淮北地區干旱脅迫對冬小麥不同土壤中生長及水分利用效率影響與差異性分析

高 佩，王怡寧，2，呂海深，朱永華，王發信，崔雪艷

（1.河海大學水文水資源學院， 南京 210098；2.南京水利科學研究院，南京 210029；3.安徽省（水利部淮河水利委員會）水利科學研究院 五道溝水文實驗站，安徽 蚌埠 233000；4.湖南工業大學計算機學院，湖南 株洲 412000）

0 引 言

全球變暖背景下，氣象和農業干旱在干旱頻發區域呈現不同程度的增加趨勢[1]，對全球糧食安全和農業生產造成嚴重影響[2]，糧食安全是人類生存及社會持續發展的根本保障[3]，在水資源短缺的影響下，保障糧食安全和實現農業系統可持續發展是目前全球共同面臨的重大挑戰[4]。隨著農業用水緊缺和干旱災害頻繁發生，農作物生育階段遭受干旱脅迫影響嚴重，水分對作物的影響以及作物的響應關系也是復雜的[5]，很多學者在這方面進行了大量的研究。閆春娟等[6]研究了大豆在不同生育期干旱脅迫下根系特性及產量情況。呂亮杰[7]等對不同品種的小麥開展干旱脅迫試驗，發現干旱脅迫下不同品種小麥營養物質積累過程存在差異。朱亞楠等[8]研究了干旱脅迫對冬小麥、夏玉米生長和產量的影響，指出冬小麥灌漿期遭到干旱脅迫會使小麥產量和水分利用效率顯著降低，隨著干旱脅迫加劇，玉米生長受到抑制，根長變短，總生物量降低。候志強等[9]基于夏大豆受旱盆栽試驗研究了淮北地區不同生育期干旱脅迫對耗水量和水分利用效率的影響，結果表明干旱脅迫使得生育期耗水量減少，且干旱程度越重減少比例越大。劉碩等[10]研究了干旱脅迫對甘蔗光合生理特性的影響，發現干旱影響下，葉片含水率、葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率等指標下降顯著。

淮北地區旱澇災害頻繁[11]，農業灌溉受干旱影響形勢嚴峻[12]，冬小麥是主要糧食作物，當地主要土壤類型為砂姜黑土（54%）和黃潮土（33%），以往研究主要基于單一土壤在干旱脅迫下對作物生長、發育及耗水情況，對不同土壤下干旱對作物影響的差異研究較少，本文基于2022年五道溝水文實驗站冬小麥桶栽干旱試驗，探討不同干旱脅迫對冬小麥在砂姜黑土和黃潮土中生長及水分利用效率的影響與差異性，為冬小麥受旱影響、增產、優化灌溉提供參考依據，為當地農業發展提供支撐。

1 試驗與方法

1.1 試驗區概況

本試驗于2022年2-6月在五道溝水文實驗站作物與水關系試驗場進行，該站位于淮北平原的南部，屬于暖溫帶半干旱半濕潤氣候，積累了近70年不間斷水文氣象實測資料，站內設有大型蒸滲儀、水文氣象觀測場等設施，多年平均水面蒸發量為1 027.67 mm，多年平均降水量為893.2 mm，多年平均氣溫為14.9 ℃。試驗場布置測桶為不銹鋼材質，桶徑0.45 m，桶高1 m，桶內墊層高度為0.1 m，有電動擋雨棚可避免降水對試驗的影響，測桶土壤為當地砂姜黑土與黃潮土。

1.2 試驗設計

依據五道溝水文實驗站報告和淮北平原冬小麥的生長發育狀況[11]，將冬小麥生育期分為6 個生育階段，即播種—分蘗（10月10日—12月20日）、分蘗—返青（12月21日—次年2月10日）、返青—拔節（2月11日—3月20日）、拔節—抽穗（3月21日—4月20日）、抽穗—乳熟（4月21日—5月15日）、乳熟—成熟（5月16日—5月31日）。以冬小麥各生育階段不同土壤水分為控制因素，在生長重要需水的生育階段，返青—拔節、拔節—抽穗、抽穗—乳熟3 個生育階段分別設置輕旱、中旱和重旱3 種干旱脅迫處理，同時設置全生育期無旱處理（CK），每個處理3 個重復。本次選用當地該期間常用品種西農99，種植密度采用當地大田密度450 kg/hm2。具體方案見表1。

表1 試驗方案設計Tab.1 Test scheme design

1.3 測量項目及方法

（1）土壤含水率測定。初始含水率通過土壤水分傳感器測量體積含水率，由實驗站土壤參數計算獲得重量含水率，之后試驗作物各測桶土壤含水率由每5天用電子吊秤稱重一次測桶質量計算得到。

