不同用量浓缩沼液对棉花生长发育及光合特性的影响

徐瑞强，董合林，徐建辉，唐江华，徐文修，卡地力亚·阿不都克力木， 李大平，董泰丽，付传翠

(1.新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052；2.中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室，河南安阳 455000； 3.新疆农科院经济作物研究所；乌鲁木齐 830052；4.山东民和生物科技有限公司，山东蓬莱 265600)

0 引 言

【研究意义】我国农业开始由工业化的现代农业向可持续化的生态农业转变[1-3]，沼气工程通过将农牧产业生产废弃物能源化，实现了农业发展与资源环境相匹配，与生态环境相适应[4]，是农业生态化产业结构调整中的重要工程，然而沼气工程在带来清洁沼气能源的同时，还会产生大量的沼液，沼液中不但含有作物生长发育所必需的营养元素，还具有多种矿质元素和生物活性物质，是农作物增产提质、农用地保肥增效的优质肥料资源[5-7]，沼液中同样含有许多重金属离子及有毒有害物质，若不经后续处理直接排放会造成土壤、水体和地下水污染[8]。浓缩沼液是将沼液工程废弃物加工产生的一种肥料资源，是作物生产实现环境友好型和资源高效型生产的重要途径，对促进我国农业生态化转型具有积极意义。实现沼液无害化处理和资源化利用对促进我国农业生态化转型意义重大。【前人研究进展】国内外大多数关于沼液的研究集中在将沼液作为肥料进行灌溉，通过农田回收利用的方式消纳沼液。这一方面，沼液营养成分含量低，运输成本高，直接作为液体肥料使用的经济价值不高，另一方面，农田消纳沼液仍然存在环境风险，已有研究表明，将沼液作为液体肥料灌溉土壤会导致氮素向下淋失，引起农田周围水体富营养化[9-11]。浓缩沼液是将沼液通过多级膜处理技术浓缩后生成的一种高效肥料资源，浓缩沼液相较沼液体积小，储存运输成本低，营养成分和矿质元素含量高。施用浓缩沼液能够促进作物生长发育，改善作物品质，改良作物光合特性，对大田作物有明显的增产效果[12-13]；浓缩沼液中还具有多种激素和有机质，能够有效调节植株体内氧化酶活性及代谢活动[14]；长期施用浓缩沼液可以改良农田土壤理化性状，改善作物生长微环境[15-16]；浓缩沼液在提高作物抗逆性、降低农药及化肥用量等方面均有积极作用[17-18]。【本研究切入点】目前国内外关于浓缩沼液的研究虽有报道，但多集中在浓缩沼液对园艺类、茄果类作物增产提质的影响研究[19-20]，且大多建立在盆栽或小面积田间试验的基础上，关于浓缩沼液对大田作物的影响研究较少，在棉花上仅有零星报道。研究不同用量浓缩沼液对棉花生长发育及光合特性的影响。【拟解决的关键问题】以新型浓缩沼液为原料，通过大田试验，研究不同用量浓缩沼液对棉花生长发育和产量形成的影响。为浓缩沼液在棉花种植中的科学施用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2017年4～10月在新疆农业科学院玛纳斯县试验站进行，地理坐标为E86°、N44°，属于中温带大陆性干旱或半干旱气候区，气候冷凉，昼夜温差大，年均日照时数2 700～2 800 h，生长期日照时间可达1 780 h，年平均气温7.2℃，年均降水量173.3 mm，年均蒸发量1 691 mm。全年无霜期165～172 d，试验地土地平整，土壤为灰壤土，前茬作物为棉花，有机质含量17.3 g/kg，全氮含量2.6 g/kg，碱解氮含量62.3 mg/kg，速效磷含量14.8 mg/kg，速效钾含量161 g/kg。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验采取随机区组试验设计，以浓缩沼液施用总量为单因素，以浓缩沼液每20 L/hm2为梯度，从115～175 L/hm2共设置5个处理，不同处理均按施用总量的1∶3∶4∶2的比例均匀分配到苗期、蕾期和花铃期，其中，苗期分两次叶面喷施，蕾期和花铃期一次性随水滴施，各处理具体施肥方案。表1

表1 各处理施肥方案

Table 1 Each treatment and fertilization scheme (L/hm2)

