適宜膜下滴灌頻次提高北疆機(jī)采棉光合能力及產(chǎn)量

李 淦，高麗麗，張巨松

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適宜膜下滴灌頻次提高北疆機(jī)采棉光合能力及產(chǎn)量

李 淦，高麗麗，張巨松※

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/教育部棉花工程研究中心，烏魯木齊 830052）

在北疆大田條件下，以機(jī)采棉品種新陸早57號(hào)為供試材料，研究不同灌水分配對(duì)機(jī)采棉光合特性和產(chǎn)量形成的影響。試驗(yàn)設(shè)滴灌定額為4 500 m3/hm2，3個(gè)灌水分配次數(shù)分別為10次（D10）、8次（D8）、6次(D6)。結(jié)果表明：D6處理頭水時(shí)間推遲，由非氣孔限制因素導(dǎo)致凈光合速率的下降，脅迫程度較高，最大光化學(xué)效率、光化學(xué)猝滅系數(shù)、光化學(xué)量子產(chǎn)量顯著低于其他處理（<0.05），非光化學(xué)淬滅系數(shù)明顯增加，同時(shí)恢復(fù)能力較差，地上部分生物量積累受限。盛蕾后充分供水但并沒(méi)有較高的補(bǔ)償強(qiáng)度，且蒸騰速率較高，葉片水分利用效率降低。由于D10處理花鈴期灌量分配不合理，凈光合速率的下降主要受氣孔限制因素影響，棉株受到輕度脅迫，吐絮期的灌水有效提高了其光化學(xué)猝滅系數(shù)，與D6處理差異顯著。降低了非光化學(xué)淬滅系數(shù)，延長(zhǎng)了葉片光合功能期，生物量積累偏向營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，使其營(yíng)養(yǎng)器官顯著高于其他處理，但生殖器官差異不顯著（>0.05），不利于產(chǎn)量的形成。而D8處理在整個(gè)生育期保證了高效的光合生產(chǎn)能力，明顯提高了光合物質(zhì)向生殖器官運(yùn)移的比例，比D10、D6處理高出21.1%、23.5%，葉片水分利用效率表現(xiàn)最優(yōu)，且產(chǎn)量與D10差異不顯著，但比D6處理顯著高647.4 kg/hm2（<0.05）。因此在滴灌定額為4 500 m3/hm2的條件下，配合D8處理的灌水分配方式，有利于提高葉片光合能力，促進(jìn)光合物質(zhì)優(yōu)先向生殖器官分配，從而獲得高產(chǎn)。由此可見(jiàn)，盛蕾前灌頭水且增加盛花期后灌溉定額，同時(shí)減少吐絮期水分供應(yīng)，可有效提高葉片光合生產(chǎn)能力，促進(jìn)光合物質(zhì)優(yōu)先向生殖器官運(yùn)移，實(shí)現(xiàn)機(jī)采棉節(jié)水高產(chǎn)高效。

灌水；棉花；光合作用；葉綠素?zé)晒?；分配；機(jī)采棉；產(chǎn)量

0 引 言

北疆棉區(qū)地處西北內(nèi)陸半干旱地區(qū)，全年干旱少雨，棉花生育期所需水分主要依靠灌溉[1]。隨著地下水位的降低，農(nóng)業(yè)用水日益緊缺，棉花頭水已推至盛蕾期[2]。水資源匱乏的問(wèn)題急待解決[3-4]。而北疆氣候條件較為特殊，棉花生長(zhǎng)季節(jié)短，屬于特早熟棉區(qū)。所以如何在較短生育期有效分配灌水以實(shí)現(xiàn)棉花既節(jié)水又高產(chǎn)已成為目前北疆棉花生產(chǎn)的關(guān)鍵問(wèn)題。

