棉花植株形态特征对不同水分状况的响应

杨 川,张 凯,陈 冰,张 慧,柳 萍,常 松,盛建东

(1.新疆农业大学资源与环境学院,乌鲁木齐 830052;2 新疆土壤与植物生态过程重点实验室,乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】新疆是我国棉花主产区,新疆水资源总量少,季节和区域分配不均[1-3]。棉花形态对水分状况有着显著的响应。以往观察记录获取棉花形态特征的方法较费时、费力,大规模应用困难;随着摄影设备的普及和计算机图像技术的发展,植物形态特征的获取手段更加多样、便捷,为基于植物形态特征的水分诊断技术提供新的手段。【前人研究进展】目前,关于棉花水分状况的诊断技术研究主要集中在:基于监测和实验技术的植物形态、生理特征、土壤水分诊断,基于遥感技术的植株颜色光谱诊断和热红外遥感-冠层温度诊断,基于大气-土壤-植物水分平衡的模型预测和诊断等[4-10]。但各种方法或由于诊断准确性差、或由于成本昂贵、或由于操作复杂,大多停留在研究阶段。【本研究切入点】不同的作物水分诊断方法所获得的指标不同,即使同一方法和指标,在不同的地区和环境下,对作物水分状况的判断也可能出现差异。在棉花水分诊断方面,缺乏具有快速、无损、低成本和普适性的技术。需研究新疆棉花形态特征对不同水分状况的响应。【拟解决的关键问题】利用图像和计算机技术获取对棉花水分有较好响应的棉花顶端叶片形态指标:顶两叶距离(顶两叶叶柄红点距离,Distance of top petioles)、叶柄夹角(倒三叶叶柄-主茎夹角,Angle between stem and petiole)、叶夹角(倒三叶-主茎夹角,Angle between stem and leaf),研究各指标在棉花需水关键生育期的变化规律及其对棉花含水率的响应特征,为快速、无损、低成本水分棉花形态特征的诊断技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2021年4～10月于新疆昌吉州阜康市彭家湾村棉花试验地(88°0′44.30″E,44°10′21.05″N)进行,海拔557 m,属于温带大陆性干旱气候区,年均无霜期174 d,年均温度6.6℃,年均降雨量186 mm,年均蒸发量2 064 mm。试验地土壤有机质18.10 g/kg,碱解氮46.23 mg/kg,速效磷13.55 mg/kg,pH(水∶土=5∶1)8.14,电导率226.74 μS/cm;供试品种为新陆早74号,棉花种植模式为膜下滴灌,1膜1带2行种植,棉花株距15 cm。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用单因素水分处理,参照当地大田棉花常规灌溉量为基础共设置4个不同水分梯度的处理:W100、W85、W75、W60,其灌溉量分别是当地大田正常灌溉量的100%、85%、75%、60%,各处理设置4个重复小区,小区面积为6 m×8 m。滴灌时间以及次数根据当地灌溉用水管理以及棉花生长实际情况调节,滴灌量用水表监测记录;采用随水追施肥料,磷肥采用重过磷酸钙(云南中云化,含磷量P2O546%,70 kg/hm2)、氮肥(乌鲁木齐石化昆仑,含氮量46.2%,250 kg/hm2)和钾肥(新疆罗布泊,氧化钾51%,30 kg/hm2);除打顶外其余田间管理措施和当地大田常规栽培管理措施一致。表1

表1 不同试验处理滴灌量以及滴灌时间

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 棉花顶两叶叶柄红点距离、倒三叶主茎-叶柄夹角、叶夹角观测

运用拍摄软件Adobe Lightroom专业拍摄模式下使用水平仪功能矫正图像拍摄角度,使拍摄平面平行于棉花植株,并将直尺放在被拍摄部位;获得图像后将图像导入Adobe AutoCAD2018,利用该软件的直线测量工具进行棉花顶两叶叶柄红点距离测量(直尺刻度为参照标准),利用角度测量工具进行倒三叶主茎-叶柄夹角、叶夹角的测量。

1.2.2.2 棉花形态特征

在灌溉周期(灌溉后第3 d灌水滞后效应结束开始至下次灌溉结束)对W100处理的各小区随机选取5株棉花,并每天的不同时间段进行观测直至下次灌水,研究形态指标在干旱周期内变化规律;观测不同灌溉梯度的棉花形态特征指标,每个处理随机选取10株棉花观测,分析不同水分处理下的棉花形态特征差异。

棉花花蕾期(6月28日～7月3日)每天10:00～11:00、13:00～14:00、16:00～17:00、19:00～20:00时间段观测棉花形态特征指标。

1.2.2.3 棉花含水率

在获取棉花形态测量数据以及图像之后, 在小区内随机选取3株棉花,将棉花样品按不同器官剪断归类后使用百分之一天平(上海佑科YP200001,精度0.01g)称取样株不同部位鲜重(FW,Fresh Weight,g),之后烘干至恒重对其干重(DW,Dry Weight,g)称量;最后以此计算棉花水分含率(WC,Water content),计算公式[9]为:

WC=(FW-DW)/FW.

