灌水量與加氣對(duì)干播濕出棉田幼苗生長(zhǎng)及光合特性的影響

摘要： 為探討灌水量與加氣對(duì)干播濕出棉花幼苗的葉綠素、光合特性及干物質(zhì)的影響，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了6個(gè)處理（WP1—WP6），其中WP1，WP2與WP3處理灌水定額分別為150，225與300 m3/hm2，加氣量分別為3 600，5 400與7 200 L/hm2；WP4，WP5與WP6處理灌水定額分別為150，225與300 m3/hm2，試驗(yàn)處理均不加氣（作為對(duì)照）.結(jié)果表明：隨灌水量與加氣量的升高，棉花幼苗葉片葉綠素含量呈先升高后降低的趨勢(shì)，加氣較不加氣處理葉綠素含量最大可提高12.56%.加氣對(duì)光下最大熒光Fm′、光下最大光能利用效率Fv′/Fm′、光下光系統(tǒng)PSⅡ潛在光化學(xué)活性Fv′/F0′、實(shí)際原初光能捕獲效率Yield具有提升效果.與非加氣處理相比，加氣處理的葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度分別增加了0.4 μmol/（m2·s），0.2 mmol/（m2·s）與3.0 mmol/（m2·s）以上，胞間CO2濃度降低了9 mmol/mol.同等灌水定額下，加氣處理的干物質(zhì)較非加氣處理均有顯著增加，其中WP2處理干物質(zhì)增加顯著.加氣灌溉可顯著提高棉花葉片葉綠素含量，增強(qiáng)光合作用，提高干物質(zhì)積累量.

關(guān)鍵詞： 棉花；加氣灌溉；葉綠素；光合特性；干物質(zhì)

中圖分類號(hào)： S275.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674-8530（2024）10-1052-06

DOI：10. 3969/j.issn.1674-8530.23.0174開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

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Effects of irrigation amount and aeration on seedling growth

and photosynthetic characteristics of dry and wet cotton fields

ZHOU Qin1， 2， BAI Yungang2， CHAI Zhongping1*， LU Zhenlin2， ZHANG Jianghui2，

ZHENG Ming2， LIU Hongbo2， XIAO Jun2， ZHOU Haojie1

（1. College of Resources and Environment， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， Xinjiang 830052， China; 2. Xinjiang Research Institute of Water Resources and Hydropower， Urumqi， Xinjiang 830049， China）

Abstract： In order to investigate the effects of irrigation amount and aeration on chlorophyll， photosynthetic characteristics and dry matter of dry-seeded wet-emergent cotton seedlings， six treatments （WP1， WP2， WP3， WP4， WP5 and WP6） were designed for the experimental study. The irrigation quota for WP1， WP2 and WP3 treatments was 150， 225 and 300 m3/hm2， respectively， with corresponding irrigation amounts of 3 600， 5 400 and 7 200 L/hm2， respectively. The irrigation quota of WP4， WP5， and WP6 treatments was 150， 225 and 300 m3/hm2， respectively， and the experimental treatments were not aerated （as a control）. The results show that with the increase of irrigation amount and aeration， the chlorophyll content of cotton seedling leaves increases first and then decreases， and the chlorophyll content of cotton seedling leaves increases by 12.56% compared with those without ae-ration. Aeration can increase maximum fluorescence under light， maximum light energy utilization efficiency under light， potential photochemical activity of the photosystem PSⅡ" under light， and actual primary light energy capture efficiency. Compared with non-aerated treatment， the net photosynthetic rate， transpiration rate， and stomatal conductivity of leaves in aerated treatment increase by more than 0.4 μmol/（m2·s）， 0.2 mmol/（m2·s） and 3.0 mmol/（m2·s）， respectively， and the intercellular CO2 concentration decreases by more than 9 mmol/mol. Under the same irrigation quota， the dry matter of aerated treatment significantly increases than that of non-aerated treatment， and the dry matter of WP2 treatment increases significantly. Aerated irrigation can significantly increase the chlorophyll content， enhance photosynthesis， and increase dry matter accumulation in cotton leaves.

