水氮供应对棉花光合特性和产量的调控效应

水氮供应对棉花光合特性和产量的调控效应

氮供应是控制作物生长和发育的重要手段。通过合理的水氮运输，可以调节植物的光合特性以及光合产物的积累和分配规律。这是实现高产作物的重要措施之一。花铃期是棉花产量形成的关键时期,对水氮需求较为敏感。大量的研究表明,不同的水氮供应方式对花铃期棉花光合生产率有显著的调控效应。罗宏海等研究表明,土壤相对含水量为田间持水量的70%,棉花花铃期光合速率最高;刘瑞显等认为,过量施氮或施氮不足均不利于提高棉花叶片光合性能。水氮供应对棉花花铃期光合性能调控效应的生理机制方面的研究表明,水氮供应可提高花铃期棉花叶片内源保护酶活性、降低膜脂过氧化程度,减少脱落酸含量而增大细胞分裂素、生长素和赤霉素含量,因而有利于提高净光合速率。水氮供应对作物光合生产率的调控效应也受气候和土壤等生态条件的影响。近年来,也有针对特定土壤开展棉花光合特性调控的研究报道;但缺乏水氮互作条件下棉花光合特性和产量表现的研究。因此,本文在前人研究的基础上,结合边缘绿洲沙质土壤的特点,探讨不同的水氮供应方式对棉花花铃期光合速率及产量的调节效应,以期为区域棉花栽培技术的提高及水氮资源高效利用提供数据参考。1材料和方法1.1不同肥料对灌溉量的影响试验于2008年在中国科学院临泽内陆河流域研究站进行,该站地理位置及气候等背景条件参见相关文献。试验区多年平均降水量为116.8mm,2008年降水量为114.5mm(图1);2003~2007年4月中旬至9月上旬棉花生育期间降水量平均为73.6mm,2008年为59.5mm。试验地土壤为灌耕砂质新成土,2006年水氮配合试验时0—20cm耕作层土壤含有机质6.02g/kg,全氮0.43g/kg,碱解氮32.5mg/kg,速效磷8.55mg/kg,速效钾108mg/kg;土壤pH为8.8,容重为1.43g/cm3,0.05~2mm沙粒含量84.5%,0.002~0.05mm粉粒含量11.4%,<0.002mm粘粒含量4.1%。试验地2006、2007年种植玉米。试验为二因素裂区设计。设3个灌溉量水平:10800m3/hm2(试验区农户普遍采用的灌溉量,灌溉水平偏高是由于沙地渗漏量大、保水能力差,农户次灌溉量和灌溉频率均较高,I1),9450m3/hm2(比I1减少12.5%灌水量,I2),8100m3/hm2(比I1减少25%灌水量,I3),灌溉水量均用水表严格控制。根据农业部棉花高产创建技术模式,甘肃地区棉花适宜施氮量为276~310kg/hm2,故在磷、钾、锌肥用量(P2O5-K2O-ZnSO4:150-150-15kg/hm2)一致条件下,设5个氮肥水平:N0、150、225、300、375kg/hm2(分别用N0、N1、N2、N3、N4表示)。共组成15个处理,3次重复。所用氮、磷、钾和锌肥分别为尿素(N46%)、过磷酸钙(P2O514%)、硫酸钾(K2O45%)和硫酸锌。全部磷、钾、锌肥和45%氮肥作基肥于播种前均匀撒施后翻耕,其余的氮肥10%于蕾期和45%于盛花期随灌水施入。小区面积20m2(4m×5m)。棉花(GossypiumhirsutumL.)品种为新陆早7号。采用140cm地膜间距40cm覆盖后人工点播,每膜种植5行,行距30cm,株距15cm,每穴保苗2株,种植密度为2.5×105株/hm2。棉花生长期进行的化控、打顶、喷施叶面肥等常规农事操作均保持一致。于4月25日播种,9月上旬收获。1.2土壤含水量和产量测定于棉花花铃期(8月14日)在小区内选取3株长势均一的健康棉花植株,将每株自上而下第1~3片功能叶进行标记。