降塵對棉花光合作用及氮素含量的影響

殷彩云+王家強+柳維揚+牛建龍

摘要：通過大田對照試驗，借助Li-6400光合儀、葉綠素儀，研究降塵對棉花光合參數(shù)、SPAD值和氮素含量的影響。結(jié)果表明，在苗期降塵對棉花光合特性的影響非常明顯，其凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）的差異均達(dá)到了極顯著水平，而對葉綠素含量的影響在苗期也非常顯著，SPAD值的差異在苗期也達(dá)到了顯著水平，對葉片含氮量的影響在苗期也較為明顯，因此降塵對棉花苗期生長影響最大。

關(guān)鍵詞：降塵；棉花；光合作用；氮素

中圖分類號： S429；S562.04 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）09-0116-03

降塵是極端干旱區(qū)沙塵或浮塵等災(zāi)害性天氣現(xiàn)象的產(chǎn)物，在大氣中依靠重力自然沉降下來的固體顆粒物，大氣降塵的粒徑多小于100 μm，可以長時間懸浮于大氣中，并且在風(fēng)力的作用下長距離、大范圍傳輸，對人類的生活和植物的生長都造成了一定的不良影響。棉花是我國最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。隨著大氣環(huán)境的不斷惡化，沙塵和浮塵天氣不斷增多，直接導(dǎo)致降塵量的增加和空氣質(zhì)量的下降。目前，棉花生產(chǎn)的側(cè)重點主要還是集中在品種和施肥量上，卻忽略了環(huán)境條件尤其是降塵對棉花的影響。國外很早就有學(xué)者注意到空氣中的顆粒物對植物存在影響，煤煙降塵能夠堵塞植物氣孔，阻礙植物CO2的交換并影響葉片葉綠素含量，影響多種作物光合強度，使得作物品質(zhì)、干物質(zhì)量下降[1-4]。國內(nèi)的研究發(fā)現(xiàn)灰塵顆粒物在植物表面積累，降低其光合速率，使其葉溫升高，加劇高溫對葉組織的脅迫并使植物對干旱的敏感性增加[5]。自然降塵影響棉花葉片細(xì)胞的內(nèi)含物[6]。本研究以塔里木盆地北緣阿拉爾綠洲墾區(qū)為研究區(qū)，該區(qū)在研究降塵對棉花生長的影響方面具有一定代表性，試驗設(shè)置未接受降塵（對照）和接受降塵（處理）2組處理3個重復(fù)，測定棉花不同生育期的光合參數(shù)、SPAD值和全氮含量，探討降塵對棉花光合作用及氮含量的影響，從而為研究降塵對棉花生長發(fā)育的影響提供理論基礎(chǔ)，為干旱區(qū)棉花栽培技術(shù)的改革以及進(jìn)一步的應(yīng)用推廣提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2012年在位于塔克拉瑪干沙漠西北緣和塔里木河上游西南進(jìn)行，研究區(qū)是典型極端干旱荒漠綠洲過渡帶。地理位置為80°30′～81°58′E、40°22′～40°57′N，海拔在（1 000.0±20） m，受塔克拉瑪干沙漠的影響，年平均太陽總輻射量為544.115～590.156 kJ/cm2，年日照時數(shù)為2 920.7～3 158.3 h，無霜期205～219 d。年平均氣溫為10.7～11.4 ℃，年有效積溫為4 113.7 ℃，生長季平均氣溫16.7～19.8 ℃，≥10 ℃的年平均持續(xù)日數(shù)為201 d，極端最高溫度為39.4[KG*3]℃，極端最低溫度為-25.0[KG*3]℃，年水分蒸發(fā)量為1 880.0 mm，年降水量僅約50 mm，蒸降比為38 ∶1。風(fēng)沙災(zāi)害頻繁，每年3—6月風(fēng)沙頻繁發(fā)生，是該地區(qū)降塵危害發(fā)生集中季節(jié)。光照充足、熱量豐富，屬典型的大陸性極端干旱荒漠氣候類型。試驗區(qū)為典型的綠洲棉田，土壤類型為極端干旱荒漠鹽堿土。