Key words： cotton; aerated irrigation; chlorophyll; photosynthetic characteristics; dry matter

棉花是中國(guó)主要經(jīng)濟(jì)作物之一，也是生產(chǎn)纖維和國(guó)防戰(zhàn)略物資的原材料，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)防保障提供重要的物資支撐[1].中國(guó)棉花種植主要分布在新疆，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年新疆棉花總產(chǎn)量為539.1萬噸，約占全國(guó)總產(chǎn)量的90.2%[2]，然而水資源短缺嚴(yán)重制約著新疆棉花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3].干播濕出是一種作物播種前不需要或者少量冬灌、春灌，播種后少量滴水以保證作物正常出苗的種植技術(shù)，在節(jié)水上具有很大的優(yōu)勢(shì)[4].目前，干播濕出技術(shù)在棉花[5]、冬小麥[6]等作物的節(jié)水效果方面已有大量研究，該技術(shù)適用于偏砂性土壤，而當(dāng)用于黏性土壤時(shí)易使土壤板結(jié)[4]，使棉花在出苗期與幼苗期出現(xiàn)土壤缺氧[7]、僵苗、悶苗、死苗等現(xiàn)象，從而影響棉花產(chǎn)量.因此，干播濕出技術(shù)不適合在黏壤土棉田中大面積推廣與應(yīng)用.

加氣滴灌是在地下滴灌的基礎(chǔ)上以水為載體、加氣設(shè)備向作物根區(qū)通氣以解決土壤板結(jié)與缺氧問題的技術(shù)[8].研究發(fā)現(xiàn)適量通氣不僅可以促進(jìn)水稻根系的生長(zhǎng)，而且可以促進(jìn)植株的分蘗和生物量的積累[9].李元等[10]研究發(fā)現(xiàn)加氣處理下番茄葉片凈光合速率高于不加氣處理.喬建磊等[11]發(fā)現(xiàn)加氣滴灌條件下藍(lán)莓葉片凈光合速率和氣孔導(dǎo)度明顯增大，葉片胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)大幅減小.實(shí)施加氣滴灌一方面可以提高葉片葉綠素含量和氣孔導(dǎo)度，另一方面有助于增強(qiáng)根系有氧呼吸，提高根系的呼吸效率，有利于礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收和光合速率的提高[12].

目前有關(guān)加氣灌溉的研究十分關(guān)注溫室下水肥耦合、不同頻率增氧、滴灌帶埋深等復(fù)合因素，探索加氣灌溉對(duì)作物水分利用效率、產(chǎn)量、品質(zhì)的提升.而增氧滴灌對(duì)作物幼苗期生長(zhǎng)發(fā)育的研究較匱乏.文中以新疆黏壤土干播濕出棉花幼苗為研究對(duì)象，探究灌水量與加氣量對(duì)棉花幼苗生理生長(zhǎng)指標(biāo)的影響，以獲得最佳的水氣灌溉模式，旨在為干播濕出技術(shù)應(yīng)用于黏壤土棉田增產(chǎn)提質(zhì)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2023年在阿克蘇地區(qū)沙雅縣海樓鎮(zhèn)進(jìn)行，試驗(yàn)田位置在（41°17′N，82°69′E），海拔922 m.該地區(qū)屬暖溫帶沙漠邊緣氣候，年平均降水量與蒸發(fā)量分別為47.3 mm和2 000.7 mm，無霜期218 d，年平均氣溫約為10.7 ℃，年平均日照時(shí)間為3 031.2 h.試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為黏壤土，0～40 cm土壤平均容重為1.4 g/cm3.試驗(yàn)田地下水埋深大于3 m.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以棉花早熟品種“新陸中54號(hào)”為研究對(duì)象.試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6個(gè)處理，分別為地下加氣灌溉處理（WP1—WP3）和不加氣灌溉處理（WP4—WP6）.其中，WP1， WP2， WP3灌水定額分別為150， 225， 300 m3/hm2，加氣量分別為3 600， 5 400， 7 200 L/hm2；WP4， WP5， WP6灌水定額分別為150， 225， 300 m3/hm2，加氣量均為0，作為對(duì)照.試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)排列設(shè)計(jì)，每個(gè)處理重復(fù)3次，共18個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為80 m2.棉花于4月14日播種，播種深度為地表以下1.5 cm，株距為10 cm.封土方式為側(cè)封土，種植方式為1膜3管6行，行距分別為13，63，13，63，13，63 cm.滴灌帶布設(shè)在棉花窄行中間，滴灌管埋深為10 cm，滴頭流量為2.1 L/h，滴頭間距為20 cm.具體種植模式如圖1所示.

