不同滴灌灌水处理对棉花花铃期光合特性及产量构成的影响

易小龙， 李 国， 李文雯， 张梦恬， 祝建波， 王爱英

(石河子大学生命科学学院，新疆石河子 832000

棉花是我国的主要经济作物。棉花在其整个生长发育过程中，常常要遭受多种自然灾害的影响和危害。其中，干旱灾害对棉花生长的危害以及由此造成的产量损失往往比较严重。已有数据资料表明，在各种气候灾害中，干旱造成的损失量超过其他灾害损失的总和[1]。新疆作为棉花产植大区，水资源相对匮乏，单位面积产水量居全国倒数第三[2]，生产用水与生活用水的矛盾日益突出，发展抗旱棉花新品种和实施节水灌溉模式是实现棉花丰产的重要途径[3-4]。因此研究棉花对水分胁迫的响应及适应机制，是对棉花进行合理调控、实现农业节水的前提，具有重要的理论意义和实践价值。

产量是农业生产的关键，植物积累物质则通过光合作用。光合作用(photosynthesis)是植物最基本的生命活动，是对水分胁迫最敏感的生理过程之一[5-6]，可以作为判断植物生长和抗逆性强弱的指标[7]，直接与作物产量相关。光合作用通过2个光系统(PSⅠ和PSⅡ)将光能转化为化学能，尤其是PSⅡ被认为对胁迫敏感性最高，在植物响应胁迫的过程中发挥了重要作用[8]。环境条件变化时，叶绿素荧光的变化可以在一定程度上反映环境因子对植物的影响[9-11]，通过对快速叶绿素荧光诱导动力学曲线的分析，可深入了解水分胁迫对植物光合机构主要是PSⅡ的影响以及光合机构对干旱环境的适应机制。7—8月(花铃期)是棉花产量和品质形成的关键时期，关系到蕾铃数量、结铃率及棉桃大小，合理的水分管理至关重要。

本研究以笔者所在实验室培育的2个转基因抗旱棉花品系为材料，通过控制滴灌灌水量，获取其不同水分胁迫下棉花花铃期不同阶段的蕾铃数，并测定叶片光合参数和叶绿素荧光参数等指标，研究棉花叶片光合特性对水分胁迫响应及产量构成的影响，为指导田间棉花水分管理提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料和地点

本次试验材料为石河子大学生命科学学院农业生物技术重点实验室提供的转基因棉花品系24C-1、25C-1，其受体亲本型分别为TH1、TH2，转入的外源基因均为来自于拟南芥的CBF1基因，CBF1作用途径为CBF1→CRT/DRE基序→COR基因(cold-regulated gene)表达→植物抗寒、抗旱性增加。试验于2016年在新疆维吾尔自治区内的北疆石河子市石河子大学试验地基地(44°20′N，85°30′E)进行。试验地处在新疆北疆特早熟棉花种植生态区，气候为温带大陆性气候，无霜期168 d，平均年降水量213 mm，年蒸发量1 537 mm。

1.2 试验设计

棉花采用直播方式播种，4月26日播种，5月17日定苗，7月上旬基本进入花铃期。采用“一管两行”式膜下滴灌供水，灌水均匀，基本无旱涝不均的现象，土壤中水、气比较协调，土壤酥松，不板结，土壤团粒结构保持较好，有利于棉花根系生长发育[12]。具体灌溉布置如图1所示。

试验采用二因素设计，主因素为水分，设5个不同灌水量处理，副因素为转基因棉花品系。灌溉方式为膜下滴灌，灌水量的具体数值通过新疆石河子市棉区全年平均灌水量设计(每次灌水量为200～250 m3/hm2，生育期灌溉10～12次[12])，5个梯度处理为不灌溉(NI)、低量灌溉(LI)、中量灌溉(MI)、 高量灌溉(HI)、正常灌溉(CK)，其中正常灌水量为石河子棉区最高值。试验材料每个处理播种4个小区，小区长 5 m，宽2 m。每小区耕作3行，每行耕作2个窄行，出苗后严格控制株数，每个小区都为300株(每个窄行50株)，每8个小区为1个灌水区域。播前浇足底墒水。采用膜下滴灌方式，具体灌溉方案见表1。

表1 田间处理方案

1.3 试验方法

1.3.1 棉花蕾铃数测定 选取小区中部长势相近的30株植株(每行10株)标记并分别在7月5日、7月30日、8月25日棉花花铃期(前期、中期、末期)3个时期，对单株棉花的蕾铃数进行人工调查，并在8月25日统计棉花结铃率。

