磷糖类制剂对冬小麦抗干热风特性和产量的影响

徐亚楠，吴 玥，纪冰祎,3，宋吉青，吕国华，张文英，柳斌辉，白文波

(1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所, 北京 100081; 2. 河北省农林科学院旱作农业研究所,河北衡水 053000; 3. 辽宁省现代农业生产基地建设工程中心,辽宁沈阳 110033)

干热风是我国北方农业生产中面临的主要气象灾害之一，一般发生在五月中下旬的小麦扬花灌浆期，具有高温低湿并伴随着大风的气象特点，易导致小麦植株蒸腾加剧，使叶片光合能力下降，造成籽粒灌浆不足和干瘪，引起减产。黄淮海冬麦区区域性频发和重发的高温低湿型干热风灾害程度受发生天数和等级的影响，其对小麦产量的影响也会产生累加作用，严重时小麦减产率可达到20%以上。现阶段在农业生产中，主要通过生物技术、化学技术及生物物理技术来缓解干热风对冬小麦的危害，如选育抗干热风品种、适时灌溉和合理施肥、使用外源化学制剂来提高小麦的抗逆性。农业上化学调控制剂主要通过拌种、喷施，或者拌种和喷施配合施用，拌种有利于小麦保苗、壮苗，提高抗倒伏能力；喷施可以有效提高干热风条件下的小麦抗性，从而达到增产稳产的目的；拌种和喷施配合施用对花后干物质积累和转运具有协同效应。

随着全球气候变暖，极端天气频发，高温干旱等致灾因子已成为我国小麦减产的主导因素。化学调控制剂是一种人工合成、以植物内源激素为基础、具有生理活性的化学物质，以多胺和多糖类物质居多，复配微量元素可调控小麦灌浆进程和物质转运，增强抵御环境胁迫的能力。通过对小麦干热风的化学防御研究，前人已证实磷酸二氢钾、氯化钙、黄腐酸钾和氯化胆碱等物质可以有效增强小麦的抗干热风能力。由于受施用量、施用方法和施用条件等限制，现有制剂还存在使用技术繁琐、广谱性差、功能单一、作用效果不稳定等诸多问题。逆境条件下作物的抗氧化能力和渗透调节物质累积特征与作物的抗逆性密切相关。已有研究认为，复配多种化学物质的抗干热风效果较单一制剂更显著。为了丰富抗干热风制剂的配方成分，增加制剂的功能性，本研究围绕自主研发的不同类型磷糖类化学调控制剂，比较分析干热风胁迫下拌种、叶面喷施及拌种与叶面喷施组合施用这些试剂对冬小麦抗氧化能力、内源保护酶活性、产量及其构成的影响，明确外源制剂对冬小麦干热风胁迫的缓解作用，以期为功能型干热风化学调控制剂的创新研发和合理应用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

2018-2019年度小麦生长季，大田试验布置于河北省农林科学院旱作农业研究所衡水试验基地(37°54′ N、115°42′ E，海拔20 m)。该区为海河平原典型麦区，全年平均降水量497.1 mm，年平均温度13.3 ℃，无霜期202 d，年有效积温 4 603.7 ℃。试验区为冬小麦-夏玉米轮作种植模式，0～30 cm耕层土壤有机质、全氮、速效氮、速效磷和有效钾含量分别为15.62 g·kg、1.15 g·kg、84.03 mg·kg、14.38 mg·kg和182.23 mg·kg。

采用悬挂在试验小区的温湿度记录仪(LR-5001)进行温湿度测量，小麦生育期内每30 min测量一次，记录实时相对湿度和温度。利用小型气象站[天圻气象站，东方智感(浙江)科技股份有限公司，中国]进行田间风速采集，生育期内每1 h测量一次，记录每日14时风速。图1显示的是冬小麦开花期至蜡熟期，田间日最高温度、14时相对湿度和14时风速的日变化(图1)。依据中国气象局2019年发布的气象行业标准，试验期间，田间同时满足高温低湿型干热风灾害三要素条件的共有3 d，分别为花后17 d、21 d和 26 d，其中花后17 d和26 d为重度干热风日，花后21 d为轻度干热风日。根据干热风灾害等级标准，判定该试验区2019年为重度干热风年型。

