葉面噴施不同濃度木醋液對棉花產(chǎn)量和光合利用效率的影響

孫顯旻，國艷春，曾路生，李旭霖，柳新偉，李俊良，崔德杰

（青島農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，山東青島266108）

棉花是世界上最重要的天然纖維作物和第三大油料作物，我國棉花的主要種植區(qū)域為內(nèi)陸干旱和半干旱地區(qū)，而土壤鹽堿化被廣泛認為是干旱和半干旱地區(qū)棉花產(chǎn)量的主要環(huán)境制約因素[1]。 為提高鹽堿土壤棉花產(chǎn)量，對鹽堿土壤進行改良或葉面噴施微肥均是有效的方式[2-3]。其中有機物料改良鹽堿土壤增加棉花產(chǎn)量因其無污染、對環(huán)境友好而備受關(guān)注，而木醋液作為有機物，不僅可以用于改良鹽堿土壤，又因其水溶性的特點還可作為葉面肥施用。

木醋液是農(nóng)作物秸稈在炭化或干餾過程中產(chǎn)生的煙氣經(jīng)冷凝回收分離后獲得的有機混合物[4-5]。木醋液含有機酸、酚類、醇類和酮類等約500 種有機成分， 其中有機酸類物質(zhì)占有機成分的50% 以上，主要包括乙酸、正丙酸、丁酸和正戊酸，現(xiàn)已被廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。 據(jù)報道，土壤中施用木醋液能夠?qū)ν寥浪釅A度、土壤酶活性、微生物活性，甚至是對溫室氣體的排放等方面造成影響[6-8]。 常青等[9]研究表明土壤pH 隨著木醋液施用濃度的增大而降低，馬智勇等[10]報道了木醋液可降低土壤N2O排放，另有研究表明木醋液能夠有效抑制土壤中有害微生物繁殖[11]。 而將木醋液作為葉面肥施用于烤煙、小白菜和番茄等作物，也能夠有效促進作物生長和增加產(chǎn)量[12-14]。 但將木醋液作為葉面肥應用于棉花生產(chǎn)中鮮有報道。

為此，本試驗采用木醋液作為葉面肥，研究不同濃度的木醋液對棉花產(chǎn)量和光合效率的影響，以期能夠為木醋液在棉花種植方面的應用提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地與材料

田間試驗于2019 年5 月至11 月在山東省東營市利津縣毛托村（37°83′N，118°50′E）進行，該地區(qū)屬于華東沿海地區(qū)，溫帶半濕潤季風氣候，年平均降水量665.4 mm， 年平均氣溫14 ℃。 棉花（Gossypiumspp.）品種為華農(nóng)10 號。 土壤類型為濱海鹽堿土，質(zhì)地為砂壤土。 土壤基本理化性質(zhì)：pH 9.05，有機質(zhì)含量19.3 g·kg－1，堿解氮76.4 mg·kg－1，速效磷20.1 mg·kg－1，速效鉀163.3 mg·kg－1，全鹽量0.4%。 木醋液采用東營市泰然新能源公司生產(chǎn)的小麥秸稈為原料，在350～500 ℃的立窯中熱解，每噸秸稈可產(chǎn)100 kg 的木醋液原液， 經(jīng)靜置提純之后得到試驗所用精制木醋液。 木醋液的pH 為3.70，質(zhì)量濃度為0.96 kg·L－1，主要成分含量為乙酸34.62%、丙酸16.9%、醛類10.16%、酚類21.95%和酮類7.90%。

1.2 試驗設計

田間試驗采用隨機區(qū)組設計， 每小區(qū)40 m2（3.2 m×12.5 m）?；适┯媒鹫蠓柿瞎镜膹秃戏剩∟、P2O5、K2O 質(zhì)量分數(shù)均為15%）750 kg·hm－2，鈴期追施尿素150 kg·hm－2。 田間管理與當?shù)毓芾硐嗤?試驗共設計5 個處理，將木醋液分別稀釋400倍、200 倍、100 倍和50 倍，得到0.25%（體積分數(shù)，下同）、0.50%、1.00%和2.00%濃度的木醋液， 同時設計清水（0.00%）處理作為對照處理。 木醋液分別在棉花苗期（6 月15 日）、花期（8 月11 日）和鈴期（9 月20 日）葉面噴施，噴施水量為2 000 kg·hm－2。

