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组成作物产量的干物质90%–95%来源于光合作用,光合作用是作物产量形成的基础。叶片是作物光合的主要器官,但许多作物的非叶器官或组织,如小麦穗、芒、叶鞘,玉米苞叶,水稻圆锥花序等,也能形成或含有叶绿素,并具有实际或潜在的光合活性,对产量形成具有一定的贡献。随着作物产量水平的提高,进一步增加作物单产的难度加大,重视作物非叶绿色器官的光合功能,充分挖掘作物整株的光合生产潜力具有重要意义。本研究通过设置不同滴灌量处理,在田间条件下,较系统的研究了棉花叶片和非叶绿色器官表面积、光分布、冠层结构特征及群体光合速率等指标的变化及空间分布,明确水分对棉花冠层结构和群体光合功能的调节效应;进一步研究了棉花叶片与非叶绿色器官的气体交换和叶绿素荧光参数对水分亏缺的响应及水分亏缺下非叶绿色器官光合作用对产量的贡献,明确不同滴灌量对棉花各绿色器官群体光合作用空间分布的调节机理,水分亏缺下非叶绿色器官光合作用对棉花产量的贡献。研究结果对进一步挖掘干旱逆境下棉花整株各绿色器官的光合潜力,为棉花高产栽培及抗逆品种选育提供理论依据。1.研究了膜下滴灌条件下,不同滴灌量处理对棉花各绿色器官光合面积、冠层光分布及冠层结构特征的影响。水分亏缺下,叶面积占单株总光合面积的比例下降,尤其是冠层上部叶面积下降最为明显;至棉铃生长发育后期,滴灌水量减少至中度水分亏缺滴灌量时,非叶器官光合面积占单株总光合面积增加至40%左右。与常规滴灌量处理相比,水分亏缺下,棉花冠层上部具有较高的DIFN和MTA,冠层不同部位透光率均高于常规滴灌量处理,显著增加了冠层中、下部光合有效辐射,有利于冠层中、下部叶片和非叶绿色器官光合能力的提高。2.研究了不同滴灌量处理对棉花各绿色器官群体光合能力空间分布的影响,分析了冠层不同层次各绿色器官群体光合速率对冠层整体光合的贡献。随着滴灌量的减少,棉花各绿色器官群体光合速率下降,叶片下降幅度最大,中度水分亏缺下达25%。苞叶和茎秆群体光合速率对整株光合的贡献虽小,但受水分亏缺的影响较小。水分亏缺处理主要改变了叶片群体光合的空间分布,显著增加了冠层中、下部叶片和中部非叶绿色器官的光合贡献。轻度水分亏缺下冠层总群体光合速率与常规滴灌量处理下的冠层总群体光合速率没有显著性差异(P<0.05)。3.研究了不同滴灌量对棉花各绿色器官的气体交换、叶绿素含量、可溶性蛋白及叶绿素荧光参数的影响。水分亏缺导致棉花单位面积叶片净光合速率,气孔导度和叶绿素含量下降。在开花后25天,叶片净光合速率迅速下降;开花后25天至45天,单位面积苞叶和铃壳的净光合速率下降缓慢,且对土壤水分亏缺不太敏感。不同滴灌量处理下,棉花非叶绿色器官单位面积的可溶性蛋白和净光合速率比叶片低;随棉铃的发育,苞叶和铃壳的叶绿素含量、可溶性蛋白、气孔导度和净光合速率下降缓慢。三种水分处理下,棉花叶片、苞叶和铃壳均具有完善的光合机构和利用光的能力,棉花叶片的光化学活性qP显著高于非叶绿色器官。与常规滴灌量相比,轻度水分亏缺下叶片的电子传递速率轻微下降,在中度水分亏缺下降低幅度较大。不同光强下棉花非叶绿色器官的电子传递速率显著低于叶片,但在三种水分处理下受影响的程度不明显。当叶片开始衰老、光合速率迅速下降时,棉花非叶绿色器官仍有相对较稳定的光合速率。茎秆、苞叶和铃壳的光合能力是对叶片光合不足的补充,这种作用在棉花生育后期或水分亏缺环境下导致叶片衰老时更加重要。4.通过测定冠层不同层次单位面积叶片、苞叶和铃壳的净光合速率,以及各器官表面积和单位面积株数,估算各绿色器官群体光合速率在冠层中的分布,探讨棉花各绿色器官群体光合速率与单叶光合速率的关系。结果表明,冠层不同层次的叶片和苞叶单位面积光合与群体光合速率呈极显著正相关(叶片:R2=0.7047,P<0.01;苞叶:R2=0.7148,P<0.01);通过试验测定表明,冠层不同层次叶片和苞叶群体光合速率的实测值与估算的群体光合速率接近。因此,通过各绿色器官单位面积光合速率与其群体光合速率的关系,利用棉花冠层不同层次单位面积光合速率估算其群体光合,对分析各器官群体光合具有一定的可靠性。5.水分亏缺会引起植物叶片的气孔关闭、碳同化速率的降低,造成光合机构吸收的光能大量过剩,从而使类囊体膜上的PSII发生光抑制。植物绿色器官形成了多种保护机制来减小光抑制造成的影响。通过测定不同水分处理下棉花叶片与非叶绿色器官的光合色素、PSII叶绿素荧光特性、膜脂过氧化程度以及抗氧化酶活性的变化,比较棉花叶片、苞叶、铃壳和茎秆对不同水分亏缺的防御机制的差异。结果表明,不同水分处理下棉花铃壳各抗氧化酶活性和MDA值均低于叶片、苞叶和茎秆;中度水分亏缺下铃壳膜脂过氧化程度较轻,且具有低抗氧化酶体系和较高的热耗散能力。铃壳中较高的Car/Chl比值表明通过积累胡萝卜素来淬灭过剩光能,减少对光能的吸收从而保护铃壳的光合机构。水分亏缺下叶片和苞叶SOD酶活性增加幅度最大,表明SOD酶对水分亏缺反应更敏感,是棉花叶片和苞叶适应水分亏缺的主要抗氧化酶。茎秆主要通过较好的抗氧化酶体系保护其光合机构。6.研究了不同水分处理下棉花各绿色器官光合作用对产量的相对贡献率的变化。相比常规滴灌量,棉花生育后期水分亏缺下棉铃(铃壳和苞叶)和茎杆对铃重的相对贡献率分别增加了10.1%–29.7%和5.3%–9.9%。因此,棉花非叶绿色器官的光合作用对其产量形成具有重要的作用,尤其水分逆境条件下或棉花生育后期。随着滴灌量的减少,单株结铃数和单铃重逐渐下降;与常规滴灌相比,轻度水分亏缺下单株结铃数表现为上部结铃数减少,但是上、中部单铃重略有升高,籽棉产量高。中度水分亏缺下籽棉产量下降了25%–49%。因此通过节水滴灌措施改变冠层结构,调控冠层透光率及各绿色器官光合能力,在保证叶片高的光合速率同时,扩大冠层中非叶光合面积,有利于发挥中、下部各非叶绿色器官的光合潜力。