開花期復水對受旱冬小麥葉片狀態(tài)和產(chǎn)量結構的補償效應?

江夢圓，薛曉萍，楊再強，趙 紅，董智強，徐 祎，鄒俊麗

（1．江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室/南京信息工程大學，南京 210044；2．山東省氣候中心，濟南 250031；3．泰安農(nóng)業(yè)氣象試驗站，泰安 271000）

在全球氣候變暖、極端氣候事件趨多且增強的大背景下，中國區(qū)域降水和河川徑流變化波動明顯增大，干旱發(fā)生頻率和程度日漸嚴重，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴重影響[1-2]。近年來，水分虧缺給中國北方冬小麥生產(chǎn)帶來一定困擾，所造成的減產(chǎn)超過其它農(nóng)業(yè)生產(chǎn)限制因素的總和[3]，直接影響小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國家糧食安全。

作物葉片是光合作用的場地，直接影響光合產(chǎn)物的形成、轉運和向籽粒分配積累能力，是制約作物產(chǎn)量的重要器官。以往研究表明，干旱脅迫導致植株體內(nèi)缺水，影響光合和蒸騰作用，從而制約植株和葉片的生長發(fā)育，且脅迫程度越嚴重對其抑制作用越強[4]。葉片受到干旱脅迫時，細胞膜系統(tǒng)嚴重受損，光合器官結構與功能被破壞，細胞內(nèi)物質和能量代謝失調(diào)，葉綠素合成受到抑制，脅迫嚴重時會顯著加快葉綠素的分解[5]。水分虧缺對作物生長的影響主要表現(xiàn)在減弱細胞擴張，但相關研究發(fā)現(xiàn)，適度的水分脅迫有利于提高作物植株整體的抗旱能力[6]，甚至在復水后產(chǎn)生超補償效應[7-8]。Acevedo等[9]指出，作物干旱脅迫-復水的響應方式是在脅迫解除后存在短暫的快速生長，補償脅迫期間的部分損失，主要表現(xiàn)為生長補償、生理生化補償、代謝及產(chǎn)量的補償?shù)萚10]。劉曉英等[11]發(fā)現(xiàn)冬小麥遭受不同程度的水分脅迫，復水后對葉面積存在明顯補償效應，但該補償效應不足以使產(chǎn)量恢復至對照水平。陳曉遠等[12]研究了不同發(fā)育期復水對受旱冬小麥的補償效應，發(fā)現(xiàn)拔節(jié)期復水的補償作用最大，開花期復水次之，分蘗期復水最小。有研究指出早期輕度虧水可優(yōu)化小麥籽粒灌漿過程，增加穗粒數(shù)和千粒重[13]，實現(xiàn)高產(chǎn)的目的；但發(fā)育期后期的干旱會降低籽粒灌漿速率和持續(xù)時間，復水后產(chǎn)量均表現(xiàn)為低補償效應[14-15]。

關于冬小麥干旱響應機制和復水的補償效應已有不少研究，處理方式主要是作物某一生育期維持某一強度的土壤干旱，生育期后期復水，研究目標大多集中于冬小麥光合特性、生理生化指標及物質分配等方面[16-18]，而關于干旱發(fā)生發(fā)展對冬小麥葉片狀態(tài)和產(chǎn)量結構影響及復水補償效應的研究報道尚不多見。本研究擬通過拔節(jié)-開花期不同強度干旱發(fā)生發(fā)展及復水模擬試驗，分析復水對不同強度干旱條件下冬小麥葉片狀態(tài)和產(chǎn)量結構的補償效應，以期為北方冬小麥高效水分利用提供理論依據(jù)，為農(nóng)業(yè)防災減災和保障糧食安全生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018年10月-2019年6月在泰安農(nóng)業(yè)氣象試驗站（35.97°N，117.26°E）控水試驗場進行，選用“濟麥22”為供試材料，該品種為超高產(chǎn)廣適小麥，具有良好的抗病、抗逆性，且適應性強[19]。試驗站所在地年平均、最高和最低氣溫分別為15.1℃、33.9℃和-6.4℃，年平均降水量約700mm，年日照時數(shù)約2200h。試驗期間無重大氣象災害和病蟲害現(xiàn)象發(fā)生，冬小麥全生育期主要氣象要素變化情況見圖1。

