不同灌溉模式下小麦荧光特征及品种抗旱性研究

曹彩云，党红凯，郑春莲，李科江，马俊永

( 1.河北省农林科学院旱作农业研究所,河北衡水 053000； 2.河北省作物抗旱研究重点实验室,河北衡水 053000；3.农业部衡水潮土生态环境重点野外科学观测试验站,河北衡水 053000)

不同灌溉模式下小麦荧光特征及品种抗旱性研究

曹彩云1,2，党红凯1，郑春莲2，李科江1，马俊永3

( 1.河北省农林科学院旱作农业研究所,河北衡水 053000； 2.河北省作物抗旱研究重点实验室,河北衡水 053000；3.农业部衡水潮土生态环境重点野外科学观测试验站,河北衡水 053000)

为探讨低平原区节水灌溉模式和筛选高产节水品种，在2014-2015和2015-2016两个小麦生长季，采用裂区试验，以5个灌溉模式(春季灌溉0、1、2、3和4水，分别用W0～W4表示)作为主处理，以3个当地主推冬小麦品种(衡观35、石4185和衡4399)作为副处理，研究了不同灌溉模式对小麦产量、叶绿素荧光特征参数、水分利用效率等的影响及荧光特征与品种抗旱性的关系。结果表明，随灌溉量和灌溉次数的增加，小麦产量非线性增加，但不同年份表现有所不同，2014-2015年以W2处理产量最高，2015-2016年以W4处理产量最高；灌溉提高了PSⅡ的潜在活性Fv/Fo和原初光能转化效率Fv/Fm，但Fo却降低。不同品种对灌水的反应特性不同，且存在年际间差异，两年平均产量以衡4399最高，石4185最低；随灌溉量的增加，衡4399和衡观35产量变化幅度较小，而石4185的产量变化幅度相对较大。从荧光特征参数看，石4185受水分胁迫的影响大，在灌浆后期，其不灌溉处理(W0)的荧光参数Fo相对于灌溉处理的增加幅度高于衡4399和衡观35，但Fm、Fv/Fm和Fv/Fo在不灌溉情况下的降低幅度也相对较大，说明石4185的抗旱性差。从水分利用效率看，以W2处理较好。因此在本试验条件下，衡4399和衡观35的增产潜力大，抗旱性好，春季灌2水可达到节水高产和水分利用效率提高的目的。

冬小麦；灌溉模式；产量；荧光特征；水分利用效率；节水

河北低平原水资源供需矛盾突出，作为河北省主要粮食作物之一的小麦，其产量的维系主要靠灌溉，如何进行合理灌溉，筛选节水高产品种，对该区小麦生产乃至整个农业生产的可持续发展意义重大。研究表明，合理的灌溉不仅可提高小麦产量，而且可改善品质[1-3]，但作物的产量并非随灌溉量的增加呈线性增加[4]，限灌或控制某一阶段土壤水分可提高作物产量[5]。华北平原冬小麦全生育期在自然降水偏多年份灌3水，正常偏少年份灌4水，就可实现高产高效的生产目的[6]。 在华北地区，灌溉2水或3水不仅可提高水分利用效率，还可提高氮素的吸收效率[7]。合理灌溉能协调植株的生长发育，保持后期有较高的光合特性[8]， 春季灌2水模式(拔节水和孕穗水)的小麦群体上层截获的光能较多，中下层通风透光良好,群体光合同化能力最强,花后干物质积累量和产量最高[9]。干旱或水分胁迫可直接引发光合机构的异常，抑制PSⅡ的光化学活性和光合原初反应[10]，导致旗叶光合速率和PSⅡ的原初光能转化效率(Fv/Fm)和潜在活性(Fv/Fo)降低[11-14]，使作物产量下降。叶绿素荧光动力学是以光合作用理论为基础，利用叶绿素a荧光作为天然探针，能够快速、灵敏和非破坏性地进行活体测定和诊断的技术[15-16]，可较好地反映植物的胁迫程度[17-18]。目前针对不同品种抗旱性评价的指标研究较多[19-26]，而建立在多年不同春灌模式下小麦水分反应特性的研究相对较少。本研究在多年不同春灌模式的基础上，分析了不同灌溉模式对冬小麦产量、水分利用效率、荧光特征参数等的影响及荧光参数和品种抗旱性的关系，以期探讨该区节水高效种植模式和筛选节水高产品种，为该区农业的可持续发展提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验是在多年定位灌溉(2004年种麦开始)的基础上于2014-2015年和2015-2016年在河北省农林科学院旱作农业研究所深州试验站进行(37°44′N,115°47′E)，供试土壤为黏质壤土，2014年播前土壤有机质含量为16.0～17.5 g·kg-1，速效氮含量为89.3～101.9 mg·kg-1，速效磷含量为11.8～22.8 mg·kg-1，速效钾含量为109.2～130.4 mg·kg-1。种植制度为小麦/玉米一年两作。

