深松深度对棉花冠层光合特征及产量的影响

马 君,王 静,李春艳,王 亮,师维军,崔建平,田立文,郭仁松

(1.新疆农业科学院经济作物研究所/农业农村部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室,乌鲁木齐 830091;2.新疆农业广播电视学校,乌鲁木齐 830052;3.新疆维吾尔自治区农业技术推广总站,乌鲁木齐 830000)

0 引 言

【研究意义】棉田连作易造成耕层土壤结构退化、土壤蓄水保肥能力下降,犁底层增厚变硬,棉花根系下扎阻力增大,从而影响棉花生长发育及产量形成[1,2]。深松作为新的一种耕作方式在改善棉田土壤环境,促进棉花根系生长及提高棉花产量等方面发挥着重要作用,近年来已成为耕作学领域研究的热点[3]。【前人研究进展】深松使土壤容重、土壤紧实度降低,破坏长期耕作形成的犁底层,加深耕层深度,促进作物生长,提高叶片光合作用[4,5]。在玉米或小麦上,深松能促进根系对养分的吸收[6],从而提高叶片叶绿素含量,叶面积指数增大,叶片光合势和净光合速率增强[7],进而促进了干物质积累,最终提高产量[8]。【本研究切入点】新疆棉田耕作和种植模式单一,易造成连作障碍,影响棉株生长发育,目前对于新疆深松棉田相关研究尚较少。需要深入探讨深松在新疆棉田的应用对棉花光合及干物质积累的影响。【拟解决的关键问题】研究采用不同深松深度,结合秸秆还田,分析深松对新疆棉花冠层结构特征、光合特性及干物质积累特征的影响。连续2年试验,研究深松深度对不同生育期棉花冠层光合变化及干物质积累特征与产量形成的影响,为深松在新疆棉田的应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2019～2020年在新疆阿克苏地区新疆农业科学院阿瓦提县综合试验基地进行。试验田为壤土,耕层土壤(2年平均值)有机质含量6.98 g/kg、全氮0.42 g/kg、碱解氮48.06 mg/kg、速效磷21.34 mg/kg、速效钾98.17 mg/kg,前茬作物为棉花,供试品种为新陆中88号。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用单因素随机区组设计,在秸秆还田和常规翻耕条件下,以不深松正常翻耕棉田为对照(CK),设置深松30 cm(S1)、40 cm(S2)、50 cm(S3)3个处理,深松处理前进行秸秆还田,深松分别在2018年11月25日和2019年11月20日进行,采用弯刀式深松机(带有精准控制深度定位仪),深松后灌溉冬水。翌年播种前常规翻耕,翻耕分别在2019年4月12日和2020年4月13日进行,平均翻耕深度25 cm,棉花播种期分别为2019年4月14日和2020年4月15日,采用2.05 m宽膜覆盖,1膜6行,棉花行距配置为(10+66)cm,株距为11 cm,其他管理措施同高产田。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 冠层结构

利用LAI-2000植物冠层测定仪,在棉花现蕾期、初花期、盛花期、盛铃期、吐絮期选择阴天或19:00～20:00测定棉花叶面积指数(LAI)、叶倾角(MTA)和冠层开度(DIFN),各处理样点重复3次。

1.2.2.2 光合作用

利用TPS-2型光合仪 (英国),于棉花初花期、盛花期、盛铃期选择晴朗天气11:30～12:30测定棉花标记的主茎倒四叶的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs),每处理测6株,重复3次。

1.2.2.3 干物质

在棉花蕾期、初花期、盛花期、盛铃期、吐絮期选择长势均匀具有代表性植株6株,取样并将其分解,在105℃杀青30 min后80℃烘干至恒重,称重,重复3次,将整个生育时期干物质积累量做Logistic方程模拟。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 和DPS7.05软件进行数据统计分析及作图。

