灌溉对小麦分蘖发生和不同茎蘖光合同化物生产分配及成穗的影响

2023-04-12冯连杰于振文张永丽

作物学报 2023年6期

冯连杰于振文张永丽石玉

冯连杰于振文张永丽*石玉

山东农业大学农学院 / 作物生物学国家重点实验室 / 农业农村部作物生理生态与耕作重点实验室, 山东泰安 271018

依据土壤墒情适量灌溉可增加小麦穗数, 实现节水高产, 但该灌溉条件下分蘖发生和成穗的生理机制尚不明确。本试验于2019—2020和2020—2021两个小麦生长季, 以中穗型品种济麦22和大穗型品种山农23为试验材料, 设置全生育期不灌溉、节水灌溉和充分灌溉3个处理, 研究了不同穗型小麦分蘖发生和成穗规律。结果表明, 2个品种节水灌溉处理的分蘖节面积和反式玉米素含量、越冬期和返青期主茎最上部展开叶光合参数均高于不灌溉处理, 促进了II、III、IP、IV和其余蘖发生, 济麦22和山农23单株总茎蘖数比不灌溉处理越冬期两年度平均增加1.01个和0.75个, 拔节期分别增加0.71个和0.56个。节水灌溉处理下2个品种拔节期各茎蘖最上部展开叶光合参数、干物质重和13C同化物分配量均高于不灌溉处理, 促进了分蘖成穗, 济麦22和山农23的单株成穗数比不灌溉处理两年度平均增加0.36和0.41个, 籽粒产量增加35.00%和44.27%, 水分利用效率增加9.23%和8.55%。增加灌水至充分灌溉处理, 2个品种越冬期和拔节期单株总茎蘖数较节水灌溉处理增加, 但单株成穗数、公顷穗数和籽粒产量无显著变化, 水分利用效率降低。品种间比较, 各灌溉处理下济麦22的单株总茎蘖数和单株成穗数均高于山农23, 亦归因于济麦22较高的分蘖节面积和反式玉米素含量、各茎蘖较高的光合能力。相关性分析表明, 2个品种单株总茎蘖数、单株成穗数、公顷穗数和籽粒产量与分蘖节总面积和反式玉米素含量、主茎最上部展开叶净光合速率呈正相关, 与生长素和脱落酸含量呈负相关。说明节水灌溉通过适当增加分蘖节面积和激素含量、提高各茎蘖光合同化物生产和分配能力, 促进了分蘖发生和成穗, 获得较高的籽粒产量和水分利用效率。

灌溉; 不同穗型小麦; 分蘖发生; 同化物生产分配; 成穗

黄淮冬麦区是我国小麦主产区, 该区水资源不足导致的穗数减少是小麦产量下降的原因之一[1], 适量灌水可保证小麦获得高产所需穗数[2]。前人围绕如何通过灌水增加小麦穗数和籽粒产量进行了较多研究[3-5]。播种前灌水60 mm使中穗型品种济麦22的穗数和籽粒产量分别提高16.13%和35.58%[6]。Xie等[7]研究表明, 与全生育期不灌水相比, 小麦拔节期和开花期各灌水90 mm的单位面积穗数增加12.60%, 籽粒产量提高21.25%。本团队前期研究表明, 在小麦关键生育时期依据土壤墒情进行补灌是一种节水高产的灌溉方式, 且明确了小麦拔节期和开花期将0～40 cm土层土壤相对含水量灌溉至70%可获得较高的穗数和籽粒产量, 提高水分利用效率, 是节水高产的灌溉处理[8-9], 但目前该灌溉条件下小麦增穗的机理尚不明确。

小麦群体由主茎和分蘖组成, 其中主茎成穗较为稳定, 分蘖发生和成穗是决定穗数的重要因素[10-11]。小麦冬前分蘖节发育状况和内源激素含量、各茎蘖光合同化物生产和分配对分蘖发生和成穗有显著影响[12-15]。小麦分蘖节玉米素可促进分蘖发生, 生长素抑制分蘖发生, 脱落酸诱导分蘖死亡[16]。分蘖发生所需光合同化物主要由主茎供给, 主茎叶片光合速率过低不利于单株分蘖数增加[17]。小麦开花前光合同化物在分蘖的分配量过低, 会影响穗部发育, 降低分蘖成穗率[18]。

前人关于灌水对小麦穗数和产量的影响研究较多, 但在依据土壤墒情进行灌溉条件下小麦分蘖发生和成穗的生理机制尚鲜见报道, 提高穗数的原因尚不明确。本研究选用分蘖成穗率不同的中穗型和大穗型小麦品种, 深入研究了该节水灌溉方式下2种穗型小麦分蘖节结构和内源激素含量、不同茎蘖光合同化物生产分配及成穗, 阐明了小麦穗数增加的生理机制, 以期为小麦节水高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

试验于2019—2020小麦生长季在山东省泰安市山东农业大学实验农场(36°9′N, 117°9′E)、2020— 2021小麦生长季在山东农业大学汶阳田现代农业产业园(35°5′N, 116°5′E)进行。土壤类型为壤土, 前茬作物为玉米, 收获后秸秆粉碎还田。2019—2020年小麦播种前试验田0～20 cm土层土壤有机质1.21%、全氮1.17 g kg–1、速效磷(P) 46.14 mg kg–1、速效钾(K) 112.86 mg kg–1和碱解氮104.74 mg kg–1; 0～20 cm和20～40 cm土层土壤质量含水量分别为13.47%和13.01%。2020—2021年小麦播种前试验田0～20 cm土层土壤有机质1.47%, 全氮1.55 g kg–1, 速效磷(P) 49.53 mg kg–1, 速效钾(K) 123.82 mg kg–1和碱解氮115.14 mg kg–1; 0～20 cm和20～40 cm土层土壤质量含水量分别为10.75%和11.81%。2个小麦生长季月平均降水量和气温如图1所示。

