施氮量对等行距密植棉花气体交换和叶绿素荧光特性的影响

田 雨，王旭文，韩焕勇，罗宏海，王方永

(1.新疆农垦科学院棉花研究所/农业部西北内陆区棉花生物学与遗传育种重点实验室，新疆石河子 832000；2.石河子大学农学院，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意义】棉花是重要的油料和纤维作物[1]。2018年新疆总产量达511.1×104t，占全国的83.8%[2-4]。自从新疆棉花采用膜下滴灌先进的灌溉方式后，水分利用效率已达到较高水平[5]，化肥利用效率33%，低于世界发达国家平均水平[6]。在棉花稳产高产的前提下，降低化肥投入、增加植棉效益，对新疆棉花高效生产具有重要意义。【前人研究进展】施氮是调控棉花生长发育、光合生产效率和产量形成的重要栽培措施[7-9]，但施氮过多会导致棉花营养生长过旺，使光合产物向产品器官的运输能力和分配系数降低[10]，也会使地上总生物量和根系对氮素的吸收能力降低，最终影响产量。施氮量过低不利于棉花的生长发育，棉花的生物量和氮素积累量显著降低，影响光合同化物的合理分配[11]，施氮过高和过低最终均会导致产量和品质下降[12]。适度的氮素调亏能够使棉花生物量达到最大，同时提高光合同化物在产品器官中的分配比例[13-14]，可以实现氮肥减施增效。光合作用被称为植物生命活动的“发动机”，是棉花生物量和产量形成的根本[15]。氮素供应对棉花叶片光合生理特性具有重要影响[16]，施氮过量或不足会造成叶片CO2同化能力降低，不利于中后期光合生理活性，使光合同化物的积累与运输受阻[17-19]，供氮不足还可导致棉花衰老进程的加剧和抵抗外界胁迫能力的降低[20]。氮素调亏可改善棉花的叶绿素荧光特性，提高叶片的光合性能以及延长叶片功能期，进而显著提高棉花产量[17,21]。合理施用氮肥可以调控棉花光合性能向高产高效方向转变。【本研究切入点】为协调棉花高产与适宜机采之间的矛盾，有研究提出了76 cm等行距密植的新型机采棉高产高效栽培模式，采用此模式种植在保证棉花产量水平的前提下，有利于棉花后期脱叶和降低机采籽棉含杂率[22-26]，为实现机采棉提质增效提供了新途径。有关等行距密植模式下棉花优质高产生理机理调控技术的研究较少，有关氮肥调控机理的研究更少，基础研究的薄弱限制了等行距密植模式的大面积推广应用。研究施氮量对等行距密植棉花光合特性及产量的调节机制。【拟解决的关键问题】在等行距密植条件下，分析氮肥供应对棉花气体交换参数、叶绿素荧光参数的影响，为等行距密植模式下棉花高效氮肥管理提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2017～2018年在新疆农垦科学院试验地(44°19′N，86°03′E)进行。供试品种为新陆早64号。试验地为壤土，含有机质20.1 g/kg、碱解氮71.7 mg/kg、全氮0.95 g/kg、速效钾274 mg/kg、速效磷12.1 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

设5个施氮量处理：N0(0 kg/667 m2)、N8(8 kg/667 m2)、N16(16 kg/667 m2)、N24(24 kg/667 m2)、N32(32 kg/667 m2)。采用随机区组设计，小区面积为68.4 m2，重复3次。种植模式采用等行距密植模式(2.05 m超宽膜，行距为76 cm，株距为5.5 cm )，于4月18～20日进行播种，10月初收获，6月25日进头水，8月20日停水，全生育期灌水320 m3/667 m2，灌水周期为7～8 d，全生育期共随水滴施K2O和P2O5施用量分别为3.4和5.2 kg/667 m2，N肥来源为尿素，K2O和P2O5的来源为磷酸二氢钾，6、7、8月施P、K比例均为5∶11∶4。其他田间管理措施同当地大田一致。表1

