灌水对河西走廊绿洲灌区不同小麦品种生长发育和产量的影响

柳 娜，杨文雄，张雪婷，杨长刚，王世红，王兴荣

(1. 甘肃省农业科学院小麦研究所，兰州 730070；2. 甘肃省农业科学院作物研究所，兰州 730070)

0 引 言

河西走廊气候干旱，年蒸发量大[1]，水资源短缺[2,3]是限制当地农业发展的主要因素之一。小麦作为河西走廊地区的主要粮食作物，其高产稳产对保障粮食安全和提高农民生活质量具有重要意义，因此一直备受关注。但在实际生产中，只追求高产的大水漫灌等不合理管理措施，导致水分利用效率低、水资源浪费[4]。同时，不同品种混杂也是造成资源不能高效利用的原因之一。因此，研究适于河西走廊绿洲灌区不同耐旱型小麦品种及其配套的灌水量，对提高该区小麦产量和资源利用效率具有重要意义。前人研究表明，适时适量的灌溉能缓解干旱胁迫，增大小麦群体光合面积和光合速率，促进干物质积累和分配，调节源库关系[5]，提高产量和水分利用效率[6]。王映红[7]等在豫北地区研究发现，底墒水+拔节水+开花水灌水模式产量最高，但是水分利用效率分别较只灌底墒水和底墒水+拔节水模式降低37.97%和61.88%。Zhang等[8]研究指出，灌水量达到一定程度后小麦产量到达平台期，继续增加灌水量并不能提高小麦产量。除灌水模式对小麦产量和水分利用效率造成显著影响外，在相同灌水模式下品种对小麦产量也具有显著影响[5,7]；灌拔节水使小麦产量较对照增产13.57%～22.42%[9,10]。旗叶大小、株高、灌浆后期叶绿素含量在灌水模式下和产量存在显著相关性，可以作为不同种植管理模式下辅助选择节水高产小麦品种指标[11]。刘志鹏等[12]研究表明，增加灌水次数能提高供试品种旗叶叶绿素含量、CAT活性，提高产量，减少MDA累积量。而在水分胁迫条件下，小麦旗叶细胞中活性氧数量增多，抗氧化酶活性降低，丙二醛含量显著升高[13]。本试验在前人研究的基础上，进一步探索适于河西走廊绿洲灌区的小麦品种及适宜灌水量。筛选出节水小麦品种，并辅以合理的灌溉制度，为促进河西走廊绿洲灌区小麦高产稳产和绿色发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018-2019年在甘肃省农业科学院武威市黄羊镇小麦试验站进行。试验地海拔1 643 m。年降水量220～230 mm，年蒸发量2 000～2 300 mm，全年日照3 000 h，属温带干旱区。试验站土壤为粉壤土。

1.2 试验材料

选取甘肃西部地区实际生产中表现较好的5个小麦品种(甘春24号、武春8号、陇春41号、陇春33号、宁春33号)为试验材料。所有供试品种均由甘肃省农业科学院小麦研究所春小麦课题组提供。

1.3 试验设计

采用随机区组设计，灌水为主处理，品种为副处理。设置整个生育期无灌水W0、灌一水W1(拔节期)、灌两水W2(拔节期和灌浆期)3个水分处理，每次灌水量为1 500 m3/hm2。5个供试小麦品种为甘春24号(GC24)、武春8号(WC8)、陇春41号(LC41)、陇春33号(LC33)、宁春33号(NC33)。每个小区面积24.48 m2，长7.2 m，行距0.17 m，20行，播量为750 万粒/hm2，每行918粒，重复3次，共45个小区。不同灌水处理间设置2 m深的防渗带，防治水分漏渗。播种时一次性施入磷酸二铵180 kg/hm2(整个生育期施纯P 172.5 kg/hm2)，尿素300 kg/hm2作种肥，5月份拔节期追肥尿素75 kg/hm2(整个生育期施纯N 240 kg/hm2)。

1.4 测定项目与方法

在小麦开花期选取长势一致，具有代表性的植株200株予以标记， 从开花期开始每隔7 d从标记小麦中取小麦植株， 在实验室对小麦进行分解， 保留擦拭干净的小麦旗叶20～25片，经液氮处理放入超低温冰箱中保存， 用于测定小麦生理指标。

