冬小麥種植中土壤水分利用問題的研究進展

摘要：我國是農業用水大戶，農業灌溉利用率遠遠低于發達國家水平。因此，在總結前人研究成果的基礎上，本文詳細論述了冬小麥生長發育過程中土壤水分的利用問題，以期為節水農業的深入研究提供理論基礎。

關鍵詞：冬小麥；土壤水分；節水農業

中圖分類號：S512.1+10.61-1文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2013）04-0141-04

水作為物質運輸、合成和轉化的媒介物質參與作物的整個生長過程，直接參與作物的生長發育及生理代謝。水是貫穿土壤—植物—大氣系統的動力因素，是作物生長發育過程中不可缺少的資源因子[1]。我國人均水資源量不足世界平均水平的1/4，居世界第121位[2]，水資源緊缺已嚴重制約著國民經濟的可持續發展。我國農業用水占總用水量的70%以上，主要用于灌溉農田，而農業灌溉用水利用率僅40%左右[3]，灌溉水的生產效率（不足10 kg/m3）遠遠低于發達國家水平（20 kg/m3）[4]。因此，發展節水農業、提高農田水分利用效率[5，6]是緩解我國水資源緊缺，促進水資源有效利用和農業可持續發展的一項根本性措施[7]。本文圍繞冬小麥生長發育過程土壤水分的利用問題概述了近年來冬小麥節水研究的許多新進展。

1冬小麥光合作用與土壤水分的關系

光合作用是作物最基本并且最重要的生理功能，因此，光合特性隨土壤水分條件的變化情況是作物對水分狀況反映的一個重要方面。土壤水分脅迫從3個方面影響光合作用：一方面認為土壤變干時，葉水勢下降，膨壓隨之降低，從而引起氣孔關閉[8]，切斷外界CO2向葉綠體的供應，使光合作用受到明顯抑制，光合速率降低[9]；第二方面，水分逆境使植株葉片中葉綠素含量減少，光系統活力明顯降低，光合磷酸化和電子傳遞受到抑制[10]；第三方面，水分虧缺造成作物單株葉面積減少，光合能力受到抑制[11]。但也有人認為，輕度水分虧缺對光合速率無顯著影響，嚴重水分虧缺條件下光合速率才顯著降低[12]。關于灌水次數和時期對光合作用的影響情況，不同學者的研究結果不同，吳克寧等[13]指出全生育期不灌水，灌漿期冬小麥光合作用將受到氣孔脅迫，光合速率下降，但水分利用效率提高；于振文等[14]研究表明，開花后各時期旗葉的光合速率與氣孔導度均隨灌水次數的增多而提高；王月福等[11]研究表明，小麥群體光合速率和旗葉光合速率均隨土壤水分減少而降低。

2冬小麥干物質積累和轉運與土壤水分的關系

作物在生長發育過程中，同化物在植株各器官不斷地進行著轉化與分配，并且受土壤水分狀況的影響較大[9]。冬小麥籽粒干物質來源于開花后的光合產物和開花前儲存在莖鞘的干物質，開花后葉片光合性能以及干物質的運輸和分配狀況決定了冬小麥的粒重。Yang等[15]指出，在小麥某些生育時期進行干旱處理，有利于同化物的轉運，一定程度上提高了收獲指數。陳曉遠等[16]研究指出，小麥生長前期水分的相對不足或有限度的虧缺，有利于同化物向籽粒調運，并且提高了經濟系數；而在小麥整個生育期都保持充足的水分，容易造成營養生長過盛，使經濟系數降低。Virgona[17]認為花后土壤干旱會使冬小麥綠色器官光合產物下降，促進營養器官（根、葉、莖等）內儲存物質向籽粒運輸。Foulkes等[18]認為灌漿期水分虧缺顯著增加了對花前積累碳庫向籽粒的轉運，植株在干旱脅迫下比灌溉條件下莖鞘儲存碳庫對籽粒產量的貢獻大。鄭成巖等[19]研究表明，在降水量為1280～2464 mm條件下，澆底水和拔節水處理的開花后干物質的積累量及其對籽粒的貢獻率最高，灌水量過多顯著減少了光合產物向籽粒的分配，產量降低。

3冬小麥氮素吸收和轉運與土壤水分的關系

作物生產中水、肥之間存在著明顯的交互作用，許多研究表明，水氮合理配合才能有效地提高作物產量[20]。水分不足會限制肥效的正常發揮，影響氮肥的作用[21]。小麥生育期水分脅迫影響其對氮素的吸收、運轉及產量，拔節-抽穗期水分脅迫極顯著地降低了冬小麥的氮素營養效率[22]。土壤水分虧缺使植株葉片等營養器官含氮量下降，將影響到光合作用、RuBP羧化酶的水平[23]。許振柱等[24]的研究結果表明，輕度土壤干旱并沒有降低小麥葉片的氮素水平，這是由于輕度干旱限制了葉片早衰，促進了光合性能，形成了較高的產量；中度和嚴重干旱顯著降低了氮素水平和作物產量；嚴重水分虧缺影響了植株對氮素的吸收，降低了營養器官在功能期的含氮量，進而影響到一系列的生理功能，使氮“源”減少，運輸能力降低，同時，在小麥生育后期，隨著土壤水分脅迫的進一步加劇，最后勢必導致各營養器官氮素轉移量和轉移率的減少[24]。

