限水条件下不同类型冬小麦品种产量及光合特性的变化

安浩军 李晓静 翟晓玲 苑壮 郑德超

摘要：为筛选抗旱品种，研究不同灌水处理对冬小麦SPAD值、光合特性、干物质积累、水分利用效率及籽粒产量的影响，于2020—2021年选用河北省6个冬小麦品种为材料，试验设冬后W2（拔节水和灌浆水）、W1（拔节水）和W0（无灌溉）3个水分处理，测定不同冬小麦品种在各时期生理指性和光合参数，测定不同灌水条件下各要素与产量之间的变化规律。结果表明，各小麦品种叶片净光合速率、蒸腾速率、SPAD值、穗数、穗粒数和千粒质量均随着灌水次数的减少而降低；在不同限水条件下，中麦1062、盈亿165、石新828的净光合速率、蒸腾速率的降幅较小，其SPAD值随着生育进程下降速度较缓，灌浆后期SPAD值依旧保持较高水平，保证了干物质的有效积累，减少灌水次数后，产量下降幅度较小，且产量与灌浆期SPAD值变化趋势较为一致，两者呈显著正相关关系（P<0.05）。综上所述：（1）限水条件下，中麦1062、盈亿165、石新828旗叶SPAD值下降趋势较缓，产量稳定性较好，在W1试验条件下可实现节水高产的平衡，是较好的节水抗旱高产品种。（2）灌浆期小麦旗叶SPAD值的变化可以作为品种抗旱性的评价指标，灌浆期测定SPAD值可以作为节水抗旱小麦品种快速鉴定的辅助手段。

关键词：限水灌溉；冬小麦；籽粒产量；SPAD值；光合速率；水分利用效率

中图分类号：S512.1+10.1文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）10-0119-07

我国是农业大国，淡水资源相对匮乏，年农业用水总量超过全国用水总量的60%，河北省是冬小麦主产区，水分资源匮乏直接制约河北省农业可持续发展，小麦生长需水关键时期自然降雨量较少，使得水资源成为该地区小麦生产潜力增长的最主要限制因素之一［1-2］。小麦生长主要依赖地下水资源灌溉，而过量灌水、农业灌溉用水水分利用率低等现象造成水资源大量浪费，导致麦生产区地下水位逐年下降，并引发一系列生态环境问题。因此，节约农业用水、提高小麦生育期水资源利用率、发展高效节水农业已成为河北省冬小麦重要研究方向。

针对灌水对小麦生长发育的影响，有研究发现，随着灌水量的增加，小麦产量随之增加，但相对增产量的值是递减的［3-4］。采取限水措施严重影响有效穗形成，拔节期水分胁迫使冬小麦茎秆伸长能力减弱，株高下降，开花期水分胁迫会缩短生育时期，导致小麦植株早衰、光合速率下降和灌浆期缩短，减少干物质积累，严重影响小麦千粒质量形成［5-6］，最终直接导致减产［7］。吕金印等研究发现，严重干旱胁迫下，小麦开花期、灌浆期旗叶的叶绿素含量、光合速率、蒸腾速率均会明显降低［8］。因此，限水条件下，小麦叶片的叶绿素含量、灌浆期旗叶光合速率等因素直接影响小麦籽粒产量的构成，是小麦籽粒形成的基础。

前人对冬小麦光合特性和产量的研究多集中在不同水肥条件下对单一品种的影响，对不同类型小麦品种横向研究报道尚少。鉴于当前河北省面临的水资源紧缺形势较为严峻，筛选节水抗旱品种并探索筛选依据至关重要，仅以产量作为其筛选指标已无法满足快速筛选的需求，因此本研究通过分析不同水处理条件下各品种的群体数量、籽粒产量、叶绿素含量、叶面积、光合速率等多方面的变化规律并综合分析，以期为本地区抗旱节水冬小麦品种的筛选提供参考依据。

1材料与方法

1.1试验材料

供试材料为近年来河北省中北部推广面积较大的6个小麦品种，分别是保麦10号、科茂53、济麦22、石新828、中麦1062、盈亿165。

1.2试验设计

试验于2020—2021年在河北省高碑店试验田进行，试验地地力均匀，地势平坦，前茬玉米秸秆还田，试验地土壤基础养分含量见表1。播种前统一施基肥N、P2O5、K2O各120kg/hm2。肥料为尿素、磷酸二铵、硫酸钾，撒施后旋耕。小麦全生育期降水量为155.8mm。

