花铃期干旱条件下氮素影响棉花(Gossypium hirsutum L.)产量与品质形成的生理生态基础研究

摘要

近年来，花铃期季节性干旱在我国各大棉区均时有发生，严重降低棉花产量和品质.氮肥的合理施用一直是调控作物生长发育及产量品质形成的重要措施.研究花铃期短期土壤干旱及复水后氮素调控棉花生长发育及产量与品质形成的生理生态基础，可为棉花的抗逆高产优质栽培提供科学的理论依据.本研究以美棉33B为试验材料，设置正常灌水与花铃期土壤短期干旱处理，同时对两个水分处理的棉花设置3个氮素水平，于2004～2006年在江苏南京农业大学卫岗试验站进行盆栽试验，研究：(1)氮素对花铃期土壤干旱及复水后棉花各器官干物质重、氮素累积与分配的影响，及与产量、品质形成的关系；(2)氮素对花铃期土壤干旱及复水后棉花叶片光合作用、蒸腾作用与水分利用率的影响，并从叶绿素荧光特性、内源保护酶活性、内源激素平衡的角度探索氮素影响光合作用的生理机理；(3)氮素对花铃期土壤短期干旱及复水后棉花根系干物质与氮素累积、内源保护酶活性、细胞膜脂过氧化及根系活力的影响，及与地上部生长发育的关系；(4)氮素对花铃期土壤短期干旱及复水后棉花纤维加厚发育相关酶与内源保护酶活性的影响，及与纤维比强度形成的关系. 主要研究结果如下： 1.氮素对花铃期干旱及复水后棉花干物质和氮素累积与分配的影响 花铃期土壤干旱显著降低了棉株各器官的干物质重与氮素累积量，同时降低了干物质与氮素在叶片中的分配指数，但提高了根系的分配指数，从而增大了根冠比.施氮可以提高棉株的干物质重与氮素累积量，但亦增大水分胁迫指数。复水对棉株生长具有明显的补偿效应，尤其是根系，其干物质重与氮素累积量显著高于相应正常灌水处理，而增施氮肥可以提高棉株的补偿效应.花铃期土壤干旱结束时与复水后，干旱处理棉株均以240 kgN hm-2水平下的生殖器官干物质重最高，而根冠比最小，地上部与地下部生长最为协调，最终籽棉产量最高、纤维品质最优.而施氮不足(0 kg N hm-2)与过量施氮(480 kg N hm-2)均不利于棉花产量的提高与纤维品质的改善. 2.氮素对花铃期干旱及复水后棉花叶片光合与蒸腾特性及水分利用率的影响及其内在生理机制. 花铃期干旱条件下，随土壤相对含水量的减少，棉花叶片净光合速率与蒸腾速率迅速降低.施用氮肥易加重棉株受胁迫程度，棉花土壤相对含水量、净光合速率与蒸腾速率的降低幅度随氮素水平的提高而增大.但是与蒸腾速率相比，施氮相对提高了净光合速率，从而提高了水分利用率.适量施氮(240 kg N hm-2)有利于提高棉花净光合速率，其内部机理表现为气孔导度与胞间CO2浓度最高，光系统II最大光化学效率、量子产量、电子传递速率与光化学促灭系数均最高、叶片对光能的吸收利用率最高；内源保护酶活性强、膜脂过氧化程度最低；内源激素ABA的含量最低而ZR、IAA、GA的含量以及ZR/ABA、IAA/ABA、GA/ABA最高.