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土壤水分变化对膜下滴灌棉花叶片光合作用及根系生理的影响

罗宏海  
【摘要】: 膜下滴灌作为高效农业节水技术,在新疆大田作物生产中得到了大面积的推广应用。与常规灌溉相比,滴灌技术能够实现土壤水分的精确控制,为作物生长发育提供最适宜水分成为可能。研究膜下滴灌棉花植株生长对土壤水分变化的适应机制,探寻通过调节土壤水分,调控作物向高产高效方向转变的可能途径及作用机理,对推动干旱区发展膜下滴灌节水灌溉技术,实现精准灌溉具有重要意义。为此,本试验主要从三种不同水分管理途径,开展农田土壤水分变化对膜下滴灌棉花叶片光合作用及根系生理影响的研究:在田间进行不同土壤水分处理,研究土壤水分对棉花光合作用和光合产物分配的调节效应;采用管栽的方法,研究土壤深层水变化对叶片光合特性及根系生理的影响;通过对棉花进行不同生育阶段控制供水后恢复正常供水处理,研究叶片光合作用的补偿效应及与根系生理关系。主要研究结果如下: Ⅰ不同土壤水分对棉花叶片光合作用及同化物分配的调节 1、不同程度水分亏缺复水对棉花叶片光合特性及产量影响的研究表明,水分亏缺降低了叶片净光合速率(P_n)和气孔导度(G_s),中度水分亏缺下叶片光化学猝灭系数(qP)、PSⅡ电子传递量子产量(φ_(PSⅡ))降低,非光化学猝灭系数(NPQ)升高。复水后3 d内P_n和G_s恢复,以轻度水分亏缺恢复最快;φ_(PSⅡ)和qP与P_n的变化相似;NPQ复水后1~2 d显著降低。从初花期至盛铃前期,轻度水分亏缺复水后光合物质累积量与正常供水无明显差异,盛铃后期至吐絮期低于正常供水,籽棉产量较低;中度水分亏缺复水后光合物质累积量及籽棉产量均最低。 2、不同程度水分亏缺对棉花叶片光合作用光系统Ⅱ(PSⅡ)活性影响的研究表明,不同水分条件下叶片的电子传递速率和CO_2同化速率间无明显的线性关系。JIP-测定分析表明,水分亏缺下单位有活性的PSⅡ反应中心数量降低、PSⅡ功能性天线增大、PSⅡ激发能的连通性降低,引起PSⅡ反应中心功能的下降,是导致水分亏缺下CO_2同化速率降低的主要原因。 3、土壤水分对棉株叶片光合速率、~(14)C光合产物运转和分配及籽棉产量具有明显的调节效应,60%处理叶片光合速率降低,地上部光合物质累积量少,~(14)C光合产物输出较快、向蕾铃分配比例增加;75%和90%处理叶片光合速率高,地上部光合物质累积量大,但90%处理~(14)C光合产物向营养器官分配的比例过大,最终籽棉产量以75%处理最高,90%处理次之,60%处理最低。籽棉产量水分利用效率为60%>75%>90%;不同品种间,新陆早10号在60%和75%条件下籽棉产量和水分利用效率显著低于新陆早13号,90%条件下显著高于新陆早13号。 Ⅱ土壤深层水对棉花叶片光合特性和根系生理的调节 4、土壤深层水(土壤底墒)充足有利于维持棉株适宜的根系大小,促进中下层(40-120 cm)根系生长、增强根系生理功能,能提高叶片光合功能,增加地上部光合物质累积量,为获得较高的产量和水分利用效率奠定了基础。具有一定土壤深层水的条件下,生育期间耕层土壤水分控制在60%的处理,下层根系生长旺盛、根系活性高,进而提高了棉花对土壤深层水的利用率,在一定程度上能弥补生育期间水分亏缺对叶片光合功能的负面效应,但无法补偿水分亏缺对棉株光合物质累积量的影响,导致籽棉产量显著降低。 生育期间遭受水分亏缺后,棉花根系可以通过形态和空间分布上的变化来适应水分亏缺逆境。在形态上主要是通过增加根长和根表面积而非根系生物量,即增加单位重量上的根长和根表面积来适应水分亏缺。在空间分布上,有土壤深层水时,根系增加中下层细根的长度和表面积以利于充分吸收土壤深层水;在土壤深层水匮乏时,主要增加上层细根的长度和面积,最大限度的捕获水源。 Ⅲ不同生育时期土壤变水下棉花光合作用的补偿效应及与根系生理关系 5、不同生育阶段控水期间,随滴水量的减少,叶片净光合速率、气孔导度和水势均显著降低,根系生理活性因生育时期和土层的不同受到不同程度抑制。控水结束恢复到正常滴水定额后,在限量滴灌条件下(将目前新疆大田滴灌棉田的滴水定额减少2/5),蕾期、花期和结铃期处理叶片净光合速率、气孔导度和水势均可在滴水后2~4 d恢复到或超过相应生育时期常规滴灌水平的处理;根系ABA含量并未随土壤水分的改善而降低,根系ZRs含量、SOD活性和活力均可以在滴水后1~2 d恢复到或超过常规滴灌水平。 根系生理活性与叶片光合特性的相关分析表明,控水结束恢复到正常滴水定额后,棉花通过加速根系ZRs的合成,促进叶片气孔开放,减小了叶片光合作用的气孔限制,根系活力的快速恢复,保证了叶片光合作用所需的水分和矿质元素,从而使光合速率快速恢复。与常规滴灌相比,花期处理产量和水分利用效率下降的幅度最大,蕾期和吐絮期处理减产较少,但水分利用效率较高。依据品种对土壤水分的响应,新陆早13号在540~554 mm、标杂A_1在590~623 mm的耗水范围内,通过保证花铃期充足的土壤水分供应,适当减少蕾期和吐絮期的滴水量,利用旱后复水产生的补偿效应,可实现滴灌棉花的高产高效。


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