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        水分虧缺和鹽脅迫對(duì)棉苗生長(zhǎng)及光合特性的影響

        2024-12-13 00:00:00張萬(wàn)恒何帥忠智博
        農(nóng)業(yè)工程 2024年12期
        關(guān)鍵詞:棉苗光合特性棉花

        關(guān)鍵詞:棉花;水分虧缺;鹽分脅迫;棉苗;光合特性;新疆

        0 引言

        南疆處于歐亞大陸腹地,全域降水稀少卻蒸發(fā)強(qiáng)烈,地表水資源嚴(yán)重匱乏,而農(nóng)業(yè)用水占比高達(dá)97%,是典型的干旱綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū);域內(nèi)鹽堿地分布廣泛,其面積約占南疆耕地總面積的41.2%,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨著嚴(yán)峻的水鹽脅迫挑戰(zhàn)[1]。棉花(GossypiumhirsutumL.)因喜光照、耐高溫、耐鹽堿等特點(diǎn),適應(yīng)南疆氣候條件,是南疆種植最為廣泛的經(jīng)濟(jì)作物,也是當(dāng)?shù)亻_(kāi)發(fā)利用鹽堿地最重要的先鋒作物[2]。研究表明,棉花各生育期中苗期是對(duì)鹽脅迫感知最為敏感的時(shí)期,高鹽分能顯著抑制棉苗各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo),導(dǎo)致棉花生長(zhǎng)發(fā)育不良;同時(shí)土壤水分是保障棉苗生長(zhǎng)的必要條件,分析膜下滴灌條件下土壤水鹽脅迫對(duì)棉苗生長(zhǎng)及光合作用的影響,明確棉苗正常生長(zhǎng)的土壤含水量和含鹽量臨界范圍,對(duì)保障棉花生育后期的正常生長(zhǎng)及產(chǎn)量的形成至關(guān)重要[3]。

        目前研究人員對(duì)玉米[4-5]、高粱[6]、苜蓿[7]等作物在鹽堿地生長(zhǎng)特性的研究表明,遭受水鹽脅迫后,作物植株生長(zhǎng)、光合特性、產(chǎn)量及品質(zhì)均會(huì)受到不同程度的影響。有研究先后開(kāi)展了土壤水分或鹽分脅迫對(duì)棉花生長(zhǎng)特性的研究。張教海等[8]研究表明,棉苗正常生長(zhǎng)的土壤含水量范圍55%~75%。劉愛(ài)琳等[9]為了從葉片尺度探討棉花花鈴期(需水關(guān)鍵期)干旱發(fā)生發(fā)展過(guò)程對(duì)膜下滴灌棉花光合特性及水分利用效率的綜合影響,開(kāi)展了5種不同水分梯度干旱模擬試驗(yàn),分析不同強(qiáng)度干旱發(fā)生發(fā)展對(duì)棉花光合特性和水分利用效率的影響。石婧等[10]分析棉花幼苗耐鹽機(jī)理表明,棉花細(xì)胞通過(guò)提高抗氧化酶活性緩解膜脂過(guò)氧化,維持較高的K+/Na+以提高自身耐鹽性。

