滴灌冬小麥抽穗期旗葉對水分的生理響應

李國治，李 伊，滿本菊，崔 靜

(石河子大學農(nóng)學院，新疆 石河子 832003)

小麥種植面積在我國約為3 000 hm2，其植面積占世界的13.3%左右，產(chǎn)量是世界總產(chǎn)量的19%[1]，抽穗期是決定小麥穗粒數(shù)的關鍵時期，此時期的干旱脅迫對小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響在生理變化上也有一系列的反映[2]。研究表明，小麥在抽穗期如果發(fā)生干旱脅迫會導致葉片提前衰老[3]，葉綠素含量發(fā)生一系列的變化[4]，旗葉的葉綠素含量降低，導致產(chǎn)生的光合產(chǎn)物減少，并且會導致穗粒數(shù)顯著降低，最終導致產(chǎn)量明顯下降[5-7]。單長卷[8]等研究表明在揚花期，隨水分脅迫程度的增強，旗葉葉綠素含量降低，脯氨酸含量、可溶性糖含量均增加。丙二醛(MDA)是細胞膜脂過氧化的產(chǎn)物，是檢驗對植物不利環(huán)境下質(zhì)膜受到破損程度大小的一個重要指標。張雅倩、肖凱與單長卷[9,10]等人研究表明MDA含量隨脅迫程度的加重而增加升高，進而造成植物代謝紊亂，影響葉片光合作用，最終導致產(chǎn)量下降。郭瑞等[11]認為在水分脅迫下冬小麥可以積累更多的脯氨酸，幫助平衡植物液泡中的滲透壓和保護植物中的大分子物質(zhì)，提高抗旱性。在孕穗期脯氨酸和可溶性糖均有不同程度的提高[12]。黃正金等研究表明輕度干旱脅迫影響粒重形成，導致產(chǎn)量下降21%，中度干旱脅迫導致每穗粒數(shù)和粒重降低，使產(chǎn)量下降40%[13]。

綜上所述，前人已經(jīng)對干旱脅迫下小麥旗葉的生理特性進行了大量的研究，但大多研究結(jié)論都是針對傳統(tǒng)淹灌條件下的，在新疆綠洲灌溉區(qū)，針對滴灌條件下水分對冬小麥生理特性影響的研究以及結(jié)合土壤水勢對其量化的相關研究相對較少，有關滴灌冬小麥不同生育時期不同水分處理的補償效應和生理響應研究尚不清楚。因此，本文在滴灌條件下，通過設置水分調(diào)控試驗，從葉片生理角度定量分析抽穗期葉片對水分的生理響應，以期明確冬小麥缺水后產(chǎn)生的補償效應，旨在為新疆滴灌冬小麥節(jié)水管理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地基本情況

試驗于2016-2017年在石河子大學試驗站進行，石河子地處東經(jīng)86°03′,北緯45°19′，海拔高度為440 m，屬于典型的大陸性氣候，年平均氣溫8.7 ℃ ，無霜期為168～171 d，年降雨量為180～270 mm，年蒸發(fā)量為1 560 mm。試驗田地下水埋深大于5 m，土壤質(zhì)地為砂壤土，耕層土壤全氮0.72 g/kg，速效磷0.32 g/kg，速效鉀0.23 g/kg，堿解氮0.06 g/kg，pH值為7.1，土壤有機質(zhì)0.025 g/kg，耕層土壤容重1.32 g/cm3。

1.2 試驗設計

選擇新冬22號(奎屯農(nóng)科所選育)和新冬43號(新疆農(nóng)墾科學院作物研究所選育)為供試品種。所有處理人工條播，播種量為525 萬粒/hm2，采用15cm等行距種植，毛管配置為1管4行，小區(qū)面積為5 m×8 m=40 m2。全生育期基施尿素150 kg/hm2(純氮素>46%)、磷酸二胺375 kg/hm2(純氮素>18%,P2O5>46%)，追施尿素450 kg/hm2(純氮素>46%)，分別在越冬期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、灌漿期按照10%、30%、20%、30%、10%的比例隨水滴施。追施磷酸二氫鉀60 kg/hm2(P2O5>24%,K2O>27%)，分別于拔節(jié)期和抽穗期均勻滴施。設置5個灌水處理，225 mm(W1)、375 mm(W2)、525 mm(W3)、675 mm(W4)，825 mm(W5)，整個生育期灌水10次，播種后各處理滴出苗水60 mm，冬前灌越冬水90 mm，各處理從返青后開始進行水分處理，返青至拔節(jié)共灌水8次，每10 d灌一次，分別灌水9.38、28.13、46.88、65.63、84.38 mm。用水表控制灌量見表1。

