淮北地区干旱胁迫对冬小麦不同土壤中生长及水分利用效率影响与差异性分析

高 佩，王怡宁，2，吕海深，朱永华，王发信，崔雪艳

（1.河海大学水文水资源学院， 南京 210098；2.南京水利科学研究院，南京 210029；3.安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院 五道沟水文实验站，安徽 蚌埠 233000；4.湖南工业大学计算机学院，湖南 株洲 412000）

0 引 言

全球变暖背景下，气象和农业干旱在干旱频发区域呈现不同程度的增加趋势[1]，对全球粮食安全和农业生产造成严重影响[2]，粮食安全是人类生存及社会持续发展的根本保障[3]，在水资源短缺的影响下，保障粮食安全和实现农业系统可持续发展是目前全球共同面临的重大挑战[4]。随着农业用水紧缺和干旱灾害频繁发生，农作物生育阶段遭受干旱胁迫影响严重，水分对作物的影响以及作物的响应关系也是复杂的[5]，很多学者在这方面进行了大量的研究。闫春娟等[6]研究了大豆在不同生育期干旱胁迫下根系特性及产量情况。吕亮杰[7]等对不同品种的小麦开展干旱胁迫试验，发现干旱胁迫下不同品种小麦营养物质积累过程存在差异。朱亚楠等[8]研究了干旱胁迫对冬小麦、夏玉米生长和产量的影响，指出冬小麦灌浆期遭到干旱胁迫会使小麦产量和水分利用效率显著降低，随着干旱胁迫加剧，玉米生长受到抑制，根长变短，总生物量降低。候志强等[9]基于夏大豆受旱盆栽试验研究了淮北地区不同生育期干旱胁迫对耗水量和水分利用效率的影响，结果表明干旱胁迫使得生育期耗水量减少，且干旱程度越重减少比例越大。刘硕等[10]研究了干旱胁迫对甘蔗光合生理特性的影响，发现干旱影响下，叶片含水率、叶绿素含量、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率等指标下降显著。

淮北地区旱涝灾害频繁[11]，农业灌溉受干旱影响形势严峻[12]，冬小麦是主要粮食作物，当地主要土壤类型为砂姜黑土（54%）和黄潮土（33%），以往研究主要基于单一土壤在干旱胁迫下对作物生长、发育及耗水情况，对不同土壤下干旱对作物影响的差异研究较少，本文基于2022年五道沟水文实验站冬小麦桶栽干旱试验，探讨不同干旱胁迫对冬小麦在砂姜黑土和黄潮土中生长及水分利用效率的影响与差异性，为冬小麦受旱影响、增产、优化灌溉提供参考依据，为当地农业发展提供支撑。

1 试验与方法

1.1 试验区概况

本试验于2022年2-6月在五道沟水文实验站作物与水关系试验场进行，该站位于淮北平原的南部，属于暖温带半干旱半湿润气候，积累了近70年不间断水文气象实测资料，站内设有大型蒸渗仪、水文气象观测场等设施，多年平均水面蒸发量为1 027.67 mm，多年平均降水量为893.2 mm，多年平均气温为14.9 ℃。试验场布置测桶为不锈钢材质，桶径0.45 m，桶高1 m，桶内垫层高度为0.1 m，有电动挡雨棚可避免降水对试验的影响，测桶土壤为当地砂姜黑土与黄潮土。

1.2 试验设计

依据五道沟水文实验站报告和淮北平原冬小麦的生长发育状况[11]，将冬小麦生育期分为6 个生育阶段，即播种—分蘖（10月10日—12月20日）、分蘖—返青（12月21日—次年2月10日）、返青—拔节（2月11日—3月20日）、拔节—抽穗（3月21日—4月20日）、抽穗—乳熟（4月21日—5月15日）、乳熟—成熟（5月16日—5月31日）。以冬小麦各生育阶段不同土壤水分为控制因素，在生长重要需水的生育阶段，返青—拔节、拔节—抽穗、抽穗—乳熟3 个生育阶段分别设置轻旱、中旱和重旱3 种干旱胁迫处理，同时设置全生育期无旱处理（CK），每个处理3 个重复。本次选用当地该期间常用品种西农99，种植密度采用当地大田密度450 kg/hm2。具体方案见表1。

表1 试验方案设计Tab.1 Test scheme design

1.3 测量项目及方法

（1）土壤含水率测定。初始含水率通过土壤水分传感器测量体积含水率，由实验站土壤参数计算获得重量含水率，之后试验作物各测桶土壤含水率由每5天用电子吊秤称重一次测桶质量计算得到。