供试棉花品种为新陆早57号，浓缩沼液为中国农业科学院棉花研究所与山东民和生物科技有限公司共同研制生产的浓缩沼液水溶肥，是将以鸡粪为主要原料的厌氧发酵沼液经沉淀、过滤、酸化水解、浓缩而成，列出具体成分，各处理均于4月25日播种，9月20日开始收获，种植方式为宽窄行种植，1膜4行，株行距配置为(10+66+10) cm×9.5 cm，灌水方式为膜下滴灌，滴灌带采用1管2(一条滴灌带管两行棉花)的铺设方式，小区面积为13.69 m2(1.48 m×9.25 m)，每个处理重复4次。播前结合整地各处理深施尿素240 kg/hm2，磷酸二铵225 kg/hm2，全生育期结合灌水随水滴施尿素405 kg/hm2，全生育期共滴水8次，共计3 500 m3/hm2。表2

表2 浓缩沼液主要成分及含量

Table 2 Main ingredients and contents of concentrated biogas liquid

成分Composition含量Content成分Composition含量Content有机质 The organic matter (%)2.51全K2O (g/L)37.39全氮 Total nitrogen (g/L)1.06+1.7N+P2O5+K2O (g/L)44.8硝态氮 Nitrate nitrogen (g/L)1.7腐植酸 Humic acid (g/L)10.2铵态氮 Ammonium nitrogen (g/L)1.06游离氨基酸 Free amino acid (g/L)1全P2O5 (g/L)4.65吲哚乙酸 Indole acetic acid (μg/g)30.14赤霉素 Gibberellin (μg/g)45.74

1.2.2 测定项目

1.2.2.1 株高和茎粗

自棉花苗期开始，于每小区定点标记4株，测量其株高(从地面到植株顶端生长点的高度)、茎粗(用游标卡尺测量子叶节处宽度)，每10 d测量一次，至打顶后结束。

1.2.2.2 光合特性

采用CL-340便携式光合仪，于棉花各生育期，选择晴天11:00～13:30，在自然光条件下进行测定。每次挑选每小区长势均匀一致的棉花三株，测其主茎上的倒4叶(打顶后为倒三叶)中间小叶片的净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(E)和气孔导度(Gs)。

1.2.2.3 叶面积指数

自苗期开始，每个15 d测定一次，采用打孔称重法测定单株叶面积，叶面积指数(LAI)=单株叶面积×单位土地面积上棉花的株数/单位土地面积。

1.2.2.4 干物质积累量

自苗期开始，每个15 d测定一次。选长势均匀一致的棉株取样。每次每小区取样两株，取样后立即装入塑料袋密封后带回实验室，将带回的样株各器官分装入袋，然后将分装的样品放入105℃烘箱中杀青30 min后，降至80℃烘干至恒重，冷却后取出迅速测定各器官的干物质积累量。

1.2.2.5 产量

棉花完全吐絮后，于每小区选取6.67 m2数取棉花收获株数、单株铃数，并选取具有代表性的植株，分别取上、中、下果节上的吐絮铃各50个，测定单铃重及棉花品质。

1.3 数据处理

采用Excel 2003、SPSS 18.0、Origin 8.5等软件进行分析，均采用单因素方差分析，多重比较采用Duncan法。

2 结果分析

2.1 不同用量浓缩沼液对棉花株高和茎粗影响

研究表明，各处理生育期内株高、茎粗的变化趋势基本一致，均呈现先缓慢上升，后迅速增加，至打顶后(7月10日)保持不变的生长态势。在测定期内施用了浓缩沼液各处理的株高和茎粗均高于对照，并且随着浓缩沼液施用量的增加，其对棉花的株高和茎粗的促进作用也不断增大，各处理株高、茎粗始终表现为D处理>C处理>B处理>A处理>CK。进一步分析打顶后各处理株高和茎粗可知，打顶后(7月10日)浓缩沼液施用量最大的D处理株高、茎粗分别比对照高8.83%和12%，比浓缩沼液施用量最小的A处理高5.93%和7.59%，浓缩沼液对茎粗的作用要大于株高。图1

