不同滴灌灌水處理對棉花花鈴期光合特性及產量構成的影響

易小龍， 李 國， 李文雯， 張夢恬， 祝建波， 王愛英

(石河子大學生命科學學院，新疆石河子 832000

棉花是我國的主要經濟作物。棉花在其整個生長發育過程中，常常要遭受多種自然災害的影響和危害。其中，干旱災害對棉花生長的危害以及由此造成的產量損失往往比較嚴重。已有數據資料表明，在各種氣候災害中，干旱造成的損失量超過其他災害損失的總和[1]。新疆作為棉花產植大區，水資源相對匱乏，單位面積產水量居全國倒數第三[2]，生產用水與生活用水的矛盾日益突出，發展抗旱棉花新品種和實施節水灌溉模式是實現棉花豐產的重要途徑[3-4]。因此研究棉花對水分脅迫的響應及適應機制，是對棉花進行合理調控、實現農業節水的前提，具有重要的理論意義和實踐價值。

產量是農業生產的關鍵，植物積累物質則通過光合作用。光合作用(photosynthesis)是植物最基本的生命活動，是對水分脅迫最敏感的生理過程之一[5-6]，可以作為判斷植物生長和抗逆性強弱的指標[7]，直接與作物產量相關。光合作用通過2個光系統(PSⅠ和PSⅡ)將光能轉化為化學能，尤其是PSⅡ被認為對脅迫敏感性最高，在植物響應脅迫的過程中發揮了重要作用[8]。環境條件變化時，葉綠素熒光的變化可以在一定程度上反映環境因子對植物的影響[9-11]，通過對快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的分析，可深入了解水分脅迫對植物光合機構主要是PSⅡ的影響以及光合機構對干旱環境的適應機制。7—8月(花鈴期)是棉花產量和品質形成的關鍵時期，關系到蕾鈴數量、結鈴率及棉桃大小，合理的水分管理至關重要。

本研究以筆者所在實驗室培育的2個轉基因抗旱棉花品系為材料，通過控制滴灌灌水量，獲取其不同水分脅迫下棉花花鈴期不同階段的蕾鈴數，并測定葉片光合參數和葉綠素熒光參數等指標，研究棉花葉片光合特性對水分脅迫響應及產量構成的影響，為指導田間棉花水分管理提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和地點

本次試驗材料為石河子大學生命科學學院農業生物技術重點實驗室提供的轉基因棉花品系24C-1、25C-1，其受體親本型分別為TH1、TH2，轉入的外源基因均為來自于擬南芥的CBF1基因，CBF1作用途徑為CBF1→CRT/DRE基序→COR基因(cold-regulated gene)表達→植物抗寒、抗旱性增加。試驗于2016年在新疆維吾爾自治區內的北疆石河子市石河子大學試驗地基地(44°20′N，85°30′E)進行。試驗地處在新疆北疆特早熟棉花種植生態區，氣候為溫帶大陸性氣候，無霜期168 d，平均年降水量213 mm，年蒸發量1 537 mm。

1.2 試驗設計

棉花采用直播方式播種，4月26日播種，5月17日定苗，7月上旬基本進入花鈴期。采用“一管兩行”式膜下滴灌供水，灌水均勻，基本無旱澇不均的現象，土壤中水、氣比較協調，土壤酥松，不板結，土壤團粒結構保持較好，有利于棉花根系生長發育[12]。具體灌溉布置如圖1所示。

試驗采用二因素設計，主因素為水分，設5個不同灌水量處理，副因素為轉基因棉花品系。灌溉方式為膜下滴灌，灌水量的具體數值通過新疆石河子市棉區全年平均灌水量設計(每次灌水量為200～250 m3/hm2，生育期灌溉10～12次[12])，5個梯度處理為不灌溉(NI)、低量灌溉(LI)、中量灌溉(MI)、 高量灌溉(HI)、正常灌溉(CK)，其中正常灌水量為石河子棉區最高值。試驗材料每個處理播種4個小區，小區長 5 m，寬2 m。每小區耕作3行，每行耕作2個窄行，出苗后嚴格控制株數，每個小區都為300株(每個窄行50株)，每8個小區為1個灌水區域。播前澆足底墑水。采用膜下滴灌方式，具體灌溉方案見表1。

表1 田間處理方案

1.3 試驗方法

1.3.1 棉花蕾鈴數測定 選取小區中部長勢相近的30株植株(每行10株)標記并分別在7月5日、7月30日、8月25日棉花花鈴期(前期、中期、末期)3個時期，對單株棉花的蕾鈴數進行人工調查，并在8月25日統計棉花結鈴率。

