張繼波，薛曉萍，李 楠，李鴻怡，張 磊，宋計(jì)平

（1.山東省氣候中心，山東 濟(jì)南250031；2.臨沂市氣象局，山東 臨沂276000；3.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜與花卉研究所，山東 濟(jì)南250031）

山東省是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大省，2003 年以來(lái)，全省糧食總產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)14 a 豐收，2016 年達(dá)到4.7×107噸，位列全國(guó)第三。在氣候變暖的大背景下，受季風(fēng)氣候影響，山東省降水量年際變化大，年內(nèi)分布及空間分布極不均勻，各地干旱災(zāi)害頻發(fā)，并以春旱最為嚴(yán)重[1]，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、種植制度和作物品種等產(chǎn)生重大影響[2,3]。開展水分關(guān)鍵期干旱脅迫對(duì)冬小麥生理特性及物質(zhì)生產(chǎn)影響的研究，可以明確干旱脅迫對(duì)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成的影響機(jī)理，為保障冬小麥安全生產(chǎn)、科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)支撐。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于干旱對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育及光合特性影響的研究已有相關(guān)報(bào)道[4-7]。土壤水分的變化勢(shì)必引起作物生長(zhǎng)發(fā)育和生理特性的響應(yīng)，當(dāng)作物遭受干旱脅迫時(shí)，作物體內(nèi)含水量下降，氣孔關(guān)閉，細(xì)胞膨壓遭到破壞，導(dǎo)致生長(zhǎng)延伸受到抑制[8,9]。干旱脅迫會(huì)嚴(yán)重影響作物光合作用、礦質(zhì)元素代謝和次生代謝，導(dǎo)致活性氧積累，細(xì)胞膜損傷，葉綠素、蛋白質(zhì)和脂類物質(zhì)的降解，由此產(chǎn)生的丙二醛在某種程度上可作為判別細(xì)胞膜受損程度的指標(biāo)[10-12]?？寡趸富钚院头N類隨干旱脅迫的增強(qiáng)而增加，而增加的程度因作物的種類有所不同[13]。此外，干旱脅迫還會(huì)加速葉片衰老、抑制植株光合作用，減緩干物質(zhì)積累及轉(zhuǎn)運(yùn)，最終造成作物減產(chǎn)[14-16]。作物任何發(fā)育期遭受干旱脅迫均會(huì)對(duì)其發(fā)育進(jìn)程產(chǎn)生影響，其中，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段水分虧缺會(huì)減緩葉片的生長(zhǎng)速率并使得花期和生殖生長(zhǎng)推遲，而生殖生長(zhǎng)階段水分虧缺則會(huì)加速作物的成熟與衰老[17-19]。

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，干旱可能發(fā)生在作物的任何生長(zhǎng)發(fā)育階段，而拔節(jié)期—孕穗期是冬小麥由冬前營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)闋I(yíng)養(yǎng)與生殖生長(zhǎng)同時(shí)并進(jìn)的時(shí)期，是決定冬小麥最終產(chǎn)量的關(guān)鍵時(shí)期[18]。本研究針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際，結(jié)合前人的研究成果，在臨沂設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站水分控制場(chǎng)設(shè)計(jì)冬小麥水分關(guān)鍵期水分控制試驗(yàn)，模擬不同水分處理下土壤水分變化規(guī)律，系統(tǒng)研究水分關(guān)鍵期冬小麥光合生理特性、抗氧化酶活性及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，以期為科學(xué)評(píng)估春季干旱對(duì)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成的影響提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016—2017 年和2017—2018 年冬小麥生長(zhǎng)季內(nèi)在臨沂設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站自動(dòng)控制遮雨棚內(nèi)的水分控制場(chǎng)進(jìn)行。水分控制場(chǎng)位于118°14′54″E、35°28′30″N，包括15 個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，南側(cè)4 m 處為3 個(gè)雨養(yǎng)對(duì)照小區(qū)，小區(qū)內(nèi)土壤均為砂壤，小區(qū)面積為16 m2（4 m×4 m）、深2 m，小區(qū)間距0.2 m，四周及底部水泥墻均做防水防滲處理，水分控制場(chǎng)地上部分安裝自動(dòng)移動(dòng)式遮雨棚，遮雨棚長(zhǎng)23 m，寬14 m，高5 m，雨雪時(shí)將遮雨棚關(guān)閉棚遮蔽試驗(yàn)小區(qū)，其余時(shí)段為自然光照，遮雨棚頂部及四周為透光率85%的陽(yáng)光板，可保證雨雪天氣時(shí)作物最大限度接受散射光。供試材料為冬小麥品種“齊麥2 號(hào)”，2016—2017 年和2017—2018 年播期均為10 月8 日，播種方式為條播，密度為每平方米1000 株，播種后供水充分，保證出苗，除水分控制期間外其他時(shí)段均保證所有處理處于水肥條件適宜且一致。

