風沙災害對策勒綠洲棉花光合特征的影響

鄒 陳，范子昂

新疆沙漠面積占全國沙漠面積的59.2%，并有29.8萬km2的戈壁(礫質(zhì)荒漠)，位于南部塔里木盆地的塔克拉瑪干沙漠面積為33.76萬km2，是中國最大的沙漠，也是世界第2大流動沙漠。塔克拉瑪干沙漠腹地沙質(zhì)沉積物厚度多為200-500m，這種深厚的疏散沙質(zhì)沉積物在干旱少雨而多風的氣候條件下易被風力吹揚，成為沙漠的重要物質(zhì)來源，也是沙漠地區(qū)風沙災害的沙物質(zhì)來源；策勒綠洲自然條件惡劣、降水少、蒸發(fā)大、水資源短缺、植被稀疏、風沙活動強烈、土地荒漠化嚴重、生態(tài)環(huán)境十分脆弱，是干旱區(qū)人類活動最敏感的環(huán)境系統(tǒng)[1]。策勒邊緣由于絕大部分都與沙漠接壤，棉花生長完全依靠灌溉，風沙災害更為嚴重[2]，尤其是20世紀50年代以來，由于氣候變化和人為因素作用，該地區(qū)沙漠的流動面積不斷增加，風沙災害天氣嚴重制約著當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展。

策勒自然植被的生理生化特征很多受到影響，包括光合作用特性，生理指標特征以及植物本身的一些物理特征[3-5]，而對其經(jīng)濟作物受風沙影響的情況較少有人研究，目前有關(guān)風沙對棉花作物影響的相關(guān)研究主要集中在不同土壤類型下其對棉花出苗率和生長高度的影響[6]，在風沙發(fā)生頻率相對較少的阿拉爾墾區(qū)，對棉花出苗和生長發(fā)育的影響[7]，也有學者發(fā)現(xiàn)在阿拉爾墾區(qū)風沙對棉花苗期和蕾期光合參數(shù)的影響非常明顯，而花鈴期的不明顯，且新傷棉花功能葉片的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率要明顯低于舊傷和未受傷的棉花[8]，還有一些學者根據(jù)風沙對邊緣綠洲棉田危害類型及產(chǎn)生機理，提出了一些防治措施[9]。然而，風沙對棉花作物的危害在其整個生長季不同階段生理方面的表現(xiàn)，特別是對棉花整個生育進程單葉光合特征的研究少見報道。因此，針對新疆風沙危害十分嚴重的策勒綠洲農(nóng)區(qū)棉田開展風沙災害對棉花生長的影響及其對生理方面的危害程度研究就顯得尤為重要和迫切，并能為新疆優(yōu)質(zhì)棉基地建設和棉花風沙災害的防御提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

策勒綠洲位于塔克拉瑪干沙漠南緣中段，昆侖山北麓，地處80°03′24″～82°10′34″E，37°17′55″～39°30′00″N，海拔1318m(圖1)，年平均降水量僅35.1mm，年平均潛在蒸發(fā)量接近2600mm，干燥度20.8，該地區(qū)晝夜溫差大，年均溫日較差≥15℃，屬于獨特的荒漠-綠洲型生態(tài)系統(tǒng)[10,11]。策勒綠洲氣候?qū)儆诘湫偷呐瘻貛Ц珊祷哪畾夂?，四季分明，春季氣溫回升快，秋季降溫迅速，光熱資源豐富。年均日照時數(shù)2697.5h，年均溫11.9℃，≥0℃積溫4726.7℃，無霜期196d，這為本區(qū)農(nóng)作物和植物的生長提供了充足的光熱條件[12]。策勒綠洲水資源雖然較為豐富，有9條季節(jié)性河流，年總徑流量5.85×109m3，但是徑流季節(jié)分配不勻，秋季高達79.6%，春季卻僅占8.7%，加上洪枯懸殊較大，貯洪能力弱，用水相對緊缺[2]。而且由于該區(qū)域地處塔里木盆地兩大主導風向(NW，NE)的下風區(qū)域，風沙災害頻繁，多年平均沙塵日數(shù)25.2d，最多年高達59d，每年8級以上大風3～9次[13]。

