新疆超高產棉花群體光環(huán)境變化特征及其與群體光合生產關系

新疆超高產棉花群體光環(huán)境變化特征及其與群體光合生產關系

組成作物產量的干物質為90%95%，來自光合作用。光的分布是創(chuàng)造作物產量的基礎。收獲集體樹冠層的光能分布方式對光的創(chuàng)造有重要影響。冠層光分布的光分布是不同因素的差異。優(yōu)化作物冠層結構，提高光分布，提高集體光截面能力是收獲高產作物的重要技術途徑。結果表明，冠層結構特征的變化與栽培基質品種和栽培措施密切相關。在品種育種過程中，為了到達較低的葉片，選擇合適的種植技術來提高云的光分布，并添加云層葉片來捕捉光的數量。這是水稻高產品種的一個重要特征。通過合理的栽培技術，提高了冠層的光分布，增加了作物冠層葉片的光輻射。這有助于提高小麥、玉米和其他作物的集體光合率。對于提高植物的抗逆性，影響植物的抗逆性和產量之間的關系比水稻、小麥和其他耕作更復雜。結果表明，結果表明，屋頂光率與集體作物的產量呈良好的線性關系，且集體光量影響到小群體的大小和結構。集體結構與棉田光量子的透射、反射和吸收等傳遞特性密切相關。由于冠層結構與棉花產量密切相關，因此我們必須注意優(yōu)良群落的培育。棉花冠層上部的光分辨率不同于不同品種，土壤耕作密度與光分布和產量密切相關，密度也顯著影響著冠層中部的光分辨率。因此，在保持較高群體的光裕率的前提下，增加中、室內光裕率有利于提高產量。新疆地處歐亞大陸腹地,具有發(fā)展棉花的光熱資源優(yōu)勢,是我國最重要的商品棉生產基地.近年來,隨著膜下滴灌技術的應用及雜交棉的推廣種植,棉花單產水平大幅度提高,出現了一批皮棉產量達到4000kg·hm-2以上的高產田.在高產條件下,棉花冠層結構發(fā)生了較大變化,但結合高產品種,對超高產棉花冠層結構及光合生產特征的研究較少.因此,本文以4000kg·hm-2以上的超高產棉花為研究對象,開展不同產量水平棉花光分布特性及光合生產特征的研究,探討冠層光分布與群體光合速率的關系及其對產量形成的影響,總結超高產形成的機理,以期為棉花高光效品種的選育、綜合栽培技術措施的改進提供科學依據.1材料和方法1.1高產栽培試驗試驗于2008—2009年在新疆生產建設兵團農八師149團19連(45.11°N,86.13°E)進行,選擇已獲得過棉花超高產的2-3號、2-4號條田(面積均大于4.0hm2)為定向培育的超高產試驗示范田,以相鄰的一般高產田(連續(xù)2年單產水平在2300~2900kg·hm-2)1-1號、5-1號、7-1號東(7-1E)和11-1號東(11-1E)為對照(CK).2-3號、2-4號條田土質為沙壤,含有機質15.3~16.6g·kg-1,全氮0.9~1.1g·kg-1,堿解氮54.8~62.7mg·kg-1,速效磷18.4~20.8mg·kg-1,速效鉀209~223mg·kg-1,對照條田的土壤質地及基礎肥力與其沒有明顯差異.在前期調查的基礎上,通過總結高產栽培經驗,制定高產栽培技術規(guī)程,進行大田創(chuàng)建超高產試驗示范田.品種選用新疆棉區(qū)種植面積較大的雜交棉石雜2號.