灌水量和密度對無膜棉葉片逆境生理特征及產量的影響

劉強，李同蕊，王冀川，王潭剛，陳雪梅，李慧琴，馬麗

（1.塔里木大學植物科學學院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆生產建設兵團第三師農業科學研究所，新疆 圖木舒克 843901）

殘膜污染是當前新疆棉花種植中存在的關鍵問題，嚴重影響棉花產業健康可持續發展，采用無膜栽培，是解決殘膜污染的主要途徑之一［1］。關于水分、密度等農藝調控措施對棉花生長尤其是生理逆境特征影響的研究已有較多報道［2，3］。植物逆境的生理反應主要體現在葉片抗氧化保護酶活性及膜結構過氧化產物含量大小［4，5］。前人研究表明，水分虧缺可以改變作物體內的抗氧化酶活性［6，7］，許多重要酶類如SOD、POD、CAT等的活性都有所下降［8］。田又升等［9］研究表明，干旱脅迫可造成棉花葉片超氧陰離子含量增加，適度水分脅迫能激發體內抗氧化保護酶活性增加，以清除體內過多的活性氧，防止活性氧傷害；高密度條件下棉花主莖葉活性氧含量明顯增加，POD、SOD、CAT等抗氧化酶活性明顯下降，MDA含量增加，葉綠素含量相對較低［10］，不利于棉花生育后期的葉片功能發揮。以上研究均是在覆膜栽培條件下完成，而無膜棉具有特殊的土壤環境和群體結構，其對田間管理措施的生理響應也與有膜棉不同。因此，本試驗以‘中619’棉花品種為材料，研究不同灌水量和密度對無膜棉葉片保護性酶類及產量的影響，以期為無膜棉高效生產提供理論和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2020年在塔里木大學農學實驗站進行。該地位于塔里木盆地西北邊緣（40°33′N，81°16′E，海拔1012.2 m），是典型的極端干旱荒漠區，年平均氣溫11.2℃，年均降水量51.3 mm，年均蒸發量1988.4 mm，年均相對濕度在55%以下。試驗地為沙壤土，干土體積比重為1.22 g/cm3，有機質含量10.25 g/kg，田間持水量23.80%。

1.2 試驗材料與設計

試驗以‘中619’棉花品種（第三師農業科學研究所提供）為材料。采用兩因素裂區設計，主區為3個灌水量：3000 m3/hm2（W1）、4500 m3/hm2（W2）和6000 m3/hm2（W3）；副區為4個密度：29.24萬株/hm2（D1）、26.32萬 株/hm2（D2）、23.92萬株/hm2（D3）和21.93萬株/hm2（D4），共計12個處理。隨機區組排列，重復3次。小區面積10.5 m×2.2 m=23.1 m2。用水表記錄灌溉水量。小區之間用防滲板（PVC聚酯板）隔開，隔離深度60 cm，以防滲漏。

1.3 田間管理

試驗地翻耕前撒施重過磷酸鈣375 kg/hm2、尿素150 kg/hm2和硫酸鉀120 kg/hm2作基肥。4月14日，采用無膜加深點播（播深3.5 cm）、滴灌帶鋪設在窄行處并淺埋的（66+10）cm機采棉播種方式。生育期間滴灌8次，共滴施尿素600 kg/hm2、三元高磷水溶肥（10-30-10+TE）735 kg/hm2、三元高鉀水溶肥（12-8-30+TE）225 kg/hm2。7月15日打頂。盛蕾期、初花期和盛花期化控3次，縮節胺用量分別為22.5、37.5、120.0 g/hm2。

1.4 測試項目及方法

出苗后觀測生育進程，每隔7～10 d定點測量植株的形態指標，于關鍵生育時期（初蕾期：第一果枝現蕾時期；盛蕾期：第四果枝現蕾期；初花期：第一果枝開花期；盛花期：第四果枝開花期；盛鈴期：第四果枝棉鈴直徑達2 cm時，在8月10日前后；初絮期：第一果枝吐絮期；盛絮期：第四果枝吐絮期。以上時期均以全田50%的棉株達物候指標為準），每小區選取10株有代表性棉株，用SPAD-502型葉綠素儀測定每株倒四葉的SPAD值并求其平均值。剪取棉株主莖最大葉，用蘇州科銘生物技術有限公司的試劑盒測定POD、SOD、CAT活性和MDA含量。

