摘要:本研究旨在探討黑膜覆蓋和根際促生菌(PGPR)在不同水分條件下對(duì)棉花生長(zhǎng)、生理特性及纖維品質(zhì)的影響。2022年大田試驗(yàn)在充分灌溉(W1)和覆白膜(M1)條件下設(shè)置了施用0(W1B0M1)、3(W1B1M1)、6 mL?株-1(W1B2M1)和9 mL?株-1(W1B3M1)四個(gè)濃度PGPR處理,2023年大田試驗(yàn)在充分灌溉(W1)條件下設(shè)置了覆白膜處理(W1B0M1)、黑膜處理(W1B0M2)和3 mL?株-1的PGPR(W1B1M1)處理,在水分虧缺(W2)條件下設(shè)置了覆白膜處理(W2B0M1)和3 mL?株-1的PGPR(W2B1M1)處理,監(jiān)測(cè)與分析了不同試驗(yàn)處理對(duì)棉花植株水勢(shì)、株高、莖粗、果枝數(shù)、棉鈴數(shù)及干物質(zhì)積累的影響。結(jié)果表明:相比充分灌溉不加菌,充分灌溉條件下施用PGPR在一定程度上能夠平衡棉花植株?duì)I養(yǎng)和生殖生長(zhǎng);黑膜覆蓋增強(qiáng)了地下部分生長(zhǎng),對(duì)棉花產(chǎn)量與品質(zhì)的形成產(chǎn)生負(fù)效應(yīng);水分虧缺顯著降低了植株籽棉產(chǎn)量,降幅為23.5%,對(duì)莖粗、棉鈴數(shù)、皮棉產(chǎn)量和最終的棉鈴干質(zhì)量沒有顯著影響。相比水分虧缺不加菌,水分虧缺條件下施加PGPR顯著提高了植株莖粗和棉鈴數(shù),增幅分別為16.8%和57.7%,對(duì)株高、籽棉和皮棉產(chǎn)量沒有顯著影響。盡管各處理均降低了棉纖維上半部平均長(zhǎng)度、整齊度指數(shù)、斷裂比強(qiáng)度和馬克隆值,但其影響均不顯著。研究表明,低濃度PGPR(B1)在充分灌溉條件下顯著促進(jìn)了棉花的生殖生長(zhǎng),而高濃度PGPR效果較弱。在水分虧缺條件下,PGPR改善了棉花的水分狀況并增強(qiáng)了抗旱性,盡管對(duì)產(chǎn)量有一定促進(jìn)作用,但未達(dá)顯著性。此外,黑膜覆蓋通過升高土壤溫度抑制了棉花的生長(zhǎng)和產(chǎn)量,尤其是籽棉和皮棉產(chǎn)量顯著下降。
關(guān)鍵詞:根際促生菌;水分虧缺;黑膜;棉花;纖維品質(zhì);干物質(zhì)積累
中圖分類號(hào):S562 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):2095-6819(2025)01-0257-12 doi: 10.13254/j.jare.2024.0666
在全球范圍內(nèi),干旱脅迫已成為干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)之一,嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量和質(zhì)量[1]。這些惡劣的干旱條件對(duì)糧食生產(chǎn)構(gòu)成了巨大威脅,尤其是在水資源有限的國家[2]。水構(gòu)成了植物鮮質(zhì)量的80%~95%,對(duì)于植物的生長(zhǎng)、發(fā)育和新陳代謝至關(guān)重要[3]。因此,水分虧缺被認(rèn)為是作物面臨的最主要的環(huán)境壓力之一。
棉花作為全球主要的天然纖維作物,占全球總纖維使用量的35%,對(duì)紡織工業(yè)至關(guān)重要[4]。然而,干旱嚴(yán)重影響了棉花的生產(chǎn)力和纖維品質(zhì),威脅著棉花產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5]。在許多棉花種植區(qū),水分完全依賴降水,且降水不均勻,導(dǎo)致棉花常常面臨周期性干旱[6],尤其是在開花和結(jié)鈴期,水分虧缺不僅影響產(chǎn)量,還降低了纖維品質(zhì)[7]。
地膜覆蓋技術(shù)是一種有效的農(nóng)田管理措施,通過在土壤表面覆蓋一層薄膜,可以顯著改善土壤的水熱條件,提高土壤溫度,減少水分蒸發(fā),抑制雜草生長(zhǎng),從而促進(jìn)作物的生長(zhǎng)[8]。覆膜的顏色對(duì)其反射率和吸熱性能有顯著影響,進(jìn)而影響到土壤表面的光照強(qiáng)度和溫度[9]。不同顏色的地膜在干旱條件下對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響也有所不同,透明膜的透光性好,可以顯著提高地溫,有利于早春播種和幼苗生長(zhǎng)[10];黑色膜吸熱性強(qiáng),可以提高地溫,減少水分蒸發(fā),抑制雜草生長(zhǎng),但可能會(huì)導(dǎo)致土壤過熱[11];銀黑色膜反射率高,可以反射紫外線,減少某些害蟲的侵害,同時(shí)保持土壤濕度[12]。
