灌水量和時(shí)期對(duì)小麥影響的研究綜述

張向前　曹承富　喬玉強(qiáng)　杜世州　趙竹

摘要：水資源不足是限制中國(guó)北方地區(qū)小麥生產(chǎn)的主要因素之一，小麥關(guān)鍵生育期的水分虧缺對(duì)小麥的生長(zhǎng)發(fā)育、生理特性及最終產(chǎn)量的形成具有顯著的影響，而適時(shí)適量灌水不僅可有效降低干旱脅迫的危害，而且有助增強(qiáng)小麥的生態(tài)適應(yīng)性和抗逆性。針對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育不同階段的需水特性合理灌溉，是充分利用有限水資源，提高作物水分利用率和產(chǎn)量的重要途徑之一。通過對(duì)相關(guān)資料的整理闡述了灌水時(shí)期和灌水量對(duì)小麥光合效應(yīng)、養(yǎng)分吸收積累、品質(zhì)、水分利用效率、農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響，并指出今后在小麥節(jié)水灌溉方面應(yīng)進(jìn)一步深入研究的環(huán)節(jié)，試圖為中國(guó)小麥節(jié)水高效灌溉及產(chǎn)量的進(jìn)一步提高提供科學(xué)依據(jù)和理論幫助。

關(guān)鍵詞：灌水；水分利用率；光合；品質(zhì)；產(chǎn)量

中圖分類號(hào)：S512.1，S311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

論文編號(hào)：2014-0957

0引言

小麥?zhǔn)侵袊?guó)主要糧食作物之一，其產(chǎn)量的高低對(duì)確保中國(guó)糧食安全和提高農(nóng)民收入具有重要的意義。小麥一生用水約占中國(guó)北方農(nóng)業(yè)用水的70%，其中人工補(bǔ)灌是確保雨養(yǎng)小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要保證。有報(bào)告指出，小麥全生育期的平均需水量約為540mm，而降水滿足率約為55.9%～86.4%，需要補(bǔ)灌1～3次水才能保證小麥全生育期對(duì)水量的需求，達(dá)到豐產(chǎn)豐收的目的。然而近年來日益加重的水資源匱乏對(duì)未來小麥生產(chǎn)的可持續(xù)性提出了挑戰(zhàn)，迫使人們不斷探尋進(jìn)一步提高小麥水分利用效率的途徑，因此根據(jù)各地生態(tài)條件和耕作制度深入研究小麥節(jié)水高效灌溉對(duì)提高小麥水分利用效率和產(chǎn)量及緩解中國(guó)水資源緊缺具有重要的意義。

大量研究表明，合理的灌溉時(shí)期和灌水量是保證小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要保障，如在小麥適宜的生育期進(jìn)行合理的水分虧缺有利于提高小麥的抗逆性和水分利用效率，而在不恰當(dāng)?shù)纳谶M(jìn)行水分調(diào)虧處理和大量灌水則會(huì)導(dǎo)致小麥產(chǎn)量的明顯下降。如王淑芬等在研究中指出提高小麥水分利用效率和產(chǎn)量的最佳灌水方式為：豐水年不灌水，平水年灌1次水（拔節(jié)水），枯水年灌2次水（拔節(jié)水和抽穗水）。鄭彩霞等在報(bào)告中指出，適度的水分脅迫有利于提高小麥的水肥利用效率而獲得較高的效益和產(chǎn)量。陳曉遠(yuǎn)等研究證實(shí)對(duì)小麥生育前期進(jìn)行干旱脅迫，中后期充分供水，小麥莖稈伸長(zhǎng)，葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量增加，其生物量和產(chǎn)量都超過對(duì)照。馬尚宇等在研究中指出不同灌水方式對(duì)小麥水分利用效率具有明顯的影響。徐心志等研究發(fā)現(xiàn)減少灌水量和灌水次數(shù)會(huì)導(dǎo)致小麥旗葉光合功能衰退加快，光合速率明顯降低。王朝輝等研究發(fā)現(xiàn)適宜的灌水時(shí)期和方式對(duì)小麥的養(yǎng)分吸收和積累具有明顯的調(diào)節(jié)作用。為進(jìn)一步提高中國(guó)小麥的水分利用效率和產(chǎn)量，減少水資源的浪費(fèi)，筆者對(duì)有關(guān)小麥節(jié)水灌溉方面的研究進(jìn)行了總結(jié)評(píng)述，試圖為中國(guó)小麥節(jié)水高效灌溉制度的建立及產(chǎn)量的進(jìn)一步提高提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1灌水對(duì)小麥光合效應(yīng)的影響

