不同灌溉模式下小麥熒光特征及品種抗旱性研究

曹彩云，黨紅凱，鄭春蓮，李科江，馬俊永

( 1.河北省農林科學院旱作農業研究所,河北衡水 053000； 2.河北省作物抗旱研究重點實驗室,河北衡水 053000；3.農業部衡水潮土生態環境重點野外科學觀測試驗站,河北衡水 053000)

不同灌溉模式下小麥熒光特征及品種抗旱性研究

曹彩云1,2，黨紅凱1，鄭春蓮2，李科江1，馬俊永3

( 1.河北省農林科學院旱作農業研究所,河北衡水 053000； 2.河北省作物抗旱研究重點實驗室,河北衡水 053000；3.農業部衡水潮土生態環境重點野外科學觀測試驗站,河北衡水 053000)

為探討低平原區節水灌溉模式和篩選高產節水品種，在2014-2015和2015-2016兩個小麥生長季，采用裂區試驗，以5個灌溉模式(春季灌溉0、1、2、3和4水，分別用W0～W4表示)作為主處理，以3個當地主推冬小麥品種(衡觀35、石4185和衡4399)作為副處理，研究了不同灌溉模式對小麥產量、葉綠素熒光特征參數、水分利用效率等的影響及熒光特征與品種抗旱性的關系。結果表明，隨灌溉量和灌溉次數的增加，小麥產量非線性增加，但不同年份表現有所不同，2014-2015年以W2處理產量最高，2015-2016年以W4處理產量最高；灌溉提高了PSⅡ的潛在活性Fv/Fo和原初光能轉化效率Fv/Fm，但Fo卻降低。不同品種對灌水的反應特性不同，且存在年際間差異，兩年平均產量以衡4399最高，石4185最低；隨灌溉量的增加，衡4399和衡觀35產量變化幅度較小，而石4185的產量變化幅度相對較大。從熒光特征參數看，石4185受水分脅迫的影響大，在灌漿后期，其不灌溉處理(W0)的熒光參數Fo相對于灌溉處理的增加幅度高于衡4399和衡觀35，但Fm、Fv/Fm和Fv/Fo在不灌溉情況下的降低幅度也相對較大，說明石4185的抗旱性差。從水分利用效率看，以W2處理較好。因此在本試驗條件下，衡4399和衡觀35的增產潛力大，抗旱性好，春季灌2水可達到節水高產和水分利用效率提高的目的。

冬小麥；灌溉模式；產量；熒光特征；水分利用效率；節水

河北低平原水資源供需矛盾突出，作為河北省主要糧食作物之一的小麥，其產量的維系主要靠灌溉，如何進行合理灌溉，篩選節水高產品種，對該區小麥生產乃至整個農業生產的可持續發展意義重大。研究表明，合理的灌溉不僅可提高小麥產量，而且可改善品質[1-3]，但作物的產量并非隨灌溉量的增加呈線性增加[4]，限灌或控制某一階段土壤水分可提高作物產量[5]。華北平原冬小麥全生育期在自然降水偏多年份灌3水，正常偏少年份灌4水，就可實現高產高效的生產目的[6]。 在華北地區，灌溉2水或3水不僅可提高水分利用效率，還可提高氮素的吸收效率[7]。合理灌溉能協調植株的生長發育，保持后期有較高的光合特性[8]， 春季灌2水模式(拔節水和孕穗水)的小麥群體上層截獲的光能較多，中下層通風透光良好,群體光合同化能力最強,花后干物質積累量和產量最高[9]。干旱或水分脅迫可直接引發光合機構的異常，抑制PSⅡ的光化學活性和光合原初反應[10]，導致旗葉光合速率和PSⅡ的原初光能轉化效率(Fv/Fm)和潛在活性(Fv/Fo)降低[11-14]，使作物產量下降。葉綠素熒光動力學是以光合作用理論為基礎，利用葉綠素a熒光作為天然探針，能夠快速、靈敏和非破壞性地進行活體測定和診斷的技術[15-16]，可較好地反映植物的脅迫程度[17-18]。目前針對不同品種抗旱性評價的指標研究較多[19-26]，而建立在多年不同春灌模式下小麥水分反應特性的研究相對較少。本研究在多年不同春灌模式的基礎上，分析了不同灌溉模式對冬小麥產量、水分利用效率、熒光特征參數等的影響及熒光參數和品種抗旱性的關系，以期探討該區節水高效種植模式和篩選節水高產品種，為該區農業的可持續發展提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗是在多年定位灌溉(2004年種麥開始)的基礎上于2014-2015年和2015-2016年在河北省農林科學院旱作農業研究所深州試驗站進行(37°44′N,115°47′E)，供試土壤為黏質壤土，2014年播前土壤有機質含量為16.0～17.5 g·kg-1，速效氮含量為89.3～101.9 mg·kg-1，速效磷含量為11.8～22.8 mg·kg-1，速效鉀含量為109.2～130.4 mg·kg-1。種植制度為小麥/玉米一年兩作。

