雨养和灌溉条件对黑小麦产量形成及品质的影响

蒋方山，张海军，吕连杰，安 霞，陈 军，韩明明

（淄博市农业科学研究院，山东淄博255000）

0 引言

小麦是中国主要粮食作物之一。其种植面积可占到粮食作物总面积的22%左右，产量占粮食总产的20%以上[1]。水分是影响小麦产量和品质的重要因素之一。农业用水量约占全国总用水量的70%左右，其中灌溉用水占农业用水的86%[2]。中国水资源短缺表现突出，中国水资源总量仅占世界总量的6%，人均水资源占有量为世界人均的1/4[3]。干旱缺水地区面积占全国国土面积的52%，其中完全没有灌溉条件的旱耕地达4.1×107hm2[4]。干旱逐渐成为小麦生产可持续发展的重要限制因素。因此加大抗旱节水的科技创新力度，发展旱作农业，对于保证中国粮食安全和水安全有重要意义。

黑粒小麦是普通小麦中籽粒性状比较特殊的一类小麦，其籽粒颜色一般为深紫、深蓝或紫黑色。与白粒小麦相比，其蛋白质、赖氨酸、钙、铁、锌、硒等微量元素含量较高。黑粒小麦因其特有的功能特性而受到人们的重视[5-6]。另外，作为一种新的种质资源，黑小麦还具有许多普通小麦达不到的优良抗逆性状，如抗病虫性（抗锈病、白粉病、蚜虫等）、抗逆性（耐寒、旱、瘠薄、盐碱、干热风等）、抗倒伏及分蘖能力强等[7]。面对日益短缺的水资源，充分发挥黑小麦抗逆特性及营养保健功能，对提高小麦生产中的水资源利用效率，改善传统的膳食结构，使得小麦生产持续发展有重要意义[8]。

土壤水分缺少能够影响器官发育、花后光合产物的积累及转运，最终影响产量；同时，土壤水分也影响小麦品质，主要表现在蛋白质和淀粉上[9]。有限灌溉及适度水分的亏缺可以提高水分利用效率和收获指数[10]。通常认为小麦高产与节水和优质是矛盾的，土壤的水分含量与小麦籽粒蛋白质含量负相关[9]。张伟杨等研究结果表明，重度干旱处理显著降低了穗粒数、千粒重和产量，轻度干旱则相反；穗数随土壤干旱程度的加重而降低[11]。宋霄君等[12]研究认为，干旱胁迫下成熟期小麦个体营养器官干物质量增大，而经济系数和籽粒产量均显著下降；干旱胁迫对小麦籽粒灌浆的影响存在基因型差异，干旱处理并没有使除‘京冬8’以外的其他3个品种小麦的千粒重降低。上述结果表明，由于品种特性和生态环境条件的差异，干旱胁迫对小麦产量及构成要素的影响研究结果并不一致。并且以上研究均以普通白粒小麦为试验材料，关于干旱胁迫对黑色小麦产量及品质影响的研究鲜有报道。黑小麦在生产应用中出现较晚，出现了其配套种植技术相对滞后等问题。目前生产上对黑小麦的生产管理，主要依靠经验性措施，根据普通小麦的管理经验来管理黑小麦。为此，本试验研究了灌溉和雨养条件下黑小麦生长发育、品质和产量形成的特征，旨在了解黑小麦对水分逆境胁迫的响应机理，初步探究雨养条件下黑小麦产量、品质变化，为黑小麦旱作栽培提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2014—2015年小麦生长季在淄博市农业科学研究院试验基地(N36°54′3.22″，E118°0′32.27″)进行。选用黑小麦‘山农紫麦1号’为试验品种，设雨养(D)和灌溉(W)两个处理，雨养处理为整个小麦生长季仅利用自然降雨，不进行灌溉。灌溉处理分别在播种、拔节和灌浆期进行灌溉，灌溉采用大水漫灌，每次灌溉量40 m3。2014—2015年度小麦生长季降雨量见表1。

试验小区面积为7 m×1.5 m，随机区组排列，3次重复。播前0～20 cm土层含有机质12.03 g/kg、全氮1.45 g/kg、碱解氮90.33 mg/kg、速效磷45.32 mg/kg、速效钾135.01 mg/kg。播前基施尿素105 kg/hm2、过磷酸钙875 kg/hm2、氯化钾125 kg/hm2，折合纯N125 kg/hm2、P2O5105 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。冬小麦返青后追施尿素105 kg/hm2。其他栽培管理同一般生产田。2014年10月16日播种，2015年6月13日收获。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 干物质积累与转运测定 于开花期和成熟期分别取样，成熟期按茎秆+叶鞘、颖壳+穗轴、叶片、籽粒等器官取样，并在75℃条件下，烘干至恒重，称干物质质量。各指标计算公式参照骆兰平方法[13]。

