冬小麦花后旗叶光合特性、碳代谢对灌水时期及次数的响应

2021-06-05张晓琪杨思史勇峰徐家瑞杨珍平高志强

灌溉排水学报 2021年5期

张晓琪，杨思，史勇峰，徐家瑞，杨珍平*，高志强

（1.山西农业大学农学院，山西太谷 030801；2.太谷区气象局，山西太谷 030801）

0 引言

【研究意义】小麦是我国重要粮食作物之一，对保障国家粮食安全具有极其重要的作用。山西是我国重要的强筋中筋小麦生产区，其中水地小麦占50%左右[1]；山西是水资源较为缺乏的省份之一，多年平均水资源可利用量为83.8 亿m3，为全国的67.7%，亩均占有水量只有全国的11%[2]。随着全球水资源紧缺日趋严峻，旱作节水成为该区小麦生产的重要研究课题，研究合理灌溉制度对冬小麦节水高效生产具有重要意义。【研究进展】诸多学者在灌水对冬小麦生产的影响方面进行了研究。研究发现，干旱胁迫下小麦的光合特性均有所降低，不利于光合产物积累[3]，且易造成可溶性糖在叶片中累积，从而增加小麦的渗透调节作用[4]。适度灌水有利于提高小麦旗叶净光合速率，延长光合功能持续期，提高产量[5]。Doehlert 等[6]认为增加灌水量能有效提高灌浆中后期冬小麦旗叶SPS 和SS 活性，使得籽粒中蔗糖供应充足，有利于籽粒淀粉积累，提高籽粒质量[7]。与灌水量相比，灌水时期同样对小麦生长有显著影响，有研究表明，冬水可以保证壮苗，促进小麦生育前期的形态构建，保证生育后期光合器官结构的完整性[8]，拔节期为冬小麦对水分较为敏感的时期，不宜进行亏缺灌溉[9]，孕穗期灌水可保花增粒，提高千粒质量[10]。刘丽平等[11]研究发现，灌拔节水和孕穗水的小麦群体光合同化能力最强。吴金枝等[7]研究指出，孕穗期和灌浆期增加灌水能提高灌浆中后期旗叶和籽粒中蔗糖量、蔗糖合成酶（SS）活性、蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性。王家瑞等[12]研究发现，正常降雨年份灌拔节水，干旱年份灌拔节水+孕穗水，有利于获得小麦高产。

【切入点】虽然目前在冬小麦灌水组合方面已有大量研究，但由于研究地区不同，小麦节水高产的灌溉制度也有所不同[13-14]。【拟解决的关键问题】本研究拟在晋中麦区，以冬小麦花后旗叶光合特性、碳代谢及籽粒质量为考察对象，探讨冬小麦产量形成的3个关键生育时期灌水（越冬水、拔节水、孕穗水）的不同组合效应，以期为该地区冬小麦优质节水灌溉方式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2019 年度在山西省晋中市太谷区申奉村山西农业大学小麦试验田（112°28'―113°01′E，37°12′―37°32′N，海拔803 m）进行。该区年均气温10.4℃，年均日照时间2 527.5 h，年均蒸发量1 765.9 mm，无霜期179 d，年均降水量397.1 mm。全年降水季节分布不均，夏休闲期（7—8 月）降水量较多，约占年降水量的55%左右；小麦生长期间总降水量为167.7 mm，较为干旱，试验地地下水埋深10 m 以下。试验田土壤类型为石灰性褐土，土质为壤土，播前0～20 cm 土层养分量为：有机质量19.51 g/kg，全氮量1.38 g/kg，速效磷量5.21 mg/kg，碱解氮量49.24 mg/kg，pH 值8.12。

1.2 试验材料

供试小麦品种：CA0547，冬性，强筋，由中国农业科学院作物科学研究所育成。

1.3 试验设计

采用单因素随机区组设计，在无底墒水基础上设置7 个灌水处理（表1），每个小区面积为88 m2（11 m×8 m），重复3 次，共24 个小区，灌水方式为漫灌，各小区间设1 m 宽隔离区，以防水分侧渗，灌水量用水表控制。田间管理技术与当地生产一致。

