膜下滴灌水氮运筹方式对棉花叶片衰老及产量和品质的影响

张宏芝，干秀霞，虎晓兵，李善龙，罗宏海，张旺锋

（石河子大学农学院／新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，石河子832003）

膜下滴灌水氮运筹方式对棉花叶片衰老及产量和品质的影响

张宏芝，干秀霞，虎晓兵，李善龙，罗宏海，张旺锋

（石河子大学农学院／新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，石河子832003）

以新陆早13号（常规棉）和新陆早43号（杂交棉）2个不同基因型棉花高产品种为试验材料，采用土柱栽培研究法，依据棉花生育期改变水氮供应时期及分配比例，分别设置4个水分、2个氮肥，共16个处理，研究水氮运筹方式对膜下滴灌棉花叶片衰老及产量和品质的影响。结果表明：氮肥基施比例高，有利于增强水分亏缺条件下叶片SOD、POD和CAT活性，从而提高叶片清除活性氧的能力，增强棉株抗逆性；在播前灌溉下，保证盛花期—吐絮期充足的水氮供应量，有利于提高生育中后期叶片SOD、POD和CAT活性，降低MDA含量，从而降低膜脂过氧化程度，增强细胞膜的稳定性，延缓叶片和植株的衰老，延长叶片功能期，提高单铃重，从而提高产量，并改善棉纤维品质。因此，膜下滴灌棉花水肥管理中，应充分重视播种前灌溉，利用膜下滴灌技术随水施肥的特点，适当的减少基施氮比例，增大生育中后期水氮的分配比例，以达到延缓植株衰老、延长叶片功能期，提高产量和改善品质的目的。

棉花；膜下滴灌；水氮运筹；衰老；保护性酶；产量和品质

作物衰老是一种程序化死亡过程，是作物生长发育的必经阶段［1］。延缓作物衰老，不仅会提高其产量，还能改善品质［2］。逆境条件下，较高的SOD、POD和CAT活性可以及时清除植株体内的活性氧等过氧化物，保护细胞膜系统，使细胞免受伤害，从而延缓植株衰老，有利于提高作物的产量和品质［3］。适度干旱胁迫可提高超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性，减轻膜脂过氧化对植物细胞、细胞膜结构及胞内物质的毒害作用，且前期适度干旱可增强作物后期的抗旱能力［4］。张绪成等［5］与 Saneoka等［6］指出，施用氮肥能显著增强干旱处理作物叶片SOD、POD、CAT活性，提高抗氧化能力以减缓膜脂过氧化作用，从而提高其抗旱性，延缓叶片衰老。土壤水分和养分存在交互作用，水分不足也会限制肥效的发挥［7－9］。合理的水肥供应有利于延缓作物衰老，从而提高作物产量和改善品质［10－11］。

新疆属典型大陆性干旱气候，光热资源丰富，具有发展棉花的资源优势，是我国最重要的优质高产棉区，但水资源不足是限制新疆农业可持续发展的重要因素［11］。新疆大面积推广的膜下滴灌植棉技术提高了根区水分和养分的可控性，同时，利用滴灌技术水肥可控性强的特点，通过水氮运筹技术，可调节棉花产量形成过程，延缓棉株衰老，进一步提高产量和品质，对实现滴灌棉花高产高效栽培具有重要意义。因此，本试验采用土柱栽培的研究方法，利用滴灌水肥可控性强的特点，通过改变播种前和生育期水氮的供应量及分配比例，研究水氮运筹方式对棉花衰老及产量和品质的影响，探讨水肥资源的投入时期对延缓棉株衰老，提高棉花产量和改善品质的影响，以期为干旱区棉花节水省肥高产优质栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1．1 材料