采用裂区设计, 小麦品种为主区, 选取分蘖成穗能力不同的中穗型品种济麦22 (J22)和大穗型品种山农23 (S23); 灌溉处理为副区, 设3个水平: 全生育期不灌溉(W0); 节水灌溉(W70, 于播种期、拔节期和开花期将0～40 cm土层土壤相对含水量均灌溉至70%): 充分灌溉(W90, 于播种期、拔节期和开花期将0～40 cm土层土壤相对含水量均灌溉至90%)。于小麦灌溉前测定0～40 cm土层土壤质量含水量, 通过公式= 10 ××× (targeted–θ)计算需补充灌溉的水量[19]。公式中,为灌溉量(mm),为土层深度(cm),为土壤容重(g cm–3),targeted表示目标土壤质量含水量(%),θ表示灌溉前土壤质量含水量。采用输水带进行灌溉, 输水带最前端安装水表计量灌溉水量。2个生长季小麦播种前均底施纯氮90 kghm–2, P2O5105 kghm–2, K2O 105 kghm–2, 拔节期开沟追施纯氮90 kg hm–2。所施肥料为尿素、磷酸二铵和硫酸钾。2个小麦生长季的试验小区面积分别为16 m2(2.0 m × 8.0 m)和22.0 m2(2.2 m × 10.0 m),3次重复, 小区间设隔离区。于三叶期定苗, 留苗密度225×104株 hm–2。2019—2020生长季播种时间为2019年10月8日, 收获时间为6月4日; 2020—2021生长季播种时间为2020年10月10日播种, 收获时间6月9日。田间其他管理措施同一般高产田。

图1 2019–2020和2020–2021年冬小麦生长季月平均降水量和月平均气温

1.2 测定项目与方法

1.2.1 分蘖标记和茎蘖数调查小麦分蘖标记参考王思宇等[20]的方法。从三叶期开始, 按分蘖发生顺序挂牌标记O、I、II、III、IP和IV蘖, 其中O代表主茎, I、II、III和IV分别代表主茎第1、2、3、4片叶发生的一级分蘖, IP代表I蘖蘖鞘发生的第1个二级分蘖, 此后发生分蘖统一记为其余蘖。

于小麦越冬期和拔节期选取20株标记植株, 3次重复, 调查主茎叶龄和单株不同茎蘖发生数和单株总茎蘖数; 于成熟期调查不同茎蘖成穗数。单株不同茎蘖发生数和成穗数计算公式如下:

单株不同茎蘖发生数(stem plant–1)=茎蘖发生数/株数

单株不同茎蘖成穗数(stem plant–1)=茎蘖成穗数/株数

1.2.2 群体总茎蘖数于小麦越冬期、拔节期、开花期和成熟期选取1 m双行长势均匀的样段, 调查群体总茎蘖数(×104株 hm–2), 3次重复。

1.2.3 分蘖节面积于小麦越冬期选取3株具代表性植株, 取其分蘖节, 放入甲醛-乙酸-乙醇固定液 (FAA)中固定。样品用石蜡包埋、切片, 番红固绿染色。在Reichert生物显微镜下观察并测量各茎蘖的分蘖节面积(mm2)和分蘖节总面积(mm2)。分蘖节面积按椭圆面积计算[21]:

= π/4

式中,为分蘖节面积,和分别为分蘖节横截面的长轴(mm)和短轴(mm)。

1.2.4 分蘖节内源激素含量于小麦分蘖期取分蘖节, 采用高效液相色谱法[22]测量分蘖节反式玉米素(tZ)、生长素(IAA)和脱落酸(ABA)含量。

1.2.5 光合参数用美国LI-COR Biosciences公司生产的LI-6400便携式光合仪, 分别于小麦越冬期、返青期、拔节期和开花期的晴朗天气上午09:00—11:00, 测定叶片净光合速率(n)、蒸腾速率(r)和气孔导度(s)。其中越冬期和返青期测主茎最上部展开叶, 拔节期和开花期测各茎蘖最上部展开叶。

1.2.6 不同茎蘖干物质重和13C同化物分配量

于小麦拔节期的晴朗上午09:00—11:00用透明聚乙烯封口袋套住整个植株并用胶带密封, 用注射器注入13CO2气体45 mL, 之后立即用胶带封住针孔,防止气体泄漏。光合反应1 h后用NaOH溶液回收残留于封口袋中的13CO2气体, 之后去除封口袋。

于标记后7 d和成熟期取样。标记后7 d将样品按照标记分为各个单茎; 成熟期的样品分为单茎后, 再将单茎分为籽粒和营养器官。样品105℃杀青30 min, 80℃烘干至恒重, 称干物质重(g)。用德国Retsch公司生产的MM400混合球磨仪研磨。将英国Isoprime100稳定同位素质谱仪和德国Elementar公司生产的Vario MICRO cube元素分析仪联用, 测定样品的13值和全碳含量(%)[23]。

样品中13C丰度用F表示,

式中,PBD为碳同位素的标准比值(PBD=0.0112372)。

各茎蘖含碳量用C表示,

C(g)=干物质量(g)×%

各茎蘖13C同化物分配量用13C表示,

13C(mg)=C(g)×(F标记–F未标记)×1000

1.2.7 籽粒产量及其构成因素 2019—2020和2020—2021生长季小麦成熟期分别选取1.0 m×2.0 m和1.0 m × 2.2 m长势均匀的区域调查穗数, 随机取20穗调查穗粒数, 收获晾干后测定小区籽粒产量, 并计算公顷穗数(×104株 hm–2)和籽粒产量(kg hm–2);调查千粒重(g), 3次重复。

1.2.8 耗水量利用水分平衡法计算小麦全生育期总耗水量[24], 公式为:

ET = Δ+total++

式中, ET为小麦全生育期总耗水量(mm); Δ为小麦全生育期土壤贮水消耗量(mm);total为小麦全生育期总灌水量(mm);为小麦全生育期有效降水量(mm);为地下水供给量(mm), 本试验两处试验田的地下水埋深均超过2.5 m, 故忽略不计。

采用Hou等[25]的方法计算土壤贮水消耗量:

式中, Δ为小麦全生育期土壤贮水消耗量(mm);为土层的序号;为土层总数(本试验中测定0～200 cm土层土壤贮水消耗量, 每20 cm为一层, 土层总数为10层),γ为第层土壤容重;H为第土层厚度(cm);θ和θ分别为第土层播种期和成熟期的土壤质量含水量。

1.2.9 水分利用效率采用Al-Ghoburi等[26]的方法计算小麦水分利用效率:

WUE=GY/ET

式中, WUE为水分利用效率(kg hm–2mm–1), GY为籽粒产量(kghm–2), ET为小麦全生育期总耗水量(mm)。

1.3 数据处理

采用SPSS 26.0软件进行差异显著性比较和相关性分析, SigmaPlot 14.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 灌溉对小麦分蘖节面积、内源激素含量及比值的影响