小麦播种时间在2014和2015年分别为10月12日和10月12日，造墒播种，播种量210～225 kg·hm-2。2014年底施二铵225 kg·hm-2(含P2O546%和N 18%)和复合肥450 kg·hm-2(含N 16%、P2O516%和K2O 16%)，2015年底施二铵450 kg·hm-2(含P2O547%和N 17%)、钾肥225 kg·hm-2(含K2O 50%)和150 kg·hm-2(含N 46%)，两年均在春季结合春一水追施尿素375 kg·hm-2(含N 46%)(4水处理在春一水和春二水分两次等量追施，0水处理尿素趁雨4月17日和16日开沟施入)，其他管理同大田，收获时间分别为2015年6月10日和2016年6月11日收获。两个小麦生长季均为多雨年份，降雨量为143.9 mm和138.0 mm(常年降雨量109 mm)。

1.2 试验方法

试验采用裂区设计。主处理为春季灌水模式，设0水、1水、2水、3水和4水五个处理，分别用W0、W1、W2、W3和W4表示，每次灌水75 mm，春季浇水时间见表1。副处理为当地三个主栽冬小麦品种衡观35、衡4399和石4185(石4185作为对照)。三次重复，小区面积67.5 m2，小区之间设60 cm宽的隔离带。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 产量测定

小麦收获期，每区选有代表性的样方3 m2，测定籽粒产量，折算公顷产量。

1.3.2 叶绿素荧光参数测定

在灌浆前、中和后期，每个小区分别选有代表性植株旗叶3片，使用英国产 PEAMK2 型叶绿素荧光仪测定其叶绿素荧光动力学参数，即初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)，计算可变荧光Fv(Fv=Fm-Fo)、PSⅡ原初光能转化效率Fv/Fm及PSⅡ潜在活性Fv/Fo。

1.3.3 土壤水分测定

(4) 结合地质资料及钻孔资料分析认为，研究区热储主要为三叠系砂、板岩地层与第四系地层中的构造裂隙及第四系的松散孔隙。地热水经深循环，自深部热储沿雅拉沟断裂上行，在上行过程中受构造裂隙影响，与冷水发生混合；上升至近地表后，在构造破碎带及第四系地层中形成次生热储。因此在进行热水钻探及开发利用地热资源的过程中，需避免钻孔打穿次生热储而出现没无热水的情况。

在播前和收获时采用土钻法取2 m土体土样，10 cm 1层，105 ℃烘干至恒重,计算土壤重量含水量[27]。

土壤含水量=土层厚度×土壤容重×水重/干土重×10；

土壤水消耗量=阶段初土壤含水量-阶段末土壤含水量；

田间耗水量=土壤贮水消耗量+生长期有效降雨量+生长期总灌溉水量+地下水补给量-径流-渗漏。

试验地地势平坦，2 m土体容重为1.4 g·cm-3，地下水位在8 m以下，降水和灌水不足以形成径流和渗漏，因而地下水补给量、渗漏量和径流量按0计算。

1.4 数据处理方法

采用Excel进行数据处理及作图，SAS8.02数据处理系统进行方差分析。

水分利用效率(WUE)=籽粒产量/总耗水量。

表1 小麦春季灌水情况Table 1 Frequency and total amount of spring irrigation for winter wheat

W0：春季不灌溉; W1：春季灌1水(拔节期);W2：春季灌2水(拔节期+扬花期或灌浆初期);W3：春季灌3水(拔节期+孕穗期+灌浆期); W4：春季灌4水(起身期+拔节期+扬花期或灌浆初期+灌浆期)。下同。

W0:No irrigation in spring; W1:One irrigation in spring(at jointing stage); W2:Two irrigations in spring(at jointing stage and flowering stage or early filling stage); W3:Three irrigations in spring(at jointing,booting and filling stages); W4:Four irrigations in spring(at erecting,jointing,flowering or early filling stage,and filling stage).The same below.

