全 文 ：第 35 卷第 15 期
2015年 8月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.15
Aug.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金项目 ( 31101114); 国家 “十二五冶农村领域科技计划课题 ( 2013AA102903); 山东省科技发展计划项目
(2011GNC21101); 山东省高等学校优秀中青年骨干教师国际合作培养项目
收稿日期:2014鄄01鄄13; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄09鄄25
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: quanqili@ sdau.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201401130090
郎坤, 刘泉汝, 卞城月, 刘馨惠, 李全起.推迟拔节水灌溉对宽幅精播麦田冠层温度与叶片水分利用效率的影响.生态学报,2015,35(15):
5262鄄5268.
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wheat in wide鄄precision planting pattern.Acta Ecologica Sinica,2015,35(15):5262鄄5268.
推迟拔节水灌溉对宽幅精播麦田冠层温度与叶片水分
利用效率的影响
郎摇 坤, 刘泉汝, 卞城月, 刘馨惠, 李全起*
山东农业大学水利土木工程学院, 泰安摇 271018
摘要:为了探讨冬小麦高效节水灌溉模式,于 2012—2013年在山东农业大学试验站采用两种种植模式(宽幅精播种植和常规种
植),每种种植模式设 3种灌溉处理(全生育期不灌溉、拔节期灌溉 60 mm和拔节后 10 d灌溉 60 mm),研究了推迟拔节水灌溉
对宽幅精播麦田冠层温度、光合速率、蒸腾速率、叶片水分利用效率(WUEL)和籽粒产量等的影响。 结果表明,推迟拔节水灌溉
显著提高了宽幅精播麦田生育后期的冠层温度、旗叶光合速率和蒸腾速率,且在冬小麦生长后期推迟拔节水灌溉显著提高了宽
幅精播麦田的 WUEL,有利于实现宽幅精播麦田的节水高产;产量构成因素中,推迟拔节水灌溉对两种种植模式的千粒重均没
有显著影响,但推迟拔节水灌溉显著提高了宽幅精播麦田的穗粒数和籽粒产量。 统筹考虑冬小麦的 WUEL和籽粒产量,推迟拔
节水灌溉对宽幅精播麦田实现节水高产具有一定的现实意义。
关键词:冬小麦; 宽幅精播; 拔节; 冠层温度; 叶片水分利用效率; 产量
Effect of delayed irrigation at jointing stage on canopy temperature and leaf
water use efficiency of winter wheat in wide鄄precision planting pattern
LANG Kun, LIU Quanru, BIAN Chengyue, LIU Xinhui, LI Quanqi*
College of Water Conservancy & Civil Engineering, Shandong Agricultural University, Tai忆an 271018, China
Abstract: Optimal water鄄saving and high鄄efficiency irrigation regime of winter wheat were investigated during 2012—2013
winter wheat growing season, at Experimental Station of Shandong Agricultural University. Two types of planting patterns
(wide鄄precision planting pattern and conventional鄄cultivation planting pattern) and three different irrigation regimes ( no
irrigation at any time during the growing season, irrigation of 60.0 mm at jointing stage, and irrigation of 60.0 mm at 10
days after the jointing stage ) were conducted to study the effect of delayed irrigation at jointing stage on canopy
temperature, photosynthetic rate, transpiration rate, leaf water use efficiency, and grain yield of the winter wheat. The
results showed that in the wide鄄precision planting pattern, compared with conventional鄄cultivation planting pattern, delayed
irrigation at jointing stage significantly increased the canopy temperature, photosynthetic rate, and transpiration rate in flag
leaves. In the late winter wheat growth stages, delayed irrigation at the jointing stage significantly increased the efficiency of
leaf water use and achieved a reasonable water use efficiency and grain yield in the wide鄄precision planting pattern. Delayed
irrigation at the jointing stage had no significant effect on the 1000鄄grain weight in both planting patterns; however, delayed
irrigation at jointing stage significantly increased the number of kernels per spike and grain yield in the wide鄄precision
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planting pattern. The leaf water use efficiency and grain yield of the winter wheat suggest that winter wheat in wide鄄precision
planting pattern should be irrigated with 60 mm of water at 10 days after the jointing stage to achieve reasonable water use
efficiency and grain yield in North China.
