干旱及復水對冬小麥葉片生理指標和光合特性的影響

崔兆韻，徐 祎，鄒俊麗，尹遜棟，江夢圓

（1.山東省氣象防災減災重點實驗室，濟南 250031；2.泰安市生態與農業氣象中心，山東 泰安 271000；3.泰安農業氣象試驗站，山東 泰安 271000；4.泰安市農業科學院，山東 泰安 271000；5.南京信息工程大學，南京 210044）

0 引 言

小麥是我國主要的糧食作物，黃淮海地區是我國最大的小麥產區，產量和種植面積分別約占全國小麥的76%和68%[1]。該地區屬溫帶大陸性季風氣候，降水在時間和空間上分布極不均勻，全年60%～80%的降水集中在6-9 月份[2]，莊嚴等[3]研究表明，冬小麥的需水和耗水量在分蘗和拔節期出現峰值，拔節到開花期是小麥水分敏感重要期，此時正處在相對干旱的階段，土壤水分對小麥的生長有很大的影響。近50 a來，當地氣候變化呈現溫度升高、降水減少態勢，水資源短缺成為制約農業生產發展的關鍵因素[4]，不同干旱條件下，冬小麥產量表現為水分條件適宜＞輕度干旱＞重度干旱[5]。

葉片是作物光合作用的重要場所，干旱會影響葉片的生理指標和光合特性，進而影響作物產量[6]。植物在受到干旱脅迫時，體內會產生大量的活性氧，清除活性氧的酶促系統就會被激活，超氧化物岐化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）等酶的活性顯著升高[7]。隨著干旱程度的加劇，當產生的活性氧不能被酶促系統及時清理時，就會導致細胞膜發生膜脂過氧化，丙二醛（MDA）的含量迅速上升[8]，給細胞造成傷害。即使后期復水，細胞膜修復也緩慢或者不能修復[9]。復水后，葉片SOD 活性降低，MDA 的含量減少，膜透性恢復很快，酶促系統修復了光合機制[10]。同時，干旱脅迫可以引起植物光合作用減弱，植物光合作用的強弱通常用光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)、細胞間隙CO2濃度(Ci)和水分利用效率（WUE）來反映。干旱脅迫可以使葉片的Gs、Pn、Tr 值降低，葉綠素降解，使葉片的光合作用能力顯著降低[11]，干旱脅迫程度越強，下降幅度越大[12]。復水后，葉片光合作用得到補償，Pn 和Tr 明顯增大[10]，Gs 和Ci有所回升[13]。有研究表明，光合速率的降低與干旱程度有關，氣孔因素在不同干旱程度下，對光合速率的抑制發揮不同的作用[14]。目前，有關干旱后復水對冬小麥葉片生理生化指標及光合特性影響的研究較多，而在冬小麥拔節-開花期的關鍵需水期，干旱脅迫程度達到特旱條件后復水，對冬小麥葉片生理生化指標及光合特性影響的研究較少。本研究擬通過研究拔節-開花期不同干旱強度脅迫條件下及復水后，“濟麥22”生理指標和光合特性的變化規律，為冬小麥水分高效利用提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地介紹

該試驗于2018-2019年在山東省泰安農業氣象試驗基地土壤水分控制場進行，試驗場設有全自動控制遮雨棚，棚頂及四周采用陽光板遮蔽，能完全隔絕降水，陽光板透光率85%，保證光照充足。試驗所在地年均氣溫15.1 ℃，年均降水量約700 mm，土壤為沙壤土。控水試驗前施肥及灌溉等管理措施與大田一致，保證出苗率。

