水氮調(diào)控對(duì)棉花生理性狀及產(chǎn)量的影響*

孟妍君,馬鑫穎,宋晨,孫紅春,劉連濤,張科,張永江,白志英**,李存東**

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 保定 071000;2.華北作物改良與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省作物生長調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 保定 071000)

水分是限制植物生長發(fā)育和產(chǎn)量的主要環(huán)境因子之一。干旱脅迫誘使植物體內(nèi)產(chǎn)生過氧化物反應(yīng),導(dǎo)致細(xì)胞中活性氧的產(chǎn)生與消除失去平衡,形成氧化脅迫,細(xì)胞膜受到損壞,膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)含量增加[1]。植物可在超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)等抗氧化酶的協(xié)調(diào)作用下,有效地清除對(duì)植物細(xì)胞有害的活性氧自由基,降低MDA 含量,從而減輕植物受到的傷害[2]。光合作用是植物生長發(fā)育和植物體內(nèi)碳素的重要來源,葉綠素含量是光合作用的基礎(chǔ),葉綠素?zé)晒鈪?shù)是探討光合作用的有效探針[3]。研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫導(dǎo)致植物葉片氣孔關(guān)閉,蒸騰降低,葉綠素?zé)晒鈪?shù)下降,光合能力減弱[3-4]。王允[5]發(fā)現(xiàn),隨著干旱脅迫程度加重,棉花(Gossypium herbaceumL.)葉片葉綠素含量降低,生長受到抑制。干旱脅迫可引起植株主根伸長,側(cè)根變短,導(dǎo)致株高、莖粗、葉面積下降,從而降低產(chǎn)量[6-8]。

氮是植物必需的大量礦質(zhì)元素,低氮脅迫嚴(yán)重影響植物的抗氧化酶系統(tǒng),抑制根系伸長,降低平均根直徑,影響植物對(duì)氮素的吸收效率,導(dǎo)致生長速度緩慢[9];而過量施用氮肥,導(dǎo)致植株旺長,生殖器官積累量降低[10];適宜增加施氮量可提高POD、CAT 活性和葉綠素含量,增強(qiáng)光合能力,提高產(chǎn)量[11]。硝酸還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)是植物中參與氮代謝的關(guān)鍵酶。NR 可將植物根系吸收的硝酸鹽還原成亞硝酸鹽,然后經(jīng)亞硝酸還原酶還原成銨離子,銨離子經(jīng)過GS 途徑轉(zhuǎn)化為氨基酸。研究發(fā)現(xiàn),隨著氮肥施用量的增加,葉片的NR 和GS 活性增強(qiáng),提高了氮代謝能力[12-13]。

水分和氮肥均是影響植物生長發(fā)育的關(guān)鍵因子,水分和肥料之間可產(chǎn)生耦合效應(yīng),實(shí)現(xiàn)以肥調(diào)水和以水促肥[14]。相關(guān)研究表明,干旱脅迫下,棉花株高、葉面積和單株棉花產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加[15]。干旱脅迫下NR 活性受到抑制,適量增加施氮量可提高植株中的抗氧化酶活性及氮代謝酶活性,促進(jìn)生長發(fā)育,提高產(chǎn)量[16];在低氮脅迫下,增加灌水量亦可提高植株中的光合能力,增加單粒重和單粒株數(shù),從而提高了產(chǎn)量[17]。

棉花是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一,在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中亦具有重要作用。但目前農(nóng)業(yè)用水資源短缺、氮肥施用過量以及隨之帶來的土壤酸化等生態(tài)環(huán)境問題,嚴(yán)重阻礙了棉花高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、減施水肥等目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)水分和氮素單一因素對(duì)棉花的影響進(jìn)行了大量研究,但是二者對(duì)棉花生長發(fā)育的耦合調(diào)控效應(yīng)報(bào)道較少。因此,本研究以‘農(nóng)大棉36 號(hào)’為材料,研究水分和氮素調(diào)控下棉花地上部和根系形態(tài)、葉片光合性狀、抗氧化酶活性、氮代謝酶活性以及產(chǎn)量的變化,為棉花的合理灌溉和施氮提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

材料采用‘農(nóng)大棉36 號(hào)’(冀中棉區(qū)高產(chǎn)、轉(zhuǎn)基因抗蟲品種),由河北農(nóng)業(yè)大學(xué)培育。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021-2022 年在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)科研大樓智能氣候室進(jìn)行,室內(nèi)晝夜溫度為28 ℃/25 ℃,14 h/10 h晝夜循環(huán),相對(duì)濕度45%～50%,光強(qiáng)300 μmol·mol-1。利用直徑為22 cm、高50 cm 的PVC 圓桶進(jìn)行盆栽試驗(yàn),每個(gè)容器裝土15.5 kg。土壤選用深層土,其中有機(jī)質(zhì)含量為3.68 g·kg-1、堿解氮20.14 mg·kg-1、有效磷8.80 mg·kg-1、速效鉀139.17 mg·kg-1、全氮0.28 g·kg-1,pH 8.07。土壤風(fēng)干后過20 目篩。在每個(gè)容器中施加磷70 mg(P)·kg-1和鉀14 mg(K)·kg-1,分別使用過磷酸鈣和氯化鉀作為磷和鉀的來源,所有肥料均被磨碎并過20 目篩。磷肥和鉀肥作為基肥施入。

