灌水量和密度對無膜棉葉片逆境生理特征及產(chǎn)量的影響

劉強，李同蕊，王冀川，王潭剛，陳雪梅，李慧琴，馬麗

（1.塔里木大學植物科學學院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第三師農(nóng)業(yè)科學研究所，新疆 圖木舒克 843901）

殘膜污染是當前新疆棉花種植中存在的關(guān)鍵問題，嚴重影響棉花產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展，采用無膜栽培，是解決殘膜污染的主要途徑之一［1］。關(guān)于水分、密度等農(nóng)藝調(diào)控措施對棉花生長尤其是生理逆境特征影響的研究已有較多報道［2，3］。植物逆境的生理反應(yīng)主要體現(xiàn)在葉片抗氧化保護酶活性及膜結(jié)構(gòu)過氧化產(chǎn)物含量大小［4，5］。前人研究表明，水分虧缺可以改變作物體內(nèi)的抗氧化酶活性［6，7］，許多重要酶類如SOD、POD、CAT等的活性都有所下降［8］。田又升等［9］研究表明，干旱脅迫可造成棉花葉片超氧陰離子含量增加，適度水分脅迫能激發(fā)體內(nèi)抗氧化保護酶活性增加，以清除體內(nèi)過多的活性氧，防止活性氧傷害；高密度條件下棉花主莖葉活性氧含量明顯增加，POD、SOD、CAT等抗氧化酶活性明顯下降，MDA含量增加，葉綠素含量相對較低［10］，不利于棉花生育后期的葉片功能發(fā)揮。以上研究均是在覆膜栽培條件下完成，而無膜棉具有特殊的土壤環(huán)境和群體結(jié)構(gòu)，其對田間管理措施的生理響應(yīng)也與有膜棉不同。因此，本試驗以‘中619’棉花品種為材料，研究不同灌水量和密度對無膜棉葉片保護性酶類及產(chǎn)量的影響，以期為無膜棉高效生產(chǎn)提供理論和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2020年在塔里木大學農(nóng)學實驗站進行。該地位于塔里木盆地西北邊緣（40°33′N，81°16′E，海拔1012.2 m），是典型的極端干旱荒漠區(qū)，年平均氣溫11.2℃，年均降水量51.3 mm，年均蒸發(fā)量1988.4 mm，年均相對濕度在55%以下。試驗地為沙壤土，干土體積比重為1.22 g/cm3，有機質(zhì)含量10.25 g/kg，田間持水量23.80%。

1.2 試驗材料與設(shè)計

試驗以‘中619’棉花品種（第三師農(nóng)業(yè)科學研究所提供）為材料。采用兩因素裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)為3個灌水量：3000 m3/hm2（W1）、4500 m3/hm2（W2）和6000 m3/hm2（W3）；副區(qū)為4個密度：29.24萬株/hm2（D1）、26.32萬 株/hm2（D2）、23.92萬株/hm2（D3）和21.93萬株/hm2（D4），共計12個處理。隨機區(qū)組排列，重復3次。小區(qū)面積10.5 m×2.2 m=23.1 m2。用水表記錄灌溉水量。小區(qū)之間用防滲板（PVC聚酯板）隔開，隔離深度60 cm，以防滲漏。

1.3 田間管理

試驗地翻耕前撒施重過磷酸鈣375 kg/hm2、尿素150 kg/hm2和硫酸鉀120 kg/hm2作基肥。4月14日，采用無膜加深點播（播深3.5 cm）、滴灌帶鋪設(shè)在窄行處并淺埋的（66+10）cm機采棉播種方式。生育期間滴灌8次，共滴施尿素600 kg/hm2、三元高磷水溶肥（10-30-10+TE）735 kg/hm2、三元高鉀水溶肥（12-8-30+TE）225 kg/hm2。7月15日打頂。盛蕾期、初花期和盛花期化控3次，縮節(jié)胺用量分別為22.5、37.5、120.0 g/hm2。

1.4 測試項目及方法

出苗后觀測生育進程，每隔7～10 d定點測量植株的形態(tài)指標，于關(guān)鍵生育時期（初蕾期：第一果枝現(xiàn)蕾時期；盛蕾期：第四果枝現(xiàn)蕾期；初花期：第一果枝開花期；盛花期：第四果枝開花期；盛鈴期：第四果枝棉鈴直徑達2 cm時，在8月10日前后；初絮期：第一果枝吐絮期；盛絮期：第四果枝吐絮期。以上時期均以全田50%的棉株達物候指標為準），每小區(qū)選取10株有代表性棉株，用SPAD-502型葉綠素儀測定每株倒四葉的SPAD值并求其平均值。剪取棉株主莖最大葉，用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司的試劑盒測定POD、SOD、CAT活性和MDA含量。