表1 灌水试验设计Table 1 Irrigation amount of treatments

于2018 年9 月23 日采用施肥播种一体机播种小麦，行距20 cm，播量225 kg/hm2，同时施加复合肥（N、P2O5、K2O 质量比为18∶18∶18，山东康田化肥有限公司）为基肥，用量600 kg/hm2，生长阶段不再追肥，于2019 年6 月22 日收获。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 光合参数测定

小麦开花后每5 天在晴朗天气的09:00―11:00，自然光照下使用CI-340 便携式光合仪测定旗叶光合参数，包括净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）。每小区选择具有代表性的旗叶5 片，取平均值作为观测结果。

1.4.2 蔗糖磷酸合成酶（SPS）、蔗糖合成酶（SS）活性测定

于开花期选取同1 天开花、发育正常、长势一致的单茎挂牌标记，各处理均在开花后每5 天取1 次标记植株样本的10 株单茎，共取样8 次。取新鲜旗叶待测蔗糖磷酸合成酶（SPS）、蔗糖合成酶（SS）活性。

酶液提取：参考Doehlert[6]的方法，称取旗叶鲜样0.25 g，倒入研钵，加0.25 mL pH7.5 的Hepes-NaOH缓冲液，冰浴研磨成浆，10 000 rpm 4 ℃下离心10 min，取上清液即为酶液。

SPS、SS 活性测定：参照薛应龙[15]和Wardlaw[16]的方法，SPS 活性测定：100 μL 酶液加100 μL pH7.5的Hepes—NaOH 缓冲液，40 μL 0.05mol/L 的MgCl2，40 μL 0.1 mol/L 的UDPG，40 μL 0.1 mol/L 的6-磷酸果糖，37℃水浴30 min 后，加0.4 mL 1 mol/L 的NaOH沸水浴10min 后终止反应，加3 mL 30%浓盐酸和1 mL 0.1%间苯二酚，摇匀并于80℃水浴1 h，冷却后于480 nm 处比色测定吸光度值，根据蔗糖标准曲线计算蔗糖量。SS 活性测定：40 μL 0.1 mol/L 的果糖代替6-磷酸果糖，其余均按SPS 的测定方法。用单位鲜质量植物材料每小时催化生成的蔗糖质量（mg）表示SPS、SS 活性（mg/（g·h））。

1.4.3 蔗糖、可溶性糖及籽粒淀粉量测定

开花后每5 天取10 株单茎，旗叶取样8 次，籽粒取样9 次。人工剥离籽粒，置于纸袋，将旗叶和籽粒于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒质量，称量籽粒质量。将旗叶、籽粒干样粉碎后过0.15 mm 筛，待测可溶性糖量、蔗糖量、淀粉量。

蔗糖量采用间苯二酚法测定，可溶性糖量、淀粉量采用蒽酮比色法测定[17]。

1.5 数据处理与统计分析

采用Excel 2010 软件进行数据处理、作图，使用SAS 8.1 软件进行显著性分析（P<0.05），运用SPSS 26.0 软件进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 冬小麦花后旗叶光合特性

图1 反映了不同灌水处理下冬小麦花后旗叶光合特性的动态变化。由图1（a）—图1（c）可知，随着生育进程推进，各处理冬小麦花后旗叶Pn和Gs变化趋势基本一致，均在5 月16 日达到最高值；除WJB 处理，各处理Tr均在开花后表现为逐渐下降，WJB 处理则在5 月16 日达到最大值，而后呈降低趋势，至6 月15 日降至最低。在5 月16 日，灌1 水处理中，B 处理旗叶Pn、Tr高于J、W 处理；灌2 水处理中，旗叶JB 处理的Pn、Tr明显高于其他2 个处理；灌3 水WJB 处理的Pn、Gs低于灌2 水JB 处理，说明增加灌水次数虽然有利于旗叶Pn、Gs提高，但并非越多越好；而Tr表现为灌3 水处理最高，说明在一定的灌水范围内，灌水次数越多，旗叶Tr越大。总之，孕穗期灌水（B、JB、WB、WJB 处理）可提高冬小麦旗叶Pn、Gs、Tr，有利于光合产物积累，从而保证光合作用进行。

