灌漿期冬小麥生理特性和產量對不同灌水量的響應

薛佳欣，張江偉，陳宗培，李 奔，陳召月，王貴彥

(河北農業大學農學院/華北作物改良與調控國家重點實驗室，河北保定 071000)

冬小麥-夏玉米是海河平原主要種植制度。由于受季風氣候影響，該區域冬小麥生長期間(10月初至次年6月初)降水較少，多年平均值為146.28 mm，僅占年降水量的30.12%，遠低于本區域冬小麥生長的水分需求[1-2]，水分虧損已成為限制本區域小麥持續增產的主要因素之一 。農藝節水是小麥生產中最主要的節水措施之一[3-5]?？茖W合理的水肥管理可增強作物抗氧化和滲透調節能力，維持植株體內活性氧代謝的平衡，減少膜脂過氧化損傷，保持細胞正常生理代謝，最終提高作物抗旱性，從而保證作物在干旱缺水條件下能夠正常生長發育，并獲得高產[6-9]。

水分脅迫對作物的影響是一個復雜的過程, 作物在不同發育階段對水分虧缺的敏感性不同[10]。小麥拔節期和開花期缺水對產量形成影響較大[11]。拔節期干旱后小麥葉片SOD、POD和 CAT 活性升高，有利于減輕活性氧對質膜的損傷[12]；灌漿期干旱脅迫下小麥抗氧化酶活性和滲透調節物質含量提高，可緩解逆境下小麥的傷害[13]。小麥的抗旱性存在基因型差異[14]，如在大田條件下煙農21號的抗旱性和豐產性均優于其他品種，其體內SOD活性、脯氨酸和可溶性糖含量都高于其他品種[15]。

作物的抗旱能力是遺傳和環境因素共同作用的結果，因而作物在植株形態和生理上的抗旱機制研究必須從多個方面來進行[16]。國內外學者對小麥抗旱生理機制已進行了很多研究，試驗多以盆栽控水為主[17-18]，部分研究采用旱棚[19-20]或大田試驗[21-22]。由于環境條件、試驗材料的差異，小麥盆栽、旱棚和大田試驗的干旱脅迫結果尚難取得一致，因此有必要將不同試驗方法結合起來，選取相同供試材料進行分析。本研究選取3個小麥品種，在不同春季灌水處理下，以旱棚和大田試驗相結合的方式，研究不同小麥品種灌漿期旗葉生理特性和產量對灌水的響應，以期為本區域小麥節水抗旱研究提供科學理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料和設計

1.1.1 旱棚試驗

試驗于2018年10月至2019年6月在河北農業大學實驗站(38.49°N，115.26°E)自動防雨旱棚內進行，屬暖溫帶大陸性半干旱季風氣候區。旱棚地塊為砌磚水泥池(長4.0 m，寬2.8 m，深1.5 m)，下不封底，防止全生育期自然降水。前茬種植玉米，土壤質地為壤土，0～20 cm的土壤全氮含量為0.8 mg·g-1，速效磷含量為22.16 mg·g-1，速效鉀為67.4 mg·g-1。小麥在播種前施有機肥1 200 kg·hm-2、純氮150 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2，拔節期追施純氮60 kg·hm-2。小麥于2018年10月12日播種， 15 cm等行距，基本苗520萬株·hm-2，2019年6月2日收獲。試驗采取品種和灌水量二因素隨機區組設計，每個處理3次重復。冬小麥品種為目前在河北中南部地區均大面積種植、抗旱性較強的衡6632(H6632)、石農086(S086)和濟麥22(J22)，各品種在播種前均灌溉1次，以保證出苗；灌水量設3個水平即設春季不灌水(W0)、灌拔節水(W1，75 mm)、灌拔節+開花水(W2，150 mm)。

1.1.2 大田試驗

試驗于2018年10月至2019年6月在邯鄲市曲周縣王莊村進行，該地區屬暖溫帶大陸性半干旱季風氣候區。試驗田土壤為壤土，容重1.48 g·cm3，前茬作物為夏玉米，收獲后秸稈粉碎2遍還田。0～20 cm土壤全氮含量為1.25 mg·g-1，無機氮含量為24.09 mg·g-1，速效磷含量為11.61 mg·g-1，速效鉀含量為137.6 mg·g-1。小麥播前施純氮150 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2，拔節期追施純氮60 kg·hm-2。2018年10月15日播種，15 cm 等行距，基本苗為420萬株·hm-2，2019年6月12日收獲。

試驗采用裂區設計，主副區分別為灌水量和品種，共9個處理，3次重復，小區面積60 m2(10 m×6 m)，小區間設置1 m寬隔離區。灌水量和品種設置同1.1.1旱棚試驗。各處理均灌溉越冬水，灌水量75 mm。其他管理措施同一般高產田。

表1為試驗地點2009-2019年小麥各生長階段平均降水量及2018-2019試驗年度小麥各生長階段降水量。其中，2018-2019年小麥全生育期總降水量為112.6 mm，低于多年平均降水量，為多年平均降水量的72.89%。拔節期之前降水較少，低于常年水平；拔節至開花階段試驗年份降水量明顯高于多年平均降水量，但灌漿階段又較常年偏低，僅為多年本階段平均降水量的58.63%。