1.1灌水對(duì)小麥光合特性的影響

葉片是作物主要的光合產(chǎn)物制造器官，對(duì)作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)巨大，而水分對(duì)植株葉片的光合特性具有顯著的調(diào)節(jié)作用。研究表明，合理灌水有利于提高作物葉片光合速率，但灌水過多或漬水逆境會(huì)導(dǎo)致光合速率降低，光合功能期縮短，植株衰老加速，導(dǎo)致作物干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量顯著下降。馬新明等在研究中指出，適度干旱脅迫有助于增加強(qiáng)筋小麥葉綠素含量，促進(jìn)光系統(tǒng)Ⅱ活性和光化學(xué)最大效率的提高。孟維偉等通過2年試驗(yàn)，研究了W0（不灌水）、W1（拔節(jié)水60mm）、W2（拔節(jié)水60mm+開花水60mm）和W3（拔節(jié)水60mm+開花水60mm+灌漿水60mm）4種灌水處理對(duì)2個(gè)小麥品種葉片光合特性的影響，發(fā)現(xiàn)灌水處理W2和W3的小麥旗葉光合速率顯著高于不灌水W0處理的。李向東等通過干旱棚人工控制降雨的方法研究了不同時(shí)期灌水對(duì)小麥旗葉光合特性的影響，發(fā)現(xiàn)小麥旗葉光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間CO₂濃度在揚(yáng)花期的變化與灌水無顯著相關(guān)關(guān)系，而進(jìn)入灌漿期后則隨灌水次數(shù)的增加而增加，其中以拔節(jié)期和孕穗期2次灌水的光合效率最高。譚念童等通過對(duì)5種灌水處理下小麥旗葉光合特性日變化的研究發(fā)現(xiàn)在灌溉低于3水的條件下，葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度都隨灌溉量的增加而增加，并以灌3水（拔節(jié)水60mm+孕穗水60mm+灌漿水60mm）處理最高，而灌溉4水（起身水60mm+拔節(jié)水60mm+孕穗水60mm+灌漿水60mm）處理的凈光合速率明顯低于灌3水W3處理，且在研究中不但指出了過量灌溉會(huì)降低作物葉片的光合作用，而且證實(shí)了拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期灌水是影響作物葉片光合作用最重要的時(shí)期。

1.2灌水對(duì)小麥葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)是以光合作用理論為基礎(chǔ)，利用植物體內(nèi)葉綠素a熒光，可快速、靈敏和非破壞性地分析環(huán)境因子對(duì)光合作用的影響，該技術(shù)具有快速、靈敏和非破壞性等優(yōu)點(diǎn)。梁新華等通過研究干旱脅迫對(duì)不同春小麥品種生育后期葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)的影響發(fā)現(xiàn)干旱脅迫會(huì)降低可變熒光產(chǎn)量（Fv值），旗葉光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）潛在活性和原初光能轉(zhuǎn)換效率，但品種間存在一定差異。Wu等在研究中亦發(fā)現(xiàn)作物生育期間適當(dāng)增加灌水可以明顯改善葉片葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)。方保停等在研究中發(fā)現(xiàn)減少灌水會(huì)降低冬小麥旗葉T_m、F_v/F₀和F_v/F_m，降低葉片光系統(tǒng)ⅡPQ庫容量、光系統(tǒng)Ⅱ原始光能轉(zhuǎn)換效率及光系統(tǒng)Ⅱ潛在活性和電子傳遞速率。徐心志等以黃淮海地區(qū)5個(gè)主栽冬小麥品種為試驗(yàn)材料，研究了不同灌水次數(shù)對(duì)小麥葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響，發(fā)現(xiàn)隨灌水次數(shù)的減少，光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP），PS Ⅱ最大光化學(xué)效率（F_v/F_m）和光能利用效率（LUE）都呈下降趨勢(shì)，而初始熒光（F₀）呈增加趨勢(shì)，非光化學(xué)猝滅系數(shù)（NPQ）呈先升高后下降的趨勢(shì)。張其德等在研究中發(fā)現(xiàn)，與不春灌相比，春灌有利于提高旗葉的PSⅡ活性，光化學(xué)的最大效率（F_v/F_m），光化學(xué)猝滅系數(shù)，表觀光合電子傳遞速率ETR和PSⅡ總的光化學(xué)量子產(chǎn)量，而降低qN值。

