不同用量濃縮沼液對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育及光合特性的影響

徐瑞強(qiáng)，董合林，徐建輝，唐江華，徐文修，卡地力亞·阿不都克力木， 李大平，董泰麗，付傳翠

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南安陽(yáng) 455000； 3.新疆農(nóng)科院經(jīng)濟(jì)作物研究所；烏魯木齊 830052；4.山東民和生物科技有限公司，山東蓬萊 265600)

0 引 言

【研究意義】我國(guó)農(nóng)業(yè)開(kāi)始由工業(yè)化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向可持續(xù)化的生態(tài)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變[1-3]，沼氣工程通過(guò)將農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)廢棄物能源化，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)發(fā)展與資源環(huán)境相匹配，與生態(tài)環(huán)境相適應(yīng)[4]，是農(nóng)業(yè)生態(tài)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中的重要工程，然而沼氣工程在帶來(lái)清潔沼氣能源的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生大量的沼液，沼液中不但含有作物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，還具有多種礦質(zhì)元素和生物活性物質(zhì)，是農(nóng)作物增產(chǎn)提質(zhì)、農(nóng)用地保肥增效的優(yōu)質(zhì)肥料資源[5-7]，沼液中同樣含有許多重金屬離子及有毒有害物質(zhì)，若不經(jīng)后續(xù)處理直接排放會(huì)造成土壤、水體和地下水污染[8]。濃縮沼液是將沼液工程廢棄物加工產(chǎn)生的一種肥料資源，是作物生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型和資源高效型生產(chǎn)的重要途徑，對(duì)促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)化轉(zhuǎn)型具有積極意義。實(shí)現(xiàn)沼液無(wú)害化處理和資源化利用對(duì)促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)化轉(zhuǎn)型意義重大。【前人研究進(jìn)展】國(guó)內(nèi)外大多數(shù)關(guān)于沼液的研究集中在將沼液作為肥料進(jìn)行灌溉，通過(guò)農(nóng)田回收利用的方式消納沼液。這一方面，沼液營(yíng)養(yǎng)成分含量低，運(yùn)輸成本高，直接作為液體肥料使用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高，另一方面，農(nóng)田消納沼液仍然存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，已有研究表明，將沼液作為液體肥料灌溉土壤會(huì)導(dǎo)致氮素向下淋失，引起農(nóng)田周圍水體富營(yíng)養(yǎng)化[9-11]。濃縮沼液是將沼液通過(guò)多級(jí)膜處理技術(shù)濃縮后生成的一種高效肥料資源，濃縮沼液相較沼液體積小，儲(chǔ)存運(yùn)輸成本低，營(yíng)養(yǎng)成分和礦質(zhì)元素含量高。施用濃縮沼液能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，改善作物品質(zhì)，改良作物光合特性，對(duì)大田作物有明顯的增產(chǎn)效果[12-13]；濃縮沼液中還具有多種激素和有機(jī)質(zhì)，能夠有效調(diào)節(jié)植株體內(nèi)氧化酶活性及代謝活動(dòng)[14]；長(zhǎng)期施用濃縮沼液可以改良農(nóng)田土壤理化性狀，改善作物生長(zhǎng)微環(huán)境[15-16]；濃縮沼液在提高作物抗逆性、降低農(nóng)藥及化肥用量等方面均有積極作用[17-18]。【本研究切入點(diǎn)】目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于濃縮沼液的研究雖有報(bào)道，但多集中在濃縮沼液對(duì)園藝類、茄果類作物增產(chǎn)提質(zhì)的影響研究[19-20]，且大多建立在盆栽或小面積田間試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，關(guān)于濃縮沼液對(duì)大田作物的影響研究較少，在棉花上僅有零星報(bào)道。研究不同用量濃縮沼液對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育及光合特性的影響。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以新型濃縮沼液為原料，通過(guò)大田試驗(yàn)，研究不同用量濃縮沼液對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響。為濃縮沼液在棉花種植中的科學(xué)施用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2017年4～10月在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院瑪納斯縣試驗(yàn)站進(jìn)行，地理坐標(biāo)為E86°、N44°，屬于中溫帶大陸性干旱或半干旱氣候區(qū)，氣候冷涼，晝夜溫差大，年均日照時(shí)數(shù)2 700～2 800 h，生長(zhǎng)期日照時(shí)間可達(dá)1 780 h，年平均氣溫7.2℃，年均降水量173.3 mm，年均蒸發(fā)量1 691 mm。全年無(wú)霜期165～172 d，試驗(yàn)地土地平整，土壤為灰壤土，前茬作物為棉花，有機(jī)質(zhì)含量17.3 g/kg，全氮含量2.6 g/kg，堿解氮含量62.3 mg/kg，速效磷含量14.8 mg/kg，速效鉀含量161 g/kg。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以濃縮沼液施用總量為單因素，以濃縮沼液每20 L/hm2為梯度，從115～175 L/hm2共設(shè)置5個(gè)處理，不同處理均按施用總量的1∶3∶4∶2的比例均勻分配到苗期、蕾期和花鈴期，其中，苗期分兩次葉面噴施，蕾期和花鈴期一次性隨水滴施，各處理具體施肥方案。表1

