棉花营养液漂浮育苗的生理生化特性

棉花营养液漂浮育苗的生理生化特性

中国的棉花栽培方法已经从农村地区转向苗木移植，形成了中国多产棉区独特的栽培方式，对提高我国的棉花生产和产量发挥了重要作用。近年来,针对棉花育苗中存在的问题,国内学者创建了许多新的育苗方法。如棉花芦管育苗新技术、棉花工厂化育苗技术及其高产高效技术规程、棉花“两无两化”栽培体系、棉花塑料穴盘轻型育苗和移栽新技术和微钵育苗新方法等,这些新的育苗技术极大地减轻了棉花生产中繁重的体力劳动强度,从而使棉花生产的现代化程度得到提升。然而这些育苗方法均采用旱生环境培育棉苗,育苗期间肥水管理不便,或需要良好的灌溉设备和条件,难以适应分散农户育苗。湖南农业大学棉花研究所陈金湘等经过多年研究创建了棉花营养液漂浮育苗技术,即采用多孔聚乙烯泡沫育苗盘为载体,以混配基质为支撑,以营养液水体为苗床进行漂浮育苗的技术,是在水生生态环境中育苗的一个完全不同的育苗体系。该技术能使优良棉种的出苗率超过95%,成苗率达到90%以上,增产皮棉8%～10%;育成的棉苗根系发达,少或无病虫害、无杂草,移栽简易,取苗、运苗方便,节约苗床,缓苗期短或无缓苗期,从而与其他育苗方式相比具有省工、省力、省种、节本等优点。本研究主要对营养液漂浮育苗棉苗的生理生化特性及移栽棉株的植物学形态特征进行了初步分析,企图从生理生化水平探明营养液漂浮育苗棉苗生长发育特点和移栽棉株植物学形态特征,为培育壮苗,进一步优化育苗技术和大田生产管理提供理论依据和技术支持。1材料和方法1.1漂浮育苗试验方法试验于2006～2007年在湖南农业大学棉花科研基地进行。供试棉花(Gossypiumhirsutum)品种为农杂66,湖南农业大学棉花研究所提供。棉花营养液漂浮育苗基质、育苗专用肥和育苗盘均为湖南农业大学研制,湖南水木生物技术有限公司提供。营养钵苗床土壤的基础肥力:有机质、全N、全P、全K分别为10.57、1.83、12.15、13.2g/kg,速效N、P、K分别为140.51、86.44、95.1mg/kg,pH6.3。营养液漂浮育苗系用育苗专用肥配制的苗床营养液,其速效N、P、K含量分别为270、160、133mg/kg,还含有硼、锌等微量元素,pH6.1。育苗方法参照DB43/T286-2006棉花栽培技术规范执行。营养液漂浮育苗(FNS)和营养钵育苗(BNS)于4月15至4月20日进行播种,营养液漂浮育苗的播种和苗床管理按陈金湘等提出的操作规程进行,播种深度为1～1.5cm,播种后将育苗盘放入育苗池中,育苗池采用塑料薄膜小棚拱覆盖。在出苗前的管理必须特别防止高温烧芽,待棉苗出齐后,在外界最低气温高于18℃时,就可昼夜不盖膜,并根据棉苗长势酌情喷施生长调节剂,防止出现高脚苗。棉苗于5月20日移栽至大田。大田试验采用随机区组设计,以营养钵育苗为对照,设营养液漂浮育苗、营养钵育苗2个处理,3次重复,小区面积为20m2,每小区种植2行,36株。田间栽培管理措施与大田生产一致。1.2测定指标与方法棉苗素质:于苗期分期测定株高、茎叶鲜重、根系鲜重、根体积、主根长、侧根数、根表面积等指标;根体积采用排水法测定,按Barber等提出的方法测算根表面积。于育苗池和苗床中随机选择生长发育一致的营养液漂浮育苗棉苗和营养钵棉苗各20株进行测定。叶绿素含量:采用SPAD-502型叶绿素测定仪(日本Monita公司)测定棉苗叶片的SPAD值,然后转换成叶绿素含量。1叶1心时叶绿素含量在棉苗第一片真叶完全展开时测定;2叶1心至5叶1心时分期取棉苗主茎的倒数第二片真叶进行测定(除根系活力外,本研究各生理生化指标测定的取样时期和部位均一致);随机选择5株棉苗进行,每片真叶测定3个点,计算其平均值。可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定;可溶性蛋白质含量采用考马斯亮兰G-250染色法。根系活力:采用氯化三苯基四氮唑(TTC)还原法,于苗期分期测定。随机选择生长发育一致的营养液漂浮育苗棉苗和营养钵棉苗各5株,用清水将根系上的基质和泥土冲洗干净,并用吸水纸吸干水分,然后将不同部位的根系混合均匀,剪碎待测。