叶片叶绿素含量的测定：用日本产Mini型叶绿素测定仪测定，以SPAD值表示叶绿素含量；采用陈禹兴等[14]的方法测定MDA含量；采用高锰酸钾滴定法测定CAT活性[15]；成熟期各小区选取样点1 m2，测量干物质积累量；全区收获测定籽粒产量。

水分利用效率(Water use efficiency，WUE，kg/hm2· mm)=产量/生育期耗水量

抗旱系数(Drought coefficient，DC)=干旱胁迫产量值/充分灌溉处理产量值

其中：干旱胁迫产量值为整个生育期无灌水(W0)处理下产量，充分灌溉处理产量值为灌两水W2(拔节期和灌浆期)处理下产量。

干旱产量指数(Drought yield index，DYI)=干旱胁迫产量值/干旱胁迫产量平均值

其中：干旱胁迫产量值为整个生育期无灌水(W0)处理下产量，干旱胁迫产量平均值为整个生育期无灌水(W0)处理下五个品种产量平均值。

抗旱指数(Drought resistance index，DI)=抗旱系数×(干旱胁迫产量值/干旱胁迫产量平均值)

1.5 数据处理

数据输入与处理采用 Microsoft Excel 2013、Origin 2015作图，数据统计分析使用SPASS19软件，进行方差分析(ANOVA)和相关性分析。

2 结果分析

2.1 不同灌水下小麦旗叶SPAD、 CAT活性及MDA含量变化

2018-2019年小麦旗叶SPAD值变化如图1所示，从灌水来看，两年规律均表现为W1>W2>W0。2018年，W1处理下小麦旗叶SPAD较W0、W2分别提高16.3%、10.2%；2019年分别提高15.1%、9.8%，说明在无灌水条件下，小麦旗叶过早衰老，而在W2处理下，小麦群体密度过大，叶片互相遮挡，不利于其源叶的光合作用。从品种看，两年小麦旗叶SPAD均在陇春41号品种表现最优。W0处理下，LC41旗叶SPAD较其他的品种两年平均值增幅为16.8%～26.9%；W1处理下增幅为15.1%～26.3%；W2处理下增幅为2.8%～14.3%。综合各处理，在W1处理下LC41旗叶的SPAD值达到最大，2018年较其他处理增幅为9.2%～31.6%；2019年增幅为8.3%～55.2%。

注：不同小写字母表示在同一灌水下0.05水平差异显著。下同。图1 不同灌水下小麦开花期旗叶SPADFig.1 SPAD of flag leaf during flowering stage of wheat under different irrigation treatments

如图2、3所示，2018-2019年，各处理小麦花后旗叶CAT活性均呈单峰曲线变化，先增加后降低。在花后第14天达到最大值。灌水可以显著提高小麦旗叶CAT活性，具体表现为W1≈W2>W0。W1与W2处理花后14天CAT活性较W0处理两年平均值分别提13.3%、10.2%。从品种看，随着生育时期推进，陇春41号小麦旗叶CAT均呈较高的活性。

图2 不同灌水小麦花后旗叶CAT活性Fig.2 CAT activity of flag leaves after anthesis of wheat under different irrigation treatments

各处理小麦花后旗叶MDA含量随着生育期推进逐渐增加。从灌水看，旗叶MDA含量随着灌水量的增多而降低，生育后期(花后14～28 d)不同品种间均表现为LC41旗叶MDA含量最低。综合各处理，在W1处理下LC41旗叶CAT活性最高，MDA含量最低，说明其花后旗叶细胞膜结构受损程度较低，旗叶衰老速度较慢，有利于花后干物质的积累和产量的形成。

图3 不同灌水小麦花后旗叶MDA含量Fig.3 MDA content in flag leaves after anthesis of wheat under different irrigation treatments

2.2 不同灌水下干物质变化

2018-2019小麦花前和成熟期干物质如图4所示。从灌水看，成熟期干物质积累量在W1、W2处理差异不显著，两年平均较W0处理提高21.7%、23.3%。花前干物质积累量变化趋势与成熟期干物质积累量相似，W1、W2处理差异不显著。小麦干物质积累并未随灌水量的增加而增加，这可能是由于灌水过多造成小麦田间倒伏等原因所致。从品种看，在各灌水梯度下，不同生育时期干物质积累量均在LC41品种下达到最大值，两年平均较其他品种增幅为17.1%～24.8%。

