灌水量和時期對小麥影響的研究綜述

張向前　曹承富　喬玉強　杜世州　趙竹

摘要：水資源不足是限制中國北方地區小麥生產的主要因素之一，小麥關鍵生育期的水分虧缺對小麥的生長發育、生理特性及最終產量的形成具有顯著的影響，而適時適量灌水不僅可有效降低干旱脅迫的危害，而且有助增強小麥的生態適應性和抗逆性。針對小麥生長發育不同階段的需水特性合理灌溉，是充分利用有限水資源，提高作物水分利用率和產量的重要途徑之一。通過對相關資料的整理闡述了灌水時期和灌水量對小麥光合效應、養分吸收積累、品質、水分利用效率、農藝性狀及產量的影響，并指出今后在小麥節水灌溉方面應進一步深入研究的環節，試圖為中國小麥節水高效灌溉及產量的進一步提高提供科學依據和理論幫助。

關鍵詞：灌水；水分利用率；光合；品質；產量

中圖分類號：S512.1，S311

文獻標志碼：A

論文編號：2014-0957

0引言

小麥是中國主要糧食作物之一，其產量的高低對確保中國糧食安全和提高農民收入具有重要的意義。小麥一生用水約占中國北方農業用水的70%，其中人工補灌是確保雨養小麥高產穩產的重要保證。有報告指出，小麥全生育期的平均需水量約為540mm，而降水滿足率約為55.9%～86.4%，需要補灌1～3次水才能保證小麥全生育期對水量的需求，達到豐產豐收的目的。然而近年來日益加重的水資源匱乏對未來小麥生產的可持續性提出了挑戰，迫使人們不斷探尋進一步提高小麥水分利用效率的途徑，因此根據各地生態條件和耕作制度深入研究小麥節水高效灌溉對提高小麥水分利用效率和產量及緩解中國水資源緊缺具有重要的意義。

大量研究表明，合理的灌溉時期和灌水量是保證小麥高產穩產的重要保障，如在小麥適宜的生育期進行合理的水分虧缺有利于提高小麥的抗逆性和水分利用效率，而在不恰當的生育期進行水分調虧處理和大量灌水則會導致小麥產量的明顯下降。如王淑芬等在研究中指出提高小麥水分利用效率和產量的最佳灌水方式為：豐水年不灌水，平水年灌1次水（拔節水），枯水年灌2次水（拔節水和抽穗水）。鄭彩霞等在報告中指出，適度的水分脅迫有利于提高小麥的水肥利用效率而獲得較高的效益和產量。陳曉遠等研究證實對小麥生育前期進行干旱脅迫，中后期充分供水，小麥莖稈伸長，葉面積指數和干物質積累量增加，其生物量和產量都超過對照。馬尚宇等在研究中指出不同灌水方式對小麥水分利用效率具有明顯的影響。徐心志等研究發現減少灌水量和灌水次數會導致小麥旗葉光合功能衰退加快，光合速率明顯降低。王朝輝等研究發現適宜的灌水時期和方式對小麥的養分吸收和積累具有明顯的調節作用。為進一步提高中國小麥的水分利用效率和產量，減少水資源的浪費，筆者對有關小麥節水灌溉方面的研究進行了總結評述，試圖為中國小麥節水高效灌溉制度的建立及產量的進一步提高提供科學依據和理論指導。