施氮不足(0 kg N hm-2)棉株遭受干旱与缺氮双重胁迫，过量施氮(480 kg N hm-2)则加重了棉株的干旱胁迫程度，二者的净光合速率均较低，其叶绿素荧光特性、内源保护酶活性、内源激素含量的变化均表现出与适量施氮相反的趋势。复水后，干旱处理棉花叶片的内源保护酶活性可迅速恢复到正常灌水水平，其MDA含量与正常灌水处理间差异较小；但ABA含量明显低于正常灌水处理，ZR、IAA、GA含量以及ZR/ABA、IAA/ABA、GA/ABA却显著高于正常灌水处理，施氮有利于提高复水后干旱处理棉花叶片的内源保护酶活性，降低细胞膜脂过氧化程度，降低ABA含量，增大ZR、IAA、GA含量以及ZR/ABA、IAA/ABA、GA/ABA，其净光合速率亦随氮素水平的提高而增大. 3.氮素对花铃期干旱及复水后棉花根系生理特性及生长的影响 花铃期干旱条件下，棉花根重与氮素累积量显著降低，但根冠比增大；根系超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性明显升高，而过氧化氢酶(CAD活性降低，同时，丙二醛(MDA)含量相应增大，根系活力显著降低.施氮可提高干旱处理棉花根重与氮素累积量，降低SOD活性，增强POD与CAT活性，以240 kg N hm-2水平最有利于根系生长，其内在生理机制表现为根冠比最小、膜脂过氧化程度最低、根系活力最强.复水后，干旱处理棉花根系生长迅速恢复，根重与氮素累积量显著高于正常灌水处理；内源保护酶活性相应变化，MDA含量与正常灌水处理已无显著差异；根系活力亦显著高于正常灌水处理.施氮有利于增加根重与氮素累积量，提高POD与CAT活性，降低细胞膜脂过氧化程度，增强棉花根系活力，提高叶片净光合速率. 4.氮素对花铃期干旱及复水后棉纤维发育的影响 花铃期干旱条件下，棉纤维可溶性蛋白含量显著降低，而内源保护酶SOD、CAT、POD活性升高，MDA含量增加，细胞膜脂过氧化程度加重；纤维发育相关酶蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶、β-1，3-葡聚糖酶、IAA氧化酶的活性均显著降低.复水后，棉纤维SOD、CAT、POD活性迅速恢复到正常灌水水平，MDA含量亦降低，但棉纤维蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶、β-1，3-葡聚糖酶、IAA氧化酶等的活性仍低于相应正常灌水处理，最终棉纤维比强度亦显著低于正常灌水处理.棉纤维加厚发育期土壤干旱及复水条件下240 kg N hm-2是高强纤维形成的最适施氮量，其内在生理机制表现为干旱处理期间棉纤维内源保护酶活性较高，细胞膜脂过氧化程度最低，棉纤维蔗糖合成酶、磷酸蔗糖合成酶、β-1，3-葡聚糖酶、IAA氧化酶等加厚发育相关酶活性均最高，复水之后纤维内源保护酶活性迅速恢复，MDA含量最低，棉纤维加厚发育相关酶活性仍处于最高值，有利于纤维素的合成与累积，最终纤维比强度亦最大.施氮不足(0 kg N hm-2)或过量施氮(480 kg N hm-2)均表现出相反的趋势.

