高产小麦补灌阈值分析及高效用水的生理基础

摘要

本试验于2015-2016和2016-2017年度在山东省泰安市岱岳区道朗镇玄家庄村大田进行，选用两个高产小麦品种：山农29（SN29）和山农25（SN25）；其中SN29设置2个拟湿润土层深度，分别为0-20cm（D20）和0-40cm（D40），SN25拟湿润土层深度设为 0-20cm，在播种期水分管理一致的基础上，分别于越冬期、拔节期和开花期设置70%FC（W1，FC为田间持水量）、60%FC（W2）和50%FC（W3）三个补灌阈值（灌水下限），补灌水量依据定额公式CIR =10γbdDh(θt-θn)计算。以田间持水量为拟湿润层目标土壤质量含水量，以小麦出苗后不灌水处理（W0）和传统畦灌处理（W4）为对照，同时进行室内盆栽砂培试验，模拟田间试验补灌前土壤干旱和补灌复水过程，开展相应的机理研究，主要结果如下： 1 补灌阈值对灌水方式及小麦耗水特性的影响 两年度，W3处理全生育期补灌2水，分别在拔节期和开花期，补灌水量和补灌次数低于W1处理，对100-200cm土层土壤水的吸收利用率较高；W1处理与传统畦灌处理的全生育期补灌水量和耗水量较大，土壤水消耗量和生长季降水量占总耗水量的比例降低。W3处理开花期灌水前0-100cm土层土壤蓄水量低于W1处理，100-200cm土层土壤蓄水量与W1处理无显著差异，但均显著高于W0处理。在底墒充足的条件下补灌越冬水虽然增加了0-200cm土层土壤蓄水量，但拔节前麦田总耗水量增加，土壤水消耗量和生长季降水量占总耗水量的比例均降低，不利于提高自然供水的水分利用效率。上述结果说明，在底墒充足的条件下，越冬期、拔节期和开花期以0-20cm土层土壤相对含水量低于50%FC为补灌阈值标准，可减少小麦生育期灌水次数，保障拔节期和开花期供水，实现灌溉水在小麦生长季的合理配置。 2 补灌阈值对小麦碳同化物和干物质积累与分配的影响 D20条件下的W3处理花后叶面积指数（LAI）与W1处理差异不大，均低于W4处理而高于W0处理，保障整个灌浆期一定的光合面积；D40条件下各阈值处理灌浆后期的LAI高于D20条件下各相应阈值处理，说明降低灌水次数和补灌水量灌浆后期的光合面积降低。W1和W3处理花后0-20d旗叶净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、实际光化学效率（ΦPSII）和最大光化学效率（Fv/Fm）差异不大，均显著高于W0处理，花后30d时W3处理显著低于W1处理，旗叶光合生产能力下降，但旗叶瞬时水分利用效率提高（WUEleaf）。SN25花后旗叶SPAD值、Pn、Fv/Fm均高于SN29，灌浆后期仍维持较高的光合生产能力，花后同化物输入籽粒量减少，导致经济系数降低。W3处理花前营养器官贮藏同化物转运量、转运率和对籽粒的贡献率均高于W1处理，而花后同化的干物质对籽粒的贡献率低于W1处理；W3处理的旗叶可溶性糖含量在花后21d时高于W1处理，成熟期低于W1处理和传统畦灌处理。说明50%FC阈值处理有利于促进花前贮藏物质的转运与灌浆后期营养器官可溶性同化物向籽粒的再分配，提高粒重。 3 补灌阈值对小麦氮素吸收、积累与同化的影响 随补灌前干旱程度提高，小麦苗期根系对NH4+和NO3-的吸收速率增大。充足供水与干旱后复水其根际pH均降低，60%FC模拟干旱下根系吸收NH4+和NO3-的速率均显著高于充足灌水处理。说明适度干旱提高根系对氮素离子的吸收速率。相对含水量在50-60%FC之间，有利于形成较大根冠比，NR和GS活性增强，植株NH4+-N含量升高而 NO3--N 含量降低，根系氨基酸含量增加；在此基础上复水不影响小麦的生育进程，且根形参数、根系活力、冠层NR和GS活性均有较强的水分补偿效应，根系氨基酸含量显著升高，说明小麦苗期主要根层相对含水量在60%FC以上时无需补灌，50-60%FC下补灌植株代谢能力增强。