大氣CO2濃度增加對新疆綠洲膜下滴灌棉花生長發(fā)育的影響

劉瑜+尹飛虎+高志建

摘要：通過田間小區(qū)試驗，研究CO2濃度對施氮水平棉花生理的影響。研究結(jié)果：（1）C360、C540水平下，低氮處理棉花株高高于高氮處理，C720水平棉花株高則為低氮處理低于高氮處理；（2）棉花葉、蕾、莖表現(xiàn)為高氮處理干質(zhì)量大于低氮處理，隨CO2濃度增加，干物質(zhì)量均先增加后降低；根干質(zhì)量在C360、C540水平下低氮處理高于高氮處理，C720水平則為高氮處理高于低氮處理。2個氮水平下根冠比均表現(xiàn)為隨大氣CO2濃度升高而升高；（3）通氣前，棉花葉片SPAD值表現(xiàn)為高氮處理高于低氮處理，通氣過程中C540水平棉花葉綠素含量（SPAD值）逐漸升高，通氣結(jié)束后，高氮處理表現(xiàn)為葉片SPAD值隨CO2濃度升高而升高，低氮處理則表現(xiàn)為C540>C720>C360。

關(guān)鍵詞：CO2濃度；棉花；株高；干物質(zhì)量；根冠比；SPAD值

中圖分類號： S562.06 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0108-03

由于人類活動的影響，導(dǎo)致大氣CO2濃度持續(xù)升高，CO2濃度升高不但會對全球氣候和整個人類生存環(huán)境產(chǎn)生重大影響，而且會影響到植物生長發(fā)育和生理過程[1]。棉花是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，棉花生育過程中對環(huán)境條件反應(yīng)十分敏感[2]。新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)是我國重要的優(yōu)質(zhì)商品棉生產(chǎn)基地，隨著大氣中CO2濃度的持續(xù)增加，必然會影響棉花的生長和干物質(zhì)量的積累[3]。有關(guān)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)CO2濃度增加和供氮水平對棉花生長發(fā)育的影響鮮有報道。花鈴期作為棉花產(chǎn)量、品質(zhì)形成的關(guān)鍵時期，也是對外界環(huán)境反應(yīng)最敏感的時期，本試驗通過花鈴期增加田間CO2濃度，研究CO2濃度增加對棉花干物質(zhì)積累及葉片SPAD值的影響，以期為大氣CO2濃度不斷增加的情況下合理施肥及田間管理提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2012年在新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)業(yè)試驗場進(jìn)行。該區(qū)屬典型的溫帶大陸性氣候，年日照時數(shù)為2 721～2 818 h，年無霜期168～171 d。供試土壤為灌耕灰漠土，土壤類型為中壤土。土壤本底養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)6.94 g/kg、堿解氮 41 mg/kg、速效磷21 mg/kg、速效鉀99 mg/kg，pH值8.48。

1.2 試驗設(shè)計

供試棉花品種為新陸早33號。采用機(jī)械鋪膜播種，1膜4行雙毛管配置，寬窄行種植，大行50 cm，小行20 cm，株距為12 cm。滴灌毛管鋪設(shè)在棉花窄行中間，棉花密度為 195 000株/hm2。

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，為2因素完全隨機(jī)設(shè)計。主區(qū)設(shè)3個大氣CO2濃度[C360（本底CO2濃度，360 μmol/mol）；C540（半倍增CO2濃度，540 μmol/mol）；C720（倍增CO2濃度，720 μmol/moL）]，副區(qū)設(shè)2個施氮水平（低氮，150 kg/hm2；高氮，450 kg/hm2），氮肥為尿素（氮含量46%）。試驗共6個處理，分別為：處理1（C360-N150）、處理2（C540-N150）、處理3（C720-N150）、處理4（C360-N450）、處理5（C540-N450）、處理6（C720-N450），每個處理重復(fù)3次，共18個小區(qū)。主區(qū)之間設(shè)保護(hù)行，副區(qū)之間相鄰，副區(qū)面積為42 m2。主區(qū)四周分別用透光塑料膜包圍，膜高度為1.5 m。

在棉花盛花期，連續(xù)通氣20 d（7月18日至8月7日），每天12：00—15：00運用大田滴灌帶將鋼瓶中的CO2氣體釋放分布于整個主區(qū)內(nèi)。CO2氣體濃度誤差控制在目標(biāo)值的5%以內(nèi)。不同處理單獨設(shè)置施肥裝置，滴灌設(shè)置和管理同大田。

1.3 植株樣品的采集及分析

從棉花初蕾期至鈴期于各小區(qū)定點監(jiān)測10株棉花，調(diào)查棉花株高、葉齡數(shù)；并在通氣不同階段測定每小區(qū)30株棉花倒4葉SPAD值，求平均數(shù)后作為該小區(qū)棉花葉片SPAD值；通氣結(jié)束后，采集各小區(qū)具有普遍代表性的植株5株，按器官將每株分葉、蕾、莖、根4個部分，分別稱質(zhì)量后放入105 ℃烘箱殺青30 min，然后80 ℃烘至恒質(zhì)量，取出稱質(zhì)量，計算根冠比和干物質(zhì)含量百分比，干物質(zhì)含量百分比為干物質(zhì)占植物總鮮質(zhì)量的百分比。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)分析采用多次重復(fù)的平均值，數(shù)據(jù)處理和方差分析在Excel 2003及SPSS 18.0軟件內(nèi)進(jìn)行，處理間的差異性顯著性采用Duncans法進(jìn)行單因素和雙因素多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2濃度增加對棉花株高的影響

