棉花全生育期植株含水率與頂部莖葉形態(tài)特征的關(guān)系

中圖分類號：S562 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-4330（2025）03-0531-08

0引言

【研究意義】新疆是我國重要的棉花產(chǎn)區(qū)，生產(chǎn)規(guī)模居全國之首[1]。新疆光熱資源豐富，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，水資源較為匱乏限制了新疆棉花生產(chǎn)的發(fā)展[2-3]。因此，及時獲取棉花水分狀況進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉對提高水分利用效率有重要意義[4]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，關(guān)于作物水分狀況獲取的手段研究主要集中在植物生理生態(tài)特征，如葉水勢、葉片相對含水率和莖稈直徑的變化[5]及土壤含水量、土壤水勢等[、基于紅外遙感技術(shù)、紅外熱像儀測定棉花冠層溫度診斷棉花水分脅迫[7-8]，以及棉花葉片圖像顏色特征值或葉片3D形態(tài)特征與棉花含水率的關(guān)系來診斷棉花水分狀況[9-10]等?！颈狙芯壳腥朦c】不同水分獲取手段各有優(yōu)缺點[11-12]，比如生理特征監(jiān)測對植株具有破壞性、土壤水分監(jiān)測不能直接反映棉花水分狀況、冠層溫度診斷還需考慮氣象因素，葉片圖像顏色特征識別以及3D掃描作物雖可無損傷植株獲取棉花水分狀況，但拍攝時易被光線條件與拍攝設(shè)備不同所影響。在作物水分狀況獲取方法上，需要具有快速、無損、低成本和普適性的技術(shù)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】選取對棉花水分情況有較好響應(yīng)的棉花頂端葉片形態(tài)指標(biāo)：頂兩葉間距（倒二葉與倒三葉紅點的間距）、葉片－主莖夾角（倒二葉片與主莖的夾角）、葉柄-主莖夾角（倒三葉柄與主莖的夾角）進(jìn)行觀測，并測定棉花植株含水率，分析植株形態(tài)指標(biāo)在棉花全生育期不同水分狀況下的變化規(guī)律及其與植株含水率的關(guān)系，棉田水分診斷技術(shù)和診斷標(biāo)準(zhǔn)以便為指導(dǎo)灌溉提供理論依據(jù)。

材料與方法

1.1 材料

試驗于2022年5＼～10月在新疆昌吉回族自治州阜康市彭家灣村棉花試驗地 （88^°0^′44.30^′′E 44^°10^′21.05^′′N 進(jìn)行，海拔 557m ，屬于溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，四季分明，光熱充足，年均無霜期174d，年均溫度 6.6% ，年均降雨量 186mm ，年均蒸發(fā)量 2064mm 。供試品種為新陸早74號，棉花種植模式為膜下滴灌，1膜1帶2行種植，膜寬1m ，株距 15cm 。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計

參照當(dāng)?shù)卮筇锩藁ǔＲ?guī)灌溉周期與灌溉時間，隨機(jī)選取其中30株棉花于每個觀測周期的16：00～17：00 時間段定株觀測[13]。滴灌時間以及次數(shù)根據(jù)當(dāng)?shù)毓喔扔盟芾硪约懊藁ㄉL實際情況調(diào)節(jié)，滴灌量用水表監(jiān)測記錄；肥料采用隨水追施，磷肥采用重過磷酸鈣（云南中云化，含磷量P₂O₅46% ， 70kg/hm² ）氮肥（烏魯木齊石化昆侖，含氮量 46.2% ， 250kg/hm² ）和鉀肥（新疆羅布泊，氧化鉀 51% ， 30kg/hm² ）;除打頂外其余田間管理措施和當(dāng)?shù)卮筇锍Ｒ?guī)栽培管理措施一致。表1

表1 滴灌量以及滴灌時間

1. 2.2. 1 棉花形態(tài)指標(biāo)

