王霜　李田甜　甘塘煌　王俊生　田玉剛　李志鵬　候金枚　張家琪　林皎　萬素梅

摘要：探索南疆棗棉間作系統(tǒng)下種植密度與施氮量對棉花鈴期葉片光合日變化規(guī)律及產量的影響，為間作棉花的種植密度及氮肥管理策略提供理論依據。設置3個種植密度為主處理：22萬株/hm2（D1）、18萬株/hm2（D2）、14萬株/hm2（D3），5個氮肥梯度為副處理：560 kg/hm2（N560）、420 kg/hm2（N420）、280 kg/hm2（N280）、140 kg/hm2（N140）、0 kg/hm2（N0），以單作棉花（CK）為對照，在棉花鈴期對光合日變化各項指標進行測定，并分析經濟產值。結果表明，棉花葉片的Pn、Gs、WUE日變化呈雙峰曲線變化趨勢，Tr日變化呈單峰曲線變化趨勢，Ci和Ls值日變化分別呈“V”形和倒“V”形變化趨勢。在間作系統(tǒng)中籽棉產量以D1N280處理（22 萬株/hm2和280 kg/hm2）最高，其值為2 983.70 kg/hm2，且D1（22 萬株/hm2）的土地當量比為1.39，與未施氮相比，增施氮肥可以顯著增加間作系統(tǒng)的光合性能和棉花產量。因此本試驗中棗棉間作系統(tǒng)棉花適宜的種植密度和施氮量分別為22 萬株/hm2和280 kg/hm2，該研究結果可為南疆棗棉間作系統(tǒng)作物增產提供理論依據與技術支撐。

關鍵詞：間作；棉花；光合日變化；密度；氮肥；產量

中圖分類號：S562.04文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）21-0055-07

新疆地區(qū)具有光熱資源豐富、日照時間長、降水量少等特點［1］。全疆林果種植面積已達到 125.93 萬hm2，塔里木盆地林果種植面積達到 7.03 萬hm2，占新疆農果面積的75%以上［2］。南疆地區(qū)可耕面積有限，為保障棉花產業(yè)的增收效率，促進農果增收，農果間作成為當地農業(yè)的特色發(fā)展模式之一。農果類復合系統(tǒng)中小氣候復雜多樣［3］，導致作物之間出現爭水爭肥、光熱利用不充足等一系列矛盾［4］，因此通過科學的水肥管理、合理的空間分布，構建出適宜作物生長的冠層微環(huán)境［5］，提高間作系統(tǒng)中的光、溫、水、肥以及土地資源的利用效率，有利于增加經濟產值，實現農業(yè)資源的高效利用［6］。

光合作用能夠維持大氣中O2和CO2的穩(wěn)定，是植物體能量的來源，對生物進化有重要作用。合理的種植密度和水肥管理有利于作物光合產物的形成，提高作物產量［7］。研究表明，間作系統(tǒng)種植4行棉花能夠更好地協(xié)調個體與群體之間的關系［8］，種植密度24 萬株/hm2時有較高的群體光合速率，保證較多的光合物質分配［9］；施氮不足或過量都會導致葉片光合生理活性下降，光合能力降低［10］。施氮水平在207～310 kg/hm2 能保障棉花生育后期光合產物的形成［11］，有利于提高植物葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）和水分利用效率（WUE） ［12］。適宜的種植密度和施氮水平能夠充分發(fā)揮作物群體優(yōu)勢，為光合生產營養(yǎng)物質提供保障［13］。

在棗棉間作系統(tǒng)中，棉花處于光能截獲劣勢地位，密度與氮肥互作能否促進間作作物的光合性能與產量，其影響因素尚不明確。因此，本試驗設置3個種植密度、5個氮肥梯度和1個棉花單作為對照，探討間作系統(tǒng)中不同處理下棉花功能葉片光合性能變化規(guī)律，進一步明確種植密度和氮肥用量對棉花產量的影響機制，為提高實際生產中間作系統(tǒng)下作物產量提供理論基礎和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2022年在新疆第一師塔里木大學園藝試驗站（40°32′N、81°18′E，海拔1 015 m）棗棉間作試驗田進行，該試驗區(qū)處于塔里木河上游，屬于暖溫帶干旱荒漠區(qū)，光照充足，日照時間長，主風向為東北風，土壤類型為沙壤土，日照率為66%，年蒸發(fā)量為1 976.6～2 558.9 mm，年降水量為40.1～82.5 mm，降水量少，年蒸發(fā)量大。試驗地供試紅棗品種為灰棗，該品種樹勢中強，結果齡期早，產量高而穩(wěn)定。棉花品種為中棉619，該品種為早熟品種，具有生育期短、株高適宜、鈴殼較薄、吐絮集中等特點。