2.2 冬小麦花后旗叶SPS、SS 活性及蔗糖量、可溶性糖量

由图2 可知，旗叶SPS 和SS 活性及蔗糖量、可溶性糖量均随灌浆进程呈单峰曲线变化，其中SPS和SS 活性均在5 月26 日达到最大值，而蔗糖量和可溶性糖量则在处理间有差异，表现为CK、W 处理及J 处理在5 月26 达到峰值，其他处理则在5 月31 日达到峰值，之后急剧下降。5 月26 日，与CK 相比，灌2 水（JB、WB 处理）明显提高了旗叶的SPS、SS活性和可溶性糖量。5 月26 日至31 日，旗叶SPS 和SS 活性，在灌1 水处理中，表现为B 处理>J 处理>W处理；灌2 水处理中，JB 处理>WB 处理>WJ 处理；灌3 水WJB 处理仅次于JB 处理。5 月31 日，旗叶可溶性糖量和蔗糖量，灌1 水处理中，B 处理高于J、W 处理；灌2 水处理中，旗叶蔗糖量表现为JB 处理>WB 处理>WJ 处理，旗叶可溶性糖量表现为JB 处理高于WJ、WB 处理，灌3 水WJB 处理的旗叶蔗糖量低于WB、JB 处理，旗叶可溶性糖量表现为灌3水WJB 处理最高。由此说明，孕穗期灌水（B、JB、WB、WJB 处理）可以维持旗叶较高的SPS 和SS 活性，促进源器官（旗叶）蔗糖合成，从而为小麦籽粒灌浆提供足量源物质。

2.3 冬小麦花后籽粒蔗糖量、可溶性糖量、淀粉量及千粒质量

图3为不同灌水处理下冬小麦籽粒千粒质量、蔗糖量、可溶性糖量、淀粉量。由图3可知，随灌浆进程推进，不同灌水处理的籽粒蔗糖量和可溶性糖量均以5月16日的值最高，5月16—31日急剧下降，之后下降缓慢。籽粒淀粉量和千粒质量则呈上升趋势，淀粉量在5月16—31日增长平缓，31 日后增长迅速，至6月20日达到最大值；千粒质量在5月16—31日增长迅速，之后增长平缓，6月20日达到最大值。5月16日—6月10日，与CK 相比，灌2水WB、JB处理和灌3水WJB处理明显提高了籽粒蔗糖量、可溶性糖量和淀粉量，说明增加灌水可提高小麦籽粒可溶性糖量，能维持较高的蔗糖供应，有利于蔗糖量在籽粒中聚合为更多淀粉，而千粒质量则在5月16日—6月10日随灌水次数增加反而降低。灌1水处理中，籽粒蔗糖量、可溶性糖量在5月16日表现为B处理>J 处理>W 处理，籽粒淀粉量在5月16日—6月15日表现为B处理>J、W 处理；千粒质量在花后5 月16 日—6 月10 日表现为B 处理>W处理>J 处理。灌2水处理中，籽粒蔗糖量、可溶性糖量、淀粉量在5月16—26日表现为JB处理>WB处理>WJ 处理，千粒质量在5月16—26日表现为WB处理>JB、WJ处理，6月5—20日表现为JB处理>WB处理>WJ处理。灌3 水WJB处理在5月26日的籽粒蔗糖量、可溶性糖量低于JB处理，淀粉量及千粒质量低于JB、WB处理。

2.4 不同灌水处理下籽粒产量

图4为不同灌水处理下冬小麦籽粒产量。由图4可知，灌水处理籽粒产量均显著高于CK（P<0.05），随灌水次数的增加，籽粒产量表现为增加趋势。其中灌1水处理的产量较CK提高35.57%～54.14%，表现为W 处理>J处理>B处理，处理间差异不显著；灌2水处理产量较对照提高58.68%～63.64%，表现为WB处理>JB处理>WJ 处理，处理间差异不显著；灌3水WJB处理较对照提高85.20%，且显著高于其他处理（P<0.05）。说明灌水次数的增加有利于提高籽粒产量。

2.5 冬小麦花后碳代谢指标与籽粒质量的相关分析

小麦花后碳代谢指标与籽粒质量相关分析如表2所示。如表2 可知，千粒质量与籽粒淀粉量极显著正相关（P<0.01），千粒质量和籽粒淀粉量与旗叶净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、旗叶SS 活性、旗叶蔗糖量和可溶性糖量、籽粒蔗糖量和可溶性糖量极显著负相关（P<0.01），旗叶SPS 活性与千粒质量显著负相关（P<0.05），与籽粒淀粉量极显著负相关（P<0.01）。旗叶净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、旗叶SPS 和SS 酶活性、旗叶蔗糖量和可溶性糖量、籽粒蔗糖量和可溶性糖量之间极显著正相关（P<0.01）。