光合作用對(duì)水分脅迫的響應(yīng)是作物生理生態(tài)研究的重要內(nèi)容[5-6]。一般認(rèn)為，水分脅迫會(huì)使葉片細(xì)胞光合功能受損，導(dǎo)致光合反應(yīng)中心關(guān)閉，從而抑制光合作用[7-8]。Farquhar等[9]認(rèn)為光合速率下降還可能與氣孔限制因素的影響有關(guān)。同時(shí)，胞間CO2濃度變化也是最終導(dǎo)致植株光合能力下降的重要因素[10]。而葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)能更加準(zhǔn)確地測(cè)定PSⅡ?qū)獾奈占袄肹11-14]。對(duì)棉苗干旱和鹽脅迫的研究表明[15]，干旱或干旱+鹽脅迫都會(huì)導(dǎo)致棉苗初始熒光明顯上升，最大光化學(xué)效率和潛在活性顯著下降。研究表明[16]，花鈴期干旱脅迫下施用氮肥，會(huì)加劇脅迫程度，使初始熒光增加，暗適應(yīng)下最大熒光及最大光化學(xué)效率降低，光合速率下降。張向娟[17]認(rèn)為棉花存在干旱適應(yīng)性，隨著干早脅迫的加劇，棉花的初始熒光增大速率降低，同時(shí)光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心開(kāi)放比例增加，使葉片光化學(xué)效率提高，增加光能利用率。

目前已有大量學(xué)者針對(duì)光合作用對(duì)水分脅迫的響應(yīng)開(kāi)展研究，主要集中在灌水定額、灌水頻次和水氮互作等方面[5-8,15-17]，但高頻次、高定額的灌溉制度并不一定能很好地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，且有關(guān)全生育期灌水分配對(duì)機(jī)采棉各關(guān)鍵時(shí)期光合特性及其節(jié)水增產(chǎn)機(jī)制尚未明確。基于此，本研究通過(guò)控制不同的灌水分配，揭示不同灌水處理下機(jī)采棉光合參數(shù)、熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及產(chǎn)量形成的變化特征，對(duì)機(jī)采棉節(jié)水灌溉制度制定具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015年在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花高產(chǎn)栽培課題組北疆試驗(yàn)基地進(jìn)行（44°39′N、86°08′E，海拔367 m）。該區(qū)位于古爾班通古特沙漠南緣，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，多年平均降水量109.6 mm（>10 mm有效降水量稀少），蒸發(fā)量1 967 mm，日照時(shí)數(shù)2 721 h，年均氣溫8.2 ℃，≥10 ℃年積溫3 720 ℃，無(wú)霜期171 d。2015年試驗(yàn)期間降雨量及日平均氣溫如圖1所示。

試驗(yàn)地前茬棉花，土質(zhì)為黏質(zhì)壤土，地下水位埋深10 m以下，田間持水率質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27.6%，凋萎系數(shù)7.6%（體積分?jǐn)?shù)）。土壤容重1.51 g/cm3，土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51.05 mg/kg、土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為221.88 mg/kg、土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.53 mg/kg、土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.95 g/kg。試驗(yàn)選用新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院培育推廣的機(jī)采棉主栽品種新陸早57號(hào)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過(guò)程

試驗(yàn)設(shè)置3種處理：D6處理、D8處理（灌水分配次數(shù)分別為6次、8次，為北疆生產(chǎn)上常用的2種灌水分配方案）、D10處理（灌水分配次數(shù)10次，為棉花研究中所采用的最佳灌水分配次數(shù)[2-3]），灌溉定額均為4 500 m3/hm2（為棉花生產(chǎn)常用定額[18]）。

采用膜下滴灌技術(shù)，1膜2管6行的機(jī)采棉種植模式，使用聚乙烯塑料地膜（由石河子天源塑業(yè)有限公司生產(chǎn)），覆膜寬205 cm，為透光膜，1條膜覆蓋6行棉花，棉花行距配置為10 cm+66 cm+10 cm+66 cm+10 cm，株距10 cm，2根滴灌帶間距66 cm，滴頭間距25 cm，滴頭設(shè)計(jì)流量2.1 L/h。每個(gè)小區(qū)3膜18行，小區(qū)面積59.4 m2，重復(fù)3次，共9個(gè)小區(qū)，試驗(yàn)地總面積為534.4 m2，理論密度為27萬(wàn)株/hm2。于4月15日施基肥（其中尿素600 kg/hm2，顆粒狀過(guò)磷酸鈣300 kg/hm2，農(nóng)用顆粒鉀肥150 kg/hm2，一次性施入），6月25日起實(shí)行“一水一肥”處理方式，即各處理每次滴灌滴入400 kg/hm2的尿素，共施肥6次。于4月19日播種，4月29日出苗，6月30日打頂，其他田間管理均按生產(chǎn)上高產(chǎn)田進(jìn)行。具體滴灌量如表1所示（滴水量用水表和球閥控制）。

