干旱胁迫对棉花生长发育和光合荧光参数的影响

杨明凤，王金梅，吉春容，刘 勇，白书军

（1乌兰乌苏农业气象试验站，新疆石河子 832000；2塔城市气象局，新疆塔城 834700；3新疆兴农网信息中心（新疆维吾尔自治区农业气象台），乌鲁木齐 830002；4中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，乌鲁木齐 830002）

0 引言

新疆是典型的温带大陆性干旱气候，具有丰富的光热资源，已成为中国最大的优质棉生产基地，棉花种植面积占全国80%以上[1]，主要植棉区棉田面积高达作物播种面积的60%～85%[2]。大面积的棉花种植，造成用水时间集中，棉田相互争水严重，水分供应不足成为制约植棉产业持续发展的主要障碍因素之一。

在干旱地区，干旱胁迫是影响作物生长和限制产量提高最重要的非生物胁迫因素，全世界每年因干旱导致的减产超过其他因素造成减产的总和[3]。干旱胁迫制约棉花的生长发育，降低棉花干物质量和产量[4-5]。光合作用是作物产量形成的基础，干旱胁迫一方面造成光合相关酶下降或者失活，另一方面导致气孔关闭，气孔导度下降，CO2受体受限，从而影响光合作用。田又升等[6]研究指出干旱降低了棉花叶片的光合速率、气孔导度、蒸腾速率。Sing等[7]认为不同的干旱胁迫下，非气孔因素和气孔因素在调节光合速率时发挥不同的作用。目前研究者一致认为气孔和非气孔限制对光合作用的影响取决于水分亏缺的程度[8-9]。叶绿素荧光是研究植物逆境胁迫的理想探针，具有快速、准确、无损伤等优点，已越来越多用于逆境胁迫的相关领域[10-11]。薛惠云等[12]研究得出干旱降低了Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP。胡宏远[13]指出水分胁迫下荧光参数Fv/Fm、Fv/Fo、Yield、qP随水分胁迫强度增强而下降。综上所述，以往研究多集中于某一时期不同水分处理引起棉花生态生理特性的变化，对于持续干旱胁迫下棉花生长发育、光合荧光的响应研究鲜见报道。笔者结合新疆气候生态条件，采用膜下滴灌技术，研究花铃期持续干旱对棉花生长发育和光合荧光的影响，以期为筛选干旱敏感指标和抗旱节水栽培提供理论依据，服务于棉花安全生产。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

乌兰乌苏农业气象试验站(44°17′N，85°49′E)，海拔468.5 m，位于准噶尔盆地南缘，处于天山北坡带中心位置，气候属于典型的温带大陆性气候，冬季长而严寒，夏季短而炎热，年平均气温7.4℃，日照约2862.1 h，无霜期约180天，年降水量230.8 mm，年蒸发量1604.9 mm。

1.2 试验设计

本试验于2018年在乌兰乌苏农业气象试验站土壤水分试验场（带全自动遮雨棚）内进行干旱模拟试验，每个小区之间由混凝土水泥墙隔离，且已做防渗处理，小区长7.0 m、宽5.0 m，面积35.0 m2。试验地土壤类型为灰漠土，土壤质地为沙壤土，土壤pH 7.8，土壤基本肥力情况：有机质11.9 g/kg、全氮1.25 g/kg、碱解氮78.0 mg/kg、速效磷91.5 mg/kg、速效钾315 mg/kg。每年秋季翻地时施尿素75kg/hm2、磷酸二铵180kg/hm2。

试验材料为早熟品种‘新陆早57号’，于4月19日播种，播种量75 kg/hm2，采用滴灌覆膜栽培，2.05 cm幅宽地膜，一膜6行，膜上行距(10+66+10+66+10)cm，株距9.3 cm，密度约25万株/hm2。在开花盛期（7月14日）进行干旱处理，按Hsiao的方法设置3个土壤水分处理，分别为正常[CK，土壤相对含水量(75±5)%]、轻度干旱[MD，土壤相对含水量(55±5)%]、重度干旱[SD，土壤相对含水量(35±5)%]。在棉花盛花期开始，土壤相对含水量始终控制在70%～80%、50%～60%、30%～40%，至棉花停止生长。采用完全随机设计，每个处理重复3次，共9个小区，日常管理按大田高产栽培技术要求进行。

