滴灌冬小麦抽穗期旗叶对水分的生理响应

李国治，李 伊，满本菊，崔 静

(石河子大学农学院，新疆 石河子 832003)

小麦种植面积在我国约为3 000 hm2，其植面积占世界的13.3%左右，产量是世界总产量的19%[1]，抽穗期是决定小麦穗粒数的关键时期，此时期的干旱胁迫对小麦生长发育和产量的影响在生理变化上也有一系列的反映[2]。研究表明，小麦在抽穗期如果发生干旱胁迫会导致叶片提前衰老[3]，叶绿素含量发生一系列的变化[4]，旗叶的叶绿素含量降低，导致产生的光合产物减少，并且会导致穗粒数显著降低，最终导致产量明显下降[5-7]。单长卷[8]等研究表明在扬花期，随水分胁迫程度的增强，旗叶叶绿素含量降低，脯氨酸含量、可溶性糖含量均增加。丙二醛(MDA)是细胞膜脂过氧化的产物，是检验对植物不利环境下质膜受到破损程度大小的一个重要指标。张雅倩、肖凯与单长卷[9,10]等人研究表明MDA含量随胁迫程度的加重而增加升高，进而造成植物代谢紊乱，影响叶片光合作用，最终导致产量下降。郭瑞等[11]认为在水分胁迫下冬小麦可以积累更多的脯氨酸，帮助平衡植物液泡中的渗透压和保护植物中的大分子物质，提高抗旱性。在孕穗期脯氨酸和可溶性糖均有不同程度的提高[12]。黄正金等研究表明轻度干旱胁迫影响粒重形成，导致产量下降21%，中度干旱胁迫导致每穗粒数和粒重降低，使产量下降40%[13]。

综上所述，前人已经对干旱胁迫下小麦旗叶的生理特性进行了大量的研究，但大多研究结论都是针对传统淹灌条件下的，在新疆绿洲灌溉区，针对滴灌条件下水分对冬小麦生理特性影响的研究以及结合土壤水势对其量化的相关研究相对较少，有关滴灌冬小麦不同生育时期不同水分处理的补偿效应和生理响应研究尚不清楚。因此，本文在滴灌条件下，通过设置水分调控试验，从叶片生理角度定量分析抽穗期叶片对水分的生理响应，以期明确冬小麦缺水后产生的补偿效应，旨在为新疆滴灌冬小麦节水管理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地基本情况

试验于2016-2017年在石河子大学试验站进行，石河子地处东经86°03′,北纬45°19′，海拔高度为440 m，属于典型的大陆性气候，年平均气温8.7 ℃ ，无霜期为168～171 d，年降雨量为180～270 mm，年蒸发量为1 560 mm。试验田地下水埋深大于5 m，土壤质地为砂壤土，耕层土壤全氮0.72 g/kg，速效磷0.32 g/kg，速效钾0.23 g/kg，碱解氮0.06 g/kg，pH值为7.1，土壤有机质0.025 g/kg，耕层土壤容重1.32 g/cm3。

1.2 试验设计

选择新冬22号(奎屯农科所选育)和新冬43号(新疆农垦科学院作物研究所选育)为供试品种。所有处理人工条播，播种量为525 万粒/hm2，采用15cm等行距种植，毛管配置为1管4行，小区面积为5 m×8 m=40 m2。全生育期基施尿素150 kg/hm2(纯氮素>46%)、磷酸二胺375 kg/hm2(纯氮素>18%,P2O5>46%)，追施尿素450 kg/hm2(纯氮素>46%)，分别在越冬期、拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期按照10%、30%、20%、30%、10%的比例随水滴施。追施磷酸二氢钾60 kg/hm2(P2O5>24%,K2O>27%)，分别于拔节期和抽穗期均匀滴施。设置5个灌水处理，225 mm(W1)、375 mm(W2)、525 mm(W3)、675 mm(W4)，825 mm(W5)，整个生育期灌水10次，播种后各处理滴出苗水60 mm，冬前灌越冬水90 mm，各处理从返青后开始进行水分处理，返青至拔节共灌水8次，每10 d灌一次，分别灌水9.38、28.13、46.88、65.63、84.38 mm。用水表控制灌量见表1。