播前土壤造墑,深施油渣2000kg·hm-2,采用膜下滴灌種植.2008年4月12日播種,4月17日補出苗水,留苗密度為每公頃16~17萬株.2009年4月10日播種,4月15日補出苗水,留苗密度為每公頃24~25萬株.2年均在6月上旬滴灌頭水,蕾期每10~14d灌水一次,每次350~400m3·hm-2;花鈴期每7~10d灌水一次,每次450~525m3·hm-2;進入吐絮期后視棉田和天氣情況補水一次,灌水量為250~300m3·hm-2.8月底或9月初停水,全生育期共滴灌10~12次,滴灌總量為5000~6200m3·hm-2.共施N513~538kg·hm-2、P2O5482~503kg·hm-2、K2O315~342kg·hm-2,其中25%~35%基施,其余隨水滴施.在盛鈴前期之后水肥投入量占滴施總量的比例:2-3條田為60%,2-4條田為70%.噴施縮節(jié)胺化學調控5次,用量240~300g·hm-2.2008年6月28—30日和2009年6月25日打頂.對照棉田均種植常規(guī)品種新陸早33號,采取以實現穩(wěn)產為目標的一般高產栽培措施,水肥投入量為2-3條田和2-4條田的80%,其中20%~25%基施,其余隨水滴施,采取均勻滴施水肥的原則.選擇盛花期、盛鈴前期、盛鈴后期、初絮期、盛絮期等產量形成的關鍵生育時期,按植株平均高度將冠層分為上、中、下3層,測定不同部位的冠層光分布及群體光合速率指標.1.2測量設計和方法1.2.1冠層總光速率ime的測定采用高亮之和李林的方法測定光吸收率(LIR).在11:00—14:00,用LI-250A光量子儀(LI-Cor,USA)測定植株頂部以上30cm處自然總光Io(探頭面水平向上)、植株反光In(探頭面水平向下)、入射到冠層底部的光強IL以及株高距離地面1/3、2/3高度處的光強IM和IU,重復5~6次.光吸收率計算方法為:冠層總光吸收率=(1-In/IoIL/Io)×100%;上層光吸收率=(1-In/Io-IU/Io)×100%;中層光吸收率=(IU/I-IM/Io)×100%;下層光吸收率=(IM/I-IL/Io)×100%.1.2.2輻射透過系數采用CI-110數字式植物冠層結構分析儀(美國CID公司)測定冠層結構指標.于7:00—9:00和19:00—21:00沒有強烈直射光時,將安裝有魚眼探測頭的觀測棒分別定點在寬行和窄行的行間中央,調好水平,每小區(qū)測定4~6個點.通過CI-110計算機圖像數字化專用軟件分析后,獲得散射輻射透過系數(TCDP)和直射輻射透過系數(TCRP).冠層群體輻射透過系數為散射輻射透過系數和直射輻射透過系數之和.1.2.3葉面積指數lai和葉面積指數lai參照Malone等的方法,采用LAI-2000冠層儀(LI-Cor,USA)測定葉面積指數(LAI).先將探頭水平放置于冠層上方,按下測定按鈕,兩聲蜂鳴后將探頭放入群體內,仍保持水平,按下測定按鈕,兩聲蜂鳴后水平均勻移動探頭,選擇冠層內不同位置測量,重復4次.1.2.4棉田光合速率的測定群體光合速率的測定參照董樹亭等的方法并有所改進.在11:00—14:00,選擇晴天光強穩(wěn)定在1200~1400μmol·m-2·s-1時,用GXH-305型紅外線CO2分析儀在田間進行測定.同化箱長0.9m,寬0.7m,高度依不同生育時期的株高而定,箱內裝有2個風扇以攪拌氣體,框架外罩透明聚脂薄膜.采用閉路系統(tǒng),每個觀測條田中選擇有代表性的樣點3個,每個樣點測定3次,當同化箱內CO2氣體穩(wěn)定下降后開始計時,測定時間為60s,不同產量水平棉田采用輪回測定的方法.參照杜明偉的方法測定冠層不同層次葉片及器官群體的光合速率.