（2）灌水量。若當天計算得到的末尾水分虧缺量小于表1中不同處理對應的水分虧缺量下限時，則第二天進行澆水，進行精確量測，使水分虧缺量達到表1中各干旱等級下的水分虧缺量區間內。

（3）作物耗水量。通過測定土壤含水率結合水量平衡來計算作物耗水量，計算公式[13]：

式中：ETc，i為第i天實際耗水量，mm；wi，初為測桶第i天的初始土壤含水率；wi，末為測桶第i天的末尾土壤含水率；ρ為土壤體積質量，g/cm3；H為土壤厚度，cm；Ii為作物測桶第i天灌水量，mm；P為時段內的降水量，mm；K為時段內的地下水補給量，mm；C為時段內的排水量，mm；本試驗中P、K、C均為0。

（4）水分利用效率。測桶內的作物籽粒產量與該測桶內全生育期總耗水量的比值作為水分利用效率WUE，g/mm。

（5）作物株高、產量測量。株高選擇在各生育階段末和全生育期末隨機選取3組進行測量求取均值，生育階段劃分如表2所示，收獲后，對各個測桶內的收獲的作物籽粒進行稱重測得產量。

表2 2022年試驗期冬小麥生育階段起止日期Tab.2 Starting and ending dates of winter wheat growth period in 2022

2 結果與分析

2.1 生育階段干旱脅迫對冬小麥株高的影響

株高是反應冬小麥生長狀況的重要指標之一，砂姜黑土與黃潮土冬小麥生育階段株高如圖1與圖2所示。

圖1 砂姜黑土與黃潮土中冬小麥不同干旱脅迫下生育階段株高Fig.1 Plant height under different drought stress of Winter Wheat in lime concretion black soil and yellow tide soil

圖2 砂姜黑土與黃潮土冬小麥不同干旱脅迫下成熟后株高Fig.2 The plant height of lime concretion black soil and yellow tide soil Winter Wheat after maturity under drought stres

由圖1 和圖2 可知，在砂姜黑土中冬小麥各生育階段受旱影響下，株高均小于對照組，其中重旱對冬小麥株高的抑制作用明顯大于輕旱和中旱。返青—拔節期輕旱、中旱、重旱影響下株高相比對照組分別偏低14.5%、16.0%、20.9%，收獲時株高相比對照組分別偏低0.6%、3.8%、2.6%，可見復水后返青—拔節期受旱對株高的抑制基本解除。拔節—抽穗期輕旱、中旱、重旱影響下株高相比對照組分別偏低13.6%、18.5%、20.8%，收獲時株高相比對照組分別偏低13.9%、17.7%、20.8%，可見拔節-抽穗期受旱對冬小麥株高的抑制影響是終身的。抽穗—乳熟期輕旱、中旱、重旱影響下株高相比對照組分別偏低7.1%、6.3%、8.4%，成熟后相比對照組分別偏低7.1%、6.7%、8.8%，可見抽穗-乳熟期受旱也會影響冬小麥后期株高的生長。

受旱結束復水后，返青-拔節期受旱對株高的抑制基本解出，輕旱組生長到對照組水平，中旱和重旱略低于對照組；拔節—抽穗期復水后受旱組均遠低于對照組，受旱對株高的抑制一直持續，其中重旱影響最為嚴重；抽穗-乳熟期受旱亦會影響冬小麥后期株高的生長，但影響程度遠小于拔節—抽穗期，在受旱期間株高偏低水平遠小于其余兩個生育階段，且不同干旱程度對株高的影響無顯著差異。受旱抑制株高主要是因為土壤水分較少會影響莖基部節的生長，導致小麥高度降低，有研究表明嚴重水分虧缺下，植物組織生長會出現明顯矮化現象[13-16]。

黃潮土中冬小麥在各生育階段受旱影響下，株高也小于對照組，重旱對冬小麥株高的抑制作用最明顯，與砂姜黑土一致。返青-拔節期輕旱、中旱、重旱影響下株高相比對照組分別偏低1.9%、3.4%、7.2%，成熟后，輕旱、重旱相比對照組分別偏低1.7%、6.5%，中旱偏高0.2%，可得受重旱對株高后期生長影響嚴重，輕旱、中旱對株高的抑制基本解除。拔節-抽穗期輕旱、中旱、重旱影響下株高相比對照組分別偏低5.5%、6.7%、15.1%，成熟后相比對照組分別偏低4.1%、6.8%、15.5%，可得黃潮土拔節—抽穗期受旱與砂姜黑土均會對冬小麥株高產生終身抑制。抽穗—乳熟期輕旱、中旱、重旱影響下株高相比對照組分別偏低0.5%、2.5%、5.1%，成熟后相比對照組分別偏低0.7%、1.9%、4.8%，可得該生育階段受旱也會影響后期株高生長。

