花铃期持续土壤干旱影响棉花产量品质形成的生理生态机制研究

摘要

花铃期是棉花产量品质形成的关键期，此时棉花对水分亏缺最为敏感。因全球气候变化，极端气候事件发生频率增加，导致各棉区花铃期土壤干旱频发，严重影响棉花的产量和品质。本论文在盆栽和池栽试验条件下，研究了棉花生殖生长、产量分布和纤维品质指标对土壤干旱的响应，旨在揭示干旱影响棉花产量品质形成的生理生态机制，为缓解干旱灾害、探索棉花生产的土壤水分调控途径提供理论依据。本研究的主要内容:以长江中下游棉花主栽品种泗杂3号为材料，于2011年至2014年在南京农业大学牌楼试验站进行花铃期持续土壤干旱试验;试验共设置3个水分梯度，即土壤相对含水量分别维持在(75±5)％、(60±5)％和（45±5）％三个水平，记作W75、W60和W45;研究1）不同程度土壤干旱对棉田小气候、棉花群体冠层结构、棉株生物量累积与分配和成铃分布的影响;2）棉花产量品质指标与棉株水分状况之间的关系;3）不同果枝部位棉铃对位叶光合产物的形成、分配与运转及棉铃生物量累积对土壤干旱的响应;4）持续土壤干旱条件下棉花碳氮代谢、渗透调节和活性氧代谢等生理活动的适应机制的变化。主要研究结果如下:
　　1.持续土壤干旱导致棉株上部果枝和外围果节成铃数骤降，造成严重减产
　　干旱抑制棉花果节和新叶的发生，显著影响群体冠层结构，导致光能利用效率下降。随干旱程度增加，棉株干物质的累积速率降低，最终生物量明显减少，且向生殖器官的分配比例下降。持续土壤干旱不仅显著降低了皮棉产量（在W60和W45处理中降幅分别达31％-35％和57％-60％），还影响产量的空间分部:受旱棉株上部果枝和外围果节成铃数骤减，导致其产量主要分布于中下部果枝内围果节。干旱条件下，铃数的降低是导致棉花减产的主要原因，铃重受到的不利影响相对较小，而衣分米受到明显的影响。
　　2.铃重、纤维长度和比强度与铃期平均叶水势呈直线相关关系
　　棉花具有无限生长习性，不同果枝部位棉铃在其发育期间经历的环境状况往往存在差异。在本研究中，随果枝部位升高，棉铃发育受到干旱的影响加剧。下部果枝棉铃的铃重和纤维品质受到干旱的影响较小，而在上部果枝中，铃重、籽指、衣分、纤维长度、比强度和马克隆值等指标均受到显著影响。以铃期平均正午叶水势作为水分状况表征参数，与棉铃各组分生物量和各纤维品质指标进行拟合发现，铃重、籽指、纤维长度和比强度均随铃期平均叶水势的降低而直线下降，降低速率分别为0.7 g，1.0g，2.4 mm和3.4 cN tex-1 MPa-1。马克隆值在高温年份随土壤含水量的降低逐渐减小，而在其它年份则表现出先升后降的趋势;研究还发现马克隆值与铃期长短显著正相关，而铃期亦受到水分和温度的影响，表明马克隆值受到水分和温度因素的交互影响。
　　3.干旱导致棉花源能力和库强度降低，并促进光合产物向下部果枝棉铃运转
　　随着水分胁迫程度的加剧，一方面，棉花冠层温度升高，叶片饱和水汽压差增大，碳同化速率降低，表现出源能力的大幅降低;另一方面，新生果节数减少，棉铃脱落率升高，库的强度也显著减弱。对不同果枝部位棉铃对位叶源能力的研究发现，随果枝部位降低，叶片碳同化速率急剧减小，这主要归咎于光合有效辐射的下降;棉铃对位叶的碳同化能力变化与棉铃发育物质需求规律不匹配，且在中下部果枝中，棉铃对位叶的碳同化量远不足以供应棉铃的发育需求;同时研究还发现叶片中主要碳水化合物的含量变化受到棉株的统一调控而不受叶龄和叶位的影响。干旱不影响棉株碳代谢变化的总体规律，但更显著的抑制上部果枝叶片的源能力，同时促进碳水化合物向下部果枝大龄棉铃的运转。
　　4.干旱条件下棉花叶片大量累积的可溶性糖对渗透调节能力的贡献较少
　　尽管干旱导致叶片的源能力大幅降低，但可溶性碳水化合物含量却显著升高，原因可能是棉花生长更早和更严重的受到抑制，碳的供给大于需求。在干旱处理的前中期，K+是渗透调节的主要贡献者;处理后期，K+含量减少，叶片渗透调节能力明显降低，此时氨基酸成为渗透调节的主要贡献者;蔗糖和己糖对渗透调节的贡献率较小。随干旱程度加剧，叶片SOD活性降低，活性氧含量增加，叶绿素量子产量中不可调节的热耗散比重逐步升高，MDA持续累积，棉株加速衰老。
　　综上所述，持续土壤干旱对不同果枝部位棉铃发育的影响存在差异，用铃期平均叶水势可以较好的分析造成这种差异的原因以及量化棉铃产量和品质指标与水分状况之间的关系;棉株光合产物的形成与运转及渗透调节、活性氧清除等生理机制随干旱程度的加深和持续时间的延长而不断调整。鉴于本研究结果，在棉花生产推行高密度栽培、机械化采收的大趋势下，于水分、温度资源不足的灌溉棉区，可在生育中后期控制水分供给，促进光合产物向生殖器官运转和棉花早熟，提高水分利用率;于产量形成期雨水过多的棉区，可通过喷施生长调节剂等措施模拟干旱对棉花生理的影响，优化群体冠层结构，促进集中开花吐絮。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1 干旱对棉花形态特征的影响