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 文献综述

摘要

引言

1土壤干旱条件下氮素对棉花叶片光合作用的影响

2土壤干旱条件下氮素对棉花叶片叶绿素荧光特性的影响

3土壤干旱条件下氮素对棉花内源保护酶活性的影响

4土壤干旱条件下氮素对棉花内源激素平衡的影响

5土壤干旱条件下氮素对棉花生物量和氮素累积与分配的影响

6土壤干旱条件下氮素对棉花根系生长的影响

7土壤干旱条件下氮素对棉花纤维发育的影响

8本研究的目的和意义

参考文献

第二章花铃期干旱及复水后氮素对棉花(Gossypium hirsutum L.)干物质和氮素累积与分配的影响

摘要

引言

1材料与方法

1.1试验设计

1.2测定项目及方法

1.3统计分析

2结果与分析

2.1花铃期干旱条件下氮素对棉花土壤相对含水量的影响

2.2花铃期干旱及复水后氮素对棉花各器官干物质累积与分配及水分胁迫指数的影响

2.3花铃期干旱及复水后氮素对棉花各器官氮素累积与分配的影响

2.4花铃期干旱及复水后氮素对棉花产量与产量构成的影响

2.5花铃期干旱及复水后氮素对棉花纤维品质的影响

3讨论与结论

参考文献

第三章花铃期干旱条件下棉花(Gossypium hirsutum L.)光合与蒸腾特性及水分利用率对氮素的响应

摘要

引言

1材料与方法

1.1试验设计

1.2测定项目和测定方法

2结果与分析

2.1花铃期干旱条件下棉花净光合速率、气孔导度、蒸腾速率与水分利用率对氮素的响应

2.2花铃期干旱及复水后棉花净光合速率、气孔导度、蒸腾速率与水分利用率日变化对氮素的响应

3讨论与结论

参考文献

第四章花铃期干旱条件下氮素对棉花(Gossypium hirsutum L.)光合作用与叶绿素荧光特性的影响

摘要

引言

1材料与方法

1.1试验设计

1.2测定项目与方法

2结果与分析

2.1花铃期干旱条件下氦素对棉花叶片凌晨叶水势与土壤相对含水量的影响

2.2花铃期干旱条件下氮素对棉花叶片光合色素含量的影响

2.3花铃期干旱条件下氮素对棉花叶片光合性能的影响

2.4花铃期干旱条件下氮素对棉花叶片叶绿素荧光参数的影响

2.5花铃期干旱条件下氮素对棉花蒸腾速率与叶片温度的影响

3讨论

参考文献

第五章花铃期干旱及复水后氮素对棉花(Gossypium hirsutum L.)叶片内源保护酶活性和内源激素含量的影响

摘要

引言

1材料与方法

1.1试验设计

1.2测定项目和测定方法

1.3统计分析

2结果与分析

2.1花铃期干旱及复水后氮素对棉花凌晨叶水势与土壤相对含水量的影响

2.2花铃期干旱及复水后氮素对棉花叶片可溶性蛋白含量的影响

2.3花铃期干旱及复水后氮素对棉花叶片内源保护酶活性的影响

2.4花铃期干旱及复水后氮素对棉花叶片MDA含量的影响

2.5花铃期干旱及复水后氮素对棉花叶片内源激素含量的影响

2.6花铃期干旱及复水后氮素对棉花叶片内源激素平衡的影响

2.7花铃期干旱及复水后氮素对棉花叶片净光合速率(Pn)的影响

3讨论

参考文献

第六章花铃期干旱及复水后氮素对棉花(Gossypium hirsutum L.)根系生理特性及生长的影响

摘要

引言

1材料与方法

1.1试验设计

1.2测定项目和测定方法

1.3统计分析

2结果与分析

2.1花铃期干旱及复水后氮素对棉花根系干物质与氮素累积及根冠比的影响

2.2花铃期干旱及复水后氮素对棉花根系内源保护酶活性的影响

2.3花铃期干旱及复水后氮素对棉花根系MDA含量的影响

2.4花铃期干旱及复水后氮素对棉花根系活力的影响

3讨论

参考文献

第七章花铃期干旱及复水后氦素对棉花(Gossypium hirsutum L.)纤维比强度形成的影响

摘要

引言

1材料与方法

1.1试验设计

1.2测定项目和测定方法

1.3统计分析

2结果与分析

2.1花铃期干旱及复水后氮素对棉纤维可溶性蛋白含量的影响

2.2花铃期干旱及复水后氮素对棉纤维内源保护酶活性的影响

2.3花铃期干旱及复水后氮素对棉纤维丙二醛(MDA)含量的影响

2.4花铃期干旱及复水后氮素对棉纤维发育相关酶活性的影响

2.5花铃期干旱及复水后氮素对棉纤维素含量的影响

2.6花铃期干旱及复水后氮素对棉纤维比强度的影响

3讨论

参考文献

第八章讨论与结论

摘要

引言

1讨论

1.1花铃期干旱及复水后氮素对棉花干物质和氮素累积与分配的影响

1.2花铃期干旱及复水后氮素对棉花光合性能与水分利用率的影响

1.3花铃期干旱条件下氮素调控棉花光合性能的生理生化机理

1.4花铃期干旱及复水后氮素对棉花根系生长的影响

1.5花铃期干旱及复水后氮素对棉纤维比强度形成的影响

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、已录用和已投稿论文