棗棉間作下氮密互作對棉花鈴期光合特性及產(chǎn)量的影響

王霜　李田甜　甘塘煌　王俊生　田玉剛　李志鵬　候金枚　張家琪　林皎　萬素梅

摘要：探索南疆棗棉間作系統(tǒng)下種植密度與施氮量對棉花鈴期葉片光合日變化規(guī)律及產(chǎn)量的影響，為間作棉花的種植密度及氮肥管理策略提供理論依據(jù)。設置3個種植密度為主處理：22萬株/hm2（D1）、18萬株/hm2（D2）、14萬株/hm2（D3），5個氮肥梯度為副處理：560 kg/hm2（N560）、420 kg/hm2（N420）、280 kg/hm2（N280）、140 kg/hm2（N140）、0 kg/hm2（N0），以單作棉花（CK）為對照，在棉花鈴期對光合日變化各項指標進行測定，并分析經(jīng)濟產(chǎn)值。結果表明，棉花葉片的Pn、Gs、WUE日變化呈雙峰曲線變化趨勢，Tr日變化呈單峰曲線變化趨勢，Ci和Ls值日變化分別呈“V”形和倒“V”形變化趨勢。在間作系統(tǒng)中籽棉產(chǎn)量以D1N280處理（22 萬株/hm2和280 kg/hm2）最高，其值為2 983.70 kg/hm2，且D1（22 萬株/hm2）的土地當量比為1.39，與未施氮相比，增施氮肥可以顯著增加間作系統(tǒng)的光合性能和棉花產(chǎn)量。因此本試驗中棗棉間作系統(tǒng)棉花適宜的種植密度和施氮量分別為22 萬株/hm2和280 kg/hm2，該研究結果可為南疆棗棉間作系統(tǒng)作物增產(chǎn)提供理論依據(jù)與技術支撐。

關鍵詞：間作；棉花；光合日變化；密度；氮肥；產(chǎn)量

中圖分類號：S562.04文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）21-0055-07

新疆地區(qū)具有光熱資源豐富、日照時間長、降水量少等特點［1］。全疆林果種植面積已達到 125.93 萬hm2，塔里木盆地林果種植面積達到 7.03 萬hm2，占新疆農(nóng)果面積的75%以上［2］。南疆地區(qū)可耕面積有限，為保障棉花產(chǎn)業(yè)的增收效率，促進農(nóng)果增收，農(nóng)果間作成為當?shù)剞r(nóng)業(yè)的特色發(fā)展模式之一。農(nóng)果類復合系統(tǒng)中小氣候復雜多樣［3］，導致作物之間出現(xiàn)爭水爭肥、光熱利用不充足等一系列矛盾［4］，因此通過科學的水肥管理、合理的空間分布，構建出適宜作物生長的冠層微環(huán)境［5］，提高間作系統(tǒng)中的光、溫、水、肥以及土地資源的利用效率，有利于增加經(jīng)濟產(chǎn)值，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的高效利用［6］。

光合作用能夠維持大氣中O2和CO2的穩(wěn)定，是植物體能量的來源，對生物進化有重要作用。合理的種植密度和水肥管理有利于作物光合產(chǎn)物的形成，提高作物產(chǎn)量［7］。研究表明，間作系統(tǒng)種植4行棉花能夠更好地協(xié)調(diào)個體與群體之間的關系［8］，種植密度24 萬株/hm2時有較高的群體光合速率，保證較多的光合物質(zhì)分配［9］；施氮不足或過量都會導致葉片光合生理活性下降，光合能力降低［10］。施氮水平在207～310 kg/hm2 能保障棉花生育后期光合產(chǎn)物的形成［11］，有利于提高植物葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）和水分利用效率（WUE） ［12］。適宜的種植密度和施氮水平能夠充分發(fā)揮作物群體優(yōu)勢，為光合生產(chǎn)營養(yǎng)物質(zhì)提供保障［13］。

