淮北地區(qū)干旱脅迫對冬小麥不同土壤中生長及水分利用效率影響與差異性分析

高 佩，王怡寧，2，呂海深，朱永華，王發(fā)信，崔雪艷

（1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院， 南京 210098；2.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029；3.安徽?。ㄋ炕春铀瘑T會(huì)）水利科學(xué)研究院 五道溝水文實(shí)驗(yàn)站，安徽 蚌埠 233000；4.湖南工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

0 引 言

全球變暖背景下，氣象和農(nóng)業(yè)干旱在干旱頻發(fā)區(qū)域呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢[1]，對全球糧食安全和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響[2]，糧食安全是人類生存及社會(huì)持續(xù)發(fā)展的根本保障[3]，在水資源短缺的影響下，保障糧食安全和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展是目前全球共同面臨的重大挑戰(zhàn)[4]。隨著農(nóng)業(yè)用水緊缺和干旱災(zāi)害頻繁發(fā)生，農(nóng)作物生育階段遭受干旱脅迫影響嚴(yán)重，水分對作物的影響以及作物的響應(yīng)關(guān)系也是復(fù)雜的[5]，很多學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量的研究。閆春娟等[6]研究了大豆在不同生育期干旱脅迫下根系特性及產(chǎn)量情況。呂亮杰[7]等對不同品種的小麥開展干旱脅迫試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下不同品種小麥營養(yǎng)物質(zhì)積累過程存在差異。朱亞楠等[8]研究了干旱脅迫對冬小麥、夏玉米生長和產(chǎn)量的影響，指出冬小麥灌漿期遭到干旱脅迫會(huì)使小麥產(chǎn)量和水分利用效率顯著降低，隨著干旱脅迫加劇，玉米生長受到抑制，根長變短，總生物量降低。候志強(qiáng)等[9]基于夏大豆受旱盆栽試驗(yàn)研究了淮北地區(qū)不同生育期干旱脅迫對耗水量和水分利用效率的影響，結(jié)果表明干旱脅迫使得生育期耗水量減少，且干旱程度越重減少比例越大。劉碩等[10]研究了干旱脅迫對甘蔗光合生理特性的影響，發(fā)現(xiàn)干旱影響下，葉片含水率、葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率等指標(biāo)下降顯著。

淮北地區(qū)旱澇災(zāi)害頻繁[11]，農(nóng)業(yè)灌溉受干旱影響形勢嚴(yán)峻[12]，冬小麥?zhǔn)侵饕Z食作物，當(dāng)?shù)刂饕寥李愋蜑樯敖谕粒?4%）和黃潮土（33%），以往研究主要基于單一土壤在干旱脅迫下對作物生長、發(fā)育及耗水情況，對不同土壤下干旱對作物影響的差異研究較少，本文基于2022年五道溝水文實(shí)驗(yàn)站冬小麥桶栽干旱試驗(yàn)，探討不同干旱脅迫對冬小麥在砂姜黑土和黃潮土中生長及水分利用效率的影響與差異性，為冬小麥?zhǔn)芎涤绊?、增產(chǎn)、優(yōu)化灌溉提供參考依據(jù)，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展提供支撐。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2022年2-6月在五道溝水文實(shí)驗(yàn)站作物與水關(guān)系試驗(yàn)場進(jìn)行，該站位于淮北平原的南部，屬于暖溫帶半干旱半濕潤氣候，積累了近70年不間斷水文氣象實(shí)測資料，站內(nèi)設(shè)有大型蒸滲儀、水文氣象觀測場等設(shè)施，多年平均水面蒸發(fā)量為1 027.67 mm，多年平均降水量為893.2 mm，多年平均氣溫為14.9 ℃。試驗(yàn)場布置測桶為不銹鋼材質(zhì)，桶徑0.45 m，桶高1 m，桶內(nèi)墊層高度為0.1 m，有電動(dòng)擋雨棚可避免降水對試驗(yàn)的影響，測桶土壤為當(dāng)?shù)厣敖谕僚c黃潮土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)五道溝水文實(shí)驗(yàn)站報(bào)告和淮北平原冬小麥的生長發(fā)育狀況[11]，將冬小麥生育期分為6 個(gè)生育階段，即播種—分蘗（10月10日—12月20日）、分蘗—返青（12月21日—次年2月10日）、返青—拔節(jié)（2月11日—3月20日）、拔節(jié)—抽穗（3月21日—4月20日）、抽穗—乳熟（4月21日—5月15日）、乳熟—成熟（5月16日—5月31日）。以冬小麥各生育階段不同土壤水分為控制因素，在生長重要需水的生育階段，返青—拔節(jié)、拔節(jié)—抽穗、抽穗—乳熟3 個(gè)生育階段分別設(shè)置輕旱、中旱和重旱3 種干旱脅迫處理，同時(shí)設(shè)置全生育期無旱處理（CK），每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)。本次選用當(dāng)?shù)卦撈陂g常用品種西農(nóng)99，種植密度采用當(dāng)?shù)卮筇锩芏?50 kg/hm2。具體方案見表1。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Tab.1 Test scheme design