頂兩葉間距（倒二葉與倒三葉紅點的間距）、葉柄－主莖夾角（倒三葉柄與主莖的夾角）、葉片-主莖夾角（倒二葉片與主莖的夾角）觀測方法為：運用拍攝軟件AdobeLightroom專業(yè)拍攝模式下使用水平儀功能矯正圖像拍攝角度，使拍攝平面平行于棉花植株，并將直尺放在被拍攝部位；獲得圖像后將圖像導(dǎo)人AdobeAutoCAD2018，利用該軟件的直線測量工具進(jìn)行頂兩葉間距（倒二葉與倒三葉紅點的間距）的測量（直尺刻度為參照標(biāo)準(zhǔn)），利用角度測量工具進(jìn)行葉柄－主莖夾角（倒三葉柄與主莖的夾角）葉片-主莖夾角（倒二葉片與主莖的夾角）的測量。

在大田內(nèi)隨機(jī)選取30株棉花，在棉花不同生育期對其進(jìn)行觀測，探究形態(tài)指標(biāo)在灌水后的變化規(guī)律，分析不同生育期下的棉花形態(tài)特征與不同植株含水率的差異。

1.2.2. 2 植株含水率

獲取棉花形態(tài)測量數(shù)據(jù)以及圖像之后，在小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3株棉花，將棉花樣品按不同器官分解歸類后使用百分之一天平（上海佑科YP200001，精度 0.01g ）稱取樣株不同部位鮮重（FW，F(xiàn)reshWeight，g），之后烘干至恒重對其干重（DW，DryWeight，g）進(jìn)行稱量；以此計算棉花水分含率（WC，Watercontent）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2020進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，GraphPad.Prism.10.0.2進(jìn)行回歸分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花蕾期形態(tài)特征與含水率的變化

研究表明，在蕾期灌水后的一個觀測周期內(nèi)，植株含水率（整株棉花）總體呈逐漸下降的趨勢；隨著植株含水率的降低，棉花各形態(tài)特征指標(biāo)呈不同的變化規(guī)律：頂兩葉間距呈逐步上升的趨勢；葉片/主莖夾角與葉柄/主莖夾角總體為下降的趨勢。圖1

2.2 棉花初花期形態(tài)特征與含水率的變化

研究表明，在花蕾期灌水后的一個觀測周期內(nèi)，植株含水率（整株棉花）呈逐漸下降的趨勢；隨著植株含水率的降低，棉花各形態(tài)特征指標(biāo)在呈不同的變化規(guī)律：頂兩葉距離呈逐漸上升的趨勢，葉片－主莖夾角與葉柄－主莖夾角以較快的速度降低，與蕾期所觀測結(jié)果相似。圖2

2.3 棉花盛花結(jié)鈴初期形態(tài)特征與含水率的變化

研究表明，在花鈴期灌水后的一個觀測周期內(nèi)，植株含水率（整株棉花）呈下降的趨勢，其中7月 23～24 日大幅下降，之后則緩慢下降；隨著植株含水率的降低，棉花各形態(tài)特征指標(biāo)呈不同的變化規(guī)律：頂兩葉間距呈逐漸上升的趨勢;葉片-主莖夾角呈快速上升的趨勢；葉柄-主莖夾角呈快速降低的趨勢;葉片-主莖夾角與蕾期、初花期相反，而葉柄-主莖夾角與蕾期和初花期所觀測的結(jié)果相似。圖3

2.4 棉花盛花結(jié)鈴中期形態(tài)特征與含水率的變化

研究表明，在盛鈴期灌水后的一個觀測周期內(nèi)，植株含水率（整株棉花）總體呈降低的趨勢；隨著植株含水率的降低，棉花各形態(tài)特征指標(biāo)呈不同的變化規(guī)律：頂兩葉間距呈逐漸上升的趨勢；葉片-主莖夾角呈較快的上升趨勢;葉柄-主莖夾以較快的速度降低；葉片-主莖夾角與盛花結(jié)鈴初期相似，葉柄－主莖夾與蕾期、初花期、盛花結(jié)鈴初期所觀測的結(jié)果相似。圖4

2.5 棉花盛花結(jié)鈴后期形態(tài)特征與含水率的變化

研究表明，在盛花結(jié)鈴后期灌水后的一個觀測周期內(nèi)，植株含水率（整株棉花）總體呈降低的趨勢；隨著植株含水率的降低，棉花各形態(tài)特征指標(biāo)呈不同變化規(guī)律：頂兩葉距離呈逐漸上升的趨勢；葉片-主莖夾角呈較快的下降趨勢;葉柄－主莖夾角以較快的速度降低;葉片-主莖夾角與盛花結(jié)鈴初期、盛花結(jié)鈴中期相似，葉柄-主莖夾角與各個生育期所觀測的結(jié)果相似。圖5

