减少灌水量对强筋小麦花后干物质和氮素积累、转运及产量的影响

李翠平，秦保平，李亚静，郭双双，付陈陈， 郭振清，张 敏，杨 敏，蔡瑞国

(河北科技师范学院农学与生物科技学院，河北秦皇岛 066004)

小麦是我国主要的粮食作物，其产量高低对国家粮食安全有重要意义[1]。我国北方地区水资源短缺，冬小麦生长关键期又处在干旱季节，降雨量较少，不能满足其生长发育需要，需要人工补灌[2-4]。在如今高产栽培模式下，灌水次数已降至2～3次[5-6]，但受栽培条件限制，冬小麦生育期内具体所需灌水量至今仍不明确。因此，在小麦关键生长期明确适宜生长的灌水量，减少水资源损失，成为当下亟待解决的问题。

随着生活水平的提高，人们对小麦品质也有了更高的要求，因此小麦生产不仅需要维持较高的产量，也要提高蛋白质的含量。而籽粒氮素的含量是决定蛋白质产量的重要因素，氮素供应不足，会延长营养物质在植株内部运转的时间，造成蛋白质含量下降[7-8]。

适时适量的灌溉能缓解小麦干旱胁迫，促进干物质积累[9-10]，同时影响土壤氮素的有效性，调控小麦对氮素的吸收、转运和同化，最终影响蛋白质含量和产量，减少多余水分的流失，提高水分利用效率[11]。因此，本试验选用中麦998和中麦1062为材料，在大田栽培条件下对试验田进行遮雨处理，探讨灌水量对强筋小麦花后干物质积累、转运和产量的影响，以期为强筋小麦的节水高产优质栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2018年10月至2019年6月在河北省昌黎县施各庄试验点(119.13°E，39.44°N)进行。试验地表层(0～20 cm)土壤含全氮0.92 g·kg-1、速效氮0.13 mg·kg-1、速效磷16.66 mg·kg-1、速效钾35.52 mg·kg-1、有机质 17.87 g·kg-1。试验田共分为18个小区，小区面积12.5 m2，有可移动防雨棚，可控制降水量。本试验选用中麦998和中麦1062为材料，于2018年10月1日播种，行距20 cm，基本苗 450×104株·hm-2，年前统一灌冬水，春季于拔节期和开花期灌水，每时期设3个灌水量处理：600 (W600)、300(W300)和 0 m3·hm-2(W0)，3次重复，灌溉方式采用人工淋浇，水表严格控制水量，以保证淋浇均匀。播种前统一施用复合肥 (N∶P∶K=15∶15∶15)800 kg·hm-2，拔节前追施尿素(含N 46%)260 kg·hm-2，生育期间防病、防虫、除草，于2019年6月16日收获。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 干物质含量的测定

各处理分别于返青期(RS)、拔节期(JS)、孕穗期(BS)和花后0、7、14、21、28、35 d选长势一致的植株30株，取地上部，3次重复。返青期、拔节期和孕穗期将植株分为茎、叶、鞘3部分，花后分为茎、叶、鞘、穗轴+颖壳、籽粒5部分，于105 ℃杀青30 min后，置于60 ℃烘箱中烘至恒重，称各器官干物重，并计算粒重比、叶重比。

粒重比=籽粒干物质积累量/整株总干物质积累量×100%；

叶重比=叶片干物质积累量/整株总干物质积累量×100%。

1.2.2 氮素积累和转运指标的测定

样品消煮后，利用半微量凯氏定氮法[12]测定各营养器官全氮含量，3次重复。计算氮素积累量、氮素转运量和氮素转运效率[13]。

花前氮素积累量=花前营养器官氮含量×花前营养器官干物质积累量；

氮素转运量=开花期营养器官氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量；

氮素转运效率=氮素转运量/花前氮素积累量×100%。

1.2.3 产量及其构成的测定

于完熟期，每小区取1 m2，3次重复，测穗数和穗粒数，收获籽粒，晒干后测千粒重和产量。

1.2.4 水分利用效率的测定

采用德国IMKO HD2便携式土壤水分测定仪分层测定土壤含水量，共分成0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm、100～120 cm、120～140 cm、140～160 cm、160～180 cm九层。灌水前和灌水后第2 d测定土壤含水量，整个生育期每7 d测定一次。

生育期耗水量=∑H(βi-βj)+M+P+K，式中，H为土层厚度(mm)；βi和βj分别代表相邻两次生育期测定的土壤体积含水量(%)；M为该生育期内的灌水量(mm)；P为有效降水量(mm)；K为该生育期内的地下水补给量(mm)。由于本试验设置防雨棚处理，P计为0，地下水埋深>4 m，K计为0[14]。

