不同調虧灌溉模式對冬小麥生長、生理及產量的影響

王東博，王書吉，韓玉薪

（1.河北工程大學水利水電學院，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、氣等農業生產條件優越，是我國傳統的農業主產區，但水資源缺乏，地下水超采嚴重，提高農業水資源利用效率是一項亟須解決的問題。調虧灌溉是在作物營養生長階段通過給予作物一定程度的水分脅迫，然后復水，通過虧水-復水激發作物的生理潛能，產生生長、生理補償效應，從而達到節水穩產高效的一種節水灌溉理論[1,2]，適宜的調虧模式輔之以管灌等高效節水灌溉方式，可以充分提高農業灌溉水利用效率，緩解當地農業用水緊張形勢。目前已有的關于調虧灌溉對冬小麥生長影響的研究報道基本上都是關于全生育期某一個生育階段虧水，下一個生育階段復水的研究思路，而針對冬小麥某一個生育階段內較短天數虧水-復水的研究報道較少。不同時長虧水對作物生理性狀影響不同，MA[3]等和ALI[4]等發現適度調虧灌溉可以顯著增加小麥的產量和水分利用效率，還可以提高小麥根系組織密度、根長比、根重比和根系細度。MA[5]等發現調虧灌溉條件下，間隔3 d 的產量顯著高于間隔6 d 的產量。也有結果表明[6]，任何時期的水分虧缺都可以提高水分利用效率，但冬小麥產量會略有下降。李彥彬[7]發現冬小麥花前短期輕旱能夠在不顯著降低產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花前碳庫向籽粒的再轉運，并隨著干旱脅迫的加重而提高，對籽粒產量起補償作用；水分脅迫提高了灌漿速率，但縮短了灌漿持續期。張笑培[9]發現拔節期灌水、追施氮肥提高了拔節—開花期、開花—成熟期階段耗水量和平均日耗水強度。李全起[10]發現以拔節期和抽穗期各灌溉適宜的水分，可以使籽粒的產量最高，增產的原因在于穗數的顯著增加。楊寶斌[11]發現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等危害，但同樣較長的時段按短時長、高頻率虧-復水模式來分配灌水量是否更能激發作物的潛能，同時實現節約灌溉用水？隨著我國高標準農田規模的增大，灌溉自動化程度提高，有條件實現高頻率的灌水；同時，探究作物對短時長缺水的反應和適應性能，有利于應對現實中突發的短期水資源緊缺現象；因此，在各耗水高峰生育階段開展短時長、高頻率虧-復水模式研究，得出各階段作物適宜的虧水-復水調虧模式，最終從全生育期總體降低用水量，是值得探索的研究內容。

拔節期是冬小麥營養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期內不同土壤含水率、短時長虧水-復水模式對冬小麥的株高、葉綠素、凈光合速率、熒光參數、產量、水分利用效率等的影響，以得出適宜的水分調虧運籌模式，為農業高效節水提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

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

1.2 試驗設計

試驗采用的冬小麥品種為“矮大穗”，行距為0.25 m。遵照相關文獻對生育階段的劃分方法[12]，結合當地農業經驗，冬小麥生育階段劃分為返青期（3月7日至4月2日）、拔節期（4月3日至4月23日）、抽穗揚花期（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。

進入拔節期之前，開始準備虧水，拔節期開始后，各處理達到預定虧水程度，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，另設全生育期充分灌水對照（CK），各處理均設3 個重復，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%)，其他田間農業管理措施遵照當地多年農作習慣。

表1 土壤含水率Tab.1 Soil moisture content

1.3 觀測項目與方法

在冬小麥拔節期內進行虧水-復水處理，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行測量，4月13 號開始復水，復水7 d 后，4月21日分別從虧水組和對照組選取典型植株進行測量，測定指標及測量方法如下。

