叶面喷施不同浓度木醋液对棉花产量和光合利用效率的影响

孙显旻，国艳春，曾路生，李旭霖，柳新伟，李俊良，崔德杰

（青岛农业大学资源与环境学院，山东青岛266108）

棉花是世界上最重要的天然纤维作物和第三大油料作物，我国棉花的主要种植区域为内陆干旱和半干旱地区，而土壤盐碱化被广泛认为是干旱和半干旱地区棉花产量的主要环境制约因素[1]。 为提高盐碱土壤棉花产量，对盐碱土壤进行改良或叶面喷施微肥均是有效的方式[2-3]。其中有机物料改良盐碱土壤增加棉花产量因其无污染、对环境友好而备受关注，而木醋液作为有机物，不仅可以用于改良盐碱土壤，又因其水溶性的特点还可作为叶面肥施用。

木醋液是农作物秸秆在炭化或干馏过程中产生的烟气经冷凝回收分离后获得的有机混合物[4-5]。木醋液含有机酸、酚类、醇类和酮类等约500 种有机成分， 其中有机酸类物质占有机成分的50% 以上，主要包括乙酸、正丙酸、丁酸和正戊酸，现已被广泛应用于农业生产中。 据报道，土壤中施用木醋液能够对土壤酸碱度、土壤酶活性、微生物活性，甚至是对温室气体的排放等方面造成影响[6-8]。 常青等[9]研究表明土壤pH 随着木醋液施用浓度的增大而降低，马智勇等[10]报道了木醋液可降低土壤N2O排放，另有研究表明木醋液能够有效抑制土壤中有害微生物繁殖[11]。 而将木醋液作为叶面肥施用于烤烟、小白菜和番茄等作物，也能够有效促进作物生长和增加产量[12-14]。 但将木醋液作为叶面肥应用于棉花生产中鲜有报道。

为此，本试验采用木醋液作为叶面肥，研究不同浓度的木醋液对棉花产量和光合效率的影响，以期能够为木醋液在棉花种植方面的应用提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验地与材料

田间试验于2019 年5 月至11 月在山东省东营市利津县毛托村（37°83′N，118°50′E）进行，该地区属于华东沿海地区，温带半湿润季风气候，年平均降水量665.4 mm， 年平均气温14 ℃。 棉花（Gossypiumspp.）品种为华农10 号。 土壤类型为滨海盐碱土，质地为砂壤土。 土壤基本理化性质：pH 9.05，有机质含量19.3 g·kg－1，碱解氮76.4 mg·kg－1，速效磷20.1 mg·kg－1，速效钾163.3 mg·kg－1，全盐量0.4%。 木醋液采用东营市泰然新能源公司生产的小麦秸秆为原料，在350～500 ℃的立窑中热解，每吨秸秆可产100 kg 的木醋液原液， 经静置提纯之后得到试验所用精制木醋液。 木醋液的pH 为3.70，质量浓度为0.96 kg·L－1，主要成分含量为乙酸34.62%、丙酸16.9%、醛类10.16%、酚类21.95%和酮类7.90%。

1.2 试验设计

田间试验采用随机区组设计， 每小区40 m2（3.2 m×12.5 m）。基肥施用金正大肥料公司的复合肥（N、P2O5、K2O 质量分数均为15%）750 kg·hm－2，铃期追施尿素150 kg·hm－2。 田间管理与当地管理相同。 试验共设计5 个处理，将木醋液分别稀释400倍、200 倍、100 倍和50 倍，得到0.25%（体积分数，下同）、0.50%、1.00%和2.00%浓度的木醋液， 同时设计清水（0.00%）处理作为对照处理。 木醋液分别在棉花苗期（6 月15 日）、花期（8 月11 日）和铃期（9 月20 日）叶面喷施，喷施水量为2 000 kg·hm－2。

1.3 测定项目与方法

采用5 点取样法采集0～20 cm 表层土壤，混合均匀，去除杂物，风干后过孔径1 mm 尼龙筛。 采用电导率测定仪测定土壤电导率 （Electrical conductivity，EC）；pH 计（Ohaus STARTER 2100）测定土壤pH，土水比（W/V）均为5∶1；碱解扩散法测定土壤碱解氮含量；Olsen 法测定土壤速效磷含量；乙酸铵浸提- 原子吸收分光光度法测定土壤速效钾含量；重铬酸钾外加热法测定土壤有机质含量[15]。

