灌水對黑小麥產量和籽粒微量元素含量的影響

王文杰，劉玉秀，張正茂，姜宗昊

(西北農林科技大學 農學院，陜西楊凌 712100)

微量元素是人體生長發育和新陳代謝必不可少的營養元素[1]，全球約30%以上的人口已出現不同程度缺Fe、Zn、Cu、Mn等微量元素的癥狀[2-3]，僅在中國約有50%人口處于缺Se狀態[4-5]。目前，食補被認為是補充人體微量元素最經濟有效的方法[6]。小麥是中國主要糧食作物，在糧食安全中占有舉足輕重的地位[7]，因此，在增加小麥產量的同時，提高小麥籽粒Fe、Zn等微量元素也是中國小麥生產的發展趨勢之一。

陜西關中平原是冬小麥主要生產基地[8]，年降水量較少，且分布不均，導致小麥生育期需水量不足，因此，補充灌溉是保障該區小麥產量和品質的重要措施[9]。水分虧缺可降低小麥根系水勢，使植株光合速率下降，阻礙營養物質轉運與積累，進而影響小麥產量[10]。侯芳芳等[11]研究表明，在越冬期和拔節期灌水可顯著提高小麥成穗數、穗粒數和產量，越冬期+拔節期灌水增產效果更好。楊貝貝等[12]研究表明，干旱脅迫可顯著降低小麥有效穗數、穗粒數、千粒質量和產量。水分虧缺也會影響小麥對土壤養分的吸收與利用[13]。土壤中的營養元素需溶于水以離子狀態被小麥根系吸收，并以多種形式參與小麥植株體內各種代謝和生理生化過程[14]。有研究表明，不同灌溉條件下，小麥籽粒中微量元素含量存在一定差異，并且微量元素含量及其對水分環境的響應主要受基因型決定[15]。對低Zn旱地進行灌水有助于提高小麥籽粒鋅含量和鋅積累量[16]。在濕潤條件下，亞硒酸鹽氧化為硒酸鹽，硒酸鹽與土壤固相結合能力低，小麥更容易吸收利用土壤有效硒，提高硒有效利用率[17]。在水分虧缺條件下，小麥根系活力減弱，會降低小麥根系對土壤金屬元素吸收[18]。也有研究指出，干旱脅迫導致小麥植株失水，蒸騰拉力增大，金屬元素運輸速率加快，致使植株體內金屬元素含量增加[19]。戴媛等[20]研究表明，間斷干旱和持續干旱均使小麥植株體內的Fe、Zn含量和積累量顯著增加，并且隨著干旱程度的增加而增大。因此，小麥產量和籽粒微量元素含量的高低與土壤水分狀況密切相關。

黑小麥與普通白麥相比，黑小麥含有豐富的微量元素，尤其Fe、Zn、Cu和Se等微量元素[21]，因具有較高的營養價值和保健功能倍受廣大消費者關注和青睞，具有很大的市場開發潛力。灌水對黑小麥籽粒微量元素積累的影響鮮有報道，本試驗以7個黑小麥品種為試驗材料，以普通白麥品種‘西農979’為對照，研究3種不同灌水處理對小麥旗葉凈光合速率、產量和籽粒微量元素含量的影響，為黑小麥生產科學用水管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018-2019年在陜西楊凌西北農林科技大學北校區試驗田(108°3′51″E，34°17′20″N，海拔490 m)進行。試驗地土壤類型為壤土，前茬休閑。試驗地播前耕層土壤(0～20 cm)基礎養分有機質10.11 g/kg、全氮1.37 g/kg、速效磷11.29 mg/kg、速效鉀225.31 mg/kg、有效鐵6.95 mg/kg、有效錳4.23 mg/kg、有效銅0.82 mg/kg、有效鋅0.58 mg/kg和全硒0.25 mg/kg，pH為7.5。小麥生育期累計降水量為126.9 mm，小麥生育期間的各月降水量、平均氣溫變化見圖1。