在棗棉間作系統(tǒng)中，棉花處于光能截獲劣勢地位，密度與氮肥互作能否促進間作作物的光合性能與產(chǎn)量，其影響因素尚不明確。因此，本試驗設置3個種植密度、5個氮肥梯度和1個棉花單作為對照，探討間作系統(tǒng)中不同處理下棉花功能葉片光合性能變化規(guī)律，進一步明確種植密度和氮肥用量對棉花產(chǎn)量的影響機制，為提高實際生產(chǎn)中間作系統(tǒng)下作物產(chǎn)量提供理論基礎和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2022年在新疆第一師塔里木大學園藝試驗站（40°32′N、81°18′E，海拔1 015 m）棗棉間作試驗田進行，該試驗區(qū)處于塔里木河上游，屬于暖溫帶干旱荒漠區(qū)，光照充足，日照時間長，主風向為東北風，土壤類型為沙壤土，日照率為66%，年蒸發(fā)量為1 976.6～2 558.9 mm，年降水量為40.1～82.5 mm，降水量少，年蒸發(fā)量大。試驗地供試紅棗品種為灰棗，該品種樹勢中強，結果齡期早，產(chǎn)量高而穩(wěn)定。棉花品種為中棉619，該品種為早熟品種，具有生育期短、株高適宜、鈴殼較薄、吐絮集中等特點。

1.2 試驗設計

試驗設置3種不同的棉花種植密度，分別為 22 萬株/m2（D1）、18 萬株/m2（D2）、14 萬株/m2（D3）；5種氮肥梯度，分別為560 kg/hm2（N560）、420 kg/hm2（N420）、280 kg/hm2（N280）、140 kg/hm2（N140）、0 kg/hm2（N0）。在距離棗樹 1 m 處種植棉花，寬窄行為0.6 m和0.2 m，并設置棉花單作為對照，種植密度見圖1，共設置20個處理，每個處理重復3次，隨機區(qū)組排列。在棉花生育期進行7次氮肥追施，隨水施入，追施比例分別為10%、10%、20%、20%、20%、10%、10%，試驗地的其他管理措施與生產(chǎn)上保持一致。

1.3 測定指標

1.3.1 棉花鈴期光合性能日變化 使用Li-6400XT便攜式光合儀測定，時間為08：00—20：00，每2 h測定1次，共7次。各處理選取3株具有代表性的植株，測定棉花植株倒數(shù)第4張功能葉光合指標，包括凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr），并計算氣孔限制值（Ls）=1-Ci/Ca，葉片水分利用效率：WUE=Pn/Tr，其中Ca為大氣CO2濃度。每次測定之前，先進行自然光強度測定、調(diào)整光源，以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1.3.2 棉花產(chǎn)量 于棉花收獲期分別對間作和單作處理下棉花收獲株數(shù)、單株結鈴數(shù)進行測量，然后每個小區(qū)選取具有代表性的10株棉花測定其單鈴質(zhì)量，并測定棉花實際收獲產(chǎn)量。

土地當量比：指在同一農(nóng)田間混種2種或2種以上作物的收益與作物單作時收益的比值。根據(jù)公式（1）計算：

土地當量比（LER）=棗樹間作產(chǎn)量/棗樹單作產(chǎn)量+棉花間作產(chǎn)量/棉花單作產(chǎn)量。（1）

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel進行數(shù)據(jù)處理，利用DPS做顯著性分析，用Origin繪制折線圖。

2 結果與分析

2.1 不同種植密度和施氮量對棉花鈴期凈光合速率日變化的影響

由圖2可知，棉花間作和單作（CK）的Pn日變化規(guī)律呈雙峰曲線，峰值出現(xiàn)的時間分別為 12：00 和16：00，并且第2個峰值均小于第1個峰值。14：00 時各處理下棉花葉片均呈不同程度的光合“午休”現(xiàn)象。單作棉田中以N420的Pn日變化均值最高，分別比N0、N140、N280、N560提高了19.8%、8.1%、6.4%、6.9%；在間作系統(tǒng)中D1處理Pn日變化均值較D2、D3處理高出3.0%和7.9%，均以N280處理下的Pn日變化均值最高，D1、D2、D3分別為20.25、19.57、17.71 μmol/（m2·s）。綜上所述，與單作棉花相比，間作棉花整個生育期都受到棗樹遮光影響，從而降低了棉花的凈光合速率日變化均值。