        目前針對(duì)南疆棉花生育期耐旱或耐鹽性的研究較多,但基于不同程度水鹽脅迫對(duì)主栽棉花品種單個(gè)生育期生長(zhǎng)的研究報(bào)道較少。本研究針對(duì)膜下滴灌棉苗在水鹽脅迫條件下的生長(zhǎng)發(fā)育和光合生理特性,旨在探明適宜新疆維吾爾自治區(qū)(簡(jiǎn)稱(chēng)新疆)小海子灌區(qū)主栽棉花品種塔河2號(hào)苗期生長(zhǎng)的土壤含水量和含鹽量區(qū)間,為灌區(qū)塔河2號(hào)水鹽管理和區(qū)域內(nèi)棉花高質(zhì)量發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)于2022年5—7月在新疆石河子市郊區(qū)試驗(yàn)基地防雨棚內(nèi)進(jìn)行(44.31°N,86.00°E),采用盆栽方式。供試棉花品種為小海子灌區(qū)主栽品種塔河2號(hào),5月23日播種,7月10日苗期結(jié)束,歷時(shí)49d。供試土壤采自小海子灌區(qū)鹽漬土和非鹽漬化土壤,經(jīng)自然風(fēng)干、碾碎、過(guò)篩等步驟后按照試驗(yàn)設(shè)定土壤含鹽量進(jìn)行配比,每盆160kg分層裝入規(guī)格70cm×40cm×50cm方盆中,每裝20cm深度土壤后充分踩實(shí),控制土壤容重在1.5g/cm3左右,田間持水率18%(質(zhì)量含水率),由于試驗(yàn)在防雨棚中進(jìn)行,因此不考慮降雨對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,試驗(yàn)水肥措施均按照大田管理。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)土壤水分虧缺梯度和對(duì)照處理。中度水分虧缺W1處理(50%~60%田間持水量)、輕度水分虧缺W2處理(60%~70%),充分供水W3處理(70%~80%)作為對(duì)照。當(dāng)土壤含水量達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定下限值便開(kāi)始灌水,灌至設(shè)定土壤含水量上限為止。設(shè)置3個(gè)土壤鹽分脅迫梯度和1個(gè)對(duì)照處理。低鹽S1處理(土壤含鹽量3g/kg)、中鹽S2處理(土壤含鹽量4.5g/kg)、高鹽S3處理(土壤含鹽量6g/kg),以土壤含鹽量1g/kg作為對(duì)照S4處理。開(kāi)展水鹽正交試驗(yàn),共計(jì)12個(gè)處理,每個(gè)處理設(shè)置4次重復(fù)。

        每盆棉花播種2行,行間距16cm、株距10cm,每行6穴、每穴2粒,采用膜下滴灌方式進(jìn)行灌溉,滴頭流量2.0L/h。待棉苗2葉1芯時(shí)拔除其中1株。施肥按照尿素(N46%)20g、磷酸二銨(P2O546%)10g和硫酸鉀(K2O50%)10g的量隨水施入。

        1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

        1.3.1 棉苗株高

        分別于6月2日、14日、27日,7月7日測(cè)量棉苗株高,每盆選取1株長(zhǎng)勢(shì)一致的棉花標(biāo)記后跟蹤測(cè)量,用精度1mm的鋼卷尺測(cè)量棉株基部至頂部生長(zhǎng)點(diǎn)的高度,取4盆棉苗株高平均值記為該處理棉苗株高。

        1.3.2 棉苗莖粗

        在測(cè)量株高時(shí),同時(shí)用精度0.02mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量標(biāo)記棉苗基部最粗部位的直徑,4株棉苗莖粗平均值記為該處理棉苗莖粗。

        1.3.3 棉苗葉面積指數(shù)

        6月27日,用精度1mm的鋼卷尺分別測(cè)定標(biāo)記棉株每片葉子的長(zhǎng)和寬,葉面積=0.76×葉長(zhǎng)×葉寬,棉苗葉面積指數(shù)(leafareaindex,LAI)為棉苗總綠葉面積占每盆面積的比值。

        1.3.4 棉花葉綠素量

        分別在6月15日、29日,7月7日用日本產(chǎn)柯尼卡美能達(dá)SPAD-502型葉綠素儀測(cè)定標(biāo)記棉苗功能葉的棉花葉綠素量(soilandplantanalyzerdevelopment,SPAD)(最上部倒4葉),4株平均值記為該處理葉片的SPAD值。

        1.3.5 光合速率

        在天氣晴朗的7月3日測(cè)定棉苗光合生理特性,用LI-6400型便攜式光合儀測(cè)定葉片光合參數(shù),測(cè)定條件為光強(qiáng)1800μmol/(m2·s)、葉室溫度25°C,測(cè)定參數(shù)主要包括凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率,4株平均值記為該處理葉片的光合速率。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        利用Excel2019對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算并繪圖,用SPSS22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用Duncan多重比較法進(jìn)行各處理的組間顯著性檢驗(yàn)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同水鹽處理對(duì)棉苗株高的影響

