灌水量与加气对干播湿出棉田幼苗生长及光合特性的影响

摘要： 为探讨灌水量与加气对干播湿出棉花幼苗的叶绿素、光合特性及干物质的影响，试验共设计了6个处理（WP1—WP6），其中WP1，WP2与WP3处理灌水定额分别为150，225与300 m3/hm2，加气量分别为3 600，5 400与7 200 L/hm2；WP4，WP5与WP6处理灌水定额分别为150，225与300 m3/hm2，试验处理均不加气（作为对照）.结果表明：随灌水量与加气量的升高，棉花幼苗叶片叶绿素含量呈先升高后降低的趋势，加气较不加气处理叶绿素含量最大可提高12.56%.加气对光下最大荧光Fm′、光下最大光能利用效率Fv′/Fm′、光下光系统PSⅡ潜在光化学活性Fv′/F0′、实际原初光能捕获效率Yield具有提升效果.与非加气处理相比，加气处理的叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度分别增加了0.4 μmol/（m2·s），0.2 mmol/（m2·s）与3.0 mmol/（m2·s）以上，胞间CO2浓度降低了9 mmol/mol.同等灌水定额下，加气处理的干物质较非加气处理均有显著增加，其中WP2处理干物质增加显著.加气灌溉可显著提高棉花叶片叶绿素含量，增强光合作用，提高干物质积累量.

关键词： 棉花；加气灌溉；叶绿素；光合特性；干物质

中图分类号： S275.4 文献标志码： A 文章编号： 1674-8530（2024）10-1052-06

DOI：10. 3969/j.issn.1674-8530.23.0174开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

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Effects of irrigation amount and aeration on seedling growth

and photosynthetic characteristics of dry and wet cotton fields

ZHOU Qin1， 2， BAI Yungang2， CHAI Zhongping1*， LU Zhenlin2， ZHANG Jianghui2，

ZHENG Ming2， LIU Hongbo2， XIAO Jun2， ZHOU Haojie1

（1. College of Resources and Environment， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， Xinjiang 830052， China; 2. Xinjiang Research Institute of Water Resources and Hydropower， Urumqi， Xinjiang 830049， China）

Abstract： In order to investigate the effects of irrigation amount and aeration on chlorophyll， photosynthetic characteristics and dry matter of dry-seeded wet-emergent cotton seedlings， six treatments （WP1， WP2， WP3， WP4， WP5 and WP6） were designed for the experimental study. The irrigation quota for WP1， WP2 and WP3 treatments was 150， 225 and 300 m3/hm2， respectively， with corresponding irrigation amounts of 3 600， 5 400 and 7 200 L/hm2， respectively. The irrigation quota of WP4， WP5， and WP6 treatments was 150， 225 and 300 m3/hm2， respectively， and the experimental treatments were not aerated （as a control）. The results show that with the increase of irrigation amount and aeration， the chlorophyll content of cotton seedling leaves increases first and then decreases， and the chlorophyll content of cotton seedling leaves increases by 12.56% compared with those without ae-ration. Aeration can increase maximum fluorescence under light， maximum light energy utilization efficiency under light， potential photochemical activity of the photosystem PSⅡ" under light， and actual primary light energy capture efficiency. Compared with non-aerated treatment， the net photosynthetic rate， transpiration rate， and stomatal conductivity of leaves in aerated treatment increase by more than 0.4 μmol/（m2·s）， 0.2 mmol/（m2·s） and 3.0 mmol/（m2·s）， respectively， and the intercellular CO2 concentration decreases by more than 9 mmol/mol. Under the same irrigation quota， the dry matter of aerated treatment significantly increases than that of non-aerated treatment， and the dry matter of WP2 treatment increases significantly. Aerated irrigation can significantly increase the chlorophyll content， enhance photosynthesis， and increase dry matter accumulation in cotton leaves.

Key words： cotton; aerated irrigation; chlorophyll; photosynthetic characteristics; dry matter

棉花是中国主要经济作物之一，也是生产纤维和国防战略物资的原材料，为国民经济的发展和国防保障提供重要的物资支撑[1].中国棉花种植主要分布在新疆，据统计，2022年新疆棉花总产量为539.1万吨，约占全国总产量的90.2%[2]，然而水资源短缺严重制约着新疆棉花产业的发展[3].干播湿出是一种作物播种前不需要或者少量冬灌、春灌，播种后少量滴水以保证作物正常出苗的种植技术，在节水上具有很大的优势[4].目前，干播湿出技术在棉花[5]、冬小麦[6]等作物的节水效果方面已有大量研究，该技术适用于偏砂性土壤，而当用于黏性土壤时易使土壤板结[4]，使棉花在出苗期与幼苗期出现土壤缺氧[7]、僵苗、闷苗、死苗等现象，从而影响棉花产量.因此，干播湿出技术不适合在黏壤土棉田中大面积推广与应用.