表1 2015年棉花田間試驗(yàn)灌水分配

1.3 測(cè)試內(nèi)容及方法

1.3.1 土壤含水率

在機(jī)采棉現(xiàn)蕾-吐絮期間的各生育階段取土樣，各生育階段取樣3次，求均值。每次取膜外、膜內(nèi)及行間3個(gè)位點(diǎn)，取樣深度為80 cm，采用烘干法測(cè)定土壤含水率，各土層土壤含水率取3點(diǎn)平均值（有效降水量大于10 mm時(shí)加測(cè)1次）。

1.3.2 光合氣體交換參數(shù)

使用CIRAS-2型便攜式光合儀（英國(guó)Hansatech公司），自然光強(qiáng)下，于11:00－13:00測(cè)定每小區(qū)定點(diǎn)定株的5株機(jī)采棉的主莖功能葉片（打頂前測(cè)倒四葉，打頂后倒三葉）的各項(xiàng)光合參數(shù)，并計(jì)算氣孔限制值（stomatal limit value，L）L=1?C/C，C為胞間CO2濃度，C為大氣CO2濃度，(410±10)mol/mol。葉片水分利用效率（water use efficiency，WUE）為P/T（P為葉片凈光合速率，T為葉片蒸騰速率），mol/mmol。以5片葉的平均值為該處理的測(cè)定值。

1.3.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)

使用PAM-2500型脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒鈨x（德國(guó)Walz公司）測(cè)定5株機(jī)采棉主莖功能葉（打頂前測(cè)倒四葉，打頂后倒三葉）的光適應(yīng)下的最大熒光（F′）和穩(wěn)態(tài)熒光（F）；暗適應(yīng)30 min后測(cè)定5株棉花的主莖功能葉的初始熒光（F）和最大熒光（F）。計(jì)算最大光化學(xué)效率F/F=(F?F)/F，熒光光化學(xué)猝滅系數(shù)=(F′?F)/(F′?F)，非光化學(xué)猝滅系數(shù)N=(F?F′)/F′，實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量Yield=(F′?F)/F′。并以5片葉的平均值為該處理的測(cè)定值。

1.3.4 棉株地上部分生物量

于機(jī)采棉現(xiàn)蕾至吐絮期間的各生育時(shí)期取樣，各小區(qū)取植株4株，根據(jù)棉花結(jié)構(gòu)器官進(jìn)行分類，通過(guò)殺青和烘干處理，記錄其生物量。

1.3.5 經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量

吐絮后各小區(qū)處理選取代表性棉株20株，調(diào)查其單株處理選代表鈴數(shù)，并在每個(gè)小區(qū)數(shù)?。ㄏ?、中、上果枝各50個(gè)吐絮鈴）風(fēng)干后測(cè)其單鈴質(zhì)量，軋花后通過(guò)公式（衣分=皮棉產(chǎn)量/籽棉產(chǎn)量）來(lái)計(jì)算機(jī)采棉衣分。

1.3.6 氣象要素

降雨量及溫度等數(shù)據(jù)均由Wireless Vantage Pro2氣象站（美國(guó)Davis公司）測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)整理與分析采用Microsoft Excel 2013軟件；通過(guò)DPS 7.55進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并采用最小顯著差法（least significant difference，LSD）進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水分配次數(shù)對(duì)機(jī)采棉各生育階段土壤含水率的影響

