微喷带灌溉对小麦灌浆期冠层温湿度变化和粒重的影响
王东*, 徐学欣, 张洪波, 林祥, 赵阳
山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室/山东小麦玉米周年高产高效生产协同创新中心, 山东泰安 271018
* 通讯作者(Corresponding author): 王东, E-mail: wangd@sdau.edu.cn, Tel: 0538-8247828
摘要

2012—2013和2013—2014年度田间试验中设小麦灌浆初期不灌水(W0)、畦灌(W1)和小麦专用微喷带灌溉(W2) 3个处理, 并在灌浆中后期设置不同微喷时间和水量处理, 以明确微喷带灌溉对小麦灌浆期冠层温、湿度和粒重的影响。灌浆初期10:00进行W2处理, 当日中午穗层温度降低6.8~11.3℃, 降幅明显大于W1处理; 灌水后第2~4天与W1无显著差异, 第4天与W0无显著差异。W2处理当日叶片水势显著大于W1处理, 当日光合速率和次日叶片水势与光合速率及千粒重和籽粒产量均与W1无显著差异, 且显著大于W0处理; W2的灌水利用效率显著大于W1处理。在小麦灌浆后期于10:00、12:00、14:00时采用微喷带喷水5 mm和10 mm均显著降低冠层温度, 提高冠层相对湿度、旗叶水势和群体光合速率, 且微喷时间越早越有利。本试验结果表明, 小麦灌浆初期微喷补灌或中后期在预报高温当天10:00时微喷补水5~10 mm, 可显著提高粒重和籽粒产量。

关键词: 小麦; 微喷带; 灌溉; 冠层温度; 冠层湿度; 粒重
Effects of Irrigation with Micro-sprinkling Hoses on Canopy Temperature and Humidity at Filling Stage and Grain Weight of Wheat
WANG Dong*, XU Xue-Xin, ZHANG Hong-Bo, LIN Xiang, ZHAO Yang
College of Agronomy, Shandong Agricultural University/State Key Laboratory of Crop Biology/Cooperative Innovation Centre of Shandong Wheat-Corn Crops, Tai’an 271018, China
Abstract

We carried out a two-year field experiment in 2012-2013 and 2013-2014 growing seasons of winter wheat, with treatments of no irrigation (W0), border irrigation (W1), and irrigation with micro-sprinkling hoses special for wheat (W2). The W2 treatment was conducted at different time of a day in early or late grain filling stage with different amounts of irrigation in the middle and late filling stages. The results showed that the spike layer temperature of W2 decreased by 6.8-11.3°C after irrigating with micro-sprinkling hoses at 10:00 a.m. in early grain filling stage, and the decline was significantly greater than that of W1. However, no significant difference in temperature of spike layer was observed between W2 and W1 from the 2nd day to the 4th day after irrigation and between W2 and W0 at the 4th day after irrigation. The leaf water potential on the irrigation day was significantly higher in W2 than in W1. In contrast, leaf photosynthetic rate on the irrigation day, as well as leaf water potential and leaf photosynthetic rate on the next day were similar between W2 and W1. As a result, the grain weight and the grain yield in W2 and W1 were higher than that in W0 treatment. Besides, the irrigation water use efficiency of W2 was significantly higher than that of W1. When 5 or 10 mm of water was sprayed by micro-sprinkling hoses at 10:00, 12:00, and 14:00 hours in the late grain filling, the canopy temperature decreased significantly whereas the canopy relative humidity, the flag leaf water potential, and the canopy apparent photosynthetic rate tended to increase. During a day, earlier irrigation resulted in better improvement of water status and photosynthetic performance for wheat leaf. Our results suggest that supplementary irrigation with micro-sprinkling hoses should be conducted at early grain-filling stage or at 10:00 on a day during middle-to-late grain filling with 5-10 mm water spray each time when daily high temperature is forecasted.