Key Words: winter wheat; wide鄄precision planting; jointing stage; canopy temperature; leaf water use efficiency;
grain yield
水是作物生长过程中溶解、运送和分配养分的重要载体。 华北平原作为我国冬小麦的主产区,水资源短
缺是限制该地区冬小麦生产的最主要制约因素[1]。 作物缺水研究对于探讨水分对作物生理生化过程的影
响、指导田间灌溉和节约水资源等都有重要意义[2]。
干旱可引发植物体内一系列的生理变化,其中冠层温度是作物生理变化中最直观的表现[3]。 冠层温度
是作物冠层不同高度茎、叶表面温度的平均值[4],它作为衡量作物缺水的重要指标,已被广泛地用来推断作
物水分状况。 目前,关于冠层温度与小麦生育状况之间关系的研究相对较多。 李丽等[5]观测了不同水分处
理下冬小麦冠层温度、叶水势和水分利用效率(WUE)的变化,结果表明,随着含水量的增加,各处理的平均和
最高冠层温度整体呈下降趋势;崔新菊等[6]研究了不同灌溉条件下冬小麦灌浆期冠层温度和产量,发现冬小
麦冠层温度不仅受基因型影响,还受灌浆时期和环境条件的影响;徐银萍等[7]利用红外测温仪测定了 23个冬
小麦品种的冠层温度,并分析了其与产量和 WUE 的关系,结果显示,无论是灌浆初期还是中期或中后期,旱
地冬小麦产量和 WUE与冠层温度均呈极显著负相关,并且随着灌浆过程的推移,相关性增大。
WUE是节水农业领域研究的关键问题。 叶片水分利用效率(WUEL)是 WUE 在叶片水平上的表征,是作
物光合速率与蒸腾速率的比值,可作为叶片的瞬时 WUE[8],提高 WUEL对冬小麦生产具有重要意义。 张娟
等[9]利用抗旱性不同的小麦品种对干旱状态下叶片相关生理指标间的关系进行了研究,指出 WUEL与叶片光
合速率和蒸腾速率等相关生理指标关系密切。 高延军等[10]研究表明,冬小麦旗叶 WUEL与光强、蒸腾速率、
胞间 CO2浓度和气孔导度关系密切,且冬小麦旗叶WUEL在土壤水分含量、光强和 CO2浓度等环境因子方面存
在一定的临界值。
大量研究表明,拔节期、抽穗期和灌浆期是冬小麦的需水关键期,且拔节期又是最重要的灌水关键期。
Xue等[11]、Zhang等[12]和 Lv等[13]研究表明,拔节期是冬小麦的需水关键期,此时灌溉能够提高冬小麦的产量
和WUE。 但是,王红光等[14]通过在相同补灌水平下,由拔节期推迟至拔节后 10 d补灌,在不降低降水量和土
壤储水消耗量所占总耗水量比例的情况下,能够显著提高穗粒数和千粒重,从而提高了冬小麦籽粒产量、
WUE和灌水生产效率。
宽幅精播种植模式为山东农业大学余松烈院士等提出的一种新型小麦种植模式,即在播种量相同的情况
下,改传统播种机播幅宽 3—5 cm为 6—10 cm,改生产上密集一条线条播为单粒分散粒播。 应用该模式,2010
年在我国北方冬麦区获得了大面积单产的最高纪录[15]。 该模式能够显著增产,主要在于显著提高了产量构
成因素中的穗数[16]。 但是,推迟拔节水灌溉是否会激发该模式的群体调节能力,从而进一步提高籽粒产量仍
鲜见报道。 本试验以冬小麦为研究对象,采用宽幅精播种植模式,以冬小麦的需水关键期拔节期为切入点,采
取推迟拔节水灌溉的方式,系统探讨其对冬小麦冠层温度、籽粒产量和 WUEL等的影响,以期为华北平原冬小
麦节水高产提供理论依据与技术支持。
1摇 材料与方法
1.1摇 试验地概况
本试验于 2012—2013年在山东农业大学试验站(36毅10忆19 义 N,117毅9忆03 义 E)水分池内进行。 该试验点
属温带大陆性半季风气候区,年均降水 697.0 mm,其中 70% 集中在 7—9 月份的夏玉米生长期间。 本试验在
