楊熙昊 范伶俐

收稿日期：2024-01-05

基金項(xiàng)目：廣東海洋大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（CXXL2022040）。

作者簡介：楊熙昊（2003—），男，山東泰安人，主要從事大氣科學(xué)研究。#通信作者：范伶俐（1970—）女，貴州黔東南人，教授，主要從事大學(xué)教學(xué)工作，E-mail：fanlingli@126.com。

摘 要：通過對(duì)不同播期冬小麥籽粒品質(zhì)進(jìn)行分析，探究冬小麥品質(zhì)與氣象因子的相關(guān)性。利用不同播期的冬小麥氣象和籽粒品質(zhì)資料，采用Pearson線性相關(guān)性，研究小麥品質(zhì)與氣象因素之間的關(guān)系。結(jié)果表明：冬小麥品質(zhì)受抽穗后氣象條件的影響較大（P＜0.05）；主要因素為開花期平均溫度、灌漿期最低溫度、高溫脅迫、日照時(shí)數(shù)4個(gè)因素。因此，做好冬小麥全生育周期的預(yù)報(bào)，合理安排適播期，對(duì)提升小麥籽粒品質(zhì)具有顯著影響。

關(guān)鍵詞：冬小麥；營養(yǎng)品質(zhì)；氣候因子

中圖分類號(hào)：S512.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：2095–3305（2024）03–0-03

務(wù)農(nóng)重本，國之大綱。發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，離不開氣象科技的支撐。糧食安全與氣象條件密切相關(guān)，在全球變暖背景下，農(nóng)業(yè)和糧食安全面臨重大考驗(yàn)。小麥?zhǔn)侵袊蠹Z食作物之一，冬小麥?zhǔn)俏覈狈阶钪饕霓r(nóng)作物之一。在我國，農(nóng)民耕作小麥一直以產(chǎn)量為主要目標(biāo)，在主觀上忽視了對(duì)品質(zhì)的要求。影響小麥籽粒品質(zhì)的因素有很多，主要受基因型、生態(tài)條件、栽培技術(shù)、儲(chǔ)藏措施等的共同影響[1]。

近年來，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者圍繞生態(tài)氣候因素對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響開展了研究。例如：通過追蹤小麥籽粒蛋白質(zhì)和淀粉的合成過程，評(píng)價(jià)基因型和生態(tài)因子對(duì)其的相關(guān)影響[2]，這表明不同氣候因子下，小麥籽粒生長狀況有較大影響。利用實(shí)驗(yàn)室模擬法對(duì)冬小麥花后高溫脅迫下水氮利用率進(jìn)行了研究[3]，

認(rèn)為花后溫度對(duì)水氮的吸收影響較大，從而影響小麥蛋白質(zhì)的合成；從灌漿特性出發(fā)，研究不同播期下小麥籽粒產(chǎn)量變化[4]，得出播期對(duì)產(chǎn)量的影響最大。