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2019进行数据整理,SPSS26.0软件进行方差分析以及相关性分析,多重比较采用Duncan法(α = 0.05),作图软件为SigmaPlot10.0。

2 结果与分析

2.1 棉花花蕾期形态变化规律

2.1.1 灌水干旱周期棉花形态变化特征

研究表明,花蕾期6月28日至7月3日棉花持续干旱周期每天不同时间段棉花形态指标以及棉花植株含水率变化趋势,在花蕾期灌水后的一个干旱周期,棉花含水率呈现逐渐下降的趋势,灌水滞后效应结束后,6月28日开始棉花含水率开始显著下降,但当下降到一定程度至7月1日后下降趋势开始有所减缓;而在干旱周期内随着棉花含水率的降低棉花各形态特征指标在干旱周期呈现不同的变化规律:每天不同时间段的持续观测中叶柄夹角总体变现为下降的趋势,顶两叶距离则表现为逐步上升的趋势,干旱周期内叶夹角的变化规律性不明显。图1

注:箭头标注为灌水日期,下同

10:00～11:00、13:00～14:00、19:00～20:00时间段棉花顶两叶距离与棉花含水率之间呈显著负相关关系,叶柄夹角则表现为显著正相关(P<0.01),而与叶夹角则无显著相关关系;在16:00～17:00时间段棉花形态指标能表现出较好的相关性,顶两叶距离与棉花含水率之间呈显著负相关关系,叶柄夹角、叶夹角则表现为显著正相关(P<0.05),16:00～17:00时间段为棉花形态指标较为适宜的观测时间。表2

表2 不同时间段棉花形态与棉花植株含水率的关系

2.1.2 花蕾期不同灌溉处理对棉花形态的影响

研究表明,在花蕾期,W60灌溉处理下顶两叶距离最大,而W85处理下顶两叶距离则最小,不同处理间顶两叶距离存在显著差异,最大相差幅度为29.01%(P<0.05);随着灌溉量的减少,棉花叶夹角表现出逐渐降低的趋势,且W100与W60处理间差异显著(P<0.05);随着灌溉量的减少,棉花叶夹角也呈现略微降低趋势,W100与W60处理间存在显著差异(P<0.05)。在花蕾期棉花形态特征对不同灌溉量有着较好的响应。图2

注:不同字母表示不同处理间差异达到显著水(P<0.05) ,下同

2.2 棉花花铃期形态变化规律

2.2.1 灌水干旱周期棉花形态变化特征

研究表明,在前期获得16:00～17:00时间段为适宜观测时间的结论基础上,于花铃期灌水后第3 d开始(7月16日～7月22日)在每天16:00～17:00对棉花各形态特征指标进行观测。在花铃期灌水结束后的一个干旱周期,棉花含水率总体表现为降低的趋势,顶两叶距离呈现逐渐上升的趋势,叶柄夹角则表现为7月16～20日逐渐降低,7月21日略微上升后又开始降低;与花蕾期所观测的结果相似,而与花蕾期不同的是棉花叶夹角在花铃期则表现为逐渐升高的趋势。图3

图3 花铃期干旱周期棉花形态特征以及含水率变化趋势(平均值±标准误)

2.2.2 花铃期不同灌溉处理对棉花形态的影响

研究表明,不同水分处理显著影响了棉花花铃期形态特征。在花铃期,随着灌溉量逐渐减少顶两叶距离呈现逐渐升高的趋势,W100与W60处理间差异显著,相差幅度为18.63%(P<0.05);而随着灌水量逐渐减少,叶柄夹角则表现为逐渐降低的趋势,且W100与W60处理间也存在显著差异,其相差幅度为23.57%(P<0.05)。随着灌水量减少叶夹角也呈现出下降的趋势,不同水分处理W100与W60间显著差异显著(P<0.05)。相比于花蕾期,花铃期棉花各形态特征对水分处理响应更敏感,也更具有规律性。图4

图4 花铃期不同水分梯度下棉花形态特征变化(平均值±标准误)