2.2 不同種植密度和施氮量對棉花鈴期氣孔導度日變化的影響

如圖3所示，棉花間作和單作的Gs日變化均呈“雙峰”曲線變化趨勢，峰值出現(xiàn)的時間為 12：00 和16：00，且各處理的第2個峰值均小于第1個峰值，其變化趨勢與凈光合速率一致。單作棉田中Gs光合日變化均值以N280處理最高，分別比N0、N140、N420、N560提高了26.4%、14.3%、1.9%、16.9%；在間作系統(tǒng)中，D3處理Gs日變化均值較D1、D2處理分別高5.6%和7.5%，均以N280處理最高，D1、D2、D3分別為0.22、0.22、0.23 mol/（m2·s）。由Gs日變化趨勢可知，各處理在12：00植物葉片的氣孔張開最大，CO2和水分供應充足。

2.3 不同種植密度和施氮量對棉花鈴期蒸騰速率日變化的影響

如圖4所示，棉花間作和單作葉片Tr日變化均呈“單峰”曲線變化趨勢，峰值出現(xiàn)的時間為14：00。在單作棉田中N420處理的Tr日變化均值最高，分別比N0、N140、N280、N560提高了17.0%、2.8%、2.8%、10.4%；在間作系統(tǒng)中，D3處理Tr日變化均值較D1、D2處理分別高9.8%和18.7%，均以N280處理最高，D1、D2、D3分別為9.19、8.63、9.07 mmol/（m2·s）。試驗結果表明，在14：00時各處理Tr最強，水分散失量高。

2.4 不同種植密度和施氮量對棉花鈴期胞間CO2濃度日變化的影響

如圖5所示，間作和棉花單作葉片Ci日變化均呈“V”形變化趨勢，最低值出現(xiàn)時間為18：00。在單作棉田中不施氮肥（N0）處理的Ci日變化均值最高，分別比N140、N280、N420、N560提高了2.7%、2.6%、13.7%、10.0%；在間作系統(tǒng)中，D2處理Ci日變化均值較D1、D3處理分別高出1.0%和0.8%，均以N0處理最高，D1、D2、D3分別為233.2、237.2、240.7 μmol/mol?？傮w而言，施氮能夠降低植物葉片Ci。

2.5 不同種植密度和施氮量對棉花鈴期氣孔限制值日變化的影響

如圖6所示，間作和單作棉花葉片Ls日變化均呈倒“V”形變化趨勢，整體變化規(guī)律與Ci相反，全天以18：00的值最高。間作系統(tǒng)下施氮量最高的處理（N560）Ls日變化均值最低并且均小于單作棉花，D1、D2、D3分別為0.36、0.38、0.37。綜上所述，18：00 時各處理的Ls最高，說明CO2向植物羧化部位擴散較快。

2.6 不同種植密度和施氮量對棉花鈴期葉片水分利用率日變化的影響

如圖7所示，間作和單作棉花葉片WUE日變化進程均呈不對稱的“雙峰”曲線，峰值出現(xiàn)在10：00和18：00，并且第2個峰值高于第1個峰值。14：00出現(xiàn)下降是由于光合“午休”導致Pn下降，使WUE降低。各處理之間WUE日變化均值無明顯差異，D2處理WUE日變化均值分別比D1、D3、CK高0.7%、41.0%、6.4%?？傮w而言，14：00時溫度升高，植物為了減少水分散失，氣孔關閉，WUE下降。

2.7 不同種植密度和施氮量對棉花產(chǎn)量的影響

由表1可知，單作棉花產(chǎn)量均高于間作棉花。在間作系統(tǒng)中D3處理的平均單株鈴數(shù)最高，為8.9個；D2處理的平均單鈴質(zhì)量較D1、D3分別高7.9%和12.7%；D1處理的平均籽棉產(chǎn)量較D2、D3分別高3.9%、4.9%，說明間作處理下低密度有利于植株個體的發(fā)展，但群體發(fā)展不足，進而引起產(chǎn)量下降。在相同密度下，棉花單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、籽棉產(chǎn)量隨施氮量的增加出現(xiàn)先增加再下降的變化趨勢，施氮量為280 kg/hm2更有利于提高單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量和籽棉產(chǎn)量。