近年來,植物根際促生細(xì)菌(PGPR)因其在緩解干旱脅迫和保護(hù)植物免受病害和非生物脅迫的影響[13]受到廣泛關(guān)注。PGPR是一類生活在植物根際的有益微生物,能夠通過直接或間接途徑促進(jìn)植物生長(zhǎng)。直接作用包括固氮、溶磷和解鉀等養(yǎng)分活化功能,以及通過分泌植物激素促進(jìn)植物生長(zhǎng)。間接作用則表現(xiàn)為抑制植物病害并促進(jìn)植物在干旱等逆境中的生長(zhǎng)[14]。研究表明,許多PGPR菌株能夠顯著提高植物的抗旱性,促進(jìn)正常的生長(zhǎng)發(fā)育,如克雷伯菌屬、假單胞菌屬、芽孢桿菌屬等[15]。這些菌株通過刺激根系生長(zhǎng)、改變根系結(jié)構(gòu)、增加根表面積來增強(qiáng)植物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收,從而提高植物的抗旱能力[16]。
盡管PGPR 在緩解干旱脅迫方面表現(xiàn)出巨大潛力,但這一領(lǐng)域仍存在許多未解之謎。例如,目前大部分研究只關(guān)注了PGPR 在植物幼苗階段的促生長(zhǎng)作用,但對(duì)于其在整個(gè)生長(zhǎng)周期,尤其是生殖階段的長(zhǎng)期效應(yīng),研究仍不充分[17]。特別是PGPR通過促進(jìn)生長(zhǎng)來調(diào)節(jié)棉花營養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)平衡的機(jī)制尚不清楚。過度的營養(yǎng)生長(zhǎng)可能會(huì)抑制生殖器官的發(fā)育,從而影響作物的最終產(chǎn)量[18]。此外,地膜覆蓋技術(shù)是西北棉花種植中重要的栽培措施,是解決干旱地區(qū)缺水和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的一項(xiàng)重要技術(shù)措施[19],但生產(chǎn)上通常采用白膜。目前,棉花種植上覆黑膜研究主要集中在對(duì)棉花基本生長(zhǎng)發(fā)育的影響[20],對(duì)棉花產(chǎn)量品質(zhì)影響的研究很少。因此,本研究開展田間試驗(yàn),探究在不同水分條件下,PGPR和覆膜處理對(duì)棉花生理特性和產(chǎn)量的影響。重點(diǎn)研究了植株水勢(shì)(包括凌晨葉水勢(shì)和正午莖水勢(shì))、生長(zhǎng)參數(shù)、干物質(zhì)積累以及棉纖維產(chǎn)量和品質(zhì)等指標(biāo)的變化規(guī)律,旨在為棉花高效節(jié)水栽培提供科學(xué)依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況
試驗(yàn)在甘肅武威綠洲農(nóng)業(yè)高效用水國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(102°50′E,37°25′N,海拔1 581 m)試驗(yàn)田中進(jìn)行。該地區(qū)是大陸性溫帶干旱氣候,光熱充足,降雨量有限,水資源稀缺。地下水深度超過30 m,多年平均降水量為164 mm,水面蒸發(fā)量超過2 000mm。該地區(qū)年平均溫度為8 ℃,0 ℃以上的積溫超過3 350 ℃,年日照時(shí)間超過3 000 h,無霜期超過150 d[21]。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與供試材料
2022 年大田試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),重點(diǎn)研究了不同濃度PGPR 對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響。試驗(yàn)設(shè)置了4 個(gè)不同PGPR 施用水平:0(W1B0M1)、3(W1B1M1)、6 mL ? 株-1(W1B2M1)和9 mL ? 株-1(W1B3M1)。2023年大田試驗(yàn)則采用了裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì),主要關(guān)注水分處理與膜覆蓋的組合效應(yīng),水分處理為主因素,設(shè)置了3 個(gè)因素:膜[白膜(M1)和黑膜(M2)]、水分[充分灌溉(W1)、水分虧缺(W2,充分灌溉處理灌水量的50%)]和菌劑[不施加PGPR(B0)、施加3 mL?株-1的PGPR(B1)]。試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理:充分灌溉下不加菌(W1B0M1)、充分灌溉下加3 mL·株-1的PGPR(W1B1M1)、充分灌溉下覆黑膜(W1B0M2)、水分虧缺(W2B0M1)和水分虧缺條件下施加3 mL·株-1的PGPR(W2B1M1)。
