干旱脅迫對冬小麥水分關鍵期的生理特性和物質(zhì)生產(chǎn)影響

張繼波，薛曉萍，李 楠，李鴻怡，張 磊，宋計平

（1.山東省氣候中心，山東 濟南250031；2.臨沂市氣象局，山東 臨沂276000；3.山東省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜與花卉研究所，山東 濟南250031）

山東省是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大省，2003 年以來，全省糧食總產(chǎn)實現(xiàn)了連續(xù)14 a 豐收，2016 年達到4.7×107噸，位列全國第三。在氣候變暖的大背景下，受季風氣候影響，山東省降水量年際變化大，年內(nèi)分布及空間分布極不均勻，各地干旱災害頻發(fā)，并以春旱最為嚴重[1]，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結構、種植制度和作物品種等產(chǎn)生重大影響[2,3]。開展水分關鍵期干旱脅迫對冬小麥生理特性及物質(zhì)生產(chǎn)影響的研究，可以明確干旱脅迫對冬小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量形成的影響機理，為保障冬小麥安全生產(chǎn)、科學防災減災提供技術支撐。

近年來，國內(nèi)外關于干旱對作物生長發(fā)育及光合特性影響的研究已有相關報道[4-7]。土壤水分的變化勢必引起作物生長發(fā)育和生理特性的響應，當作物遭受干旱脅迫時，作物體內(nèi)含水量下降，氣孔關閉，細胞膨壓遭到破壞，導致生長延伸受到抑制[8,9]。干旱脅迫會嚴重影響作物光合作用、礦質(zhì)元素代謝和次生代謝，導致活性氧積累，細胞膜損傷，葉綠素、蛋白質(zhì)和脂類物質(zhì)的降解，由此產(chǎn)生的丙二醛在某種程度上可作為判別細胞膜受損程度的指標[10-12]?？寡趸富钚院头N類隨干旱脅迫的增強而增加，而增加的程度因作物的種類有所不同[13]。此外，干旱脅迫還會加速葉片衰老、抑制植株光合作用，減緩干物質(zhì)積累及轉運，最終造成作物減產(chǎn)[14-16]。作物任何發(fā)育期遭受干旱脅迫均會對其發(fā)育進程產(chǎn)生影響，其中，營養(yǎng)生長階段水分虧缺會減緩葉片的生長速率并使得花期和生殖生長推遲，而生殖生長階段水分虧缺則會加速作物的成熟與衰老[17-19]。

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，干旱可能發(fā)生在作物的任何生長發(fā)育階段，而拔節(jié)期—孕穗期是冬小麥由冬前營養(yǎng)生長轉變?yōu)闋I養(yǎng)與生殖生長同時并進的時期，是決定冬小麥最終產(chǎn)量的關鍵時期[18]。本研究針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際，結合前人的研究成果，在臨沂設施農(nóng)業(yè)氣象試驗站水分控制場設計冬小麥水分關鍵期水分控制試驗，模擬不同水分處理下土壤水分變化規(guī)律，系統(tǒng)研究水分關鍵期冬小麥光合生理特性、抗氧化酶活性及產(chǎn)量結構對干旱脅迫的響應，以期為科學評估春季干旱對冬小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量形成的影響提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2016—2017 年和2017—2018 年冬小麥生長季內(nèi)在臨沂設施農(nóng)業(yè)氣象試驗站自動控制遮雨棚內(nèi)的水分控制場進行。水分控制場位于118°14′54″E、35°28′30″N，包括15 個試驗小區(qū)，南側4 m 處為3 個雨養(yǎng)對照小區(qū)，小區(qū)內(nèi)土壤均為砂壤，小區(qū)面積為16 m2（4 m×4 m）、深2 m，小區(qū)間距0.2 m，四周及底部水泥墻均做防水防滲處理，水分控制場地上部分安裝自動移動式遮雨棚，遮雨棚長23 m，寬14 m，高5 m，雨雪時將遮雨棚關閉棚遮蔽試驗小區(qū)，其余時段為自然光照，遮雨棚頂部及四周為透光率85%的陽光板，可保證雨雪天氣時作物最大限度接受散射光。供試材料為冬小麥品種“齊麥2 號”，2016—2017 年和2017—2018 年播期均為10 月8 日，播種方式為條播，密度為每平方米1000 株，播種后供水充分，保證出苗，除水分控制期間外其他時段均保證所有處理處于水肥條件適宜且一致。