圖1 試驗期間田間氣象要素逐日變化Fig.1 Variations of daily meteorological elements during the field experimental period

控水試驗場設有自動移動式遮雨棚，南北走向，頂高5.2m，跨度14m，長70m。遮雨棚頂部及四周均采用透光率為85%的陽光板，可保證雨雪天氣條件下作物能最大限度接受散射光，以保證所有試驗處理只改變土壤水分單一因子。小區(qū)面積為4m×4m，深度2m，底部和四周均已做防滲處理，小區(qū)間互不影響。冬小麥于2018年10月11日播種，行距25cm，播種密度為2.5×106基本苗·hm-2，耕層土壤為沙壤土，播種前施加氮、磷和鉀肥，拔節(jié)前追加一次氮肥，其它管理措施與大田高產(chǎn)栽培模式一致，播種后供水充分，保證拔節(jié)前各小區(qū)小麥密度與大田一致。

1.2 試驗設計

控水試驗于拔節(jié)-開花期進行，拔節(jié)前將各小區(qū)20cm 土壤相對濕度控制在60%左右，拔節(jié)期（4月2日），以當?shù)?月常年降水量（30mm）和灌溉量（45mm）之和作為正常補水量（75mm），按照正常補水量的80%、50%、25%和0%進行一次性補水（分別以W1、W2、W3和W4 表示），之后不再補水，以正常灌溉管理的大田冬小麥為對照（CK），大田土壤濕度保持在65%～75%。開花后（4月26日）各小區(qū)復水至土壤濕度達90%，直至冬小麥成熟土壤水分與CK 保持一致。試驗采用單因素隨機區(qū)組設計，每個處理重復3 次。

1.3 發(fā)育期與土壤水分測定

冬小麥返青后，隔天觀測發(fā)育期，每旬逢8 進行人工測墑，采用ES30K 型電子天平直接稱重法測定土壤相對濕度，最大田間持水量為11.0%；進入拔節(jié)期后每旬逢3 逢8 加密測墑。圖2為不同水分處理下20cm 土層相對濕度（Rsm）變化情況。參照國家標準《農(nóng)業(yè)干旱等級》（GB/T 32136-2015）干旱等級劃分指標：輕旱（50%＜Rsm≤60%）、中旱（40%＜Rsm≤50%）、重旱（30%＜Rsm≤40%）、特旱（Rsm≤30%）。由圖中可見，由于土壤蒸發(fā)和冬小麥生長耗水，W1 處理（正常補水量的80%）在控水16d 后土壤相對濕度處于輕旱水平，控水末期（即4月23日）達中旱水平。W2（正常補水量的50%）、W3（正常補水量的25%）處理在控水11d 后（4月18日）呈 輕旱，控水末期達重旱水平。W4 處理（正常補水量的0%）水分控制期間不灌水，冬小麥一直處于干旱脅迫，末期達特旱水平。

圖2 拔節(jié)-開花期不同程度控水、花后復水各處理20cm 土層土壤相對濕度的變化過程Fig.2 Variation course of soil moisture in 20cm soil layer during the jointing-flowering stage with different degrees of water control and rewatering after flowering

1.4 指標測定

1.4.1 觀測時間

以補水當日（4月2日）和復水當日（4月26日）分別記作水分控制0d和復水0d。單株葉面積和葉片含水率于水分控制第1天首次測定，之后每5d測定一次；葉綠素含量于水分控制第6天首次測定，之后每10d 測定一次；產(chǎn)量結構和產(chǎn)量于冬小麥成熟后測定。

1.4.2 單株葉面積和葉片含水率

每小區(qū)選擇3株長勢均勻一致的小麥，將綠葉從葉基部剪下，測量葉片的長度和寬度，葉長指葉枕至葉尖的距離，葉寬指葉片最寬處的寬度。將測量好的綠葉稱量鮮重，在105℃下殺青30min后，75℃下烘干至恒重，冷卻，再次稱量干重。