表1 不同灌溉处理 mmTab.1 Different irrigation amount in the plot experiments

1.3 测定项目与方法

(1)土壤含水量的测定。分别在冬小麦抽穗期灌水前24 h、灌后24 h、灌后48 h、灌后72 h用Watermark (200SS-5型土壤湿度传感器)张力计监测土壤墒情．传感器的位置水平方向安装在距离滴灌带15 cm处。垂直方向分别安装在0～20、20～40和40～60 cm处。Watermark测定范围为-200～0 kPa，该值可以反映土壤水分状况，0 kPa 表示土壤处于饱和含水量状态，-200 kPa 表示土壤极度干旱。

(2)部分生理指标测定方法。在抽穗期，各处理复水历时-24、24、48、72 h 4个时间段，用剪刀剪取植株上的旗叶，一部分直接拿回实验室测叶片叶绿素含量，另一部分保存在液氮中带回实验室测丙二醛、可溶性糖、脯氨酸等4个指标。采用硫代巴比妥酸法测定MDA含量；采用蒽酮比色法测定可溶性糖的含量；采用磺基水杨酸浸提-酸性茚三酮显色法测定脯氨酸含量。丙二醛含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量测定参照文献[14]。

(3)叶绿素含量的测定。取新鲜冬小麦旗叶叶片，擦干净叶片表面污物，剪碎、摇匀，取0.1 g放入25 mL容量瓶中加混合浸提液(无水乙醇∶丙酮=5∶5)20 mL，放在黑暗条件下，浸泡至叶片发白，用浸提试剂定容至25 mL，摇匀备用，把叶绿体色素提取液倒入1 cm光径的比色皿内，以浸提试剂为空白测定吸光度值，选择波长663和646 nm。

叶绿素含量=(C叶绿素a+C叶绿素b)×提取液总量/(叶片重量×1 000)

(1)

C叶绿素a=12.1OD663-2.81OD646

(2)

C叶绿素b=20.13OD646-5.03OD663

(3)

式中：C叶绿素a为叶绿素a的浓度；C叶绿素b为叶绿素b的浓度；OD663为UV-200分光光度计在663 nm下的吸光度值；OD646为UV-5200分光光度计在646 nm下的吸光度值。

(4)补偿指数。补偿指数(Cj)指各指标在胁迫解除后与对照相比的恢复程度，可反映冬小麦补偿效应的大小。计算公式为:

Cj= (Xr-XCK)/XCK

(4)

式中:Xr为当胁迫解除后各指标实测值；XCK为对照处理各指标实测值。

若Ci大于0则存在补偿现象，若Cj小于0则说明某项指标在胁迫解除后不存在补偿现象[15]。本试验以W5为对照，计算 W1、W2 、W3、W4处理各生理指标的补偿指数。