在冬小麥水分關鍵期（拔節(jié)期～揚花期）設置5個梯度水分處理及1 個雨養(yǎng)對照，分別標記為T1、T2、T3、T4、T5 和CK，重復3 次，共18 個試驗小區(qū)，具體設計見圖1。冬小麥返青后隔天觀測發(fā)育期，逢8 進行人工測墑，進入拔節(jié)期前，將各處理20 cm 土壤相對濕度控制在60%左右，進入拔節(jié)期后參照臨沂地區(qū)冬小麥水分關鍵期（4 月1—30 日）常年降水量（約30 mm）設置T1、T2、T3、T4、T5 共5 個水分處理。其中，水分控制期間T1 處理維持在適宜水平（20 cm 土壤相對濕度80%左右），T2、T3、T4、T5 處理分別較水分關鍵期常年降水量減少20%、50%、75%、100%進行一次性補水，直至揚花期不再補水，揚花期后復水直至冬小麥成熟。

圖1 水分控制場試驗小區(qū)分布

不同水分處理下20 cm 土壤相對濕度變化情況見圖2。由圖2 可知，4 月1 日冬小麥進入拔節(jié)期，除CK 和T5 外，T1、T2、T3、T4 處理20 cm 土壤相對濕度均明顯上升，其中，T1、T2、T3 處理超過80%，T4處理超過70%；水分控制期間，氣溫回升，作物蒸騰和田間蒸散增強，除CK 和T1 外，T2、T3、T4、T5 處理20 cm 土壤相對濕度均顯著下降。根據(jù)土壤水分動態(tài)監(jiān)測干旱判別標準（表1），冬小麥揚花期時，T2、T3 處理達到輕度干旱，T4、T5 處理達到重度干旱。

圖2 不同水分處理20 cm 土壤相對濕度變化

表1 土壤水分動態(tài)監(jiān)測干旱判別標準

1.2 測定項目與方法

1.2.1 葉片光響應曲線測定

利用Li-6400 便攜式光合作用測定系統(tǒng)（Licor，USA），在晴天9：00—12：00 采用Li-6400-02B紅藍光葉室測定Pn-PAR 光響應曲線，各處理選擇功能葉片測定2 株。水分控制期間測定間隔為10 d，拔節(jié)期前、灌漿期和乳熟期擇期分別測定1 次。

通過開放式氣路，設定溫度為25 ℃，大氣CO2濃度（Ca）為400 μmol/mol，設定光強梯度為1800、1600、1400、1200、1000、800、600、400、350、300、200、150、100、50、20、0 μmol··。測定葉片在每一光強下的凈光合速率（，μmol··）、氣孔導度（Gs，mmol··）、胞間濃度（Ci，μmol/mol）等光合參數(shù)，計算氣孔限制值（Ls）=1-Ci/Ca。

用直角雙曲線模型在SPSS15.0 中對各處理的光響應曲線進行擬合，得到光飽和時的最大光合速率（）、表觀量子效率（），直角雙曲線模型[20]表達式如下：

1.2.2 保護酶活性及丙二醛（MDA）含量測定

水分控制期間，在9：00—10：00 選取長勢均勻植株頂端以下的第5～8 位葉片，采摘后用液氮速凍，然后保存于-40 ℃超低溫冰箱，在山東省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜與花卉研究所實驗室內(nèi)完成各項酶活性的測定，取樣頻次與光響應曲線測定同步。采用氮藍四唑法測定超氧化物歧化酶（SOD）活性，采用愈創(chuàng)木酚顯色法測定過氧化物酶（POD）活性，采用紫外分光光度計測定過氧化氫酶（CAT）活性，采用硫代巴比妥酸法測定MDA 含量[21]。

1.2.3 灌漿速率測定

冬小麥進入灌漿期后，各處理分別選取1 m 樣段進行麥穗取樣，計算麥穗數(shù)量，并測定鮮重、干重，之后間隔10 d、20 d 分別測定一次，計算得到灌漿速率。

1.2.4 產(chǎn)量結構測定

冬小麥成熟后，各處理均勻選取樣株進行收獲，晾曬后室內(nèi)考種，考種項目包括穗粒數(shù)、千粒重等，測定其理論產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003 進行整理，SAS 9.0 進行方差分析，采用鄧肯新復極級差法分析不同處理間顯著差異。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對冬小麥葉片光合特性的影響

水分控制期間，除T1 外，其他各處理土壤相對濕度不同程度降低，干旱脅迫逐漸增強，葉片氣孔關閉以減少蒸騰作用造成的水分散失，進而阻礙CO2進入葉片，對冬小麥葉片光合作用產(chǎn)生影響。水分控制期間冬小麥葉片光合生理參數(shù)變化顯著（圖3）。由圖3 可知，飽和光強下，冬小麥葉片、Gs、Ci 均隨干旱脅迫的加劇呈降低趨勢，干旱脅迫持續(xù)時間越長，、Gs 降低幅度越大，水分處理28 d 后，T2、T3、T4、T5 處 理、Gs 分 別 較T1 降 低76.6%～90.0%和70.8%~96.7%，均達到顯著水平，T5 處理Pmax、Gs 降低幅度均最大。T2、T3 處理冬小麥葉片Pmax、Gs、Ci 均隨干旱脅迫的加劇而降低，Ls 升高，Ci和Ls 變化趨勢相反，氣孔因素是輕度干旱脅迫下冬小麥葉片光合速率降低的主要原因；飽和光強下，Ls隨干旱脅迫的加劇呈升高趨勢，水分處理13 d 后，T4、T5 處理Ci 升高，Ls 降低，重度干旱脅迫下導致冬小麥葉片光合速率降低的主要原因是非氣孔因素。