利用盆栽控水方法模擬干旱脅迫。設(shè)置兩個(gè)水分處理(干旱,相對(duì)含水量為45%±5%,W1;正常供水,相對(duì)含水量[18]為70%±5%,W2)及3 個(gè)氮素水平[0 mg(N)·kg-1(N0);低 氮,69 mg(N)·kg-1(N1);常規(guī)施氮[9],138 mg(N)·kg-1(N2)],共6 個(gè)處理,即干旱不施氮肥(W1N0)、干旱低氮(W1N1)、干旱常規(guī)施氮(W1N2)、正常供水不施氮肥(W2N0)、正常供水低氮(W2N1)以及正常供水常規(guī)施氮(W2N2),每個(gè)處理12 次重復(fù),供試氮肥為尿素。

表1 水分和氮素調(diào)控對(duì)棉花相對(duì)葉綠素含量(SPAD)的影響Table 1 Effects of water and nitrogen regulation on relative chlorophyll content (SPAD) of cotton

表2 水分和氮素調(diào)控對(duì)棉花凈光合速率的影響Table 2 Effects of water and nitrogen regulation on net photosynthetic rate of cotton μmol·m-2·s-1

表3 水分和氮素調(diào)控對(duì)棉花PSⅡ反應(yīng)中心光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)的影響Table 3 Effects of water and nitrogen regulation on light energy conversion efficiency of PSⅡ reaction center (Fv/Fm) of cotton

表4 水分和氮素調(diào)控對(duì)棉花超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響Table 4 Effects of water and nitrogen regulation on superoxide dismutase (SOD) activity of cotton U·g-1(FW)

表5 水分和氮素調(diào)控對(duì)棉花過氧化物酶(POD)活性的影響Table 5 Effects of water and nitrogen regulation on peroxidase (POD) activity of cotton U·mg-1(FW)

表6 干旱脅迫和氮素調(diào)控對(duì)棉花過氧化氫酶(CAT)活性的影響Table 6 Effects of water and nitrogen regulation on catalase (CAT) activity of cotton U·mg-1(protein)

表7 水分和氮素調(diào)控對(duì)棉花丙二醛(MDA)含量的影響Table 7 Effects of water and nitrogen regulation on malondialdehyde (MDA) content of cotton μmol·g-1(FW)

播種棉花之前,不同氮素處理所需的肥料作為基肥施入,后期不再施肥。待棉花長至4 葉一心時(shí)進(jìn)行干旱處理并直至成熟收獲。每隔1 周澆水1 次,澆水前進(jìn)行稱重,以確定澆水量,并及時(shí)補(bǔ)水到設(shè)定土壤含水量。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

在干旱處理0 d、15 d、30 d、45 d、60 d、75 d和90 d 時(shí)選取3 株長勢(shì)均勻的棉花進(jìn)行地上形態(tài)和生理指標(biāo)測(cè)定,根系形態(tài)和產(chǎn)量在收獲后進(jìn)行測(cè)定分析。

1.3.1 形態(tài)指標(biāo)測(cè)定

株高: 利用直尺測(cè)量棉花子葉節(jié)到生長點(diǎn)的高度;莖粗: 利用游標(biāo)卡尺測(cè)量子葉節(jié)上1 cm 的莖直徑;葉面積: 利用直尺測(cè)量全株葉片長度和寬度,采用長寬系數(shù)法(葉面積=0.75×最大長度×最大寬度)計(jì)算全株葉面積;根系形態(tài)測(cè)定: 于棉花收獲后,將根系沖洗干凈后,無重疊擺放于含1 cm 深水的亞克力透明盒中,采用愛普生掃描儀(EPSON-V700,日本)對(duì)根系進(jìn)行掃描(600 dpi)。用WinRHIZO 軟件分析(WinRHIZOREG2009,加拿大)根系圖片,獲取根長、根表面積和根直徑。

1.3.2 生理指標(biāo)測(cè)定

相對(duì)葉綠素含量采用SPAD-502 葉綠素計(jì)測(cè)定棉花主莖倒四葉的相對(duì)葉綠素含量(SPAD 值)。利用LI-6800 便攜式光合儀測(cè)定系統(tǒng)對(duì)棉花主莖倒四葉進(jìn)行測(cè)定,設(shè)置光強(qiáng)為300 μmol·m-2·s-1,CO2濃度為400 μmol·mol-1,于上午9:00-11:00 測(cè)定凈光合速率。葉綠素?zé)晒鈪?shù)采用PAM-2500 便攜式葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)定。