表1 2011～2012年棉花生長季沙塵天氣情況(天)

圖1 研究區(qū)位置圖(高分一號衛(wèi)星影像圖)

1.2 供試材料

試驗于2011年～2012年在新疆策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站氣象觀測場北面大約40m的農(nóng)民常規(guī)栽培模式試驗田內(nèi)進行，試驗地面積為100*100m2，土壤以風沙土，灌淤土為主，播種前兩天施有機肥(牛羊糞)15000kg/hm2，無機肥：磷酸二銨150kg/hm2、尿素75kg/hm2，然后耕地，引水灌溉。機械膜下穴播，品種：新陸中21號，行距25:45:70:25cm，株距：9cm，2～4個種子/穴，寬膜(1.4m)覆蓋，每膜4行，播種密度22.5萬株/hm2。

1.3 試驗設計

試驗設置兩種不同防風沙處理與大田自然狀況(對照)進行對比觀測：(1)紗網(wǎng)保護(網(wǎng)內(nèi))，播種后第二天在地膜上架設2個(長3.4m*寬2.4m*高1.2m)的防風沙紗網(wǎng)大棚，大棚為鋼架結(jié)構(gòu)，四周自架設之日起始終圍有一層250目的紗網(wǎng)，頂部在有沙塵天氣來之前用紗網(wǎng)覆蓋，當晴天時打開頂部紗網(wǎng)；(2)架設紗網(wǎng)附近自然狀況下生長的棉花植株(CK)；(3)把架設紗網(wǎng)附近一部分CK葉面上的沙塵洗去(水洗)，為避免水分因子對測量結(jié)果有所影響，在測量前一晚對掛牌標記的葉片進行水洗處理。

1.4 測定項目

植物單葉的凈光合速率(Pn)值的大小可以直接反映出植物光合產(chǎn)量的高低[14]，其日動態(tài)的變化會因環(huán)境條件的變化而出現(xiàn)差異，因此，它成為分析環(huán)境因素影響植物生長和代謝的重要手段[15]。為了比較風沙對棉花整個生育期不同發(fā)育關(guān)鍵時段生理代謝與物質(zhì)積累的影響，觀測對比三種處理下棉花都達現(xiàn)蕾期(出苗后35d)、開花期(出苗后65d)、裂鈴 (出苗后95d)、吐絮期(出苗后125d)時，(發(fā)育期出現(xiàn)日期不一致，棚外滯后0-2天)，用便攜式光合作用儀(GFS-3000，德國WALZ)對三種處理下的棉花單葉進行光合特征的對比觀測，由于植物光合能力的大小受內(nèi)部生理因子(品種、葉齡、發(fā)育期等)和外部環(huán)境因子(光、溫、水汽等)影響，在短時期內(nèi)，內(nèi)部生理因子變化相對較小，外部的環(huán)境因子就會成為主要的影響因素[16,17]。因此選連續(xù)兩個晴朗、無云、無風的天氣，從日出后(開始測量時間選整點，北京時間夏季8點，秋季10點)開始，每2h循環(huán)一次，至晚22點(夏季，秋季20點，日落前整點)，隨機抽取紗網(wǎng)內(nèi)、外及水洗后供試樣品的某一行連續(xù)5株的倒四葉進行觀測，每葉連續(xù)記錄3次取平均，觀察其光合速率(Pn)、蒸騰速率(E)、光合有效輻射(PAR)，氣溫(T)和空氣相對濕度(RH)等光合參數(shù)日變化特征，研究風沙災害對棉花生長發(fā)育的影響及光合生理的影響。由于細沙，粉塵等微粒對光合作用儀損傷較大，嚴重影響儀器精度和使用壽命，測量前盡量吹去附著于葉片表面的細沙和塵土。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)處理和作圖采用 Microsoft Excel for Windows 2010完成，用 SPSS 20 軟件進行相關(guān)分析，顯著性假設為 P<0.05，極顯著性假設為 P<0.01；方差分析，顯著性假設為 P<0.05，極顯著性假設為 P<0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子日變化特征