圖3 不同水分處理對冬小麥葉片光合生理參數(shù)的影響

揚花期冬小麥葉片光響應曲線對干旱脅迫的響應見圖4。由圖4 可知，不同水分處理下冬小麥葉片光合速率隨光照強度的增強均呈上升趨勢，并在光飽和點達到最大值，隨著光照強度進一步增強，T2、T3、T4、T5 處理冬小麥葉片光合速率均出現(xiàn)不同程度降低，T5 處理降低幅度最大，降幅達87.6%，T4 處理次之，T2 處理最小，降幅為36.7%。干旱脅迫下冬小麥葉片出現(xiàn)“光抑制”現(xiàn)象，且隨干旱脅迫的加劇而加重。

圖4 不同水分處理對揚花期冬小麥葉片光響應曲線的影響

2.2 干旱脅迫對冬小麥葉片抗氧化酶和丙二醛含量的影響

不同水分處理下SOD 酶、POD 酶、CAT 酶活性及MDA 含量的變化情況見圖5。由圖5 可知，T2、T3處理冬小麥葉片SOD 酶、POD 酶、CAT 酶活性均呈上升趨勢，均在水分處理后15 d 達到最大，分別為410.0 U·g-1·min-1、395.0 U·g-1·min-1、18.6 U·g-1·min-1和463.0 U·g-1·min-1、451.0 U·g-1·min-1、19.9 U·g-1·min-1，復水后能夠恢復至正常水平；隨著干旱脅迫的加劇，T4、T5 處理冬小麥葉片SOD 酶、POD 酶、CAT酶活性則呈先上升后降低的趨勢，同樣在水分處理第15 日達到最大，分別為547.0 U·g-1·min-1、520.0 U·g-1·min-1、22.0 U·g-1·min-1和616.0 U·g-1·min-1、572.0 U·g-1·min-1、23.4 U·g-1·min-1，均顯著高于T2、T3 處理，復水后緩慢降低，無法恢復至正常水平。干旱脅迫下，T2、T3、T4、T5 處理MDA 含量均呈上升趨勢，復水后T2、T3 處理MDA 含量基本可以恢復至正常水平，而T4、T5 處理無法恢復至正常水平，重度干旱脅迫導致冬小麥葉片抗氧化酶系統(tǒng)遭受不可逆損傷。

2.3 干旱脅迫對冬小麥灌漿速率和產(chǎn)量結構的影響

隨著干旱脅迫的加劇，冬小麥灌漿速率顯著降低（圖6）。T1 處理和CK 由于前期水分充足，冬小麥灌漿充分，灌漿速率分別為0.049 g/d 和0.041 g/d，單穗干物質(zhì)重差異不顯著；T2、T3 處理灌漿速率分別為0.038 g/d 和0.032 g/d，單穗干物質(zhì)重分別較T1 減少40.4%和20.7%，T4、T5 處理灌漿極不充分，單穗干物質(zhì)重分別較T1 減少64.1%和70.0%，這可能由于干旱脅迫導致冬小麥無法正常授粉造成的。

圖5 不同水分處理對冬小麥葉片抗氧化酶和丙二醛含量的影響

圖6 不同水分處理對冬小麥灌漿速率的影響

隨干旱脅迫的加劇，冬小麥穗粒數(shù)、千粒重、理論產(chǎn)量均呈下降趨勢，而不孕小穗率則呈升高趨勢（圖7）。由圖7 可知，T1 處理冬小麥不孕小穗率僅為2.0%，CK 與T1 幾乎無差異，T2、T3 處理和T4、T5 處理不孕小穗率分別超過10.0%和30.0%，均顯著高于T1 處理。T1 處理和CK 穗粒數(shù)分別為43.2個和45.3 個，差異不顯著，而T2、T3、T4、T5 處理穗粒數(shù)則均顯著低于T1 處理，分別較T1 處理降低17.1%、30.3%、51.6%和56.7%，其中，T4、T5 處理間差異不顯著。由于灌漿不充分，T4、T5 處理千粒重均顯著小于T1 處理，分別較T1 處理降低10.6%和11.8%，而T2、T3 處理千粒重則與T1 處理相差不大。干旱脅迫對冬小麥理論產(chǎn)量造成不可逆的影響，T2、T3、T4、T5 處理理論產(chǎn)量均顯著低于T1 處理，T1 處理理論產(chǎn)量為8 326.5 kg/hm2，而T2、T3 處理為6 228.0 kg/hm2和5 418.0 kg/hm2，分別較T1 減少25.2%和34.9%，T4、T5 處理為4 264.5 kg/hm2和3 616.5 kg/hm2， 分 別 較T1 處 理 減 少48.8%和56.6%。