加气滴灌是在地下滴灌的基础上以水为载体、加气设备向作物根区通气以解决土壤板结与缺氧问题的技术[8].研究发现适量通气不仅可以促进水稻根系的生长，而且可以促进植株的分蘖和生物量的积累[9].李元等[10]研究发现加气处理下番茄叶片净光合速率高于不加气处理.乔建磊等[11]发现加气滴灌条件下蓝莓叶片净光合速率和气孔导度明显增大，叶片胞间CO2摩尔分数大幅减小.实施加气滴灌一方面可以提高叶片叶绿素含量和气孔导度，另一方面有助于增强根系有氧呼吸，提高根系的呼吸效率，有利于矿物质营养的吸收和光合速率的提高[12].

目前有关加气灌溉的研究十分关注温室下水肥耦合、不同频率增氧、滴灌带埋深等复合因素，探索加气灌溉对作物水分利用效率、产量、品质的提升.而增氧滴灌对作物幼苗期生长发育的研究较匮乏.文中以新疆黏壤土干播湿出棉花幼苗为研究对象，探究灌水量与加气量对棉花幼苗生理生长指标的影响，以获得最佳的水气灌溉模式，旨在为干播湿出技术应用于黏壤土棉田增产提质提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2023年在阿克苏地区沙雅县海楼镇进行，试验田位置在（41°17′N，82°69′E），海拔922 m.该地区属暖温带沙漠边缘气候，年平均降水量与蒸发量分别为47.3 mm和2 000.7 mm，无霜期218 d，年平均气温约为10.7 ℃，年平均日照时间为3 031.2 h.试验区土壤质地为黏壤土，0～40 cm土壤平均容重为1.4 g/cm3.试验田地下水埋深大于3 m.

1.2 试验设计

以棉花早熟品种“新陆中54号”为研究对象.试验共设计6个处理，分别为地下加气灌溉处理（WP1—WP3）和不加气灌溉处理（WP4—WP6）.其中，WP1， WP2， WP3灌水定额分别为150， 225， 300 m3/hm2，加气量分别为3 600， 5 400， 7 200 L/hm2；WP4， WP5， WP6灌水定额分别为150， 225， 300 m3/hm2，加气量均为0，作为对照.试验小区随机排列设计，每个处理重复3次，共18个小区，小区面积为80 m2.棉花于4月14日播种，播种深度为地表以下1.5 cm，株距为10 cm.封土方式为侧封土，种植方式为1膜3管6行，行距分别为13，63，13，63，13，63 cm.滴灌带布设在棉花窄行中间，滴灌管埋深为10 cm，滴头流量为2.1 L/h，滴头间距为20 cm.具体种植模式如图1所示.

在棉花主管道接超微米气泡发生装置（夏之春环保科技公司，中国），该装置可以实现作物的水气一体化灌溉.微纳米气泡粒径为200～4 000 nm，气泡含率为84%～90%，气泡平均上升速率为4～8 mm/s，进气量为2 L/min.同时在超微米加气机进水前端安装水表计量纯灌溉水量（不含空气的水量）.开启阀门对棉田进行滴灌灌水，设置滴灌带灌水压力大于0.1 MPa以确保灌水均匀.灌溉水源为地下水，矿化度为2.6 g/L，灌水时间为2023年4月16日.

1.3 测定指标及方法

1.3.1 棉花幼苗叶片SPAD测定

每个处理选定3株棉花，挂牌标记棉花幼苗第4片真叶，测定时避开叶片叶脉，选择充分受光、叶位一致的健康叶片，于5月21日10：00—11：00采用手持式叶绿素仪（SPAD-502Plus，日本）测定各处理标记棉花第4片真叶的SPAD值，同一片叶子测定3次，同一个处理共测定9次，取其平均值.

1.3.2 棉花幼苗叶片叶绿素荧光参数测定

于5月21日10：00—11：00，每个小区选取3株代表性棉花（测定SPAD值选定的叶片），采用MINI-PAM荧光仪（Walz，德国）测定它的光下最小荧光（F0′）、光下最大荧光（Fm′）、光下最大光能利用效率（Fv′/Fm′）、光下光系统PSⅡ潜在光化学活性（Fv′/F0′）和实际原初光能捕获效率Yield.