在棉花主管道接超微米氣泡發(fā)生裝置（夏之春環(huán)?？萍脊?，中國(guó)），該裝置可以實(shí)現(xiàn)作物的水氣一體化灌溉.微納米氣泡粒徑為200～4 000 nm，氣泡含率為84%～90%，氣泡平均上升速率為4～8 mm/s，進(jìn)氣量為2 L/min.同時(shí)在超微米加氣機(jī)進(jìn)水前端安裝水表計(jì)量純灌溉水量（不含空氣的水量）.開啟閥門對(duì)棉田進(jìn)行滴灌灌水，設(shè)置滴灌帶灌水壓力大于0.1 MPa以確保灌水均勻.灌溉水源為地下水，礦化度為2.6 g/L，灌水時(shí)間為2023年4月16日.

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 棉花幼苗葉片SPAD測(cè)定

每個(gè)處理選定3株棉花，掛牌標(biāo)記棉花幼苗第4片真葉，測(cè)定時(shí)避開葉片葉脈，選擇充分受光、葉位一致的健康葉片，于5月21日10：00—11：00采用手持式葉綠素儀（SPAD-502Plus，日本）測(cè)定各處理標(biāo)記棉花第4片真葉的SPAD值，同一片葉子測(cè)定3次，同一個(gè)處理共測(cè)定9次，取其平均值.

1.3.2 棉花幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定

于5月21日10：00—11：00，每個(gè)小區(qū)選取3株代表性棉花（測(cè)定SPAD值選定的葉片），采用MINI-PAM熒光儀（Walz，德國(guó)）測(cè)定它的光下最小熒光（F0′）、光下最大熒光（Fm′）、光下最大光能利用效率（Fv′/Fm′）、光下光系統(tǒng)PSⅡ潛在光化學(xué)活性（Fv′/F0′）和實(shí)際原初光能捕獲效率Yield.

1.3.3 棉花幼苗葉片光合測(cè)定

在棉花苗期內(nèi)選擇一個(gè)晴朗無云的天氣，每個(gè)小區(qū)選取生育進(jìn)程一致且長(zhǎng)勢(shì)均勻的3株棉花，每株選取3片葉片進(jìn)行掛牌標(biāo)記并監(jiān)測(cè).于10：00—20：00使用便攜式光合系統(tǒng)（CIRAS-3，PP systems，美國(guó)）測(cè)定葉片凈光合速率Pn、氣孔導(dǎo)度Gs、蒸騰速率Tr、胞間CO2濃度Ci.每隔2 h監(jiān)測(cè)1次.

1.3.4 棉花幼苗干物質(zhì)質(zhì)量測(cè)定

每個(gè)小區(qū)選取生育進(jìn)程一致且長(zhǎng)勢(shì)均勻的3株棉花，去掉根系的土壤，將根、莖、葉分開后放入烘箱105 ℃殺青30 min，于75 ℃下烘干至恒質(zhì)量，稱量棉花各器官的干物質(zhì)質(zhì)量.

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用WPS進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，使用Origin 2018進(jìn)行繪圖，利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行多重比較及交互作用方差分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 加氣灌溉對(duì)棉花幼苗葉片SPAD的影響

圖2為各處理下葉綠素相對(duì)含量SPAD值.在加氣處理中，棉花幼苗葉片的SPAD值隨加氣量的增大呈先增后減的變化趨勢(shì)，其中以WP2處理最大，最大值為45.7，較WP1與WP3處理的SPAD分別高3.1%與1.9%，處理間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Plt;0.05）；在非加氣處理中，棉花幼苗葉片的SPAD值隨灌水量的增大呈逐漸減小的變化趨勢(shì)，其中以WP4處理最大，最大值為41.9，較WP5與WP6分別提升1.3%與1.7%.在相同灌水定額條件下，加氣處理棉花幼苗葉片的SPAD值均大于非加氣處理.WP1較WP4處理SPAD值高0.7，但差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Pgt;0.05）；WP2較WP5處理SPAD值高5.1，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Plt;0.05）；WP3較WP6處理SPAD值高3.6，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Plt;0.05）.說明相同灌水量下，通過加氣能夠增加棉花幼苗葉片葉綠素含量，從而提高光合產(chǎn)物的積累.綜合分析可知，WP2處理對(duì)棉花幼苗葉片葉綠素含量的增加效果最優(yōu).