不同灌水處理下土壤含水率變化如圖2所示。

由圖2可知，全生育期各處理在60～80 cm土層含水率差異不顯著（>0.05），其中現(xiàn)蕾-盛蕾階段，由于D6 處理的頭水時(shí)間較晚，導(dǎo)致D6處理0～60 cm各土層土壤含水率明顯低于D10、D8處理（<0.05）。盛蕾-盛花階段，棉花進(jìn)入主要耗水期，各處理表現(xiàn)為D10處理在0～40 cm土層土壤含水率明顯低于其他處理（<0.05），土層土壤含水率分別比D8、D6處理低1.51%、1.65%，而60 cm土層及80 cm土層土壤含水率各處理差異不顯著（>0.05）。盛花-盛鈴階段，是機(jī)采棉產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，D6處理0～20 cm土層土壤含水率顯著高于其他處理（<0.05），分別比D10、D8處理高7.2%、3.6%。D8處理在20～40 cm土層土壤含水率表現(xiàn)較優(yōu)，且與D10處理存在顯著差異（<0.05）。盛鈴-吐絮階段，D10處理吐絮期的灌量分配對(duì)0～20 cm土層土壤含水率影響顯著（<0.05），其他土層土壤含水率差異不顯著（>0.05）。

2.2 不同灌水分配次數(shù)對(duì)機(jī)采棉光合參數(shù)的影響

由表2可知，各處理在現(xiàn)蕾期凈光合速率及葉片水分利用效率差異不顯著（>0.05），盛蕾期D6處理的凈光合速率顯著低于其他處理（<0.05），其葉片水分利用效率與D10處理存在顯著性差異（<0.05）。盛花期D6處理灌水量最高，可使氣孔限制值降低，氣孔導(dǎo)度和胞間二氧化碳濃度升高，其凈光合速率高于D10處理（<0.05），但高水平灌量導(dǎo)致蒸騰速率增加，使較多的水分通過(guò)葉片蒸騰的形式散失。D10處理由于盛花期灌量分配不足，除了導(dǎo)致其光合速率下降外，為適應(yīng)虧缺狀況，蒸騰速率及氣孔限制值降低，分別與其他處理達(dá)顯著差異（<0.05），葉片水分利用效率下降。盛鈴期是棉花生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，各處理間D8處理表現(xiàn)最優(yōu)，凈光合速率比D10處理高8.8mol/(m2·s)，葉片水分利用效率明顯高于其他處理（<0.05），說(shuō)明D8處理的灌水分配方式更有利于產(chǎn)量的形成。吐絮期D10處理凈光合速率與D8、D6處理呈顯著性差異（<0.05），說(shuō)明D10處理的灌水分配有利于維持棉花生育后期的光合能力，獲得更多的光合物質(zhì)積累。

表2 灌水處理對(duì)機(jī)采棉功能葉片光合參數(shù)的影響

2.3 不同灌水分配次數(shù)對(duì)機(jī)采棉熒光參數(shù)的影響

由圖3所示，各處理間棉花葉片最大光化學(xué)效率（F/F）呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。各處理在現(xiàn)蕾期無(wú)明顯差異，進(jìn)入盛蕾期后D6處理顯著低于其他處理（<0.05）。盛花及盛鈴期D8處理顯著高于其他處理（<0.05），表明D8處理有利于棉花花鈴期維持光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學(xué)效率，使光合色素將捕獲的光能更有效地轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，促進(jìn)光合速率的提高。各處理光化學(xué)量子產(chǎn)量在盛花期達(dá)到最大值，隨著葉片衰老而不斷降低。