在冬小麥水分關(guān)鍵期（拔節(jié)期～揚(yáng)花期）設(shè)置5個(gè)梯度水分處理及1 個(gè)雨養(yǎng)對(duì)照，分別標(biāo)記為T1、T2、T3、T4、T5 和CK，重復(fù)3 次，共18 個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，具體設(shè)計(jì)見圖1。冬小麥返青后隔天觀測(cè)發(fā)育期，逢8 進(jìn)行人工測(cè)墑，進(jìn)入拔節(jié)期前，將各處理20 cm 土壤相對(duì)濕度控制在60%左右，進(jìn)入拔節(jié)期后參照臨沂地區(qū)冬小麥水分關(guān)鍵期（4 月1—30 日）常年降水量（約30 mm）設(shè)置T1、T2、T3、T4、T5 共5 個(gè)水分處理。其中，水分控制期間T1 處理維持在適宜水平（20 cm 土壤相對(duì)濕度80%左右），T2、T3、T4、T5 處理分別較水分關(guān)鍵期常年降水量減少20%、50%、75%、100%進(jìn)行一次性補(bǔ)水，直至揚(yáng)花期不再補(bǔ)水，揚(yáng)花期后復(fù)水直至冬小麥成熟。

圖1 水分控制場(chǎng)試驗(yàn)小區(qū)分布

不同水分處理下20 cm 土壤相對(duì)濕度變化情況見圖2。由圖2 可知，4 月1 日冬小麥進(jìn)入拔節(jié)期，除CK 和T5 外，T1、T2、T3、T4 處理20 cm 土壤相對(duì)濕度均明顯上升，其中，T1、T2、T3 處理超過(guò)80%，T4處理超過(guò)70%；水分控制期間，氣溫回升，作物蒸騰和田間蒸散增強(qiáng)，除CK 和T1 外，T2、T3、T4、T5 處理20 cm 土壤相對(duì)濕度均顯著下降。根據(jù)土壤水分動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)干旱判別標(biāo)準(zhǔn)（表1），冬小麥揚(yáng)花期時(shí)，T2、T3 處理達(dá)到輕度干旱，T4、T5 處理達(dá)到重度干旱。

圖2 不同水分處理20 cm 土壤相對(duì)濕度變化

表1 土壤水分動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)干旱判別標(biāo)準(zhǔn)

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 葉片光響應(yīng)曲線測(cè)定

利用Li-6400 便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)（Licor，USA），在晴天9：00—12：00 采用Li-6400-02B紅藍(lán)光葉室測(cè)定Pn-PAR 光響應(yīng)曲線，各處理選擇功能葉片測(cè)定2 株。水分控制期間測(cè)定間隔為10 d，拔節(jié)期前、灌漿期和乳熟期擇期分別測(cè)定1 次。

通過(guò)開放式氣路，設(shè)定溫度為25 ℃，大氣CO2濃度（Ca）為400 μmol/mol，設(shè)定光強(qiáng)梯度為1800、1600、1400、1200、1000、800、600、400、350、300、200、150、100、50、20、0 μmol··。測(cè)定葉片在每一光強(qiáng)下的凈光合速率（，μmol··）、氣孔導(dǎo)度（Gs，mmol··）、胞間濃度（Ci，μmol/mol）等光合參數(shù)，計(jì)算氣孔限制值（Ls）=1-Ci/Ca。

用直角雙曲線模型在SPSS15.0 中對(duì)各處理的光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，得到光飽和時(shí)的最大光合速率（）、表觀量子效率（），直角雙曲線模型[20]表達(dá)式如下：