2.1.1 分蘖节面积 2个品种越冬期主茎、I、II和其余蘖的分蘖节面积随灌溉水平提高而增加(表1), 济麦22和山农23 W90的分蘖节总面积比W0分别高86.42%和72.49%, 比W70分别高11.67%和14.86%。表明提高灌溉水平增加了分蘖节面积, 有利于增加分蘖发生数。

品种间比较, 济麦22 W0、W70和W90的主茎和其余蘖的分蘖节面积高于山农23, I和II蘖低于山农23, 分蘖节总面积比山农23分别高5.71%、17.51%和14.24%, 更有利于分蘖发生。

表1 灌溉对小麦越冬期不同茎蘖分蘖节面积和总面积的影响(2020–2021年)

“O”表示主茎; 罗马数字表示分蘖蘖位; “—”表示没有分蘖发生。不同小写字母表示数值间在0.05概率水平差异显著。

“O” represents main stem; Roman numbers are tiller position; “—” represents that tiller did not occur. Different lowercase letters are significantly different at the 0.05 probability level.

2.1.2 内源激素含量及比值 2个品种分蘖期分蘖节tZ含量随灌溉水平提高而提高, IAA和ABA含量随灌溉水平提高而降低(图2)。济麦22和山农23 W90的分蘖节tZ含量比W0分别高144.59%和84.50%, 比W70高36.58%和12.91%; IAA含量比W0低37.49%和32.23%, 比W70低15.31%和19.26%; ABA含量比W0低24.20%和18.80%, 比W70低15.20%和10.72%。2个品种W90分蘖节tZ/IAA和tZ/ABA比值高于W0和W70。说明提高灌溉水平可提高分蘖节tZ含量, 降低IAA和ABA含量, 有利于分蘖发生。

品种间比较, 济麦22 W0、W70和W90的分蘖节tZ含量、tZ/IAA和tZ/ABA比值显著高于山农23, IAA和ABA含量低于山农23, 更能促进分蘖发生。

图2 灌溉对小麦分蘖节激素含量和比值的影响

不同小写字母表示数值间在0.05概率水平差异显著。tZ: 反式玉米素; IAA: 生长素; ABA: 脱落酸。

Different lowercase letters are significantly different at the 0.05 probability level. tZ: trans zeatin; IAA: auxin; ABA: abscisic acid.

2.2 灌溉对不同生育时期各茎蘖光合参数的影响

2.2.1 越冬期和返青期主茎最上部展开叶光合参数 2个品种越冬期和返青期主茎最上部展开叶的净光合速率随灌溉水平的提高而提高(图3)。济麦22和山农23 W90越冬期最上部展开叶的净光合速率2个生长季平均比W0高36.64%和40.83%, 比W70高8.04%和13.11%; 返青期比W0高45.12%和48.57%, 比W70高7.44%和7.96%。气孔导度和蒸腾速率与净光合速率表现相同趋势。表明提高灌溉水平提高了2个品种主茎越冬期和返青期光合同化能力, 可为分蘖发生提供更多的营养供应, 增加分蘖数。

品种间比较, 济麦22 W0、W70和W90越冬期和返青期主茎最上部展开叶光合参数均高于山农23,可为分蘖发生提供更多的营养供应。

2.2.2 拔节期和开花期不同茎蘖最上部展开叶光合参数拔节期, 2个品种W70的主茎、I、II和III蘖最上部展开叶净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均显著高于W0 (图4)。增加灌水至W90, 济麦22的主茎和III蘖的上述指标高于W70, I和II蘖低于W70; 山农23的主茎、II和III蘖高于W70, I蘖低于W70。表明节水灌溉比不灌溉提高了拔节期2个品种各茎蘖光合生产能力, 有利于成穗; 增加灌水至充分灌溉, 济麦22的主茎和III蘖光合能力提高, I和II蘖降低; 山农23的主茎、II和III蘖光合能力提高, I蘖降低。

开花期, 2个品种W70的主茎最上部展开叶净光合速率、蒸腾速率和气孔导度显著高于W0 (图5); 增加灌水至W90, 2个品种主茎的上述光合参数与W70无显著差异。表明节水灌溉比不灌溉提高了2个品种开花期主茎的光合生产能力; 增加灌水至充分灌溉, 对主茎光合生产能力无显著影响。

品种间比较, 拔节期济麦22 W0、W70和W90的主茎、I、II和III蘖, 开花期济麦22 W0、W70和W90的主茎最上部展开叶净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均高于山农23, 可为各茎蘖提供更充足的营养供应, 促进穗部生长。

2.3 灌溉对不同茎蘖干物质重和13C同化物分配量

由表2可知, 标记后7 d, 2个品种W70各茎蘖的干物质重和13C同化物分配量高于W0, 是各茎蘖成穗数较高的重要原因。成熟期, 济麦22 W70的主茎、I和II蘖, 山农23 W70的主茎和I蘖的籽粒和营养器官干物质重均高于W0。济麦22 W70的主茎、I和II蘖的籽粒13C同化物分配量比W0分别高38.78%、40.43%和34.88%, 山农23 W70的主茎和I 蘖比W0高50.00%和56.96%; 2个品种各茎蘖营养器官13C同化物分配量亦显著高于W0。此外成熟期济麦22的III蘖和山农23的II蘖仅在W70处理下成穗, W0未成穗。

图3 灌溉对小麦越冬期和返青期主茎净光合速率、蒸腾速率和气孔导度的影响

不同小写字母表示数值间在0.05概率水平差异显著。

Different lowercase letters are significantly different at the 0.05 probability level.

图4 灌溉对小麦拔节期不同茎蘖净光合速率、蒸腾速率和气孔导度的影响

不同小写字母表示数值间在0.05概率水平差异显著。

Different lowercase letters are significantly different at the 0.05 probability level.

图5 灌溉对小麦开花期主茎净光合速率、蒸腾速率和气孔导度的影响

不同小写字母表示数值间在0.05概率水平差异显著。

Different lowercase letters are significantly different at the 0.05 probability level.

