河北省黑龍港流域小麥抗旱品種篩選

王優(yōu)信, 藺明月, 張雪花, 李曉靜, 符 宇,孟 暢, 安浩軍, 王睿輝, 段會軍

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) / 華北作物種質(zhì)資源研究與利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 保定 071000;2.保定市農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 河北 保定 071000)

河北省是我國第三大小麥主產(chǎn)省份，小麥年均種植面積和年均產(chǎn)量均占全國的10%[1]。黑龍港流域位于河北平原的東南部，該地區(qū)小麥常年播種面積占全省小麥面積一半以上[2-3]，光熱資源較好，但水資源嚴(yán)重不足是區(qū)域內(nèi)小麥生產(chǎn)的重要限制因素[4]。

隨全球氣候變暖，干旱發(fā)生頻次越來越高，已成為制約小麥豐產(chǎn)的首要環(huán)境因子。河北省作為我國受干旱影響程度最大的省份之一，黑龍港流域的多年平均降雨量也僅有138 mm[5-6]，不足冬小麥全生育期需水量的1/2[7]，小麥需水的虧缺部分幾乎全部來自地下水灌溉，對地下水的超量開采造成了黑龍港流域內(nèi)大面積的地下漏斗[7]。這種保糧(糧食安全)和維持地下水紅線(生態(tài)安全)間的矛盾對篩選和推廣抗旱小麥品種提出了迫切要求。

小麥抗旱性的遺傳基礎(chǔ)復(fù)雜、影響因素眾多[8]，難以準(zhǔn)確評價。在小麥抗旱篩選時，抗旱指標(biāo)和抗旱鑒定方法的選用十分關(guān)鍵。劉桂茹等[9]認(rèn)為應(yīng)以產(chǎn)量為重要依據(jù)來計(jì)算品種的抗旱指數(shù)，這樣既能反映不同種植條件下品種的穩(wěn)產(chǎn)性，又能體現(xiàn)品種在旱地種植條件下的產(chǎn)量水平。李龍等[10]則認(rèn)為，在進(jìn)行大范圍小麥種質(zhì)抗旱性評價時，選用抗旱指數(shù)(DI)較好，而在優(yōu)異親本材料選擇時，應(yīng)將DI與綜合抗旱性度量值(D值)結(jié)合起來使用效果更好些。高穩(wěn)系數(shù)可評價品種的豐產(chǎn)穩(wěn)定性[11-12]，但在抗旱試驗(yàn)中報(bào)道較少。PEG模擬干旱脅迫提供了較為可控的脅迫條件，是對小麥芽期(萌發(fā)期)、苗期進(jìn)行抗旱評價的常用方法[13-15]，但小麥萌發(fā)期、苗期抗旱性與成株期抗旱性之間缺乏足夠的相關(guān)性[10,16]。簡易遮雨棚、自動化旱棚等鑒定方法則試圖模擬絕對干旱時的脅迫條件，鑒定小麥無降水條件下的絕對抗旱性[17-18]，但往往又受制于試驗(yàn)面積較小、邊際效應(yīng)增大，仍然無法實(shí)現(xiàn)貼近大田條件下的抗旱鑒定。

