受渍小麦土壤氧含量的变化特征及渍害指标确定

2022-03-18杨小琴李雨婷袁军委蒋舜尧熊勤学

南方农业学报 2022年11期

万肖，杨小琴，李雨婷，向前，袁军委，蒋舜尧，熊勤学

（长江大学农学院，湖北荆州 434025）

0 引言

【研究意义】渍害是影响长江中下游冬小麦生长的农业气象灾害之一，冬小麦作为该区域主要的种植作物之一，受渍害影响所带来的小麦减产频率在30%左右（吴洪颜等，2018）。确定渍害发生标准是开展渍害研究的重要基础，土壤氧含量能准确反映小麦渍害对根系呼吸速率的影响。因此，分析小麦品种不同受渍时期的土壤氧含量变化特征，并构建基于土壤氧含量的小麦渍害指标，对有效控制小麦受渍损失、减缓受渍程度及确保粮食安全均具有重要意义。【前人研究进展】国内外对小麦受渍机理的研究较多（Dickin and Wright，2008；熊勤学等，2016；Ding et al.，2020；Yang et al.，2021），目前描述小麦渍害的受渍指标主要基于4种特征量，分别是地下水位埋深、土壤表层水含量、表层土壤氧含量和前期累积降雨量（API指数）。以地下水位埋深判定小麦受渍指标特征量的研究指出，当地下水位在30 cm以内时就属于渍水（Shaw and Meyer，2015）。如吴启侠等（2017）研究得出适合冬小麦在孕穗期和灌浆期2个时期地下水埋深最优值分别为50.7和57.1 cm。地下水埋深以江汉平原地区为代表对防涝渍具有实际的参考性价值与应用性意义，但由于该指标只考虑到农田水分特性，称其为涝渍田的判断指标更为确切。以土壤表层水含量判定小麦受渍指标的研究指出，当相对土壤水含量达95%且持续5 d时，就认为发生了渍害（熊勤学，2015）。朱自玺和牛现增（1987）研究得出轻壤土冬小麦拔节—抽穗和抽穗—成熟时期适宜生长的土壤水含量下限指标分别为13.1%和14.3%；方文松等（2010）则得出上限指标分别为62.4%～69.1%和64.2%～72.7%，此受渍指标适合于农田过度灌溉引起的渍害。以土壤氧含量判定小麦受渍指标的研究指出，当土壤氧含量低于10 mg/L以下时为渍害发生的阈值（Shaw and Meyer，2015），且随着渍水时间延长，氧含量逐渐降低（Lacroix et al.，2021）。前人研究发现，若土壤氧含量在5.0和2.5 mg/L时，根系对氧气的吸收分别减少40%和70%（Morris，2001），土壤氧含量不仅受土壤水分的直接影响，还受温度的间接影响（张静等，2014）。当发生渍害时，会导致根系局部缺氧，根系生长发育受阻（李波等，2012），作物倒伏率增加（Yordanova and Popova，2007），进而导致作物产量下降（Smethurst et al.，2005；Greenway et al.，2006），从某种意义上来讲，判断作物是否受到渍害，其主要判断依据就是该作物受到渍害时所产生的低氧胁迫（Bengough et al.，2011；Grzesiak et al.，2016），氧气的消耗主要是以土壤中的根系为主，当土壤中的小麦根系在低氧胁迫下持续24 h后可重新生长，持续15～30 h还可增加其耐缺氧能力（Herzog et al.，2016），说明这一指标能较好反映作物的品种耐渍特征，因以相比上述2种仅考虑土壤水分特征的受渍指标，以土壤氧含量为特征量的受渍指标更加准确。【本研究切入点】前人对小麦渍害的研究多集中在受渍机理研究基础，而对受渍指标的研究特别是以土壤氧含量作为渍害发生标准的研究较少。【拟解决的关键问题】以耐渍小麦品种扬麦11与不耐渍小麦品种郑麦7698为试验材料，以土壤氧含量作为研究出发点，分析不同品种、不同处理对冬小麦低氧胁迫受渍持续时长与产量间的关系，提出基于土壤氧含量为特征值的小麦不同品种在不同生育时期的渍害发生指标，以期为及时准确鉴别小麦是否受渍及受渍程度提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及试验材料

研究区域江汉平原位于湖北省中南部，由长江与汉江冲积而成；受亚热带季风气候影响，每年降雨较多，且年均降水量在1257.9 mm，属降雨多发地区，且多集中在4—10月；平均海拔在27 m左右；土壤类型以水稻土和潮土为主；种植农作物以水稻、小麦、油菜、棉花等为主。

