灌浆期干旱胁迫对水稻生理性状和产量的影响

杨晓龙 程建平 汪本福 李阳 张枝盛 李进兰 李萍

(1湖北省农业科学院 粮食作物研究所/粮食作物种质创新与遗传改良湖北省重点实验室, 武汉 430064; 2华中农业大学 植物科学技术学院, 武汉430070; 3黄冈市农业科学院, 湖北 黄冈 438000; *通信联系人, E-mail: sleep1022@mail.hzau.edu.cn)

我国大约有65%上的人口以水稻为主食。作为主要的水稻生产区，我国水稻生产面积占世界水稻生产面积的19%，产量占世界水稻生产的32%。我国水稻种植仍然以传统淹水灌溉为主，灌溉用水量占每年农业用水量的65%，是一种水资源高消耗种植模式[1]。随着全球气候变化，温度升高、干旱缺水现象频繁发生且程度不断加剧，在长江中下游和南方水稻种植区，季节性和区域性干旱严重制约水稻产量潜力提高[2]。如何减轻干旱胁迫对水稻生产的影响，对于缓解淡水资源短缺、保障粮食安全具有十分重要的意义。

水稻是起源于沼泽地带的中生性植物，可以适应水旱双重环境。水稻的生理需水只占其全部耗水的15%左右，因此，在满足蒸腾需求前提下，可降低灌水量[3-4]。很多研究学者在水稻节水栽培方面做了大量研究，提出了多种节水栽培技术以降低灌水投入，如干湿交替灌溉、湿润灌溉技术、覆膜栽培技术以及旱稻栽培技术[5-7]。目前推广的节水栽培技术是在水稻全生育期内进行的，存在成本过高、产量损失严重等问题，而从栽培生理学角度阐明短期干旱胁迫对水稻产量影响的研究较少[8]。水稻在不同的生长阶段对干旱胁迫的响应机制存在很大的差异，是造成水稻干旱环境下产量差异性的重要原因[9-10]。在大田实验条件下，孕穗期和抽穗扬花期土壤干旱胁迫显著降低了水稻叶片的生理活性和新陈代谢，叶片水势降低、叶片温度升高、光合速率下降，导致干物质积累降低，虽然在干旱胁迫下营养物质向籽粒中分配的比例增加，但是不足以弥补产量的损失[11-13]。水稻产量形成80%来源于营养生长和生殖生长的并进阶段，但是在灌浆期重度干旱胁迫下，叶片的内源激素生长素、赤霉素的活性，可溶性糖和蛋白质含量显著下降，从而降低了籽粒灌浆速度、缩短了灌浆的时间，最终导致水稻结实率和千粒重均显著下降，是灌浆期干旱胁迫导致产量降低的主要原因[14-15]。但也有研究认为在灌浆期无水层湿润灌溉下，水稻的产量增加了4.03%，在轻度干旱胁迫下产量有降低的趋势但是没有达到显著水平，这可能与水稻品种以及干旱胁迫持续的时间不同有关，其调控产量的生理机制还需进一步研究[16]。此外，在干旱胁迫下，灌浆速度加快、灌浆时间缩短，导致稻米整精米率显著下降，垩白粒率和垩白度则显著升高，降低稻米品质；但也有人研究指出，在灌浆期轻度的干旱胁迫下，细胞分裂素、生长素和赤霉素在灌浆前期积累且活性增强，有利于籽粒灌浆，提高黏滞性，降低垩白粒率、垩白度和消减值，显著改善了稻米品质[17-18]。因此，本研究拟探究灌浆期干旱胁迫条件下不同类型水稻的生长发育特性、叶片生理活性变化对产量构成及稻米品质的影响机制，以期为干旱环境条件下水稻适应性策略的制定提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与供试材料