2灌水對(duì)小麥養(yǎng)分吸收積累的影響

水分既影響土壤養(yǎng)分的有效性，也影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育及養(yǎng)分的吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)和積累。李云等在研究中指出，灌水次數(shù)對(duì)小麥植株的氮、磷、鉀積累具有明顯的影響，一般豐水年灌水次數(shù)對(duì)氮、磷、鉀積累量的影響較小，而平水年灌水次數(shù)具有對(duì)氮、磷積累量的顯著影響，在一定范圍內(nèi)并隨灌水次數(shù)的增加而增加。王德梅等在研究中發(fā)現(xiàn)不同灌水時(shí)期對(duì)小麥籽粒氮累積具有顯著的影響，其中底墑水+拔節(jié)水處理小麥營(yíng)養(yǎng)器官中積累的肥料氮向子粒的轉(zhuǎn)移量顯著高于底墑水+拔節(jié)水+開花水。李世娟等研究發(fā)現(xiàn)，于返青、拔節(jié)、開花、灌漿期各灌水75mm有利于氮素在小麥營(yíng)養(yǎng)器官中分配比例的提高，在拔節(jié)、開花期各灌水75mm更有利于氮素向籽粒運(yùn)轉(zhuǎn)。Xu等利用¹⁵N標(biāo)記的硫酸銨肥料研究了水分變化對(duì)小麥營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移的影響發(fā)現(xiàn)灌水量過高或者過低均會(huì)使氮的轉(zhuǎn)移量和轉(zhuǎn)移率降低，而適當(dāng)?shù)乃痔澣庇兄谔岣郀I(yíng)養(yǎng)器官對(duì)籽粒的氮素貢獻(xiàn)率。王朝輝等研究了缺水和補(bǔ)灌對(duì)小麥N、P、K吸收及在體內(nèi)分配積累的影響發(fā)現(xiàn)，分蘗、拔節(jié)和灌漿期是小麥需水關(guān)鍵期，這些時(shí)期缺水，N吸收下降40.6%-72.0%，P下降40.5%-72.4%，K下降25.9%-69.5%；而越冬期缺水養(yǎng)分吸收量降低較少，此外亦指出，拔節(jié)期補(bǔ)充灌水N、P、K吸收量增加幅度最大，其次是越冬期和灌漿期補(bǔ)灌水。

3灌水對(duì)小麥籽粒品質(zhì)的影響

作物的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和加工品質(zhì)不僅取決于品種的遺傳特性，而且受到環(huán)境因子的顯著影響，其中水分是影響作物籽粒品質(zhì)形成的一個(gè)極其重要的環(huán)境因子。趙廣才等通過研究不同灌水處理對(duì)籽粒蛋白質(zhì)含量及其穩(wěn)定性的影響發(fā)現(xiàn)，不同灌水處理的籽粒蛋白質(zhì)含量存在一定差異，且部分達(dá)到顯著水平，隨灌水次數(shù)增加，籽粒蛋白質(zhì)含量有逐漸降低的趨勢(shì)，但在降水偏少的試驗(yàn)點(diǎn)，增加灌水可使蛋白質(zhì)含量有所提高。王晨陽等通過研究發(fā)現(xiàn)，‘豫麥34花后灌水相對(duì)于不灌水可明顯提高籽粒的蛋白質(zhì)含量。小麥胚乳中的淀粉由支鏈淀粉和直鏈淀粉組成，其積累的多少和比例對(duì)小麥淀粉品質(zhì)有重要影響。許振柱等㈣研究發(fā)現(xiàn)中度、嚴(yán)重干旱可顯著降低子粒中淀粉、支鏈淀粉和直鏈淀粉的積累，而適宜的灌水處理可提高它們的含量。張永麗通過大田試驗(yàn)證實(shí)灌水180mm和240mm的處理比灌水300mm和不灌水的處理可明顯提高‘濟(jì)麥20的籽粒谷蛋白含量、谷蛋白含量/醇溶蛋白含量比值、濕面筋含量和谷蛋白大聚合體（GMP）含量，延長(zhǎng)面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間，改善了籽粒營(yíng)養(yǎng)和加工品質(zhì)。王曉英等研究了不同灌水頻次對(duì)小麥蛋白質(zhì)組分含量和品質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn)，隨灌水次數(shù)增加，試驗(yàn)小麥的可溶性谷蛋白、SDS不溶性谷蛋白、醇溶蛋白、HMW-GS和LMW-GS含量均呈增加趨勢(shì)，SDS不溶性谷蛋白聚合體的算數(shù)平均直徑、面團(tuán)品質(zhì)和面包品質(zhì)亦均呈增加趨勢(shì)。國(guó)外亦有研究表明灌水時(shí)期和方式對(duì)作物籽粒品質(zhì)有著明顯的影響，因此為了進(jìn)一步改善作物品質(zhì)，在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)采用合理的灌水時(shí)期和灌水量，以免造成水資源的浪費(fèi)和作物品質(zhì)的下降。

