張玉順，路振廣，張明智，丁鵬飛，王鴻銘，楊浩晨，邱新強*

（1.河南省水利科學研究院/河南省節(jié)水灌溉工程技術研究中心，鄭州 450003； 2.許昌市農田水利技術試驗推廣站，河南許昌 461000）

0 引言

【研究意義】河南省位于我國黃淮海平原，是國家糧食戰(zhàn)略工程的核心區(qū)，同時也是嚴重缺水的省份。冬小麥是該地區(qū)的主要用水作物，其生育期內的降水量僅能滿足生長所需水量的25%～40%[1-2]，一般需要進行2～3次灌溉才能獲得較高的產量。由于生產中按作物需水適時灌溉的操作難度極大，為避免冬小麥遭受過度的水分脅迫而影響正常生長，需要對作物的水分狀況進行準確判別和及時掌握，從而指導灌溉。【研究進展】準確判別和測定作物水分狀況是指導農田灌溉的基礎[3]，為使作物不受水分脅迫影響，應在作物過度受旱之前及時灌溉。葉片是作物進行光合作用和蒸騰作用的主要場所，作物通過氣孔運動調節(jié)水分的蒸騰，同時維持植株水分和CO2利用的平衡，氣孔導度降低往往在葉水勢尚未發(fā)生變化之前就已經發(fā)生[4]。單葉水分利用效率（Leaf water use efficiency，WUE）是光合與蒸騰之比，反映了葉片氣體交換過程中相關量的變化，而胞間CO2摩爾分數(shù)（Ci）的變化方向是確定光合速率變化的主要原因是否為氣孔因素的重要判斷依據(jù)[5]。土壤水分脅迫下，小麥葉片光合作用對土壤水分存在一個“閾值”反應，蒸騰速率則隨土壤水分遞增而一直遞增[6]，當葉片Ci從降低轉為增高時，表明水分脅迫導致的光合速率降低的主要原因由氣孔限制轉變?yōu)榉菤饪紫拗芠7-9]。【切入點】以往相關研究，多側重于特定生育階段或特定干旱程度下氣體交換參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測和關鍵閾值分析[10-11]，以及干旱過程對植株形態(tài)、耗水及產量指標的生理生態(tài)學響應[12-14]。已知特定時期適度水分虧缺不僅不降低作物的產量，反而能增加產量和提高水分利用效率[15-16]，在生產中基于葉片氣體交換參數(shù)間量化關系對作物自身所處土壤水分狀況進行準確判別，從而確定最佳的灌溉時機及灌溉水量，實現(xiàn)按需適時適量灌溉，尚未引起過多關注?！緮M解決的關鍵問題】基于此，擬選擇當?shù)刂髟孕←溒贩N，通過測坑控制試驗對比分析不同水分脅迫條件下冬小麥葉片氣體交換參數(shù)的差異，明確水分脅迫下葉片氣孔行為的響應機制及其對產量的影響，以期為小麥節(jié)水高效灌溉提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在河南省節(jié)水灌溉工程技術研究中心（河南省灌溉試驗中心站）毛莊試驗基地（34.27°N，112.70°E，海拔85 m）內進行，屬北溫帶大陸性季風氣候。試驗區(qū)年平均氣溫14.0～14.3℃，年平均降雨量640.9 mm，無霜期220 d，日照時間約2400h。土壤類型為中壤土，1 m 土層的田間質量持水率為23%，干密度為1.42g/cm3，地下水埋深大于5 m。耕層有機質量為5.62g/kg，全磷量為0.44g/kg，全鉀量為15.12g/kg，全氮量為0.37g/kg，堿解氮量為24.91mg/kg，速效磷量為23.89mg/kg，速效鉀量為75mg/kg。