1.2 材料與試驗設(shè)計

供試材料為陸地棉（Gossypium hirsutum）中棉49。試驗于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師十團(tuán)試驗站大田進(jìn)行。試驗設(shè)置2個處理3個重復(fù)。對照組采用定期淋洗葉面的方式使棉花不受降塵影響，處理組則是在自然環(huán)境下使棉花受到降塵的影響。供試棉花于2012年4月9日播種，膜下滴灌，行株距為60 cm×10 cm，種植密度為21萬株/hm2，小區(qū)面積30 m2。

1.3 方法

1.3.1 光合特性的測定 測棉花功能葉片的光合參數(shù)，以Li-6400 光合儀，在棉花苗期到吐絮期選晴天12：00—14：00之間，測定功能葉片的光合參數(shù)；每次測定各處理棉花功能葉片5～10張，取平均值用于統(tǒng)計分析。為減少因環(huán)境條件變化引起的測定誤差，每次測定在30 min內(nèi)完成。

1.3.2 SPAD值的測定 用SPAD葉綠素儀測定棉花功能葉片的SPAD值；每株棉花在功能葉片上（打頂前倒四葉，打頂后頂葉）選擇3個點進(jìn)行測量，每次測定20張葉片的SPAD值，取平均值得到功能葉片的SPAD值。

1.3.3 植株氮含量的測定 在每個處理中，采集棉花功能葉片，殺青、烘干后，測定植株的氮含量。測定采用硫酸-過氧化氫消煮，堿化蒸餾定氮法，測定重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 降塵對棉花光合特性的影響

試驗中棉花光合參數(shù)的測定主要在苗期進(jìn)行。光合參數(shù)凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Cond）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）作為棉花光合特性的主要參數(shù)，能較好地反映棉花光合特性，對其進(jìn)行測定分析。

從表1可知，除了氣孔導(dǎo)度（Cond）處理略高于對照外，受降塵影響的棉花其凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）都低于不受降塵影響的棉花，說明降塵對棉花光合作用有明顯的影響。降塵長期在棉花葉面積累，引起棉花光合速率的降低，影響棉花干物質(zhì)的形成、細(xì)胞間CO2的傳導(dǎo)和葉面水分的傳遞，最終影響棉花產(chǎn)量。

由表2可知，樣本對Pn、Ci、Tr的差異顯著性指標(biāo)均小于0.01，說明受降塵影響的棉花與不受降塵影響的棉花在其凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）上差異極顯著；而樣本對Cond差異顯著性指標(biāo)大于0.05，說明受降塵影響的棉花與不受降塵影響的棉花在其氣孔導(dǎo)度（Cond）上差異不顯著。由于影響光合作用的因素主要是光照、二氧化碳濃度、溫度、礦質(zhì)元素、水分，降塵附著在棉花葉片上影響了葉片接受光照的效率，也影響了葉片對二氧化碳的吸收，同時也降低了葉片上水分的蒸騰速率，因此，受降塵影響棉花比不受降塵影響棉花的光合速率、胞間二氧化碳濃度和蒸騰速率要低。而氣孔導(dǎo)度表示的是氣孔張開的程度，影響光合作用、呼吸作用及蒸騰作用，尤其對蒸騰有直接的影響，與蒸騰作用成正比，理論上光合速率、胞間二氧化碳濃度和蒸騰作用大，氣孔導(dǎo)度也應(yīng)該大，但本研究結(jié)果顯示不受降塵影響的棉花比受降塵影響的棉花的氣孔導(dǎo)度（Cond）小0.165 mol/（m2·s）。

2.2 降塵對棉花葉綠素含量的影響

一定范圍內(nèi)葉綠素含量的高低直接影響葉片的光合能力。土壤水分變化對膜下滴灌植株的葉片光合作用及根系生理單位葉面積葉綠素含量與SPAD值的回歸分析，二者呈顯著的線性相關(guān)，y=0.014 5x-0.308 7（r=0.785 6）[7]。結(jié)果顯示受降塵影響的棉花（處理）比不受降塵影響的棉花（對照）在苗期、蕾期和鈴期功能葉片的SPAD值要略高一些，即葉綠素含量要略高一些，而吐絮期則低一些。

