干旱脅迫對棉花生長發育和光合熒光參數的影響

楊明鳳，王金梅，吉春容，劉 勇，白書軍

（1烏蘭烏蘇農業氣象試驗站，新疆石河子 832000；2塔城市氣象局，新疆塔城 834700；3新疆興農網信息中心（新疆維吾爾自治區農業氣象臺），烏魯木齊 830002；4中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002）

0 引言

新疆是典型的溫帶大陸性干旱氣候，具有豐富的光熱資源，已成為中國最大的優質棉生產基地，棉花種植面積占全國80%以上[1]，主要植棉區棉田面積高達作物播種面積的60%～85%[2]。大面積的棉花種植，造成用水時間集中，棉田相互爭水嚴重，水分供應不足成為制約植棉產業持續發展的主要障礙因素之一。

在干旱地區，干旱脅迫是影響作物生長和限制產量提高最重要的非生物脅迫因素，全世界每年因干旱導致的減產超過其他因素造成減產的總和[3]。干旱脅迫制約棉花的生長發育，降低棉花干物質量和產量[4-5]。光合作用是作物產量形成的基礎，干旱脅迫一方面造成光合相關酶下降或者失活，另一方面導致氣孔關閉，氣孔導度下降，CO2受體受限，從而影響光合作用。田又升等[6]研究指出干旱降低了棉花葉片的光合速率、氣孔導度、蒸騰速率。Sing等[7]認為不同的干旱脅迫下，非氣孔因素和氣孔因素在調節光合速率時發揮不同的作用。目前研究者一致認為氣孔和非氣孔限制對光合作用的影響取決于水分虧缺的程度[8-9]。葉綠素熒光是研究植物逆境脅迫的理想探針，具有快速、準確、無損傷等優點，已越來越多用于逆境脅迫的相關領域[10-11]。薛惠云等[12]研究得出干旱降低了Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP。胡宏遠[13]指出水分脅迫下熒光參數Fv/Fm、Fv/Fo、Yield、qP隨水分脅迫強度增強而下降。綜上所述，以往研究多集中于某一時期不同水分處理引起棉花生態生理特性的變化，對于持續干旱脅迫下棉花生長發育、光合熒光的響應研究鮮見報道。筆者結合新疆氣候生態條件，采用膜下滴灌技術，研究花鈴期持續干旱對棉花生長發育和光合熒光的影響，以期為篩選干旱敏感指標和抗旱節水栽培提供理論依據，服務于棉花安全生產。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

烏蘭烏蘇農業氣象試驗站(44°17′N，85°49′E)，海拔468.5 m，位于準噶爾盆地南緣，處于天山北坡帶中心位置，氣候屬于典型的溫帶大陸性氣候，冬季長而嚴寒，夏季短而炎熱，年平均氣溫7.4℃，日照約2862.1 h，無霜期約180天，年降水量230.8 mm，年蒸發量1604.9 mm。

1.2 試驗設計

本試驗于2018年在烏蘭烏蘇農業氣象試驗站土壤水分試驗場（帶全自動遮雨棚）內進行干旱模擬試驗，每個小區之間由混凝土水泥墻隔離，且已做防滲處理，小區長7.0 m、寬5.0 m，面積35.0 m2。試驗地土壤類型為灰漠土，土壤質地為沙壤土，土壤pH 7.8，土壤基本肥力情況：有機質11.9 g/kg、全氮1.25 g/kg、堿解氮78.0 mg/kg、速效磷91.5 mg/kg、速效鉀315 mg/kg。每年秋季翻地時施尿素75kg/hm2、磷酸二銨180kg/hm2。

試驗材料為早熟品種‘新陸早57號’，于4月19日播種，播種量75 kg/hm2，采用滴灌覆膜栽培，2.05 cm幅寬地膜，一膜6行，膜上行距(10+66+10+66+10)cm，株距9.3 cm，密度約25萬株/hm2。在開花盛期（7月14日）進行干旱處理，按Hsiao的方法設置3個土壤水分處理，分別為正常[CK，土壤相對含水量(75±5)%]、輕度干旱[MD，土壤相對含水量(55±5)%]、重度干旱[SD，土壤相對含水量(35±5)%]。在棉花盛花期開始，土壤相對含水量始終控制在70%～80%、50%～60%、30%～40%，至棉花停止生長。采用完全隨機設計，每個處理重復3次，共9個小區，日常管理按大田高產栽培技術要求進行。

