大气CO2浓度增加对新疆绿洲膜下滴灌棉花生长发育的影响

刘瑜+尹飞虎+高志建

摘要：通过田间小区试验，研究CO2浓度对施氮水平棉花生理的影响。研究结果：（1）C360、C540水平下，低氮处理棉花株高高于高氮处理，C720水平棉花株高则为低氮处理低于高氮处理；（2）棉花叶、蕾、茎表现为高氮处理干质量大于低氮处理，随CO2浓度增加，干物质量均先增加后降低；根干质量在C360、C540水平下低氮处理高于高氮处理，C720水平则为高氮处理高于低氮处理。2个氮水平下根冠比均表现为随大气CO2浓度升高而升高；（3）通气前，棉花叶片SPAD值表现为高氮处理高于低氮处理，通气过程中C540水平棉花叶绿素含量（SPAD值）逐渐升高，通气结束后，高氮处理表现为叶片SPAD值随CO2浓度升高而升高，低氮处理则表现为C540>C720>C360。

关键词：CO2浓度；棉花；株高；干物质量；根冠比；SPAD值

中图分类号： S562.06 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）11-0108-03

由于人类活动的影响，导致大气CO2浓度持续升高，CO2浓度升高不但会对全球气候和整个人类生存环境产生重大影响，而且会影响到植物生长发育和生理过程[1]。棉花是我国重要的经济作物，棉花生育过程中对环境条件反应十分敏感[2]。新疆生产建设兵团是我国重要的优质商品棉生产基地，随着大气中CO2浓度的持续增加，必然会影响棉花的生长和干物质量的积累[3]。有关新疆生产建设兵团CO2浓度增加和供氮水平对棉花生长发育的影响鲜有报道。花铃期作为棉花产量、品质形成的关键时期，也是对外界环境反应最敏感的时期，本试验通过花铃期增加田间CO2浓度，研究CO2浓度增加对棉花干物质积累及叶片SPAD值的影响，以期为大气CO2浓度不断增加的情况下合理施肥及田间管理提供相关理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2012年在新疆农垦科学院农业试验场进行。该区属典型的温带大陆性气候，年日照时数为2 721～2 818 h，年无霜期168～171 d。供试土壤为灌耕灰漠土，土壤类型为中壤土。土壤本底养分含量为有机质6.94 g/kg、碱解氮 41 mg/kg、速效磷21 mg/kg、速效钾99 mg/kg，pH值8.48。

1.2 试验设计

供试棉花品种为新陆早33号。采用机械铺膜播种，1膜4行双毛管配置，宽窄行种植，大行50 cm，小行20 cm，株距为12 cm。滴灌毛管铺设在棉花窄行中间，棉花密度为 195 000株/hm2。

试验采用裂区设计，为2因素完全随机设计。主区设3个大气CO2浓度[C360（本底CO2浓度，360 μmol/mol）；C540（半倍增CO2浓度，540 μmol/mol）；C720（倍增CO2浓度，720 μmol/moL）]，副区设2个施氮水平（低氮，150 kg/hm2；高氮，450 kg/hm2），氮肥为尿素（氮含量46%）。试验共6个处理，分别为：处理1（C360-N150）、处理2（C540-N150）、处理3（C720-N150）、处理4（C360-N450）、处理5（C540-N450）、处理6（C720-N450），每个处理重复3次，共18个小区。主区之间设保护行，副区之间相邻，副区面积为42 m2。主区四周分别用透光塑料膜包围，膜高度为1.5 m。

在棉花盛花期，连续通气20 d（7月18日至8月7日），每天12：00—15：00运用大田滴灌带将钢瓶中的CO2气体释放分布于整个主区内。CO2气体浓度误差控制在目标值的5%以内。不同处理单独设置施肥装置，滴灌设置和管理同大田。

1.3 植株样品的采集及分析

从棉花初蕾期至铃期于各小区定点监测10株棉花，调查棉花株高、叶龄数；并在通气不同阶段测定每小区30株棉花倒4叶SPAD值，求平均数后作为该小区棉花叶片SPAD值；通气结束后，采集各小区具有普遍代表性的植株5株，按器官将每株分叶、蕾、茎、根4个部分，分别称质量后放入105 ℃烘箱杀青30 min，然后80 ℃烘至恒质量，取出称质量，计算根冠比和干物质含量百分比，干物质含量百分比为干物质占植物总鲜质量的百分比。

1.4 数据处理与分析

试验数据分析采用多次重复的平均值，数据处理和方差分析在Excel 2003及SPSS 18.0软件内进行，处理间的差异性显著性采用Duncans法进行单因素和双因素多重比较。

2 结果与分析

2.1 CO2浓度增加对棉花株高的影响

通过对棉花不同生育期株高、叶宽的调查可以看出，通气和施氮都会对棉花株高和叶片数产生影响。株高顺序表现为处理1>处理4>处理6>处理2>处理5>处理3，7月20日打顶结束后，棉株高度基本保持稳定但略有增长（图1）。处理1的棉株虽然一直最高，但是田间调查时可发现，棉株长势单薄，叶片偏黄；处理3棉株矮，可能是由于大气CO2浓度倍增，但是氮肥施用量较低，不能满足棉花体的正常C/N比，影响了棉株生长。

2.2 CO2浓度增加对棉花叶龄的影响

叶片对棉花生育过程中的光合作用、物质积累有重要的意义。通过对叶龄数调查，不同处理间棉花叶龄数没有显著性差异。打顶结束后，棉花叶龄数仍表现为略有增加（图2），主要是随着生育期延长，未完全展开的叶片完全展开了。通气结束后叶龄数表现为相同CO2浓度水平下，高氮处理叶龄高于低氮处理。