1.3 測量項(xiàng)目及方法

（1）土壤含水率測定。初始含水率通過土壤水分傳感器測量體積含水率，由實(shí)驗(yàn)站土壤參數(shù)計(jì)算獲得重量含水率，之后試驗(yàn)作物各測桶土壤含水率由每5天用電子吊秤稱重一次測桶質(zhì)量計(jì)算得到。

（2）灌水量。若當(dāng)天計(jì)算得到的末尾水分虧缺量小于表1中不同處理對應(yīng)的水分虧缺量下限時(shí)，則第二天進(jìn)行澆水，進(jìn)行精確量測，使水分虧缺量達(dá)到表1中各干旱等級下的水分虧缺量區(qū)間內(nèi)。

（3）作物耗水量。通過測定土壤含水率結(jié)合水量平衡來計(jì)算作物耗水量，計(jì)算公式[13]：

式中：ETc，i為第i天實(shí)際耗水量，mm；wi，初為測桶第i天的初始土壤含水率；wi，末為測桶第i天的末尾土壤含水率；ρ為土壤體積質(zhì)量，g/cm3；H為土壤厚度，cm；Ii為作物測桶第i天灌水量，mm；P為時(shí)段內(nèi)的降水量，mm；K為時(shí)段內(nèi)的地下水補(bǔ)給量，mm；C為時(shí)段內(nèi)的排水量，mm；本試驗(yàn)中P、K、C均為0。

（4）水分利用效率。測桶內(nèi)的作物籽粒產(chǎn)量與該測桶內(nèi)全生育期總耗水量的比值作為水分利用效率WUE，g/mm。

（5）作物株高、產(chǎn)量測量。株高選擇在各生育階段末和全生育期末隨機(jī)選取3組進(jìn)行測量求取均值，生育階段劃分如表2所示，收獲后，對各個(gè)測桶內(nèi)的收獲的作物籽粒進(jìn)行稱重測得產(chǎn)量。

表2 2022年試驗(yàn)期冬小麥生育階段起止日期Tab.2 Starting and ending dates of winter wheat growth period in 2022

2 結(jié)果與分析

2.1 生育階段干旱脅迫對冬小麥株高的影響

株高是反應(yīng)冬小麥生長狀況的重要指標(biāo)之一，砂姜黑土與黃潮土冬小麥生育階段株高如圖1與圖2所示。

圖1 砂姜黑土與黃潮土中冬小麥不同干旱脅迫下生育階段株高Fig.1 Plant height under different drought stress of Winter Wheat in lime concretion black soil and yellow tide soil

圖2 砂姜黑土與黃潮土冬小麥不同干旱脅迫下成熟后株高Fig.2 The plant height of lime concretion black soil and yellow tide soil Winter Wheat after maturity under drought stres

由圖1 和圖2 可知，在砂姜黑土中冬小麥各生育階段受旱影響下，株高均小于對照組，其中重旱對冬小麥株高的抑制作用明顯大于輕旱和中旱。返青—拔節(jié)期輕旱、中旱、重旱影響下株高相比對照組分別偏低14.5%、16.0%、20.9%，收獲時(shí)株高相比對照組分別偏低0.6%、3.8%、2.6%，可見復(fù)水后返青—拔節(jié)期受旱對株高的抑制基本解除。拔節(jié)—抽穗期輕旱、中旱、重旱影響下株高相比對照組分別偏低13.6%、18.5%、20.8%，收獲時(shí)株高相比對照組分別偏低13.9%、17.7%、20.8%，可見拔節(jié)-抽穗期受旱對冬小麥株高的抑制影響是終身的。抽穗—乳熟期輕旱、中旱、重旱影響下株高相比對照組分別偏低7.1%、6.3%、8.4%，成熟后相比對照組分別偏低7.1%、6.7%、8.8%，可見抽穗-乳熟期受旱也會(huì)影響冬小麥后期株高的生長。

