不同地膜类型与灌溉量对棉花光合参数和产量、品质的影响

田玉刚,万素梅,林 皎,陈国栋,李 浩,胡宇凯,李燕芳,胡守林,毛廷勇,赵书珍,*

(塔里木大学 a. 农学院;b. 生命科学与技术学院,新疆 阿拉尔 843300)

地膜覆盖栽培技术与膜下滴灌技术是新疆棉花生产栽培的主导模式,在近30年新疆棉花产业的发展与崛起中发挥了关键作用。在新疆沙漠地带,农林生产力的主要制约因素是水资源。膜下滴灌模式能够有效地解决当地水资源短缺的现实与漫灌条件下水资源浪费之间的矛盾,提高作物的产量与水分利用效率[1]。但长期使用此模式,亦使得土壤中的地膜残留问题越来越严重,导致土壤结构破坏、耕地质量下降、生态环境灾害加重,造成作物减产,制约当地农业的可持续发展[2-3]。积极研发合适的生物可降解地膜、液体地膜和裸地栽培技术,可以最大限度地减少聚乙烯薄膜对土壤环境的影响,满足作物在不同季节的生长需求[4]。但不同类型地膜下棉花的光合生理指标与产量、品质不同,相应的水分管理措施也需改变,就此问题深入开展研究,对于提高新疆棉花生产中的水分利用效率和减少白色污染来说均具有积极意义。

聚乙烯薄膜属于高分子化合物,在自然条件下的降解周期长。可降解膜是在农膜中添加光敏剂或能被微生物分解的成分制成的薄膜,可以增温[5]和保墒,但其降解速率会对棉花产量产生影响[6]。水分管理对植物生长和作物产量均有重要影响。研究表明,轻度水分胁迫会影响棉花的光合作用,提高叶片的SPAD值(代表叶片叶绿素含量的相对值)和棉花的纤维品质,促进同化物向生殖器官的转移,但对棉花产量不会产生显著影响[7];然而,中度及以上的干旱胁迫会降低核桃叶片的SPAD值[8],导致棉花水分利用效率下降[9],影响苎麻的光合作用[10]。此外,花铃期持续干旱还会导致棉花叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率与气孔限制值下降,胞间CO2浓度上升,叶片PSII系统受到损伤,最终导致棉花产量降低[11-13]。

相关性分析与灰色关联度分析能够充分揭示指标间的相关性及其影响大小。王士强等[14]通过灰色关联度分析,筛选出光合指标中的气孔导度、光合速率、蒸腾速率作为指示小麦抗旱性的指标;周晓果等[15]采用灰色关联度分析确定千粒重和经济系数为小麦育种的主要目标[15];王志军等[16]采用灰色关联度分析,筛选适于评价优质棉花品种的光合因子。

棉花叶片的光合生理参数、产量与纤维品质是衡量地膜类型与灌溉量对棉花生产影响的重要指标。本研究选择地膜类型和灌溉量开展双因素试验,测定不同处理下棉花叶片光合参数、SPAD值,及棉花产量和纤维品质的变化,开展相关性分析与灰色关联度分析,以期初步探明不同类型地膜覆盖与灌溉量对棉花光合生产力、产量、品质的影响,以及各个指标之间的关系,旨在为解决棉区白色污染问题提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年在新疆阿拉尔市东区生态林(40°32′34″N,81°18′07″E,海拔1 015 m)内进行。该区属温带大陆性气候,年均气温10.7 ℃,年无霜期较长(149～246 d),年日照时数超过2 900 h,4—10月每日平均日照时数为9.5 h,年降水量约50 mm。该区地下水埋深为15～20 m。试验地土壤(0～100 cm)以壤土为主,容重为1.44 g·cm-3,田间最大持水量为21%。