先測整個冠層的光合速率,然后剪去下層所有葉片,測定冠層剩余部位的光合速率,整個冠層光合速率減去冠層剩余部位的光合速率即為下層葉片的光合速率.以此類推,測定和計算中層葉片和上層葉片的光合速率.剪去冠層全部葉片測定莖和鈴的光合速率,再剪去鈴測定莖稈的光合速率,兩者的差值為冠層全部鈴的光合速率.最后剪去莖稈測定土壤呼吸釋放的CO2速率,以修正群體光合速率的測定值,分別計算不同層次的葉片、莖稈和棉鈴的群體光合速率.1.2.5干物質累積量的測定按照冠層的上、中、下3層,分層剪取單位面積上莖、葉、棉鈴等器官,105℃下殺青30min,80℃下烘干后稱量,計算單位面積棉株干物質累積量.1.2.6結鈴數調查方法于收獲期各棉田隨機選取8~10個點,每個取樣點面積為33m2,調查各樣點全部株數和鈴數,折算出單株結鈴數和單位面積總鈴數.選有代表性植株50~60株,按單株分別收取棉株不同果枝部位上的棉鈴,供室內考種.以實收籽棉產量計產.1.3數據處理與分析采用Excel2003和SPSS11.0軟件進行數據處理,采用最小顯著差異法(LSD)進行差異顯著性檢驗(α=0.05).利用SigmaPlot10.0軟件作圖.圖表中數據均為平均值±標準差.2結果與分析2.1棉田產量和質量由表1可以看出,2-3條田在2008和2009年的皮棉產量均超過4000kg·hm-2,累計種植面積達10hm2.其中,2008年有0.7hm2棉田實收籽棉單產達10773kg·hm-2,折合皮棉產量為4653.9kg·hm-2,成為當年新疆棉花最高產量記錄.2-4條田在2008和2009年的皮棉產量分別為3893和3489kg·hm-2,平均產量為3691kg·hm-2.為便于敘述,參照當地實際生產情況,將產量水平實現4000kg·hm-2以上的2-3條田定義為超高產田,約為3500kg·hm-2的2-4條田定義為高產田.可見,實現3500kg·hm-2以上產量水平的棉田種植品種均為雜交棉石雜2號.對照棉田在2008和2009年的皮棉產量為2568~3489kg·hm-2,平均產量為3025kg·hm-2,因此,將皮棉產量約為3000kg·hm-2的對照棉田定義為一般高產田.可見,實現3000kg·hm-2產量水平的棉田種植品種為新陸早33號.超高產田的棉花株數、單鈴質量和衣分與高產田相比差異均不顯著,而單株鈴數和總鈴數顯著增加,2008和2009年的增幅分別達11.0%和10.4%,以及15.0%和13.6%.在2008和2009年,超高產田的單株鈴數、總鈴數和單鈴質量均顯著高于一般高產田,比2塊一般高產田的平均值分別增加23.0%、31.7%、6.5%和20.0%、17.4%、11.7%.可見,皮棉產量在4000kg·hm-2以上的超高產棉田的總鈴數大于每公頃165×104個,單鈴質量大于5.7g,衣分不低于43.0%.2.2群體輻射透過系數高群體輻射透過系數可以反映光輻射在作物冠層中的傳播狀況及透光性.由表2可以看出,棉花群體輻射透過系數隨生育時期的變化趨勢為盛花期較高,盛鈴前期降低,從盛鈴后期一直到盛絮期逐漸升高.在盛花期,由于棉株較小,棉田尚未完全封壟,棉花群體輻射透過系數較大,表現為超高產田的群體輻射透過系數較高,比高產田高7.0%~32.4%,比一般高產田低8.8%~28.6%,處于較適宜的范圍;在盛鈴前期,棉田封壟,超高產田的群體輻射透光系數處于適中范圍;在初絮期和盛絮期,隨棉田產量水平的升高,群體直射輻射和散射輻射透過系數減小.