式中，leafS 為單株葉面積（cm2），l和w 分別表示葉片的長度和寬度（cm）；LWC 為葉片含水率（%），1w和 2w 分別為葉片的鮮重和干重（g）。

1.4.3 葉綠素含量

選擇無病蟲害、無機械損傷的葉片，用打孔器取0.1dm2圓形葉片并稱量鮮重，置于浸提液（丙酮:無水乙醇:蒸餾水= 45:45:10）中，黑暗條件下浸提24h直至浸提完全。以浸提液為空白，用UV-2401PC 型紫外分光光度計在波長為663、646nm 條件下比色。

式中，Ca和Cb 分別為葉綠素a和葉綠素b 含量（mg·g-1），Chl 為葉綠素含量（mg·g-1），m 為葉片鮮重（g），D663和D646分別為葉綠體色素提取液在波長663和646nm 下的光密度。

1.4.4 產(chǎn)量及產(chǎn)量結構

每個小區(qū)選取有代表性的植株50株考種進行產(chǎn)量結構要素測定，包括小穗數(shù)、不孕小穗率、穗粒數(shù)和千粒重等。在試驗小區(qū)選取有代表性的1m×1m樣方取樣，脫粒曬干并測定產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel2015和SPSS22.0 軟件進行統(tǒng)計分析并繪制圖表，用Duncan 檢驗進行多重比較（α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 開花期復水對受旱冬小麥葉片狀態(tài)的補償效應

2.1.1 葉片含水率

由表1可見，冬小麥水分控制期間（控水第1天-第21天，簡稱T1d-T21d），各處理組的葉片含水率較對照（CK）均有不同程度降低，且脅迫越強，葉片含水率越低；水分控制16d 以內(nèi)，各處理組的葉片含水率與CK 無顯著差異，16d 以后，各處理間葉片含水率逐漸出現(xiàn)差異，至水分控制末期（T21d），W1、W2、W3和W4 與CK 相比，葉片含水率差異均達顯著水平（P＜0.05），分別降低4.2個、5.8個、6.3個和8.7個百分點；W4處理干旱程度嚴重（特旱），葉片含水率下降最多，與W1（中旱）、W2（重旱）處理間差異亦達顯著水平，W1、W2和 W3 處理間差異不顯著。

表1 不同水分控制及復水處理下冬小麥葉片含水率的比較Table1 Comparison of leaf water content in winter wheat under different water control and rewatering treatments

表1顯示，進入花期后（復水第2天-第17天，簡稱R2d-R17d），CK處理中的葉片含水率隨生育進程逐漸下降，至復水第17天，葉片含水率比最高時（T21d）下降了12.9個百分點，主要是小麥自身發(fā)育規(guī)律所致。與CK 相比，中旱（W1）和重旱（W2、W3）處理中，花期復水后（R2d-R17d ）葉片含水率隨生育進程下降幅度明顯得到緩沖，各處理葉片含水率與CK 間無顯著差異，但W4 處理葉片含水率較CK 顯著降低（P＜0.05），說明在W1、W2和W3處理的干旱等級下，葉片含水率復水補償效應明顯，而特旱水平下（W4 處理），復水后葉片含水率始終未恢復至正常水平（CK）。

2.1.2 單株葉面積

由表2可以看出，在水分控制期間（T1d-T21d）W1、W2和W3 處理冬小麥葉面積變化特點與CK 一致，均隨時間推移呈增加趨勢；而旱情最重的W4 處理呈先增加后減少的趨勢，在水分控制中期（T11d）時單株葉面積達到最大值，為66.3cm2。同CK 相比，W1、W2 處理的葉面積在水分控制至11d時仍未表現(xiàn)出顯著差異，而干旱發(fā)生較早的W3和W4 處理達顯 著水平（P＜0.05），分別降低了19.6%、19.2%。水分控制至16d，各處理組單株葉面積增幅隨干旱強度的增加而減小，尤其是W4 處理呈負增長趨勢，較控水處理11d時葉面積降低4.1cm2。水分控制末期（T21d），隨著水分虧缺程度的加重，W1、W2、W3和W4 處理分別較CK 降低18.7%、26.7%、34.1%和46.0%，差異顯著（P＜0.05）；W4（特旱）處理與W1、W2、W3處理間差異亦達顯著水平（P＜0.05）。

