根域限制下水氮供应对膜下滴灌棉花叶片光合生理特性的影响

在新疆气候生态条件下,采用管栽方法,选用棉花新陆早13号和新陆早33号2个品种为供试材料,通过人工限制根系垂直生长深度和水氮供应,测定棉花叶片气体交换和叶绿素荧光参数、光合物质积累等,探讨根域限制及水氮供应对棉花光合生理特性及产量形成的影响。结果表明:与对照相比,相同水氮供应条件下,根域限制处理棉花从开花期至盛絮期叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和光化学猝灭系数(qp)显著降低,尤其在盛铃后期至盛絮期表现明显,但潜在最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学效率(ΦPSⅡ)未受到影响;盛花期和盛絮期根重均显著降低,但地上部总干物质、蕾铃干物质累积量及籽棉产量均显著高于对照。同一根域容积不同水氮处理棉花开花期至盛絮期的Pn、Gs和Fv/Fm、ΦPSⅡ、qp均表现为W1N1>W0N1>W1N0>W0N0;根域限制条件下适量水氮供应处理盛花期和盛絮期地上部总干物质和蕾铃干物质累积量均显著增加,最终单株铃数、单铃重和籽棉产量均显著高于其它处理。因此,在膜下滴灌棉花根域容积受限制条件下,通过优化生育期水氮供应,能改善叶片光合性能、增加地上部干物质积累量及其向生殖器官分配比例,是挖掘膜下滴灌棉花产量潜力和提高效益的有效途径。     

棉花苞叶光呼吸和PSII热耗散对土壤水分的响应

在新疆气候生态条件下, 采用膜下滴灌植棉技术, 设置不同滴灌水分处理, 研究了不同滴灌量条件下棉花(Gossypium hirsutum)苞叶和叶片碳同化、光呼吸作用、光系统II (PSII)热耗散作用及其光破坏防御机制的差异, 以揭示滴灌节水条件下棉花苞叶缓解光抑制的机理及与棉花抗旱特性的关系。结果表明: 棉花开花后苞叶及叶片在高温强光下实际光化学效率(Φ_PSII)显著降低, 发生明显的光抑制现象, 但苞叶的光抑制程度较叶片轻; 与正常滴灌量处理相比, 节水滴灌条件下棉花水分亏缺, 叶片净光合速率(P_n)、Φ_PSII、光呼吸(P_r)、光化学猝灭系数(q_P)降低, 非光化学猝灭系数(NPQ)升高, 叶片光抑制程度加重, 而苞叶P_n、Φ_PSII、P_r、q_P、NPQ变化不大, 与正常滴灌量处理相比, 光抑制程度无显著差异。苞叶光呼吸速率与光合速率的比值(P_r/P_n)显著高于叶片; 滴灌节水条件下棉花适度水分亏缺对苞叶光呼吸及P_r/P_n无显著影响。高温强光下, 棉花节水滴灌对叶片PSII量子产量的转化与分配影响显著, 但对苞叶的影响不显著; 苞叶非调节性能量耗散的量子产量(Y(NPQ))高于叶片, 因此能有效地将PSII的过剩光能以热的形式耗散。综上所述, 与叶片相比, 苞叶对轻度水分亏缺不敏感, 是棉花适应干旱逆境较强的器官, 苞叶光呼吸和热耗散作用对光破坏防御具有重要意义。     

田间条件下棉花幼叶光合特性及光保护机制

通过比较棉花(Gossypium hirsutum)幼叶和完全展开叶气体交换参数及叶绿素荧光特性的差异, 探讨高光强下幼叶的光抑制程度及明确光保护机制间的协调机理。在田间自然条件下, 以棉花刚展平的幼嫩叶片(幼叶)和面积已达到最大的完全展开叶片为研究对象, 通过测定不同发育阶段叶片气体交换参数及叶绿素a荧光参数的变化, 并运用Dual-PAM100对不同发育阶段的叶片进行快速光响应曲线的拟合。结果表明: 幼叶和完全展开叶片在光合、荧光特性方面表现出明显的差异。与完全展开叶相比, 较低的叶绿素(Chl)含量和气孔导度(G_s)是幼叶较低净光合速率(P_n)的限制因素, 从而直接导致其光系统II (PSII)实际光化学效率(Φ_PSII)和光化学猝灭系数(q_P)的降低。在1800 μmol·m^-2·s^-1光强以下, 完全展开叶具有较强的围绕PSI循环的电子流(CEF), 有利于合成ATP, 是其具有较高光合能力的原因之一。相同光强下, 幼叶较低的光饱和点(LSP)更易受光抑制, 但其PSII原初光化学效率(F_v/F_m)的日变化幅度显著小于完全展开叶, 说明强光下幼叶通过类胡萝卜素(Car)猝灭单线态氧、光呼吸(P_r)、热耗散(NPQ)以及PSI-CEF等光保护机制能有效地耗散过剩的光能, 从而避免其光合机构发生光抑制。     

