不對(duì)稱(chēng)的“雙峰”曲線(xiàn),峰值出現(xiàn)在10:00和18:00,并且第2個(gè)峰值高于第1個(gè)峰值。14:00出現(xiàn)下降是由于光合“午休”導(dǎo)致Pn下降,使WUE降低。各處理之間WUE日變化均值無(wú)明顯差異,D2處理WUE日變化均值分別比D1、D3、CK高0.7%、41.0%、6.4%??傮w而言,14:00時(shí)溫度升高,植物為了減少水分散失,氣孔關(guān)閉,WUE下降。
2.7 不同種植密度和施氮量對(duì)棉花產(chǎn)量的影響
由表1可知,單作棉花產(chǎn)量均高于間作棉花。在間作系統(tǒng)中D3處理的平均單株鈴數(shù)最高,為8.9個(gè);D2處理的平均單鈴質(zhì)量較D1、D3分別高7.9%和12.7%;D1處理的平均籽棉產(chǎn)量較D2、D3分別高3.9%、4.9%,說(shuō)明間作處理下低密度有利于植株個(gè)體的發(fā)展,但群體發(fā)展不足,進(jìn)而引起產(chǎn)量下降。在相同密度下,棉花單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、籽棉產(chǎn)量隨施氮量的增加出現(xiàn)先增加再下降的變化趨勢(shì),施氮量為280 kg/hm2更有利于提高單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量和籽棉產(chǎn)量。
利用公式(1)得出間作系統(tǒng)中棉花D1、D2、D3不同種植密度土地當(dāng)量比分別為1.39、1.36、1.35,其土地利用率增幅依次為39%、36%和35%,表明間作模式較單作能夠提高36.7%的土地利用率,生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)明顯。
3 討論與結(jié)論
光合作用作為維持植物生命活動(dòng)的能量來(lái)源,有效轉(zhuǎn)化率僅為理論轉(zhuǎn)化率的25%左右,仍有很大的進(jìn)步空間,因此進(jìn)一步提高光能轉(zhuǎn)化率,是首先需要考慮的問(wèn)題[14-15]。通過(guò)對(duì)棉花鈴期光合日變化研究得出,Gs、WUE和Pn均呈“雙峰”曲線(xiàn)變化趨勢(shì),由于14:00溫度和光強(qiáng)度偏高,導(dǎo)致棉花功能葉片部分氣孔關(guān)閉,出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象。與前人研究結(jié)果[16]相比,本試驗(yàn)光合“午休”時(shí)間延遲2 h,可能是由于新疆與內(nèi)地所處時(shí)區(qū)不同,導(dǎo)致光合“午休”延遲;也有研究表明植株不會(huì)出現(xiàn)光合“午休”現(xiàn)象[17],是由于地理位置和氣象條件導(dǎo)致。造成光合“午休”的原因包括氣孔因素和非氣孔因素,主要通過(guò)Ci變化趨勢(shì)來(lái)判斷[18],本試驗(yàn)12:00—14:00的Pn和Ci均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)而Ls增加,說(shuō)明Pn日變化中光合“午休”的出現(xiàn)主要是通過(guò)氣孔因素決定。
在間作系統(tǒng)中各作物之間對(duì)光熱、水肥等自然資源都存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,主要表現(xiàn)為棗樹(shù)對(duì)棉花的遮陰影響以及2個(gè)作物之間的養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng),增加間作作物密度能夠有效提高間作群體的凈光合速率[19]。當(dāng)施氮水平處于240~360 kg/hm2時(shí)Pn與施氮量呈正相關(guān)關(guān)系[20]。蔡瑞國(guó)等研究表明,Pn會(huì)隨著施氮量的增加而增加,但是過(guò)量的氮肥又會(huì)使其呈現(xiàn)降低趨勢(shì)[21]。本研究結(jié)果表明,間作系統(tǒng)中施氮量為0~280 kg/hm2時(shí),Pn、Tr日變化均值總體隨施氮量的增加而變大,施氮處理棉花葉片的Pn、Tr、WUE日變化均值均高于不施氮處理,說(shuō)明氮肥可以促進(jìn)棉花的光合性能[22-23]。
葉片作為植物光合作用的重要場(chǎng)所,對(duì)植物的產(chǎn)量有重要的影響。在間作系統(tǒng)中棗樹(shù)對(duì)棉花整個(gè)生育期都會(huì)出現(xiàn)不同程度的遮光影響,因此適宜的種植密度成為間作系統(tǒng)產(chǎn)量及氮肥利用率的重要因素。有效的空間分布能夠調(diào)節(jié)個(gè)體與種群之間的矛盾,保持良好的通風(fēng)透光條件,充分利用自然資源,提高作物產(chǎn)量[24-25]。前人研究表明,相對(duì)于單作,間作系統(tǒng)土地利用率提高了35%[26],且適宜的施氮量控制在207~310 kg/hm2,能夠顯著提高間作棉花單株結(jié)鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量,進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)的效果[27]。本研究結(jié)果得出,間作系統(tǒng)相對(duì)于單作土地利用率提高36.7%,施氮量為280 kg/hm2時(shí)土地利用率最高。
本試驗(yàn)結(jié)果表明,在棗棉間作模式中,種植密度22萬(wàn)株/hm2和施氮量280 kg/hm2可以提高棉花的Pn、Tr、WUE和棉花產(chǎn)量,使土地利用率達(dá)到最優(yōu)。
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收稿日期:2023-02-08
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào):32060449);2022年校級(jí)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(編號(hào):TDGRI202216)
作者簡(jiǎn)介:王 霜(1998—),女,新疆阿拉爾人,碩士研究生,主要從事作物高產(chǎn)栽培理論與技術(shù)研究。E-mail:1518121955@qq.com。
通信作者:萬(wàn)素梅,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事作物高產(chǎn)栽培理論與技術(shù)研究,E-mail:wansumei510@163.com;林 皎,博士,副教授,主要從事作物高產(chǎn)栽培理論與技術(shù)研究,E-mail:linjiao@taru.edu.cn。