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自然状态下进行,2012年 10 月—2013 年 6 月冬小麦生育期间每月降水量依次为:15.7,18.4,19.0,5.1,13.2,
13.6,12.8,98.0和 0.0 mm,总降水量 195.8 mm,为平水年。 该试验点的地下水位超过 5.0 m,可忽略地下水对
冬小麦的影响。 水分池面积为 3.0 m伊3.0 m,深 1.5 m,四周水泥抹面,下不封底,池中土壤为原状土。 水分池
内 0—20 cm 土层碱解氮、速效钾和速效磷含量分别为 108. 1、92. 4 和 16. 1 mg / kg。 底施磷酸二铵 260. 9
kg / hm2,尿素 192.2 kg / hm2,硫酸钾 210.0 kg / hm2,拔节期追施尿素 192.2 kg / hm2。 供试品种为济麦 22,于
2012年 10月 9日按 9.4 g / m2进行人工点播。
1.2摇 试验设计
本试验采用裂区设计,主区为 3种灌溉处理,分别为全生育期不灌溉(0)、拔节期灌溉 60 mm(1)和拔节
后 10 d灌溉 60 mm(2);副区为两种种植模式,即宽幅精播种植(W,播幅和行距分别为 8 cm和 30 cm)和常规
种植(C,播幅和行距分别为 3 cm和 30 cm)。 两种种植模式的播种量相同。 灌水时间为 2013年 4月 8日(拔
节水)和 2013年 4月 18日(拔节后 10 d)。 灌溉时,用水表严格控制灌水量。 每处理重复 3次,共 18个小区,
随机区组排列。
1.3摇 项目测定与计算
1.3.1摇 冠层温度
用 Raytek RAYMX2C便携式非接触型红外冠层温度测定仪测定,分辨率 0.1益,响应时间 2—3 s,视场角
为 5毅。 选择典型晴天,于冬小麦开花期(4月 29日)、灌浆初期(5月 11日)、灌浆中期(5月 19 日)、灌浆后期
(5月 23日)和乳熟期(5月 28日)测定各小区的冠层温度值,观测时间为 13:30—15:30 。 观测时,按照农田
小气候观测的对称法进行,手持测温仪,置于 1.5 m 高度,为了消除太阳方位角及冬小麦种植方向对观测值的
影响,观测时测温仪感应头距穗 20 cm,探棒以 45毅角瞄准小区内中间的冠层,其测点为群体生长一致、有代表
性的部位,并避开裸地影响,直接在显示屏上读取数据。 为减少误差,在小区东西南北 4 个方位循环观测两
次,共得到 8个数据,取其平均值作为该次测定的观测值。
1.3.2摇 光合速率和蒸腾速率
利用便携式光合作用测定系统 LI鄄 6400(LI鄄COR 公司,美国)测定。 在冬小麦的开花期、灌浆期和乳熟
期,选择典型晴天,于 9:00—11:00之间,测定每小区 3片旗叶的净光合速率和蒸腾速率,取平均值进行分析。
测量时,设置光合作用测定系统的内置光照强度为 1600 滋mol m-2 s-1。
1.3.3摇 叶片水分利用效率的计算
用叶片通过蒸腾消耗一定量的 H2O所同化的 CO2量计算 WUEL(CO2滋mol / H2O mmol)。 公式如下[17]:
WUEL = Pn / Tr
式中,WUEL为叶片水分利用效率(CO2滋mol / H2Ommol); Pn 为净光合速率(滋mol m
-2 s-1);Tr 为蒸腾速率
(mmol m-2 s-1)。
1.3.4摇 产量及产量构成因素
收获时,取除边 3行外生长均匀一致的 1 m双行调查穗数和籽粒产量,另连续取 20 株进行室内考种,考
察穗粒数和千粒重。
1.4摇 统计分析
采用 Microsoft Excel 2003和 DPS (Data Processing System) 统计分析系统进行数据处理和统计分析,采用
LSD法进行显著性检验。
2摇 结果与分析
2.1摇 冠层温度