1.3.3 棉花幼苗叶片光合测定

在棉花苗期内选择一个晴朗无云的天气，每个小区选取生育进程一致且长势均匀的3株棉花，每株选取3片叶片进行挂牌标记并监测.于10：00—20：00使用便携式光合系统（CIRAS-3，PP systems，美国）测定叶片净光合速率Pn、气孔导度Gs、蒸腾速率Tr、胞间CO2浓度Ci.每隔2 h监测1次.

1.3.4 棉花幼苗干物质质量测定

每个小区选取生育进程一致且长势均匀的3株棉花，去掉根系的土壤，将根、茎、叶分开后放入烘箱105 ℃杀青30 min，于75 ℃下烘干至恒质量，称量棉花各器官的干物质质量.

1.4 数据分析

采用WPS进行数据整理，使用Origin 2018进行绘图，利用SPSS 19.0软件进行多重比较及交互作用方差分析.

2 结果与分析

2.1 加气灌溉对棉花幼苗叶片SPAD的影响

图2为各处理下叶绿素相对含量SPAD值.在加气处理中，棉花幼苗叶片的SPAD值随加气量的增大呈先增后减的变化趋势，其中以WP2处理最大，最大值为45.7，较WP1与WP3处理的SPAD分别高3.1%与1.9%，处理间差异具有统计学意义（Plt;0.05）；在非加气处理中，棉花幼苗叶片的SPAD值随灌水量的增大呈逐渐减小的变化趋势，其中以WP4处理最大，最大值为41.9，较WP5与WP6分别提升1.3%与1.7%.在相同灌水定额条件下，加气处理棉花幼苗叶片的SPAD值均大于非加气处理.WP1较WP4处理SPAD值高0.7，但差异不具有统计学意义（Pgt;0.05）；WP2较WP5处理SPAD值高5.1，差异具有统计学意义（Plt;0.05）；WP3较WP6处理SPAD值高3.6，差异具有统计学意义（Plt;0.05）.说明相同灌水量下，通过加气能够增加棉花幼苗叶片叶绿素含量，从而提高光合产物的积累.综合分析可知，WP2处理对棉花幼苗叶片叶绿素含量的增加效果最优.

2.2 加气灌溉对棉花幼苗叶绿素荧光参数的影响

表1为不同处理叶片光合特性，由表可以看出，相同灌溉水量下，WP1，WP2与WP3加气处理F0′值均小于非加气处理，WP1较WP4处理F0′值低25，但差异不具有统计学意义（Pgt;0.05），WP2较WP5处理F0′值低121，且差异具有统计学意义（Plt;0.05），WP3较WP6处理F0′值低131，差异具有统计学意义（Plt;0.05）.说明加气处理可降低棉花幼苗的F0′值.

光下最大荧光Fm′、光下最大光能利用效率（Fv′/Fm′）、光下潜在活性（Fv′/F0′）与实际原初光能捕获效率Yield均受加气量与灌水定额交互作用的影响，在加气处理中，Fm′，Fv′/Fm′，Fv′/F0′与Yield随加气量的增加呈先增后减的变化趋势，按处理从大到小排序依次为WP2，WP3，WP1.在相同灌水定额条件下，加气处理中Fm′，Fv′/Fm′，Fv′/F0′和Yield均高于非加气处理，其中WP2处理下的Fm′，Fv′/Fm′，Fv′/F0′和Yield较WP5处理分别高342，0.246，2.638与0.165.

2.3 加气灌溉对棉花幼苗叶片光合作用的影响

图3为不同处理棉花叶片光合参数日变化.由图可知，同等灌水定额下，加气处理的Pn，Tr与Gs高于非加气灌溉处理.

14：00时，WP1处理的Pn，Tr与Gs较WP4处理分别高0.4 μmol/（m2·s），0.2 mmol/（m2·s）与3.0 mmol/（m2·s），WP2处理的Pn，Tr与Gs较WP5处理分别高3.8 μmol/（m2·s），1.7 mmol/（m2·s）与48 mmol/（m2·s），WP3处理的Pn，Tr与Gs较WP6处理分别高2.8 μmol/（m2·s），1.2 mmol/（m2·s）与26 mmol/（m2·s），说明加气可以促进棉花幼苗的净光合速率、蒸腾速率以及气孔导度.各处理中WP2处理的光合特性整体高于其他处理.各处理的胞间CO2浓度（Ci）日变化特征如图3d所示，同等灌水定额下，加气灌溉处理低于非加气灌溉处理，14：00时，WP1处理的Ci相比WP4处理低9 mmol/mol，WP2处理的Ci相比WP5处理低46 mmol/mol，所有处理中WP2的Ci最低，说明WP2利用Ci的效率较高.