1.2 試驗設計

本試驗在帶有電動遮雨棚的大型非稱重式蒸滲儀（L×W×H=3.3 m×2 m×2m）內進行。試驗材料選擇當?shù)刂髟缘陌攵灾惺炱贩N“周麥22”，人工開溝撒播，每坑播9 行，行距20 cm，播量為150kg/hm2。本試驗共2 季，分別于2012年10月17日和2013年10月12日播種，均于翌年5月30日收獲，全生育期分別為225d 和230d。播前整地，基施復合肥750 kg/km2（N、P、K 質量比為15∶15∶15），干雞糞10 t/hm2；播后灌蒙頭水，灌溉水源為井水，水量由自動流量計控制。其余農事管理同一般高產田。

試驗共設置18個水分處理，分別在苗期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期各設置3個土壤水分控制下限（相對含水量）水平，同時設置生育前期（苗期和拔節(jié)期）連旱、生育中期（拔節(jié)期和抽穗期）連旱、生育后期（抽穗期和灌漿期）連旱，以及生育期適宜水分、生育期中水分、生育期低水分處理，以生育期適宜水分處理作為對照。試驗的計劃濕潤層深度為1 m，當土壤含水率達到控制下限時即灌水90 mm，具體試驗處理見表1[15]。為便于觀測，對于需要進行干旱處理的測坑，在上一次灌水時根據(jù)其受旱程度適度減少灌水量，盡量使各處理的土壤水分同期達到其受旱下限，受旱處理復水后，其灌水量恢復到與適宜水分處理相同。

表1 試驗處理Table1 Experimenttreatments

1.3 測定項目與方法

土壤含水率采用取土烘干法測定，測量深度為100cm，垂直方向每20cm為1層，每7～10 d 測1次，灌前、灌后均加測；作物實際耗水量由水量平衡公式得到，水分利用效率（WUE）由籽粒產量和耗水量相除得到；人工收割、脫粒、測產和考種，收獲時對小區(qū)內中間3 行（共9 行）進行測產，同時選擇小區(qū)1 m 行內有代表性的10株（10次重復）冬小麥進行考種（株高、莖粗、穗長、小穗數(shù)、無效小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質量等）。

選擇晴好天氣，在09:30—11:30 用Li-6400XT 便攜式光合儀（美國LI-COR 公司）測定葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）和Ci等指標，并計算葉片水分利用效率（WUE=Pn/Tr）和葉片氣孔限制值（Stomatal limitation，Ls=1-Ci/Ca）。每處理選長勢一致的3株進行測定（3次重復），挑旗前測最上一片全展葉，挑旗后測穗位葉。

利用Excel 2016 和SPSS 22.0 軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析，表中數(shù)據(jù)除特殊標注外均為所有重復的平均值。

2 結果與分析

2.1 苗期水分脅迫對冬小麥葉片氣體交換的影響

2012—2014年苗期受旱各處理的Pn、Tr、Ci和Gs見表2。由表可知，拔節(jié)前（3月27日）冬小麥葉片的Pn、Tr、Ci和Gs均隨干旱程度加劇而持續(xù)降低，其中T4 處理表現(xiàn)最弱，較對照（T1）處理分別降低35.47%、55.01%、16.51%和43.59%，與T2 處理差異顯著。拔節(jié)期復水后，各受旱處理的氣體交換參數(shù)均呈上升趨勢，T2 處理和T3 處理的表現(xiàn)總體優(yōu)于T1處理，T4 處理的表現(xiàn)則略弱于T1 處理?？梢姡缙谥卸纫陨细珊翟谝欢ǔ潭壬先趸硕←溔~片的氣體交換進程，不利于光合同化速率的提高。復水后苗期受旱各處理的氣體交換參數(shù)均明顯反彈，處理間差異變小，這在2012—2013年試驗中同樣有所體現(xiàn)，反映了本試驗條件下的水分脅迫水平并未對其植株產生不可逆的生理脅迫。結合其主要農藝性狀的表現(xiàn)不難看出[15]，冬小麥苗期適當增加水分脅迫的程度不僅有利于節(jié)水，且能夠達到“蹲苗”的目的。

表2 苗期水分脅迫下冬小麥葉片的氣體交換參數(shù)變化Table2 Changes of gas exchange parameters of winter wheat leaves under water stress at seedling stage