由圖2可見，最終收獲時黃潮土中相同受旱處理下冬小麥株高均低于砂姜黑土，但干旱脅迫影響下，黃潮土各生育階段受旱組株高相對于對照組偏低水平均小于砂姜黑土。

2.2 生育階段干旱脅迫對冬小麥耗水量的影響

砂姜黑土與黃潮土冬小麥受旱影響下，不同生育階段耗水量和產量如表3、表4和圖3所示。

圖3 砂姜黑土和黃潮土不同干旱脅迫下耗水情況及產量情況Fig.3 Water consumption and yield of lime concretion black soil and yellow tidal soil under different drought stress

表3 砂姜黑土冬小麥不同干旱脅迫下生育階段耗水量及產量Tab.3 Water consumption and yield of Winter Wheat in lime concretion black soil under different drought stress

表4 黃潮土冬小麥不同干旱脅迫下生育階段耗水量及產量Tab.4 Water consumption and yield of Winter Wheat in yellow tide soil under different drought stress

由表3知，在砂姜黑土中，冬小麥返青—拔節期輕旱、中旱、重旱影響下耗水量相比對照組分別減少5.0%、23.8%、45.8%，生育期總耗水量相比對照組分別減少5.7%、15.6%、21.1%。拔節—抽穗期輕旱、中旱、重旱影響下耗水量相比對照組分別減少25.1%、42.6%、57.0%，生育期總耗水量相比對照組分別減少14.3%、27.0%、35.1%。抽穗—乳熟期輕旱、中旱、重旱影響下耗水量相比對照組分別減少23.7%、29.5%、58.6%，生育期總耗水量相比對照組分別減少12.9%、9.5%、23.4%。可見各生育階段干旱脅迫下，冬小麥耗水量呈減小趨勢，重旱組耗水量減小最為顯著，中旱次之，且單個生育階段的耗水量減少均會導致總體耗水量低于對照組，在拔節—抽穗期減少幅度最大。

由表4知，在黃潮土中，冬小麥返青-拔節期輕旱、中旱、重旱影響下耗水量相比對照組分別減少6.5%、7.6%、32.6%，生育階段總耗水量相比對照組分別減少4.7%、4.9%、18.3%。拔節—抽穗期輕旱、中旱、重旱影響下耗水量相比對照組分別減少15.9%、33.9%、43.9%，生育階段總耗水量相比對照組分別減少8.5%、20.3%、30.0%。抽穗—乳熟期輕旱、中旱、重旱影響下耗水量相比對照組分別減少29.2%、36.1%、55.7%，生育階段總耗水量相比對照組分別減少10.4%、18.9%、22.6%。可得各生育階段干旱脅迫下，黃潮土中冬小麥耗水量亦呈減小趨勢，重旱組耗水量減小最為顯著，中旱次之，且單個生育階段的耗水量減少也均會導致總體耗水量低于對照組，但各處理組耗水量減少水平均小于砂姜黑土。

2.3 生育階段干旱脅迫對冬小麥產量的影響

由表3 知，在砂姜黑土中，冬小麥返青-拔節期輕旱、中旱、重旱影響下相比對照組減產率分別為17.4%、21.0%、33.4%；拔節—抽穗期輕旱、中旱、重旱影響下相比對照組減產率分別為16.4%、32.5%、41.9%；抽穗—乳熟期輕旱、中旱、重旱影響下減產率分別為4.0%、2.2%、14.2%；可見返青—拔節期與拔節—抽穗期受旱對產量影響嚴重，拔節—抽穗期重旱減產最為嚴重，抽穗—乳熟期受旱對產量的減產最小。

由表4 知，在黃潮土中，冬小麥返青—拔節期輕旱、中旱、重旱影響下相比對照組減產率分別為13.3%、11.4%、33.7%；拔節—抽穗期輕旱、中旱、重旱影響下相比對照組減產率分別為11.0%、17.7%、32.3%；抽穗-乳熟期輕旱、中旱、重旱影響下減產率分別為6.6%、18.0%、22.9%，可得黃潮土中各生育階段重旱對產量影響嚴重，拔節—抽穗期、抽穗—乳熟期中旱影響大于輕旱，返青-拔節期輕旱與中旱影響相差不大。

由圖3知，砂姜黑土中相同受旱處理下冬小麥產量均大于黃潮土，但干旱脅迫下，黃潮土返青-拔節期、拔節-抽穗期輕旱、中旱與拔節-抽穗期重旱減產率均小于砂姜黑土，可見在該生育階段黃潮土冬小麥相比砂姜黑土具有一定的抗旱能力；抽穗-乳熟期黃潮土受旱減產率均大于砂姜黑土，中旱和重旱非常顯著，可得該期間內，砂姜黑土抗旱能力優于黃潮土。