1.3 測定項目與方法

采用5 點取樣法采集0～20 cm 表層土壤，混合均勻，去除雜物，風干后過孔徑1 mm 尼龍篩。 采用電導率測定儀測定土壤電導率 （Electrical conductivity，EC）；pH 計（Ohaus STARTER 2100）測定土壤pH，土水比（W/V）均為5∶1；堿解擴散法測定土壤堿解氮含量；Olsen 法測定土壤速效磷含量；乙酸銨浸提- 原子吸收分光光度法測定土壤速效鉀含量；重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機質(zhì)含量[15]。

棉花花鈴期每小區(qū)隨機選擇10 株棉花， 采用M-PEA 多功能植物效率儀（Hansatech）測定葉綠素熒光參數(shù)， 使用暗處理夾片將棉花主莖倒3～5 功能葉暗適應20 min 以上， 然后使用儀器讀取其初始 熒 光（Fo）、最 大 熒 光（Fm）、可 變 熒 光（Fv，F(xiàn)v＝Fm-Fo），最大光化學效率（Fv/Fm）、反應中心性能指數(shù)（PIabs）等參數(shù)。

棉花花鈴期每小區(qū)隨機選擇10 株棉花， 選擇晴天、少云的天氣，于9:00―11:00 采用CIRAD-3便攜式光合儀（Hansatech） 測定棉花主莖倒3～5功能葉的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）與蒸騰速率（Tr）等光合參數(shù)。

棉花花鈴期選擇晴朗、無風、少云天氣，采用AvaSpec-ULS2048 光纖光譜儀（Avantes）測定不同處理的棉花冠層光譜數(shù)據(jù)。測量時光譜探頭垂直于棉花冠層，并保持20 cm 的距離，每個小區(qū)測定10次重復，測量時間為11:00―14:00，以保證有充足的太陽光。

棉花生長至花鈴期時， 小區(qū)內(nèi)隨機選取10 株棉花測定株高、葉長、葉寬、單株鈴數(shù)和SPAD（土壤與作物分析儀開發(fā)Soil and plant analyzer development）值，并計算葉面積[16]。 收獲期根據(jù)棉花吐絮情況先后3 次全部采摘，測定棉花產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 26.0 進行統(tǒng)計分析，采用Origin 2019繪制圖表。 使用Canoco 4.5 軟件進行了冗余分析（Redundancy analysis，RDA），使用AMOS 26 擬合結(jié)構(gòu)方程模型（Structural equation modeling，SEM）。

2 結(jié)果與分析

2.1 木醋液葉面肥對棉田土壤理化性質(zhì)的影響

從表1 可以看出，噴施0.50%木醋液，棉田土壤的堿解氮含量最高，相比含量最低的對照增加了27.6%；其次是1.00%處理，較對照增加了25%。 速效磷含量最高的是0.25%處理， 其次是0.50%處理，相比對照分別增加了2.2 mg·kg－1和1 mg·kg－1。速效鉀含量最高的是0.50%處理，相較于速效鉀含量最低的對照增加了41.2%， 增加最為顯著。0.50%、1.00%和2.00%處理的棉田EC 值相較于對照顯著下降， 其中下降幅度最大是1.00%處理，為17.0%。 而棉田有機質(zhì)含量和pH 整體變化不明顯?？傮w看來，葉面噴施不同濃度的木醋液會影響棉花對土壤養(yǎng)分的吸收，且因棉田養(yǎng)分種類而異。

2.2 葉面噴施不同濃度木醋液對棉花生長指標的影響

由圖1 可以看出，棉花平均株高表現(xiàn)為1.00%＞0.50%＞2.00%＞0.25%＞0.00%處理，其中，相較于對照，1.00%和0.50%處理的株高平均值分別增加14.1%和13.0%。1.00%處理的棉花葉面積平均值最高，其次是0.50%處理，分別比對照增加38.2%和21.3%。 棉葉長勢最穩(wěn)定的是0.25%處理， 其次是1.00%。單株鈴數(shù)最大值出現(xiàn)在0.50%處理，但最小值也出現(xiàn)在0.50%處理， 而1.00%處理的最小值、平均數(shù)和中位數(shù)均高于其他處理。棉葉SPAD 含量表現(xiàn)為1.00%＞0.50%＞0.25%＞0.00%＞2.00%處理，其中1.00%處理的最小值、平均數(shù)、中位數(shù)和最高值均高于其他處理。總體看來，1.00%處理的棉花長勢最好也最穩(wěn)定。