測(cè)定棉花主莖倒四葉的各指標(biāo)。SOD 活力測(cè)定采用WST-1 法;POD 活力測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法[19];CAT 活力測(cè)定采用鉬酸銨法;MDA 含量測(cè)定采用TBA法[20];谷氨酰胺合成酶活性測(cè)定參照Zhang 等[21]的方法,以單位μmol·g-1(FW)·h-1表示;硝酸還原酶(NR)活性測(cè)定參照劉潔等[22]的方法,以單位μmol·g-1(FW)·h-1表示。

1.3.3 棉花產(chǎn)量測(cè)定

吐絮后,收集植株中的所有棉鈴,記錄籽棉重量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和整理,采用DPS 9.50 軟件進(jìn)行雙因素分析,用LSD 法比較處理間在P＜0.05 水平的差異顯著性。采用Graph-Pad Prism 8.0 進(jìn)行作圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分和氮素調(diào)控對(duì)棉花植株形態(tài)的影響

2.1.1 對(duì)棉花地上部形態(tài)的影響

株高、莖粗以及葉面積是反映植株生長發(fā)育的形態(tài)指標(biāo)。由圖1 可知,株高和莖粗均隨棉花生長呈現(xiàn)逐漸增長的變化趨勢(shì)。干旱對(duì)棉花株高與莖粗的影響顯著,不同氮肥水平間差異顯著,總體變化趨勢(shì)為N2＞N1＞N0,但二者交互作用對(duì)株高與莖粗均無顯著影響。

圖1 水分和氮素對(duì)棉花株高(A)、莖粗(B)以及葉面積(C)的影響Fig.1 Effects of water and nitrogen regulation on plant height(A),stem diameter (B) and leaf area (C) of cotton

由圖1A 可知,W1 處理顯著降低了棉花的株高;株高隨著施氮量的增加而升高。干旱處理15 d、30 d,W1 與W2 處理間株高無顯著差異,N2 處理顯著高于N0 處理。處理60～90 d,W1 與W2 處理間株高差異顯著,W1 處理顯著降低了棉花株高;不同氮肥之間差異顯著,N0 和N1 處理均顯著降低了棉花株高。處理90 d,W2N2 處理棉花株高最高,為55.97 cm,比W1N2 處理顯著提高17.51%;W2N1 比W1N1 處理顯著提高18.10%,W2N0 比W1N0 處理顯著提高26.14%。而W1N0 處理株高最低,為33.93 cm,分別比W1N1、W1N2 處理顯著降低18.89%、28.76%,表明干旱和低氮脅迫顯著降低了棉花株高,干旱脅迫下增施氮肥、低氮下增加灌水量可以促進(jìn)棉花株高增加。

由圖1B 可知,W1、N0 和N1 處理顯著降低棉花的莖粗。處理后15 d 和30 d,各處理間莖粗并未出現(xiàn)顯著差異。處理45 d,在水分處理一致時(shí),W1N0顯著低于W1N2 處理;氮素處理一致時(shí),W1N0 顯著低于W2N0 處理。處理75 d、90 d,W1 處理下的莖粗明顯低于W2 處理,不同氮肥處理間差異顯著,表現(xiàn)為N2＞N1＞N0。處理90 d,W2N2 處理的莖粗最粗,為7.36 cm,比W1N2 處理顯著增加6.98%;而W1N0的莖粗最低,為6.09 cm,分別比W1N1 和W1N2 顯著降低6.60%和11.48%。

由圖1C 可知,不同處理下棉花葉面積均呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì),干旱對(duì)葉面積影響極顯著,不同氮肥水平對(duì)葉面積影響顯著,但二者交互作用對(duì)葉面積影響并不顯著。處理60 d 后,W1 處理的葉面積開始下降;處理75 d 后,W2 處理葉面積開始下降。處理15 d,N0 處理的葉面積顯著低于N2 處理,W1N0 顯著低于W2N0。處理30 d,W2N2 處理的葉面積顯著高于N0 和N1 處理;W1 處理下,各氮肥水平間差異顯著,即N2＞N1＞N0;與W2 相比,W1 處理顯著抑制葉面積增加。處理45 d、60 d、75 d,各氮素之間差異不顯著,W1 與W2 之間差異顯著。處理90 d,W1處理葉面積顯著低于W2 處理,N0 與N2 之間差異顯著;W2N2 處理的葉面積最大,為1014.13 cm2,比W1N2 處理顯著增加42.16%;W2N1 比W1N1 處理顯著提高45.32%,W2N0 比W1N0 處理顯著提高45.34%;而W1N0 處理的葉面積最小,為575.38 cm2,分別比W1N1、W1N2 處理顯著降低8.94%、19.34%。由此可知,干旱和低氮脅迫顯著降低了棉花葉面積,但干旱下增加氮肥、低氮下增加灌水量卻促進(jìn)了棉花葉面積的增加。