初霜期（11月5日）統(tǒng)計小區(qū)棉花株數(shù)并摘取代表性棉株所有吐絮鈴籽棉，計算單株有效結(jié)鈴數(shù)、單鈴重，實收小區(qū)籽棉統(tǒng)計產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel 2003進行數(shù)據(jù)處理與作圖，用DPS 7.05軟件進行最小顯著差異法（LSD）多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水量與密度對無膜棉葉片SPAD的影響

由圖1可見，無膜棉葉片SPAD值隨生育進程呈先升后降趨勢，即初蕾至盛蕾期緩慢增長，盛蕾至盛花期快速增長，至盛花期達到峰值，隨后緩慢下降。同一灌水量條件下，隨密度增加，SPAD值呈先增加后減小趨勢，表現(xiàn)為D3＞D4＞D2＞D1。D3處理在各生育期大多顯著高于其它處理（P＜0.05），且在盛花期SPAD均值最大，達71.49，較D1、D2和D4分別增加6.34%、3.38%和2.16%。從盛花期至盛絮期葉片SPAD值下降趨勢來看，D1降幅為13.15%，D2為11.46%，D3為10.68%，D4為10.56%。這說明種植密度過大，通風透光受到影響，植株個體間競爭激烈，造成葉片葉綠素含量快速下降，加速葉片衰老。

圖1 不同灌水量與密度處理下無膜棉葉片SPAD值變化

同一密度條件下，葉片SPAD值隨灌水量的增多先增加后降低，表現(xiàn)為W2＞W(wǎng)3＞W(wǎng)1。初花期以后，各灌水處理間葉片SPAD值差異隨生育進程而逐漸加大，盛鈴期W2處理SPAD均值為71.05，顯著高于W1和W3處理（P＜0.05），增幅為9.43%和5.20%。說明灌水量過低或過高均會使葉綠素含量下降，即干旱脅迫使植物體內(nèi)色素分解加快，高水條件造成植株營養(yǎng)生長過旺、葉片色素密度下降，均不利于光合性能的發(fā)揮。

不同組合處理下，盛花期葉片SPAD值較高的為W2D3、W2D4和W2D2，分別達73.51、72.88和70.75，W1D1最低，僅為66.03。從各生育期SPAD均值的變異系數(shù)（CV）看，不同灌水量下無膜棉SPAD值的CV為4.62%，不同密度下無膜棉SPAD值的CV為2.86%，說明灌水量對無膜棉SPAD值的影響大于密度。

2.2 不同灌水量與密度對無膜棉葉片MDA含量和保護酶活性的影響

2.2.1 對無膜棉葉片MDA含量的影響 由圖2可見，無膜棉葉片MDA含量隨生育進程不斷增加，以盛絮期最大。同一灌水量條件下，隨密度增加葉片MDA含量呈先降后增趨勢，表現(xiàn)為D1＞D2＞D4＞D3。從各生育期葉片MDA含量平均值來看，D3處理為36.64μmol/gFW，顯著低于D1、D2和D4處理（P＜0.05），降幅為20.40%、11.66%和5.34%，可見，適宜密度（D3）有利于減緩葉片膜脂結(jié)構(gòu)損傷程度，保持葉片的生理功能。同一密度條件下，無膜棉葉片MDA含量隨灌水量的增加而減少，表現(xiàn)為W3＜W2＜W1。W1處理MDA含量平均為42.35μmol/gFW，顯著高于W2和W3處理（P＜0.05），增幅為4.70%和13.26%，說明灌水量過低將引起干旱脅迫，加重棉株逆境傷害程度。從組合處理來看，各生育期葉片MDA含量平均值最高的是W1D1，為47.58μmol/gFW；其次是W2D1，為43.70 μmol/gFW；再次是W1D2，為42.65μmol/gFW。可見，密度過大或水分脅迫下，葉片MDA含量明顯增加，膜脂損傷程度加劇，對棉株生長發(fā)育不利。從各生育期葉片MDA含量平均值的CV看，灌水量處理的CV為6.24%，密度處理的CV為8.02%，說明密度對無膜棉葉片MDA含量的影響大于灌水量。