表1 不同灌溉處理 mmTab.1 Different irrigation amount in the plot experiments

1.3 測定項目與方法

(1)土壤含水量的測定。分別在冬小麥抽穗期灌水前24 h、灌后24 h、灌后48 h、灌后72 h用Watermark (200SS-5型土壤濕度傳感器)張力計監(jiān)測土壤墑情．傳感器的位置水平方向安裝在距離滴灌帶15 cm處。垂直方向分別安裝在0～20、20～40和40～60 cm處。Watermark測定范圍為-200～0 kPa，該值可以反映土壤水分狀況，0 kPa 表示土壤處于飽和含水量狀態(tài)，-200 kPa 表示土壤極度干旱。

(2)部分生理指標測定方法。在抽穗期，各處理復水歷時-24、24、48、72 h 4個時間段，用剪刀剪取植株上的旗葉，一部分直接拿回實驗室測葉片葉綠素含量，另一部分保存在液氮中帶回實驗室測丙二醛、可溶性糖、脯氨酸等4個指標。采用硫代巴比妥酸法測定MDA含量；采用蒽酮比色法測定可溶性糖的含量；采用磺基水楊酸浸提-酸性茚三酮顯色法測定脯氨酸含量。丙二醛含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量測定參照文獻[14]。

(3)葉綠素含量的測定。取新鮮冬小麥旗葉葉片，擦干凈葉片表面污物，剪碎、搖勻，取0.1 g放入25 mL容量瓶中加混合浸提液(無水乙醇∶丙酮=5∶5)20 mL，放在黑暗條件下，浸泡至葉片發(fā)白，用浸提試劑定容至25 mL，搖勻備用，把葉綠體色素提取液倒入1 cm光徑的比色皿內(nèi)，以浸提試劑為空白測定吸光度值，選擇波長663和646 nm。

葉綠素含量=(C葉綠素a+C葉綠素b)×提取液總量/(葉片重量×1 000)

(1)

C葉綠素a=12.1OD663-2.81OD646

(2)

C葉綠素b=20.13OD646-5.03OD663

(3)

式中：C葉綠素a為葉綠素a的濃度；C葉綠素b為葉綠素b的濃度；OD663為UV-200分光光度計在663 nm下的吸光度值；OD646為UV-5200分光光度計在646 nm下的吸光度值。

(4)補償指數(shù)。補償指數(shù)(Cj)指各指標在脅迫解除后與對照相比的恢復程度，可反映冬小麥補償效應的大小。計算公式為:

Cj= (Xr-XCK)/XCK

(4)

式中:Xr為當脅迫解除后各指標實測值；XCK為對照處理各指標實測值。

若Ci大于0則存在補償現(xiàn)象，若Cj小于0則說明某項指標在脅迫解除后不存在補償現(xiàn)象[15]。本試驗以W5為對照，計算 W1、W2 、W3、W4處理各生理指標的補償指數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

采用SPASS19.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和Microsoft Excel 2010、SigmaPlot12.5進行數(shù)據(jù)處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分處理土壤水勢分布