2.2 不同用量浓缩沼液对棉花叶面积指数影响

研究表明，生育期内各处理LAI变化均呈现先不断上升，至结铃期(7月20日)达到最大后下降。进一步分析可知，在生长发育前期(6月6日前)，各处理间LAI差异不显著，此后随着生育进程的推进，各处理间LAI差异逐渐增大。施用了浓缩沼液各处理的LAI自蕾期(6月16日)开始始终高于对照的，且各处理浓缩沼液施用量与LAI大小基本呈正相关，浓缩沼液施用量最大D处理的LAI整个生育过程中均保持最高，结铃期(7月20日)时D处理的LAI达到峰值为5.33，比对照同期的LAI高出16.38%；且分别比A处理、B处理、C处理的同期LAI高出9.67%、7.24%、3.90%，说明施用浓缩沼液可以增大棉花的LAI，并且浓缩沼液施用量越大，其LAI越大。棉花生长发育后期，随着叶片的枯萎脱落，各处理LAI指数也有所下降，但施用了浓缩沼液各处理的LAI仍要明显高于对照，说明施用浓缩沼液能够延长棉花叶片功能期，抑制棉花叶片早衰，从而延长了光合作用的时间。图2

图1 不同处理生育期内棉花株高和茎粗变化

Fig.1 Changes of cotton plant height and stem thickness different treatment period

图2 不同处理生育期内棉花叶面积指数变化

Fig.2 The change of cotton leaf area index different treatment period

2.3 不同用量浓缩沼液对棉花光合特性参数的影响

研究表明，各处理生育期内的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)变化基本一致，均随生育进程的推进呈现先上升后下降的趋势，并于盛花期时达到最大值。进一步比较各处理可知，各生育期内的Pn、Tr、Gs均基本呈现D处理>C处理>B处理>A处理>CK的变化趋势，浓缩沼液施用量最大的D处理盛花期时Pn、Tr、Gs分别比对照同期值高29.35%、20.60%、17.99%；分别比浓缩沼液施用量最小的A处理同期值高15.53%、13.13%、9.36%。同时各处理Ci均表现为先下降后上升的趋势，于盛花期是达到最小值，各处理间不同生育期内胞间二氧化碳浓度(Ci)均基本呈现D处理

2.4 不同用量浓缩沼液对棉花单株干物质积累量的影响

研究表明，各处理生育期内单株干物质积累量均呈现“缓慢—快速—缓慢”的S型变化趋势，均于盛铃期(8月5日)达到最大。比较各处理间单株干物质积累量变化可知，施用了浓缩沼液的处理生育期内单株干物质积累量始终高于对照，并且随着浓缩沼液施用量的增加，各处理单株干物质积累量也不断增大，具体表现为D处理>C处理>B处理>A处理>CK，浓缩沼液施用量最大的D处理单株干物质积累量最大时(8月5日)比同期对照的单株干物质积累量高24.78%，比同期A、B、C处理的单株干物质积累量分别高15.27%、12.19%、6.52%，说明施用浓缩沼液有利于棉花单株干物质积累量的提高，且在施用量范围内浓缩沼液施用量越大，棉花的单株干物质积累量越多，越利于棉花形成高产。图4

图3 不同处理生育期内棉花光合特性参数变化

Fig.3 Changes in the parameters of photosynthetic characteristics of cotton during different treatment period

图4 不同处理生育期内棉花单株干物质积累量变化

Fig.4 Change of dry matter accumulation in cotton single plant different treatment period

2.5 不同用量浓缩沼液对棉花产量及产量构成因素的影响

研究表明，施用浓缩沼液的各处理籽棉产量均高于对照，且差异显著。随着浓缩沼液施用浓度的增加，棉花籽棉产量随之提高，施用175 L/hm2浓缩沼液的D处理籽棉产量最高，相比对照增产17.77%，比施用最低115 L/hm2浓缩沼液的A处理增产12.43%。说明施用浓缩沼液能促进棉花高产，且浓缩沼液施用量与籽棉产量呈正相关。进一步分析产量构成因素可知，棉花单株铃数随着浓缩沼液施用量的增大而增加，至施用了155 L/hm2的C处理时与对照形成显著差异，施用了175 L/hm2浓缩沼液的D处理单株铃数最多，比对照的单株铃数高出9.38%。施用浓缩沼液同样能促进棉花单铃重增大，施用了浓缩沼液的各处理单铃重均显著高于对照，但施用浓缩沼液各处理之间的棉花单铃重差异不显著，表明浓缩沼液施用量与棉花单铃重之间无相关关系。表3

表3 不同处理棉花产量及产量构成因素变化

Table 3 Different processing of cotton yield and yield components

处理Treatment株数Tree number单株铃数Boll number per plant单铃重Single boll weight籽棉产量Single boll weightCK19.65a6.50c4.95b6 322.39dA19.75a6.55c5.12a6 622.52cB20.03a6.84bc5.10a6 987.09bcC19.66a6.98b5.12a7 025.12bD20.41a7.11a5.13a7 445.68a