水分利用效率=籽粒产量/生育期耗水量

1.2.5 籽粒蛋白质含量和蛋白质产量的测定

样品消煮完成后，利用半微量凯氏定氮法测定籽粒全氮含量[12]，3次重复。

蛋白质含量=氮含量×5.7；

蛋白质产量=蛋白质含量×籽粒产量。

1.2.6 数据处理与分析

用Excel 2007整理试验数据并绘图，用DPS 7.05软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 灌水量对强筋小麦发育过程中干物质积累量的影响

由表1可知，灌水量对干物质积累有显著影响。除返青期之外的各个发育阶段，干物质积累量均随灌水量的减少而降低，且各阶段三个处理之间的差异均达到显著水平。花后35 d，中麦998的干物质积累量在W600、W300和W0处理下分别为19.35×103、17.78×103和16.20×103kg·hm-2，W600和W300处理分别比W0提高19.44%和9.75%；中麦1062的干物质积累量在W600、W300和W0处理下分别为20.05×103、 17.89×103和15.98×103kg·hm-2，W600和W300处理分别比W0处理提高25.47%和11.95%。

表1 灌水量对强筋小麦干物质积累量的影响Table 1 Effect of irrigation amount on dry matter accumulation of strong gluten wheat ×103 kg·hm-2

2.2 灌水量对强筋小麦粒重比和叶重比的影响

粒、叶重比分别代表小麦开花后籽粒、叶片干物质积累量与植株总干物质积累量的比值，这两个比值能更好地说明灌水量对花后籽粒干物质积累和叶片干物质转运的影响。从表2和表3可以看出，花后14～21 d，中麦998和中麦1062的粒重比变化最明显；花后7～14 d，中麦998和中麦1062的叶重比变化最明显。灌水量对两个小麦品种花后粒重比的增加和叶重比的下降均有显著影响。与W0处理相比，花后35 d，中麦998的粒重比在W600和W300处理下分别增加14.24%和7.41%；中麦1062的粒重比在W600处理下增加10.49%，而W300与W0处理之间差异不显著；花后35 d，中麦998的叶重比在W600和W300处理下分别增加40.58%和26.95%，而中麦1062的叶重比在W600和W300处理下与W0处理之间差异均不显著。

2.3 灌水量对强筋小麦发育过程中氮素积累量的影响

由表4可知，返青期到拔节期是两个品种氮素积累量增加最明显的时期，各处理表现一致；灌水量对植株氮素积累有显著影响。除返青期之外各时期的氮素积累量均随灌水量的减少而降低，中麦998三个处理之间均差异显著，中麦1062除花后21～35 d有些处理之间差异不显著外，其余阶段三个处理之间的差异也均达到了显著水平。花后35 d，中麦998 的氮素积累量在W600、W300和W0处理下分别为346.15×103、291.82×103和249.21×103kg·hm-2，W600和W300处理分别比W0处理提高38.90%和 16.85%；中麦1062的氮素积累量在W600、W300和W0处理下分别为343.46×103、340.02×103和337.88×103kg·hm-2，W600处理比W0处理提高 1.65%，而W300与W0处理之间差异不显著。

表2 灌水量对强筋小麦花后粒重比的影响Table 2 Effect of irrigation amount on grain to weight ratio after wheat flowering %

表3 灌水量对强筋小麦花后叶重比的影响Table 3 Effect of irrigation amount on leaf to weight ratio after wheat flowering %

表4 灌水量对强筋小麦各发育时期氮素积累量的影响Table 4 Effect of irrigation amount on the accumulation of nitrogen at the developmental stages of strong gluten wheat ×103 kg·hm-2

2.4 灌水量对强筋小麦各营养器官花后氮素转运的影响

由表5可知，花后营养器官氮素转运量和转运效率表现为叶>穗轴+颖壳>鞘>茎，叶片是氮素转运量和转运效率最大的营养器官，不同处理之间氮素转运量差异显著。中麦998在W600和W300处理下叶片氮素转运量分别比W0处理增加3.51%和25.83%；中麦1062在W600和W300处理下的叶片氮素转运量分别比W0处理增加26.73%和33.33%。中麦998在W600和W300处理下的叶片氮素转运效率分别比W0处理提高10.44%和13.43%；中麦1062在W600和W300处理下的叶片氮素转运效率分别比W0处理提高8.06%和11.29%。

2.5 灌水量对强筋小麦产量构成和水分利用效率的影响

由表6可知，随灌水量减少，强筋小麦产量逐渐下降，但水分利用效率提高。中麦998和中麦1062在W600处理下穗数和千粒重均最大，且产量均最高。与W0处理相比，中麦998在W600处理下产量提高11.90%，W300与W0处理间差异不显著；W300和W600处理下产量分别提高 26.08%和48.05%。由此可见，中麦998、中麦1062产量的提高是由于穗数和千粒重的增加。2个品种水分利用效率均随灌水量的减少逐渐提高，与W0处理相比，中麦998在W300和W600处理下水分利用效率分别下降12.96%和27.88%；中麦1062在W600处理下水分利用效率下降 14.33%，W300与W0处理间差异不显著。