试验于2014年和2018年在湖北省武汉市华中农业大学(30°28′N, 114°21′E)校内试验田进行，以节水抗旱稻旱优113和普通杂交稻扬两优6号为研究对象。田间设有防雨棚和排水沟以排除降雨和地下水的影响，田间每个小区单独灌水，以实现严格的水分管理和精准的土壤水分控制。土壤为黏质土，2014年和2018年土壤pH值分别为6.07和5.70，有机质含量分别为10.1 mg/g和9.3 mg/g，总氮含量为0.69 g/kg和0.88 g/kg，有效磷含量为15.2 mg/kg和 30.6 mg/g，速效钾含量为 193 mg/kg和 147 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，土壤水分处理为主区，水稻品种为副区。设置传统淹水灌溉为对照(F)，全生育期田间保持3～5 cm水层，成熟前7 d排水落干；灌浆期干旱胁迫(MS)，抽穗后停止灌水并采用自然落干的方式，灌浆期土壤水势维持在-30 kPa左右(田间出现大裂缝)，之后复水，成熟前7 d排水落干。设置3次重复。通过在土壤表层以下15～20 cm 处安装土壤张力计(每天 18:00统计数据)，同时使用HH2土壤水分测定仪(英国Delta-T Devices公司生产)以及传统土样烘干法共同监测，保证在干旱胁迫期内土壤水势维持在-30 kPa左右。施肥和病虫草害防治措施统一按常规栽培要求实施。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶片水势

采用WP4C水势分析仪(WP4C, 美国Decagon仪器股份有限公司)，在晴天12:00－14:00每小区取主茎上健康剑叶6片，置于冰盒中带回实验室，截取叶片中间位置，快速将叶片除去叶脉并用剪刀剪成碎片，置于已经预热的WP4C水势分析仪中测定。

1.3.2 气叶温差

采用手持式UT300A红外测温仪(UT300A, 浙江托普仪器有限公司)，在晴天12:00－14:00，每小区活体测定主茎上6片健康剑叶的叶片温度，测定时保持仪器与叶片之间的距离为1 m，同时记录防雨棚内的大气温度，计算差值。

表 1 灌浆期干旱胁迫处理对水稻产量及其构成的影响Table 1. Effect of drought stress at grain filling stage on yield and its components.

图1 灌浆期干旱胁迫下土壤水势的动态变化Fig. 1. Dynamic changes of soil water potential under drought stress during grain filling stage

1.3.3 叶片光合速率

选择晴天上午 9:00－11:00，利用 Li-6400 XT(Li-Cor, Lincoln, NE, USA)光合仪进行测定。每小区选择主茎上健康剑叶6片用于测定光合速率，光合仪器保持开放气路，人工光源，样本室内气流速率为 500 μmol/s，光强设定为 1500 μmol/(m2·s)。测定叶片的最宽处，计算出叶室内叶片面积。

1.3.4 干物质积累分配

按照小区平均分蘖数选取有代表性的植株 4蔸，将茎鞘、叶片和穗分开称量，之后于 105℃烘箱内杀青30 min，而后调温度至80 ℃烘干至恒重，取出样品冷却至室温，用精度为0.01 g的天平称量，计算地上部总干物质的量。

1.3.5 产量及稻米品质

在测产之前，在小区根据有效穗数平均值选取有代表性的植株 12蔸，记载每蔸的穗数并换算为单位面积穗数。采用水选法将饱粒和空瘪粒分开，从饱粒中称取 3 个 30 g 的小样，从空瘪粒中称取3 个 2 g 的小样。人工统计各小样中饱粒和空瘪粒的数目，然后置于 80℃ 的烘箱中烘干至恒重，然后采用精度 0.001 g 的天平称量。计算单位面积穗数、每穗颖花数、单位面积颖花数、结实率、千粒重。在水稻成熟期除去边行，人工收割后，记载每小区收获的实际穴数，根据栽培密度折算成相应的面积(≥5 m2)。脱粒，自然条件下风干，经风选后称量，然后采用谷物水分仪(DMC-700, Seedburo,Chicago, IL, USA)测其水分含量，按照14.0%含水量计算产量。稻米品质测定参照参照国家标准GB/T17891－1999规定的方法进行。

1.3.6 数据处理

所有数据采用 Microsoft Excel 2013 进行整理和制图，用软件SAS9.0(SAS Institute, Cary, NC)进行统计分析：采用方差分析和最小显著差异法(LSD)分析比较不同处理间的差异。