圖1 小麥生育期月降水量和平均氣溫

1.2 試驗材料

7個黑小麥品種分別為‘西農黑大穗’(西北農林科技大學農學院張正茂研究員課題組，以下簡稱本課題組)、‘周黑麥1號’‘黑優1號’‘豫圣黑麥3號’‘正能2號’‘河東烏麥’和‘隴紫麥2號’，普通白麥對照品種‘西農979’，均為本課題組提供。

1.3 試驗設計

試驗采用二因素裂區設計，主區因素為品種，副區因素為灌水，3種灌水處理(W0、W1和W2分別表示全生育期內無灌溉、越冬期灌1次水和越冬期和拔節期各灌1次水)，試驗小區面積6 m2(2 m×3 m)，重復3次。2018-10-21播種，行距25 cm，播量165 kg/hm2，采用單行稱重人工溜播方式播種，2019-06-02收獲。灌水量采用水表(寧波寧水水表有限公司，DN15)計量控制，每次灌水60 mm。越冬期和拔節期分別于2018-12-30和2019-03-07灌水，灌溉前后一周無降水，對試驗影響可忽略不計。播種前整地施基肥N 102 kg/hm2、P2O5132 kg/hm2和K2O 36 kg/hm2。其他管理措施與大田生產一致。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 凈光合速率 在小麥灌漿期，選晴朗無風9：00―11：30測定，每試驗小區選取5株長勢一致且有代表性的植株，旗葉方向、大小和平展度基本一致。采用美國LI-COR公司生產的Li-6400便攜式光合系統分析儀測定旗葉凈光合速率。

1.4.2 產量及其構成因素 收獲前，每小區選取兩個有代表性1 m行長的單行調查成穗數和穗粒數。在小麥收獲期，每小區進行逐區收獲，脫粒、曬干后測產，隨機選取1 000粒稱粒質量，重復3次(測量誤差不超過0.5 g)，記為千粒質量。

1.4.3 微量元素含量 隨機選取樣品籽粒50 g，用組織混合研磨儀(萊馳MM400，德國)以轉速 1 500 r/min研磨1 min，過100目篩后密封保存在自封袋中，備用。

樣品中Fe、Mn、Zn、Cu測定：稱取備用樣品0.5 g左右，置于50 mL錐角瓶中，加入體積比為(4∶1)硝酸+高氯酸混合酸10 mL，搖勻，蓋上漏斗，在通風櫥中浸泡過夜，于低溫電熱板加熱消解至大部分棕色氣體揮發完，直至冒白煙，再高溫(250～300 ℃)消解，直到溶液呈清亮略帶黃色，取下、冷卻，定容至50 mL容量瓶，上下充分搖勻，轉入10 mL離心管，利用原子吸收光譜儀(PinAAciie 900F火焰原子吸收光譜儀，美國PE)測定[14]。

樣品中Se含量測定：稱取備用樣品約0.5 g，置于50 mL錐角瓶中，加入體積比為4∶1的硝酸+高氯酸混合酸10 mL，搖勻，在瓶口加蓋塞有玻璃棉的小長頸漏斗，于低溫電熱板上加熱分解，至高氯酸冒煙，達到約2 mL時取下。再加入5 moL/L的鹽酸15 mL，再加熱5 min，使其溶解(保證Se6+還原為Se4+)。取下冷卻，定容至25 mL容量瓶，上下充分搖勻，轉入10 mL離心管，利用元素分析儀(vario MACRO cube元素分析儀，elementar)測定[22]。

