深松深度對棉花冠層光合特征及產(chǎn)量的影響

馬 君,王 靜,李春艷,王 亮,師維軍,崔建平,田立文,郭仁松

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部荒漠綠洲作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室,烏魯木齊 830091;2.新疆農(nóng)業(yè)廣播電視學校,烏魯木齊 830052;3.新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)技術推廣總站,烏魯木齊 830000)

0 引 言

【研究意義】棉田連作易造成耕層土壤結(jié)構退化、土壤蓄水保肥能力下降,犁底層增厚變硬,棉花根系下扎阻力增大,從而影響棉花生長發(fā)育及產(chǎn)量形成[1,2]。深松作為新的一種耕作方式在改善棉田土壤環(huán)境,促進棉花根系生長及提高棉花產(chǎn)量等方面發(fā)揮著重要作用,近年來已成為耕作學領域研究的熱點[3]。【前人研究進展】深松使土壤容重、土壤緊實度降低,破壞長期耕作形成的犁底層,加深耕層深度,促進作物生長,提高葉片光合作用[4,5]。在玉米或小麥上,深松能促進根系對養(yǎng)分的吸收[6],從而提高葉片葉綠素含量,葉面積指數(shù)增大,葉片光合勢和凈光合速率增強[7],進而促進了干物質(zhì)積累,最終提高產(chǎn)量[8]。【本研究切入點】新疆棉田耕作和種植模式單一,易造成連作障礙,影響棉株生長發(fā)育,目前對于新疆深松棉田相關研究尚較少。需要深入探討深松在新疆棉田的應用對棉花光合及干物質(zhì)積累的影響。【擬解決的關鍵問題】研究采用不同深松深度,結(jié)合秸稈還田,分析深松對新疆棉花冠層結(jié)構特征、光合特性及干物質(zhì)積累特征的影響。連續(xù)2年試驗,研究深松深度對不同生育期棉花冠層光合變化及干物質(zhì)積累特征與產(chǎn)量形成的影響,為深松在新疆棉田的應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2019～2020年在新疆阿克蘇地區(qū)新疆農(nóng)業(yè)科學院阿瓦提縣綜合試驗基地進行。試驗田為壤土,耕層土壤(2年平均值)有機質(zhì)含量6.98 g/kg、全氮0.42 g/kg、堿解氮48.06 mg/kg、速效磷21.34 mg/kg、速效鉀98.17 mg/kg,前茬作物為棉花,供試品種為新陸中88號。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用單因素隨機區(qū)組設計,在秸稈還田和常規(guī)翻耕條件下,以不深松正常翻耕棉田為對照(CK),設置深松30 cm(S1)、40 cm(S2)、50 cm(S3)3個處理,深松處理前進行秸稈還田,深松分別在2018年11月25日和2019年11月20日進行,采用彎刀式深松機(帶有精準控制深度定位儀),深松后灌溉冬水。翌年播種前常規(guī)翻耕,翻耕分別在2019年4月12日和2020年4月13日進行,平均翻耕深度25 cm,棉花播種期分別為2019年4月14日和2020年4月15日,采用2.05 m寬膜覆蓋,1膜6行,棉花行距配置為(10+66)cm,株距為11 cm,其他管理措施同高產(chǎn)田。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 冠層結(jié)構

利用LAI-2000植物冠層測定儀,在棉花現(xiàn)蕾期、初花期、盛花期、盛鈴期、吐絮期選擇陰天或19:00～20:00測定棉花葉面積指數(shù)(LAI)、葉傾角(MTA)和冠層開度(DIFN),各處理樣點重復3次。

1.2.2.2 光合作用

利用TPS-2型光合儀 (英國),于棉花初花期、盛花期、盛鈴期選擇晴朗天氣11:30～12:30測定棉花標記的主莖倒四葉的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導度(Gs),每處理測6株,重復3次。

1.2.2.3 干物質(zhì)

在棉花蕾期、初花期、盛花期、盛鈴期、吐絮期選擇長勢均勻具有代表性植株6株,取樣并將其分解,在105℃殺青30 min后80℃烘干至恒重,稱重,重復3次,將整個生育時期干物質(zhì)積累量做Logistic方程模擬。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 和DPS7.05軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 深松深度對棉花冠層結(jié)構特征的影響

關于“多媒體設備的操作屬于那種情況”，農(nóng)村地區(qū)有98名(40.49%)老師是比較熟練的使用多媒體設備，其他老師選擇一般，說明一半以上的英語老師多媒體設備的操作技能是有待提高的。