表1 各處理施肥方案

Table 1 Each treatment and fertilization scheme (L/hm2)

供試棉花品種為新陸早57號(hào)，濃縮沼液為中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所與山東民和生物科技有限公司共同研制生產(chǎn)的濃縮沼液水溶肥，是將以雞糞為主要原料的厭氧發(fā)酵沼液經(jīng)沉淀、過(guò)濾、酸化水解、濃縮而成，列出具體成分，各處理均于4月25日播種，9月20日開(kāi)始收獲，種植方式為寬窄行種植，1膜4行，株行距配置為(10+66+10) cm×9.5 cm，灌水方式為膜下滴灌，滴灌帶采用1管2(一條滴灌帶管兩行棉花)的鋪設(shè)方式，小區(qū)面積為13.69 m2(1.48 m×9.25 m)，每個(gè)處理重復(fù)4次。播前結(jié)合整地各處理深施尿素240 kg/hm2，磷酸二銨225 kg/hm2，全生育期結(jié)合灌水隨水滴施尿素405 kg/hm2，全生育期共滴水8次，共計(jì)3 500 m3/hm2。表2

表2 濃縮沼液主要成分及含量

Table 2 Main ingredients and contents of concentrated biogas liquid

成分Composition含量Content成分Composition含量Content有機(jī)質(zhì) The organic matter (%)2.51全K2O (g/L)37.39全氮 Total nitrogen (g/L)1.06+1.7N+P2O5+K2O (g/L)44.8硝態(tài)氮 Nitrate nitrogen (g/L)1.7腐植酸 Humic acid (g/L)10.2銨態(tài)氮 Ammonium nitrogen (g/L)1.06游離氨基酸 Free amino acid (g/L)1全P2O5 (g/L)4.65吲哚乙酸 Indole acetic acid (μg/g)30.14赤霉素 Gibberellin (μg/g)45.74

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目

1.2.2.1 株高和莖粗

自棉花苗期開(kāi)始，于每小區(qū)定點(diǎn)標(biāo)記4株，測(cè)量其株高(從地面到植株頂端生長(zhǎng)點(diǎn)的高度)、莖粗(用游標(biāo)卡尺測(cè)量子葉節(jié)處寬度)，每10 d測(cè)量一次，至打頂后結(jié)束。

1.2.2.2 光合特性

采用CL-340便攜式光合儀，于棉花各生育期，選擇晴天11:00～13:30，在自然光條件下進(jìn)行測(cè)定。每次挑選每小區(qū)長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的棉花三株，測(cè)其主莖上的倒4葉(打頂后為倒三葉)中間小葉片的凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(E)和氣孔導(dǎo)度(Gs)。

1.2.2.3 葉面積指數(shù)

自苗期開(kāi)始，每個(gè)15 d測(cè)定一次，采用打孔稱重法測(cè)定單株葉面積，葉面積指數(shù)(LAI)=單株葉面積×單位土地面積上棉花的株數(shù)/單位土地面積。

1.2.2.4 干物質(zhì)積累量

自苗期開(kāi)始，每個(gè)15 d測(cè)定一次。選長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的棉株取樣。每次每小區(qū)取樣兩株，取樣后立即裝入塑料袋密封后帶回實(shí)驗(yàn)室，將帶回的樣株各器官分裝入袋，然后將分裝的樣品放入105℃烘箱中殺青30 min后，降至80℃烘干至恒重，冷卻后取出迅速測(cè)定各器官的干物質(zhì)積累量。