2 结果与分析

2.1 春季灌溉对小麦产量的影响

随灌溉量的增加，小麦平均产量并非线性增加(表2)。灌溉处理较不灌溉处理在2014-2015年增产27.0%～33.8%，以W2处理产量最高；在2015-2016年增产41.7%～63.0%，以W4处理产量最高。随灌溉量的增加，两年的产量变化趋势和增产幅度均不同，可能与不同的气候年型和降雨的分配有关，但灌溉处理与不灌溉处理差异均极显著。不同年份间品种的产量潜力不同，2014-2015年以衡4399平均产量最高，2015-2016年以衡观35最高；两年平均产量以衡4399最高，石4185的产量最低。

表2 小麦产量的灌溉和品种主效应Table 2 Main effect of irrigation and variety on wheat yield kg·hm-2

表中数值为3次重复的平均值±标准误。产量数据后的大小写字母分别表示灌水处理或品种间在0.01和0.05水平上差异显著。

The values are means of three replicates ± SE. The different capital and small letters following the yield values mean significantly different among the irrigation treatments or varieties at 0.01 and 0.05 levels,respectively.

从品种对水分的反应(表3)看，各品种的灌水处理产量均极显著高于不灌水处理，不同品种对灌水量的反应不同，且存在年际间差异。衡观35 产量在2014-2015年以W1处理最高，且W1和W2处理间产量差异不显著，W3和W4处理较W1和W2极显著减产；在2015-2016年随灌溉量的增加，产量呈逐渐增加趋势，且处理间差异达显著水平。衡4399 产量随灌溉量的增加呈先增后减趋势，两年均以W3处理最高，W3和W4间差异在2014-2015年不显著，在2015-2016年达极显著水平。石4185 产量在2014-2015年以W2处理最高，在2015-2016年以W4处理最高，但W2、W3和W4处理间差异不显著。说明不同品种达到高产对水分的要求不同。

2.2 春季灌溉对小麦旗叶荧光参数的影响

2.2.1 春季不同灌溉模式对小麦旗叶初始荧光参数(Fo)的影响

春季灌溉对小麦灌浆期旗叶Fo的影响趋势在两年基本一致(表4)。在2015-2016年，随生育进程的推进，W0、W1和W2处理下Fo呈现增加的趋势，尤以W0处理明显；W3、W4处理下Fo呈先增后降趋势，以灌浆中期最高，到灌浆后期Fo低于W0处理，说明水分胁迫下PSⅡ的光化学活性受到抑制，导致叶片Fo升高；灌水较多条件下PSⅡ的光化学活性抑制程度低，Fo较小。从品种看，W0处理下各品种的Fo增加幅度不同，石4185增加幅度高于衡4399和衡观35。

表3 不同灌溉模式对小麦产量的影响Table 3 Effect of different irrigation regimes on yield of winter wheat kg·hm-2

同列数据后的大小写字母不同分别表示处理间在0.01和0.05水平上差异显著。下表同。

Different capital and small letters following the values in the same columns mean significantly different among the treatments at 0.01 and 0.05 levels,respectively.The same in the following tables.

2.2.2 春季灌溉对小麦旗叶最大荧光参数(Fm)的影响

在灌浆初期和中期，三个品种旗叶的Fm受灌溉的影响规律不明显，但灌浆后期灌水处理的Fm两年均较W0处理高(表5)。从品种看，Fm差异主要表现在灌浆后期，石4185灌浆后期旗叶的Fm两年均以W1处理最高，灌溉处理间差异不显著，两年灌溉处理灌浆后期的Fm值分别较不灌溉处理高38.6%～83.8%和18.6%～46.6%；衡观35灌浆后期的Fm值两年结果有所不同，2014-2015年以W3处理最高，2015-2016年以W4处理最高，灌溉处理的Fm分别较不灌溉处理高12.6%～57.4%和28.0%～60.0%;衡4399灌浆后期旗叶的Fm在灌水处理间差异不显著，以W1处理最高，灌溉处理较不灌溉处理高10.3%～40.3%，说明小麦Fm对灌水的反应因生育阶段而不同，衡4399受灌水的影响较小。

表4 不同灌溉模式对小麦灌浆期旗叶初始荧光参数Fo的影响Table 4 Effect of the flag leaves Fo at filling stage under different irrigation regimes

