棉花植株形態特征對不同水分狀況的響應

楊 川,張 凱,陳 冰,張 慧,柳 萍,常 松,盛建東

(1.新疆農業大學資源與環境學院,烏魯木齊 830052;2 新疆土壤與植物生態過程重點實驗室,烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】新疆是我國棉花主產區,新疆水資源總量少,季節和區域分配不均[1-3]。棉花形態對水分狀況有著顯著的響應。以往觀察記錄獲取棉花形態特征的方法較費時、費力,大規模應用困難;隨著攝影設備的普及和計算機圖像技術的發展,植物形態特征的獲取手段更加多樣、便捷,為基于植物形態特征的水分診斷技術提供新的手段?！厩叭搜芯窟M展】目前,關于棉花水分狀況的診斷技術研究主要集中在:基于監測和實驗技術的植物形態、生理特征、土壤水分診斷,基于遙感技術的植株顏色光譜診斷和熱紅外遙感-冠層溫度診斷,基于大氣-土壤-植物水分平衡的模型預測和診斷等[4-10]。但各種方法或由于診斷準確性差、或由于成本昂貴、或由于操作復雜,大多停留在研究階段。【本研究切入點】不同的作物水分診斷方法所獲得的指標不同,即使同一方法和指標,在不同的地區和環境下,對作物水分狀況的判斷也可能出現差異。在棉花水分診斷方面,缺乏具有快速、無損、低成本和普適性的技術。需研究新疆棉花形態特征對不同水分狀況的響應?！緮M解決的關鍵問題】利用圖像和計算機技術獲取對棉花水分有較好響應的棉花頂端葉片形態指標:頂兩葉距離(頂兩葉葉柄紅點距離,Distance of top petioles)、葉柄夾角(倒三葉葉柄-主莖夾角,Angle between stem and petiole)、葉夾角(倒三葉-主莖夾角,Angle between stem and leaf),研究各指標在棉花需水關鍵生育期的變化規律及其對棉花含水率的響應特征,為快速、無損、低成本水分棉花形態特征的診斷技術提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2021年4～10月于新疆昌吉州阜康市彭家灣村棉花試驗地(88°0′44.30″E,44°10′21.05″N)進行,海拔557 m,屬于溫帶大陸性干旱氣候區,年均無霜期174 d,年均溫度6.6℃,年均降雨量186 mm,年均蒸發量2 064 mm。試驗地土壤有機質18.10 g/kg,堿解氮46.23 mg/kg,速效磷13.55 mg/kg,pH(水∶土=5∶1)8.14,電導率226.74 μS/cm;供試品種為新陸早74號,棉花種植模式為膜下滴灌,1膜1帶2行種植,棉花株距15 cm。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用單因素水分處理,參照當地大田棉花常規灌溉量為基礎共設置4個不同水分梯度的處理:W100、W85、W75、W60,其灌溉量分別是當地大田正常灌溉量的100%、85%、75%、60%,各處理設置4個重復小區,小區面積為6 m×8 m。滴灌時間以及次數根據當地灌溉用水管理以及棉花生長實際情況調節,滴灌量用水表監測記錄;采用隨水追施肥料,磷肥采用重過磷酸鈣(云南中云化,含磷量P2O546%,70 kg/hm2)、氮肥(烏魯木齊石化昆侖,含氮量46.2%,250 kg/hm2)和鉀肥(新疆羅布泊,氧化鉀51%,30 kg/hm2);除打頂外其余田間管理措施和當地大田常規栽培管理措施一致。表1

表1 不同試驗處理滴灌量以及滴灌時間

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 棉花頂兩葉葉柄紅點距離、倒三葉主莖-葉柄夾角、葉夾角觀測

運用拍攝軟件Adobe Lightroom專業拍攝模式下使用水平儀功能矯正圖像拍攝角度,使拍攝平面平行于棉花植株,并將直尺放在被拍攝部位;獲得圖像后將圖像導入Adobe AutoCAD2018,利用該軟件的直線測量工具進行棉花頂兩葉葉柄紅點距離測量(直尺刻度為參照標準),利用角度測量工具進行倒三葉主莖-葉柄夾角、葉夾角的測量。

1.2.2.2 棉花形態特征

在灌溉周期(灌溉后第3 d灌水滯后效應結束開始至下次灌溉結束)對W100處理的各小區隨機選取5株棉花,并每天的不同時間段進行觀測直至下次灌水,研究形態指標在干旱周期內變化規律;觀測不同灌溉梯度的棉花形態特征指標,每個處理隨機選取10株棉花觀測,分析不同水分處理下的棉花形態特征差異。

棉花花蕾期(6月28日～7月3日)每天10:00～11:00、13:00～14:00、16:00～17:00、19:00～20:00時間段觀測棉花形態特征指標。

1.2.2.3 棉花含水率

在獲取棉花形態測量數據以及圖像之后, 在小區內隨機選取3株棉花,將棉花樣品按不同器官剪斷歸類后使用百分之一天平(上海佑科YP200001,精度0.01g)稱取樣株不同部位鮮重(FW,Fresh Weight,g),之后烘干至恒重對其干重(DW,Dry Weight,g)稱量;最后以此計算棉花水分含率(WC,Water content),計算公式[9]為:

WC=(FW-DW)/FW.

