冬前镇压和灌溉对冬小麦灌浆期旗叶光合特性和叶绿体超微结构的影响

蔡 斌，王法宏，张 宾，冯 波，司纪升，李升东，王宗帅，李华伟

(1.山东省农业科学院作物研究所，山东济南 250100；2.青岛农业大学农学院，山东青岛 266109)

黄淮海冬麦区是我国小麦主产区，产量占全国总产量的61.1%[1]。该区冬前降水稀少，土壤水分不足，易形成弱苗。此外，玉米秸秆还田后，小麦根土缝隙加大，不利于麦苗安全越冬[2]。因此，防冻保苗对于黄淮海冬麦区小麦生产具有重要的意义。冬前镇压和灌溉是小麦的重要栽培措施，不仅能抗冻保苗，同时对提高中后期植株抗逆性起到了重要的作用。研究认为，冬前灌溉能缩小地表土壤缝隙，减少因重力造成的水分淋失，起到蓄水保墒的作用，保持小麦越冬期及早春期间的土壤水分处于较高水平，为小麦返青期提供充足的水分[3-5]。土壤水分直接影响着小麦旗叶功能[6]。研究表明，冬前灌溉可提高小麦旗叶叶绿素含量及光合速率，延长旗叶功能期，有利于光合产物的合成和转化[7]。在土壤墒情合理的情况下，镇压的保水提墒效果明显，有利于麦苗安全越冬[8]，同时可降低植株高度，延迟生育时期[9]。前人关于冬前镇压和灌溉对小麦的影响已有一些研究[10-11]，但是就于镇压、灌溉及其交互作用对小麦灌浆期旗叶功能及结构的影响研究还不够系统。本试验以冬小麦品种济麦22为试材，研究了冬前镇压和灌溉对冬小麦旗叶光合特性、叶绿体超微结构和产量的影响，以期为小麦安全越冬及高产栽培提供实践经验和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016-2017年在山东省农业科学院作物研究所济南试验田(E117°07′，N36°70′)进行。该区属于暖温带半湿润季风型气候，小麦全生育时期降水量为196 mm。试验地为壤土，播种前0～20 cm土层全氮含量为123.23 mg·kg-1，碱解氮含量76.52 mg·kg-1，速效磷含量25.20 mg·kg-1，速效钾含量95.61 mg·kg-1，有机质含量11.19 g·kg-1。0～20 cm和20～40 cm土层含水量分别为30.96%和25.11%。每公顷施N 252 kg、P2O5130 kg、K2O 100 kg。磷钾肥做基肥，氮肥播前和拔节期按1∶1施用。种植制度为小麦-玉米两熟。玉米秸秆还田，耕作方式为深耕，小麦用两深一浅小麦播种机(山东郓城工力有限公司生产)播种。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，设镇压+灌溉(C+I)、灌溉(I)、镇压(C)和对照(CK)(不镇压不灌溉)4个处理，每处理重复3次。小区面积为18 m2(12 m×1.5 m)，每小区8行，行距20 cm。供试品种为济麦22，2016年10月9日播种，10月16日出苗。出苗后30 d左右选择晴朗的上午，用小型拖拉机牵引300 kg石磙对需要镇压的小区碾压1次。需要灌溉的小区在镇压后第二天进行小区漫灌，灌溉量控制在800 m3·hm-2左右(水表读数)。整个生育期各处理统一进行病虫草害防治，拔节期统一浇拔节水675 m3·hm-2。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤温度测定

在2016年的12月30日及2017年的1月14日和2月28日，用地温计测定1:30和13:30的0～20 cm土层温度。

1.3.2 土壤含水量测定

在2017年的2月20日、3月18日和5月25日，按照五点取样法取土壤样品，105 ℃烘干至恒重，根据干湿重量之间的差值计算土壤含水量。

1.3.3 叶绿素相对含量测定

选择晴天的上午9:00-11:00，采用日本柯尼卡美能达SPAD-502 PLUS叶绿素测定仪，测定开花后小麦旗叶叶绿素相对含量。

1.3.4 净光合速率和蒸腾速率测定

选择晴天上午9:00-11:00，采用美国LI-6400 xt便携式光合仪，测定开花后小麦旗叶净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)。

