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控释氯化钾改善盐渍土钾素供应及棉花生长的研究

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全球有3%的土壤受到盐渍化影响,严重制约了地区农业生产和经济发展。合理利用盐渍土,提高盐胁迫下土地利用效率具有重要意义。棉花具有较高的耐盐性,是盐渍土地区广泛种植的耐盐作物之一,对钾素需求较高,但目前盐渍土壤仍存在钾素吸收和供应不足的问题。因此,优化钾肥施用对于改善棉花钾素吸收,提高棉花产量,改善棉花品质,保障盐渍土地区农业的可持续发展至关重要。本研究以盐渍土棉花为研究对象,探究了不同盐渍土条件下控释氯化钾对棉花产量、品质和钾素供应的影响,从不同钾肥种类、施用量、施用方式和钾素分布的角度进行研究,揭示了控释氯化钾调控棉花耐盐的生理、分子和根际调控机制。主要研究结果如下: (1)施用控释氯化钾对中度盐渍土棉花产量的影响更大,施用控释氯化钾可以改善高度盐渍土棉花生长、提高钾肥利用率,但产量提高幅度低于中度盐渍土棉花。中度盐渍土条件下,70%控释氯化钾+30%硫酸钾掺混处理(BBF)较控释氯化钾处理(CRK)皮棉产量提高了8.33%~9.18%;高度盐渍土条件下,BBF处理皮棉产量与CRK处理差异不显著。BBF处理在中度和高度盐渍土钾肥利用率较常规钾肥处理分别显著提高了6.87%~14.18%和25.72%~35.59%。控释氯化钾显著影响棉花纤维长度和断裂比强度。BBF处理显著增强了棉花生育期土壤钾素供应强度,提高了棉花生长中后期叶面积指数和叶片净光合速率,促进了干物质的积累和产量形成。 (2)施用氯化钾会增加盐胁迫带来的危害,而施用控释氯化钾在2‰NaCl胁迫下更能有效抵御由盐胁迫对植株根系带来的危害。与2‰NaCl相比,4‰NaCl棉花的出苗率和各器官生物量降低。盐胁迫下施用氯化钾棉花的叶片和根系的SOD、POD、CAT酶活性降低,H2O2和MDA含量提高。2‰NaCl条件下,低量和高量控释氯化钾处理(CRPC1和CRPC2)均显著降低了棉花根系的H2O2和MDA含量,提高了叶片和根系的抗氧化酶活性,棉花叶片的H2O2和MDA含量仅CRPC2处理较不施钾处理显著降低了21.02%和8.63%,S1CRPC2对棉花叶片和根系IAA和ABA含量影响最大。4‰NaCl条件下,根系的抗氧化酶活性和ABA含量与不施钾处理差异不显著。 (3)施用控释钾肥能够提高棉花各器官K+/Na+,在盛铃期和收获期,控释氯化钾处理棉花各器官K+的含量增加,Na+含量降低,K+/Na+值增大,有利于维持细胞稳定。在盛铃期,控释氯化钾处理K+由根向铃转运能力显著提高57.00%~77.67%。通过转录组学的差异基因表达分析也证明控释钾肥促进根系钾转运蛋白KAT3表达,有利于棉花钾素吸收。此外控释氯化钾可以诱导根系糖酵解/糖原异生信号通路、MAPK信号通路和丙烷代谢通路的表达,WRKY家族基因和过氧化物酶合成基因LP3显著上调,说明施用控释钾肥能够促进植物抗氧化物合成,提高棉花根系耐盐性。GO功能聚类分析发现差异基因主要富集在转运酶活性、类异戊二烯代谢过程。 (4)盐胁迫下分层施用控释氯化钾影响棉花根系生长和根际环境。在花铃期,与CK处理相比,分层施用控释氯化钾处理(LCRPC)的根长、根表面积和根体积显著提高,从而显著增加根干重,株高和棉花生物量分别提高了11.29%和17.46%。LCRPC处理土壤硝态氮含量较氯化钾处理显著提高,土壤速效钾含量较其他各处理提高了6.68%~24.95%,土壤脲酶和过氧化氢酶活性显著增强。此外,施用CRPC的Chao1、Shannon、Simpson指数较氯化钾处理差异显著。硝态氮、速效钾、土壤蔗糖酶和土壤过氧化氢酶活性与酸杆菌门(Acidobacteriaceae)、甲烷菌目(Methanomassiliicoccaceae)、亚硝化球菌属(Nitrososphaera)活性呈正相关。 (5)侧位深施控释氯化钾(FBCRPC)可以促进棉花生长,皮棉产量较硫酸钾分次追施处理(FTPS)提高5.95%,较均匀撒施控释氯化钾处理(UBCRPC)提高10.72%。控释钾肥较常规钾肥基施处理显著提高了纤维长度。侧位深施条件下,FBCRPC和FTPS处理均能够提高棉花生长中后期土壤速效钾含量,CRPC处理的钾素缓慢释放从而使FBCRPC处理的钾素吸收量最高,有利于棉花根系生长。FBCRPC处理的根系SOD、POD和CAT活性最高,其根系H2O2和MDA含量较CK处理显著降低了9.61%和13.30%,盐胁迫对棉花根系的伤害得到缓解。 综上,控释氯化钾可以改善高度盐渍土中棉花生长、提高钾肥利用率,但产量增幅低于中度盐渍土;2‰NaCl胁迫下控释氯化钾对提高棉花耐盐生理作用的影响更大;通过影响根系糖酵解/糖原异生信号通路、MAPK信号通路和丙烷代谢通路的基因表达提高棉花耐盐性;侧位深施控释氯化钾可以改善根际环境,提高棉花抗盐能力,提高盐渍土棉花叶片SPAD值和光合速率,改善根系形态,提高棉花产量、品质和养分利用率。本研究结果为充分利用退化土壤,解决土壤环境问题及实现农业的可持续发展提供了理论指导。

吕冬青

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盐渍土 控释氯化钾 钾素供应 棉花 生长性状

博士

农业资源与环境

李成亮

2023

山东农业大学

中文

S5