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

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

（3）葉片光合作用參數。在冬小麥拔節期選擇一個晴朗無風的天氣，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。光強設置為1 000μmol/(m2?s)，選取標記好的植株進行測量，分別在虧水結束時和復水7 d后測量。

（4）熒光參數。在冬小麥生育期內，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，虧水結束時和復水7 d后測量。

（5）農田耗水量（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為地下水補給，試驗區地下水位埋深較深，可忽略。

（6）作物產量。冬小麥收獲時，在每個測坑內均勻分布取樣，同時將樣方內的所有小麥人工收割、風干、脫粒，統計實際產量，最后折算為每公頃產量。

1.4 數據分析

采用Origin 2018 進行數據分析統計作圖，采用SPSS 13.0（α=0.05）進行方差分析。

2 試驗結果與分析

2.1 不同處理對冬小麥拔節期株高的影響

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%，復水后的冬小麥株高表現出了明顯的生長補償效應。這與丁端峰[13]、趙麗英[14]的結論一致。

2.2 不同處理對冬小麥拔節期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%，表現出明顯的生長補償效應。這與丁端峰[13]、趙麗英[14]的結論一致。

2.3 不同處理對冬小麥拔節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%。說明復水之后冬小麥的凈光合速率雖有所恢復，但短時間內難以恢復到正常灌水水平，這說明水分脅迫會對冬小麥的凈光合速率造成不利影響，復水之后短期內仍不能很快恢復至對照組水平。復水后超過7 d 會否有補償效應？后續將開展相關研究。

2.4 不同處理對冬小麥拔節期熒光參數的影響

不同處理對冬小麥的熒光參數的影響如圖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Fv/Fm和Fv/F0均低于對照組CK，Fv/Fm分別低11.39%、8.86%、6.33%，Fv/F0分別低7.98%、6.38%、4.79%；復水7 d后在4月21日，各虧水處理Fv/Fm和Fv/F0都有所恢復，但仍比對照組CK 低，Fv/Fm分別低9.64%、8.43%、6.02%，Fv/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，其葉綠素熒光受水分虧缺影響的程度也越大，會導致冬小麥光化學效率降低，PSⅡ反應中心受損[15-18]，進而導致光合速率降低。復水后，各虧水處理的Fv/Fm、Fv/F0均有所提升，但短期內仍不能恢復至對照組水平。可見，水分虧缺對冬小麥葉綠素熒光造成的傷害雖然在復水后是可逆的，復水會在一定程度上緩解PSII 潛在活性中心受損程度[19,20]，但復水后多長時間能恢復到正常灌水處理水平？仍需開展后續研究。

2.5 不同處理對冬小麥產量的影響

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

表2 冬小麥產量分析Tab.2 Yield analysis table of winter wheat

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

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 條件下產量最高，但是耗水量也較多，導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量降低不顯著，所以可以考慮選擇Y3 處理作為拔節期虧水處理。

3 結論及討論

本研究發現，拔節期冬小麥株高、葉綠素含量與虧水程度成負相關關系，復水7 d 后，冬小麥株高和SPAD 顯著高于對照組，表現出生長補償效應，原因可能是冬小麥在拔節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水，激發了其生長潛能，從而出現株高和SPAD補償效應。這與高麗華[21]等的結論一致。

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，虧水越嚴重，光合速率下降程度越大；復水后7 d，Y1、Y2、Y3 各虧水處理凈光合速率有所恢復，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，其葉綠素熒光參數Fv/Fm、Fv/F0下降程度越大，復水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%，Fv/F0分別提高了12.20%、11.67%、11.88%。可見，拔節期虧水對冬小麥生理指標影響顯著，但隨著生育階段推進，能否緩解？在后面的研究中，我們將繼續開展相關研究。

各處理之間穗長值差異不顯著，但千粒重和產量差異顯著，Y1 處理的千粒重、產量與Y2、Y3、CK 差異顯著，Y2、Y3、CK 之間差異不顯著。說明嚴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，這樣可以實現節水穩產。