表2 冬小麦花后碳代谢指标与籽粒质量的相关分析Table 2 Correlation analysis of carbon metabolism after anthesis and grain weight in winter wheat

3 讨论

3.1 不同灌水时期和次数对冬小麦光合特性的影响

本研究结果表明，与CK 相比，灌水有利于提高花后冬小麦旗叶Pn、Gs、Tr，进而生成更多的光合同化产物，与徐学欣等[5]研究结果一致。有研究发现，影响小麦旗叶Pn高低的因素主要有气孔部分关闭导致的气孔限制和叶肉细胞光合活性下降导致的非气孔限制2 类[18]。CK 的冬小麦旗叶Pn、Gs最低，可能是水分胁迫引起叶片水分散失和水势下降，气孔开放程度减小，气孔阻力增加，CO2进入叶片受阻，导致旗叶由于光合底物（CO2）不足而引起光合速率降低。在灌水条件下冬小麦花后旗叶净光合速率呈先增后降趋势，与郭培武等[19]研究结果一致，与刘卫星等[20]研究结论存在一定差异，其原因可能与品种的自身特性，气候条件，干旱程度，土壤温度和含水率及测定时期等不同有关。不同灌水处理的旗叶净光合速率均在5 月16 日下降，其原因可能是小麦生育后期的高温季节，导致气孔导度下降，电子传递受阻，影响了光能利用率，从而影响净光合速率[21]。另外，灌溉时间适度后移，可以延长灌浆时间，提高叶片光合速率，从而积累更多的光合产物，达到增产目的[15]。本试验与刘丽平等[11]研究一致，灌拔节水+孕穗水（JB 处理）小麦旗叶群体光合同化能力最强。

3.2 不同灌水时期和次数对冬小麦花后碳代谢的影响

随灌水次数增加到2 水，旗叶SPS 和SS 活性呈上升趋势，与Doehlert 等[6]研究结果一致。灌孕穗水的JB、WB 处理通过提高旗叶SPS 和SS 活性进而提高旗叶中蔗糖供应，即增加光合器官中光合产物的供应，有利于提高籽粒中蔗糖量，从而提高淀粉量。旗叶SPS 和SS 随灌浆进程推进呈单峰曲线变化，在5月26 日达到最大值，可能是与净光合速率在花后5月21 日之内保持较高水平有关。灌水可提高灌浆期旗叶蔗糖量、可溶性糖量的代谢强度，从而提高籽粒中蔗糖量、可溶性糖量，有利于籽粒淀粉积累，与吴金芝等[7]研究结果一致。有研究表明，花后旗叶可溶性总糖的变化为单峰曲线[22]。本试验中，小麦花后旗叶可溶性总糖也呈单峰曲线变化，5 月11—21 日蔗糖量和可溶性碳水化合物量较低，可能与穗部发育需要较多的光合产物，叶片可溶性碳水化合物和蔗糖的大量输出有关；在5 月31 日达到高峰期，可能与此时旗叶具有较高活性的蔗糖合成酶系统有关；后迅速降低，一方面是灌浆后期叶片衰老，光合能力降低，参与蔗糖代谢的酶活性降低，导致旗叶中蔗糖量降低，光合产物以蔗糖形式向外输出，另一方面是籽粒合成淀粉对蔗糖的需求增加。在籽粒中可溶性糖是淀粉合成的底物，其量高低与淀粉积累有关。灌浆过程中在5 月31 日籽粒可溶性糖量急剧下降与淀粉量快速上升趋势相吻合，在灌浆前期可溶性糖量较高，为淀粉量提供了充足的底物供应。相同灌水次数情况下，生育后期灌水（B、JB 处理）与生育前期灌水（W、WJ 处理）相比，前者更有利于蔗糖和可溶性糖在旗叶和籽粒中代谢，这可能与干旱复水后冬小麦的补偿效应及糖代谢的反馈调节有关系。另外，灌水次数最多的WJB 处理，其旗叶和籽粒中蔗糖和可溶性糖代谢受到抑制，原因可能是过量灌溉对糖的稀释作用，不利于源库物质代谢。本试验结果表明，在保证灌水量的同时合理安排灌水时期（JB、WB 处理）才能使冬小麦旗叶和籽粒在花后保持较高的碳代谢活性，促进蔗糖、可溶性糖从源叶输入籽粒中，保证其在籽粒中快速转化，增加源器官固定同化物的能力，延缓叶片衰老，维持叶片光合能力，提高灌浆过程中蔗糖合成，有利于籽粒淀粉的积累。