1.2 试验设计

供试棉花品种为中棉619,属于早熟棉,无膜栽培下的出苗率达82.6%。

试验设计为双因素随机区组试验:因素1为灌溉量,下设6 000 m3·hm-2(A1)、4 500 m3·hm-2(A2)和3 000 m3·hm-2(A3)3个水平;因素2为地膜类型,下设不覆膜(B1)、生物降解地膜(B2)、液体地膜(B3)与普通地膜(B4)4个水平。双因素相互组合,共12个处理,每个处理重复3次,每小区面积为23.3 m2。液体地膜喷施前先用喷雾器喷洒水,然后再喷洒液体地膜。各处理统一于2021年4月19日播种,播种方式为南北穴播,采用“66+10”的种植模式[17],即行距(66+10)cm,株距11 cm。6月5日开始进头水,统一采用膜下灌溉方式。

1.3 指标测定

1.3.1 地温

自棉花播种起的20 d内,于每天13:00—14:00采用地温表测定距棉花植株10 cm处不同深度(距地表5、10、15、20、25 cm处)的地温[18]。

1.3.2 棉花花铃期的光合参数

于棉花花铃期选择晴天的13:00—14:00,使用Li-6400光合仪(美国LI-COR)测定倒三、倒四棉花功能叶的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)、叶片温度(T)、气孔限制值(Ls)等光合参数,计算光合水分利用效率(PWUE,其值为Pn与Tr之比)。各小区分别测定3株,重复测3次,取平均值。

1.3.3 棉花叶片的SPAD值

每个处理选取5株健康棉花的主茎叶的上、中、下部3个部位,采用SPAD-502型叶绿素计(日本Konica Minolta)测定叶片的SPAD值,每个部位重复测量3次,取平均值作为该叶片的SPAD值。

1.3.4 棉花的单株产量与品质

于棉花收获期随机选取10株棉花测定单株产量(Yi)。采用HVI 1000大容量棉花测试仪(瑞士Uster)测定纤维品质,具体包括马克隆值(Mi)、纤维长度(Fi)、整齐度指数(Un)、断裂比强度(S)、成熟度(M)、衣分率(Li)。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010软件整理数据。采用DPS 7.05软件进行双因素方差分析和灰色关联度分析(分辨系数取ρ=0.5),对有显著(P<0.05)差异的,采用Duncan’s新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理对0～25 cm土层土壤温度的影响

土壤温度是影响棉花生长的重要参数指标。播种20 d内(还未进头水,仅对比不同地膜类型的处理),不同类型地膜对0～25 cm各层土壤的温度均有极显著(P<0.01)影响。在0～5 cm土层,生物降解地膜与普通地膜处理的土壤温度显著高于其他处理(表1),与不覆膜的处理相比,生物降解地膜和普通地膜的土壤温度分别显著提高了18.23%和17.34%;在5～10 cm土层,各处理的土壤温度差异显著,其中,普通地膜的土壤温度最高,较不覆膜的处理显著提高了10.73%;在10～15 cm土层,生物降解地膜与普通地膜处理的土壤温度显著高于其他处理,与不覆膜的处理相比,生物降解地膜和普通地膜的土壤温度分别显著提高了20.63%和21.97%;在15～20 cm土层,生物降解地膜的土壤温度最高,显著高于其他处理,普通地膜次之,与不覆膜的处理相比,生物降解地膜和普通地膜的土壤温度分别显著提高了23.92%和20.45%;在20～25 土层,生物降解地膜与普通地膜处理的土壤温度显著高于其他处理,与不覆膜的处理相比,生物降解地膜和普通地膜的土壤温度分别显著提高了16.00%和18.58%。

总的来看,随土层加深,土壤温度降低,与上层土壤相比,降温幅度最大的是10～15 cm土层。在该层土壤中,以不覆膜处理的降温幅度最大,为26.27%。对比各土层温度在各处理下的差值,以5～10 cm最大,说明该层土壤温度的变化较为灵敏。苗期,棉花根系一般在5～10 cm土层。各处理相比,液体地膜下该层土壤的温度最低,可能导致棉花根系发育减缓,影响正常生长。