1.5 數據處理

采用Excel 2013和SPSS(Statistical Product and Service Solutions)20.0對數據進行統計和分析。

2 結果與分析

2.1 灌水對小麥灌漿期旗葉凈光合速率的影響

由圖2可知，增加灌水次數可顯著提高小麥灌漿期旗葉凈光合速率(P<0.05)。灌水次數對8個不同小麥灌漿期旗葉凈光合速率影響依次為W2>W1>W0，黑小麥旗葉凈光合速率增長幅度高于白麥。結果表明，灌水可以有效地促進小麥旗葉凈光合速率。黑小麥旗葉凈光合速率均高于白麥，其中‘西農黑大穗’旗葉凈光合速率始終最高。

小寫字母表示處理間顯著性水平(P<0.05)，下同

2.2 灌水對小麥產量及其構成因素的影響

由表1可知，品種、灌水處理及其互作對產量有極顯著影響(P<0.01)。增加灌水次數可顯著提高8個小麥品種的產量(P<0.05)，不同灌水處理對8個小麥品種產量影響程度不同。與W0相比，‘西農黑大穗’和‘隴紫麥2號’產量在W1處理下達最大值，分別提高6.89%和7.70%，‘周黑麥1號’‘黑優1號’等6個小麥品種產量在W2處理下達最大值，增幅為2.82%～9.97%；與W1相比，W2處理‘豫圣黑麥3號’‘正能2號’和‘西農979’顯著增產2.29%～5.08%(P<0.05)。以上表明，合理灌水可顯著提高小麥產量。其中越冬期灌1次水對‘西農黑大穗’和‘隴紫麥2號’增產幅度最大，越冬期和拔節期各灌1次水對‘周黑麥1號’‘黑優1號’等6個小麥品種增產幅度最大。在3種灌水處理下，白麥‘西農979’產量均高于黑小麥，黑小麥品種中‘周黑麥1號’產量最高，且W1和W2處理下比W0分別提高3.48%和4.90%。

表1 灌水處理小麥產量及其構成因素

從產量構成因素看，除灌水處理、品種與灌水互作效應對千粒質量影響不顯著外，其他指標均有極顯著影響(P<0.01)，表明該試驗灌水處理對千粒質量影響較小。與W0相比，W1處理小麥穗粒數差異不顯著，W2處理可顯著提高8個小麥品種穗粒數(P<0.05)，這表明拔節期灌水可明顯提高小麥穗粒數，是提高小麥穗粒數的關鍵技術措施。增加灌水次數可顯著提高小麥單位面積穗數(P<0.05)，與W0相比，‘周黑麥1號’‘豫圣黑麥3號’‘西農黑大穗’和‘隴紫麥2號’單位面積穗數在W1處理下達最大值，‘黑優1號’‘河東烏麥’‘正能2號’和‘西農979’單位面積穗數在W2處理下達最大值；與W1相比，W2處理小麥單位面積穗數無顯著差異，這表明越冬期灌水有利于提高小麥成穗數，分蘗數對提高小麥單位面積穗數至關重要。

2.3 灌水對小麥籽粒Fe、Mn、Zn、Cu、Se含量的影響

由表2可知，品種、灌水處理及其互作效應對小麥籽粒Fe含量有極顯著影響(P<0.01)，但影響的程度因品種有所差異。與W0相比，W1處理‘周黑麥1號’‘黑優1號’等6個小麥品種籽粒Fe含量顯著提高2.44%～6.65%(P<0.05)，W2處理8個小麥品種籽粒Fe含量顯著提高 2.44%～10.99%(P<0.05)；與W1相比，W2處理‘河東烏麥’‘隴紫麥2號’等4個小麥品種籽粒Fe含量顯著提高3.43%～5.79%(P<0.05)。在3種灌水處理下，黑小麥籽粒Fe含量均高于白麥對照品種‘西農979’，增加幅度分別為 4.55%～17.87%、4.59%～14.11%和4.02%～ 15.24%，其中‘西農黑大穗’籽粒Fe含量始終最高。以上表明，灌水處理對小麥籽粒Fe含量影響存在品種間差異；增加灌水次數有利于提高‘周黑麥1號’‘黑優1號’等6個小麥品種籽粒Fe含量，其中‘黑優1號’和‘西農黑大穗’籽粒Fe含量隨灌水次數增加而增大且效果明顯；越冬期和拔節期各灌1次數對‘河東烏麥’‘隴紫麥2號’籽粒Fe含量提高效果更明顯；黑小麥比白麥籽粒對Fe富集能力強；‘西農黑大穗’是一種在不同水分條件下籽粒高Fe含量黑小麥品種。