1.3.2 葉片光合作用測定 采用美國LI-COR公司生產的LI-6400便攜式光合測定儀，在晴朗的上午10：00—12：00，在每個小區每1行中隨機選取3株，葉片選取倒三葉并標記，在棉花花鈴期開始后每25 d對光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度/大氣CO2濃度(Ci/Co)、氣孔限制值(Ls)、光能利用率(LUE)和水分利用效率(WUE)進行1次測定，每次測定5個重復，取平均值。

1.3.3 葉片葉綠素熒光動力學參數測定 采用WALZ公司的便攜式調制葉綠素熒光儀PAM-2500，測定固定熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、可變熒光(Fv)、光系統Ⅱ的最大光合效率(Fv/Fm)、光系統Ⅱ的實際光合效率ΦPSⅡ、光化學淬滅(qP)、非光化學淬滅(NPQ)，測定時間、位置及重復數同“1.3.2”節。

1.3.4 棉花產量測定 在棉花收獲季節對小區標記的植株直接稱質量取平均值確定其單株鈴質量；對小區進行完全采摘統計其皮棉產量。

1.4 數據分析

采用Excel 2013軟件對數據進行處理，采用SPSS 17.0軟件進行數據間的差異顯著性檢驗(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同灌水處理對棉花蕾鈴數的影響

不同灌水處理下，水分脅迫的程度制約或促進了棉花植株的生長。棉花花鈴期一般經歷50～70 d。該時期是棉花一生中需肥水最多的時期，水分的多少嚴重制約著蕾鈴的發育。不同灌水量處理下，2個轉基因棉花在花鈴中、末期的蕾鈴數量均有較大差異(表2)，花鈴前期無灌溉(NI)蕾鈴數與低量灌溉(LI)、高量灌溉(HI)和正常灌溉(CK)間差異較小，可能是由于NI導致的干旱脅迫迫使棉花過早進入花鈴期。棉花花鈴中、末期，2個品系的蕾鈴數量隨著灌水量的增多而增多，HI與CK間，只在花鈴中期24C-1有顯著差異，其余差異不顯著，這說明了水分對蕾鈴發育起到了重要作用。與CK相比，花鈴末期24C-1的鈴數在NI、LI、MI、HI中分別下降了75.8%、63.6%、45.5%、12.1%；25C-1則分別下降了60.7%、57.6%、45.5%、0%，可以看出25C-1抗旱性應該略強于24C-1。不同灌水量處理下，25C-1具有更強的抗旱性。

2.2 不同灌水處理對棉花光合參數的影響

2.2.1 凈光合速率 隨著灌水量的增加，作物受到的水脅迫程度逐漸下降，在棉花花鈴期各時期Pn隨水份增多呈上升趨勢，2個品系表現一致(圖2)。本時期HI、MI、LI、NI處理的凈光合速率相對CK，24C-1分別下降了5.8%、12.4%、29.6%、44.8%；25C-1降低了4.4%、18.9%、18.7%、39.8%。花鈴前、中期Pn整體均較高，而末期較低，表明在花鈴形成的關鍵時期，棉花整體生長旺盛。NI下在整個時期內，Pn值都只有最高值的一半上下，而LI、MI、HI、CK差異較小或不顯著，表明棉花花鈴期有較高的水分要求。結鈴期各處理間Pn差異顯著，可能與高度干旱導致的植株長勢情況相關。

2.2.2 氣孔限制值 水分限制了植物葉片的氣孔開合度，低水量下氣孔關閉，限制了CO2的進入，進而影響了植株光合作用，導致作物減產(圖2)。不同灌水處理下，整時期HI、MI、LI、NI處理24C-1氣孔限制值相比CK分別增加了50.0%、58.6%、95.1%、119.8%；而25C-1分別增加了34.0%、 56.5%、 64.9%、122.8%。花鈴前、中期各處理間差異明顯，而中期除NI的Ls過高，其他處理間差異不顯著。

表2 棉花不同灌水處理對花鈴期棉花蕾鈴數的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示同一品系不同處理在0.05水平上差異顯著。

2.2.3 光能利用率 灌水量的多少限制了棉花的光能利用率，隨著水分的增多2個品系的光能利用率均呈上升趨勢。HI、MI、LI、NI處理24C-1在花鈴期各時期的LUE平均值相對CK分別減少了5.8%、12.4%、29.6%、44.8%；25C-1分別減少了4.4%、15.4%、18.7%、39.8%。從花鈴前期開始，各時期各處理間的LUE差異隨時間延長愈發顯著。

