水分脅迫和土壤容重變化對棉花種子萌發(fā)的影響*

李 俊 ，李海峰 ，2*

（1.江西農(nóng)業(yè)大學 國土資源與環(huán)境學院 江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室南昌市景觀與環(huán)境重點實驗室，江西 南昌 330045；2.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌 330029）

【研究意義】不合理的耕作方式、季節(jié)性干旱等因素，導致田間土壤容重增加，土壤緊實容易板結(jié)[1]。土壤緊實是植物生長的脅迫因素之一，隨著土壤容重的改變，土壤孔隙度降低，透水性和透氣性下降，直接影響作物對N、P等營養(yǎng)元素與水分的吸收與利用[2-3]。種子萌發(fā)是作物生長發(fā)育的開始，棉花種子對水分條件比較敏感，土壤水分狀況及土壤容重對棉花種子萌發(fā)的影響不容忽視。南方紅壤丘陵區(qū)季節(jié)性干旱導致田間水分脅迫加重，土壤給作物供水的能力逐變?nèi)?，其土壤容重也會急劇增大[4]。因此，研究土壤容重和水分脅迫對紅壤旱地生境棉花種子萌發(fā)的影響，對于了解棉花對季節(jié)性干旱的響應機制具有重要的意義?！厩叭搜芯窟M展】關(guān)于土壤容重和水分脅迫對作物不同生育期的影響研究多集中于小麥[5-9]、玉米[10-14]、水稻[15-17]、黃瓜[18-19]，而在南方紅壤區(qū)針對棉花的研究較少。【本研究切入點】在棉花種子萌發(fā)期開展水分脅迫及土壤容重變化條件下相關(guān)性狀測定及分析，明確提高出苗率所需的適宜土壤含水量和容重大小，并為緩解水分虧缺對種子萌發(fā)的影響及培育壯苗提供理論依據(jù)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】紅壤旱地棉花種子萌發(fā)受水分脅迫和土壤容重變化抑制程度的定量化。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

實驗室的智能光照培養(yǎng)箱（型號：PGX-1000A）試驗于2019年4-5月在江西農(nóng)業(yè)大學進行。培養(yǎng)箱內(nèi)光照強度等級設置為1級（0～5500LX），溫度設置為25℃恒溫，一天中在7:00-19:00進行12小時的光照處理[20]，其他時間不進行光照處理；棉花種子選用鄂抗棉9號，供試土樣取自江西農(nóng)業(yè)大學生態(tài)科技園紅壤旱地試驗場0～20cm土層，風干過篩后摻入蛭石充分混勻，裝入塑料小型盆栽筒（規(guī)格為直徑10cm、高8cm、厚度為0.08cm）。設置7個土壤容重處理SBD1（1.10g/cm3）、SBD2（1.15g/cm3）、SBD3（1.20g/cm3）、SBD4（1.25g/cm3）、SBD5（1.30g/cm3）、SBD6（1.35g/cm3）和SBD7（1.40g/cm3），每個處理重復3次，共21個盆栽。設計裝土高度7cm，壓土體積為351.68cm3；根據(jù)不同容重計算需稱取相應的干土質(zhì)量，并結(jié)合供試土樣初始含水率（15.2%），計算所需加入土樣的質(zhì)量；按田間持水量的75%進行加水壓實（紅壤田間持水量約為32%），在土壤初始含水量的基礎上計算需要加入的水量。在壓土過程中，將土樣與水分少量多次加入盆栽筒內(nèi)。具體方法為采用底部鉆孔的礦泉水瓶進行均勻加水，先往盆栽筒內(nèi)加土樣并進行人工整平，然后用底部鉆孔的礦泉水瓶均勻加水，再加土樣進行人工整平，如此反復，直到全部土樣壓入規(guī)定的體積內(nèi)。在壓土結(jié)束后將剩余的水均勻灑到土體表面使其慢慢下滲，以盡量使土體內(nèi)水分分布均勻。播種前將篩選的飽滿棉花種子置于濃度為0.3%的NaCl溶液中浸泡24小時進行破眠，并將已經(jīng)破眠的種子在盆栽筒中呈三角形分布播種于距離表層土壤深度約2cm處，每盆3粒。將播種好的盆栽筒放置到提前設置好的光照培養(yǎng)箱中，以棉花種子幼芽剛出土階段為觀測指標，每天20：00進行觀察并記錄好各處理種子萌發(fā)數(shù)。