1.2 試驗設計

王東博等[15]研究表明，拔節期虧水對冬小麥生理指標影響顯著。試驗在小麥關鍵需水期拔節-開花期進行水分控制處理。試驗開始前將20 cm 土層土壤相對濕度保持在60%左右。試驗地4 月常年降水量在30 mm 左右，當地大田灌溉量4 月份在45 mm左右，試驗以75 mm作為正常補水量，將正常補水量的80%、50%、25%和0%作為4 個處理（以T1、T2、T3 和T4表示），以正常補水量作為對照（CK），在冬小麥進入拔節期（4月2日）后進行一次性補水，之后不再補水。在冬小麥進入開花期（4月26日）后復水，將各試驗小區土壤相對濕度提高至90%，與正常灌溉管理的大田冬小麥的土壤相對濕度一致，之后灌溉管理措施均相同。每個試驗小區是一個長方體狀土壤水分控制池，控制池上表面長4 m，寬4 m，高2.3 m，內裝2 m 深土層，控制池四周及底部均已作20 cm 厚的防滲處理，保證各試驗小區間互不影響，每個處理3 次重復，共15 個試驗小區，隨機區組設計。

1.3 指標測定

（1）土壤相對濕度（R）的測定。采用烘干稱重法，從4月3 日開始每隔5 d 測定一次10～20 cm 土層的土壤相對濕度，復水后每隔10 d 測定一次。每個試驗小區隨機取4 個樣點，4個樣點的平均作為該小區的土壤相對濕度，計算公式如下：

式中：R 為土壤相對濕度，%；w 為土壤含水量，%；f為土壤田間持水量，%，根據試驗站多年監測，土壤田間持水量約為11%。

（2）酶活性和丙二醛含量。從4 月3 日開始每隔10 d，于上午8∶00-10∶00，選取每個小區植株上部全展葉片，處理測定超氧化物岐化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）和丙二醛（MDA）的含量，每個處理重復3 次。SOD活性采用氮藍四唑法測定，POD 活性采用愈創木酚法測定，CAT 活性采用高錳酸鉀滴定法測定，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸（TBA）法測定[16]。

（3）光合參數的測定。從4 月3 日開始每隔10 d，于上午9∶00-12∶00，選取每小區植株生長健壯的葉片，利用Li-6400便攜式光合測定系統，測定凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci），每個處理重復3次。葉片的水分利用效率（WUE）利用公式WUE = Pn/Tr 計算[17]；氣孔限制值（Ls）利用公式Ls = 1 - Ci/C0計算(C0為外界CO2濃度)[18]。

1.4 數據處理

利用Excel 2010 進行數據處理與作圖，用SPSS 17.0 進行數據差異性分析。

2 結果與分析

2.1 各處理10～20 cm土層土壤相對濕度的變化

圖1 為各處理10～20 cm 土層土壤相對濕度隨時間的變化過程。國家《農業干旱等級》（GB/T 32136-2015）標準規定，根據土壤相對濕度指數（Rsm）的大小，將干旱等級劃分為4級：輕旱（50%＜Rsm≤60%）、中旱（40%＜Rsm≤50%）、重旱（30%＜Rsm≤40%）、特旱（Rsm≤30%）。由圖1 可知，T1 處理大約在控水10 d 后進入輕旱水平，末期處于中旱水平；T2、T3處理大約在控水12 d 后進入中旱水平，末期處于重旱水平；T4 處理沒有灌水，很快進入干旱階段，大約12 d 后進入重旱水平，末期處于特旱水平，冬小麥在控水階段基本都處于干旱脅迫狀態。