注：PM表示花前地上部干物质积累总量；TM表示成熟期地上部干物质总量。图4 不同灌水下小麦干物质积累Fig.4 Dry matter accumulation under different irrigation treatments

2.3 不同处理下小麦产量及构成因素

2018-2019年小麦产量及产量构成因素变化如图5所示。千粒重随灌水量的增加而增加，灌水处理W1、W2较不灌水处理W0增加6.7%和12.7%。灌水处理W1、W2两年平均单位面积粒数较不灌水处理W0增加22.3%和17.2%，但单位面积粒数随灌水量的增加而降低。春小麦产量变化规律与干物质基本一致，在W1梯度下小麦产量达到最大，两年平均W1、W2处理小麦产量较W0处理分别提高89.9%、75.1%，但两个灌水处理之间差异不显著，这可能与灌水处理之间单位面积粒数随灌水量增加而降低有关。从品种看，不同处理之间千粒重、单位面积粒数和产量均达到显著水平。不同年份各灌水处理均为LC41品种表现最优。综合各处理，LC41配合W1灌水可获得较高的小麦产量，2018年较其他处理增幅为5.1%～131.5%；2019年增幅为2.5%～138.2%。

2018-2019年小麦收获指数变化如图6所示。灌水处理W1、W2两年平均收获指数较不灌水处理W0增加6.8%和6.7%，但两灌水处理之间差异不显著。不同品种之间收货指数差异显著，LC41收获指数显著高于其他处理。

图5 不同灌水小麦产量及产量构成因素变化Fig.5 Yield and yield components of wheat under different treatments

图6 不同灌水小麦收获指数变化Fig.6 Changes of harvest index of wheat under different treatments

2.4 不同灌水下小麦抗旱指标与水分利用效率变化

各品种抗旱系数如表1所示，干旱胁迫产量较充分灌溉产量平均减少2 323 kg/hm2，降幅为32.5%；在干旱胁迫下，陇春41(LC41)较其他品种有较好的产量表现，较充分灌溉产量降低幅度为29.1%，其干旱产量指数高于其他各品种。抗旱系数与抗旱指数的变化趋势大致相同，均在LC41下最优，说明LC41在干旱条件下较其他品种具有更好的抗旱性。

表1 各品种下产量及抗旱指标 Tab.1 Yield and Drought resistance indicators of various varieties

2018-2019年两年小麦水分利用效率如图(7)所示，规律整体表现为随着灌水量的增加，水分利用效率先增加后降低，均为W1>W2>W0，2018年在W1处理下的小麦水分利用效率较W0、W2处理分别提高11.8%、10.2%；2019年提高8.8%、5.7%，证明适宜的灌水量可以提高水资源的高效利用，从而减少水资源的浪费。从品种来看，两个试验年份中陇春41号(LC41)的水分利用效率均显著地高于其他品种，两年平均较其他品种增幅为14.8% ～ 21.9%。综合各处理，在W1处理下LC41水分利用效率最高。两年平均较其他处理增幅为8.8%～39.1。

图7 不同灌水下小麦水分利用效率Fig.7 Water use efficiency of wheat under different irrigation

2.5 不同处理下小麦产量指标相关性分析

相关性分析表明(表2)，千粒重与单位面积粒数、产量、收获指数和干物质积累量具有极显著正相关关系(p<0.01)；单位面积粒数与产量、收获指数和干物质积累量具有极显著正相关关系(p<0.01)；产量与收获指数和干物质积累量具有极显著正相关关系(p<0.01)；收获指数和干物质积累与源库比有显著正相关关系(p<0.05)。产量与千粒重和单位面积粒数有极显著正相关关系(p<0.01)，单位面积粒数对产量的影响更大。

表2 不同灌水下小麦产量指标相关性分析Tab.2 Correlation analysis of wheat yield index under different irrigation

