來興發(fā)，楊憲龍，王自奎，沈禹穎

(蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院，草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，草業(yè)科學國家級實驗教學中心，甘肅蘭州 730020)

黃土高原旱作塬區(qū)是我國典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，也是我國重要的糧食生產(chǎn)區(qū)之一[1]。冬小麥是該地區(qū)主要的糧食作物，對于保障該區(qū)域糧食安全發(fā)揮著重要作用。降水是影響冬小麥生產(chǎn)的主要因素[2]。降水會改變田間的土壤水分狀況，進而影響到冬小麥的生長發(fā)育過程，最終使得冬小麥的產(chǎn)量受到影響[3-4]。然而，黃土旱塬區(qū)的降水在年際間與年內(nèi)分配極不均衡，加之近年來極端降水事件頻發(fā)，使得該地區(qū)冬小麥的產(chǎn)量長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)[5-6]。因此，研究不同降水情景下黃土旱塬區(qū)的冬小麥生長特性以及產(chǎn)量的變化特征，對于了解冬小麥適應氣候的變化以及農(nóng)田水分管理有重要的生產(chǎn)實踐意義。

在旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，降水是限制作物生長的最主要因素[5]。降水通過改變土壤水分狀況，進一步使得植物葉片的形態(tài)特征發(fā)生變化[7]。葉片是植物最主要的器官，對外界環(huán)境的變化比較敏感，其形態(tài)特征的變化是對環(huán)境適應性的體現(xiàn)[8-9]。葉片形態(tài)的變化會引起植物的葉面積指數(shù)[10]、歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)[11]、干物質(zhì)積累量等一系列指標變化[12]。其中NDVI是一個能夠很好地反映作物生長狀況的指標，可用于作物生長狀況評估和監(jiān)測。當土壤干旱缺水時，為適應環(huán)境的變化，植物葉片會卷曲、失綠，甚至萎蔫，同時葉片面積增長慢，LAI增長速率變小，NDVI降低，植物光合作用減弱，干物質(zhì)積累速率變緩[13]。當增加土壤水分時，植物葉片逐漸恢復綠色，冠層的郁閉度增加，植物光合作用增強，葉面積增長較快，葉面積指數(shù)顯著增加，干物質(zhì)的積累逐漸增加[12,14-15]。目前，通常采用人工模擬降水[16]、作物模型[17]、不同灌溉制度[10]等方法來研究水分變化對作物生長發(fā)育的影響，但上述方法都不能較好地反映田間實際狀況。而遮雨棚技術是通過控制降雨的截留，達到控制地表降雨凈輸入的效果，可以較好地實現(xiàn)降雨強度和降雨時間與自然降水的一致性，具有較大的應用前景。例如，倪盼盼等[18]通過遮雨棚控制降水對冬小麥產(chǎn)量的降水效應進行了研究，發(fā)現(xiàn)這種方法比較真實地反映了田間實際情況。但是，截止目前，通過遮雨棚控制降水梯度技術來探究不同降水條件下冬小麥生長動態(tài)以及產(chǎn)量的變化相對較少。因此，本研究采用遮雨棚控制降雨形成減少30%降水、對照和增加30%降水不同降水梯度，分析生長季不同降水條件下冬小麥葉面積指數(shù)、歸一化植被指數(shù)、干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量及其構成等變化特征，以期為未來降水變化背景下黃土旱塬區(qū)冬小麥的高效栽培提供指導意義。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年9月-2018年6月在蘭州大學慶陽黃土高原試驗站進行。該站位于東經(jīng)107°51′，北緯35°39′，海拔1 297 m，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。據(jù)多年氣象資料顯示(2001-2015)，該站多年平均降水量為548.9 mm，主要集中在7-9月；多年平均氣溫為 9.5 ℃，1月份平均氣溫為-3.7 ℃，7月份平均氣溫為22.1 ℃。2016-2017和2017-2018年降水量分別為530.2和713.9 mm，降水距平百分率分別為-3.4%和30.04%，可分別視為正常降水年份和濕潤年份[21]；2017年1月份的氣溫為 -1.4 ℃，而2018年1月份的氣溫為-5.71 ℃(圖1)。該地區(qū)是典型的黃土旱作區(qū)，土壤為黑壚土。0～20 cm土層全氮含量為0.94 g·kg-1，硝態(tài)氮含量為85.1 mg·kg-1，全磷含量為0.75 g·kg-1，速效磷含量為34.4 mg·kg-1，全鉀含量為13.2 g·kg-1，速效鉀135.7 mg·kg-1，有機質(zhì)含量為1.02 g·kg-1。