表2 灌溉对小麦不同茎蘖干物质重和13C同化物分配量的影响

“O”表示主茎; 罗马数字表示分蘖蘖位; “—”表示没有分蘖发生。不同小写字母表示数值间在0.05概率水平差异显著。

品种间比较, W0和W70处理下, 济麦22的主茎和I蘖标记后7 d的干物质重低于山农23, II和III蘖高于山农23; 各茎蘖成熟期营养器官和籽粒的干物质重均低于山农23。济麦22各茎蘖标记后7 d的13C同化物分配量, 成熟期各茎蘖籽粒和营养器官的13C同化物分配量均高于山农23, 是济麦22成穗能力较高的重要原因。

2.4 灌溉对不同茎蘖不同生育时期茎蘖动态的影响

2.4.1 越冬期和拔节期不同茎蘖发生数和单株总茎蘖数由表3可知, 越冬期和拔节期济麦22和山农23 W70和W90的主茎叶龄高于W0; 各处理下越冬期和拔节期2个品种的主茎和I蘖均全部发生, W70的II、III、IP和IV蘖发生数高于W0。2019—2020生长季, 越冬期济麦22 W70的II和III蘖发生数与W90无显著差异, IP和IV蘖低于W90; 山农23 W70的II蘖发生数与W90无显著差异, III、IP和IV蘖低于W90。2020—2021生长季, 越冬期济麦22 W70的II蘖发生数与W90无显著差异, III、IP和IV蘖低于W90; 山农23的II、III、IP和IV蘖发生数均低于W90。拔节期济麦22的III、IP、IV、其余蘖和山农23的II、III、IP、IV、其余蘖发生数均为W90>W70>W0。济麦22和山农23越冬期和拔节期的单株总茎蘖数均以W90最高, 2个生长季越冬期W90平均比W0增加1.36个和1.19个, W70比W0增加1.01个和0.75个; 2020—2021生长季拔节期W90比W0分别增加1.07个和1.60个, W70比W0增加0.71个和0.56个。表明提高灌溉水平加快了2个品种主茎叶片发生, 促进了各蘖位分蘖发生, 增加了单株总茎蘖数。

品种间比较, 同一时期济麦22主茎叶龄均高于山农23。越冬期济麦22 W0、W70和W90的II、III、IP和IV蘖发生数均高于山农23, 单株总茎蘖数2个生长季平均比山农23多0.59、0.85和0.75个; 拔节期济麦22的II、III、IP、IV和其余蘖发生数高于山农23, 单株总茎蘖数比山农23多1.96、2.11和1.53个。

表3 灌溉对小麦主茎叶龄、单株不同茎蘖发生数和单株总茎蘖数的影响

“O”表示主茎; 罗马数字表示分蘖蘖位; “—”表示没有分蘖发生。不同小写字母表示数值间在0.05概率水平差异显著。

2.4.2 不同茎蘖成穗数和单株成穗数由表4可知, 2个品种各处理的主茎均全部成穗。济麦22 W70的I、II和III蘖, 山农23 W70的I和II蘖成穗数显著高于W0。2个生长季济麦22和山农23 W70的单株成穗数平均比W0多0.36和0.41个。济麦22 W70的I蘖成穗数与W90无显著差异, II蘖高于W90, III蘖低于W90; 山农23 W70的I蘖成穗数高于W90, II蘖低于W90。2个品种W70的单株成穗数与W90无显著差异。表明节水灌溉比不灌溉增加了2个品种的单株成穗数, 将土壤相对含水量灌溉至90%, 尽管分蘖发生数增加, 但单株成穗数与节水灌溉无显著差异。

济麦22 W0的I和II蘖, W70和W90的I、II和III蘖成穗数均高于山农23。2个生长季济麦22 W0、W70和W90的单株成穗数平均比山农23多0.86、0.81和0.76个。

方差分析显示, 生长季、品种和灌溉水平对小麦I、II和III蘖成穗数、单株成穗数的影响均达到显著(<0.05)或极显著(<0.01)水平, 其中品种影响最大, 灌溉水平次之, 生长季影响最小。在双因素交互作用中, 生长季×品种仅对III蘖的影响显著,生长季×灌溉水平对II和III蘖影响显著, 品种×灌溉水平对各蘖位分蘖成穗数均影响显著。生长季、品种和灌溉水平3因素互作仅对I和III蘖成穗数影响显著。

2.4.3 群体总茎蘖数 2个品种的群体总茎蘖数随生育时期的推进呈先升高后降低趋势, 于拔节期达到最大值(图6)。2个品种W70的越冬期、拔节期、开花期和成熟期群体总茎蘖数均高于W0; 越冬期、拔节期和开花期的群体总茎蘖数均低于W90, 成熟期与W90无显著差异。表明提高灌溉水平促进了小麦分蘖发生, W90越冬期、拔节期和开花期的群体总茎蘖数较高, 但无效分蘖也多, 成熟期群体总茎蘖数与W70无显著差异。

表4 灌溉对小麦成熟期不同茎蘖成穗数和单株成穗数的影响

“O”表示主茎; 罗马数字表示分蘖蘖位; “—”表示没有分蘖发生。不同小写字母表示数值间在0.05概率水平差异显著。ns、*和**分别表示无显著差异、在< 0.05和在< 0.01范围内差异显著。

“O” represents main stem; Roman number represents tiller position; “—” represents that tiller did not occur. Different lowercase letters are significantly different at the 0.05 probability level.ns: no significant difference;*and**mean significant difference at< 0.05 and< 0.01, respectively.

(图6)

品种间比较, 越冬期、拔节期、开花期和成熟期济麦22群体总茎蘖数高于山农23, 表明济麦22有较强的分蘖发生和成穗能力。

2.5 灌溉对籽粒产量和水分利用效率的影响

由表5可知, 2个生长季济麦22和山农23 W70的公顷穗数、穗粒数和千粒重均显著高于W0。济麦22和山农23 W70的籽粒产量比W0平均提高35.00%和44.27%, 与W90无显著差异; 水分利用效率分别比W0提高9.23%和8.55%, 比W90提高15.31%和15.24%。

表5 灌溉对小麦籽粒产量及其构成因素、总耗水量和水分利用效率的影响

不同小写字母表示数值间在0.05概率水平差异显著。ns、*和**分别表示无显著差异、在< 0.05和在< 0.01差异显著。

Different lowercase letters are significantly different at the 0.05 probability level.ns: no significant difference;*and**mean significant difference at< 0.05 and< 0.01, respectively.

