棉花是重要的经济作物,其棉纤维是纺织工业的主要原料。由于棉花具有无限结铃习性,其产量和品质的形成过程中需要吸收大量的钾素。然而,我国钾资源严重短缺,土壤贫钾已成为限制我国棉花生产的重要因子。因此,开展棉株钾营养状况影响棉花产量和纤维品质的机理性研究,明确棉株的需钾特性和棉花耐低钾能力形成的生理机制,制定高效施肥策略,可为保障我国原棉品质和供给做出贡献。本课题在大田试验条件下,研究了土壤钾营养状态影响棉花产量和品质的机理,通过比较耐低钾能力差异较大的两个棉花品种的生理特性,明确了棉花耐低钾能力形成的生理基础。本研究共包括两个筛选试验和一个主试验:(1)耐低钾品种筛选试验;(2)基于棉株钾营养状态的适宜施钾量筛选试验;(3)棉株钾营养状态影响棉花产量和纤维品质形成的试验。本研究获得的主要结论如下:1.筛选出低钾敏感型棉花品种泗杂3号和耐低钾型品种泗棉3号以长江流域下游棉区的12个棉花主栽品种为研究材料,在贫钾田进行了基于棉花产量和品质的品种筛选试验,同时开展了高、低钾营养液棉花苗期辅助筛选试验。通过聚类分析获得了低钾敏感型棉花品种泗杂3号和耐低钾型棉花品种泗棉3号。2.确定能够实现棉株不同钾营养状态的棉田施钾量通过设置7个施钾量处理(0、75、150、225、300、375、450kgK2Oha-1),测定棉株地上部K+浓度在花铃期内的变化,建立棉株临界钾浓度动态模型,确定了南京贫钾地区的棉田临界施钾量(150 kg K2O ha-1)。由此制定了三个施钾水平(0、150、300 kg K1O ha-1),在本试验条件下,可分别实现棉株的“贫钾、钾临界、钾盈余”三个钾营养状态。3.棉株钾营养状况影响棉花产量和纤维发育的生理机制通过分析棉花产量构成因子,棉株成铃分布,以及棉纤维干重的累积特征;发现棉株贫钾主要降低了晚季节铃的成铃率,抑制了棉纤维干物质累积,最终影响到皮棉产量,而源端碳水化合物供应不足,以及纤维细胞中纤维素累积进程缩短是造成这一现象的主要生理原因。通过对未成熟棉纤维长度、渗透物质含量、以及关键酶活性的测定,明确了贫钾状态下的棉株会通过改变棉纤维伸长发育所需的重要膨压物质—K+含量,进而降低棉纤维最大伸长速率(Vmax),影响最终纤维长度。此外,上部果枝在钾营养充沛的环境下可形成较长的棉纤维。所以在棉花上部果枝集中成铃时补施钾肥,或可有效改善上部棉铃的纤维品质。在纤维发育10-15天,纤维伸长发育关键酶V-ATPase、PPase、PMH+-ATPase和PEPC的活性对棉株缺钾敏感,导致纤维细胞中“K+转运、细胞壁酸化、苹果酸合成”等生理代谢过程受抑制,进而影响纤维伸长发育。通过对未成熟棉纤维比强度、纤维素含量、含水量、以及关键酶活性的测定,发现缺钾导致棉纤维细胞加速成熟,且其早熟程度与纤维最终比强度成线性负相关关系。这一现象很有可能是因为碳源供应不足引起的。此外,纤维素合成关键酶SuSy和SPS活性的峰值受低钾胁迫影响而提前,导致纤维素合成提前结束,进而影响纤维比强度。4.耐低钾型棉花品种具备耐低钾能力的三个重要生理特征比较关键生理指标在不同耐低钾型棉花品种间的差异发现:a.耐低钾基因型在棉株贫钾状态下仍能维持相对较高的果枝K+浓度,尤其是上部果枝;b.棉纤维细胞中具有较高的苹果酸含量,有助于K+向纤维细胞内转运;c.棉纤维细胞中V-ATPase、PPase、PMH+-ATPase、PEPC、SuSy、SPS在功能期内的活性较为稳定,不易受低钾胁迫影响。以上是耐低钾型棉花品种具备耐低钾能力的三个重要生理特征。