研究表明,不同深松深度處理棉花葉面積指數(shù)(LAI)在2019年和2020年均呈單峰曲線變化趨勢。不同深松深度處理葉面積指數(shù)峰值均出現(xiàn)在盛花期,各處理表現(xiàn)一致。隨著深松深度的增加葉面積指數(shù)呈增大趨勢(2年平均值),以S3最高,其值為5.5,表現(xiàn)為S3>S2>S1>CK,分別較CK增大12.94%、9.29%、0.92%。而其他生育時期均以S2葉面積指數(shù)為最高,且不同處理之間在盛鈴期至吐絮期差異顯著(P<0.05),深松有利于棉花生育后期保持較高的LAI。圖1

注:BS:現(xiàn)蕾期 ;IFS:初花期;FFS:盛花期;FBS:盛鈴期;BOS:吐絮期.下同

不同深松深度處理在棉花生育期葉傾角(MTA)呈先降低后升高的變化趨勢,2年的表現(xiàn)一致。隨深松深度的增加不同深松深度處理棉花葉傾角呈增大趨勢,S3、S2、S1較CK盛花期、吐絮期分別增大1.86%、5.29%、4.91%,8.73%、9.16%、10.45%,且S2、S3之間差異不顯著(P>0.05),與CK差異顯著(P<0.05)。深松影響葉傾角的大小,S2、S3在棉花生長中后期葉傾角增大,有利于葉片進行光合作用。圖2

圖2 不同深松深度下棉花不同生育時期MTA變化Fig.2 Effects of subsoiling depth onMTA at different growth stages of cotton

棉花冠層開度(DIFN)2年的變化趨勢相同,隨著生育期推進呈先下降后上升的趨勢,均在盛花期達到最小值。隨著深松深度的增加,DIFN2年的平均值逐漸降低,與CK相比S1、S2、S3降幅分別為32.7%、53.5%、59.1%,其中S2與S3之間無顯著性差異(P>0.05),但2年間S2、S3在整個生育期DIFN均顯著低于CK(P<0.05)。圖3

圖3 不同深松深度下棉花不同生育時期DIFN變化Fig.3 Effects of subsoiling depth onDIFN at different growth stages of cotton

2.2 深松深度對棉花光合特征的影響

研究表明,初花期隨著深松深度的增加凈光合速率呈增加趨勢,其中S2、S32年平均值分別較CK增加10.87%、13.70%,S1與CK差異不明顯。而盛花期、盛鈴期凈光合速率以S2最高,表現(xiàn)為S2>S3>S1>CK,其中盛花期S2、S3、S12年平均值分別較CK增加8.81%、6.43%、2.51%;盛鈴期S2、S3、S12年平均值分別較CK增加14.32%、12.77%、5.59%。圖4

圖4 不同深松深度下棉花不同生育時期Pn變化Fig.4 Effects of subsoiling depth onPn at different growth stages of cotton

初花期棉花葉片蒸騰速率無明顯規(guī)律,2019年以S2為最高,2020年則以S3最低,而2年平均值以S2最高,其次是S3,分別較CK提高23.41%、14.97%。而盛花期、盛鈴期棉花葉片蒸騰速率規(guī)律性明顯,即隨著深松深度增大呈增加趨勢,表現(xiàn)為S3>S2>S1>CK,盛花期各處理蒸騰速率分別增加15.61%、8.53%、0.73%,盛鈴期各處理蒸騰速率分別增加19.12%、18.56%、2.45%。圖5

圖5 不同深松深度下棉花不同生育時期Tr變化Fig.5 Effects of subsoiling depth onTr at different growth stages of cotton

初花期、盛花期氣孔導度隨著深松深度的增大呈先增加后降低的趨勢,2年變化趨勢基本一致,以S2值最高,2年的平均值分別較CK增加33.10%、66.18%。盛鈴期則是隨著深松深度的增加呈增加趨勢,以S3值最高,2年平均值較CK增加64.52%。深松深度增加促進了棉花中后期功能葉片氣孔張開,增加了氣孔吸收CO2的量,從而提高葉片凈光合速率。圖6

圖6 不同深松深度下棉花不同生育時期Gs變化Fig.6 Effects of subsoiling depth onGS at different growth stages of cotton

2.3 深松深度對棉花干物質(zhì)積累特征影響

表1 不同深松深度處理棉花干物質(zhì)積累Logistic模型及主要參數(shù)

