全生育期水分控制對(duì)谷子生長(zhǎng)發(fā)育及品質(zhì)的影響

劉 鑫 李會(huì)霞 田 崗 王玉文 劉 紅 曹晉軍 成 鍇 王振華 劉永忠 李萬(wàn)星

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)谷子研究所，046011，山西長(zhǎng)治）

谷子起源于我國(guó)[1]，是具有較強(qiáng)抗旱性和耐貧瘠性的環(huán)境友好型作物，在我國(guó)北方干旱和半干旱區(qū)廣泛種植[2]；其根系發(fā)達(dá)、葉片細(xì)窄，有利于增加水分利用率和減小蒸騰速率，從而具備較強(qiáng)的抗旱能力[3]。而山西省地處黃土高原，干旱少雨，保護(hù)生態(tài)、發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)是山西農(nóng)業(yè)的必由之路[4]，因此谷子成為山西省重要農(nóng)作物之一。此外，谷子是唯一的糧飼兼用高效作物，在緩解種植業(yè)和畜牧業(yè)爭(zhēng)地的矛盾中有不可替代的地位[5]。近年來(lái)，種植面積基本保持在20.00萬(wàn)～26.67萬(wàn)hm2[6]。

谷子雖然是耐旱作物，但干旱仍然是影響谷子產(chǎn)量的最大制約因素[7]。目前，關(guān)于水分控制或干旱脅迫對(duì)谷子各階段生長(zhǎng)發(fā)育影響的報(bào)道很多，在谷子萌發(fā)期的抗旱性鑒定通常采用高滲溶液模擬水分脅迫[7]；在谷子苗期抗旱性鑒定多采用反復(fù)干旱鑒定法[8]；而在其他生育期的干旱研究中通常采用干旱脅迫法。這些研究多側(cè)重于對(duì)谷子某一生育時(shí)期內(nèi)，水分控制或干旱脅迫對(duì)谷子主要農(nóng)藝性狀、生理生化及產(chǎn)量指標(biāo)的影響[9-10]，而在谷子整個(gè)生育期內(nèi)水分控制對(duì)相對(duì)葉綠素和頂三葉葉面積變化及水分控制與谷子農(nóng)藝性狀相關(guān)性的研究較少，尤其水分控制對(duì)谷子品質(zhì)的影響更是鮮有報(bào)道。本文通過(guò)谷子整個(gè)生育階段水分控制來(lái)模擬降雨量在豐水年、正常年及枯水年對(duì)谷子農(nóng)藝及生理性狀、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，為有效提高谷子的產(chǎn)量及品質(zhì)、制定干旱丘陵地區(qū)谷子配套栽培技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)谷子品種為長(zhǎng)生13。試驗(yàn)于 2018年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)谷子研究所人工旱棚內(nèi)（36°12′47.27″N，113°08′24.76″ E）進(jìn)行，鋪設(shè)滴灌帶澆水，用水表控制澆水量。試驗(yàn)地海拔929m，土壤為石灰質(zhì)褐土；施肥量為氮肥105kg/hm2、磷肥63kg/hm2、鉀肥42kg/hm2，肥料全部在播種前底施。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè) T1（澆水總量相當(dāng)于 250mm 降雨量）、T2（澆水總量相當(dāng)于350mm降雨量）和T3（澆水總量相當(dāng)于450mm降雨量）3個(gè)處理。根據(jù)本地常年降水特征，分5次澆水，幼苗期至拔節(jié)期澆水5%；拔節(jié)期至抽穗期澆水 50%；抽穗期至開花期澆水20%；開花期至灌漿期澆水5%；灌漿期至完熟期澆水20%。每個(gè)小區(qū)種植面積15m2（3m×5m），行距33cm，各小區(qū)間有防水隔離，3次重復(fù)。5月中旬播種，種植密度為45萬(wàn)株/hm2。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 干物質(zhì)量、農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量 每小區(qū)取10株有代表性的植株，分別于幼苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和完熟期取樣，在105℃烘箱殺青30min后再經(jīng)80℃烘干至恒重稱重，測(cè)定干物質(zhì)量并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。谷子完熟后選取20株樣本，調(diào)查株高、穗粗、穗重和千粒重等性狀；調(diào)查各小區(qū)產(chǎn)量并根據(jù)小區(qū)面積計(jì)算單位面積產(chǎn)量。用數(shù)粒儀計(jì)數(shù)10穗谷穗的秕谷數(shù)和飽谷數(shù)，計(jì)算單穗計(jì)數(shù)結(jié)實(shí)率，公式如下：結(jié)實(shí)率（%）=飽谷數(shù)/（秕谷數(shù)+飽谷數(shù)）×100。