表2 不同水分控制及復水處理下冬小麥葉面積的比較(cm2)Table2 Comparison of leaf area in winter wheat under different water control and rewatering treatments(cm2)

復水后（R2d-R17d），各處理在復水初期（R2d）葉片生長受到激發(fā)，單株葉面積較水分控制末期均有小幅增長。W1、W2、W3 處理分別在復水2d、12d、12d 內(nèi)恢復至CK 水平，而W4 處理復水恢復期內(nèi)始終顯著低于CK（P＜0.05）。說明花后復水對遭受一定范圍干旱脅迫程度的葉面積有補償作用，遭受中、重度干旱的冬小麥葉面積均能恢復至CK 水平，但隨著干旱程度的增強，恢復時間越久。

2.1.3 葉片葉綠素含量

由圖3可知，整個觀測期間葉片葉綠素含量隨發(fā)育進程的推移呈先上升后下降的趨勢，且干旱程度越嚴重，葉綠素含量較CK的降幅越大。控水前期（T6d），各處理土壤水分條件差異不大，W1、W2、W3和W4 處理葉綠素含量較CK 相比差異不顯著。隨著干旱發(fā)生發(fā)展，至16d時，呈輕旱的W1 處理葉綠素含量略低于CK，但無顯著差異，W2、W3和W4 處理較CK 分別降低9.3%、10.4%和14.9%，差異均達顯著水平（P＜0.05）?？梢姡ㄇ拜p度干旱（W1）對葉片葉綠素含量影響不大，中度及以上（W2、W3和W4）干旱則會明顯降低葉綠素含量。

圖3顯示，復水后第2天，各干旱處理組間差異不顯著；與CK 相比，W1-W4 處理葉綠素含量分別降低15.9%、13.2%、18.2%和21.3%，均達顯著水平（P＜0.05）。隨著恢復過程的繼續(xù)，中旱水平的W1 處理葉綠素含量在復水12d時恢復至CK 水平；W2、W3（重旱）及W4（特旱）處理在復水22d 仍顯著低于CK（P＜0.05），且顯著程度隨花前干旱程度增加而增加。這表明在W1 處理的干旱等級下，葉片葉綠素含量復水補償效應較明顯，而重旱及特旱等級的干旱條件下（W2、W3、W4 處理），花后復水恢復不明顯，始終未恢復至正常水平（CK）。

2.2 開花期復水對受旱冬小麥產(chǎn)量結構的補償效應

由表3可見，拔節(jié)-開花期不同水分處理下冬小麥產(chǎn)量均顯著低于CK（P＜0.05），且減產(chǎn)程度與干旱強度和脅迫時間有關。W1、W2和W3 處理減產(chǎn)率分別為16.2%、24.4%和29.4%，W4 處理干旱脅迫最重，持續(xù)時間最長，其減產(chǎn)率最高，達33.0%。由表還可以看出，受干旱影響，冬小麥產(chǎn)量構成要素的變化也呈現(xiàn)不同的特征。由于冬小麥小穗數(shù)取決于拔節(jié)前的生長條件和群體長勢，所以拔節(jié)-開花期干旱對小穗數(shù)基本無影響，但能顯著增加小穗不孕率（P＜0.05），W1、W2、W3和W4 與CK 相比分別升高了6.2個、7.5個、9.6個和8.1個百分點。對穗粒數(shù)而言，各處理均低于CK，且干旱程度越重，穗粒數(shù)減少越明顯，W3、W4處理與CK 表現(xiàn)出顯著差異（P＜0.05），比對照分別降低了20.0%和23.3%。各處理組間的千粒重差異不顯著，與CK 相比也無顯著性，W4 處理千粒重略高于CK，其它處理組均略低于CK。由此可見，受拔節(jié)-開花期干旱脅迫影響，產(chǎn)量構成要素中千粒重的復水補償效應最明顯，各處理均能恢復至對照水平（CK）；其次是穗粒數(shù)，不孕小穗率的復水補償效應最弱。

圖3 不同水分控制及復水處理下冬小麥葉片葉綠素含量的比較Fig.3 Comparison of chlorophyll content in winter wheat leaves under different water control and rewatering treatments