初霜期（11月5日）統計小區棉花株數并摘取代表性棉株所有吐絮鈴籽棉，計算單株有效結鈴數、單鈴重，實收小區籽棉統計產量。

1.5 數據處理與分析

用Microsoft Excel 2003進行數據處理與作圖，用DPS 7.05軟件進行最小顯著差異法（LSD）多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同灌水量與密度對無膜棉葉片SPAD的影響

由圖1可見，無膜棉葉片SPAD值隨生育進程呈先升后降趨勢，即初蕾至盛蕾期緩慢增長，盛蕾至盛花期快速增長，至盛花期達到峰值，隨后緩慢下降。同一灌水量條件下，隨密度增加，SPAD值呈先增加后減小趨勢，表現為D3＞D4＞D2＞D1。D3處理在各生育期大多顯著高于其它處理（P＜0.05），且在盛花期SPAD均值最大，達71.49，較D1、D2和D4分別增加6.34%、3.38%和2.16%。從盛花期至盛絮期葉片SPAD值下降趨勢來看，D1降幅為13.15%，D2為11.46%，D3為10.68%，D4為10.56%。這說明種植密度過大，通風透光受到影響，植株個體間競爭激烈，造成葉片葉綠素含量快速下降，加速葉片衰老。

圖1 不同灌水量與密度處理下無膜棉葉片SPAD值變化

同一密度條件下，葉片SPAD值隨灌水量的增多先增加后降低，表現為W2＞W3＞W1。初花期以后，各灌水處理間葉片SPAD值差異隨生育進程而逐漸加大，盛鈴期W2處理SPAD均值為71.05，顯著高于W1和W3處理（P＜0.05），增幅為9.43%和5.20%。說明灌水量過低或過高均會使葉綠素含量下降，即干旱脅迫使植物體內色素分解加快，高水條件造成植株營養生長過旺、葉片色素密度下降，均不利于光合性能的發揮。

不同組合處理下，盛花期葉片SPAD值較高的為W2D3、W2D4和W2D2，分別達73.51、72.88和70.75，W1D1最低，僅為66.03。從各生育期SPAD均值的變異系數（CV）看，不同灌水量下無膜棉SPAD值的CV為4.62%，不同密度下無膜棉SPAD值的CV為2.86%，說明灌水量對無膜棉SPAD值的影響大于密度。

2.2 不同灌水量與密度對無膜棉葉片MDA含量和保護酶活性的影響

2.2.1 對無膜棉葉片MDA含量的影響 由圖2可見，無膜棉葉片MDA含量隨生育進程不斷增加，以盛絮期最大。同一灌水量條件下，隨密度增加葉片MDA含量呈先降后增趨勢，表現為D1＞D2＞D4＞D3。從各生育期葉片MDA含量平均值來看，D3處理為36.64μmol/gFW，顯著低于D1、D2和D4處理（P＜0.05），降幅為20.40%、11.66%和5.34%，可見，適宜密度（D3）有利于減緩葉片膜脂結構損傷程度，保持葉片的生理功能。同一密度條件下，無膜棉葉片MDA含量隨灌水量的增加而減少，表現為W3＜W2＜W1。W1處理MDA含量平均為42.35μmol/gFW，顯著高于W2和W3處理（P＜0.05），增幅為4.70%和13.26%，說明灌水量過低將引起干旱脅迫，加重棉株逆境傷害程度。從組合處理來看，各生育期葉片MDA含量平均值最高的是W1D1，為47.58μmol/gFW；其次是W2D1，為43.70 μmol/gFW；再次是W1D2，為42.65μmol/gFW。可見，密度過大或水分脅迫下，葉片MDA含量明顯增加，膜脂損傷程度加劇，對棉株生長發育不利。從各生育期葉片MDA含量平均值的CV看，灌水量處理的CV為6.24%，密度處理的CV為8.02%，說明密度對無膜棉葉片MDA含量的影響大于灌水量。