试验品种选用耐渍小麦品种扬麦11（记为YM）和不耐渍小麦品种郑麦7698（记为ZM）（于晶晶等，2014）。

1.2 试验方法

冬小麦盆栽渍水试验于2020年11月—2021年5月在长江大学农学院露天试验基地（东经112°08＇，北纬30°21＇）进行。采取收纳箱（长60 cm、宽45 cm、高35 cm）进行盆栽试验，随机区组试验设计，土壤基本理化性质：pH 7.85、全氮1.19 g/kg、全磷0.77 g/kg、全钾10.45 g/kg、有机质15.84 g/kg、碱解氮58.44 mg/kg、有效磷31.12 mg/kg、速效钾106.09 mg/kg。小麦播种期为2020年11月3日，播种前期每箱土壤均匀混合复合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）17.78 g/kg，KCl 0.89 g/kg，尿素3.94 g/kg，在分蘖期追施尿素4.17 g/kg。

试验设持续渍水0（CK）、5、12和20 d共4个处理，每处理3次重复，4个处理分别在2个时期进行：拔节—开花时期（3月21日—4月7日，记为时期“1”）、开花—成熟时期（4月8日—5月8日，记为时期“2”）。渍水方式采用人工降雨形式并记录降雨量，处理期间，土壤水含量保持在田间持水量以上，渍水高度以距离土面5 cm作为渍害胁迫标准。不同持续渍水处理在同一天开始，根据不同渍水处理天数而结束。在箱上做好相应编号，编号由字母和数字组成，如YM1-5，表示扬麦11品种在拔节—开花时期渍水5 d。

1.3 测定指标及方法

土壤氧含量测定：利用光纤式氧气测量仪接氧气敏感探针测定。氧气测量仪连接1个氧气敏感探针（共3个），每天依次测定不同处理的土壤氧含量。测定时分别选取各处理相同渍水水平下重复间相同位置插入探针，且两探头插土位置在小麦根系周围，探针插入深度为5 cm，距离作物茎秆5 cm，在试验处理前每星期监测并记录1次，受渍前5 d、受渍处理期间、受渍结束后5 d每天固定时间监测并记录1次，其余时间每星期监测并记录1次。

土壤水含量测定：利用土壤水分测量仪（EM50）测量土壤相对水含量，1个水分测量仪可连接1个水分传感器（EC-5），每个探头插入土壤中的深度为5～6 cm。

产量测定：于成熟期（5月8日）每箱全部收获，记录实际重量。脱粒并晒干，风选清除杂质和空秕粒，称量风干实粒总重量。

1.4 基于产量的渍害判别标准

相对产量：本研究中受渍处理产量和对照（CK）产量的比值即为相对产量，当相对产量介于85%～95%为轻度受渍，介于75%～85%为中度受渍，低于75%为重度受渍（吴洪颜等，2018）。

1.5 统计分析

试验数据采用Excel 2019进行整理并作图，部分图表采用Origin 2016进行处理。采用SPSS 26.0进行统计分析，采用LSD法比较不同数据间的差异性，不同品种、不同处理对冬小麦受渍持续时长与产量之间的关系采用线性回归分析。

2 结果与分析

2.1 渍水处理对小麦土壤氧含量变化特征的影响

图1为拔节—开花时期扬麦11（图1-A）、郑麦7698（图1-B）和开花—成熟时期扬麦11（图1-C）、郑麦7698（图1-D）进行渍水处理5 d（上图）、12 d（中图）、20 d（下图）的土壤氧含量分别与CK土壤氧含量随日期变化的曲线图。由图1可知，小麦生育期中，CK的土壤氧含量随着时间变化主要有3个阶段：第一阶段，从苗期至拔节期，3月下旬以前，因小麦根系密度偏低，土壤孔隙多，其氧含量基本保持在20 mg/L以上，遇上降雨后变低，但雨后很快恢复正常状态；第二阶段，从拔节期至灌浆期，即4月下旬以前，随着根系密度逐步增大，根系呼吸速率增加，造成土壤氧含量逐渐降低，最后降至10 mg/L左右，影响该阶段的主要因素还是降水；第三阶段，灌浆期以后，小麦以生殖生长为主，根系呼吸维持较高水平，土壤氧含量维持在10 mg/L以下，降水对这段时间氧含量变化影响较小。

图1 扬麦11（A、C）与郑麦7698（B、D）不同时期土壤氧含量变化曲线Fig.1 Variation curve of soil oxygen content in Yangmai 11（A，C）and Zhengmai 7698（B，D）in different seedling stage-maturity periods