2.2 拔節(jié)期水分脅迫對冬小麥葉片氣體交換的影響

2012—2014年拔節(jié)期受旱各處理的Pn、Tr、Ci和Gs見表3。2 季試驗結果顯示，冬小麥葉片的Pn、Tr和Ci在拔節(jié)—開花期總體呈先降低后上升的波狀變化。2012—2013年上述各參數(shù)的峰值主要集中在挑旗后（4月24日）；2013—2014年Pn和Tr均在拔節(jié)末期（4月14日）達到峰值，這可能與灌水（4月10日）有關，Ci的峰值則出現(xiàn)在挑旗后（4月27日），與上年度保持一致。

2012—2013年觀測期內，拔節(jié)期受旱各處理的Pn較T1處理普遍降低，處理間極差值主要集中于3.31～4.67μmol/(m2·s)之間，其最大降幅（較對照）則分別達到7.08%（輕旱）、15.48%（中旱）和15.58%（重旱）；2013—2014年度各處理間差異相對較小，處理間極差值不高于2.43 μmol/(m2·s)。受旱各處理復水前（4月1日）的Ci、Tr和Gs值較T1處理分別降低了約10.35%、20.17%和43.64%，復水后上述指標均快速恢復至正常水平（4月9日），T5、T6、T7處理Tr值較T1處理分別提高了16.54%、31.98%和46.79%，反映了氣孔對土壤水分變化的快速響應。

2.3 抽穗期水分脅迫對冬小麥葉片氣體交換的影響

2012—2014年抽穗期受旱各處理的Pn、Tr、Ci和Gs見表4。2012—2013年度，抽穗初期（4月24日）受旱各處理的Pn較T1處理均有所下降，其中T9和T10處理的降幅較大，但處理間差異均不顯著。干旱持續(xù)至抽穗期末，各受旱處理的Pn、Tr和Gs間差異逐漸拉大，其中T10處理與T8處理間差異達顯著水平。2013—2014年，T10處理的Pn在抽穗初期較T1處理降低約14.34%，但處理間差異不顯著，T8和T9處理的葉片氣體交換參數(shù)均未顯著降低，其Tr較T1處理分別提高15.26%和18.50%。出現(xiàn)上述情況，應該與觀測期內各處理間土壤水分梯度差異尚不明顯有關，而隨著水分脅迫的持續(xù)，抽穗末期各處理的Pn、Tr和Gs整體下行，Ci則呈上升趨勢（重旱處理除外）。對比可知，T10處理的Pn和Tr明顯低于其他受旱處理，其Ci和Gs則顯著降低，較T1處理分別降低11.89%和31.18%。同期，T9處理Ci和Gs的降幅有限，與T1和T8處理間差異均不顯著。2季試驗結果顯示，抽穗期重旱對冬小麥葉片的部分氣體交換參數(shù)有顯著負向影響，且上述各參數(shù)的變異性較大，群體內部的差異較為明顯，這一現(xiàn)象體現(xiàn)了冬小麥為避免遭受更大損失相應的應對策略，亦或是品種特性的顯現(xiàn)，有必要進一步研究驗證。

表3 拔節(jié)期水分脅迫下冬小麥葉片的氣體交換特性Table3 Gas exchange characteristics of winter wheat leaves under water stress at jointing stage

表4 抽穗期水分脅迫下冬小麥葉片的氣體交換參數(shù)變化Table4 Changes of gas exchange parameters of winter wheat leaves under water stress at heading stage

2.4 灌漿期水分脅迫對冬小麥葉片氣體交換的影響

2013—2014年灌漿期受旱各處理的Pn、Tr、Ci和Gs見表5。由表5可知，灌漿初期（5月8日）受旱，T13處理的Pn、Tr、Ci和Gs較T1處理分別顯著降低了74.97%、73.25%、7.64%和87.17%，其他2個受旱處理的氣體交換參數(shù)均未顯著降低。隨著水分脅迫的持續(xù)，灌漿中期（5月12日）各受旱處理的氣體交換參數(shù)均顯著降低，各受旱處理的平均降幅分別約為40.60%（Pn）、47.74%（Tr）、11.19%（Ci）和69.65%（Gs），同期重旱處理的Pn、Tr和Gs降幅總是最高。

