冬小麦生长性状及耗水特性对水分亏缺的响应

邱新强，路振广，张玉顺，和 刚，秦海霞，王艳平，王 敏(河南省水利科学研究院，河南省节水灌溉工程技术研究中心，郑州 450003)

0 引 言

冬小麦是河南地区的主要粮食作物，同样也是需水较多的作物，其生育期内降水相对较少，每年至少需要进行2～3次灌溉，具有较强的灌溉依赖性[1,2]。由于生产中按作物需水适时灌溉的操作难度极大，在冬小麦生育期间发生水分亏缺的现象亦不可避免。大量研究表明，水分胁迫直接影响小麦的生理生态指标和形态结构，进而影响其生长状况和产量[3-6]，但特定生育阶段的适度水分亏缺并不完全对冬小麦生长不利，复水后可对其生理、生长和产量形成产生补偿效应，在保证产量的基础上实现节水，提高其水分利用效率[6-8]。近年来，国内相关研究多侧重于冬小麦特定生育阶段的水分亏缺及旱后补偿机制[8-10]，针对不同生育阶段受旱对作物的影响差异的研究较少。本研究通过防雨棚下测坑试验，对比分析不同生育阶段、不同程度的水分亏缺对冬小麦生长发育、耗水特性及产量形成的影响，探明适用于河南地区冬小麦的调亏灌溉控制指标，以期为实现冬小麦节水高效灌溉提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在河南省灌溉试验中心站毛庄试验基地内进行。试验基地位于北纬34°16′，东经112°42′，海拔85.0 m，属于北温带大陆性季风气候；多年平均气温和降雨量分别为14～14.3 ℃和640.9 mm，无霜期220 d，全年日照时间约2 400 h。试验区土壤为中壤土，1 m土层的平均田间持水量为23%，容重为1.42 g/cm3。耕层有机质含量为5.62 g/kg，全磷为0.44 g/kg，全钾为15.12 g/kg，全氮为0.37 g/kg，碱解氮为24.91 mg/kg，速效磷为23.89 mg/kg，速效钾为75 mg/kg。

1.2 试验设计与方法

本试验在带有电动遮雨棚的非称重式蒸渗仪(测坑)内进行，测坑尺寸为3 m×2.2 m×2 m(长×宽×高)。试验材料为周麦22，两季试验分别于2012年10月17日和2013年10月12日播种，2013年5月30日和2014年5月30日收获。人工开沟撒播，每坑播9行，播量为150 kg/hm2。播前深翻整地，基施复合肥750 kg/km2(N∶P∶K=15∶15∶15)，干鸡粪10 t/hm2；其余农事管理同一般高产田。

试验共设置18个水分处理，分别在苗期、拔节期、抽穗期和灌浆期各设置3个土壤水分控制下限(占田持百分比)水平，同时设置生育前期(苗期+拔节期)连旱、生育中期(拔节期+抽穗期)连旱、生育后期(抽穗期+灌浆期)连旱，以及全生育期适宜水分、全生育期中水分、全生育期低水分处理，以全生育期适宜水分处理作为对照(CK)。当土壤含水率达到本试验设置的控制下限时即灌水90 mm，具体试验处理见表1。

1.3 试验观测项目

冬小麦于三叶期定苗后每7～10 d一次测定基本苗数(1 m行)，2次重复，叶面积测量同步进行，10次重复；土壤水分测定采用取土烘干法，每10 d左右测定一次，测定深度为100 cm，每20 cn一层，共5层，播前及收获后均加测；收获时对小区内中间3行(共9行)进行测产，同时选择小区1 m行内有代表性的10株(10次重复)冬小麦进行考种，测量株高、茎粗、穗长、小穗数、无效小穗数、穗粒数和千粒重等指标。

1.4 数据处理与分析

采用Excel2003软件进行数据处理和图表制作，使用DPS软件进行多重比较(Duncan新复极差法)。

表1 冬小麦不同生育阶段的水分亏缺指标(田持) %Tab.1 The low limits of soil moisture index of winter wheat.