图1 花后田间小气候因子的日变化Fig.1 Diurnal variation of microclimate factors in field after anthesis

1.2 试验设计

供试冬小麦品种为济麦22，2018年10月10日播种，基本苗为330万株·hm。底施复合肥405 kg·hm，其中含纯氮225 kg·hm、PO90 kg·hm和KO 90 kg·hm，生育期内春灌1水(75～150 mm)，其余管理按当地常规管理模式进行，试验期间无明显病虫害发生。

试验选用中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所节水新材料与农膜污染防控创新团队自主研发的磷糖类多效调控制剂，以自来水为空白对照，以磷酸二氢钾为制剂对照，共设9个处理(表1)，每个处理3次重复，共27个小区，采用完全随机区组设计。小区面积9 m(6.0 m×1.5 m)，小区周围设有宽度1.0 m的保护行。拌种剂(JB和WB)溶解于自来水，以每10 kg种子与300 g拌种制剂充分混匀并堆焖4 h后正常播种。叶面喷施类制剂(BP)稀释100倍后使用，用量约为300 kg·hm。使用2种拌种类制剂进行播前拌种的方法参照前期研究结果，于小麦拔节期(4月3日)叶面喷施BP制剂。

表1 各化学调控剂的主要有效成分Table 1 Main effective components of different chemical regulators

1.3 测定项目与方法

1.3.1 旗叶抗氧化系统相关指标测定

分别于冬小麦花后17 d(5月20日)、22 d、27d和30 d在各小区随机采集旗叶，取样时间为上午7:00-8:00。旗叶丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸比色法测定；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)法测定；过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚显色法测定；可溶性糖(WSS)含量采用蒽酮比色法；可溶性蛋白(WSP)含量采用考马斯亮蓝G-250染色法。

1.3.2 小麦产量及主要构成因素测定

小麦成熟时各小区随机选取3个具有代表性的1 m双行(边行除外)植株调查穗数，计算折合成每公顷穗数；随机选取30穗调查穗粒数；籽粒经晒干后，随机取1 000粒测千粒重，3次重复，计算平均千粒重；在试验小区选取远离边行20 cm的3 m样方单独收割，脱粒晒干称重后计算 产量。

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2013和SAS 9.4软件统计分析数据，在0.05水平上采用Duncan's新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 磷糖类制剂对干热风胁迫下冬小麦抗氧化特性的影响

2.1.1 磷糖类制剂对旗叶抗氧化酶活性的影响

不同处理下小麦旗叶SOD活性随着生育进程的推进呈逐步升高的趋势(花后30 d的BP处理除外)(表4)。制剂处理的SOD活性在花后各时期较CK显著升高，增幅10.42%～62.99%(花后17 d拌种处理和花后22 d的WB处理除外)；在4次取样时期，BP处理的SOD活性基本都显著大于CKP处理和单一拌种处理，但花后17 d的拌种处理除外，原因可能是花后17 d，小麦虽然遭遇一次重度干热风过程，但酶活性取样时间为7:00至8:00，此时小麦受到胁迫伤害的程度较小，体内尚未大量积累SOD。花后27 d和30 d，CKP处理的SOD活性较拌种处理JB和WB增加11.22%～26.93%。与单一处理相比，组合处理的SOD活性在花后22 d、27 d和30 d均不同程度增加，且总体表现为组合施用>单一喷施处理>单一拌种处理。

表2 磷糖类制剂对冬小麦旗叶超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性的影响Table 2 Effect of chemical regulators on SOD and POD activity in flag leaves of winter wheat