受旱結(jié)束復(fù)水后，返青-拔節(jié)期受旱對株高的抑制基本解出，輕旱組生長到對照組水平，中旱和重旱略低于對照組；拔節(jié)—抽穗期復(fù)水后受旱組均遠(yuǎn)低于對照組，受旱對株高的抑制一直持續(xù)，其中重旱影響最為嚴(yán)重；抽穗-乳熟期受旱亦會(huì)影響冬小麥后期株高的生長，但影響程度遠(yuǎn)小于拔節(jié)—抽穗期，在受旱期間株高偏低水平遠(yuǎn)小于其余兩個(gè)生育階段，且不同干旱程度對株高的影響無顯著差異。受旱抑制株高主要是因?yàn)橥寥浪州^少會(huì)影響莖基部節(jié)的生長，導(dǎo)致小麥高度降低，有研究表明嚴(yán)重水分虧缺下，植物組織生長會(huì)出現(xiàn)明顯矮化現(xiàn)象[13-16]。

黃潮土中冬小麥在各生育階段受旱影響下，株高也小于對照組，重旱對冬小麥株高的抑制作用最明顯，與砂姜黑土一致。返青-拔節(jié)期輕旱、中旱、重旱影響下株高相比對照組分別偏低1.9%、3.4%、7.2%，成熟后，輕旱、重旱相比對照組分別偏低1.7%、6.5%，中旱偏高0.2%，可得受重旱對株高后期生長影響嚴(yán)重，輕旱、中旱對株高的抑制基本解除。拔節(jié)-抽穗期輕旱、中旱、重旱影響下株高相比對照組分別偏低5.5%、6.7%、15.1%，成熟后相比對照組分別偏低4.1%、6.8%、15.5%，可得黃潮土拔節(jié)—抽穗期受旱與砂姜黑土均會(huì)對冬小麥株高產(chǎn)生終身抑制。抽穗—乳熟期輕旱、中旱、重旱影響下株高相比對照組分別偏低0.5%、2.5%、5.1%，成熟后相比對照組分別偏低0.7%、1.9%、4.8%，可得該生育階段受旱也會(huì)影響后期株高生長。

由圖2可見，最終收獲時(shí)黃潮土中相同受旱處理下冬小麥株高均低于砂姜黑土，但干旱脅迫影響下，黃潮土各生育階段受旱組株高相對于對照組偏低水平均小于砂姜黑土。

2.2 生育階段干旱脅迫對冬小麥耗水量的影響

砂姜黑土與黃潮土冬小麥?zhǔn)芎涤绊懴拢煌A段耗水量和產(chǎn)量如表3、表4和圖3所示。

圖3 砂姜黑土和黃潮土不同干旱脅迫下耗水情況及產(chǎn)量情況Fig.3 Water consumption and yield of lime concretion black soil and yellow tidal soil under different drought stress

表3 砂姜黑土冬小麥不同干旱脅迫下生育階段耗水量及產(chǎn)量Tab.3 Water consumption and yield of Winter Wheat in lime concretion black soil under different drought stress

表4 黃潮土冬小麥不同干旱脅迫下生育階段耗水量及產(chǎn)量Tab.4 Water consumption and yield of Winter Wheat in yellow tide soil under different drought stress

由表3知，在砂姜黑土中，冬小麥返青—拔節(jié)期輕旱、中旱、重旱影響下耗水量相比對照組分別減少5.0%、23.8%、45.8%，生育期總耗水量相比對照組分別減少5.7%、15.6%、21.1%。拔節(jié)—抽穗期輕旱、中旱、重旱影響下耗水量相比對照組分別減少25.1%、42.6%、57.0%，生育期總耗水量相比對照組分別減少14.3%、27.0%、35.1%。抽穗—乳熟期輕旱、中旱、重旱影響下耗水量相比對照組分別減少23.7%、29.5%、58.6%，生育期總耗水量相比對照組分別減少12.9%、9.5%、23.4%?？梢姼魃A段干旱脅迫下，冬小麥耗水量呈減小趨勢，重旱組耗水量減小最為顯著，中旱次之，且單個(gè)生育階段的耗水量減少均會(huì)導(dǎo)致總體耗水量低于對照組，在拔節(jié)—抽穗期減少幅度最大。