1.2 試驗設計

試驗設置3種不同的棉花種植密度，分別為 22 萬株/m2（D1）、18 萬株/m2（D2）、14 萬株/m2（D3）；5種氮肥梯度，分別為560 kg/hm2（N560）、420 kg/hm2（N420）、280 kg/hm2（N280）、140 kg/hm2（N140）、0 kg/hm2（N0）。在距離棗樹 1 m 處種植棉花，寬窄行為0.6 m和0.2 m，并設置棉花單作為對照，種植密度見圖1，共設置20個處理，每個處理重復3次，隨機區(qū)組排列。在棉花生育期進行7次氮肥追施，隨水施入，追施比例分別為10%、10%、20%、20%、20%、10%、10%，試驗地的其他管理措施與生產上保持一致。

1.3 測定指標

1.3.1 棉花鈴期光合性能日變化 使用Li-6400XT便攜式光合儀測定，時間為08：00—20：00，每2 h測定1次，共7次。各處理選取3株具有代表性的植株，測定棉花植株倒數第4張功能葉光合指標，包括凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr），并計算氣孔限制值（Ls）=1-Ci/Ca，葉片水分利用效率：WUE=Pn/Tr，其中Ca為大氣CO2濃度。每次測定之前，先進行自然光強度測定、調整光源，以保證數據質量。

1.3.2 棉花產量 于棉花收獲期分別對間作和單作處理下棉花收獲株數、單株結鈴數進行測量，然后每個小區(qū)選取具有代表性的10株棉花測定其單鈴質量，并測定棉花實際收獲產量。

土地當量比：指在同一農田間混種2種或2種以上作物的收益與作物單作時收益的比值。根據公式（1）計算：

土地當量比（LER）=棗樹間作產量/棗樹單作產量+棉花間作產量/棉花單作產量。（1）

1.4 數據分析

用Excel進行數據處理，利用DPS做顯著性分析，用Origin繪制折線圖。

2 結果與分析

2.1 不同種植密度和施氮量對棉花鈴期凈光合速率日變化的影響

由圖2可知，棉花間作和單作（CK）的Pn日變化規(guī)律呈雙峰曲線，峰值出現的時間分別為 12：00 和16：00，并且第2個峰值均小于第1個峰值。14：00 時各處理下棉花葉片均呈不同程度的光合“午休”現象。單作棉田中以N420的Pn日變化均值最高，分別比N0、N140、N280、N560提高了19.8%、8.1%、6.4%、6.9%；在間作系統(tǒng)中D1處理Pn日變化均值較D2、D3處理高出3.0%和7.9%，均以N280處理下的Pn日變化均值最高，D1、D2、D3分別為20.25、19.57、17.71 μmol/（m2·s）。綜上所述，與單作棉花相比，間作棉花整個生育期都受到棗樹遮光影響，從而降低了棉花的凈光合速率日變化均值。

2.2 不同種植密度和施氮量對棉花鈴期氣孔導度日變化的影響

如圖3所示，棉花間作和單作的Gs日變化均呈“雙峰”曲線變化趨勢，峰值出現的時間為 12：00 和16：00，且各處理的第2個峰值均小于第1個峰值，其變化趨勢與凈光合速率一致。單作棉田中Gs光合日變化均值以N280處理最高，分別比N0、N140、N420、N560提高了26.4%、14.3%、1.9%、16.9%；在間作系統(tǒng)中，D3處理Gs日變化均值較D1、D2處理分別高5.6%和7.5%，均以N280處理最高，D1、D2、D3分別為0.22、0.22、0.23 mol/（m2·s）。由Gs日變化趨勢可知，各處理在12：00植物葉片的氣孔張開最大，CO2和水分供應充足。