1.3 測定項目及方法

干旱處理后，于2018年7月15日、7月22日、7月29日、8月5日、8月12日、8月24日、9月9日測定棉花葉片光合熒光參數，7月12日、8月1日、8月10日、8月24日、9月6日、10月8日測定葉面積和干物質。

1.3.1 光合參數 在晴朗無云的天氣，于11:00—13:00選取棉花主莖倒四葉，采用Li-6400XT便攜式光合作用測量系統(Li-Cor，USA)測定氣體交換參數，包括凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)等。設置氣體流速為500 μmol/s，3 cm×2 cm LED紅藍光光源，光合有效輻射為1500 μmol/(m2·s)。保證葉片生長狀況良好，無相互遮陰，測量過程中盡量保持葉片的原來狀態，以免影響測定結果的準確性。

1.3.2 熒光參數 采用Mini-PAM熒光儀(Walz，Germany)測定葉綠素熒光參數。試驗前棉花葉片在黑暗下處理20 min以上。在黑暗情況下，先測定最小熒光產量(Fo)和最大熒光產量(Fm)，然后打開光化光，大約3～5 min待熒光值穩定后，測定實際熒光光量子產量(Yield)和其他的所用熒光參數。

1.3.3 葉片水勢的測定 于11:00—15:00取受光方向一致的棉花主莖倒四葉為測定對象，用剪刀剪出直徑為40 mm的圓片，放置于WP4露點水勢儀樣品盒內，采用精準模式，1 h內完成葉片水勢的測定。

1.3.4 棉花發育期及生長量的測定 棉花發育期參照《農業氣象觀測規范》中棉花發育期標準進行觀測記錄，每個小區選取長勢均勻一致的植株，直接量出葉片的長度和寬度，將長寬之積乘以校正系數(0.75)，根據密度計算出葉面積指數(LAI)，然后采用烘干法測量植株干物質。

1.3.5 棉花產量結構分析及產量 棉花成熟后，采用5點取樣法，每點連續取8株，共40株，樣本取回曬干后，測定單株鈴數、蕾鈴脫落率、纖維長度、單鈴重等產量結構單項，每小區實收花記錄產量。

1.4 數據分析

采用Excel 2010進行數據統計，對不同干旱處理用SPSS 16.0 Duncan進行方差分析（顯著水平設定為P＜0.05），采用Sigmaplot 12.5作圖。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對棉花生長發育的影響

2.1.1 干旱脅迫對棉花發育期的影響 由表1可以看出，干旱影響了棉花的生育進程，且隨干旱脅迫程度的加劇而提前。在裂鈴期，相比CK，MD、SD提前了2、8天，在吐絮期，MD、SD較CK提前了2、6天，在吐絮盛期，MD、SD較CK提前了4、8天。

表1 干旱脅迫對棉花發育期的影響 月.日

2.1.2 干旱脅迫對棉花葉面積指數的影響 表2數據表明，各處理葉面積指數均隨處理時間的推移呈現先上升后下降的趨勢，8月22日達到峰值，MD、SD較CK分別下降了18.2%、42.7%，SD達顯著水平，其余時段各處理間差異不顯著，表現為CK＞MD＞SD。

表2 不同干旱脅迫下棉花葉面積指數

2.1.3 干旱脅迫對棉花干物質的影響 作物干物質是光合作用的產物，是表征作物生長狀況的基本特征之一。試驗結果（表3）表明，在試驗處理前期，不同水分處理條件下，棉花光合物質積累無明顯差異。自8月10日起，植株光合物質積累量隨干旱脅迫程度增加而顯著降低，表現為CK＞MD＞SD。重度干旱在8月10日、8月22日、9月6日、9月22日和10月8日差異達到極顯著水平，下降幅度分別為36.2%、46.4%、59.4%、60.7%、48.4%。輕度干旱在9月6日、9月22日和10月8日差異達到極顯著水平，下降幅度分別為53.0%、43.2%、43.4%。表明干旱顯著抑制了棉花的光合物質的積累，且重度干旱的影響到達了極顯著水平。