由表4知，在黃潮土中，冬小麥返青-拔節(jié)期輕旱、中旱、重旱影響下耗水量相比對照組分別減少6.5%、7.6%、32.6%，生育階段總耗水量相比對照組分別減少4.7%、4.9%、18.3%。拔節(jié)—抽穗期輕旱、中旱、重旱影響下耗水量相比對照組分別減少15.9%、33.9%、43.9%，生育階段總耗水量相比對照組分別減少8.5%、20.3%、30.0%。抽穗—乳熟期輕旱、中旱、重旱影響下耗水量相比對照組分別減少29.2%、36.1%、55.7%，生育階段總耗水量相比對照組分別減少10.4%、18.9%、22.6%?？傻酶魃A段干旱脅迫下，黃潮土中冬小麥耗水量亦呈減小趨勢，重旱組耗水量減小最為顯著，中旱次之，且單個(gè)生育階段的耗水量減少也均會(huì)導(dǎo)致總體耗水量低于對照組，但各處理組耗水量減少水平均小于砂姜黑土。

2.3 生育階段干旱脅迫對冬小麥產(chǎn)量的影響

由表3 知，在砂姜黑土中，冬小麥返青-拔節(jié)期輕旱、中旱、重旱影響下相比對照組減產(chǎn)率分別為17.4%、21.0%、33.4%；拔節(jié)—抽穗期輕旱、中旱、重旱影響下相比對照組減產(chǎn)率分別為16.4%、32.5%、41.9%；抽穗—乳熟期輕旱、中旱、重旱影響下減產(chǎn)率分別為4.0%、2.2%、14.2%；可見返青—拔節(jié)期與拔節(jié)—抽穗期受旱對產(chǎn)量影響嚴(yán)重，拔節(jié)—抽穗期重旱減產(chǎn)最為嚴(yán)重，抽穗—乳熟期受旱對產(chǎn)量的減產(chǎn)最小。

由表4 知，在黃潮土中，冬小麥返青—拔節(jié)期輕旱、中旱、重旱影響下相比對照組減產(chǎn)率分別為13.3%、11.4%、33.7%；拔節(jié)—抽穗期輕旱、中旱、重旱影響下相比對照組減產(chǎn)率分別為11.0%、17.7%、32.3%；抽穗-乳熟期輕旱、中旱、重旱影響下減產(chǎn)率分別為6.6%、18.0%、22.9%，可得黃潮土中各生育階段重旱對產(chǎn)量影響嚴(yán)重，拔節(jié)—抽穗期、抽穗—乳熟期中旱影響大于輕旱，返青-拔節(jié)期輕旱與中旱影響相差不大。

由圖3知，砂姜黑土中相同受旱處理下冬小麥產(chǎn)量均大于黃潮土，但干旱脅迫下，黃潮土返青-拔節(jié)期、拔節(jié)-抽穗期輕旱、中旱與拔節(jié)-抽穗期重旱減產(chǎn)率均小于砂姜黑土，可見在該生育階段黃潮土冬小麥相比砂姜黑土具有一定的抗旱能力；抽穗-乳熟期黃潮土受旱減產(chǎn)率均大于砂姜黑土，中旱和重旱非常顯著，可得該期間內(nèi)，砂姜黑土抗旱能力優(yōu)于黃潮土。

2.4 生育階段干旱脅迫對冬小麥WUE的影響

不同生育階段受旱影響下，冬小麥在砂姜黑土與黃潮土中的水分利用效率如圖4所示。

由圖4 可知，砂姜黑土抽穗-乳熟期WUE均高于其他處理組，其中重旱處理下的WUE最高，相比對照組高13.6%，輕旱次之，比對照組高10.4%，且該生育階段受旱冬小麥減產(chǎn)率較低，干旱影響較小，因此該期間可以進(jìn)行優(yōu)化節(jié)水灌溉；返青—拔節(jié)期輕旱、重旱和拔節(jié)-抽穗期重旱水分利用效率較小，均低于0.3 g/mm，且拔節(jié)—抽穗期隨著干旱水平加重，WUE逐漸減小，相比對照組分別減少2.4%、7.5%、13.3%，這主要由于拔節(jié)孕穗期干旱脅迫下耗水減少，小麥因嚴(yán)重缺水，導(dǎo)致生長緩慢、枯葉增加、干旱持續(xù)時(shí)間較長等因素，導(dǎo)致部分幼莖極早衰亡，從而使得小麥減產(chǎn)嚴(yán)重，因此導(dǎo)致WUE隨干旱加重逐漸降低；返青-拔節(jié)期中旱脅迫下WUE高于輕旱和重旱，主要是該生育階段干旱脅迫下耗水量與減產(chǎn)情況的差異。