Keyword: Wheat; Micro-sprinkling Hoses; Irrigation; Canopy temperature; Canopy humidity; Grain weight

小麦灌浆期冠层温湿度是由土壤-植物-大气连通体内的热量和水汽流决定的, 既能反映作物和大气之间的能量交换[1], 也是影响小麦叶片光合性能和籽粒产量的重要因素[2, 3]。一般来说, 气温20~24℃、相对湿度60%~80%是小麦籽粒灌浆较适宜的温、湿度范围[3]。而我国黄淮和北部冬麦区在小麦灌浆期内经常发生高温低湿型干热风, 其基本特征是日最高气温> 32℃, 14:00时的空气相对湿度< 30%、风速> 3 m s-1 [4]。这种气象灾害天气能在很短时间内强烈破坏小麦的光合作用和水分平衡, 显著降低籽粒灌浆速率, 造成减产, 一般在干热风较轻年份减产5%~10%, 在较重年份达10%~30%[5, 6]。干热风会引起叶片气孔部分闭合, 抑制光合蒸腾, 重干热风下叶片光合还明显受到非气孔限制[2]。干热风发生的时期不同, 籽粒灌浆速率下降的幅度也不同, 表现为灌浆中期> 灌浆后期> 灌浆前期, 重度干热风> 轻度干热风; 干热风后, 虽经冬小麦自身修复和后续灌浆, 最终千粒重仍不同程度降低, 降低幅度最大的来自灌浆后期重度干热风, 千粒重降低5.4 g, 降幅达14.5%, 其次来自灌浆中期重度和轻度干热风, 千粒重分别降低9.7%和4.8%, 再次为灌浆后期轻度干热风, 而灌浆前期干热风对千粒重影响不显著[6]。黄淮海地区68个气象台站1961— 2010年50年间的气象数据表明, 气候变暖背景下, 虽然各地区在不同年代干热风灾害总体表现减少趋势, 但地区间存在明显差异, 河北省南部地区轻干热风和重干热风出现的平均日数最多, 分别超过8 d和4 d, 危害最重; 河南中部、西北部及河北石家庄附近一带轻干热风和重干热风出现的平均日数分别为6.0~8.0 d和2.5~3.5 d; 北京、天津、河南南部、山东中部一带轻干热风和重干热风出现的平均日数分别为2.0~6.0 d和0.5~2.5 d, 今后干热风仍是影响该地区小麦生产最重要的农业气象灾害之一[7]。因此, 如何抵御干热风危害, 减少产量损失, 是当前亟待解决的技术难题。

为抵御和减轻干热风的危害, 前人在耐高温、抗干热风品种选育方面做了大量工作, 亦提出了调整播种期、喷施生长调节剂、遮阴等措施[3, 8]。还有研究提出, 灌浆期喷灌或短时喷雾能显著改善田间小气候, 减轻干热风危害, 提高籽粒产量[9, 10]。本课题组前期研究发明了适用于小麦生育中后期微喷灌溉的小麦专用微喷带(ZL20122 0356553.7)[11], 取得显著的节水高产效果[12, 13]。本文在前期研究的基础上, 拟探讨微喷带灌溉对小麦灌浆期冠层温、湿度变化及粒重的影响, 以期创建通过改善冠层小气候抵御干热风的新技术途径, 为实现小麦高产高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 试验地概况

山东省兖州市小孟镇史家王子村(35.67° N, 116.69° E)和岱岳区道朗镇玄庄村(36.21° N, 116.92° E)试验田坡度分别为0.218%和0.265%。播种前试验地0~20 cm土层土壤养分状况和0~200 cm各土层土壤水分状况见表1。2012— 2013年度, 小麦生育期内总降水量238.0 mm, 其中播种-拔节期92.0 mm, 拔节-开花期10.5 mm, 开花-成熟期135.5 mm; 2013— 2014年度, 小麦生育期内总降水量191.6 mm, 其中播种-拔节期47.6 mm, 拔节-开花期32.7 mm, 开花-成熟期111.3 mm。