2.3 葉面噴施不同濃度木醋液對棉花葉片冠層光譜特征的影響

在棉花花鈴期，比較棉花葉片冠層光譜特征的變化趨勢，不同試驗處理下棉花葉片光譜反射率的變化趨勢大體一致，即在500 nm 藍光處和680 nm紅光處形成兩個反射谷，主要是由于葉綠素的強吸收引起；在550 nm 左右形成一個反射峰，主要是由于葉綠素的強反射引起； 在750 nm 左右的反射率達到最大，760～950 nm 波段形成近紅外反射平臺， 主要是由于植物葉片內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)多次反射、散射引起，在此波段內(nèi)反射率越高，說明植物葉片內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)越完好。但在不同試驗處理下棉花葉片光譜的反射率存在一定的差異性，即不同處理在550 nm 波段的平均反射率大小為0.50%＞0.25%＞0.00%＞2.00%＞1.00%處理；在近紅外波段（760～1050 nm）內(nèi)的平均反射率大小為0.50%＞0.25%＞1.00%＞2.00%＞0.00%處理（圖2A）。

表1 木醋液葉面肥對棉田土壤理化性質(zhì)的影響

圖1 木醋液葉面肥對棉花生長指標的影響

紅邊歸一化植被指數(shù)（NDVI705）是NDVI的改進型，該指數(shù)對葉冠層的微小變化非常靈敏，可用于植被脅迫性探測，NDVI705值的范圍是－1～1，一般綠色植被區(qū)的范圍是0.2～0.9。 由圖2B 可得，葉片噴施木醋液的處理相較于對照的NDVI705值均有所提高，其中1.00%處理最高，較對照提高了47.2%，0.25%、0.50% 和2.00%處理的棉花NDVI705相較于對照均有顯著性差異，但三者之間無顯著性差異。 總體來說，葉面噴施1.00%濃度的木醋液能夠顯著提高棉花的生長狀態(tài)。

2.4 葉面噴施不同濃度木醋液對棉花葉綠素熒光指數(shù)的影響

由表2 可知， 施用木醋液顯著提高了最大量子產(chǎn)率（Fv/Fm）和反應中心的性能指數(shù)（PIabs）。 其中，1.00%處理的Fv/Fm和PIabs分別比對照增加10%和205.5%；其次是2.00%處理，F(xiàn)v/Fm和PIabs分別比對照增加5.7%和69.9%。 而0.25%和0.50%處理的Fv/Fm顯著高于對照，但三者的PIabs之間沒有顯著性差異?？傊?， 葉面噴施木醋液不同程度的增加了棉花葉綠體熒光指數(shù)，提高了葉綠體對光能的利用效率。

圖2 木醋液葉面肥對棉花葉片冠層光譜特征（A）和紅邊歸一化指數(shù)（NDVI705,B）的影響

表2 木醋液葉面肥對棉花葉綠體熒光的影響

2.5 葉面噴施不同濃度木醋液對棉花光合速率的影響

由表3 可知，棉花葉片胞間CO2濃度（Ci）最高的是1.00%處理，較對照顯著增加16.6%；其次是2.00%處理，較對照增加9.8%；而2.00%和0.50%處理之間沒有顯著性差異，表明在濃度達到一定程度時Ci會降低。 相比對照，1.00%處理的棉花凈光合效率（Pn）增加24.2%，而0.50% 、0.25%處理和對照之間并沒有發(fā)現(xiàn)顯著性差異。棉花氣孔導度（Gs）最高的是1.00%處理，較對照增加30.8%，其整體規(guī)律與Ci相同。 同Pn規(guī)律相似，1.00%處理較對照的棉花蒸騰速率（Tr）增加43.1%，0.50%、0.25%處理和對照之間并沒有顯著性差異。 總的來說，棉花光合作用相關(guān)指標整體規(guī)律相似， 均為1.00%＞2.00%＞0.50%＞0.25%＞0.00%處理， 表明光合效率隨著木醋液濃度的升高呈先增加后降低的趨勢。

