不同调亏灌溉模式对冬小麦生长、生理及产量的影响

王东博，王书吉，韩玉薪

（1.河北工程大学水利水电学院，河北邯郸056038；2.河北省智慧水利重点实验室，河北邯郸056038）

0 引言

冀中南地处华北平原，地势平坦，光、热、气等农业生产条件优越，是我国传统的农业主产区，但水资源缺乏，地下水超采严重，提高农业水资源利用效率是一项亟须解决的问题。调亏灌溉是在作物营养生长阶段通过给予作物一定程度的水分胁迫，然后复水，通过亏水-复水激发作物的生理潜能，产生生长、生理补偿效应，从而达到节水稳产高效的一种节水灌溉理论[1,2]，适宜的调亏模式辅之以管灌等高效节水灌溉方式，可以充分提高农业灌溉水利用效率，缓解当地农业用水紧张形势。目前已有的关于调亏灌溉对冬小麦生长影响的研究报道基本上都是关于全生育期某一个生育阶段亏水，下一个生育阶段复水的研究思路，而针对冬小麦某一个生育阶段内较短天数亏水-复水的研究报道较少。不同时长亏水对作物生理性状影响不同，MA[3]等和ALI[4]等发现适度调亏灌溉可以显著增加小麦的产量和水分利用效率，还可以提高小麦根系组织密度、根长比、根重比和根系细度。MA[5]等发现调亏灌溉条件下，间隔3 d 的产量显著高于间隔6 d 的产量。也有结果表明[6]，任何时期的水分亏缺都可以提高水分利用效率，但冬小麦产量会略有下降。李彦彬[7]发现冬小麦花前短期轻旱能够在不显著降低产量的情况下增加水分利用效率。黄彩霞[8]提出灌浆期水分胁迫可促进花前碳库向籽粒的再转运，并随着干旱胁迫的加重而提高，对籽粒产量起补偿作用；水分胁迫提高了灌浆速率，但缩短了灌浆持续期。张笑培[9]发现拔节期灌水、追施氮肥提高了拔节—开花期、开花—成熟期阶段耗水量和平均日耗水强度。李全起[10]发现以拔节期和抽穗期各灌溉适宜的水分，可以使籽粒的产量最高，增产的原因在于穗数的显著增加。杨宝斌[11]发现抽穗期土壤湿度的变化直接对冬小麦的光合速率和蒸腾速率产生影响，且不同处理下，光合速率和蒸腾速率会在一天中的不同时刻出现峰值。

太长时段亏水会对作物生理和生长造成不可逆的损伤从而造成减产等危害，但同样较长的时段按短时长、高频率亏-复水模式来分配灌水量是否更能激发作物的潜能，同时实现节约灌溉用水？随着我国高标准农田规模的增大，灌溉自动化程度提高，有条件实现高频率的灌水；同时，探究作物对短时长缺水的反应和适应性能，有利于应对现实中突发的短期水资源紧缺现象；因此，在各耗水高峰生育阶段开展短时长、高频率亏-复水模式研究，得出各阶段作物适宜的亏水-复水调亏模式，最终从全生育期总体降低用水量，是值得探索的研究内容。

拔节期是冬小麦营养生长向生殖生长过渡的阶段，也是生长速度最快，生长量最大的时期，耗水量大，时长较长，冀南一般4月初到4月下旬，25 d 左右时间；鉴于此，本研究开展冬小麦拔节期内不同土壤含水率、短时长亏水-复水模式对冬小麦的株高、叶绿素、净光合速率、荧光参数、产量、水分利用效率等的影响，以得出适宜的水分调亏运筹模式，为农业高效节水提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2018年10月27日至2019年6月8日在河北工程大学水利水电学院精准灌溉试验场（东经114°03′～114°40′，北纬36°20′～36°44′）12个交叉布置的测坑内进行。试验场位于暖温带，季风显著的半干旱半湿润大陆性气候，光照充足，多年内平均气温约为13 ℃，地面温度约为16 ℃，年平均日照约为2 596 h，年平均风速约为2.74 m/s，最大风速20.42 m/s，降水量和蒸发量年内分配差异显著（降雨集中在七八月份），多年平均降雨量为548.9 mm。试验区土壤属于中壤土，田持为24.63%。

1.2 试验设计

试验采用的冬小麦品种为“矮大穗”，行距为0.25 m。遵照相关文献对生育阶段的划分方法[12]，结合当地农业经验，冬小麦生育阶段划分为返青期（3月7日至4月2日）、拔节期（4月3日至4月23日）、抽穗扬花期（4月24日至5月10日）和灌浆成熟期（5月11日至6月5日）4个生育阶段。