2.1.2 對(duì)棉花根系形態(tài)的影響

根系是棉花吸收水分養(yǎng)分的重要器官。如圖2所示,水分和氮素對(duì)棉花總根長、總根表面積以及根平均直徑均產(chǎn)生了顯著影響,但二者交互作用卻無顯著影響。分析圖2A 可知,與N2 相比,N0 和N1處理顯著降低了棉花總根長(W2N1 除外);與W2 相比,W1 處理抑制了棉花總根長的伸長(N2 水平下兩處理差異不顯著),W1N0 比W2N0 顯著降低24.93%,W1N1 比W2N1 顯著降低16.56%,W1N2 比W2N2降低12.20%。W1 處理下,W1N2 總根長最長,比W1N1 顯著增加20.91%,比W1N0 顯著增加74.45%。由圖2B 可知,與N2 相比,N0 處理顯著降低了棉花總根表面積;W1N0 的總根表面積比W2N0 顯著降低21.32%,W1N1 比W2N1 顯著降低13.16%,W1N2比W2N2 降低8.24%。W1 處理下,W1N2 總根表面積最大,比W1N1 顯著增加15.57%,比W1N0 顯著增加62.91%,W1N1 比W1N0 顯著增加40.96%。分析圖2C 可知,與N2 相比,N0 處理顯著降低了棉花平均根直徑;與W2 相比,W1 處理顯著降低了平均根直徑,W1N0 比W2N0 顯著降低23.53%,W1N1 比W2N1 顯著降低16.67%,W1N2 比W2N2 顯著降低13.16%。由此可知,干旱以及低氮處理均降低了棉花的總根長、總根表面積以及平均根直徑;在干旱脅迫下,棉花的總根長、總根表面積以及平均根直徑隨著施氮量的增加而增加;在低氮脅迫下,棉花的總根長、總根表面積以及平均根直徑隨著灌水量的增加而增大,表明在干旱脅迫下增施氮肥有助于改善棉花根系形態(tài),在低氮環(huán)境下常規(guī)灌溉亦能改善棉花根系形態(tài)。

圖2 水分和氮素調(diào)控對(duì)棉花總根長(A)、總根表面積(B)以及平均根直徑(C)的影響Fig.2 Effects of water and nitrogen regulation on total root length (A),total root surface area (B) and average root diameter (C) of cotton

2.2 水分和氮素調(diào)控對(duì)棉花光合特性的影響

由表1 可知,水分、氮素和二者交互作用均對(duì)SPAD 產(chǎn)生顯著抑制效應(yīng)。隨著處理時(shí)間延長,各處理棉花SPAD 均呈先升后降趨勢(shì)。其中W1 處理在處理15 d 后開始下降,W2 處理在處理30 d 后開始下降。處理15～90 d,與W2 處理相比,W1 處理顯著降低棉花SPAD;與N2 相比,N1、N0 處理顯著降低,且N0 抑制作用大于N1。處理90 d,W2N2 處理的SPAD 最大,比W1N2 處理顯著增加20.51%;W2N1比W1N1 處理顯著提高40.20%,W2N0 比W1N0 處理顯著提高39.84%;而W1N0 處理的SPAD 最小,分別比W1N1、W1N2 處理顯著降低22.90%、41.53%。由此可知,干旱和低氮脅迫顯著降低了棉花SPAD,但干旱下增加氮肥、低氮下增加灌水量均促進(jìn)了棉花SPAD 的增加。

由表2 可知,水分和氮素處理顯著影響了棉花凈光合速率,且二者交互作用亦影響顯著。隨處理時(shí)間的延長,W1 處理下凈光合速率呈下降趨勢(shì);W2 處理下凈光合速率呈先增后降的趨勢(shì),0～15 d 增加,30 d開始下降。處理15 d、30 d、60 d、75 d,與W2 處理相比,W1 處理顯著降低了棉花光合速率;與N0 相比,N1 和N2 在大部分時(shí)間顯著促進(jìn)了棉花凈光合速率的增高。處理90 d,W2N2 處理的凈光合速率最高,比W1N2 處理顯著增加11.99%;W2N1 處理比W1N1 處理顯著增加6.06%,W2N0 比W1N0 處理顯著提高17.97%;而W1N0 凈光合速率最低,分別比W1N1、W1N2 處理顯著降低14.21%、18.09%。表明干旱和低氮脅迫抑制棉花凈光合速率,但干旱下增施氮肥、低氮下增加灌水量均可促進(jìn)棉花光合作用增強(qiáng)。