2 结果与分析

2.1 灌浆期干旱胁迫下土壤水势的变化

由图1可知，0－20 cm土层的水势从0 kPa降至-30 kPa需要7 d时间，之后土壤水势过低，达到-40 kPa，通过洒水的方式进行补水，土壤水势升到-30 kPa左右，此后维持到9月7日，期间土壤水势在-30 kPa的时间有13 d，之后开始复水，收获前7 d排水落干。

2.2 灌浆期干旱胁迫对水稻产量及其构成因素的影响

由表1可知，与传统淹灌相比，灌浆期干旱胁迫下产量有降低趋势，但是未达到显著水平。其中，旱优 113在 2018年的产量比 2014年显著下降(39.1%)；扬两优6号在年际间变化不显著。灌浆期干旱胁迫处理下，两个水稻品种的结实率显著升高，千粒重显著降低，扬两优6号和旱优113的结实率分别升高了7.92%和9.33%，千粒重分别下降了4.45%和3.85%。说明灌浆期干旱胁迫下，提高结实率是稳定产量的关键，且超级杂交稻扬两优 6号在应对干旱环境方面显现出稳定性；节水抗旱稻旱优113可能受环境影响较大，在年际间的稳定性较差，其产量调控机理还需要进一步研究。

2.3 灌浆期干旱胁迫对稻米品质的影响

由表2可知，灌浆期干旱胁迫对扬两优6号和旱优113的稻米加工品质(糙米率、精米率和整精米率)和粒型均没有显著的影响；灌浆期干旱胁迫处理下，扬两优 6号的垩白粒率和垩白度显著增加(29.00%，34.50%)，而旱优113的垩白粒率和垩白度显著降低(26.86%，25.51%)。由表3可知，灌浆期干旱胁迫对扬两优6号和旱优113的直链淀粉含量和消减值均没有显著影响，但蛋白质含量显著提高，扬两优6号和旱优113的蛋白质含量分别增加了13.10%和20.69%。

表 2 灌浆期干旱胁迫处理对稻米加工、外观品质的影响Table 2. Effect of drought stress at grain filling stage on rice milling and appearance quality.

表 3 灌浆期干旱胁迫处理对稻米营养品质的影响Table 3. Effect of drought stress at grain filling stage on rice nutrition quality.

2.4 灌浆期干旱胁迫对水稻地上部干物质积累的影响

图2 灌浆期干旱及复水对干物质积累的影响Fig. 2. Effect of drought stress and rehydration at the filling stage on dry matter accumulation.

由图2可知，在干旱处理之前(BDS)，扬两优6号和旱优113两品种之间在干物质积累上没有显著差异，但是随着干旱胁迫处理进程(DS)，旱优 113的干物质积累显著下降6.61%，但是扬两优6号与对照相比没有显著差异；复水后的第15 d，扬两优6号和旱优113的干物质积累都相比干旱处理时得到显著的恢复，扬两优6号和旱优113的干物质积累分别显著增加了35.04%和19.87%；在淹水和灌浆期干旱胁迫处理下，相较于旱优 113，扬两优 6号的干物质积累显著高了9.93% 和10.33%。

由表 4可知，在灌浆期干旱处理之前(BDS)，有50%以上的干物质积累于茎鞘中；随着生育进程的推进，茎鞘和叶片中干物质比例降低，穗中干物质积累增加；在复水后的第15 d(ARD 15)，MS处理下扬两优 6号穗部干物质分配比率显著高6.25%，而旱优 113穗部干物质分配比率则显著降低了6.82%。

2.5 灌浆期干旱胁迫对水稻叶片生理活性的影响

2.5.1 灌浆期干旱胁迫对叶片水势(LWP)和气叶温差(ALTG)的影响

由图 3-A可知，灌浆期干旱胁迫下(DS)， 扬两优 6号和旱优 113的 LWP分别显著下降了67.59% 和57.34%；在复水后2 d(ARD 2)，相比干旱处理时期，扬两优6号和旱优113的叶片水势分别显著回升了27.16% 和24.52%，但均没有恢复到对照水平；在复水后15 d(ARD 15)，叶片水势与对照均没有显著差异。