2.2 干旱后復水對冬小麥葉片生理指標的影響

由圖2可知，隨著時間的延長，各處理SOD活性均呈現先升高后降低的趨勢。除T4 處理外，SOD 活性最大值均在4 月23 日出現，也就是干旱程度最大的時候，T4 處理SOD 活性最大值出現在5 月3 日，較其他處理延遲了10 d 出現。控水第1天（4月3日），SOD活性各處理與對照之間差異不顯著。控水第10 天（4 月13 日），T1 處理與CK 差異不顯著；T2、T3 處理進入輕旱狀態，SOD 活性較CK 升高30%～40%，且與T1、CK處理差異顯著；T4 處理進入中旱狀態，SOD 活性比CK 高58%，與CK、T1、T2、T3 處理差異顯著。控水第20 天（4 月23 日），T1 處理進入中旱狀態，SOD 活性較CK 升高20%，且差異顯著；T2、T3 處理進入重旱狀態，SOD 活性較CK 升高30%～38%，且差異顯著；T4 處理進入特旱狀態，SOD 活性比CK高28%，與CK差異顯著，與T1、T2、T3處理差異不顯著。復水第7 天（5 月3 日），T1、T2、T3 處理SOD 活性較CK 高15%～26%，且差異顯著；T4 處理SOD 活性較CK 高44%，且差異顯著。復水第17 天（5 月13 日），T1、T2、T3 處理SOD活性與CK 差異不顯著，T4 處理與CK 差異顯著。由圖2 可知，復水后，SOD 活性呈現下降的趨勢，T1、T2、T3 下降幅度較大，而T4 處理下降幅度較小。POD 活性變化規律與SOD 活性變化規律基本一致。CAT 活性在控水期變化規律與SOD 活性變化規律基本一致，復水后，CAT 活性較控水時先升高后降低，最大值出現在復水第7天，說明CAT活性對水分變化的敏感程度較SOD、POD 要低。MDA 含量隨時間的延長呈現持續升高的趨勢，最大值均出現在復水第17 天，除了控水第1 天外，其余時間T4處理與其他處理之間差異顯著。

圖2 不同干旱處理條件下冬小麥抗氧化酶活性及MDA含量的變化Fig.2 Changes of antioxidant enzyme activity and MDA content of winter wheat under different drought treatment conditions

由圖2 可知，SOD、POD 活性在復水后均呈下降的趨勢，CAT 活性小幅升高而后下降，在復水第17 天，T1、T2、T3 均能下降到與CK一致的水平，差異不顯著；由于T4處理一致處于干旱脅迫狀態，且程度較重，導致復水17 天后仍與其他處理及CK有較大差距，且差異顯著。MDA含量隨時間的延長呈現升高趨勢，復水后仍保持持續升高的趨勢，T4 處理在復水后有小幅回落，而后繼續升高，說明復水對MDA 含量變化影響不大。

2.3 干旱后復水對冬小麥葉片光合特性的影響

由圖3 可知，隨著時間的延長，對照組（CK）的Pn、Tr、Gs 和Ls 均呈現先升高后降低的趨勢，最大值均出現在控水第20天，Ci呈先降低后升高的趨勢，最小值出現在控水第20天，WUE 持續降低。不同處理的Pn 值變化規律與CK 不同，由于T1、T2 處理受干旱脅迫程度較輕，在控水期呈現先升高后降低的趨勢，控水第10 天較第1 天有小幅升高，而后又降低，復水后持續降低；T3、T4 處理受干旱脅迫程度較重，控水期持續降低，復水后有小幅升高，而后降低。控水第1天各處理Pn 值基本相同，差異不顯著；控水第10 天，T1 處理與CK 差異不顯著，T2、T3、T4 處理較CK 降低9%、15%、21%，且差異顯著；控水第20 天，T1、T2、T3 處理較CK 降低15%、33%、33%，且差異顯著，T4 處理較CK 降低46%，且與其他處理均差異顯著；復水第7 天，T1 處理與CK 差異不顯著，T2、T3 處理較CK 降低17%、16%，且差異顯著，T4 處理較CK 降低28%，且與其他處理均差異顯著；復水第17 天，T1、T2、T3 處理與CK 差異不顯著，T4 處理較CK 降低18%，且與其他處理均差異顯著。各處理Tr、Gs 和Ls 值變化規律與Pn 變化規律基本一致，Ls 值變化幅度較其他值略小。不同處理的Ci 值變化規律與CK 基本相同，控水第10 天，T1 處理與CK 差異不顯著，T2、T3、T4 處理較CK 降低7%、7%、14%，且差異顯著；控水第20 天，T1、T4 處理與CK 差異不顯著，T2、T3處理較CK降低16%、19%，且差異顯著；復水第7天，T1、T2、T3 處理與CK 差異不顯著，T4 處理較CK 升高9%，且差異顯著；復水第17 天，T1、T2、T3 處理與CK 差異不顯著，T4處理較CK 升高15%，且與其他處理均差異顯著。不同處理的WUE 值變化規律與CK 基本相同，控水第10 天，T1、T2、T3、處理與CK 差異不顯著，T4 處理較CK 升高18%，且差異顯著；控水第20 天，T2 處理與CK 差異不顯著，T1、T3、T4處理較CK 升高14%、15%、13%，且差異顯著；復水第7 天和第17 天，T1、T2、T3 處理與CK 差異均不顯著，T4 處理較CK升高18%、53%，且與其他處理均差異顯著。