該地區(qū)棉花生長處于現(xiàn)蕾期、開花期、裂鈴期、吐絮期四個時期時，光合有效輻射(PAR)、氣溫(T)和空氣相對濕度(RH)等環(huán)境因子存在比較一致的日變化規(guī)律，其中裂鈴期環(huán)境因子日變化曲線如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)，PAR和T的日變化都呈現(xiàn)為先升后降的單峰曲線型，全天從上午日出后，PAR和T開始逐漸上升，16:00時左右達到一天中的最高值，然后較快速地下降直至日落?？諝庀鄬穸?RH)從日出后到20:00時左右呈直線下降趨勢，下降幅度較大。對比四個發(fā)育期一天中PAR、T和RH的變化情況，發(fā)現(xiàn)PAR和RH最大值出現(xiàn)在開花期達1864μmol·m-2·s-1和40.5%，T最大值出現(xiàn)在裂鈴期達38.8℃。

圖2 裂鈴期光合有效輻射、溫、濕度日變化

2.2 凈光合速率日變化特征

從圖3可以看出，自然狀況下生長的棉花(CK)倒四葉凈光合速率日變化在四個發(fā)育階段都呈現(xiàn)雙峰曲線型，有較明顯的“光合午休”現(xiàn)象，而且其峰值和“午休”發(fā)生的時間，及“午休”持續(xù)時間基本一致，但是主峰和次峰出現(xiàn)早晚有區(qū)別。3種處理下現(xiàn)蕾期、開花期、吐絮期兩次峰值出現(xiàn)的時間分別在日出后第三個整點和第七個整點，“午休”發(fā)生時間為日出后第五個整點，而裂鈴期CK的Pn值第一峰值和第二峰值分別出現(xiàn)在日出后第五個整點和第九個整點，“午休”出現(xiàn)在日出后第七個整點，網(wǎng)內(nèi)和水洗處理的棉花沒有出現(xiàn)“午休”。另外，3種處理下Pn值的主峰和次峰出現(xiàn)時間不一樣，現(xiàn)蕾期第一峰為主峰，吐絮期第二峰為主峰，開花期和裂鈴期沒有明顯主峰和次峰差別。四個不同發(fā)育時段3種處理各時次其Pn值大小基本依次為：網(wǎng)內(nèi)>水洗>CK。表明該地區(qū)頻繁的挾沙風從出苗開始就通過沙粒打擊植物體使植物外部形態(tài)和內(nèi)部生理結(jié)構(gòu)都受到損傷[18]，導致其光合作用受到限制，阻遏植物碳同化能力，降低植物生物量的積累，進而使植物長勢偏弱；另外還有降塵附著在葉片上降低了葉片接受光合有效輻射的效率，減少對二氧化碳吸收，減緩植株體內(nèi)水分的蒸騰速率，從而使葉片光合速率下降。最終導致策勒地區(qū)棉花的倒四葉一天內(nèi)各時段平均光合作用速率大小依次為：網(wǎng)內(nèi)>水洗>CK。

圖3 不同防護處理下單葉凈光合速率日變化(a:現(xiàn)蕾期 b:開花期 c:裂鈴期 d:吐絮期)

2.3 其他光合特征參數(shù)