表1 小麥不同生長階段降水量動態變化Table 1 Dynamic changes of precipitation at different growth stages of wheat mm

1.2 測定項目與方法

1.2.1 生理指標測定

在小麥開花期各小區選取生長一致、具有代表性的小麥植株50株予以標記，灌漿期從標記的植株上取旗葉30 片，經液氮速凍后放入超低溫冰箱中保存，用于測定各生理指標。其中，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT光化還原法進行測定[23]；用紫外吸收法[24]測定過氧化氫酶(CAT)活性；用愈創木酚法[25]測定過氧化物酶(POD)活性；參照林植芳硫代巴比妥酸法測定丙二醛(MDA)含量[26]；用酸性茚三酮顯色法[27]測定脯氨酸含量；采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量[28]。

1.2.2 產量及其構成要素測定

小麥成熟后，旱棚和大田每個小區均選取生長一致的0.667 m2取樣，統計有效穗數、穗粒數、千粒重，并計算籽粒產量。

1.3 數據處理

用Excel 2018整理數據和作圖，用SPSS 21.0進行統計分析和處理間多重比較。

2 結果與分析

2.1 灌水量對小麥旗葉抗氧化酶活性的影響

旱棚和大田條件下，W1和W2處理的三個小麥品種旗葉SOD活性均顯著高于W0處理(圖1)。在旱棚條件下，H6632、S086、J22的W2處理較W1處理分別高4.46%、1.96%和12.71%，但差異均不顯著。在大田條件下三個品種的W2處理比W1處理分別低11.28%、14.33%和 10.03%，且差異均顯著。這說明增加灌水可增強小麥旗葉SOD活性。

圖柱上的不同小寫字母表示同一品種的不同處理間差異在0.05水平顯著。下圖同。

旱棚和大田條件下，W1和W2處理的不同小麥品種旗葉POD活性均顯著高于W0處理(圖2)。旱棚條件下， H6632、J22、S086 的W2處理比W1處理分別高3.64%、3.84%，和-4.61%，但差異都不顯著(圖2)。大田條件下，三小麥品種的W2處理比W1處理分別低5.01%、2.83%和6.32%，但只有J22差異顯著。這說明灌水有助于增強小麥旗葉POD活性。

旱棚和大田條件下，W1和W2處理的不同小麥品種旗葉CAT活性均顯著高于W0處理(圖3)。旱棚條件下，H6632、S086和J22的W2處理比W1處理分別低12.79%、7.50%和9.76%，其中S086差異不顯著。大田條件下，S086和J22的W2處理比W1處理分別低1.25%和7.69%，H6632則提高3.03%。由此可見，灌水有利于提高了小麥CAT活性。

2.2 灌水量對小麥旗葉丙二醛含量的影響

旱棚和大田條件下，W1和W2處理的不同品種旗葉MDA含量較W0處理均不同程度地降低，除大田H6632外均差異顯著(圖4)。旱棚條件下，H6632、S086和J22的W2處理比W1處理分別低20.43%、14.47%和26.24%，且差異均顯著。大田條件下，S086、J22和H6632的W2處理比W1處理分別高6.59%、13.20%和-0.88%。這說明灌水可減緩小麥膜質過氧化作用。

2.3 灌水量對小麥旗葉滲透調節物質含量的影響

旱棚和大田條件下，W1和W2處理的各品種旗葉脯氨酸含量較W0處理均顯著降低(圖5)。旱棚條件下，H6632、S086、J22的W2處理比W1處理分別低23.05%、19.30%和23.69%，但H6632差異不顯著。大田條件下三小麥品種的W2處理分別比W1處理高16.42%、15.06%和35.94%，但只有J22差異顯著。

圖2 灌水量對小麥旗葉POD活性的影響Fig.2 Effect of irrigation rate on POD activity in flag leaves of wheat

圖3 灌水量對小麥旗葉CAT活性的影響Fig.3 Effect of irrigation rate on CAT activity in flag leaves of wheat

在旱棚和大田條件下，W1和W2處理的三個小麥品種旗葉可溶性糖含量均顯著低于W0處理(圖6)。在旱棚條件下，H6632、S086和J22的W2處理可溶性糖含量比W1處理分別低 2.80%、26.97%和 29.88%，其中S086和J22差異顯著。大田條件下，各品種的W2處理可溶性糖含量比W1處理分別高25.05%、14.43%和 -21.98%。

圖4 灌水量對小麥旗葉MDA含量的影響Fig.4 Effect of irrigation rate on MDA activity in flag leaves of wheat

圖5 灌水量對小麥旗葉脯氨酸含量的影響Fig.5 Effect of irrigation rate on proline content in flag leaves of wheat

圖6 灌水量對小麥旗葉可溶性糖含量的影響Fig.6 Effect of irrigation rate on soluble sugar content in flag leaves of wheat