1.2.2.5 產(chǎn)量

棉花完全吐絮后，于每小區(qū)選取6.67 m2數(shù)取棉花收獲株數(shù)、單株鈴數(shù)，并選取具有代表性的植株，分別取上、中、下果節(jié)上的吐絮鈴各50個(gè)，測(cè)定單鈴重及棉花品質(zhì)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003、SPSS 18.0、Origin 8.5等軟件進(jìn)行分析，均采用單因素方差分析，多重比較采用Duncan法。

2 結(jié)果分析

2.1 不同用量濃縮沼液對(duì)棉花株高和莖粗影響

研究表明，各處理生育期內(nèi)株高、莖粗的變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)先緩慢上升，后迅速增加，至打頂后(7月10日)保持不變的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。在測(cè)定期內(nèi)施用了濃縮沼液各處理的株高和莖粗均高于對(duì)照，并且隨著濃縮沼液施用量的增加，其對(duì)棉花的株高和莖粗的促進(jìn)作用也不斷增大，各處理株高、莖粗始終表現(xiàn)為D處理>C處理>B處理>A處理>CK。進(jìn)一步分析打頂后各處理株高和莖粗可知，打頂后(7月10日)濃縮沼液施用量最大的D處理株高、莖粗分別比對(duì)照高8.83%和12%，比濃縮沼液施用量最小的A處理高5.93%和7.59%，濃縮沼液對(duì)莖粗的作用要大于株高。圖1

2.2 不同用量濃縮沼液對(duì)棉花葉面積指數(shù)影響

研究表明，生育期內(nèi)各處理LAI變化均呈現(xiàn)先不斷上升，至結(jié)鈴期(7月20日)達(dá)到最大后下降。進(jìn)一步分析可知，在生長(zhǎng)發(fā)育前期(6月6日前)，各處理間LAI差異不顯著，此后隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，各處理間LAI差異逐漸增大。施用了濃縮沼液各處理的LAI自蕾期(6月16日)開(kāi)始始終高于對(duì)照的，且各處理濃縮沼液施用量與LAI大小基本呈正相關(guān)，濃縮沼液施用量最大D處理的LAI整個(gè)生育過(guò)程中均保持最高，結(jié)鈴期(7月20日)時(shí)D處理的LAI達(dá)到峰值為5.33，比對(duì)照同期的LAI高出16.38%；且分別比A處理、B處理、C處理的同期LAI高出9.67%、7.24%、3.90%，說(shuō)明施用濃縮沼液可以增大棉花的LAI，并且濃縮沼液施用量越大，其LAI越大。棉花生長(zhǎng)發(fā)育后期，隨著葉片的枯萎脫落，各處理LAI指數(shù)也有所下降，但施用了濃縮沼液各處理的LAI仍要明顯高于對(duì)照，說(shuō)明施用濃縮沼液能夠延長(zhǎng)棉花葉片功能期，抑制棉花葉片早衰，從而延長(zhǎng)了光合作用的時(shí)間。圖2

圖1 不同處理生育期內(nèi)棉花株高和莖粗變化

Fig.1 Changes of cotton plant height and stem thickness different treatment period

圖2 不同處理生育期內(nèi)棉花葉面積指數(shù)變化

Fig.2 The change of cotton leaf area index different treatment period

2.3 不同用量濃縮沼液對(duì)棉花光合特性參數(shù)的影響

研究表明，各處理生育期內(nèi)的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)變化基本一致，均隨生育進(jìn)程的推進(jìn)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，并于盛花期時(shí)達(dá)到最大值。進(jìn)一步比較各處理可知，各生育期內(nèi)的Pn、Tr、Gs均基本呈現(xiàn)D處理>C處理>B處理>A處理>CK的變化趨勢(shì)，濃縮沼液施用量最大的D處理盛花期時(shí)Pn、Tr、Gs分別比對(duì)照同期值高29.35%、20.60%、17.99%；分別比濃縮沼液施用量最小的A處理同期值高15.53%、13.13%、9.36%。同時(shí)各處理Ci均表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢(shì)，于盛花期是達(dá)到最小值，各處理間不同生育期內(nèi)胞間二氧化碳濃度(Ci)均基本呈現(xiàn)D處理

