不同調(diào)虧灌溉模式對冬小麥生長、生理及產(chǎn)量的影響

王東博，王書吉，韓玉薪

（1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北邯鄲056038；2.河北省智慧水利重點實驗室，河北邯鄲056038）

0 引言

冀中南地處華北平原，地勢平坦，光、熱、氣等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)越，是我國傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，但水資源缺乏，地下水超采嚴(yán)重，提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率是一項亟須解決的問題。調(diào)虧灌溉是在作物營養(yǎng)生長階段通過給予作物一定程度的水分脅迫，然后復(fù)水，通過虧水-復(fù)水激發(fā)作物的生理潛能，產(chǎn)生生長、生理補(bǔ)償效應(yīng)，從而達(dá)到節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)高效的一種節(jié)水灌溉理論[1,2]，適宜的調(diào)虧模式輔之以管灌等高效節(jié)水灌溉方式，可以充分提高農(nóng)業(yè)灌溉水利用效率，緩解當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水緊張形勢。目前已有的關(guān)于調(diào)虧灌溉對冬小麥生長影響的研究報道基本上都是關(guān)于全生育期某一個生育階段虧水，下一個生育階段復(fù)水的研究思路，而針對冬小麥某一個生育階段內(nèi)較短天數(shù)虧水-復(fù)水的研究報道較少。不同時長虧水對作物生理性狀影響不同，MA[3]等和ALI[4]等發(fā)現(xiàn)適度調(diào)虧灌溉可以顯著增加小麥的產(chǎn)量和水分利用效率，還可以提高小麥根系組織密度、根長比、根重比和根系細(xì)度。MA[5]等發(fā)現(xiàn)調(diào)虧灌溉條件下，間隔3 d 的產(chǎn)量顯著高于間隔6 d 的產(chǎn)量。也有結(jié)果表明[6]，任何時期的水分虧缺都可以提高水分利用效率，但冬小麥產(chǎn)量會略有下降。李彥彬[7]發(fā)現(xiàn)冬小麥花前短期輕旱能夠在不顯著降低產(chǎn)量的情況下增加水分利用效率。黃彩霞[8]提出灌漿期水分脅迫可促進(jìn)花前碳庫向籽粒的再轉(zhuǎn)運(yùn)，并隨著干旱脅迫的加重而提高，對籽粒產(chǎn)量起補(bǔ)償作用；水分脅迫提高了灌漿速率，但縮短了灌漿持續(xù)期。張笑培[9]發(fā)現(xiàn)拔節(jié)期灌水、追施氮肥提高了拔節(jié)—開花期、開花—成熟期階段耗水量和平均日耗水強(qiáng)度。李全起[10]發(fā)現(xiàn)以拔節(jié)期和抽穗期各灌溉適宜的水分，可以使籽粒的產(chǎn)量最高，增產(chǎn)的原因在于穗數(shù)的顯著增加。楊寶斌[11]發(fā)現(xiàn)抽穗期土壤濕度的變化直接對冬小麥的光合速率和蒸騰速率產(chǎn)生影響，且不同處理下，光合速率和蒸騰速率會在一天中的不同時刻出現(xiàn)峰值。

太長時段虧水會對作物生理和生長造成不可逆的損傷從而造成減產(chǎn)等危害，但同樣較長的時段按短時長、高頻率虧-復(fù)水模式來分配灌水量是否更能激發(fā)作物的潛能，同時實現(xiàn)節(jié)約灌溉用水？隨著我國高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田規(guī)模的增大，灌溉自動化程度提高，有條件實現(xiàn)高頻率的灌水；同時，探究作物對短時長缺水的反應(yīng)和適應(yīng)性能，有利于應(yīng)對現(xiàn)實中突發(fā)的短期水資源緊缺現(xiàn)象；因此，在各耗水高峰生育階段開展短時長、高頻率虧-復(fù)水模式研究，得出各階段作物適宜的虧水-復(fù)水調(diào)虧模式，最終從全生育期總體降低用水量，是值得探索的研究內(nèi)容。

