全生育期水分控制对谷子生长发育及品质的影响

刘 鑫 李会霞 田 岗 王玉文 刘 红 曹晋军 成 锴 王振华 刘永忠 李万星

（山西农业大学谷子研究所，046011，山西长治）

谷子起源于我国[1]，是具有较强抗旱性和耐贫瘠性的环境友好型作物，在我国北方干旱和半干旱区广泛种植[2]；其根系发达、叶片细窄，有利于增加水分利用率和减小蒸腾速率，从而具备较强的抗旱能力[3]。而山西省地处黄土高原，干旱少雨，保护生态、发展节水农业是山西农业的必由之路[4]，因此谷子成为山西省重要农作物之一。此外，谷子是唯一的粮饲兼用高效作物，在缓解种植业和畜牧业争地的矛盾中有不可替代的地位[5]。近年来，种植面积基本保持在20.00万～26.67万hm2[6]。

谷子虽然是耐旱作物，但干旱仍然是影响谷子产量的最大制约因素[7]。目前，关于水分控制或干旱胁迫对谷子各阶段生长发育影响的报道很多，在谷子萌发期的抗旱性鉴定通常采用高渗溶液模拟水分胁迫[7]；在谷子苗期抗旱性鉴定多采用反复干旱鉴定法[8]；而在其他生育期的干旱研究中通常采用干旱胁迫法。这些研究多侧重于对谷子某一生育时期内，水分控制或干旱胁迫对谷子主要农艺性状、生理生化及产量指标的影响[9-10]，而在谷子整个生育期内水分控制对相对叶绿素和顶三叶叶面积变化及水分控制与谷子农艺性状相关性的研究较少，尤其水分控制对谷子品质的影响更是鲜有报道。本文通过谷子整个生育阶段水分控制来模拟降雨量在丰水年、正常年及枯水年对谷子农艺及生理性状、产量及品质的影响，为有效提高谷子的产量及品质、制定干旱丘陵地区谷子配套栽培技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试验地概况

试验谷子品种为长生13。试验于 2018年在山西农业大学谷子研究所人工旱棚内（36°12′47.27″N，113°08′24.76″ E）进行，铺设滴灌带浇水，用水表控制浇水量。试验地海拔929m，土壤为石灰质褐土；施肥量为氮肥105kg/hm2、磷肥63kg/hm2、钾肥42kg/hm2，肥料全部在播种前底施。

1.2 试验设计

设 T1（浇水总量相当于 250mm 降雨量）、T2（浇水总量相当于350mm降雨量）和T3（浇水总量相当于450mm降雨量）3个处理。根据本地常年降水特征，分5次浇水，幼苗期至拔节期浇水5%；拔节期至抽穗期浇水 50%；抽穗期至开花期浇水20%；开花期至灌浆期浇水5%；灌浆期至完熟期浇水20%。每个小区种植面积15m2（3m×5m），行距33cm，各小区间有防水隔离，3次重复。5月中旬播种，种植密度为45万株/hm2。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质量、农艺性状及产量 每小区取10株有代表性的植株，分别于幼苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和完熟期取样，在105℃烘箱杀青30min后再经80℃烘干至恒重称重，测定干物质量并进行相关计算。谷子完熟后选取20株样本，调查株高、穗粗、穗重和千粒重等性状；调查各小区产量并根据小区面积计算单位面积产量。用数粒仪计数10穗谷穗的秕谷数和饱谷数，计算单穗计数结实率，公式如下：结实率（%）=饱谷数/（秕谷数+饱谷数）×100。

1.3.2 土壤含水率、叶面积、SPAD值及RVA谱特征值 谷子开花后，每6～8d测定1次0～100cm土层土壤含水量，每隔20cm取土一次，采用烘干法测量土壤含水率，最后求平均值。谷子灌浆期至完熟期，每个处理随机选定10株，用叶面积仪测定谷子旗叶、倒二叶和倒三叶叶面积，取平均值。

谷子开花后，每处理选取10株，每6～8d用叶绿素测定仪SPAD-502测定1次旗叶相对叶绿素含量（SPAD值），为减少误差，每个植株取不同部位旗叶测定5次，取平均值。谷子收获后每小区取部分籽粒碾米脱壳，用快速黏度分析仪（RVA，Newport scientific公司）测定小米粉 RVA谱特征值；由南京卡文思检测技术有限公司检测小米品质性状；为减少误差每小区各检测5次。

1.4 数据处理

运用 Excel 2003进行数据整理和作图，运用SPSS 19软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 水分控制对土壤含水率的影响

各处理的土壤含水率（土壤深100cm）如图1所示。T1处理总浇水量最少，整个生育阶段平均含水率均最低，为13.19%。T2处理总浇水量较多，整个生育阶段平均含水率均介于T1和T3处理之间，为14.31%。T3处理总浇水量最大，整个生育阶段平均含水率均最高，为15.00%。T1处理的土壤含水率在整个生育期平均比T2低1.12%，比T3低1.81%。结果表明，整个生育期的浇水量对土壤平均含水率有重要影响。