1.3.2 叶片光合作用测定 采用美国LI-COR公司生产的LI-6400便携式光合测定仪，在晴朗的上午10：00—12：00，在每个小区每1行中随机选取3株，叶片选取倒三叶并标记，在棉花花铃期开始后每25 d对光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度/大气CO2浓度(Ci/Co)、气孔限制值(Ls)、光能利用率(LUE)和水分利用效率(WUE)进行1次测定，每次测定5个重复，取平均值。

1.3.3 叶片叶绿素荧光动力学参数测定 采用WALZ公司的便携式调制叶绿素荧光仪PAM-2500，测定固定荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、光系统Ⅱ的最大光合效率(Fv/Fm)、光系统Ⅱ的实际光合效率ΦPSⅡ、光化学淬灭(qP)、非光化学淬灭(NPQ)，测定时间、位置及重复数同“1.3.2”节。

1.3.4 棉花产量测定 在棉花收获季节对小区标记的植株直接称质量取平均值确定其单株铃质量；对小区进行完全采摘统计其皮棉产量。

1.4 数据分析

采用Excel 2013软件对数据进行处理，采用SPSS 17.0软件进行数据间的差异显著性检验(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同灌水处理对棉花蕾铃数的影响

不同灌水处理下，水分胁迫的程度制约或促进了棉花植株的生长。棉花花铃期一般经历50～70 d。该时期是棉花一生中需肥水最多的时期，水分的多少严重制约着蕾铃的发育。不同灌水量处理下，2个转基因棉花在花铃中、末期的蕾铃数量均有较大差异(表2)，花铃前期无灌溉(NI)蕾铃数与低量灌溉(LI)、高量灌溉(HI)和正常灌溉(CK)间差异较小，可能是由于NI导致的干旱胁迫迫使棉花过早进入花铃期。棉花花铃中、末期，2个品系的蕾铃数量随着灌水量的增多而增多，HI与CK间，只在花铃中期24C-1有显著差异，其余差异不显著，这说明了水分对蕾铃发育起到了重要作用。与CK相比，花铃末期24C-1的铃数在NI、LI、MI、HI中分别下降了75.8%、63.6%、45.5%、12.1%；25C-1则分别下降了60.7%、57.6%、45.5%、0%，可以看出25C-1抗旱性应该略强于24C-1。不同灌水量处理下，25C-1具有更强的抗旱性。

2.2 不同灌水处理对棉花光合参数的影响

2.2.1 净光合速率 随着灌水量的增加，作物受到的水胁迫程度逐渐下降，在棉花花铃期各时期Pn随水份增多呈上升趋势，2个品系表现一致(图2)。本时期HI、MI、LI、NI处理的净光合速率相对CK，24C-1分别下降了5.8%、12.4%、29.6%、44.8%；25C-1降低了4.4%、18.9%、18.7%、39.8%。花铃前、中期Pn整体均较高，而末期较低，表明在花铃形成的关键时期，棉花整体生长旺盛。NI下在整个时期内，Pn值都只有最高值的一半上下，而LI、MI、HI、CK差异较小或不显著，表明棉花花铃期有较高的水分要求。结铃期各处理间Pn差异显著，可能与高度干旱导致的植株长势情况相关。

2.2.2 气孔限制值 水分限制了植物叶片的气孔开合度，低水量下气孔关闭，限制了CO2的进入，进而影响了植株光合作用，导致作物减产(图2)。不同灌水处理下，整时期HI、MI、LI、NI处理24C-1气孔限制值相比CK分别增加了50.0%、58.6%、95.1%、119.8%；而25C-1分别增加了34.0%、 56.5%、 64.9%、122.8%。花铃前、中期各处理间差异明显，而中期除NI的Ls过高，其他处理间差异不显著。

表2 棉花不同灌水处理对花铃期棉花蕾铃数的影响

注：同列数据后不同小写字母表示同一品系不同处理在0.05水平上差异显著。

2.2.3 光能利用率 灌水量的多少限制了棉花的光能利用率，随着水分的增多2个品系的光能利用率均呈上升趋势。HI、MI、LI、NI处理24C-1在花铃期各时期的LUE平均值相对CK分别减少了5.8%、12.4%、29.6%、44.8%；25C-1分别减少了4.4%、15.4%、18.7%、39.8%。从花铃前期开始，各时期各处理间的LUE差异随时间延长愈发显著。