        由圖1可知,相同土壤含水量處理下,不同土壤鹽分處理的棉苗株高總體表現(xiàn)為S4處理gt;S1處理gt;S2處理gt;S3處理,低鹽S1處理與對(duì)照S4處理未表現(xiàn)出顯著性差異(Pgt;0.05),隨著土壤含鹽量的增大,棉苗株高受抑制程度越大。在6月27日,W2S3處理比W2S4處理顯著低24.18%,W3S2、W3S3處理分別比對(duì)照W3S4處理顯著低21.12%、11.89%;至苗期末,W3S2、W3S3處理分別比W3S4處理顯著低34.53%、23.92%。相同鹽脅迫下,水分虧缺未對(duì)棉苗株高造成顯著性差異,主要是該時(shí)期棉苗植株小,植株蒸騰作用相對(duì)較低,消耗的水量較少,對(duì)土壤水分需求較小。但分析發(fā)現(xiàn),各水分虧缺處理間差異較大的多為充分供水W3處理,其次為輕度水分虧缺W2處理,可能是充足的土壤水分促進(jìn)了蒸發(fā)作用,在膜孔處形成鹽分聚集區(qū),反而抑制了棉苗生長(zhǎng)。

        2.2 不同水鹽處理對(duì)棉苗莖粗的影響

        由圖2可知,棉苗莖粗變化情況總體表現(xiàn)與株高類(lèi)似,相同土壤含水量處理下,低鹽S1處理與對(duì)照S4處理差異不顯著(Pgt;0.05),但中鹽S2處理、高鹽S3處理較對(duì)照S4處理差異較大。6月27日,W2S3處理比W2S4處理顯著低28.94%(Plt;0.05),至7月7日,W2S3處理比W2S4處理顯著低32.91%,其他處理雖未表現(xiàn)出顯著差異性,但仍能表現(xiàn)出高鹽分對(duì)棉苗莖粗增長(zhǎng)有抑制作用。相同土壤鹽脅迫處理下,不同程度水分虧缺處理對(duì)棉苗莖粗的影響較小,各處理間未達(dá)到顯著水平。

        2.3 不同水鹽處理對(duì)棉苗葉面積指數(shù)的影響

        LAI是表征作物生長(zhǎng)狀況、能量轉(zhuǎn)換及產(chǎn)量形成的重要指標(biāo),合適的LAI為作物各個(gè)器官資源的平衡奠定了基礎(chǔ)[11]。由圖3可知,土壤高含水量和低鹽脅迫利于棉苗葉片的生長(zhǎng),對(duì)照W2S4、W3S4處理的LAI最高,分別達(dá)到1.04和1.07;其次為W1S1、W2S2處理,分別為0.99、0.87。相同土壤含水量處理下,中鹽S2處理已顯著影響LAI(Plt;0.05),W1S2、W1S3處理比對(duì)照W1S4處理分別低23.73%、21.67%,W2S2、W2S3處理比對(duì)照W2S4處理分別顯著低48.57%、85.71%,W3S2、W3S3處理比對(duì)照W3S4處理分別顯著低59.7%、52.85%,其他處理雖未達(dá)到顯著差異,但仍表現(xiàn)出高鹽分對(duì)棉苗LAI較強(qiáng)抑制作用。相同鹽脅迫下,中度和輕度水分虧缺均降低了棉苗LAI。W1S2處理比W3S2處理低13.56%,W1S3、W2S3處理比W3S3處理分別低16.67%和25.00%,高鹽分處理下,中度水分虧缺對(duì)LAI的抑制作用反而小于輕度。

        2.4 不同水鹽處理對(duì)棉苗葉綠素含量的影響

        SPAD是反映植株?duì)I養(yǎng)狀況和生長(zhǎng)階段的重要指標(biāo),而SPAD值常作為衡量葉片相對(duì)葉綠素含量的重要參數(shù)[12]。由表1可知,3次統(tǒng)計(jì)的結(jié)果均表現(xiàn)出土壤高含水量和低鹽脅迫獲得較高的SPAD值,并且隨著棉苗生長(zhǎng)期的推進(jìn),SPAD值總體表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。相同土壤含水量處理?xiàng)l件下,在6月15日,W2S3處理比對(duì)照W2S4處理顯著低24.05%(Plt;0.05),6月29日,W1S3處理比對(duì)照W1S4處理顯著低18.27%,至7月7日,W2S3處理比對(duì)照W2S4處理低12.22%,其余處理均未達(dá)到顯著水平。相同鹽脅迫下,部分水分虧缺處理對(duì)棉苗SPAD值表現(xiàn)出抑制作用,但差異不顯著,也未呈現(xiàn)出規(guī)律性。通過(guò)上述分析,中鹽S2處理對(duì)棉苗SPAD值影響較小,而高鹽S3處理已抑制棉苗SPAD值,棉苗對(duì)該鹽分忍耐力較低。