由图 3-B可知，灌浆期干旱胁迫下(DS)， 扬两优 6号和旱优 113的气叶温差分别显著下降了44.11% 和46.32%；在复水后2 d(ARD 2)，扬两优6号和旱优113的气叶温差显著回升了49.37% 和62.18%，均恢复到对照水平；在复水后 15 d(ARD 15)，扬两优6号和旱优113的气叶温差均呈现降低趋势，但是与对照没有显著差异。

2.5.2 灌浆期干旱胁迫对叶片光合速率的影响

由图4可知，与传统淹灌(F)相比，灌浆期干旱胁迫显著降低了水稻叶片的光合速率，扬两优6号和旱优113的光合速率分别显著下降了20.67% 和22.66%；复水后2 d(ARD 2)，扬两优6号和旱优113的光合速率显著回升了26.11% 和27.05%，与传统淹灌相比没有显著差异；之后随叶片衰老进程的推进扬两优6号和旱优113的光合速率呈现显著下降趋势，在复水后15 d(ARD 15)，与传统淹灌相比没有显著差异。

表4 灌浆期干旱胁迫及复水对不同器官干物质分配的影响（2018）Table 4. Effect of drought stress and rehydration at grain filling stage on the distribution rate in different organs of drymatter in rice (2018). %

3 讨论

3.1 灌浆期干旱胁迫对叶片生理活性的影响

叶片水势是反映植物体内水分亏缺状况最直接的指标，是调节植物细胞水分的重要阀门[19]，同时叶片水分状态与气孔调节下的蒸腾作用关系紧密，是影响叶片温度变化的重要因素[20]。叶片水势和温度是植物光合作用的重要基础。曲延英等[21]研究发现，在干旱条件下叶片水势与水稻产量和抗旱系数呈现显著正相关。在干旱条件下，叶片水势降低，当叶片水势过低超过临界值时，水分在植物体内的运输受到严重阻碍，最终导致植物死亡[22-24]。张文忠等[25]在水稻灌浆结实期进行梯度干旱胁迫，发现叶片水势降低的过程中伴随着叶片温度的升高，当干旱胁迫严重时叶片温度与大气温度之间的绝对差值越来越小，且在灌浆前期表现明显，叶片温度与水稻产量呈现显著负相关。在水稻叶片没有遭受结构性损伤的情况下及时补水，叶片水势可以恢复到正常水平，其生理功能也能够得到一定的恢复[26]。本研究中，灌浆期干旱胁迫下，水稻叶片水势和气叶温差显著降低，但是复水之后，叶片水势升高，叶片温度降低，并与对照相比没有显著的差异，叶片的生理功能恢复到正常水平(图 3-A和 3-B)。叶片水势和叶片温度的变化最终会影响叶片光合作用，有研究认为水稻在孕穗期干旱胁迫下光合速率显著下降(60%)，而在灌浆期干旱胁迫下降低 20%左右，这可能是不同生育阶段对干旱敏感程度差异所致[27]。本研究发现，结束干旱胁迫以后复水，叶片光合速率能够恢复到对照水平，直到收获与对照没有显著的差异，但是没有超补偿现象发生(图4)。干旱胁迫结束以后复水对作物具有一定的补偿作用，但作物在逆境之后获得补偿需要一定的条件，在不同生育期、干旱胁迫程度以及干旱胁迫持续时间影响下的补偿作用也存在差异[28]。植物的光合作用是一个非常复杂的生理生化过程，如何调节干旱胁迫下作物的光合生产能力，增强作物对水分亏缺的适应性，提高复水后水稻在光合产物积累的补偿作用，对干旱环境下稳定水稻产量具有重要作用。

图3 灌浆期干旱及复水对叶片水势和气叶温差的影响Fig. 3. Effect of drought stress and rehydration at grain filling stage on leaf water potential and air-leaf temperature gap

图4 灌浆期干旱及复水对叶片光合速率的影响Fig. 4. Effect of drought stress and rehydration at grain filling stage on leaf photosynthetic rate