表2 灌水處理小麥籽粒Fe、Mn、Zn、Cu、Se含量

品種、灌水處理及其互作效應對小麥籽粒Mn含量也存在極顯著影響(P<0.01)。與W0相比，W1和W2處理‘黑優1號’‘正能2號’等6個小麥品種籽粒Mn含量均顯著提高(P< 0.05)，提高幅度分別為2.46%～13.71%和 2.66%～18.15%；與W0相比，‘豫圣黑麥3號’籽粒Mn含量在W1和W2處理下分別顯著降低(P<0.05)；與W1相比，W2處理‘黑優1號’和‘西農黑大穗’籽粒Mn含量顯著增加9.17%和1.66%(P<0.05)；灌水處理對‘周黑麥1號’籽粒Mn含量影響無顯著差異。在3種灌水處理下，黑小麥籽粒Mn含量均高于白麥對照，提高幅度分別為0.10%～55.74%、3.39%～56.61%和1.02%～58.89%，其中‘西農黑大穗’Mn含量始終最高。以上表明，灌水處理對小麥籽粒Mn含量有影響，但不同品種之間存在差異；增加灌水次數有利于提高‘黑優1號’‘正能2號’等6個小麥籽粒Mn含量，其中‘黑優1號’和‘西農黑大穗’籽粒Mn含量更易受水分影響，而增加灌水次數可降低‘豫圣黑麥3號’籽粒Mn含量；‘周黑麥1號’籽粒Mn含量對灌水處理不敏感；黑小麥比白麥籽粒對Mn富集能力強；‘西農黑大穗’為籽粒高Mn含量的種質資源。

品種、灌水處理及其互作效應對小麥籽粒Zn含量影響極顯著(P<0.01),但灌水處理對8個小麥籽粒Zn含量影響不盡相同。與W0相比，W1處理顯著提高‘黑優1號’籽粒Zn含量(P<0.05)，W1和W2處理顯著降低‘豫圣黑麥3號’‘正能2號’等6個小麥籽粒Zn含量(P<0.05)；與W1相比，除‘黑優1號’外，W2處理小麥籽粒Zn含量差異不顯著；灌水處理對‘周黑麥1號’籽粒Zn含量影響無顯著差異。在3種灌水處理下，‘西農黑大穗’籽粒Zn含量均最高，其中，在W0處理下，‘西農黑大穗’‘豫圣黑麥3號’等5個黑小麥較白麥籽粒Zn含量提高2.61%～ 18.01%，其他黑小麥均低于白麥；在W1處理下，‘西農黑大穗’籽粒Zn含量較白麥提高1.79%，而其他黑小麥均低于白麥；在W2處理下，‘西農黑大穗’‘隴紫麥2號’和‘周黑麥1號’籽粒Zn含量較白麥對照‘西農979’提高1.63%～4.72%，其他黑小麥均低于白麥對照。以上表明，灌水處理對小麥籽粒Zn含量影響存在品種間差異；越冬期灌1次水有利于提高‘黑優1號’籽粒Zn含量；增加灌水次數不利于‘豫圣黑麥3號’‘正能2號’等6個小麥品種籽粒Zn含量提高；灌水處理對‘周黑麥1號’籽粒Zn含量影響較小；‘西農黑大穗’在不同水分條件下籽粒Zn含量較高。