（2）灌水量。若当天计算得到的末尾水分亏缺量小于表1中不同处理对应的水分亏缺量下限时，则第二天进行浇水，进行精确量测，使水分亏缺量达到表1中各干旱等级下的水分亏缺量区间内。

（3）作物耗水量。通过测定土壤含水率结合水量平衡来计算作物耗水量，计算公式[13]：

式中：ETc，i为第i天实际耗水量，mm；wi，初为测桶第i天的初始土壤含水率；wi，末为测桶第i天的末尾土壤含水率；ρ为土壤体积质量，g/cm3；H为土壤厚度，cm；Ii为作物测桶第i天灌水量，mm；P为时段内的降水量，mm；K为时段内的地下水补给量，mm；C为时段内的排水量，mm；本试验中P、K、C均为0。

（4）水分利用效率。测桶内的作物籽粒产量与该测桶内全生育期总耗水量的比值作为水分利用效率WUE，g/mm。

（5）作物株高、产量测量。株高选择在各生育阶段末和全生育期末随机选取3组进行测量求取均值，生育阶段划分如表2所示，收获后，对各个测桶内的收获的作物籽粒进行称重测得产量。

表2 2022年试验期冬小麦生育阶段起止日期Tab.2 Starting and ending dates of winter wheat growth period in 2022

2 结果与分析

2.1 生育阶段干旱胁迫对冬小麦株高的影响

株高是反应冬小麦生长状况的重要指标之一，砂姜黑土与黄潮土冬小麦生育阶段株高如图1与图2所示。

图1 砂姜黑土与黄潮土中冬小麦不同干旱胁迫下生育阶段株高Fig.1 Plant height under different drought stress of Winter Wheat in lime concretion black soil and yellow tide soil

图2 砂姜黑土与黄潮土冬小麦不同干旱胁迫下成熟后株高Fig.2 The plant height of lime concretion black soil and yellow tide soil Winter Wheat after maturity under drought stres

由图1 和图2 可知，在砂姜黑土中冬小麦各生育阶段受旱影响下，株高均小于对照组，其中重旱对冬小麦株高的抑制作用明显大于轻旱和中旱。返青—拔节期轻旱、中旱、重旱影响下株高相比对照组分别偏低14.5%、16.0%、20.9%，收获时株高相比对照组分别偏低0.6%、3.8%、2.6%，可见复水后返青—拔节期受旱对株高的抑制基本解除。拔节—抽穗期轻旱、中旱、重旱影响下株高相比对照组分别偏低13.6%、18.5%、20.8%，收获时株高相比对照组分别偏低13.9%、17.7%、20.8%，可见拔节-抽穗期受旱对冬小麦株高的抑制影响是终身的。抽穗—乳熟期轻旱、中旱、重旱影响下株高相比对照组分别偏低7.1%、6.3%、8.4%，成熟后相比对照组分别偏低7.1%、6.7%、8.8%，可见抽穗-乳熟期受旱也会影响冬小麦后期株高的生长。

受旱结束复水后，返青-拔节期受旱对株高的抑制基本解出，轻旱组生长到对照组水平，中旱和重旱略低于对照组；拔节—抽穗期复水后受旱组均远低于对照组，受旱对株高的抑制一直持续，其中重旱影响最为严重；抽穗-乳熟期受旱亦会影响冬小麦后期株高的生长，但影响程度远小于拔节—抽穗期，在受旱期间株高偏低水平远小于其余两个生育阶段，且不同干旱程度对株高的影响无显著差异。受旱抑制株高主要是因为土壤水分较少会影响茎基部节的生长，导致小麦高度降低，有研究表明严重水分亏缺下，植物组织生长会出现明显矮化现象[13-16]。

黄潮土中冬小麦在各生育阶段受旱影响下，株高也小于对照组，重旱对冬小麦株高的抑制作用最明显，与砂姜黑土一致。返青-拔节期轻旱、中旱、重旱影响下株高相比对照组分别偏低1.9%、3.4%、7.2%，成熟后，轻旱、重旱相比对照组分别偏低1.7%、6.5%，中旱偏高0.2%，可得受重旱对株高后期生长影响严重，轻旱、中旱对株高的抑制基本解除。拔节-抽穗期轻旱、中旱、重旱影响下株高相比对照组分别偏低5.5%、6.7%、15.1%，成熟后相比对照组分别偏低4.1%、6.8%、15.5%，可得黄潮土拔节—抽穗期受旱与砂姜黑土均会对冬小麦株高产生终身抑制。抽穗—乳熟期轻旱、中旱、重旱影响下株高相比对照组分别偏低0.5%、2.5%、5.1%，成熟后相比对照组分别偏低0.7%、1.9%、4.8%，可得该生育阶段受旱也会影响后期株高生长。