拔節(jié)期是冬小麥營養(yǎng)生長向生殖生長過渡的階段，也是生長速度最快，生長量最大的時期，耗水量大，時長較長，冀南一般4月初到4月下旬，25 d 左右時間；鑒于此，本研究開展冬小麥拔節(jié)期內(nèi)不同土壤含水率、短時長虧水-復(fù)水模式對冬小麥的株高、葉綠素、凈光合速率、熒光參數(shù)、產(chǎn)量、水分利用效率等的影響，以得出適宜的水分調(diào)虧運(yùn)籌模式，為農(nóng)業(yè)高效節(jié)水提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗于2018年10月27日至2019年6月8日在河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院精準(zhǔn)灌溉試驗場（東經(jīng)114°03′～114°40′，北緯36°20′～36°44′）12個交叉布置的測坑內(nèi)進(jìn)行。試驗場位于暖溫帶，季風(fēng)顯著的半干旱半濕潤大陸性氣候，光照充足，多年內(nèi)平均氣溫約為13 ℃，地面溫度約為16 ℃，年平均日照約為2 596 h，年平均風(fēng)速約為2.74 m/s，最大風(fēng)速20.42 m/s，降水量和蒸發(fā)量年內(nèi)分配差異顯著（降雨集中在七八月份），多年平均降雨量為548.9 mm。試驗區(qū)土壤屬于中壤土，田持為24.63%。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用的冬小麥品種為“矮大穗”，行距為0.25 m。遵照相關(guān)文獻(xiàn)對生育階段的劃分方法[12]，結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)驗，冬小麥生育階段劃分為返青期（3月7日至4月2日）、拔節(jié)期（4月3日至4月23日）、抽穗揚(yáng)花期（4月24日至5月10日）和灌漿成熟期（5月11日至6月5日）4個生育階段。

進(jìn)入拔節(jié)期之前，開始準(zhǔn)備虧水，拔節(jié)期開始后，各處理達(dá)到預(yù)定虧水程度，分別為：Y1 （55%～65%）θf、Y2（65%～75%）θf、Y3（75%～85%）θf，見表1。θf為田間持水量，采用TDR（事先經(jīng)過率定）觀測控制土壤含水率，各處理按下限控制，若低于下限則一次灌水至上限，另設(shè)全生育期充分灌水對照（CK），各處理均設(shè)3 個重復(fù)，灌溉水全部采用自來水管灌。施肥水平為：播種前施入小麥專用復(fù)合肥600 kg/hm2(N∶P2O5∶K2O=20∶26∶8)，春季追施尿素270 kg/hm2(含氮46.4%)，其他田間農(nóng)業(yè)管理措施遵照當(dāng)?shù)囟嗄贽r(nóng)作習(xí)慣。

表1 土壤含水率Tab.1 Soil moisture content

1.3 觀測項目與方法

在冬小麥拔節(jié)期內(nèi)進(jìn)行虧水-復(fù)水處理，4月5日開始虧水，虧水7 d 后，4月12日分別從虧水組和對照組選取典型植株進(jìn)行測量，4月13 號開始復(fù)水，復(fù)水7 d 后，4月21日分別從虧水組和對照組選取典型植株進(jìn)行測量，測定指標(biāo)及測量方法如下。

（1）株高。在拔節(jié)期每個處理中選擇3株能夠代表整體長勢的植株用卷尺進(jìn)行株高測量（測量位置從旗葉葉尖到莖基的距離），虧水結(jié)束時和復(fù)水7 d后測量。

（2）葉綠素。選取測量株高時標(biāo)記好的3 株植株，用SPAD-502 便攜式葉綠素測定儀測冬小麥的功能葉（從上往下數(shù)第二個葉子）的葉綠素含量，虧水結(jié)束時和復(fù)水7 d 后測量。

（3）葉片光合作用參數(shù)。在冬小麥拔節(jié)期選擇一個晴朗無風(fēng)的天氣，從每個處理中選擇3 株代表整體長勢較好的植株，在9∶00-15∶00 用LI-6400 便攜式光合儀測定葉片凈光合速率。光強(qiáng)設(shè)置為1 000μmol/(m2?s)，選取標(biāo)記好的植株進(jìn)行測量，分別在虧水結(jié)束時和復(fù)水7 d后測量。

（4）熒光參數(shù)。在冬小麥生育期內(nèi)，選擇一個晴朗的天氣，在9∶00-15∶00 之間用OPTI-SCIENCES OS5P+熒光儀測定冬小麥的熒光參數(shù)，虧水結(jié)束時和復(fù)水7 d后測量。