圖2 不同灌水量與密度處理下無膜棉葉片MDA含量變化

2.2.2 對無膜棉葉片POD活性的影響 無膜棉葉片POD活性隨生育進程呈單峰曲線變化，盛花期達到峰值（圖3）。同一灌水量條件下，POD活性隨密度增加呈先增后降趨勢，表現(xiàn)為D3＞D4＞D2＞D1。D3處理各生育期POD活性平均值為237.73 ΔOD470/（min·g），顯著高于D1、D2和D4處理（P＜0.05），增幅分別為30.22%、13.92%和9.05%。同一密度條件下，葉片POD活性以W2最高，其次是W3，W1最低。W2處理各生育期POD活性平均值為225.84ΔOD470/（min·g），較W1和W3分別增加14.27%和6.67%，差異達顯著水平（P＜0.05）。說明保持適宜水分能提高葉片POD活性，降低自由基氧化造成的傷害。組合處理中，以W2D3葉片POD活性平均值最高，達261.95ΔOD470/（min·g）；其次是W3D3，為235.41ΔOD470/（min·g）；再次是W2D4，為230.80ΔOD470/（min·g）。說明較充分灌水和適當稀植有利于降低逆境對棉株造成的傷害，POD活性表現(xiàn)較高。從各生育期葉片POD活性平均值的CV看，不同灌水量下的CV為6.66%，不同密度下的CV為10.82%，說明密度對無膜棉葉片POD活性的影響大于灌水量。

圖3 不同灌水量與密度處理下無膜棉葉片POD活性變化

2.2.3 對無膜棉葉片SOD活性的影響 由圖4可見，無膜棉葉片SOD活性盛花期之前呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，盛花期達到最大值，隨后又逐漸下降。同一灌水量條件下，葉片SOD活性表現(xiàn)為D3＞D4＞D2＞D1，其中D3處理各生育期SOD活性平均值達到399.30 U/gFW，顯著高于D1和D2處理（P＜0.05），增幅達15.34%和10.10%。表明適宜密度能提高無膜棉葉片SOD活性，降低自由基對膜脂的傷害。同一密度條件下，W2處理葉片SOD活性最大，其次是W3，W1處理最小。W2處理各生育期SOD活性平均值為424.03 U/gFW，顯著高于W1和W3（P＜0.05），增幅為28.53%和15.64%。說明適宜的灌水量能有效提高無膜棉葉片SOD活性，增加其清除自由基的能力，降低氧化傷害。組合處理中，W2D3各生育期SOD活性平均值最高，為453.25 U/gFW；其次是W2D4，為440.74 U/gFW；再次是W2D2，為410.69 U/gFW。可見，適宜的灌水量是保證較高SOD活性的基礎(chǔ)，但需結(jié)合適宜密度，才能提高無膜棉自身抗氧化防衰老的能力。從各生育期SOD活性平均值的CV看，不同灌水量下的CV為6.34%，不同密度下的CV為12.70%，說明密度對無膜棉葉片SOD活性的影響大于灌水量。

圖4 不同灌水量與密度處理下無膜棉葉片SOD活性變化

2.2.4 對無膜棉葉片CAT活性的影響 由圖5可以看出，無膜棉葉片CAT活性隨著生育進程呈明顯的單峰曲線變化，初蕾期至盛花期快速增加，盛花期達峰值，隨后又快速下降。同一灌水量條件下，CAT活性隨密度增加呈先增后降趨勢，表現(xiàn)為D3＞D4＞D2＞D1。D3處理各生育期CAT活性平均值最高，達94.61 U/（min·gFW），顯著高于D1、D2和D4處理（P＜0.05），增幅為22.09%、12.41%和6.81%。同一密度條件下，W2處理CAT活性最高，其次是W3，W1處理最低。W2處理各生育期CAT活性平均值為91.30 U/（min·gFW），顯著高于W1和W3處理（P＜0.05），增幅為11.58%和6.78%。組合處理中，W2D3各生育期CAT活性平均值最高，為101.99 U/（min·gFW）；其次是W3D3，為93.66 U/（min·gFW）；再次是W2D4，為92.17 U/（min·gFW）。這說明適宜灌水量和密度條件下，葉片能保持較高的生理活性，減緩植株衰老。不同灌水量下各生育期CAT活性平均值的CV為5.54%，而不同密度下的CV為8.38%，說明密度對無膜棉葉片CAT活性的影響大于灌水量。

圖5 不同灌水量與密度處理下無膜棉葉片CAT活性變化

2.3 不同灌水量和密度對無膜棉產(chǎn)量的影響

由圖6可知，同一密度條件下，W2處理棉花平均產(chǎn)量最高，達5095.59 kg/hm2；其次是W3，為4396.75 kg/hm2；W1最低，為3675.96 kg/hm2。W2處理產(chǎn)量顯著高于W1和W3（P＜0.05），增幅分別為38.62%和15.89%。同一灌水量條件下，不同密度處理棉花產(chǎn)量高低為D3＞D2＞D4＞D1。D3處理棉花產(chǎn)量平均值為4940.22 kg/hm2，比D1、D2和D4分別增加28.40%、12.01%和13.32%。

