Light interception and radiation use efficiency of cotton

Abstract

Dry matter accumulation by a crop is a direct function of the amount of radiation intercepted by the canopy. The effectiveness of a crop to convert intercepted radiation to dry matter is called radiation use efficiency. The objective of this study was to investigate the effect of environment (Arkansas and California), plant growth regulators (ChaperoneTM and Pix Plus®), and leaf morphology (normal- and okra-leaf types) on radiation use efficiency of cotton (Gossypium hirsutum L.) to explain yield differences. Radiation use efficiency was estimated based on the amount of intercepted photosynthetically active radiation. Field studies in 2006 and 2007 revealed that the cotton crop grown in Arkansas compared to California had higher radiation use efficiency, with values estimated at 2.060 and 1.518 g·MJ-1 respectively, but was less productive due to the lower amount of incoming and intercepted radiation in Arkansas. The effect of location on radiation use efficiency was explained by differences in vapor pressure deficit, with California having higher values. Increasing vapor pressure deficit decreased radiation use efficiency by a slope of -0.46 g·MJ-1·kPa-1. In addition, in 2006 and 2007 in Arkansas, the plant growth regulator Pix Plus increased radiation use efficiency of cotton, while Chaperone had no effect. Radiation use efficiency values were 2.226 g·MJ-1 for the untreated control, 2.495 g·MJ-1 for Chaperone, and 2.965 g·MJ-1 for Pix Plus. Decreased plant height and leaf area index of the crop and altered canopy architecture, as indicated by higher values of the canopy extinction coefficient was caused by the Pix Plus applications. The effect of leaf morphology on radiation use efficiency of cotton was evaluated in two locations in Arkansas in 2007. The okra-leaf type cotton utilized intercepted radiation more efficiently compared to the normal-leaf isoline, with the radiation use efficiency being 2.636 g·MJ-1 for the okra-leaf type and 1.897 g·MJ-1 for the normal-leaf isoline. As no differences were recorded in growth chamber studies between the two leaf-shape isolines for leaf photosynthesis, quantum yield of photosystem II and membrane leakage, differences in radiation use efficiency were attributed to canopy light interception characteristics. In conclusion, light interception and radiation use efficiency values, reported in this study, can be used to explain cotton yield differences after applications of plant growth regulators and between geographical locations and leaf morphology isolines.In addition of studying the radiation use efficiency of the cotton crop, a digital imaging technique to estimate light interception by the canopy was evaluated. Ground coverage values calculated from digital images taken above the crop canopy were found to be highly correlated with light interception measurements made with a line-source quantum sensor. The digital imaging technique can be used in cotton without the limitations of the quantum sensor measurements.