各处理小麦旗叶POD活性与SOD活性呈现大致相同的变化趋势，也随着小麦生育进程呈逐步增大的趋势(表4)。除个别拌种处理(花后27 d的WB和花后30 d的拌种处理) 外，其余各制剂处理的小麦旗叶POD活性均较CK显著提高，增幅6.94%～76.29%。与拌种处理JB和WB相比，各时期BP处理的小麦旗叶POD活性基本都显著高于单一拌种处理(花后22 d的JB处理除外)，增幅为6.91%～23.63%，CKP处理的POD活性较JB和WB处理增加了5.15%～ 29.06%，说明干热风胁迫下，叶面喷施处理较拌种处理更有利于促进灌浆中后期小麦旗叶POD活性。JCKP和WCKP处理的小麦旗叶POD活性在各时期均显著大于JB和WB处理，JBP和WBP处理对于增加小麦旗叶POD活性的效果较对应的单一处理更显著，说明拌种和拔节期喷施的协同作用效果最好。

2.1.2 不同磷糖类制剂对旗叶MDA含量的 影响

小麦旗叶MDA含量随着生育进程的推进呈逐步升高的趋势(表3)。花后17 d，在所有制剂处理中，仅JCKP和WCKP处理的MDA含量显著小于CK。3次干热风发生后，各制剂处理的MDA含量与CK差异均逐渐加大。花后30 d，所有制剂处理的MDA含量较CK降低6.58%～ 22.29%，说明干热风胁迫会导致小麦细胞膜脂氧化加剧，使用不同类型化学制剂可降低小麦膜脂氧化水平，从而缓解干热风危害。花后30 d，BP处理的MDA含量较JB处理显著降低，降幅 6.21%；JCKP处理较JB处理降低15.34%，JBP较JB和BP处理分别降低16.82%和11.31%。在花后22 d，WCKP处理较WB和CKP处理分别降低 14.97%和12.12%，WBP处理较WB和BP处理分别减少11.22%和9.13%；花后27 d和30 d， WCKP处理较WB处理分别降低 7.09%和10.72%,WBP处理较WB处理显著降低11.89%和6.23%。可见，干热风胁迫条件下，叶面喷施制剂降低小麦膜脂氧化水平的效果优于拌种处理，拌种和叶面喷施组合施用的效果优于单一拌种或单一叶片喷施处理，进一步说明制剂组合施用具有一定协同作用，更有助于减少小麦旗叶MDA含量。

表3 不同处理下冬小麦旗叶的MDA含量Table 3 Effects of different treatments on MDA content in flag leaves of winter wheat nmol·g-1

2.2 磷糖类制剂对小麦旗叶可溶性蛋白(WSP)和可溶性糖(WSS)含量的影响

各处理小麦旗叶WSP含量随生育进程的推进均呈逐步降低的趋势(表4)。与CK相比，JB处理的WSP含量在花后17 d和30 d均显著升高，增幅分别为7.43%和46.47%；WB处理的WSP含量在花后17 d显著提高，增幅为 12.41%；其他制剂处理的WSP含量在各个时期均显著增加，增幅为17.90%～167.87%，说明干热风胁迫下施用磷糖类制剂可促进小麦生长后期旗叶WSP累积。结合田间干热风发生情况，各制剂处理的WSP含量在最后一次干热风发生后的降低幅度明显小于CK，说明制剂处理有助于减缓旗叶WSP的降解。BP处理的WSP含量在各时期基本都显著大于单一拌种处理(花后22 d，JB和BP处理间差异不显著)。除花后27 d WB处理外，CKP处理的WSP含量在其余各时期也较拌种处理JB和WB增加4.72%～84.45%。拌种和叶面喷施组合处理的WSP含量在各时期总体上均显著大于相应的单一处理(极个别单一喷施处理除外)，增幅为4.05%～125.56%。可见，叶面喷施增加小麦旗叶WSP含量的效果较为突出，拌种和叶面喷施组合施用效果优于单一拌种或喷施处理。

各处理小麦旗叶WSS含量随着生育进程的推进均呈先升后降的趋势，花后22 d达到最大值(表4)。磷糖类制剂处理在各个时期的WSS含量基本都显著大于CK处理(花后30 d的WB处理除外)，增幅为8.88%～77.59%，说明受前两次干热风胁迫(花后17 d和花后21 d)影响，施用磷糖类制剂后小麦体内积累了大量WSS，有助于提高细胞的渗透调节能力。BP处理的WSS含量在花后17 d显著大于JB处理，在花后22 d 显著高于JB和WB处理， CKP处理也在花后22 d和30 d显著大于拌种处理，说明叶面喷施处理能有效增加叶片渗透调节能力。在花后17 d，只有JBP处理的WSS含量大于JB和BP处理；在花后22 d、27 d和30 d，组合处理的WSS含量较相应的单一处理增加7.32%～47.14%，说明磷糖类制剂组合施用对增加小麦旗叶WSS含量具有协同效应，且在灌浆后期更为明显。