1.2 试验设计

2012— 2013年度设3个灌水处理(W0、W1和W2), 3次重复。小区畦宽(左侧畦梗中心线至右侧畦梗中心线的垂直距离) 2 m, 畦面宽1.6 m, 畦梗宽0.4 m, 畦长80.0 m, 面积160 m2, 小区间设1.0 m保护行。每小区等行距种植8行小麦, 实际行距22.9 cm。对各处理均于小麦拔节初期采用畦灌方式灌溉, 灌水量为100 mm, 之后W0不再灌水, W1和W2于灌浆初期(开花后第10天10:00)灌第二水。其中, W1处理仍采用畦灌方式, 改口成数为90%, 即当水流前锋到达畦长长度的90%位置时停止灌水, 用水表计量的实际灌水量为58.0 mm; W2处理则采用小麦专用微喷带(ZL20122 0356553.7)灌溉, 灌水前测定土壤含水量, 设定0~140 cm土层土壤目标相对含水量为70%, 根据灌水定额公式计算所需灌水量(CIR, mm), CIR =100γ bdDh(θ t-θ n) [13, 14]。式中, γ bd (g cm-3)为土壤容重; Dh (cm)为灌水前土壤含水量的测定深度, 即140 cm; θ t (mg water g-1 dry soil)为目标土壤含水量, 即田间持水量乘以目标土壤相对含水量; θ n (mg Water g-1 dry soil)为灌溉前0~140 cm土层土壤平均含水量。自小区边行向内数, 均在第4行与第5行之间沿小麦种植行向(畦长方向)铺设一条微喷带。微喷带进水端装有压力表、水表和闸阀, 进水端水压为0.02 MPa, 灌水量为29.4 mm。灌溉水水源为井水, 从水源至微喷带之间采用直径为110 mm的PVC水龙带输水。

2013— 2014年度设置两组试验。第1组采用裂区设计, 主区为灌水处理(W0、W1和W2), 各处理灌溉方式、试验小区畦田规格及水源、输水方式和水表安装位置等均与2012— 2013年度相同, 拔节初期3个处理均采用畦灌方式灌水105 mm, 灌浆初期(开花后10 d)对W1和W2再分别灌水54.6 mm (畦灌)和31.8 mm (微喷带灌溉); 副区为微喷带灌水量处理, 灌浆中后期(开花后第26、第28和第33天)当预报日最高气温超过32℃时, 于当日10:00采用小麦专用微喷带(ZL20122 0356553.7)进行一次微喷, 设置3个微喷水量处理, 分别为0、5和10 mm; 各处理的编号依次为W0、W0 (5 mm)、W0 (10 mm), W1、W1 (5 mm)、W1 (10 mm), W2、W2 (5 mm)、W2 (10 mm)。第2组试验是在拔节初期畦灌105 mm+开花后第10天微喷带灌溉31.8 mm的基础上再进行裂区设计, 当日预报最高气温超过33℃时(花后第26天), 采用微喷带微喷, 以微喷启动时间为主区, 微喷水量为副区。微喷启动时间设置10:00、12:00、14:00、16:00共4个水平, 微喷水量设置0、5和10 mm共3个水平。

表1 试验田土壤基础肥力和土壤含水量 Table 1 Soil fertility and soil water content of the experimental plot

两年度供试品种均为济麦22, 播前施纯氮105 kg hm-2、P2O5150 kg hm-2、K2O 150 kg hm-2, 拔节期施纯氮135 kg hm-2。氮肥为尿素(含N 46%), 磷肥为磷酸二铵(含P2O5 46%, 含N 18%), 钾肥为氯化钾(含K2O 60%)。两年度播种期分别为2012年10月8日和2013年10月6日, 均于小麦四叶期定苗, 基本苗为180株m-2。其他管理措施同一般高产田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 小麦冠层温湿度日变化 2012— 2013年度于小麦开花后10 d灌水处理当日的11:00、13:00、15:00、17:00时, 及灌水后第2、第3、第4天的8:00、10:00、12:00、13:00、15:00和17:00时, 分别测定小麦穗层、穗下20 cm和穗下40 cm处的行间温度。每小区距畦首20、40和60 m处设3个测量区, 每个测量区内自小区边行起在第1、第2、第3、第4行间均放置温度计, 以每小区12点的平均值作为小区的冠层温度测定值。同时, 在无灌溉处理小区穗上1.0 m处测定大气温度。