表3 不同水分控制及復水處理下冬小麥產(chǎn)量結構的比較Table3 Comparison of winter wheat yield structure under different water control and rewatering treatments

3 結論與討論

3.1 討論

作為植物營養(yǎng)器官的葉片，其生理生態(tài)變化特征可以敏感地反映出作物對環(huán)境變化的響應與適應。植物葉片最容易受到干旱脅迫影響，最先產(chǎn)生變化的是葉片含水率下降[20]、葉面積下降[21]以及葉片發(fā)生卷曲，使光合和蒸騰作用受到影響，不利于小麥的生長發(fā)育。脅迫期間，冬小麥葉片含水率較CK 均有不同程度的降低，且干旱脅迫越重，降低幅度越顯著。劉榮花等[22]研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥葉片含水率隨干旱持續(xù)呈非線性遞減，而本試驗僅特旱水平冬小麥有相同的變化趨勢，可能原因一方面是不同研究對象抗旱性不同，另一方面水分脅迫程度、脅迫持續(xù)時間不同。在恢復期，復水恢復效應使葉片含水率隨生育進程下降幅度明顯得到緩沖，重度及以下干旱水平在復水2d時恢復至對照水平，特旱處理也有緩慢恢復，但一直顯著低于對照水平，說明復水的葉片含水率補償效應受脅迫期干旱程度的影響，拔節(jié)-開花期受到特旱脅迫的小麥，后期即使水分條件得到滿足，其葉片含水率也無法恢復至正常水平。

拔節(jié)-開花期是小麥葉片營養(yǎng)生長的關鍵需水期[23]，本研究發(fā)現(xiàn)該時期水分虧缺會顯著抑制冬小麥葉面積擴展，隨著水分脅迫程度的增強，葉片會停止生長甚至出現(xiàn)下降趨勢，說明干旱影響葉片細胞分裂，細胞產(chǎn)生的膨脹壓力不足，葉片擴張生長受阻[24]，葉片蔫萎程度隨干旱強度的增加和持續(xù)時間的累積而越發(fā)嚴重?；ê髲退谷~片生長受到激發(fā)，各處理組葉面積較水分控制結束時均小幅上升，這一補償效應緩解了脅迫期間的抑制作用，控水末期呈中旱的W1 處理在復水2d時、呈重旱的W2和W3 處理在復水12d時恢復至正常水平；而特旱脅迫下冬小麥復水補償后的葉面積增長量無法抵消前期干旱脅迫下造成的損失量，恢復能力弱，可見葉面積的復水補償能力與干旱脅迫程度成反比。王利彬等[25]也有相似的研究結果，即補償效應與脅迫程度有關，長時間重度脅迫會降低補償效應甚至產(chǎn)生傷害效應。陳曉遠等[12]還發(fā)現(xiàn)，開花期復水使前期受旱作物在生長后期保持更多的功能葉片和綠葉面積，本研究也有相似的結論，復水后受旱冬小麥葉面積下降幅度較對照有所減緩，這有利于灌漿期光合產(chǎn)物向籽粒調(diào)運，減少產(chǎn)量損失。

小麥葉片葉綠素含量直接影響作物光合速率和光合產(chǎn)物的形成，小麥花后功能葉葉綠素含量與小麥產(chǎn)量品質密切相關。脅迫期間，冬小麥葉綠素含量隨著干旱發(fā)生發(fā)展出現(xiàn)不同程度的降低，脅迫越重，降低幅度越大。大量研究表明，干旱會破壞光合器官的內(nèi)部機制，影響細胞膜穩(wěn)定性[26]，伴隨著抗氧化酶活性的升高，膜脂過氧化作用的加劇，MDA含量的增加[27]，打破了活性氧產(chǎn)生和清除的平衡，造成植物體內(nèi)活性氧自由基大量積累，葉綠素合成受到抑制，植物通過降低光合色素含量來減輕脅迫對自身的傷害[28-30]。然而多數(shù)研究中發(fā)現(xiàn)，輕度水分脅迫促進葉綠素的合成[31-32]，可能是輕度脅迫鍛煉了作物的抗旱性，通過提高葉綠素含量而保證對光能的充分利用，以此對抗干旱脅迫?；謴推陂g，葉綠素含量因自身生理特征的影響呈遞減趨勢，中度干旱處理在復水12d 恢復至對照水平，重旱及特旱處理恢復緩慢，一直顯著低于對照水平。一方面是由于重旱和特旱對葉片造成損傷，導致光合器官結構與功能的破壞及細胞內(nèi)物質和能量代謝的失調(diào)[5]，即使復水也無法補償。另一方面與冬小麥逐漸成熟有關，王琛等[20]研究發(fā)現(xiàn)，拔節(jié)-開花期干旱使冬小麥發(fā)育期提前，這意味受旱葉片提前進入變黃衰老階段，從而加快葉綠素分解速度。這同時也是特旱脅迫冬小麥葉片含水率和葉面積不能恢復至對照水平的原因。