2.2.3 春季灌溉对小麦旗叶PSⅡ的潜在活性Fv/Fo的影响

从旗叶的Fv/Fo(表6)看，灌浆初期灌溉模式影响的规律不明显，随灌浆的进程，灌溉处理表现出明显的优势，表现为W0

2.2.4 春季灌溉对小麦旗叶PSⅡ的原初光能转化率Fv/Fm的影响

随小麦灌浆进程，W0处理的旗叶Fv/Fm呈下降趋势，而灌水处理基本呈先降后增的趋势(表7)，且在灌浆后期，灌水越少，Fv/Fm越低，说明水分胁迫程度越大，其光能转化效率越低。从不同品种对水分反应看，在灌浆后期，2014-2015年石4185和衡观35灌水处理的Fv/Fm分别提高345.9%～457.7%和26.7%～68.4%；2015-2016年衡观35、石4185和衡4399灌水处理的Fv/Fm较W0处理分别高103.5%～257.6%、24.8%～150.3%和63.6%～106.8%，说明灌水对小麦旗叶PSⅡ原初光能转化率的影响因品种和年份而不同。

表5 不同灌溉模式对小麦灌浆期旗叶最大荧光参数Fm的影响Table 5 Effect of the flag leaves Fm at filling stage under different irrigation regime

表6 不同灌溉模式对小麦灌浆期旗叶PSⅡ的潜在活性Fv/Fo的影响Table 6 Effect of the flag leaves Fv/Fo at filling stage under different irrigation regime

表7 不同灌溉模式对小麦灌浆期旗叶PSⅡ的原初光能转化率Fv/Fm的影响Table 7 Effect of the flag leaves Fv/Fm at filling stage under different irrigation regime

2.3 春季灌溉对小麦耗水和水分利用效率的影响

从两年的结果(表8)看，随灌溉量的增加，小麦对土壤水的消耗呈现降低趋势，以W1处理的土壤水消耗最多；总耗水呈先增再降的趋势，两年均以W3处理最多。随灌溉量的增加，水分利用效率呈降低的趋势，而且不同品种在不同年份下对水分的反应特性也不同，总体还受降雨阶段分配等的影响。2014-2015年灌溉处理间差异达显著或极显著水平，以W0处理的水分利用效率最高；品种间水分利用效率差异达极显著水平，以衡4399最高。2015-2016年衡4399和衡观35的水分利用效率差异不显著，但与石4185差异达极显著水平。品种和灌溉模式的交互作用两年均达极显著水平，因此灌溉模式的选取既要考虑品种的产量潜力，还要兼顾水分利用效率的提高。综合本研究来看，衡4399和衡观35的产量潜力和水分利用效率均高于石4185，而且W2模式不仅有利于各品种产量潜力的发挥，还可兼顾水分利用效率的提高。

3 讨 论

3.1 灌溉、降雨的季节分配及品种的水分反应特性对小麦产量的影响

本研究结果表明，并不是灌溉量越大，灌溉次数越多，小麦产量越高(2014-2015年)，这与前人在一定范围内增加灌水量可提高籽粒产量的研究结果一致[29-30]。但本研究中两个试验年度均为相对多雨的年份，在2015-2016年在灌溉量和灌溉次数相同的情况下产量随灌溉量呈增加趋势，这可能与两个年度降雨的季节分配有很大关系。在2014-2015年小麦生育的关键时期4月中上旬和5月中上旬降雨量为53.9 mm和58.2 mm，而2015-2016年同期降雨量仅为11.5 mm和20.7 mm(冬前降雨为89.9 mm)，而2014-2015年和2015-2016年两年分别以W2和W4灌溉模式产量最高，2014-2015年降雨的分配更有利于小麦产量的提高，说明根据作物生育期降雨量及其分布可优化灌溉制度[31]。小麦品种的水分反应特性不同表现在不同灌溉模式间产量的差异上，衡观35在试验年(多雨年)中分别以W1和W4灌溉模式产量最高，石4185分别以W2和W4灌溉模式产量最高，而衡4399两年均以W3灌溉模式产量最高；从水分利用效率看，试验年(多雨年)以W2灌溉模式最好。在2012-2013年(少雨年)衡观35和衡4399产量均以W3灌溉模式最高，但W2和W3灌溉模式产量差异不显著[28]，且衡观35和石4185水分利用效率均以W2灌溉模式最高。因此灌溉制度的建立不仅要结合降雨年型、降雨的季节分配及小麦品种的水分反应特性，还要兼顾水分利用效率的提高。

表8 不同灌溉模式对小麦耗水和水分利用效率的影响Table 8 Effects of water consumption amount and water use efficiency under different irrigation regime

3.2 春季灌溉模式与小麦叶绿素荧光特征参数的响应

本研究中，不灌溉处理的Fo值较高，Fm、Fv/Fm、Fv/Fo值均较灌溉处理降低，且灌溉量越大，灌浆后期原初光能转化效率越高，与燕辉等[32]得出的灌浆末期中重度限量灌溉PSⅡ最大光化学效率显著降低结果一致，说明水分胁迫阻碍了激发能向PSⅡ的传递[33]，抑制了PSⅡ的光化学活性，使小麦叶片 PSⅡ的原初光能转化效率、PSⅡ潜在活性受到抑制，胁迫程度越大，降低幅度越大[11-12]。