        2.5 不同水鹽處理對(duì)棉苗光合生理特性的影響

        2.5.1 凈光合速率

        凈光合速率在一定程度上反映了棉花葉片光合作用的強(qiáng)弱。由表2可知,水分虧缺和鹽分脅迫對(duì)棉苗凈光合速率均有影響,相同土壤含水量條件下,W1S3處理比對(duì)照W1S4處理顯著低32.95%(Plt;0.05),W2S3處理比對(duì)照W2S4處理顯著低56.98%,W3S2、W3S3處理分別比對(duì)照W3S4處理顯著低35.88%和42.54%,其他處理均未達(dá)顯著水平。相同鹽脅迫下,低鹽S1處理和對(duì)照S4處理隨土壤水分虧缺越大,凈光合速率越低的趨勢(shì),但差異不顯著;而中鹽S2、S3處理則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì),W1S2、W2S2處理分別比對(duì)照W3S2處理顯著高23.56%和21.39%,W1S3處理比對(duì)照W3S3處理高1.20%、產(chǎn)生的原因可能是鹽土透水性差,較高的土壤含水量導(dǎo)致土體透氣性變差,嚴(yán)重影響棉苗根系呼吸及養(yǎng)分吸收作用。

        2.5.2 氣孔導(dǎo)度

        氣孔是葉片與外界進(jìn)行氣體交換的主要通道,氣孔導(dǎo)度決定著葉片光合作用和蒸騰作用的強(qiáng)弱。由表2可知,水鹽交互脅迫對(duì)棉苗氣孔導(dǎo)度亦較大有影響,相同土壤含水量條件下,中鹽S2處理和高鹽S3處理對(duì)葉片氣孔導(dǎo)度影響巨大,W1S2處理比對(duì)照W1S4處理顯著低27.12%(Plt;0.05),W2S2處理比對(duì)照W2S4處理顯著低28.33%,其他處理與對(duì)照間差異甚至達(dá)1倍以上,W1S4、W2S4、W3S4處理分別是對(duì)應(yīng)W1S3、W2S3、W3S3處理的2.03、1.97、2.02倍。相同土壤含鹽量條件下,各組處理之間均未達(dá)到顯著性水平,但表現(xiàn)出土壤含水量越高,葉片氣孔導(dǎo)度越高的趨勢(shì)(W3S2處理除外)。

        2.5.3 蒸騰速率

        由表2可知,相同土壤含水量條件下,不同土壤鹽分處理的棉苗蒸騰速率由高到低為S4處理gt;S2處理gt;S1處理gt;S3處理,并且S1、S2處理與對(duì)照S4處理未表現(xiàn)出顯著性差異(Pgt;0.05),而高鹽S3處理顯著降低了棉苗蒸騰速率,W1S3處理比對(duì)照W1S4處理顯著低38.63%,W2S3處理比對(duì)照W2S4處理顯著低58.34%,W3S3處理比對(duì)照W3S4處理顯著低73.30%,高鹽分顯著抑制了棉苗的蒸騰速率。相同鹽脅迫條件下,除高鹽S3處理外,其余處理均表現(xiàn)出隨著土壤含水量的增高,棉苗蒸騰速率越高的趨勢(shì)。

