開花期土壤水分含量對(duì)不同穗型小麥品種光合特性及產(chǎn)量的影響

唐興旺，石 玉，于振文，張永麗，趙俊曄

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100081)

黃淮海麥區(qū)是我國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)，其小麥播種面積占全國(guó)總面積的38%，產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量的50%左右[1]。小麥生長(zhǎng)季降雨量占全年的30%～40%，只能滿足小麥生長(zhǎng)需要的25%～40%，所以灌溉是小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施。而該區(qū)水資源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)峻，致使小麥生產(chǎn)嚴(yán)重受限[2]。因此，節(jié)水灌溉是實(shí)現(xiàn)該區(qū)小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要舉措。研究表明，水分虧缺對(duì)小麥產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用均有影響，在拔節(jié)期和抽穗期水分虧缺會(huì)顯著降低小麥產(chǎn)量[3]。不同程度的干旱脅迫對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量影響有差異，中等和嚴(yán)重干旱脅迫條件下小麥分別減產(chǎn)21%和43%[4]。研究發(fā)現(xiàn)，虧缺灌溉條件下，邯麥9和濟(jì)麥22產(chǎn)量顯著降低，但適度控制水分可提高營(yíng)養(yǎng)元素向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)效率，提高小麥籽粒產(chǎn)量[5]。在拔節(jié)期和開花期測(cè)墑補(bǔ)灌的土層深度為0～40 cm時(shí)，小麥可獲得較高的籽粒產(chǎn)量和水分利用效率[6]。有學(xué)者認(rèn)為，土壤含水量穩(wěn)定在田間持水量的60%以上，能夠顯著提高籽粒產(chǎn)量，還能優(yōu)化水資源的利用[7]。目前，前人圍繞全生育時(shí)期土壤水分對(duì)小麥產(chǎn)量的影響進(jìn)行了大量研究，但在開花前土壤含水量一致的條件下，有關(guān)開花期土壤水分對(duì)小麥灌漿期光合特性及產(chǎn)量影響的報(bào)道較少。因此，本研究選用不同穗型的兩個(gè)品種，在開花期設(shè)置0～40 cm土層土壤不同相對(duì)含水量處理，研究其對(duì)小麥開花后光合特性、籽粒灌漿特性及產(chǎn)量的影響，以期為創(chuàng)建合理的小麥節(jié)水栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018-2019年小麥生長(zhǎng)季在山東省濟(jì)寧市兗州區(qū)小孟鎮(zhèn)史王村進(jìn)行。試驗(yàn)田為壤土，前茬作物為玉米，收獲后秸稈還田。小麥播種前0～20 cm土層養(yǎng)分含量：有機(jī)質(zhì)14.89 g·kg-1、全氮1.15 g·kg-1、堿解氮118.07 mg·kg-1、速效磷36.60 mg·kg-1、速效鉀 113.55 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試品種為濟(jì)麥229和泰山27。濟(jì)麥229為中穗型品種，小穗排列緊密，平均穗粒數(shù)為 43～48粒，千粒重為30～35 g；泰山27為大穗型品種，小穗排列適中，平均穗粒數(shù)為45～50粒，千粒重為35～40 g。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)水分處理：開花期不灌水(W0)、開花期0～40 cm土層土壤相對(duì)含水量補(bǔ)灌至70%(W1)和85%(W2)。濟(jì)麥229 W1和W2處理的開花期灌水量分別為 38.11和61.56 mm；泰山27 W1和W2處理的開花期灌水量分別為41.10和64.55 mm。

小區(qū)面積40 m2(20 m×2 m)，不同小區(qū)間設(shè)置2 m隔離區(qū)，以防水分滲漏。播前基施純氮105 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2和K2O 150 kg·hm-2。拔節(jié)期追施純氮135 kg·hm-2。氮、磷、鉀肥分別為尿素、磷酸二銨和硫酸鉀。2018年10月9日播種，11月4日定苗，留苗密度為180萬(wàn)株·hm-2，2019年6月14日收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤含水量測(cè)定

于開花期采用烘干法測(cè)定土壤含水量，依據(jù)公式m=10ρbH(βi-βj)[8]計(jì)算達(dá)到目標(biāo)相對(duì)含水量需要補(bǔ)灌的水量。式中，m為灌水量(mm)；ρb為各處理相應(yīng)土層土壤平均容重(g·cm-3)；H為灌水前各處理相應(yīng)土層深度(cm)；βi為各處理相應(yīng)土層土壤目標(biāo)含水量(%)，田間持水量乘以目標(biāo)土壤相對(duì)含水量)；βj為灌溉前各處理相應(yīng)土層土壤平均含水量(%)。灌水量用水表控制計(jì)量。