圖3 不同干旱處理條件下冬小麥葉片光合參數的變化Fig.3 Changes of photosynthetic parameters of winter wheat Leaves under different drought treatment conditions

由圖3 可知，干旱處理的Pn、Tr、Gs 和Ls 值在復水后有呈升高趨勢，而后下降，在復水第17 天，T1、T2、T3 均能恢復到與CK 一致的水平，差異不顯著；而干旱脅迫程度較重的T4 處理，復水17 天后仍與其他處理及CK 有較大差距，且差異顯著。各處理Ci 值在復水后均呈升高的趨勢，WUE 值呈緩慢下降趨勢，且T1、T2、T3 處理復水后與CK 差異不顯著，而T4處理顯著高于其他處理。

3 討論與分析

植物體內正常的代謝會產生活性氧，過量的活性氧會對植物體產生傷害。由SOD、POD、CAT等抗氧化酶組成的酶促系統可有效地清除多余的活性氧[19]，避免引起細胞膜脂過氧化，保護植物細胞。干旱脅迫可以降低作物光合器官對光能的轉化和利用效率，使作物同化能力下降，產生大量的活性氧，這時候作物會啟動應對機制以減小干旱帶來的影響[20]。本研究表明，干旱脅迫可以使植物體內SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性迅速升高，MDA 含量也相應的增加，干旱脅迫程度越重，升高幅度越大，但當干旱脅迫時間長、程度過重時（控水第20 天的T4 處理），SOD、CAT 活性相比呈下降趨勢，而POD 活性仍呈升高的趨勢，說明冬小麥體內的酶促系統紊亂，細胞膜脂過氧化已不能被及時修復，這一點也可從MDA含量迅速升高看出。由于POD 酶具有吲哚乙酸氧化酶的性質，POD 活性在達到某一閾值前，主要表現為對活性氧的消除，而達到后則主要促進葉綠素的降解[21]，因此，SOD、CAT 活性的下降和POD 活性的上升均不利于活性氧的清除，加劇冬小麥葉片細胞的破壞，從而影響葉片的光合作用。岳虹、張軍的研究結果均表明，小麥在受到干旱脅迫時，SOD、POD、CAT 等抗氧化酶活性增加，脂質過氧化水平提高，MDA 含量隨之增加[8,22]，這與本研究結果一致。復水后，中旱和重旱脅迫條件下，冬小麥葉片內SOD、POD、CAT 活性和MDA 含量均能恢復至正常水平，而特旱脅迫條件下，顯著高于其他處理，說明干旱脅迫對冬小麥葉片造成嚴重損傷，甚至不可逆的損傷，即使復水后，細胞修復過程也緩慢或者無法修復。王利彬的研究發現，干旱脅迫后復水產生補償效應是有限的，復水后可使SOD 活性緩慢降低，SOD 活性仍保持較高的修復細胞膜結構的水平，但長時間重度脅迫會使植物抗氧化調節能力降低，補償效應降低甚至產生傷害效應[23]。柳燕蘭的研究表明，干旱脅迫條件下春玉米葉片SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性均顯著增加，復水后，酶活性有所下降，但仍高于正常灌溉處理，且重度干旱處理下降幅度較小[9]。王夢嬌的研究表明也表明，不同品種的冬小麥在受到干旱脅迫時，SOD 活性和MDA 含量隨干旱程度的增加而逐漸升高，復水后SOD 活性和MDA 含量降低，但仍高于對照，脅迫程度越深，恢復時間越長[24]。趙龍等對夏玉米拔節期進行不同程度和時長的干旱脅迫處理，結果表明,隨脅迫程度加劇，MDA、SOD、POD 酶活性和CAT 含量呈升高趨勢[25]。這些研究結果均與本研究結果一致。