以非常適合作物生長的土壤水勢，即土壤水勢為-40 kPa,作為土壤含水量上限。土壤非常干燥，作物難以從土壤中取得水分，應以立即施予灌溉的土壤水勢，即土壤水勢為-80 kPa，作為含水量下限。在小麥抽穗期兩品種不同處理間各層土壤水勢均表現(xiàn)為W5>W4>W3>W2>W1，但不同土層間的波動性存在一定的差異性，0～20 cm土層變化最為劇烈，20～40 cm次之，40～60 cm土層波動最小。0～40 cm土層土壤水勢各處理在灌水前后的變化呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。其中，0～20 cm土層土壤水勢灌后24 h 5個灌水處理均能恢復到-48 kPa以上，灌后72 h，除了新冬43號W1，新冬22號W1、W2處理土壤水勢表現(xiàn)為低于灌前水平，其他各處理均表現(xiàn)為高于灌前水平。表明在小麥抽穗期，灌溉對0～20 cm土層的恢復效果最好，但恢復持續(xù)的時間隨著灌量的減少而不斷降低，新冬43號的W1處理，新冬22號的W2處理，在灌后72 h該土層均開始出現(xiàn)水分供不應求的現(xiàn)象。20～40 cm土層灌后24 h，W4、W5處理均能恢復到-40 kPa以上，W2、W3也能恢復到-80 kPa以上，而W1處理灌后恢復的最少，只能恢復至-140 kPa，主要是由于植株對該層的土壤水分消耗過多，而較少的灌量能夠補充的有限所致。灌后72 h，除了新冬43號與新冬22號W1、W2處理土壤水勢表現(xiàn)為低于灌前水平，其他各處理均表現(xiàn)為高于灌前水平。表明在該土層W2處理開始出現(xiàn)供水不足的現(xiàn)象。這是根系吸收消耗較多和灌溉恢復較少共同作用的結(jié)果。40～60 cm土層兩品種除了W4，W5處理土壤水勢表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢，其他3個處理均沒有明顯波動，其中W3處理的土壤水勢跟20～40 cm土層灌后24 h的土壤水勢持平，而W1、W2除了土壤水勢均低于20～40 cm土層灌后72 h的土壤水勢。表明在該時期，低于W2水平的灌量對40～60 cm土層沒有恢復能力，且在該土層也出現(xiàn)了水分的過度消耗情況。通過分析小麥抽穗期0～60 cm土層灌溉前后土壤水勢的變化發(fā)現(xiàn)，W1和W2處理在各個土層均表現(xiàn)出不同程度的過度消耗，因此在該時期為避免土壤水分的供不應求，灌前20～40 cm土層土壤水勢應不低于-85.5 kPa；40～60 cm土層土壤水勢應不低于-68 kPa，如圖1所示。

2.2 不同水分處理對冬小麥旗葉生理特性的影響

2.2.1 不同水分處理冬小麥旗葉葉綠素的變化

由圖2可知，兩品種冬小麥葉綠素含量隨著復水時間的推移，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，復水前后各處理葉綠素含量均隨著滴水量的增加呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，處理間表現(xiàn)為W5>W4>W3>W2>W1。滴水前和復水72 h后，W1與W2之間，W3、W4、W5處理間均表現(xiàn)為差異不顯著，但W3、W4、W5顯著高于W1和W2。復水24和48 h后，W1和W2處理之間葉綠素含量差異顯著,W3處理的葉綠素含量顯著高于W1和W2，但顯著低于W4與W5。由此可知，在一定范圍內(nèi)增加灌量有利于葉綠素含量的恢復，但超過特定范圍，即使繼續(xù)增加灌量葉綠素的恢復能力也不會繼續(xù)增加。本研究中超過W3處理的灌量，即當20～60 cm土層土壤水勢超過-85.5～-68.0 kPa時，葉綠素的恢復能力不會持續(xù)增加。

2.2.2 不同水分處理冬小麥旗葉丙二醛的變化

由圖3可知，兩品種冬小麥丙二醛含量隨著復水時間的推移，呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，復水前后各處理丙二醛含量均隨著滴水量的增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，處理間表現(xiàn)為W1>W2>W3>W4>W5。滴水前24 h和復水72 h后，W1與W2之間，W3、W4、W5處理間均表現(xiàn)為差異不顯著，但W3、W4、W5顯著低于W1和W2。復水24和48 h后，W1和W2處理之間丙二醛含量差異顯著,W3處理的葉綠素含量顯著低于W1和W2，但顯著高于W4與W5。由此可知，在一定范圍內(nèi)增加灌量有利于降低葉片丙二醛含量，但超過特定范圍，即使繼續(xù)增加灌量丙二醛的恢復能力也不會繼續(xù)增加。本研究中超過W3處理的灌量，即當20～60 cm土層土壤水勢超過-85.5～-68.0 kPa時，丙二醛的恢復能力不會持續(xù)增加。在抽穗期不同水分脅迫下均會使冬小麥葉片中的丙二醛含量升高進而導致葉片的膜脂的過氧化作用加重并且水分脅迫程度越嚴重，膜系統(tǒng)受到的破壞就越大?？傮w上，新冬22號丙二醛的含量高于新冬43號，表明新冬43號品種抗旱能力較新冬22號要強。