膜下滴灌下土壤深层水分对棉花根系生理及叶片光合特性的调节效应

在新疆气候生态条件下,以土柱栽培棉花（新陆早13号）为试材,通过人工改变播种前60 cm以下土壤含水量,设计有深层水和无深层水处理,并采用膜下滴灌控制生育期间耕层土壤含水量［分别为田间相对持水量的70%（±5%）和55%（±5%）］,探讨土壤深层水分对棉花根系生理及叶片光合特性的影响.结果表明：深层水增强了棉花根系SOD活性和根系活力,提高了植株对土壤深层水的利用率,提高了叶片水势、叶绿素含量、净光合速率和植株光合物质累积量,最终获得了较高的产量和水分利用效率.在有深层水条件下,棉花生育期间耕层水分为55%处理的中下层根系衰老慢、根系活力增强,在一定程度上弥补了生育期间水分亏缺对叶片光合功能的负面效应,但其产量仍显著低于70%处理,而水分利用效率与70%处理无明显差异.因此,在膜下滴灌棉花水分管理中,播种前应重视冬春储备灌,增加土壤深层的贮水量,并通过协调关键栽培技术、适度减少滴水量或延长滴水周期,充分挖掘膜下滴灌节水增产潜力.     

土壤水分亏缺对陆地棉花铃期叶片光化学活性和激发能耗散的影响

 为了探讨水分亏缺对叶片光合机构光化学量子效率和非辐射热耗散的影响,在新疆气候生态条件下,采用膜下滴灌技术精确地控制滴水量,实 现不同程度的土壤水分亏缺,系统测定了不同水分条件下陆地棉（Gossypium hirsutum）叶片叶绿素荧光参数、叶片接受光量子通量密度 （Photon flux density, PFD）、叶片温度（Leaf temperature, T_leaf）以及叶片水势和叶绿素含量的变化。研究表明：轻度水分亏缺（田间 持水量的 55%～60%）叶片接受的PFD与对照（田间持水量的70%～ 75%）无差异,T_leaf略高于对照;中度水分亏缺（田间持水量的40%～45%） 在12∶00 (北京时间,下同)以前叶片接受的PFD和对照无差异,随后显著低于对照,T_leaf在整个日变化中均高于对照。 不同水分处理对 黎明 前叶片PSⅡ最大光化学效率（The maximum photochemical efficiency of PSⅡ, F_v/F_m）没有影响。轻度水分亏缺叶片的实际光化学效率（PS Ⅱ photochemical efficiency,φPSⅡ）、表观电子传递速率（ Electron transport rate, ETR）和光化学猝灭系数（Photochemical quenching,q_p）的日变化与对照基本一致,非光化学猝灭系数（Non-photochemical quenching, NPQ）在12∶00以前和14∶00以后显著低于对 照,在12∶00～14∶00和对照无差异。中度水分亏缺叶片的φPSⅡ、ETR和qp在12∶00才显著降低,此后由于叶片出现暂时萎焉、下垂,所接受 的PFD减弱,叶绿素荧光参数缓慢恢复,且高于对照;NPQ在12∶00 以前显著高于对照,14∶00略高于对照,此后低于对照。水分亏缺导致中午 叶片水势和叶绿素a、叶绿素b含量降低,但叶绿素a/b比值升高。因此,在田间条件下,陆地棉可通过叶片萎焉下垂运动和叶绿素含量的变化调 节叶片对光能的捕获,以及通过光合电子传递、热耗散水平的变化来适应水分亏缺的逆境。在中度水分亏缺条件下,陆地棉叶片萎焉下垂运动 的被动调节减少了过量激发能对光合机构的伤害,保证了光合机构的正常运转。     

海岛棉和陆地棉叶片光合能力的差异及限制因素

研究海岛棉和陆地棉两个栽培种间叶片的光合特性及组织解剖结构特性,揭示不同棉花栽培种叶片的光合能力的差异,探讨如何进一步提高海岛棉的光合物质生产能力,以期为高光效棉花品种选育和高产高效栽培实践提供理论基础。在新疆气候生态条件下,选用北疆棉区有代表性的海岛棉品种新海22号和陆地棉品种新陆早13号为试验材料,分别测定了两棉花栽培种叶片的净光合速率（PN）、气孔导度（Gs）及叶片温度的日变化,PN-PPFD（光量子通量密度）响应曲线,PN-Ci（胞间CO2浓度）响应曲线以及叶绿素含量、叶片面积、比叶重和地上部生物量等指标,并观察了叶片的形态解剖结构特性。研究结果表明,当新陆早13号叶片被固定于水平方向上以后,日进程中新海22号的叶片温度显著高于新陆早13号。在上午和下午光强较低时,新海22号和新陆早13号的PN和Gs无明显差异;12:00h至16:00h（北京时间,下同）,新海22号叶片的PN和Gs均显著低于新陆早13号。新海22号和新陆早13号叶片的PN-Ci响应曲线无明显差异。新海22号叶片的Pmax（最大光合速率）低于新陆早13号,而两者的AQY（表观量子效率）无显著差异。新海22号叶片的栅栏组织厚度、比叶重和生物量均显著低于新陆早13号,而叶绿素含量和叶片面积均显著高于新陆早13号。因此,田间条件下,海岛棉叶片的实际光合能力低于陆地棉,但两者具有相似的光合潜力。气孔导度是导致海岛棉和陆地棉叶片实际光合能力存在差异的重要原因,而栅栏组织较薄限制了海岛棉叶片光合潜力的进一步发挥。     