表3 葉面噴施不同濃度木醋液對棉花花鈴期光合指標的影響

2.6 葉面噴施不同濃度木醋液對棉花產(chǎn)量的影響

由圖3 可知， 相較于對照，0.50%、1.00%和2.00%處理的籽棉產(chǎn)量均存在顯著性差異， 分別增產(chǎn)5.6%、15.6%和9.6%。 以木醋液噴施濃度為X軸，以籽棉產(chǎn)量為Y軸，擬合符合數(shù)據(jù)變化規(guī)律的多元方程，最終擬合方程為y＝3 271.8＋80 883.8x－3 315 815.7x2（R2＝0.935），由此看出棉花產(chǎn)量隨著木醋液濃度的提高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，并且在葉面噴施1.00%～2.00%濃度的木醋液可能會有最高產(chǎn)量。

通過對棉花生長指標、植物光化學指標和籽棉產(chǎn)量進行冗余分析，可以看出第一和第二主成分共同解釋了87%， 并且可以看出其中Ci、Gs、Tr、Fv/Fm和Pn與籽棉產(chǎn)量相關(guān)性較高（圖4A）。 所以選擇對Ci、Gs、Tr、Fv/Fm和Pn進行結(jié)構(gòu)方程模型 （SEM）擬合。 結(jié)果表明，模型與數(shù)據(jù)擬合得很好[x2＝129.2（p＝0.00）；DF＝10；比較擬合指數(shù)（CFI）＝1.000；近似均方根誤差（RMSEA）＝0.890]，解釋了籽棉產(chǎn)量61%的方差（圖4B）。 其中值的一提的是Ci、Gs和Tr分別解釋了Fv/Fm和Pn的99%和98%的方差。所以木醋液濃度能夠通過影響Ci、Gs和Tr進而影響Fv/Fm和Pn，最終促進了籽棉產(chǎn)量的增加。 而Fv/Fm對籽棉直接影響為－0.49，也表現(xiàn)出了濃度過高時會降低籽棉產(chǎn)量。

圖3 木醋液葉面肥對棉花籽棉產(chǎn)量的影響

圖4 冗余分析（A）和結(jié)構(gòu)方程模型分析（B）

3 討論

3.1 葉面噴施木醋液對棉花生長和受脅迫程度的影響

研究結(jié)果表明，葉面噴施木醋液對棉花生長和受脅迫程度影響顯著，不同濃度的木醋液對棉花株高、葉面積、單株結(jié)鈴數(shù)和SPAD 值均有顯著的提高，且1.00%濃度的木醋液顯著提高了NDVI705值。NDVI705對作物受脅迫程度很敏感， 其數(shù)值的提升表明棉花受脅迫程度降低。本試驗觀察到葉面噴施不同濃度的木醋液，棉田速效氮、磷和鉀含量分別增加7.6%～27.6%、1.5%～11.2%和14.8%～41.2%，土壤EC 值最大下降17.0%， 這可能主要歸因于木醋液在促進棉花增長的同時，可能會通過影響棉花根系分泌物，活化土壤速效養(yǎng)分和降低土壤鹽分[17-19]。因此土壤棉花受脅迫程度的降低可能主要歸因于土壤理化性質(zhì)的改善和棉花抗脅迫能力的提高。許多研究報告了木醋液對作物生長指標、產(chǎn)量和作物品質(zhì)的影響。 例如，斯日木極等[20]報告稱木醋液顯著提高了小白菜的莖粗和根長，低、中肥力土壤小白菜鮮重提高了57.78%和46.06%，并將其增產(chǎn)效果歸因于木醋液增加土壤酶活性和土壤肥力。Zhang 等[21]報告稱木醋液能夠通過提高土壤養(yǎng)分有效性增加藍莓維生素C 含量、可溶性糖等指標。 此外，在一項為期2 年的田間試驗中，木醋液搭配生物炭物料分別使玉米高度和籽粒產(chǎn)量提高了23%～39%和140%～195%[22]。 這些積極的研究結(jié)果主要是由于土壤理化性質(zhì)的改善、土壤酶活性的改變以及相關(guān)生態(tài)功能的提高。 而本試驗中，葉面噴施木醋液能夠提高棉花生長指標，可能歸因于木醋液中含有的醇類、 酚類和酮類物質(zhì)調(diào)節(jié)了植物生長性能、提高了對養(yǎng)分的吸收能力，以及木醋液含有的微量元素被植物吸收[21]。