2.2.3 不同水分處理冬小麥滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的變化

由圖4可知，小麥葉片中可溶性糖的含量隨滴水量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，各處理間表現(xiàn)為W3>W4>W5>W2>W1，滴水前后W3均顯著高于其他各處理，W4與W5之間差異不顯著，W1與W2之間，新冬22號品種滴水前處理間差異不顯著，復水24 h以后處理間差異顯著，新冬43號品種滴水前后兩處理間差異性與之相反。表明在一定范圍內(nèi)增加灌量有利于可溶性糖的恢復，其中W3恢復最快，但繼續(xù)增加灌量可溶性糖合成受到抑制，對其恢復意義不大，而在低水條件下，可溶性糖的恢復存在一定的品種差異性。由此可知在一定范圍內(nèi)增加灌量有利于可溶性糖的恢復，但繼續(xù)增加灌量對于可溶性糖的恢復意義不大；本研究中超過W3處理的灌量，即當20～60 cm土層土壤水勢超過-85.5～-68.0 kPa時，可溶性糖的恢復能力不會持續(xù)增加。

圖3 不同水分狀況下冬小麥丙二醛含量Fig.3 Malondialdehyde content of winter wheat under different water treatment conditions

冬小麥葉片脯氨酸的含量在滴水前，隨滴水量增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，即各處理間表現(xiàn)為W1>W2>W3>W4>W5，兩品種W3、W4、W5之間均差異不顯著，W1、W2之間新冬22號差異不顯著，新冬43號品種差異顯著，且新冬43號脯氨酸的含量顯著高于新冬22號。與滴水前相比，復水后脯氨酸含量顯著增加，兩品種在復水后24 h至72 h脯氨酸含量變化不明顯。表明在不同水分脅迫下，冬小麥體內(nèi)的蛋白質(zhì)正常合成受到遏制，使得脯氨酸含量升高，復水后冬小麥的蛋白質(zhì)合成得到恢復，處理W3的恢復速度最快，表明較高和較低的灌量均不適宜脯氨酸的恢復。由此可知，在一定范圍內(nèi)增加灌量有利于脯氨酸的恢復，但繼續(xù)增加灌量對于脯氨酸的恢復意義不大；本研究中超過W3處理的灌量，即當20～60 cm土層土壤水勢超過 -85.5～-68.0 kPa時，脯氨酸的恢復能力不會持續(xù)增加。

圖4 不同水分狀況下冬小麥滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量Fig.4 The content of solube sugar and proline of winter wheat under different water treatment conditions

2.3 不同水分處理冬小麥各生理指標補償系數(shù)的變化

補償指數(shù)可以準確的用來量化不同水分脅迫下作物復水后的補償效應，當水分脅迫消失后，植物的補償效應既有其內(nèi)在的生理機制，而又同時受外界因素的干擾，總的來說植物的補償效應主要與脅迫時間和脅迫強度有關[16]。不同程度水分脅迫復水后冬小麥各生理指標的補償指數(shù)有明顯差異(圖5)。兩品種葉綠素復水至72 h后并未發(fā)生補償效應且各處理間的補償效應為W4>W3>W2>W1，表明葉綠素在干旱后植物很難再恢復；丙二醛復水至72 h后均發(fā)生補償效應且各處理間的補償效應為W1>W2>W3>W4，表明丙二醛的恢復能力隨水分虧缺的程度而增強；可溶性糖與脯氨酸的W1、W2處理在復水后24 h至72 h均沒有發(fā)生補償效應。兩品種可溶性糖的W3、W4處理均在復水24 h后發(fā)生補償效應，但脯氨酸在復水48 h后才發(fā)生補償效應，且處理間的補償效應為W3>W4 >W2>W1，表明脯氨酸在復水后恢復需要一段時間，其恢復具有一定的滯后性。

圖5 不同水分狀況下冬小麥各指標的補償指數(shù)Fig 5 Compensation index of winter wheat indexes under different water treatment conditions.