注：不同字母示差异显著，P<0.05

Note: letters show significant difference,P<0.05

3 讨 论

张凤梅等[20]通过研究浓缩沼液不同配方和施肥方案对番茄生长发育的影响，证明施用浓缩沼液可以有效的提高番茄的株高和茎粗，对番茄生长发育有积极作用，王伟楠等[21]也有相似结论。前人的研究证明，施用浓缩沼液能够提高植株的生物量积累，对果蔬、小麦、水稻等多种作物的生长发育均有明显的促进作用[5，22-23]。这些结论和研究结果一致，试验通过研究浓缩沼液不同施用量发现，施用浓缩沼液能够提高棉花的株高和茎粗，增加棉花的干物质积累量，增大棉花的叶面积，并且随着浓缩沼液施用量的增加，其对棉花生长发育的促进作用也不断增大，部分研究表明过量施用浓缩沼液反而会抑制植株生长[24]，试验中浓缩沼液施用量最大的D处理棉花生长未出现受抑制现象，这可能是因为研究所设置的浓缩沼液施用量还未达到抑制水平。

光合作用是作物产量的重要来源，叶片作为作物进行光合作用的主要器官，直接决定着作物光合能力的强弱。研究中施用了浓缩沼液的棉花其叶面积指数和各项光合特性参数表现均优于对照，光合能力比对照有所提升，这与多数研究结论一致[25-27]，这是由于浓缩沼液中除了植株生长所必需的营养元素外，还具有Zn、Mn、Fe、S等多种微量元素，能够辅助叶绿素合成中的功能酶，促及植物合成叶绿素或叶体蛋白，从而提高植物光合能力[28]。部分研究认为，浓缩沼液中含有激素和多种生物活性物质，对植株叶片的促进作用明显，施用浓缩沼液后会促使植株干物质向叶片部位转移，促进叶片的发育，延缓叶片衰老，从而提升叶片的光合能力和光合有效期。这与研究结果一致，试验中施用了浓缩沼液的各处理在棉花生长发育后期仍然保持了较高的叶面积指数，且施用了浓缩沼液的各处理其伏前桃和秋桃数目均显著高于对照，表明浓缩沼液不但能够抑制棉花叶片的衰老，还能有效增加棉花光合有效期，促进棉花早发、早产，从而增加棉花铃数，提高棉花产量。也有学者认为在不同施肥水平下，浓缩沼液的施用量和追施次数同样会影响棉花的光合速率[29]，过量施用浓缩沼液或过多次追施浓缩沼液都会引起植株光合面积过大，导致植株中下部叶片衰老加剧，引起光合产物对光合器官反馈抑制，反而不利于植株生长，因试验中设置的浓缩沼液施用量未达到抑制水平，且未设置施肥次数变量，无法对此做出明确结论，但在浓缩沼液实际施用过程中，应根据不同地区作物类别、土壤肥力、气候条件、农艺措施等差异，对施肥用量和施肥方案做出调整。

关于浓缩沼液对作物产量的影响，前人研究一致认为，合理施用浓缩沼液无论是对大田作物还是园艺作物都有明显增产作用[30,31]，试验中施用了175 L/hm2浓缩沼液的D处理棉花籽棉产量最高，比对照增产17.77%。

4 结 论

施用浓缩沼液利于棉花生长发育，所有施用了浓缩沼液的处理棉花的株高、茎粗、干物质积累及叶面积指数相比对照均有所提高，并且在试验范围内浓缩沼液施用量越大，棉花的各项生长指标越高。施用了175 L/hm2浓缩沼液的D处理株高、茎粗、干物质积累、叶面积指数均表现最佳，D处理各项生长指标最高时比对照同期值分别高出8.83%、12%、24.78%、16.38%。浓缩沼液利于棉花进行光合作用，施用浓缩沼液能够改良棉花的光合特性，施用了175 L/hm2浓缩沼液的D处理各项光合特性参数表现最优，盛花期时Pn、Tr、Gs分别比对照同期值高29.35%、20.60%、17.99%，盛花期时Ci比对照同期值低19.66%。施用浓缩沼液能够增加棉花的铃数和铃重，实现棉田增产，施用了175 L/hm2浓缩沼液的D处理籽棉产量最高，达到7 445.68 kg/hm2，比对照高出了17.77%，增产效果显著。