1.3.5 最大光学效率测定

选择晴天上午9:00-11:00，采用英国FMS-2便携式荧光仪，测定开花后小麦旗叶最大光学效率(Fv/Fm)。

1.3.6 叶绿体超微结构观察

于花后21 d，选取小麦旗叶中部，避开主叶脉，切成1 mm2的样块，迅速装入含有2.5%戊二醛固定液(pH 7.2)的医用瓶中，用注射器抽气，直到样品悬浮于固定液为止，置4 ℃冰箱固定4 h。材料经磷酸缓冲液(pH 7.0)冲洗后，用相同缓冲液配制的1%锇酸溶液在4 ℃下固定6 h。材料经冲洗、酒精系列脱水、环氧丙烷置换，最后渗透包埋于812中性树脂中，用LKB-V超薄切片机切片，切片厚度60 nm，超薄切片经醋酸双氧铀及柠檬酸铅染色后，用日本产JEOL-1200EX型透射电镜观察，工作电压80 kV[12]。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2016计算数据和绘图，DPS 7.5数据分析软件进行差异显著性检验(Duncan’s新复极差法)。

2 结果与分析

2.1 冬前镇压和灌溉对土壤含水量及温度的影响

冬前镇压和灌溉均可改善不同生育时期麦田土壤温度及含水量。与CK相比，镇压和灌溉提高了麦田越冬期0～20 cm土壤温度，C+I、I和C处理下0～20 cm土壤温度分别提高了0.42～0.91、0.05～0.47和0.29～0.70 ℃(图1)。总的来说，C+I处理对土壤温度的改善作用大于I和C处理。与CK相比，C+I和I处理下越冬期(2月20日)、起身期(3月18日)以及灌浆期(5月25日)0～20 cm和20～40 cm的土壤含水量均显著提高，但这两个处理间差异不显著(表1)；C处理显著提高越冬期和灌浆期0～20 cm土壤含水量以及越冬期、起身期和灌浆期20～40 cm的土壤含水量。总体来看，冬前镇压+灌溉的增温和增墒效果最好，冬前灌溉或镇压或两措施结合可以提高不同时期麦田土壤含水量，灌溉增墒效果要大于镇压，但增温效果正好相反。

2.2 冬前镇压和灌溉对冬小麦旗叶叶绿素相对含量(SPAD)的影响

表1 不同处理对土壤含水量的影响Table 1 Effects of different treatments on soil moisture content %

同行数值后不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。

Different lower-case letters within the same row indicate significant differences among different treatments at 0.05 level.

图1 不同处理对不同时期0～20 cm土层在1:30(A)和13:30(B)的影响

处理Treatment花后0 d0 day after anthesis花后7 d7 days after anthesis花后14 d14 days after anthesis花后21 d21 days after anthesis花后28 d28 days after anthesisC+I57.83a59.37a58.71a56.87a36.83aI56.96a58.77a58.23a53.51b30.37bC57.10a58.23a57.90a51.03b27.20cCK58.07a58.70a57.37a39.40c9.20d

同列数据后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。表3 同。

Different letters following data mean significant difference among treatments(P<0.05).The same in table 3.

由表2可以看出，花后0～14d，不同处理间小麦旗叶SPAD值差异不显著。花后7～14 d，各处理的SPAD值均达到最大值，之后开始下降，但不同处理的下降速度不同。花后14～28 d，CK、C、I和C+I处理的SPAD值分别下降了83.96%、53.02%、47.84%和37.27%。其中，花后21～28 d的旗叶SPAD值表现为C+I>I> C>CK，处理间差异均显著。由此可见，冬前镇压和灌溉均能延缓灌浆中后期的小麦旗叶叶绿素含量的下降，镇压后灌溉的效果更加显著。

2.3 冬前镇压和灌溉对冬小麦旗叶最大光学效率(Fv/Fm)的影响

由图2可知，花后0～7 d，小麦旗叶Fv/Fm在不同处理间无显著差异。自花后14 d，各处理下小麦旗叶Fv/Fm均开始迅速下降。花后14～28 d，CK、C、I和C+I处理下Fv/Fm分别下降了28.24%、24.14%、14.94%和10.34%。至花后28 d，C+I处理下小麦旗叶Fv/Fm最大，其次是I和C处理，CK最小，不同处理间差异显著。冬前镇压或灌溉或两者结合都可显著缓解灌浆中后期小麦旗叶Fv/Fm的下降，但镇压后灌溉的效果更好。