1.3 测定项目及方法

干旱处理后，于2018年7月15日、7月22日、7月29日、8月5日、8月12日、8月24日、9月9日测定棉花叶片光合荧光参数，7月12日、8月1日、8月10日、8月24日、9月6日、10月8日测定叶面积和干物质。

1.3.1 光合参数 在晴朗无云的天气，于11:00—13:00选取棉花主茎倒四叶，采用Li-6400XT便携式光合作用测量系统(Li-Cor，USA)测定气体交换参数，包括净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)等。设置气体流速为500 μmol/s，3 cm×2 cm LED红蓝光光源，光合有效辐射为1500 μmol/(m2·s)。保证叶片生长状况良好，无相互遮阴，测量过程中尽量保持叶片的原来状态，以免影响测定结果的准确性。

1.3.2 荧光参数 采用Mini-PAM荧光仪(Walz，Germany)测定叶绿素荧光参数。试验前棉花叶片在黑暗下处理20 min以上。在黑暗情况下，先测定最小荧光产量(Fo)和最大荧光产量(Fm)，然后打开光化光，大约3～5 min待荧光值稳定后，测定实际荧光光量子产量(Yield)和其他的所用荧光参数。

1.3.3 叶片水势的测定 于11:00—15:00取受光方向一致的棉花主茎倒四叶为测定对象，用剪刀剪出直径为40 mm的圆片，放置于WP4露点水势仪样品盒内，采用精准模式，1 h内完成叶片水势的测定。

1.3.4 棉花发育期及生长量的测定 棉花发育期参照《农业气象观测规范》中棉花发育期标准进行观测记录，每个小区选取长势均匀一致的植株，直接量出叶片的长度和宽度，将长宽之积乘以校正系数(0.75)，根据密度计算出叶面积指数(LAI)，然后采用烘干法测量植株干物质。

1.3.5 棉花产量结构分析及产量 棉花成熟后，采用5点取样法，每点连续取8株，共40株，样本取回晒干后，测定单株铃数、蕾铃脱落率、纤维长度、单铃重等产量结构单项，每小区实收花记录产量。

1.4 数据分析

采用Excel 2010进行数据统计，对不同干旱处理用SPSS 16.0 Duncan进行方差分析（显著水平设定为P＜0.05），采用Sigmaplot 12.5作图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对棉花生长发育的影响

2.1.1 干旱胁迫对棉花发育期的影响 由表1可以看出，干旱影响了棉花的生育进程，且随干旱胁迫程度的加剧而提前。在裂铃期，相比CK，MD、SD提前了2、8天，在吐絮期，MD、SD较CK提前了2、6天，在吐絮盛期，MD、SD较CK提前了4、8天。

表1 干旱胁迫对棉花发育期的影响 月.日

2.1.2 干旱胁迫对棉花叶面积指数的影响 表2数据表明，各处理叶面积指数均随处理时间的推移呈现先上升后下降的趋势，8月22日达到峰值，MD、SD较CK分别下降了18.2%、42.7%，SD达显著水平，其余时段各处理间差异不显著，表现为CK＞MD＞SD。

表2 不同干旱胁迫下棉花叶面积指数

2.1.3 干旱胁迫对棉花干物质的影响 作物干物质是光合作用的产物，是表征作物生长状况的基本特征之一。试验结果（表3）表明，在试验处理前期，不同水分处理条件下，棉花光合物质积累无明显差异。自8月10日起，植株光合物质积累量随干旱胁迫程度增加而显著降低，表现为CK＞MD＞SD。重度干旱在8月10日、8月22日、9月6日、9月22日和10月8日差异达到极显著水平，下降幅度分别为36.2%、46.4%、59.4%、60.7%、48.4%。轻度干旱在9月6日、9月22日和10月8日差异达到极显著水平，下降幅度分别为53.0%、43.2%、43.4%。表明干旱显著抑制了棉花的光合物质的积累，且重度干旱的影响到达了极显著水平。