2.4 不同用量濃縮沼液對(duì)棉花單株干物質(zhì)積累量的影響

研究表明，各處理生育期內(nèi)單株干物質(zhì)積累量均呈現(xiàn)“緩慢—快速—緩慢”的S型變化趨勢(shì)，均于盛鈴期(8月5日)達(dá)到最大。比較各處理間單株干物質(zhì)積累量變化可知，施用了濃縮沼液的處理生育期內(nèi)單株干物質(zhì)積累量始終高于對(duì)照，并且隨著濃縮沼液施用量的增加，各處理單株干物質(zhì)積累量也不斷增大，具體表現(xiàn)為D處理>C處理>B處理>A處理>CK，濃縮沼液施用量最大的D處理單株干物質(zhì)積累量最大時(shí)(8月5日)比同期對(duì)照的單株干物質(zhì)積累量高24.78%，比同期A、B、C處理的單株干物質(zhì)積累量分別高15.27%、12.19%、6.52%，說(shuō)明施用濃縮沼液有利于棉花單株干物質(zhì)積累量的提高，且在施用量范圍內(nèi)濃縮沼液施用量越大，棉花的單株干物質(zhì)積累量越多，越利于棉花形成高產(chǎn)。圖4

圖3 不同處理生育期內(nèi)棉花光合特性參數(shù)變化

Fig.3 Changes in the parameters of photosynthetic characteristics of cotton during different treatment period

圖4 不同處理生育期內(nèi)棉花單株干物質(zhì)積累量變化

Fig.4 Change of dry matter accumulation in cotton single plant different treatment period

2.5 不同用量濃縮沼液對(duì)棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

研究表明，施用濃縮沼液的各處理籽棉產(chǎn)量均高于對(duì)照，且差異顯著。隨著濃縮沼液施用濃度的增加，棉花籽棉產(chǎn)量隨之提高，施用175 L/hm2濃縮沼液的D處理籽棉產(chǎn)量最高，相比對(duì)照增產(chǎn)17.77%，比施用最低115 L/hm2濃縮沼液的A處理增產(chǎn)12.43%。說(shuō)明施用濃縮沼液能促進(jìn)棉花高產(chǎn)，且濃縮沼液施用量與籽棉產(chǎn)量呈正相關(guān)。進(jìn)一步分析產(chǎn)量構(gòu)成因素可知，棉花單株鈴數(shù)隨著濃縮沼液施用量的增大而增加，至施用了155 L/hm2的C處理時(shí)與對(duì)照形成顯著差異，施用了175 L/hm2濃縮沼液的D處理單株鈴數(shù)最多，比對(duì)照的單株鈴數(shù)高出9.38%。施用濃縮沼液同樣能促進(jìn)棉花單鈴重增大，施用了濃縮沼液的各處理單鈴重均顯著高于對(duì)照，但施用濃縮沼液各處理之間的棉花單鈴重差異不顯著，表明濃縮沼液施用量與棉花單鈴重之間無(wú)相關(guān)關(guān)系。表3

表3 不同處理棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素變化

Table 3 Different processing of cotton yield and yield components

處理Treatment株數(shù)Tree number單株鈴數(shù)Boll number per plant單鈴重Single boll weight籽棉產(chǎn)量Single boll weightCK19.65a6.50c4.95b6 322.39dA19.75a6.55c5.12a6 622.52cB20.03a6.84bc5.10a6 987.09bcC19.66a6.98b5.12a7 025.12bD20.41a7.11a5.13a7 445.68a

注：不同字母示差異顯著，P<0.05

Note: letters show significant difference,P<0.05

3 討 論

張鳳梅等[20]通過(guò)研究濃縮沼液不同配方和施肥方案對(duì)番茄生長(zhǎng)發(fā)育的影響，證明施用濃縮沼液可以有效的提高番茄的株高和莖粗，對(duì)番茄生長(zhǎng)發(fā)育有積極作用，王偉楠等[21]也有相似結(jié)論。前人的研究證明，施用濃縮沼液能夠提高植株的生物量積累，對(duì)果蔬、小麥、水稻等多種作物的生長(zhǎng)發(fā)育均有明顯的促進(jìn)作用[5，22-23]。這些結(jié)論和研究結(jié)果一致，試驗(yàn)通過(guò)研究濃縮沼液不同施用量發(fā)現(xiàn)，施用濃縮沼液能夠提高棉花的株高和莖粗，增加棉花的干物質(zhì)積累量，增大棉花的葉面積，并且隨著濃縮沼液施用量的增加，其對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的促進(jìn)作用也不斷增大，部分研究表明過(guò)量施用濃縮沼液反而會(huì)抑制植株生長(zhǎng)[24]，試驗(yàn)中濃縮沼液施用量最大的D處理棉花生長(zhǎng)未出現(xiàn)受抑制現(xiàn)象，這可能是因?yàn)檠芯克O(shè)置的濃縮沼液施用量還未達(dá)到抑制水平。