表5 灌漿期水分脅迫下冬小麥葉片的氣體交換參數(shù)變化Table5 Changes of gas exchange parameters of winter wheat leaves under water stress at the grouting stage

2.5 連續(xù)受旱對冬小麥葉片氣體交換的影響

2012—2014年連續(xù)受旱各處理的Pn、Tr、Ci和Gs見表6。2 季試驗結果顯示，拔節(jié)期受旱期間T14和T15 處理的Pn均低于T1 處理，其中2012—2013年T15 處理的Pn最低，僅為T1 處理的51.97%（4月1日）；2013—2014年T14 處理的Pn最低，較T1處理降低了約18.02%（4月8日）。同期，T14 處理的Tr、Ci和Gs分別降低了約19.60%、17.32%和50.43%，T15 處理的降幅更大，分別達到了45.29%、15.72%和78.92%。復水后T14 和T15 處理的氣體交換參數(shù)均顯著升高，其Pn、Ci和Gs均恢復至正常水平，Tr則“反彈”至T1 處理的1.92倍（2012—2013年度）、1.28倍（2013—2014年）。由表6可知，T16 處理與T1 處理間的差異自灌漿后開始凸顯并隨著生育進程的推延而逐步增大，至觀測期末（5月12日）達到最大，T16 處理Pn、Tr、Ci和Gs分別降低了約16.90%、45.35%、25.16%和70.15%。

表6 連續(xù)受旱條件下冬小麥葉片的氣體交換參數(shù)變化Table6 Changes of gas exchange parameters of winter wheat leaves under continuous drought conditions

2.6 全生育期受旱對冬小麥葉片氣體交換的影響

2012—2014年生育期內受旱各處理的Pn、Tr、Ci和Gs見表7。隨著水分脅迫程度的加劇，2 季觀測期內冬小麥葉片的氣體交換參數(shù)均值絕大多數(shù)呈下降變化，2012—2013年其最大降幅（即T17 處理較T1 處理）分別為25.87%（Pn）、-14.24%（Tr）、11.33%（Ci）和69.51%（Gs），相應地，2013—2014年則變?yōu)?2.05%、24.12%、15.87%、38.68%?？梢姡L期持續(xù)受旱會明顯抑制冬小麥葉片的氣體交換進程，不利于光合同化產物的積累及運轉分配，在生產中應優(yōu)先杜絕出現(xiàn)此類現(xiàn)象。

表7 全生育期受旱條件下冬小麥葉片的氣體交換參數(shù)變化Table7 Changes of gas exchange parameters of winter wheat leaves under drought conditions during the whole growth period

2.7 葉片水分利用效率（WUE）、氣孔限制值（Ls）與主要氣體交換參數(shù)間的關系

對WUE、Ls與Pn、Tr、Gs等主要氣體交換參數(shù)進行回歸分析，結果見表8。由表8可知，Ls與Pn呈二次曲線關系，與Gs、Tr呈線性關系，其中作物葉片的氣孔限制值主要集中在0.3 以下；WUE與Pn、Tr呈二次曲線關系，與Gs呈非線性Ellipse曲線關系。已有研究普遍認為，當作物遭受水分脅迫時Tr即出現(xiàn)下降，且隨著脅迫程度加劇而持續(xù)降低；隨著WUE的升高，當Gs開始降低時，說明作物正在遭受中度水分脅迫階段；當WUE達到最高后，作物將遭受重度水分脅迫，此時的Gs已顯著降低，下一步WUE將明顯下降，非氣孔限制成為葉片氣體交換的主要限制因子[7-9]。本試驗中，隨著WUE的提高，Pn和Tr均呈先升高后降低的趨勢，其中Tr極值的出現(xiàn)時間要早于Pn。當WUE在2.62 μmol/mmol 左右時Tr達到極值，此時作物葉片已感知到土壤水分脅迫的反饋；隨著水分脅迫的加劇，Gs持續(xù)降低，當WUE出現(xiàn)極值，即WUE在3.36 μmol/mmol 左右時，作物已開始由輕度水分脅迫轉入中度水分脅迫階；當WUE在3.81 μmol/mmol 左右時，Pn達到極值并開始下降，但WUE仍將保持上升態(tài)勢，因為當前Pn的降幅仍小于Tr的降幅。通過聯(lián)立方程計算可知，當WUE在4.11 μmol/mmol 左右時，Pn的降速開始低于Tr，此時葉片的WUE達到極值，Gs也較低，說明作物繼續(xù)受旱的話將遭受重度水分脅迫。