盛蕾期D6處理未灌水，光化學(xué)量子產(chǎn)量顯著低于其他處理（0.05），除此之外，整個(gè)生育期各處理間差異不顯著，說(shuō)明D10處理的后期補(bǔ)充灌水并未有效地提升棉花的光化學(xué)量子產(chǎn)量。不同灌水處理間光化學(xué)猝滅系數(shù)變化趨勢(shì)與光化學(xué)量子產(chǎn)量基本一致，說(shuō)明D8處理在光合作用過(guò)程中，天線色素對(duì)光能吸收及電子傳遞效率高，同時(shí)提高了光能利用率，調(diào)節(jié)了光合機(jī)構(gòu)反應(yīng)中心的開(kāi)放比例，從而促進(jìn)棉花葉片進(jìn)行光合作用。D8和D10處理棉花主莖葉非光化學(xué)猝滅系數(shù)（N）呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)。灌水前，棉株長(zhǎng)時(shí)間缺水導(dǎo)致熱耗散過(guò)大。隨著灌溉棉花葉片N緩慢降低，其中D6處理N在盛蕾期顯著高于其他處理（<0.05），且維持時(shí)間較長(zhǎng)?；ㄢ徠贒10的灌水分配導(dǎo)致N升高，在盛鈴期與D8處理達(dá)顯著差異（<0.05），表明可通過(guò)適宜的灌水減少機(jī)采棉葉片熱損耗，增加葉片光能利用，從而提高機(jī)采棉葉片光合性能。

2.4 不同灌水分配次數(shù)對(duì)機(jī)采棉生物量積累分配的影響

各處理生物量積累速率均呈先升后降趨勢(shì)（圖4），由于前期水分分配不合理導(dǎo)致D6處理生育前期生物量積累速率顯著低于其他處理（<0.05），最大積累速率出現(xiàn)時(shí)間提前，最大積累速率低于D8處理（<0.05）。花鈴期D8處理生物量積累速率最優(yōu)，與其他處理差異顯著（<0.05）。D10處理后期的補(bǔ)充灌水對(duì)棉株生物量積累速率影響較大，表現(xiàn)為D10>D8>D6（<0.05）。如表3所示，進(jìn)入盛蕾后D6處理生殖器官生物量顯著高于D10、D8處理（<0.05），比D10、D8處理高出310、300 kg/hm2。花鈴期D8處理總生物積累量最大，在盛鈴期與其他處理達(dá)顯著性差異（<0.05），同時(shí)生物量向棉鈴分配的量也顯著高于其他處理（<0.05），生殖器官積累量比D10、D6處理高21.1%和23.5%。吐絮期D10處理補(bǔ)充灌水明顯提高了其營(yíng)養(yǎng)器官積累，使其與D8、D6處理達(dá)顯著差異（<0.05），但D8處理生殖器官積累量表現(xiàn)最優(yōu)，且與其他處理差異顯著（<0.05）。這表明吐絮期灌水可有效提高機(jī)采棉營(yíng)養(yǎng)器官物質(zhì)積累，但對(duì)機(jī)采棉生殖器官無(wú)明顯影響（表3）。

表3 不同灌水處理對(duì)機(jī)采棉生物量的影響

2.5 不同灌水分配次數(shù)對(duì)機(jī)采棉經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的影響

由表4可知，各處理在單位面積株數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)和衣分差異不顯著（>0.05）。單鈴質(zhì)量表現(xiàn)為D8大于D6（<0.05），與D10差異不顯著（>0.05）。皮棉產(chǎn)量以D8（3 040.35 kg/hm2）與D10差異不顯著（>0.05），但比D6處理顯著高出647.4 kg/hm2（<0.05）?？梢?jiàn)，在不同的灌水分配次數(shù)下，D8和D10處理更有利于通過(guò)增加單鈴質(zhì)量的方式，提高皮棉產(chǎn)量。

