风沙灾害对策勒绿洲棉花光合特征的影响

2019-08-07范子昂

滁州学院学报 2019年2期

邹陈，范子昂

新疆沙漠面积占全国沙漠面积的59.2%，并有29.8万km2的戈壁(砾质荒漠)，位于南部塔里木盆地的塔克拉玛干沙漠面积为33.76万km2，是中国最大的沙漠，也是世界第2大流动沙漠。塔克拉玛干沙漠腹地沙质沉积物厚度多为200-500m，这种深厚的疏散沙质沉积物在干旱少雨而多风的气候条件下易被风力吹扬，成为沙漠的重要物质来源，也是沙漠地区风沙灾害的沙物质来源；策勒绿洲自然条件恶劣、降水少、蒸发大、水资源短缺、植被稀疏、风沙活动强烈、土地荒漠化严重、生态环境十分脆弱，是干旱区人类活动最敏感的环境系统[1]。策勒边缘由于绝大部分都与沙漠接壤，棉花生长完全依靠灌溉，风沙灾害更为严重[2]，尤其是20世纪50年代以来，由于气候变化和人为因素作用，该地区沙漠的流动面积不断增加，风沙灾害天气严重制约着当地社会经济的发展。

策勒自然植被的生理生化特征很多受到影响，包括光合作用特性，生理指标特征以及植物本身的一些物理特征[3-5]，而对其经济作物受风沙影响的情况较少有人研究，目前有关风沙对棉花作物影响的相关研究主要集中在不同土壤类型下其对棉花出苗率和生长高度的影响[6]，在风沙发生频率相对较少的阿拉尔垦区，对棉花出苗和生长发育的影响[7]，也有学者发现在阿拉尔垦区风沙对棉花苗期和蕾期光合参数的影响非常明显，而花铃期的不明显，且新伤棉花功能叶片的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率要明显低于旧伤和未受伤的棉花[8]，还有一些学者根据风沙对边缘绿洲棉田危害类型及产生机理，提出了一些防治措施[9]。然而，风沙对棉花作物的危害在其整个生长季不同阶段生理方面的表现，特别是对棉花整个生育进程单叶光合特征的研究少见报道。因此，针对新疆风沙危害十分严重的策勒绿洲农区棉田开展风沙灾害对棉花生长的影响及其对生理方面的危害程度研究就显得尤为重要和迫切，并能为新疆优质棉基地建设和棉花风沙灾害的防御提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

策勒绿洲位于塔克拉玛干沙漠南缘中段，昆仑山北麓，地处80°03′24″～82°10′34″E，37°17′55″～39°30′00″N，海拔1318m(图1)，年平均降水量仅35.1mm，年平均潜在蒸发量接近2600mm，干燥度20.8，该地区昼夜温差大，年均温日较差≥15℃，属于独特的荒漠-绿洲型生态系统[10,11]。策勒绿洲气候属于典型的暖温带干旱荒漠气候，四季分明，春季气温回升快，秋季降温迅速，光热资源丰富。年均日照时数2697.5h，年均温11.9℃，≥0℃积温4726.7℃，无霜期196d，这为本区农作物和植物的生长提供了充足的光热条件[12]。策勒绿洲水资源虽然较为丰富，有9条季节性河流，年总径流量5.85×109m3，但是径流季节分配不匀，秋季高达79.6%，春季却仅占8.7%，加上洪枯悬殊较大，贮洪能力弱，用水相对紧缺[2]。而且由于该区域地处塔里木盆地两大主导风向(NW，NE)的下风区域，风沙灾害频繁，多年平均沙尘日数25.2d，最多年高达59d，每年8级以上大风3～9次[13]。

表1 2011～2012年棉花生长季沙尘天气情况(天)

图1 研究区位置图(高分一号卫星影像图)