试验设3种水处理：丰水灌溉（W2），冬后灌拔节水、灌浆水；节水灌溉（W1），冬后灌拔节水；干旱栽培（W0），冬后无灌溉。单次灌水量均为675m3/hm2。每个处理设置3个重复，每个品种试验小区面积14m2，随机区组排列，重复3次，其他种植管理按常规进行。小麦生育期间的降水量如图1所示。

1.3测定项目及方法

1.3.1群体性状测定

在小麦冬前期、起身期、拔节期、孕穗期、成熟期按1m双行定点调查基本苗数，并于定点处调查各时期总茎蘖数，计算成穗率。

1.3.2叶面积指数

拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期及成熟期每小区内多点取样（只取地上部分），取10株，测全叶面积，3个重复取平均值，测定植株叶面积指数（LAI）。

LAI＝LA/GA。

式中：GA為土地面积，m2；LA为该土地面积上的总叶面积，m2。

1.3.3产量及产量构成因素测定在小麦成熟期每小区选择1m双行的群体测定穗数、干物质积累量及群体籽粒产量，并在各小区选取有代表性植株30株进行室内考种，测定穗粒数和千粒质量，同时在每小区选取未取样部分10m2，测定籽粒产量。

1.3.4叶绿素含量及光合特性测定用SPAD值-502型便携式叶绿素仪测定叶绿素含量；用LI-6400便携式光合仪（美国LI-COR公司）于10：00—12：00测定挑旗前最上部展开叶或旗叶净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度等光合参数。每处理每重复均测定5株。

1.4数据处理

试验数据应用统计学方法进行统计并使用相关数理统计软件Excel2010进行计算及绘图，SPSS22.0分析软件Duncans新复极差法对有关数据进行统计分析和差异显著性检验。

2结果与分析

2.1不同灌水处理对不同小麦品种群体总茎蘖数的影响

从图2可以看出，不同灌水处理下，不同类型小麦品种冬前期至起身期的群体茎蘖数差异不大，起身期小麦的群体茎蘖数快速增长并达到分蘖高峰，之后在孕穗期、成熟期逐渐达到稳定。中麦1062、科茂53的3个不同处理成熟期分蘖成穗率相对稳定，W2与W0处理的分蘖成穗率分别相差5.32%、4.29%。说明中麦1062与科茂53这2个品种在限水处理条件下同生育时期茎数变化较小，其最终成穗率受土壤水分变化的影响较小，不同灌水处理下的穗数较稳定。

2.2灌水处理对小麦干物质积累、收获指数的影响

不同小麦品种干物质积累量和群体产量均随灌水次数的增加而逐渐上升，增加灌水次数可以获取较高的干物质积累量，且灌水处理对小麦干物质积累量和群体产量有显著影响（P<0.05）。株高是评价冬小麦生长发育状态的重要指标，限水处理对小麦的株高产生程度不一的抑制作用，保麦10号、石新828、中麦1062不同处理间株高存在显著差异差异，各品种的株高均表现为W2处理＞W1处理＞W0处理。除保麥10号外，其余5个品种不同灌水

处理的收获指数表现为W2处理＞W1处理＞W0处理，各小麦品种W2处理的收获指数与W1处理均差异不显著；石新828的W1处理与W0处理的收获指数差异不显著，其余5个品种W0处理的收获指数均出现较大幅度下降，显著低于W1、W2处理。

2.3不同灌水处理对小麦叶面积指数的影响

LAI也是评价冬小麦生长发育的重要指标之一，直接影响到光合速率、蒸腾速率及产量形成。冬小麦关键生育时期LAI方差分析结果（表3）表明，不同品种冬小麦LAI变化基本一致，随生育进程的推进呈抛物线形先上升后下降的规律。不同品种冬小麦LAI受到灌水处理影响较大，各处理不同生育时期均存在显著差异，表现为W2处理>W1处理>W0处理。可以看出，水分对冬小麦生长发育影响较为显著，限水处理下叶面积绝对值变小，其叶面积指数大幅下降，尤其在其生育后期表现更为明显。限水处理直接影响小麦叶片发育，加快了叶片衰老，W0处理下，科茂53与盈亿165在灌浆期后期LAI降低为0，出现叶片早衰，影响光合产物累积，灌浆期缩短，导致减产。

