不同灌水方式对小麦根系、光合及品质的影响

张向前,曹承富,乔玉强

(1.安徽省农业科学院 作物研究所,安徽 合肥　230031;2.安徽省农作物品质改良重点实验室,安徽 合肥　230031)



不同灌水方式对小麦根系、光合及品质的影响

张向前1,2,曹承富1,2,乔玉强1,2

(1.安徽省农业科学院 作物研究所,安徽 合肥230031;2.安徽省农作物品质改良重点实验室,安徽 合肥230031)

摘要：为小麦持续节水增产增效提供理论帮助和科学依据,在人工防雨玻璃篷下研究了9种灌水方式(不同灌水时期和灌水量组合)对小麦根系、光合、品质及产量的影响。结果表明,小麦的总根长、总体积、总表面积、平均直径和总根尖数皆以W1处理(全生育期水分充足)最高,拔节期和抽穗期灌水可获得与W1相当的根系性状。小麦冠层叶绿素密度灌1水下以W2(拔节期45 mm)和W3(抽穗期45 mm)灌水处理最高。总灌水量相同,增加灌水次数对小麦光合的影响不大,拔节期和抽穗期灌水组合是灌2水下最佳灌水时期组合。抽穗期灌水与其他生育期灌水处理相比,利于提高蛋白质含量;W1处理的淀粉含量、湿面筋含量和沉降值最高,其次为W2,且二者间的差异不显著。W1的穗数、穗粒数、千粒质量和产量最高,其次为W2,分别比W0(全生育期不灌水)显著增加了3.2%,5.4%,6.1%,15.3%和2.1%,4.3%,5.6%,10.9%,且总灌水量相同,灌1水的增产效果可优于或相当于灌2水和灌3水的效果。相关分析表明,根系总体积、总表面积、平均直径、总根尖数与光合速率、冠层叶绿素密度、千粒质量、产量皆呈显著或极显著正相关关系。研究得出,拔节期和抽穗期灌水最利于小麦根系、光合、品质及产量的改善;灌水总量相同,增加灌水次数的效果不明显。

关键词：根系特性;叶绿素密度;光合;品质;产量

小麦用水量约占我国北方农业用水的70%,其中人工补灌是冬小麦高产稳产的重要保证[1],但在实际小麦生产中普遍存在着用水量过大,地下水超采严重和农业用水生产效率低下等问题,造成了水资源的严重浪费[2-4]。如何提高小麦对水分的利用效率,发展节水灌溉,提高农业用水的生产效益,是我国农业生产中急需解决的重要问题。Yang等[5]研究表明,在作物特定生育期进行适度水分亏缺处理并不一定导致作物减产,反而有利于提高作物水分利用率和产量,这是因作物受旱后复水会使其体内生理代谢与功能超过水分供应一直充足的作物,体内存在对作物生长和产量的补偿或超补偿效应。许振柱等[6]研究发现,轻度水分胁迫有利于产量的提高,中度和重度干旱胁迫使千粒质量和籽粒产量显著降低。如何充分利用作物受旱后的体内补偿效应,减少不必要的水资源浪费是发展节水灌溉建立节水高效型小麦栽培技术体系的重要途径。如褚鹏飞等[7]研究发现,山东泰安地区小麦拔节期和开花期分别灌水60 mm 是兼顾节水、高产和优质的最佳灌水模式。李向东等[8]研究证明,在足墒播种和返青前土壤墒情较好条件下,小麦拔节期和孕穗期灌2次水的光合效率、水分利用率和经济效益最优。郭天财等[9]研究表明,小麦生育期间增加灌水可明显改善小麦叶绿素荧光动力学参数,提高籽粒产量,但灌水次数和灌水量增加到一定程度,田间耗水量会明显增加,而作物产量变化不再明显。土壤干旱和灌水不合理是影响安徽淮北砂姜黑土区小麦生产的主要问题之一,为有效缓解水分运筹不合理和短缺对该区小麦生产的不利影响,本研究在总灌水量一致的前提下,研究了灌水时期和次数对小麦根系性状、叶绿素密度、光合、品质及产量的影响,以期为我国砂姜黑土区小麦持续节水增产增效提供科学指导和理论帮助。