供试棉花（Gossypium hirsutumL．）品种为新陆早13号（北疆常规棉品种）和新陆早43号（北疆杂交棉品种）。

1．2 方法

1．2．1 试验设计

试验于2009年4－10月在石河子大学农学试验站进行。

采用土柱栽培方法。设置4个水分处理（W）、2个氮肥处理（N）；裂区试验设计，水分处理为主区，氮肥处理为副区，每处理12个重复。水分运筹分别为，W1：播前灌＋盛花期前轻度干旱、盛花期后充足供水；W2：播前灌＋全生育期正常供水；W3：盛花期前轻度干旱、盛花期后充足供水；W4：全生育期正常供水，其中轻度干旱、正常供水和充足供水为控制0～40cm土壤滴水下限分别为田间持水量的55%、70%和85%，上限均为田间持水量。氮肥运筹：在总施氮量相同的情况下（0．2g N／±kg），改变播种前和生育期间随水滴施氮肥的施用比例，其中N1为基肥70%＋追施30%（现蕾期追施），N2为基肥20%＋追施80%（花铃期和初絮期追施）。

试验采用硬质PVC管，直径为30cm，管壁厚为1cm，截成长为40cm管。根管放置于120cm深、2m宽、6m长的预挖土坑中。每3个管连接成一个整体根管，管与管之间用胶带封严，以防水分渗出，然后用铁环固定，每个根管总长为120cm。土沟中先平铺一层直径为3～8cm的石子，并在其上铺网筛为100目尼龙网。根管内0～40cm装熟土，40～120cm装生土；试验土壤取自本试验站，土质为中壤土，容重平均为1．45g／cm3，田间持水量为24．6%。管口高于地面5cm，使管的表面尽量和田间一致，并在根管的上方设置防雨棚。W1和 W2处理先将挖出生土装入管口下40～120cm，然后反复向管中灌水至田间持水量，再将管口下0～40cm装入熟土；W3和 W4处理将挖出生土装入管口下40～120cm，再将管口下0～40cm装入熟土。播种前测得W1和W2处理40～120cm的土壤含水量在95%以上，W3和W4处理40～120cm的土壤平均含水量约35%。在根管上布滴灌带、铺膜后，膜上点播，滴水出苗。每个根管中留苗4株（按大田密度每公顷18万株折算），每个根管为1次重复，每个处理12个根管，16个处理共192个根管。氮肥和磷肥施用量按0～30cm土重确定，氮肥用量0．2g N／±kg，磷肥施用量0．15g P2O5／±kg，每管施纯氮6．15g，施磷4．6g，将磷肥和氮肥按试验设置中的基肥比例混入耕层土壤中，追施氮肥按试验设置中的追氮比例及时期随水滴施。从出苗到二叶一心，耕层（0～40cm）土壤含水量控制在田间持水量的70%以上。从三叶一心开始处理至收获期结束，共进行122d。滴水量用水表和球阀控制，其他田间管理措施同大田膜下滴灌棉花。

1．2．2 测定项目与方法

1．2．2．1 叶片保护性酶及丙二醛（MDA）含量的测定

在棉花盛花期、盛铃期和吐絮期，分别为出苗后68、98和128d，取样测定棉花主茎功能叶保护酶活性及MDA含量。用氮蓝四唑（NBT）法测定SOD活性［12］，高锰酸钾滴定法测定 CAT 活性［12］，愈创木酚法测定POD活性［12］，考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量［12］，硫代巴比妥酸比色法测定MDA含量［12］。

1．2．2．2 产量及纤维品质测定

成熟前选取各处理代表性植株20株考察单株结铃数、铃重，于收获期以实收产量计产。纤维长度、比强、马克隆值等品质指标由国家农业部农产品质量监督测试中心（河南安阳）测定。