1.3.2 土壤含水率、葉面積、SPAD值及RVA譜特征值 谷子開花后，每6～8d測(cè)定1次0～100cm土層土壤含水量，每隔20cm取土一次，采用烘干法測(cè)量土壤含水率，最后求平均值。谷子灌漿期至完熟期，每個(gè)處理隨機(jī)選定10株，用葉面積儀測(cè)定谷子旗葉、倒二葉和倒三葉葉面積，取平均值。

谷子開花后，每處理選取10株，每6～8d用葉綠素測(cè)定儀SPAD-502測(cè)定1次旗葉相對(duì)葉綠素含量（SPAD值），為減少誤差，每個(gè)植株取不同部位旗葉測(cè)定5次，取平均值。谷子收獲后每小區(qū)取部分籽粒碾米脫殼，用快速黏度分析儀（RVA，Newport scientific公司）測(cè)定小米粉 RVA譜特征值；由南京卡文思檢測(cè)技術(shù)有限公司檢測(cè)小米品質(zhì)性狀；為減少誤差每小區(qū)各檢測(cè)5次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用 Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖，運(yùn)用SPSS 19軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分控制對(duì)土壤含水率的影響

各處理的土壤含水率（土壤深100cm）如圖1所示。T1處理總澆水量最少，整個(gè)生育階段平均含水率均最低，為13.19%。T2處理總澆水量較多，整個(gè)生育階段平均含水率均介于T1和T3處理之間，為14.31%。T3處理總澆水量最大，整個(gè)生育階段平均含水率均最高，為15.00%。T1處理的土壤含水率在整個(gè)生育期平均比T2低1.12%，比T3低1.81%。結(jié)果表明，整個(gè)生育期的澆水量對(duì)土壤平均含水率有重要影響。

圖1 不同處理的土壤含水率Fig.1 Soil moisture content under different treatments

2.2 水分控制對(duì)谷子農(nóng)藝性狀的影響

如表1所示，各處理株高為T3＞T2＞T1，其中T3顯著高于T1處理，高5.16cm；穗粗變化情況與株高類似，T3最大且顯著高于 T1處理；表明水分不足會(huì)降低株高和穗粗。隨著澆水量的減少各處理的千粒重也隨著變小，但是差異不顯著，表明澆水量對(duì)千粒重影響不大。穗重、產(chǎn)量和結(jié)實(shí)率均是隨著澆水量減少而變小，并且各處理間差異均達(dá)到顯著水平。其中結(jié)實(shí)率 T3處理比T1平均高出 10.47個(gè)百分點(diǎn)，表明整體澆水量的多少對(duì)谷子灌漿結(jié)實(shí)情況影響較大，從而進(jìn)一步影響谷子的產(chǎn)量。

表1 不同處理對(duì)谷子農(nóng)藝性狀的影響Table 1 Effects of different treatments on agronomic characters of millet

2.3 水分控制對(duì)谷子單株干物質(zhì)量的影響

如圖2所示，幼苗期和拔節(jié)期各處理單株干物質(zhì)量差異不顯著。這可能是由于萌發(fā)期水分充足，植株生長(zhǎng)沒(méi)有受到太大影響造成的。抽穗期干物質(zhì)量隨著澆水量的減少而變小，并且差異顯著，T3處理單株干物質(zhì)量最大，達(dá)38.96g，說(shuō)明澆水量對(duì)單株干物質(zhì)量產(chǎn)生了較大影響。灌漿期隨著澆水量的減少單株干物質(zhì)量也逐漸變小，表現(xiàn)為 T3＞T2＞T1，并且處理間差異顯著，此時(shí)T3處理單株干物質(zhì)量最大，為49.54g。完熟期單株干物質(zhì)量同樣是隨著澆水量的降低而變小，同樣為T3＞T2＞T1，處理間差異顯著，此時(shí)T3處理最大，為67.02g，T1處理最小，為 61.9g。表明在幼苗期開始的水分控制對(duì)谷子完熟期的單株干物質(zhì)量造成巨大影響。

圖2 不同處理對(duì)谷子單株干物質(zhì)量的影響Fig.2 Effects of different treatments on dry matter weight per plant of millet