1材料和方法

1.1试验设计

试验于2013-2014年在安徽省蒙城县农业科技示范场进行,试验所在地土质为砂姜黑土,0～20 cm耕层土含有机质13.12 g/kg,全氮1.27 g/kg,全磷0.94 g/kg,碱解氮69.86 mg/kg,有效磷19.17 mg/kg,速效钾193.23 mg/kg。

试验采用随机区组设计,在可推拉玻璃防雨篷中进行,设置9种灌水处理,分别为W0(雨养,全生育期不灌水)、W1(全生育期水分充足处理,0～20 cm土壤含水量始终保持在70%～85%)、W2(拔节期45 mm)、W3(抽穗期45 mm)、W4(灌浆初期45 mm)、W5(拔节期22.5 mm+抽穗期22.5 mm)、W6(拔节期22.5 mm+灌浆初期22.5 mm)、W7(抽穗期22.5 mm+灌浆初期22.5 mm)和W8(拔节期15 mm+抽穗期15 mm+灌浆初期15 mm)。每处理3次重复,共计27个小区,小区面积6.3 m×6 m=37.8 m2,每小区间隔1.0 m。种植小麦品种为济麦22,行距20.0 cm,于2013年10月14日播种,基施肥料运筹为施纯氮150.0 kg/hm2,P2O5120.0 kg/hm2,K2O 90.0 kg/hm2,拔节期追施纯氮90.0 kg/hm2,其他田间管理措施同当地一般大田生产栽培要求。

1.2样品采集与测定

根系性状:于灌浆中期采用挖掘法采集小麦根样(0～40 cm),并用0.25 mm 土壤筛将所取根系用水冲洗干净。测量时将冲洗干净的小麦根系放入装有少量水的有机玻璃盘上,用镊子小心将每条根展开,使根与根之间不重叠,用根系图像分析软件WinRhizo(Regent Instruments,Canada) 对每株根系进行扫描和分析,每处理测量5次,测量指标分别为总根长、总表面积、总体积、平均直径和总根尖数。

冠层叶绿素密度:叶片叶绿素含量SPAD值与同一处理单叶叶面积LAI的乘积,然后将小麦冠层上三叶的计算值相加。叶绿素含量用日本产SPAD-502测定仪测定,测定时期为灌浆中期。测定时在每个叶片上选3个点测定,并以平均值计数。

叶片光合:于小麦灌浆中期选择晴朗天气用Li-6400便携式光合测定仪在上午9:30-11:30分别测定小麦旗叶相同部位的光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度。

籽粒品质:蛋白质、淀粉、湿面筋和沉降值用Foos 1241型近红外谷物分析仪测定。

产量:分小区收割晒干后折算成大田产量。

1.3统计分析

采用Microsoft Excel 2010软件对数据进行处理和作图,采用SPSS 17.0软件和最小显著差数法(LSD)进行方差分析。

2结果与分析

2.1灌水方式对小麦根系性状的影响

小麦灌浆中期的总根长、总体积、总表面积、平均直径和总根尖数皆以W1处理最高,W2处理次之(表1)。W1和W2的总根长、总体积、总表面积、平均直径和总根尖数分别比W0明显增加了28.7%,32.8%,43.0%,36.3%,25.6%和26.4%,26.7%,34.8%,31.6%,21.1%,且差异绝大多数显著。W4灌水处理的总根长、总体积、总表面积、平均直径和总根尖数皆低于其他灌水处理,并与不灌水处理W0差异不显著,表明了灌浆初期灌水对小麦根系基本无影响。从表中亦可看出,W1、W2和W3彼此间的差异皆不显著,表明了小麦拔节期和抽穗期灌水可获得与小麦全生育期水分充足处理相当的根系性状。W2、W3和W5处理彼此间的总根长、总体积、总表面积、平均直径和总根尖数差异皆不显著,但皆优于或相当于W6、W7、W8处理。以上分析表明，总灌水量一致下小麦根系性状主要受灌水时期的影响,而受灌水次数的影响不明显。

表1　不同灌水方式对小麦灌浆中期根系性状的影响

注：表中数据为平均值,各列后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著(P<0.05)。表2-4同。

Note:The data in the table is the average,small letters in the same column indicate significant difference(P﹤0.05).The same as Tab.2-4.