小麥播種時間在2014和2015年分別為10月12日和10月12日，造墑播種，播種量210～225 kg·hm-2。2014年底施二銨225 kg·hm-2(含P2O546%和N 18%)和復合肥450 kg·hm-2(含N 16%、P2O516%和K2O 16%)，2015年底施二銨450 kg·hm-2(含P2O547%和N 17%)、鉀肥225 kg·hm-2(含K2O 50%)和150 kg·hm-2(含N 46%)，兩年均在春季結合春一水追施尿素375 kg·hm-2(含N 46%)(4水處理在春一水和春二水分兩次等量追施，0水處理尿素趁雨4月17日和16日開溝施入)，其他管理同大田，收獲時間分別為2015年6月10日和2016年6月11日收獲。兩個小麥生長季均為多雨年份，降雨量為143.9 mm和138.0 mm(常年降雨量109 mm)。

1.2 試驗方法

試驗采用裂區設計。主處理為春季灌水模式，設0水、1水、2水、3水和4水五個處理，分別用W0、W1、W2、W3和W4表示，每次灌水75 mm，春季澆水時間見表1。副處理為當地三個主栽冬小麥品種衡觀35、衡4399和石4185(石4185作為對照)。三次重復，小區面積67.5 m2，小區之間設60 cm寬的隔離帶。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 產量測定

小麥收獲期，每區選有代表性的樣方3 m2，測定籽粒產量，折算公頃產量。

1.3.2 葉綠素熒光參數測定

在灌漿前、中和后期，每個小區分別選有代表性植株旗葉3片，使用英國產 PEAMK2 型葉綠素熒光儀測定其葉綠素熒光動力學參數，即初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)，計算可變熒光Fv(Fv=Fm-Fo)、PSⅡ原初光能轉化效率Fv/Fm及PSⅡ潛在活性Fv/Fo。

1.3.3 土壤水分測定

(4) 結合地質資料及鉆孔資料分析認為，研究區熱儲主要為三疊系砂、板巖地層與第四系地層中的構造裂隙及第四系的松散孔隙。地熱水經深循環，自深部熱儲沿雅拉溝斷裂上行，在上行過程中受構造裂隙影響，與冷水發生混合；上升至近地表后，在構造破碎帶及第四系地層中形成次生熱儲。因此在進行熱水鉆探及開發利用地熱資源的過程中，需避免鉆孔打穿次生熱儲而出現沒無熱水的情況。