1.2.2 保護(hù)酶活性及丙二醛（MDA）含量測(cè)定

水分控制期間，在9：00—10：00 選取長(zhǎng)勢(shì)均勻植株頂端以下的第5～8 位葉片，采摘后用液氮速凍，然后保存于-40 ℃超低溫冰箱，在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜與花卉研究所實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成各項(xiàng)酶活性的測(cè)定，取樣頻次與光響應(yīng)曲線測(cè)定同步。采用氮藍(lán)四唑法測(cè)定超氧化物歧化酶（SOD）活性，采用愈創(chuàng)木酚顯色法測(cè)定過(guò)氧化物酶（POD）活性，采用紫外分光光度計(jì)測(cè)定過(guò)氧化氫酶（CAT）活性，采用硫代巴比妥酸法測(cè)定MDA 含量[21]。

1.2.3 灌漿速率測(cè)定

冬小麥進(jìn)入灌漿期后，各處理分別選取1 m 樣段進(jìn)行麥穗取樣，計(jì)算麥穗數(shù)量，并測(cè)定鮮重、干重，之后間隔10 d、20 d 分別測(cè)定一次，計(jì)算得到灌漿速率。

1.2.4 產(chǎn)量結(jié)構(gòu)測(cè)定

冬小麥成熟后，各處理均勻選取樣株進(jìn)行收獲，晾曬后室內(nèi)考種，考種項(xiàng)目包括穗粒數(shù)、千粒重等，測(cè)定其理論產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003 進(jìn)行整理，SAS 9.0 進(jìn)行方差分析，采用鄧肯新復(fù)極級(jí)差法分析不同處理間顯著差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)冬小麥葉片光合特性的影響

水分控制期間，除T1 外，其他各處理土壤相對(duì)濕度不同程度降低，干旱脅迫逐漸增強(qiáng)，葉片氣孔關(guān)閉以減少蒸騰作用造成的水分散失，進(jìn)而阻礙CO2進(jìn)入葉片，對(duì)冬小麥葉片光合作用產(chǎn)生影響。水分控制期間冬小麥葉片光合生理參數(shù)變化顯著（圖3）。由圖3 可知，飽和光強(qiáng)下，冬小麥葉片、Gs、Ci 均隨干旱脅迫的加劇呈降低趨勢(shì)，干旱脅迫持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，、Gs 降低幅度越大，水分處理28 d 后，T2、T3、T4、T5 處 理、Gs 分 別 較T1 降 低76.6%～90.0%和70.8%~96.7%，均達(dá)到顯著水平，T5 處理Pmax、Gs 降低幅度均最大。T2、T3 處理冬小麥葉片Pmax、Gs、Ci 均隨干旱脅迫的加劇而降低，Ls 升高，Ci和Ls 變化趨勢(shì)相反，氣孔因素是輕度干旱脅迫下冬小麥葉片光合速率降低的主要原因；飽和光強(qiáng)下，Ls隨干旱脅迫的加劇呈升高趨勢(shì)，水分處理13 d 后，T4、T5 處理Ci 升高，Ls 降低，重度干旱脅迫下導(dǎo)致冬小麥葉片光合速率降低的主要原因是非氣孔因素。

圖3 不同水分處理對(duì)冬小麥葉片光合生理參數(shù)的影響

揚(yáng)花期冬小麥葉片光響應(yīng)曲線對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)見圖4。由圖4 可知，不同水分處理下冬小麥葉片光合速率隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)均呈上升趨勢(shì)，并在光飽和點(diǎn)達(dá)到最大值，隨著光照強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，T2、T3、T4、T5 處理冬小麥葉片光合速率均出現(xiàn)不同程度降低，T5 處理降低幅度最大，降幅達(dá)87.6%，T4 處理次之，T2 處理最小，降幅為36.7%。干旱脅迫下冬小麥葉片出現(xiàn)“光抑制”現(xiàn)象，且隨干旱脅迫的加劇而加重。