也有部分學(xué)者針對(duì)分期播種對(duì)水稻、小麥等作物品質(zhì)的影響方面進(jìn)行了研究。例如：有研究指出，針對(duì)不同基因型的小麥品種，過早播種或過晚播種都不利于形成較高的單位面積產(chǎn)量。而且隨著播期的推遲，產(chǎn)量呈先上升后下降趨勢(shì)。閆翠萍等[5]從生理生態(tài)角度出發(fā)，研究了持續(xù)暖冬的氣候條件下，播期對(duì)不同基因型優(yōu)質(zhì)小麥的產(chǎn)量調(diào)控效應(yīng)。李存東等[6]研究表明，晚播對(duì)小花分化發(fā)育與結(jié)實(shí)有不利影響。不同播期、播量對(duì)有效穗數(shù)的影響較小，但對(duì)穗粒數(shù)和千粒重有一定影響，穗粒數(shù)隨播量的增加而減少，千粒重隨播期的推遲而減少。目前，作為一種溫帶長日照作物，冬小麥在復(fù)雜環(huán)境下不同播期各氣象因子對(duì)小麥生長發(fā)育和其籽粒品質(zhì)的影響研究相對(duì)較少。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017—2022年在山東省泰安（117°09′E，36°10′N）農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨熱同期。每年供試品種均為當(dāng)?shù)刂饕耘嗥贩N，農(nóng)業(yè)種植制度實(shí)行冬小麥、夏玉米一年兩熟輪作制。試驗(yàn)以當(dāng)?shù)爻Ｄ甏筇飳?shí)際播種期（10月10日）為界，提前10 d播種為第1期，正常播種期為第2期，比正常播種期晚10 d播種為第3期，晚20 d為第4播期，共播種4期，前后間隔30 d。播種方式采用南北方向條播，行距統(tǒng)一為20 cm，每個(gè)播期設(shè)置4個(gè)重復(fù)，共16個(gè)小區(qū)。試驗(yàn)田不同播期小區(qū)（分別編號(hào)為1、2、3、4）排列方式和相對(duì)氣象站位置見圖1。在圖1小區(qū)播種安排中，從上往下為從北到南設(shè)置，所有觀測(cè)在前3列小區(qū)進(jìn)行，第4列小區(qū)用于測(cè)定產(chǎn)量要素，不進(jìn)行任何觀測(cè)。

每個(gè)小區(qū)的面積為30.0 m2，每個(gè)小區(qū)之間的保護(hù)間隔為0.5 m。試驗(yàn)區(qū)海拔為128.6 m，耕層土壤質(zhì)地為沙壤土，酸堿度適中，采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)田播種方法進(jìn)行平作、直播。在小麥生育期，保持良好的通風(fēng)和透光條件，大田水肥管理?xiàng)l件與當(dāng)?shù)匾话愦筇锷a(chǎn)保持一致，小麥生育期未受干旱和病蟲害的脅迫作用。

1.2 麥種

試驗(yàn)地采用小麥主產(chǎn)區(qū)主流品種，2017—2018年采用紅地95，2018—2019年采用泰農(nóng)21，2019—2022年采用泰科麥31。3個(gè)品種原始植株均來自魯農(nóng)系列和鄭麥系列，具有基因表達(dá)一致性[7]。在實(shí)際生產(chǎn)中，其性狀表達(dá)整體趨于同一水平，均為強(qiáng)筋性小麥品種。不同年、不同品種的淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、氨基酸含量平均變異系數(shù)CV=35.6%，不同年份間同品種小麥性狀表達(dá)平均變異系數(shù)CV=33.6%，兩者相差不大，可以考慮其相應(yīng)含量指標(biāo)波動(dòng)的均衡性。

1.3 觀測(cè)項(xiàng)目

1.3.1 小麥生育期觀察

按照農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范觀測(cè)生育期。從記錄播期開始，依次觀測(cè)出苗期、三葉期、分蘗期、越冬期、返青期、起身期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期、乳熟期、成熟期。

1.3.2 氣象要素的數(shù)據(jù)來源

采用泰安市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站的地面氣象觀測(cè)站同期觀測(cè)資料，氣象觀測(cè)要素包括全生育期內(nèi)逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)。針對(duì)冬小麥最高氣溫?cái)?shù)據(jù)，在后續(xù)分析中，加入獨(dú)特編碼的高溫?zé)崂藬?shù)據(jù)，作為判斷小麥生育期內(nèi)是否受到高溫脅迫的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.3.3 小麥籽粒品質(zhì)測(cè)定

將成熟收獲的小麥籽粒正常晾曬風(fēng)干，統(tǒng)一進(jìn)行品質(zhì)測(cè)定。選取對(duì)小麥品質(zhì)影響較大的蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、氨基酸含量作為籽粒品質(zhì)的測(cè)評(píng)指標(biāo)[8]，含量測(cè)定均為山東省泰安農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站委托山東熠輝生物技術(shù)有限公司測(cè)定。