3 結論

（1）干旱脅迫顯著降低冬小麥葉片光合速率，輕度干旱脅迫和重度干旱脅迫下冬小麥葉片光合速率的降低分別是由氣孔因素和非氣孔因素造成的。干旱脅迫會造成冬小麥出現(xiàn)“光抑制”現(xiàn)象，干旱脅迫越重，“光抑制”越重。

（2）干旱脅迫下冬小麥葉片抗氧化酶系統(tǒng)的紊亂是造成葉片光合速率降低的內(nèi)在因素，隨干旱脅迫的加劇，冬小麥葉片SOD、POD 和CAT 酶活性先升高后降低，當干旱脅迫達到重度時，SOD、POD 和CAT 酶活性受到抑制，MDA 含量顯著升高，對冬小麥葉片膜系統(tǒng)造成不可逆損傷，冬小麥葉片光合能力顯著降低。

（3）水分關鍵期干旱脅迫造成冬小麥灌漿速率、穗粒數(shù)、千粒重、理論產(chǎn)量均顯著降低，且干旱脅迫越重，降低幅度越大；而不孕小穗率則呈升高趨勢。

4 討論

圖7 不同水分處理對冬小麥產(chǎn)量結構的影響

光合作用是作物干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的基礎[22]。干旱脅迫對作物葉片光合參數(shù)的影響與葉片氣孔的開放程度有關，作物遭受干旱脅迫時，首先通過關閉葉片氣孔以減少蒸騰作用，進而阻止CO2進入葉片，從而對葉片光合作用產(chǎn)生影響。干旱脅迫下冬小麥葉片光合速率顯著降低，且隨干旱脅迫的加劇降低幅度增大，而光合速率降低的原因卻有所不同，干旱脅迫下氣孔因素和非氣孔因素是造成冬小麥葉片光合速率降低的主要原因，Ci 和Ls 對干旱脅迫的響應是判斷造成冬小麥葉片光合速率降低原因的主要依據(jù)[14,21,23]。

干旱脅迫下，冬小麥葉片PSⅡ的活性降低、活性氧積累，造成冬小麥葉片細胞膜脂過氧化程度升高，進而對冬小麥代謝過程產(chǎn)生影響。本研究表明：干旱脅迫會誘導冬小麥葉片SOD 酶、POD 酶和CAT 酶活性升高，進而降低MDA 含量，減輕干旱脅迫對冬小麥葉片PSⅡ的影響；隨著干旱脅迫的加劇，重度干旱脅迫下冬小麥葉片SOD 酶、POD 酶和CAT 酶活性受到抑制， 無法清除葉片內(nèi)過多的MDA，導致冬小麥葉片膜系統(tǒng)遭受不可逆的破壞，冬小麥葉片光合能力顯著降低，這與張仁和等[10]的研究結論基本一致。

干旱脅迫是限制冬小麥產(chǎn)量提高的主要因素之一[24]。干旱脅迫下冬小麥授粉不充分，灌漿期縮短，灌漿速率、千粒重顯著降低，不孕小穗率升高，進而導致冬小麥減產(chǎn)。本研究表明：干旱脅迫下T2、T3處理冬小麥灌漿速率分別較T1 處理降低22.4%、34.7%，而T4、T5 處理較T1 處理降低超過50%，嚴重制約了冬小麥的產(chǎn)量提高。理論產(chǎn)量是預估冬小麥實際產(chǎn)量的有效手段，T2、T3、T4、T5 處理冬小麥理論產(chǎn)量僅為T1 處理的74.8%、65.1%、51.2%和43.4%，隨干旱脅迫的加劇，冬小麥產(chǎn)量降低越顯著，這可能是由于干旱脅迫下植株體內(nèi)激素平衡遭到破壞造成的[24-25]。

通過研究水分關鍵期干旱脅迫對冬小麥葉片光合生理、抗氧化酶活性及產(chǎn)量結構的影響，探討干旱脅迫對冬小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量形成的影響機理，為明確干旱脅迫下冬小麥的致災機理、災損評估及應災減災提供依據(jù)，今后仍應進一步開展不同發(fā)育期干旱脅迫對冬小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量結構影響的研究。