干旱實際上影響的是作物與外界環(huán)境的能量交換過程，主要是光合作用和作物干物質積累的過程，最終體現(xiàn)在小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構成要素的差異上。冬小麥孕穗-抽穗期是提高小花分化數(shù)和結實率的關鍵時期，該時期水分虧缺對幼穗分化產(chǎn)生不利影響，減少小花分化、加速小花退化。本研究中拔節(jié)-開花期干旱顯著增加冬小麥不孕小穗率，同時穗粒數(shù)隨干旱脅迫程度增加而減少。單穗小穗數(shù)的多少取決于小穗原基形成期（拔節(jié)前），該期間土壤水分條件良好，因此拔節(jié)期開始的水分脅迫對小穗數(shù)無明顯影響，這與田中偉等[33]研究結論一致?；ê髲退魈幚斫M的千粒重均恢復至對照水平，表現(xiàn)出明顯的補償效應，主要是由于花后復水，在小麥光合同化物向小麥籽粒轉化旺盛的灌漿期水分充足，而小麥籽粒產(chǎn)量大部分來自灌漿期的光合同化產(chǎn)物。恢復期間重度及以下干旱處理下冬小麥葉片含水率、葉面積和葉綠素含量均有所恢復，冬小麥有效光合面積和光合能力較對照差異不大，因此千粒重輕微下降；然而特旱處理下千粒重表現(xiàn)出高于對照的趨勢，這可能還與穗粒數(shù)偏少有關，葉片的光合產(chǎn)量積累被集中運輸給少量的籽粒，提高了物質轉移效率和對籽粒的貢獻率[34]。但千粒重的補償效應只能極小部分補償產(chǎn)量的損失，干旱脅迫程度越重，冬小麥減產(chǎn)率越大。值得注意的是，W1和W2 處理在產(chǎn)量構成要素方面的穗粒數(shù)和千粒重較對照均無顯著差異，而產(chǎn)量卻顯著低于對照，因此可以推斷，產(chǎn)量顯著下降主要是冬小麥群體密度降低導致的，干旱使小麥后期無效分蘗增多。由此可見，受拔節(jié)-開花期干旱脅迫，產(chǎn)量及產(chǎn)量構成要素中千粒重的復水補償效應最明顯，各處理均能恢復至對照水平；其次是穗粒數(shù)，產(chǎn)量和不孕小穗率的恢復能力最弱。

3.2 結論

（1）拔節(jié)-開花期中度及以上干旱脅迫顯著降低冬小麥葉片含水率、葉面積和葉綠素含量。脅迫解除后，復水補償效應受脅迫期干旱程度的影響，干旱程度越重，復水補償效應越弱；輕旱、中旱和重旱條件下都能恢復至正常水平，特旱條件將引起冬小麥葉片的不可逆損傷，復水無法恢復。

（2）開花期復水對冬小麥千粒重的補償效應明顯，其次是穗粒數(shù)，產(chǎn)量和不孕小穗率最弱，復水恢復期間保持良好的葉片有效光合面積和光合能力能夠緩解產(chǎn)量降低。

（3）本研究在試驗觀測期間，只關注了干旱脅迫對單株生理生態(tài)參數(shù)以及產(chǎn)量結構的影響，關于干旱脅迫對有效莖數(shù)的影響，本研究并未涉及，在今后研究中將進行相關試驗與分析，以期為采取合理的防災減災措施提供更完善更全面的數(shù)據(jù)支撐。