2 研究方法

在小麥和氣象條件的分析中，利用Pearson線性相關(guān)性，研究小麥營養(yǎng)成分品質(zhì)與氣象因素之間的關(guān)系。

針對(duì)歷史氣象數(shù)據(jù)和小麥營養(yǎng)品質(zhì)成分?jǐn)?shù)據(jù)，計(jì)算它們之間的Pearson相關(guān)系數(shù)，以探究不同氣象條件對(duì)小麥營養(yǎng)品質(zhì)的影響程度。Pearson線性相關(guān)系數(shù)的值在-1～1之間，其大小表征兩要素的相關(guān)程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 2018—2022年小麥生育期中后期氣象條件

越冬期前的小麥生育期經(jīng)受的氣候特征對(duì)最終小麥基因表達(dá)的影響較小，對(duì)小麥最終籽粒的影響較大的為生育期中后期，故對(duì)五年間小麥氣溫條件進(jìn)行分析。

通過分析抽穗后逐日平均氣溫散點(diǎn)圖（圖2）發(fā)現(xiàn)，

在不同播期，冬小麥抽穗后日平均氣溫變化可達(dá)到（10±2）℃，最大溫差可達(dá)15 ℃。抽穗后所有小麥作物物候溫度大體呈上升趨勢(shì)，在生長發(fā)育階段或有波動(dòng)，但波動(dòng)仍不強(qiáng)烈，各發(fā)育區(qū)整體落區(qū)集中在圖中圓圈圈出部分。抽穗后，小麥的初始溫度在15 ℃上下。成熟收獲時(shí)，其大體溫度集中在28 ℃上下。2021年，播種的適播、晚播10 d、晚播20 d三批次小麥抽穗期（抽穗后10 d）和發(fā)育期后期（抽穗后40 d）多日出現(xiàn)超出30 ℃的高溫現(xiàn)象，其高溫脅迫作用致使當(dāng)年淀粉和各類氨基酸耦合比例含量同比往年同品種小麥下降2%。但相較于其余年份，由于溫度上升，發(fā)育期有效活動(dòng)積溫也隨之上升，其產(chǎn)量也高于其余年份同品種冬小麥，但對(duì)于產(chǎn)量因素，不屬于營養(yǎng)品質(zhì)的考慮范圍內(nèi)，故不作詳細(xì)討論。

3.2 全生育期氣象條件與小麥籽粒小分子氨基酸、蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪含量的相關(guān)性分析

選取冬小麥生長期間，各發(fā)育期氣象數(shù)據(jù)指標(biāo)與冬小麥營養(yǎng)品質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行皮爾森顯著性檢驗(yàn)，利用皮爾森相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算，由相關(guān)性系數(shù)可得：冬小麥生育期內(nèi)，同期各生長要素并非獨(dú)立存在的單相關(guān)因素，而是互相影響、互相制約的復(fù)雜的相互耦合因素。比如：在冬小麥發(fā)育期后期，由于降水的成因，多為對(duì)流性降水，產(chǎn)生降水的云層一般較厚，當(dāng)產(chǎn)生降水時(shí)，其日照時(shí)數(shù)降低，其相關(guān)系數(shù)值為-0.67（P＜0.05），有極強(qiáng)的相關(guān)系數(shù)和相互作用。且已知營養(yǎng)物質(zhì)的表達(dá)受酶的影響較大，小麥脂肪、蛋白質(zhì)、淀粉、氨基酸各組分占比相互影響制約。氨基酸水平和蛋白質(zhì)水平有此消彼長的趨勢(shì)。

繼續(xù)分析相關(guān)性矩陣，并剔除不顯著相關(guān)元素，選取對(duì)最終籽粒營養(yǎng)品質(zhì)評(píng)估有突出貢獻(xiàn)且顯著性檢驗(yàn)P＜的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，繪制相關(guān)性矩陣（圖3）。