2.6 各生育期棉花形態(tài)特征與棉花植株含水率的關(guān)系

研究表明，初花期在 16：00～17：00 時間段內(nèi)，葉片-主莖夾角、葉柄-主莖夾角與植株含水率表現(xiàn)出顯著的正回歸關(guān)系（ Plt;0.01 ）；棉花形態(tài)特征指標(biāo)綜合對植株含水率反映較好，決定系數(shù)為0.9249，且具有顯著性（ Plt;0.01 。盛花結(jié)鈴初期在 16：00～17：00 時間段內(nèi)：葉片-主莖夾角與植株含水率表現(xiàn)出顯著的負(fù)回歸關(guān)系（ Plt;0.05 ，決定系數(shù)為0.7765，葉柄－主莖夾角與植株含水率表現(xiàn)出極顯著的正回歸關(guān)系（ Plt;0.01 ，決定系數(shù)為0.7501；棉花形態(tài)特征指標(biāo)綜合對植株含水率也有較好的反映，決定系數(shù)為0.8787，具有極顯著性 ∵Plt;0.01） 。盛花結(jié)鈴中期在 16：00～17：00 時間段內(nèi)：葉片-主莖夾角與植株含水率表現(xiàn)出極顯著的負(fù)回歸關(guān)系（ Plt;0.01 ），決定系數(shù)為0.6547；葉柄-主莖夾角與植株含水率表現(xiàn)出極顯著的正回歸關(guān)系（ Plt;0.01 ），決定系數(shù)為0.6030；棉花形態(tài)特征指標(biāo)綜合對植株含水率反映較好但相關(guān)系數(shù)較弱于其他生育期，決定系數(shù)0.6948，且具有顯著性（ Plt;0.05） 。盛花結(jié)鈴后期在 16：00～17：00 時間段內(nèi)：頂兩葉間距與植株含水率表現(xiàn)出極顯著的負(fù)回歸關(guān)系（ ），決定系數(shù)為0.9352；棉花形態(tài)特征指標(biāo)綜合對植株含水率也有較好的反映，決定系數(shù)為0.9551，且具有極顯著性（ Plt;0.01} 。表2

圖4盛花結(jié)鈴中期棉花形態(tài)特征以及含水率的變化趨勢（平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差）

3討論

3.1 不同植株含水率對棉花全生育期形態(tài)特征指標(biāo)的影響

在蕾期與初花期，頂兩葉間距均是隨著植株含水量的減少而逐漸升高，葉片-主莖夾角與葉柄-主莖夾角則是逐漸降低，可能與植物面對水分虧缺時的抗旱機(jī)制有關(guān)。在水分脅迫條件下，棉花葉片蒸騰速率的變化情況是，隨水分脅迫的加劇，其蒸騰速率也下降。當(dāng)植物水分虧缺時，植物會通過收縮葉片減少對太陽輻射的吸收從而減少水分蒸騰流失，因此棉花葉片－主莖夾角與葉柄－主莖夾角隨水分降低而降低[15-16]。研究中，葉片－主莖夾角對棉花水分變化的響應(yīng)規(guī)律不明顯，可能是由于棉花在不同生育期對水分需求不同，其抗旱機(jī)制也不同，從而導(dǎo)致棉花葉片-主莖夾角隨水分變化規(guī)律性較弱[17-18] 。

在盛花結(jié)鈴初期、盛花結(jié)鈴中期和盛花結(jié)鈴后期，頂兩葉間距與葉片-主莖夾角隨著植株含水率的減少而增大，葉柄-主莖夾角隨著植株含水率的減少而減小該指標(biāo)與蕾期、初花期的結(jié)果相似，葉片-主莖夾角則與蕾期、初花期相反，可能是由于不同灌溉周期所經(jīng)歷的氣候不同而產(chǎn)生的影響。盛花結(jié)鈴初期是棉花產(chǎn)量形成的需水關(guān)鍵期，此階段棉花對水分的虧缺表現(xiàn)較為敏感，因此在該時期棉花形態(tài)特征指標(biāo)對棉花水分情況的響應(yīng)相較于蕾期與初花期更具規(guī)律性。