表3 干旱胁迫对棉花单株光合物质积累的影响 g

2.2 干旱胁迫对棉花叶片水势的影响

在干旱环境下，植物对水势的维持能力是植物抗旱性的一个重要机制。叶片水势是衡量植物水分亏缺的灵敏指标。在干旱胁迫条件下，棉花在不同生长时期其叶片水势均呈现先下降后上升的趋势（图1），整个胁迫期间表现为CK＞MD＞SD。干旱胁迫大幅度降低了SD处理的叶片水势，较CK呈极显著水平，7月29日测得叶片水势低至-16.08 MPa，与对照相比下降了68.9%，且下降幅度最大。整个水分处理期间，MD和CK表现趋势一致，8月12日水势最小，与对照相比下降了41.9%。干旱胁迫推进了棉花的发育进程，重度干旱使棉花盛铃期提前，导致叶片水势最小值出现时间提前，且下降幅度最大，其主要原因是生长旺期棉花体内生理活动旺盛，在受到外界环境干旱胁迫时，水分代谢能力增强，通过大幅度降低叶片水势来从土壤中吸收更多的水分，而在生长初期和末期，植物体内的生理代谢活动相对较弱，对体内水分的调节能力相对减小。

图1 干旱胁迫对棉花叶片水势的影响

2.3 干旱胁迫对棉花叶片光合特性的影响

图2表明，整个干旱胁迫期间，胞间二氧化碳浓度Ci在210～260 μmol/(m2·s)之间波动波动。随着干旱胁迫时间的增加，棉花功能叶片的净光合速率Pn、气孔导度Gs和蒸腾速率Tr均呈下降趋势，且干旱胁迫强度越大，下降程度越大。在7月15—29日干旱处理期间，棉花叶片净光合速率轻度干旱胁迫较对照无明显变化，随后显著下降，8月5日、8月12日、8月24日较对照分别下降29.0%、28.2%、27.2%，9月9日较对照无明显差异，而重度干旱胁迫自7月22日开始较对照一直呈显著下降趋势，7月22日、7月29日、8月5日、8月12日、8月24日、9月9日较对照分别下降18.5%、42.3%、34.8%、42.9%、20.0%、28.6%。气孔导度在轻度干旱胁迫下，7月22日、7月29日、8月5日、8月12日、8月24日较对照分别下降17.3%、25.0%、38.9%、71.3%和69.2%，在重度干旱胁迫下，7月22日、7月29日、8月5日、8月12日、8月24日较对照分别下降35.8%、65.4%、46.8%、77.8%和76.5%。蒸腾速率在轻度干旱胁迫下7月22日、7月29日、8月12日、8月24日较对照分别下降29.2%、33.3%、48.0%和44.3%，在8月5日时无明显变化，在重度干旱胁迫下，7月22日、7月29日、8月5日、8月12日、8月24日较对照分别下降41.6%、41.7%、49.6%、68.0%、31.0%。

图2 干旱胁迫对棉花光合参数的影响

2.4 干旱胁迫对荧光参数的影响

由图3可知，棉花叶片PSⅡ的最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学量子产量(Yield)、光化学猝灭系数(qP)随着干旱胁迫时间的延长呈下降趋势，随着干旱程度的增加而明显降低。7月29日前，各干旱处理叶片的Fv/Fm基本一致，在8月5日—9月9日测得Fv/Fm下降幅度增大，除SD处理在8月12日测得Fv/Fm显著低于其他处理，其余各时段各处理间均差异不显著（图3a）。Yield随干旱处理时间进行呈现依次下降趋势（图3b），MD和SD处理在7月29日、8月5日、8月12日、8月24日、9月9日与对照相比分别下降了9.1%、19.5%、19.1%、14.0%、20.3%和14.8%、27.0%、31.5%、28.5%、43.8%。经方差分析，SD处理自7月29日开始显著低于CK，自8月12日开始显著低于MD，MD处理只有在8月12日后显著低于CK，其余各时段均和CK差异不显著。MD处理的qP随着干旱胁迫时间的延下降缓慢且幅度较小，与CK的qP差异不显著，SD处理的qP在前期缓慢下降，后期快速下降且幅度大，8月24日、9月9日测得qP与对照相比分别下降了36.5%、33.2%，与初始状态相比分别下降了41.9%、44.7%（图3c）。

非光化学猝灭系数(qN)则呈上升趋势，前期上升缓慢，后期上升迅速（图3d）。经方差分析，7月15日和7月22日各处理间差异不显著。自7月29日开始，SD处理的qN显著高于MD、CK，MD、CK处理间差异不显著。