3.2 葉面噴施木醋液對棉花光合利用效率的影響

本研究表明，0.25%以上濃度的木醋液分別顯著提高了棉花葉綠體熒光的最大量子效率(Fv/Fm)和反應中心性能指數(shù) （PIabs）0.03～0.07 個單位和40.5%～255.5%，以及凈光合速率（Pn）增加5.0%～24.2%。Fv/Fm和PIabs分別和最大光合效率和單位葉綠體的光合能力相關(guān)，所以這兩個數(shù)值的增加表明棉花最大光能轉(zhuǎn)換效率被提高， 葉綠體結(jié)構(gòu)更完善。木醋液能夠提高作物光合能力被常青[9]、朱學強[23]和曹瑩[24]等報道，主要歸因于木醋液中的酚類、有機酸和微量元素增加了葉綠素含量和氣孔導度。而本試驗數(shù)據(jù)表明，木醋液不僅能夠通過增加葉綠體提高光合利用效率，而且能夠增加單位葉綠體的性能，即增加PIabs。 本研究還表明，木醋液能夠通過降低初始熒光值（Fo）和增加最大熒光值（Fm），提高可變熒光值（Fv），而可變熒光值的增加促進了對光能的吸收效率，進而增加Fv/Fm。 通過SEM 分析可以看出Fv/Fm和Pn分別被胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）解釋了方差的99%和98%，表明最大光合效率和凈光合效率的增加與胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）息息相關(guān)。

3.3 葉面噴施木醋液對棉花產(chǎn)量的影響

木醋液能夠增加作物產(chǎn)量被廣泛報道，其中花生葉面噴施稀釋300 倍的木醋液有最高產(chǎn)量[21]，草莓葉面噴施稀釋400 倍的木醋液有最高產(chǎn)量[25]。 而本試驗通過對不同濃度木醋液處理下的棉花產(chǎn)量進行擬合，得到y(tǒng)＝3 271.8＋80 883.8x－3 315 815.7x2（R2＝0.935）的擬合方程。 在本試驗中，1.00%處理棉花產(chǎn)量最高，而通過公式進行計算，其峰值出現(xiàn)在葉面噴施1.22%濃度的木醋液時。 噴施木醋液可增加花生和草莓的產(chǎn)量，主要原因是其為農(nóng)作物提供了營養(yǎng)物質(zhì)，其次是有機酸和酚類物質(zhì)對作物有促生作用。而本試驗通過對數(shù)據(jù)進行冗余分析和結(jié)構(gòu)方程模型的擬合，可以看出本文中的棉花產(chǎn)量的增加與熒光、光合、受脅迫程度顯著相關(guān)，而且最大量子效率（Fv/Fm）和凈光合速率（Pn）共同解釋61%籽棉產(chǎn)量的方差。 1.00%濃度的木醋液能夠增加葉綠素含量和完善葉綠素的結(jié)構(gòu)，促進了光能利用能力，而光合是作物干物質(zhì)的主要來源，棉花生長狀況的提高也得益于此。

4 結(jié)論

葉面噴施木醋液能夠有效提高棉花生長狀況和產(chǎn)量，其增產(chǎn)效果隨著木醋液濃度的提高先增加后降低，并且本文通過RDA 和SEM 分析表明，棉花產(chǎn)量的增加主要歸因于木醋液降低了棉花的受脅迫程度，提高了葉綠體對光能的轉(zhuǎn)化效率，以及顯著提高了棉花的凈光合速率。 與清水處理相比，1.00%處理的籽棉產(chǎn)量增加15.6%，NDVI705，F(xiàn)v/Fm和Pn分別增加47.2%，0.07 個單位和24.2%， 是棉花生長狀態(tài)最好和產(chǎn)量最高的處理，推薦在棉花種植中應用推廣。