2.4 不同灌水量對小麥產量及其構成要素的影響

旱棚和大田條件下，與W0處理相比，各品種的W1和W2處理產量均顯著提高(表2)。旱棚條件下，H6632、S086和J22的W2處理較W1處理分別增產4.36%、8.28%和19.85%，S086和J22有顯著差異；在大田條件下，三個品種的W2處理較 W1處理分別增產3.15%、5.07%和 4.33%，差異均不顯著。W1和W2處理的增產在旱棚條件下主要歸因于穗粒數增加，在大田條件下主要歸因于有效穗數的提高。

表2 不同灌水量下各小麥品種產量及產量構成要素Table 2 Yield and yield components of different wheat varieties under different irrigation treatments

3 討 論

在干旱脅迫下，植物通過體內存在的酶促和非酶促的清除活性氧系統，平衡體內活性氧代謝[29]。研究表明，干旱脅迫下細胞膜損傷是因為體內SOD、POD、CAT活性下降和不飽和脂肪酸過氧化造成的[30-31]。在本研究中，旱棚條件下W1和W2處理與W0處理相比，不同小麥品種葉片SOD、POD和 CAT 活性均顯著升高，3個小麥品種旗葉 SOD活性均表現為W2處理高于W1處理，J22和H6632的POD活性表現為W2處理高于W1處理，而S086 的POD活性則表現為降低，這反映了基因型對土壤水分脅迫響應的差異[14]。3個小麥品種CAT活性均表現為W1>W2>W0，這與閆麗霞[32]的研究結果相一致。大田條件下與W0處理相比，W1和W2處理的不同小麥品種葉片SOD、POD和 CAT 活性均升高，3個小麥品種旗葉SOD活性均表現為W1>W2，J22和H6632的POD活性差異不顯著，3個小麥品種CAT活性在W1與W2處理間均差異不顯著，這可能與大田開花期降水較多有關。

植物體內保護酶的清除能力在不足以應對活性氧的積累時，會導致細胞膜脂被過氧化，破壞細胞結構，細胞內積累過多的氧化物質，最后形成有毒物質丙二醛[33]。本研究中，旱棚條件下，各小麥品種旗葉MDA含量隨著灌水量的增加而降低，但在大田條件下與W0處理相比，W1、W2處理的小麥葉片MDA含量均降低，J22和S086的W1處理均低于W2處理，與楊貝貝等[34]研究結果一致。旱棚與大田條件下，H6632、S086和J22的W1和W2處理保護酶活性和MDA含量均不同程度地升高或降低，表現有不一致之處，這可能是由于不同小麥品種的抗旱性差異與其對水分的敏感程度不同所引起。

干旱環境下活細胞通過積累體內滲透調節物質，降低滲透勢，維持細胞膨壓，進而使細胞生長、蒸騰作用、光合作用等生理代謝正常進行，在植物體內起著重要的滲透調節作用[35-36]。本研究中旱棚條件下，與W0處理相比，W1、W2處理的小麥葉片中脯氨酸含量和可溶性糖含量均顯著降低，可能與可溶性糖和脯氨酸具有雙重調節信號功能有關[37]。W2處理下S086和J22旗葉可溶性糖含量顯著低于W1處理，與脯氨酸含量變化一致，說明可溶性糖含量與脯氨酸含量可能存在一定程度的正相關，這與馬玉玲等[38]的研究結果一致；大田條件下，與W0相比，W1、W2處理的小麥葉片可溶性糖和脯氨酸含量也均顯著降低，但可溶性糖含量在W1和W2處理間的差異表現因品種而異，與脯氨酸含量表現也不一致，這可能與品種對水分敏感性不同有關，也與前人研究結果不同，其原因可能與小麥春季灌溉2水后受到干旱脅迫后表現出明顯的應激反應有關[39]。旱棚和大田條件下，3個小麥品種在不同水分處理下，大田旗葉可溶性糖含量與脯氨酸含量均高于旱棚，這可能是由于大田開花期降水較多、光照相對充足等因素使小麥根系能吸收足夠的水分和養分，促進小麥植株生長，表現出較強的抵御不良環境脅迫的能力。

小麥的生長發育過程中如果遇到干旱會造成生理代謝紊亂、植株早衰，嚴重影響產量的形成[40]。研究表明，水分脅迫會使小麥的有效穗數、穗粒數、千粒重和產量降低[41-42]。本研究中，旱棚W1、W2處理產量和穗粒數均顯著高于W0處理；大田W1、W2處理產量和有效穗數均顯著高于W0處理，與門洪文等整個生育期不灌水處理相比，灌兩水處理增加了小麥穗數和穗粒數的研究結果一致[43]。

旱棚和大田試驗都表明，3個小麥品種在W0處理下，旗葉SOD、POD、CAT活性相對W1和W2處理顯著降低，滲透調節物質含量顯著升高，MDA含量升高。在不同灌水處理下，旱棚W2提高小麥旗葉清除活性氧的能力，減少了細胞內過氧化物的積累，而大田W1處理較W2處理緩解了旗葉衰老損傷。旱棚和大田W2處理下不同小麥品種的籽粒產量均高于W1處理。因此，生產實踐中要根據當地氣候條件選擇適宜的抗旱性小麥品種，并結合降水選擇合適的灌水時期進行合理灌溉，進一步提高小麥抗旱能力和產量。