由表3 可知,水分和氮素以及二者交互作用均對(duì)光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)產(chǎn)生顯著影響。隨處理時(shí)間延長,W2N2 處理呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢(shì),其余處理Fv/Fm均呈下降趨勢(shì)。處理15 d,除W2N2 處理外,其他處理的Fv/Fm開始下降;處理30 d,W2N2 處理的Fv/Fm開始下降。處理15～75 d,與W1 相比,W2 處理

顯著增加了Fv/Fm;各氮素水平之間亦出現(xiàn)顯著差異,表現(xiàn)為N2＞N1＞N0。處理90 d,W2N2 處理的Fv/Fm最高,比W1N2 處理顯著增加22.00%;W2N1 處理比W1N1 處理顯著增加2.08%,W2N0 比W1N0 處理顯著提高6.67%;而W1N0 處理的Fv/Fm最低,分別比W1N1 和W1N2 處理顯著降低6.25%和10.00%。表明干旱和低氮脅迫抑制Fv/Fm,但干旱下增施氮肥、低氮下增加灌水量均可提高棉花PSⅡ反應(yīng)中心的光能轉(zhuǎn)換效率。

2.3 水分和氮素調(diào)控對(duì)棉花抗氧化酶活性和丙二醛含量的影響

2.3.1 對(duì)超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

由表4 可知,水分和氮素對(duì)棉花SOD 活性均產(chǎn)生了顯著影響,但二者的交互作用并不顯著。隨著處理時(shí)間的延長,棉花葉片的SOD 活性呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì),處理30 d 出現(xiàn)最大值。處理15～75 d,各處理差異顯著,且規(guī)律基本一致,即W1 處理的SOD活性高于W2 處理,N2＞N1＞N0。處理90 d,W1N2 處理的SOD 活性最高,比W2N2 處理顯著增加7.36%;W1N1 處理比W2N1 處理增 加6.63%,W1N0 比W2N0 處理提高5.89%。W2N0 處理的SOD 活性最低,分別比W2N1、W2N2 處理降低7.38%、13.83%。由此得知,干旱脅迫可導(dǎo)致棉花SOD 活性增加,用來清除棉花體內(nèi)多余活性氧,促使棉花適應(yīng)干旱脅迫。

2.3.2 對(duì)過氧化物酶(POD)活性的影響

由表5 可知,水分和氮素均對(duì)棉花POD 活性產(chǎn)生了顯著影響,但二者交互作用并不顯著。隨著處理時(shí)間的延長,POD 活性與SOD 變化趨勢(shì)基本一致,均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì),處理30 d 出現(xiàn)最大值。處理45 d、60 d,N0 處理的POD 活性顯著低于N2處理。處理75 d,各處理間存在顯著差異。處理90 d,W1N2 處理的POD 活性最高,比W2N2 處理增加7.24%;W1N1 處理比W2N1 處理增加11.21%,W1N0比W2N0 處理顯著提高14.34%。W2N0 處理的POD活性最低,分別比W2N1、W2N2 處理降低10.09%、22.67%;表明干旱脅迫下,棉花提高POD 活性以緩解干旱造成的損傷。

2.3.3 對(duì)過氧化氫酶(CAT)活性的影響

由表6 可知,水分和氮素均對(duì)棉花CAT 活性產(chǎn)生了顯著影響,但二者交互作用并不顯著。隨著處理時(shí)間的延長,各處理CAT 活性呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì),處理45 d 出現(xiàn)最高值。處理15 d、30 d,N0 顯著低于N2 處理。處理45 d,W1 處理的CAT 活性顯著高于W2 處理;各氮素之間差異顯著,表現(xiàn)為N2＞N1＞N0。處理60 d,W1 處理下N2 顯著高于N1 和N0 處理;W2 處理下,N2 顯著高于N0 處理。處理90 d,W1N2 處理CAT 活性最高,比W2N2 處理顯著增加13.34%;W1N1 處理比W2N1 處理提高13.94%,W1N0 比W2N0 處理提高12.41%。W2N0 處理CAT活性最低,分別比W2N1 和W2N2 處理降低9.53%和19.39%。

2.3.4 對(duì)丙二醛(MDA)含量的影響

由表7 可知,干旱和氮素均會(huì)對(duì)棉花MDA 含量產(chǎn)生顯著影響,但二者交互作用并不顯著。隨處理時(shí)間延長,MDA 含量呈先增后降的趨勢(shì),處理75 d出現(xiàn)最高值。處理15～45 d,與W1 相比,W2 處理MDA含量顯著降低;各氮素水平間表現(xiàn)為N0＞N1＞N2,處理75 d 各氮素處理間差異顯著。處理90 d,MDA變化趨勢(shì)與處理75 d 一致;W1N0 處理MDA 含量最高,比W2N0 處理增加9.30%;W1N1 處理比W2N1處理增加7.85%,W1N2 比W2N2 處理提高8.33%。W2N2 處理MDA 含量最低,分別比W2N0、W2N1處理顯著降低21.85%、12.03%。表明干旱、零氮以及減氮均可提高棉花葉片的MDA 含量,但干旱下增施氮肥、低氮增加灌水量均降低了棉花葉片的MDA 含量,可緩解干旱以及低氮對(duì)棉花造成的氧化損傷。