2.2.4 水分利用效率 水分利用效率WUE是表示作物水分吸收利用過程效率的一個指標。在花鈴前、中期5個灌水量處理間差異較小，NI的WUE總體較高，HI、MI、LI、NI處理24C-1全時期平均值相較于CK分別提高了5.1%、3.8%、1%、19.6%，25C-1則提高了1.8%、3.7%、1.0%、19.6%；而末期各處理間差異較大，HI具最高值，而CK最低，其他處理間差異較小。

2.3 不同灌水處理對棉花葉綠素熒光參數的影響

葉綠素熒光是植物光合作用的內在表現，反映了植物對光吸收、光能利用和轉換的情況。光系統Ⅱ的最大光合效率Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm[13]，它反映了植物的潛在最大光能轉換效率。圖3表明，隨著灌水量增加，2個品系的Fv/Fm都呈現上升趨勢；相對CK，HI、MI、LI、NI處理24C-1平均值分別下降了6.2%、11.6%、17.1%、29.0%；25C-1則降低了5.6%、10.3%、17.7%、26.8%。各時期相對CK，NI和LI差異顯著或差異較大。而光系統Ⅱ實際光合效率相對CK，HI、MI、LI、NI處理24C-1下降了13.6%、27.2%、60.0%、137.0%，而25C-1下降了10.9%、22.9%、44.7%、90.7%。除CK與HI間差異較小，各時期φPSⅡ差異均顯著，表明長時間不同程度的水分脅迫對光合器官形成了不同程度的損傷。

由光合作用引起的熒光淬滅稱之為光化學淬滅(photochemical quenching，qP)，反映了植物光合活性的高低。非光化學淬滅(non-photochemical quenching，NPQ)則是由熱耗散引起的熒光淬滅，反映了植物耗散過剩光能為熱能的能力，是一種自我保護機制。在整個時期，2個品系間qP變化趨勢相似，花鈴前、中期從LI開始差異顯著，末期從MI起差異顯著。全時期qP平均值，HI、MI、LI、NI處理24C-1相較于CK，分別減少了3.1%、12.8%、22.2%、41.2%；25C-1則減少了2.7%、9.0%、15.1%、22.5%。在LI(重度水分脅迫)、NI(極度水分脅迫)下qP與CK多差異顯著，表明水分脅迫對qP有影響，但低于MI才會顯著降低PSⅡ電子傳遞，使光合活性降低。NPQ處理間差異顯著，與CK比較發現，HI、MI、LI、NI處理24C-1的NPQ分別增加了27.5%、52.2%、97.1%、176.8%；25C-1增加了 35.0%、61.7%、103.3%、188.3%。表明隨著灌水量增多，水分脅迫壓力的減少，NPQ顯著緩解，體現了植物體在干旱環境中的一種自我保護機制，即使在長期的NI條件下，依然具有這種能力。

2.4 不同灌水處理對棉花產量的影響

產量是進行農業生產的最終目標，它不僅體現了作物品種間的優劣，同時也體現天時、地利及管理的好壞與優劣，水分作為組成產量最重要的影響因素之一尤為關鍵。單株鈴質量、皮棉質量均隨著灌水量的增加而增加，呈明顯正相關(圖4)。24C-1在HI、MI、LI、NI各灌水量梯度下單株鈴質量較CK分別下降了6.8%、52.6%、73.4%、82.9%；而25C-1分別降低了7.2%、46.8%、65.1%、75.1%；2個品系中CK和HI均無顯著差異。皮棉產量總體而言隨著灌水量增加處于上升曲線，產量增加趨于平衡；24C-1中CK和HI無顯著差異，較CK皮棉產量分別降低了1.2%、17.0%、26.6%、42.7%；25C-1則分別降低了1.5%、18.1%、26.5%、32.2%。表明灌水量達到一定閾值后，對產量不再形成正向影響。

3 結論與討論

水分對于植物至關重要，影響著植物生長發育的整個過程。棉花在整個生育期均對水分有要求，特別是在棉花花鈴期，花鈴期是棉株營養生長和生殖生長都非常旺盛的時期，對水分較為嚴格，水分過多會加劇枝葉的營養生長，使棉田封行較早，且過于緊密，導致透光透風效果差，會導致更嚴重的蕾鈴脫落和后期的爛鈴現象，影響成鈴率[14]；水分缺失則會影響葉片干物質的積累和植株高度，從而減少蕾鈴數量，導致棉花減產。本研究表明，隨著灌水量的增多蕾鈴數呈上升趨勢，說明在花鈴期水分的多少影響了棉花蕾鈴的形成，對蕾鈴形成起正調控作用。但結鈴率則是HI大于或近似于CK，其他處理則隨著水分增多而增大，說明水分脅迫對結鈴率造成影響，但過量的水分則不利于蕾鈴穩固，會增加蕾鈴的脫落數量和爛鈴數[15]。