1.2.2 小麦籽粒灌浆过程测定 于小麦开花期选择同一天开花且长势基本一致的植株进行挂牌，小麦花后每隔7天取标记的穗，在105℃下杀青20 min，然后在75℃下烘至恒重。

小麦籽粒灌浆过程模拟：以开花后的天数(t)为自变量，千粒重(y)为因变量，利用Logistic方程进行拟合，见公式(1)。

表1 2014—2015年度小麦生长季降雨量

其中k为最大千粒重，t为开花天数，a、b为待定系数。灌浆参数R为籽粒平均灌浆速率、T为灌浆持续天数，T1、T2、T3、R1、R2、R3分别表示渐、快、缓增期灌浆持续时间和灌浆速率。

1.2.3 黑小麦籽粒品质测定 收获后测定蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值、面团形成时间、稳定时间、面粉粉质参数等品质指标。检验方法分别为：NY/T3-1982、GB/T5506.2-2008、LS/T6102-1995、GB/T21119-2007、GB/T14614-2006、GB/T22427.6-2008，由农业部谷物及制品质量监督检验测试中心（泰安）检测。

1.3 数据处理与分析方法

用Microsoft Excel 2010软件进行数据分析，用DPS7.05统计分析软件进行数据差异显著性检验。

2 结果分析

2.1 雨养和灌溉条件下黑小麦籽粒灌浆特性

如表2所示，根据试验结果，采用Logistic方程对黑小麦的籽粒灌浆过程进行了模拟，拟合结果的决定系数R2达0.99以上，达到极显著水平，说明Logistic方程较好的模拟了籽粒灌浆过程。对模拟结果作进一步分析可以看出，灌溉和雨养条件下，黑小麦分别在第21天和第17天灌浆速率达到峰值。雨养处理达到峰值前灌浆速率显著高于灌溉处理，但在达到峰值以后迅速下降，而灌溉处理在达到峰值后下降较为缓慢。并且灌浆持续时间、最大灌浆速率、平均灌浆速率、快增期灌浆速率、慢增期灌浆速率雨养显著低于灌溉处理，这可能是造成雨养条件下黑小麦千粒重较低的生理基础。

2.2 雨养和灌溉条件下黑小麦成熟期干物质积累与分配

由表3可以看出，成熟期干物质在不同器官中的分配量及分配比例均为籽粒＞茎秆+叶鞘＞穗轴+颖壳＞叶片。雨养条件下茎秆+叶鞘+穗轴+颖壳+叶片干物质的分配比例显著低于灌溉处理，而籽粒的干物质分配比例则相反；但各部分的干物质量及总干物重均低于灌溉处理。说明雨养条件下总生物量的减少是导致其产量降低的主要原因。

2.3 雨养和灌溉条件下黑小麦开花后营养器官干物质再分配量

由表4可以看出，灌溉处理的花后干物质积累量及其对籽粒的贡献率均显著高于雨养处理；营养器官开花前干物质转运量及其对籽粒的贡献率显著低于雨养处理。表明雨养处理降低了花后干物质的积累能力，减少了籽粒中来自花后干物质的比例，从而导致了产量的降低。

2.4 雨养和灌溉条件下黑小麦产量及构成要素

由表5可以看出，雨养处理使黑小麦产量比灌溉处理显著降低了26.02%。从产量构成要素可以看出，与灌溉处理相比，雨养处理产量三要素均有不同程度的降低：千粒重和穗粒数分别降低了8.59%和12.98%，均达到极显著差异水平；单位面积穗数降低了3.09%，差异不显著。以上结果说明，在本试验条件下，雨养处理主要降低了黑小麦的穗粒数和千粒重，从而使产量显著降低。

表2 雨养和灌溉条件黑小麦籽粒灌浆特征参数及千粒质量

表3 雨养和灌溉条件下黑小麦成熟期干物质在不同器官中的分配

表4 雨养和灌溉条件下黑小麦开花后营养器官干物质的再分配

表5 雨养和灌溉条件下黑小麦产量及构成要素

2.5 雨养和灌溉条件下黑小麦品质性状

由表6可以看出，不同水分处理对黑小麦籽粒品质具有明显调控效应。雨养条件下，黑小麦籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、面筋指数、沉淀指数、吸水量、面团形成时间、面团稳定时间分别为16.16%、44.8%、61、40.7 mL、65.4 mL/100 g、5.9 min和7.6 min，与灌溉处理相比，分别提高了13.68%、18.83%、14.02%、34.10%、68.57%和120.29%，差异显著；吸水量与灌溉处理相比差异不显著。