圖4 不同水分處理對(duì)揚(yáng)花期冬小麥葉片光響應(yīng)曲線的影響

2.2 干旱脅迫對(duì)冬小麥葉片抗氧化酶和丙二醛含量的影響

不同水分處理下SOD 酶、POD 酶、CAT 酶活性及MDA 含量的變化情況見圖5。由圖5 可知，T2、T3處理冬小麥葉片SOD 酶、POD 酶、CAT 酶活性均呈上升趨勢(shì)，均在水分處理后15 d 達(dá)到最大，分別為410.0 U·g-1·min-1、395.0 U·g-1·min-1、18.6 U·g-1·min-1和463.0 U·g-1·min-1、451.0 U·g-1·min-1、19.9 U·g-1·min-1，復(fù)水后能夠恢復(fù)至正常水平；隨著干旱脅迫的加劇，T4、T5 處理冬小麥葉片SOD 酶、POD 酶、CAT酶活性則呈先上升后降低的趨勢(shì)，同樣在水分處理第15 日達(dá)到最大，分別為547.0 U·g-1·min-1、520.0 U·g-1·min-1、22.0 U·g-1·min-1和616.0 U·g-1·min-1、572.0 U·g-1·min-1、23.4 U·g-1·min-1，均顯著高于T2、T3 處理，復(fù)水后緩慢降低，無(wú)法恢復(fù)至正常水平。干旱脅迫下，T2、T3、T4、T5 處理MDA 含量均呈上升趨勢(shì)，復(fù)水后T2、T3 處理MDA 含量基本可以恢復(fù)至正常水平，而T4、T5 處理無(wú)法恢復(fù)至正常水平，重度干旱脅迫導(dǎo)致冬小麥葉片抗氧化酶系統(tǒng)遭受不可逆損傷。

2.3 干旱脅迫對(duì)冬小麥灌漿速率和產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響

隨著干旱脅迫的加劇，冬小麥灌漿速率顯著降低（圖6）。T1 處理和CK 由于前期水分充足，冬小麥灌漿充分，灌漿速率分別為0.049 g/d 和0.041 g/d，單穗干物質(zhì)重差異不顯著；T2、T3 處理灌漿速率分別為0.038 g/d 和0.032 g/d，單穗干物質(zhì)重分別較T1 減少40.4%和20.7%，T4、T5 處理灌漿極不充分，單穗干物質(zhì)重分別較T1 減少64.1%和70.0%，這可能由于干旱脅迫導(dǎo)致冬小麥無(wú)法正常授粉造成的。

圖5 不同水分處理對(duì)冬小麥葉片抗氧化酶和丙二醛含量的影響

圖6 不同水分處理對(duì)冬小麥灌漿速率的影響

隨干旱脅迫的加劇，冬小麥穗粒數(shù)、千粒重、理論產(chǎn)量均呈下降趨勢(shì)，而不孕小穗率則呈升高趨勢(shì)（圖7）。由圖7 可知，T1 處理冬小麥不孕小穗率僅為2.0%，CK 與T1 幾乎無(wú)差異，T2、T3 處理和T4、T5 處理不孕小穗率分別超過(guò)10.0%和30.0%，均顯著高于T1 處理。T1 處理和CK 穗粒數(shù)分別為43.2個(gè)和45.3 個(gè)，差異不顯著，而T2、T3、T4、T5 處理穗粒數(shù)則均顯著低于T1 處理，分別較T1 處理降低17.1%、30.3%、51.6%和56.7%，其中，T4、T5 處理間差異不顯著。由于灌漿不充分，T4、T5 處理千粒重均顯著小于T1 處理，分別較T1 處理降低10.6%和11.8%，而T2、T3 處理千粒重則與T1 處理相差不大。干旱脅迫對(duì)冬小麥理論產(chǎn)量造成不可逆的影響，T2、T3、T4、T5 處理理論產(chǎn)量均顯著低于T1 處理，T1 處理理論產(chǎn)量為8 326.5 kg/hm2，而T2、T3 處理為6 228.0 kg/hm2和5 418.0 kg/hm2，分別較T1 減少25.2%和34.9%，T4、T5 處理為4 264.5 kg/hm2和3 616.5 kg/hm2， 分 別 較T1 處 理 減 少48.8%和56.6%。

3 結(jié)論

（1）干旱脅迫顯著降低冬小麥葉片光合速率，輕度干旱脅迫和重度干旱脅迫下冬小麥葉片光合速率的降低分別是由氣孔因素和非氣孔因素造成的。干旱脅迫會(huì)造成冬小麥出現(xiàn)“光抑制”現(xiàn)象，干旱脅迫越重，“光抑制”越重。