兩年大田試驗(yàn)均在同一試驗(yàn)田進(jìn)行,土壤的平均容重為1.49 g?cm-3,田間持水量為19.8%(質(zhì)量含水率)。灌溉采用膜下滴灌,滴頭流量為2 L?h-1。2022年試驗(yàn)采用一膜兩行、行距0.6 m、株距0.5 m的種植模式,而2023年根據(jù)2022年試驗(yàn)結(jié)果和當(dāng)?shù)卦耘鄬?shí)踐經(jīng)驗(yàn),調(diào)整了種植密度,采用一膜兩行、行距0.8 m、株距0.35 m的種植模式,以優(yōu)化群體結(jié)構(gòu),期望獲得更好的生長(zhǎng)效果。2022年試驗(yàn)在苗期(5月26日)人工施加PGPR,而2023年則在蕾期(7月13日)通過滴灌系統(tǒng)施加PGPR。兩年的大田試驗(yàn)均裝有電子數(shù)顯水表,精確控制灌溉量,確保各處理之間灌水量的差異符合試驗(yàn)要求。當(dāng)對(duì)照組土壤質(zhì)量含水率降至田間持水量的70%時(shí),進(jìn)行灌溉,水分虧缺處理灌水量為充分灌溉灌水量的50%,從7月29日開始水分虧缺,持續(xù)了60 d。
供試棉花品種為新陸早72號(hào),種子首先在當(dāng)?shù)孛缙耘嘤劣酌?,達(dá)到35 d齡,然后分別于2022年5月23日和2023年6月1日移栽至大田種植。供試菌劑(PGPR)從山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的PGPR 實(shí)驗(yàn)室獲得,包含以下成分:解淀粉芽孢桿菌SC2、韋勒氏芽孢桿菌DSYZ、干酪乳桿菌DY-3、釀酒酵母DY-4,其比例為50∶20∶15∶15。有效活菌數(shù)分別為:解淀粉芽孢桿菌SC2≥3×108 CFU?mL-1;韋勒氏芽孢桿菌DSYZ≥2×108CFU?mL-1;干酪乳桿菌DY-3≥1×108 CFU?mL-1;釀酒酵母DY-4≥3×107 CFU?mL-1。在實(shí)驗(yàn)組中,PGPR被施用于棉花根際土壤,而對(duì)照組則施用等量的水。
1.3 樣品采集與測(cè)定方法
1.3.1 棉鈴取樣部位及時(shí)間
棉花植株在第一朵花開花后20 d進(jìn)行打頂,移除12 果枝以上的枝條,并及時(shí)去除第1 果枝下面的枝條。標(biāo)記1~4果枝第1、2果位的開花日期,并通過滴灌灌溉系統(tǒng)進(jìn)行施肥。樣本取自1~4 果枝的第1、2果位,每株取樣數(shù)不超過整株棉鈴數(shù)的3%。2022年棉鈴取樣分別在花后20、25、30、35、45、52、59 d和68d 進(jìn)行,2023 棉鈴取樣分別在花后5、10、15、20、25、30、37、44、51 d和58 d采集棉鈴。在上午9:00之前剪取選定的果實(shí)樣品,立即裝入保溫盒中,并在約10min內(nèi)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量。
1.3.2 植株凌晨葉水勢(shì)和正午莖、葉水勢(shì)測(cè)量
使用SKPM1400 便捷式植物水勢(shì)壓力室測(cè)量黎明前葉水勢(shì)和正午莖水勢(shì),指示植物葉片和莖稈的水分狀態(tài)。測(cè)量正午莖水勢(shì)前,將靠近棉花1~4果枝第1、2果位對(duì)位葉的葉片用錫箔袋遮蔽至少10 min,水勢(shì)測(cè)量通常在灌溉周期中間進(jìn)行[22]。
1.3.3 植株形態(tài)指標(biāo)和干物質(zhì)積累測(cè)定
在植株不同生長(zhǎng)發(fā)育階段(蕾期和花鈴期)將植株連根取回,先測(cè)量植株的株高、莖粗、葉片數(shù)、果枝數(shù)和棉鈴數(shù),2022年試驗(yàn)測(cè)量了植株的株高、莖粗、葉片數(shù)和果枝數(shù),2023年測(cè)量了植株的株高、莖粗、葉片數(shù)和棉鈴數(shù)。然后,再將植株分解成根、莖、葉和棉鈴,放在85 ℃烘箱烘干。
1.3.4 棉鈴及其各部分(棉殼、棉籽和棉纖維)干質(zhì)量測(cè)量
將棉鈴從果柄上剪下,裝入自封袋,立即放入裝有冰袋的保溫盒中,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分解,將棉鈴分解成棉殼、棉籽和棉纖維三部分。然后,將分解好的棉鈴放入烘箱中,在85 ℃下烘干以得到棉鈴各部分干質(zhì)量。