1.2 供试材料

试验于2011年～2012年在新疆策勒荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站气象观测场北面大约40m的农民常规栽培模式试验田内进行，试验地面积为100*100m2，土壤以风沙土，灌淤土为主，播种前两天施有机肥(牛羊粪)15000kg/hm2，无机肥：磷酸二铵150kg/hm2、尿素75kg/hm2，然后耕地，引水灌溉。机械膜下穴播，品种：新陆中21号，行距25:45:70:25cm，株距：9cm，2～4个种子/穴，宽膜(1.4m)覆盖，每膜4行，播种密度22.5万株/hm2。

1.3 试验设计

试验设置两种不同防风沙处理与大田自然状况(对照)进行对比观测：(1)纱网保护(网内)，播种后第二天在地膜上架设2个(长3.4m*宽2.4m*高1.2m)的防风沙纱网大棚，大棚为钢架结构，四周自架设之日起始终围有一层250目的纱网，顶部在有沙尘天气来之前用纱网覆盖，当晴天时打开顶部纱网；(2)架设纱网附近自然状况下生长的棉花植株(CK)；(3)把架设纱网附近一部分CK叶面上的沙尘洗去(水洗)，为避免水分因子对测量结果有所影响，在测量前一晚对挂牌标记的叶片进行水洗处理。

1.4 测定项目

植物单叶的净光合速率(Pn)值的大小可以直接反映出植物光合产量的高低[14]，其日动态的变化会因环境条件的变化而出现差异，因此，它成为分析环境因素影响植物生长和代谢的重要手段[15]。为了比较风沙对棉花整个生育期不同发育关键时段生理代谢与物质积累的影响，观测对比三种处理下棉花都达现蕾期(出苗后35d)、开花期(出苗后65d)、裂铃 (出苗后95d)、吐絮期(出苗后125d)时，(发育期出现日期不一致，棚外滞后0-2天)，用便携式光合作用仪(GFS-3000，德国WALZ)对三种处理下的棉花单叶进行光合特征的对比观测，由于植物光合能力的大小受内部生理因子(品种、叶龄、发育期等)和外部环境因子(光、温、水汽等)影响，在短时期内，内部生理因子变化相对较小，外部的环境因子就会成为主要的影响因素[16,17]。因此选连续两个晴朗、无云、无风的天气，从日出后(开始测量时间选整点，北京时间夏季8点，秋季10点)开始，每2h循环一次，至晚22点(夏季，秋季20点，日落前整点)，随机抽取纱网内、外及水洗后供试样品的某一行连续5株的倒四叶进行观测，每叶连续记录3次取平均，观察其光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)、光合有效辐射(PAR)，气温(T)和空气相对湿度(RH)等光合参数日变化特征，研究风沙灾害对棉花生长发育的影响及光合生理的影响。由于细沙，粉尘等微粒对光合作用仪损伤较大，严重影响仪器精度和使用寿命，测量前尽量吹去附着于叶片表面的细沙和尘土。

1.5 数据处理

试验数据处理和作图采用 Microsoft Excel for Windows 2010完成，用 SPSS 20 软件进行相关分析，显著性假设为 P<0.05，极显著性假设为 P<0.01；方差分析，显著性假设为 P<0.05，极显著性假设为 P<0.01。

2 结果与分析

2.1 环境因子日变化特征

该地区棉花生长处于现蕾期、开花期、裂铃期、吐絮期四个时期时，光合有效辐射(PAR)、气温(T)和空气相对湿度(RH)等环境因子存在比较一致的日变化规律，其中裂铃期环境因子日变化曲线如图2所示，可以发现，PAR和T的日变化都呈现为先升后降的单峰曲线型，全天从上午日出后，PAR和T开始逐渐上升，16:00时左右达到一天中的最高值，然后较快速地下降直至日落。空气相对湿度(RH)从日出后到20:00时左右呈直线下降趋势，下降幅度较大。对比四个发育期一天中PAR、T和RH的变化情况，发现PAR和RH最大值出现在开花期达1864μmol·m-2·s-1和40.5%，T最大值出现在裂铃期达38.8℃。