表3 干旱脅迫對棉花單株光合物質積累的影響 g

2.2 干旱脅迫對棉花葉片水勢的影響

在干旱環境下，植物對水勢的維持能力是植物抗旱性的一個重要機制。葉片水勢是衡量植物水分虧缺的靈敏指標。在干旱脅迫條件下，棉花在不同生長時期其葉片水勢均呈現先下降后上升的趨勢（圖1），整個脅迫期間表現為CK＞MD＞SD。干旱脅迫大幅度降低了SD處理的葉片水勢，較CK呈極顯著水平，7月29日測得葉片水勢低至-16.08 MPa，與對照相比下降了68.9%，且下降幅度最大。整個水分處理期間，MD和CK表現趨勢一致，8月12日水勢最小，與對照相比下降了41.9%。干旱脅迫推進了棉花的發育進程，重度干旱使棉花盛鈴期提前，導致葉片水勢最小值出現時間提前，且下降幅度最大，其主要原因是生長旺期棉花體內生理活動旺盛，在受到外界環境干旱脅迫時，水分代謝能力增強，通過大幅度降低葉片水勢來從土壤中吸收更多的水分，而在生長初期和末期，植物體內的生理代謝活動相對較弱，對體內水分的調節能力相對減小。

圖1 干旱脅迫對棉花葉片水勢的影響

2.3 干旱脅迫對棉花葉片光合特性的影響

圖2表明，整個干旱脅迫期間，胞間二氧化碳濃度Ci在210～260 μmol/(m2·s)之間波動波動。隨著干旱脅迫時間的增加，棉花功能葉片的凈光合速率Pn、氣孔導度Gs和蒸騰速率Tr均呈下降趨勢，且干旱脅迫強度越大，下降程度越大。在7月15—29日干旱處理期間，棉花葉片凈光合速率輕度干旱脅迫較對照無明顯變化，隨后顯著下降，8月5日、8月12日、8月24日較對照分別下降29.0%、28.2%、27.2%，9月9日較對照無明顯差異，而重度干旱脅迫自7月22日開始較對照一直呈顯著下降趨勢，7月22日、7月29日、8月5日、8月12日、8月24日、9月9日較對照分別下降18.5%、42.3%、34.8%、42.9%、20.0%、28.6%。氣孔導度在輕度干旱脅迫下，7月22日、7月29日、8月5日、8月12日、8月24日較對照分別下降17.3%、25.0%、38.9%、71.3%和69.2%，在重度干旱脅迫下，7月22日、7月29日、8月5日、8月12日、8月24日較對照分別下降35.8%、65.4%、46.8%、77.8%和76.5%。蒸騰速率在輕度干旱脅迫下7月22日、7月29日、8月12日、8月24日較對照分別下降29.2%、33.3%、48.0%和44.3%，在8月5日時無明顯變化，在重度干旱脅迫下，7月22日、7月29日、8月5日、8月12日、8月24日較對照分別下降41.6%、41.7%、49.6%、68.0%、31.0%。

圖2 干旱脅迫對棉花光合參數的影響

2.4 干旱脅迫對熒光參數的影響

由圖3可知，棉花葉片PSⅡ的最大光化學效率(Fv/Fm)、實際光化學量子產量(Yield)、光化學猝滅系數(qP)隨著干旱脅迫時間的延長呈下降趨勢，隨著干旱程度的增加而明顯降低。7月29日前，各干旱處理葉片的Fv/Fm基本一致，在8月5日—9月9日測得Fv/Fm下降幅度增大，除SD處理在8月12日測得Fv/Fm顯著低于其他處理，其余各時段各處理間均差異不顯著（圖3a）。Yield隨干旱處理時間進行呈現依次下降趨勢（圖3b），MD和SD處理在7月29日、8月5日、8月12日、8月24日、9月9日與對照相比分別下降了9.1%、19.5%、19.1%、14.0%、20.3%和14.8%、27.0%、31.5%、28.5%、43.8%。經方差分析，SD處理自7月29日開始顯著低于CK，自8月12日開始顯著低于MD，MD處理只有在8月12日后顯著低于CK，其余各時段均和CK差異不顯著。MD處理的qP隨著干旱脅迫時間的延下降緩慢且幅度較小，與CK的qP差異不顯著，SD處理的qP在前期緩慢下降，后期快速下降且幅度大，8月24日、9月9日測得qP與對照相比分別下降了36.5%、33.2%，與初始狀態相比分別下降了41.9%、44.7%（圖3c）。

非光化學猝滅系數(qN)則呈上升趨勢，前期上升緩慢，后期上升迅速（圖3d）。經方差分析，7月15日和7月22日各處理間差異不顯著。自7月29日開始，SD處理的qN顯著高于MD、CK，MD、CK處理間差異不顯著。