1灌水對小麥光合效應的影響

1.1灌水對小麥光合特性的影響

葉片是作物主要的光合產物制造器官，對作物產量的貢獻巨大，而水分對植株葉片的光合特性具有顯著的調節作用。研究表明，合理灌水有利于提高作物葉片光合速率，但灌水過多或漬水逆境會導致光合速率降低，光合功能期縮短，植株衰老加速，導致作物干物質積累量和產量顯著下降。馬新明等在研究中指出，適度干旱脅迫有助于增加強筋小麥葉綠素含量，促進光系統Ⅱ活性和光化學最大效率的提高。孟維偉等通過2年試驗，研究了W0（不灌水）、W1（拔節水60mm）、W2（拔節水60mm+開花水60mm）和W3（拔節水60mm+開花水60mm+灌漿水60mm）4種灌水處理對2個小麥品種葉片光合特性的影響，發現灌水處理W2和W3的小麥旗葉光合速率顯著高于不灌水W0處理的。李向東等通過干旱棚人工控制降雨的方法研究了不同時期灌水對小麥旗葉光合特性的影響，發現小麥旗葉光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和胞間CO₂濃度在揚花期的變化與灌水無顯著相關關系，而進入灌漿期后則隨灌水次數的增加而增加，其中以拔節期和孕穗期2次灌水的光合效率最高。譚念童等通過對5種灌水處理下小麥旗葉光合特性日變化的研究發現在灌溉低于3水的條件下，葉片的凈光合速率、氣孔導度都隨灌溉量的增加而增加，并以灌3水（拔節水60mm+孕穗水60mm+灌漿水60mm）處理最高，而灌溉4水（起身水60mm+拔節水60mm+孕穗水60mm+灌漿水60mm）處理的凈光合速率明顯低于灌3水W3處理，且在研究中不但指出了過量灌溉會降低作物葉片的光合作用，而且證實了拔節期、孕穗期和灌漿期灌水是影響作物葉片光合作用最重要的時期。

1.2灌水對小麥葉綠素熒光參數的影響

葉綠素熒光動力學是以光合作用理論為基礎，利用植物體內葉綠素a熒光，可快速、靈敏和非破壞性地分析環境因子對光合作用的影響，該技術具有快速、靈敏和非破壞性等優點。梁新華等通過研究干旱脅迫對不同春小麥品種生育后期葉綠素熒光動力學參數的影響發現干旱脅迫會降低可變熒光產量（Fv值），旗葉光系統Ⅱ（PSⅡ）潛在活性和原初光能轉換效率，但品種間存在一定差異。Wu等在研究中亦發現作物生育期間適當增加灌水可以明顯改善葉片葉綠素熒光動力學參數。方保停等在研究中發現減少灌水會降低冬小麥旗葉T_m、F_v/F₀和F_v/F_m，降低葉片光系統ⅡPQ庫容量、光系統Ⅱ原始光能轉換效率及光系統Ⅱ潛在活性和電子傳遞速率。徐心志等以黃淮海地區5個主栽冬小麥品種為試驗材料，研究了不同灌水次數對小麥葉綠素熒光參數的影響，發現隨灌水次數的減少，光化學猝滅系數（qP），PS Ⅱ最大光化學效率（F_v/F_m）和光能利用效率（LUE）都呈下降趨勢，而初始熒光（F₀）呈增加趨勢，非光化學猝滅系數（NPQ）呈先升高后下降的趨勢。張其德等在研究中發現，與不春灌相比，春灌有利于提高旗葉的PSⅡ活性，光化學的最大效率（F_v/F_m），光化學猝滅系數，表觀光合電子傳遞速率ETR和PSⅡ總的光化學量子產量，而降低qN值。

2灌水對小麥養分吸收積累的影響

水分既影響土壤養分的有效性，也影響作物的生長發育及養分的吸收、運轉和積累。李云等在研究中指出，灌水次數對小麥植株的氮、磷、鉀積累具有明顯的影響，一般豐水年灌水次數對氮、磷、鉀積累量的影響較小，而平水年灌水次數具有對氮、磷積累量的顯著影響，在一定范圍內并隨灌水次數的增加而增加。王德梅等在研究中發現不同灌水時期對小麥籽粒氮累積具有顯著的影響，其中底墑水+拔節水處理小麥營養器官中積累的肥料氮向子粒的轉移量顯著高于底墑水+拔節水+開花水。李世娟等研究發現，于返青、拔節、開花、灌漿期各灌水75mm有利于氮素在小麥營養器官中分配比例的提高，在拔節、開花期各灌水75mm更有利于氮素向籽粒運轉。Xu等利用¹⁵N標記的硫酸銨肥料研究了水分變化對小麥營養器官氮素轉移的影響發現灌水量過高或者過低均會使氮的轉移量和轉移率降低，而適當的水分虧缺有助于提高營養器官對籽粒的氮素貢獻率。王朝輝等研究了缺水和補灌對小麥N、P、K吸收及在體內分配積累的影響發現，分蘗、拔節和灌漿期是小麥需水關鍵期，這些時期缺水，N吸收下降40.6%-72.0%，P下降40.5%-72.4%，K下降25.9%-69.5%；而越冬期缺水養分吸收量降低較少，此外亦指出，拔節期補充灌水N、P、K吸收量增加幅度最大，其次是越冬期和灌漿期補灌水。