圖2 不同灌水量與密度處理下無膜棉葉片MDA含量變化

2.2.2 對無膜棉葉片POD活性的影響 無膜棉葉片POD活性隨生育進程呈單峰曲線變化，盛花期達到峰值（圖3）。同一灌水量條件下，POD活性隨密度增加呈先增后降趨勢，表現為D3＞D4＞D2＞D1。D3處理各生育期POD活性平均值為237.73 ΔOD470/（min·g），顯著高于D1、D2和D4處理（P＜0.05），增幅分別為30.22%、13.92%和9.05%。同一密度條件下，葉片POD活性以W2最高，其次是W3，W1最低。W2處理各生育期POD活性平均值為225.84ΔOD470/（min·g），較W1和W3分別增加14.27%和6.67%，差異達顯著水平（P＜0.05）。說明保持適宜水分能提高葉片POD活性，降低自由基氧化造成的傷害。組合處理中，以W2D3葉片POD活性平均值最高，達261.95ΔOD470/（min·g）；其次是W3D3，為235.41ΔOD470/（min·g）；再次是W2D4，為230.80ΔOD470/（min·g）。說明較充分灌水和適當稀植有利于降低逆境對棉株造成的傷害，POD活性表現較高。從各生育期葉片POD活性平均值的CV看，不同灌水量下的CV為6.66%，不同密度下的CV為10.82%，說明密度對無膜棉葉片POD活性的影響大于灌水量。

圖3 不同灌水量與密度處理下無膜棉葉片POD活性變化

2.2.3 對無膜棉葉片SOD活性的影響 由圖4可見，無膜棉葉片SOD活性盛花期之前呈現緩慢上升趨勢，盛花期達到最大值，隨后又逐漸下降。同一灌水量條件下，葉片SOD活性表現為D3＞D4＞D2＞D1，其中D3處理各生育期SOD活性平均值達到399.30 U/gFW，顯著高于D1和D2處理（P＜0.05），增幅達15.34%和10.10%。表明適宜密度能提高無膜棉葉片SOD活性，降低自由基對膜脂的傷害。同一密度條件下，W2處理葉片SOD活性最大，其次是W3，W1處理最小。W2處理各生育期SOD活性平均值為424.03 U/gFW，顯著高于W1和W3（P＜0.05），增幅為28.53%和15.64%。說明適宜的灌水量能有效提高無膜棉葉片SOD活性，增加其清除自由基的能力，降低氧化傷害。組合處理中，W2D3各生育期SOD活性平均值最高，為453.25 U/gFW；其次是W2D4，為440.74 U/gFW；再次是W2D2，為410.69 U/gFW。可見，適宜的灌水量是保證較高SOD活性的基礎，但需結合適宜密度，才能提高無膜棉自身抗氧化防衰老的能力。從各生育期SOD活性平均值的CV看，不同灌水量下的CV為6.34%，不同密度下的CV為12.70%，說明密度對無膜棉葉片SOD活性的影響大于灌水量。

圖4 不同灌水量與密度處理下無膜棉葉片SOD活性變化

2.2.4 對無膜棉葉片CAT活性的影響 由圖5可以看出，無膜棉葉片CAT活性隨著生育進程呈明顯的單峰曲線變化，初蕾期至盛花期快速增加，盛花期達峰值，隨后又快速下降。同一灌水量條件下，CAT活性隨密度增加呈先增后降趨勢，表現為D3＞D4＞D2＞D1。D3處理各生育期CAT活性平均值最高，達94.61 U/（min·gFW），顯著高于D1、D2和D4處理（P＜0.05），增幅為22.09%、12.41%和6.81%。同一密度條件下，W2處理CAT活性最高，其次是W3，W1處理最低。W2處理各生育期CAT活性平均值為91.30 U/（min·gFW），顯著高于W1和W3處理（P＜0.05），增幅為11.58%和6.78%。組合處理中，W2D3各生育期CAT活性平均值最高，為101.99 U/（min·gFW）；其次是W3D3，為93.66 U/（min·gFW）；再次是W2D4，為92.17 U/（min·gFW）。這說明適宜灌水量和密度條件下，葉片能保持較高的生理活性，減緩植株衰老。不同灌水量下各生育期CAT活性平均值的CV為5.54%，而不同密度下的CV為8.38%，說明密度對無膜棉葉片CAT活性的影響大于灌水量。

圖5 不同灌水量與密度處理下無膜棉葉片CAT活性變化

2.3 不同灌水量和密度對無膜棉產量的影響

由圖6可知，同一密度條件下，W2處理棉花平均產量最高，達5095.59 kg/hm2；其次是W3，為4396.75 kg/hm2；W1最低，為3675.96 kg/hm2。W2處理產量顯著高于W1和W3（P＜0.05），增幅分別為38.62%和15.89%。同一灌水量條件下，不同密度處理棉花產量高低為D3＞D2＞D4＞D1。D3處理棉花產量平均值為4940.22 kg/hm2，比D1、D2和D4分別增加28.40%、12.01%和13.32%。