1．2．3 数据处理

数据采用DPS软件，Duncan多重比较法进行统计分析；作图采用Sigmaplot 9．0完成。

2 结果与分析

2．1 水氮运筹方式对叶片中保护性酶活性的影响

2．1．1 棉花叶片SOD活性的变化

试验结果（图1）表明，不同水分处理下棉花盛花期叶片SOD活性表现为W3＞W4＞W1＞W2，盛铃期和吐絮期W1与W2处理SOD活性无明显差异，但两处理均显著高于W3和W4处理，表明盛花期前水分亏缺后棉株通过提高SOD活性，加强活性氧清除来适应干旱环境，而充足的播前灌有利于维持中后期较高的SOD活性。施氮方式下，盛花期N1处理显著高于N2处理，盛铃期和吐絮期N1和N2处理无明显差异，表明在供氮量相同情况下，增加盛花期后追施氮肥比例可提高叶片SOD活性。水分×氮肥互作表现为，在N1条件下SOD活性在盛花期以W3较高，盛铃期和吐絮期以 W2较高，W3较低；N2条件下盛花期W3和W4处理显著高于其他处理，盛铃期和吐絮期新陆早13号 W1和W2处理无明显差异，新陆早43号W1处理高于其他处理，表明氮肥基施比例高有利于增强水分亏缺条件下SOD活性，叶片清除活性氧的能力提高，而在有播前灌溉下，保证盛花期－吐絮期的水氮供应量，有利于提高生育中后期叶片SOD活性，延缓叶片衰老。

图1 棉花叶片SOD活性的变化Fig．1Changes of SOD activity of cotton leaf

2．1．2 棉花叶片POD活性的变化

试验结果（图2）表明，POD活性随生育期的推移逐渐增大。不同水分处理下棉花POD活性盛花期表现为W3＞W1＞W4＞W2，盛铃期和吐絮期表现为W2＞W1＞W4＞W3，且处理间均达到显著性差异。施氮方式下，盛花期表现为N1＞N2，盛铃期和吐絮期表现为N2＞N1。水分×氮肥互作表现为在N1和N2条件下盛花期表现为W3较高，W2较低，在N1条件下盛铃期和吐絮期W2＞W1＞W4＞W3，N2条件下新陆早13号盛铃期为 W2＞W1＞W4＞W3，吐絮期W1和W2处理无明显差异，但显著高于W3和W4处理；新陆早43号盛铃期W1和W2处理无明显差异，吐絮期W1处理显著高于W2处理，表明充足的播前灌＋盛花期前水分亏缺、盛花期后充足供水的滴灌方式配合追施80%的氮肥用量，有利于提高生育中后期叶片POD活性，使叶片清除氧自由基的能力增强。

图2 棉花叶片POD活性的变化Fig．2Changes of POD activity of cotton leaf

2．1．3 棉花叶片CAT活性的变化

试验结果（图3）表明，不同水分处理下棉花盛花期叶片CAT活性表现为W3＞W4＞W1＞W2，盛铃期以W2较高，W3较低，吐絮期为 W1和 W2无明显差异，但显著高于 W3和W4处理。施氮方式下，盛花期和盛铃期N1和N2处理无明显差异，吐絮期N2处理显著高于N1处理。水分×氮肥互作表现为在N1条件下盛花期为W3处理显著高于其他处理，盛铃期和吐絮期表现为W2＞W1＞W4＞W3；N2条件下表现为盛花期W3和W4处理高于W1和W2处理，盛铃期和吐絮期新陆早13号W1和W2处理无明显差异，新陆早43号W1处理显著高于其他处理，表明充足的播前灌＋盛花期前水分亏缺、盛花期后充足供水的滴灌方式配合追施80%的氮肥用量，有利于生育中后期仍然保持相对较高的CAT活性，这对延缓叶片衰老，保证后期物质供给具有重要意义。

图3 棉花叶片CAT活性的变化Fig．3Changes of CAT activity of cotton leaf

2．2 水氮运筹方式对棉花叶片MDA含量的影响

试验结果（图4）表明，不同水分处理下棉花盛花期和盛铃期叶片MDA含量表现为W3处理显著高于其他处理，吐絮期表现为 W3＞W4＞W2＞W1。施氮方式下，盛花期N2＞N1，盛铃期和吐絮期N1＞N2。水分×氮肥互作表现为，在N1条件下盛花期W3＞W1＞W4＞W2，盛铃期和吐絮期表现为W3＞W4＞W1＞W2；N2条件下盛花期和盛铃期以W3较高，W2较低，吐絮期W1显著低于其他处理，以新陆早43号降低的幅度最高。因此，在播前灌溉的基础上，适度减少盛花期前水氮用量，保证盛花期－吐絮期的水氮供应量可以降低棉花叶片脂膜过氧化作用和延缓叶片衰老。