表8 葉片水分利用效率、氣孔限制值與主要氣體 交換參數(shù)間的回歸分析Table8 Regression analysis results between WUE,stomatal limit value and main gas exchange parameters of leaves

表9 冬小麥的籽粒產量、耗水量和水分利用效率Table9 Grain yield,water consumption and water use efficiency of winter wheat

2.8 冬小麥的籽粒產量、耗水量和水分利用效率

由表9可知，任一生育時期受旱均限制了冬小麥全生育期總耗水量的增加，且隨干旱程度加劇呈下降趨勢，各重旱處理的總耗水量總是最低。2012—2013年冬小麥的平均減產率和耗水量降幅分別約為7.38%和6.63%（輕旱）、10.39%和7.94%（中旱）、15.36%和31.87%（重旱）；2013—2014年分別約為12.39%和-0.86%、19.05%和6.97%、31.87%和11.83%。全生育期干旱條件下，T18 處理較T1 處理下降約15.15%（2012—2013年）和15.57%（2013—2014年）；T2和T3 處理的籽粒產量降幅在5%以內，其WUE則普遍較高，說明苗期適度干旱對提高冬小麥的水分利用效率有利，且并不會導致明顯減產；抽穗期和灌漿期受旱各處理的水分利用效率較T1 處理分別下降約0.29%～3.36%和0.91%～9.89%（2012—2013年）、19.55%～21.78%和10.96%～27.54%（2013—2014年）；灌漿期受旱各處理的籽粒產量和總耗水量均隨干旱程度加劇呈下降變化，且其籽粒產量的降幅總是較大，并最終導致其水分利用效率低于T1 處理；連旱處理條件下，冬小麥的籽粒產量和總耗水量均明顯降低，T15 處理的水分利用效率最低。盡管各處理的產量表現(xiàn)與上述氣體交換參數(shù)的測定結果總體吻合，且相關分析結果顯示不同生育階段內各氣體交換參數(shù)與產量間存在一定的相關關系（表10），但由于總體顯著性不高，且存在明顯的年季間差異，因此僅能通過氣體交換參數(shù)來對當前的土壤水分狀況進行準確判斷，并不能對最終的籽粒產量水平進行準確估算。

表10 冬小麥葉片主要氣體交換參數(shù)與籽粒產量間相關系數(shù)Table10 Correlation coefficient between main gas exchange parameters of winter wheat leaves and grain yield

3 討論

氣孔是植物在長期進化過程中所特有的適應陸生干旱環(huán)境的一種結構，氣孔運動對植物體具有十分重要的生理意義。在正常氣候條件下，氣孔的開閉主要受光照和CO2調控，但在干旱條件下，水分條件就成為決定氣孔開閉的主要因素。前期輕度水分脅迫可保證較高的小麥葉片光合速率，且有助于水分利用效率提高，重度虧缺則會產生顯著的后效性影響[17]，這一情況在玉米生產中同樣有所體現(xiàn)[18]。本試驗中，苗期受旱期間冬小麥葉片的氣體交換參數(shù)均隨干旱程度加劇而持續(xù)降低，拔節(jié)期復水后明顯回升，甚至有所提高，且苗期輕旱和中旱處理的籽粒產量均未顯著降低?？梢?，冬小麥苗期適當加劇土壤水分脅迫不僅有利于節(jié)水，且能夠實現(xiàn)“蹲苗”的目的。劉琳等[19]指出拔節(jié)期水分脅迫-復水后石家莊8號的各項生理指標均快速補償，輕度水分脅迫-復水后出現(xiàn)超補償效應，提高了水分利用效率，本試驗也得到了相似的結果。隨著水分脅迫程度的加劇，灌漿期受旱各處理的Pn、Tr和Gs均顯著降低，其中重旱處理的Ci值明顯升高，這一現(xiàn)象在生育期低水分處理上同樣有所體現(xiàn)，此時非氣孔因素已成為葉片光合作用的主要限制因素?？梢姡L期持續(xù)受旱會明顯抑制冬小麥葉片的氣體交換進程，不利于光合同化產物的積累及運轉分配，在生產中應優(yōu)先杜絕出現(xiàn)此類現(xiàn)象。已有研究已基于節(jié)水高產目標提出了冬小麥不同生育階段的適宜灌水控制下限標準[15]，上述結果可作為已有研究成果的進一步深化和補充。