干旱区膜下滴灌条件下土壤深层水对棉花根系生长、分布及产量的影响

在土柱栽培条件下研究膜下滴灌土壤深层水对棉花根系生长的影响及与植株地上部生长的关系,设置土壤(60～120 cm)有深层水和无深层水2个处理,每处理设2个生育期间灌溉处理,分别为田间持水量70%和55%.结果表明：棉花总根质量密度、40～120 cm土层根长密度、根系活力等与地上部干质量间均具有显著的相关关系.生育期间耕层70%田间持水量条件下,土壤有深层水处理的总根质量密度与无深层水处理无明显差异,但40～120 cm土层的根长密度增加,根系活力增强,提高了土壤贮备水消耗量,增加了地上部干质量,最终获得较高的经济产量及水分利用效率.土壤有深层水条件下,生育期间耕层55%田间持水量处理的根冠比较大,40～120 cm土层根长密度和80～120 cm土层根系活力相对较高,土壤贮备水消耗量大幅提高,但仍无法弥补生育期间水分亏缺对根系及地上部生物量造成的负面影响,导致经济产量显著低于70%田间持水量处理.综上,充足的土壤深层水配合生育期间耕层65%～75%田间持水量,可促进棉花根系向下生长,有利于实现膜下滴灌棉花节水高产高效生产.     

根域限制下水氮供应对膜下滴灌棉花根系及叶片衰老特性的影响

在新疆的气候生态条件下, 选用北疆2个棉花(Gossypium hirsutum)主栽品种‘新陆早13号’和‘新陆早33号’为供试材料, 设置限根(RR)与对照(CK)处理, 每个处理设置4个水氮水平: 水氮亏缺(W₀N₀)、水分亏缺(W₀N₁)、氮素亏缺(W₁N₀)与水氮适量(W₁N₁), 组成再裂区试验方案。采用管栽方法, 通过人工改变根系垂直生长深度和水氮供应, 在棉花产量形成期测定根系及叶片抗氧化保护酶系活性、生物量累积及分配等, 探讨根域限制及水氮供应对棉花根系生长及叶片衰老的影响机理。结果表明: 根域限制条件下, 棉花根系生物量、根系与叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)与过氧化氢酶(CAT)活性、棉株总生物量、根冠比均低于对照, 而地上部生物量与籽棉产量显著高于对照。水氮供应能有效地调节根系及叶片的生长, 不同水氮处理间棉花根系与叶片抗氧化保护酶系活性、叶绿素含量、地上部生物量及籽棉产量均表现为W₁N₁ > W₀N₁ > W₁N₀ > W₀N₀, 根冠比与根系生物量的表现与之相反。根域限制与水氮供应表现出互作优势, 根域限制下适量水氮供应处理的地上部生物量与籽棉产量均明显高于其他处理, 根冠比较低。因此, 在棉花根系生长受限的条件下, 优化生育期间水氮供应, 可以增强根系及叶片的抗氧化保护酶系活性、增加光合产物向地上部的分配比例、增加产量, 是进一步挖掘膜下滴灌棉花增产潜力的有效途径。     

干旱和复水对膜下滴灌棉花根系及叶片内源激素含量的影响

新疆气候生态条件下,采用膜下滴灌技术,在棉花不同生育时期设置不同程度干旱处理,研究干旱和复水对棉花根系及叶片内源激素含量和叶片气孔导度的影响.结果表明:在不同生育阶段,随土壤含水率的降低,根系及叶片脱落酸(ABA)含量显著增加,玉米素(ZRs)含量减少,叶片气孔导度(gs)和光合速率(Pn)显著降低,以初花-盛花期土壤相对含水率为40％ ～ 45％处理降幅较大.土壤干旱处理结束后复水,根系及叶片ABA含量并未随土壤水分条件的改善而降低,根系ZRs含量在复水后1～3d均可恢复或超过对照,与叶片gs呈正相关,其中以盛蕾-初花期土壤相对含水率为50％～55％处理棉株叶片ZRs含量和gs恢复速度快、强度大.说明干旱后复水根系较高的ZRs含量是导致其叶片gs和Pn较高的主要原因.