雨養和灌溉條件對黑小麥產量形成及品質的影響

蔣方山，張海軍，呂連杰，安 霞，陳 軍，韓明明

（淄博市農業科學研究院，山東淄博255000）

0 引言

小麥是中國主要糧食作物之一。其種植面積可占到糧食作物總面積的22%左右，產量占糧食總產的20%以上[1]。水分是影響小麥產量和品質的重要因素之一。農業用水量約占全國總用水量的70%左右，其中灌溉用水占農業用水的86%[2]。中國水資源短缺表現突出，中國水資源總量僅占世界總量的6%，人均水資源占有量為世界人均的1/4[3]。干旱缺水地區面積占全國國土面積的52%，其中完全沒有灌溉條件的旱耕地達4.1×107hm2[4]。干旱逐漸成為小麥生產可持續發展的重要限制因素。因此加大抗旱節水的科技創新力度，發展旱作農業，對于保證中國糧食安全和水安全有重要意義。

黑粒小麥是普通小麥中籽粒性狀比較特殊的一類小麥，其籽粒顏色一般為深紫、深藍或紫黑色。與白粒小麥相比，其蛋白質、賴氨酸、鈣、鐵、鋅、硒等微量元素含量較高。黑粒小麥因其特有的功能特性而受到人們的重視[5-6]。另外，作為一種新的種質資源，黑小麥還具有許多普通小麥達不到的優良抗逆性狀，如抗病蟲性（抗銹病、白粉病、蚜蟲等）、抗逆性（耐寒、旱、瘠薄、鹽堿、干熱風等）、抗倒伏及分蘗能力強等[7]。面對日益短缺的水資源，充分發揮黑小麥抗逆特性及營養保健功能，對提高小麥生產中的水資源利用效率，改善傳統的膳食結構，使得小麥生產持續發展有重要意義[8]。

土壤水分缺少能夠影響器官發育、花后光合產物的積累及轉運，最終影響產量；同時，土壤水分也影響小麥品質，主要表現在蛋白質和淀粉上[9]。有限灌溉及適度水分的虧缺可以提高水分利用效率和收獲指數[10]。通常認為小麥高產與節水和優質是矛盾的，土壤的水分含量與小麥籽粒蛋白質含量負相關[9]。張偉楊等研究結果表明，重度干旱處理顯著降低了穗粒數、千粒重和產量，輕度干旱則相反；穗數隨土壤干旱程度的加重而降低[11]。宋霄君等[12]研究認為，干旱脅迫下成熟期小麥個體營養器官干物質量增大，而經濟系數和籽粒產量均顯著下降；干旱脅迫對小麥籽粒灌漿的影響存在基因型差異，干旱處理并沒有使除‘京冬8’以外的其他3個品種小麥的千粒重降低。上述結果表明，由于品種特性和生態環境條件的差異，干旱脅迫對小麥產量及構成要素的影響研究結果并不一致。并且以上研究均以普通白粒小麥為試驗材料，關于干旱脅迫對黑色小麥產量及品質影響的研究鮮有報道。黑小麥在生產應用中出現較晚，出現了其配套種植技術相對滯后等問題。目前生產上對黑小麥的生產管理，主要依靠經驗性措施，根據普通小麥的管理經驗來管理黑小麥。為此，本試驗研究了灌溉和雨養條件下黑小麥生長發育、品質和產量形成的特征，旨在了解黑小麥對水分逆境脅迫的響應機理，初步探究雨養條件下黑小麥產量、品質變化，為黑小麥旱作栽培提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2014—2015年小麥生長季在淄博市農業科學研究院試驗基地(N36°54′3.22″，E118°0′32.27″)進行。選用黑小麥‘山農紫麥1號’為試驗品種，設雨養(D)和灌溉(W)兩個處理，雨養處理為整個小麥生長季僅利用自然降雨，不進行灌溉。灌溉處理分別在播種、拔節和灌漿期進行灌溉，灌溉采用大水漫灌，每次灌溉量40 m3。2014—2015年度小麥生長季降雨量見表1。

試驗小區面積為7 m×1.5 m，隨機區組排列，3次重復。播前0～20 cm土層含有機質12.03 g/kg、全氮1.45 g/kg、堿解氮90.33 mg/kg、速效磷45.32 mg/kg、速效鉀135.01 mg/kg。播前基施尿素105 kg/hm2、過磷酸鈣875 kg/hm2、氯化鉀125 kg/hm2，折合純N125 kg/hm2、P2O5105 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。冬小麥返青后追施尿素105 kg/hm2。其他栽培管理同一般生產田。2014年10月16日播種，2015年6月13日收獲。