3 讨论与结论

小麦所有籽粒灌浆参数均受基因型和环境的影响，但环境效应大于基因型效应[14]。前人有关土壤水分对小麦籽粒灌浆特征和籽粒产量影响的研究较多，结果不尽一致[15-16]。有关研究结果表明，雨养条件下小麦籽粒增重迅速，平均灌浆速率增大且峰值高，但灌浆持续期缩短、峰值提前出现[12,17]。但宋霄君等[12]认为干旱胁迫对小麦籽粒灌浆的影响存在基因型差异，旱作栽培对不同品种籽粒灌浆参数的影响并不一致，干旱处理并没有使除‘京冬8’以外的其他3个品种小麦的千粒重降低。本试验结果表明，雨养处理使黑小麦灌浆速率峰值出现时间提前，峰值前灌浆速率高于灌溉处理，灌浆持续时间缩短，这与前人的结果基本相同；雨养条件下黑小麦最大灌浆速率及平均灌浆速率显著低于灌溉处理，与前人的研究结果不一致。通过上述结果可以看出，雨养处理使黑小麦灌浆持续时间缩短、最大灌浆速率及平均灌浆速率显著降低并导致千粒重下降，与前人研究结果不尽相同，这可能与试验材料和生态条件不同有一定的关系。

表6 雨养和灌溉条件下黑小麦品质性状

土壤水分状况对小麦的干物质积累与分配有显著影响[18]。有研究表明，与灌溉处理相比，干旱处理降低了成熟期干物质积累量及其在籽粒的分配量和分配比例。同时，干旱处理增加了营养器官开花前干物质向籽粒的转运量及其对籽粒的贡献率；开花后干物质的积累量及其对籽粒的贡献率降低[13]。本试验结果表明，雨养条件降低了黑小麦开花后干物质的积累能力，降低了成熟期的总生物量，减少了籽粒中来自花后干物质的比例，并导致了籽粒产量的降低。说明干旱胁迫对黑小麦的干物质积累与分配的影响效应与前人关于白粒小麦的研究结果是一致的。

土壤水分条件对产量及构成要素的影响，贯穿于小麦整个生育期。水分胁迫下产量下降主要是粒数减少造成的[19]。关军峰等[20]研究表明，干旱胁迫在不同程度上降低了小麦产量、减少了穗数，但对千粒重的影响较小。王征宏[21]研究表明，干旱胁迫对小麦千粒重的影响因品种而不同。在本试验条件下，雨养处理显著降低了黑小麦的穗粒数和千粒重，从而使产量显著降低，这与王征宏和陈晓远的研究结果一致；对单位面积穗数影响不显著，与关军峰的研究结果不一致，这可能受基因型与本试验过程中降雨特点（冬前分蘖期（2014年11月下旬降雨量30.5 mm）和拔节期（2015年4月上旬降雨量32.4 mm）共同影响。

土壤水分含量过多或过少均可降低小麦籽粒营养品质和加工品质，适宜的土壤水分状况不仅可以增加产量，也可以改善品质[22]。骆兰平[23]研究认为，不灌水处理的湿面筋含量、面团形成时间和面团稳定时间最高，有利于籽粒品质的改善。本试验结果表明，与灌溉处理相比，雨养条件下黑小麦籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、面筋指数、沉淀指数、面团形成时间、面团稳定时间均有不同程度的提高，分别提高了13.68%、18.83%、14.02%、34.10%、68.57%和120.29%，差异显著；吸水量与灌溉处理差异不显著，与前人研究结果一致。

本试验结果表明，与灌溉相比，雨养条件显著降低了黑小麦灌浆持续时间、最大灌浆速率、平均灌浆速率、快增期灌浆速率、慢增期灌浆速率；降低了开花后干物质的积累能力，降低了干物质积累总量，减少了籽粒中来自开花后干物质的比例；千粒重和穗粒数分别降低了8.59%和12.98%，最终导致产量降低了26.02%；同时籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、面筋指数、沉淀指数、面团形成时间、面团稳定时间分别提高了 13.68%、18.83%、14.02%、34.10%、68.57%和120.29%，差异显著。本试验仅就雨养和灌溉处理对黑小麦产量及品质性状变化进行了探讨，发现干旱胁迫显著降低了黑小麦产量，同时可显著提高其籽粒品质。但干旱胁迫影响黑小麦产量和品质形成的生理机制尚需进一步研究，从而通过水分及其它调控措施改善黑小麦品质的同时提高产量。