2 试验结果分析

2.1 不同水分处理下冬小麦的叶面积指数动态

2012-2013年度(S1)和2013-2014年度(S2)不同水分处理条件下冬小麦的叶面积指数LAI变化动态见图1和图2。由图可知，返青前冬小麦的LAI值较低，处理间极差约为1.12 cm2/m2(播后89 d，S1)和1.02 cm2/m2(播后77 d，S2)；拔节后各处理的LAI值均快速增大，此期苗期受旱各处理的LAI值增速均低于CK，其LAI极值也低于CK，表现出一定的生长抑制效应；两季冬小麦的LAI值分别自播后176 d(S1)和播后162 d(S2)左右达到极值，而后均开始明显降低；S2生长季播后198 d至播后222 d期间，各受旱处理的LAI值日均变化约为-0.18～-0.08 /d，同期CK的LAI值日均变化约为-0.04 /d。整体而言，CK处理的LAI值在全生育期内总是保持高值，各重旱处理的LAI值则普遍较低。连旱处理条件下，S1生长季播后132 d至播后189 d期间，冬小麦各连旱处理的LAI值表现为：生育后期连旱>生育中期连旱>生育前期连旱，S1生长季冬小麦LAI值的处理间差异较小，存在一定的年季差异。

图1 2012-2013年度冬小麦的叶面积指数变化Fig.1 Variation of LAI under different water deficit in 2012-2013

图2 2013-2014年度冬小麦的叶面积指数(LAI)变化Fig.2 Variation of LAI under different water deficit in 2013-2014

2.2 不同水分处理下冬小麦的耗水量和日耗水强度

2012-2013年度(S1)和2013-2014年度(S2)不同干旱处理下冬小麦的耗水量见表2。由表2可知，两季冬小麦不同水分处理的总耗水量分别为316.6～569.8 mm(S1)和390.3～559.7 mm(S2)，其日耗水强度的处理间极差分别为1.1 mm/d(S1)和0.73 mm/d(S2)。本试验中，任一生育时期受旱均限制了冬小麦全生育期总耗水量和日耗水强度的增加，且其总耗水量和日耗水强度均随干旱程度的加剧呈下降变化，各重旱处理的总耗水量和日耗水强度总是最低的；随着连旱时段的后移，冬小麦的总耗水量呈上升变化，但其处理间差异较小，变异系数(CV)分别为2.4%(S1)和4.9%(S2)。

与适宜水分处理(CK)相比，全生育期中水和低水处理的总耗水量较CK均明显降低，其中S1生长季降幅分别为36.5%和44.4%，S2生长季则分别为15.0%和26.5%。苗期干旱条件下，冬小麦的各阶段耗水量随干旱程度加剧均呈下降变化，重旱处理的各阶段耗水量总是低于同期均值，可见苗期重旱会明显降低受旱该期冬小麦的阶段耗水量，即使拔节期复水后其耗水量仍会在较长时期内受到限制。拔节期干旱条件下，各受旱处理的拔节期阶段耗水量和日耗水强度均低于对照，S1生长季的降幅在31.8%～54.7%之间，S2生长季重旱处理的降幅约为25.4%。抽穗期复水后，重旱处理的抽穗期阶段耗水量仍保持较低水平，结合冬小麦农艺指标的表现不难看出，拔节期重旱会明显抑制冬小麦植株的营养生长，不利于健壮植株的形成。S1生长季拔节期轻旱处理的耗水量在抽穗期复水后明显提升至正常水平(接近CK)，拔节期中旱处理的在抽穗期阶段的耗水量则高于CK，表现出一定的“补偿效应”，而此期重旱处理的阶段耗水量仍显著低于适宜水分处理，表现出较为明显的长期干旱抑制。抽穗期干旱条件下，S1季度各处理的抽穗期阶段耗水量表现为：CK>中旱处理>轻旱处理>重旱处理，其中重旱处理的降幅最大，约为50.8%；S2生长季则表现为中旱和重旱处理的抽穗期阶段耗水量最低，二者较对照分别降低了约40.3%(52.1 mm)和35.7%(46.1 mm)。灌浆期干旱条件下，各受旱处理的总耗水量均低于对照，其中重旱处理的灌浆期阶段耗水量总是最低。S2生长季冬小麦的灌浆期阶段耗水量随干旱程度加剧呈下降变化，轻旱、中旱和重旱处理的灌浆期阶段耗水量较对照分别降低了约15.0、29.9、51.8 mm。

表2 2012-2013年度(S1)和2013-2014年度(S2)不同干旱处理下冬小麦的阶段耗水量和总耗水量 mmTab.2 The stage water consumption and total water consumption of winter wheat in 2012-2013 (S1) and 2013-2014 (S2).