2.4 水分和氮素調(diào)控對(duì)棉花氮代謝關(guān)鍵酶活性的影響

谷氨酰胺合成酶活性(GS)和硝酸還原酶活性(NR)是參與植物體內(nèi)氮代謝的關(guān)鍵酶,其活性反映了植物對(duì)氮素的吸收狀況。如圖3A 所示,水分和氮素對(duì)棉花GS 活性均產(chǎn)生了顯著影響,但二者交互作用對(duì)GS 活性影響并不顯著。GS 活性隨處理時(shí)間的延長呈先增后降的趨勢(shì),處理45 d 出現(xiàn)最高值。處理15 d,與N0 相比,N2 處理顯著升高了GS 活性。處理30 d、45 d、75 d,W1 處理的GS 活性低于W2 處理,N0 處理的GS 活性顯著低于N2 處理。處理90 d,W2N2 處理的GS 活性最高,為13.59 μmol·g-1(FW)·h-1,比W1N2 處理增加30.42%;W2N1 比W1N1 處理提高14.63%,W2N0 比W1N0 處理提高63.77%。而W1N0 處理的GS 活性最低,為5.30 μmol·g-1(FW)·h-1,分別比W1N1、W1N2 處理顯著降低44.21%、49.14%。由此可知,干旱和低氮脅迫處理降低了棉花GS 活性,但干旱下GS 活性隨著施氮量的增加而提高,低氮脅迫下GS 活性隨著灌水量的增加而提高。

圖3 水分和氮素調(diào)控對(duì)棉花谷氨酰胺合成酶活性(A)和硝酸還原酶活性(B)的影響Fig.3 Effects of water and nitrogen regulation on activities of glutamine synthetase (GS,A) and nitrate reductase (NR,B) in cotton

如圖3B 所示,水分和氮素對(duì)棉花NR 活性均產(chǎn)生了顯著影響,但二者交互作用對(duì)NR 活性影響并不顯著。各處理的NR 活性隨著棉花生育時(shí)期進(jìn)行呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì),處理60 d 出現(xiàn)峰值。處理15～45 d,水分對(duì)NR 活性未產(chǎn)生顯著影響,N0 與N2 之間差異顯著。處理60～90 d,W1 處理NR 活性顯著低于W2 處理;N0 和N1 處理NR 活性顯著低于N2處理。處理90 d,W2N2 處理的NR 活性最高,為1.01 μmol·g-1(FW)·h-1,比W1N2 處理顯著增加12.22%;W2N1 比W1N1 處理顯著提高16.00%,W2N0 比W1N0 處理顯著提高31.25%。而W1N0 處理的NR活性最低,為0.48 μmol·g-1(FW)·h-1,分 別比W1N1、W1N2 處理顯著降低36.00%、46.67%。因此,干旱和低氮脅迫處理降低了棉花NR 活性;但干旱下增施氮肥、低氮下增加灌水量促進(jìn)了NR 活性增強(qiáng)。

2.5 水分和氮素調(diào)控對(duì)棉花產(chǎn)量的影響

由圖4 可知,水分和氮素對(duì)棉花產(chǎn)量產(chǎn)生了顯著影響,且二者交互作用對(duì)產(chǎn)量亦有顯著影響。不同處理下,W2N2 產(chǎn)量最高,為34.42 g·株-1,W1N0 最低,為11.00 g·株-1。W2 處理下,不同氮肥處理之間差異顯著,與W2N0 相比,W2N1 與W2N2 分別增加44.32%、133.99%。W1 處理下,不同氮肥處理之間差異顯著,與W1N0 相比,W1N1 與W1N2 分別增加38.73%、111.64%,表明增施氮肥提高了干旱脅迫下的棉花產(chǎn)量。W2N0 比W1N0 增加33.73%,W2N1比W1N1 增加39.12%,W2N2 比W1N2 增加47.85%,表明增加灌水量提高了低氮脅迫下的棉花產(chǎn)量。由此可知,W1、N0 和N1 處理顯著抑制了棉花產(chǎn)量,干旱脅迫下棉花產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加,低氮脅迫下棉花產(chǎn)量隨著灌水量的增加而增加。

圖4 水分和氮素調(diào)控對(duì)棉花籽棉產(chǎn)量的影響Fig.4 Effects of water and nitrogen regulation on cotton seed yield

3 討論

3.1 水分和氮素對(duì)棉花植株形態(tài)及光合特性的調(diào)控效應(yīng)