可見,盛花期至盛鈴后期,超高產棉田冠層群體輻射透過系數一直處于較適宜的范圍,既保證了光能的充分利用,又避免了光輻射在冠層中傳播衰減嚴重所造成群體的郁閉,從而克服了植株中、下部葉片照光不足的問題.2.3超高產田冠層總光速率由圖1可以看出,隨棉花生育進程的推移,冠層總光吸收率逐漸下降.在盛花期和盛鈴前期,不同產量水平棉田間的冠層總光吸收率無顯著差異;在盛鈴后期、初絮期和盛絮期,冠層總光吸收率隨產量的減小逐漸下降,超高產田的平均冠層總光吸收率比高產田和一般高產田分別高15.3%和76.2%,差異均達顯著水平.在棉花各生育期,4個條田的冠層不同層次的光吸收率均為上層>中層>下層,而且均隨棉花生育進程的推移逐漸減小.從盛花期到盛鈴后期,超高產田的上、中、下層光吸收率的比例平均為2∶2∶1,高產田平均為5∶2∶1,一般高產田平均為9∶2∶1.可見,在盛花期至盛鈴后期,超高產田的冠層中、下層光吸收率較高,而且初絮期至盛絮期仍能保持較高的光截獲.這說明,中、下層葉片具有較高的光吸收率,有利于群體光合生產能力的提高及光合功能期的延長.2.4超高產田的lai由圖2可以看出,不同產量水平的棉田最大葉面積指數(LAI)均出現在盛鈴前期,在2008和2009年,超高產田的LAI分別為5.4和4.8,高產田的LAI分別為5.0和4.6,一般高產田的LAI平均為4.5和3.5.在初絮期和盛絮期,超高產田的LAI仍維持在3.0和2.4,比一般高產棉田平均高79.1%和72.1%.這表明棉花葉面積指數高且持續(xù)期長,生育后期葉片衰老緩慢,以保證充足的光合面積是實現超高產的關鍵因素.在盛花期和盛鈴前期,棉鈴的光合速率在超高產田達到3.0~3.2μmol·m-2·s-1,占整個冠層總光合速率的6.7%~9.3%;高產田為1.7~1.9μmol·m-2·s-1,占整個冠層總光合速率的4.4%~8.5%;一般高產田為1.0~1.6μmol·m-2·s-1,占整個冠層總光合速率的3.7%~7.0%.進入盛鈴后期,隨產量水平的增加,棉鈴數量增多,棉鈴的快速生長導致呼吸速率大于光合速率,其凈光合值表現為負值,因此,呼吸速率越高,表明棉鈴數量越多、生長量越大.2.5不同生育期的棉田冠層光合速率由圖3可以看出,隨著生育進程的推移,棉花整個冠層的光合速率先升高后降低,在盛鈴前期達到最大.在測定的生育時期內,超高產田整個冠層的光合速率峰值為44.7μmol·m-2·s-1,比高產田和一般高產田分別增大14.9%和44.0%.從盛花期至盛鈴后期,冠層上、中、下層葉片群體光合速率的比例:超高產田為1.5∶1.5∶1,高產田為2.5∶1.5∶1,一般高產田為5∶3∶1.在初絮期,超高產田的整個冠層光合速率為23.3μmol·m-2·s-1,而一般高產田降至14.2和10.4μmol·m-2·s-1.在各生育時期,冠層中、下層光合速率在不同產量水平棉田間差異較大,表現為超高產田顯著高于高產田和一般高產田.從盛花期至盛鈴后期,莖稈光合速率在超高產田達到2.7~4.7μmol·m-2·s-1,占整個冠層總光合速率的7.8%~14.3%;高產田占12.1%~13.4%,一般高產田僅占3.5%~9.7%;從初絮期到盛絮期,超高產田的莖稈光合速率為2.6~3.7μmol·m-2·s-1,占整個冠層總光合速率的15.7%~27.9%,而高產田占13.7%~25.6%,一般高產棉田僅占13.6%~15.8%.這表明非葉綠色器官的光合作用對產量的貢獻隨產量水平的升高逐漸增加,非葉綠色器官光合能力的強弱成為群體光合作用大小的重要影響因素.2.6不同產量階段.