表4 不同灌水處理對(duì)機(jī)采棉產(chǎn)量與其構(gòu)成因素的影響

3 討 論

3.1 不同灌水分配次數(shù)對(duì)機(jī)采棉光合作用的影響

水分脅迫條件下光合作用的變化一直是學(xué)者們研究的重點(diǎn)[19-21]，其中氣孔是植物對(duì)水分脅迫反應(yīng)的重要信號(hào)。Perera等[10]認(rèn)為，C和L的動(dòng)態(tài)的變化是判斷作物氣孔限制與非氣孔限制的關(guān)鍵因素。當(dāng)P的降低伴隨著C減小和L的升高才可認(rèn)為是氣孔限制因素所致，而P降低的同時(shí)C升高L降低則證明是非氣孔限制因素。本試驗(yàn)中，D8處理氣孔導(dǎo)度、L、C變化幅度較小，且P一直保持較高水平，葉片光合優(yōu)勢(shì)明顯。D6處理在現(xiàn)蕾至盛蕾期由于頭水時(shí)間推遲導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度、L下降明顯，C顯著上升，生長(zhǎng)發(fā)育后期恢復(fù)表現(xiàn)較差，表明此時(shí)葉片P下降由非氣孔限制占據(jù)主導(dǎo)，光合機(jī)構(gòu)及光合酶系統(tǒng)遭到破壞，從而阻礙CO2的固定，影響葉肉細(xì)胞光合活性[22]。D10處理在盛花至盛蕾期P降低，同時(shí)C下降且L升高，說(shuō)明此時(shí)葉片光合水平降低是由氣孔限制因素造成，主要原因是水分供應(yīng)不足引起的氣孔部分關(guān)閉，從而影響葉片光合功能。Flexas等[23-24]研究認(rèn)為，在輕度脅迫或者中度脅迫下，是通過(guò)氣孔限制因素來(lái)影響作物的光合作用；而在重度脅迫下，是通過(guò)非氣孔限制因素來(lái)影響作物的光合作用。由此可見(jiàn)，頭水推遲對(duì)棉花前期生長(zhǎng)所造成的脅迫程度較高，且后期光合功能恢復(fù)能力較差。同時(shí)花鈴期灌量分配不合理也會(huì)對(duì)棉花造成輕度或中度脅迫，導(dǎo)致葉片光合能力下降，對(duì)生殖器官生物量積累造成不利影響。

作物群體葉片光合效率與產(chǎn)量呈正相關(guān)，因此如何在合理的灌水分配下提高作物光合作用轉(zhuǎn)化效率將成為挖掘作物的增產(chǎn)潛力的新途徑[25-26]。本試驗(yàn)中，D8處理的灌水分配方式明顯提高了機(jī)采棉的P，在盛花期、盛鈴期D8處理能保持較高的葉片水分利用效率。D10處理后期的2次補(bǔ)充灌水延長(zhǎng)了葉片光合功能期，且葉片水分利用效率提高顯著。D6處理由于前期頭水時(shí)間較晚，生長(zhǎng)發(fā)育前期P低于其他處理，盛蕾期后棉株轉(zhuǎn)入充分供水階段，但并沒(méi)有較高的補(bǔ)償強(qiáng)度，且蒸騰速率較高，葉片水分利用效率下降較為明顯。

3.2 不同灌水分配次數(shù)對(duì)機(jī)采棉熒光參數(shù)的影響

葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)作為研究作物光合作用的重要手段，對(duì)外界環(huán)境變化更為敏感[27]。在葉綠素?zé)晒鈪?shù)中，F/F是暗適應(yīng)下PSⅡ的最大光化學(xué)效率或PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率。常用其值降低，來(lái)表示植物葉片的光抑制及脅迫程度[28]。光化學(xué)猝滅系數(shù)表示PSⅡ反應(yīng)中心開(kāi)放比例。Yield是光化學(xué)量子產(chǎn)量，代表著光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心部分關(guān)閉后的光能捕獲率。前人研究表明P的降低原因是非氣孔限制因素，則F/F、、Yield顯著下降，且恢復(fù)能力較差。若P下降主要由氣孔限制因素引起，則變化不顯著[29]。這與本研究結(jié)果一致，D6處理灌水分配導(dǎo)致盛蕾期F/F、、Yield下降顯著，明顯低于其他處理，且后期的高灌量產(chǎn)生的恢復(fù)效果較差。而D10處理的灌水由于每次分配灌量較低，導(dǎo)致盛花和盛鈴期F/F低于D8處理，但吐絮期的灌水能使其值提高至較高水平。說(shuō)明棉花葉片在輕度或中度水分脅迫后PSⅡ活性發(fā)生了暫時(shí)性的下調(diào)，對(duì)光合機(jī)構(gòu)起到保護(hù)作用，重度脅迫則使PSⅡ系統(tǒng)受到損傷，電子傳遞能力減弱，光能捕獲效率降低。因此采用D8處理的灌水分配可改善PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率，提高其及Yield，改善葉肉細(xì)胞的光合活性，將所吸收的光能有效轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，提高其電子傳遞速率。N反映了棉株光系統(tǒng)Ⅱ熱耗散情況[16]。前人的研究認(rèn)為[29]N是當(dāng)作物受到脅迫時(shí)避免光合機(jī)構(gòu)被破壞的一種保護(hù)機(jī)制，對(duì)脅迫條件下各處理反應(yīng)較為敏感。這與本試驗(yàn)結(jié)果一致，頭水時(shí)間推后及花鈴期灌量降低，N顯著提高。說(shuō)明PSⅡ反應(yīng)中心的激發(fā)能捕獲效率降低，該水分處理的光合機(jī)構(gòu)非輻射熱耗散水平提高。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，可利用其值的變化作為檢測(cè)棉花生育期間水分豐缺狀況的指標(biāo)，通過(guò)減少植株熱耗散，將葉片吸收的光充分地用于光合作用，促進(jìn)光合物質(zhì)積累，最終實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。