2.3 棉花形态特征与植株含水率的关系

研究表明,在花蕾期的16:00～17:00时间段棉花顶两叶距离与棉花植株含水率以及棉花各器官部位含水率呈显著负相关关系,而棉花叶柄夹角以及叶夹角则与棉花植株含水率、棉花各器官部位含水率呈显著正相关,在花蕾期棉各形态指标都能较好反映棉花植株整体以及各部位含水率情况。花铃期棉花叶夹角以及顶两叶距离与棉花植株、各器官部位含水率呈显著负相关,而叶柄夹角则与棉花植株、各器官部位含水率呈显著正相关;但与花蕾期相比,棉花形态对叶含水率的相关性有所降低。在花蕾期、花铃期,棉花形态特征指标顶两叶距离、叶柄夹角、叶夹角都可以作为反映大田棉花水分情况的指标。表3

表3 棉花形态与含水率的关系 (16:00～17:00时间段)

3 讨 论

3.1花蕾期以及花铃期作为棉花需水关键时期,期间水分的供应情况会直接影响棉花生长发育和产量构成[11-13],对棉花需水关键时期(花蕾期和花铃期)不同水分情况下的棉花形态特征指标变化进行观测,结果表明在不同生育期棉花形态特征指标能对棉花水分变化情况有较好的响应规律。

3.2在花蕾期一个灌溉周期,叶柄夹角和棉花植株含水量表现出逐渐降低的趋势,顶两叶距离则相反;随着灌溉量逐渐减少,棉花顶两叶距离呈现逐渐增加的趋势,叶柄夹角则逐渐减少,可能与植物面对水分亏缺时的抗旱机制有关。当植物水分亏缺时,植物会通过收缩叶片减少对太阳辐射的吸收从而减少水分蒸腾流失,棉花叶柄夹角随水分降低而降低[14-15]。研究中,花蕾期叶夹角对棉花水分变化的响应却不明显,可能是由于棉花在不同生育期对水分需求不同,其抗旱机制也不同,从而导致棉花叶片叶夹角随水分变化规律性较弱[16-17]。相关性分析表明,在选择观测的各个时间段中16:00～17:00为适宜的观测时间,在此时间段内气温较高蒸发量较大,棉花形态特征对植株水分情况的响应较为敏感。

3.3花铃期是棉花产量形成的需水关键期,此阶段棉花对水分的亏缺表现较为敏感[18-19],在该时期棉花形态特征指标对棉花水分情况的响应相较于花蕾期更具规律性。灌水周期与不同灌水处理下棉花形态特征指标变化规律一致:棉花顶两叶距离随水分降低而增加,叶柄夹角则随水分降低而减少,叶夹角则随水分减少而逐渐升高。这可能与植物细胞膨压有关,由于细胞壁具有一定的可伸缩性,当植物水分亏缺不能满足叶片蒸腾与生长的需求时,细胞膨压降低细胞壁出现松弛,从而导致叶片出现暂时性萎蔫下垂[20],因此随着水分减少,叶夹角逐渐增大。

3.4基于棉花形态特征的植株水分监测和诊断,具有低成本、便捷、快速、无损等优点。研究结果表明在不同时期棉花形态特征指标顶两叶距离、叶柄夹角以及叶夹角对棉花水分情况都有明显的响应规律,但棉花叶夹角对棉花含水率的响应规律在花蕾期与花铃期却存在差异,该结果与吕新、张伟等研究相似[21-22],可能棉花不同生育期植株生理变化、叶片形态特征对水分的响应以及抗旱机制不同有关[18,23]。另外,研究只分析了棉花形态指标与棉花含水率之间的相关性,验证了棉花形态指标作为棉田水分诊断的可行性,今后可以进一步探究棉花形态特征指标与叶水势、水分胁迫指数(CWSI)等反映棉花水分情况的生理指标之间的关系模型以及在不同棉花品种、环境之中进行探索,以验证及完善运用棉花形态特征指标诊断大田棉花水分状况的技术方法。

4 结 论

在花蕾期,随水分减少棉花顶两叶距离呈现逐步升高的趋势,而叶柄夹角与叶夹角则逐步降低;不同灌溉梯度间叶柄夹角、叶夹角存在显著差异(P<0.05);16:00～17:00时间段棉花形态指标与棉花含水率极显著相关(P<0.01),16:00～17:00时间段为棉花植株形态特征指标观测的适宜时间。花铃期棉花顶两叶距离以及叶柄夹角随水分状况变化规律与花蕾期表现一致,叶夹角则随水分降低而逐步升高,不同灌溉梯度间各棉花形态特征差异显著(P<0.05);在花蕾期以及花铃期,棉花形态特征指标顶两叶距离、叶柄夹角、叶夹角都与棉花植株含水率极显著相关(P<0.01),棉花形态特征指标顶两叶距离、叶柄夹角以及叶夹角可以作为大田棉花水分诊断依据指导灌溉。