图1 不同处理的土壤含水率Fig.1 Soil moisture content under different treatments

2.2 水分控制对谷子农艺性状的影响

如表1所示，各处理株高为T3＞T2＞T1，其中T3显著高于T1处理，高5.16cm；穗粗变化情况与株高类似，T3最大且显著高于 T1处理；表明水分不足会降低株高和穗粗。随着浇水量的减少各处理的千粒重也随着变小，但是差异不显著，表明浇水量对千粒重影响不大。穗重、产量和结实率均是随着浇水量减少而变小，并且各处理间差异均达到显著水平。其中结实率 T3处理比T1平均高出 10.47个百分点，表明整体浇水量的多少对谷子灌浆结实情况影响较大，从而进一步影响谷子的产量。

表1 不同处理对谷子农艺性状的影响Table 1 Effects of different treatments on agronomic characters of millet

2.3 水分控制对谷子单株干物质量的影响

如图2所示，幼苗期和拔节期各处理单株干物质量差异不显著。这可能是由于萌发期水分充足，植株生长没有受到太大影响造成的。抽穗期干物质量随着浇水量的减少而变小，并且差异显著，T3处理单株干物质量最大，达38.96g，说明浇水量对单株干物质量产生了较大影响。灌浆期随着浇水量的减少单株干物质量也逐渐变小，表现为 T3＞T2＞T1，并且处理间差异显著，此时T3处理单株干物质量最大，为49.54g。完熟期单株干物质量同样是随着浇水量的降低而变小，同样为T3＞T2＞T1，处理间差异显著，此时T3处理最大，为67.02g，T1处理最小，为 61.9g。表明在幼苗期开始的水分控制对谷子完熟期的单株干物质量造成巨大影响。

图2 不同处理对谷子单株干物质量的影响Fig.2 Effects of different treatments on dry matter weight per plant of millet

2.4 水分控制对谷子旗叶SPAD值的影响

如图3所示，T1处理SPAD值在8月28日达到峰值，为53.66，而T2和T3处理的SPAD值峰值均出现在8月20日，分别为54.50和55.51；这可能是因为 T1浇水量控制在较低水平，导致谷子受干旱胁迫推迟发育造成的。3个处理的SPAD平均值分别是49.93、50.76和51.86；虽然在9月26日的最后一次调查中T1的SPAD值超过T2，整体上看T1处理的SPAD值最小，T3最大，T2在两者之间。从结果可知，谷子整个生育期的浇水量对旗叶的 SPAD值影响很大，随着浇水量的减少，旗叶SPAD值也逐渐减小。

图3 不同处理下谷子旗叶SPAD值的变化情况Fig.3 Changes of SPAD value in flag leaves of millet under different treatments

2.5 水分控制对小米品质性状和RVA谱特征值的影响

如表2所示，T2处理的峰值黏度最大，表明适度浇水可能会提高小米的峰值黏度；而浇水量不足或过多都会降低峰值黏度，其中浇水量不足会大幅度降低峰值黏度。最终黏度与峰值黏度变化情况基本一致，但变化幅度没有峰值黏度大。糊化时间和糊化温度变化较小，各处理间差异不显著，两者均是T1处理最大、T2处理最小。随着浇水量的降低，直链淀粉含量、胶稠度、脂肪和粗蛋白含量变化趋势均是先增后减。从结果推断，适度的浇水量会使小米的适口性更好。

表2 不同处理对小米品质性状和RVA谱特征值的影响Table 2 Effects of different treatments on the quality traits and RVA profiles of millet

2.6 水分控制对谷子顶三叶叶面积的影响

从图4中可知，旗叶叶面积T1处理最小，为9557.01mm2，与其他处理差异显著；T2处理旗叶叶面积略小于T3处理，两者差异不显著。倒二叶和倒三叶叶面积均是T3最大，分别为11 498.41和11 805.83mm2；T1处理最小并且显著小于T2和T3处理；T2和T3处理间的差异不显著。据结果推测，浇水量的不足严重影响了谷子植株顶三叶的生长发育，使其叶面积显著减小；而浇水量过高不会显著增加顶三叶叶面积。

图4 不同处理对谷子顶三叶叶面积的影响Fig.4 Effects of different water treatments on leaf area of the top-three leaves

2.7 水分控制和谷子农艺性状的相关性

由表3可知，浇水量与株高、穗重、结实率和产量呈显著正相关，相关系数分别为0.709、0.756、0.761和0.887，说明浇水量对株高、穗重、结实率和产量有显著影响。谷子产量与浇水量、穗重和结实率均呈显著正相关，相关系数分别为0.887、0.832和0.618。此外，穗粗与穗重和结实率均呈正相关；穗重与结实率呈正相关。而株高与其他农艺性状相关性均不显著；千粒重与浇水量及其他农艺性状相关性均不显著，表明浇水量对千粒重影响不大。