2.4 冬前镇压和灌溉对冬小麦旗叶净光合速率(Pn)的影响

不同处理下小麦旗叶Pn均呈先增后降的趋势，花后7 d达到最大值(图3)。花后0～21 d，旗叶Pn总体表现为C+I>I>C>CK，除C+I与I处理间差异较小外，不同处理间差异均显著。花后14～28 d，各处理的Pn均快速下降，但下降幅度不同，CK、C、I和C+I处理分别下降85.19%、75.27%、56.39%和61.15%。至花后28 d，小麦旗叶Pn表现为I>C+I>C>CK，C+I与I处理间无显著性差异，其他处理间差异显著。这说明冬前镇压、灌溉均能提高小麦灌浆期旗叶光合能力，且镇压后灌溉的效果更好。

2.5 冬前镇压和灌溉对冬小麦旗叶蒸腾速率(Tr)的影响

小麦旗叶Tr的变化趋势与Pn基本一致(图4)。花后0～21 d，旗叶Tr表现为C+I、I>C>CK，除C+I和I之间差异不显著外，其余处理间差异达显著水平。花后0～7 d，各处理旗叶Tr均呈上升趋势，增幅表现为C+I(25.70%)>I(19.06%)>C(18.93%)>CK(4.62%)。自花后7 d，各处理小麦旗叶Tr开始下降。至花后28 d 旗叶Tr表现为I>C+I>C>CK。

图柱上的不同小写字母表示同一时期不同处理间差异显著(P<0.05)。下图同。

Different lower-case letters above the columns indicate significant differences among different treatments at the same stages at 0.05 level. The same in figures 3, 4 and 7.

图2不同处理对冬小麦旗叶最大光化学效率(Fv/Fm)的影响

Fig.2Effectofdifferenttreatmentsonmaximumphotochemicalefficiency(Fv/Fm)ofwheatflagleaf

图3 不同处理对冬小麦旗叶净光合速率(Pn)的影响

2.6 冬前镇压和灌溉对冬小麦旗叶叶肉细胞叶绿体数和叶绿体基粒数的影响

由表3可以看出，花后21 d，C+I处理下小麦旗叶叶肉细胞叶绿体数和叶绿体基粒数显著高于其他处理。C和I处理间无显著差异，均显著高于CK。可见冬前镇压、灌溉均可提高小麦灌浆后期旗叶叶肉细胞叶绿体数和叶绿体基粒数，镇压灌溉后的效果强于单独镇压或灌溉。

图4 不同处理对冬小麦旗叶蒸腾速率(Tr)的影响

处理Treatment叶肉细胞叶绿体数Numbers of chloroplast per cell叶绿体基粒数Numbers of grana per chloroplastC+I20.4a16.0aI18.2b12.6bC17.4b11.6bcCK14.0c10.2c

2.7 冬前镇压和灌溉对冬小麦旗叶叶绿体形状和排列的影响

由图5可见，花后21 d，C+I和I处理下小麦旗叶叶绿体呈椭圆形，叶绿体与细胞膜排列紧密，叶肉细胞壁较完整；C处理下小麦旗叶出现少部分圆形叶绿体，部分叶绿体与细胞膜分离，细胞壁未出现明显的结构破坏；CK下出现较多圆形叶绿体，部分叶绿体已经或正在发生消解，叶绿体与细胞膜发生分离，在叶肉细胞内排列紊乱。由此可见，不同处理小麦旗叶叶绿体损伤程度不同，其中C+I和I处理旗叶叶绿体未见明显损伤，C处理部分损伤，CK处理损伤最严重。

2.8 冬前镇压和灌溉对冬小麦旗叶叶绿体超微结构的影响

CH：叶绿体；CW：细胞壁；a：叶绿体与细胞膜分离；b：消解的叶绿体。

CH:Chloroplast; CW:Cell wall; a:The chloroplast is separated from the cell membrane; b:Chloroplast digestion.

图5不同处理对冬小麦旗叶叶绿体形状和排列的影响

Fig.5Effectofdifferenttreatmentsonshapeandarrangementofchloroplastsofwheatflagleaf

CHM：叶绿体膜；CM：细胞膜；GL：基粒片层；SL：基质片层；OG：亲锇颗粒；ST：淀粉粒；a：基粒片层间出现缝隙；b：空洞； c：基粒片层变形且排列紊乱；d：叶绿体膜溶解。

CHM:Chloroplast membrane; CM:Cell membrane; GL:Grana lamellae; SL:Stroma lamellae; OG:Osmiophilic granule; ST:Starch granule; a:There were gaps among grana lamellae; b:Cavity; c:Grana lamellae were out of shape and arranged disordered; d:Chloroplast membrane dissolving.