2.3 CO2浓度增加对棉花植株干物质量、根冠比的影响

干物质量是衡量植物有机物积累、营养成分多少的重要指标之一。通过分析，2个氮水平下棉花叶、蕾、茎干物质量均随着CO2浓度增加呈先增加后降低趋势；根干物质量在低氮处理下也表现出先增后降趋势，但高氮处理下则表现为随CO2浓度增加而增加。相同氮水平下，随CO2浓度增加地上部总干物质量先增加后降低；根冠比呈现出增加趋势，说明在低氮、高氮水平下，增加大氣中CO2浓度均能促进棉花根系生长。相同CO2浓度下，随着施氮量增加，棉花叶、蕾干物质量增加，地上部总生物量呈现增加趋势；正常CO2浓度和半倍增CO2浓度下，茎干物质量随施氮量增加而增加，根干物质量随施氮量增加而降低；根冠比表现为随施氮量增加而降低趋势，说明低氮处理促进棉花根系生长以获得更多养分（表1）。通过对CO2浓度、氮水平2个因子的主成分分析后发现二者共同作用对棉花植株各器官干物质量产生极显著的作用。

2.4 CO2浓度增加对棉花SPAD值的影响

叶绿素是植物光合作用的重要色素，与氮代谢密切相关，植物叶绿素含量可以反映出植物的生理状态及其与环境的关系[4]。本研究对CO2通气前、通气中及通气后的棉花倒4叶SPAD值测定分析，表明棉田增施CO2和施用氮肥都会对棉花叶绿素含量产生影响。通气前，高氮处理叶片SPAD值高于低氮处理；增施CO2后，棉花叶片SPAD值发生了改变，通气过程中，低氮处理随着大气CO2浓度增加，叶片SPAD值表现为增高趋势；高氮处理在通气前期C720>C360>C540，通气中后期CO2浓度半倍增处理叶片SPAD值逐渐升高，在通气后期达到最高值；通气结束后，低氮处理表现为C540>C720>C360，高氮处理则表现为随大气CO2浓度升高叶片SPAD值升高（图3）。

3 讨论与结论

随着工业化进程的加快，大气中CO2浓度在不断升高。大气CO2浓度增加对人类生活、生态环境都将产生影响。植物对环境变化的响应最为敏感，很多研究均显示大气CO2浓

[FK（W12][TPLY3.tif]

度升高对植物的生长具有促进作用，李伏生等通过对春小麦的研究表明，随CO2浓度升高春小麦地上部干物質量增加[5]，黄辉等在大豆的试验也得出相似结论[6]。本研究结果显示，随CO2浓度增加，地上部总干物质量先增加后降低；根冠比呈现出增加趋势，表明大气中CO2浓度增加能促进棉花根系生长。黄丽芬等通过试验显示水稻地上部干物质积累量随着氮素水平的上升显著增加[7]，本研究结果也支持这一结论。

叶片叶绿素含量的消长规律是反映叶片生理活性变化的重要指标之一[8]。罗新宁等对棉花叶绿素分析表明，施氮量增加能够提高棉花叶片的SPAD值[9]。本研究通过对通气前、通气中、通气后的调查，增施CO2前，高氮处理SPAD值高于低氮处理；增施CO2过程中，低氮处理SPAD值随着大气CO2浓度增加而增加；通气结束后，低氮处理表现为C540>C720>C360，高氮处理SPAD值则表现为随大气CO2浓度升高而升高。汪玲等通过对棉花叶片SPAD值和产量之间关系的研究，叶片SPAD值与产量之间存在明显的正相关[10]，棉花生育期积累的叶绿素含量越高，产量越高，高志建等的研究结果[11]也得出相似结论。

参考文献：

[1]陈春梅，谢祖彬，朱建国.大气CO2浓度升高对土壤碳库的影响[J]. 中国生态农业学报，2008，16（1）：217-222.

[2]刘绍东，张思平，张立祯.不同基因型棉花地上部干物质积累对氮素的响应[J]. 棉花学报，2010，22（1）：77-82.

[3]尹飞虎，李晓兰，董云社，等. 干旱半干旱区CO2浓度升高对生态系统的影响及碳氮耦合研究进展[J]. 地球科学进展，2011，26（2）：235-244.

[4]杨 涛，马兴旺，刘 骅，等. 新疆棕漠土棉田施N水平对棉花产量和品质及光合特性的影响[J]. 中国农学通报，2009，25（23）：238-243.

[5]李伏生，康绍忠，张富仓. CO2浓度升高、氮与土壤水分对春小麦生长及干物质积累的效应[J]. 中国生态农业学报，2003，11（2）：37-40.

[6]黄 辉，王春乙，白月明，等. O3与CO2浓度倍增对大豆叶片及其总生物量的影响研究[J]. 中国生态农业学报，2005，13（4）：52-55.

[7]黄丽芬，全晓艳，张 蓉，等. 光氮及其互作对水稻干物质积累与分配的影响[J]. 中国水稻科学，2014，28（2）：167-176.

[8]赵晓雁，李新裕，魏 健. 长绒棉新海21号叶片叶绿素含量动态分析[J]. 新疆农业科学，2007，44（5）：628-631.

[9]罗新宁，朱友娟，张宏勇. 施氮量对棉花叶位SPAD值的影响及棉花氮素营养诊断[J]. 干旱地区农业研究，2014，32（1）：128-133.

[10]汪 玲，朱靖蓉，杨 涛，等. 氮肥施用策略对膜下滴灌棉花叶片叶绿素含量变化的影响[J]. 棉花学报，2010，22（5）：454-459.

[11]高志建，尹飞虎，刘 瑜，等. CO2浓度升高与施氮对棉花光合及干物质积累和产量的效应研究[J]. 新疆农业科学，2014，51（8）：1430-1436.