2.2.4 水分利用效率 水分利用效率WUE是表示作物水分吸收利用过程效率的一个指标。在花铃前、中期5个灌水量处理间差异较小，NI的WUE总体较高，HI、MI、LI、NI处理24C-1全时期平均值相较于CK分别提高了5.1%、3.8%、1%、19.6%，25C-1则提高了1.8%、3.7%、1.0%、19.6%；而末期各处理间差异较大，HI具最高值，而CK最低，其他处理间差异较小。

2.3 不同灌水处理对棉花叶绿素荧光参数的影响

叶绿素荧光是植物光合作用的内在表现，反映了植物对光吸收、光能利用和转换的情况。光系统Ⅱ的最大光合效率Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm[13]，它反映了植物的潜在最大光能转换效率。图3表明，随着灌水量增加，2个品系的Fv/Fm都呈现上升趋势；相对CK，HI、MI、LI、NI处理24C-1平均值分别下降了6.2%、11.6%、17.1%、29.0%；25C-1则降低了5.6%、10.3%、17.7%、26.8%。各时期相对CK，NI和LI差异显著或差异较大。而光系统Ⅱ实际光合效率相对CK，HI、MI、LI、NI处理24C-1下降了13.6%、27.2%、60.0%、137.0%，而25C-1下降了10.9%、22.9%、44.7%、90.7%。除CK与HI间差异较小，各时期φPSⅡ差异均显著，表明长时间不同程度的水分胁迫对光合器官形成了不同程度的损伤。

由光合作用引起的荧光淬灭称之为光化学淬灭(photochemical quenching，qP)，反映了植物光合活性的高低。非光化学淬灭(non-photochemical quenching，NPQ)则是由热耗散引起的荧光淬灭，反映了植物耗散过剩光能为热能的能力，是一种自我保护机制。在整个时期，2个品系间qP变化趋势相似，花铃前、中期从LI开始差异显著，末期从MI起差异显著。全时期qP平均值，HI、MI、LI、NI处理24C-1相较于CK，分别减少了3.1%、12.8%、22.2%、41.2%；25C-1则减少了2.7%、9.0%、15.1%、22.5%。在LI(重度水分胁迫)、NI(极度水分胁迫)下qP与CK多差异显著，表明水分胁迫对qP有影响，但低于MI才会显著降低PSⅡ电子传递，使光合活性降低。NPQ处理间差异显著，与CK比较发现，HI、MI、LI、NI处理24C-1的NPQ分别增加了27.5%、52.2%、97.1%、176.8%；25C-1增加了 35.0%、61.7%、103.3%、188.3%。表明随着灌水量增多，水分胁迫压力的减少，NPQ显著缓解，体现了植物体在干旱环境中的一种自我保护机制，即使在长期的NI条件下，依然具有这种能力。

2.4 不同灌水处理对棉花产量的影响

产量是进行农业生产的最终目标，它不仅体现了作物品种间的优劣，同时也体现天时、地利及管理的好坏与优劣，水分作为组成产量最重要的影响因素之一尤为关键。单株铃质量、皮棉质量均随着灌水量的增加而增加，呈明显正相关(图4)。24C-1在HI、MI、LI、NI各灌水量梯度下单株铃质量较CK分别下降了6.8%、52.6%、73.4%、82.9%；而25C-1分别降低了7.2%、46.8%、65.1%、75.1%；2个品系中CK和HI均无显著差异。皮棉产量总体而言随着灌水量增加处于上升曲线，产量增加趋于平衡；24C-1中CK和HI无显著差异，较CK皮棉产量分别降低了1.2%、17.0%、26.6%、42.7%；25C-1则分别降低了1.5%、18.1%、26.5%、32.2%。表明灌水量达到一定阈值后，对产量不再形成正向影响。

3 结论与讨论

水分对于植物至关重要，影响着植物生长发育的整个过程。棉花在整个生育期均对水分有要求，特别是在棉花花铃期，花铃期是棉株营养生长和生殖生长都非常旺盛的时期，对水分较为严格，水分过多会加剧枝叶的营养生长，使棉田封行较早，且过于紧密，导致透光透风效果差，会导致更严重的蕾铃脱落和后期的烂铃现象，影响成铃率[14]；水分缺失则会影响叶片干物质的积累和植株高度，从而减少蕾铃数量，导致棉花减产。本研究表明，随着灌水量的增多蕾铃数呈上升趋势，说明在花铃期水分的多少影响了棉花蕾铃的形成，对蕾铃形成起正调控作用。但结铃率则是HI大于或近似于CK，其他处理则随着水分增多而增大，说明水分胁迫对结铃率造成影响，但过量的水分则不利于蕾铃稳固，会增加蕾铃的脱落数量和烂铃数[15]。