表1 棉花生育期施氮时间及施氮量Table 2 Nitrogen application time and amount during cotton growth period (kg/667 m2)

1.2.2 测定指标

叶片气体交换参数：各处理于人工打顶前标记植株倒四叶，打顶后标记倒三叶，用GSF-3000光合测定系统(借助人工光源光强稳定在1 800 μmol/(m2·s)在初花期、盛铃期和盛铃后期选择晴朗无云天气于10: 00～12: 00测定标记叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)等参数，各小区每次测定3～4片叶。

叶片叶绿素荧光参数：采用MINI-PAM叶绿素荧光仪测定叶片的叶绿素荧光参数，测定与气体交换参数同时进行。各处理采用气体交换参数测量的标记叶片，在凌晨太阳未升起前测量叶片初始荧光(F0)和最大荧光(Fm)，计算最大光化学效率(Fv/Fm)，在测量叶绿素荧光参数之前，手动输入对应叶片的F0和Fm，随后打开光化光，光强稳定在1 200～1 400 μmol/(m2·s)，待荧光信号到达稳态后打开饱和脉冲光，测定任意时间的实际荧光产量(Ft)和光适应下的最大荧光产量(Fm')，计算实际光化学效率(ΦPSⅡ)等叶绿素荧光参数。

产量测定：收获前，各小区选取代表性样点，调查单位面积铃数，并实收计产。在各小区收取15株代表性棉株的棉铃，称重计算单铃重。

1.3 数据处理

数据经Microsoft Office 2016整理后采用SPSS 19.0软件进行方差分析，用Duncan法进行多重比较，同时用SigmaPlot 12.5软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 施氮量对棉花叶片气体交换参数的影响

研究表明，施氮量对棉花功能叶净光合速率(Pn)在初花期(2018年除外)、盛铃期和盛铃后期具有显著影响。在初花期，各处理(2017年N0除外)的Pn之间没有显著差异；在盛铃期和盛铃后期，N16、N24和N32处理的Pn显著高于N0和N8处理，但N16、N24和N32处理之间无显著差异。适当降低施氮量并不会显著降低棉花功能叶在初花期至盛铃后期的净光合速率。图1

注：IF:初花期；FB:盛铃期；LFB:盛铃后期

研究表明，施氮量对棉花功能叶气孔导度(Gs)具有显著影响，年际之间表现有所不同，其中2017年，初花期和盛铃期的Gs随着施氮量的增加而增加，且N32处理的Gs显著高于其他处理；在盛铃后期，N16处理的Gs最高，且与N24处理无显著差异。2018年，在初花期和盛铃后期，N16处理的Gs与N24和N32处理没有显著差异，均处于较高水平；在盛铃期，N16处理的Gs显著低于N32，但是和N24处理之间没有显著差异。适当降低施氮不会显著影响棉花功能叶的气孔导度。图2

图2 不同施氮量下棉花功能叶气孔导度(Gs)变化Fig.2 Effects of nitrogen application rates on Gs of functional leaves of cotton

2017年，在初花期N16和N32处理的Ci显著较低，其他处理间差异不显著；在盛铃期，N16、N24和N32处理的Ci之间差异不显著；但在盛铃后期，Ci随着施氮量的增加而降低。2018年，在初花期和盛铃期，各处理之间的Ci没有显著差异，但盛铃后期Ci随着施氮量的增加而降低。施氮量对盛铃后期棉花功能叶胞间CO2浓度(Ci)具有显著影响。图3

图3 不同施氮量下棉花功能叶胞间CO2浓度(Ci)变化Fig.3 Effects of nitrogen application rates on Ci of functional leaves of cotton

研究表明，在初花期，棉花功能叶的蒸腾速率(Tr)对施氮量的增加呈上升趋势，2017年N16处理的Tr显著低于N24和N32，但2018年各处理间差异不显著；在盛铃期，N32处理的Tr显著高于其他施氮处理，但N16与N24处理之间没有显著差异；在盛铃后期，各施氮处理间没有显著差异。适当降低施氮不会显著影响盛铃至盛铃后期棉花功能叶的蒸腾速率。图4