1.4 数据处理方法

采用SPASS19.0进行数据统计分析和Microsoft Excel 2010、SigmaPlot12.5进行数据处理和作图。

2 结果与分析

2.1 不同水分处理土壤水势分布

以非常适合作物生长的土壤水势，即土壤水势为-40 kPa,作为土壤含水量上限。土壤非常干燥，作物难以从土壤中取得水分，应以立即施予灌溉的土壤水势，即土壤水势为-80 kPa，作为含水量下限。在小麦抽穗期两品种不同处理间各层土壤水势均表现为W5>W4>W3>W2>W1，但不同土层间的波动性存在一定的差异性，0～20 cm土层变化最为剧烈，20～40 cm次之，40～60 cm土层波动最小。0～40 cm土层土壤水势各处理在灌水前后的变化呈现先上升后下降的趋势。其中，0～20 cm土层土壤水势灌后24 h 5个灌水处理均能恢复到-48 kPa以上，灌后72 h，除了新冬43号W1，新冬22号W1、W2处理土壤水势表现为低于灌前水平，其他各处理均表现为高于灌前水平。表明在小麦抽穗期，灌溉对0～20 cm土层的恢复效果最好，但恢复持续的时间随着灌量的减少而不断降低，新冬43号的W1处理，新冬22号的W2处理，在灌后72 h该土层均开始出现水分供不应求的现象。20～40 cm土层灌后24 h，W4、W5处理均能恢复到-40 kPa以上，W2、W3也能恢复到-80 kPa以上，而W1处理灌后恢复的最少，只能恢复至-140 kPa，主要是由于植株对该层的土壤水分消耗过多，而较少的灌量能够补充的有限所致。灌后72 h，除了新冬43号与新冬22号W1、W2处理土壤水势表现为低于灌前水平，其他各处理均表现为高于灌前水平。表明在该土层W2处理开始出现供水不足的现象。这是根系吸收消耗较多和灌溉恢复较少共同作用的结果。40～60 cm土层两品种除了W4，W5处理土壤水势表现为先上升后下降的趋势，其他3个处理均没有明显波动，其中W3处理的土壤水势跟20～40 cm土层灌后24 h的土壤水势持平，而W1、W2除了土壤水势均低于20～40 cm土层灌后72 h的土壤水势。表明在该时期，低于W2水平的灌量对40～60 cm土层没有恢复能力，且在该土层也出现了水分的过度消耗情况。通过分析小麦抽穗期0～60 cm土层灌溉前后土壤水势的变化发现，W1和W2处理在各个土层均表现出不同程度的过度消耗，因此在该时期为避免土壤水分的供不应求，灌前20～40 cm土层土壤水势应不低于-85.5 kPa；40～60 cm土层土壤水势应不低于-68 kPa，如图1所示。

2.2 不同水分处理对冬小麦旗叶生理特性的影响

2.2.1 不同水分处理冬小麦旗叶叶绿素的变化

由图2可知，两品种冬小麦叶绿素含量随着复水时间的推移，呈现先上升后下降的趋势，复水前后各处理叶绿素含量均随着滴水量的增加呈现逐渐上升的趋势，处理间表现为W5>W4>W3>W2>W1。滴水前和复水72 h后，W1与W2之间，W3、W4、W5处理间均表现为差异不显著，但W3、W4、W5显著高于W1和W2。复水24和48 h后，W1和W2处理之间叶绿素含量差异显著,W3处理的叶绿素含量显著高于W1和W2，但显著低于W4与W5。由此可知，在一定范围内增加灌量有利于叶绿素含量的恢复，但超过特定范围，即使继续增加灌量叶绿素的恢复能力也不会继续增加。本研究中超过W3处理的灌量，即当20～60 cm土层土壤水势超过-85.5～-68.0 kPa时，叶绿素的恢复能力不会持续增加。

2.2.2 不同水分处理冬小麦旗叶丙二醛的变化

由图3可知，两品种冬小麦丙二醛含量随着复水时间的推移，呈现先下降后上升的趋势，复水前后各处理丙二醛含量均随着滴水量的增加呈现逐渐下降的趋势，处理间表现为W1>W2>W3>W4>W5。滴水前24 h和复水72 h后，W1与W2之间，W3、W4、W5处理间均表现为差异不显著，但W3、W4、W5显著低于W1和W2。复水24和48 h后，W1和W2处理之间丙二醛含量差异显著,W3处理的叶绿素含量显著低于W1和W2，但显著高于W4与W5。由此可知，在一定范围内增加灌量有利于降低叶片丙二醛含量，但超过特定范围，即使继续增加灌量丙二醛的恢复能力也不会继续增加。本研究中超过W3处理的灌量，即当20～60 cm土层土壤水势超过-85.5～-68.0 kPa时，丙二醛的恢复能力不会持续增加。在抽穗期不同水分胁迫下均会使冬小麦叶片中的丙二醛含量升高进而导致叶片的膜脂的过氧化作用加重并且水分胁迫程度越严重，膜系统受到的破坏就越大。总体上，新冬22号丙二醛的含量高于新冬43号，表明新冬43号品种抗旱能力较新冬22号要强。