1.3.2 旗葉凈光合速率和葉綠素含量測(cè)定

于開花期及開花后每隔7 d的上午9:00-11:00，在田間自然光照下選取生長(zhǎng)一致且受光方向相同的旗葉8～10片，采用美國(guó)LI-COR公司生產(chǎn)的LI-6400XT型光合儀測(cè)定旗葉凈光合速率。另外選取生長(zhǎng)一致且受光方向相同的旗葉15片，采用美國(guó)產(chǎn)CCM-200型葉綠素儀，測(cè)定旗葉葉綠素相對(duì)含量(SPAD值)。

1.3.3 籽粒灌漿速率測(cè)定

于開花期及開花后每隔7 d取穗，每個(gè)處理取50穗，3次重復(fù)，烘干脫粒，稱重，并計(jì)算灌漿速率。

1.3.4 籽粒產(chǎn)量及水分生產(chǎn)效率測(cè)定

于成熟期收獲，收獲前每個(gè)處理選定1 m2，3次重復(fù)，調(diào)查穗數(shù)并計(jì)算單位面積穗數(shù)。每個(gè)處理取50穗，3次重復(fù)，計(jì)算穗粒數(shù)。每處理收獲 3 m2，3次重復(fù)，自然風(fēng)干后測(cè)產(chǎn)及千粒重，籽粒水分含量為12.5%。水分生產(chǎn)效率=籽粒產(chǎn)量/農(nóng)田耗水量[9]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 和SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用Sigma Plot進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 開花期灌水對(duì)小麥旗葉葉綠素相對(duì)含量的影響

在小麥花后同一時(shí)期，兩個(gè)品種旗葉葉綠素相對(duì)含量均表現(xiàn)為W1>W2>W0，說(shuō)明開花期0～40 cm土層土壤相對(duì)含水量補(bǔ)灌至70%(W1)能延緩小麥生育后期旗葉的衰老，延長(zhǎng)光合時(shí)間(圖1)。兩個(gè)品種比較，在相同水分條件下，大穗型品種泰山27的旗葉葉綠素相對(duì)含量均高于中穗型品種濟(jì)麥229。在W1處理下，開花后21 d和28 d泰山27的旗葉葉綠素相對(duì)含量比濟(jì)麥229分別高9.25%和5.91%。

圖柱上的不同小寫字母表示處理間差異達(dá)0.05顯著水平。圖2和圖3同。

2.2 開花期灌水對(duì)小麥旗葉凈光合速率的影響

開花后14 d，濟(jì)麥229的旗葉凈光合速率在W1和W2處理間無(wú)顯著差異，但二處理均顯著高于W0處理；開花后7、21～35 d，旗葉凈光合速率均表現(xiàn)為W1>W2>W0(圖2)。泰山27的旗葉凈光合速率在整個(gè)籽粒灌漿期均表現(xiàn)為W1>W2>W0。這表明開花期0～40 cm土層土壤相對(duì)含水量補(bǔ)灌至70%(W1)能夠提高小麥花后凈光合速率，有利于增加粒重。

圖2 開花期灌水對(duì)小麥旗葉凈光合速率(Pn)的影響

兩個(gè)品種比較，在相同水分條件下，大穗型品種泰山27的旗葉凈光合速率均高于中穗型品種濟(jì)麥229。其中W1處理下，泰山27開花后7 d旗葉凈光合速率比濟(jì)麥229高12.11%，開花后14 d和21 d分別高12.41%和12.80%。這說(shuō)明泰山27旗葉的光合能力較強(qiáng)。

2.3 開花期灌水對(duì)小麥籽粒灌漿速率的影響

濟(jì)麥229的籽粒灌漿速率在開花后7 d表現(xiàn)為W0>W1、W2，開花后14 d表現(xiàn)為W0>W1>W2，開花后21～35 d表現(xiàn)為W1>W2>W0(圖3)。泰山27的籽粒灌漿速率在開花后7～14 d表現(xiàn)為W0>W1、W2，開花后21～35 d表現(xiàn)為W1>W2>W0。由此可見，開花期0～40 cm土層土壤相對(duì)含水量補(bǔ)灌至70%(W1)能促進(jìn)籽粒灌漿，有利于提高粒重。

圖3 開花期灌水對(duì)小麥籽粒灌漿速率的影響

兩個(gè)品種比較，在相同水分條件下，開花后7 d和28～35 d，濟(jì)麥229各處理籽粒灌漿速率與泰山27無(wú)顯著差異；開花后14～21 d，泰山27各處理的籽粒灌漿速率明顯加快，均高于濟(jì)麥229。這表明泰山27在灌漿中期具有較高的灌漿速率，與其在開花后14～21 d具有較高的旗葉凈光合速率相吻合，有利于粒重的提高。