在播前和收獲時采用土鉆法取2 m土體土樣，10 cm 1層，105 ℃烘干至恒重,計算土壤重量含水量[27]。

土壤含水量=土層厚度×土壤容重×水重/干土重×10；

土壤水消耗量=階段初土壤含水量-階段末土壤含水量；

田間耗水量=土壤貯水消耗量+生長期有效降雨量+生長期總灌溉水量+地下水補給量-徑流-滲漏。

試驗地地勢平坦，2 m土體容重為1.4 g·cm-3，地下水位在8 m以下，降水和灌水不足以形成徑流和滲漏，因而地下水補給量、滲漏量和徑流量按0計算。

1.4 數據處理方法

采用Excel進行數據處理及作圖，SAS8.02數據處理系統進行方差分析。

水分利用效率(WUE)=籽粒產量/總耗水量。

表1 小麥春季灌水情況Table 1 Frequency and total amount of spring irrigation for winter wheat

W0：春季不灌溉; W1：春季灌1水(拔節期);W2：春季灌2水(拔節期+揚花期或灌漿初期);W3：春季灌3水(拔節期+孕穗期+灌漿期); W4：春季灌4水(起身期+拔節期+揚花期或灌漿初期+灌漿期)。下同。

W0:No irrigation in spring; W1:One irrigation in spring(at jointing stage); W2:Two irrigations in spring(at jointing stage and flowering stage or early filling stage); W3:Three irrigations in spring(at jointing,booting and filling stages); W4:Four irrigations in spring(at erecting,jointing,flowering or early filling stage,and filling stage).The same below.

2 結果與分析

2.1 春季灌溉對小麥產量的影響

隨灌溉量的增加，小麥平均產量并非線性增加(表2)。灌溉處理較不灌溉處理在2014-2015年增產27.0%～33.8%，以W2處理產量最高；在2015-2016年增產41.7%～63.0%，以W4處理產量最高。隨灌溉量的增加，兩年的產量變化趨勢和增產幅度均不同，可能與不同的氣候年型和降雨的分配有關，但灌溉處理與不灌溉處理差異均極顯著。不同年份間品種的產量潛力不同，2014-2015年以衡4399平均產量最高，2015-2016年以衡觀35最高；兩年平均產量以衡4399最高，石4185的產量最低。

表2 小麥產量的灌溉和品種主效應Table 2 Main effect of irrigation and variety on wheat yield kg·hm-2

表中數值為3次重復的平均值±標準誤。產量數據后的大小寫字母分別表示灌水處理或品種間在0.01和0.05水平上差異顯著。

The values are means of three replicates ± SE. The different capital and small letters following the yield values mean significantly different among the irrigation treatments or varieties at 0.01 and 0.05 levels,respectively.

從品種對水分的反應(表3)看，各品種的灌水處理產量均極顯著高于不灌水處理，不同品種對灌水量的反應不同，且存在年際間差異。衡觀35 產量在2014-2015年以W1處理最高，且W1和W2處理間產量差異不顯著，W3和W4處理較W1和W2極顯著減產；在2015-2016年隨灌溉量的增加，產量呈逐漸增加趨勢，且處理間差異達顯著水平。衡4399 產量隨灌溉量的增加呈先增后減趨勢，兩年均以W3處理最高，W3和W4間差異在2014-2015年不顯著，在2015-2016年達極顯著水平。石4185 產量在2014-2015年以W2處理最高，在2015-2016年以W4處理最高，但W2、W3和W4處理間差異不顯著。說明不同品種達到高產對水分的要求不同。

2.2 春季灌溉對小麥旗葉熒光參數的影響

2.2.1 春季不同灌溉模式對小麥旗葉初始熒光參數(Fo)的影響

春季灌溉對小麥灌漿期旗葉Fo的影響趨勢在兩年基本一致(表4)。在2015-2016年，隨生育進程的推進，W0、W1和W2處理下Fo呈現增加的趨勢，尤以W0處理明顯；W3、W4處理下Fo呈先增后降趨勢，以灌漿中期最高，到灌漿后期Fo低于W0處理，說明水分脅迫下PSⅡ的光化學活性受到抑制，導致葉片Fo升高；灌水較多條件下PSⅡ的光化學活性抑制程度低，Fo較小。從品種看，W0處理下各品種的Fo增加幅度不同，石4185增加幅度高于衡4399和衡觀35。

表3 不同灌溉模式對小麥產量的影響Table 3 Effect of different irrigation regimes on yield of winter wheat kg·hm-2

同列數據后的大小寫字母不同分別表示處理間在0.01和0.05水平上差異顯著。下表同。

Different capital and small letters following the values in the same columns mean significantly different among the treatments at 0.01 and 0.05 levels,respectively.The same in the following tables.