水分是影響植物生長的重要環(huán)境因素之一,不合理的水分管理對(duì)植物產(chǎn)生不利影響。研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫導(dǎo)致棉花、番茄(Solanum lycopersicumL.)和馬鈴薯(Solanum tuberosumL.)株高、莖粗及葉面積指數(shù)下降,且隨著干旱程度的加深愈加明顯[5,23-24]。適度干旱可促進(jìn)根系伸長,但嚴(yán)重干旱則抑制根系的生長[24-25]。氮素作為棉花生長發(fā)育必不可少的營養(yǎng)元素之一,直接影響了其生長發(fā)育和產(chǎn)量形成。低氮脅迫可造成棉花總根長變短,總根表面積變小以及平均根直徑變細(xì)[9]。杜紅霞等[16]研究了水、氮調(diào)控對(duì)夏玉米(Zea maysL.)根系特性的影響,發(fā)現(xiàn)水分對(duì)根表面積分布的影響大于氮素。何佩云等[17]研究表明,干旱脅迫下高氮處理對(duì)苦蕎[Fagopyrum tataricum(L.) Gaertn.]株高具有促進(jìn)作用;而干旱脅迫下低氮處理對(duì)苦蕎根系長度以及根表面積具有促進(jìn)作用。劉海光[15]研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫下,棉花株高、葉面積下降,但隨著施氮量的增加而增加。本研究結(jié)果顯示,干旱以及低氮處理均降低了棉花的總根長、總根表面積以及平均根直徑,影響了根系和地上部發(fā)育;而干旱脅迫下增施適量氮肥、低氮脅迫下增加適宜灌水量均促進(jìn)了棉花根系發(fā)育,從而促進(jìn)棉花的株高、莖粗和葉面積增加,這與何佩云等[17]的干旱脅迫下高氮處理對(duì)株高具有促進(jìn)作用的研究結(jié)果相同,而與干旱脅迫下低氮處理對(duì)苦蕎根系長度以及根表面積具有促進(jìn)作用的結(jié)論并不一致,這可能與物種對(duì)水分和氮素的適應(yīng)性緊密相關(guān),還有待于進(jìn)一步深入研究。

光合作用是植物生長中必不可少的生理活動(dòng)和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。氮素和水分不足均可造成光合作用減弱。研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫下,棉花葉片相對(duì)葉綠素含量(SPAD)、凈光合速率和最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)降低[26],但干旱脅迫下適量增施氮肥卻增高了棉花主莖葉的葉綠素含量和花鈴期的凈光合速率,緩解了干旱脅迫對(duì)光合作用的抑制作用[27-28]。本研究表明,干旱脅迫降低了棉花SPAD、凈光合速率和Fv/Fm,但增施氮肥促進(jìn)了光合作用;低氮脅迫亦降低了棉花SPAD、凈光合速率及Fv/Fm,但隨著灌水量增大,光合作用增強(qiáng),表明水分和氮素以及二者交互作用均對(duì)光合性狀產(chǎn)生了顯著影響。這是由于干旱脅迫下增加施氮量以及低氮脅迫下增加灌水量均促進(jìn)了棉花根系對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收,促進(jìn)了地上部發(fā)育,葉面積增大,葉綠素含量增加,從而促進(jìn)了光合作用,緩解了干旱和低氮脅迫對(duì)棉花造成的損傷。

3.2 水分和氮素對(duì)棉花抗氧化酶和氮代謝關(guān)鍵酶活性的調(diào)控效應(yīng)

植物在遭遇逆境脅迫時(shí),可通過酶促以及非酶促抗氧化系統(tǒng)清除細(xì)胞內(nèi)過量的活性氧。SOD、POD、CAT 是植物體內(nèi)主要的抗氧化酶,MDA 含量是反映植物組織脂質(zhì)過氧化速率和強(qiáng)度的重要指標(biāo)[29]。研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫提高了棉花SOD、POD、CAT 活性以及MDA 含量[30]。不同水分處理下,SOD、POD、CAT 活性均隨著施氮量的增加而增強(qiáng),MDA含量則與之相反[31]。本研究結(jié)果顯示,在干旱脅迫下,SOD、POD、CAT 活性隨著施氮量的增加而提高,MDA 含量則隨著施氮量的增加而下降,說明在一定范圍內(nèi),常規(guī)施氮可以緩解干旱脅迫對(duì)棉花造成的氧化損傷。植物在受到干旱脅迫時(shí),自身通過增加抗氧化酶活性來去除體內(nèi)多余的活性氧,緩解干旱脅迫帶來的損傷,但植物在低氮脅迫下抗氧化酶活性下降。在低氮條件下,SOD、POD、CAT 活性和MDA 含量隨著灌水量的增加而降低,表明增加灌水量亦可緩解低氮脅迫對(duì)棉花產(chǎn)生的氧化傷害。此外,本研究還發(fā)現(xiàn),水分和氮素對(duì)棉花光合性狀的影響存在顯著互作效應(yīng),但二者交互作用對(duì)抗氧化酶活性的影響并不顯著,表明水分和氮素在協(xié)同作用中可能存在著相互影響,這有待于進(jìn)一步研究。