圖6 不同灌水量與密度對無膜棉產量的影響

組合處理中，W2D3棉花產量最高，達5714.10 kg/hm2；其次是W2D4、W2D2和W3D3，分別為5241.21、5044.12 kg/hm2和4940.95 kg/hm2；W1D1最低，W1D2也較低，分別為3166.55、3589.56 kg/hm2。可見，4500～6000 m3/hm2灌水量（W2、W3）和21.93萬～23.92萬株/hm2（D3、D4）種植密度是本地區較適宜的技術組合。

以灌水量（W）和密度（D）為自變量、產量（Y）為因變量建立二次多項式，得Y=-27696.07+3.8696W+1951.6540D-0.0005W2-41.9899D2+0.0240WD，R2=0.9241，繼而求極值，得出：灌水量4735.80 m3/hm2、種植密度24.59萬株/hm2組合處理產量最高，達5463.38 kg/hm2。此結果可作為生產應用的參考。

從灌水量、種植密度對產量影響的程度上看，不同密度處理間產量的CV為16.17%，大于不同灌水量處理間的CV（10.17%），說明密度和水分顯著影響無膜棉產量，并以密度為主。

3 討論

一般認為，密度過高會加劇作物群體與個體生長之間的矛盾，個體生理性能減弱，生育后期造成葉片活性氧含量增多、抗氧化酶活性下降、膜脂過氧化速度加快、葉綠素與類胡蘿卜素快速降解，導致作物出現早衰［10］。本試驗發現，無膜棉葉片MDA含量隨生育進程逐漸增加，POD、SOD、CAT活性呈單峰曲線變化，盛花期最大。隨密度增加MDA含量表現為D1＞D2＞D4＞D3，POD、SOD、CAT表現為D3＞D4＞D2＞D1，這與前人研究結果一致［11］。馮方劍等［12］認為，水分脅迫能調節棉花體內可溶性糖、游離脯氨酸、甜菜堿等含量，進而改變體內SOD、POD等酶的活性。本研究表明，水分虧缺導致無膜棉葉片MDA含量升高，POD、SOD和CAT活性在適宜灌水量處理（W2）下最高，水分過高或過低均對保護酶活性不利，這與劉靈娣等［13］的研究結果一致。但也有研究認為，干旱處理能降低花鈴期棉花葉片相對含水量，增加POD和CAT活性及MDA含量［14］，出現這種與本研究結果不同的原因可能與品種和氣候條件有關［15］。

在干旱地區，灌溉是保證作物生長的關鍵，在此基礎上采取適宜的種植密度可以充分發揮水密耦合效應，以保證個體生理活性，提高物質生產能力［16］。本試驗中，無膜棉葉片MDA含量和保護性酶類活性受密度的影響大于灌水量，這與有膜棉不同。其原因可能是由無膜栽培促進棉花根系下扎，后期早衰不明顯，葉片功能延長所致［17］，且無膜棉保苗困難［18］，也是密度效應高于灌水效應的原因之一。

灌水量與種植密度顯著影響棉花產量，這與前人［19，3］的研究結果一致，所不同的是本研究認為南疆無膜棉適宜的灌水量和種植密度為4500～6000 m3/hm2和21.93萬～23.92萬株/hm2，高于劉素華等［19］認為的4000 m3/hm2和18萬～24萬株/hm2。這可能與無膜棉田間耗水量大、棉株發育慢、群體較小等生長特性有關［20］。

4 結論

本試驗中，無膜棉各處理葉片SPAD值隨生育進程呈先上升后降低趨勢，以盛花期最大，且隨密度和灌水量的增加表現出先增后減趨勢。葉片MDA含量隨密度增加呈先降低后增加趨勢，表現為D1＞D2＞D4＞D3，不同灌水量下表現為W1＞W2＞W3。葉片POD、SOD、CAT活性均隨生育進程呈先增后降趨勢，不同密度間表現為D3＞D4＞D2＞D1，不同灌水量間表現為W2＞W3＞W1。適宜灌水量（W2、W3）和種植密度（D3、D4）下無膜棉產量較高，達4940.95～5714.10 kg/hm2，并以W2D3處理最高。