图6不同处理对冬小麦旗叶叶绿体超微结构的影响

Fig.6Effectofdifferenttreatmentsonchloroplastultrastructurecharacteristicsofwheatflagleaf

超微结构观察结果(图6)表明，花后21 d，C+I和I处理的小麦旗叶细胞膜和叶绿体膜较完整，叶绿体内基粒片层清晰且排列紧密，连接基粒片层的基质片层较清晰。I处理的小麦旗叶叶绿体中基粒片层间偶有缝隙出现，有少部分亲锇颗粒，且颜色较浅。C+I处理的叶绿体基粒片层间出现部分淀粉粒沉积，亲锇颗粒较I处理增加，同时出现缝隙的基粒片层数量有少许增加。CK的小麦旗叶细胞膜和叶绿体膜在花后21 d已经出现部分溶解，叶绿体趋于解体，大部分基粒片层变形且排列紊乱，同时大量基粒片层间出现缝隙，基质片层溶解且变得模糊，出现大部分的亲锇颗粒且颜色较深，并且部分叶绿体内部出现空洞。C处理的小麦旗叶叶绿体细胞膜和膜的完整性在花后21 d都介于CK和C+I处理之间，而叶绿体基粒及其片层结构与C+I处理一样清晰，解体程度加大，但仍优于CK，亲锇颗粒数量也介于CK和C+I两处理之间。这说明花后21 d，CK旗叶叶绿体衰老最严重，其次为C处理，冬前C+I和I处理衰老特征较弱。

2.9 冬前镇压和灌溉对冬小麦产量的影响

C+I处理的籽粒产量最大，分别较I、C及CK处理增加了9.79%、18.41%及49.13%，且处理间差异均显著(图7)。I处理的生物产量最大，与C+I处理差异不显著，分别较C和CK处理提高了12.07%和29.82%，且差异显著。C+I、I和C处理下小麦收获指数分别为0.42、0.37和0.39，较CK分别高出了16.6%、2.8%和8.3%。

图7 不同处理对冬小麦籽粒产量及生物产量的影响

3 讨 论

旗叶是小麦进行光合作用的重要器官。提高旗叶的光合能力，延缓衰老，有利于小麦籽粒增重[13-14]。低温、干旱等逆境胁迫或者植物本身的生理变化都能间接或直接影响植物的生长发育。低温易使小麦生理发生变化，造成春生叶片发黄，叶面积减少，导致营养器官或者生殖器官受损，进而影响光合能力[15-16]。土壤水分亏缺不利于小麦的生长发育，使小麦叶片叶绿素含量降低，造成光合能力下降，导致减产[17-18]。因此，提供安全适宜的生长环境是保证小麦正常生长发育的重要条件。冬前镇压一方面可提高地温，有利于安全越冬，另一方面可防止土壤水分散失，提高土壤墒情[11]。而冬灌后耕层土壤水分在越冬期间可达到田间持水量的80%左右，这可为返青期麦苗及根系生长创造良好的墒情[19]。与前人研究结果相似，本研究中，镇压或者灌溉后镇压提高了麦田0～20 cm土层的土壤温度，同时灌溉或镇压或两措施结合都可以提高小麦生育时期内的土壤含水量，这些改变都利于植株的生长发育。最终，灌溉+镇压、灌溉和镇压处理都显著提高了小麦的籽粒产量以及生物产量。灌溉+镇压或灌溉措施对籽粒产量和生物产量的提升幅度远大于单独镇压措施，灌溉+镇压对产量的提高幅度大于单独灌溉，但小麦群体最终生物产量在灌溉+镇压和灌溉之间无显著差异，籽粒产量差异主要是由于收获指数变化造成。