2 结果与分析

2.1 深松深度对棉花冠层结构特征的影响

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研究表明,不同深松深度处理棉花叶面积指数(LAI)在2019年和2020年均呈单峰曲线变化趋势。不同深松深度处理叶面积指数峰值均出现在盛花期,各处理表现一致。随着深松深度的增加叶面积指数呈增大趋势(2年平均值),以S3最高,其值为5.5,表现为S3>S2>S1>CK,分别较CK增大12.94%、9.29%、0.92%。而其他生育时期均以S2叶面积指数为最高,且不同处理之间在盛铃期至吐絮期差异显著(P<0.05),深松有利于棉花生育后期保持较高的LAI。图1

注:BS:现蕾期 ;IFS:初花期;FFS:盛花期;FBS:盛铃期;BOS:吐絮期.下同

不同深松深度处理在棉花生育期叶倾角(MTA)呈先降低后升高的变化趋势,2年的表现一致。随深松深度的增加不同深松深度处理棉花叶倾角呈增大趋势,S3、S2、S1较CK盛花期、吐絮期分别增大1.86%、5.29%、4.91%,8.73%、9.16%、10.45%,且S2、S3之间差异不显著(P>0.05),与CK差异显著(P<0.05)。深松影响叶倾角的大小,S2、S3在棉花生长中后期叶倾角增大,有利于叶片进行光合作用。图2

图2 不同深松深度下棉花不同生育时期MTA变化Fig.2 Effects of subsoiling depth onMTA at different growth stages of cotton

棉花冠层开度(DIFN)2年的变化趋势相同,随着生育期推进呈先下降后上升的趋势,均在盛花期达到最小值。随着深松深度的增加,DIFN2年的平均值逐渐降低,与CK相比S1、S2、S3降幅分别为32.7%、53.5%、59.1%,其中S2与S3之间无显著性差异(P>0.05),但2年间S2、S3在整个生育期DIFN均显著低于CK(P<0.05)。图3

图3 不同深松深度下棉花不同生育时期DIFN变化Fig.3 Effects of subsoiling depth onDIFN at different growth stages of cotton

2.2 深松深度对棉花光合特征的影响

研究表明,初花期随着深松深度的增加净光合速率呈增加趋势,其中S2、S32年平均值分别较CK增加10.87%、13.70%,S1与CK差异不明显。而盛花期、盛铃期净光合速率以S2最高,表现为S2>S3>S1>CK,其中盛花期S2、S3、S12年平均值分别较CK增加8.81%、6.43%、2.51%;盛铃期S2、S3、S12年平均值分别较CK增加14.32%、12.77%、5.59%。图4

图4 不同深松深度下棉花不同生育时期Pn变化Fig.4 Effects of subsoiling depth onPn at different growth stages of cotton

初花期棉花叶片蒸腾速率无明显规律,2019年以S2为最高,2020年则以S3最低,而2年平均值以S2最高,其次是S3,分别较CK提高23.41%、14.97%。而盛花期、盛铃期棉花叶片蒸腾速率规律性明显,即随着深松深度增大呈增加趋势,表现为S3>S2>S1>CK,盛花期各处理蒸腾速率分别增加15.61%、8.53%、0.73%,盛铃期各处理蒸腾速率分别增加19.12%、18.56%、2.45%。图5

图5 不同深松深度下棉花不同生育时期Tr变化Fig.5 Effects of subsoiling depth onTr at different growth stages of cotton

初花期、盛花期气孔导度随着深松深度的增大呈先增加后降低的趋势,2年变化趋势基本一致,以S2值最高,2年的平均值分别较CK增加33.10%、66.18%。盛铃期则是随着深松深度的增加呈增加趋势,以S3值最高,2年平均值较CK增加64.52%。深松深度增加促进了棉花中后期功能叶片气孔张开,增加了气孔吸收CO2的量,从而提高叶片净光合速率。图6

图6 不同深松深度下棉花不同生育时期Gs变化Fig.6 Effects of subsoiling depth onGS at different growth stages of cotton

