不同增氧方式对花铃期棉花叶片光合特性及产量的影响

饶晓娟;付彦博;窦晓静;孟阿静;冯耀祖;王治国

【摘 要】[目的]研究不同增氧方式对棉花生长发育的机理.[方法]分析不同增氧方式下(CK,CO和PO分别表示常规滴灌、化学增氧和物理增氧)棉花光合特性及产量变化.[结果]PO、CO处理下棉花的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率分别较对照增加了35.42%和31.60%、172.19%和155.61%、21.27%和16.86%、49.54%和47.52%,棉花的Pn积分值排序依次为

PO(93.17)>CO(87.03)>CK(56.09).CO、PO处理下的根鲜重、根干重分别较CK增加了20.7%和40.76%、9.5%和37.7%,茎鲜重、茎干重、叶鲜重、叶干重、蕾鲜重、蕾干重分别较CK增加了37.9%和90.1%、30.4%和96.3%、50.3%和103.1%、58.8%和102.9%、-38.8%和92.9%、29.5%和106.9%.CO和PO处理下的棉花单株结铃数较CK分别显著增加了29.5%和53.3%,棉花单铃的重量、纤维重、棉籽重及衣分分别显著增加了19.3%和26.7%、13.4%和22.0%、23.0%和29.8%及-4.5%和-3.3%,单产分别增加了54.0%和93.1%.[结论]物理增氧滴灌有利于安宁渠棉花进行光合作用以及产量增加,化学增氧有利于棉花地上、地下生物量的积累.%[Objective] To research the mechanism of cotton growth and development with different aeration methods.[Method]The effects of different aeration methods on photosynthetic characteristics and yield of cotton were analyzed.(CK, CO and Po represent conventional drip

irrigation, chemical aeration and physical aeration, respectively.)[Result]The results showed that the net photosynthetic rate, stomatal conductance, intercellular CO2 concentration and transpiration rate of cotton increased by 35.42%, 31.60%, 172.19% and 155.61%, 21.27% , 16.86%, 49.54% and

47.52%, respectively under PO and CO treatments.The order of PN integral value of cotton was PO (93.17) > CO (87.03) > CK (56.09).The root fresh weight and root dry weight under CO and PO treatments increased by 20.7%, 40.76%, 9.5% and 37.7%, respectively, compared with CK.Stem fresh weight, stem dry weight, leaf fresh weight, leaf dry weight, bud fresh weight and bud dry weight were increased by 37.9%, 90.1% 30.4%, 96.3%, 50.3% and 103.1% compared with CK under CO treatment, 58.8%, 102.9%,-38.8%, 92.9%, 29.5% and, 106.9%, respectively compared with CK under PO treatment.The number of cotton boll was significantly increased by 29.5% and 53.3% respectively under CK and PO treatment compared with CK.Cotton boll weight, fiber weight, seed weight and lint percentage were increased by 19.3% ,26.7%, 13.4% and 22%, 23%, 29.8%,-4.5% and-3.3%, and the yield were increased by 54% and 93.1% under CO and PO treatments.[Conclusion]In summary, physical oxygen enrichment and drip irrigation are beneficial for photosynthesis and yield increase of Gossypium spp.and chemical oxygen enrichment is beneficial to the accumulation of aboveground biomass and underground biomass in Anningqu.

【期刊名称】《新疆农业科学》 【年(卷),期】2017(054)007 【总页数】8页(P1200-1207)

【关键词】棉花;光合特性;增氧滴灌;生物量;产量

【作 者】饶晓娟;付彦博;窦晓静;孟阿静;冯耀祖;王治国

【作者单位】新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所,乌鲁木齐 830091;新疆农业职业技术学院,新疆昌吉 831100;新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所,乌鲁木齐 830091;新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所,乌鲁木齐 830091;新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所,乌鲁木齐 830091;新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所,乌鲁木齐 830091;新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所,乌鲁木齐 830091 【正文语种】中 文 【中图分类】S562

【研究意义】棉花(Gossypium spp.)是新疆最主要的经济作物之一，全疆约有50%的农户从事棉花生产，其收入占农民纯收入的38%以上[1]。新陆早41号是北疆棉区主栽品种表现出良好的丰产性和早熟性[2]，也是低氧敏感作物[3]。滴灌、降雨、排水不利等会造成土壤缺氧，从而抑制根系有氧呼吸，最终影响作物的生长发育[4, 5]。增氧滴灌(通过物理、化学的方式在滴灌水中加氧)能够实现根域氧气环境的优化，促进作物生长，是高效、节水、节能与环境友好型的最新滴灌技术，最终达到农作物增产、增收[6, 7]。光合作用是绿色植物吸收光能同化二氧化碳和水，制造有机物并释放氧气的过程[8]，可从微观角度直接反映植物的生长状况(光合特性)。不同增氧滴灌方式会影响作物(棉花)净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度等光合特征，以光合为手段，探寻高效、节能、有效增加棉花光合的增氧滴灌方式，可对新疆棉花科学、高效种植提供理论依据和现实应用价值。【前人研究进展】关于增氧对作物生长影响的研究，已有部分文献。Surya P等[9]发现通过增氧滴灌可明显改善作物的根系分布。黄晓波等[6]采用盆栽试验，模拟增氧对水稻分蘖期