此外，在同一容重條件下，設置5個不同的水分處理程度，分別為正常（CK）、輕度脅迫（LS）、中度脅迫（MS）、重度脅迫（SS）、極度脅迫（ES），每個組設置 3次重復，分為5組，共15個盆栽筒；其質(zhì)量含水量分別為紅壤田間持水量的75%、65%、55%、45%、35%；設計裝土高為6cm，則壓土體積為301.44cm3；采用試供土樣初始含水量為10.64%，容重設置為1.2g/cm3，經(jīng)計算各處理需加入的試供土樣質(zhì)量及相應的水量，其他操作步驟同上；再將播種好的盆栽筒放置到已經(jīng)設置好的光照培養(yǎng)箱中，以棉花種子幼芽剛出土階段為觀測指標，每天20:00進行觀察并記錄好各處理種子萌發(fā)數(shù)。

考慮到光照培養(yǎng)箱內(nèi)各處理水分蒸發(fā)的影響，利用控制變量法設置空白對照，采用稱重法每天8：00稱量空白對照前后質(zhì)量，其差值即為每盆所需要加入的水量；上述試驗均在同一個恒溫箱內(nèi)同步進行。

1.2 測定指標與方法

各項發(fā)芽指標的測定參照孟紅梅等[21]的計算方法：在棉花種子發(fā)芽期間，逐日記錄每個盆栽種子的發(fā)芽數(shù)；到發(fā)芽高峰期當天計算種子發(fā)芽勢，7天后統(tǒng)計所有發(fā)芽的種子數(shù)，計算各處理的種子發(fā)芽速度、發(fā)芽率、累計發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)，各指標的計算方法如下所示：

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

用Excel 2016進行基礎數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，采用SPSS 22.0軟件進行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫和土壤容重對棉花種子發(fā)芽勢的影響

發(fā)芽勢是用來評價種子的發(fā)芽速度與整齊度的指標，數(shù)值越大，發(fā)芽勢越強，代表種子活力越旺盛。因此，發(fā)芽勢也是用來檢測種子質(zhì)量的指標之一。由圖1、圖2可知，隨著土壤容重的增大及水分脅迫程度的加深，棉花種子的發(fā)芽勢均呈明顯下降的趨勢。在圖1中，土壤容重為1.10g/cm3和1.15g/cm3時，其發(fā)芽勢最高，均為55.6%；當容重大于1.15g/cm3時，其發(fā)芽勢呈直線遞減趨勢。容重為 1.20g/cm3、1.25g/cm3、1.30g/cm3下對應的發(fā)芽勢依次為33.3%、22.2%、11.1%，與1.15g/cm3相比依次減少22.3%、33.4%、44.5%；當土壤容重大于1.35g/cm3，棉花種子萌發(fā)完全被抑制。經(jīng)顯著性檢驗分析，土壤容重與棉花種子的發(fā)芽勢呈極顯著負相關(guān)（P<0.01）；回歸方程為y=-10.715x+68.257，R2=0.9492。這說明在南方紅壤區(qū)土壤容重1.10～1.15g/cm3是棉花種子萌發(fā)的理想土壤緊實度范圍。

圖1 土壤容重與發(fā)芽勢的關(guān)系

圖2 水分脅迫與發(fā)芽勢的關(guān)系

在圖2中，土壤水分正常處理（CK）時，棉花種子發(fā)芽勢為55.6%；輕度脅迫（LS）和中度脅迫（MS）下其發(fā)芽勢分別為33.3%和11.1%，與正常處理（CK）相比依次減少22.3%、44.5%；而在重度脅迫（SS）和極度脅迫（ES）下棉花種子均為發(fā)芽。經(jīng)顯著性檢驗分析，土壤水分含量對棉花種子的發(fā)芽勢呈極顯著負相關(guān)（P<0.01）。以上分析說明棉花種子的發(fā)芽勢受水分脅迫程度的影響很大。

2.2 水分脅迫和土壤容重對棉花種子發(fā)芽速度的影響

種子的發(fā)芽速度可以用種子萌發(fā)期間累計發(fā)芽率隨時間變化關(guān)系來體現(xiàn)，其線段斜率越大，表明該時間段內(nèi)種子的萌發(fā)速度越快；反之，則越慢。由圖3、圖4可知，在不同土壤水分脅迫和容重處理下，棉花種子萌發(fā)均表現(xiàn)出“慢-快-慢”的趨勢，且發(fā)芽速度最快時段均在第5天。圖3中，土壤容重在1.15g/cm3下種子開始發(fā)芽時間在第2天；在1.10g/cm3和1.20g/cm3下其開始發(fā)芽時間均在第3天；在1.25g/cm3和1.30g/cm3下其開始發(fā)芽時間分別為第4天、第5天；而在1.35g/cm3和1.40g/cm3下棉花種子均為發(fā)芽。以上分析說明，就發(fā)芽速度而言，棉花種子適宜的土壤緊實度為1.15g/cm3。此外，在第5天，雖然不同土壤容重處理下棉花種子的發(fā)芽速度均達到最大值，但隨著土壤容重的增大，各處理發(fā)芽速度的最大值依次逐漸減小。