4灌水對(duì)小麥水分利用效率的影響

在淡水資源日益緊缺的大環(huán)境背景下，迫使人們不斷尋求進(jìn)一步提高作物水分利用效率的途徑。有研究指出，作物一般在苗期階段需水量相對(duì)較小，對(duì)水分的虧缺不敏感，在該生育期對(duì)小麥進(jìn)行水分脅迫具有明顯的節(jié)水潛力。Zhang等在研究中指出，適度水分脅迫不但可以提高作物產(chǎn)量而且同時(shí)可以提高作物水分利用效率。孫宏勇等在研究中指出拔節(jié)期的水分對(duì)冬小麥水分利用效率有重要的影響，生育后期過多灌水或土壤嚴(yán)重缺水均顯著影響冬小麥的土壤水分的利用效率。楊曉亞等以‘濟(jì)麥20為材料通過設(shè)置7個(gè)灌水處理：不澆水（CK）；拔節(jié)期和開花期每次灌水30mm（W1）、60mm（W2）、90mm（W3）；拔節(jié)期、開花期和灌漿期每次灌水30mm（W4）、60mm（W5）、90mm（W6）的田間試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)W4處理的產(chǎn)量和作物水分利用效率顯著高于其他處理，為本試驗(yàn)條件下高產(chǎn)節(jié)水的最佳灌水模式。張建軍等在研究中指出，作物灌漿期水分脅迫雖不利于提高產(chǎn)量，但有利于增加水分利用效率，而重度水分脅迫使水分利用效率和產(chǎn)量均下降，表明高產(chǎn)與高效水分利用具有同步性。褚鵬飛等通過2年試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)拔節(jié)期和開花期分別灌水60mm的處理2年均獲得了最高的水分利用率，該處理可兼顧節(jié)水和高產(chǎn)。提高灌溉水利用率是中國(guó)小麥節(jié)水增產(chǎn)的一項(xiàng)重要措施，因此有必要進(jìn)一步加強(qiáng)灌水時(shí)期和方式對(duì)小麥水分利用效率影響的研究。

5灌水對(duì)小麥農(nóng)藝性狀的影響

吳立峰等通過大田小區(qū)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)不同灌水處理對(duì)春小麥的株高、葉面積指數(shù)和冠層干物質(zhì)量的影響均存在一定的差異，拔節(jié)期不灌水后復(fù)水對(duì)小麥株高和葉面積指數(shù)雖有一定的補(bǔ)償效應(yīng)，但補(bǔ)償能力不顯著；與全生育期充分灌水處理相比，拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期不灌水處理的冠層干物質(zhì)量分別降低了39.01%、33.94%、20.80%和5.98%。孫憲印等在研究中指出葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量在一定范圍內(nèi)隨灌水次數(shù)的增加而增加，且各小麥品種開花期的葉面積指數(shù)變化趨勢(shì)表現(xiàn)為澆灌底墑水、拔節(jié)水和開花水處理的相對(duì)較高，證明了澆水對(duì)作物葉面積指數(shù)影響較大。豐明等㈣研究表明小麥生育后期灌水，可有效抑制旗葉葉綠素的降解，提高旗葉含氮量，延長(zhǎng)葉片的功能期，并以開花期灌水效果最為顯著。李向東等研究發(fā)現(xiàn)小麥花后葉片葉綠素含量隨灌水次數(shù)的增加而提高，其中W2（拔節(jié)水+孕穗水）和W3（拔節(jié)水+孕穗水+灌漿水）處理比對(duì)照不灌水在揚(yáng)花期、灌漿初期、灌漿中期分別增加了15.9%、5.3%、5.9%和10.0%、5.0%、6.4%。趙雪飛等在研究中發(fā)現(xiàn)灌水次數(shù)對(duì)小麥總莖數(shù)的影響達(dá)到顯著水平，其中灌水處理的小麥總穗數(shù)顯著高于不灌水處理，而各灌水處理間差異不顯著?？荟┢嫉韧ㄟ^大田試驗(yàn)研究得出，與各生育期水分充足處理相比，苗期、拔節(jié)期、抽穗期及苗期+灌漿期不灌水對(duì)小麥的株高、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)量都有顯著的影響，并以苗期、苗期+灌漿期不灌水對(duì)株高、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)量影響最為顯著。