1.2 試驗設計

由于試驗站多年平均降水量為549 mm，向上浮動30%為713 mm，可以達到半濕潤地區(qū)降水量的標準；而向下浮動30%為384 mm，可達到半干旱地區(qū)降水量的下限標準。由于這兩個降水量接近氣候分界線[21]，對當?shù)氐纳a(chǎn)實踐有很大的參考價值，因此選擇30%的降水量波動范圍。在冬小麥整個生長季內(nèi)，設置減少30%降水(R-30%)、正常降水(CK)和增加30%降水(R+30%)3個降水梯度，3次重復，小區(qū)面積為9 m2(3 m×3 m)。減少30%降水與增加30%降水處理如圖2所示。其中，減少30%降水采用4 cm×6 cm的方鋼焊接而成的遮雨棚來實現(xiàn)，試驗期間遮雨棚一直固定在小區(qū)內(nèi)。遮雨棚底部為3 m×3 m，遮雨棚前高為2.0 m，后高為2.2 m，使得遮雨棚頂部有一定的傾角。將透明(透光)的亞克力管(直徑為10 cm)沿直徑方向剖開，使其成為集雨槽，每個遮雨棚頂部均勻固定10個集雨槽，使其截留30%降水(模擬減少30%降水)，然后通過集雨槽將截留的雨水通過水管導入到集雨桶內(nèi)。待降雨結(jié)束后，將收集的30%降水通過滴灌水管將收集的雨水導入到另一個小區(qū)，使得另一個小區(qū)增加30%降水，以保證三個降雨處理下降雨的同期性。

P：降水量；T：平均氣溫。

P：Precipition;T:Average are temperature.

圖1 冬小麥生長季內(nèi)的月降水量和平均氣溫

Fig.1Monthly precipitation and air temperature during the winter wheat growing seasons

圖2 田間減少30%降水與增加30%降水示意圖

本試驗供試冬小麥為當?shù)卦耘嗥贩N隴育4號，兩年分別于2016年9月26日和2017年9月23日播種，于2017年6月23日和2018年6月24日收獲。小麥播種采用條播方式，行距為15 cm，播深5～6 cm，播量為225 kg·hm-2。冬小麥在播種前施氮120 kg·hm-2和P2O535 kg·hm-2，生育期內(nèi)不再追肥。氮肥為尿素(含氮46%)，磷肥為普通過磷酸鈣(含P2O516%)。試驗期間人工除草，田間管理措施按當?shù)厣a(chǎn)實踐進行。

1.3 測定指標

1.3.1 土壤相對有效含水量測定

在冬小麥返青后，采用烘干法和TDR相結(jié)合測定0～1.2 m土壤含水量，每14～ 20 d測定一次，采用土壤相對有效含水量(AW)來表示不同降水處理下土壤的水分狀況，該值在0～1之間[10,19]。由于冬小麥的根系主要分布在0～60 cm土層內(nèi)[20]，因此本研究選擇0～60 cm土層的土壤水分數(shù)據(jù)來計算土壤相對有效含水量，以此來量化不同降水處理的土壤水分狀況。

式中θa為土壤體積含水量，θf為田間持水量，θwp為凋萎系數(shù)。

1.3.2 葉面積指數(shù)(LAI)測定

冬小麥返青后，每隔10～14 d用LAI-2000冠層分析儀測定冬小麥LAI，每個小區(qū)測定2次重復。

1.3.3 歸一化植被指數(shù)(NDVI)測定

冬小麥返青后，用便攜式GreenSeeker光譜儀(上海澤泉科技股份有限公司)每隔10～14 d測定不同降水梯度下冬小麥冠層歸一化植被指數(shù)。測定時傳感器與冬小麥冠層保持平行且垂直麥壟方向，距離冬小麥冠層頂部高度40 cm，每個小區(qū)測定2次重復。