光合作用是绿色植物合成有机物、维持其生命的重要途径。光合作用受多种生态因子影响。其中的1个核心影响因子便是水分[16]。干旱肋迫导致光合作用下降是农作物减产的重要原因[17]。总结其原因可归纳为气孔导度下降、呼吸作用增强、希尔反应减弱和光合产物输送受阻等。李平等研究表明，干旱导致棉叶净光合速率、气孔限制值和蒸腾速率的显著降低[18]。Earl等研究则认为，棉叶片光合速率的降低是气孔因子和非气孔因子的协同作用影响[19]。也有其他研究表明，轻度和中度水胁迫下气孔关闭，胞间CO2浓度下降，导致了光合速率的降低；而长期水分胁迫则会导致光合器官的损伤，从而降低植物净光合速率[20]。本试验中花铃前、中期总体上的WUE差异不显著，而2个品系在CK、HI、MI时Pn和LUE差异较小，说明花铃前、中期限是制2个棉花品系光合效率的主要因子是气孔限制值，即水分胁迫导致的气孔关闭限制了光合主要过程；相对花铃前、中期，花铃末期2个品系NI、LI的Ls值上升，Pn、WUE和LUE值下降，但NI、LI处理间WUE差异不显著，说明水分差异对NI、LI处理间的Pn的影响不显著，可能的原因是长时间的水分胁迫对光合器官造成损伤。花铃前、中期，MI(中度水分胁迫)时，Pn呈现下降趋势，Ls随生育过程先降后升，从判断气孔限制和非气孔限制的关键因素胞间CO2浓度分析，在超过中度水分胁迫后WUE差异较小或不显著，气孔限制和非气孔限制2个因素共同限制光合作用；而在NI和LI时，土壤供水不足，光合作用的主要限制因素将从气孔限制转为非气孔限制。这与薛崧等的试验结果[21]相一致。

叶绿素荧光反映了光合作用原初反应过程中光能吸收、激发能传递和光化学反应等状况[22-24]。目前科研界已基本达成共识，健康条件下，绝大多数高等植物的Fv/Fm在0.8～0.85 之间，当Fv/Fm下降时，说明植物受到了胁迫[25]。本研究表明，随着灌水量的增多，水分胁迫程度的持续缓解，2个转基因品系在不同棉花花铃时期的荧光参数Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP增加，NPQ降低，说明水分胁迫可抑制PSⅡ的光化学活性，其中比较HI和CK其Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP差异不显著或较小，表明棉花能够忍耐轻度水分胁迫；在LI和NI下，与CK相比荧光参数均极显著，其中ΦPSⅡ也表现极大差异，与唐薇等研究认为干旱胁迫下叶绿素荧光动力学参数Fv/Fm、Fv/Fo显著降低，Fo显著上升，ΦPSⅡ基本不变的结果[26]不相符，可能与本研究水分胁迫的持续时间过长有关。

作物抗旱性直接制约了作物产量[27]。水分的多少限制了棉株的生长和发育，体现在了植株大小、蕾铃数量、棉铃大小、光合强度等方面。本研究表明，2个棉花品系单株铃质量和皮棉质量均随水分增加而呈现上升趋势，但HI和CK单株铃质量和皮棉质量无显著差异，证明过多水分对产量性状不产生正向效应，这与前文得出的过多水分增加了蕾铃脱落量和烂铃率，导致了产量的轻微降低的结论相同，也与李培岭等的研究结果[28]相同，随着灌水量增加，易导致棉花营养生长和生殖生长不协调，表现为棉铃脱落严重和棉花生育期的延长，导致棉花霜前产量降低。

本研究表明，随着灌水量的增加，水分胁迫程度的缓解，棉花生长抑制程度降低，总体水分利用率变化不明显，蕾铃数量和净光合速率逐渐增加，结铃率、产量先增后趋于平衡。轻度水分胁迫对棉花花铃期光合参数和荧光参数无显著影响，长期中度水分胁迫就会明显降低棉株是光合能力。本研究也表明棉花生产上适当的灌水即可保证棉花的正常生理所需又可以获得高产，过多的灌水则有可能导致棉花减产。膜下滴灌方式可有效地保证棉花产量和提高水分利用效率，但精确的滴灌管理则可进一步优化田间水利用和提高产量。