图4 棉花叶片MDA含量的变化Fig．4Changes of MDA content of cotton leaf

2．3 水氮运筹方式对棉花产量及纤维品质的影响

试验结果（表1）表明，不同水分处理下棉花产量以W2和W1较高，施氮方式下N1的产量显著低于N2处理。不同品种的产量对水氮运筹方式的响应不同，表现为以新陆早43号W1N2的最高，新陆早13号W3N1的最低。通过分析产量构成因子可看出，N1和N2条件下新陆早13号单株铃数和单铃重变化和产量趋势基本一致，以W2较高，W3最低；新陆早43号在N1条件下单铃重（除W3较低外）处理间无明显差异，单株铃数趋势与产量趋势基本一致，在N2条件下单株铃数（除 W3较低外）差异不显著，但W1处理单铃重显著高于其他处理。表明较高的基肥投入量对促进杂交棉盛花期前植株的生长、提高单株结铃数具有重要作用，而充足的播前灌＋盛花期轻度干旱、盛花期后充分供水配合追施80%的滴灌施肥方式主要是通过提高生育中后期光合产物向生殖器官分配的比例，提高铃重，进而提高产量。

由表2可见，不同水分处理下棉纤维长度无明显差异，比强度W1和W2处理显著高于W3和W4处理，马克隆值W1处理低于其他处理，接近B级，整齐度W3低于其他处理。施氮方式下，纤维长度和整齐度无明显差异，比强度N2处理显著高于N1处理，马克隆值N1处理显著高于N2处理，表明增加盛花期后追施氮肥比例有利于棉纤维比强度和马克隆值优化。水分×氮肥互作表现为，新陆早13号的纤维长度、比强度和整齐度均以W3处理较低，其他处理间无明显变化，马克隆值在W2N2条件下处于B级范围（4．3～4．9），其他处理处于C级范围（5．0以上）。新陆早43号的纤维长度、比强度和整齐度差异不明显，马克隆值在W1N2条件下处于B级范围。

表2 水氮运筹方式对棉纤维品质的影响Tab．2Effects of irrigation and nitrogen application regimes on fiber quality of cotton

3 讨论

1）膜下滴灌播前灌条件下，优化生育期的水氮用量，可提高生育后期叶片内源保护酶活性，降低MDA含量，延缓植株衰老。

叶片衰老过程是体内活性氧、自由基代谢失调的累积过程［13］。作物在正常生长和环境胁迫下均会产生活性氧，破坏质膜的完整性，而体内的SOD、CAT、POD组成一个有效的活性氧清除系统，保持活性氧自由基产生和清除的动态平衡［14］。在干旱胁迫下叶片会通过增强SOD、POD和CAT活性来抵御干旱逆境对其所造成的自由基伤害，延缓叶片衰老，增强抗旱性［15］。本试验结果表明，盛花期前水分亏缺，叶片SOD、POD和CAT活性均增加，MDA含量提高，且在无播前灌下增加幅度较大，这主要是由于播前灌下水分亏缺以后棉花可以通过利用深层水分减小受胁迫程度，而无播前灌条件下水分亏缺后受胁迫程度较大，叶片通过较高的SOD、POD和CAT活性清除植株体内的活性氧等过氧化物，保护细胞膜系统，使细胞免受伤害。单长卷等［16］也认为随干旱胁迫程度的加剧，SOD、POD和CAT活性均逐渐增强。本试验结果还表明，播前灌下盛花期前水分亏缺后供给充足的土壤水分有利于维持生育中后期叶片较高的SOD、POD和CAT活性，MDA含量的降低，延长了内源保护酶起作用的时间，进而延缓植株衰老。