棉花花铃期每小区随机选择10 株棉花， 采用M-PEA 多功能植物效率仪（Hansatech）测定叶绿素荧光参数， 使用暗处理夹片将棉花主茎倒3～5 功能叶暗适应20 min 以上， 然后使用仪器读取其初始 荧 光（Fo）、最 大 荧 光（Fm）、可 变 荧 光（Fv，Fv＝Fm-Fo），最大光化学效率（Fv/Fm）、反应中心性能指数（PIabs）等参数。

棉花花铃期每小区随机选择10 株棉花， 选择晴天、少云的天气，于9:00―11:00 采用CIRAD-3便携式光合仪（Hansatech） 测定棉花主茎倒3～5功能叶的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）与蒸腾速率（Tr）等光合参数。

棉花花铃期选择晴朗、无风、少云天气，采用AvaSpec-ULS2048 光纤光谱仪（Avantes）测定不同处理的棉花冠层光谱数据。测量时光谱探头垂直于棉花冠层，并保持20 cm 的距离，每个小区测定10次重复，测量时间为11:00―14:00，以保证有充足的太阳光。

棉花生长至花铃期时， 小区内随机选取10 株棉花测定株高、叶长、叶宽、单株铃数和SPAD（土壤与作物分析仪开发Soil and plant analyzer development）值，并计算叶面积[16]。 收获期根据棉花吐絮情况先后3 次全部采摘，测定棉花产量。

1.4 数据处理

采用SPSS 26.0 进行统计分析，采用Origin 2019绘制图表。 使用Canoco 4.5 软件进行了冗余分析（Redundancy analysis，RDA），使用AMOS 26 拟合结构方程模型（Structural equation modeling，SEM）。

2 结果与分析

2.1 木醋液叶面肥对棉田土壤理化性质的影响

从表1 可以看出，喷施0.50%木醋液，棉田土壤的碱解氮含量最高，相比含量最低的对照增加了27.6%；其次是1.00%处理，较对照增加了25%。 速效磷含量最高的是0.25%处理， 其次是0.50%处理，相比对照分别增加了2.2 mg·kg－1和1 mg·kg－1。速效钾含量最高的是0.50%处理，相较于速效钾含量最低的对照增加了41.2%， 增加最为显著。0.50%、1.00%和2.00%处理的棉田EC 值相较于对照显著下降， 其中下降幅度最大是1.00%处理，为17.0%。 而棉田有机质含量和pH 整体变化不明显。总体看来，叶面喷施不同浓度的木醋液会影响棉花对土壤养分的吸收，且因棉田养分种类而异。

2.2 叶面喷施不同浓度木醋液对棉花生长指标的影响

由图1 可以看出，棉花平均株高表现为1.00%＞0.50%＞2.00%＞0.25%＞0.00%处理，其中，相较于对照，1.00%和0.50%处理的株高平均值分别增加14.1%和13.0%。1.00%处理的棉花叶面积平均值最高，其次是0.50%处理，分别比对照增加38.2%和21.3%。 棉叶长势最稳定的是0.25%处理， 其次是1.00%。单株铃数最大值出现在0.50%处理，但最小值也出现在0.50%处理， 而1.00%处理的最小值、平均数和中位数均高于其他处理。棉叶SPAD 含量表现为1.00%＞0.50%＞0.25%＞0.00%＞2.00%处理，其中1.00%处理的最小值、平均数、中位数和最高值均高于其他处理。总体看来，1.00%处理的棉花长势最好也最稳定。

2.3 叶面喷施不同浓度木醋液对棉花叶片冠层光谱特征的影响

在棉花花铃期，比较棉花叶片冠层光谱特征的变化趋势，不同试验处理下棉花叶片光谱反射率的变化趋势大体一致，即在500 nm 蓝光处和680 nm红光处形成两个反射谷，主要是由于叶绿素的强吸收引起；在550 nm 左右形成一个反射峰，主要是由于叶绿素的强反射引起； 在750 nm 左右的反射率达到最大，760～950 nm 波段形成近红外反射平台， 主要是由于植物叶片内部组织结构多次反射、散射引起，在此波段内反射率越高，说明植物叶片内部组织结构越完好。但在不同试验处理下棉花叶片光谱的反射率存在一定的差异性，即不同处理在550 nm 波段的平均反射率大小为0.50%＞0.25%＞0.00%＞2.00%＞1.00%处理；在近红外波段（760～1050 nm）内的平均反射率大小为0.50%＞0.25%＞1.00%＞2.00%＞0.00%处理（图2A）。