图2 裂铃期光合有效辐射、温、湿度日变化

2.2 净光合速率日变化特征

从图3可以看出，自然状况下生长的棉花(CK)倒四叶净光合速率日变化在四个发育阶段都呈现双峰曲线型，有较明显的“光合午休”现象，而且其峰值和“午休”发生的时间，及“午休”持续时间基本一致，但是主峰和次峰出现早晚有区别。3种处理下现蕾期、开花期、吐絮期两次峰值出现的时间分别在日出后第三个整点和第七个整点，“午休”发生时间为日出后第五个整点，而裂铃期CK的Pn值第一峰值和第二峰值分别出现在日出后第五个整点和第九个整点，“午休”出现在日出后第七个整点，网内和水洗处理的棉花没有出现“午休”。另外，3种处理下Pn值的主峰和次峰出现时间不一样，现蕾期第一峰为主峰，吐絮期第二峰为主峰，开花期和裂铃期没有明显主峰和次峰差别。四个不同发育时段3种处理各时次其Pn值大小基本依次为：网内>水洗>CK。表明该地区频繁的挟沙风从出苗开始就通过沙粒打击植物体使植物外部形态和内部生理结构都受到损伤[18]，导致其光合作用受到限制，阻遏植物碳同化能力，降低植物生物量的积累，进而使植物长势偏弱；另外还有降尘附着在叶片上降低了叶片接受光合有效辐射的效率，减少对二氧化碳吸收，减缓植株体内水分的蒸腾速率，从而使叶片光合速率下降。最终导致策勒地区棉花的倒四叶一天内各时段平均光合作用速率大小依次为：网内>水洗>CK。

图3 不同防护处理下单叶净光合速率日变化(a:现蕾期 b:开花期 c:裂铃期 d:吐絮期)

2.3 其他光合特征参数

叶片上的气孔是植物与外部环境交换水分和CO2气体的重要通道，气孔开放有利于CO2扩散进入叶片光合组织的细胞间隙，为植物光合作用提供源；同时，大量的水分也可以通过气孔经蒸腾作用而扩散于大气中[19]。气孔导度(Gs)是表征气孔开合程度的量，他能影响影响光合作用，呼吸作用及蒸腾作用。蒸腾速率(E)表征植物蒸腾作用的强弱，是反映植物水分状况的一个重要生理指标，蒸腾速率越低则表示植物适应干旱环境的能力越强[20]。胞间CO2是光合作用的主要原料之一，其浓度通常用Ci表示。以上三个量和光合作用速率是光合作用的重要特征参数，与光合作用速率的两两相关关系如表2，光合速率与气孔导度、蒸腾速率呈明显的正相关关系(p=0.01)，与胞间二氧化碳浓度呈明显的负相关关系(p=0.01)。棉花在开花期时受风沙灾害影响后叶片的光合特征参数日变化情况已有介绍[21]，棉花现蕾期、裂铃期、吐絮期期间的气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度受风沙影响后，及其日变化趋势与开花期大致相同。

表2 棉花各光合参数间的相关关系(双侧)

**.在 .01 水平(双侧)上显著相关。

2.4 固定光强下的净光合速率

光能是植物同化作用的能量来源，PAR不高时Pn值随PAR的变化而发生改变[20]，不同发育时段一天中的同一时刻PAR相差也很大，因此，试验选中午12:00时，人为控制光强在1300Lux(现蕾，裂铃，吐絮自然光强<1300，开花自然光强>1300)，观测三种处理下，四个发育时段其倒四叶Pn值在同一光强下的变化(如图4)，结果发现：从现蕾期开始三种处理下棉花倒四叶Pn值持续升高至裂铃期，然后迅速下降，而且四个发育时段棉花倒四叶平均Pn值大小依次为：网内>水洗>CK。另外，通过计算四个发育时段，三种处理棉花倒四叶Pn值的差值，能够发现越到后期防护网内的Pn值和自然状况下水洗的Pn值与自然状况的Pn值的差值越大。这表明该地区频繁的风沙对棉花植株的影响不仅仅作用于某一发育时段，而是伴随着整个生育进程，是一个由小到大积累的过程，从持续地减少光合产量大小，到最终导致整个生理机能变弱，是长期风沙流吹袭及降尘附着等因素共同作用的结果。