冬小麦从开花期到乳熟期,各处理的冠层温度呈先增加后减小的趋势,在灌浆后期达到最高值然后急剧
减小(表 1)。 在开花期,无论宽幅精播种植模式还是常规种植模式,不灌溉处理的冠层温度均显著高于灌溉
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处理。 在相同灌溉条件下,W2处理的冠层温度显著高于 C2 处理,尤其是在乳熟期, W2 处理的冠层温度最
高且显著高于其余各处理。 因此,推迟拔节水灌溉显著提高了宽幅精播麦田生育后期的冠层温度。
表 1摇 不同处理对冬小麦冠层温度的影响
Table 1摇 Effects of different treatments on canopy temperature of winter wheat
处理
Treatments
开花期
Anthesis
灌浆初期
Early grain filling stage
灌浆中期
Middle grain filling stage
灌浆后期
Late grain filling stage
乳熟期
Milk鄄ripe stage
W0 27.46a 27.95a 29.91a 33.04a 25.63b
W1 25.27b 27.67ab 29.27bc 33.22a 25.13c
W2 24.76b 27.61ab 29.42b 33.36a 26.12a
C0 26.47a 27.75ab 28.95d 32.37b 24.91c
C1 24.50bc 27.38b 29.09cd 33.07a 25.11c
C2 23.43c 26.94c 28.54e 32.43b 25.18c
摇 摇 W和 C分别表示宽幅精播种植模式和常规种植模式,其后的 0、1和 2分别表示不灌溉、拔节期灌溉 60 mm和拔节后 10 d灌溉 60 mm; 数据
后不同字母表示同一生长季内处理间差异达 5%显著水平
图 1摇 不同处理对冬小麦旗叶光合速率的影响
摇 Fig.1 摇 Effects of different treatments on photosynthetic rate in
flag leaves of winter wheat
W和 C分别表示宽幅精播种植模式和常规种植模式,其后的 0、1
和 2分别表示不灌溉、拔节期灌溉 60 mm 和拔节后 10 d 灌溉 60
mm。 数据后不同字母表示同一生长季内处理间差异达 5%显著
水平
2.2摇 光合速率
从开花期到乳熟期,不同处理下冬小麦旗叶光合速
率呈先增加后减少趋势,在灌浆期达到最大值,然后急
剧下降(图 1)。 在开花期,W2 处理的旗叶光合速率大
于其余各处理,但不灌水和灌拔节水条件下,常规种植
模式的旗叶光合速率均高于宽幅精播种植模式;在灌浆
期,相同灌溉条件下,W2处理和 W1处理的旗叶光合速
率均显著大于 C2 处理和 C1 处理,且 W2 > W1 > W0;
在乳熟期,W2处理的旗叶光合速率最大,且 W2处理的
旗叶光合速率显著大于 C2 处理。 因此,推迟拔节水灌
溉能显著提高宽幅精播冬小麦生育后期旗叶的光合速
率,有利于冬小麦的光合作用,从而有利于产量增加。
2.3摇 蒸腾速率
从开花期到乳熟期,不同处理下冬小麦的旗叶蒸腾
速率均呈增加趋势(图 2)。 在开花期, W2 处理和 W1
处理的旗叶蒸腾速率均显著大于 W0 处理,且 W2 处理
的旗叶蒸腾速率大于 C2 处理;在灌浆期,相同灌溉条件下,宽幅精播种植模式的旗叶蒸腾速率大于常规种植
模式,且 W1 > W2 > W0;在乳熟期,灌拔节水处理旗叶蒸腾速率的大小表现为W1 < C1,但W0处理和W2处
理的旗叶蒸腾速率分别比 C0处理和 C2处理高 12%和 17%。 由以上可知,在冬小麦生长后期,W2 处理的有