2.4 生育階段干旱脅迫對冬小麥WUE的影響

不同生育階段受旱影響下，冬小麥在砂姜黑土與黃潮土中的水分利用效率如圖4所示。

由圖4 可知，砂姜黑土抽穗-乳熟期WUE均高于其他處理組，其中重旱處理下的WUE最高，相比對照組高13.6%，輕旱次之，比對照組高10.4%，且該生育階段受旱冬小麥減產率較低，干旱影響較小，因此該期間可以進行優化節水灌溉；返青—拔節期輕旱、重旱和拔節-抽穗期重旱水分利用效率較小，均低于0.3 g/mm，且拔節—抽穗期隨著干旱水平加重，WUE逐漸減小，相比對照組分別減少2.4%、7.5%、13.3%，這主要由于拔節孕穗期干旱脅迫下耗水減少，小麥因嚴重缺水，導致生長緩慢、枯葉增加、干旱持續時間較長等因素，導致部分幼莖極早衰亡，從而使得小麥減產嚴重，因此導致WUE隨干旱加重逐漸降低；返青-拔節期中旱脅迫下WUE高于輕旱和重旱，主要是該生育階段干旱脅迫下耗水量與減產情況的差異。

黃潮土中冬小麥WUE最高值出現在拔節—抽穗期中旱處理組，最小值出現在返青—拔節期重旱處理組。返青—拔節期受旱會使得冬小麥水分利用效率低于對照組，重旱最為明顯，比對照組減少14.0%，拔節—抽穗期輕旱、重旱和抽穗—乳熟期輕旱相比對照組略有減小，分別降低了2.6%、3.3%、0.3%；拔節—抽穗期中旱和抽穗-乳熟期中旱、重旱略有增加，相比對照組分別增加了3.3%、1.0%、2.2%，抽穗—乳熟期各種處理下WUE均與對照組相差甚微，主要是該期間日照時間較長，造成蒸發較大，對耗水和產量均有較強的影響。其次，相同干旱脅迫下，砂姜黑土冬小麥水分利用效率均高于黃潮土，抽穗—乳熟期差值最顯著，且該生育階段黃潮土中冬小麥減產率均高于砂姜黑土，可見該生育階段干旱對黃潮土中冬小麥影響較為強烈，其余生育階段砂姜黑土與黃潮土重旱處理下WUE均小于輕旱、中旱及對照組，主要是此期間重旱影響導致冬小麥出現植株凋萎，耗水量受到嚴重影響，產量嚴重減少，使得WUE總體較低。

3 結 論

（1）兩種土壤冬小麥各生育階段受旱影響下，株高均小于對照組，重旱對株高的抑制作用最顯著，砂姜黑土返青—拔節期、拔節—抽穗期受旱對株高影響嚴重，拔節—抽穗期輕旱、中旱、重旱株高比對照分別偏低13.6%、18.5%、20.8%，且受旱對株高的抑制難以恢復；黃潮土拔節-抽穗期輕旱、中旱、重旱株高比對照分別偏低5.5%、6.7%、15.1%，且影響延續；收獲時黃潮土各處理株高均低于砂姜黑土，但干旱影響下，黃潮土受旱組株高基于對照組偏低水平均小于砂姜黑土。

（2）兩種土壤生育階段耗水量隨著干旱脅迫加重而減少，重旱影響減少趨勢最顯著，且單生育階段耗水量減少均會導致總體耗水量低于對照組，但黃潮土各處理減少水平均小于砂姜黑土。

（3）兩種土壤隨著干旱加重減產加劇，重旱減產最嚴重；砂姜黑土各處理產量均大于黃潮土，但黃潮土返青—拔節期、拔節—抽穗期輕旱、中旱與拔節—抽穗期重旱減產率均小于砂姜黑土，該生育階段黃潮土具有一定的抗旱能力，抽穗-乳熟期黃潮土受旱減產率均大于砂姜黑土，該期間砂姜黑土抗旱能力優于黃潮土。

（4）砂姜黑土WUE均高于黃潮土，抽穗—乳熟期差距最顯著，該生育階段干旱對黃潮土冬小麥影響強烈，而砂姜黑土冬小麥該生育階段受旱減產率較低，干旱影響小，可以進行優化節水灌溉；其余生育階段砂姜黑土與黃潮土重旱處理WUE均小于輕旱、中旱及對照組。

冬小麥在不同干旱脅迫下耗水規律研究較為復雜，本文探討了單生育階段干旱脅迫影響，今后研究需要對多生育階段多階段連續干旱及組合干旱過程的影響進行試驗研究。