刘强，李同蕊，王冀川，王潭刚，陈雪梅，李慧琴，马丽

（1.塔里木大学植物科学学院，新疆 阿拉尔 843300；2.新疆生产建设兵团第三师农业科学研究所，新疆 图木舒克 843901）

残膜污染是当前新疆棉花种植中存在的关键问题，严重影响棉花产业健康可持续发展，采用无膜栽培，是解决残膜污染的主要途径之一［1］。关于水分、密度等农艺调控措施对棉花生长尤其是生理逆境特征影响的研究已有较多报道［2，3］。植物逆境的生理反应主要体现在叶片抗氧化保护酶活性及膜结构过氧化产物含量大小［4，5］。前人研究表明，水分亏缺可以改变作物体内的抗氧化酶活性［6，7］，许多重要酶类如SOD、POD、CAT等的活性都有所下降［8］。田又升等［9］研究表明，干旱胁迫可造成棉花叶片超氧阴离子含量增加，适度水分胁迫能激发体内抗氧化保护酶活性增加，以清除体内过多的活性氧，防止活性氧伤害；高密度条件下棉花主茎叶活性氧含量明显增加，POD、SOD、CAT等抗氧化酶活性明显下降，MDA含量增加，叶绿素含量相对较低［10］，不利于棉花生育后期的叶片功能发挥。以上研究均是在覆膜栽培条件下完成，而无膜棉具有特殊的土壤环境和群体结构，其对田间管理措施的生理响应也与有膜棉不同。因此，本试验以‘中619’棉花品种为材料，研究不同灌水量和密度对无膜棉叶片保护性酶类及产量的影响，以期为无膜棉高效生产提供理论和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2020年在塔里木大学农学实验站进行。该地位于塔里木盆地西北边缘（40°33′N，81°16′E，海拔1012.2 m），是典型的极端干旱荒漠区，年平均气温11.2℃，年均降水量51.3 mm，年均蒸发量1988.4 mm，年均相对湿度在55%以下。试验地为沙壤土，干土体积比重为1.22 g/cm3，有机质含量10.25 g/kg，田间持水量23.80%。

1.2 试验材料与设计

试验以‘中619’棉花品种（第三师农业科学研究所提供）为材料。采用两因素裂区设计，主区为3个灌水量：3000 m3/hm2（W1）、4500 m3/hm2（W2）和6000 m3/hm2（W3）；副区为4个密度：29.24万株/hm2（D1）、26.32万 株/hm2（D2）、23.92万株/hm2（D3）和21.93万株/hm2（D4），共计12个处理。随机区组排列，重复3次。小区面积10.5 m×2.2 m=23.1 m2。用水表记录灌溉水量。小区之间用防渗板（PVC聚酯板）隔开，隔离深度60 cm，以防渗漏。

1.3 田间管理

试验地翻耕前撒施重过磷酸钙375 kg/hm2、尿素150 kg/hm2和硫酸钾120 kg/hm2作基肥。4月14日，采用无膜加深点播（播深3.5 cm）、滴灌带铺设在窄行处并浅埋的（66+10）cm机采棉播种方式。生育期间滴灌8次，共滴施尿素600 kg/hm2、三元高磷水溶肥（10-30-10+TE）735 kg/hm2、三元高钾水溶肥（12-8-30+TE）225 kg/hm2。7月15日打顶。盛蕾期、初花期和盛花期化控3次，缩节胺用量分别为22.5、37.5、120.0 g/hm2。

1.4 测试项目及方法

出苗后观测生育进程，每隔7～10 d定点测量植株的形态指标，于关键生育时期（初蕾期：第一果枝现蕾时期；盛蕾期：第四果枝现蕾期；初花期：第一果枝开花期；盛花期：第四果枝开花期；盛铃期：第四果枝棉铃直径达2 cm时，在8月10日前后；初絮期：第一果枝吐絮期；盛絮期：第四果枝吐絮期。以上时期均以全田50%的棉株达物候指标为准），每小区选取10株有代表性棉株，用SPAD-502型叶绿素仪测定每株倒四叶的SPAD值并求其平均值。剪取棉株主茎最大叶，用苏州科铭生物技术有限公司的试剂盒测定POD、SOD、CAT活性和MDA含量。