2013— 2014年度于小麦开花后第26天的10:00、11:00、12:00、13:00、14:00、15:00、16:00、17:00和18:00时, 用KTH-1型温湿度计分别测定小麦穗层、穗下36 cm和穗下72 cm处的行间温度和相对湿度; 10:00、12:00、14:00和16:00喷水处理于微喷后立即测定冠层温、湿度, 实际测定时间依次为10:15、12:15、14:15和16:15。按2012— 2013年度方法, 每小区测定12个点取平均值, 并在无灌溉处理小区穗上1.0 m处测定大气温度和相对湿度。

1.3.2 小麦旗叶水势和光合速率日变化 2012— 2013年度于小麦开花后10 d灌水当日的11:00、13:00、15:00和17:00及灌水后第2天的8:00、10:00、12:00、13:00、15:00和17:00, 用Psypro型露点水势测量系统(Wescor, 美国)和CIRAS-2型光合作用测定系统(Hansatech, 英国)测定旗叶水势和光合速率日变化。选小区中部距畦首41 m处, 自边行起随机测定第1、第2、第3、第4行小麦旗叶各1片, 取平均值。

2013— 2014年度于小麦开花后第26天的10:00、12:00、14:00、16:00和18:00, 用Psypro型露点水势测量系统(Wescor, 美国)和GXH-3051型CO2红外线分析仪(北京均方理化科技研究所)测定旗叶水势和群体光合速率。另外, 10:00、12:00、14:00和16:00喷水的处理于微喷后立即测定, 实际测定时间分别为10:15、12:15、14:15和16:15。每小区中部(距畦首41 m处)自小区边行起随机选择第1、第2、第3、第4行小麦旗叶各1片测量水势, 取平均值为该小区的旗叶水势; 于每小区距畦首22、42和62 m处测定旗叶光合速率, 3个测量区平均值为该小区的群体光合速率。测定群体光合速率时使用的同化箱长100 cm、宽100 cm、高120 cm, 框架外罩以透光性良好的投影膜, 透光率95%左右, 箱内装有一个80W的风扇, 用于搅匀箱内气体。测定时每隔20 s读取一次数据, 同步测定土壤呼吸。

CAP=C×106×V×3600M×273273+T×44224×1000L

式中, CAP为群体表观净光合速率(μ mol CO2 m-2 h-1), Δ C为作物群体净光合实际同化CO2浓度差(10-6); V为同化箱体积(m3); Δ M为测定时间(s); T为同化箱温度(℃); L为测定群体所占的土地面积(m2)。

1.3.3 小麦产量及灌水利用效率 小麦成熟期, 在各试验小区距畦首25、50和75 m处取2 m × 1 m范围内的小麦, 全部收获脱粒, 每小区总收获面积为6 m2, 待籽粒自然风干至含水率为12.5%时分别称重, 计算平均产量, 同时取样测定千粒重。灌水利用效率(kg hm-2 mm-1) = 籽粒产量(kg hm-2)/灌水量(mm)[15]

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2007处理数据和作图, 用DPS 7.05软件统计分析, 用LSD法检验差异显著性。