2.4不同灌水处理对小麦光合特性的的影响

冬小麦产量的积累依靠光合作用。水和CO2是光合作用的重要底物，水分变化直接影响光合作用的强度，光合速率、蒸腾速率等均随之变化。对比开花期、灌浆期不同处理下小麦光合特性的变化（表4、表5）发现，同一小麦品种的光合速率、蒸腾速率均随灌水次数的减少而降低，且多数处理间差异显著。而胞间CO2浓度则随着灌水次数的减少而增高，说明水分的缺乏会导致叶片气孔关闭，进入胞内CO2量降低，从而导致光合速率下降，水分和CO2摄取量都不足，进一步影响光合产物积累。中麦1062、盈亿165在开花期的旗叶水分利用率表现为W2处理>W1处理>W0处理，灌浆期则是W1处理最高。

2.5灌水对小麦叶绿素相对含量（SPAD值）的影响

叶绿素含量的高低直接反映叶片的衰老程度和光合能力的高低，其动态变化体现小麦生长速度的快慢。由图3可知，同一灌水处理下，不同小麦品种，相同生育时期SPAD值存在明显差异，这可能与小麦品种特性有关。不同小麦品种的SPAD值表现为拔节期至开花期前后呈上升趋势或先下降后上升趋势，开花期或者灌浆期初期达到顶峰，之后迅速降低；同一小麦品种相同生育时期，不同灌水处理下各品种SPAD值均表现为W2处理>W1处理>W0处理。在拔节期到开花期，同一品种冬小麦叶片不同灌水处理的叶绿素相对含量无明显差异。灌浆期后期保麦10号、科茂53、济麦22的SPAD值较灌浆期前期呈极速下降趋势，且灌浆后期不同处理间差异明显。说明限水处理造成这3个品种叶片衰老速度加快，提前成熟，从而影响最终产量。而石新828、中麦1062、盈亿165灌浆期后期SPAD值下降幅度较小，均保持较高水平，且不同处理间差异不明显，说明限水条件下，这3个品种的叶绿体在灌浆后期仍可保持较高的活力，具有较强的光合作用能力，有利于小麦后期灌浆，从而保证产量的相对稳定。这说明石新828、中麦1062、盈亿165对水分变化不敏感，是较好的节水抗旱品种。

2.6灌水处理对小麦产量构成及产量的影响

从图4可以看出，3种灌水处理下，同一品种不同处理的籽粒产量均表现为W0处理

3讨论

3.1不同灌水处理对冬小麦的生理特征及产量的影响

小麦生育期内轻度水分胁迫可有效改善小麦的生长发育状况［9］，适度的水分胁迫可提高小麦的水分利用率［10］，过量灌溉则会影响作物吸收养分［11］。本研究的同一小麦品种随着灌水次数的降低，不同品种株高、叶面积指数均随之降低。作为评价冬小麦形态的重要指标，株高和叶面积指数的降低对小麦地上部分干物质的积累以及籽粒千粒质量、穗数等产生一定的抑制作用，最终影响小麦产量。在本研究中，保麦10号开花期W1处理水分利用率最高，中麦1062、盈亿165灌浆期均以W1处理的水分利用率最高，W1处理的产量较W2处理明显下降，但相对其他品种而言，降幅较小。其余品种在不同生育时期均表现为水分利用率随灌水量的增加而增加，但增幅不一。这与前人的研究结果基本一致，不同品种相同生育期水分利用率最高的最适灌水次数主要与品种自身的遗传特性有关。

灌水量对小麦产量的影响显而易见，但水资源紧缺是小麦生产面临的困难之一，筛选节水抗旱小麦品种是当务之急。有研究发现，小麦产量与灌水量、灌水次数呈正相关关系，增加灌水量可提高小麦千粒质量和产量［12-13］。拔节期灌水对穗数的影响较显著，减少拔节期灌水会使小麦成穗率显著下降［14］。本研究结果表明，限水处理后，与W2处理相比，中麦1062、盈亿165、石新828在W1处理条件下的穗数、穗粒数和千粒质量均有所下降，这与前人研究结果一致，但W2处理与W1处理差异不显著。相对其他品种，上述3个小麦品种在不同灌水处理下产量保持较高水平，说明该品种对土壤水分变化适应性较强，在W1下处理下也可以保证物质积累的合理分配，获得较理想产量，是较好的节水抗旱高产品种。