生化指标测定:丙二醛(MDA)含量测定采用硫代巴比妥酸法;超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT光化还原法;过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚氧化比色法,以每分钟内△470nm变化0.01为1个酶活力单位;脯氨酸(Pro)含量的测定采用酸性茚三酮法;硝酸还原酶(NR)活性采用活体法测定。移栽棉株生物学特性调查:移栽至大田后,于苗期(6月11日)、盛蕾期(7月5日)、初花期(7月15日)、盛花期(7月23日)、结铃期(8月10日)和吐絮期(9月17日)6个时期测定株高、茎叶鲜重及干重、根系鲜重及干重、主根长和根体积等指标;每次取样时,随机选择生长发育一致的棉株5株,计算其平均值。先将待测根系冲洗干净,注意避免丢失根量。然后用滤纸吸干附着水,进行各指标的测定。根干重采用烘干称重法测定;根体积采用排水法测定。试验数据用Excel进行试验数据处理,DPS统计软件进行方差分析;两种不同的育苗方法间显著性差异用t测验进行检验。2结果与分析2.1茎叶和根系鲜重表1表明,营养液漂浮育苗的棉苗素质优于对照,但株高与对照差异不明显;茎叶和根系鲜重高于对照;同时,棉苗的根体积、主根长和侧根数也显著提高,从而增加了棉苗根表面积,促进了根系对营养元素的吸收利用。2.2浮育苗方法对棉苗叶片叶绿素含量的影响研究结果(图1)表明,从1叶1心至5叶1心,营养液漂浮育苗方法棉苗叶片的叶绿素含量与对照差异均达到显著水平,分别比对照增加38.3%、27.7%、31.6%、28.5%和38.9%,显著提高了棉株叶片的光合能力。2.3漂浮育苗叶龄和叶龄时营养液含量表2显示,两种育苗方法不同叶龄棉苗叶片可溶性蛋白质含量呈现出逐渐上升的变化趋势,营养液漂浮育苗棉苗叶片可溶性蛋白质含量均比对照高,除1叶1心期两者的差异未达显著水平外,其他叶龄与对照的差异均达极显著差异,分别比对照增加29.8%、45.2%、43.8%、43.5%和29.1%。可溶性糖是高等植物光合作用的主要产物,是大多数植物碳运输的主要形式。表2看出,1叶1心时营养液漂浮育苗棉苗叶片的可溶性糖含量与对照差异不明显,其他叶龄与对照的差异均达极显著水平;1叶1心至5叶1心期,营养液漂浮育苗棉苗叶片可溶性糖含量分别比对照增加4.3%、27.1%、28.2%、17.0%和26.3%。2.4漂浮育苗棉苗根系还原强度根系的TTC还原强度是根系生理特性的重要指标,能反映根系吸收水分、养分能力的大小。表3表明,1叶1心至5叶1心期,营养液漂浮育苗棉苗的根系还原强度均显著高于对照。自1叶1心至3叶1心根系还原强度呈上升趋势,分别比对照提高12.6%、11.4%和14.2%;之后逐渐下降,到4叶1心和5叶1心期,营养液漂浮育苗棉苗的根系还原强度分别比对照提高22.8%和10.5%。2.5漂浮育苗棉苗sod和过氧化物酶活性的变化膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)是衡量膜伤害程度的一个重要指标。图2看出,1叶1心至5叶1心时,营养液漂浮育苗棉苗叶片MDA含量呈直线下降趋势,表明营养液漂浮育苗具有减缓在育苗期间棉苗叶片MDA含量增多的作用。超氧化物歧化酶(SOD)是细胞抵御活性氧伤害的一个重要的保护酶,在棉株整个生长发育过程中起着非常重要的作用。图3显示,1叶1心至5叶1心,营养液漂浮育苗棉苗SOD活性呈上升的变化趋势,表明该种育苗方式具有维持和提高SOD活性的作用。棉苗SOD活性在1叶1心至2叶1心之间上升幅度较小,2叶1心至5叶1心SOD活性上升幅度较大。图3还看出,1叶1心至5叶1心,两种不同育苗方法棉苗叶片的过氧化物酶(POD)活性均逐渐升高,但营养液漂浮育苗棉苗的POD活性上升趋势明显,分别比对照提高22.5%、47.7%、56.8%、55.9%和70.1%。说明营养液漂浮育苗能有效地提高棉苗体内的SOD和POD活性,有利于消除体内的自由基,这与棉苗体内MDA含量的下降表现是一致的。2.6对旱生植物总氮素的影响表4表明,1叶1心至5叶1心期,营养液漂浮育苗棉苗叶片游离脯氨酸含量逐渐增加,呈直线上升的变化趋势;但1叶1心至3叶1心时与对照无明显差异,4叶1心和5叶1心时则显著高于对照。