在拔节—开花期渍水处理期内，土壤氧含量几乎保持在5 mg/L以下，渍水处理结束时还处于第二阶段，渍水处理结束后，其土壤氧含量有一个恢复期，但由于根系受到损害和土壤长期渍水造成土壤容重增加，其值一直低于CK，受渍时间越长，其氧含量恢复量越小。在品种差异方面，不耐渍品种郑麦7698后期土壤氧含量恢复情况明显高于耐渍品种扬麦11。在开花—成熟期内进行渍水处理，由于还处于第二阶段后期，从渍水处理开始到生长结束，其氧含量均低于5 mg/L，即使渍水处理结束，土壤氧含量并没有恢复，这一时期小麦品种特性之间差异不明显。

续图1 扬麦11（A、C）与郑麦7698（B、D）不同时期土壤氧含量变化曲线Continued Fig.1 Variation curve of soil oxygen content in Yangmai 11（A，C）and Zhengmai 7698（B，D）in different seedling stage-maturity periods

经数据分析可得出，在4月下旬以前，可用土壤氧含量作为小麦渍害受渍指标，受渍土壤氧含量的阈值为5 mg/L，即可将土壤氧含量低于5 mg/L的持续期作为小麦受渍程度的指标。

2.2 渍水处理对小麦产量的影响

由图2可知，小麦相对产量与渍水处理天数呈负相关，同时扬麦11与郑麦7698在拔节—开花时期受渍处理天数对相对产量的影响均低于开花—成熟时期，说明小麦生育后期受渍害的影响大于前期。扬麦11在拔节—开花时期渍水处理5、12和20 d产量较CK分别减产15.88%、21.23%、29.34%，开花—成熟时期分别减产18.91%、27.47%、34.41%；郑麦7698在其2个生育时期较CK则分别减产12.09%、22.79%、32.8%和16.58%、29.59%、35.97%，表明扬麦11的抗逆性明显高于郑麦7698，在不同生育期的相同受渍天数处理下，开花—成熟时期受渍危害性高于拔节—开花时期。

由图2还可看出，2个品种在拔节—开花时期相对产量与渍水处理天数的二次拟合程度高于开花—成熟时期，且扬麦11的拟合程度总体低于郑麦7698，表明在不同生育期渍水，产量下降幅度与生育期有较强的相关性。扬麦11与郑麦7698产量下降拟合程度多数呈逐渐向上趋势，说明当小麦在受渍达一定时间后，会对这一时期的受渍表现出一定的自我调节和自我适应阶段。

图2 扬麦11（A）、郑麦7698（B）不同生育时期相对产量随受渍处理天数变化的一元二次拟合图Fig.2 Untary quadratic curve of relative yield change of Yangmai 11（A）and Zhengmai 7698（B）in different growth periods in waterlog treatment

2.3 土壤相对水含量对土壤氧含量的影响

如图3所示，在拔节—开花时期，扬麦11的CK土壤相对水含量整体大于郑麦7698，土壤氧含量整体小于郑麦7698，表明此时期扬麦11土壤相对水含量对氧含量影响较大，且相对水含量越大，氧含量越小。不同渍水处理期间，扬麦11土壤水含量变化幅度主要集中在（1.17～1.30 m3/m3），小于郑麦7698（0.95～1.40 m3/m3），但土壤氧含量基本保持在5 mg/L以下，表明渍水下的土壤相对水含量使土壤氧含量维持在5 mg/L以下。在开花—成熟时期，扬麦11和郑麦7698 CK与不同渍水处理期间土壤相对水含量差异较小，且土壤氧含量多数保持在5 mg/L以下，表明在生育后期渍水与否对土壤氧含量影响不明显。

图3 扬麦11（A、C）与郑麦7698（B、D）不同生育时期土壤相对水含量与土壤氧含量的关系Fig.3 Relationship between soil relative water content and soil oxygen content in Yangmai 11（A，C）and Zhengmai 7698（B，D）in different growth periods

2.4 基于土壤氧含量为特征值的小麦受渍指标确定

将5 mg/L土壤氧含量作为判别是否受渍的阈值，即将土壤低氧胁迫的持续期作为受渍持续时长，得到各处理小麦受渍持续时长，将2个小麦品种不同生育期低氧胁迫受渍持续时长与相对产量进行回归分析，结果表明，扬麦11（图4-A）和郑麦7698（图4-B）2个生育期低氧胁迫受渍持续时长与相对产量均呈极显著负相关（P＜0.01），说明低氧胁迫下，随着受渍时间的延长，产量下降明显。扬麦11和郑麦7698受渍持续时长多集中在10～30 d，表明受渍持续时间越长对产量影响越大。对应小麦渍害产量标准，在拔节—开花时期，扬麦11（图4-A）土壤氧含量低于5 mg/L分别持续7、17和25 d以上，认定受轻度、中度、重度渍害影响；郑麦7698（图4-B）分别持续8、18和24 d以上，认定受轻度、中度、重度渍害影响；扬麦11（图4-A）与郑麦7698（图4-B）在开花—成熟时期持续11、18和27 d以上，则认定受轻度、中度、重度渍害影响。