3 讨 论

前人研究表明，灌浆期小麦光合性能对最终产量形成作用巨大[16,17]，增加灌水可以显著的提高小麦旗叶SPAD值[18]，本研究也得到相似结论，小麦旗叶SPAD值在W1灌水处理下达到最大值。不同抗旱性品种之间小麦旗叶SPAD值差异较大[19]，这表明在保证适宜灌水量的同时科学的选取适宜品种，才能保证水资源高效利用，并最终实现小麦高产。前人研究发现，植物细胞酶促系统和非酶促系统在缓解由逆境胁迫诱发的活性氧对细胞的伤害中发挥着重要作用[20]。刘志鹏等[12]研究也表明，遭遇干旱胁迫时，小麦CAT活性和膜质过氧化产物MDA含量和产量对水氮水平的响应存在明显差异。本试验中，随着灌水量的增多，小麦花后旗叶CAT活性随之增加，过氧化物MDA含量则显著降低，这与前人研究结果相同。不同抗旱性品种间CAT活性与MDA含量有显著差异。LC41花后旗叶具有较好的CAT活性及较低的MDA含量，可以在生育后期延缓叶片衰老，有利于小麦花后干物质的积累和产量的形成。

水资源缺乏是限制干旱和半干旱地区农业发展的主要因素[21,22]。前人研究表明，通过施肥、交替灌溉等管理措施，可以优化作物干物质的积累与分配规律，提高作物产量[23,24]。本研究也得到相似结论，灌水可以增加开花前和成熟期干物质积累量，但在本实验条件下在拔节期灌水和拔节期+灌浆期灌水处理干物质积累量差异不显著，这可能与灌水量增加后导致春小麦田间倒伏有关。党根友[19]研究表明，不同品种之间干物质积累量差异显著。本研究也得到相似结论，品种对成熟期和开花前期干物质积累的影响达到显著水平，且LC41在两个生育时期干物质积累量均显著高于其他供试品种。

前人研究表明，灌水对小麦产量及产量构成因素具有显著影响[25,26]。拔节期灌水可以增加穗粒数，增加作物产量[27]。本研究表明，灌水可以显著提高小麦籽粒千粒重，从而提高产量，但W1和W2处理之间产量差异不显著。但单位面积粒数随灌水量的增加而降低，这可能与灌水量增加导致田间倒伏有关。灌水可以改善小麦源库关系，灌水处理源库比较不灌水处理增加。但W2处理较W1处理源库比降低，这主要与单位面积粒数在W2处理下较W1降低4.1%有关，进一步导致W1和W2处理之间产量差异不显著。本研究结果表明，灌水显著影响收获指数，灌水处理W1、W2两年平均收获指数较不灌水处理W0增加6.8%和6.7%，但两灌水处理之间差异不显著。黄玲[5]也研究表明，千粒重大幅度增加和收获指数增加是籽粒产量提高的主要原因，本研究中相关性分析结果也得到相似结论。品种对产量及产量构成因素和收货指数的影响也达到显著水平。不同品种之间穗数也差异显著，从而影响小麦籽粒产量，这可能与不同品种之间分蘖能力及成穗率有关[19]。

水分利用效率由品种和水分互作效应决定，在拔节期和灌浆期灌水可明显提高籽粒产量水平，进一步提高了水分利用效率，前人研究表明，强抗旱品种水分利用效率受灌水量的影响较弱抗旱品种小[28]， 只有在适宜的灌水条件下，各因素对小麦产量及水分利用效率的影响作用才能表现出来[29]。本试验研究表明，水分利用效率随着灌水量的增加呈现先增高后降低的趋势，在W1处理下表现最优，这与前人研究相同。从品种看，LC41较其他的品种具有较高的水分利用效率，证明LC41为该地区适宜的小麦栽培品种。

4 结 论

在河西走廊绿洲灌区，灌水可以提高小麦SPAD值、CAT活性；降低MDA含量，调节小麦源库关系和干物质积累与分配，提高千粒重和单位面积粒数，进而提高籽粒产量和收获指数，但W1和W2处理之间产量差异不显著。陇春41号在不同灌水条件下各指标均具有最优值，显著高于其他供试品种。因此，陇春41号(LC41)配合W1灌水(拔节期)处理，为该地区适宜推广的小麦种植品种及灌溉模式。