表3 不同处理和谷子农艺性状的相关性分析Table 3 Correlation analysis of different treatments and agronomic traits of millet

3 讨论

随着全球水资源的日益贫乏和旱灾的日趋严重，研究农作物栽培在生长发育过程中对水分的需求已经成为当前的热点[11]。相关研究[12]表明，农作物高产要协调好水、肥、气、热、土、生物等多种因素，其中水分对植株的影响不仅取决于水在土壤―植物―大气循环系统中的良性循环，而且与其他因素的协调作用关系密切。本研究为了减少其他因素影响，在大田中建造旱棚来模拟实际生产情况，并且采用人工旱棚内控制滴灌浇水量方法来影响土壤含水率，进一步调查水分对谷子植株的生理生态及各种农艺性状的影响。结果表明0～100cm的土壤平均含水率与浇水量有直接关系，而谷子生长所需水分主要来源为这个深度的土壤底墒。王永丽等[13]认为，水分在谷子生长发育和形态建成中具有十分重要的作用，干旱胁迫导致植株体内水分匮乏，必然影响到生理生化过程和器官建成，对生长发育造成伤害。张艾英等[11]认为，谷子与其他作物一样，在遇到干旱胁迫时会调整其形态发育及生理生化反应来适应干旱环境而求得生存。这与本研究结果类似，随着土壤含水率的下降，谷子植株受到的干旱胁迫也越来越严重，株高、穗粗、穗重、结实率、产量及单株干物质量也逐渐减小，最终导致谷穗减产，这与谷子[11]、水稻[14-16]中的研究结果类似。而袁蕊等[3]认为，干旱会使谷子千粒重极显著减小，这与本研究结果不同。本研究结果显示，水分控制对千粒重没有显著影响，这可能是由于本研究与前者的水分控制时期及时长不同造成的。浇水量与农艺性状的相关性分析结果表明，浇水量与株高、穗重、结实率和产量呈显著正相关，说明浇水量对株高、穗重、结实率和产量有显著影响。这一结果与水分控制对农艺性状的影响相对应。

农作物在干旱胁迫下，合成叶绿素的酶受到阻碍，导致叶绿素含量减少[17]。张敏霞等[18]对蔬菜的研究表明，干旱胁迫下叶绿素含量将会随着干旱胁迫时间的推移而降低；王华田等[19]也发现水分胁迫使银杏叶片光合下降与叶绿体活性降低密切相关，严重水分胁迫下叶绿体变形且片层结构破坏。本研究结果与这些结果类似，谷子旗叶SPAD值的变化也是随着浇水量的减少而降低，而且T1处理的SPAD值峰值较其他处理有所推迟。有研究[20-22]表明，水分胁迫下水稻、旱稻和谷子生育期都会推迟；因此推测在本研究中，随着浇水量的减小，谷子植株发育推迟，T1处理浇水量控制在较低水平，导致谷子植株干旱推迟发育造成SPAD值峰值较晚出现。

在干旱条件下，植物叶部会出现严重缺水的现象，从而影响到叶片的生理代谢过程[23]；Fischer等[24]认为干旱降低了玉米叶面积并促使其早衰；王永丽等[13]认为拔节期和孕穗期干旱使谷子顶叶叶面积减小，这些与本研究结果有相似之处。本研究调查了谷子植株的顶三叶叶面积变化情况，T1处理的顶三叶叶面积均最小，并且与其他处理差异显著。推测随着浇水量的减小，造成谷子植株叶片的生长发育延缓，因而使其叶面积减小。

水分控制对小米的品质及 RVA谱特征值也有影响。T2处理小米的峰值黏度最大，表明适度浇水量可能会提高小米的峰值黏度；而浇水量不足或过多都会降低峰值黏度，其中浇水量不足对峰值黏度影响更大。随着浇水量的降低，直链淀粉、胶稠度、脂肪和粗蛋白含量变化趋势均是先增后减。以上研究结果与水分控制对冬小麦籽粒品质的研究[25]结果有相似之处。从以上这些指标的变化可以推断，在谷子整个生育期适度的浇水量会使得小米的适口性更好。

4 结论

在全生育期水分不足的条件下，谷子株高、穗粗、穗重、结实率、产量及单株干物质量减小，并且浇水量与株高、穗重、结实率和产量有显著的正相关性；谷子旗叶SPAD值下降；顶三叶叶面积减小；这些变化可能是谷子植株针对水分胁迫所做的应对响应。随着浇水量的减少，峰值黏度、直链淀粉、胶稠度、脂肪和粗蛋白含量先增后减。