1.3.5 棉纖維產(chǎn)量和品質(zhì)測(cè)量
棉鈴?fù)滦跄┢?,在大田中收集每個(gè)實(shí)驗(yàn)小區(qū)吐絮的棉鈴,曬干后測(cè)量籽棉質(zhì)量,然后用軋花機(jī)處理后測(cè)量皮棉質(zhì)量。扎花后測(cè)定棉纖維品質(zhì),包括纖維整齊度指數(shù)、斷裂比強(qiáng)度、馬克隆值、伸長(zhǎng)率和上半部平均長(zhǎng)度[23]。
1.4 數(shù)據(jù)處理
進(jìn)行單因素方差分析以檢驗(yàn)處理、發(fā)育階段及其交互作用對(duì)植株的水分狀況、生長(zhǎng)發(fā)育、干物質(zhì)積累和棉纖維產(chǎn)量品質(zhì)的影響。統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)處理在R4.3.2中進(jìn)行,繪圖在Oringin 2021中完成。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同試驗(yàn)處理下棉花植株的水分狀況
2022年大田植株的凌晨葉水勢(shì)(圖1a)變化范圍在-0.54~-0.27 MPa之間,植株正午莖水勢(shì)(圖1b)的變化范圍在- 1.08~ - 0.43 MPa 之間。W1B1M1、W1B2M1和W1B3M1處理植株的凌晨葉水勢(shì)在生育期內(nèi)變化趨勢(shì)相似,整體均呈下降趨勢(shì),相較于W1B0M1,先增高后降低,最后再次上升。具體表現(xiàn)為:移栽62 d 后(蕾期),W1B1M1、W1B2M1 和W1B3M1處理植株的凌晨葉水勢(shì)分別比W1B0M1增加16.2%、18.4% 和12.9%;正午莖水勢(shì)分別增加31.4%、24.9% 和44.5%。移栽75 d 后(花鈴中期),W1B2M1和W1B3M1處理植株的凌晨葉水勢(shì)分別比W1B0M1降低24.9% 和11.5%;正午莖水勢(shì)分別增加14.4% 和0.2%。移栽85 d 后(花鈴后期),W1B1M1、W1B2M1和W1B3M1處理植株的凌晨葉水勢(shì)分別比W1B0M1增加14.7%、16.1% 和20.6%;正午莖水勢(shì)分別降低41.7%、24.5%和23.5%。
2023年試驗(yàn)中植株凌晨葉水勢(shì)(圖1c)變化范圍為-0.7~-0.1 MPa,植株正午莖水勢(shì)(圖1d)變化范圍為-1.4~-0.6 MPa。相比W1B0M1處理,W1B0M2處理降低了植株移栽后65~90 d的植株凌晨葉水勢(shì),以及降低了植株各個(gè)階段的正午莖水勢(shì);W2B0M1處理降低了花鈴期(移栽后64~105 d)植株凌晨葉水勢(shì)和正午莖水勢(shì)。移栽53 d后,相比W1B0M1處理,W1B1M1處理的植株凌晨葉水勢(shì)和正午莖水勢(shì)分別增加了6.1%和11.6%。在移栽64 d后,W1B1M1處理的植株莖水勢(shì)低于W1B0M1處理;凌晨葉水勢(shì)在移栽64~85 d后低于W1B0M1處理,移栽85~103 d后又高于W1B0M1處理。相比W2B0M1處理,W2B1M1處理能夠增加植株凌晨葉水勢(shì)和正午莖水勢(shì)。例如,在移栽75 d(花鈴期)后,相比W2B0M1處理,W2B1M1處理使得植株凌晨葉水勢(shì)和正午莖水勢(shì)分別增加了27.3%和23.4%。
2.2 不同試驗(yàn)處理對(duì)棉花植株株高、莖粗、果枝數(shù)和棉鈴數(shù)的影響
2022年大田試驗(yàn)結(jié)果表明,施加不同濃度的PGPR對(duì)各生育期植株的株高和莖粗均未產(chǎn)生顯著影響(Pgt;0.05)(圖2a、b)。在W1B1M1處理下,植株的果枝數(shù)與W1B0M1處理相比顯著增加了15.4%(Plt;0.05)(圖2c)。然而,隨著菌劑濃度的進(jìn)一步增加,果枝數(shù)的增幅逐漸減??;在W1B2M1和W1B3M1處理下,果枝數(shù)較W1B0M1處理均增加8.3%,且未產(chǎn)生顯著影響(Pgt;0.05)(圖2c)。2023年試驗(yàn)中,與W1B0M1處理相比,W1B0M2 處理使植株的莖粗下降了5.3%,株高和棉鈴數(shù)分別增加8.2% 和3.4%,但均未產(chǎn)生顯著影響(Pgt;0.05);水分處理開始后一個(gè)月(花鈴期,2023/09/17),W2B0M1處理對(duì)植株株高、莖粗和棉鈴數(shù)均未產(chǎn)生顯著影響(Pgt;0.05)。W1B1M1 處理相比W1B0M1處理對(duì)花鈴期(2023/09/17)植株的株高、莖粗和棉鈴數(shù)未產(chǎn)生顯著性影響(Pgt;0.05)。與W2B0M1處理相比,W2B1M1 處理對(duì)植株株高未產(chǎn)生顯著影響(Pgt;0.05),莖粗和棉鈴數(shù)分別顯著增加了16.8%和57.7%(Plt;0.05)(圖2d、e、f)。