2.2.2 春季灌溉對小麥旗葉最大熒光參數(Fm)的影響

在灌漿初期和中期，三個品種旗葉的Fm受灌溉的影響規律不明顯，但灌漿后期灌水處理的Fm兩年均較W0處理高(表5)。從品種看，Fm差異主要表現在灌漿后期，石4185灌漿后期旗葉的Fm兩年均以W1處理最高，灌溉處理間差異不顯著，兩年灌溉處理灌漿后期的Fm值分別較不灌溉處理高38.6%～83.8%和18.6%～46.6%；衡觀35灌漿后期的Fm值兩年結果有所不同，2014-2015年以W3處理最高，2015-2016年以W4處理最高，灌溉處理的Fm分別較不灌溉處理高12.6%～57.4%和28.0%～60.0%;衡4399灌漿后期旗葉的Fm在灌水處理間差異不顯著，以W1處理最高，灌溉處理較不灌溉處理高10.3%～40.3%，說明小麥Fm對灌水的反應因生育階段而不同，衡4399受灌水的影響較小。

表4 不同灌溉模式對小麥灌漿期旗葉初始熒光參數Fo的影響Table 4 Effect of the flag leaves Fo at filling stage under different irrigation regimes

2.2.3 春季灌溉對小麥旗葉PSⅡ的潛在活性Fv/Fo的影響

從旗葉的Fv/Fo(表6)看，灌漿初期灌溉模式影響的規律不明顯，隨灌漿的進程，灌溉處理表現出明顯的優勢，表現為W0

2.2.4 春季灌溉對小麥旗葉PSⅡ的原初光能轉化率Fv/Fm的影響

隨小麥灌漿進程，W0處理的旗葉Fv/Fm呈下降趨勢，而灌水處理基本呈先降后增的趨勢(表7)，且在灌漿后期，灌水越少，Fv/Fm越低，說明水分脅迫程度越大，其光能轉化效率越低。從不同品種對水分反應看，在灌漿后期，2014-2015年石4185和衡觀35灌水處理的Fv/Fm分別提高345.9%～457.7%和26.7%～68.4%；2015-2016年衡觀35、石4185和衡4399灌水處理的Fv/Fm較W0處理分別高103.5%～257.6%、24.8%～150.3%和63.6%～106.8%，說明灌水對小麥旗葉PSⅡ原初光能轉化率的影響因品種和年份而不同。

表5 不同灌溉模式對小麥灌漿期旗葉最大熒光參數Fm的影響Table 5 Effect of the flag leaves Fm at filling stage under different irrigation regime

表6 不同灌溉模式對小麥灌漿期旗葉PSⅡ的潛在活性Fv/Fo的影響Table 6 Effect of the flag leaves Fv/Fo at filling stage under different irrigation regime

表7 不同灌溉模式對小麥灌漿期旗葉PSⅡ的原初光能轉化率Fv/Fm的影響Table 7 Effect of the flag leaves Fv/Fm at filling stage under different irrigation regime