2.3 不同種植密度和施氮量對棉花鈴期蒸騰速率日變化的影響

如圖4所示，棉花間作和單作葉片Tr日變化均呈“單峰”曲線變化趨勢，峰值出現的時間為14：00。在單作棉田中N420處理的Tr日變化均值最高，分別比N0、N140、N280、N560提高了17.0%、2.8%、2.8%、10.4%；在間作系統(tǒng)中，D3處理Tr日變化均值較D1、D2處理分別高9.8%和18.7%，均以N280處理最高，D1、D2、D3分別為9.19、8.63、9.07 mmol/（m2·s）。試驗結果表明，在14：00時各處理Tr最強，水分散失量高。

2.4 不同種植密度和施氮量對棉花鈴期胞間CO2濃度日變化的影響

如圖5所示，間作和棉花單作葉片Ci日變化均呈“V”形變化趨勢，最低值出現時間為18：00。在單作棉田中不施氮肥（N0）處理的Ci日變化均值最高，分別比N140、N280、N420、N560提高了2.7%、2.6%、13.7%、10.0%；在間作系統(tǒng)中，D2處理Ci日變化均值較D1、D3處理分別高出1.0%和0.8%，均以N0處理最高，D1、D2、D3分別為233.2、237.2、240.7 μmol/mol?？傮w而言，施氮能夠降低植物葉片Ci。

2.5 不同種植密度和施氮量對棉花鈴期氣孔限制值日變化的影響

如圖6所示，間作和單作棉花葉片Ls日變化均呈倒“V”形變化趨勢，整體變化規(guī)律與Ci相反，全天以18：00的值最高。間作系統(tǒng)下施氮量最高的處理（N560）Ls日變化均值最低并且均小于單作棉花，D1、D2、D3分別為0.36、0.38、0.37。綜上所述，18：00 時各處理的Ls最高，說明CO2向植物羧化部位擴散較快。

2.6 不同種植密度和施氮量對棉花鈴期葉片水分利用率日變化的影響

如圖7所示，間作和單作棉花葉片WUE日變化進程均呈不對稱的“雙峰”曲線，峰值出現在10：00和18：00，并且第2個峰值高于第1個峰值。14：00出現下降是由于光合“午休”導致Pn下降，使WUE降低。各處理之間WUE日變化均值無明顯差異，D2處理WUE日變化均值分別比D1、D3、CK高0.7%、41.0%、6.4%?？傮w而言，14：00時溫度升高，植物為了減少水分散失，氣孔關閉，WUE下降。

2.7 不同種植密度和施氮量對棉花產量的影響

由表1可知，單作棉花產量均高于間作棉花。在間作系統(tǒng)中D3處理的平均單株鈴數最高，為8.9個；D2處理的平均單鈴質量較D1、D3分別高7.9%和12.7%；D1處理的平均籽棉產量較D2、D3分別高3.9%、4.9%，說明間作處理下低密度有利于植株個體的發(fā)展，但群體發(fā)展不足，進而引起產量下降。在相同密度下，棉花單株鈴數、單鈴質量、籽棉產量隨施氮量的增加出現先增加再下降的變化趨勢，施氮量為280 kg/hm2更有利于提高單株鈴數、單鈴質量和籽棉產量。

利用公式（1）得出間作系統(tǒng)中棉花D1、D2、D3不同種植密度土地當量比分別為1.39、1.36、1.35，其土地利用率增幅依次為39%、36%和35%，表明間作模式較單作能夠提高36.7%的土地利用率，生產優(yōu)勢明顯。

3 討論與結論

光合作用作為維持植物生命活動的能量來源，有效轉化率僅為理論轉化率的25%左右，仍有很大的進步空間，因此進一步提高光能轉化率，是首先需要考慮的問題［14-15］。通過對棉花鈴期光合日變化研究得出，Gs、WUE和Pn均呈“雙峰”曲線變化趨勢，由于14：00溫度和光強度偏高，導致棉花功能葉片部分氣孔關閉，出現“午休”現象。與前人研究結果［16］相比，本試驗光合“午休”時間延遲2 h，可能是由于新疆與內地所處時區(qū)不同，導致光合“午休”延遲；也有研究表明植株不會出現光合“午休”現象［17］，是由于地理位置和氣象條件導致。造成光合“午休”的原因包括氣孔因素和非氣孔因素，主要通過Ci變化趨勢來判斷［18］，本試驗12：00—14：00的Pn和Ci均呈現下降趨勢而Ls增加，說明Pn日變化中光合“午休”的出現主要是通過氣孔因素決定。