2.3 不同試驗(yàn)處理對(duì)棉花植株根、莖、葉和棉鈴干質(zhì)量積累的影響
2022年大田試驗(yàn)表明,各處理根、莖和棉鈴干質(zhì)量隨著棉花的生長(zhǎng)發(fā)育不斷積累,而葉片干質(zhì)量積累在發(fā)育后期有所下降。與W1B0M1 處理相比,W1B1M1和W1B3M1處理對(duì)植株根、莖、葉和棉鈴干質(zhì)量累積均未產(chǎn)生顯著影響(Pgt;0.05);W1B2M1 處理雖然對(duì)植株根、莖和棉鈴干質(zhì)量無顯著性影響(Pgt;0.05),但葉片干質(zhì)量顯著增加了41.9%(Plt;0.05)(圖3a、b、c、d)。2023年試驗(yàn)中,棉鈴發(fā)育初期(2023/08/16),與W1B0M1 處理相比,W1B1M1 和W1B0M2 處理對(duì)植株根、莖、葉和棉鈴干質(zhì)量均未產(chǎn)生顯著影響(Pgt;0.05);W2B0M1處理雖然對(duì)植株根、莖和棉鈴干質(zhì)量未產(chǎn)生顯著影響(Pgt;0.05),但葉片干質(zhì)量顯著下降了30.6%(Plt;0.05)(圖3e、f、g、h)。與W2B0M1處理相比,W2B1M1 處理下植株的根、莖、葉和棉鈴干質(zhì)量分別增加了16.4%、28.3%、27.3% 和2.9%,但均未產(chǎn)生顯著影響(Pgt;0.05)。棉鈴發(fā)育后期(2023/09/17),與W1B0M1 處理相比,W1B0M2 和W2B0M1處理對(duì)植株根、莖和棉鈴干質(zhì)量均未產(chǎn)生顯著影響(Pgt;0.05),但葉干質(zhì)量積累分別顯著下降了31.8%和23.7%(Plt;0.05);W1B1M1處理對(duì)植株根和莖干質(zhì)量未產(chǎn)生顯著影響(Pgt;0.05),但葉和棉鈴干質(zhì)量分別顯著增加了38.1% 和31.8%(Plt;0.05)。而與W2B0M1 處理相比,W2B1M1 處理下植株根和莖干質(zhì)量分別顯著增加了53.8% 和112.7%(Plt;0.05),對(duì)葉和棉鈴干質(zhì)量未產(chǎn)生顯著影響(Pgt;0.05)(圖3e、f、g、h)。
2.4 不同試驗(yàn)處理對(duì)棉鈴鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、含水率及各組成部分干物質(zhì)占比的影響
大田試驗(yàn)表明,棉鈴鮮質(zhì)量均呈現(xiàn)“S”型曲線增長(zhǎng),開花后5~25 d左右棉鈴鮮質(zhì)量的增長(zhǎng)速率最快,此后棉鈴鮮質(zhì)量趨于穩(wěn)定(圖4a、d)。所有處理平均來看,棉鈴干質(zhì)量的增長(zhǎng)分為開花后0~20 d 左右和開花后25~58 d左右兩個(gè)階段,前面一個(gè)階段干質(zhì)量呈“S”型曲線增長(zhǎng),后一階段呈線性增長(zhǎng)(圖4b、e)。棉鈴含水率在開花后10 d左右達(dá)到峰值,此后棉鈴含水率逐漸下降,從88% 左右下降到65% 左右(圖4c、f)。2022 年大田試驗(yàn)表明,開花后44~68 d,相比W1B0M1處理,W1B1M1處理下棉鈴平均鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和含水率分別增加了7.6%、4.4%和0.04個(gè)百分點(diǎn);W1B2M1處理下棉鈴平均鮮質(zhì)量和干質(zhì)量分別增加了2.4%和3.9%,而棉鈴平均含水率下降了0.37個(gè)百分點(diǎn);W1B3M1處理下棉鈴平均鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和含水率增加了6.8%、6.9%和0.24個(gè)百分點(diǎn)。2023年大田試驗(yàn)表明,開花后44~58 d,不同水分和菌劑處理影響著棉鈴的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和含水率。相比W1B0M1處理,W2B0M1處理下棉鈴平均鮮質(zhì)量和含水率分別降低了3.5%和1.73個(gè)百分點(diǎn),但平均干質(zhì)量增加了0.6%;W1B1M1 處理使棉鈴平均鮮質(zhì)量和干質(zhì)量分別降低了2.3%和3.6%,而平均含水率增加了0.42個(gè)百分點(diǎn)。相比W2B0M1處理,W2B1M1處理使棉鈴平均鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和含水率分別下降了6.7%、4.9%和0.92個(gè)百分點(diǎn)。