品种间比较, 2个生长季济麦22 W70和W90的公顷穗数显著高于山农23, 穗粒数和千粒重显著低于山农23。2个生长季济麦22 W70和W90的籽粒产量平均比山农23低4.29%和4.94%, 总耗水量较山农23显著增加, 水分利用效率比山农23降低10.38%和10.44%。

方差分析显示, 生长季、品种和灌溉水平对小麦公顷穗数、穗粒数、千粒重、籽粒产量、总耗水量和水分利用效率的影响均达到显著或极显著水平。其中品种影响最大, 灌溉水平次之, 生长季影响最小。双因素交互作用中, 生长季×品种对穗粒数、千粒重、籽粒产量和总耗水量影响显著, 生长季×灌溉水平对公顷穗数和穗粒数影响显著, 品种×灌溉水平对籽粒产量和总耗水量影响显著, 此外对各项指标均无显著影响。生长季×品种×灌溉水平三因素交互作用对籽粒产量和总耗水量有显著或极显著影响。

2.6 相关性分析

2个品种单株总茎蘖数、单株成穗数、公顷穗数和籽粒产量与分蘖节面积和反式玉米素含量、主茎最上部展开叶净光合速率呈显著正相关, 与生长素和脱落酸含量呈显著负相关(表6)。表明分蘖节面积和内源激素含量、主茎光合能力可显著影响分蘖发生成穗和籽粒产量。

表6 皮尔逊相关性分析

TAD: 分蘖节总面积; tZ: 反式玉米素含量; IAA: 生长素含量; ABA: 脱落酸含量; NPW: 越冬期净光合速率; NPT: 返青期净光合速率; TNJ: 拔节期单株总茎蘖数; SNP: 单株成穗数; HSN: 公顷穗数; GY: 籽粒产量。表中上方和下方分别为济麦22和山农23。*、**分别表示在< 0.05和< 0.01差异显著。

TAD: the total area of tiller nodes; tZ: the content of trans zeatin; IAA: the content of auxin; ABA: the content of abscisic acid; NPW: net photosynthetic rate at wintering stage; NPT: the net photosynthetic rate at turn-green stage; TNJ: the total stem number per plant at jointing stage; SNP: the total spike number per plant; HSN: spike number per hectare; GY: grain yield. The upper and lower triangle denote Jimai 22 and Shannong 23, respectively.**:< 0.01;*:< 0.05.

3 讨论

3.1 灌溉增加小麦分蘖发生数的生理机制

土壤水分状况可显著影响小麦分蘖发生和群体大小[27-29]。小麦播种前灌水45 mm造墒提高了生育前期0～100 cm土层土壤含水量, 冬前群体总茎蘖数较不灌水处理增加32.65%～341.22%[30]。春小麦出苗后30 d的单株分蘖数随灌水量的增加而增加, 其中300 mm灌水处理比75、150和225 mm灌水处理分别高26.14%、14.88%和6.04%[31]。本试验在不同灌溉水平下深入研究了影响小麦分蘖发生的生理机制, 发现充分灌溉处理比节水灌溉和不灌溉处理, 提高了2个品种分蘖节面积和反式玉米素含量、主茎最上部展开叶光合能力, 促进了II、III、IP、IV蘖和其余蘖的发生, 显著提高了小麦单株和群体总茎蘖数。

3.2 节水灌溉促进了小麦不同茎蘖光合同化物生产和13C同化物分配

小麦的主茎和分蘖之间为非对称竞争关系, 分蘖干物质重过低不利于成穗, 是其成穗能力显著低于主茎的重要原因[32-34]。与仅在拔节期灌水75 mm相比, 拔节期和开花期各灌水75 mm处理的华北冬小麦单位面积穗数可增加5.61%～23.40%, 说明提高土壤水分含量有利于小麦分蘖成穗[35]。也有研究发现, 小麦开花后土壤水分含量降低对小麦成熟期单位面积穗数无显著影响[36]。本研究中节水灌溉处理比不灌溉提高了2个品种小麦拔节期和开花期各茎蘖净光合速率、蒸腾速率和气孔导度, 增加了拔节期和成熟期各茎蘖干物质和13C同化物分配量, 促进了济麦22的I、II、III蘖和山农23的I、II蘖成穗, 单株成穗数和公顷穗数增加。增加灌水至充分灌溉处理, 济麦22的I和II蘖及山农23的I蘖最上部展开叶光合参数降低, 成穗数减少; 济麦22的III蘖和山农23的II蘖升高, 成穗数增加。2个品种小麦的单株成穗数和群体总穗数与节水灌溉相比无显著差异。

3.3 节水灌溉提高了不同穗型小麦穗数和籽粒产量及水分利用效率

不同穗型小麦分蘖发生和成穗存在显著差异, 中穗型品种小麦的分蘖发生和成穗能力普遍高于大穗型品种[37]。土壤水分对不同穗型小麦茎蘖成穗影响存在差异, 与越冬期灌水105 mm处理相比, 越冬期不灌水和灌水45 mm处理下大穗型品种“周麦26”的茎蘖成穗数分别下降15.58%和16.74%, 而中穗型品种“西农979”仅下降4.81%和7.41%[38]。本研究中节水灌溉比不灌溉增加了2个品种的单株穗数和公顷穗数, 籽粒产量和水分利用效率。增加灌水至充分灌溉处理, 灌溉水量显著增加, 但济麦22和山农23的公顷穗数和籽粒产量与节水灌溉相比无显著差异, 水分利用效率降低。在相同灌溉条件下, 济麦22的公顷穗数多于山农23, 但其籽粒产量和水分利用效率低于山农23, 这与山农23有较高的穗粒数和千粒重以及较低的总耗水量有关。相关分析表明, 2种穗型小麦的单株总茎蘖数、单株成穗数、公顷穗数和籽粒产量与分蘖节面积和反式玉米素含量、主茎最上部展开叶净光合速率呈显著正相关关系, 与生长素和脱落酸含量呈显著负相关关系。说明可通过调控分蘖节结构和内源激素含量、主茎光合能力促进小麦分蘖的发生成穗, 提高籽粒产量。