张立新等［17］与Saneoka等［6］研究发现，施用氮肥增强了水分胁迫下作物叶片SOD、POD和CAT活性，降低MDA含量，有利于延缓植株衰老。本试验的结果表明，氮肥基施比例高有利于增强水分亏缺条件下SOD、POD和CAT活性，叶片清除活性氧的能力提高，而在播前灌溉下，保证盛花期－吐絮期的水氮供应量，有利于提高生育中后期叶片SOD、POD和CAT活性，降低 MDA含量，改善细胞内活性氧产生与清除之间的平衡状况，减轻自由基对细胞造成的伤害，这可能是水氮后移能明显延缓叶片衰老和光合功能衰退、延长叶片光合功能期的重要生理机制之一。

2）膜下滴灌播前灌条件下，优化生育期的水氮用量能明显提高产量和品质。

干旱条件下施氮可以提高作物叶片的内源保护酶活性、光合特性，提高作物的抗旱性，延缓植株衰老，减小因水分不足对作物产量与品质形成的不利影响［5－6］。前氮后移可以增加 SOD、POD 和 CAT活性，降低MDA的含量，延缓植株的衰老，有利于作物产量的提高和品质的改善［18］。本研究结果表明，有播前灌下盛花期前水分亏缺后供给充足的水分并配合追施80%的氮量有利于提高中后期叶片SOD、POD和CAT活性，降低 MDA含量，降低了膜脂过氧化程度，增强了细胞膜的稳定性，延缓叶片和植株的衰老，延长叶片功能期，提高单铃重，从而提高了棉花产量，并改善了纤维品质。

4 结论

在膜下滴灌棉花水肥管理中，应充分重视播种前灌溉，增加土壤深层储备水；根据品种的需水需肥特性和基础肥力因素，利用膜下滴灌技术随水施肥的特点，适当的减少基施氮比例，增大中后期水氮的分配比例，延缓植株衰老、延长叶片功能期，使有限的水肥资源获得较高的产量和品质效益。

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Effects of Irrigation and Nitrogen Application Regimes on Leaf Senescence and Yield and Fiber Quality of Cotton in Plastic Mulched／Drip Irrigated Systems

ZHANG Hongzhi，GAN Xiuxia，HU Xiaobing，LI Shanlong，LUO Honghai，ZHANG Wangfeng
（College of Agriculture，Shihezi University／The Key Laboratory of Oasis Eco－Agriculture，Xinjiang Production and Construction Group，Shihezi 832003，China）

Gossypium hirsutumL；plastic mulched／drip irrigated systems；irrigation and nitrogen application regimes；senescence；protective enzyme；yield and quality

S562．048

A

In order to clarify the effects of irrigation and nitrogen application regimes on leaf senescence and yield and fiber quality of cotton，two genotypes of high－yield cotton cultivars were used with a soil column culture experiment．Four water and two nitrogen treatments were designed．The results showed that enhancing basal fertilizers increased the activities of SOD，POD and CAT of leaf under water deficit；thereby，eliminated free radicals and active oxygen，consequently，enhanced stress resistance．When sufficient water and nitrogen supply were restored after full flowering stage with adequate irrigation of pre－sowing，the activities of SOD，POD and CAT increased and MDA content reduced．Thus，lipid peroxidation was restrained and cell membrane stability was increased．As a result，the senescence of both leaf and plant were delayed and leaf function period was extended；consequently，the boll weight and in the end cotton yield was in－creased，and part of fiber quality was improved．Therefore，through the decrease of the allocation of water and nitrogen before the full flowering stage，together with the increase of the allocation of water and nitrogen during the middle and late growth stages with adequate irrigation of pre－sowing，the object of extending the active photosynthesis duration，increasing the yield and improving the fiber quality was achieved．

2010－03－12

国家自然科学基金项目（30460063），国家科技支撑计划项目（2006BAD21B02，2007BAD44B07）

张宏芝（1983－），男，硕士生，专业方向为作物高产生理；e－mail：dreamzhz＠stu．shzu．edu．cn。

张旺锋（1965－），男，教授，博士生导师，从事作物高产生理生态研究；电话：0993－2057326，e－mail：zhwf_agr＠shzu．edu．cn。