大田試驗(yàn)表明,隨著棉鈴的發(fā)育,棉殼的干物質(zhì)占比從70% 左右下降到20% 左右,并在發(fā)育后期趨于穩(wěn)定(圖5a、d);棉籽干物質(zhì)占比在開花后0~15 d左右從7%快速增加到35%左右,隨后棉籽干質(zhì)量占比呈小幅增加趨勢(shì)(圖5b、e);棉纖維的干物質(zhì)占比在開花后0~15 d 左右變化程度較小,開花后15 d 左右棉纖維的干物質(zhì)變化程度增大(圖5c、f)。2022年大田試驗(yàn)表明,開花后44~68 d,相比W1B0M1處理,W1B1M1處理下棉殼和棉籽干物質(zhì)平均占比分別增加了9.8%和1.1%,而棉纖維干物質(zhì)平均占比降低了1.8%;W1B2M1 處理下棉殼干物質(zhì)平均占比降低了3.4%,棉籽和棉纖維干物質(zhì)平均占比分別增加了2.6% 和1.8%;W1B3M1處理下棉殼干物質(zhì)平均占比增加了6.1%,棉籽和棉纖維干物質(zhì)平均占比分別降低了6.7% 和1.8%。2023 年大田試驗(yàn)表明,開花后44~58 d,不同水分和菌劑處理影響著棉花三部分干物質(zhì)分配。相比W1B0M1處理,W2B0M1處理下棉殼干物質(zhì)平均占比降低9.5%,而棉籽和棉纖維干物質(zhì)平均占比增加4.3%和2.6%;W1B1M1處理使棉殼干物質(zhì)平均占比降低2.5%,棉籽和棉纖維干物質(zhì)平均占比分別增加0.7% 和1.1%。但與W2B0M1 處理相比,W2B1M1下棉殼干物質(zhì)平均占比增加1.4%,而棉籽和棉纖維干物質(zhì)平均占比分別下降0.5%和0.4%。
2.5 不同試驗(yàn)處理對(duì)棉纖維產(chǎn)量和品質(zhì)的影響
由表1 可知,與W1B0M1 處理相比,W1B1M1、W1B0M2和W2B0M1處理一定程度上降低了棉纖維上半部平均長(zhǎng)度、整齊度指數(shù)和馬克隆值,但斷裂比強(qiáng)度有所增加,差異均不顯著(Pgt;0.05)。與W2B0M1處理相比,W2B1M1處理增加了棉纖維上半部平均長(zhǎng)度、整齊度指數(shù)、斷裂比強(qiáng)度和馬克隆值,降低了棉纖維伸長(zhǎng)率,均沒有產(chǎn)生顯著性影響(Pgt;0.05)。相比W1B0M1處理,W1B0M2處理使籽棉和皮棉產(chǎn)量分別顯著降低了22.6% 和17.0%(Plt;0.05);W2B0M1 處理對(duì)皮棉產(chǎn)量無顯著影響(Pgt;0.05),但籽棉產(chǎn)量顯著降低23.5%(Plt;0.05);W1B1M1處理對(duì)籽棉和皮棉產(chǎn)量均未產(chǎn)生顯著影響(Pgt;0.05)。與W2B0M1處理相比,W2B1M1 處理使籽棉和皮棉產(chǎn)量分別提高了16.7%和9.9%,但均未產(chǎn)生顯著影響(Pgt;0.05)。
3 討論
在本研究中,我們探討了不同水分條件下PGPR和黑膜覆蓋對(duì)植株水勢(shì)的影響。2022年試驗(yàn)表明,不同濃度的PGPR對(duì)植株水勢(shì)的影響呈現(xiàn)出與生育時(shí)期關(guān)聯(lián)的動(dòng)態(tài)變化。在蕾期,不同濃度的PGPR處理均提升了植株水勢(shì),顯示其在改善植株水分狀態(tài)上的積極作用。然而,進(jìn)入花鈴期,高濃度PGPR反而導(dǎo)致中期水勢(shì)下降,后期又有所回升,顯示出復(fù)雜的影響模式。正午莖水勢(shì)的變化趨勢(shì)與此相似,這表明PGPR的作用可能受到生長(zhǎng)階段和濃度的雙重制約。因此,需要進(jìn)一步研究以明確PGPR調(diào)節(jié)植株水勢(shì)的具體機(jī)制,并優(yōu)化其施用策略。2023年試驗(yàn)結(jié)果顯示,相比充分灌溉不加菌處理,水分虧缺條件下棉花的葉水勢(shì)顯著下降,這與以往研究表明的干旱條件下葉水勢(shì)和溶質(zhì)勢(shì)下降的結(jié)果一致,主要是由于膨壓減少和氣孔關(guān)閉,從而減少了植株的耗水量[24]。在充分灌溉條件下,施用PGPR和黑膜覆蓋在一定程度上降低了棉花植株的水勢(shì)(圖1),這可能是因?yàn)镻GPR和黑膜在植株早期階段促進(jìn)了營養(yǎng)生長(zhǎng),導(dǎo)致水分消耗增加(圖2、圖3)。然而,相比水分虧缺不加菌處理,水分虧缺條件下施加PGPR 導(dǎo)致植株葉水勢(shì)的初期提升作用減弱,甚至出現(xiàn)水勢(shì)進(jìn)一步下降的現(xiàn)象。這可能是因?yàn)镻GPR在特定條件下會(huì)加速植物根系凱氏帶的形成[25],增強(qiáng)根系吸水能力,同時(shí)降低葉片的相對(duì)含水量和水勢(shì),使其在干旱條件下表現(xiàn)出一定的水分調(diào)節(jié)作用。