2.2.3 不同水分处理冬小麦渗透调节物质的变化

由图4可知，小麦叶片中可溶性糖的含量随滴水量的增加呈现先升高后降低的趋势，各处理间表现为W3>W4>W5>W2>W1，滴水前后W3均显著高于其他各处理，W4与W5之间差异不显著，W1与W2之间，新冬22号品种滴水前处理间差异不显著，复水24 h以后处理间差异显著，新冬43号品种滴水前后两处理间差异性与之相反。表明在一定范围内增加灌量有利于可溶性糖的恢复，其中W3恢复最快，但继续增加灌量可溶性糖合成受到抑制，对其恢复意义不大，而在低水条件下，可溶性糖的恢复存在一定的品种差异性。由此可知在一定范围内增加灌量有利于可溶性糖的恢复，但继续增加灌量对于可溶性糖的恢复意义不大；本研究中超过W3处理的灌量，即当20～60 cm土层土壤水势超过-85.5～-68.0 kPa时，可溶性糖的恢复能力不会持续增加。

图3 不同水分状况下冬小麦丙二醛含量Fig.3 Malondialdehyde content of winter wheat under different water treatment conditions

冬小麦叶片脯氨酸的含量在滴水前，随滴水量增加呈现逐渐下降的趋势，即各处理间表现为W1>W2>W3>W4>W5，两品种W3、W4、W5之间均差异不显著，W1、W2之间新冬22号差异不显著，新冬43号品种差异显著，且新冬43号脯氨酸的含量显著高于新冬22号。与滴水前相比，复水后脯氨酸含量显著增加，两品种在复水后24 h至72 h脯氨酸含量变化不明显。表明在不同水分胁迫下，冬小麦体内的蛋白质正常合成受到遏制，使得脯氨酸含量升高，复水后冬小麦的蛋白质合成得到恢复，处理W3的恢复速度最快，表明较高和较低的灌量均不适宜脯氨酸的恢复。由此可知，在一定范围内增加灌量有利于脯氨酸的恢复，但继续增加灌量对于脯氨酸的恢复意义不大；本研究中超过W3处理的灌量，即当20～60 cm土层土壤水势超过 -85.5～-68.0 kPa时，脯氨酸的恢复能力不会持续增加。

图4 不同水分状况下冬小麦渗透调节物质含量Fig.4 The content of solube sugar and proline of winter wheat under different water treatment conditions

2.3 不同水分处理冬小麦各生理指标补偿系数的变化

补偿指数可以准确的用来量化不同水分胁迫下作物复水后的补偿效应，当水分胁迫消失后，植物的补偿效应既有其内在的生理机制，而又同时受外界因素的干扰，总的来说植物的补偿效应主要与胁迫时间和胁迫强度有关[16]。不同程度水分胁迫复水后冬小麦各生理指标的补偿指数有明显差异(图5)。两品种叶绿素复水至72 h后并未发生补偿效应且各处理间的补偿效应为W4>W3>W2>W1，表明叶绿素在干旱后植物很难再恢复；丙二醛复水至72 h后均发生补偿效应且各处理间的补偿效应为W1>W2>W3>W4，表明丙二醛的恢复能力随水分亏缺的程度而增强；可溶性糖与脯氨酸的W1、W2处理在复水后24 h至72 h均没有发生补偿效应。两品种可溶性糖的W3、W4处理均在复水24 h后发生补偿效应，但脯氨酸在复水48 h后才发生补偿效应，且处理间的补偿效应为W3>W4 >W2>W1，表明脯氨酸在复水后恢复需要一段时间，其恢复具有一定的滞后性。

图5 不同水分状况下冬小麦各指标的补偿指数Fig 5 Compensation index of winter wheat indexes under different water treatment conditions.