1.3.4 冬小麥地上干物質(zhì)量及產(chǎn)量測定

干物質(zhì)量的測定：在冬小麥返青后，每隔10～14 d測定一次冬小麥的干物質(zhì)量，測定時選取長勢均勻0.5 m樣段，齊地面刈割后帶回實驗室，放在烘箱中105 ℃殺青30 min后，將溫度調(diào)至65 ℃烘干后稱干重。

產(chǎn)量的測定：在冬小麥成熟期，選取每個小區(qū)中間5行1 m的小麥樣段，齊地面刈割后帶回實驗室，測定冬小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013進行數(shù)據(jù)整理并繪圖，利用Genstat 19.0對數(shù)據(jù)進行單因素進行方差分析和多重比較(α=0.05)。

2 結(jié)果分析

2.1 降水變化對土壤相對有效含水量的影響

冬小麥生長季內(nèi)土壤相對有效含水量在連續(xù)兩年觀測期呈現(xiàn)出不同的變化特征(圖3)。在2016-2017年生長季內(nèi)，R-30%處理的土壤相對有效含水量均低于CK和R+30%處理，且三個降水處理下土壤相對有效含水量在返青-孕穗期呈現(xiàn)下降趨勢。相比之下，在2017-2018生長季內(nèi)，從冬小麥返青期到抽穗期，R+30%處理的土壤相對有效含水量高于CK和R-30%處理，這是由于這一時期冬小麥耗水較少，同時此期間降水較多，使得土壤相對有效含水量保持較高水平。而從孕穗期到收獲期，冬小麥生長耗水量不斷增加，使得三個降水處理下土壤水分逐漸減少，三個降水條件下土壤相對有效含水量均保持在0.2左右，差異不明顯。

小麥返青期、拔節(jié)期、抽穗期、開花期、灌漿期和成熟期在2016-2017年分別為播種后187、199、213、220、256和270 d，在2017-2018年分別為播種后181、195、215、225、254和273 d。

The time of regreening, jointing, heading, flowering, grain-filling and maturity stages of wheat are 187, 199, 213, 220, 256 and 270 d after sowing in 2016-2017, respectively, and 181, 195, 215, 225, 254 and 273 d after sowing in 2017-2018, respectively.

圖3 冬小麥生育期內(nèi)土壤相對有效含水量的動態(tài)變化

Fig.3 Dynamics of relative available water content during the wheat growing seasons

2.2 降水變化對冬小麥群體LAI的影響

兩年內(nèi)冬小麥LAI均呈先升后降趨勢(圖4)。在2016-2017年生長季內(nèi)，由于4月份降水量較少，而冬小麥的耗水逐漸增多，R-30%處理下土壤水分供應不足，使得冬小麥植株生長受到抑制且發(fā)生萎蔫，導致LAI增長緩慢。而R+30%處理下土壤水分比較充足，冬小麥快速生長，LAI增長速度顯著高于CK和R-30%處理。隨著生育期的推進，在開花期所有處理LAI均達到最大值，分別為 4.05、3.10和2.53，且處理間差異顯著(P<0.05)。開花期之后，冬小麥葉片逐漸發(fā)黃凋落，各處理LAI均出現(xiàn)了不同程度下降。在2017-2018年生長季內(nèi)，冬小麥生長季內(nèi)的降水比較充沛，減少降水時仍然能滿足冬小麥生長季內(nèi)水分需求，植株長勢一致。由于小麥植株生長迅速，冠層郁閉度快速升高，所以三個降水梯度下LAI變化一致，在開花期均達到了最大值(5.6左右)，但處理間差異不顯著。隨著生育期的推進，冬小麥在灌漿期出現(xiàn)了不同程度的倒伏，使得灌漿后期到成熟期LAI降為0。