4 结论

节水灌溉通过提高2个品种分蘖节面积和反式玉米素含量、主茎最上部展开叶光合参数, 比不灌溉促进了II、III、IP、IV和其余蘖的发生, 单株总茎蘖数增加。节水灌溉比不灌溉提高了2个品种拔节期各茎蘖最上部展开叶光合参数以及干物质和13C同化物分配量, 增加了济麦22的I、II和III蘖和山农23的I和II蘖成穗数, 2个品种成熟期单株成穗数、公顷穗数和籽粒产量显著增加。增加灌水至充分灌溉处理, 虽然2个品种分蘖发生数增加, 但单株成穗数、公顷穗数和籽粒产量与节水灌溉处理无显著差异, 水分利用效率降低。济麦22有比山农23高的分蘖发生和成穗能力, 但在相同灌溉处理下济麦22的籽粒产量和水分利用效率低于山农23。

[1] 孟丽梅, 杨子光, 孙军伟, 张珂, 郭军伟. 黄淮旱地组小麦品种抗旱性鉴定比较分析. 农学学报, 2020, 10(8): 6–12. Meng L M, Yang Z G, Sun W J, Zhang K, Guo J W. Drought resistance identification of wheat varieties in Huanghuai dryland group: comparative analysis., 2020, 10(8): 6–12 (in Chinese with English abstract).

[2] Li Y, Huang G H, Chen Z J, Xiong Y W, Huang Q Z, Xu X, Huo Z L. Effects of irrigation and fertilization on grain yield, water and nitrogen dynamics and their use efficiency of spring wheat farmland in an arid agricultural watershed of Northwest China., 2022, 260: 107277.

[3] Li Q Q, Bian C Y, Liu X H, Ma C J, Liu Q R. Winter wheat grain yield and water use efficiency in wide-precision planting pattern under deficit irrigation in North China Plain., 2015, 153: 71–76.

[4] Li X M, Xia X C, Xiao Y G, He Z H, Wang D S, Trethowan R, Wang H J, Chen X M. QTL mapping for plant height and yield components in common wheat under water-limited and full irrigation environments., 2015, 66: 660–670.

[5] Li D X, Zhang D, Wang H G, Li H R, Fang Q, Li H Y, Li R Q. Optimized planting density maintains high wheat yield under limiting irrigation in North China Plain., 2020, 14: 107–117.

[6] Zhao H X, Zhang P, Wang Y Y, Ning T Y, Xu C L, Wang P. Canopy morphological changes and water use efficiency in winter wheat under different irrigation treatments., 2020, 19: 1105–1116.

[7] Xie Y X, Zhang H, Zhu Y J, Zhao L, Yang J H, Cha F N, Liu C, Wang C Y, Guo T C. Grain yield and water use of winter wheat as affected by water and sulfur supply in the North China Plain., 2017, 16: 614–625.

[8] Guo Z J, Yu Z W, Wang D, Shi Y, Zhang Y L. Photosynthesis and winter wheat yield responses to supplemental irrigation based on measurement of water content in various soil layers., 2014, 166: 102–111.

[9] 许骥坤, 石玉, 赵俊晔, 张永丽, 于振文. 测墒补灌对小麦水分利用特征和产量的影响. 水土保持学报, 2015, 29: 277–281. Xu J K, Shi Y, Zhao J Y, Zhang Y L, Yu Z W. Effect of supplemental irrigation with micro-sprinkling hoses and water and fertilizer integration on yield and water nitrogen use efficiency in winter wheat., 2015, 29: 277–281 (in Chinese with English abstract).

[10] 石玉华, 初金鹏, 尹立俊, 贺明荣, 邓淑珍, 张良, 孙晓乐, 田奇卓, 代兴龙. 宽幅播种提高不同播期小麦产量与氮素利用率. 农业工程学报, 2018, 34(17): 127–133. Shi Y H, Chu J P, Yin L J, He M R, Deng S Z, Zhang L, Sun X L, Tian Q Z, Dai X L. Wide-range sowing improving yield and nitrogen use efficiency of wheat sown at different dates., 2018, 34(17): 127–133 (in Chinese with English abstract).

[11] Hu Y S, Ren T H, Li Z, Tang Y Z, Ren Z L, Yan B J. Molecular mapping and genetic analysis of a QTL controlling spike formation rate and tiller number in wheat., 2017, 634: 15–21.

[12] 李敏敏, 李卓夫, 王晓楠, 付连双, 宋永超, 王璐. 寒地冬小麦不同品种越冬期组织结构的差异. 麦类作物学报, 2016, 36: 795–800. Li M M, Li Z F, Wang X N, Fu L S, Song Y C, Wang L. Differences of organization structure in different winter wheat varieties at over-wintering stage in cold region., 2016, 36: 795–800 (in Chinese with English abstract).

[13] 冯伟, 徐丽娜, 朱云集, 王晨阳, 郭天财. 小麦‘兰考矮早八’茎蘖分蘖节的内源激素差异及其密度调控效应. 植物生理学报, 2011, 47: 581–588. Feng W, Xu L N, Zhu Y J, Wang C Y, Guo T C. Differences of endogenous hormones in tillering node between main stem and tillers and their regulation by density in wheat ‘Lankao Aizao 8’., 2011, 47: 581–588 (in Chinese with English abstract).

[14] 张敏, 王岩岩, 蔡瑞国, 李婧实, 王文颇, 周印富, 李彦生, 杨树宗. 播期推迟对冬小麦产量形成和籽粒品质的调控效应. 麦类作物学报, 2013, 33: 325–330. Zhang M, Wang Y Y, Cai R G, Li J S, Wang W P, Zhou Y F, Li Y S, Yang S Z. Regulating effect of delayed sowing date on yield formation and grain quality of winter wheat., 2013, 33: 325–330 (in Chinese with English abstract).

[15] 欧行奇, 王永霞, 李新华, 乔红, 王紫娟, 欧阳娟. 百农207不同生育期的光合、干物质动态与产量性状研究. 东北农业科学, 2020, 45(4): 13–15. Ou X Q, Wang Y X, Li X H, Qiao H, Wang Z J, Ouyang J. Study on photosynthesis, dry matter dynamics and yield characters of Bainong 207 at different growth stages., 2020, 45(4): 13–15 (in Chinese with English abstract).