6灌水對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

針對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育不同階段的水分需求特點(diǎn)采取合理的灌溉措施以提高灌溉效益是實(shí)現(xiàn)水資源不足地區(qū)作物高產(chǎn)的一項(xiàng)重要農(nóng)業(yè)措施。相關(guān)研究表明，土壤水分含量對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成具有重要影響，起身期灌水主要增加穗數(shù)，拔節(jié)水能顯著增加穗粒數(shù)，孕穗水和開花水能明顯提高千粒重，但灌漿期澆水卻降低千粒重。豐明等通過研究發(fā)現(xiàn)灌水處理相對(duì)于不灌水處理對(duì)彩色小麥的籽粒產(chǎn)量、千粒重、容重具有顯著影響，并以B3處理（春5葉、開花期和灌漿期灌水）最高，但與B2處理（春5葉和開花期灌水）間差異不顯著。趙廣才等通過研究不同灌水處理對(duì)小麥產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn)千粒重和籽粒產(chǎn)量均以春季灌3水（春2葉露尖、春5葉露尖和開花期各灌水40m³）處理最高，并與灌1水（春5葉露尖）處理間差異顯著?？荟┢嫉妊芯苛瞬煌诠嗨畬?duì)小麥產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn)，與小麥各生育期都灌水（CK）相比，苗期不灌水、苗期+灌漿期不灌水對(duì)小麥的產(chǎn)量影響最顯著，然后為抽穗期、拔節(jié)期與灌漿期不灌水。

7總結(jié)與展望

如何通過節(jié)水高效灌溉以提高作物水分利用效率和產(chǎn)量，是中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問題，因此加強(qiáng)研究不同供水條件下作物生理和產(chǎn)量的效應(yīng)，是建立節(jié)水型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系的重要基礎(chǔ)。前期眾多研究表明在小麥特定時(shí)期進(jìn)行適度水分虧缺，一般不但不會(huì)降低產(chǎn)量，反而有助于增產(chǎn)和水分利用效率的提高，尤其是灌漿期有限水分虧缺可明顯增加同化物從營(yíng)養(yǎng)器官向生殖器官的分配，其原因主要是由于小麥?zhǔn)芨珊得{迫復(fù)水后，體內(nèi)生理代謝功能相對(duì)于整個(gè)生育期一直水分充足的明顯提高，且體內(nèi)存在著對(duì)小麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量的補(bǔ)償或超補(bǔ)償效應(yīng)，但由于小麥不同生育期對(duì)干旱影響的后效性不同，因此眾多研究結(jié)果也存在一定的差異，但總體來看適度水分虧缺是有利于改善小麥產(chǎn)量和水分利用效率的。通過對(duì)眾多研究資料的分析可知，由于中國(guó)地域遼闊，降雨時(shí)空變化及各地土壤質(zhì)地差異較大，往往短短幾年的研究結(jié)果很難具有代表性和說服力，且有些小麥灌水試驗(yàn)是在人工防雨蓬中進(jìn)行的，其研究成果在對(duì)露天大田實(shí)際生產(chǎn)指導(dǎo)上往往存在一定的缺陷，因此在今后的研究中應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀蟛块T在掌握多年降雨規(guī)律和分布的基礎(chǔ)上開展多年多點(diǎn)試驗(yàn)，以使試驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確和更好的服務(wù)于小麥農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際。