2.4 水分控制對(duì)谷子旗葉SPAD值的影響

如圖3所示，T1處理SPAD值在8月28日達(dá)到峰值，為53.66，而T2和T3處理的SPAD值峰值均出現(xiàn)在8月20日，分別為54.50和55.51；這可能是因?yàn)?T1澆水量控制在較低水平，導(dǎo)致谷子受干旱脅迫推遲發(fā)育造成的。3個(gè)處理的SPAD平均值分別是49.93、50.76和51.86；雖然在9月26日的最后一次調(diào)查中T1的SPAD值超過(guò)T2，整體上看T1處理的SPAD值最小，T3最大，T2在兩者之間。從結(jié)果可知，谷子整個(gè)生育期的澆水量對(duì)旗葉的 SPAD值影響很大，隨著澆水量的減少，旗葉SPAD值也逐漸減小。

圖3 不同處理下谷子旗葉SPAD值的變化情況Fig.3 Changes of SPAD value in flag leaves of millet under different treatments

2.5 水分控制對(duì)小米品質(zhì)性狀和RVA譜特征值的影響

如表2所示，T2處理的峰值黏度最大，表明適度澆水可能會(huì)提高小米的峰值黏度；而澆水量不足或過(guò)多都會(huì)降低峰值黏度，其中澆水量不足會(huì)大幅度降低峰值黏度。最終黏度與峰值黏度變化情況基本一致，但變化幅度沒(méi)有峰值黏度大。糊化時(shí)間和糊化溫度變化較小，各處理間差異不顯著，兩者均是T1處理最大、T2處理最小。隨著澆水量的降低，直鏈淀粉含量、膠稠度、脂肪和粗蛋白含量變化趨勢(shì)均是先增后減。從結(jié)果推斷，適度的澆水量會(huì)使小米的適口性更好。

表2 不同處理對(duì)小米品質(zhì)性狀和RVA譜特征值的影響Table 2 Effects of different treatments on the quality traits and RVA profiles of millet

2.6 水分控制對(duì)谷子頂三葉葉面積的影響

從圖4中可知，旗葉葉面積T1處理最小，為9557.01mm2，與其他處理差異顯著；T2處理旗葉葉面積略小于T3處理，兩者差異不顯著。倒二葉和倒三葉葉面積均是T3最大，分別為11 498.41和11 805.83mm2；T1處理最小并且顯著小于T2和T3處理；T2和T3處理間的差異不顯著。據(jù)結(jié)果推測(cè)，澆水量的不足嚴(yán)重影響了谷子植株頂三葉的生長(zhǎng)發(fā)育，使其葉面積顯著減??；而澆水量過(guò)高不會(huì)顯著增加頂三葉葉面積。

圖4 不同處理對(duì)谷子頂三葉葉面積的影響Fig.4 Effects of different water treatments on leaf area of the top-three leaves

2.7 水分控制和谷子農(nóng)藝性狀的相關(guān)性

由表3可知，澆水量與株高、穗重、結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.709、0.756、0.761和0.887，說(shuō)明澆水量對(duì)株高、穗重、結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量有顯著影響。谷子產(chǎn)量與澆水量、穗重和結(jié)實(shí)率均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.887、0.832和0.618。此外，穗粗與穗重和結(jié)實(shí)率均呈正相關(guān)；穗重與結(jié)實(shí)率呈正相關(guān)。而株高與其他農(nóng)藝性狀相關(guān)性均不顯著；千粒重與澆水量及其他農(nóng)藝性狀相關(guān)性均不顯著，表明澆水量對(duì)千粒重影響不大。

表3 不同處理和谷子農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of different treatments and agronomic traits of millet

