施氮量對等行距密植棉花氣體交換和葉綠素熒光特性的影響

田 雨，王旭文，韓煥勇，羅宏海，王方永

(1.新疆農(nóng)墾科學院棉花研究所/農(nóng)業(yè)部西北內(nèi)陸區(qū)棉花生物學與遺傳育種重點實驗室，新疆石河子 832000；2.石河子大學農(nóng)學院，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】棉花是重要的油料和纖維作物[1]。2018年新疆總產(chǎn)量達511.1×104t，占全國的83.8%[2-4]。自從新疆棉花采用膜下滴灌先進的灌溉方式后，水分利用效率已達到較高水平[5]，化肥利用效率33%，低于世界發(fā)達國家平均水平[6]。在棉花穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的前提下，降低化肥投入、增加植棉效益，對新疆棉花高效生產(chǎn)具有重要意義。【前人研究進展】施氮是調控棉花生長發(fā)育、光合生產(chǎn)效率和產(chǎn)量形成的重要栽培措施[7-9]，但施氮過多會導致棉花營養(yǎng)生長過旺，使光合產(chǎn)物向產(chǎn)品器官的運輸能力和分配系數(shù)降低[10]，也會使地上總生物量和根系對氮素的吸收能力降低，最終影響產(chǎn)量。施氮量過低不利于棉花的生長發(fā)育，棉花的生物量和氮素積累量顯著降低，影響光合同化物的合理分配[11]，施氮過高和過低最終均會導致產(chǎn)量和品質下降[12]。適度的氮素調虧能夠使棉花生物量達到最大，同時提高光合同化物在產(chǎn)品器官中的分配比例[13-14]，可以實現(xiàn)氮肥減施增效。光合作用被稱為植物生命活動的“發(fā)動機”，是棉花生物量和產(chǎn)量形成的根本[15]。氮素供應對棉花葉片光合生理特性具有重要影響[16]，施氮過量或不足會造成葉片CO2同化能力降低，不利于中后期光合生理活性，使光合同化物的積累與運輸受阻[17-19]，供氮不足還可導致棉花衰老進程的加劇和抵抗外界脅迫能力的降低[20]。氮素調虧可改善棉花的葉綠素熒光特性，提高葉片的光合性能以及延長葉片功能期，進而顯著提高棉花產(chǎn)量[17,21]。合理施用氮肥可以調控棉花光合性能向高產(chǎn)高效方向轉變?！颈狙芯壳腥朦c】為協(xié)調棉花高產(chǎn)與適宜機采之間的矛盾，有研究提出了76 cm等行距密植的新型機采棉高產(chǎn)高效栽培模式，采用此模式種植在保證棉花產(chǎn)量水平的前提下，有利于棉花后期脫葉和降低機采籽棉含雜率[22-26]，為實現(xiàn)機采棉提質增效提供了新途徑。有關等行距密植模式下棉花優(yōu)質高產(chǎn)生理機理調控技術的研究較少，有關氮肥調控機理的研究更少，基礎研究的薄弱限制了等行距密植模式的大面積推廣應用。研究施氮量對等行距密植棉花光合特性及產(chǎn)量的調節(jié)機制?！緮M解決的關鍵問題】在等行距密植條件下，分析氮肥供應對棉花氣體交換參數(shù)、葉綠素熒光參數(shù)的影響，為等行距密植模式下棉花高效氮肥管理提供理論依據(jù)和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2017～2018年在新疆農(nóng)墾科學院試驗地(44°19′N，86°03′E)進行。供試品種為新陸早64號。試驗地為壤土，含有機質20.1 g/kg、堿解氮71.7 mg/kg、全氮0.95 g/kg、速效鉀274 mg/kg、速效磷12.1 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

設5個施氮量處理：N0(0 kg/667 m2)、N8(8 kg/667 m2)、N16(16 kg/667 m2)、N24(24 kg/667 m2)、N32(32 kg/667 m2)。采用隨機區(qū)組設計，小區(qū)面積為68.4 m2，重復3次。種植模式采用等行距密植模式(2.05 m超寬膜，行距為76 cm，株距為5.5 cm )，于4月18～20日進行播種，10月初收獲，6月25日進頭水，8月20日停水，全生育期灌水320 m3/667 m2，灌水周期為7～8 d，全生育期共隨水滴施K2O和P2O5施用量分別為3.4和5.2 kg/667 m2，N肥來源為尿素，K2O和P2O5的來源為磷酸二氫鉀，6、7、8月施P、K比例均為5∶11∶4。其他田間管理措施同當?shù)卮筇镆恢?。?