在土壤水分脅迫條件下，植物氣孔調節(jié)機理被認為是一種反饋式調節(jié)[20]。當土壤水分充足時，隨著光合有效輻射強度、大氣溫度的增高，氣孔導度隨之升高；當水分脅迫達到某一臨界值時，植物通過葉片蒸騰劇烈失水，導致葉片水勢產生變化，從而造成葉片氣孔開度減小[8,17,21]。輕度水分脅迫下，光合速率沒有下降甚至高于非脅迫處理，而由于蒸騰速率先于光合速率下降使得WUE提高；中度水分脅迫下，氣孔開度明顯下降，蒸騰速率的降幅大于光合速率，此時WUE最高；在嚴重缺水時，葉肉細胞光合活性的降低，導致了光合作用的氣孔限制和非氣孔限制同時存在，光合速率明顯下降，WUE也顯著降低。在大多數(shù)禾谷類作物中，當植株的水分狀況并未受到土壤干旱的影響時，氣孔即開始關閉，表現(xiàn)為調虧期內蒸騰作用下降超前于光合作用[22]。本試驗也得到了上述結果，并基于WUE與Pn、Tr、Gs之間的相關關系，對周麥22所處水分脅迫程度進行了量化表征，即隨著干旱程度的加劇，當WUE值分別在2.62、3.36 和4.11 μmol/mmol 左右時，周麥22 分別開始遭受輕度、中度和重度水分脅迫，當WUE值在3.81 μmol/mmol 時，Pn達到極值。上述結果從氣孔運動的視角給出了作物所處水分狀況的判定標準，為能夠在生產中實現(xiàn)按需適時灌溉提供了簡單快捷的評判思路，具有一定的實踐意義。當然，明確不同生育時期內WUE與各氣體交換參數(shù)間的定量關系，分階段建立作物WUE值控制目標，對于實現(xiàn)小麥節(jié)水和高產的統(tǒng)一[23]，將更具實踐意義。此外，由于葉片的氣體交換參數(shù)具有明顯的日變化過程，而本試驗的數(shù)據(jù)均是在上午獲取的，該時段的氣體交換過程相對活躍，但受氣孔開度的影響較大，會在一定程度上影響試驗成果的可靠性，因此在獲取數(shù)據(jù)時應盡量選擇晴好天氣。

4 結論

1）拔節(jié)期復水后，苗期受旱處理的氣體交換參數(shù)均明顯回升，其中苗期輕旱和中旱處理均未顯著減產，可見苗期適當增加水分脅迫的程度是可行的?？紤]到拔節(jié)后重旱對冬小麥葉片的部分氣體交換參數(shù)有顯著負影響，從節(jié)水穩(wěn)產角度出發(fā)，本試驗建議冬小麥拔節(jié)后的土壤水分不應低于田持的55%。

2）基于WUE與Pn、Tr、Gs之間的相關關系，確定了周麥22 開始遭受輕度、中度和重度水分脅迫時葉片水分利用效率的理論計算值分別在2.62、3.36和4.11 μmol/mmol左右，當WUE值在3.81 μmol/mmol時，Pn達到極值，上述結果可作為準確判別作物自身所處土壤水分狀況的數(shù)據(jù)參考。