由图2可见，最终收获时黄潮土中相同受旱处理下冬小麦株高均低于砂姜黑土，但干旱胁迫影响下，黄潮土各生育阶段受旱组株高相对于对照组偏低水平均小于砂姜黑土。

2.2 生育阶段干旱胁迫对冬小麦耗水量的影响

砂姜黑土与黄潮土冬小麦受旱影响下，不同生育阶段耗水量和产量如表3、表4和图3所示。

图3 砂姜黑土和黄潮土不同干旱胁迫下耗水情况及产量情况Fig.3 Water consumption and yield of lime concretion black soil and yellow tidal soil under different drought stress

表3 砂姜黑土冬小麦不同干旱胁迫下生育阶段耗水量及产量Tab.3 Water consumption and yield of Winter Wheat in lime concretion black soil under different drought stress

表4 黄潮土冬小麦不同干旱胁迫下生育阶段耗水量及产量Tab.4 Water consumption and yield of Winter Wheat in yellow tide soil under different drought stress

由表3知，在砂姜黑土中，冬小麦返青—拔节期轻旱、中旱、重旱影响下耗水量相比对照组分别减少5.0%、23.8%、45.8%，生育期总耗水量相比对照组分别减少5.7%、15.6%、21.1%。拔节—抽穗期轻旱、中旱、重旱影响下耗水量相比对照组分别减少25.1%、42.6%、57.0%，生育期总耗水量相比对照组分别减少14.3%、27.0%、35.1%。抽穗—乳熟期轻旱、中旱、重旱影响下耗水量相比对照组分别减少23.7%、29.5%、58.6%，生育期总耗水量相比对照组分别减少12.9%、9.5%、23.4%。可见各生育阶段干旱胁迫下，冬小麦耗水量呈减小趋势，重旱组耗水量减小最为显著，中旱次之，且单个生育阶段的耗水量减少均会导致总体耗水量低于对照组，在拔节—抽穗期减少幅度最大。

由表4知，在黄潮土中，冬小麦返青-拔节期轻旱、中旱、重旱影响下耗水量相比对照组分别减少6.5%、7.6%、32.6%，生育阶段总耗水量相比对照组分别减少4.7%、4.9%、18.3%。拔节—抽穗期轻旱、中旱、重旱影响下耗水量相比对照组分别减少15.9%、33.9%、43.9%，生育阶段总耗水量相比对照组分别减少8.5%、20.3%、30.0%。抽穗—乳熟期轻旱、中旱、重旱影响下耗水量相比对照组分别减少29.2%、36.1%、55.7%，生育阶段总耗水量相比对照组分别减少10.4%、18.9%、22.6%。可得各生育阶段干旱胁迫下，黄潮土中冬小麦耗水量亦呈减小趋势，重旱组耗水量减小最为显著，中旱次之，且单个生育阶段的耗水量减少也均会导致总体耗水量低于对照组，但各处理组耗水量减少水平均小于砂姜黑土。

2.3 生育阶段干旱胁迫对冬小麦产量的影响

由表3 知，在砂姜黑土中，冬小麦返青-拔节期轻旱、中旱、重旱影响下相比对照组减产率分别为17.4%、21.0%、33.4%；拔节—抽穗期轻旱、中旱、重旱影响下相比对照组减产率分别为16.4%、32.5%、41.9%；抽穗—乳熟期轻旱、中旱、重旱影响下减产率分别为4.0%、2.2%、14.2%；可见返青—拔节期与拔节—抽穗期受旱对产量影响严重，拔节—抽穗期重旱减产最为严重，抽穗—乳熟期受旱对产量的减产最小。

由表4 知，在黄潮土中，冬小麦返青—拔节期轻旱、中旱、重旱影响下相比对照组减产率分别为13.3%、11.4%、33.7%；拔节—抽穗期轻旱、中旱、重旱影响下相比对照组减产率分别为11.0%、17.7%、32.3%；抽穗-乳熟期轻旱、中旱、重旱影响下减产率分别为6.6%、18.0%、22.9%，可得黄潮土中各生育阶段重旱对产量影响严重，拔节—抽穗期、抽穗—乳熟期中旱影响大于轻旱，返青-拔节期轻旱与中旱影响相差不大。

由图3知，砂姜黑土中相同受旱处理下冬小麦产量均大于黄潮土，但干旱胁迫下，黄潮土返青-拔节期、拔节-抽穗期轻旱、中旱与拔节-抽穗期重旱减产率均小于砂姜黑土，可见在该生育阶段黄潮土冬小麦相比砂姜黑土具有一定的抗旱能力；抽穗-乳熟期黄潮土受旱减产率均大于砂姜黑土，中旱和重旱非常显著，可得该期间内，砂姜黑土抗旱能力优于黄潮土。