表1 棉花生育期施氮時間及施氮量Table 2 Nitrogen application time and amount during cotton growth period (kg/667 m2)

1.2.2 測定指標

葉片氣體交換參數(shù)：各處理于人工打頂前標記植株倒四葉，打頂后標記倒三葉，用GSF-3000光合測定系統(tǒng)(借助人工光源光強穩(wěn)定在1 800 μmol/(m2·s)在初花期、盛鈴期和盛鈴后期選擇晴朗無云天氣于10: 00～12: 00測定標記葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)等參數(shù)，各小區(qū)每次測定3～4片葉。

葉片葉綠素熒光參數(shù)：采用MINI-PAM葉綠素熒光儀測定葉片的葉綠素熒光參數(shù)，測定與氣體交換參數(shù)同時進行。各處理采用氣體交換參數(shù)測量的標記葉片，在凌晨太陽未升起前測量葉片初始熒光(F0)和最大熒光(Fm)，計算最大光化學效率(Fv/Fm)，在測量葉綠素熒光參數(shù)之前，手動輸入對應葉片的F0和Fm，隨后打開光化光，光強穩(wěn)定在1 200～1 400 μmol/(m2·s)，待熒光信號到達穩(wěn)態(tài)后打開飽和脈沖光，測定任意時間的實際熒光產(chǎn)量(Ft)和光適應下的最大熒光產(chǎn)量(Fm')，計算實際光化學效率(ΦPSⅡ)等葉綠素熒光參數(shù)。

產(chǎn)量測定：收獲前，各小區(qū)選取代表性樣點，調查單位面積鈴數(shù)，并實收計產(chǎn)。在各小區(qū)收取15株代表性棉株的棉鈴，稱重計算單鈴重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Office 2016整理后采用SPSS 19.0軟件進行方差分析，用Duncan法進行多重比較，同時用SigmaPlot 12.5軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 施氮量對棉花葉片氣體交換參數(shù)的影響

研究表明，施氮量對棉花功能葉凈光合速率(Pn)在初花期(2018年除外)、盛鈴期和盛鈴后期具有顯著影響。在初花期，各處理(2017年N0除外)的Pn之間沒有顯著差異；在盛鈴期和盛鈴后期，N16、N24和N32處理的Pn顯著高于N0和N8處理，但N16、N24和N32處理之間無顯著差異。適當降低施氮量并不會顯著降低棉花功能葉在初花期至盛鈴后期的凈光合速率。圖1

注：IF:初花期；FB:盛鈴期；LFB:盛鈴后期

研究表明，施氮量對棉花功能葉氣孔導度(Gs)具有顯著影響，年際之間表現(xiàn)有所不同，其中2017年，初花期和盛鈴期的Gs隨著施氮量的增加而增加，且N32處理的Gs顯著高于其他處理；在盛鈴后期，N16處理的Gs最高，且與N24處理無顯著差異。2018年，在初花期和盛鈴后期，N16處理的Gs與N24和N32處理沒有顯著差異，均處于較高水平；在盛鈴期，N16處理的Gs顯著低于N32，但是和N24處理之間沒有顯著差異。適當降低施氮不會顯著影響棉花功能葉的氣孔導度。圖2

圖2 不同施氮量下棉花功能葉氣孔導度(Gs)變化Fig.2 Effects of nitrogen application rates on Gs of functional leaves of cotton

2017年，在初花期N16和N32處理的Ci顯著較低，其他處理間差異不顯著；在盛鈴期，N16、N24和N32處理的Ci之間差異不顯著；但在盛鈴后期，Ci隨著施氮量的增加而降低。2018年，在初花期和盛鈴期，各處理之間的Ci沒有顯著差異，但盛鈴后期Ci隨著施氮量的增加而降低。施氮量對盛鈴后期棉花功能葉胞間CO2濃度(Ci)具有顯著影響。圖3

圖3 不同施氮量下棉花功能葉胞間CO2濃度(Ci)變化Fig.3 Effects of nitrogen application rates on Ci of functional leaves of cotton

研究表明，在初花期，棉花功能葉的蒸騰速率(Tr)對施氮量的增加呈上升趨勢，2017年N16處理的Tr顯著低于N24和N32，但2018年各處理間差異不顯著；在盛鈴期，N32處理的Tr顯著高于其他施氮處理，但N16與N24處理之間沒有顯著差異；在盛鈴后期，各施氮處理間沒有顯著差異。適當降低施氮不會顯著影響盛鈴至盛鈴后期棉花功能葉的蒸騰速率。圖4