[16] 蔡铁, 徐海成, 尹燕枰, 杨卫兵, 彭佃亮, 倪英丽, 徐彩龙, 杨东清, 王振林. 外源IAA、GA3和ABA影响不同穗型小麦分蘖发生的机制. 作物学报, 2013, 39: 1835–1842. Cai T, Xu H C, Yin Y P, Yang W B, Peng D L, Ni Y L, Xu C L, Yang D Q, Wang Z L. Mechanisms of tiller occurrence affected by exogenous IAA, GA3, and ABA in wheat with different spike-types., 2013, 39: 1835–1842 (in Chinese with English abstract).

[17] 周羊梅, 顾正中, 王安邦, 朱新开, 郭文善. 小麦主茎光合产物的运转与分配. 核农学报, 2008, 22: 80–83. Zhou Y M, Gu Z Z, Wang A B, Zhu X K, Guo W S. The transportation and distribution of14C-photosynthate produced in main stems of wheat., 2008, 22: 80–83 (in Chinese with English abstract).

[18] 胡卫丽, 王永华, 李刘霞, 轩红梅, 郭天财. 氮密调控对两种穗型冬小麦品种茎蘖干物质积累与转运的影响. 麦类作物学报, 2014, 34: 808–815. Hu W L, Wang Y H, Li L X, Xuan H M, Guo T C. Effects of nitrogen and plant density on dry matter accumulation and translocation in main stem and tillers of two spike-types of winter wheat varieties., 2014, 34: 808–815 (in Chinese with English abstract).

[19] Wang X J, Wu W, Liao Y C. Mitigating ammonia volatilization and increasing nitrogen use efficiency through appropriate nitrogen management under supplemental irrigation and rainfed condition in winter wheat., 2021, 255: 107050.

[20] 王思宇, 荣晓椒, 樊高琼, 吴舸, 胡雯媚. 播期对四川小麦分蘖发生、消亡及成穗特性的影响. 麦类作物学报, 2017, 37: 656–665. Wang S Y, Rong X J, Fan G Q, Wu G, Hu W M. Effect of sowing dates on tiller occurring, withering away and earbearing.s, 37: 656–665 (in Chinese with English abstract).

[21] Xu C L, Cao Y B, Tian B J, Ren J H, Meng Q F, Wang P. Effects of EDAH, a novel plant growth regulator, on mechanical strength, stalk vascular bundles and grain yield of summer maize at high densities., 2017, 200: 71–79.

[22] Yang R C, Yang T, Zhang H J, Qi Y, Xing Y X, Zhang N, Li R, Weeda S, Ren S X, Ouyang B, Guo Y D. Hormone profiling and transcription analysis reveal a major role of ABA in tomato salt tolerance., 2014, 77: 23–34.

[23] Li Y H, Shi D Y, Li G H, Zhao B, Zhang J W, Liu P, Ren B Z, Dong S T. Maize/peanut intercropping increases photosynthetic characteristics,13C-photosynthate distribution, and grain yield of summer maize., 2019, 18: 2219–2229.

[24] Liu Z, Ma F Y, Hu T X, Zhao K G, Gao T P, Zhao H X, Ning T Y. Using stable isotopes to quantify water uptake from different soil layers and water use efficiency of wheat under long-term tillage and straw return practices., 2020, 229: 105933.

[25] Hou H Z, Zhang X C, Xin J D, Fang Y J, Yu X F, Wang H L, Ma Y F. Effects of soil-plastic mulching on water consumption characteristics and grain yield of spring wheat in a semiarid area., 2020, 69: 914–927.

[26] Al-Ghobari H M, Mohammad F S, El Marazky M S A. Effect of intelligent irrigation on water use efficiency of wheat crop in arid region., 2013, 23: 1691–1699.

[27] 王森, 尚云秋, 朱俊科, 谷淑波, 王东. 不同播种方案下补灌对冬小麦水分利用和产量的影响. 麦类作物学报, 2021, 41: 1151–1160. Wang S, Shang Y Q, Zhu J K, Gu S B, Wang D. Effect of supplemental irrigation on water use and grain yield of winter wheat with different sowing schemes., 2021, 41: 1151–1160 (in Chinese with English abstract).

[28] 张现超, 乔冬梅, 齐学斌, 郭魏, 周媛, 肖亚涛. 不同井渠配比灌水模式对土壤盐分及冬小麦生长发育的影响. 灌溉排水学报, 2015, 34(4): 49–54. Zhang X C, Qiao D M, Qi X B, Guo W, Zhou Y, Xiao Y T. Effects of irrigation models with different well-canal water percentages on the growth of winter wheat and soil salt., 2015, 34(4): 49–54 (in Chinese with English abstract).

[29] 张晶, 党建友, 张定一, 王姣爱, 裴雪霞, 姬虎太, 闫翠萍, 程麦凤. 微喷灌水肥一体化小麦磷钾肥减施稳产提质研究. 中国土壤与肥料, 2018, (5): 115–121. Zhang J, Dang J Y, Zhang D Y, Wang J A, Pei X X, Ji H T, Yan C P, Cheng M F. Study on effect of micro-sprinkler irrigation combined with reduced phosphorus, potassium fertilizer on yield and quality of wheat., 2018, (5): 115–121 (in Chinese with English abstract).

[30] 党红凯, 曹彩云, 郑春莲, 马俊永, 郭丽, 王亚楠, 李伟, 李科江. 造墒与播后镇压对小麦冬前耗水和生长发育的影响. 中国生态农业学报, 2016, 24: 1071–1079.Dang H K, Cao C Y, Zheng C L, Ma J Y, Guo L, Wang Y N, Li W, Li K J. Effects of pre-sowing irrigation and post-sowing soil compaction on water use and growth of winter wheat., 2016, 24: 1071–1079 (in Chinese with English abstract).

[31] 刘冲, 贾永红, 张金汕, 孙鹏, 李俊志, 李鹏, 石书兵. 播种方式和灌水量对春小麦干物质和产量的影响. 麦类作物学报, 2019, 39: 728–737. Liu C, Jia Y H, Zhang J S, Sun P, Li J Z, Li P, Shi S B. Effects of sowing patterns and irrigation amount on dry matter and yield of spring wheat., 2019, 39: 728–737 (in Chinese with English abstract).

[32] 肖云, 陈松鹤, 杨洪坤, 张雪, 郭翔, 樊高琼. 优化栽培管理对四川丘陵旱地不同穗型小麦分蘖质量与产量形成的影响. 核农学报, 2021, 35: 2616–2625. Xiao Y, Chen S H, Yang H K, Zhang X, Guo X, Fan G Q. Effects of optimal management on tillering quality and yield of two spike-type wheat cultivars in hilly dryland of Sichuan., 2021, 35: 2616–2625 (in Chinese with English abstract).