（2）干旱脅迫下冬小麥葉片抗氧化酶系統(tǒng)的紊亂是造成葉片光合速率降低的內(nèi)在因素，隨干旱脅迫的加劇，冬小麥葉片SOD、POD 和CAT 酶活性先升高后降低，當(dāng)干旱脅迫達(dá)到重度時(shí)，SOD、POD 和CAT 酶活性受到抑制，MDA 含量顯著升高，對(duì)冬小麥葉片膜系統(tǒng)造成不可逆損傷，冬小麥葉片光合能力顯著降低。

（3）水分關(guān)鍵期干旱脅迫造成冬小麥灌漿速率、穗粒數(shù)、千粒重、理論產(chǎn)量均顯著降低，且干旱脅迫越重，降低幅度越大；而不孕小穗率則呈升高趨勢(shì)。

4 討論

圖7 不同水分處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響

光合作用是作物干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[22]。干旱脅迫對(duì)作物葉片光合參數(shù)的影響與葉片氣孔的開放程度有關(guān)，作物遭受干旱脅迫時(shí)，首先通過(guò)關(guān)閉葉片氣孔以減少蒸騰作用，進(jìn)而阻止CO2進(jìn)入葉片，從而對(duì)葉片光合作用產(chǎn)生影響。干旱脅迫下冬小麥葉片光合速率顯著降低，且隨干旱脅迫的加劇降低幅度增大，而光合速率降低的原因卻有所不同，干旱脅迫下氣孔因素和非氣孔因素是造成冬小麥葉片光合速率降低的主要原因，Ci 和Ls 對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)是判斷造成冬小麥葉片光合速率降低原因的主要依據(jù)[14,21,23]。

干旱脅迫下，冬小麥葉片PSⅡ的活性降低、活性氧積累，造成冬小麥葉片細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度升高，進(jìn)而對(duì)冬小麥代謝過(guò)程產(chǎn)生影響。本研究表明：干旱脅迫會(huì)誘導(dǎo)冬小麥葉片SOD 酶、POD 酶和CAT 酶活性升高，進(jìn)而降低MDA 含量，減輕干旱脅迫對(duì)冬小麥葉片PSⅡ的影響；隨著干旱脅迫的加劇，重度干旱脅迫下冬小麥葉片SOD 酶、POD 酶和CAT 酶活性受到抑制， 無(wú)法清除葉片內(nèi)過(guò)多的MDA，導(dǎo)致冬小麥葉片膜系統(tǒng)遭受不可逆的破壞，冬小麥葉片光合能力顯著降低，這與張仁和等[10]的研究結(jié)論基本一致。

干旱脅迫是限制冬小麥產(chǎn)量提高的主要因素之一[24]。干旱脅迫下冬小麥?zhǔn)诜鄄怀浞?，灌漿期縮短，灌漿速率、千粒重顯著降低，不孕小穗率升高，進(jìn)而導(dǎo)致冬小麥減產(chǎn)。本研究表明：干旱脅迫下T2、T3處理冬小麥灌漿速率分別較T1 處理降低22.4%、34.7%，而T4、T5 處理較T1 處理降低超過(guò)50%，嚴(yán)重制約了冬小麥的產(chǎn)量提高。理論產(chǎn)量是預(yù)估冬小麥實(shí)際產(chǎn)量的有效手段，T2、T3、T4、T5 處理冬小麥理論產(chǎn)量?jī)H為T1 處理的74.8%、65.1%、51.2%和43.4%，隨干旱脅迫的加劇，冬小麥產(chǎn)量降低越顯著，這可能是由于干旱脅迫下植株體內(nèi)激素平衡遭到破壞造成的[24-25]。

通過(guò)研究水分關(guān)鍵期干旱脅迫對(duì)冬小麥葉片光合生理、抗氧化酶活性及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響，探討干旱脅迫對(duì)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成的影響機(jī)理，為明確干旱脅迫下冬小麥的致災(zāi)機(jī)理、災(zāi)損評(píng)估及應(yīng)災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)，今后仍應(yīng)進(jìn)一步開展不同發(fā)育期干旱脅迫對(duì)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)影響的研究。