生长特性(株高、根系、光合)的影响，发现气泵增氧增加水稻根际土壤的含氧量均有利于水稻分蘖的提早发生、光合作用(净光合速率)及根系活力增强。朱练峰等[10]采用大田试验，发现增氧灌溉(超微气泡)使得秀水09和两优培九的叶片净光合速率分别提高了4.13%和3.78%，气孔导度也有较大的增加。饶晓娟等[7]通过水培试验，研究增氧(持续性增氧、间歇性增氧和化学增氧)对棉花生长的影响，发现不同增氧方式均可促进棉花生长，其中持续性增氧效果尤为突出(生物量的积累)。温改娟、肖卫华等均得出增氧灌溉有利于番茄[11]、水稻[12-13]和马铃薯[14]等产量的提高和品质的改善产量增加。【本研究切入点】增氧能显著提高作物产量，然而不同增氧方式对棉花的影响尚不明确。【拟解决的关键问题】通过田间实验，设置不同增氧滴灌处理(物理增氧、化学增氧)，测定棉花(新陆早41号)的光合、生长特性、灌水量对不同处理的响应差异，寻找有利于棉花光合作用的增氧滴灌方式。 1.1 材 料

新疆农业科学院安宁渠综合试验场(87°30′6.52″E，43°58′48.71″N)位于新疆乌鲁木齐市以北22 km，海拔680～920 m。属干旱半干旱荒漠气候，年均气温5～7℃，年降水量180～250 mm，年蒸发量1 600～2 200 mm。土壤为新疆北部典型土类(灰漠土)，有机质含量13.5 g/kg、速效氮51.6 mg/kg、速效磷22.2 mg/kg和速效钾435 mg/kg。

2015年7月9日，以新陆早41号(花蕾期)为供试品种，种植模式为一膜四行，株行距配制为(20 cm+40 cm+20 cm+60 cm)×9 cm，4月21日播种，5月6日放苗，5月8日补种。 1.2 方 法 1.2.1 试验设计

2015年6月4日、6月17日、6月24日、7月1日、7月9日、7月16日、7

月23日、7月30日和8月6日，共灌水9次，化控2次，其他管理相同；试验以常规滴灌栽培模式为对照(CK)溶解氧浓度为6.2 mg/L，设两种增氧处理：物理增氧(PO，溶解氧浓度为8.21 mg/L)和化学增氧(CO)溶解氧浓度为7.04 mg/L，每个处理设置三次重复，每小区三膜，共9个小区(S=33 m2)。PO采用“B&W微/纳米气泡发生装置”(北京新技术推广有限公司)制备微纳米气泡水[15]，压力为0.15 MPa，进气速率为1.5 L/min；CO采用过氧化尿素[16](上虞洁华化工有限公司)溶解于施肥罐，含N 30%，活性氧16.5%；PO、CK氮肥用量与CO所施过氧化尿素用量相当的尿素(N 46%)。 1.2.2 气体交换参数日变化测定

增氧处理3 d后(7月12日)测定各处理棉花光合特征参数。自然光照下，用CI-340超轻型便携式光合测定系统(CID，China)测定光合生理参数，每个处理选取株高、地径一致的3株生长良好的棉花中部外围的成熟功能叶片进行测定，自10:00～20:00，每2 h测定一次，每叶测定3次，分析数据并取算数平均值。同步测定光响应曲线，选取与光合特性日变化相同植株进行，流量设定为500 μmol/s，通过CO2注入系统将CO2浓度保持在400 μmol/mol，光合有效辐射值(PAR)依次设定为2 000、1 500、1 000、800、600、400、200和0 μmol/(m2·s)8个梯度，每一处理重复测定3次。 1.2.3 生长量测定

2015年5月28日、6月7日、6月18日、6月26日、7月7日和8月3日，随机选取不同处理下(CK、CO和PO)条件下30株棉花，测定地上生物量、地下生物量、结铃数、单铃参数及产量等生长特性参数，取算数平均值。 1.3 数据处理

数据使用Microsoft Excel 2007(Microsoft公司，美国)进行预处理，Origin 8.0(OriginLab公司，美国)制图，SPSS17.0(IBM公司，美国)进行单因素方差分