3 討 論

抽穗開花期是小麥的需水臨界期，該時期受到水分脅迫往往會導致小麥植株內(nèi)生理代謝失去平衡代謝紊亂，從而影響小麥的生長發(fā)育、產(chǎn)量降低。研究表明植物葉片葉綠素含量不僅可以衡量植物的光合能力而且也可以反映出植物的抗逆能力[17]。孫巖等[18]研究表明在抽穗開花期葉綠素的含量隨干旱脅迫程度的增加而減少。本研究中，滴水前冬小麥葉綠素的含量隨滴水量的增加而呈現(xiàn)上升的趨勢且處理W3、W4、W5之間差異不顯著這與單長卷等關于在冬小麥楊花期研究結(jié)果一致。補充灌溉后，各處理的葉綠素含量均有所上升，但從補償指數(shù)來看，處理W1、W2、W3和W4均未產(chǎn)生補償效應，表明在干旱缺水后復水后的各個水分處理即使補充灌溉葉綠素也不能恢復到原來的水平。

研究表明水分脅迫會導致質(zhì)膜的過氧化作用從而使質(zhì)膜受到損害，導致其通透性明顯增加[19]膜脂過氧化的最終產(chǎn)物通常認為是MDA，并且MDA是反應逆境條件下質(zhì)膜受破損程度的一個重要指標[20]。本研究中，滴水前MDA的含量隨滴水量的增加而減小，此研究結(jié)果與梁新華等關于甘草根系MDA含量隨水分脅迫程度增強而增加的結(jié)論一致，補充灌溉后，雖然各處理的MDA含量均有所下降，從補償系數(shù)來看，兩品種的W1、W2、W3和W4處理均發(fā)生補償效應，表明植株在各處理水分灌溉條件下補充灌溉后可在一定程度上對受損的膜系統(tǒng)進行修復從而提高組織細胞的保護能力進而提高產(chǎn)量。

在水分脅迫時植物為適應這種不利的環(huán)境自身細胞會積累一些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)包括脯氨酸、可溶性糖等[21]。并且抗旱的能力越強，其積累的含量也越多[22,23]。本研究中，新冬43的脯氨酸和可溶性糖的含量均明顯高于新冬22號，這可能因為新冬43號品種的抗旱性要強于新冬22號。冬小麥旗葉脯氨酸的含量隨滴水量的增加而減少這與張軍等在拔節(jié)期脯氨酸的含量隨干旱脅迫程度增強而增加結(jié)果一致[24]，冬小麥旗葉可溶性糖含量隨滴水量的增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢這一結(jié)果與李陽陽等對干旱脅迫下甜菜的可溶性糖的研究結(jié)果一致。與滴水前相比，復水后，各處理葉片的脯氨酸含量和可溶性糖的含量均顯著增加，其中W3增加量最多。從補償系數(shù)來看，W3與其他處理相比復水后激發(fā)冬小麥旗葉的可溶性糖含量和脯氨酸含量產(chǎn)生的補償效應最強。

4 結(jié) 語

相同灌量條件下，土壤水勢的恢復能力表現(xiàn)為0～20 cm土層最好，20～40 cm次之，40～60 cm最弱。不同灌量條件下，超過W3灌量的處理均能恢復的較好，而低于W3灌量的W1、W2處理則表現(xiàn)出水分的過度消耗，為避免在小麥抽穗期發(fā)生土壤水分的過度消耗，20～40 cm土層土灌前壤水勢應不低于-85.5 kPa，40～60 cm土層灌前土壤水勢應不低于-68.0 kPa；不同的生理指標對水分的敏感度不同，各指標表現(xiàn)為丙二醛>可溶性糖>脯氨酸>葉綠素；不同土壤水分條件下，可溶性糖、脯氨酸等生理指標均在W3處理下產(chǎn)生的補償效應最大，其中脯氨酸會有一定的滯后性。因此建議在小麥抽穗期，20～60 cm土層距離滴灌帶15 cm土壤水勢灌前應維持在-85.5～-68.0 kPa。