在圖3中，標(biāo)注“0”不代表數(shù)學(xué)意義上相關(guān)性為0，代表2個(gè)變量的相關(guān)性不顯著（顯著性檢驗(yàn)在小數(shù)點(diǎn)后一位量級(jí)）或2個(gè)變量之間的相關(guān)性無分析意義。根據(jù)相關(guān)系數(shù)熱力圖可知，在氣候條件上，小麥最終生育期品質(zhì)因素與小麥開花期后降水與日照時(shí)數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，對(duì)于小麥最終籽粒營養(yǎng)品質(zhì)相關(guān)性檢驗(yàn)較顯著（P＜0.05）的因子，提取出耦合因子，冬小麥開花期平均溫度、冬小麥灌漿期最低溫度、冬小麥?zhǔn)欠袷艿礁邷孛{迫、抽穗期后小麥光照是影響小麥營養(yǎng)品質(zhì)的重要因素。

此外，抽穗作用期間的小麥日照時(shí)數(shù)與降水量有顯著（P＜0.01）強(qiáng)負(fù)相關(guān)，在水肥條件滿足的情況下，降水量對(duì)小麥營養(yǎng)品質(zhì)的表現(xiàn)影響較弱（相關(guān)系數(shù)在-0.1～0.1之間，且P≥0.5），淀粉與抽穗日照有強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系。針對(duì)氣候因子響應(yīng)大且相關(guān)性顯著（P＜0.5或P＜0.0001）的9個(gè)營養(yǎng)品質(zhì)成分為天冬氨酸、甘氨酸、組氨酸、脯氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、脂肪、淀粉、蛋白質(zhì)，其均與冬小麥開花期平均溫度、冬小麥灌漿期最低溫度、冬小麥?zhǔn)欠袷艿礁邷孛{迫、抽穗期后小麥光照有相互作用關(guān)系[8-13]。

4 小結(jié)與討論

（1）泰安地區(qū)冬小麥在越冬后，氣候條件對(duì)小麥品質(zhì)性狀的影響較大，主要考慮主產(chǎn)區(qū)小麥（泰山12、紅地95、泰科麥31）共性母本植株鄭麥系列小麥的基因型表達(dá)有較大關(guān)系。根據(jù)目前試驗(yàn)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)分析，泰安地區(qū)小麥在生育期中后期，即抽穗—成熟期，小麥籽粒性狀受氣候條件的影響較大。

（2）在生育期后期，小麥光照時(shí)數(shù)與小麥籽粒整體營養(yǎng)品質(zhì)評(píng)價(jià)為正相關(guān)。為提高小麥籽粒品質(zhì)，對(duì)小麥適當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)光處理，有利于提高小麥光合作用的效率，并對(duì)氨基酸和小分子肽的合成有幫助作用，最終有利于提高小麥籽粒的營養(yǎng)品質(zhì)。

（3）高溫（溫度＞30 ℃）在小麥乳熟期—成熟期出現(xiàn)，對(duì)小麥籽粒淀粉含量有拮抗作用，考慮溫度值高后，由于小麥的蒸騰作用，小麥葉片氣孔關(guān)閉，可利用的CO2減少，小麥光合作用減弱，小麥淀粉含量有顯著下降趨勢(shì)（P＜0.01）。

（4）在越冬后的灌漿期，日最低氣溫的高低對(duì)小麥籽粒脂肪積累、氨基酸合成有較大的相關(guān)作用，且顯著性均在0.05以內(nèi)。在小麥生育期，小麥最低溫越高，對(duì)小麥脂肪積累和氨基酸合成的作用越大。

通過研究分析可知：冬小麥的籽粒品質(zhì)與多氣象因素相關(guān)，做好冬小麥全生育周期的預(yù)報(bào)，提升播期的預(yù)報(bào)水平，對(duì)提高小麥產(chǎn)量和品質(zhì)具有顯著影響。

由于受數(shù)據(jù)來源的局限性影響，樣品數(shù)據(jù)較少且觀測(cè)期較短，使得分析數(shù)據(jù)的線性穩(wěn)定性有待考察，后續(xù)可增加小麥品種，分批種植多樣基因型小麥品種進(jìn)行多樣性對(duì)比分析試驗(yàn)，針對(duì)多品種小麥，研究其對(duì)氣候響應(yīng)的共性特點(diǎn)。

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