2.3 不同水分处理下冬小麦的产量及其产量构成参数变化

两季冬小麦收获时的籽粒产量及其产量构成参数见表3和表4。由表可知，受旱条件下冬小麦的株高、小穗数、穗粒数和籽粒产量均低于适宜水分处理(CK)，其无效小穗数和千粒重则有所增大。2012-2013年度(S1)全生育期低水处理的株高、穗长、小穗数、穗粒数和籽粒产量均显著小于CK，其千粒重则显著高于CK；2013-2014年度(S2)其株高和籽粒产量均显著小于CK和全生育期中水处理，其无效小穗数则显著大于CK。

各受旱处理的籽粒产量较CK均出现不同程度的降低，其中各重旱处理的降幅总是最大。苗期干旱条件下，S1生长季各受旱处理的株高和穗长较CK均有所增加，其中苗期中旱处理较CK分别增加约2.21和0.71 cm，表现最优，出现此类情况可能与播前土壤水分偏高，达到设计灌水控制下限的时间后延有关。苗期重旱处理的千粒重最低且与轻旱处理间差异显著；S2生长季苗期干旱处理的冬小麦株高、茎粗和无效小穗数均随干旱程度加剧呈下降变化，但其穗长和千粒重均表现为轻旱处理>重旱处理>中旱处理，其中轻旱和中旱处理的千粒重间存在显著差异，其他各参数处理间差异均不显著。拔节期干旱条件下，冬小麦的株高和籽粒产量均随干旱程度的加剧呈下降变化，其穗粒数和千粒重则呈上升变化，其中拔节期重旱处理的株高和籽粒产量的降幅最大，分别较CK降低约8.72%和8.43%(S1)、9.89%和36.26%(S2)，其千粒重则显著大于CK和其他两处理。

抽穗期干旱条件下，S1生长季各受旱处理的穗长间差异不显著但均显著大于CK，冬小麦的无效小穗数和千粒重随着干旱程度加剧均呈增大变化，其籽粒产量则不断降低；S2生长季冬小麦的穗长、小穗数、穗粒数和千粒重均随干旱程度加剧呈增大变化，其中中旱和重旱处理的籽粒产量均显著低于CK，但与轻旱处理间差异均不显著。

表3 2012-2013年度冬小麦的籽粒产量及其产量构成参数Tab.3 The grain yield and yield components of winter wheat in 2012-2013

表4 2013-2014年度冬小麦的籽粒产量及其产量构成参数Tab.4 The grain yield and yield components of winter wheat in 2013-2014

值得注意的是，S1生长季冬小麦的小穗数和穗粒数均呈下降变化，S2生长季则表现为持续上升，结合其千粒重和籽粒产量的对比结果不难看出，干旱条件下小穗数和穗粒数增加对产量降幅收窄有利。灌浆期干旱条件下，轻旱处理的果穗最长，其株高、茎粗、小穗数和穗粒数均随干旱程度加剧呈下降变化；S1生长季轻旱处理的小穗数显著大于中旱处理，S2生长季轻旱处理的穗粒数显著大于重旱处理，此外上述各参数及其无效小穗数的处理间差异均不显著。

S1生长季中旱处理的千粒重最大且与CK和其他两处理间差异显著，轻旱处理的千粒重最小且显著低于CK及其他两处理；S2生长季冬小麦的千粒重随干旱程度加剧呈下降变化，重旱处理的千粒重最低且与CK及其他两处理间差异显著。灌浆期各受旱处理的籽粒产量均显著低于CK，其中重旱处理的籽粒产量最低且显著低于轻旱处理。连旱处理条件下，中期连旱处理的产量降幅(较CK)约为27.10%(S1)和50.14%(S2)，高于前期连旱和后期连旱处理的14.45%和14.45%、42.49%和25.22%。

2.4 不同水分处理下冬小麦的水分利用效率

不同干旱处理下冬小麦的籽粒产量、耗水量和水分利用效率WUE见表5。由表5可知，S1生长季不同干旱水平下冬小麦的平均减产率和平均耗水量变幅分别约为7.38%和6.63%(轻旱)、10.39%和7.94%(中旱)、15.36%和31.87%(重旱)，相应地，S2生长季分别为12.39%和-0.86%、19.05%和6.97%、31.87%和11.83%。全生育期干旱条件下，冬小麦的WUE随着干旱程度加剧呈下降变化，其中全生育期低水处理较CK下降约15.15%(S1)和15.57%(S2)。苗期轻旱和中旱处理的籽粒产量降幅均在5%以内，其WUE则普遍较高，说明苗期适度干旱对提高冬小麦的WUE有利，且并不会导致明显减产。抽穗期和灌浆期干旱各处理的WUE均低于CK，其降幅分别约为0.29%～3.36%和0.91%～9.89%(S1)、19.55～21.78%和10.96～27.54%(S2)。其中抽穗期干旱各处理的籽粒产量降幅约为9.64%～22.66%，其总耗水量(除S1生长季的重旱处理)降幅均低于9.09%；灌浆期干旱各处理的籽粒产量和总耗水量均随干旱程度加剧呈下降变化，且其籽粒产量的降幅总是较大，并最终导致其WUE低于CK。连旱处理条件下，冬小麦的籽粒产量和总耗水量均明显降低，中期连旱处理的WUE总是最低。