2.6 灌水量对强筋小麦蛋白质含量和蛋白质产量的影响

由图1可知，随着灌水量的减少，两品种的蛋白质含量逐渐升高，在W0处理下最高，且丰麦1062 W0与W300和W600处理之间的差异均达到显著水平；随着灌水量的减少，两品种的蛋白质产量逐渐降低，在W0处理下最低，且中麦998 的W0与W600处理之间差异显著，中麦1062的W0、W300和W600处理之间均差异显著。

表5 灌水量对强筋小麦各营养器官氮素转运量和转运效率的影响Table 5 Effect of irrigation amount on nitrogen transport and transportation rate in nutrient organs of strong gluten wheat

表6 灌水量对强筋小麦产量构成和水分利用效率的影响Table 6 Effect of irrigation amount on yield composition and water use efficiency of strong gluten wheat

图柱上不同字母表示在0.05水平差异显著。

3 讨 论

3.1 减少灌水量对强筋小麦花后干物质和氮素积累、转运和产量的影响

小麦花后干物质转移和氮素向籽粒中的转运是决定产量和蛋白质含量的关键因素[15]。有研究表明，干旱能加速植株早衰，引起植株对水分胁迫的适应性降低，旗叶光合能力下降[16]，从而导致干物质积累量减少，产量下降，同时水分不足会造成部分氮损失，降低籽粒氮含量，但适度土壤干旱则有利于加速叶片氮素向籽粒的转运，提高氮素转运效率，提高蛋白质含量[15]。本研究结果表明，减少灌水量会降低小麦干物质和氮素积累量，以及籽粒灌浆后期粒、叶重比，同时导致叶片氮素转运量和转运效率呈现先增后降的趋势。尽管本试验选用强筋小麦品种作为试验材料，其氮素积累量与普通冬小麦存在差异，但变化趋势与前人研究结果基本一致[17-18]。说明适度减少灌水量不仅能维持较高的粒重比，促进叶片中干物质向籽粒中的转移，还能有效提高氮素转运量，从而提高强筋小麦产量和品质。

3.2 减少灌水量对强筋小麦蛋白质含量和蛋白质产量的影响

籽粒灌浆后期保持适度的土壤干旱能有效提高籽粒蛋白质含量[19-20]，此时增加灌水，虽能有效提高籽粒产量但同时会造成蛋白质含量的下降，影响小麦品质[21-22]，并对小麦加工品质也会造成一定的稀释效应[23-24]。本研究结果显示，随灌水量的减少，籽粒蛋白质含量升高，蛋白质产量明显降低，这与前人研究结果一致。但由于本文选用强筋小麦的品种差异，随着灌水量的减少，中麦998蛋白质含量和蛋白质产量在W300和W600处理间无显著差异，且蛋白质产量在W0和W300处理之间也无显著差异；而中麦1062蛋白质含量则显著升高，蛋白质产量则显著降低。虽然研究表明灌水量的增加会导致籽粒蛋白质含量减少，但品种之间可能会由于基因型不同以及水分对氮素的稀释效果存在差异，导致氮素的积累转移受到影响，最终导致籽粒蛋白质的合成效果不同。

3.3 减少灌水量对强筋小麦产量和水分利用效率的影响

研究表明，耗水量与产量呈抛物线型关系，即在一定范围内，产量随灌水量增加逐渐升高，但超过一定范围后，产量不再增加或开始下降[25-26]。适宜的灌水量和土壤水分不仅能够促进强筋小麦生长，而且有利于小麦对营养物质的吸收，提高产量和水分利用效率，减少多余水分的流失[27-28]。本研究结果显示，随灌水量的减少，2个强筋小麦品种均出现产量下降，水分利用效率升高，但中麦1062的水分利用效率在W300与W0处理间无显著差异。小麦产量的三个构成因素之间有一定的制约关系，只有三者的乘积达到最佳时，才能有效提高小麦产量[29]。本研究结果显示，中麦998的千粒重随灌水量的增加逐渐升高，这与中麦998的产量随灌水量的增加显著提高相对应；而中麦1062的穗数、穗粒数、千粒重随灌水量的增加均有不同程度的提高，说明灌水量对强筋小麦产量的影响也可能与品种差异有一定的关系。

综上所述，充分了解不同栽培品种的生长特性，适当减少灌水量，才能稳定产量的基础上，有效提高水分利用效率，增加强筋小麦籽粒蛋白质含量，为强筋小麦节水高产优质的栽培模式提供理论依据。