棉花植株具有無限生長(zhǎng)特性,在生殖生長(zhǎng)階段仍繼續(xù)進(jìn)行營養(yǎng)生長(zhǎng)[18]。營養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)的平衡對(duì)于棉花的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)至關(guān)重要。莖粗直接影響植物內(nèi)部的物質(zhì)運(yùn)輸效率,是衡量棉花生長(zhǎng)的重要指標(biāo)。莖粗的增加主要依賴于徑向生長(zhǎng),包括木質(zhì)部和韌皮部的發(fā)育,這些結(jié)構(gòu)對(duì)于水分、營養(yǎng)物質(zhì)、糖分和生長(zhǎng)激素的運(yùn)輸至關(guān)重要[21]。2022年試驗(yàn)結(jié)果表明,PGPR 對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響具有濃度依賴性和指標(biāo)特異性。低濃度PGPR(B1)顯著增加了果枝數(shù)量,而較高濃度(B2、B3)對(duì)株高、莖粗和果枝數(shù)均無顯著影響。其中,B2濃度PGPR選擇性地提高了葉片干質(zhì)量,但對(duì)其他器官的生物量積累以及棉鈴性狀(鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、含水率、各部分干物質(zhì)占比)的影響較小且不一致。這一濃度依賴性與其他類似研究結(jié)果一致。低濃度的PGPR通常能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng),這是由于其產(chǎn)生的植物激素(如IAA)和抗氧化酶能夠優(yōu)化養(yǎng)分吸收及增強(qiáng)植物的抗逆性。然而,隨著濃度增加,PGPR可能因產(chǎn)生抑制性代謝物或引發(fā)植物應(yīng)激反應(yīng)而降低其生長(zhǎng)促進(jìn)作用[26]。2023年試驗(yàn)結(jié)果顯示,相比充分灌溉不加菌處理,在充分灌溉條件下施用較低濃度PGPR(B1)雖然促進(jìn)了棉花植株莖粗、株高和棉鈴數(shù)的增長(zhǎng)(圖2),但并未對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生顯著的積極影響[21]。以往的研究表明,相比充分灌溉不加菌處理,在充分灌溉條件下施用低濃度PGPR(B1)能夠促進(jìn)棉花(新陸早72號(hào))的根系發(fā)育[21]。然而,這種根系發(fā)育的增強(qiáng)并沒有顯著提高棉花的產(chǎn)量,這與本研究結(jié)果一致。在本研究中,相比充分灌溉不加菌處理,水分虧缺抑制了植株株高、莖粗和棉鈴的生長(zhǎng)(圖2d、e和f),延遲了棉鈴干物質(zhì)的積累和脫水過程,減少了單株棉鈴數(shù),增加了斷裂比強(qiáng)度,但沒有改變棉鈴的最終干質(zhì)量(圖4e),這可能是因?yàn)樗痔澣睂?duì)棉鈴和果柄木質(zhì)部水力特性沒有顯著性影響[27]。此外,在棉鈴發(fā)育后期棉殼的干物質(zhì)占比降低,而棉籽和纖維的干物質(zhì)占比增加(圖5d、e和f),棉殼的干物質(zhì)含量下降可歸因于碳水化合物向棉籽和棉纖維的轉(zhuǎn)移、棉殼的呼吸和營養(yǎng)物質(zhì)的攝取[28-29]。除了缺水之外,棉花植物還經(jīng)常暴露于多種非生物脅迫,在全球氣候變化的背景下,高溫是經(jīng)常與干旱同時(shí)發(fā)生的許多脅迫之一[30]。在單個(gè)脅迫和復(fù)合脅迫下,一些敏感棉花品種的單株鈴數(shù)、棉鈴干質(zhì)量和分配給纖維的生物量顯著減少,而這些參數(shù)在一些耐受品種中受影響較小[30]。水分虧缺造成棉鈴數(shù)量顯著減少,而棉殼、棉籽和棉纖維的干物質(zhì)占比不受影響(圖5d、e和f)。本研究與以前的報(bào)告[27,30]之間對(duì)水分虧缺的不同反應(yīng)可能與不同品種的不同耐受性[31]以及脅迫的嚴(yán)重程度和持續(xù)時(shí)間有關(guān)。在水分虧缺條件下,施用PGPR顯著緩解了水分虧缺帶來的負(fù)面影響,同時(shí)增強(qiáng)了植株?duì)I養(yǎng)和生殖生長(zhǎng)(圖2d、e和f)。PGPR主要通過提高養(yǎng)分利用效率[32]、促進(jìn)鐵載體產(chǎn)生[32]、調(diào)節(jié)植物激素平衡[32]和調(diào)控根際微生物群落等多種機(jī)制[33-34],有效緩解水分虧缺對(duì)植物生長(zhǎng)的抑制作用,促進(jìn)植物健康生長(zhǎng)。