选择晴朗无云天气条件,利用开放式气体交换LI-6400便携式光合作用系统(美国LI-COR制造),从8:00~18:00时间段内每隔2h活体测定标记叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)等指标。叶片光合指标测定结束后,用土钻按0—10cm、10—30cm、和30—50cm分层取土样,烘干法测定土壤含水量。棉花按小区收获,测定籽棉产量,并在每个小区选取10株棉花测定单株铃数、单铃重、籽指、衣分等产量性状指标。并根据产量测定结果计算灌溉水生产力:灌溉水生产力(IWP)=籽棉产量(kg/hm2)/灌溉水量(m3/hm2)数据应用DPS软件处理,LSD法显著性检验。2结果与分析2.1施氮量对花铃期织物光合能力的影响不同灌水量的土壤含水量见表1。花铃期棉花净光合速率的测定结果(表2)看出,棉花各处理日均净光合速率介于4.5~14.3μmol/(m2·s)之间,最大值为I2N3处理,最小值为I3N0处理。日均净光合速率基本表现出随施氮量增加而增加的趋势。在各灌溉水平下,不施氮处理日均净光合速率均显著低于其它施氮处理;在I1和I2处理,当施氮量超过N300kg/hm2时,日均净光合速率略有下降。I1N1和I1N2日均净光合速率显著低于I1N3;I2N1施氮水平显著低于I2N3和I2N4;而I3N1施氮水平显著低于其它施氮水平,I3N2显著低于I3N4。说明在一定的施氮量范围内,施氮肥能够显著促进棉花花铃期叶片的光合能力,提高光能利用率,超过这一范围,氮肥的促进作用则不明显。花铃期棉花各处理日均蒸腾速率介于3.3~9.0mmol/(m2·s)之间(表2),最大值为I2N2处理,最小值为I3N0处理。在I1灌溉水平,施N0~300kg/hm2范围内日均蒸腾速率随施氮量增加而增加,不施氮处理日均蒸腾速率均显著低于其它施氮处理;N1和N2日均蒸腾速率显著低于N3处理,当施氮量超过N300kg/hm2时,日均蒸腾速率略有下降。在I2灌溉水平,施N0~225kg/hm2范围内日均蒸腾速率随施氮量增加而增加,不施氮处理和N1施氮水平日均蒸腾速率显著低于其它施氮水平,当施氮量超过N225kg/hm2时日均蒸腾速率略有下降。在I3灌溉水平,日均蒸腾速率随施氮量增加而增加,N0和N1显著低于其它施氮水平。2.2灌溉水生产力iwp棉花籽棉产量的测定结果(表3)表明,籽棉产量最高为I1N4处理,最低为I3N0处理。氮肥表现出显著的增产效应,施N150、225、300和375kg/hm2,较不施氮处理平均籽棉产量分别增加33.9%、45.8%、50.9%和49.2%。尽管I1灌溉水平籽棉产量高于I2和I3灌溉水平,但相同施肥量不同灌溉量籽棉产量之间差异不显著。说明氮肥对籽棉产量有明显的调控效应,但调控的程度随施氮量的增加逐渐减弱,而在试验设置的灌溉量范围内,灌溉水平对籽棉产量没有显著影响。各处理灌溉水生产力(IWP)介于0.21~0.42kg/m3之间(表4),最高为I3N3处理,最低为I1N0处理。灌溉水生产力基本呈随施氮量增加而提高的趋势。与不施氮肥相比,施N150、225、300和375kg/hm2,灌溉水生产力分别提高33.3%、45.8%、50%和50%。3个灌溉水平灌溉水生产力依I1、I2、I3顺序递增,即随灌溉量的减少灌溉水生产力提高。可以看出,通过使籽棉产量增加,增施氮肥提高了灌溉水的生产力,但同样随施氮量的增加,提高程度减弱。由于灌溉水平对籽棉产量没有显著影响,导致灌溉水生产力随灌溉量的减少显著增加。2.3水氮互作对棉花生长指标影响的影响在相同的灌溉水平下,随施氮量的增加,棉花秸秆生物量、单株铃数、单铃重、籽指等产量性状指标均呈增加趋势(表5)。