2.2 加氣灌溉對(duì)棉花幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

表1為不同處理葉片光合特性，由表可以看出，相同灌溉水量下，WP1，WP2與WP3加氣處理F0′值均小于非加氣處理，WP1較WP4處理F0′值低25，但差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Pgt;0.05），WP2較WP5處理F0′值低121，且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Plt;0.05），WP3較WP6處理F0′值低131，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Plt;0.05）.說明加氣處理可降低棉花幼苗的F0′值.

光下最大熒光Fm′、光下最大光能利用效率（Fv′/Fm′）、光下潛在活性（Fv′/F0′）與實(shí)際原初光能捕獲效率Yield均受加氣量與灌水定額交互作用的影響，在加氣處理中，F(xiàn)m′，F(xiàn)v′/Fm′，F(xiàn)v′/F0′與Yield隨加氣量的增加呈先增后減的變化趨勢(shì)，按處理從大到小排序依次為WP2，WP3，WP1.在相同灌水定額條件下，加氣處理中Fm′，F(xiàn)v′/Fm′，F(xiàn)v′/F0′和Yield均高于非加氣處理，其中WP2處理下的Fm′，F(xiàn)v′/Fm′，F(xiàn)v′/F0′和Yield較WP5處理分別高342，0.246，2.638與0.165.

2.3 加氣灌溉對(duì)棉花幼苗葉片光合作用的影響

圖3為不同處理棉花葉片光合參數(shù)日變化.由圖可知，同等灌水定額下，加氣處理的Pn，Tr與Gs高于非加氣灌溉處理.

14：00時(shí)，WP1處理的Pn，Tr與Gs較WP4處理分別高0.4 μmol/（m2·s），0.2 mmol/（m2·s）與3.0 mmol/（m2·s），WP2處理的Pn，Tr與Gs較WP5處理分別高3.8 μmol/（m2·s），1.7 mmol/（m2·s）與48 mmol/（m2·s），WP3處理的Pn，Tr與Gs較WP6處理分別高2.8 μmol/（m2·s），1.2 mmol/（m2·s）與26 mmol/（m2·s），說明加氣可以促進(jìn)棉花幼苗的凈光合速率、蒸騰速率以及氣孔導(dǎo)度.各處理中WP2處理的光合特性整體高于其他處理.各處理的胞間CO2濃度（Ci）日變化特征如圖3d所示，同等灌水定額下，加氣灌溉處理低于非加氣灌溉處理，14：00時(shí)，WP1處理的Ci相比WP4處理低9 mmol/mol，WP2處理的Ci相比WP5處理低46 mmol/mol，所有處理中WP2的Ci最低，說明WP2利用Ci的效率較高.

2.4 加氣灌溉對(duì)棉花幼苗干物質(zhì)的影響

表2為加氣灌溉處理對(duì)棉花幼苗各組成部分干物質(zhì)的影響.表中mR，mS，mL分別為根、莖、葉的干物質(zhì)質(zhì)量.在加氣處理中，根、莖、葉的干物質(zhì)質(zhì)量隨加氣量的增大呈先增后減的趨勢(shì)，按處理從大到小排序依次為WP2，WP3，WP1；在非加氣處理中，根、莖、葉的干物質(zhì)質(zhì)量隨灌水量的增大呈先增后減的趨勢(shì)，按處理從大到小排序依次為WP4，WP6，WP5.相同灌水定額下的根、莖、葉的干物質(zhì)質(zhì)量中，WP1較WP4分別高0.01，0.15，0.12 g;WP2較WP5分別高0.24，0.69，1.22 g;WP3較WP6分別高0.13，0.72，0.66 g.加氣處理的不同器官干物質(zhì)高于非加氣處理，說明加氣灌溉可以促進(jìn)植株干物質(zhì)積累.