表1 木醋液叶面肥对棉田土壤理化性质的影响

图1 木醋液叶面肥对棉花生长指标的影响

红边归一化植被指数（NDVI705）是NDVI的改进型，该指数对叶冠层的微小变化非常灵敏，可用于植被胁迫性探测，NDVI705值的范围是－1～1，一般绿色植被区的范围是0.2～0.9。 由图2B 可得，叶片喷施木醋液的处理相较于对照的NDVI705值均有所提高，其中1.00%处理最高，较对照提高了47.2%，0.25%、0.50% 和2.00%处理的棉花NDVI705相较于对照均有显著性差异，但三者之间无显著性差异。 总体来说，叶面喷施1.00%浓度的木醋液能够显著提高棉花的生长状态。

2.4 叶面喷施不同浓度木醋液对棉花叶绿素荧光指数的影响

由表2 可知， 施用木醋液显著提高了最大量子产率（Fv/Fm）和反应中心的性能指数（PIabs）。 其中，1.00%处理的Fv/Fm和PIabs分别比对照增加10%和205.5%；其次是2.00%处理，Fv/Fm和PIabs分别比对照增加5.7%和69.9%。 而0.25%和0.50%处理的Fv/Fm显著高于对照，但三者的PIabs之间没有显著性差异。总之， 叶面喷施木醋液不同程度的增加了棉花叶绿体荧光指数，提高了叶绿体对光能的利用效率。

图2 木醋液叶面肥对棉花叶片冠层光谱特征（A）和红边归一化指数（NDVI705,B）的影响

表2 木醋液叶面肥对棉花叶绿体荧光的影响

2.5 叶面喷施不同浓度木醋液对棉花光合速率的影响

由表3 可知，棉花叶片胞间CO2浓度（Ci）最高的是1.00%处理，较对照显著增加16.6%；其次是2.00%处理，较对照增加9.8%；而2.00%和0.50%处理之间没有显著性差异，表明在浓度达到一定程度时Ci会降低。 相比对照，1.00%处理的棉花净光合效率（Pn）增加24.2%，而0.50% 、0.25%处理和对照之间并没有发现显著性差异。棉花气孔导度（Gs）最高的是1.00%处理，较对照增加30.8%，其整体规律与Ci相同。 同Pn规律相似，1.00%处理较对照的棉花蒸腾速率（Tr）增加43.1%，0.50%、0.25%处理和对照之间并没有显著性差异。 总的来说，棉花光合作用相关指标整体规律相似， 均为1.00%＞2.00%＞0.50%＞0.25%＞0.00%处理， 表明光合效率随着木醋液浓度的升高呈先增加后降低的趋势。

表3 叶面喷施不同浓度木醋液对棉花花铃期光合指标的影响

2.6 叶面喷施不同浓度木醋液对棉花产量的影响

由图3 可知， 相较于对照，0.50%、1.00%和2.00%处理的籽棉产量均存在显著性差异， 分别增产5.6%、15.6%和9.6%。 以木醋液喷施浓度为X轴，以籽棉产量为Y轴，拟合符合数据变化规律的多元方程，最终拟合方程为y＝3 271.8＋80 883.8x－3 315 815.7x2（R2＝0.935），由此看出棉花产量随着木醋液浓度的提高呈现先升高后降低的趋势，并且在叶面喷施1.00%～2.00%浓度的木醋液可能会有最高产量。

通过对棉花生长指标、植物光化学指标和籽棉产量进行冗余分析，可以看出第一和第二主成分共同解释了87%， 并且可以看出其中Ci、Gs、Tr、Fv/Fm和Pn与籽棉产量相关性较高（图4A）。 所以选择对Ci、Gs、Tr、Fv/Fm和Pn进行结构方程模型 （SEM）拟合。 结果表明，模型与数据拟合得很好[x2＝129.2（p＝0.00）；DF＝10；比较拟合指数（CFI）＝1.000；近似均方根误差（RMSEA）＝0.890]，解释了籽棉产量61%的方差（图4B）。 其中值的一提的是Ci、Gs和Tr分别解释了Fv/Fm和Pn的99%和98%的方差。所以木醋液浓度能够通过影响Ci、Gs和Tr进而影响Fv/Fm和Pn，最终促进了籽棉产量的增加。 而Fv/Fm对籽棉直接影响为－0.49，也表现出了浓度过高时会降低籽棉产量。