2.2灌水方式对小麦冠层叶绿素密度的影响

小麦冠层叶绿素密度以W1处理最高(图1),灌1水下以W2和W3最高，灌2水下W5最高,W0未灌水处理的最低。W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7和W8的冠层叶绿素密度分别比W0增加了32.2%,19.4%,17.1%,3.2%,17.6%,10.7%,9.8%和12.7%,其中W1、W2、W3、W5、W8与W0间的差异显著。灌1水下,W2和W3的冠层叶绿素密度显著高于W4,分别增加15.7%和13.4%,表明了拔节期和抽穗期灌水在增加小麦冠层叶绿素密度方面的效果明显优于灌浆初期灌水。灌2水下,W5处理的冠层叶绿素密度高于W6和W7,但差异不显著。从图中也可看出,灌1水处理(W2和W3)的冠层叶绿素密度高于灌2水处理(W5、W6和W7)和灌3水处理(W8),但差异皆不显著,表明总灌水量一致情况下,只要灌水时期合理,灌1次水可获得优于或相当于灌2次和灌3次水的效果。

柱状图上的不同字母代表差异达到显著水平(P<0.05)。

2.3灌水方式对小麦光合特性的影响

从表2可以看出,W1处理的光合速率、气孔导度和蒸腾速率最高,W2和W3次之(两者差异不显著),其中W2和W3的光合速率、气孔导度和蒸腾速率分别比W0显著增加了23.8%,13.4%,15.2%和24.6%,11.7%,12.7%。W2和W3处理的光合速率、气孔导度和蒸腾速率皆优于或相当于W5、W6、W7和W8,表明在总灌水量一致条件下,增加灌水次数对小麦光合的改善意义不大,且增加灌水次数的同时,若灌水时期不当会对小麦光合产生不利影响。从表中亦可看出,W1处理的胞间CO2浓度最低,其次为灌水处理W5，且W5与W2和W3差异不显著。在灌2水条件下,W5的光合速率、气孔导度和蒸腾速率皆高于W6和W7,而胞间CO2浓度低于W6和W7,表明灌2水下拔节期和抽穗期灌水组合是相对较好的灌水时期组合。W5、W6、W7与W8的差异绝大多数不显著,表明如总灌水量一致,灌2水和灌3水对小麦光合的影响不明显。

表2　不同灌水方式对小麦灌浆中期光合特性的影响

2.4灌水方式对小麦品质的影响

从表3可以看出,W3处理的小麦蛋白质含量最高,其次为W0处理,W1的蛋白质含量最低,表明了小麦全生育水分充足处理并不一定有利于蛋白质含量的提高,而W3抽穗期灌水可明显提高蛋白质的含量。灌1水处理(W2、W3和W4)的蛋白质含量皆高于或相当于灌2水和灌3水处理,证明总灌水量一致,灌1水更有利于蛋白质含量的提高。从表中也可看出,W1处理的淀粉含量、湿面筋含量和沉降值最高,其次为W2,其中W1和W2的淀粉含量、湿面筋含量和沉降值分别比W0增加了6.1%,10.4%,9.8%和4.2%,6.8%,8.0%,且差异显著。灌1水下,W2、W3、W4的淀粉含量、湿面筋含量和沉降值依次降低,其中W2的淀粉含量、湿面筋含量和沉降值分别比W4增加了2.4%,5.9%和6.5%。灌2水下,淀粉含量、湿面筋含量和沉降值以W5处理最高,W7最低,W5比W7分别增加了0.7%,4.2%和3.6%,但差异皆不显著。W2、W3、W4与W5、W6、W7、W8的蛋白质、淀粉、湿面筋含量及沉降值的差异绝大多数不显著，表明总灌水量一致条件下,灌1水(适期适量)可获得优于或相当于灌2水和灌3水的籽粒品质性状。