3 討 論

根區(qū)土壤缺氧會(huì)增加作物根系的無氧呼吸作用，從而降低有氧呼吸占比，造成細(xì)胞乙醇濃度升高、ATP水平下降，降低植物根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收能力，進(jìn)而降低作物新陳代謝速率，最終導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受阻[13].葉綠素是光合作用的基礎(chǔ)，與光合作用密切相關(guān)，作為光合反應(yīng)色素起著捕獲光能和分離電荷的雙重作用[14].文中同等灌水定額下，加氣灌溉處理的葉綠素含量整體高于非加氣灌溉處理（圖2），且試驗(yàn)結(jié)果顯示加氣灌溉的凈光合速率、蒸騰速率與氣孔導(dǎo)度高于非加氣灌溉處理，說明葉綠素含量對(duì)光合作用具有促進(jìn)作用.但研究中發(fā)現(xiàn)加氣量與灌水量對(duì)葉綠素含量的影響存在交互作用，因此最終結(jié)果表明WP2處理的灌水量與加氣量對(duì)光合作用的提升效果最優(yōu).

葉綠素?zé)晒饪赏ㄟ^測(cè)定作物PSⅡ系統(tǒng)直接診斷作物葉片光能吸收和傳遞的過程[15]，最大熒光產(chǎn)量（Fm′）、實(shí)際原初光能捕獲效率（Yield）、光下最大光能利用效率（Fv′/Fm′）與光下潛在活性（Fv′/F0′）可以體現(xiàn)光合作用過程中PSⅡ反應(yīng)中心電子傳遞效率與光能的轉(zhuǎn)化利用效率，參數(shù)值越大，說明光合效率越高.文中發(fā)現(xiàn)與非加氣處理相比，加氣處理的F0′均降低，而Fm′，F(xiàn)v′/Fm′，F(xiàn)v′/F0′，Yield均升高，這表明加氣與灌水處理可以提升作物光能轉(zhuǎn)化利用效率.加氣灌溉處理的凈光合速率整體高于非加氣灌溉處理，這說明加氣可以促進(jìn)PSⅡ反應(yīng)中心電子傳遞效率.所有處理中，WP2處理的Pn最高，說明適宜的灌水定額與加氣量對(duì)干播濕出棉花幼苗光合作用提升最為顯著.

光合作用是影響作物生物量的重要因素之一，干物質(zhì)積累量是作物光合作用產(chǎn)物的最高形式，在生物學(xué)產(chǎn)量中90%～95%的干物質(zhì)來自光合作用同化的碳水化合物，而只有極少部分（5%～10%）的物質(zhì)來自根部吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì).文中研究結(jié)果表明，加氣灌溉對(duì)干播濕出棉花幼苗根、莖、葉干物質(zhì)的積累量影響均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Plt;0.05），加氣處理棉花根、莖、葉的干物質(zhì)積累量較不加氣處理顯著增大（表2）.文中發(fā)現(xiàn)加氣灌溉是通過增加光合速率增加干物質(zhì)積累量，這與ZHU等[16]在水稻上的研究結(jié)果一致.

4 結(jié) 論

1） 加氣灌溉可以提高干播濕出棉花幼苗葉片葉綠素的含量，且不同加氣量與灌水量對(duì)干播濕出棉花幼苗葉片葉綠素含量的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Plt;0.05）.

2） 與非加氣灌溉相比，加氣灌溉可以有效提高干播濕出棉花幼苗葉片F(xiàn)m′，F(xiàn)v′/Fm′，F(xiàn)v′/F0′和Yield值，同時(shí)顯著降低F0′值.

3） 加氣灌溉對(duì)干播濕出棉花幼苗光合特性有顯著影響，WP2處理棉花幼苗凈光合速率、氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率均明顯高于其他試驗(yàn)處理，而胞間CO2濃度低于其他試驗(yàn)處理.

4） 同等灌水定額下，加氣處理棉花幼苗干物質(zhì)積累量均高于非加氣處理，最高干物質(zhì)積累量出現(xiàn)在WP2處理，最低干物質(zhì)積累量出現(xiàn)在WP5處理.因此，綜合考慮各試驗(yàn)處理對(duì)棉花光合特性和干物質(zhì)積累量的影響，WP2處理為最優(yōu)處理.

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（責(zé)任編輯 黃鑫鑫）