由圖4可以看出,隨著棉花生育進程的推移,群體干物質積累量逐漸增大;而且,群體干物質積累量隨產量的增大而增大,其中,超高產田的干物質積累量最大,一般高產棉田最小.在整個生育期,棉田冠層各層營養(yǎng)器官干物質占該層總干物質積累量的比例在不同產量水平間存在較大差異.其中,超高產田占50.0%以上,從盛花期到盛絮期,上層占52.9%~54.4%;高產田從盛花期到盛鈴前期維持在50.0%左右,之后迅速下降,在初絮期和盛絮期,其上層營養(yǎng)器官占43.3%~48.4%,中層占43.0%~45.3%,下層降至40.7%~45.0%;一般高產田一直低于50.0%,并在盛鈴期迅速下降,在初絮期和盛絮期,上層營養(yǎng)器官僅占38.2%~44.1%,中層占28.0%~44.4%,下層降至32.1%~38.4%.這表明,水肥投入少導致生育后期營養(yǎng)生長不足、植株早衰是高產變超高產的主要限制因素.3超高產棉種植對冠層光收率的影響作物冠層結構特性決定了光能在冠層內的傳輸和分布方式,影響作物生長和產量的形成.本試驗條件下,不同產量水平棉田冠層總光吸收率為91%~95%,與前人研究結果一致,但冠層不同層次光吸收率的分布隨產量水平不同有較大差異,4000kg·hm-2超高產田和3500kg·hm-2高產田在盛鈴期上、中、下層光吸收率的比例接近2∶2∶1,而3000kg·hm-2一般高產田上層的光吸收率占冠層總光吸收率的60%左右,上層葉片過高的光吸收率必然影響中、下層葉片的受光情況.冠層內部光輻射分布不同,作物群體物質生產能力和生育狀況差別較大.超高產田棉花從盛花期至盛鈴后期具有適宜的群體散射輻射和直射輻射透過系數,可以保證較多的光能投射到冠層中、下層葉片上,有利于冠層具有較強的光吸收能力,同時又避免了群體郁閉.有研究表明,常規(guī)產量條件下,葉面積指數由3.5上升到4.5后,群體郁閉,冠層光環(huán)境惡化導致棉田瘋長,因此,棉花適宜的葉面積指數為3.8~4.0,最大葉面積指數不宜超過4.5.本研究中,超高產田在盛鈴期的最大葉面積指數達到4.8~5.4,冠層在垂直方向上光分布均勻,群體輻射透過系數適宜,既保證了群體總光合速率的提高,又使中、下層葉片受光良好,降低了下層葉片因光照不足而造成葉片衰亡的可能,為生育后期的產量形成提供了充足的物質保障.作物群體光合作用與冠層光吸收率及分布狀況密切相關.本研究中,不同產量水平棉花冠層不同層次光吸收率的垂直分布不同,導致群體光合速率存在差異.在盛鈴期,超高產棉花群體光合速率在冠層上、中、下層的比例為1.5∶1.5∶1,較其他產量水平更均勻,這表明隨群體內光輻射條件的改善,中、下部葉片受光充足,葉片光合作用對產量的貢獻增加.有研究表明,非葉綠色器官具有光合功能,在水分虧缺條件下,非葉器官對產量的相對貢獻率會顯著提高.本研究中,從盛花期至盛鈴前期,超高產田棉鈴的最大群體光合速率約占總群體光合速率的9.3%,莖為14.3%;在吐絮期,隨著棉鈴的發(fā)育,由于物質合成和轉化過程明顯,呼吸作用增強,棉鈴的凈光合速率表現為負值,但鈴殼的光合能力對產量形成的貢獻加大,且莖稈的群體光合速率占群體總光合速率的27.9%.這表明,在棉花產量形成的生育后期,棉鈴和莖稈等非葉綠色器官具有較高的群體光合速率,為棉鈴發(fā)育提供了一定的光合物質,是超高產棉花群體光合的重要特征.有研究表明,新疆皮棉單產2250kg