研究結(jié)果顯示,相比充分灌溉白膜處理,黑膜覆蓋雖然在一定程度上促進(jìn)了棉花根系生長(zhǎng),但是顯著降低了棉花的籽棉和皮棉產(chǎn)量,影響棉花品質(zhì)的形成。黑膜的強(qiáng)吸熱效果導(dǎo)致土壤溫度過高[19,35],從而增加了根系的呼吸消耗,削弱了營養(yǎng)物質(zhì)向地上部的運(yùn)輸效率。高溫土壤環(huán)境不僅限制了莖粗和株高的增長(zhǎng),還在棉花生長(zhǎng)后期導(dǎo)致籽棉和皮棉產(chǎn)量的下降[20](表1)。同時(shí),土壤溫度過高可能抑制根系的水分和養(yǎng)分吸收,最終影響棉鈴數(shù)和干物質(zhì)積累。因此,黑膜覆蓋雖然在一定程度上促進(jìn)了根系發(fā)育(圖3 f),但降低了植株內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)輸?shù)恼w效率,對(duì)棉花產(chǎn)量和品質(zhì)形成產(chǎn)生負(fù)面影響。與充分灌溉白膜處理相比,黑膜處理提升了土壤溫度,加劇了根系對(duì)光合同化物的消耗,減少了向葉片和棉鈴等地上部分的干物質(zhì)分配,最終導(dǎo)致棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的降低。
綜上所述,在不同水分條件下PGPR 和黑膜覆蓋對(duì)棉花的生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)有不同的影響。在干旱或水分不足的情況下,PGPR可作為生物刺激劑來增強(qiáng)棉花的抗旱性并提高產(chǎn)量和品質(zhì)。而在使用黑膜時(shí),應(yīng)特別注意其可能帶來的土壤過熱問題,以避免對(duì)棉花生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。合理選擇和應(yīng)用這些技術(shù),可以在不同的農(nóng)業(yè)環(huán)境中優(yōu)化棉花的生產(chǎn)效率。此外,由于缺乏2022 年棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的數(shù)據(jù),本研究對(duì)不同濃度的PGPR 對(duì)棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的影響的評(píng)估存在局限性。未來將通過補(bǔ)充數(shù)據(jù)并深入研究相關(guān)機(jī)制來解決這一局限性,為棉花生產(chǎn)提供更全面的指導(dǎo)。
4 結(jié)論
(1)在充分灌溉條件下,不同濃度的根際促生菌對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育表現(xiàn)出濃度依賴性。低濃度根際促生菌顯著增加了果枝數(shù)量,增幅為15.4%,并對(duì)莖粗和株高有一定促進(jìn)作用,但未達(dá)顯著水平(Pgt;0.05)。高濃度根際促生菌對(duì)生長(zhǎng)指標(biāo)影響較小。
(2)在水分虧缺條件下,根際促生菌改善了植株的水分狀況,增強(qiáng)了棉花的抗旱性。莖粗、棉鈴數(shù)、根和莖干質(zhì)量分別增加了16.8%、57.7%、53.8%和112.7%(Plt;0.05)。盡管籽棉和皮棉產(chǎn)量分別提高了16.7% 和9.9%,但未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性,表明根際促生菌在干旱條件下具有改善棉花生長(zhǎng)和潛在提高產(chǎn)量的應(yīng)用價(jià)值。
(3)黑膜覆蓋雖然促進(jìn)了根系的生長(zhǎng),但其吸熱效應(yīng)導(dǎo)致土壤溫度升高,增加了根系的呼吸消耗,并抑制了莖粗和株高的增長(zhǎng)。具體來說,籽棉和皮棉的產(chǎn)量分別下降了22.6%和17.0%(Plt;0.05)。過高的土壤溫度限制了水分和養(yǎng)分的吸收,最終影響了棉花的生長(zhǎng)和產(chǎn)量。
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