析(One-way ANOVA)和相关性分析，Mathematica 5.2(Wolfram Research Inc.公司，美国)进行数值积分。

2.1 不同增氧滴灌方式下棉花光合特性

研究表明，在增氧滴灌处理下，棉花叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度、蒸腾速率(Tr)均有较大程度的提高，综合表现为PO>CO>CK；12:00时，物理、化学处理下棉花的净光合速率较对照分别增加了35.42%和31.60%，气孔导度增加了172.19%和155.61%，胞间CO2浓度增加了21.27%和16.86%，蒸腾速率增加了49.54%和47.52%。较高的光合速率和胞间CO2浓度说明其叶片具有较高的同化CO2进行光合产物合成的能力，较高的气孔导度和蒸腾速率则表明其根系活力较强，说明增氧滴灌更有利于棉花进行光合作用。表1

单因素方差分析结果表明，08:00～20:00时段，CK、CO和PO的棉花净光合速率(Pn)的平均值差异极显著(P=0.000<0.01，F=20.22)，说明各处理对棉花的影响差异极显著，相应的存在最有利于棉花光合的处理。

在Excel中对不同处理下棉花的Pn值添加多项式趋势线，并保持R2=1，形成各处理的回归方程。按照Pn值对PAR积分可得，各处理的Pn积分值排序依次为：93.17(PO)>87.03(CO)>56.09(CK)，说明物理增氧(PO)较其他处理有利于棉花进行光合作用。图1，表2

2.2 不同增氧滴灌方式下棉花光合-光响应曲线

光强是影响植物生长的重要环境因子之一，光合-光响应曲线反映了植物净光合速率随光强增减的变化规律。研究表明，CO和PO处理下棉花的光合-光响应曲线水平均高于CK。光合有效辐射(PAR)为200 μmol/(m2·s)时，各处理下棉花Pn值开始迅速上升。CO和PO处理下，PAR为2 000 μmol/(m2·s)时，Pn值均最大(分别为16.5和26.1 μmol/(m2·s))；CK处理下，PAR为600 μmol/(m2·s)时，Pn值最大(12.68 μmol/(m2·s))。图2

非直角模型进行拟合分析可知，CK、CO和PO处理下棉花叶片的最大光合速率(Pmax)分别为13.00、17.18和26.76 μmol CO2/(m2·s)，其中PO处理下棉花的Pmax值最大，同此处理下净光合速率定积分值，进一步推测物理增氧滴灌更有利于棉花进行光合作用。CK、CO和PO处理下棉花的φ值排序依次为：0.063(CK)>0.061(CO)>0.049(PO)，Rd值排序依次是：

1.82(CK)>1.75(PO)>0.4(CO)。CK、CO和PO处理下棉花的光饱和点分别为496、904和1 640 μmol/(m2·s)，光补偿点分别为28、8和36 μmol/(m2·s)。表3

2.3 不同增氧方式滴灌下棉花生物量

研究表明，在地下生物量的指标中，CO、PO处理下的根鲜重分别较CK增加了20.7%和40.76，根干重分别较CK增加了9.5%和37.7%。地上生物量指标可知，CO、PO处理下的茎鲜重、茎干重、叶鲜重、叶干重、蕾鲜重、蕾干重分别较CK增加了37.9%和90.1%、30.4%和96.3%、50.3%和103.1%、58.8%和102.9%、-38.8%和92.9%、29.5%和106.9%。增氧(CO、PO)均)处理均有利于棉花地上、地下生物量积累，其中化学增氧效果为更优。表4 2.4 不同增氧滴灌方式下棉花产量

研究表明，与CK比较，CO和PO处理下，除衣分显著下降外(P<0.05)，其他参数均显著增加(P<0.05)。CO和PO处理下的棉花单株结铃数较CK分别显著增加了29.5%和53.3%，棉花单铃的重量、纤维重、棉籽重及衣分分别显著增加了19.3%和26.7%、13.4%和22.0%、23.0%和29.8%及-4.5%和-3.3%，单位产量分别增加了54.0%和93.1%。说明增氧(CO、PO)处理均有利于棉花产量积累，其中物理增氧效果为更优。表5

12:00时，物理、化学处理下棉花的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率分别较对照增加了35.42%和31.60%、172.19%和155.61%、21.27%和