通過對棉花不同生育期株高、葉寬的調(diào)查可以看出，通氣和施氮都會對棉花株高和葉片數(shù)產(chǎn)生影響。株高順序表現(xiàn)為處理1>處理4>處理6>處理2>處理5>處理3，7月20日打頂結(jié)束后，棉株高度基本保持穩(wěn)定但略有增長（圖1）。處理1的棉株雖然一直最高，但是田間調(diào)查時可發(fā)現(xiàn)，棉株長勢單薄，葉片偏黃；處理3棉株矮，可能是由于大氣CO2濃度倍增，但是氮肥施用量較低，不能滿足棉花體的正常C/N比，影響了棉株生長。

2.2 CO2濃度增加對棉花葉齡的影響

葉片對棉花生育過程中的光合作用、物質(zhì)積累有重要的意義。通過對葉齡數(shù)調(diào)查，不同處理間棉花葉齡數(shù)沒有顯著性差異。打頂結(jié)束后，棉花葉齡數(shù)仍表現(xiàn)為略有增加（圖2），主要是隨著生育期延長，未完全展開的葉片完全展開了。通氣結(jié)束后葉齡數(shù)表現(xiàn)為相同CO2濃度水平下，高氮處理葉齡高于低氮處理。

2.3 CO2濃度增加對棉花植株干物質(zhì)量、根冠比的影響

干物質(zhì)量是衡量植物有機(jī)物積累、營養(yǎng)成分多少的重要指標(biāo)之一。通過分析，2個氮水平下棉花葉、蕾、莖干物質(zhì)量均隨著CO2濃度增加呈先增加后降低趨勢；根干物質(zhì)量在低氮處理下也表現(xiàn)出先增后降趨勢，但高氮處理下則表現(xiàn)為隨CO2濃度增加而增加。相同氮水平下，隨CO2濃度增加地上部總干物質(zhì)量先增加后降低；根冠比呈現(xiàn)出增加趨勢，說明在低氮、高氮水平下，增加大氣中CO2濃度均能促進(jìn)棉花根系生長。相同CO2濃度下，隨著施氮量增加，棉花葉、蕾干物質(zhì)量增加，地上部總生物量呈現(xiàn)增加趨勢；正常CO2濃度和半倍增CO2濃度下，莖干物質(zhì)量隨施氮量增加而增加，根干物質(zhì)量隨施氮量增加而降低；根冠比表現(xiàn)為隨施氮量增加而降低趨勢，說明低氮處理促進(jìn)棉花根系生長以獲得更多養(yǎng)分（表1）。通過對CO2濃度、氮水平2個因子的主成分分析后發(fā)現(xiàn)二者共同作用對棉花植株各器官干物質(zhì)量產(chǎn)生極顯著的作用。

2.4 CO2濃度增加對棉花SPAD值的影響

葉綠素是植物光合作用的重要色素，與氮代謝密切相關(guān)，植物葉綠素含量可以反映出植物的生理狀態(tài)及其與環(huán)境的關(guān)系[4]。本研究對CO2通氣前、通氣中及通氣后的棉花倒4葉SPAD值測定分析，表明棉田增施CO2和施用氮肥都會對棉花葉綠素含量產(chǎn)生影響。通氣前，高氮處理葉片SPAD值高于低氮處理；增施CO2后，棉花葉片SPAD值發(fā)生了改變，通氣過程中，低氮處理隨著大氣CO2濃度增加，葉片SPAD值表現(xiàn)為增高趨勢；高氮處理在通氣前期C720>C360>C540，通氣中后期CO2濃度半倍增處理葉片SPAD值逐漸升高，在通氣后期達(dá)到最高值；通氣結(jié)束后，低氮處理表現(xiàn)為C540>C720>C360，高氮處理則表現(xiàn)為隨大氣CO2濃度升高葉片SPAD值升高（圖3）。

3 討論與結(jié)論

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，大氣中CO2濃度在不斷升高。大氣CO2濃度增加對人類生活、生態(tài)環(huán)境都將產(chǎn)生影響。植物對環(huán)境變化的響應(yīng)最為敏感，很多研究均顯示大氣CO2濃

[FK（W12][TPLY3.tif]

度升高對植物的生長具有促進(jìn)作用，李伏生等通過對春小麥的研究表明，隨CO2濃度升高春小麥地上部干物質(zhì)量增加[5]，黃輝等在大豆的試驗也得出相似結(jié)論[6]。本研究結(jié)果顯示，隨CO2濃度增加，地上部總干物質(zhì)量先增加后降低；根冠比呈現(xiàn)出增加趨勢，表明大氣中CO2濃度增加能促進(jìn)棉花根系生長。黃麗芬等通過試驗顯示水稻地上部干物質(zhì)積累量隨著氮素水平的上升顯著增加[7]，本研究結(jié)果也支持這一結(jié)論。

葉片葉綠素含量的消長規(guī)律是反映葉片生理活性變化的重要指標(biāo)之一[8]。羅新寧等對棉花葉綠素分析表明，施氮量增加能夠提高棉花葉片的SPAD值[9]。本研究通過對通氣前、通氣中、通氣后的調(diào)查，增施CO2前，高氮處理SPAD值高于低氮處理；增施CO2過程中，低氮處理SPAD值隨著大氣CO2濃度增加而增加；通氣結(jié)束后，低氮處理表現(xiàn)為C540>C720>C360，高氮處理SPAD值則表現(xiàn)為隨大氣CO2濃度升高而升高。汪玲等通過對棉花葉片SPAD值和產(chǎn)量之間關(guān)系的研究，葉片SPAD值與產(chǎn)量之間存在明顯的正相關(guān)[10]，棉花生育期積累的葉綠素含量越高，產(chǎn)量越高，高志建等的研究結(jié)果[11]也得出相似結(jié)論。

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