滨海盐渍化农田小麦对不同来源水分的利用策略及根系形态生理响应机制

As the low-yielding area of wheat in the Huang-Huai-Hai Plain, the Bohai Sea Plain is expected to be built into the “Bohai Granary” by 2020. The saline barren soil condition, together with the lack of fresh water resources, have seriously restricted wheat production improvement. Therefore, studying the water use law of wheat under saline soil conditions is of great significance for establishing wheat water-saving and high-yielding technology, alleviating water resources pressure and promoting agriculture transformation to green and efficiency. In this project, different water source treatments were conducted under different salinity level fields. We aimed to: (1) Analyze the natural abundance of 18O in different water sources using stable isotope techniques and calculate the utilization ratio of different water sources by the multi-source hybrid model (IsoSource model), then determine the contribution of different water sources to wheat yield proportion combined with wheat yield. (2) Clarify the wheat root morphological and physiological response mechanism to water use and yield formation by the determination of root distribution and hormone levels using the root analysis system and high-performance liquid chromatography. (3) Define the relationship between wheat yield formation, water use and soil moisture and salt traits by analyzing the dynamic changes of soil moisture and salinity during wheat growth period combined with wheat yield and water use ratio data. The research results can provide a theoretical basis and scientific ideas for exploring the potential of yield increases and water efficient use scientifically in low-and-medium yield fields, and for establishing high-yielding and water-saving technologies of wheat.

环渤海平原区为黄淮海平原内小麦中低产区，有望建成“渤海粮仓”。该地区土壤瘠薄盐碱和淡水资源匮乏制约小麦增产。研究盐渍土壤下小麦水分利用规律，对于建立小麦节水增产技术、缓解水资源压力、促进农业绿色转型意义重大。本项目在不同盐度田块下设置不同水分来源处理，(1)利用稳定同位素技术测定不同来源水分18O自然丰度，根据多水源混合模型(IsoSource模型)确定小麦对不同来源水分的利用比例，结合小麦产量明确不同来源水分对产量的贡献率；(2)利用根系分析系统和高效液相色谱研究小麦根系分布和激素水平差异，明确小麦水分利用和产量形成差异的根系形态生理响应机制；(3)分析小麦全生育期土壤水分、含盐量动态变化，结合产量和水分利用差异，阐明小麦产量形成、水分利用和土壤水盐性状的相关关系。研究结果能为科学挖掘中低产田增产和水分高效利用潜力，建立小麦节水高产栽培技术提供理论依据和科学思路。

黄河三角洲地区是我国重要的中低产田和后备土地资源环区，具有很大的粮食增产潜力。当前，土壤瘠薄和淡水资源缺乏是制约该地小麦增产的主要因素。土壤贮水和地下水、降水、灌溉水是小麦水分利用的主要来源，在滨海盐田中小麦对上述来源水分的利用比例以及不同来源水分对小麦产量的贡献率尚不明确。本项目在高盐（H）和低盐（L）地块上设置干旱（N）、雨养（R）、灌溉（I）3个不同来源水分处理，研究小麦对不同来源水分的利用规律、小麦根系在不同盐度水分条件下形态生理差异以及麦田土壤水盐变化规律，结果表明：（1）滨海盐田小麦在灌溉条件下对土壤贮水和地下水、灌溉水、降水的利用比例分别约为50%、20%和30%。土壤贮水和地下水对小麦产量的贡献率达到70%，灌溉水和降水小麦产量的贡献率分别约为20%和10%。土壤贮水和地下水的增产效率达到1.5以上，灌溉水的增产效率小于1。（2）土壤含盐量高仍然是制约滨海高盐土壤小麦产量的主要因素，减产的最主要原因是造成了千粒重的显著降低。（2）高盐和干旱导致小麦根长、根表面积和根体积的显著下降，导致根系SOD活性的降低和MDA的积累，加剧了根系的衰老。（3）滨海盐田土壤含水量和含盐量呈显著正相关关系。在拔节期至成熟期，随着土壤含水量的增加而提高，表现出盐随水来、盐随水去的特点。一天之内土壤含水量和含盐量呈单峰变化规律，最高值出现在14:00-16:00。上述结果揭示了在滨海盐渍土壤条件下，土壤盐分是制约小麦增产的主要因素，灌溉仍然是小麦增产的不可或缺的手段，但目前灌溉水的利用效率较低。该结果能够为盐碱地小麦增产提供如下思路：抑制盐分向耕层土壤的聚集，降低耕层土壤含盐量可能是提高滨海盐田小麦产量的主要思路。与此同时，应发挥以水调盐、灌溉增产的潜力，重视对节水增产栽培技术的研究的开发。