3.3 不同灌水分配次數(shù)對(duì)機(jī)采棉產(chǎn)量形成的影響

前人研究認(rèn)為，水分虧缺會(huì)抑制生物量積累同時(shí)增加其向生殖器官的分配比例，最終影響產(chǎn)量[30]。本試驗(yàn)中，D6處理由于前期頭水時(shí)間較晚，導(dǎo)致植株提前達(dá)到最大積累速率，且最大積累速率明顯低于其他處理，同時(shí)在盛蕾期生殖器官所占比例較高，而生長(zhǎng)后期生物量明顯低于D8處理?；ㄢ徠谑敲藁óa(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期[31]。D10處理與D8處理相比，D10處理在進(jìn)入花鈴期，生物積累量及最大積累速率明顯低于D8處理，雖然吐絮期的灌水對(duì)機(jī)采棉總生物量影響顯著，但生物量積累偏向營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，其生殖器官生物量明顯低于D8處理。最終D8處理在單鈴質(zhì)量高于D6處理，增產(chǎn)效果明顯。表明灌水分配方式已直接影響到光合產(chǎn)物向棉鈴的運(yùn)輸，通過(guò)合理灌水分配改善葉片的光合性能，可提高棉花經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

相關(guān)研究表明[32]，小麥生殖生長(zhǎng)期給予輕度虧缺，更有利于改善其光合產(chǎn)物的形成與運(yùn)移。這與本試驗(yàn)結(jié)果不一致，本試驗(yàn)中D10處理花鈴期的虧缺灌溉明顯影響其光合生產(chǎn)及產(chǎn)量的形成，這可能與作物對(duì)水分的敏感性及脅迫程度有關(guān)。為此還需進(jìn)行田間試驗(yàn)，確立機(jī)采棉水分敏感期適宜灌量，確保研究結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)作用。

4 結(jié) 論

生育期灌水分配直接影響機(jī)采棉產(chǎn)量的形成，D10（10次灌水）和D6（6次灌水）處理生育中后期棉葉光系統(tǒng)Ⅱ的最大光化學(xué)效率明顯降低，導(dǎo)致其凈光合速率降低，物質(zhì)積累減少，最終造成鈴質(zhì)量輕。在D8（8次灌水）處理灌水分配下，棉花葉片光合熒光參數(shù)較為協(xié)調(diào)，保證了高效的光合生產(chǎn)能力，且光合產(chǎn)物向各器官運(yùn)移比例合理，使其皮棉產(chǎn)量表現(xiàn)最優(yōu)（3 040.35 kg/hm2）。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)重視優(yōu)化生育期的灌水分配，將頭水提至盛蕾前，適當(dāng)增加盛花期后灌溉定額，減少吐絮期水分供應(yīng)，可以提高葉片光合生產(chǎn)能力，促進(jìn)光合物質(zhì)優(yōu)先向生殖器官分配，以進(jìn)一步挖掘機(jī)采棉的節(jié)水增產(chǎn)潛力。