2.4 深松深度對棉花產(chǎn)量及構成因素影響

研究表明,深松對棉花產(chǎn)量及構成因素影響差異顯著(P<0.05)。2年的籽棉產(chǎn)量均以S2最高,分別為6 177.38、5 713.87 kg/hm2,CK籽棉產(chǎn)量最低,分別為5 275.96、4 507.12 kg/hm2,皮棉產(chǎn)量與籽棉產(chǎn)量表現(xiàn)一致。S3、S2、S12年平均籽棉產(chǎn)量分別較CK增加20.65%、21.93%、11.02%,其中S2與CK、S1差異達顯著水平(P<0.05),與S3差異不顯著(P>0.05)。單鈴重2年平均值隨深松深度的增加呈增大趨勢,S1、S2、S3分別較CK增加3.58%、8.90%、9.12%。單株鈴數(shù)2年平均值以S2最高,分別較CK、S1、S3增加6.62%、2.22%、0.18%。而各處理收獲株數(shù)與衣分2年平均值差異不顯著(P>0.05)。表2

3 討 論

3.1優(yōu)化冠層結(jié)構能夠調(diào)節(jié)作物群體葉片光截獲能力、光合有效輻射的分布及光能利用率,是作物光合產(chǎn)物量累積和產(chǎn)量形成的基礎[9,10]。葉面積指數(shù)是衡量作物冠層結(jié)構是否合理的主要指標[11]。研究結(jié)果表明,深松處理棉花葉面積指數(shù)在整個生育期呈現(xiàn)前期增長快,中期水平高,后期下降緩的特點,與王春雷等[12]、尹斌等[13]在玉米上的研究結(jié)果基本一致,深松能夠協(xié)調(diào)玉米根-冠系統(tǒng)的發(fā)展,提高葉綠素含量及葉面積指數(shù),使后期葉面積指數(shù)下降幅度小,保持較高光合能力。葉片作為主要光合器官,其葉傾角的變化直接影響作物的光合效率。研究結(jié)果表明,深松提高了棉花葉片葉傾角,減小了葉片交互影響,優(yōu)化了冠層結(jié)構,增加了群體光合有效面積,有利于提升棉花中下部葉片光合能力,從而減小了因葉面積指數(shù)提高,而造成的冠層開度下降的影響。

表2 深松深度下棉花產(chǎn)量及構成因素變化

3.2深松對作物光合作用有明顯促進作用,許菁等[14]深松顯著提高冬小麥-玉米兩熟地小麥和玉米光合速率、氣孔導度和蒸騰速率,延緩了葉片衰老,使作物后期光合速率保持較高水平,同時提升了小麥和玉米花后光合產(chǎn)物對產(chǎn)量的貢獻率。與研究結(jié)果基本一致,深松促進了棉花光合作用,凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度在初花期、盛花期、盛鈴期較不深松棉田有明顯的提高。胡樹平等[15]在向日葵上的研究也得出一致結(jié)論,而晉鵬宇等[16]發(fā)現(xiàn)播前深松有效提高玉米吐絲期凈光合速率,但4葉期深松使其降低,原因是玉米生長期深松破壞了根系的生長。

3.3深松與作物中后期干物質(zhì)積累量及產(chǎn)量形成密切相關[17]。鄭成巖等[18]研究認為土壤深松提高了小麥旗葉光合生產(chǎn)能力和開花后干物質(zhì)積累量及其光合產(chǎn)物向籽粒的分配比例,有利于增加小麥粒重。趙亞麗等[19]研究表明,深松+秸稈還田使冬小麥和夏玉米周年干物質(zhì)積累量提高22.9%,周年產(chǎn)量提高19.3%。研究中,深松促進了棉花干物質(zhì)積累量較早達到最大積累速率,且快速積累持續(xù)期延長,中后期干物質(zhì)積累量增加,使光合產(chǎn)物向生殖器官轉(zhuǎn)移量增加,從而增加了單鈴重,促進了產(chǎn)量提升。

4 結(jié) 論

與常規(guī)翻耕相比,深松40 cm(S2)結(jié)合翻耕明顯改善了棉花關鍵生育期冠層結(jié)構和光合性能,使棉花在花鈴期仍然保持較高的葉面積指數(shù)和凈光合速率,延緩了棉花葉片光合作用功能期,增加了棉花干物質(zhì)快速積累期,顯著提高了籽棉產(chǎn)量。新疆主產(chǎn)棉區(qū)采用深松40 cm能夠改善棉花生長狀況。