GS 和NR 是氮代謝過程中的關(guān)鍵酶,對(duì)作物氮素吸收具有重要調(diào)控作用。相關(guān)研究表明,隨著施氮量的增加,棉花GS 和NR 活性增強(qiáng)[32]。水氮交互作用下,GS 和NR 的活性與氮素利用特征和產(chǎn)量存在顯著相關(guān)性,水分和氮素對(duì)水稻(Oryza sativaL.)生長具有顯著的交互調(diào)控效應(yīng)[33]。談建鑫[34]研究發(fā)現(xiàn),灌水量和施氮量對(duì)NR 活性均產(chǎn)生了顯著影響,當(dāng)灌水量一致條件下,NR 活性可隨著施氮量的增加而增加;在施氮量一致條件下,NR 活性亦隨著灌水量的增加而增強(qiáng)。本研究表明,在施氮量一致條件下,干旱脅迫可導(dǎo)致GS 活性和NR 活性下降;在水分一致條件下,GS 活性和NR 活性亦隨著施氮量的增加而增加。這表明在一定范圍內(nèi),干旱脅迫下增施氮量可促進(jìn)GS 和NR 活性提高,促進(jìn)了氮素的吸收轉(zhuǎn)化,水分和氮素對(duì)棉花氮素吸收同樣具有調(diào)控效應(yīng)。

3.3 水分和氮素對(duì)棉花產(chǎn)量的調(diào)控效應(yīng)

水分和氮素是影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素,二者可產(chǎn)生耦合效應(yīng)以促進(jìn)作物生長發(fā)育[17]。相關(guān)研究表明,干旱條件下棉花皮棉產(chǎn)量顯著降低[35]。氮肥對(duì)棉花產(chǎn)量以及產(chǎn)量構(gòu)成具有顯著影響,增加施氮量可以提高棉花產(chǎn)量以及單鈴重[36];增施氮肥亦可顯著提高棉花單位面積成鈴數(shù)和產(chǎn)量;但過度施入氮肥,可導(dǎo)致棉花貪青晚熟以及僵鈴脫落增加[37-38]。何佩云等[17]研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫降低了苦蕎產(chǎn)量,而增施氮肥提高了苦蕎產(chǎn)量。王艷哲等[39]研究表明,在干旱脅迫下小麥(Triticum aestivumL.)產(chǎn)量可隨施氮量的增大而增加。本研究結(jié)果表明,水分和氮素以及二者交互作用對(duì)棉花產(chǎn)量產(chǎn)生了顯著影響;干旱脅迫以及低氮處理均降低了棉花籽棉產(chǎn)量,而在干旱條件下棉花籽棉產(chǎn)量卻隨著施氮量的增大而增加,這是由于增施氮肥可調(diào)節(jié)土壤水分,促進(jìn)根系發(fā)育,增強(qiáng)根系吸水能力,提高棉花葉面積及葉綠素含量,增強(qiáng)光合作用,使干物質(zhì)積累增加,從而促進(jìn)產(chǎn)量提高。在低氮條件下,增加灌水量促進(jìn)了養(yǎng)分運(yùn)輸,促進(jìn)了氮素的轉(zhuǎn)化,增強(qiáng)了氮代謝能力,擴(kuò)大了“源”,對(duì)低氮條件下棉花產(chǎn)量具有促進(jìn)作用,實(shí)現(xiàn)了以肥調(diào)水、以水促肥的調(diào)控效應(yīng)[17]。因此,本研究對(duì)明確氮素脅迫和水分脅迫下合理的水肥管理具有重要意義。

4 結(jié)論

本研究從棉花植株形態(tài)(地上部、地下部)、光合特性、抗氧化酶活性、氮代謝酶活性以及產(chǎn)量等指標(biāo)研究了水分與氮素調(diào)控對(duì)棉花生長、生理特性以及產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明,干旱與低氮脅迫抑制了棉花的生長發(fā)育,降低了產(chǎn)量。干旱脅迫下,常規(guī)施氮處理可促進(jìn)棉花地上和地下生長,提高了凈光合速率和最大光化學(xué)效率(Fv/Fm),增強(qiáng)了抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性和氮代謝酶(GS 和NR)活性,緩解了干旱脅迫對(duì)其造成的傷害,提高了棉花產(chǎn)量。低氮條件下,正常供水處理亦促進(jìn)了棉花的生長,增強(qiáng)其光合作用和氮代謝酶活性,減緩了低氮脅迫對(duì)其產(chǎn)生的不利影響,從而提高棉花產(chǎn)量。因而可通過增施氮肥提高干旱脅迫下的棉花產(chǎn)量,亦可通過適當(dāng)增加灌水量提高低氮脅迫下的棉花產(chǎn)量,這為氮素脅迫和水分脅迫下合理的水肥管理提供了理論依據(jù)。