1.2 測定指標及方法

1.2.1 干物質積累與轉運測定 于開花期和成熟期分別取樣，成熟期按莖稈+葉鞘、穎殼+穗軸、葉片、籽粒等器官取樣，并在75℃條件下，烘干至恒重，稱干物質質量。各指標計算公式參照駱蘭平方法[13]。

1.2.2 小麥籽粒灌漿過程測定 于小麥開花期選擇同一天開花且長勢基本一致的植株進行掛牌，小麥花后每隔7天取標記的穗，在105℃下殺青20 min，然后在75℃下烘至恒重。

小麥籽粒灌漿過程模擬：以開花后的天數(t)為自變量，千粒重(y)為因變量，利用Logistic方程進行擬合，見公式(1)。

表1 2014—2015年度小麥生長季降雨量

其中k為最大千粒重，t為開花天數，a、b為待定系數。灌漿參數R為籽粒平均灌漿速率、T為灌漿持續天數，T1、T2、T3、R1、R2、R3分別表示漸、快、緩增期灌漿持續時間和灌漿速率。

1.2.3 黑小麥籽粒品質測定 收獲后測定蛋白質含量、濕面筋含量、沉降值、面團形成時間、穩定時間、面粉粉質參數等品質指標。檢驗方法分別為：NY/T3-1982、GB/T5506.2-2008、LS/T6102-1995、GB/T21119-2007、GB/T14614-2006、GB/T22427.6-2008，由農業部谷物及制品質量監督檢驗測試中心（泰安）檢測。

1.3 數據處理與分析方法

用Microsoft Excel 2010軟件進行數據分析，用DPS7.05統計分析軟件進行數據差異顯著性檢驗。

2 結果分析

2.1 雨養和灌溉條件下黑小麥籽粒灌漿特性

如表2所示，根據試驗結果，采用Logistic方程對黑小麥的籽粒灌漿過程進行了模擬，擬合結果的決定系數R2達0.99以上，達到極顯著水平，說明Logistic方程較好的模擬了籽粒灌漿過程。對模擬結果作進一步分析可以看出，灌溉和雨養條件下，黑小麥分別在第21天和第17天灌漿速率達到峰值。雨養處理達到峰值前灌漿速率顯著高于灌溉處理，但在達到峰值以后迅速下降，而灌溉處理在達到峰值后下降較為緩慢。并且灌漿持續時間、最大灌漿速率、平均灌漿速率、快增期灌漿速率、慢增期灌漿速率雨養顯著低于灌溉處理，這可能是造成雨養條件下黑小麥千粒重較低的生理基礎。

2.2 雨養和灌溉條件下黑小麥成熟期干物質積累與分配

由表3可以看出，成熟期干物質在不同器官中的分配量及分配比例均為籽粒＞莖稈+葉鞘＞穗軸+穎殼＞葉片。雨養條件下莖稈+葉鞘+穗軸+穎殼+葉片干物質的分配比例顯著低于灌溉處理，而籽粒的干物質分配比例則相反；但各部分的干物質量及總干物重均低于灌溉處理。說明雨養條件下總生物量的減少是導致其產量降低的主要原因。

2.3 雨養和灌溉條件下黑小麥開花后營養器官干物質再分配量

由表4可以看出，灌溉處理的花后干物質積累量及其對籽粒的貢獻率均顯著高于雨養處理；營養器官開花前干物質轉運量及其對籽粒的貢獻率顯著低于雨養處理。表明雨養處理降低了花后干物質的積累能力，減少了籽粒中來自花后干物質的比例，從而導致了產量的降低。

2.4 雨養和灌溉條件下黑小麥產量及構成要素

由表5可以看出，雨養處理使黑小麥產量比灌溉處理顯著降低了26.02%。從產量構成要素可以看出，與灌溉處理相比，雨養處理產量三要素均有不同程度的降低：千粒重和穗粒數分別降低了8.59%和12.98%，均達到極顯著差異水平；單位面積穗數降低了3.09%，差異不顯著。以上結果說明，在本試驗條件下，雨養處理主要降低了黑小麥的穗粒數和千粒重，從而使產量顯著降低。

表2 雨養和灌溉條件黑小麥籽粒灌漿特征參數及千粒質量

表3 雨養和灌溉條件下黑小麥成熟期干物質在不同器官中的分配

表4 雨養和灌溉條件下黑小麥開花后營養器官干物質的再分配

表5 雨養和灌溉條件下黑小麥產量及構成要素

2.5 雨養和灌溉條件下黑小麥品質性狀

由表6可以看出，不同水分處理對黑小麥籽粒品質具有明顯調控效應。雨養條件下，黑小麥籽粒蛋白質含量、濕面筋含量、面筋指數、沉淀指數、吸水量、面團形成時間、面團穩定時間分別為16.16%、44.8%、61、40.7 mL、65.4 mL/100 g、5.9 min和7.6 min，與灌溉處理相比，分別提高了13.68%、18.83%、14.02%、34.10%、68.57%和120.29%，差異顯著；吸水量與灌溉處理相比差異不顯著。