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2019進行數據整理,SPSS26.0軟件進行方差分析以及相關性分析,多重比較采用Duncan法(α = 0.05),作圖軟件為SigmaPlot10.0。

2 結果與分析

2.1 棉花花蕾期形態變化規律

2.1.1 灌水干旱周期棉花形態變化特征

研究表明,花蕾期6月28日至7月3日棉花持續干旱周期每天不同時間段棉花形態指標以及棉花植株含水率變化趨勢,在花蕾期灌水后的一個干旱周期,棉花含水率呈現逐漸下降的趨勢,灌水滯后效應結束后,6月28日開始棉花含水率開始顯著下降,但當下降到一定程度至7月1日后下降趨勢開始有所減緩;而在干旱周期內隨著棉花含水率的降低棉花各形態特征指標在干旱周期呈現不同的變化規律:每天不同時間段的持續觀測中葉柄夾角總體變現為下降的趨勢,頂兩葉距離則表現為逐步上升的趨勢,干旱周期內葉夾角的變化規律性不明顯。圖1

注:箭頭標注為灌水日期,下同

10:00～11:00、13:00～14:00、19:00～20:00時間段棉花頂兩葉距離與棉花含水率之間呈顯著負相關關系,葉柄夾角則表現為顯著正相關(P<0.01),而與葉夾角則無顯著相關關系;在16:00～17:00時間段棉花形態指標能表現出較好的相關性,頂兩葉距離與棉花含水率之間呈顯著負相關關系,葉柄夾角、葉夾角則表現為顯著正相關(P<0.05),16:00～17:00時間段為棉花形態指標較為適宜的觀測時間。表2

表2 不同時間段棉花形態與棉花植株含水率的關系

2.1.2 花蕾期不同灌溉處理對棉花形態的影響

研究表明,在花蕾期,W60灌溉處理下頂兩葉距離最大,而W85處理下頂兩葉距離則最小,不同處理間頂兩葉距離存在顯著差異,最大相差幅度為29.01%(P<0.05);隨著灌溉量的減少,棉花葉夾角表現出逐漸降低的趨勢,且W100與W60處理間差異顯著(P<0.05);隨著灌溉量的減少,棉花葉夾角也呈現略微降低趨勢,W100與W60處理間存在顯著差異(P<0.05)。在花蕾期棉花形態特征對不同灌溉量有著較好的響應。圖2

注:不同字母表示不同處理間差異達到顯著水(P<0.05) ,下同

2.2 棉花花鈴期形態變化規律

2.2.1 灌水干旱周期棉花形態變化特征

研究表明,在前期獲得16:00～17:00時間段為適宜觀測時間的結論基礎上,于花鈴期灌水后第3 d開始(7月16日～7月22日)在每天16:00～17:00對棉花各形態特征指標進行觀測。在花鈴期灌水結束后的一個干旱周期,棉花含水率總體表現為降低的趨勢,頂兩葉距離呈現逐漸上升的趨勢,葉柄夾角則表現為7月16～20日逐漸降低,7月21日略微上升后又開始降低;與花蕾期所觀測的結果相似,而與花蕾期不同的是棉花葉夾角在花鈴期則表現為逐漸升高的趨勢。圖3

圖3 花鈴期干旱周期棉花形態特征以及含水率變化趨勢(平均值±標準誤)

2.2.2 花鈴期不同灌溉處理對棉花形態的影響

研究表明,不同水分處理顯著影響了棉花花鈴期形態特征。在花鈴期,隨著灌溉量逐漸減少頂兩葉距離呈現逐漸升高的趨勢,W100與W60處理間差異顯著,相差幅度為18.63%(P<0.05);而隨著灌水量逐漸減少,葉柄夾角則表現為逐漸降低的趨勢,且W100與W60處理間也存在顯著差異,其相差幅度為23.57%(P<0.05)。隨著灌水量減少葉夾角也呈現出下降的趨勢,不同水分處理W100與W60間顯著差異顯著(P<0.05)。相比于花蕾期,花鈴期棉花各形態特征對水分處理響應更敏感,也更具有規律性。圖4

圖4 花鈴期不同水分梯度下棉花形態特征變化(平均值±標準誤)