光合同化是籽粒产量最终的物质来源，土壤温度的变化以及土壤含水量的变化影响着小麦的光合同化能力[15-18]。本研究中灌溉后镇压、镇压或灌溉对小麦灌浆前期旗叶叶绿素相对含量影响并不大，但三处理都可缓解了小麦旗叶灌浆中后期叶绿体相对含量的下降，表明三措施都缓解了小麦叶片的衰老，延长了小麦旗叶的功能期，但灌溉后镇压对旗叶叶绿素相对含量下降的缓解程度大于单独灌溉和镇压。土壤水分不足会破坏旗叶叶肉细胞内的叶绿体及其超微结构，表现为叶绿体与细胞膜分离，在叶肉细胞内排列紊乱，叶绿体膜破裂，趋于解体[12]。郭建平等[20]研究表明，土壤水分适宜时，叶绿体膜保持完整，叶绿体基粒片层形态正常，基质片层清晰。本试验结果表明，冬前镇压+灌溉和灌溉处理后小麦旗叶在灌浆中后期(花后21 d)显著提高了叶肉细胞叶绿体数和叶绿体基粒数，绝大部分叶绿体呈椭圆形，与细胞膜排列紧密，基粒片层及连接基粒片层的基质片层形态正常，出现少部分的亲锇颗粒，衰老特性不明显；而此时CK下小麦旗叶部分叶绿体变成圆形，与细胞膜分离且排列紊乱，基粒片层变形，基质片层溶解，亲锇颗粒较多且颜色较深，叶绿体内部出现空洞，出现明显的损伤症状。单独镇压处理叶绿体形态表现介于前两者之间。叶绿体超微结构的损伤会加重叶片的衰老[21]，表明冬前镇压或灌溉或两者结合缓解了叶片的衰老。叶绿体超微结构与光合速率密切相关[22]。保证小麦叶绿体机构完整是保持光合速率高值持续期的关键，同时也是小麦增产的重要条件。

最大光化学量子产量(Fv/Fm)可反映PSⅡ反应中心内最大光能转换效率，非胁迫条件下该参数的变化极小，不受物种和生长条件的影响，胁迫条件下该参数明显下降。土壤干旱会降低小麦叶片Fv/Fm[23-24]，而苗期土壤水分的变化以及土壤温度的变化必然影响到小麦植株光能转换。本研究中冬前镇压+灌溉、灌溉或镇压处理对前期小麦旗叶Fv/Fm无显著影响，但都可缓解其在灌浆中后期下降，其中冬前镇压后灌溉措施缓解效果大于单独灌溉或镇压处理，而单独灌溉效果远大于单独镇压。叶绿素荧光与光合作用紧密联系，植物在进行光能的吸收、传递和转换过程中，叶绿体色素起关键性作用[25]。叶绿素荧光值的变化一般会伴随着植物光合值的波动，而土壤温度和水分是影响植物光合能力的主要因素。张永平等[12]研究表明，苗期不同水分供给对灌浆期小麦叶片净光合速率的影响差别较大，土壤水分亏缺导致光合能力显著下降。本研究中冬前镇压+灌溉、灌溉以及镇压处理使小麦旗叶净光合速率在整个灌浆期均显著大于CK，同时这些措施还都降低了灌浆后期小麦净光合速率的下降，这进一步证明了镇压或灌溉措施可以缓解小麦叶片的衰老，其中镇压后灌溉和灌溉的效果大于单独镇压。灌浆后期叶片的衰老程度加快，导致光合速率下降。叶片净光合速率的变化一般与叶绿素含量、气孔和非气孔等因素有关[26]。小麦叶片净光合速率下降的同时，若伴随着蒸腾速率下降，则说明气孔是影响净光合速率的因素之一。本研究中小麦旗叶蒸腾速率的变化趋势与净光合速率在整个灌浆期基本一致。因此，冬前镇压和灌溉处理均能提高小麦旗叶净光合速率及蒸腾速率，而灌溉处理的作用更加显著，这可能由于灌溉处理的土壤含水量大于镇压处理的结果。

综上所述，冬前镇压或灌溉或镇压后灌溉都可改善麦田土壤温度和土壤水分，从而提高了小麦旗叶灌浆期光合速率，缓解了灌浆中后期叶绿体的降解和叶绿体机理片层结构破坏，减缓了叶绿素含量下降，使生育后期旗叶的最大光化学效率和光合速率都保持相对稳定，最终提高了小麦的籽粒产量和生物产量。冬前镇压和灌溉处理一直被用作防冻保苗、抗春旱的重要措施。因此，依据土壤墒情及气候因素，冬前适时镇压或灌溉可提高小麦群体质量、植株抗性，延缓后期叶片衰老，有利于增产，其中镇压后灌溉效果最佳。