圖3 土壤容重與累計發(fā)芽率的關(guān)系

圖4 水分脅迫與累計發(fā)芽率的關(guān)系

圖4中，在土壤水分正常處理（CK）下，種子開始發(fā)芽時間為第2天；輕度脅迫（LS）和中度脅迫（MS）與正常處理（CK）相比，其開始發(fā)芽時間依次增加1天和3天；而在重度脅迫（SS）和極度脅迫（ES）下種子萌發(fā)率為0。此外，在第5天時，隨著水分脅迫的加重，各處理發(fā)芽速度的最大值也依次呈現(xiàn)出明顯減小的趨勢。

2.3 水分脅迫和土壤容重對棉花種子發(fā)芽率的影響

發(fā)芽率是能夠充分反映種子萌發(fā)狀況的指標。由圖5可知，土壤容重越大，發(fā)芽率呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。當土壤容重為 1.10g/cm3、1.15g/cm3、1.20g/cm3、1.25g/cm3、1.30g/cm3時，對應的發(fā)芽率依次為77.8%、66.7%、55.6%、33.3%、11.1%；而當土壤容重大于1.30g/cm3時，發(fā)芽率為0。土壤容重與種子發(fā)芽率呈顯著負相關(guān)（P<0.05）；回歸方程為 y=-14.683x+93.654，R2=0.9614。這說明土壤緊實度嚴重制約著棉花種子的萌發(fā)。

圖5 土壤容重與發(fā)芽率的關(guān)系

由圖6可知，水分正常處理（CK）時，種子的萌發(fā)率為 66.7%；輕度脅迫（LS）、中度脅迫（MS）與正常處理（CK）相比，依次減少11.1%和44.5%；重度脅迫（SS）和極度脅迫（ES）下種子發(fā)芽完全被抑制。由此可見，隨著土壤水分脅迫的加重，種子的發(fā)芽率下降幅度逐漸增大，說明棉花種子萌發(fā)對土壤水分比較敏感。

圖6 水分脅迫與發(fā)芽率的關(guān)系

2.4 水分脅迫和土壤容重對棉花種子發(fā)芽指數(shù)的影響

發(fā)芽指數(shù)能夠靈敏地反映出種子活力。由圖7可知，在土壤容重1.0g/cm3和1.15g/cm3下發(fā)芽指數(shù)與其他處理相比均相對較高，且在二者范圍內(nèi)發(fā)芽指數(shù)呈現(xiàn)出明顯的遞增趨勢。這說明棉花種子在土壤容重1.10g/cm3～1.15g/cm3下，種子的活力較高，與發(fā)芽勢表示的結(jié)果一致；當土壤容重大于1.20g/cm3時，種子的活力受到明顯抑制。經(jīng)顯著性檢驗，棉花種子的發(fā)芽指數(shù)與土壤容重呈極顯著負相關(guān)（P<0.01）；回歸方程為 y=-0.7565x+4.8014，R2=0.9073。由圖8可知，水分脅迫越嚴重，種子發(fā)芽指數(shù)越低，在重度脅迫（SS）和極度脅迫（ES）下，種子并未萌發(fā)，說明種子活力受土壤水分含量的影響大。

圖7 土壤容重與發(fā)芽指數(shù)的關(guān)系

圖8 水分脅迫與發(fā)芽指數(shù)的關(guān)系

3 討論

隨著土壤容重的增大和水分脅迫的加重，棉花種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽速度、發(fā)芽率以及發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，且種子的活力逐漸下降。根據(jù)對發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的分析可知，在土壤容重為1.10～1.15g/cm3時，種子活力最高，發(fā)芽率也較高，其他處理種子活力顯著下降，這說明土壤容重為1.10～1.15g/cm3是棉花種子萌發(fā)理想的土壤緊實度。在水分脅迫下，隨著脅迫程度的加深，棉花種子的活力逐漸降低，這表明棉花種子萌發(fā)需要適宜的水分，水分虧缺狀態(tài)下對棉花種子萌發(fā)極為不利。

4 結(jié)束語

為了緩解南方紅壤丘陵區(qū)因土壤容重變化及水分脅迫導致棉花種子出苗困難這一現(xiàn)象，在播種前需要進行耕翻，疏松土壤，保持適宜的土壤緊實度。當紅壤中含水率降低到田間持水量的55%以下時，土壤變得十分堅硬，土壤的通氣孔隙度降低，導致棉花種子所需的氧氣供應不足，土壤穿透阻力增大，進而導致棉花種子在土壤中出現(xiàn)發(fā)霉的現(xiàn)象。所以，為了保證種子出苗率，需要隔段時間進行澆水并定期疏松土壤。