3 讨 论

抽穗开花期是小麦的需水临界期，该时期受到水分胁迫往往会导致小麦植株内生理代谢失去平衡代谢紊乱，从而影响小麦的生长发育、产量降低。研究表明植物叶片叶绿素含量不仅可以衡量植物的光合能力而且也可以反映出植物的抗逆能力[17]。孙岩等[18]研究表明在抽穗开花期叶绿素的含量随干旱胁迫程度的增加而减少。本研究中，滴水前冬小麦叶绿素的含量随滴水量的增加而呈现上升的趋势且处理W3、W4、W5之间差异不显著这与单长卷等关于在冬小麦杨花期研究结果一致。补充灌溉后，各处理的叶绿素含量均有所上升，但从补偿指数来看，处理W1、W2、W3和W4均未产生补偿效应，表明在干旱缺水后复水后的各个水分处理即使补充灌溉叶绿素也不能恢复到原来的水平。

研究表明水分胁迫会导致质膜的过氧化作用从而使质膜受到损害，导致其通透性明显增加[19]膜脂过氧化的最终产物通常认为是MDA，并且MDA是反应逆境条件下质膜受破损程度的一个重要指标[20]。本研究中，滴水前MDA的含量随滴水量的增加而减小，此研究结果与梁新华等关于甘草根系MDA含量随水分胁迫程度增强而增加的结论一致，补充灌溉后，虽然各处理的MDA含量均有所下降，从补偿系数来看，两品种的W1、W2、W3和W4处理均发生补偿效应，表明植株在各处理水分灌溉条件下补充灌溉后可在一定程度上对受损的膜系统进行修复从而提高组织细胞的保护能力进而提高产量。

在水分胁迫时植物为适应这种不利的环境自身细胞会积累一些渗透调节物质包括脯氨酸、可溶性糖等[21]。并且抗旱的能力越强，其积累的含量也越多[22,23]。本研究中，新冬43的脯氨酸和可溶性糖的含量均明显高于新冬22号，这可能因为新冬43号品种的抗旱性要强于新冬22号。冬小麦旗叶脯氨酸的含量随滴水量的增加而减少这与张军等在拔节期脯氨酸的含量随干旱胁迫程度增强而增加结果一致[24]，冬小麦旗叶可溶性糖含量随滴水量的增加呈现先增加后下降的趋势这一结果与李阳阳等对干旱胁迫下甜菜的可溶性糖的研究结果一致。与滴水前相比，复水后，各处理叶片的脯氨酸含量和可溶性糖的含量均显著增加，其中W3增加量最多。从补偿系数来看，W3与其他处理相比复水后激发冬小麦旗叶的可溶性糖含量和脯氨酸含量产生的补偿效应最强。

4 结 语

相同灌量条件下，土壤水势的恢复能力表现为0～20 cm土层最好，20～40 cm次之，40～60 cm最弱。不同灌量条件下，超过W3灌量的处理均能恢复的较好，而低于W3灌量的W1、W2处理则表现出水分的过度消耗，为避免在小麦抽穗期发生土壤水分的过度消耗，20～40 cm土层土灌前壤水势应不低于-85.5 kPa，40～60 cm土层灌前土壤水势应不低于-68.0 kPa；不同的生理指标对水分的敏感度不同，各指标表现为丙二醛>可溶性糖>脯氨酸>叶绿素；不同土壤水分条件下，可溶性糖、脯氨酸等生理指标均在W3处理下产生的补偿效应最大，其中脯氨酸会有一定的滞后性。因此建议在小麦抽穗期，20～60 cm土层距离滴灌带15 cm土壤水势灌前应维持在-85.5～-68.0 kPa。