16.86%、49.54%和47.52%，说明增氧处理(化学、物理)均较对照有利于棉花进行光合作用，这与黄晓波等[6]探究增氧对水稻分蘖期生长特性研究中得出的结论相似，以生长特性(株高)手段说明观点，这是之后实验可以借鉴的方法。进一步分析，可基本得出物理增氧滴灌较其他处理(常规滴灌、化学增氧滴灌)更有利于棉花进行光合作用，这一结论与黄晓波等[6]探究增氧对水稻分蘖期生长特性研究中的实验目标、思路类似。朱练峰[10]利用光合手段，在大田试验中得出增氧滴灌(超微气泡)对秀水09和两优培九叶片净光合速率等分别提高了4.13%和3.78%，较该试验结论(35.42%和31.60%)小。

在一定自然条件下，植物叶片的最大光合速率(Pmax)表示了叶片的最大光合能力[17]。实验得出，物理增氧滴灌下棉花的最大净光合速率值最大(26.76 μmol CO2/(m2·s))，说明棉花在此处理下叶片的最大光合能力最强。表观量子效率(φ，通常值在0.03～0.07)，反映弱光条件下，植物吸收转换和利用光的能力，值越大说明植物叶片具有越高光能转化效率。实验得出，增氧滴灌下棉花的表观量子效率值排序依次为：0.063(CK)>0.061(CO)>0.049(PO)，说明增氧滴灌使得棉花通过降低弱光光能转化效率，维持较高的净光合速率值。暗呼吸速率(Rd)是植物在无光条件下的呼吸速率，反应植物的生理活性[18, 19]。增氧滴灌下棉花的暗呼吸速率值排序依次是：1.82(CK)>1.75(PO)>0.4(CO)，说明增氧滴灌使得棉花在无光条件下的生理活性降低。光饱和点反映了植物利用强光能力大小，光补偿点反映了植物利用弱光能力大小。光补偿点低、光饱和点高的植物对强光环境的适应性较强，反之则较弱[20, 21]。常规滴灌水、化学增氧滴灌和物理增氧滴灌下的棉花叶片光饱和点分别为496、904和1 640 μmol/(m2·s)，光补偿点分别为28、8和36 μmol/(m2·s)。物理增氧滴灌下棉花叶片光补偿点最高，光饱和点低(<50)，说明此处理下棉花对强光环境的适应性最强。

增氧(CO、PO)处理均有利于棉花生长及地上、地下生物量积累，其中化学增氧效

果为更优。根系是植株汲取土壤养分和水分的重要器官，采用增氧滴灌灌溉方式，能有效促进植株生长，增加植株地下、地上生物量。饶晓娟等[7]通过水培试验，发现增氧(持续性增氧、间歇性增氧和化学增氧)均可促进棉花生长，其中持续性增氧滴灌更有利于棉花生物量的积累，这与实验结论相似，也是实验设定增氧处理的基础和依据；综上综合宏观(生长特性、生物量等)微观(光合特性、叶绿素)参数阐述增氧滴灌对棉花生长的影响是研究亮点，水培方法将是今后研究侧重的实验手段之一，探究不同增氧方式(持续性增氧、间歇性增氧和化学增氧)对作物生长的影响是未来研究的难点突破要点。

增氧(CO、PO)处理下，除衣分显著下降外(P<0.05)，其他参数均显著增加(P<0.05)，达到了优质增产的效果。其中，化学增氧、物理增氧的单位产量分别增加了54.0%和93.1%，物理增氧效果为更优。

4.1 化学增氧、物理增氧处理下，安宁渠棉花的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率分别较对照增加了35.42%和31.60%、172.19%和155.61%、21.27%和16.86%、49.54%和47.52%；棉花的Pn积分值排序依次为PO(93.17)>CO(87.03)>CK(56.09)，物理增氧滴灌下的最大净光合速率值最大(26.76 μmol CO2/(m2·s))。说明物理增氧滴灌有利于棉花进行光合作用。 4.2 地下生物量指标，化学增氧、物理增氧下安宁渠棉花根鲜重分别较对照增加了20.7%和40.76，根干重分别较对照增加了9.5%和37.7%。说明化学增氧滴灌有利于棉花地下生物量的积累。

4.3 地上生物量指标可知，化学增氧、物理增氧下安宁渠棉花茎鲜重、茎干重、叶鲜重、叶干重、蕾鲜重、蕾干重分别较对照增加了37.9%和90.1%、30.4%和96.3%、50.3%和103.1%、58.8%和102.9%、-38.8%和92.9%、29.5%和106.9%。说明化学增氧滴灌也有利于棉花地上生物量的积累。

4.4 与对照比较，化学增氧、物理增氧下棉花单株结铃数分别显著增加了29.5%和

53.3%，棉花单铃的重量、纤维重、棉籽重及衣分分别显著增加了19.3%和26.7%、13.4%和22.0%、23.0%和29.8%及-4.5%和-3.3%，单位面积(667 m2)产量分别增加了54.0%和93.1%。其中物理增氧有利于棉花产量的增加。

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