2.4 開花期灌水對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素和水分生產(chǎn)效率的影響

濟(jì)麥229的單位面積穗數(shù)在不同處理間無(wú)顯著差異，穗粒數(shù)表現(xiàn)為W2>W1>W0，千粒重表現(xiàn)為W1>W2>W0，籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為W1、W2>W0(表1)。泰山27的單位面積穗數(shù)在不同處理間也無(wú)顯著差異，穗粒數(shù)表現(xiàn)為W1、W2>W0，千粒重和籽粒產(chǎn)量均表現(xiàn)為W1>W2>W0。兩個(gè)品種水分生產(chǎn)效率均表現(xiàn)為W1>W0、W2。這說(shuō)明在W2基礎(chǔ)上降低補(bǔ)灌量至W1處理時(shí)，多穗型品種濟(jì)麥229雖然減少了穗粒數(shù)，但增加了千粒重，使籽粒產(chǎn)量與W2處理無(wú)顯著差異，而大穗型品種泰山27通過(guò)提高千粒重，較W2處理增加了產(chǎn)量，表明開花期0～40 cm土層土壤相對(duì)含水量補(bǔ)灌至70%(W1)是兩個(gè)小麥品種的高產(chǎn)節(jié)水補(bǔ)灌處理。

表1 開花期灌水對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素和水分生產(chǎn)效率的影響

品種間比較，在W2處理下，兩個(gè)品種的產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率均無(wú)顯著差異，而在W1和W0處理下泰山27的產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率均高于濟(jì)麥229，表明泰山27屬于高產(chǎn)節(jié)水品種。

3 討 論

前人研究表明，小麥灌漿期足墑灌溉時(shí)，旗葉凈光合速率較不灌水處理高59.05%[10]。Tan等[11]研究指出，花后漬水會(huì)導(dǎo)致小麥凈光合速率顯著降低，縮短光合作用持續(xù)期，降低干物質(zhì)積累量和籽粒產(chǎn)量[11]。不灌水處理的小麥灌漿期旗葉葉綠素含量較灌水處理先達(dá)到最大值，但灌漿后期其葉綠素含量顯著低于灌水處理[12]，有研究認(rèn)為，隨著土壤含水量的增加，小麥的光合特性會(huì)得以改善，但土壤含水量偏高會(huì)不利于小麥葉綠素含量的增加，且在灌漿期葉綠素含量低于土壤適宜水分含量處理[13]，可見適宜的土壤含水量可以提高灌漿期旗葉葉綠素含量和凈光合速率。本研究表明，在開花前灌溉量一致的條件下，開花期土壤相對(duì)含水量補(bǔ)灌至70%時(shí)兩個(gè)不同穗型小麥品種的旗葉凈光合速率和葉綠素含量在灌漿中后期高于補(bǔ)灌至85%處理，有利于小麥對(duì)光能的利用，提高灌漿速率。這與前人研究結(jié)果基本一致，也說(shuō)明小麥灌漿期補(bǔ)充灌水不宜過(guò)量。

與旱作相比，灌水增加了小麥穗數(shù)和灌漿時(shí)間，提高了籽粒產(chǎn)量[14]。Fischer[15]研究表明，在灌水條件下，干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量對(duì)籽粒灌漿速率和產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率更高。Han等[8]研究認(rèn)為，灌水處理在灌漿后期保持較高灌漿速率，提高了籽粒中干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量，有利于增加粒重。適當(dāng)增加灌水量有利于籽粒產(chǎn)量的增長(zhǎng)，灌水120 mm的處理比灌水60 mm和180 mm的處理分別高8.3%和5.8%[16]。本研究選用兩種穗型品種，采用開花期測(cè)墑補(bǔ)灌的方法進(jìn)行灌溉，結(jié)果表明，開花期土壤相對(duì)含水量補(bǔ)灌至70%處理在灌漿中后期的籽粒灌漿速率顯著高于補(bǔ)灌至85%處理，有利于小麥籽粒灌漿中后期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向籽粒的持續(xù)輸送，從而獲得了較高的粒重。

適當(dāng)增加灌溉量可提高小麥籽粒產(chǎn)量[17-18]。灌水處理較不灌水處理增產(chǎn)27.03%，且小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素及成穗率均增加[19]。另有研究認(rèn)為，補(bǔ)灌至土壤田間持水量的60%～80%時(shí)，籽粒產(chǎn)量變化不顯著[20]。干旱脅迫使小麥產(chǎn)量降低，但輕度干旱脅迫有利于提高水分利用效率[21]。可見，適當(dāng)?shù)母珊得{迫既能獲得較高產(chǎn)量，又節(jié)約灌水量，提高水分利用效率。在本研究條件下，開花期補(bǔ)灌至70%的處理顯著提高了兩個(gè)品種的水分利用效率，但對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成因素和產(chǎn)量的調(diào)控效應(yīng)有所差異，對(duì)于中穗型品種濟(jì)麥229，適量灌溉的W1處理提高了千粒重，但降低了穗粒數(shù)，因此其產(chǎn)量與W2處理無(wú)顯著差異；而對(duì)于大穗型品種泰山27，W1處理的穗粒數(shù)與W2處理無(wú)顯著差異，千粒重和產(chǎn)量顯著高于W2處理。在本研究條件下，小麥開花期將0～40 cm土層土壤相對(duì)含水量補(bǔ)灌至70%是節(jié)水高產(chǎn)的最佳處理；兩品種比較，大穗型品種泰山27為節(jié)水高產(chǎn)品種。