表3　不同灌水方式对小麦籽粒品质的影响

2.5灌水方式对小麦产量的影响

小麦成熟期的穗数、穗粒数、千粒质量和产量皆以W1处理最高,其次为W2处理,分别比W0显著增加了3.2%,5.4%,6.1%,15.3%和2.1%,4.3%,5.6%,10.9%(表4)。灌1水下,W2与W3的穗粒数、千粒质量和产量差异皆不显著,但二者的产量显著高于W4处理,分别增加了9.9%和8.9%,因此得出,拔节期和抽穗期灌水比灌浆初期灌水更有利于提高小麦产量。灌2水下,W5的穗粒数、千粒质量和产量高于W6和W7,其中产量分别比W6和W7显著增加了5.9%和6.1%,表明灌2水下拔节期和抽穗期是较好的灌水组合。从表中也可看出,灌1水处理(W2和W3)的穗粒数、千粒质量和产量皆高于或相当于灌2水处理(W5、W6和W7)和灌3水处理(W8),证明在灌水量一致条件下,若灌水时期合理,灌1水的效果可优于或相当于灌2水或灌3水的效果。

表4　不同灌水方式对小麦产量及其构成的影响

2.6小麦根系性状、光合及产量间的相关性

小麦根系总体积、总表面积、平均直径、总根尖数与光合速率、冠层叶绿素密度、千粒质量、产量皆呈显著或极显著正相关关系(表5),表明小麦根系性状的改善对提高小麦光合速率、增加冠层叶绿素密度、千粒质量和产量具有重要的作用。从表中也可看出,小麦光合速率、冠层叶绿素密度与千粒质量和产量间呈极显著正相关关系,表明小麦光合对其产量的形成具有重要的影响。以上分析表明,灌水可通过对小麦根系和光合的直接影响,进而对小麦产量的形成起到明显的调控作用。

表5　各测量性状指标间的相关性分析

注：*.显著相关(P<0.05);**.极显著相关(P<0.01)。

Note:*.Correlation is significant(P<0.05);**.Correlation is markedly significant(P<0.01).

3讨论

根系是作物吸收养分和水分参与体内物质合成和转化的重要器官,良好的根系形态和生理特性对实现作物健康生长发育具有重要的意义。当土壤环境和养分资源改变时,植物根系往往可表现出较强的可塑性[10-11]。研究证明,不同水分处理对作物根系形成具有明显的影响,如王冀川等[12]研究根区水分对春小麦根系分布特征的影响发现水分亏缺处理总根干质量下降明显,丰水处理根量最大,但主要分布在浅土壤层,水分适宜处理的根系分布最为合理,根长、根表面积、根干质量密度可保持相对较高水平。杨贵羽等[13]研究发现,当土壤含水量超过田间持水量的75%时,过量水分会促使庞大根系的建成,进而消耗更多的同化产物,使根重明显增加。本研究发现，小麦灌浆中期的总根长、总体积、总表面积、平均直径和总根尖数皆以全生育期水分充足处理最高,拔节期灌水次之,未灌水处理和灌浆初期灌水处理最低,且总灌水量一致下小麦根系性状主要受灌水时期的影响,而受灌水次数的影响不明显。

叶绿素是植物进行光合作用的重要物质基础,绿叶面积的大小在一定程度上也显著影响着作物光合效应。杨桂霞等[14]和董建力等[15]在研究中指出,小麦叶绿素含量受灌水时期、灌水量和土壤含水量的影响明显。张鹏等[16]和党根友等[17]研究证实作物叶面积受灌水的显著影响。本研究发现,拔节期和抽穗期灌水在增加小麦冠层叶绿素密度(叶绿素含量与叶面积的乘积)方面的效果明显优于灌浆初期灌水,且总灌水量一致下,灌1水(拔节期或抽穗期)可获得优于或相当于灌2水和灌3水的效果。小麦的产量主要取决于灌浆期的光合作用,水分对小麦旗叶的光合特性以及产量的形成具有明显的调控作用[18]。李秧秧等[19]研究发现,合理灌水可增加旗叶光合速率,并推后气孔限制向非气孔转变的时间,延长小麦旗叶光合功能持续期。刘丽平等[20]研究发现,小麦光合受灌水的明显影响,其中灌2水(拔节水和孕穗水)的小麦群体上层截获光能较多,群体光合同化能力最强。本研究发现,灌水总量相同下,灌1水以拔节期灌水光合特性表现最优,灌2水以拔节期和抽穗期灌水组合表现最优,且小麦光合特性受灌水次数的影响不明显,但受灌水时期的明显影响。