进入拔节期之前，开始准备亏水，拔节期开始后，各处理达到预定亏水程度，分别为：Y1 （55%～65%）θf、Y2（65%～75%）θf、Y3（75%～85%）θf，见表1。θf为田间持水量，采用TDR（事先经过率定）观测控制土壤含水率，各处理按下限控制，若低于下限则一次灌水至上限，另设全生育期充分灌水对照（CK），各处理均设3 个重复，灌溉水全部采用自来水管灌。施肥水平为：播种前施入小麦专用复合肥600 kg/hm2(N∶P2O5∶K2O=20∶26∶8)，春季追施尿素270 kg/hm2(含氮46.4%)，其他田间农业管理措施遵照当地多年农作习惯。

表1 土壤含水率Tab.1 Soil moisture content

1.3 观测项目与方法

在冬小麦拔节期内进行亏水-复水处理，4月5日开始亏水，亏水7 d 后，4月12日分别从亏水组和对照组选取典型植株进行测量，4月13 号开始复水，复水7 d 后，4月21日分别从亏水组和对照组选取典型植株进行测量，测定指标及测量方法如下。

（1）株高。在拔节期每个处理中选择3株能够代表整体长势的植株用卷尺进行株高测量（测量位置从旗叶叶尖到茎基的距离），亏水结束时和复水7 d后测量。

（2）叶绿素。选取测量株高时标记好的3 株植株，用SPAD-502 便携式叶绿素测定仪测冬小麦的功能叶（从上往下数第二个叶子）的叶绿素含量，亏水结束时和复水7 d 后测量。

（3）叶片光合作用参数。在冬小麦拔节期选择一个晴朗无风的天气，从每个处理中选择3 株代表整体长势较好的植株，在9∶00-15∶00 用LI-6400 便携式光合仪测定叶片净光合速率。光强设置为1 000µmol/(m2•s)，选取标记好的植株进行测量，分别在亏水结束时和复水7 d后测量。

（4）荧光参数。在冬小麦生育期内，选择一个晴朗的天气，在9∶00-15∶00 之间用OPTI-SCIENCES OS5P+荧光仪测定冬小麦的荧光参数，亏水结束时和复水7 d后测量。

（5）农田耗水量（ET）计算。利用水量平衡原理计算作物耗水量：

式中：ET为蒸发蒸腾耗水量，mm；P为降水量，mm；I为灌溉量，mm；ΔS为土壤含水率变化量，mm；R为地表径流量，mm，本试验中未形成地表积水，所以忽略地表径流量；D为根层土壤水分向下渗漏量，mm，本试验中每次灌水量很少，忽略渗漏量；K为地下水补给，试验区地下水位埋深较深，可忽略。

（6）作物产量。冬小麦收获时，在每个测坑内均匀分布取样，同时将样方内的所有小麦人工收割、风干、脱粒，统计实际产量，最后折算为每公顷产量。

1.4 数据分析

采用Origin 2018 进行数据分析统计作图，采用SPSS 13.0（α=0.05）进行方差分析。

2 试验结果与分析

2.1 不同处理对冬小麦拔节期株高的影响

从图1可知，在亏水7 d后的4月12日，对照组CK株高显著高于亏水处理，Y1、Y2、Y3 分别比CK 低了12.87%10.53%、8.48%；复水后，在4月21日，亏水处理均高于对照组CK，Y1、Y2、Y3 分别比CK 高2.38%、9.52%、12.70%，复水后的冬小麦株高表现出了明显的生长补偿效应。这与丁端峰[13]、赵丽英[14]的结论一致。

2.2 不同处理对冬小麦拔节期SPAD的影响

不同处理对冬小麦的SPAD 的影响如图2所示。从图2 可看出，亏水7 d后的4月12日，对照组SPAD 高于各亏水处理，分别比Y1、Y2、Y3 处理高5.91%、5.21%、4.86%；但是在复水后的4月21日，亏水处理均高于对照组CK，各亏水处理的SPAD 值分别比对照组CK 提高了0.67%、2.51%、3.85%，表现出明显的生长补偿效应。这与丁端峰[13]、赵丽英[14]的结论一致。

2.3 不同处理对冬小麦拔节期净光合速率的影响

不同处理对冬小麦的净光合速率的影响如图3所示。从图3 可知，亏水1 周后，在4月12日，对照组CK 净光合速率高于各亏水处理Y1、Y2、Y3，分别高19.51%、17.48%、11.38%；复水7 d 后，4月21日，各亏水处理冬小麦净光合速率较4月12日明显升高，但仍低于对照组CK，与对照组CK相比，净光合速率分别降低了19.32%、14.02%、11.74%。说明复水之后冬小麦的净光合速率虽有所恢复，但短时间内难以恢复到正常灌水水平，这说明水分胁迫会对冬小麦的净光合速率造成不利影响，复水之后短期内仍不能很快恢复至对照组水平。复水后超过7 d 会否有补偿效应？后续将开展相关研究。