2 干旱对棉花叶片光合作用的影响

3 干旱对棉花叶片碳代谢的影响

4 干旱对棉花叶片渗透调节的影响

5 干旱对棉花叶片活性氧代谢的影响

6 干旱对棉花产量品质形成的影响

6．1 对棉花生殖生长的影响

6．2 对产量品质的影响

7 研究的目的与意义

8 技术路线

参考文献

第二章 花铃期持续土壤干旱对棉花生长和产量形成的影响

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定项目与方法

1．3 数据分析与统计方法

2 结果与分析

2．1 气象条件与田间小气候状况

2．2 叶水势的变化

2．3 对棉花生长的影响

2．4 对棉株干物质分配的影响

2．5 对棉花成铃动态的影响

2．6 对棉花产量及产量构成的影响

2．7 对棉铃和棉花产量分布影响

3 结论

参考文献

第三章 花铃期持续土壤干旱对不同果枝部位棉铃品质的影响

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定项目与方法

1．3 数据分析与统计方法

2 结果与分析

2．1 对不同果枝部位棉铃铃期和铃期平均叶水势的影响

2．2 不同果枝部位棉铃发育期的气象条件

2．3 对不同果枝部位棉铃的生物量分配的影响

2．4 对不同果枝部位棉铃纤维品质的影响

2．5 棉铃品质性状与棉株水分状况之间的关系

3 结论

参考文献

第四章 花铃期持续土壤干旱对棉花不同果枝部位棉铃对位叶源能力的影响

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定项目与方法

1．3 数据分析与统计方法

2 结果与分析

2．1 花铃期土壤水分的变化和气象状况

2．2 对不同果枝部位棉铃对位叶净光合速率影响

2．3 对不同果枝部位棉铃对位叶光合性能的影响

2．4 对不同果枝部位棉铃对位叶碳代谢的影响

2．5 对不同果枝部位棉铃生物量累积的影响

3 结论

参考文献

第五章 花铃期持续土壤干旱对棉花功能叶生理特性的影响

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定项目与方法

1．3 数据分析与统计方法

2 结果与分析

2．1 对棉花功能叶光合作用的影响

2．2 对棉花功能叶碳代谢的影响

2．3 对棉花功能叶渗透调节的影响

2．4 对棉花功能叶活性氧代谢的影响

2．5 对棉花功能叶内源激素含量的影响

3 结论

参考文献

第六章 讨论与结论

1．1 花铃期持续土壤干旱对棉花生长和产量形成的影响

1．2 花铃期持续土壤干旱对不同果枝部位棉铃品质的影响

1．3 花铃期持续土壤干旱对不同果枝部位棉铃对位叶源能力的影响

1．4 花铃期持续土壤干旱对棉花功能叶生理特性的影响

1．5 花铃期持续土壤干旱影响棉花产量品质形成的生理生态机制

2 结论

3 本研究的创新之处

4 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表、已录用和已投稿的文章