8個小麥品種籽粒Cu含量均表現為W0>W1>W2，且品種、灌水處理及其互作效應對小麥籽粒Cu含量影響極顯著(P<0.01)。其中，與W0相比，W1和W2處理黑小麥籽粒Cu含量顯著下降7.66%～31.97%和16.67%～46.63%(P<0.05)，白麥對照‘西農979’籽粒Cu含量顯著下降4.94%和6.67%(P<0.05)；與W1相比，W2處理除‘周黑麥1號’外，黑小麥籽粒Cu含量均顯著降低16.36%～28.57%(P<0.05)，白麥‘西農979’籽粒Cu含量顯著降低1.81%(P<0.05)。在W0和W1處理下，黑小麥籽粒Cu含量相比白麥提高3.21%～50.86%和 0.26%～20.52%，且‘河東烏麥’籽粒Cu含量表現最高；在W2處理下，‘河東烏麥’籽粒Cu含量也表現最高，高于白麥2.12%，而其他黑小麥均低于白麥。以上表明，增加灌水次數可降低小麥籽粒Cu含量，且黑小麥較白麥籽粒Cu含量下降幅度更大；‘河東烏麥’可作為不同水分條件下小麥籽粒高Cu含量的重要種質資源。

8個小麥品種籽粒Se含量均表現為W1>W0>W2，且品種、灌水及其互作效應對小麥籽粒Se含量存在極顯著影響(P<0.01)。與W0相比，W1處理黑小麥籽粒Se顯著提高2.30%～ 9.52%(P<0.05)，白麥對照‘西農979’顯著提高3.66%(P<0.05)。與W0相比，W2處理黑小麥籽粒Se含量呈下降趨勢，但兩處理間差異不顯著，而白麥對照‘西農979’顯著降低12.20%(P<0.05)；與W1相比，W2處理小麥籽粒Se含量顯著降低(P<0.05)。在3種灌水處理下，黑小麥籽粒Se含量較白麥對照‘西農979’提高 1.22%～10.98%、2.35%～12.94%和 13.89%～20.83%，其中‘西農黑大穗’籽粒Se含量最高。以上表明，越冬期灌1次水有利于提高小麥籽粒Se含量，在越冬期和拔節期各灌1次數條件下，白麥比黑小麥籽粒Se含量更易受水分條件影響；黑小麥較白麥籽粒對Se富集能力更強；‘西農黑大穗’可作為不同水分條件下籽粒高Se含量的重要種質資源。

3 討論與結論

光合作用是作物物質生產的基礎和各項生理活動能量的來源，而水分是保證作物光合作用不可或缺的因素[23]。有研究表明，在干旱脅迫條件下，植株生長受到抑制，生育后期葉片迅速減小萎焉，葉片光合效率下降，營養物質向籽粒轉運和積累受阻，導致籽粒皺癟和減產，適量水分有利于減緩葉片衰老，保持正常的生命活動和光合作用，提高小麥籽粒產量[24]。郭天財等[25]研究也證明不灌水處理的小麥旗葉凈光合速率均最低。本研究灌水處理顯著提高小麥旗葉凈光合速率，這與前人研究結果一致。因此增加適當灌水可有效地提高小麥旗葉凈光合速率，對小麥籽粒產量的提升有重要意義。