光合作用是綠色植物合成有機物、維持其生命的重要途徑。光合作用受多種生態因子影響。其中的1個核心影響因子便是水分[16]。干旱肋迫導致光合作用下降是農作物減產的重要原因[17]。總結其原因可歸納為氣孔導度下降、呼吸作用增強、希爾反應減弱和光合產物輸送受阻等。李平等研究表明，干旱導致棉葉凈光合速率、氣孔限制值和蒸騰速率的顯著降低[18]。Earl等研究則認為，棉葉片光合速率的降低是氣孔因子和非氣孔因子的協同作用影響[19]。也有其他研究表明，輕度和中度水脅迫下氣孔關閉，胞間CO2濃度下降，導致了光合速率的降低；而長期水分脅迫則會導致光合器官的損傷，從而降低植物凈光合速率[20]。本試驗中花鈴前、中期總體上的WUE差異不顯著，而2個品系在CK、HI、MI時Pn和LUE差異較小，說明花鈴前、中期限是制2個棉花品系光合效率的主要因子是氣孔限制值，即水分脅迫導致的氣孔關閉限制了光合主要過程；相對花鈴前、中期，花鈴末期2個品系NI、LI的Ls值上升，Pn、WUE和LUE值下降，但NI、LI處理間WUE差異不顯著，說明水分差異對NI、LI處理間的Pn的影響不顯著，可能的原因是長時間的水分脅迫對光合器官造成損傷。花鈴前、中期，MI(中度水分脅迫)時，Pn呈現下降趨勢，Ls隨生育過程先降后升，從判斷氣孔限制和非氣孔限制的關鍵因素胞間CO2濃度分析，在超過中度水分脅迫后WUE差異較小或不顯著，氣孔限制和非氣孔限制2個因素共同限制光合作用；而在NI和LI時，土壤供水不足，光合作用的主要限制因素將從氣孔限制轉為非氣孔限制。這與薛崧等的試驗結果[21]相一致。

葉綠素熒光反映了光合作用原初反應過程中光能吸收、激發能傳遞和光化學反應等狀況[22-24]。目前科研界已基本達成共識，健康條件下，絕大多數高等植物的Fv/Fm在0.8～0.85 之間，當Fv/Fm下降時，說明植物受到了脅迫[25]。本研究表明，隨著灌水量的增多，水分脅迫程度的持續緩解，2個轉基因品系在不同棉花花鈴時期的熒光參數Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP增加，NPQ降低，說明水分脅迫可抑制PSⅡ的光化學活性，其中比較HI和CK其Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP差異不顯著或較小，表明棉花能夠忍耐輕度水分脅迫；在LI和NI下，與CK相比熒光參數均極顯著，其中ΦPSⅡ也表現極大差異，與唐薇等研究認為干旱脅迫下葉綠素熒光動力學參數Fv/Fm、Fv/Fo顯著降低，Fo顯著上升，ΦPSⅡ基本不變的結果[26]不相符，可能與本研究水分脅迫的持續時間過長有關。

作物抗旱性直接制約了作物產量[27]。水分的多少限制了棉株的生長和發育，體現在了植株大小、蕾鈴數量、棉鈴大小、光合強度等方面。本研究表明，2個棉花品系單株鈴質量和皮棉質量均隨水分增加而呈現上升趨勢，但HI和CK單株鈴質量和皮棉質量無顯著差異，證明過多水分對產量性狀不產生正向效應，這與前文得出的過多水分增加了蕾鈴脫落量和爛鈴率，導致了產量的輕微降低的結論相同，也與李培嶺等的研究結果[28]相同，隨著灌水量增加，易導致棉花營養生長和生殖生長不協調，表現為棉鈴脫落嚴重和棉花生育期的延長，導致棉花霜前產量降低。

本研究表明，隨著灌水量的增加，水分脅迫程度的緩解，棉花生長抑制程度降低，總體水分利用率變化不明顯，蕾鈴數量和凈光合速率逐漸增加，結鈴率、產量先增后趨于平衡。輕度水分脅迫對棉花花鈴期光合參數和熒光參數無顯著影響，長期中度水分脅迫就會明顯降低棉株是光合能力。本研究也表明棉花生產上適當的灌水即可保證棉花的正常生理所需又可以獲得高產，過多的灌水則有可能導致棉花減產。膜下滴灌方式可有效地保證棉花產量和提高水分利用效率，但精確的滴灌管理則可進一步優化田間水利用和提高產量。