图4 不同施氮量下棉花功能叶蒸腾速率(Tr)变化Fig.4 Effects of nitrogen application rates on Tr of cotton leaves

2.2 施氮量对棉花功能叶叶绿素荧光参数影响

研究表明，在初花期，各施氮量处理之间的Fv/Fm没有显著差异；在盛铃期和盛铃后期，N16、N24和N32处理之间的Fv/Fm没有显著差异，但N8和N16(2017年盛铃期除外)处理的Fv/Fm显著较低。图5

图5 不同施氮量下棉花功能叶最大光化学效率(Fv/Fm)变化Fig.5 Effects of nitrogen application rates on Fv/Fm of cotton leaves

在初花期，各施氮量处理(2017年N0除外)之间的ΦPSⅡ没有显著差异，在盛铃期，N16、N24和N32处理之间的ΦPSⅡ没有显著差异，但显著低于N0和N8处理，在盛铃后期，N16和N24处理的ΦPSⅡ没有显著差异，但是显著高于其他处理。表明施氮量对盛铃期和盛铃后期棉花功能叶的ΦPSⅡ具有显著影响，且施氮可以显著提高盛铃后期的ΦPSⅡ，但适当降低施氮不会影响棉花功能叶的实际光化学效率。图6

图6 不同施氮量下棉花功能叶实际光化学效率(ΦPSⅡ)变化Fig.6 Effects of nitrogen application rates on ΦPSⅡ of cotton leaves

研究表明，施氮量对棉花功能叶的光化学猝灭系数(qL)具有显著影响。在初花期，qL随施氮量的增加呈上升趋势，但N16和N24处理之间的qL没有显著差异；在盛铃期，qL随施氮量的增加呈降低趋势，2017年N16和N24处理的qL没有显著差异，但2018年N16处理的qL显著高于N24处理；在盛铃后期，N16和N24处理的qL没有显著差异，但显著高于其他施氮处理。施氮可以显著提高盛铃后期的ΦPSⅡ，但在大田施氮量N24的基础上适当降低施氮不会显著影响棉花功能叶的光化学猝灭系数。图7

图7 不同施氮量下棉花功能叶光化学猝灭系数(qL)变化Fig.7 Effects of nitrogen application rates on qL of functional leaves of cotton

施氮量对棉花功能叶的非光化学猝灭系数(NPQ)具有显著影响，且NPQ随施氮量的增加呈显著上升趋势。在初花期，N16、N24和N32处理的NPQ之间没有显著差异，但显著高于N0和N8处理；在盛铃期和盛铃后期，N16处理的NPQ显著低于N24和N32处理，但N24与N32处理(2017年盛铃期除外)之间没有显著差异。适当减少施氮会显著降低棉花功能叶的非光化学猝灭系数。图8

图8 不同施氮量下棉花功能叶非光化学猝灭系数(NPQ)变化Fig.8 Effects of nitrogen application rates on NPQ of cotton leave

2.3 施氮量对棉花产量及构成因素的影响

研究表明，施氮量对棉花总铃数和籽棉产量具有显著影响，对单铃重没有显著影响。N16、N24和N32处理的总铃数和籽棉产量显著高于N0和N8处理，N16处理的产量及构成因子与N24处理之间没有显著差异，但是当施氮量在N24的基础上增加到N32时，籽棉产量有所降低，其中2018年达显著水平。等行距密植条件下，在当前大田施氮水平N24的基础上增施氮会导致产量下降，而适当减少施氮(N16)对棉花产量及构成因素没有显著影响。表2

表2 不同施氮量处理下的棉花产量及其构成因素Table 2 Cotton yield and its components under different treatments

3 讨 论

产量是评价种植模式和施肥方式最重要的指标。研究发现，在等行距密植模式下，N16和N24处理的棉花产量无显著差异，随着施氮量的增加(N32)，籽棉产量反而有所下降。从化肥减施增效的角度分析，N16处理的产量最优，等行距密植条件下适当减氮未显著降低产量，有利于植棉效益。