2.3 棉花形態特征與植株含水率的關系

研究表明,在花蕾期的16:00～17:00時間段棉花頂兩葉距離與棉花植株含水率以及棉花各器官部位含水率呈顯著負相關關系,而棉花葉柄夾角以及葉夾角則與棉花植株含水率、棉花各器官部位含水率呈顯著正相關,在花蕾期棉各形態指標都能較好反映棉花植株整體以及各部位含水率情況。花鈴期棉花葉夾角以及頂兩葉距離與棉花植株、各器官部位含水率呈顯著負相關,而葉柄夾角則與棉花植株、各器官部位含水率呈顯著正相關;但與花蕾期相比,棉花形態對葉含水率的相關性有所降低。在花蕾期、花鈴期,棉花形態特征指標頂兩葉距離、葉柄夾角、葉夾角都可以作為反映大田棉花水分情況的指標。表3

表3 棉花形態與含水率的關系 (16:00～17:00時間段)

3 討 論

3.1花蕾期以及花鈴期作為棉花需水關鍵時期,期間水分的供應情況會直接影響棉花生長發育和產量構成[11-13],對棉花需水關鍵時期(花蕾期和花鈴期)不同水分情況下的棉花形態特征指標變化進行觀測,結果表明在不同生育期棉花形態特征指標能對棉花水分變化情況有較好的響應規律。

3.2在花蕾期一個灌溉周期,葉柄夾角和棉花植株含水量表現出逐漸降低的趨勢,頂兩葉距離則相反;隨著灌溉量逐漸減少,棉花頂兩葉距離呈現逐漸增加的趨勢,葉柄夾角則逐漸減少,可能與植物面對水分虧缺時的抗旱機制有關。當植物水分虧缺時,植物會通過收縮葉片減少對太陽輻射的吸收從而減少水分蒸騰流失,棉花葉柄夾角隨水分降低而降低[14-15]。研究中,花蕾期葉夾角對棉花水分變化的響應卻不明顯,可能是由于棉花在不同生育期對水分需求不同,其抗旱機制也不同,從而導致棉花葉片葉夾角隨水分變化規律性較弱[16-17]。相關性分析表明,在選擇觀測的各個時間段中16:00～17:00為適宜的觀測時間,在此時間段內氣溫較高蒸發量較大,棉花形態特征對植株水分情況的響應較為敏感。

3.3花鈴期是棉花產量形成的需水關鍵期,此階段棉花對水分的虧缺表現較為敏感[18-19],在該時期棉花形態特征指標對棉花水分情況的響應相較于花蕾期更具規律性。灌水周期與不同灌水處理下棉花形態特征指標變化規律一致:棉花頂兩葉距離隨水分降低而增加,葉柄夾角則隨水分降低而減少,葉夾角則隨水分減少而逐漸升高。這可能與植物細胞膨壓有關,由于細胞壁具有一定的可伸縮性,當植物水分虧缺不能滿足葉片蒸騰與生長的需求時,細胞膨壓降低細胞壁出現松弛,從而導致葉片出現暫時性萎蔫下垂[20],因此隨著水分減少,葉夾角逐漸增大。

3.4基于棉花形態特征的植株水分監測和診斷,具有低成本、便捷、快速、無損等優點。研究結果表明在不同時期棉花形態特征指標頂兩葉距離、葉柄夾角以及葉夾角對棉花水分情況都有明顯的響應規律,但棉花葉夾角對棉花含水率的響應規律在花蕾期與花鈴期卻存在差異,該結果與呂新、張偉等研究相似[21-22],可能棉花不同生育期植株生理變化、葉片形態特征對水分的響應以及抗旱機制不同有關[18,23]。另外,研究只分析了棉花形態指標與棉花含水率之間的相關性,驗證了棉花形態指標作為棉田水分診斷的可行性,今后可以進一步探究棉花形態特征指標與葉水勢、水分脅迫指數(CWSI)等反映棉花水分情況的生理指標之間的關系模型以及在不同棉花品種、環境之中進行探索,以驗證及完善運用棉花形態特征指標診斷大田棉花水分狀況的技術方法。

4 結 論

在花蕾期,隨水分減少棉花頂兩葉距離呈現逐步升高的趨勢,而葉柄夾角與葉夾角則逐步降低;不同灌溉梯度間葉柄夾角、葉夾角存在顯著差異(P<0.05);16:00～17:00時間段棉花形態指標與棉花含水率極顯著相關(P<0.01),16:00～17:00時間段為棉花植株形態特征指標觀測的適宜時間。花鈴期棉花頂兩葉距離以及葉柄夾角隨水分狀況變化規律與花蕾期表現一致,葉夾角則隨水分降低而逐步升高,不同灌溉梯度間各棉花形態特征差異顯著(P<0.05);在花蕾期以及花鈴期,棉花形態特征指標頂兩葉距離、葉柄夾角、葉夾角都與棉花植株含水率極顯著相關(P<0.01),棉花形態特征指標頂兩葉距離、葉柄夾角以及葉夾角可以作為大田棉花水分診斷依據指導灌溉。