3.3 品种的抗旱性与叶绿素荧光特征参数的响应

不同品种叶绿素荧光参数存在较大差异[34]，叶绿素荧光参数变化与品种抗旱性密切相关[35]，荧光参数下降幅度的大小可以直接反映出逆境胁迫对植物体的伤害程度[36]，基因型抗旱性越强，其Fo增加幅度越小，光合结构被破坏程度也越小[37]。本研究结果表明，衡4399和衡观35较石4185在灌浆后期不灌溉处理的荧光参数Fo值较灌溉处理的增加幅度小，但Fm值降低的幅度相对较小，其Fv/Fm、Fv/Fo值在不灌溉的情况下降低的幅度相对也小，说明衡4399和观35两品种同样水分胁迫的情况下，PSⅡ反应中心被破坏的程度小，耐干旱的能力强[13]，石4185受水分胁迫的程度大，抗旱性差。

因此，在缺水的低平原区，用产量潜力较高、抗旱性好的衡4399和观35，采用春季灌溉2水模式即可使水分利用效率提高，还可发挥小麦品种的产量潜力。

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FluorescenceCharacteristicsandDroughtResistanceofWheatunderDifferentIrrigationRegimes

CAOCaiyun1，2,DANGHongkai1,ZHENGChunlian2,LIKejiang1,MAJunyong3

(1.Dryland Farming Institute of Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences,Hengshui,Hebei 053000,China;2.The Key Laboratory of Crop Drought-Resistance Research of Hebei Province,Hengshui,Hebei 053000,China;3.Key Field Scientific Observation Station of Hengshui Fluvo-aquic Soil Ecology Environment, Ministry of Agriculture,Hengshui,Hebei 053000，China)

In order to investigate the mode of water saving irrigation in low plain area and select the water-saving and high-yield varieties,this study was conducted in wheat growing seasons of 2014-2015 and 2015-2016. A split block design was used with five different irrigation regimes(1,2,3 and 4 times irrigation,with no irrigation as control,represented as W1,W2,W3,W4and W0,respectively) as the main treatments and three local cultivation winter wheat varieties(Hengguan 35,Heng 4399,Shi 4185) as the sub-treatments. The yield,chlorophyll fluorescence parameters,water use efficiency and relationship between fluorescence characteristics and drought resistance of wheat were analyzed. The results showed that the yield increased nonlinearly with the increase of irrigation amount,and the highest yields were achieved under W2model in 2014-2015 and W4model in 2015-2016,respectively. At the late filling stage,the potential activity(Fv/Fo) and efficiency of primary conversion of light energy(Fv/Fm) of PSⅡ reduced with the decrease of irrigation amount.Fv/Fo,Fv/Fm,andFmof W0were the lowest but itsFowas the highest. Water response characteristics of different varieties were different. Shi 4185 was comparatively more sensitive to irrigation and Hengguan 35 and Heng 4399 were more tolerant to drought with higher yield under the same irrigation model. The average yield of Heng 4399 was the highest,which was slightly affected by irrigation amount,but the yield of Shi 4185 was lowest,which was significantly affected by irrigation amount in two years. The response to water were different for varieties,based on the different parameters of fluorescence characteristics. The parameters of Shi 4185 were significantly affected by the degree of water stress. Compared with irrigation mode,the increase rate ofFounder W0at late filling stage was higher than that of Heng 4399 and Hengguan 35. However,the decrease rate ofFm,Fv/FmandFv/Fowere relatively high under W0. It can be predicted that the drought resistance of Shi 4185 was low.As to the water use efficiency,W2was better. Therefore,for the purpose of water saving ,high yield and high water use efficiency,under the conditions of this experiment,the optimal mode is Heng 4399 and Hengguan 35 varieties with great yield potential and drought resistance under W2treatment.

Irrigation regime; Winter wheat; Yield; Chlorophyll fluorescence characteristics; Water use efficiency; Water saving

时间：2017-11-14

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20171114.1027.010.html

2017-04-06

2017-06-17

国家科技支撑计划项目(2013BAD05B05-02，2016YFD0300205-04)；国家公益性行业科研专项(201303133-1)；现代农业产业体系项目(HBCT2013010206)

E-mail：cycao1234@126.com

李科江(E-mail：nkylkj@126.com);马俊永(E-mail：mjydfi@126.com)

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)11-1434-11