2.3 深松深度对棉花干物质积累特征影响

表1 不同深松深度处理棉花干物质积累Logistic模型及主要参数

2.4 深松深度对棉花产量及构成因素影响

研究表明,深松对棉花产量及构成因素影响差异显著(P<0.05)。2年的籽棉产量均以S2最高,分别为6 177.38、5 713.87 kg/hm2,CK籽棉产量最低,分别为5 275.96、4 507.12 kg/hm2,皮棉产量与籽棉产量表现一致。S3、S2、S12年平均籽棉产量分别较CK增加20.65%、21.93%、11.02%,其中S2与CK、S1差异达显著水平(P<0.05),与S3差异不显著(P>0.05)。单铃重2年平均值随深松深度的增加呈增大趋势,S1、S2、S3分别较CK增加3.58%、8.90%、9.12%。单株铃数2年平均值以S2最高,分别较CK、S1、S3增加6.62%、2.22%、0.18%。而各处理收获株数与衣分2年平均值差异不显著(P>0.05)。表2

3 讨 论

3.1优化冠层结构能够调节作物群体叶片光截获能力、光合有效辐射的分布及光能利用率,是作物光合产物量累积和产量形成的基础[9,10]。叶面积指数是衡量作物冠层结构是否合理的主要指标[11]。研究结果表明,深松处理棉花叶面积指数在整个生育期呈现前期增长快,中期水平高,后期下降缓的特点,与王春雷等[12]、尹斌等[13]在玉米上的研究结果基本一致,深松能够协调玉米根-冠系统的发展,提高叶绿素含量及叶面积指数,使后期叶面积指数下降幅度小,保持较高光合能力。叶片作为主要光合器官,其叶倾角的变化直接影响作物的光合效率。研究结果表明,深松提高了棉花叶片叶倾角,减小了叶片交互影响,优化了冠层结构,增加了群体光合有效面积,有利于提升棉花中下部叶片光合能力,从而减小了因叶面积指数提高,而造成的冠层开度下降的影响。

表2 深松深度下棉花产量及构成因素变化

3.2深松对作物光合作用有明显促进作用,许菁等[14]深松显著提高冬小麦-玉米两熟地小麦和玉米光合速率、气孔导度和蒸腾速率,延缓了叶片衰老,使作物后期光合速率保持较高水平,同时提升了小麦和玉米花后光合产物对产量的贡献率。与研究结果基本一致,深松促进了棉花光合作用,净光合速率、蒸腾速率和气孔导度在初花期、盛花期、盛铃期较不深松棉田有明显的提高。胡树平等[15]在向日葵上的研究也得出一致结论,而晋鹏宇等[16]发现播前深松有效提高玉米吐丝期净光合速率,但4叶期深松使其降低,原因是玉米生长期深松破坏了根系的生长。

3.3深松与作物中后期干物质积累量及产量形成密切相关[17]。郑成岩等[18]研究认为土壤深松提高了小麦旗叶光合生产能力和开花后干物质积累量及其光合产物向籽粒的分配比例,有利于增加小麦粒重。赵亚丽等[19]研究表明,深松+秸秆还田使冬小麦和夏玉米周年干物质积累量提高22.9%,周年产量提高19.3%。研究中,深松促进了棉花干物质积累量较早达到最大积累速率,且快速积累持续期延长,中后期干物质积累量增加,使光合产物向生殖器官转移量增加,从而增加了单铃重,促进了产量提升。

4 结 论

与常规翻耕相比,深松40 cm(S2)结合翻耕明显改善了棉花关键生育期冠层结构和光合性能,使棉花在花铃期仍然保持较高的叶面积指数和净光合速率,延缓了棉花叶片光合作用功能期,增加了棉花干物质快速积累期,显著提高了籽棉产量。新疆主产棉区采用深松40 cm能够改善棉花生长状况。