千粒质量与籽粒淀粉量极显著正相关，与旗叶可溶性糖量和蔗糖量极显著负相关；籽粒淀粉量与籽粒蔗糖量极显著负相关，与王蔚华等[23]、张礼军等[24]研究一致。另外，千粒质量和籽粒淀粉量与旗叶净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、旗叶SPS 和SS 酶活性、可溶性糖量极显著负相关。一方面可能是由于小麦旗叶光合特性在5 月11—21 日保持较高水平，旗叶SPS 和SS 在5 月26 日达到最大，随后降低，而籽粒正处于灌浆中前期，蔗糖量较高，淀粉合成初期积累速度慢，最大积累速度出现在花后18 d 左右，此时的旗叶光合特性、SPS 和SS 活性降低，旗叶中蔗糖量和可溶性量糖转移到籽粒中，经过一系列酶催化下合成淀粉，此时，旗叶和籽粒中糖量降低，淀粉量增高。另一方面是因为小麦籽粒淀粉的累积，其物质来源主要有2 个方面，其一是开花后籽粒形成期间叶片和穗等器官中的即时光合产物，其二是茎鞘等营养器官中在开花前和籽粒灌浆起始阶段贮存的非结构碳水化合物的再动员。在灌浆后期，叶片光合功能迅速下降，从而使非叶器官尤其是穗部，成为籽粒充实的主要光合供源[25-26]，因此旗叶光合能力下降，但千粒质量提高。本研究中，旗叶净光合速率与旗叶SPS 活性极显著正相关；旗叶蔗糖量和可溶性糖量与籽粒蔗糖量和可溶性糖量极显著正相关，与潘庆民等[27]、姜东等[28]研究结果一致。说明“源”器官中光合速率高，蔗糖的合成代谢旺盛，蔗糖量高；“库”器官中蔗糖供应充足，蔗糖的降解代谢旺盛，有利于籽粒中淀粉的积累，籽粒蔗糖量降低，淀粉量升高，最终提高籽粒质量。

3.2 不同灌水时期和次数对冬小麦产量的影响

与CK 相比，冬小麦产量随灌水次数的增加而提高，千粒质量反而下降（除JB、WB 处理），与王永华等[29]研究结果一致，这主要是因为前期土壤中缺水会导致小麦分蘖减少，此外，前期水分充足而后期水分缺失会影响籽粒的灌浆而最终影响产量，因此，冬小麦产量随灌水次数的增加而提高；小麦千粒质量受多种因素的影响，可能是由于没有足够的水分供应，使得小麦开花早，灌浆时间较长，籽粒质量增加[30]。另一方面是由于小麦籽粒质量的提高与灌浆速率密切相关，而籽粒灌浆速率主要由库强决定，库强取决于库容量和库活性2 个方面。库容量一般包括胚乳细胞数目和大小等，而库活性则包括碳代谢相关酶的活性及其他生理指标[23]，干旱会使单粒胚乳细胞数增加，提高籽粒质量[31]；干旱能明显提高灌浆前、中期淀粉合成相关酶活性，而降低其灌浆后期的酶活性，有利于提高籽粒灌浆速率而使库活性增强，从而使籽粒质量增加[32]。关于灌水条件下小麦籽粒库容即胚乳细胞数的变化和库活即淀粉合成的相关酶活性（ADPG 焦磷酸化酶（AGPase）、可溶性淀粉合成酶（SSS）和结合态淀粉合成酶（GBSS）、淀粉分支酶（SBE））有待于进一步研究。另外，相较于灌水次数，灌水时期同样对冬小麦籽粒产量有一定影响。在本试验研究下，灌2 水即越冬期和孕穗期（WB 处理）小麦产量高于拔节期和孕穗期（JB）处理，与王家瑞等[12]结果有差异，这可能是由小麦越冬前降水不足导致的，提供充足的越冬水可以促进小麦分蘖的产生，进而提高单位面积小麦的穗数，另一方面是小麦品种不同及当地降水量的差异。