2.3 降水變化對冬小麥群體NDVI的影響

不同降水處理下冬小麥冠層NDVI值隨著時間的推移呈不同的變化趨勢(圖5)。在2016-2017年，隨著生育期的推移，所有處理冬小麥冠層NDVI值均呈先降再升后降的趨勢，且R+30%處理的NDVI值均顯著高于CK和R-30%處理。在2016-2017生長季內(nèi)，由于4月份降水偏少，冬小麥為了適應缺水而表現(xiàn)出葉片發(fā)黃萎蔫失綠，所以冬小麥在返青到孕穗期所有處理的NDVI值急劇下降。但在抽穗期(播種后220 d)，三個降水處理下冬小麥NDVI值均又呈上升的趨勢，這是因為孕穗到抽穗期降雨及時補充了土壤水分，冬小麥葉片逐漸恢復綠色，冠層郁閉度逐漸增加，使得NDVI值逐漸上升。而在抽穗至成熟期，冬小麥冠層郁閉度不斷下降，冬小麥葉片逐漸發(fā)黃，對紅光吸收率降低、反射增加，使得近紅外光譜與紅光光譜差值變小，所以NDVI值不斷下降。而2017-2018年生長季內(nèi)，三個降水處理NDVI值均呈先升后降的趨勢。但由于降水比較充沛，水分供應充足，使得冬小麥長勢一致，三個降水處理間NDVI值差異不大。隨著冬小麥生育期的推移，所有處理冬小麥冠層在抽穗期趨于穩(wěn)定，NDVI也達到最大值，均為0.8左右。從抽穗期到成熟期，冬小麥葉片逐漸的發(fā)黃凋落，使得三個降水處理下NDVI值不斷降低，在成熟期冬小麥NDVI值下降到最小值，為0.2左右。

圖4 降水變化條件下冬小麥LAI指數(shù)的動態(tài)變化

圖5 降水變化條件下冬小麥NDVI的動態(tài)變化

2.4 降水變化對冬小麥干物質(zhì)積累的影響

2016-2017年生長季內(nèi)，由于夏閑期(2016年7-9月)和拔節(jié)期(2017年4月)降水量偏少，R-30%處理土壤水分虧缺嚴重，冬小麥生長速度緩慢，干物質(zhì)積累速率顯著低于CK和R+30%處理。而相比之下，R+30%處理的水分虧缺程度較輕，干物質(zhì)量保持穩(wěn)定增長速率優(yōu)勢。在收獲期時，相比CK，R-30%處理干物質(zhì)積累量減少了24.18%，而R+30%處理增加了 22.80%。在2017-2018年生長季內(nèi)，由于降水量比較充沛，土壤水分供應充足，使得冬小麥在灌漿期之前干物質(zhì)積累速率顯著增加，但不同處理之間相差不大，到成熟期時，R+30%、CK和R-30%三個處理間干物質(zhì)積累量差異不顯著。

圖6 降水變化條件下冬小麥干物質(zhì)積累的動態(tài)變化

2.5 降水變化對冬小麥產(chǎn)量及其構成的影響

在2016-2017年，R-30%處理下由于降水偏少，土壤水分供應不足，冬小麥產(chǎn)量比CK減少了 28.4%。而R+30%下處理水分相對比較充足，冬小麥生長速率較快，干物質(zhì)積累比較多，產(chǎn)量比CK增加了44.2%。R-30%處理下冬小麥的穗數(shù)比CK減少了16.2%，且千粒重比CK降低了16.5%。而2017-2018年生長季內(nèi)降水量比較充沛，即減少30%降水仍然能滿足冬小麥生長所需的水分時，最終使得三個降水處理下冬小麥的產(chǎn)量及其構成均相差不大，且R+30%、CK和R-30%三個處理間冬小麥產(chǎn)量差異不顯著。

表1 降水變化對冬小麥產(chǎn)量及其構成的影響Table 1 Effect of precipitation change on grain yield and its components of winter wheat

數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示在同年度的不同處理間在0.05水平差異顯著。

Different small letters following the values of the same columns in same year indicate significant differences among the treatments at 0.05 level.