3.2 棉花形態(tài)特征與植株含水率之間的關(guān)系

通過研究棉花形態(tài)特征與植株含水率之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)棉花形態(tài)特征指標(biāo)與植株含水率在全生育期顯著的相關(guān)關(guān)系各有不同：簡單線性回歸分析結(jié)果表明：在初花期，葉片－主莖夾角、葉柄-主莖夾角與植株含水率具有顯著性，但擬合度較為一般;在盛花結(jié)鈴初期，葉柄-主莖夾角與植株含水率具有顯著性，擬合度較強于初花期；在盛花結(jié)鈴中期，葉柄－主莖夾角與植株含水率具有顯著性，擬合度較弱；在盛花結(jié)鈴后期，頂兩葉間距與植株含水率具有顯著性，擬合度較強。多元回歸模型結(jié)果表明，在全生育期棉花形態(tài)特征指標(biāo)與植株含水率存在顯著線性關(guān)系，其中盛花結(jié)鈴中期擬合度稍弱。

在初花期、盛花結(jié)鈴初期、盛花結(jié)鈴中期及盛花結(jié)鈴后期這些不同的生長階段，棉花的形態(tài)指標(biāo)，如頂兩葉間距、葉片-主莖夾角以及葉柄/主莖夾角等，均與棉花的含水狀況存在明顯的相關(guān)性。然而，葉片－主莖夾角在初花期與鈴期對棉花含水率的響應(yīng)存在差異，可能與不同生育期的生理變化、葉片形態(tài)特征對水分的響應(yīng)以及抗旱機(jī)制的差異有關(guān)。

4結(jié)論

4.1在棉花的蕾期與初花期，隨著植株含水量的減少，頂兩葉間距逐漸升高，葉片-主莖夾角與葉柄-主莖夾角逐漸降低。

4.2在棉花的鈴期，頂兩葉間距與葉片－主莖夾角隨著植株含水率的減少而增大，葉柄-主莖夾角隨著植株含水率的減少而減小，其中頂兩葉間距、葉片-主莖夾角與花蕾期結(jié)果相似，葉片-主莖夾角則與初花期相反。

4.3棉花形態(tài)特征指標(biāo)葉片－主莖夾角對棉花水分情況的響應(yīng)規(guī)律表現(xiàn)雖然與鈴期不一致，但各形態(tài)特征指標(biāo)對棉花全生育期水分情況均有較好的響應(yīng)規(guī)律，因此，棉花形態(tài)特征指標(biāo)頂兩葉間距、葉片－主莖夾角以及葉柄-主莖夾角可以作為大田棉花水分診斷依據(jù)指導(dǎo)灌溉。

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Abstract：【Objective】To clarify the relationship between water status of coton plants and morphological characteristics of top stems and leaves in the hope of providing a scientific basis for the identification，modeling and non-destructive diagnosis of coton water characteristics.【Methods】Using the method of field experiment，referring tothe local field cottonconventional irrigation cycleand irigation time，inthe bud stage，early flowering stage，early flowering and boll-setting stage，middle flowering and boll-seting stage，late floweringand boll-setting stage，the morphological characteristics of cotton （the distance between the top two leaves，the angle between the petiole and the main stem，the angle between the leaf and the main stem）and the variation characteristics of plant water content in diffrent growth stages were observed.【Results】（1）In an irigation cycleof bud stage and early flowering stage，with the decrease of plant water content，the distance between the top two leaves gradually increased，and the angle between leaf and main stem and the angle between petiole and main stem gradually decreased.（2）In the three irigation cycles of early flowering and boll - setting stage，middle flowering and boll-setting stage and late flowering and boll-seting stage，the distance between the top two leavesand the angle between leaf and main stem increased with the decrease of plant water content，，and the angle between petioleand main stem decreased with the decrease of plant water content.The distance between the top two leaves and the angle between leaf and main stem were similar to those at the initial flowering stage，while the angle between leaf and main stem was opposite to that atthe initial flowering stage.（3） There was a significant linear relationship between the distance between the top two leaves，the angle between the leaf and the main stem，the angle between the petiole and the main stem and the water content of coton.【Conclusion】 In summary，during the whole growth period of cotton，the morphological characteristics of coton，such as the distance between the top two leaves，the angle between petiole and main stem，and the angle between leaf and main stem，have a good response to the water condition of cotton.

Key words ：cotton； morphological characteristics;moisture content； linear regression