3 討論與結論

小麥所有籽粒灌漿參數均受基因型和環境的影響，但環境效應大于基因型效應[14]。前人有關土壤水分對小麥籽粒灌漿特征和籽粒產量影響的研究較多，結果不盡一致[15-16]。有關研究結果表明，雨養條件下小麥籽粒增重迅速，平均灌漿速率增大且峰值高，但灌漿持續期縮短、峰值提前出現[12,17]。但宋霄君等[12]認為干旱脅迫對小麥籽粒灌漿的影響存在基因型差異，旱作栽培對不同品種籽粒灌漿參數的影響并不一致，干旱處理并沒有使除‘京冬8’以外的其他3個品種小麥的千粒重降低。本試驗結果表明，雨養處理使黑小麥灌漿速率峰值出現時間提前，峰值前灌漿速率高于灌溉處理，灌漿持續時間縮短，這與前人的結果基本相同；雨養條件下黑小麥最大灌漿速率及平均灌漿速率顯著低于灌溉處理，與前人的研究結果不一致。通過上述結果可以看出，雨養處理使黑小麥灌漿持續時間縮短、最大灌漿速率及平均灌漿速率顯著降低并導致千粒重下降，與前人研究結果不盡相同，這可能與試驗材料和生態條件不同有一定的關系。

表6 雨養和灌溉條件下黑小麥品質性狀

土壤水分狀況對小麥的干物質積累與分配有顯著影響[18]。有研究表明，與灌溉處理相比，干旱處理降低了成熟期干物質積累量及其在籽粒的分配量和分配比例。同時，干旱處理增加了營養器官開花前干物質向籽粒的轉運量及其對籽粒的貢獻率；開花后干物質的積累量及其對籽粒的貢獻率降低[13]。本試驗結果表明，雨養條件降低了黑小麥開花后干物質的積累能力，降低了成熟期的總生物量，減少了籽粒中來自花后干物質的比例，并導致了籽粒產量的降低。說明干旱脅迫對黑小麥的干物質積累與分配的影響效應與前人關于白粒小麥的研究結果是一致的。

土壤水分條件對產量及構成要素的影響，貫穿于小麥整個生育期。水分脅迫下產量下降主要是粒數減少造成的[19]。關軍峰等[20]研究表明，干旱脅迫在不同程度上降低了小麥產量、減少了穗數，但對千粒重的影響較小。王征宏[21]研究表明，干旱脅迫對小麥千粒重的影響因品種而不同。在本試驗條件下，雨養處理顯著降低了黑小麥的穗粒數和千粒重，從而使產量顯著降低，這與王征宏和陳曉遠的研究結果一致；對單位面積穗數影響不顯著，與關軍峰的研究結果不一致，這可能受基因型與本試驗過程中降雨特點（冬前分蘗期（2014年11月下旬降雨量30.5 mm）和拔節期（2015年4月上旬降雨量32.4 mm）共同影響。

土壤水分含量過多或過少均可降低小麥籽粒營養品質和加工品質，適宜的土壤水分狀況不僅可以增加產量，也可以改善品質[22]。駱蘭平[23]研究認為，不灌水處理的濕面筋含量、面團形成時間和面團穩定時間最高，有利于籽粒品質的改善。本試驗結果表明，與灌溉處理相比，雨養條件下黑小麥籽粒蛋白質含量、濕面筋含量、面筋指數、沉淀指數、面團形成時間、面團穩定時間均有不同程度的提高，分別提高了13.68%、18.83%、14.02%、34.10%、68.57%和120.29%，差異顯著；吸水量與灌溉處理差異不顯著，與前人研究結果一致。

本試驗結果表明，與灌溉相比，雨養條件顯著降低了黑小麥灌漿持續時間、最大灌漿速率、平均灌漿速率、快增期灌漿速率、慢增期灌漿速率；降低了開花后干物質的積累能力，降低了干物質積累總量，減少了籽粒中來自開花后干物質的比例；千粒重和穗粒數分別降低了8.59%和12.98%，最終導致產量降低了26.02%；同時籽粒蛋白質含量、濕面筋含量、面筋指數、沉淀指數、面團形成時間、面團穩定時間分別提高了 13.68%、18.83%、14.02%、34.10%、68.57%和120.29%，差異顯著。本試驗僅就雨養和灌溉處理對黑小麥產量及品質性狀變化進行了探討，發現干旱脅迫顯著降低了黑小麥產量，同時可顯著提高其籽粒品質。但干旱脅迫影響黑小麥產量和品質形成的生理機制尚需進一步研究，從而通過水分及其它調控措施改善黑小麥品質的同時提高產量。