硝酸还原酶是旱生植物氮素代谢的关键酶之一,对作物吸收利用氮素至关重要。表4还看出,营养液漂浮育苗棉苗叶片的硝酸还原酶活性明显高于对照,能有效地将叶片中的NO-3还原成NH+4,促进棉苗体内氮素代谢,从而提高棉苗对氮的吸收和利用。2.7漂浮育苗移栽棉的主要营养液性状移栽至大田后,棉花苗期、蕾期和初花期营养液漂浮育苗移栽棉的株高与对照达显著差异;盛花期、铃期、吐絮期与对照的差异达到极显著水平,分别比对照增加14、9.98和9.1cm。营养液漂浮育苗移栽棉的茎叶鲜重及干重、根系鲜重及干重均显著高于对照;其主根长和根体积均显著高于对照,增加了根系的分布范围和吸收面积,促进了根系对营养元素的吸收利用(表5)。3营养液漂浮育苗棉苗抗逆性的变化为在育苗期间方便肥水管理、减少用工,本研究所用的营养液漂浮育苗专用肥是一次性配制的,可满足不同苗龄棉苗对多种基本营养元素的需求;因此,苗床营养液中基本营养元素的含量与营养钵的土壤基础肥力及pH值略有差异。试验结果表明,营养液漂浮育苗改善了棉苗的生长空间,棉苗生长于两种不同的生态环境中(上层根系生长在基质中,处于旱生环境;下层根系生长在营养液中,处于水生环境),而苗床营养液为棉苗生长发育提供了良好的养分、水分等条件,促进了棉苗生长。同时,营养液漂浮育苗增加了根系的活跃吸收面积和TTC还原强度,改善了棉苗的吸收能力;使根系的吸收、合成及运输能力大幅度上升,提高了棉苗叶片的叶绿素、可溶性蛋白质含量;有效地改善棉株功能叶片的生理代谢,使叶片光合效率得到改善,为棉苗的生长发育准备充足的营养物质,促进了棉苗根系和地上部分的健壮生长,有利于培育壮苗。本试验结果表明,营养液漂浮育苗棉苗叶片的可溶性糖含量明显高于对照,这说明可溶性糖的累积可能是作为一类具有渗透调节功能的小分子有机化合物,是在水分胁迫条件下棉苗的渗透调节剂,是棉株体内对水分胁迫的应激反应。苗期,营养液漂浮育苗棉苗叶片游离脯氨酸含量逐渐增加,呈直线上升的趋势,且明显高于对照,这可能是在营养液水培的条件下,棉苗根系生长于营养液中,通过提高棉苗根系、叶片中的游离脯氨酸含量降低棉苗的渗透势,保护棉苗免受淹水、低氧胁迫的伤害,使棉苗适应于营养液的生长环境。移栽大田后,由于棉苗生长健壮、具有早生快发的特性,促进了棉株根系和地上部的生长发育,增加了根系的分布范围和吸收面积;促进了根系对营养元素的吸收利用,为棉株、棉铃的生长发育准备了充足的营养物质,缓和了棉株营养生长和生殖生长的矛盾,从而减少了蕾铃脱落率、增加成铃数和提高铃重和棉花产量。以往的研究表明,膜脂过氧化程度的加深是由于活性氧浓度的增加引起的,而活性氧的增加则促进MDA积累,破坏膜结构,使膜透性增加,所以MDA含量的高低是用来衡量植物受活性氧伤害程度的常用指标。细胞中SOD、POD等保护酶可以起到清除活性氧的作用,防止活性氧对细胞膜的毒害,提高植物的抗逆性。本研究结果表明,营养液漂浮育苗棉苗叶片MDA含量呈直线下降趋势,减少了活性氧对细胞膜的破坏,这表明营养液漂浮育苗棉苗细胞膜受损小、细胞衰老缓慢,保护了细胞膜结构,使棉苗具有较强的抵御淹水、低氧环境的能力,增强了棉苗的抗逆性。而SOD、POD活性则有不同程度的提高,表明营养液漂浮育苗可增加棉株叶片保护酶系统SOD、POD活性及降低膜脂过氧化作用,有效地清除棉株代谢过程中产生的活性氧自由基,抑制棉株体内活性氧的产生,减少MDA的生成,从而减轻低氧胁迫对棉株的伤害;降低细胞膜受损程度,提高抵御淹水、低氧能力,有利于棉苗在营养液漂浮的育苗环境中进行正常的生理代谢,从而增强棉苗的抗逆性。然而对于营养液漂浮育苗棉苗根系保护酶系统SOD、POD酶活性的变化规律及棉苗如何启动细胞内防御机制适应新的育苗环境的反应等方面还需作进一步的研究。作为氮代谢过程中的第一个酶、硝酸盐同化过程中的限速酶一硝酸还原酶(NR),对植物生长发育、产量形成和蛋白质含量都有重要影响;硝酸还原酶是植物利用硝态氮的关键酶,在某种程度上反映植株的吸收能力。因而,NR的活性常被作为衡量植物体内氮素代谢的重要指标。本试验结果看出,营养液漂浮育苗可显著提高棉苗叶片中NR活性,促进棉苗体内氮素代谢和对氮素的利用率,从而达到促进棉苗生长、增强抗逆性和培育壮苗的目的。据研究,子叶的营养变化是