图4 扬麦11（A）和郑麦7698（B）低氧胁迫受渍持续时长和相对产量的相关关系Fig.4 Comparison of correlation between duration of waterlog and relative yield of Yangmai 11（A）and Zhengmai 7698（B）

3 讨论

江汉平原渍害成灾机理主要原因是土壤水分增加，空气中氧气减少造成作物根系、土壤性质、作物表形发生变化而引起减产（胡新民和王永林，1997；Du et al.，2021）。前人研究表明，当土壤氧含量低于10 mg/L以下时（Shaw and Meyer，2015），就认定受到低氧胁迫，而判断一个地方是否受到涝渍，可用土壤中的氧气含量来反映（Bengough et al.，2011；Grzesiak et al.，2016）。本研究得出，在4月下旬以前，可用土壤氧含量作为小麦渍害受渍指标，受渍土壤氧含量的受渍阈值为5 mg/L，此结论在前人的研究成果（Shaw and Meyer，2015）之上得出，更能符合江汉平原小麦土壤氧含量受渍特点，并及时做出针对性的解决措施。

本研究的土壤氧含量变化曲线显示，处理期间土壤氧含量基本低于5 mg/L，且持续期较长，足以说明小麦发生了渍害。本研究中，当土壤渍水排除后氧含量长期处于低氧状态，且基本监测不到氧气的存在，难以看出恢复迹象，与前人研究指出当表层土壤氧含量在渍水退去后迅速达空气中氧含量水平22.4%的结果不一致（Martinez-Olmos et al.，2011），可能与江汉平原的土壤性质与气候有关，主要原因分析如下：第一，在江汉平原地区，有着质地黏重、通透性差、土壤水含量高、易板结的特点（张佩等，2019；宋丰萍等，2010）；第二，江汉平原属于降雨多发地区，年均降雨量在1355.9 mm（李明等，2020），且在处理期间还有人工降雨，使得土壤板结更加严重；第三，本研究的处理是在小麦生育中后期，此时期根系发达，生物量多，对氧气消耗大，无氧呼吸作用高，这些原因可用来分析小麦在受渍处理结束后氧含量为何持续超低（Evans and von Caemmerer，1996）；第四，在土壤发生内涝时，通常会造成土壤压实（Wu et al.，2018），植物生长受到严重土壤压实的限制，植物更容易受到干燥条件或雨水过多的压力，可导致根系结构的变化和阻滞土壤渗透（Ripley et al.，2007；Chen and Weil，2010；Grzesia et al.，2016）。

本研究中，随着渍水天数加长，产量下降幅度增加，但在受渍达一定程度后小麦根系进行自我调节出现自适期。研究发现，小麦品种在渍水处理期间产生的次生根均以单个细胞凹陷、有机物消失的方式形成通气组织；若渍水处理前已产生次生根，不耐渍品种则以多细胞融合有机物消失的方式形成通气组织（顿新鹏和朱旭彤，2000），通气组织和不定根的形成出现自适期（Shaw and Meyer，2015）。本研究得出小麦减产速率为开花—成熟时期＞拔节—开花时期，表明不同生育时期所发生的渍害对小麦产量的影响存在差异，与丁锦峰等（2017）在小麦不同生育期进行渍水试验得出的结论基本一致。本研究中扬麦11的产量下降总体低于郑麦7968，且扬麦11的抗逆性高于郑麦7698，这与品种特性和前人研究保持一致（于晶晶等，2014）。

土壤相对水含量与土壤氧含量相辅相成，水含量越高，氧含量就越低。本研究得出，拔节—开花时期，渍水状态下的土壤相对水含量使土壤氧含量维持在5 mg/L以下，但在开花—成熟时期，渍水与否对土壤氧含量影响不明显，这与自然状态下的关系不一致，其原因可能还是与江汉平原土壤性质与气候有关（张佩等，2019；宋丰萍等，2010；李明等，2020）。

本研究结论仅基于1年试验数据，所得部分结论有待商榷，如扬麦11与郑麦7698在拔节—开花时期受到轻度、中度、重度渍害的天数只相差1 d，在开花—成熟时期所持续的天数一样等，这些结论尚需多年试验予以验证。此外，本研究为单次受渍试验，而江汉平原地区发生渍害次数较多，今后也应进一步研究渍害的发生次数及机理。但小麦受渍的实质是作物根系受到低氧或无氧胁迫，土壤氧含量作为指标能最直接、最准确判别小麦是否受渍，因此，大尺度小麦渍害监测研究重点仍将是如何分析土壤氧含量的影响因子及其变化规律。