图3 干旱胁迫对棉花荧光参数的影响

2.5 干旱胁迫对棉花产量的影响

由表4可知，常规灌溉条件下棉花产量最高，轻度干旱次之，重度干旱最低，且较对照产量降低了46.3%。产量构成因子中，单株结铃数和单铃重随干旱胁迫程度的增加而降低，对照显著高于干旱处理，轻度和重度干旱差异不显著，重度干旱显著增加了蕾铃脱落率，轻度干旱和对照差异不显著。干旱降低了棉花的纤维长度，对照显著高于重度干旱，与轻度干旱差异不显著。

表4 干旱胁迫对棉花产量构成因子及产量的影响

3 结论与讨论

3.1 水分对棉花生长发育及产量的影响

非生物胁迫是影响植物生长发育和产量的重要环境因子，而又以干旱、低温和盐渍的影响最为严重，其中干旱所造成的危害超过了一切逆境因子的总和[14-15]，严重制约植物的生长发育及产量[16-21]。本试验中，干旱推进了棉花生育进程，降低了叶面积指数但各处理间差异不显著。干旱降低了光合速率，光合物质的积累量少，产量降低，基本表现为CK＞MD＞SD。

3.2 干旱对棉花叶片碳同化能力的影响

光合作用是植物对水分亏缺较为敏感的生理过程。干旱胁迫下植物光合作用下降的原因有气孔因素和非气孔因素[22]。干旱造成叶片气孔导度关闭，胞间CO2浓度降低，导致CO2供应受阻，这属于气孔因素引起的[23-25]，而植物的光合酶类物质活性下降，叶绿体活力降低等因素导致光合作用能力下降则属于非气孔限制[26]。大量研究表明，干旱环境下植物叶片的气孔导度显著下降[27-30]。Hu等[31]研究表明，轻度干旱条件下棉花叶片的1,5-二磷酸核酮糖羧化/加氧酶总量和活性显著降低。通常认为在干旱初期气孔限制是导致光合速率下降的主要因素，随着干旱胁迫加剧，叶绿素含量降低，光合酶活力下降，限制了叶片的光合作用，此时非气孔因素成为限制光合作用的主要因素[32-33]。本试验结果表明，干旱胁迫下棉花叶片的光合速率、气孔导度和蒸腾速率均显著下降，且随胁迫程度加剧呈下降趋势，而叶片胞间CO2浓度210～260 μmol/(m2·s)之间波动且低于对照，这说明在轻度和重度干旱条件下棉花叶片的光合作用受到气孔限制。

3.3 干旱对棉花叶片光抑制的影响

叶绿素荧光和光合作用的反应过程紧密相关，是植物光合功能受损的早期探针，可以用来快速、灵敏和非破坏性地分析逆境因子对光合作用的影响。Fv/Fm反应PSⅡ中心原始光能转化效率，叶片的Fv/Fm可以作为是否发生光抑制的指标。本研究结果表明，随着发育时期的推进，Fv/Fm呈下降趋势，和CK差异不显著，差值在0.01～0.02之间，表明棉花对水分亏缺具有耐受性，不易导致棉花叶片PSⅡ发生光抑制。这与张亚黎等、Zhang等[34-35]研究发现水分亏缺不易导致棉花叶片PSⅡ发生不可修复的光抑制一致。

Yield表示植物光合作用下PSⅡ有效光量子产量，反映光能捕获效率，光化学猝灭系数(qP)反映光合电子传递效率，qN反映天线色素吸收的光能不能用于光化学电子传递而以热的形式耗散掉的部分，可衡量植物的光破坏防御能力。本试验（图3）表明，qP和Yield随干旱胁迫的增加而降低，qN则呈上升趋势，说明干旱胁迫减少了天线色素捕获光能，减慢电子传递效率，通过热耗散的增加来释放过剩的激发能，以保护自身的光合机构。

综上所述，干旱胁迫导致叶面积指数、光合物质积累量、籽棉产量和叶片水势下降。棉花叶片气体交换参数显著下降，对水分亏缺反映敏感。干旱减少了叶片对光能捕获能力，减慢了电子传递效率，通过热耗散的形式减少过剩的激发能对光合机构的伤害，保证光合机构的正常运转。