表4 不同处理对冬小麦旗叶可溶性蛋白和可溶性糖含量的影响Table 4 Effects of different treatments on WSP and WSS contents in flag leaves of winter wheat

2.3 不同磷糖类制剂对冬小麦产量及主要构成因素的影响

由表5可知，与CK 相比，仅JBP和WBP处理引起了小麦穗数显著增加，增幅分别为4.54%和 4.79%，其余处理与CK差异均不显著。磷糖类制剂处理较CK显著提高了穗粒数和千粒重，增幅分别为4.22%～10.36%和1.05%～ 5.16%。CKP处理的千粒重较CK也显著增加。相比单一拌种处理JB和WB，BP处理对于提高穗粒数和千粒重效果突出；组合处理JCKP和WCKP的穗粒数与拌种处理差异均不显著，但组合处理JBP和WBP的穗粒数和千粒重较单一拌种处理均显著增加，增幅分别为4.56%、 5.89%和2.50%、2.72%。与CK相比，所有制剂处理下小麦均显著增产，增幅6.95%～ 14.68%，增产作用表现为WBP>JBP>BP>WCKP>JCKP>WB>JB>CK，说明施用磷糖类制剂对干热风胁迫下小麦高产稳产的促进作用显著；拌种和叶面喷施组合施用具有一定的协同作用，更有助于减轻干热风胁迫对小麦产量的不利影响。

表5 不同处理对冬小麦产量及主要构成因素的影响Table 5 Effects of different treatments on yield and yield components of winter wheat

3 讨 论

3.1 不同磷糖类制剂对冬小麦旗叶抗氧化系统的影响

当外界发生胁迫时，小麦植株体内氧自由基代谢平衡被打破，活性氧的增加会导致脂膜过氧化，细胞膜透性增加，细胞内溶物外流，从而影响植株正常生长发育。MDA是脂膜过氧化的主要产物之一，其水平可以显示氧化应激的程度。当植物体内活性氧类物质增多时，更多的渗透调节物质和抗氧化酶就会诱导产生，这也是植株用来克服氧化应激的一般适应策略，从而维持细胞稳定性。利用外源化学制剂调节小麦生理过程，保持抗氧化系统的稳定，以提高小麦抗性，是当前防御和缓解干热风危害的手段之一。本试验中，干热风胁迫下，施用不同磷糖类化学制剂可以使小麦旗叶MDA含量较CK显著降低，并增加渗透调节物质(WSS和WSP)含量，提高旗叶抗氧化酶(SOD和POD)活性，从而降低氧化胁迫对细胞膜的破坏，以增强冬小麦的抗逆能力，这与前人的研究结果一致。与单纯拌种处理相比，虽然开花期喷施用于常规干热风防治的磷酸二氢钾也能显著增加小麦旗叶渗透调节物含量和抗氧化酶活性，但提前至拔节期喷施自主研发的磷胺制剂对增加小麦抗氧化能力的作用尤为突出，说明叶面喷施制剂更有助于维持灌浆中后期干热风胁迫下冬小麦旗叶的抗氧化系统稳定。前人相关研究也证实，盐胁迫下用外源三十烷醇对小麦种子进行拌种处理并未有效促进幼苗生长，对小麦抗氧化酶活性的提高也没有显著效果；但叶面喷施处理可以明显促进植株的光合作用，且生育前期喷施效果更好。这进一步说明外源制剂对小麦旗叶的生理调控效应与制剂的使用方式和施用时期有很大关系。范苏鲁等研究表明，大丽花叶片保护酶活性在一定干旱胁迫范围内上升，胁迫加剧时，脂膜损伤严重，MDA的大量积累抑制保护酶活性。这说明氧化胁迫所引起的MDA含量的增加与胁迫程度有关，一定限度内会引起抗氧化系统的响应，使细胞渗透调节物质含量和抗氧化酶活性增加；当发生严重胁迫时，MDA含量过高，细胞受到不可逆损伤，其自身的调控反馈系统也会紊乱。