（5）農(nóng)田耗水量（ET）計算。利用水量平衡原理計算作物耗水量：

式中：ET為蒸發(fā)蒸騰耗水量，mm；P為降水量，mm；I為灌溉量，mm；ΔS為土壤含水率變化量，mm；R為地表徑流量，mm，本試驗中未形成地表積水，所以忽略地表徑流量；D為根層土壤水分向下滲漏量，mm，本試驗中每次灌水量很少，忽略滲漏量；K為地下水補(bǔ)給，試驗區(qū)地下水位埋深較深，可忽略。

（6）作物產(chǎn)量。冬小麥?zhǔn)斋@時，在每個測坑內(nèi)均勻分布取樣，同時將樣方內(nèi)的所有小麥人工收割、風(fēng)干、脫粒，統(tǒng)計實際產(chǎn)量，最后折算為每公頃產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 2018 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計作圖，采用SPSS 13.0（α=0.05）進(jìn)行方差分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同處理對冬小麥拔節(jié)期株高的影響

從圖1可知，在虧水7 d后的4月12日，對照組CK株高顯著高于虧水處理，Y1、Y2、Y3 分別比CK 低了12.87%10.53%、8.48%；復(fù)水后，在4月21日，虧水處理均高于對照組CK，Y1、Y2、Y3 分別比CK 高2.38%、9.52%、12.70%，復(fù)水后的冬小麥株高表現(xiàn)出了明顯的生長補(bǔ)償效應(yīng)。這與丁端峰[13]、趙麗英[14]的結(jié)論一致。

2.2 不同處理對冬小麥拔節(jié)期SPAD的影響

不同處理對冬小麥的SPAD 的影響如圖2所示。從圖2 可看出，虧水7 d后的4月12日，對照組SPAD 高于各虧水處理，分別比Y1、Y2、Y3 處理高5.91%、5.21%、4.86%；但是在復(fù)水后的4月21日，虧水處理均高于對照組CK，各虧水處理的SPAD 值分別比對照組CK 提高了0.67%、2.51%、3.85%，表現(xiàn)出明顯的生長補(bǔ)償效應(yīng)。這與丁端峰[13]、趙麗英[14]的結(jié)論一致。

2.3 不同處理對冬小麥拔節(jié)期凈光合速率的影響

不同處理對冬小麥的凈光合速率的影響如圖3所示。從圖3 可知，虧水1 周后，在4月12日，對照組CK 凈光合速率高于各虧水處理Y1、Y2、Y3，分別高19.51%、17.48%、11.38%；復(fù)水7 d 后，4月21日，各虧水處理冬小麥凈光合速率較4月12日明顯升高，但仍低于對照組CK，與對照組CK相比，凈光合速率分別降低了19.32%、14.02%、11.74%。說明復(fù)水之后冬小麥的凈光合速率雖有所恢復(fù)，但短時間內(nèi)難以恢復(fù)到正常灌水水平，這說明水分脅迫會對冬小麥的凈光合速率造成不利影響，復(fù)水之后短期內(nèi)仍不能很快恢復(fù)至對照組水平。復(fù)水后超過7 d 會否有補(bǔ)償效應(yīng)？后續(xù)將開展相關(guān)研究。

2.4 不同處理對冬小麥拔節(jié)期熒光參數(shù)的影響

不同處理對冬小麥的熒光參數(shù)的影響如圖4所示。從圖4可知，在4月12日虧水7 d 后，Y1、Y2、Y3 各處理熒光參數(shù)Fv/Fm和Fv/F0均低于對照組CK，F(xiàn)v/Fm分別低11.39%、8.86%、6.33%，F(xiàn)v/F0分別低7.98%、6.38%、4.79%；復(fù)水7 d后在4月21日，各虧水處理Fv/Fm和Fv/F0都有所恢復(fù)，但仍比對照組CK 低，F(xiàn)v/Fm分別低9.64%、8.43%、6.02%，F(xiàn)v/F0分別低9.00%、5.91%、4.63%。說明在水分脅迫的條件下，虧水程度越大的冬小麥，其葉綠素?zé)晒馐芩痔澣庇绊懙某潭纫苍酱?，會?dǎo)致冬小麥光化學(xué)效率降低，PSⅡ反應(yīng)中心受損[15-18]，進(jìn)而導(dǎo)致光合速率降低。復(fù)水后，各虧水處理的Fv/Fm、Fv/F0均有所提升，但短期內(nèi)仍不能恢復(fù)至對照組水平?？梢姡痔澣睂Χ←溔~綠素?zé)晒庠斐傻膫﹄m然在復(fù)水后是可逆的，復(fù)水會在一定程度上緩解PSII 潛在活性中心受損程度[19,20]，但復(fù)水后多長時間能恢復(fù)到正常灌水處理水平？仍需開展后續(xù)研究。