小麥從開花至成熟，其根、莖和葉中的氮素在不斷地進行著分配和再分配，主要是向穗部輸出，小麥籽粒氮素的來源包括兩個部分，一部分是花后直接吸收同化的氮素；二是開花前植株貯存氮素的再運轉。對于多數品種而言，開花期營養器官氮素的再運轉是籽粒氮素的主要來源，籽粒中的氮約有60%來自莖和葉前期貯存的調運[25]。許振柱等[26]的研究結果表明，小麥籽粒中的氮素來源于花前營養器官的比例隨灌水處理的不同有很大差異，土壤水分嚴重虧缺時只有5565%，水分適宜時達9453%，后期過度灌水又降至7800%。而且嚴重土壤水分虧缺時，植株的總含氮量亦減少。

4冬小麥產量、水分利用效率與土壤水分的關系

在水資源日趨緊張的情況下，從優化用水的角度出發，應該首先考慮水分的利用率問題，從而確定其供水原則。最早有關植物水分利用的研究是以需水量表示的，Briggs和Shantz[27]用盆栽方法研究多種作物需水量發現，品種間存在極大差異；De Wit[28]證實，半干旱條件下田間作物產量與蒸騰蒸發量存在顯著的線性關系，為作物水分生理研究奠定了基礎。王天鐸[29]將水分利用效率（water use efficiency，WUE）分為三個層次來考慮，即單葉水平、群體水平和產量水平的水分利用效率，其中產量水平的水分利用效率更接近農業生產實際，研究的也最多。

水分利用效率指植物消耗單位水量所產出的同化量[5，6]，反映植物生產過程中的能量轉化效率，也是評價水分虧缺下植物生長適宜度的綜合指標之一[3，30]。Wayne[31]認為作物在有限水分條件下的產量取決于作物對水分的獲取、水分利用效率和收獲指數，特別是在干旱半干旱地區，提高水分利用效率是提高作物產量的主要途徑之一[32]。研究表明，小麥耗水量與WUE之間呈二次曲線關系[33]。王淑芬等[34]研究說明在平水和枯水年份，當灌水量較少時，產量和水分利用效率均隨灌水量的增加而增加，當灌水量增加到一定程度時，再增加灌水量產量和水分利用效率反而下降。張歲歧等[35]研究指出，在水分有限的情況下，春小麥WUE隨耗水量的增加而減少。劉文兆等[36]的試驗表明，在適合的養分條件下，將小麥的灌水量由2 160 m3/hm2降到1 200 m3/hm2，比充分灌溉用水量減少約45%，水分利用效率提高了587%，產量卻相差不大。賈秀領等[37]得出相似的結論。大量試驗表明，WUE最高值一般不是在供水充足、產量最高時獲得，蒸散量或耗水量的增加，又往往引起WUE的下降[38]。

作物不同發育階段對水分虧缺的敏感性不同，即作物具有水分臨界期或敏感期。關于冬小麥需水臨界期的研究結果不很一致[39]，從拔節到成熟期都有報道[40，41]。一般認為拔節、開花期是冬小麥產量對水分較為敏感的兩個時期[9]。有研究表明，冬小麥在孕穗期澆1水，在拔節期和開花期澆2水，在拔節期、開花期和灌漿期澆3水的灌溉效果較好[42，43]。劉彥軍[44]認為，拔節、揚花和灌漿期灌水為最佳處理，而于振文等[14]提出的高產麥田的高產低定額灌溉方案是底水+拔節水+孕穗水。張忠學等[45]指出，在一定范圍內，隨灌水量增大，小麥生物產量提高，但是總灌水定額最大的處理并未獲得最高籽粒產量，適度的限量灌溉可以降低麥田耗水量，提高水分利用率。Panda等[46]指出，在一定的水分脅迫下，小麥可以獲得較高的水分利用率；在中等干旱條件下小麥耗水量大幅下降，而產量的降幅較小，有利于水分利用效率的提高。王德梅等[47]通過兩年的試驗研究也得出了相似的結論。可見，灌水對作物產量和水分利用效率的影響是復雜的。

5展望

目前關于冬小麥土壤水分利用的研究取得了較大進展，為節水農業的發展提供了一定的理論基礎和參考依據。但由于冬小麥大田生長過程中外界環境的復雜性，很難去精確掌握土壤水分利用效率等問題，對大面積生產的指導意義也有待加強。總之，節約灌溉用水、充分利用降水，尋求以有限用水量獲得最大或最佳產量水平，即作物產量與水分利用效率的協調統一，成為節水農業需要探索解決的中心問題。對于研究者，研究符合冬小麥耗水規律的灌溉制度，找到最適的灌溉時期和灌溉量，對節水農業的發展具有重要意義。

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