Η συσσώρευση ξηράς ουσίας από μια καλλιέργεια είναι μια άμεση συνάρτηση της ποσότητας της ακτινοβολίας που αναχαιτίζεται από την φυλλική επιφάνεια. Η αποτελεσματικότητα μιας καλλιέργειας να μετατρέπει την αναχαιτισμένη ακτινοβολία σε ξηρή μάζα ονομάζεται αποδοτικότητα χρήσης ακτινοβολίας. Ο στόχος αυτής της μελέτης ήταν να διερευνήσει την επίδραση του περιβάλλοντος (Πολιτείες του Αρκάνσας και της Καλιφόρνια), των ρυθμιστών ανάπτυξης των φυτών (ChaperoneTM και Pix Plus®) και της μορφολογίας των φύλλων (κανονικός και λοβωτός τύπος φύλλων) στην αποτελεσματικότητα χρήσης ακτινοβολίας στο βαμβάκι (Gossypium hirsutum L.) για να εξηγήσει τις διαφορές στην απόδοσης. Η αποτελεσματικότητα χρήσης ακτινοβολίας υπολογίστηκε με βάση την ποσότητα της αναχαιτισμένης φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας. Μελέτες αγρού το 2006 και το 2007 αποκάλυψαν ότι η καλλιέργεια βαμβακιού που καλλιεργήθηκε στο Αρκάνσας σε σύγκριση με την Καλιφόρνια είχε υψηλότερη απόδοση χρήσης ακτινοβολίας, με τιμές που υπολογίζονται σε 2.060 και 1.518 g·MJ-1 αντίστοιχα, αλλά ήταν λιγότερο παραγωγική λόγω της χαμηλότερης ποσότητας προσπίπτουσας και αναχαιτισμένης ακτινοβολίας στο Αρκάνσας. Η επίδραση της τοποθεσίας στην απόδοση χρήσης ακτινοβολίας εξηγήθηκε από τις διαφορές στο έλλειμμα της πίεσης ατμών, με την Καλιφόρνια να έχει υψηλότερες τιμές. Η αύξηση του ελλείμματος πίεσης ατμών μείωσε την απόδοση χρήσης ακτινοβολίας κατά -0,46 g·MJ-1·kPa-1. Επιπλέον, το 2006 και το 2007 στο Αρκάνσας, ο ρυθμιστής ανάπτυξης φυτών Pix Plus αύξησε την αποτελεσματικότητα χρήσης ακτινοβολίας στο βαμβάκι, ενώ το Chaperone δεν είχε καμία επίδραση. Οι τιμές απόδοσης χρήσης ακτινοβολίας ήταν 2,226 g·MJ-1 για τον μάρτυρα, 2,495 g·MJ-1 για το Chaperone και 2,965 g·MJ-1 για το Pix Plus. Μειωμένο ύψος φυτού και δείκτη φυλλικής επιφάνειας της καλλιέργειας καθώς και τροποποιημένη αρχιτεκτονική του υπέργειου τμήματος, όπως υποδεικνύεται από υψηλότερες τιμές του συντελεστή k προκλήθηκαν από τις εφαρμογές Pix Plus. Η επίδραση της μορφολογίας των φύλλων στην αποτελεσματικότητα χρήσης ακτινοβολίας του βαμβακιού αξιολογήθηκε σε δύο τοποθεσίες στο Αρκάνσας το 2007. Βαμβάκι με λοβωτό τύπο φύλλου χρησιμοποίησε την αναχαιτισμένη ακτινοβολία πιο αποτελεσματικά σε σύγκριση με μια ισογραμμή κανονικού τύπου φύλλου, με την απόδοση χρήσης ακτινοβολίας να είναι 2,636 g·MJ -1 για τον λοβωτό τύπο φύλλου και 1,897 g·MJ-1 για την ισογραμμή κανονικού φύλλου. Καθώς δεν καταγράφηκαν διαφορές σε μελέτες του θαλάμου ανάπτυξης μεταξύ των δύο ισογραμμών στη φωτοσύνθεση, την απόδοση του φωτοσυστήματος II και τη διαρροή μεμβρανών, οι διαφορές στην αποτελεσματικότητα χρήσης ακτινοβολίας αποδόθηκαν στα χαρακτηριστικά αναχαίτισης της ακτινοβολίας από την καλλιέργεια. Συμπερασματικά, οι τιμές απόδοσης αναχαίτισης φωτός και χρήσης ακτινοβολίας, που αναφέρονται σε αυτή τη μελέτη, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εξηγήσουν τις διαφορές απόδοσης στο βαμβάκι μετά από εφαρμογές ρυθμιστών ανάπτυξης φυτών, μεταξύ γεωγραφικών τοποθεσιών και ισογραμμών με διαφορές στην μορφολογία των φύλλων. Εκτός από τη μελέτη της αποτελεσματικότητας χρήσης ακτινοβολίας της καλλιέργειας βαμβακιού, αξιολογήθηκε μια τεχνική ψηφιακής απεικόνισης για την εκτίμηση της αναχαίτισης ακτινοβολίας από την καλλιέργεια. Οι τιμές κάλυψης εδάφους που υπολογίστηκαν από ψηφιακές εικόνες που λήφθηκαν πάνω από την καλλιέργειας βρέθηκαν να συσχετίζονται σε μεγάλο βαθμό με τις μετρήσεις αναχαίτισης φωτός που πραγματοποιήθηκαν με έναν γραμμικό αισθητήρα. Η τεχνική ψηφιακής απεικόνισης μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο βαμβάκι χωρίς τους περιορισμούς των μετρήσεων του γραμμικού αισθητήρα.