2.3 春季灌溉對小麥耗水和水分利用效率的影響

從兩年的結果(表8)看，隨灌溉量的增加，小麥對土壤水的消耗呈現降低趨勢，以W1處理的土壤水消耗最多；總耗水呈先增再降的趨勢，兩年均以W3處理最多。隨灌溉量的增加，水分利用效率呈降低的趨勢，而且不同品種在不同年份下對水分的反應特性也不同，總體還受降雨階段分配等的影響。2014-2015年灌溉處理間差異達顯著或極顯著水平，以W0處理的水分利用效率最高；品種間水分利用效率差異達極顯著水平，以衡4399最高。2015-2016年衡4399和衡觀35的水分利用效率差異不顯著，但與石4185差異達極顯著水平。品種和灌溉模式的交互作用兩年均達極顯著水平，因此灌溉模式的選取既要考慮品種的產量潛力，還要兼顧水分利用效率的提高。綜合本研究來看，衡4399和衡觀35的產量潛力和水分利用效率均高于石4185，而且W2模式不僅有利于各品種產量潛力的發揮，還可兼顧水分利用效率的提高。

3 討 論

3.1 灌溉、降雨的季節分配及品種的水分反應特性對小麥產量的影響

本研究結果表明，并不是灌溉量越大，灌溉次數越多，小麥產量越高(2014-2015年)，這與前人在一定范圍內增加灌水量可提高籽粒產量的研究結果一致[29-30]。但本研究中兩個試驗年度均為相對多雨的年份，在2015-2016年在灌溉量和灌溉次數相同的情況下產量隨灌溉量呈增加趨勢，這可能與兩個年度降雨的季節分配有很大關系。在2014-2015年小麥生育的關鍵時期4月中上旬和5月中上旬降雨量為53.9 mm和58.2 mm，而2015-2016年同期降雨量僅為11.5 mm和20.7 mm(冬前降雨為89.9 mm)，而2014-2015年和2015-2016年兩年分別以W2和W4灌溉模式產量最高，2014-2015年降雨的分配更有利于小麥產量的提高，說明根據作物生育期降雨量及其分布可優化灌溉制度[31]。小麥品種的水分反應特性不同表現在不同灌溉模式間產量的差異上，衡觀35在試驗年(多雨年)中分別以W1和W4灌溉模式產量最高，石4185分別以W2和W4灌溉模式產量最高，而衡4399兩年均以W3灌溉模式產量最高；從水分利用效率看，試驗年(多雨年)以W2灌溉模式最好。在2012-2013年(少雨年)衡觀35和衡4399產量均以W3灌溉模式最高，但W2和W3灌溉模式產量差異不顯著[28]，且衡觀35和石4185水分利用效率均以W2灌溉模式最高。因此灌溉制度的建立不僅要結合降雨年型、降雨的季節分配及小麥品種的水分反應特性，還要兼顧水分利用效率的提高。

表8 不同灌溉模式對小麥耗水和水分利用效率的影響Table 8 Effects of water consumption amount and water use efficiency under different irrigation regime

3.2 春季灌溉模式與小麥葉綠素熒光特征參數的響應

本研究中，不灌溉處理的Fo值較高，Fm、Fv/Fm、Fv/Fo值均較灌溉處理降低，且灌溉量越大，灌漿后期原初光能轉化效率越高，與燕輝等[32]得出的灌漿末期中重度限量灌溉PSⅡ最大光化學效率顯著降低結果一致，說明水分脅迫阻礙了激發能向PSⅡ的傳遞[33]，抑制了PSⅡ的光化學活性，使小麥葉片 PSⅡ的原初光能轉化效率、PSⅡ潛在活性受到抑制，脅迫程度越大，降低幅度越大[11-12]。

3.3 品種的抗旱性與葉綠素熒光特征參數的響應

不同品種葉綠素熒光參數存在較大差異[34]，葉綠素熒光參數變化與品種抗旱性密切相關[35]，熒光參數下降幅度的大小可以直接反映出逆境脅迫對植物體的傷害程度[36]，基因型抗旱性越強，其Fo增加幅度越小，光合結構被破壞程度也越小[37]。本研究結果表明，衡4399和衡觀35較石4185在灌漿后期不灌溉處理的熒光參數Fo值較灌溉處理的增加幅度小，但Fm值降低的幅度相對較小，其Fv/Fm、Fv/Fo值在不灌溉的情況下降低的幅度相對也小，說明衡4399和觀35兩品種同樣水分脅迫的情況下，PSⅡ反應中心被破壞的程度小，耐干旱的能力強[13]，石4185受水分脅迫的程度大，抗旱性差。