2.5 不同處理對冬小麥產(chǎn)量的影響

在冬小麥成熟之后，取樣測定了冬小麥的產(chǎn)量指標(biāo)，產(chǎn)量指標(biāo)包括：穗長、千粒重、產(chǎn)量（見表2）。

表2 冬小麥產(chǎn)量分析Tab.2 Yield analysis table of winter wheat

由表2 可知，Y1、Y2、Y3 各虧水處理的產(chǎn)量較CK 分別降低了18.84%、5.58%、0.79%，Y3 處理的產(chǎn)量比Y1、Y2 分別高22.24%、5.08%。對表2 中數(shù)據(jù)采用SPSS 進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示，在0.05 水平上，各處理之間穗長差異不顯著，千粒重和產(chǎn)量差異顯著。說明拔節(jié)期水分虧缺會降低冬小麥的千粒重，進(jìn)而降低產(chǎn)量。

2.6 不同處理冬小麥水分利用效率

從表3 可知，Y1、Y2、Y3 各虧水處理的葉片水分利用效率較CK 分別高9.54%、12.03%、26.97%；Y3 處理的水分利用效率最高，分別較Y1、Y2、CK 高8.29%、0.55%、2.77%。雖然CK 條件下產(chǎn)量最高，但是耗水量也較多，導(dǎo)致水分利用效率并不是最高。綜合分析可得，水分虧缺會降低冬小麥的產(chǎn)量，而水分利用效率的變化并不一致，Y3 處理的水分利用效率最高且產(chǎn)量降低不顯著，所以可以考慮選擇Y3 處理作為拔節(jié)期虧水處理。

3 結(jié)論及討論

本研究發(fā)現(xiàn)，拔節(jié)期冬小麥株高、葉綠素含量與虧水程度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，復(fù)水7 d 后，冬小麥株高和SPAD 顯著高于對照組，表現(xiàn)出生長補(bǔ)償效應(yīng)，原因可能是冬小麥在拔節(jié)期處于快速生長階段，對水分的需求很敏感，虧水會影響其正常生長，但施加水分脅迫后復(fù)水，激發(fā)了其生長潛能，從而出現(xiàn)株高和SPAD補(bǔ)償效應(yīng)。這與高麗華[21]等的結(jié)論一致。

在水分脅迫的條件下，各虧水處理凈光合速率均下降，但下降程度不同，虧水越嚴(yán)重，光合速率下降程度越大；復(fù)水后7 d，Y1、Y2、Y3 各虧水處理凈光合速率有所恢復(fù)，分別較虧水7 d 時提高了7.04%、6.61%、6.44%，但均低于對照組處理CK。虧水程度越大的處理，其葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm、Fv/F0下降程度越大，復(fù)水7 d 后，各處理的Fv/Fm、Fv/F0、凈光合速率都得到提升，但仍比對照組CK 低，且提升程度不同， Y1、Y2、Y3 各虧水處理的Fv/Fm分別較虧水7 d 時提高了16.30%、16.87%、16.84%，F(xiàn)v/F0分別提高了12.20%、11.67%、11.88%?？梢姡喂?jié)期虧水對冬小麥生理指標(biāo)影響顯著，但隨著生育階段推進(jìn)，能否緩解？在后面的研究中，我們將繼續(xù)開展相關(guān)研究。

各處理之間穗長值差異不顯著，但千粒重和產(chǎn)量差異顯著，Y1 處理的千粒重、產(chǎn)量與Y2、Y3、CK 差異顯著，Y2、Y3、CK 之間差異不顯著。說明嚴(yán)重水分虧缺會降低冬小麥的千粒重，在本研究中，CK(對照組)具有最大的千粒重和最大的產(chǎn)量。Y3 具有最高的水分利用效率，分別較Y1、Y2 提高了8.99%、0.67%，比CK 提高了3.20%，Y3處理的水分利用效率值最大。綜合分析，水資源緊缺時，可以考慮采取Y3 作為適宜的灌溉處理，這樣可以實現(xiàn)節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)。