初霜期（11月5日）统计小区棉花株数并摘取代表性棉株所有吐絮铃籽棉，计算单株有效结铃数、单铃重，实收小区籽棉统计产量。

1.5 数据处理与分析

用Microsoft Excel 2003进行数据处理与作图，用DPS 7.05软件进行最小显著差异法（LSD）多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同灌水量与密度对无膜棉叶片SPAD的影响

由图1可见，无膜棉叶片SPAD值随生育进程呈先升后降趋势，即初蕾至盛蕾期缓慢增长，盛蕾至盛花期快速增长，至盛花期达到峰值，随后缓慢下降。同一灌水量条件下，随密度增加，SPAD值呈先增加后减小趋势，表现为D3＞D4＞D2＞D1。D3处理在各生育期大多显著高于其它处理（P＜0.05），且在盛花期SPAD均值最大，达71.49，较D1、D2和D4分别增加6.34%、3.38%和2.16%。从盛花期至盛絮期叶片SPAD值下降趋势来看，D1降幅为13.15%，D2为11.46%，D3为10.68%，D4为10.56%。这说明种植密度过大，通风透光受到影响，植株个体间竞争激烈，造成叶片叶绿素含量快速下降，加速叶片衰老。

图1 不同灌水量与密度处理下无膜棉叶片SPAD值变化

同一密度条件下，叶片SPAD值随灌水量的增多先增加后降低，表现为W2＞W3＞W1。初花期以后，各灌水处理间叶片SPAD值差异随生育进程而逐渐加大，盛铃期W2处理SPAD均值为71.05，显著高于W1和W3处理（P＜0.05），增幅为9.43%和5.20%。说明灌水量过低或过高均会使叶绿素含量下降，即干旱胁迫使植物体内色素分解加快，高水条件造成植株营养生长过旺、叶片色素密度下降，均不利于光合性能的发挥。

不同组合处理下，盛花期叶片SPAD值较高的为W2D3、W2D4和W2D2，分别达73.51、72.88和70.75，W1D1最低，仅为66.03。从各生育期SPAD均值的变异系数（CV）看，不同灌水量下无膜棉SPAD值的CV为4.62%，不同密度下无膜棉SPAD值的CV为2.86%，说明灌水量对无膜棉SPAD值的影响大于密度。

2.2 不同灌水量与密度对无膜棉叶片MDA含量和保护酶活性的影响

2.2.1 对无膜棉叶片MDA含量的影响 由图2可见，无膜棉叶片MDA含量随生育进程不断增加，以盛絮期最大。同一灌水量条件下，随密度增加叶片MDA含量呈先降后增趋势，表现为D1＞D2＞D4＞D3。从各生育期叶片MDA含量平均值来看，D3处理为36.64μmol/gFW，显著低于D1、D2和D4处理（P＜0.05），降幅为20.40%、11.66%和5.34%，可见，适宜密度（D3）有利于减缓叶片膜脂结构损伤程度，保持叶片的生理功能。同一密度条件下，无膜棉叶片MDA含量随灌水量的增加而减少，表现为W3＜W2＜W1。W1处理MDA含量平均为42.35μmol/gFW，显著高于W2和W3处理（P＜0.05），增幅为4.70%和13.26%，说明灌水量过低将引起干旱胁迫，加重棉株逆境伤害程度。从组合处理来看，各生育期叶片MDA含量平均值最高的是W1D1，为47.58μmol/gFW；其次是W2D1，为43.70 μmol/gFW；再次是W1D2，为42.65μmol/gFW。可见，密度过大或水分胁迫下，叶片MDA含量明显增加，膜脂损伤程度加剧，对棉株生长发育不利。从各生育期叶片MDA含量平均值的CV看，灌水量处理的CV为6.24%，密度处理的CV为8.02%，说明密度对无膜棉叶片MDA含量的影响大于灌水量。