圖3 干旱脅迫對棉花熒光參數的影響

2.5 干旱脅迫對棉花產量的影響

由表4可知，常規灌溉條件下棉花產量最高，輕度干旱次之，重度干旱最低，且較對照產量降低了46.3%。產量構成因子中，單株結鈴數和單鈴重隨干旱脅迫程度的增加而降低，對照顯著高于干旱處理，輕度和重度干旱差異不顯著，重度干旱顯著增加了蕾鈴脫落率，輕度干旱和對照差異不顯著。干旱降低了棉花的纖維長度，對照顯著高于重度干旱，與輕度干旱差異不顯著。

表4 干旱脅迫對棉花產量構成因子及產量的影響

3 結論與討論

3.1 水分對棉花生長發育及產量的影響

非生物脅迫是影響植物生長發育和產量的重要環境因子，而又以干旱、低溫和鹽漬的影響最為嚴重，其中干旱所造成的危害超過了一切逆境因子的總和[14-15]，嚴重制約植物的生長發育及產量[16-21]。本試驗中，干旱推進了棉花生育進程，降低了葉面積指數但各處理間差異不顯著。干旱降低了光合速率，光合物質的積累量少，產量降低，基本表現為CK＞MD＞SD。

3.2 干旱對棉花葉片碳同化能力的影響

光合作用是植物對水分虧缺較為敏感的生理過程。干旱脅迫下植物光合作用下降的原因有氣孔因素和非氣孔因素[22]。干旱造成葉片氣孔導度關閉，胞間CO2濃度降低，導致CO2供應受阻，這屬于氣孔因素引起的[23-25]，而植物的光合酶類物質活性下降，葉綠體活力降低等因素導致光合作用能力下降則屬于非氣孔限制[26]。大量研究表明，干旱環境下植物葉片的氣孔導度顯著下降[27-30]。Hu等[31]研究表明，輕度干旱條件下棉花葉片的1,5-二磷酸核酮糖羧化/加氧酶總量和活性顯著降低。通常認為在干旱初期氣孔限制是導致光合速率下降的主要因素，隨著干旱脅迫加劇，葉綠素含量降低，光合酶活力下降，限制了葉片的光合作用，此時非氣孔因素成為限制光合作用的主要因素[32-33]。本試驗結果表明，干旱脅迫下棉花葉片的光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均顯著下降，且隨脅迫程度加劇呈下降趨勢，而葉片胞間CO2濃度210～260 μmol/(m2·s)之間波動且低于對照，這說明在輕度和重度干旱條件下棉花葉片的光合作用受到氣孔限制。

3.3 干旱對棉花葉片光抑制的影響

葉綠素熒光和光合作用的反應過程緊密相關，是植物光合功能受損的早期探針，可以用來快速、靈敏和非破壞性地分析逆境因子對光合作用的影響。Fv/Fm反應PSⅡ中心原始光能轉化效率，葉片的Fv/Fm可以作為是否發生光抑制的指標。本研究結果表明，隨著發育時期的推進，Fv/Fm呈下降趨勢，和CK差異不顯著，差值在0.01～0.02之間，表明棉花對水分虧缺具有耐受性，不易導致棉花葉片PSⅡ發生光抑制。這與張亞黎等、Zhang等[34-35]研究發現水分虧缺不易導致棉花葉片PSⅡ發生不可修復的光抑制一致。

Yield表示植物光合作用下PSⅡ有效光量子產量，反映光能捕獲效率，光化學猝滅系數(qP)反映光合電子傳遞效率，qN反映天線色素吸收的光能不能用于光化學電子傳遞而以熱的形式耗散掉的部分，可衡量植物的光破壞防御能力。本試驗（圖3）表明，qP和Yield隨干旱脅迫的增加而降低，qN則呈上升趨勢，說明干旱脅迫減少了天線色素捕獲光能，減慢電子傳遞效率，通過熱耗散的增加來釋放過剩的激發能，以保護自身的光合機構。

綜上所述，干旱脅迫導致葉面積指數、光合物質積累量、籽棉產量和葉片水勢下降。棉花葉片氣體交換參數顯著下降，對水分虧缺反映敏感。干旱減少了葉片對光能捕獲能力，減慢了電子傳遞效率，通過熱耗散的形式減少過剩的激發能對光合機構的傷害，保證光合機構的正常運轉。