黃潮土中冬小麥WUE最高值出現(xiàn)在拔節(jié)—抽穗期中旱處理組，最小值出現(xiàn)在返青—拔節(jié)期重旱處理組。返青—拔節(jié)期受旱會(huì)使得冬小麥水分利用效率低于對照組，重旱最為明顯，比對照組減少14.0%，拔節(jié)—抽穗期輕旱、重旱和抽穗—乳熟期輕旱相比對照組略有減小，分別降低了2.6%、3.3%、0.3%；拔節(jié)—抽穗期中旱和抽穗-乳熟期中旱、重旱略有增加，相比對照組分別增加了3.3%、1.0%、2.2%，抽穗—乳熟期各種處理下WUE均與對照組相差甚微，主要是該期間日照時(shí)間較長，造成蒸發(fā)較大，對耗水和產(chǎn)量均有較強(qiáng)的影響。其次，相同干旱脅迫下，砂姜黑土冬小麥水分利用效率均高于黃潮土，抽穗—乳熟期差值最顯著，且該生育階段黃潮土中冬小麥減產(chǎn)率均高于砂姜黑土，可見該生育階段干旱對黃潮土中冬小麥影響較為強(qiáng)烈，其余生育階段砂姜黑土與黃潮土重旱處理下WUE均小于輕旱、中旱及對照組，主要是此期間重旱影響導(dǎo)致冬小麥出現(xiàn)植株凋萎，耗水量受到嚴(yán)重影響，產(chǎn)量嚴(yán)重減少，使得WUE總體較低。

3 結(jié) 論

（1）兩種土壤冬小麥各生育階段受旱影響下，株高均小于對照組，重旱對株高的抑制作用最顯著，砂姜黑土返青—拔節(jié)期、拔節(jié)—抽穗期受旱對株高影響嚴(yán)重，拔節(jié)—抽穗期輕旱、中旱、重旱株高比對照分別偏低13.6%、18.5%、20.8%，且受旱對株高的抑制難以恢復(fù)；黃潮土拔節(jié)-抽穗期輕旱、中旱、重旱株高比對照分別偏低5.5%、6.7%、15.1%，且影響延續(xù)；收獲時(shí)黃潮土各處理株高均低于砂姜黑土，但干旱影響下，黃潮土受旱組株高基于對照組偏低水平均小于砂姜黑土。

（2）兩種土壤生育階段耗水量隨著干旱脅迫加重而減少，重旱影響減少趨勢最顯著，且單生育階段耗水量減少均會(huì)導(dǎo)致總體耗水量低于對照組，但黃潮土各處理減少水平均小于砂姜黑土。

（3）兩種土壤隨著干旱加重減產(chǎn)加劇，重旱減產(chǎn)最嚴(yán)重；砂姜黑土各處理產(chǎn)量均大于黃潮土，但黃潮土返青—拔節(jié)期、拔節(jié)—抽穗期輕旱、中旱與拔節(jié)—抽穗期重旱減產(chǎn)率均小于砂姜黑土，該生育階段黃潮土具有一定的抗旱能力，抽穗-乳熟期黃潮土受旱減產(chǎn)率均大于砂姜黑土，該期間砂姜黑土抗旱能力優(yōu)于黃潮土。

（4）砂姜黑土WUE均高于黃潮土，抽穗—乳熟期差距最顯著，該生育階段干旱對黃潮土冬小麥影響強(qiáng)烈，而砂姜黑土冬小麥該生育階段受旱減產(chǎn)率較低，干旱影響小，可以進(jìn)行優(yōu)化節(jié)水灌溉；其余生育階段砂姜黑土與黃潮土重旱處理WUE均小于輕旱、中旱及對照組。

冬小麥在不同干旱脅迫下耗水規(guī)律研究較為復(fù)雜，本文探討了單生育階段干旱脅迫影響，今后研究需要對多生育階段多階段連續(xù)干旱及組合干旱過程的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究。