3.2 不同磷糖类制剂对冬小麦的增产作用

前人研究发现，干热风不利于灌浆期小麦籽粒正常发育，造成减产。本研究中，各制剂处理能不同程度地提高小麦穗数、穗粒数、千粒重和产量，增幅6.95%～14.68%，说明外源制剂能减缓干热风对小麦产量造成的不利影响，这与前人利用营养复配剂缓解干热风对小麦影响的研究结果一致。拌种类制剂对小麦穗数增加的效应较大，分析其中的原因，拌种直接作用于种子，能达到很好的促根壮苗作用；另一方面，拌种类制剂添加有Zn、Cu和Mn等微量元素，这些物质具有促进作物根系下扎、增强根系吸水吸肥和提高抗逆能力的作用；有利于增加小麦苗期有效分蘖数，凸显壮根促苗抗倒伏的功效。拌种制剂中除了微量元素，还有水杨酸和胺鲜酯，水杨酸具有调控小麦抗氧化能力，并维持细胞稳态的作用；胺鲜酯通过调节植株代谢活动，加速籽粒灌浆，从而提高产量。叶面喷施制剂对穗粒数、千粒重和产量的促进效应更为明显，这可能与喷施类制剂对小麦干物质贮运和籽粒灌浆进程的调控作用有关。前期研究已经证实，自主研发的制剂能促进开花至成熟期小麦叶片和穗部干物质累积和转运效率，延长小麦灌浆活跃期。另外，叶面喷施制剂中添加有黄腐酸，黄腐酸可通过调节叶片气孔开闭增强小麦光合作用，还可以改善土壤物理性质，增强根系对肥料的吸收。磷酸二氢钾作为一种叶面肥，可以增加小麦抗倒伏、抗干旱和抗干热风的能力，能促进增产，已作为当前黄淮海麦区干热风防控的主推技术之一。

本试验中，在拌种处理的基础上，开花期组合喷施磷酸二氢钾(JCKP和WCKP处理)，拔节期组合喷施磷胺制剂(JBP和WBP)，即拌种和叶面喷施组合处理的抗干热风调控效果要优于单一处理，在增加渗透调节物含量和抗氧化酶活性、降低MDA含量、促进小麦增产方面的作用更明显。这说明自主研发的制剂中添加微量元素、水杨酸、黄腐酸和胺鲜酯等有效成分可能具有协同增效作用。综合分析认为，针对黄淮海麦区高温低湿型干热风灾害特征，建议通过小麦播前拌种挖掘促根壮苗潜力，结合拔节期喷施磷胺制剂，进行抗氧化功能调控，有望有效防御小麦灌浆中后期的干热风灾害，实现稳产和增产。在后续的研究中，需要增加不同抗逆特性小麦品种，系统分析灌浆期小麦光合特征、籽粒发育动态和灌浆进程等，细化制剂对干热风条件下冬小麦生长发育和生理功能的调控机制。同时，结合农田“一喷三防”技术，探索轻简化的农业应用技术，为小麦稳产增产和农业防灾减灾提供新的研究思路和技术方法。

4 结 论

田间自然干热风条件下，拌种和叶片喷施磷糖类制剂有助于降低小麦灌浆中后期旗叶丙二醛(MDA)含量，增加可溶性蛋白(WSP)、可溶性糖(WSS)含量及超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性，从而提高抗干热风能力。制剂处理的小麦穗粒数、千粒重和产量均显著提高，增幅分别为4.22%～10.36%、1.05%～5.16%和6.95%～14.68%。其中，拔节期叶片喷施处理(BP)较拌种处理JB和WB更有助于增加小麦旗叶抗氧化能力、穗粒数和千粒重，且拌种和叶面喷施组合施用具有协同作用，调控效果最优。因此，施用磷糖类制剂有助于缓解干热风胁迫对小麦生理代谢、产量形成的影响。