3.2灌水处理对冬小麦叶绿素含量及光合特性的影响

光合作用直接決定作物产量形成，而叶绿素含量是光合作用的基础，其高低直接影响光合速率，最终影响产量大小［15］。小麦灌浆后期至成熟期叶绿素逐渐降解，进而使其光合能力下降，光合产物形成量随之下降，而灌水对净光合速率、蒸腾速率等光合相关指标有显著性影响［16］。灌水量的减少促使小麦灌浆后期叶片迅速衰亡，土壤水分的亏缺使叶片光合功能迅速下降［17］。

本研究表明，随着灌水次数的减少，冬小麦叶绿素相对含量随之下降，叶片发生早衰，光合速率、蒸腾速率均有所下降，这与前人研究结果一致。中麦1062、盈亿165、石新828在不同限水条件下，其SPAD值随着生育进程下降速度较缓，在灌浆后期叶绿素含量依旧保持较高水平，且减少灌水次数后，其产量变化较小，说明在限水处理条件下，其叶片持绿能力较强，具有较强的抗衰性，有力保证其光合作用的周期，光合效率和产量构成依然高度协同，使其产量对水分变化不敏感，保持了较高产量，是较好的节水高产品种，这也与生产中试验示范的结果一致。鉴于产量与灌浆期SPAD值显著正相关，以及旗叶SPAD值测定的便捷性，灌浆期小麦旗叶SPAD值的变化可以作为品种抗旱性的评价指标，灌浆期测定SPAD值可以作为节水抗旱小麦品种快速鉴定的辅助手段。

参考文献：

［1］李雁鸣，曹刚.河北小麦生产技术［C］//于振文.小麦高产创建示范技术.北京：中国农业出版社，2008：112-146.

［2］黄川容，刘洪.气候变化对黄淮海平原冬小麦与夏玉米生产潜力的影响［J］.中国农业气象，2011，32（增刊1）：118-123.

［3］张正斌，段子渊，徐萍，等.中国粮食和水资源安全协同战略［J］.中国生态农业学报，2013，21（12）：1441-1448.

［4］程献云，秦海英，王宪章，等.灌水量对耗水量及小麦产量的影响［J］.作物杂志，2002（2）：18-19.

［5］王晨阳，马元喜.不同土壤水分条件下小麦根系生态生理效应的研究［J］.华北农学报，1992，7（4）：1-8.

［6］WangGY，MaYX，ZhouSM.Studyoneffectsofsoildroughtstressonwinterwheatsenescence［J］.ActaAgriculturaeUniuzersitatisHenanensis，1996，30（4）：309-313.

［7］李彦彬，朱亚南，李道西，等.阶段干旱及复水对小麦生长发育、光合和产量的影响［J］.灌溉排水学报，2018，37（8）：76-82.

［8］吕金印，山仑，高俊凤，等.干旱对小麦灌浆期旗叶光合等生理特性的影响［J］.干旱地区农业研究，2003，21（2）：77-81.

［9］吴乃元，梁丰香，张衍华，等.有限水分胁迫对小麦生长状况的影响及合理灌溉的土壤相对湿度指标［J］.应用气象学报，2000，11（增刊1）：170-177.

［10］郑成岩，于振文，马兴华，等.高产小麦耗水特性及干物质的积累与分配［J］.作物学报，2008，34（8）：1450-1458.

［11］赵炳梓，徐富安.水肥条件对小麦、玉米N、P、K吸收的影响［J］.植物营养与肥料学报，2000，6（3）：260-266.

［12］党根友，沈强云，李新，等.灌水对宁春50籽粒干物质积累、产量及水分利用效率的影响［J］.麦类作物学报，2018，38（5）：600-607.

［13］赵广才，何中虎，刘利华，等.肥水调控对强筋小麦中优9507品质与产量协同提高的研究［J］.中国农业科学，2004，37（3）：351-356.

［14］崔帅，王红光，李东晓，等.限水减氮对高产麦田群体动态和产量形成的影响［J］.麦类作物学报，2016，36（8）：1060-1068.

［15］韩东伟，何建宁，李浩然，等.灌水时期对冬小麦个体、群体结构和冠层光合作用的影响［J］.江苏农业学报，2022，38（3）：577-586.

［16］蔡海霞，吴福忠，杨万勤.干旱胁迫对高山柳和沙棘幼苗光合生理特征的影响［J］.生态学报，2011，31（9）：2430-2436.

［17］张永平，张英华，王志敏.不同供水条件下冬小麦叶与非叶绿色器官光合日变化特征［J］.生态学报，2011，31（5）：1312-1322.