光合作用为作物产量的形成提供了物质基础[27]，施氮量对作物光合作用具有重要影响[28]。研究表明，施氮不足，会使棉花叶片光合生理活性显著降低且在生育后期叶片光合速率迅速衰减；施氮过量，虽然在一定程度上能提高生育前期叶片的光合生理活性，但在生育后期会产生光抑制现象，使光合性能降低，同时代谢消耗增加，导致光合速率下降[19]，施氮量过高或过低均会造成叶片CO2同化能力降低，光合产物的积累与运输受阻[29-30]，使棉花衰老进程的加剧和抵抗外界胁迫能力的降低[31-32]；适量施氮可以提高棉花前期的光合生理活性，保持后期的光合性能，使光合持续期延长[19]。研究发现，在等行距密植条件下，施氮量对叶片光合性能在棉花生育后期影响明显。在当前大田施肥量(N24)的基础上适当减少施氮量(N16)，生育后期的净光合速、气孔导度、和蒸腾速率均没有显著变化；增加施氮量(N32)，净光合速率和气孔导度没有显著增加，但在盛铃后期胞间CO2浓度显著降低，盛铃期蒸腾速率显著增加，具体原因有待进一步研究。在等行距密植条件下，当前大田施氮量(N24)偏高，适当减少施氮(N16)不会降低棉花的光合速率，反而可以实现节本增效，这可能与区域范围内根系密度增大，根系之间对养分吸收的竞争增强，导致根系的吸收能力增强有关[33]。

与传统的“表观性”的气体交换指标相比，叶绿素荧光更能反映棉花叶片对光能转化的“内在性”特点，可以直接反应光合作用的响应机理[17]。Fv/Fm可以反映叶片的最大光合潜力，常被作为判断是否发生光抑制的标准；ΦPSⅡ反映叶片的实际光合性能；qP反映了光合色素捕获的光能用于光化学电子传递的份额；而NPQ反映光能以热的形式耗散掉的部分[17,34]。前人研究发现，在高氮水平下，叶片的ΦPSⅡ和qP降低[35]，光合同化力的形成受到影响，使净光合速率下降，导致NPQ增加[17]，适量施氮在生育后期具有维持较高的ΦPSⅡ和qP和降低NPQ的作用，有利用将捕获的光能高效的用于光合作用[36]。研究发现，在等行距密植条件下，施氮处理显著提高了盛铃后期的Fv/Fm、ΦPSⅡ、qL和NPQ。在当前大田施肥量(N24)的基础上适当增加施氮量(N32)，盛铃后期的ΦPSⅡ和qL均显著下降，适当减少施氮量(N16)，Fv/Fm、ΦPSⅡ和qL没有显著变化，但盛铃期和盛铃后期的NPQ显著降低。等行距密植条件下，适当减少施氮(N16)不会降低棉花叶片的光合潜力和实际光合性能，但会降低光能的热耗散，有利于增强对捕获光能的利用。

棉花不同生育期对氮素的需求有所不同，其中花期至铃期是对氮素吸收利用效率最高的时期。通过减少生育前期氮素供给，增加花铃期施氮量可以增加生物量的积累[37]，提高棉花产量以及肥料利用效率[38]，甚至初花期1次施肥通过提高硝态氮含量和转化的氨基酸、蛋白质含量，促进氮素积累，不显著降低棉花产量[39]。在等行距密植条件下，探讨通过优化氮肥分次施肥的比例，提高氮代谢能力、促进氮素积累，挖掘等行距密植棉花增产潜力，有待于进一步研究。

4 结 论

在等行距密植条件下，施氮16～24 kg/667 m2有利于保持花铃期叶片较高的光合能力，维持盛铃后期叶片对光能的利用，最终籽棉产量显著高于其他处理，但施氮量16和24 kg/667 m2棉花产量无显著差异。在等行距密植条件下，适当减施氮肥，可在棉花稳产高产的前提下，降低氮肥投入、增加植棉效益。