D20条件下的W3处理补灌拔节水和开花水，花后10d根系活力的下降幅度低于其他处理，花后30d根系活力低于W1处理和W4处理，说明50%FC阈值补灌有利于维持灌浆中期根系较高的吸收能力。拟湿润层相同的条件下，与其他处理相比，W3 处理促进了营养器官中的氮素向籽粒运转，提高了营养器官氮素对籽粒的贡献率，籽粒氮素积累量较高；且旗叶、茎秆和穗轴+颖壳等营养器官氮素转移率、籽粒氮素积累量及其对籽粒的贡献率均高于W1处理。W3处理灌浆中期的旗叶硝酸还原酶（NR）活性高于W1处理。且有利于灌浆后期旗叶中谷氨酸和脯氨酸向籽粒的转移。SN25叶片氮素转移率低于SN29，但穗轴+颖壳的氮素转移率较高。 4 补灌阈值对小麦旗叶衰老特性的影响 花后旗叶生理活性随着补灌阈值降低而下降，旱地品种旗叶生理活性高于水地品种。相同拟湿润层深度下，与W1处理和W4处理相比，W3处理花后10d旗叶超氧化歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）活性及可溶性蛋白（SP）含量并无下降，甚至有升高趋势。由于W3处理的主要自然供水量降低，花后30d时旗叶SOD、CAT活性降 低、丙二醛（MDA）含量升高，旗叶衰老加快，导致旗叶光合同化作用下降。D40 条件下的W1处理与W4处理灌浆后期旗叶仍保持较高的生理活性，不利于旗叶中可溶性同化物的转移。以0-20cm土层相对含水量低于50%FC阈值标准进行补灌，可维持灌浆中期旗叶较高的生理活性和碳同化能力，灌浆后期旗叶衰老加快，碳同化能力下降，根系仍维持一定的吸收能力，叶片中同化物的转移加快，增加粒重，提高经济系数。 5 补灌阈值对小麦产量和水分利用效率的影响 拔节前主要自然供水增多，可促进春季分蘖发生，降低分蘖成穗率，穗粒数增加，而千粒重下降。拟湿润层相同的条件下，W3处理与W1处理和W4处理相比，补灌水量和补灌次数减少，成穗率、产量和水分利用效率（WUE）并未降低，灌溉水效益（IB）显著提高；D20条件下的W3处理与D40条件下W3处理相比，生长季灌水量和生育期总耗水量减少，产量无显著差异，但 WUE和IB 均显著提高，说明拔节期和开花期以0-20cm土层50%FC阈值补灌处理降低小麦生长季的水分消耗，提高籽粒产量和WUE。传统畦灌处理的WUE和IB最低；两品种比较，SN29千粒重、籽粒产量、经济系数及IB均显著高于SN25。 综上所述，小麦苗期土壤含水量在50-60%FC之间，有利于根系对氮素离子的吸收，在此基础上复水有较强的旱后水分补偿效应。因此，小麦苗期土壤含水量在 60%FC 以上无需补灌。拔节期和开花期以0-20cm土层50%FC阈值补灌，可减少补灌水量，提高土壤贮水和自然降水的利用效率，实现高效用水；在灌浆中期维持较高的碳氮同化能力，且促进开花前和籽粒灌浆后期营养器官临时贮存碳氮向籽粒的转移再分配，提高粒重，获得较高的WUE和IB，为本研究的最优补灌处理。

目录

声明

符号说明

1 前 言

1.1研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

2 材料与方法

2.1 试验设计

2.2 测定项目和方法

2.3 试验数据处理

3 结果与分析

3.1 不同阈值补灌对小麦耗水特性的影响

3.2 不同阈值补灌对小麦产量和水分利用效率的影响

3.3 不同阈值补灌对小麦碳同化和干物质积累与分配的影响

3.4 不同阈值补灌对小麦氮素吸收、同化、积累和分配的影响

3.5 不同阈值补灌对旗叶衰老特性的影响

4 讨论

4.1 补灌阈值对灌水方式及小麦耗水特性的影响

4.2 不同补灌阈值对小麦生长发育的的影响

4.3 不同补灌阈值对产量和水分利用效率的影响

4.4 高产与高WUE补灌阈值的生理调控基础

5 结论

5.1 补灌阈值对产量和水分利用效率的影响

5.2 小麦高产和高效用水的生理基础

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的论文