3.2 灌浆期干旱胁迫对水稻产量的影响

水稻在不同生育期对干旱的敏感性存在差异，孕穗期干旱胁迫显著降低水稻产量，且产量下降幅度与土壤水势呈显著负相关，导致产量下降的主要原因是每穗粒数、结实率和千粒重的下降；在抽穗期和灌浆期干旱胁迫下，水稻的结实率显著下降是导致产量下降的主要原因[29]；对灌浆期干旱胁迫研究表明，在土壤水势为 0 kPa，其产量显著高于传统的淹水灌溉，当土壤水势为-30 kPa至-70 kPa时，水稻产量显著下降。在轻度干旱胁迫结束后复水，地上部和根系干物质量均得到显著恢复，重度干旱胁迫下每穗粒数和结实率显著下降导致减产[16]。本研究发现，灌浆期干旱胁迫下，结实率显著升高，但是千粒重显著下降，最终导致水稻产量降低(表1)，但是并未达到显著水平，且在复水后15 d，干物质积累与对照没有显著差异(图2)。本研究发现灌浆期干旱胁迫下水稻结实率显著升高，这与李国生等[30]的研究结果一致，灌浆期轻度干旱胁迫会加速水稻籽粒灌浆，增加籽粒中淀粉积累，从而提高结实率，但是在重度干旱胁迫下会显著缩短籽粒灌浆时间，籽粒淀粉积累量显著下降，最终导致结实率降低。水稻产量形成80%来源于营养生长和生殖生长的并进阶段，该阶段如果可以保证干物质的积累，对于水稻灌浆期灌浆顺利进行具有重要的作用。在本研究中灌浆期干旱胁迫下，水稻产量虽然有降低的趋势，但是没有达到显著的水平，这也为干旱环境下水稻稳产提供了理论支持。

3.3 灌浆期干旱胁迫对稻米品质的影响

水稻的稻米品质主要包括外观品质、加工品质、蒸煮品质、食味品质和营养品质五个方面，稻米品质性状是多个数量遗传基因控制的，灌浆结实期的外部环境(气温、土壤水分状况以及植株营养状况)对花后干物质转运、籽粒形成过程有显著的影响[31]。一般来说对稻米品质的形成阶段在灌浆期，而且不同品种之间存在显著差异，且很多研究认为温度是影响稻米品质的关键因子，但是水分胁迫对稻米品质的形成也存在一定的影响[32-33]。本研究发现，灌浆期干旱胁迫对两个水稻品种的加工品质没有显著的影响，扬两优6号的垩白粒率和垩白度显著升高，而旱优113的垩白粒率和垩白度显著降低，同时干旱胁迫还降低了直链淀粉的含量，增加了蛋白质含量(表2和表3)。两个品种的外观品质变化趋势相反，品种特性和干旱胁迫程度是造成这种差异的主要原因。旱优113属于节水抗旱稻，其抗旱能力要强于杂交稻扬两优6号，适度的干旱胁迫对改善节水抗旱稻的垩白粒率和垩白度具有一定促进作用，但是扬两优6号这种对水分偏敏感的品种外观品质则受到影响较大。研究认为水稻生育后期的库源关系对稻米外观品质影响较大，源的不足是造成垩白增加的主要原因[31]，在干旱胁迫下，干物质积累减少，灌浆速度加快、灌浆时间缩短，导致稻米的垩白粒率和垩白度均显著升高，且随着干旱胁迫的加剧而加重[17]。研究表明，光合产物和氮素由植株向籽粒的转运是稻米蛋白质含量增加的主要原因[34]。水稻在灌浆期中度干旱胁迫下稻米蛋白质含量增加，有研究认为，干旱胁迫会伴随着一定程度的高温，干旱和高温双重胁迫促进氨基酸和可溶性蛋白由植株向籽粒运输，从而促进籽粒蛋白质合成[35-36]。

4 结论

在水稻生殖生长阶段，干旱胁迫对水稻的生长发育具有显著的抑制作用，且在不同的生育时期对水稻生理影响的机理存在明显的差异。灌浆期轻度干旱胁迫对产量的影响较小，水稻叶片的各生理活性在干旱胁迫时显著降低，但干旱结束后复水可使叶片的生理活性恢复到正常水平，直到收获。此外，水稻生育前期为后期籽粒充分灌浆提供充足的库源积累，是稳定籽粒产量的关键。因此，适当在生育后期减少水分的投入，不仅可节约农业用水，稳定籽粒产量，还有利于稻米品质的改善。