圖4 不同施氮量下棉花功能葉蒸騰速率(Tr)變化Fig.4 Effects of nitrogen application rates on Tr of cotton leaves

2.2 施氮量對棉花功能葉葉綠素熒光參數(shù)影響

研究表明，在初花期，各施氮量處理之間的Fv/Fm沒有顯著差異；在盛鈴期和盛鈴后期，N16、N24和N32處理之間的Fv/Fm沒有顯著差異，但N8和N16(2017年盛鈴期除外)處理的Fv/Fm顯著較低。圖5

圖5 不同施氮量下棉花功能葉最大光化學效率(Fv/Fm)變化Fig.5 Effects of nitrogen application rates on Fv/Fm of cotton leaves

在初花期，各施氮量處理(2017年N0除外)之間的ΦPSⅡ沒有顯著差異，在盛鈴期，N16、N24和N32處理之間的ΦPSⅡ沒有顯著差異，但顯著低于N0和N8處理，在盛鈴后期，N16和N24處理的ΦPSⅡ沒有顯著差異，但是顯著高于其他處理。表明施氮量對盛鈴期和盛鈴后期棉花功能葉的ΦPSⅡ具有顯著影響，且施氮可以顯著提高盛鈴后期的ΦPSⅡ，但適當降低施氮不會影響棉花功能葉的實際光化學效率。圖6

圖6 不同施氮量下棉花功能葉實際光化學效率(ΦPSⅡ)變化Fig.6 Effects of nitrogen application rates on ΦPSⅡ of cotton leaves

研究表明，施氮量對棉花功能葉的光化學猝滅系數(shù)(qL)具有顯著影響。在初花期，qL隨施氮量的增加呈上升趨勢，但N16和N24處理之間的qL沒有顯著差異；在盛鈴期，qL隨施氮量的增加呈降低趨勢，2017年N16和N24處理的qL沒有顯著差異，但2018年N16處理的qL顯著高于N24處理；在盛鈴后期，N16和N24處理的qL沒有顯著差異，但顯著高于其他施氮處理。施氮可以顯著提高盛鈴后期的ΦPSⅡ，但在大田施氮量N24的基礎上適當降低施氮不會顯著影響棉花功能葉的光化學猝滅系數(shù)。圖7

圖7 不同施氮量下棉花功能葉光化學猝滅系數(shù)(qL)變化Fig.7 Effects of nitrogen application rates on qL of functional leaves of cotton

施氮量對棉花功能葉的非光化學猝滅系數(shù)(NPQ)具有顯著影響，且NPQ隨施氮量的增加呈顯著上升趨勢。在初花期，N16、N24和N32處理的NPQ之間沒有顯著差異，但顯著高于N0和N8處理；在盛鈴期和盛鈴后期，N16處理的NPQ顯著低于N24和N32處理，但N24與N32處理(2017年盛鈴期除外)之間沒有顯著差異。適當減少施氮會顯著降低棉花功能葉的非光化學猝滅系數(shù)。圖8

圖8 不同施氮量下棉花功能葉非光化學猝滅系數(shù)(NPQ)變化Fig.8 Effects of nitrogen application rates on NPQ of cotton leave

2.3 施氮量對棉花產(chǎn)量及構成因素的影響

研究表明，施氮量對棉花總鈴數(shù)和籽棉產(chǎn)量具有顯著影響，對單鈴重沒有顯著影響。N16、N24和N32處理的總鈴數(shù)和籽棉產(chǎn)量顯著高于N0和N8處理，N16處理的產(chǎn)量及構成因子與N24處理之間沒有顯著差異，但是當施氮量在N24的基礎上增加到N32時，籽棉產(chǎn)量有所降低，其中2018年達顯著水平。等行距密植條件下，在當前大田施氮水平N24的基礎上增施氮會導致產(chǎn)量下降，而適當減少施氮(N16)對棉花產(chǎn)量及構成因素沒有顯著影響。表2

表2 不同施氮量處理下的棉花產(chǎn)量及其構成因素Table 2 Cotton yield and its components under different treatments

3 討 論

產(chǎn)量是評價種植模式和施肥方式最重要的指標。研究發(fā)現(xiàn)，在等行距密植模式下，N16和N24處理的棉花產(chǎn)量無顯著差異，隨著施氮量的增加(N32)，籽棉產(chǎn)量反而有所下降。從化肥減施增效的角度分析，N16處理的產(chǎn)量最優(yōu)，等行距密植條件下適當減氮未顯著降低產(chǎn)量，有利于植棉效益。