利用公式（1）得出間作系統(tǒng)中棉花D1、D2、D3不同種植密度土地當量比分別為1.39、1.36、1.35，其土地利用率增幅依次為39%、36%和35%，表明間作模式較單作能夠提高36.7%的土地利用率，生產(chǎn)優(yōu)勢明顯。

3 討論與結論

光合作用作為維持植物生命活動的能量來源，有效轉化率僅為理論轉化率的25%左右，仍有很大的進步空間，因此進一步提高光能轉化率，是首先需要考慮的問題［14-15］。通過對棉花鈴期光合日變化研究得出，Gs、WUE和Pn均呈“雙峰”曲線變化趨勢，由于14：00溫度和光強度偏高，導致棉花功能葉片部分氣孔關閉，出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象。與前人研究結果［16］相比，本試驗光合“午休”時間延遲2 h，可能是由于新疆與內(nèi)地所處時區(qū)不同，導致光合“午休”延遲；也有研究表明植株不會出現(xiàn)光合“午休”現(xiàn)象［17］，是由于地理位置和氣象條件導致。造成光合“午休”的原因包括氣孔因素和非氣孔因素，主要通過Ci變化趨勢來判斷［18］，本試驗12：00—14：00的Pn和Ci均呈現(xiàn)下降趨勢而Ls增加，說明Pn日變化中光合“午休”的出現(xiàn)主要是通過氣孔因素決定。

在間作系統(tǒng)中各作物之間對光熱、水肥等自然資源都存在競爭關系，主要表現(xiàn)為棗樹對棉花的遮陰影響以及2個作物之間的養(yǎng)分競爭，增加間作作物密度能夠有效提高間作群體的凈光合速率［19］。當施氮水平處于240～360 kg/hm2時Pn與施氮量呈正相關關系［20］。蔡瑞國等研究表明，Pn會隨著施氮量的增加而增加，但是過量的氮肥又會使其呈現(xiàn)降低趨勢［21］。本研究結果表明，間作系統(tǒng)中施氮量為0～280 kg/hm2時，Pn、Tr日變化均值總體隨施氮量的增加而變大，施氮處理棉花葉片的Pn、Tr、WUE日變化均值均高于不施氮處理，說明氮肥可以促進棉花的光合性能［22-23］。

葉片作為植物光合作用的重要場所，對植物的產(chǎn)量有重要的影響。在間作系統(tǒng)中棗樹對棉花整個生育期都會出現(xiàn)不同程度的遮光影響，因此適宜的種植密度成為間作系統(tǒng)產(chǎn)量及氮肥利用率的重要因素。有效的空間分布能夠調(diào)節(jié)個體與種群之間的矛盾，保持良好的通風透光條件，充分利用自然資源，提高作物產(chǎn)量［24-25］。前人研究表明，相對于單作，間作系統(tǒng)土地利用率提高了35%［26］，且適宜的施氮量控制在207～310 kg/hm2，能夠顯著提高間作棉花單株結鈴數(shù)和單鈴質(zhì)量，進而達到增產(chǎn)的效果［27］。本研究結果得出，間作系統(tǒng)相對于單作土地利用率提高36.7%，施氮量為280 kg/hm2時土地利用率最高。

本試驗結果表明，在棗棉間作模式中，種植密度22萬株/hm2和施氮量280 kg/hm2可以提高棉花的Pn、Tr、WUE和棉花產(chǎn)量，使土地利用率達到最優(yōu)。

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收稿日期：2023-02-08

基金項目：國家自然科學基金（編號：32060449）；2022年校級研究生創(chuàng)新項目（編號：TDGRI202216）

作者簡介：王 霜（1998—），女，新疆阿拉爾人，碩士研究生，主要從事作物高產(chǎn)栽培理論與技術研究。E-mail：1518121955@qq.com。

通信作者：萬素梅，博士，教授，博士生導師，主要從事作物高產(chǎn)栽培理論與技術研究，E-mail：wansumei510@163.com；林 皎，博士，副教授，主要從事作物高產(chǎn)栽培理論與技術研究，E-mail：linjiao@taru.edu.cn。