对比各处理0～25 cm土层的平均温度,普通地膜和生物降解地膜处理的温度显著高于另外2个处理。这说明,从保温效果上判断,生物降解地膜可以取代普通地膜。

2.2 不同处理对叶片SPAD值和光合参数的影响

方差分析结果显示,地膜类型与灌溉量对棉花叶片SAPD值和光合参数的影响不尽相同。灌溉量对棉花叶片的SPAD值有显著影响,对叶片的净光合速率、胞间CO2浓度、蒸腾速率、叶片温度和气孔限制值有极显著影响;地膜类型对叶片的SPAD值、净光合速率、胞间CO2浓度、蒸腾速率有极显著影响;二者互作对叶片的SPAD值和胞间CO2浓度有显著影响。

单纯考查灌溉量的影响发现,随着灌溉量下降,棉花叶片的SPAD值、净光合速率、蒸腾速率总体呈下降趋势(表2),而叶片温度和气孔限制值整体呈上升趋势,其中,最大灌溉量水平(A1)下,棉花叶片的SPAD值、净光合速率、蒸腾速率的平均值分别比最小灌溉量(A3)水平下上述指标的平均值高4.68%、9.27%、4.92%。这说明,适宜的灌溉量可以提高棉花叶片的SPAD值、净光合速率、蒸腾速率,提高棉花的光合利用效率,从而促进棉花光合产物的合成。

表2 不同处理对棉花叶片SPAD值和光合参数的影响

单纯考查不同地膜类型的影响发现,普通地膜和生物降解地膜处理下棉花叶片的SPAD值、净光合速率、蒸腾速率整体上高于不覆膜和液体地膜的处理。与不覆膜相比,普通地膜处理下棉花叶片的SPAD值、净光合速率、蒸腾速率分别提高了7.64%、7.75%、7.01%,生物降解地膜处理下棉花叶片的上述指标分别提高了15.40%、3.88%、5.96%。总的来看,地膜覆盖可以提高棉花的部分光合参数,且生物降解地膜的效果与普通地膜相当,甚至更好。液体地膜处理下,棉花叶片的部分光合参数甚至低于不覆膜处理,猜想可能是液体地膜中的某些成分抑制了棉花的光合特性,但其具体原因仍有待继续研究验证。

2.3 不同处理对棉花产量与品质的影响

棉花产量与纤维品质是影响其经济价值的重要指标。其中,棉花成熟度综合反映棉纤维的内在品质,马克隆值可综合反映棉花纤维的细度与成熟度。

方差分析结果显示,灌溉量对棉花的单株产量有显著影响,对马克隆值有极显著影响;地膜类型对棉花的单株产量、马克隆值、纤维长度和成熟度有极显著影响,对衣分率有显著影响;二者的交互作用对马克隆值有显著影响。

随着灌溉量降低,A2、A3水平下棉花的单株产量分别较A1下降3.79%、8.55%,马克隆值分别下降2.50%和3.55%,说明适当增加灌溉量可以提高棉花的产量(表3)。

表3 不同处理对棉花产量与品质的影响

与不覆膜的处理相比,生物降解地膜处理下棉花的衣分、单株产量、马克隆值、纤维长度分别提高5.78%、19.97%、4.71%、2.36%,普通地膜处理下上述指标分别提高1.77%、21.15%、3.85%、4.29%。总的来看,与普通地膜相比,生物降解地膜对棉花的产量与纤维品质无显著不利影响,而液体地膜对棉花的产量与品质有一定的负面影响。

2.4 不同处理下棉花叶片光合参数与产量、品质指标的相关性

相关性分析结果(表4)显示:棉花叶片的SPAD值与气孔导度、蒸腾速率、马克隆值、纤维长度、衣分率和单株产量呈显著或极显著正相关;叶片净光合速率与气孔导度、蒸腾速率、光合水分利用效率、马克隆值、纤维长度、整齐度指数、单株产量呈显著或极显著正相关,与胞间CO2浓度、气孔限制值呈极显著负相关;胞间CO2浓度与气孔限制值呈极显著正相关,与蒸腾速率、马克隆值、纤维长度、整齐度指数、单株产量呈显著或极显著负相关;蒸腾速率与气孔限制值呈极显著负相关,与马克隆值、纤维长度、整齐度指数、衣分率、单株产量呈显著或极显著正相关;光合水分利用效率与气孔限制值呈显著负相关,与整齐度指数呈显著正相关;叶片温度与气孔限制值呈显著正相关;气孔限制值与纤维长度、整齐度指数、单株产量呈显著或极显著负相关;马克隆值与衣分率和单株产量呈显著正相关;纤维长度与整齐度指数呈显著正相关,与单株产量呈极显著正相关;整齐度指数与单株产量呈显著正相关;衣分率与单株产量呈极显著正相关。