由表3可以得出：樣本對蕾期、鈴期、吐絮期SPAD值的差異顯著性指標(biāo)均大于0.05，說明受降塵影響的棉花（處理）與不受降塵影響的棉花（對照）在蕾期、鈴期和吐絮期功能葉片的SPAD值差異不顯著；而樣本對苗期SPAD值的差異顯著性指標(biāo)略小于0.05，說明受降塵影響的棉花（處理）與不受降塵影響的棉花（對照）在苗期功能葉片的SPAD值差異顯著。說明降塵在苗期時對棉花葉綠素含量的影響比較明顯，而對苗期過后的蕾期、花期、鈴期和吐絮期的影響都不明顯。因此，棉花在苗期受降塵影響后，其光合特性在此期間也會受到明顯影響。

2.3 降塵對棉花氮素含量的影響

作物產(chǎn)量的高低，不但取決于光合產(chǎn)物的生產(chǎn)總量，而且與光合產(chǎn)物在產(chǎn)品器官與非產(chǎn)品器官間的分配密切相關(guān)，在作物生長發(fā)育過程中，同化物在各器官不斷進(jìn)行轉(zhuǎn)化與分配，因此，光合速率的快慢直接決定了光合產(chǎn)物的多少，從而決定了營養(yǎng)器官中貯藏物質(zhì)的水平[8]。本研究在棉花苗期、蕾期、花期、鈴期和吐絮期分別取棉花的功能葉片，測定其氮含量。

在棉花苗期，對照功能葉片的氮素含量比處理的要明顯高很多（表4），即不受降塵影響的棉花（對照）苗期功能葉片的氮素含量比受降塵影響的棉花（處理）要高，而其他生育期變化不是很明顯。

由圖1可知，在棉花生長的苗期、蕾期、花期和鈴期4個生育期中，處理組的SPAD值均高于對照組的SPAD值；降塵對棉花含氮量影響的主要階段是在苗期，在其他生育階段的影響沒有苗期明顯。

4 討論與結(jié)論

本研究通過設(shè)置不受降塵（對照）和接受降塵（處理）2個處理3個重復(fù)的方式，分析了棉花在2個不同處理間的光合特性、SPAD值和氮素含量的差異，揭示了降塵對棉花光合作用及氮素含量的影響，結(jié)果表明：在苗期降塵對棉花光合特性的影響非常明顯；其凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）差異達(dá)到了極顯著水平；降塵對棉花葉綠素含量的影響在苗期也顯著，其SPAD值的差異在苗期也達(dá)到了顯著水平；降塵對棉花全生育期葉片含氮量均有影響，但對棉花苗期葉片含氮量影響最大。

總之，通過研究棉花在2個不同處理間的光合特性、SPAD和氮素含量的差異，可知降塵對棉花光合作用及氮素含量影響主要在苗期，對其他生育時期影響不大或影響低于苗期。由于影響棉花光合作用和氮素含量的因素很多，如二氧化碳濃度、光照、水分、礦質(zhì)元素、溫度等，因此如何能排除土壤肥力差異，同時排除試驗對照設(shè)置時水分的影響，從而獲得更為可靠的數(shù)據(jù)，來說明降塵這一單因素對棉花光合作用的影響效果，有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]Fluckiger W，Bomkamm T A. Urban Ecology[M]. Oxford：Blackwell Scientific publication，1982：331-332.

[2]Pandey D D，Sinha C S. Effect of coal dust pollution on biomass，chlorophyll and grain characteristics of maize[J]. Enviormnent and Ecology，1991，9（3）：617-620.

[3]Vardaka E，Cook C M，Lanaras T，et al. Effect of dust from a limestone quarry on the photosynthesis of Quercus coxxifera，an evergreen schlerophllous shrub[J]. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology，1995，54（3）：414-419.

[4]Hirano T，Kiyota M，Aiga I. Physical effects of dust on leaf physiology of cucumber and kidney bean plants[J]. Environmental Pollution，1995，89（3）：255-261.

[5]孟范平，傅柳松. 灰塵理化性質(zhì)及其對土壤和植被的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1996，4（4）：21-27.

[6]李巧云，李 萼，關(guān) 欣，等. 降塵對棉花葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2010，19（6）：1318-1321.

[7]羅宏海. 土壤水分變化對膜下滴灌棉花葉片光合作用及根系生理的影響[D]. 石河子：石河子大學(xué)，2008.

[8]潘瑞熾，王小青，李娘輝. 植物生理學(xué)[M]. 6版. 北京：高等教育出版社，2008.