3灌水對小麥籽粒品質的影響

作物的營養品質和加工品質不僅取決于品種的遺傳特性，而且受到環境因子的顯著影響，其中水分是影響作物籽粒品質形成的一個極其重要的環境因子。趙廣才等通過研究不同灌水處理對籽粒蛋白質含量及其穩定性的影響發現，不同灌水處理的籽粒蛋白質含量存在一定差異，且部分達到顯著水平，隨灌水次數增加，籽粒蛋白質含量有逐漸降低的趨勢，但在降水偏少的試驗點，增加灌水可使蛋白質含量有所提高。王晨陽等通過研究發現，‘豫麥34花后灌水相對于不灌水可明顯提高籽粒的蛋白質含量。小麥胚乳中的淀粉由支鏈淀粉和直鏈淀粉組成，其積累的多少和比例對小麥淀粉品質有重要影響。許振柱等㈣研究發現中度、嚴重干旱可顯著降低子粒中淀粉、支鏈淀粉和直鏈淀粉的積累，而適宜的灌水處理可提高它們的含量。張永麗通過大田試驗證實灌水180mm和240mm的處理比灌水300mm和不灌水的處理可明顯提高‘濟麥20的籽粒谷蛋白含量、谷蛋白含量/醇溶蛋白含量比值、濕面筋含量和谷蛋白大聚合體（GMP）含量，延長面團穩定時間，改善了籽粒營養和加工品質。王曉英等研究了不同灌水頻次對小麥蛋白質組分含量和品質的影響發現，隨灌水次數增加，試驗小麥的可溶性谷蛋白、SDS不溶性谷蛋白、醇溶蛋白、HMW-GS和LMW-GS含量均呈增加趨勢，SDS不溶性谷蛋白聚合體的算數平均直徑、面團品質和面包品質亦均呈增加趨勢。國外亦有研究表明灌水時期和方式對作物籽粒品質有著明顯的影響，因此為了進一步改善作物品質，在實際農業生產中應當采用合理的灌水時期和灌水量，以免造成水資源的浪費和作物品質的下降。

4灌水對小麥水分利用效率的影響

在淡水資源日益緊缺的大環境背景下，迫使人們不斷尋求進一步提高作物水分利用效率的途徑。有研究指出，作物一般在苗期階段需水量相對較小，對水分的虧缺不敏感，在該生育期對小麥進行水分脅迫具有明顯的節水潛力。Zhang等在研究中指出，適度水分脅迫不但可以提高作物產量而且同時可以提高作物水分利用效率。孫宏勇等在研究中指出拔節期的水分對冬小麥水分利用效率有重要的影響，生育后期過多灌水或土壤嚴重缺水均顯著影響冬小麥的土壤水分的利用效率。楊曉亞等以‘濟麥20為材料通過設置7個灌水處理：不澆水（CK）；拔節期和開花期每次灌水30mm（W1）、60mm（W2）、90mm（W3）；拔節期、開花期和灌漿期每次灌水30mm（W4）、60mm（W5）、90mm（W6）的田間試驗研究發現W4處理的產量和作物水分利用效率顯著高于其他處理，為本試驗條件下高產節水的最佳灌水模式。張建軍等在研究中指出，作物灌漿期水分脅迫雖不利于提高產量，但有利于增加水分利用效率，而重度水分脅迫使水分利用效率和產量均下降，表明高產與高效水分利用具有同步性。褚鵬飛等通過2年試驗發現拔節期和開花期分別灌水60mm的處理2年均獲得了最高的水分利用率，該處理可兼顧節水和高產。提高灌溉水利用率是中國小麥節水增產的一項重要措施，因此有必要進一步加強灌水時期和方式對小麥水分利用效率影響的研究。