2 结果与分析
2.1 小麦冠层温度日变化

2012— 2013年度于小麦灌浆初期(开花后10 d)进行灌水处理, 处理后0~4 d可见冠层温度变化在处理间有明显差异(图1)。

在灌水当天, W0的穗层温度在11:00— 17:00与气温无显著差异; 而W1和W2的穗层温度在11:00— 15:00低于W0处理(P< 0.05), 在11:00时分别比W0低4.8℃和11.3℃, 在13:00时分别低1.8℃和6.8℃; 到17:00时, W2和W1的穗层温度与W0无显著差异。穗下20 cm和40 cm处11:00— 17:00的温度变化与穗层呈现相似的变化规律, 即W1和W2的温度低于W0 (P< 0.05), 其最大温差出现在11:00 (穗下20 cm和40 cm温度, W1低9.8℃和11.7℃, W2低14.2℃和14.6℃), 13:00后随着气温的降低处理间温差逐渐缩小, 但到17:00时仍有一定的温差, 穗下20 cm处W1和W2的温度比W0低3.0℃和2.6℃, 穗下40 cm处温度低4.7℃和4.2℃。

灌水后第2天, W0处理8:00— 10:00的穗层温度, 10:00、13:00和15:00的穗下20 cm温度, 10:00— 17:00的穗下40 cm温度均显著高于气温(P< 0.05), 而W1和W2的穗层及穗下20 cm和40 cm温度在观测期内均低于W0, 且与W0的温差以13:00时最大, 穗层、穗下20 cm和40 cm的平均温差分别为5.4℃、11.1℃和17.8℃。W1与W2比较, 8:00时W2处理的穗层、穗下20 cm和40 cm温度均低于W1, 此后则与W1无显著差异。

灌水后第3天, W0的穗层温度在8:00— 17:00与气温无显著差异, 而穗下20 cm和40 cm的温度8:00时低于气温(P< 0.05), 10:00— 15:00时高于气温(P< 0.05), 至17:00又与气温无显著差异。W1与W2处理3个观测高度的温度在全观测期均无显著差异, 但在12:00— 15:00显著低于W0的温度(P< 0.05), 最大温差出现在15:00 (穗层, 4.9℃)、13:00 (穗下20 cm, 8.7℃)、15:00 (穗下40 cm, 14.8℃)。与W0相比, 灌浆期补水的2个处理使8:00— 17:00穗层、穗下20 cm和40 cm的平均温度分别降低2.3℃、5.7℃和9.7℃。

灌水后第4天, 各处理的穗层温度均低于气温, W0的穗下20 cm和40 cm温度在观测期与气温无显著差异, W1和W2在不同观测高度的温度无显著差异。虽然W1和W2对穗层已无显著降温效果, 但穗下20 cm和40 cm的温度仍显著低于W0 (P< 0.05), 尤其在12:00, 温差分别为5.0℃和6.0℃。

上述结果表明, 在小麦灌浆初期采用微喷带于10:00时灌溉, 当日中午穗层温度可降低6.8~11.3℃, 降温幅度明显好于畦灌处理; 灌水后第2、第3、第4天, 微喷灌处理与畦灌处理仍有明显的降温效果, 但两处理之间无显著差异, 均以穗下40 cm处的降温幅度最大, 其次是穗下20 cm处, 再次是穗层, 对穗层的降温作用可延续至灌水后第3天。

2013— 2014年度于小麦灌浆后期(开花后26 d)进行微喷灌处理, 处理当天的冠层温度变化如图2所示。无喷水处理在10:15— 18:00期间, 穗层温度

与气温无显著差异, 而穗下36 cm和72 cm的温度高于气温; 两微喷水量处理显著降低了3个观测高度的温度(P< 0.05), 且两微喷水量处理间无显著差异, 说明在小麦灌浆后期于10:00、12:00、14:00或16:00微喷水5~10 mm均可显著降低冠层温度。