在間作系統(tǒng)中各作物之間對光熱、水肥等自然資源都存在競爭關系，主要表現為棗樹對棉花的遮陰影響以及2個作物之間的養(yǎng)分競爭，增加間作作物密度能夠有效提高間作群體的凈光合速率［19］。當施氮水平處于240～360 kg/hm2時Pn與施氮量呈正相關關系［20］。蔡瑞國等研究表明，Pn會隨著施氮量的增加而增加，但是過量的氮肥又會使其呈現降低趨勢［21］。本研究結果表明，間作系統(tǒng)中施氮量為0～280 kg/hm2時，Pn、Tr日變化均值總體隨施氮量的增加而變大，施氮處理棉花葉片的Pn、Tr、WUE日變化均值均高于不施氮處理，說明氮肥可以促進棉花的光合性能［22-23］。

葉片作為植物光合作用的重要場所，對植物的產量有重要的影響。在間作系統(tǒng)中棗樹對棉花整個生育期都會出現不同程度的遮光影響，因此適宜的種植密度成為間作系統(tǒng)產量及氮肥利用率的重要因素。有效的空間分布能夠調節(jié)個體與種群之間的矛盾，保持良好的通風透光條件，充分利用自然資源，提高作物產量［24-25］。前人研究表明，相對于單作，間作系統(tǒng)土地利用率提高了35%［26］，且適宜的施氮量控制在207～310 kg/hm2，能夠顯著提高間作棉花單株結鈴數和單鈴質量，進而達到增產的效果［27］。本研究結果得出，間作系統(tǒng)相對于單作土地利用率提高36.7%，施氮量為280 kg/hm2時土地利用率最高。

本試驗結果表明，在棗棉間作模式中，種植密度22萬株/hm2和施氮量280 kg/hm2可以提高棉花的Pn、Tr、WUE和棉花產量，使土地利用率達到最優(yōu)。

參考文獻：

［1］唐 冶，楊志華，曹占洲，等. 南疆環(huán)塔里木盆地林果種植區(qū)近50a氣候變化特征及對果樹生長的影響［J］. 農業(yè)網絡信息，2014（4）：27-31.

［2］王 磊. 南疆林果業(yè)發(fā)展存在的問題及對策建議［J］. 新疆林業(yè)，2018（3）：28-31.

［3］王世偉，潘存德，張翠芳，等. 棗麥間作系統(tǒng)中冬小麥冠層光合有效輻射時空窗影響因素研究［J］. 西南農業(yè)學報，2018，31（7）：1373-1378.

［4］孔 濤，劉紫薇，沈海鷗，等. 遼西北沙地蘋果‖大豆間作對土壤養(yǎng)分和微生物量分布的影響［J］. 生態(tài)學雜志，2021，40（2）：340-351.

［5］范 虹，殷 文，柴 強. 間作優(yōu)勢的光合生理機制及其冠層微環(huán)境特征［J］. 中國生態(tài)農業(yè)學報，2022，30（11）：1750-1761.

［6］段志平，劉天煜，張永強，等. 離樹間距對棗麥間作小麥光合特性及產量的影響［J］. 麥類作物學報，2017，37（11）：1445-1452.

［7］殷 文，柴 強，于愛忠，等. 間作小麥秸稈還田對地膜覆蓋玉米灌漿期冠層溫度及光合生理特性的影響［J］. 中國農業(yè)科學，2020，53（23）：4764-4776.

［8］徐 鵬，萬素梅，徐文修，等. 棗棉間作下種植方式對棉花光合特征的影響［J］. 江蘇農業(yè)科學，2019，47（5）：68-70.

［9］羅宏海，張旺鋒，趙瑞海，等. 種植密度對新疆膜下滴灌棉花群體光合速率、冠層結構及產量的影響［J］. 中國生態(tài)農業(yè)學報，2006，14（4）：112-114.