葉片上的氣孔是植物與外部環(huán)境交換水分和CO2氣體的重要通道，氣孔開放有利于CO2擴散進入葉片光合組織的細胞間隙，為植物光合作用提供源；同時，大量的水分也可以通過氣孔經(jīng)蒸騰作用而擴散于大氣中[19]。氣孔導度(Gs)是表征氣孔開合程度的量，他能影響影響光合作用，呼吸作用及蒸騰作用。蒸騰速率(E)表征植物蒸騰作用的強弱，是反映植物水分狀況的一個重要生理指標，蒸騰速率越低則表示植物適應干旱環(huán)境的能力越強[20]。胞間CO2是光合作用的主要原料之一，其濃度通常用Ci表示。以上三個量和光合作用速率是光合作用的重要特征參數(shù)，與光合作用速率的兩兩相關(guān)關(guān)系如表2，光合速率與氣孔導度、蒸騰速率呈明顯的正相關(guān)關(guān)系(p=0.01)，與胞間二氧化碳濃度呈明顯的負相關(guān)關(guān)系(p=0.01)。棉花在開花期時受風沙災害影響后葉片的光合特征參數(shù)日變化情況已有介紹[21]，棉花現(xiàn)蕾期、裂鈴期、吐絮期期間的氣孔導度、蒸騰速率和胞間CO2濃度受風沙影響后，及其日變化趨勢與開花期大致相同。

表2 棉花各光合參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系(雙側(cè))

**.在 .01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

2.4 固定光強下的凈光合速率

光能是植物同化作用的能量來源，PAR不高時Pn值隨PAR的變化而發(fā)生改變[20]，不同發(fā)育時段一天中的同一時刻PAR相差也很大，因此，試驗選中午12:00時，人為控制光強在1300Lux(現(xiàn)蕾，裂鈴，吐絮自然光強<1300，開花自然光強>1300)，觀測三種處理下，四個發(fā)育時段其倒四葉Pn值在同一光強下的變化(如圖4)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：從現(xiàn)蕾期開始三種處理下棉花倒四葉Pn值持續(xù)升高至裂鈴期，然后迅速下降，而且四個發(fā)育時段棉花倒四葉平均Pn值大小依次為：網(wǎng)內(nèi)>水洗>CK。另外，通過計算四個發(fā)育時段，三種處理棉花倒四葉Pn值的差值，能夠發(fā)現(xiàn)越到后期防護網(wǎng)內(nèi)的Pn值和自然狀況下水洗的Pn值與自然狀況的Pn值的差值越大。這表明該地區(qū)頻繁的風沙對棉花植株的影響不僅僅作用于某一發(fā)育時段，而是伴隨著整個生育進程，是一個由小到大積累的過程，從持續(xù)地減少光合產(chǎn)量大小，到最終導致整個生理機能變?nèi)?，是長期風沙流吹襲及降塵附著等因素共同作用的結(jié)果。

注：同一發(fā)育階段試驗組與對照相比，**表示差異極顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05 )；同一發(fā)育階段網(wǎng)內(nèi)與水洗相比，a表示差異極顯著(P<0.01)，b表示差異顯著(P<0.05 )。圖4 不同發(fā)育期單葉凈光合速率變化

3 結(jié)論

3.1 四個發(fā)育時段，不同防風沙處理下生長的棉花凈光合速率日變化都呈現(xiàn)雙峰曲線型，有較明顯的“光合午休”現(xiàn)象，而且其峰值和“午休”發(fā)生的時間，及“午休”持續(xù)時間基本一致，但是主峰和次峰出現(xiàn)早晚有區(qū)別，并且全天各時次Pn值大小表現(xiàn)為：網(wǎng)內(nèi)>水洗>CK。

3.2 不同防風沙處理在固定光強下測得的棉花Pn值從現(xiàn)蕾期開始緩慢升高至裂鈴期，至吐絮期時迅速下降，并且其平均Pn值大小依次也為：網(wǎng)內(nèi)>水洗>CK。在計算其Pn值的差值后，發(fā)現(xiàn)越到后期防護網(wǎng)內(nèi)的和自然狀況下水洗的Pn值與自然狀況的Pn值間的差值越大。

該地區(qū)頻繁的挾沙風從出苗就開始就通過沙粒擊打棉株使棉花外部形態(tài)和內(nèi)部生理結(jié)構(gòu)都受到損傷，加上附著于葉片上的降塵減少其對光能和CO2的吸收，最終導致其光合作用受到限制，碳同化能力遭到阻遏，生物量積累降低，進而使棉株長勢偏弱。