圖6 不同灌水量與密度對無膜棉產(chǎn)量的影響

組合處理中，W2D3棉花產(chǎn)量最高，達5714.10 kg/hm2；其次是W2D4、W2D2和W3D3，分別為5241.21、5044.12 kg/hm2和4940.95 kg/hm2；W1D1最低，W1D2也較低，分別為3166.55、3589.56 kg/hm2。可見，4500～6000 m3/hm2灌水量（W2、W3）和21.93萬～23.92萬株/hm2（D3、D4）種植密度是本地區(qū)較適宜的技術(shù)組合。

以灌水量（W）和密度（D）為自變量、產(chǎn)量（Y）為因變量建立二次多項式，得Y=-27696.07+3.8696W+1951.6540D-0.0005W2-41.9899D2+0.0240WD，R2=0.9241，繼而求極值，得出：灌水量4735.80 m3/hm2、種植密度24.59萬株/hm2組合處理產(chǎn)量最高，達5463.38 kg/hm2。此結(jié)果可作為生產(chǎn)應(yīng)用的參考。

從灌水量、種植密度對產(chǎn)量影響的程度上看，不同密度處理間產(chǎn)量的CV為16.17%，大于不同灌水量處理間的CV（10.17%），說明密度和水分顯著影響無膜棉產(chǎn)量，并以密度為主。

3 討論

一般認為，密度過高會加劇作物群體與個體生長之間的矛盾，個體生理性能減弱，生育后期造成葉片活性氧含量增多、抗氧化酶活性下降、膜脂過氧化速度加快、葉綠素與類胡蘿卜素快速降解，導致作物出現(xiàn)早衰［10］。本試驗發(fā)現(xiàn)，無膜棉葉片MDA含量隨生育進程逐漸增加，POD、SOD、CAT活性呈單峰曲線變化，盛花期最大。隨密度增加MDA含量表現(xiàn)為D1＞D2＞D4＞D3，POD、SOD、CAT表現(xiàn)為D3＞D4＞D2＞D1，這與前人研究結(jié)果一致［11］。馮方劍等［12］認為，水分脅迫能調(diào)節(jié)棉花體內(nèi)可溶性糖、游離脯氨酸、甜菜堿等含量，進而改變體內(nèi)SOD、POD等酶的活性。本研究表明，水分虧缺導致無膜棉葉片MDA含量升高，POD、SOD和CAT活性在適宜灌水量處理（W2）下最高，水分過高或過低均對保護酶活性不利，這與劉靈娣等［13］的研究結(jié)果一致。但也有研究認為，干旱處理能降低花鈴期棉花葉片相對含水量，增加POD和CAT活性及MDA含量［14］，出現(xiàn)這種與本研究結(jié)果不同的原因可能與品種和氣候條件有關(guān)［15］。

在干旱地區(qū)，灌溉是保證作物生長的關(guān)鍵，在此基礎(chǔ)上采取適宜的種植密度可以充分發(fā)揮水密耦合效應(yīng)，以保證個體生理活性，提高物質(zhì)生產(chǎn)能力［16］。本試驗中，無膜棉葉片MDA含量和保護性酶類活性受密度的影響大于灌水量，這與有膜棉不同。其原因可能是由無膜栽培促進棉花根系下扎，后期早衰不明顯，葉片功能延長所致［17］，且無膜棉保苗困難［18］，也是密度效應(yīng)高于灌水效應(yīng)的原因之一。

灌水量與種植密度顯著影響棉花產(chǎn)量，這與前人［19，3］的研究結(jié)果一致，所不同的是本研究認為南疆無膜棉適宜的灌水量和種植密度為4500～6000 m3/hm2和21.93萬～23.92萬株/hm2，高于劉素華等［19］認為的4000 m3/hm2和18萬～24萬株/hm2。這可能與無膜棉田間耗水量大、棉株發(fā)育慢、群體較小等生長特性有關(guān)［20］。

4 結(jié)論

本試驗中，無膜棉各處理葉片SPAD值隨生育進程呈先上升后降低趨勢，以盛花期最大，且隨密度和灌水量的增加表現(xiàn)出先增后減趨勢。葉片MDA含量隨密度增加呈先降低后增加趨勢，表現(xiàn)為D1＞D2＞D4＞D3，不同灌水量下表現(xiàn)為W1＞W(wǎng)2＞W(wǎng)3。葉片POD、SOD、CAT活性均隨生育進程呈先增后降趨勢，不同密度間表現(xiàn)為D3＞D4＞D2＞D1，不同灌水量間表現(xiàn)為W2＞W(wǎng)3＞W(wǎng)1。適宜灌水量（W2、W3）和種植密度（D3、D4）下無膜棉產(chǎn)量較高，達4940.95～5714.10 kg/hm2，并以W2D3處理最高。