表5 2012-2013年度(S1)和2013-2014年度(S2)冬小麦的籽粒产量、耗水量及水分利用效率Tab.5 The grain yield, water consumption and water use efficiency of winter wheat in 2012-2013 (S1) and 2013-2014 (S2)

3 结 语

本试验中，返青前冬小麦的LAI值较低，处理间差异较小，拔节期复水后苗期受旱各处理的LAI值增速均有所放缓。水分胁迫下冬小麦的最大减产率和耗水量最大变幅分别约为53.02%和44.44%(S1)、50.14%和26.52%(S2)；苗期轻度和中度水分胁迫对冬小麦籽粒产量的影响较小(减产5%以下)，且有利于其WUE提高；拔节期受旱和抽穗期受旱分别使冬小麦减产约6.02%～36.26%和9.64%～22.66%，其总耗水量降幅均普遍低于9.09%，可见拔节期干旱和抽穗期干旱均易导致冬小麦减产，在生产中应尽量避免此期受旱。综合考虑籽粒产量和WUE，本试验推荐冬小麦苗期、拔节

[6] 丁 红,张智猛,戴良香,等.干旱胁迫对花生生育后期根系生长特征的影响[J].中国生态农业学报, 2013,21(12):1 477-1 483.

[7] 王 瑾,李玉荣,张嘉楠,等.中国花生主载品种抗旱性鉴定及其遗传多样性分析[J].中国农业科技导报,2015,17(1):57-64.

[8] 姜慧芳,任小平. 干旱胁迫对花生叶片HD活性和蛋白质的影响[J].作物学报,2004,30(2):169-174.

[9] Kuldeepsingh A.Kalariya,Amrit Lal Sing,Nisha Goswami,etal. Photosynthetic characteristics of peanut genotypes under excess and deficit irrigation during summer[J].Physiol Mol Bio Plants,2015,21(3):317-327

[10] 郑盛华.水分胁迫对玉米生理生态特性影响的研究.北京：中国农业科学院，2007：2-10.

[11] 魏孝荣,郝明德,张春霞,等.土壤干旱条件下外源锌、锰对夏玉米光合特性的影响[J].作物学报,2005,31(8)：1 101-1 104.

[12] L.Luo,Z.Yu,D.Wang,etal. Effects of planting density and soil moisture on flag leaf photosynthetic characteristics and dry matter accumulation and distribution in wheat[J].Agricultural Water Management,2015,31(148):123-129.

[13] Reza Nozari, Hamid Reza Tohidi Moghadam, Hossein Zahedi. Effect of cattle manure and zeolite applications on physiological and biochemical changes in soybean (Glycine max L. Merr.) grown under water deficit stress[J]. Revista Científica UDO Agrícola, 2013,13 (1).

[14] 魏江生,山本太平,董 智,等. 在干旱区农业开发中对人工沸石作用的探讨[J].干旱区资源与环境,2005，19(3):151-152.

[15] 曹晓燕. 天然沸石在土地整理中的应用[J].国土资源,2002,(6):35.

[16] Xiubin, H. and H. Zhanbin. Zeolite application for enhancing infiltration and retention in loess soil[J]. Resource, Conservation and Recycling, 2001,34(3): 45-52.

[17] He Z L. Clinoptilolite zeolite and cellulose amendments to reduce ammonia volatilization in a calcareous sandy soil[J]. Plant and Soil,2002,247(6):253-260.

[18] Zahedi H, H R Tohidi Moghadam. Effect of drought stress on antioxidant enzymes activities with zeolite and selenium application in canola cultivars. Research on crops, 2011,12(2):388-392.

[19] 于文颖,纪瑞鹏,冯 锐,等.不同生育期玉米叶片光合特性及水分利用效率对水分胁迫的响应[J].生态学报,2015,35(9):2 902-2 909.