[33] Cai T, Xu H C, Peng D L, Yin Y P, Yang W B, Ni Y L, Chen X G, Xu C L, Yang D Q, Cui Z Y, Wang Z L. Exogenous hormonal application improves grain yield of wheat by optimizing tiller productivity., 2014, 155: 172–183.

[34] 郭天财, 盛坤, 冯伟, 徐丽娜, 王晨阳. 种植密度对两种穗型小麦品种分蘖期茎蘖生理特性的影响. 西北植物学报, 2009, 29: 350–355. Guo T C, Sheng K, Feng W, Xu L N, Wang C Y. Effects of plant density on physiological characteristics of different stems during tillering stage in two spike-types winter wheat cultivars., 2009, 29: 350–355 (in Chinese with English abstract).

[35] 张经廷, 吕丽华, 董志强, 张丽华, 姚艳荣, 申海平, 姚海坡, 贾秀领. 华北冬小麦开花期补灌的增产效应及其影响因素. 作物学报, 2019, 45: 1746–1755. Zhang J T, Lyu L H, Dong Z Q, Zhang L H, Yao Y R, Shen H P, Yao H P, Jia X L. Yield-increasing effect of supplementary irrigation at winter wheat flowering and influencing factors based on water and nitrogen coupling in north China., 2019, 45: 1746–1755 (in Chinese with English abstract).

[36] Tatar Q, Cakalogullari U, Aykut Tonk F, Istipliler D, Karakoc R. Effect of drought stress on yield and quality traits of common wheat during grain filling stage., 2020, 25: 236–244.

[37] 郑飞娜, 初金鹏, 张秀, 费立伟, 代兴龙, 贺明荣. 播种方式与种植密度互作对大穗型小麦品种产量和氮素利用率的调控效应. 作物学报, 2020, 46: 423–431. Zheng F N, Chu J P, Zhang X, Fei L W, Dai X L, He M R. Interactive effects of sowing pattern and planting density on grain yield and nitrogen use efficiency in large spike wheat cultivar., 2020, 46: 423–431 (in Chinese with English abstract).

[38] 杨贝贝, 赵丹丹, 任永哲, 辛泽毓, 王志强, 林同保. 不同小麦品种对干旱胁迫的形态生理响应及抗旱性分析. 河南农业大学学报, 2017, 51: 131–139. Yang B B, Zhao D D, Ren Y Z, Xin Z Y, Wang Z Q, Lin T B. Drought resistance of different wheat cultivar and physiological response to drought stress., 2017, 51: 131–139 (in Chinese with English abstract).

Effects of irrigation on tiller occurrence, photo-assimilates production and distribution in different stem and tillers and spike formation in wheat

FENG Lian-Jie, YU Zhen-Wen, ZHANG Yong-Li*, and SHI Yu

College of Agronomy, Shandong Agricultural University / State Key Laboratory of Crop Biology / Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Tai’an 271018, Shandong, China

Moderate irrigation based on soil moisture content could increase spike number of wheat, and realize water-saving and high-yielding cultivation, but the physiological mechanism of tiller occurrence and spike formation under this condition is still unclear. A field experiment was conducted in wheat growth seasons of 2019–2020 and 2020–2021, in which the medium-spike wheat Jimai 22 and large-spike wheat Shannong 23 were used as the experimental materials. Three treatments were designed in this field experiment, including no irrigation during the whole growth period, water-saving irrigation, and sufficient irrigation. The characteristics of tiller occurrence and spike formation of wheat were studied. The results showed that the tiller node area and trans zeatin content, the photosynthetic parameters of the uppermost unfloding leaves in main stem at wintering and turn-green stage of two wheat cultivars under water-saving irrigation treatment were higher than no irrigation treatment. Under water-saving irrigation, the stem number of tillers II, III, IP, IV, and others in two spike-type wheat cultivars were increased, the total stem number per plant of Jimai 22 and Shannong 23 under W70 were 1.01 and 0.75 higher at wintering stage and 0.71 and 0.56 higher at jointing stage. The photosynthetic parameter of the uppermost unfolding leaves at jointing stage, dry matter weight and distribution amount of13C assimilates of main stem and tillers in different positions increased significantly, the total spike number per plant of Jimai 22 and Shannong 23 were 0.36 and 0.41 higher than no irrigation in two years. The grain yield of Jimai 22 and Shannong 23 under water-saving irrigation treatment increased by 35.00% and 44.27%, and water use efficiency increased by 9.23% and 8.55% than no irrigation, respectively. Further increasing the amount of irrigation to sufficient irrigation treatment could increase the total stem number per plant at wintering and jointing stage, but there was no significant difference with water-saving irrigation in the total formation spike number per plant, spike number, and grain yield per hectare, water use efficiency was decreased. Comparison among the cultivars the total stem and spike number per plant of Jimai 22 were higher than Shannong 23, the main reason was that Jimai 22 had higher tiller node area and trans zeatin content, photosynthetic capacity in main stem, and tillers in different positions. The correlation analysis showed that the total stem number and spike number per plant, spike number, and grain yield per hectare were positively correlated with the tiller node area and trans zeatin content, and net photosynthetic rate of the uppermost unfolding leaves in main stem in two wheat cultivars, and there was significantly negatively correlated with auxin and abscisic acid content. These results indicated that the water-saving irrigation could regulate tiller occurrence and spike formation by increasing tiller node area and hormone content, improving the capacity of photo-assimilates production and distribution in main stem and tillers in different positions, thus resulting in the higher yield and water use efficiency.

irrigation; different spike types wheat; tiller occurrence; photo-assimilates production and distribution; spike formation

10.3724/SP.J.1006.2022.21045

本研究由泰山学者工程专项, 财政部和农业农村部国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-3-1-19)和国家自然科学基金项目(31771717)资助。

This study was supported by Special funds for Taishan Scholars Project, the China Agriculture Research System of MOF and MARA (CARS-3-1-19), and the National Natural Science Foundation of China (31771717).

张永丽, E-mail: zhangyl@sdau.edu.cn

E-mail: 18853866772@163.com

2022-06-28;

2022-10-10;

2022-12-26.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail//11.1809.S.20221222.0932.001.html

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).