2.4 生育阶段干旱胁迫对冬小麦WUE的影响

不同生育阶段受旱影响下，冬小麦在砂姜黑土与黄潮土中的水分利用效率如图4所示。

由图4 可知，砂姜黑土抽穗-乳熟期WUE均高于其他处理组，其中重旱处理下的WUE最高，相比对照组高13.6%，轻旱次之，比对照组高10.4%，且该生育阶段受旱冬小麦减产率较低，干旱影响较小，因此该期间可以进行优化节水灌溉；返青—拔节期轻旱、重旱和拔节-抽穗期重旱水分利用效率较小，均低于0.3 g/mm，且拔节—抽穗期随着干旱水平加重，WUE逐渐减小，相比对照组分别减少2.4%、7.5%、13.3%，这主要由于拔节孕穗期干旱胁迫下耗水减少，小麦因严重缺水，导致生长缓慢、枯叶增加、干旱持续时间较长等因素，导致部分幼茎极早衰亡，从而使得小麦减产严重，因此导致WUE随干旱加重逐渐降低；返青-拔节期中旱胁迫下WUE高于轻旱和重旱，主要是该生育阶段干旱胁迫下耗水量与减产情况的差异。

黄潮土中冬小麦WUE最高值出现在拔节—抽穗期中旱处理组，最小值出现在返青—拔节期重旱处理组。返青—拔节期受旱会使得冬小麦水分利用效率低于对照组，重旱最为明显，比对照组减少14.0%，拔节—抽穗期轻旱、重旱和抽穗—乳熟期轻旱相比对照组略有减小，分别降低了2.6%、3.3%、0.3%；拔节—抽穗期中旱和抽穗-乳熟期中旱、重旱略有增加，相比对照组分别增加了3.3%、1.0%、2.2%，抽穗—乳熟期各种处理下WUE均与对照组相差甚微，主要是该期间日照时间较长，造成蒸发较大，对耗水和产量均有较强的影响。其次，相同干旱胁迫下，砂姜黑土冬小麦水分利用效率均高于黄潮土，抽穗—乳熟期差值最显著，且该生育阶段黄潮土中冬小麦减产率均高于砂姜黑土，可见该生育阶段干旱对黄潮土中冬小麦影响较为强烈，其余生育阶段砂姜黑土与黄潮土重旱处理下WUE均小于轻旱、中旱及对照组，主要是此期间重旱影响导致冬小麦出现植株凋萎，耗水量受到严重影响，产量严重减少，使得WUE总体较低。

3 结 论

（1）两种土壤冬小麦各生育阶段受旱影响下，株高均小于对照组，重旱对株高的抑制作用最显著，砂姜黑土返青—拔节期、拔节—抽穗期受旱对株高影响严重，拔节—抽穗期轻旱、中旱、重旱株高比对照分别偏低13.6%、18.5%、20.8%，且受旱对株高的抑制难以恢复；黄潮土拔节-抽穗期轻旱、中旱、重旱株高比对照分别偏低5.5%、6.7%、15.1%，且影响延续；收获时黄潮土各处理株高均低于砂姜黑土，但干旱影响下，黄潮土受旱组株高基于对照组偏低水平均小于砂姜黑土。

（2）两种土壤生育阶段耗水量随着干旱胁迫加重而减少，重旱影响减少趋势最显著，且单生育阶段耗水量减少均会导致总体耗水量低于对照组，但黄潮土各处理减少水平均小于砂姜黑土。

（3）两种土壤随着干旱加重减产加剧，重旱减产最严重；砂姜黑土各处理产量均大于黄潮土，但黄潮土返青—拔节期、拔节—抽穗期轻旱、中旱与拔节—抽穗期重旱减产率均小于砂姜黑土，该生育阶段黄潮土具有一定的抗旱能力，抽穗-乳熟期黄潮土受旱减产率均大于砂姜黑土，该期间砂姜黑土抗旱能力优于黄潮土。

（4）砂姜黑土WUE均高于黄潮土，抽穗—乳熟期差距最显著，该生育阶段干旱对黄潮土冬小麦影响强烈，而砂姜黑土冬小麦该生育阶段受旱减产率较低，干旱影响小，可以进行优化节水灌溉；其余生育阶段砂姜黑土与黄潮土重旱处理WUE均小于轻旱、中旱及对照组。

冬小麦在不同干旱胁迫下耗水规律研究较为复杂，本文探讨了单生育阶段干旱胁迫影响，今后研究需要对多生育阶段多阶段连续干旱及组合干旱过程的影响进行试验研究。