干旱脅迫影響植物體細胞活性的同時，作物的自我保護機制會使氣孔導度和蒸騰速率降低，減少體內水分的散失，降低作物的凈光合作用能力[26]。冬小麥在受到干旱脅迫后，Pn、Tr、Gs 和Ci 值呈下降趨勢，且下降幅度與受到的脅迫程度有關，干旱脅迫程度越重下降越大，重度干旱脅迫可使凈光合速率降低50%以上[12,27,28]。光合作用的降低通常由氣孔因素和非氣孔因素造成，氣孔因素導致的光合作用降低主要是指冬小麥受到干旱脅迫時Gs 降低導致Ci 值降低，非氣孔因素導致的光合作用降低主要是指作物光合器官的光合活性和葉綠素含量下降等因素[13]。氣孔因素和非氣孔因素主要從Pn、Ci 和Ls 值的變化區分，當Pn 和Ci 值都減少，而Ls 值增大時，就認為是氣孔因素導致光合作用降低；當Pn 值減小，Ci 值增大，而Ls 值減小，就認為是非氣孔因素導致光合作用降低[29]。本研究中，控水第20 天的T4 處理可認為是非氣孔因素造成的光合作用降低，其他處理可認為是由氣孔因素造成的光合作用降低。李佳佳的研究表明，干旱脅迫條件下葉片光合速率降低是由氣孔因素導致的，而在嚴重脅迫條件下，非氣孔因素起主要作用[30]，這與本研究一致，T4 處理受到的干旱脅迫程度相比其他處理要嚴重得多。對于葉片WUE 值，本研究表明干旱脅迫條件下，WUE 值呈下降的趨勢。上官周平的研究表明，干旱條件下冬小麥葉片WUE 值比灌溉充分條件下低13%～26%[31]；張雅倩等的研究表明，冬小麥葉片WUE 值隨干旱脅迫程度的加重呈下降趨勢[32]。這與本研究結果一致，但不同的研究呈現不同的結果。袁蕊的研究表明干旱脅迫使小麥在灌漿期的水分利用效率增加了50.66%[33]。這是由于葉片WUE 值是Pn 與Tr 的比值，與Pn 呈正相關，與Tr 呈負相關，蒸騰作用主要取決于氣象條件，而光合作用除受環境因素的影響外，還與其他諸多因素有關，適度的干旱可提高葉片WUE 值[34]。另外，葉片WUE 值還與品種有關，干旱脅迫條件下抗旱或旱肥型品種葉片WUE 值高于其他類型的品種[35]。復水后，干旱脅迫條件下的冬小麥產生補償效應，Pn、Tr、Gs和Ci 值均有升高趨勢，干旱脅迫較輕的處理能恢復到與正常灌水條件相當的水平，而干旱脅迫較重的處理，恢復較為緩慢或恢復時間延長。周雪英的研究表明，與干旱處理相比，拔節期恢復供水可使受旱小麥葉片的Pn 和Tr 顯著提高且高于正常對照水平[10]。李彥彬的研究表明，復水后干旱處理的Pn、Tr和Ci值均有所恢復，輕旱處理的Pn和Gs可以恢復到正常水平，而中旱和重旱卻仍距正常水平有較大差異[36]。

4 結 論

在一定程度干旱脅迫條件下，冬小麥SOD、POD、CAT活性和MDA 含量顯著升高，光合速率和水分利用效率下降，復水后產生補償效應。而當干旱脅迫達到特旱條件時，SOD、CAT 活性反而有所降低，Ci 值有所升高，這說明特旱條件下，葉片細胞遭到損傷，已不能進行正常的生理生化反應和光合作用，即使復水，相較于干旱脅迫較輕的處理，也不能產生足夠的補償效應，以恢復葉片正常的生理生化反應和光合作用。所以，極端的干旱條件，會對冬小麥產生不可逆的損傷，造成小麥產量下降，在實際農業生產活動中，要避免麥田出現極端的干旱條件，才能保證小麥的穩產、高產。