因此，在缺水的低平原區，用產量潛力較高、抗旱性好的衡4399和觀35，采用春季灌溉2水模式即可使水分利用效率提高，還可發揮小麥品種的產量潛力。

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FluorescenceCharacteristicsandDroughtResistanceofWheatunderDifferentIrrigationRegimes

CAOCaiyun1，2,DANGHongkai1,ZHENGChunlian2,LIKejiang1,MAJunyong3

(1.Dryland Farming Institute of Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences,Hengshui,Hebei 053000,China;2.The Key Laboratory of Crop Drought-Resistance Research of Hebei Province,Hengshui,Hebei 053000,China;3.Key Field Scientific Observation Station of Hengshui Fluvo-aquic Soil Ecology Environment, Ministry of Agriculture,Hengshui,Hebei 053000，China)

In order to investigate the mode of water saving irrigation in low plain area and select the water-saving and high-yield varieties,this study was conducted in wheat growing seasons of 2014-2015 and 2015-2016. A split block design was used with five different irrigation regimes(1,2,3 and 4 times irrigation,with no irrigation as control,represented as W1,W2,W3,W4and W0,respectively) as the main treatments and three local cultivation winter wheat varieties(Hengguan 35,Heng 4399,Shi 4185) as the sub-treatments. The yield,chlorophyll fluorescence parameters,water use efficiency and relationship between fluorescence characteristics and drought resistance of wheat were analyzed. The results showed that the yield increased nonlinearly with the increase of irrigation amount,and the highest yields were achieved under W2model in 2014-2015 and W4model in 2015-2016,respectively. At the late filling stage,the potential activity(Fv/Fo) and efficiency of primary conversion of light energy(Fv/Fm) of PSⅡ reduced with the decrease of irrigation amount.Fv/Fo,Fv/Fm,andFmof W0were the lowest but itsFowas the highest. Water response characteristics of different varieties were different. Shi 4185 was comparatively more sensitive to irrigation and Hengguan 35 and Heng 4399 were more tolerant to drought with higher yield under the same irrigation model. The average yield of Heng 4399 was the highest,which was slightly affected by irrigation amount,but the yield of Shi 4185 was lowest,which was significantly affected by irrigation amount in two years. The response to water were different for varieties,based on the different parameters of fluorescence characteristics. The parameters of Shi 4185 were significantly affected by the degree of water stress. Compared with irrigation mode,the increase rate ofFounder W0at late filling stage was higher than that of Heng 4399 and Hengguan 35. However,the decrease rate ofFm,Fv/FmandFv/Fowere relatively high under W0. It can be predicted that the drought resistance of Shi 4185 was low.As to the water use efficiency,W2was better. Therefore,for the purpose of water saving ,high yield and high water use efficiency,under the conditions of this experiment,the optimal mode is Heng 4399 and Hengguan 35 varieties with great yield potential and drought resistance under W2treatment.

Irrigation regime; Winter wheat; Yield; Chlorophyll fluorescence characteristics; Water use efficiency; Water saving

時間：2017-11-14

網絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20171114.1027.010.html

2017-04-06

2017-06-17

國家科技支撐計劃項目(2013BAD05B05-02，2016YFD0300205-04)；國家公益性行業科研專項(201303133-1)；現代農業產業體系項目(HBCT2013010206)

E-mail：cycao1234@126.com

李科江(E-mail：nkylkj@126.com);馬俊永(E-mail：mjydfi@126.com)

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)11-1434-11