2.4 加气灌溉对棉花幼苗干物质的影响

表2为加气灌溉处理对棉花幼苗各组成部分干物质的影响.表中mR，mS，mL分别为根、茎、叶的干物质质量.在加气处理中，根、茎、叶的干物质质量随加气量的增大呈先增后减的趋势，按处理从大到小排序依次为WP2，WP3，WP1；在非加气处理中，根、茎、叶的干物质质量随灌水量的增大呈先增后减的趋势，按处理从大到小排序依次为WP4，WP6，WP5.相同灌水定额下的根、茎、叶的干物质质量中，WP1较WP4分别高0.01，0.15，0.12 g;WP2较WP5分别高0.24，0.69，1.22 g;WP3较WP6分别高0.13，0.72，0.66 g.加气处理的不同器官干物质高于非加气处理，说明加气灌溉可以促进植株干物质积累.

3 讨 论

根区土壤缺氧会增加作物根系的无氧呼吸作用，从而降低有氧呼吸占比，造成细胞乙醇浓度升高、ATP水平下降，降低植物根系对水分和养分的吸收能力，进而降低作物新陈代谢速率，最终导致植物生长受阻[13].叶绿素是光合作用的基础，与光合作用密切相关，作为光合反应色素起着捕获光能和分离电荷的双重作用[14].文中同等灌水定额下，加气灌溉处理的叶绿素含量整体高于非加气灌溉处理（图2），且试验结果显示加气灌溉的净光合速率、蒸腾速率与气孔导度高于非加气灌溉处理，说明叶绿素含量对光合作用具有促进作用.但研究中发现加气量与灌水量对叶绿素含量的影响存在交互作用，因此最终结果表明WP2处理的灌水量与加气量对光合作用的提升效果最优.

叶绿素荧光可通过测定作物PSⅡ系统直接诊断作物叶片光能吸收和传递的过程[15]，最大荧光产量（Fm′）、实际原初光能捕获效率（Yield）、光下最大光能利用效率（Fv′/Fm′）与光下潜在活性（Fv′/F0′）可以体现光合作用过程中PSⅡ反应中心电子传递效率与光能的转化利用效率，参数值越大，说明光合效率越高.文中发现与非加气处理相比，加气处理的F0′均降低，而Fm′，Fv′/Fm′，Fv′/F0′，Yield均升高，这表明加气与灌水处理可以提升作物光能转化利用效率.加气灌溉处理的净光合速率整体高于非加气灌溉处理，这说明加气可以促进PSⅡ反应中心电子传递效率.所有处理中，WP2处理的Pn最高，说明适宜的灌水定额与加气量对干播湿出棉花幼苗光合作用提升最为显著.

光合作用是影响作物生物量的重要因素之一，干物质积累量是作物光合作用产物的最高形式，在生物学产量中90%～95%的干物质来自光合作用同化的碳水化合物，而只有极少部分（5%～10%）的物质来自根部吸收的营养物质.文中研究结果表明，加气灌溉对干播湿出棉花幼苗根、茎、叶干物质的积累量影响均具有统计学意义（Plt;0.05），加气处理棉花根、茎、叶的干物质积累量较不加气处理显著增大（表2）.文中发现加气灌溉是通过增加光合速率增加干物质积累量，这与ZHU等[16]在水稻上的研究结果一致.

4 结 论

1） 加气灌溉可以提高干播湿出棉花幼苗叶片叶绿素的含量，且不同加气量与灌水量对干播湿出棉花幼苗叶片叶绿素含量的影响具有统计学意义（Plt;0.05）.

2） 与非加气灌溉相比，加气灌溉可以有效提高干播湿出棉花幼苗叶片Fm′，Fv′/Fm′，Fv′/F0′和Yield值，同时显著降低F0′值.

3） 加气灌溉对干播湿出棉花幼苗光合特性有显著影响，WP2处理棉花幼苗净光合速率、气孔导度与蒸腾速率均明显高于其他试验处理，而胞间CO2浓度低于其他试验处理.

4） 同等灌水定额下，加气处理棉花幼苗干物质积累量均高于非加气处理，最高干物质积累量出现在WP2处理，最低干物质积累量出现在WP5处理.因此，综合考虑各试验处理对棉花光合特性和干物质积累量的影响，WP2处理为最优处理.

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（责任编辑 黄鑫鑫）