5灌水對小麥農藝性狀的影響

吳立峰等通過大田小區試驗研究發現不同灌水處理對春小麥的株高、葉面積指數和冠層干物質量的影響均存在一定的差異，拔節期不灌水后復水對小麥株高和葉面積指數雖有一定的補償效應，但補償能力不顯著；與全生育期充分灌水處理相比，拔節期、抽穗期、灌漿期和成熟期不灌水處理的冠層干物質量分別降低了39.01%、33.94%、20.80%和5.98%。孫憲印等在研究中指出葉面積指數和干物質積累量在一定范圍內隨灌水次數的增加而增加，且各小麥品種開花期的葉面積指數變化趨勢表現為澆灌底墑水、拔節水和開花水處理的相對較高，證明了澆水對作物葉面積指數影響較大。豐明等㈣研究表明小麥生育后期灌水，可有效抑制旗葉葉綠素的降解，提高旗葉含氮量，延長葉片的功能期，并以開花期灌水效果最為顯著。李向東等研究發現小麥花后葉片葉綠素含量隨灌水次數的增加而提高，其中W2（拔節水+孕穗水）和W3（拔節水+孕穗水+灌漿水）處理比對照不灌水在揚花期、灌漿初期、灌漿中期分別增加了15.9%、5.3%、5.9%和10.0%、5.0%、6.4%。趙雪飛等在研究中發現灌水次數對小麥總莖數的影響達到顯著水平，其中灌水處理的小麥總穗數顯著高于不灌水處理，而各灌水處理間差異不顯著。寇雯萍等通過大田試驗研究得出，與各生育期水分充足處理相比，苗期、拔節期、抽穗期及苗期+灌漿期不灌水對小麥的株高、葉面積指數和干物質量都有顯著的影響，并以苗期、苗期+灌漿期不灌水對株高、葉面積指數和干物質量影響最為顯著。

6灌水對小麥產量及其構成的影響

針對作物生長發育不同階段的水分需求特點采取合理的灌溉措施以提高灌溉效益是實現水資源不足地區作物高產的一項重要農業措施。相關研究表明，土壤水分含量對小麥產量及其構成具有重要影響，起身期灌水主要增加穗數，拔節水能顯著增加穗粒數，孕穗水和開花水能明顯提高千粒重，但灌漿期澆水卻降低千粒重。豐明等通過研究發現灌水處理相對于不灌水處理對彩色小麥的籽粒產量、千粒重、容重具有顯著影響，并以B3處理（春5葉、開花期和灌漿期灌水）最高，但與B2處理（春5葉和開花期灌水）間差異不顯著。趙廣才等通過研究不同灌水處理對小麥產量的影響發現千粒重和籽粒產量均以春季灌3水（春2葉露尖、春5葉露尖和開花期各灌水40m³）處理最高，并與灌1水（春5葉露尖）處理間差異顯著。寇雯萍等研究了不同生育期灌水對小麥產量的影響發現，與小麥各生育期都灌水（CK）相比，苗期不灌水、苗期+灌漿期不灌水對小麥的產量影響最顯著，然后為抽穗期、拔節期與灌漿期不灌水。

7總結與展望

如何通過節水高效灌溉以提高作物水分利用效率和產量，是中國農業生產中亟待解決的問題，因此加強研究不同供水條件下作物生理和產量的效應，是建立節水型農業生產體系的重要基礎。前期眾多研究表明在小麥特定時期進行適度水分虧缺，一般不但不會降低產量，反而有助于增產和水分利用效率的提高，尤其是灌漿期有限水分虧缺可明顯增加同化物從營養器官向生殖器官的分配，其原因主要是由于小麥受干旱脅迫復水后，體內生理代謝功能相對于整個生育期一直水分充足的明顯提高，且體內存在著對小麥生長和產量的補償或超補償效應，但由于小麥不同生育期對干旱影響的后效性不同，因此眾多研究結果也存在一定的差異，但總體來看適度水分虧缺是有利于改善小麥產量和水分利用效率的。通過對眾多研究資料的分析可知，由于中國地域遼闊，降雨時空變化及各地土壤質地差異較大，往往短短幾年的研究結果很難具有代表性和說服力，且有些小麥灌水試驗是在人工防雨蓬中進行的，其研究成果在對露天大田實際生產指導上往往存在一定的缺陷，因此在今后的研究中應結合當地氣象部門在掌握多年降雨規律和分布的基礎上開展多年多點試驗，以使試驗結果更準確和更好的服務于小麥農業生產實際。