效耗水大于 C2处理,表明推迟拔节水灌溉更有利于实现宽幅精播麦田对水分的有效利用,这就为推迟拔节
水灌溉条件下宽幅精播麦田实现节水高产提供了前提条件。
2.4摇 叶片水分利用效率
从开花期到乳熟期,冬小麦的 WUEL呈逐渐减小趋势(图 3)。 在开花期,W2 处理的 WUEL显著大于 C2
处理,但 C0处理和 C1处理的 WUEL分别比 W0处理和 W1处理高 14%和 8%;在灌浆期,W2处理的 WUEL最
大,其余各处理间的WUEL没有显著差异;在乳熟期,相同灌溉条件下,宽幅精播种植模式的WUEL均大于常规
种植模式,且 W2 > W1 > W0。 由以上可知,在冬小麦生长后期,W2处理的 WUEL最大,有利于实现宽幅精播
麦田的节水高产。
2.5摇 产量及产量构成因素
摇 摇 两种种植模式下,推迟拔节水灌溉显著提高了冬小麦的籽粒产量(表2)。相同灌溉条件下,宽幅精播种
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图 2摇 不同处理对冬小麦旗叶蒸腾速率的影响
摇 Fig.2摇 Effects of different treatments on transpiration rate in flag
leaves of winter wheat
图 3摇 不同处理对冬小麦叶片水分利用效率的影响
摇 Fig.3摇 Effects of different treatments on leaf water use efficiency
of winter wheat
植模式的籽粒产量显著高于常规种植模式。 宽幅精播种植模式下,W2 处理的籽粒产量最高,且 W2 处理和
W1处理的籽粒产量均显著高于 W0处理。 产量构成因素中,相同灌溉条件下,宽幅精播种植模式的穗数显著
高于常规种植模式,但W1处理的穗数显著大于W2处理,说明推迟拔节水灌溉并没有显著增加W2处理的穗
数;常规种植模式下,C2 处理的穗数显著大于 C1 处理,表明推迟拔节水灌溉可显著增加常规种植模式的穗
数。 尽管推迟拔节水灌溉对两种种植模式的千粒重均没有显著影响,但推迟拔节水灌溉显著增加了两种种植
模式的穗粒数,且W2处理的穗粒数显著高于 C2 处理。 因此,宽幅精播麦田推迟拔节水灌溉籽粒产量增加的
主要原因在于显著提高了产量构成因素中的穗粒数。
表 2摇 推迟拔节水灌溉对宽幅精播麦田产量及产量构成因素的影响
Table 2摇 Effects of delayed irrigation at jointing stage on grain yield and yield components of winter wheat in wide鄄precision planting pattern
处理
Treatments
穗数
Number of spike /
(穗 / m2)
穗粒数
Kernel numbers per spike /
(粒 /穗)
千粒重
1000鄄grain weight / g
产量
Grain yield /
(g / m2)
W0 621.67c 28.48c 36.08a 582.63c
W1 685.28a 29.51b 33.80b 638.24b
W2 658.61b 31.20a 32.49b 652.14a
C0 548.61e 24.67e 36.12a 517.24e
C1 565.83d 26.58d 33.81b 552.17d
C2 631.11c 28.61c 32.94b 632.51b
3摇 讨论
作物冠层温度是作物遗传特性和环境条件共同作用的结果[18]。 前人多数研究表明,干旱能够提高冠层
温度。 本研究表明,从开花期到灌浆中期,不灌溉处理的冠层温度普遍高于各灌溉处理,和前人一致;而在乳