季書勤等[26]研究表明，小麥越冬期灌水，可明顯增加小麥成穗數，拔節期灌水在提高成穗數的基礎上，明顯增加了穗粒數；在越冬期和拔節期控水，灌漿期灌水，單位面積穗數和穗粒數明顯降低，且產量最低，主要原因是越冬水能促進小麥群體形成，拔節水有利于小花成熟發育，防止小花退化,增加穗粒數，但灌水過晚，易導致小麥貪青晚熟，也會產生小麥倒伏，不利于小麥優質高產。李如意[27]研究表明，抽穗期到乳熟期是小麥籽粒千粒質量水分敏感時期，生育前期灌水對千粒質量影響較小，拔節后灌水有利于灌漿持續期增加，導致籽粒千粒質量增大，進而促進小麥產量的提升。本研究越冬期灌水明顯提高小麥單位面積穗數，拔節期灌水明顯提高小麥穗粒數，這與季書勤等[26]的研究結論一致。其中與不灌水(W0)相比，越冬期灌1次水對‘西農黑大穗’和‘隴紫麥2號’增產效果最好，說明這兩個品種為耐旱節水型品種；越冬期和拔節期各灌1次水對‘周黑麥1號’‘黑優1號’‘豫圣黑麥3號’‘正能2號’‘河東烏麥’和‘西農979’增產效果最好,說明這些品種適合在水澆地種植；在黑小麥中，灌水處理‘周黑麥1號’產量均達最大值，說明‘周黑麥1號’在灌水條件下是生產潛力最大的黑小麥品種。本研究中灌水處理對小麥千粒質量未達到顯著差異影響與李如意[27]結論一致，表明小麥生育前期灌水對小麥灌漿影響不大。

土壤水分對土壤微量元素的有效性及作物對微量元素的吸收、分配和利用有很大影響[28-29]。本研究結果表明，灌水處理對小麥籽粒Fe、Mn和Zn含量的影響存在一定差異，且品種間差異程度不同，大部分小麥品種籽粒Fe和Mn含量隨灌水次數增加而增大，大多數小麥籽粒Zn含量隨灌水次數增加而降低，部分小麥品種籽粒Mn和Zn含量對灌水處理并不敏感。常旭虹等[2]研究認為栽培環境對小麥籽粒微量元素含量的影響大于遺傳因素；李東曉等[14]研究表明，水分對小麥籽粒Fe、Mn和Zn含量影響因品種而異，這與本研究結論一致；而劉娜等[30]研究表明，與不灌水相比，在春澆2水(拔節水75 mm+開花水75 mm)條件下可提高小麥籽粒Fe和Zn含量，但降低了籽粒Mn含量，與本研究結論不盡相同，這可能與灌水時期、灌水量和小麥品種有關，具體原因有待進一步深入探究與分析。張凱等[15]研究表明，灌水處理可降低小麥品種籽粒Cu含量，與本研究結論一致，這可能由于銅離子是參與光合作用電子傳遞和醌合成過程的重要原料，同時也是葉綠體酶的重要組成部分[31]，灌水條件有利于提高葉綠素含量，保持灌漿期光合速率維持在較高水平，促進籽粒碳水化合物(淀粉等)的積累，進而降低了籽粒Cu含量，也可能因為小麥對土壤一些營養元素的吸收與Cu吸收存在拮抗作用[32]。本研究結果也表明，與白麥相比，增加灌水次數使黑小麥籽粒Cu含量下降幅度更大，其相關機理還有待深入研究。有研究表明，土壤pH和有機質含量是影響土壤硒有效性的重要因素，而二者均受土壤水分變化的影響，合理的水分管理有利于促進作物對土壤有效態硒的吸收[33]。本研究結果表明，越冬期灌1次水有利于提高小麥籽粒Se含量，可能是因為越冬期灌水提高小麥根系活力，增強根系吸收微量元素能力，同時土壤水分狀況可促進小麥對土壤中硒吸收，進而提高小麥籽粒Se含量；而增加灌水次數籽粒Se含量呈下降趨勢，白麥顯著降低，這可能與小麥品種、土壤養分淋溶損失和小麥生育后期品質稀釋效應[34-35]等有關，其相關機理還有待深入研究，因此合理灌水可以提高小麥籽粒Se含量。

本研究結果表明，黑小麥較白麥對Fe、Mn和Se有更強的富集能力；在不同灌水條件下，‘西農黑大穗’籽粒Fe、Mn、Se、Zn含量均最高，‘河東烏麥’籽粒Cu含量最高，可以作為生物微量元素營養強化的優質資源，具體的富集機理有待進一步揭示。