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Optimal irrigation frequency improving photosynthetic characteristics and yield of machine-harvested cotton with drip irrigation under mulch in Northern Xinjiang

Li Gan, Gao Lili, Zhang Jusong※

(,/,830052)

Due to the unique geographical environment, North of Xinjiang is exceptionally early mature cotton region with short cotton growing season. Therefore, how to achieve efficient allocation of irrigation water saving and high yield efficiency of cotton production in the short growth period has become a key problem in the production of cotton in northern Xinjiang. This study investigated the effects of irrigation treatments on photosynthetic characteristics and yield of machine-harvested cotton. An experiment was carried out in the year of 2015 in Xinjiang Agricultural University Experimental Base (44°39′N、86°08′E with an altitude of 367 m) of Changji by an single factor randomized block design. Three irrigation times of 10 (D10), 8 (D8) and 6 (D6) were designed following local experience. The total irrigation quota was 4500 m3/hm2. The machine-harvested cotton variety of Xinluzao 57 was for the experiment. During the experiment, soil moisture content, photosynthetic parameters, fluorescence parameters and yield formation characteristics were measured. The results showed that the D6 treatment delayed the time of first water, and its stress degree was higher than those of the other treatments. For the D6, the non-stomatal limitation caused the decrease in the net photosynthetic rate, the max photochemical efficiency, photochemical quenching coefficient and photochemical quantum yield of photosystem II were also significantly lower than those of the other treatments. Meanwhile, the non-photochemical quenching coefficient was increased dramatically, while the recovery capability was poor, which limited the accumulation of above-ground biomass. Due to unreasonable irrigation water allocation at flowering and fruiting stages in the D10 treatment, the net photosynthetic rate decreased as affected by stomatal limitation factors under light water stress, while photochemical quenching coefficient was improved effectively by irrigation in the boll opening stage. At the same time, leaf photosynthetic function duration was extended while the biomass was accumulated more for the vegetative growth and the vegetative organs biomass were higher than the other treatments, which resulted in no significant difference in biomass of the reproductive organs. The D8 treatment could ensure the higher efficient photosynthetic capacity during the whole growth period, and the biomass of reproductive organ was 21.1% and 23.5% than the D10 and D6, respectively. Water use efficiency of leaf in the D8 reached the highest among the treatments, and the yield of D8 was not significantly different from the D10 (>0.05), but 647.4 kg/hm2higher than the D6 (<0.05). Therefore, under the condition of drip irrigation quota for 4 500 m3/hm2, the irrigation allocation method in the D8 treatment was beneficial to improve the photosynthetic capacity of the leaves and promote the distribution of the photosynthetic material to the reproductive organs. Therefore, irrigation before the full budding stage, increasing irrigation quota after the full flowering stage and reducing the water supply in the boll opening stage can effectively improve the photosynthetic capacity of leaves, promote the migration of the photosynthetic substances into the reproductive organs, so as to fulfill the water saving goal and achieve high efficiency of machine-harvested cotton production as well.

irrigation; cotton; photosynthesis; chlorophyll fluorescence; distribution; machine-harvested cotton; yield

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.025

S275.6

A

1002-6819(2017)-04-0178-08

2016-06-21

2016-10-10

國(guó)家科技支撐計(jì)劃“棉花高產(chǎn)高效關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（2014BAD11B02）；新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合培養(yǎng)研究生示范基地項(xiàng)目（xjaucxy-yjs-20141033）

李 淦，男，甘肅甘谷人，研究方向?yàn)槊藁ǜ弋a(chǎn)栽培生理。烏魯木齊 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，830052。Email：391824462@qq.com

張巨松，男，江蘇江都人，教授，研究方向?yàn)樽魑锔弋a(chǎn)栽培生理生態(tài)。烏魯木齊 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，830052。Email：xjndzjs@163.com

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Li Gan, Gao Lili, Zhang Jusong. Optimal irrigation frequency improving photosynthetic characteristics and yield of machine-harvested cotton with drip irrigation under mulch in Northern Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 178－185. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.025 http://www.tcsae.org