3 討 論

在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，降水是作物生長的關鍵[22-23]。降水通過改變田間土壤水分狀況，進而影響到作物的生長。冬小麥生長時為了適應土壤的干旱缺水，葉片會卷曲失綠甚至萎蔫，葉面積縮小，LAI增長變緩[24]，NDVI下降[11]。其中NDVI的變化與作物生長狀況、生育時期密切相關[25-26]。本研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥在2016-2017年拔節(jié)期(2017年4月份)的降水量偏少，R-30%處理下水分供應更少，因而土壤有效含水量較低，冬小麥嚴重缺水。由于水分與作物的生長發(fā)育存在顯著的相互依賴和相互制約的關系，所以冬小麥的葉片發(fā)生萎蔫失綠，冠層NDVI值迅速降低，LAI增長變緩，干物質(zhì)積累減少，導致冬小麥穗數(shù)偏少和千粒重下降，這與許多學者的研究結(jié)果一致[27-28]。而倪盼盼等對黃土高原研究認為，返青至拔節(jié)期降水減少會對冬小麥LAI、生物量、株高等指標表現(xiàn)出“先促后抑”效應，這是由于水分對植物生長的影響是一個適應到傷害的過程，水分會限制植物的生長，同時植物也會通過調(diào)整不同器官的生長速度來適應水分的減少，短期內(nèi)其葉片的光合作用會有所提高，生物量會稍有增加[7]。本試驗中，在拔節(jié)期(2017年4月)降水偏少情況下，降水不能滿足冬小麥生長發(fā)育所需求的水分，此時減少降水對冬小麥生長的抑制作用會更加明顯，使得植株生長嚴重受阻。相比之下，R+30%處理由于降水補充了一定量的土壤水分，所以冬小麥LAI、生物量仍然呈現(xiàn)迅速上升趨勢。而冬小麥冠層NDVI值仍然呈現(xiàn)下降趨勢，這是由于補充的水分對冬小麥的生長有滯后效應，隨著生育期的推移，增加的降水補充了冬小麥生長所需的水分，冠層逐漸恢復了綠色，光合作用增強，干物質(zhì)積累量、穗數(shù)和千粒重增加，最終顯著提高產(chǎn)量，這與倪盼盼等[7]等研究一致。

在2017-2018年，冬小麥的生長在處理間未表現(xiàn)出差異。這是由于2017年夏閑期8月份、播種后苗期(2017年10月)以及返青期(2018年4月)的強降水使得水分供應充足，冬小麥迅速生長。冬小麥冠層NDVI值在三個降水條件下未表現(xiàn)出差異，這表明所有處理冬小麥的長勢一致，而從測定的LAI、生物量、產(chǎn)量等指標的無差異也說明在降水偏多年份，生長季的降水量不在是限制冬小麥生長的主要因素。同時，由于降水充沛，冬小麥迅速生長，導致在灌漿期出現(xiàn)了不同程度的倒伏，灌漿受抑，產(chǎn)量偏少，使得觀測到的冬小麥產(chǎn)量與2016-2017生長季的CK處理相近。而2016-2017年R+30%處理下受水分脅迫很小，冬小麥生長旺盛，且灌漿期水分充足和未倒伏，灌漿速率較大，冬小麥有效穗數(shù)增加，最終使得冬小麥的產(chǎn)量顯著升高。這與李華龍等[10]研究一致，即當水分供應充足時，冬小麥的分蘗數(shù)和有效穗數(shù)增加，千粒重升高，導致產(chǎn)量提高。本研究還發(fā)現(xiàn)，雖然2017-2018年降水比較充沛，但后兩次的土壤相對有效含水量卻顯著的低于2016-2017年生長季，這可能是由于觀測土壤水分的日期恰好在降水之后過后的第2至第3天，使得土壤剖面的土壤水分瞬間升高，從而導致觀測的土壤相對有效含水量高于2017-2018生長季。由于本研究年限較短，因此需要更長年限來研究降水變化對黃土旱塬區(qū)冬小麥的NDVI、LAI、生物量以及產(chǎn)量等過程特征的影響。