熟期,W2处理的冠层温度则显著高于其余各处理。 分析认为,这不仅与种植模式有关,还与灌溉处理有关。
康绍忠等[19]研究表明,大气 CO2浓度增加会使小麦冠层温度升高且高水分条件升高的值比低水分条件下高
0.7益左右。 研究发现,在播种量相同的情况下,宽幅精播麦田的群体数量显著高于常规麦田[20];叶片光合是
植物干物质生产的主要途径[21],张秋英等[22]研究表明,不同水分条件下冬小麦叶片叶绿素含量及光合速率
季节变化趋势基本一致,拔节至抽穗期迅速上升,灌浆期后迅速下降,且叶绿素含量与光合速率呈显著正相
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关。 分析认为,综合这两方面的原因,乳熟期宽幅精播麦田群体内的 CO2浓度大于常规麦田就成为可能,从而
使得乳熟期 W2处理的冠层温度显著高于其余各处理。 另外,高温条件下,高土壤水分含量会导致植株群体
空间内的水蒸气浓度增加,从而产生群体内部的“水蒸气的温室效应冶 [23],这也是该处理下冠层温度高于其
它处理的一个重要因素。
生育后期冠层温度变化对水分利用和产量形成都产生了影响。 由于在 W2处理下会产生较明显的“水蒸
气的温室效应冶,因此,在W2处理的群体空间中可形成湿度高的环境(可能和叶面积指数有关,不利于水汽扩
散),一定程度上避免了棵间蒸发。 另外,湿度高还可以减轻干热风的影响,这些因素有利于减少土壤中水分
的扩散,从而为提高该处理下的 WUE提供了前提条件。
大量研究[24鄄27]表明,籽粒中 SS、ADPG鄄PPase、SSS和 GBSS等是淀粉合成的关键酶。 房全孝等[28]研究表
明,土壤干旱使叶面积指数降低,叶面积持续期缩短,旗叶光合速率及 SPS 活性下降,光合产物供应不足;同
时籽粒中 SS、ADPG鄄PPase、SSS、GBSS活性明显下降,特别是在灌浆中后期更明显,显著降低了光合产物的转
化能力,导致粒重和穗重明显下降。 李卫民等[29]研究表明,叶片光合峰值分布的适宜空气温、湿度分别是
27.5益和 35%左右。 由结果与分析部分知,乳熟期 W2 处理的冠层温度最接近叶片光合峰值的适宜温度,因
此分析认为,W2处理下的温度和湿度同步提高有利于冬小麦生育后期的光合作用,有利于刺激淀粉合成关
键酶的活性,在一定程度上促进了干物质的转移,从而有利于实现产量的提高。
与拔节期灌溉相比,推迟拔节水灌溉并没有显著提高产量构成因素中的穗数。 究其原因,可能和宽幅精
播麦田的群体调节能力有关。 赵丹丹等研究表明[20],灌拔节水和抽穗水后,宽幅精播种植麦田的群体数量显
著高于常规种植麦田。 由于宽幅精播麦田的群体数量大且消亡量减少,推迟拔节水灌溉并没有进一步增加产
量构成因素中的穗数。 但是,推迟拔节水灌溉导致穗粒数显著增加,从而有利于实现高产。 常规种植模式下,
推迟拔节水灌溉使得冬小麦的穗数与穗粒数均显著提高,这与王红光等[14]研究一致。 总之,无论是冬小麦的
宽幅精播种植模式还是常规种植模式,推迟拔节水灌溉都有利于籽粒产量提高,具有一定的现实意义。
WUEL是研究 WUE的重要生理基础,本研究表明推迟拔节水灌溉能有效提高冬小麦的 WUEL。 但是,在
实际生产中衡量冬小麦高效节水模式的关键还要看产量 WUE。 推迟拔节水灌溉能否协同提高宽幅精播种植
模式下冬小麦农田水资源利用效率和产量 WUE,还需进一步研究。
4摇 结论
推迟拔节水灌溉显著提高了宽幅精播麦田生育后期的冠层温度及其旗叶光合速率和蒸腾速率。 推迟拔
节水灌溉显著提高了宽幅精播麦田的 WUEL和籽粒产量,增产的原因在于穗粒数显著增加。 统筹考虑冬小麦
的 WUEL和籽粒产量,推迟拔节水灌溉对宽幅精播麦田实现节水高产具有一定的现实意义。
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