2.2 小麦冠层相对湿度日变化

2013— 2014年度于小麦灌浆后期(开花后26 d)微喷灌处理当天测定冠层相对湿度, 结果两微喷水量处理明显提高了穗层及穗下36 cm和72 cm的相对湿度(图3)。无喷水处理在全观测期内穗层相对湿度与大气湿度无显著差异, 而穗下36 cm和72 cm的相对湿度高于大气湿度(P< 0.05); 与无喷水处理相比, 两微喷水量处理自喷水后至当日18:00持续增加穗层、穗下36 cm和72 cm的相对湿度(P< 0.05)。以穗层相对湿度为例, 当微喷时间为10:00时, 5 mm和10 mm喷水量在处理后15 min使相对湿度提高82.5%和105.9%, 微喷后1 h至18:00, 两微喷水量处理穗层平均相对湿度升高至41.6%和47.5%, 比无喷水处理分别提高53.3%和75.3%; 当微喷时间为12:00时, 微喷后15 min穗层相对湿度提高112.2% (5 mm微喷水量)和118.0% (10 mm微喷水量), 微喷后1 h至18:00两微喷水量处理穗层平均相对湿度分别为42.5%和44.9%, 比无喷水处理分别提高52.6%和61.0%; 当微喷时间为14:00时, 微喷水量为5 mm和10 mm处理提高即时(处理后15 min)穗层相对湿度的百分率达到最高, 两处理均为152.1%, 微喷后1 h至18:00, 两微喷水量处理穗层平均相对湿度分别为49.5%和50.1%, 比无喷水处理分别提高53.2%和54.9%; 当微喷时间为16:00时, 即时穗层相对湿度提高87.2% (5 mm微喷水量)和113.9% (10 mm微喷水量), 微喷后1 h至18:00平均相对湿度分别提高31.0%和37.7%。

图1 开花后10 d灌水各处理的小麦冠层温度日变化(2012-2013)
0 DAI: 喷灌当天; 1 DAI: 喷灌后第2天; 2 DAI: 喷灌后第3天; 3 DAI: 喷灌后第4天。W0: 灌浆初期不灌水; W1: 畦灌; W2: 专用微喷带灌溉。
Fig. 1 Diurnal variation of temperature in wheat canopy under irrigation at 10 days after anthesis (2012-2013)
0 DAI: the day of irrigation; 1 DAI: the 2nd day of irrigation; 2 DAI: the 3rd day of irrigation; 3 DAI: the 4th day of irrigation.
W0: no irrigation; W1: border irrigation; W2: irrigation with micro-sprinkling hoses special for wheat.

图2 开花后26 d微喷当天小麦冠层温度日变化(2013-2014)Fig. 2 Diurnal variation of temperature in wheat canopy under micro-sprinkling irrigation at 26 days after anthesis (2013-2014)

两微喷水量处理比较, 在中午高温时间(12:00和14:00)进行微喷处理, 5 mm和10 mm喷水量, 对提高穗层相对湿度的效果相同, 但10 mm喷水量比5 mm喷水量对提高15:00以前穗下72 cm相对湿度有显著效果; 10:00进行微喷, 穗层和穗下36 cm在16:00以前的相对湿度表现为10 mm喷水量处理高于5 mm喷水量处理, 但穗下72 cm的相对湿度在大部分观测时间表现为两喷水量处理差异不显著; 16:00进行微喷, 两喷水量处理在穗层和穗下36 cm的即时(处理后15 min)增湿效果有显著差异, 之后两处理无显著差异(图3)。因此, 小麦灌浆后期采用微喷带于10:00、12:00、14:00或16:00时微喷5~10 mm水可显著提高冠层相对湿度。

2.3 小麦旗叶水势、光合速率及群体光合速率的变化

2012— 2013年度比较3种灌水方式, 在灌水当天, W2 (微喷灌)处理在11:00— 17:00的旗叶水势最高, 其次为W1, W0处理最低, 且处理间差异显著(P< 0.05); 同期W2的旗叶光合速率也显著高于W0, 但与W1无显著差异。灌水后第2天8:00— 17:00的旗叶水势和光合速率, W2与W1无显著差异, 但显著高于W0 (图4)。

图3 开花后26 d微喷当天小麦冠层相对湿度(RH)日变化(2013-2014)Fig. 3 Diurnal variation of relative humidity (RH) in wheat canopy under micro-sprinkling irrigation at 26 days after anthesis (2013-2014)