        3 討論

        苗期是棉花從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變到生殖生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期,適宜的土壤水鹽環(huán)境是構(gòu)建棉花良好的群體性狀并獲得高產(chǎn)的基礎(chǔ)條件[13]。本研究表明,水鹽交互作用下,影響棉苗生長(zhǎng)的主導(dǎo)因素為土壤鹽脅迫。相同土壤含水量條件下,低鹽S1處理未顯著抑制棉苗生長(zhǎng)(Pgt;0.05),甚至莖粗、SPAD值等表現(xiàn)出一定的促進(jìn)作用;中鹽S2處理僅使棉苗株高和LAI顯著降低21.12%~34.53%和23.73%~59.70%,而高鹽S3處理已嚴(yán)重抑制棉苗生長(zhǎng)的各項(xiàng)指標(biāo),使得棉苗株高、莖粗、LAI顯著低于對(duì)照。相同鹽脅迫下,水分虧缺未造成棉苗生長(zhǎng)指標(biāo)有顯著性差異,但也發(fā)現(xiàn)輕度水分虧缺下棉苗株高、LAI等指標(biāo)比中度水分虧缺低,高鹽處理比低鹽處理明顯,產(chǎn)生的原因可能是充足的土壤水分促進(jìn)了蒸發(fā)作用,在膜孔處形成鹽分聚集區(qū),反而抑制了棉苗生長(zhǎng)。

        葉綠素含量是表征植物吸收光能進(jìn)行光合作用的主要因素,也是反映棉花葉片在逆境中生長(zhǎng)發(fā)育的重要指標(biāo)[14]。本研究表明,相同土壤含水量條件下,中鹽S2處理對(duì)SPAD值影響較??;高鹽S3處理前期對(duì)SPAD值有顯著的抑制作用(Plt;0.05),但到苗期末抑制作用又逐漸減弱,SPAD值呈下降又上升的變化趨勢(shì)。相同鹽脅迫下,部分水分虧缺處理對(duì)棉苗SPAD值表現(xiàn)出抑制作用,但差異不顯著,也未呈現(xiàn)出一定規(guī)律性。這與楊瑩攀等[15]的研究SPAD值結(jié)果不一致,可能與棉種耐鹽性差異有關(guān)。

        由于光合作用主要在植物葉片進(jìn)行,葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率能較好反映出植株光合能力強(qiáng)弱。張恒嘉等[16]研究表明,水分調(diào)虧均顯著降低了馬鈴薯葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度,后期復(fù)水后蒸騰速率基本保持不變,但凈光合速率和氣孔導(dǎo)度均表現(xiàn)出逐漸增高的趨勢(shì)。周曉瑾等[17]研究表明,低濃度鹽脅迫下,氣孔限制是導(dǎo)致裸果木幼苗葉片凈光合速率和蒸騰速率下降的主要因素,隨著土壤含鹽量的增加,非氣孔限制成為影響光合速率下降的主要因子。本研究表明,影響棉花光合特性的因素仍為鹽脅迫。相同土壤含水量條件下,中鹽S2處理使葉片凈光合速率和氣孔導(dǎo)度分別顯著降低35.88%和27.12%~28.33%(Plt;0.05),對(duì)葉片蒸騰速率未產(chǎn)生顯著抑制,隨土壤含鹽量的增高,高鹽S3處理導(dǎo)致葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均顯著降低。相同鹽脅迫下,除凈光合速率外,棉苗各指標(biāo)均表現(xiàn)出隨著土壤含水量的增高,光合生理特性越高的趨勢(shì)。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        水鹽交互作用下,鹽脅迫是抑制棉苗生長(zhǎng)及光合特性的主導(dǎo)因素,中鹽S2處理對(duì)棉苗株高、單株葉面積、凈光合速率及氣孔導(dǎo)度等指標(biāo)產(chǎn)生顯著抑制作用,但高鹽S3處理幾乎對(duì)棉苗各項(xiàng)生長(zhǎng)及光合指標(biāo)表現(xiàn)出顯著抑制性,因此認(rèn)為中鹽S2處理為供試棉花苗期適宜生長(zhǎng)的耐鹽區(qū)間上限。

        鹽脅迫環(huán)境下,中度水分虧缺更利于棉苗株高、單株葉面積、凈光合速率等指標(biāo),并且高鹽比中鹽處理更明顯,其他水分虧缺處理棉花生長(zhǎng)及光合特性指標(biāo)差異均不顯著。因此認(rèn)為棉花苗期中度水分虧缺便能滿足其生長(zhǎng)所需水分。

        綜上,建議中度水分虧缺和中鹽脅迫(W1S2處理)為供試棉種苗期正常生長(zhǎng)推薦的水鹽搭配。

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