图2 不同灌水量与密度处理下无膜棉叶片MDA含量变化

2.2.2 对无膜棉叶片POD活性的影响 无膜棉叶片POD活性随生育进程呈单峰曲线变化，盛花期达到峰值（图3）。同一灌水量条件下，POD活性随密度增加呈先增后降趋势，表现为D3＞D4＞D2＞D1。D3处理各生育期POD活性平均值为237.73 ΔOD470/（min·g），显著高于D1、D2和D4处理（P＜0.05），增幅分别为30.22%、13.92%和9.05%。同一密度条件下，叶片POD活性以W2最高，其次是W3，W1最低。W2处理各生育期POD活性平均值为225.84ΔOD470/（min·g），较W1和W3分别增加14.27%和6.67%，差异达显著水平（P＜0.05）。说明保持适宜水分能提高叶片POD活性，降低自由基氧化造成的伤害。组合处理中，以W2D3叶片POD活性平均值最高，达261.95ΔOD470/（min·g）；其次是W3D3，为235.41ΔOD470/（min·g）；再次是W2D4，为230.80ΔOD470/（min·g）。说明较充分灌水和适当稀植有利于降低逆境对棉株造成的伤害，POD活性表现较高。从各生育期叶片POD活性平均值的CV看，不同灌水量下的CV为6.66%，不同密度下的CV为10.82%，说明密度对无膜棉叶片POD活性的影响大于灌水量。

图3 不同灌水量与密度处理下无膜棉叶片POD活性变化

2.2.3 对无膜棉叶片SOD活性的影响 由图4可见，无膜棉叶片SOD活性盛花期之前呈现缓慢上升趋势，盛花期达到最大值，随后又逐渐下降。同一灌水量条件下，叶片SOD活性表现为D3＞D4＞D2＞D1，其中D3处理各生育期SOD活性平均值达到399.30 U/gFW，显著高于D1和D2处理（P＜0.05），增幅达15.34%和10.10%。表明适宜密度能提高无膜棉叶片SOD活性，降低自由基对膜脂的伤害。同一密度条件下，W2处理叶片SOD活性最大，其次是W3，W1处理最小。W2处理各生育期SOD活性平均值为424.03 U/gFW，显著高于W1和W3（P＜0.05），增幅为28.53%和15.64%。说明适宜的灌水量能有效提高无膜棉叶片SOD活性，增加其清除自由基的能力，降低氧化伤害。组合处理中，W2D3各生育期SOD活性平均值最高，为453.25 U/gFW；其次是W2D4，为440.74 U/gFW；再次是W2D2，为410.69 U/gFW。可见，适宜的灌水量是保证较高SOD活性的基础，但需结合适宜密度，才能提高无膜棉自身抗氧化防衰老的能力。从各生育期SOD活性平均值的CV看，不同灌水量下的CV为6.34%，不同密度下的CV为12.70%，说明密度对无膜棉叶片SOD活性的影响大于灌水量。

图4 不同灌水量与密度处理下无膜棉叶片SOD活性变化

2.2.4 对无膜棉叶片CAT活性的影响 由图5可以看出，无膜棉叶片CAT活性随着生育进程呈明显的单峰曲线变化，初蕾期至盛花期快速增加，盛花期达峰值，随后又快速下降。同一灌水量条件下，CAT活性随密度增加呈先增后降趋势，表现为D3＞D4＞D2＞D1。D3处理各生育期CAT活性平均值最高，达94.61 U/（min·gFW），显著高于D1、D2和D4处理（P＜0.05），增幅为22.09%、12.41%和6.81%。同一密度条件下，W2处理CAT活性最高，其次是W3，W1处理最低。W2处理各生育期CAT活性平均值为91.30 U/（min·gFW），显著高于W1和W3处理（P＜0.05），增幅为11.58%和6.78%。组合处理中，W2D3各生育期CAT活性平均值最高，为101.99 U/（min·gFW）；其次是W3D3，为93.66 U/（min·gFW）；再次是W2D4，为92.17 U/（min·gFW）。这说明适宜灌水量和密度条件下，叶片能保持较高的生理活性，减缓植株衰老。不同灌水量下各生育期CAT活性平均值的CV为5.54%，而不同密度下的CV为8.38%，说明密度对无膜棉叶片CAT活性的影响大于灌水量。

图5 不同灌水量与密度处理下无膜棉叶片CAT活性变化

2.3 不同灌水量和密度对无膜棉产量的影响

由图6可知，同一密度条件下，W2处理棉花平均产量最高，达5095.59 kg/hm2；其次是W3，为4396.75 kg/hm2；W1最低，为3675.96 kg/hm2。W2处理产量显著高于W1和W3（P＜0.05），增幅分别为38.62%和15.89%。同一灌水量条件下，不同密度处理棉花产量高低为D3＞D2＞D4＞D1。D3处理棉花产量平均值为4940.22 kg/hm2，比D1、D2和D4分别增加28.40%、12.01%和13.32%。