光合作用為作物產(chǎn)量的形成提供了物質基礎[27]，施氮量對作物光合作用具有重要影響[28]。研究表明，施氮不足，會使棉花葉片光合生理活性顯著降低且在生育后期葉片光合速率迅速衰減；施氮過量，雖然在一定程度上能提高生育前期葉片的光合生理活性，但在生育后期會產(chǎn)生光抑制現(xiàn)象，使光合性能降低，同時代謝消耗增加，導致光合速率下降[19]，施氮量過高或過低均會造成葉片CO2同化能力降低，光合產(chǎn)物的積累與運輸受阻[29-30]，使棉花衰老進程的加劇和抵抗外界脅迫能力的降低[31-32]；適量施氮可以提高棉花前期的光合生理活性，保持后期的光合性能，使光合持續(xù)期延長[19]。研究發(fā)現(xiàn)，在等行距密植條件下，施氮量對葉片光合性能在棉花生育后期影響明顯。在當前大田施肥量(N24)的基礎上適當減少施氮量(N16)，生育后期的凈光合速、氣孔導度、和蒸騰速率均沒有顯著變化；增加施氮量(N32)，凈光合速率和氣孔導度沒有顯著增加，但在盛鈴后期胞間CO2濃度顯著降低，盛鈴期蒸騰速率顯著增加，具體原因有待進一步研究。在等行距密植條件下，當前大田施氮量(N24)偏高，適當減少施氮(N16)不會降低棉花的光合速率，反而可以實現(xiàn)節(jié)本增效，這可能與區(qū)域范圍內(nèi)根系密度增大，根系之間對養(yǎng)分吸收的競爭增強，導致根系的吸收能力增強有關[33]。

與傳統(tǒng)的“表觀性”的氣體交換指標相比，葉綠素熒光更能反映棉花葉片對光能轉化的“內(nèi)在性”特點，可以直接反應光合作用的響應機理[17]。Fv/Fm可以反映葉片的最大光合潛力，常被作為判斷是否發(fā)生光抑制的標準；ΦPSⅡ反映葉片的實際光合性能；qP反映了光合色素捕獲的光能用于光化學電子傳遞的份額；而NPQ反映光能以熱的形式耗散掉的部分[17,34]。前人研究發(fā)現(xiàn)，在高氮水平下，葉片的ΦPSⅡ和qP降低[35]，光合同化力的形成受到影響，使凈光合速率下降，導致NPQ增加[17]，適量施氮在生育后期具有維持較高的ΦPSⅡ和qP和降低NPQ的作用，有利用將捕獲的光能高效的用于光合作用[36]。研究發(fā)現(xiàn)，在等行距密植條件下，施氮處理顯著提高了盛鈴后期的Fv/Fm、ΦPSⅡ、qL和NPQ。在當前大田施肥量(N24)的基礎上適當增加施氮量(N32)，盛鈴后期的ΦPSⅡ和qL均顯著下降，適當減少施氮量(N16)，F(xiàn)v/Fm、ΦPSⅡ和qL沒有顯著變化，但盛鈴期和盛鈴后期的NPQ顯著降低。等行距密植條件下，適當減少施氮(N16)不會降低棉花葉片的光合潛力和實際光合性能，但會降低光能的熱耗散，有利于增強對捕獲光能的利用。

棉花不同生育期對氮素的需求有所不同，其中花期至鈴期是對氮素吸收利用效率最高的時期。通過減少生育前期氮素供給，增加花鈴期施氮量可以增加生物量的積累[37]，提高棉花產(chǎn)量以及肥料利用效率[38]，甚至初花期1次施肥通過提高硝態(tài)氮含量和轉化的氨基酸、蛋白質含量，促進氮素積累，不顯著降低棉花產(chǎn)量[39]。在等行距密植條件下，探討通過優(yōu)化氮肥分次施肥的比例，提高氮代謝能力、促進氮素積累，挖掘等行距密植棉花增產(chǎn)潛力，有待于進一步研究。

4 結 論

在等行距密植條件下，施氮16～24 kg/667 m2有利于保持花鈴期葉片較高的光合能力，維持盛鈴后期葉片對光能的利用，最終籽棉產(chǎn)量顯著高于其他處理，但施氮量16和24 kg/667 m2棉花產(chǎn)量無顯著差異。在等行距密植條件下，適當減施氮肥，可在棉花穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的前提下，降低氮肥投入、增加植棉效益。