2.4 不同处理对冬小麦拔节期荧光参数的影响

不同处理对冬小麦的荧光参数的影响如图4所示。从图4可知，在4月12日亏水7 d 后，Y1、Y2、Y3 各处理荧光参数Fv/Fm和Fv/F0均低于对照组CK，Fv/Fm分别低11.39%、8.86%、6.33%，Fv/F0分别低7.98%、6.38%、4.79%；复水7 d后在4月21日，各亏水处理Fv/Fm和Fv/F0都有所恢复，但仍比对照组CK 低，Fv/Fm分别低9.64%、8.43%、6.02%，Fv/F0分别低9.00%、5.91%、4.63%。说明在水分胁迫的条件下，亏水程度越大的冬小麦，其叶绿素荧光受水分亏缺影响的程度也越大，会导致冬小麦光化学效率降低，PSⅡ反应中心受损[15-18]，进而导致光合速率降低。复水后，各亏水处理的Fv/Fm、Fv/F0均有所提升，但短期内仍不能恢复至对照组水平。可见，水分亏缺对冬小麦叶绿素荧光造成的伤害虽然在复水后是可逆的，复水会在一定程度上缓解PSII 潜在活性中心受损程度[19,20]，但复水后多长时间能恢复到正常灌水处理水平？仍需开展后续研究。

2.5 不同处理对冬小麦产量的影响

在冬小麦成熟之后，取样测定了冬小麦的产量指标，产量指标包括：穗长、千粒重、产量（见表2）。

表2 冬小麦产量分析Tab.2 Yield analysis table of winter wheat

由表2 可知，Y1、Y2、Y3 各亏水处理的产量较CK 分别降低了18.84%、5.58%、0.79%，Y3 处理的产量比Y1、Y2 分别高22.24%、5.08%。对表2 中数据采用SPSS 进行方差分析，结果显示，在0.05 水平上，各处理之间穗长差异不显著，千粒重和产量差异显著。说明拔节期水分亏缺会降低冬小麦的千粒重，进而降低产量。

2.6 不同处理冬小麦水分利用效率

从表3 可知，Y1、Y2、Y3 各亏水处理的叶片水分利用效率较CK 分别高9.54%、12.03%、26.97%；Y3 处理的水分利用效率最高，分别较Y1、Y2、CK 高8.29%、0.55%、2.77%。虽然CK 条件下产量最高，但是耗水量也较多，导致水分利用效率并不是最高。综合分析可得，水分亏缺会降低冬小麦的产量，而水分利用效率的变化并不一致，Y3 处理的水分利用效率最高且产量降低不显著，所以可以考虑选择Y3 处理作为拔节期亏水处理。

3 结论及讨论

本研究发现，拔节期冬小麦株高、叶绿素含量与亏水程度成负相关关系，复水7 d 后，冬小麦株高和SPAD 显著高于对照组，表现出生长补偿效应，原因可能是冬小麦在拔节期处于快速生长阶段，对水分的需求很敏感，亏水会影响其正常生长，但施加水分胁迫后复水，激发了其生长潜能，从而出现株高和SPAD补偿效应。这与高丽华[21]等的结论一致。

在水分胁迫的条件下，各亏水处理净光合速率均下降，但下降程度不同，亏水越严重，光合速率下降程度越大；复水后7 d，Y1、Y2、Y3 各亏水处理净光合速率有所恢复，分别较亏水7 d 时提高了7.04%、6.61%、6.44%，但均低于对照组处理CK。亏水程度越大的处理，其叶绿素荧光参数Fv/Fm、Fv/F0下降程度越大，复水7 d 后，各处理的Fv/Fm、Fv/F0、净光合速率都得到提升，但仍比对照组CK 低，且提升程度不同， Y1、Y2、Y3 各亏水处理的Fv/Fm分别较亏水7 d 时提高了16.30%、16.87%、16.84%，Fv/F0分别提高了12.20%、11.67%、11.88%。可见，拔节期亏水对冬小麦生理指标影响显著，但随着生育阶段推进，能否缓解？在后面的研究中，我们将继续开展相关研究。

各处理之间穗长值差异不显著，但千粒重和产量差异显著，Y1 处理的千粒重、产量与Y2、Y3、CK 差异显著，Y2、Y3、CK 之间差异不显著。说明严重水分亏缺会降低冬小麦的千粒重，在本研究中，CK(对照组)具有最大的千粒重和最大的产量。Y3 具有最高的水分利用效率，分别较Y1、Y2 提高了8.99%、0.67%，比CK 提高了3.20%，Y3处理的水分利用效率值最大。综合分析，水资源紧缺时，可以考虑采取Y3 作为适宜的灌溉处理，这样可以实现节水稳产。