图6 不同灌水量与密度对无膜棉产量的影响

组合处理中，W2D3棉花产量最高，达5714.10 kg/hm2；其次是W2D4、W2D2和W3D3，分别为5241.21、5044.12 kg/hm2和4940.95 kg/hm2；W1D1最低，W1D2也较低，分别为3166.55、3589.56 kg/hm2。可见，4500～6000 m3/hm2灌水量（W2、W3）和21.93万～23.92万株/hm2（D3、D4）种植密度是本地区较适宜的技术组合。

以灌水量（W）和密度（D）为自变量、产量（Y）为因变量建立二次多项式，得Y=-27696.07+3.8696W+1951.6540D-0.0005W2-41.9899D2+0.0240WD，R2=0.9241，继而求极值，得出：灌水量4735.80 m3/hm2、种植密度24.59万株/hm2组合处理产量最高，达5463.38 kg/hm2。此结果可作为生产应用的参考。

从灌水量、种植密度对产量影响的程度上看，不同密度处理间产量的CV为16.17%，大于不同灌水量处理间的CV（10.17%），说明密度和水分显著影响无膜棉产量，并以密度为主。

3 讨论

一般认为，密度过高会加剧作物群体与个体生长之间的矛盾，个体生理性能减弱，生育后期造成叶片活性氧含量增多、抗氧化酶活性下降、膜脂过氧化速度加快、叶绿素与类胡萝卜素快速降解，导致作物出现早衰［10］。本试验发现，无膜棉叶片MDA含量随生育进程逐渐增加，POD、SOD、CAT活性呈单峰曲线变化，盛花期最大。随密度增加MDA含量表现为D1＞D2＞D4＞D3，POD、SOD、CAT表现为D3＞D4＞D2＞D1，这与前人研究结果一致［11］。冯方剑等［12］认为，水分胁迫能调节棉花体内可溶性糖、游离脯氨酸、甜菜碱等含量，进而改变体内SOD、POD等酶的活性。本研究表明，水分亏缺导致无膜棉叶片MDA含量升高，POD、SOD和CAT活性在适宜灌水量处理（W2）下最高，水分过高或过低均对保护酶活性不利，这与刘灵娣等［13］的研究结果一致。但也有研究认为，干旱处理能降低花铃期棉花叶片相对含水量，增加POD和CAT活性及MDA含量［14］，出现这种与本研究结果不同的原因可能与品种和气候条件有关［15］。

在干旱地区，灌溉是保证作物生长的关键，在此基础上采取适宜的种植密度可以充分发挥水密耦合效应，以保证个体生理活性，提高物质生产能力［16］。本试验中，无膜棉叶片MDA含量和保护性酶类活性受密度的影响大于灌水量，这与有膜棉不同。其原因可能是由无膜栽培促进棉花根系下扎，后期早衰不明显，叶片功能延长所致［17］，且无膜棉保苗困难［18］，也是密度效应高于灌水效应的原因之一。

灌水量与种植密度显著影响棉花产量，这与前人［19，3］的研究结果一致，所不同的是本研究认为南疆无膜棉适宜的灌水量和种植密度为4500～6000 m3/hm2和21.93万～23.92万株/hm2，高于刘素华等［19］认为的4000 m3/hm2和18万～24万株/hm2。这可能与无膜棉田间耗水量大、棉株发育慢、群体较小等生长特性有关［20］。

4 结论

本试验中，无膜棉各处理叶片SPAD值随生育进程呈先上升后降低趋势，以盛花期最大，且随密度和灌水量的增加表现出先增后减趋势。叶片MDA含量随密度增加呈先降低后增加趋势，表现为D1＞D2＞D4＞D3，不同灌水量下表现为W1＞W2＞W3。叶片POD、SOD、CAT活性均随生育进程呈先增后降趋势，不同密度间表现为D3＞D4＞D2＞D1，不同灌水量间表现为W2＞W3＞W1。适宜灌水量（W2、W3）和种植密度（D3、D4）下无膜棉产量较高，达4940.95～5714.10 kg/hm2，并以W2D3处理最高。