图3 木醋液叶面肥对棉花籽棉产量的影响

图4 冗余分析（A）和结构方程模型分析（B）

3 讨论

3.1 叶面喷施木醋液对棉花生长和受胁迫程度的影响

研究结果表明，叶面喷施木醋液对棉花生长和受胁迫程度影响显著，不同浓度的木醋液对棉花株高、叶面积、单株结铃数和SPAD 值均有显著的提高，且1.00%浓度的木醋液显著提高了NDVI705值。NDVI705对作物受胁迫程度很敏感， 其数值的提升表明棉花受胁迫程度降低。本试验观察到叶面喷施不同浓度的木醋液，棉田速效氮、磷和钾含量分别增加7.6%～27.6%、1.5%～11.2%和14.8%～41.2%，土壤EC 值最大下降17.0%， 这可能主要归因于木醋液在促进棉花增长的同时，可能会通过影响棉花根系分泌物，活化土壤速效养分和降低土壤盐分[17-19]。因此土壤棉花受胁迫程度的降低可能主要归因于土壤理化性质的改善和棉花抗胁迫能力的提高。许多研究报告了木醋液对作物生长指标、产量和作物品质的影响。 例如，斯日木极等[20]报告称木醋液显著提高了小白菜的茎粗和根长，低、中肥力土壤小白菜鲜重提高了57.78%和46.06%，并将其增产效果归因于木醋液增加土壤酶活性和土壤肥力。Zhang 等[21]报告称木醋液能够通过提高土壤养分有效性增加蓝莓维生素C 含量、可溶性糖等指标。 此外，在一项为期2 年的田间试验中，木醋液搭配生物炭物料分别使玉米高度和籽粒产量提高了23%～39%和140%～195%[22]。 这些积极的研究结果主要是由于土壤理化性质的改善、土壤酶活性的改变以及相关生态功能的提高。 而本试验中，叶面喷施木醋液能够提高棉花生长指标，可能归因于木醋液中含有的醇类、 酚类和酮类物质调节了植物生长性能、提高了对养分的吸收能力，以及木醋液含有的微量元素被植物吸收[21]。

3.2 叶面喷施木醋液对棉花光合利用效率的影响

本研究表明，0.25%以上浓度的木醋液分别显著提高了棉花叶绿体荧光的最大量子效率(Fv/Fm)和反应中心性能指数 （PIabs）0.03～0.07 个单位和40.5%～255.5%，以及净光合速率（Pn）增加5.0%～24.2%。Fv/Fm和PIabs分别和最大光合效率和单位叶绿体的光合能力相关，所以这两个数值的增加表明棉花最大光能转换效率被提高， 叶绿体结构更完善。木醋液能够提高作物光合能力被常青[9]、朱学强[23]和曹莹[24]等报道，主要归因于木醋液中的酚类、有机酸和微量元素增加了叶绿素含量和气孔导度。而本试验数据表明，木醋液不仅能够通过增加叶绿体提高光合利用效率，而且能够增加单位叶绿体的性能，即增加PIabs。 本研究还表明，木醋液能够通过降低初始荧光值（Fo）和增加最大荧光值（Fm），提高可变荧光值（Fv），而可变荧光值的增加促进了对光能的吸收效率，进而增加Fv/Fm。 通过SEM 分析可以看出Fv/Fm和Pn分别被胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）解释了方差的99%和98%，表明最大光合效率和净光合效率的增加与胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）息息相关。

3.3 叶面喷施木醋液对棉花产量的影响

木醋液能够增加作物产量被广泛报道，其中花生叶面喷施稀释300 倍的木醋液有最高产量[21]，草莓叶面喷施稀释400 倍的木醋液有最高产量[25]。 而本试验通过对不同浓度木醋液处理下的棉花产量进行拟合，得到y＝3 271.8＋80 883.8x－3 315 815.7x2（R2＝0.935）的拟合方程。 在本试验中，1.00%处理棉花产量最高，而通过公式进行计算，其峰值出现在叶面喷施1.22%浓度的木醋液时。 喷施木醋液可增加花生和草莓的产量，主要原因是其为农作物提供了营养物质，其次是有机酸和酚类物质对作物有促生作用。而本试验通过对数据进行冗余分析和结构方程模型的拟合，可以看出本文中的棉花产量的增加与荧光、光合、受胁迫程度显著相关，而且最大量子效率（Fv/Fm）和净光合速率（Pn）共同解释61%籽棉产量的方差。 1.00%浓度的木醋液能够增加叶绿素含量和完善叶绿素的结构，促进了光能利用能力，而光合是作物干物质的主要来源，棉花生长状况的提高也得益于此。

4 结论

叶面喷施木醋液能够有效提高棉花生长状况和产量，其增产效果随着木醋液浓度的提高先增加后降低，并且本文通过RDA 和SEM 分析表明，棉花产量的增加主要归因于木醋液降低了棉花的受胁迫程度，提高了叶绿体对光能的转化效率，以及显著提高了棉花的净光合速率。 与清水处理相比，1.00%处理的籽棉产量增加15.6%，NDVI705，Fv/Fm和Pn分别增加47.2%，0.07 个单位和24.2%， 是棉花生长状态最好和产量最高的处理，推荐在棉花种植中应用推广。