2013— 2014年度比较不同微喷水量处理对当日旗叶水势和群体光合速率的影响。微喷后至18:00, 两微喷水量处理的旗叶水势均显著高于无喷水处理, 而两微喷水量处理在大部分观测时间点无显著差异(图5)。群体光合速率的日变化特点, 两微喷水量处理显著优于无喷水处理, 二者之间因微喷启动时间不同而在某些观测时间点呈现显著差异, 尤其是10:00和12:00进行微喷, 但16:00微喷处理对群体光合效率没有显著影响(图5)。总体来看, 小麦灌浆后期采用微喷带于10:00、12:00、14:00时微喷5~10 mm水可显著提高当日叶片水势和群体光合速率, 但在本试验处理范围内微喷启动时间越早对改善叶片水分状况和光合性能越有利。

2.4 不同处理对小麦粒重、籽粒产量和灌水利用效率的影响

两年度试验结果表明, W2的千粒重和籽粒产量与W1无显著差异, 均显著大于W0处理; W2的灌水利用效率大于W1 (表4)。说明灌浆初期灌溉可显著提高小麦粒重和籽粒产量, 采用微喷带补灌不仅能获得高产, 而且比畦灌处理减少了灌水量, 显著提高灌水利用效率。在拔节期和灌浆初期灌溉的基础上, 灌浆中后期遇高温天气时采用微喷带于10:00微喷, 可显著提高粒重和籽粒产量, 每次微喷水5 mm和10 mm效果相当; 在拔节期灌水而灌浆初期无灌溉的条件下, 灌浆中后期遇高温天气时每次微喷水10 mm可显著提高粒重和产量, 而每次微喷水5 mm对粒重和产量无显著影响(表4)。

3 讨论

农田表面温度的高低依赖于农田表面与大气之间的能量交换平衡, 由土壤-植物-大气连续体内的热量和水汽流决定, 受作物、土壤、大气三方面因子的综合影响[16]。有研究指出, 冠气温度差与0~50 cm土层土壤相对湿度有良好相关[17], 利用防雨棚分别控制土壤重量含水量为田间持水量的45%、55%、65%、70%和80%, 小麦乳熟期的平均和最高冠层温度随着土壤含水量的增加整体呈下降趋势[18], Zhang等[19]采用盆栽的方法, 在水稻扬花期分别控制土壤体积含水量为24%、55%、90%和175%, 也得到基本一致的结论。本试验发现, 在灌浆初期无灌水处理的小麦穗层(R2=0.8994, P< 0.01)、穗下20 cm (R2=0.8351, P< 0.01)和穗下40 cm (R2=0.8453, P< 0.01)的温度均与气温呈极显著正相关(n=23), 但各层温度与气温的差值不仅在一天之内有较大变化, 而且各天之间也有较大差异, 穗层和穗下20 cm处的冠气温差与气温无显著相关, 穗下40 cm处的冠气温差与气温呈显著正相关(R2=0.4014, P< 0.05, n=23)。这可能与自然风速和小麦中上部冠层空气流通程度有关[10]。灌溉后各灌水处理的冠层温度显著降低, 以冠层中部和基部的温度平均降幅较大; 微喷灌处理灌水后当日中午小麦穗层及中部、基部冠层的温度降幅显著大于畦灌处理。

图4 开花后10 d灌水当天的小麦旗叶水势和光合速率(Pn)日变化(2012-2013)
W0: 灌浆初期不灌水; W1: 畦灌; W2: 专用微喷带灌溉。
Fig. 4 Diurnal variations of water potential and photosynthetic rate (Pn) of wheat flag leaf under the irrigation at 10 days after anthesis (2012-2013)
W0: no irrigation; W1: border irrigation; W2: irrigation with micro-sprinkling hoses special for wheat.