［10］李伶俐，房衛(wèi)平，謝德意，等. 施氮量對雜交棉光合生理特性及產量、品質的影響［J］. 植物營養(yǎng)與肥料學報，2010，16（5）：1183-1189.

［11］段云佳，譚 玲，張巨松，等. 棗棉間作下氮素對棉花不同部位葉片生理特性的影響［J］. 干旱地區(qū)農業(yè)研究，2013，31（2）：89-94，133.

［12］孫延亮，趙俊威，劉選帥，等. 施氮對苜蓿初花期光合日變化、葉片形態(tài)及干物質產量的影響［J］. 草業(yè)學報，2022，31（9）：63-75.

［13］肖萬欣，劉 晶，史 磊，等. 氮密互作對不同株型玉米形態(tài)、光合性能及產量的影響［J］. 中國農業(yè)科學，2017，50（19）：3690-3701.

［14］Bailey-Serres J，Parker J E，Ainsworth E A，et al. Genetic strategies for improving crop yields［J］. Nature，2019，575（7781）：109-118.

［15］鄭友峰，陳家蘭，肖 昉，等. 不同溫度對莧菜光合特性及光合作用相關基因表達的影響［J］. 植物資源與環(huán)境學報，2022，31（5）：50-57.

［16］陳立宇，張立峰，路戰(zhàn)遠，等. 痕量灌溉對棉花花鈴期光合性能日變化及產量的影響［J］. 灌溉排水學報，2020，39（4）：9-16.

［17］艾鵬睿，馬英杰. 間作模式農田小氣候效應對棉花生理生態(tài)指標的影響［J］. 新疆農業(yè)科學，2021，58（9）：1594-1602.

［18］Farquhar G D，Sharkey T D. Stomatal conductance and photosynthesis［J］. Annual Review of Plant Physiology，1982，33（1）：317-345.

［19］杜進勇，柴 強，王一帆，等. 地上地下互作強度對小麥間作玉米光合特性的影響［J］. 作物學報，2019，45（9）：1398-1406.

［20］張學昕，劉淑英，王 平. 不同施肥處理對棉花生長及產量參數的影響［J］. 廣東農業(yè)科學，2018，45（10）：61-67.

［21］蔡瑞國，王振林，李文陽，等. 氮素水平對不同基因型小麥旗葉光合特性和籽粒灌漿進程的影響［J］. 華北農學報，2004，19（4）：36-41.[HJ2mm]

［22］夏瑩瑩，王東雪，毛子軍. 不同水、氮條件對岑溪軟枝油茶葉片膜透性和相對含水量的影響［J］. 廣西林業(yè)科學，2016，45（2）：154-158.

［23］孫延亮，魏孔欽，劉選帥，等. 紫花苜蓿光合日進程及光合產物分配對施磷的響應［J］. 草業(yè)學報，2022，31（12）：85-94.

［24］馬國勝，薛吉全，路海東，等. 播種時期與密度對關中灌區(qū)夏玉米群體生理指標的影響［J］. 應用生態(tài)學報，2007，18（6）：1247-1253.

［25］楊軍學，羅世武，程炳文，等. 播種方式與密度互作對糜子群體冠層及產量的影響［J］. 江蘇農業(yè)科學，2022，50（24）：65-73.

［26］楊 濤，段志平，石巖松，等. 新疆棗棉間作下棉花光合特性及產量變化［J］. 干旱地區(qū)農業(yè)研究，2019，37（1）：89-94.

［27］段云佳. 施氮量對棗棉間作棉花生理特性、產量和品質的影響［D］. 烏魯木齊：新疆農業(yè)大學，2012：28-29.

收稿日期：2023-02-08

基金項目：國家自然科學基金（編號：32060449）；2022年校級研究生創(chuàng)新項目（編號：TDGRI202216）

作者簡介：王 霜（1998—），女，新疆阿拉爾人，碩士研究生，主要從事作物高產栽培理論與技術研究。E-mail：1518121955@qq.com。

通信作者：萬素梅，博士，教授，博士生導師，主要從事作物高產栽培理論與技術研究，E-mail：wansumei510@163.com；林 皎，博士，副教授，主要從事作物高產栽培理論與技術研究，E-mail：linjiao@taru.edu.cn。