3 討論

隨著全球水資源的日益貧乏和旱災(zāi)的日趨嚴(yán)重，研究農(nóng)作物栽培在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中對(duì)水分的需求已經(jīng)成為當(dāng)前的熱點(diǎn)[11]。相關(guān)研究[12]表明，農(nóng)作物高產(chǎn)要協(xié)調(diào)好水、肥、氣、熱、土、生物等多種因素，其中水分對(duì)植株的影響不僅取決于水在土壤―植物―大氣循環(huán)系統(tǒng)中的良性循環(huán)，而且與其他因素的協(xié)調(diào)作用關(guān)系密切。本研究為了減少其他因素影響，在大田中建造旱棚來(lái)模擬實(shí)際生產(chǎn)情況，并且采用人工旱棚內(nèi)控制滴灌澆水量方法來(lái)影響土壤含水率，進(jìn)一步調(diào)查水分對(duì)谷子植株的生理生態(tài)及各種農(nóng)藝性狀的影響。結(jié)果表明0～100cm的土壤平均含水率與澆水量有直接關(guān)系，而谷子生長(zhǎng)所需水分主要來(lái)源為這個(gè)深度的土壤底墑。王永麗等[13]認(rèn)為，水分在谷子生長(zhǎng)發(fā)育和形態(tài)建成中具有十分重要的作用，干旱脅迫導(dǎo)致植株體內(nèi)水分匱乏，必然影響到生理生化過(guò)程和器官建成，對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育造成傷害。張艾英等[11]認(rèn)為，谷子與其他作物一樣，在遇到干旱脅迫時(shí)會(huì)調(diào)整其形態(tài)發(fā)育及生理生化反應(yīng)來(lái)適應(yīng)干旱環(huán)境而求得生存。這與本研究結(jié)果類似，隨著土壤含水率的下降，谷子植株受到的干旱脅迫也越來(lái)越嚴(yán)重，株高、穗粗、穗重、結(jié)實(shí)率、產(chǎn)量及單株干物質(zhì)量也逐漸減小，最終導(dǎo)致谷穗減產(chǎn)，這與谷子[11]、水稻[14-16]中的研究結(jié)果類似。而袁蕊等[3]認(rèn)為，干旱會(huì)使谷子千粒重極顯著減小，這與本研究結(jié)果不同。本研究結(jié)果顯示，水分控制對(duì)千粒重沒(méi)有顯著影響，這可能是由于本研究與前者的水分控制時(shí)期及時(shí)長(zhǎng)不同造成的。澆水量與農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析結(jié)果表明，澆水量與株高、穗重、結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明澆水量對(duì)株高、穗重、結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量有顯著影響。這一結(jié)果與水分控制對(duì)農(nóng)藝性狀的影響相對(duì)應(yīng)。

農(nóng)作物在干旱脅迫下，合成葉綠素的酶受到阻礙，導(dǎo)致葉綠素含量減少[17]。張敏霞等[18]對(duì)蔬菜的研究表明，干旱脅迫下葉綠素含量將會(huì)隨著干旱脅迫時(shí)間的推移而降低；王華田等[19]也發(fā)現(xiàn)水分脅迫使銀杏葉片光合下降與葉綠體活性降低密切相關(guān)，嚴(yán)重水分脅迫下葉綠體變形且片層結(jié)構(gòu)破壞。本研究結(jié)果與這些結(jié)果類似，谷子旗葉SPAD值的變化也是隨著澆水量的減少而降低，而且T1處理的SPAD值峰值較其他處理有所推遲。有研究[20-22]表明，水分脅迫下水稻、旱稻和谷子生育期都會(huì)推遲；因此推測(cè)在本研究中，隨著澆水量的減小，谷子植株發(fā)育推遲，T1處理澆水量控制在較低水平，導(dǎo)致谷子植株干旱推遲發(fā)育造成SPAD值峰值較晚出現(xiàn)。

在干旱條件下，植物葉部會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重缺水的現(xiàn)象，從而影響到葉片的生理代謝過(guò)程[23]；Fischer等[24]認(rèn)為干旱降低了玉米葉面積并促使其早衰；王永麗等[13]認(rèn)為拔節(jié)期和孕穗期干旱使谷子頂葉葉面積減小，這些與本研究結(jié)果有相似之處。本研究調(diào)查了谷子植株的頂三葉葉面積變化情況，T1處理的頂三葉葉面積均最小，并且與其他處理差異顯著。推測(cè)隨著澆水量的減小，造成谷子植株葉片的生長(zhǎng)發(fā)育延緩，因而使其葉面積減小。

水分控制對(duì)小米的品質(zhì)及 RVA譜特征值也有影響。T2處理小米的峰值黏度最大，表明適度澆水量可能會(huì)提高小米的峰值黏度；而澆水量不足或過(guò)多都會(huì)降低峰值黏度，其中澆水量不足對(duì)峰值黏度影響更大。隨著澆水量的降低，直鏈淀粉、膠稠度、脂肪和粗蛋白含量變化趨勢(shì)均是先增后減。以上研究結(jié)果與水分控制對(duì)冬小麥籽粒品質(zhì)的研究[25]結(jié)果有相似之處。從以上這些指標(biāo)的變化可以推斷，在谷子整個(gè)生育期適度的澆水量會(huì)使得小米的適口性更好。

4 結(jié)論

在全生育期水分不足的條件下，谷子株高、穗粗、穗重、結(jié)實(shí)率、產(chǎn)量及單株干物質(zhì)量減小，并且澆水量與株高、穗重、結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量有顯著的正相關(guān)性；谷子旗葉SPAD值下降；頂三葉葉面積減?。贿@些變化可能是谷子植株針對(duì)水分脅迫所做的應(yīng)對(duì)響應(yīng)。隨著澆水量的減少，峰值黏度、直鏈淀粉、膠稠度、脂肪和粗蛋白含量先增后減。