施氮水平对衣分的影响不显著,对铃重和籽指的影响达显著水平,对花铃期净光合速率、蒸腾速率及其它棉花生长指标的影响均达极显著水平。灌溉水平对棉花花铃期净光合速率、蒸腾速率、灌溉水生产力的影响达到了极显著水平,对籽指的影响达到了显著水平,对籽棉产量、秸秆生物量、单株铃数、铃重衣分的影响不显著。水氮互作对棉花蒸腾速率影响达显著水平,对其它指标均无显著影响(表6)。棉花花铃期净光合速率(Pn)与籽棉产量(r=0.79**)、秸秆生物量(r=0.81**)、单株铃数(r=3施氮对花铃期光合速率的影响氮是提高叶片光合速率、维持叶绿素含量及延长叶片功能期的重要矿质元素。施氮不仅可以使叶面积增大、叶片数增多、增加光合面积,还可以明显抑制叶绿素降解,并使植物体内保护酶活性保持高水平,从而提高作物净光合速率。本试验结果表明,施氮对棉花花铃期净光合速率有显著的调控效应,在施N0~300kg/hm2范围内,施氮量对棉花花铃期光合速率起促进作用,在灌水10800和9450m3/hm2水平下,当施N375kg/hm2时,棉花净光合速率比施N300kg/hm2略有下降。花铃期光合速率并不随施氮量的增加呈指数变化,与一些研究结果一致。如勾玲等在新疆石河子的研究表明,当施氮量为N300kg/hm2时棉花光合速率最高,增加或减少施氮量均使光合速率有所下降;刘瑞显等在江苏南京的研究表明,棉花花铃期干旱胁迫条件下施氮量为N480kg/hm2的处理叶片净光合速率明显低于施氮量为N240kg/hm2的处理,其原因被解释为在干旱条件下过量施氮导致PSⅡ最大光化学效率、PSⅡ量子产量、电子传递速率与光化学猝灭系数较低,导致净光合速率下降。本试验各处理土壤含水量均在40g/kg以下(表1),因此,可以用刘瑞显等人的研究结果对本试验施N375kg/hm2氮量条件下花铃期光合速率的降低进行解释。氮肥对棉花花铃期净光合速率的调控效应进而体现在对棉花生长的调控,并最终影响棉花的产量。从本试验结果看出,施氮对棉花籽棉产量的影响与对花铃期净光合速率的影响规律基本相同,在9450和8100m3/hm2灌溉水平下,籽棉最高产量均为施N300kg/hm2;而10800m3/hm2灌溉水平下,籽棉最高产量为施N375kg/hm2,这可能与水分充足供应有利于氮肥肥效的发挥有关。花铃期是棉花对水分需求最敏感的时期,应尽可能避免伤害性水分胁迫。马富裕等研究表明,花铃中期水分亏缺导致群体光合速率比适水下降42.2%,皮棉产量下降741kg/hm2。本研究结果表明,9450m3/hm2灌溉水平花铃期净光合速率最高,10800m3/hm2灌溉水平次之,8100m3/hm2最低,灌溉水平对蒸腾速率的影响表现出相同的变化趋势。尽管灌溉水平对花铃期棉花光合和蒸腾速率有显著的调控作用,但本试验设置的几个灌溉水平对籽棉产量没有显著影响。水氮供应对籽棉产量的F检验结果表明没有显著的水氮互作效应。从土壤含水量的测定看出,3个灌溉水平土壤含水量均在40g/kg以下,表明在蒸发强、渗漏快的沙地农田较大的灌溉量也不能保证长时间的土壤湿润,反而造成了水资源的过度损耗。8100m3/hm2灌溉水平灌溉水生产力较10800m3/hm2提高幅度达27.5%。合理的水肥供应是作物获得高产的重要调控措施之一。一些研究表明,在不同的生长阶段对作物实施的水氮供应对策会对作物光合特性及光合产物的积累有不同的影响。郭天财等研究表明,在作物生长早期实施合理的氮肥供应可以促进叶面积的快速增长,有效增加光合面积,而在生殖生长阶段适量施氮则提高叶片叶绿素含量,延长叶面积持续期,从而增强了叶片的光合能力。有关水分供应对作物光合特性的调控效应研究结果因试验条件的差别而