光合作用是作物產(chǎn)量的重要來(lái)源，葉片作為作物進(jìn)行光合作用的主要器官，直接決定著作物光合能力的強(qiáng)弱。研究中施用了濃縮沼液的棉花其葉面積指數(shù)和各項(xiàng)光合特性參數(shù)表現(xiàn)均優(yōu)于對(duì)照，光合能力比對(duì)照有所提升，這與多數(shù)研究結(jié)論一致[25-27]，這是由于濃縮沼液中除了植株生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素外，還具有Zn、Mn、Fe、S等多種微量元素，能夠輔助葉綠素合成中的功能酶，促及植物合成葉綠素或葉體蛋白，從而提高植物光合能力[28]。部分研究認(rèn)為，濃縮沼液中含有激素和多種生物活性物質(zhì)，對(duì)植株葉片的促進(jìn)作用明顯，施用濃縮沼液后會(huì)促使植株干物質(zhì)向葉片部位轉(zhuǎn)移，促進(jìn)葉片的發(fā)育，延緩葉片衰老，從而提升葉片的光合能力和光合有效期。這與研究結(jié)果一致，試驗(yàn)中施用了濃縮沼液的各處理在棉花生長(zhǎng)發(fā)育后期仍然保持了較高的葉面積指數(shù)，且施用了濃縮沼液的各處理其伏前桃和秋桃數(shù)目均顯著高于對(duì)照，表明濃縮沼液不但能夠抑制棉花葉片的衰老，還能有效增加棉花光合有效期，促進(jìn)棉花早發(fā)、早產(chǎn)，從而增加棉花鈴數(shù)，提高棉花產(chǎn)量。也有學(xué)者認(rèn)為在不同施肥水平下，濃縮沼液的施用量和追施次數(shù)同樣會(huì)影響棉花的光合速率[29]，過(guò)量施用濃縮沼液或過(guò)多次追施濃縮沼液都會(huì)引起植株光合面積過(guò)大，導(dǎo)致植株中下部葉片衰老加劇，引起光合產(chǎn)物對(duì)光合器官反饋抑制，反而不利于植株生長(zhǎng)，因試驗(yàn)中設(shè)置的濃縮沼液施用量未達(dá)到抑制水平，且未設(shè)置施肥次數(shù)變量，無(wú)法對(duì)此做出明確結(jié)論，但在濃縮沼液實(shí)際施用過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)作物類別、土壤肥力、氣候條件、農(nóng)藝措施等差異，對(duì)施肥用量和施肥方案做出調(diào)整。

關(guān)于濃縮沼液對(duì)作物產(chǎn)量的影響，前人研究一致認(rèn)為，合理施用濃縮沼液無(wú)論是對(duì)大田作物還是園藝作物都有明顯增產(chǎn)作用[30,31]，試驗(yàn)中施用了175 L/hm2濃縮沼液的D處理棉花籽棉產(chǎn)量最高，比對(duì)照增產(chǎn)17.77%。

4 結(jié) 論

施用濃縮沼液利于棉花生長(zhǎng)發(fā)育，所有施用了濃縮沼液的處理棉花的株高、莖粗、干物質(zhì)積累及葉面積指數(shù)相比對(duì)照均有所提高，并且在試驗(yàn)范圍內(nèi)濃縮沼液施用量越大，棉花的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)越高。施用了175 L/hm2濃縮沼液的D處理株高、莖粗、干物質(zhì)積累、葉面積指數(shù)均表現(xiàn)最佳，D處理各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)最高時(shí)比對(duì)照同期值分別高出8.83%、12%、24.78%、16.38%。濃縮沼液利于棉花進(jìn)行光合作用，施用濃縮沼液能夠改良棉花的光合特性，施用了175 L/hm2濃縮沼液的D處理各項(xiàng)光合特性參數(shù)表現(xiàn)最優(yōu)，盛花期時(shí)Pn、Tr、Gs分別比對(duì)照同期值高29.35%、20.60%、17.99%，盛花期時(shí)Ci比對(duì)照同期值低19.66%。施用濃縮沼液能夠增加棉花的鈴數(shù)和鈴重，實(shí)現(xiàn)棉田增產(chǎn)，施用了175 L/hm2濃縮沼液的D處理籽棉產(chǎn)量最高，達(dá)到7 445.68 kg/hm2，比對(duì)照高出了17.77%，增產(chǎn)效果顯著。