图5 开花后26 d微喷当天小麦旗叶水势和群体光合速率日变化(2013-2014)Fig. 5 Diurnal variations of water potential of flag leaf and canopy apparent photosynthetic rate under the micro-sprinkling irrigation at 26 days after anthesis (2013-2014)

表4 不同处理小麦籽粒重、籽粒产量和灌水利用效率 Table 4 Grain weight, grain yield, and irrigation water use efficiency of wheat in different treatments

冠层温度与作物自身的生理特性有关, 不同品种冬小麦开花至灌浆期的冠层温度和水分利用效率均存在显著差异, 冠层温度较低的品种, 其产量和水分利用效率较高[20]。冠层温度持续偏低的大麦品种在花后功能叶片的叶绿素含量、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率等方面具有显著优势, 且叶绿素含量、净光合速率下降缓慢[21]。冠层温度不仅是作物、土壤、大气综合作用的结果, 其变化也会对作物叶片气体交换和光合同化等带来显著影响[22]。在冠气温差较小时, 随冠气温差的增大, 蒸腾速率呈上升趋势, 而当冠气温差> 0℃后, 随冠气温差的增大, 蒸腾速率不再增加, 甚至出现下降趋势[23]。遇干热风时, 麦田喷雾1.0~1.5 mm, 冠层温度迅速降低, 虽然受空气温度和相对湿度及风速的影响, 在喷雾停止50~60 min后, 冠层温度又回升至与未喷雾处理相同的水平, 但喷雾处理的小麦籽粒产量提高291 kg hm-2 [9]。在干热风条件下, 遮阴或补灌措施亦能提高小麦旗叶持绿面积、叶绿素质量分数, 降低叶片黄化指数、类胡萝卜素质量分数、渗透调节物质质量分数, 有效缓解干热风对小麦的伤害[24]。本试验在小麦灌浆初期采用微喷带喷水29.4 mm, 对穗层的降温作用可延续至灌水后第3天, 而且第4天小麦冠层中部和基部的温度仍显著低于未灌水的处理。研究还表明, 在小麦灌浆后期于10:00、12:00、14:00和16:00时微喷补水5 mm或10 mm均显著降低冠层温度, 提高冠层相对湿度, 且微喷时间越早, 对改善小麦叶片水分状况和光合性能越有利。

花后20~22 d和花后28~30 d, 8:00— 17:30进行30℃高温处理极显著地降低小麦粒重, 以花后20~22 d高温对粒重的影响最大[25]。一般认为, 灌浆期空气相对湿度在75%左右比较适宜, 可获得较高的千粒重[26], 高温低湿或高温高湿均不利于粒重和产量的提高[27]。增加土壤含水量有助于缓解空气高温低湿对小麦的胁迫, 但当土壤含水量过高时, 则易损害部分根系, 出现高土壤含水量不能供给高蒸腾的现象[28]。小麦灌浆中后期喷灌可降低冠层附近的气温, 提高田间水汽压, 减小冠层-大气水汽压驱动势, 降低水汽流量, 使冠层附近蒸发力减小, 有效降低叶片蒸腾和地面蒸发, 从而缓解和减弱高温下植株过度蒸腾失水对生理和生长造成的不良影响, 显著提高产量和水分利用效率[29]。本试验进一步证明, 灌浆初期微喷补灌或中后期在预报高温当日10:00时微喷, 每次5~10 mm水, 可明显改善小麦冠层温湿度条件, 提高粒重和籽粒产量。

4 结论

小麦灌浆初期畦灌或采用微喷带灌溉均能显著降低冠层温度、提高叶片水势和光合速率, 但微喷带灌溉处理对灌后当日田间小气候的影响比传统畦灌处理更大。灌浆初期采用微喷带喷水29.4 mm对穗层的降温作用可延续至灌水后第3天, 对小麦冠层中部和基部的降温作用可延续至第4天。小麦灌浆中后期遇高温, 于10:00— 16:00采用微喷带微喷补水, 喷水量5 mm或10 mm, 均显著降低冠层温度, 提高冠层相对湿度, 显著提高粒重和产量, 微喷时间越早效果越好。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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