表4 不同处理下棉花叶片光合参数与产量、品质指标的相关性

2.5 不同处理下棉花叶片光合参数与产量、品质指标的灰色关联度

不同地膜类型与灌溉量下,在棉花叶片的光合参数中,SPAD值与马克隆值、成熟度、衣分率的灰色关联度最高(表5),光合水分利用效率与断裂比强度的灰色关联度最高,气孔导度与纤维长度、整齐度指数的灰色关联度最高,蒸腾速度与单株产量的灰色关联度最高。

表5 棉花叶片光合参数与产量、纤维品质的灰色关联度分析结果

3 讨论

土壤温度是影响作物生长的重要因子之一。新疆地区棉花春播期土壤温度较低,因此,在生产上常采用覆膜的方法来提高土壤温度,使作物提前出苗,促进作物苗期快速增长,以提高其抗逆能力和产量。本研究结果显示,与不覆膜的处理相比,生物降解地膜与普通地膜均可以显著提高土壤0～25 cm土层的平均温度,两者之间无显著差异。同时,这两种处理的棉花产量亦显著高于其他处理。这与胡敏等[19]、李仙岳等[20]研究中的结果表现一致。

地膜覆盖会改变棉花的冠层结构,提高棉花冠层的整体有效光截获总量,同时提高其SPAD值,直接影响棉花光合性能的表达。本研究发现,与不覆膜相比,生物降解地膜和普通地膜均能较有效地提高棉花叶片的光合性能,均可达到预期效果,但液体地膜的效果不尽如人意。

相关性分析结果显示,棉花叶片的SPAD值、净光合速度、蒸腾速率、气孔导度与马克隆值、纤维长度、单株产量呈显著正相关,与邢晋等[21]、陈恺林等[22]、赵双玲等[23]的研究结果一致。其中,SPAD值与叶绿素含量呈线性正相关,被广泛用作衡量植物叶片衰老的指标,其值高低可反映叶片中叶绿素含量的多少,而叶绿素是光合作用的主要色素,叶绿素含量直接影响净光合速率,可在一定程度上反映植物的光合能力[24]。灰色关联度分析结果亦表明,SPAD值与马克隆值、成熟度、衣分率的灰色关联度最高。因此,今后可考虑选择该指标简易地表征不同处理对棉花叶片光合性能、产量、品质的影响。

灌溉量过高或者过低都会影响棉花的产量与品质。本研究中,无论采用何种地膜,均以6 000 m3·hm-2的灌溉量较为适宜。在此基础上进一步调低灌溉量,会显著降低棉花产量。

此外,本研究还发现,蒸腾速率与单株产量的灰色关联度最高,净光合速率与马克隆值、纤维长度、整齐度指数、单株产量的灰色关联度处于相关指标前列。这与张选等[25]的研究结果较为一致。净光合速率既可以描述植物对环境条件的反应[26],又与纤维长度、整齐度指数、单株产量、马克隆值具有很好的相关性,可以作为筛选优质棉花品种的关键因子。蒸腾速率可以反映土壤水分胁迫和植物叶片的衰老程度[27],是植物水分吸收与运输的主要动力,对于棉花纤维的形成具有重要的影响。本研究发现,蒸腾速率与马克隆值、纤维长度、整齐度指数、衣分率和单株产量均呈显著正相关。今后,也可重点关注不同处理对该指标的影响。

综上,本研究发现,与普通地膜相比,生物降解地膜在提高苗期土壤温度、改善棉花叶片光合性能上的效果与普通地膜无显著差异,从棉花产量、品质指标方面判断,可以满足目前生产需求。