生态环境与栽培措施对小麦品质和产量均有重要影响,其中水分是影响小麦品质和产量的重要因素之一[21]。马少康等[22]研究发现,增加灌水次数和灌水量,加工品质和蛋白组分指标均有下降的趋势,其中开花水和灌浆水对品质的影响最为显著。方保停等[23]研究也证实,小麦品质受灌水的明显影响,且各品质性状受灌水的影响程度也不同。本研究发现,未灌水处理和抽穗期灌水处理的籽粒蛋白质含量最高,且二者差异不显著,而全生育期水分充足处理并不利于籽粒蛋白质含量的提高。全生育期水分充足处理和拔节期灌水可显著提高籽粒淀粉含量、湿面筋含量和沉降值。吴永成等[24]在研究中指出,春灌2水处理相对春季不灌水处理显著提高了小麦经济产量,并与春灌4水的产量差异不显著。王晨阳等[25]在池栽防雨条件下研究了灌水时期和灌水次数对产量的影响发现,花前限量灌水条件下(135 mm)和花后灌水(45～90 mm)可明显提高小麦产量。本研究发现,小麦成熟期的穗数、穗粒数、千粒质量和产量以全生育期水分充足处理最高,灌1水下以拔节期灌水最利高产,灌2水下以拔节期和抽穗期灌水组合最利高产,且灌水量一致下,若灌水时期合理,灌1水的效果可优于或相当于灌2水或灌3水的效果。

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Effects of Different Irrigation Methods on the Root,Photosynthesis and Quality of Wheat

ZHANG Xiangqian1,2,CAO Chengfu1,2,QIAO Yuqiang1,2

(1.Crops Research Institute,Anhui Academy of Agricultural Sciences,Hefei230031,China;2.Anhui Provincial Key Laboratory of Crops Quality Improvement,Hefei230031,China)

Abstract：To provide theoretical help and scientific basis for sustainably increasing wheat yield and production efficiency with high water use efficiency,an experiment was conducted in an artificial glass rainproof shed to study the effects of 9 irrigation methods(different irrigation combination of irrigation stages and amount) on roots,photosynthesis,quality and yield of wheat.The results indicated that the total root length,total volume,total surface area,average diameter and total root tips of W1(adequate water was supplied during the whole growth period) were the highest,irrigation at jointing stage and heading stage could obtain equivalent root traits to W1 treatment.W2 (jointing stage 45 mm) and W3(heading stage 45 mm) treatments had the highest values of wheat canopy chlorophyll density under the condition of irrigation one times,and W5 (jointing stage 22.5 mm+heading stage 22.5 mm) had the highest values of wheat canopy chlorophyll density under the condition of irrigation two times.Under the same amount of irrigation water,the wheat photosynthesis was not obviously affected by the increasing of irrigation times,the combination of irrigation at jointing and heading stages was the best irrigation combination when irrigation two times during the whole growth period of wheat.Irrigation at heading stage can help to enhance protein content when compared to other irrigation treatments,the W1 treatment had the highest values of starch content,wet gluten content and sedimentation value,and followed by W2,and the difference between W1 and W2 was insignificant.The W1 treatment had the highest values of spike number grains per spike,1000-grain weight and yield,and followed by W2,when compared to W0(no irrigation during the whole growth period of wheat) they were significantly increased by 3.2%,5.4%,6.1%,15.3%and 2.1%,4.3%,5.6%,10.9%,and if the irrigation amount was the same,the effects of irrigation one time on increasing yield could be better than or equivalent to irrigation two and three times.Correlation analysis showed that the total root volume,total surface area,average diameter,total root tips were all positively correlated to photosynthetic rate,canopy chlorophyll density,1000-grain weight and yield.All the findings indicated that irrigation at jointing stage and heading stage was the best for improving root traits,photosynthesis,quality and yield,and the effects of the increasing of irrigation times was not obvious under the same irrigation amount.

Key words:Root traits;Chlorophyll density;Photosynthesis;Quality;Yield

doi:10.7668/hbnxb.2016.01.034

中图分类号：S152.01;S512.07

文献标识码：A

文章编号：1000-7091(2016)01-0212-06

作者简介：张向前(1984-),男,安徽阜阳人,助理研究员,博士,主要从事作物栽培研究。通讯作者：曹承富(1963-),男,安徽安庆人,研究员,主要从事小麦栽培研究。

基金项目：国家科技支撑计划项目(2013BAD07B08;2012BAD04B09;2011BAD16B06)

收稿日期：2015-09-12