作物對水分的敏感性與其所處生育時期密切相關(guān)[19]。小麥在不同生育時期的耗水量和對水分的敏感程度不同。越冬至返青期間耗水強(qiáng)度小，返青后需水量開始增加，拔節(jié)以后小麥進(jìn)入旺盛生長階段，耗水量急劇上升，拔節(jié)期缺水會影響小麥幼穗的分化和葉面積的形成[20-21]。同時，拔節(jié)期又是冬小麥水肥高效利用的關(guān)鍵期和敏感期，在拔節(jié)期追肥比全部施底肥效果更好[22]。而在不灌水條件下施氮量增加但產(chǎn)量增幅不大[23]，即干旱脅迫會極大地影響肥料的效果，必須配合澆水處理氮肥的作用才會得到有效發(fā)揮[24]。干旱條件下灌水和氮肥增產(chǎn)效果均顯著，但灌水增產(chǎn)潛力更大[25]。開花～成熟期是小麥的又一個高耗水時期，此期的耗水量達(dá)到最高，此時缺水不僅影響到籽粒的充實(shí)程度，也會對穗粒數(shù)、灌漿時間和葉片光合持續(xù)時間產(chǎn)生較大影響[19,26]。有研究表明，在春澆2水時以拔節(jié)期和開花期澆水處理表現(xiàn)出較高的產(chǎn)量和水分利用效率[26-28]。此外，對于小麥這類生育期長的大田作物，從配制雜交組合到新品種的審定至少需要10年左右的時間，因此對小麥新品種及時進(jìn)行多環(huán)境下的大田抗旱篩選并盡早推廣應(yīng)用意義重大。鑒于此，本研究以河北省中南部近年新審定和推廣的小麥品種為材料，選擇地處黑龍港流域的辛集、成安兩個試點(diǎn)，通過模擬大田環(huán)境下的水分脅迫條件，在2017—2018、2018—2019年小麥種植季，利用抗旱指數(shù)和高穩(wěn)系數(shù)等指標(biāo)對供試小麥品種的抗旱性進(jìn)行了評價。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料包括近年來黑龍港地區(qū)推廣面積較大的38個小麥品種。2017—2018年的參試品種有石麥22、濟(jì)麥22、衡4399、冀麥325、冀麥418、石優(yōu)20、中信麥9號、衡觀35、 石麥18、石麥15、魯原502、邯麥13、輪選103、科農(nóng)2011、嬰泊700、中信麥99、邢麥13、石新828、農(nóng)大399、邯麥6172、石農(nóng)086、中麥155、石農(nóng)952、石農(nóng)956等24個，2018—2019年的參試品種有金禾13294、泊麥7號、衡9966、河農(nóng)2063、中麥29、中信麥58、樂土808、石農(nóng)958、河農(nóng)6119、石麥22、衡4399、衡觀35、衡0628、衡5835、冀麥325、輪選103、石農(nóng)952、中信麥9號、中信麥99、中麥155、藁優(yōu)2018、藁優(yōu)5766、藁優(yōu)5218等23個，其中石麥22、衡4399、衡觀35、冀麥325、輪選103、石農(nóng)952、中信麥9號、中信麥99、中麥155等9個品種在2個年度的辛集、成安兩地均參加試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2017—2018、2018—2019年度小麥生產(chǎn)季在邯鄲市成安縣(CA)和石家莊市辛集市(XJ)進(jìn)行(分別用1718CA、1718XJ、1819CA、1819XJ代表)。每個供試小麥品種種植面積為0.134 hm2(2畝)，設(shè)置冬后澆2水(豐水，D2)、澆1水(節(jié)水，D1)和不澆水(干旱，D0)共3個處理：D0處理為雨養(yǎng)條件，冬后至小麥?zhǔn)斋@前不進(jìn)行任何人工灌溉；D1處理為冬后(拔節(jié)期)澆1次水，灌溉量為675 m3·hm-2；D2處理為冬后澆2次水，分別于拔節(jié)期、開花期進(jìn)行，每次灌水量均為675 m3·hm-2。每處理設(shè)3次重復(fù)，每個品種共種植9個試驗(yàn)小區(qū)，單個小區(qū)面積約110 m2。小區(qū)間設(shè)置3 m的隔離區(qū)。辛集和成安試點(diǎn)2017年分別于10月23日和20日播種，2018年分別于10月22日和16日播種。辛集試點(diǎn)播種前施復(fù)合肥(N∶P∶K=15∶20∶8)750 kg·hm-2作基肥，在D1、D2處理時均在小麥拔節(jié)期追施復(fù)合肥300 kg·hm-2；成安試點(diǎn)播種前施硅谷肥(N∶P∶K=28∶10∶7)525 kg·hm-2作基肥，在D1、D2處理時均在小麥拔節(jié)期追施尿素187.5 kg·hm-2。所有處理同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)田間管理。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

小麥?zhǔn)斋@前，調(diào)查各供試品種不同處理下的單位面積穗數(shù)。每個處理、每個重復(fù)隨機(jī)選擇2個具有代表性的樣點(diǎn)(面積為0.1 m2)，計(jì)數(shù)樣點(diǎn)內(nèi)的有效穗數(shù)后，折算成單位面積穗數(shù)。

參照金善寶[29]的方法對小麥單株進(jìn)行考種。在小麥臨近收獲前，每品種、每處理、每重復(fù)選取10個有代表性的單株，分別對株高、抽穗度、穗下節(jié)間長度、旗葉長、穗長、小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重進(jìn)行調(diào)查。同時，每個品種、每處理小區(qū)實(shí)收2 m2測產(chǎn)，脫粒后計(jì)算產(chǎn)量(籽粒含水量為13%)。

1.4 抗旱系數(shù)與抗旱指數(shù)

數(shù)據(jù)整理和系統(tǒng)聚類分析分別用軟件Excel 2010和SPSS19進(jìn)行處理。參照蘭巨生[30]的方法，用干旱脅迫和正常灌水下的產(chǎn)量計(jì)算抗旱系數(shù)(drought coefficient, DC)和抗旱指數(shù)(drought index, DI)：

DC=Xi(k)/CKi(k)

1.5 高穩(wěn)系數(shù)(HSC)

參照溫振民[31]的方法計(jì)算高穩(wěn)系數(shù)(HSCi)：

HSCi=(Xi-Si)/1.1Xck×100%

其中,Xi為第i個品種的平均產(chǎn)量，Si為第i個品種的產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)差，1.1Xck為比平均對照品種產(chǎn)量(Xck)增產(chǎn)10%的產(chǎn)量。HSCi越大，表明參試品種的豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)性越好[31]。參考逐級分類法，以平均數(shù)加減一個標(biāo)準(zhǔn)差將各個供試小麥品種在抗旱(D0)處理下的穩(wěn)定性分為強(qiáng)、中等和弱3個等級[32]。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試小麥品種在不同水分處理下的農(nóng)藝性狀變化

2017—2018年度，辛集試點(diǎn)10月初降雨較多(為143 mm)，故該試點(diǎn)的小麥播期較晚(為10月23日)；翌年3月下旬至4月初(拔節(jié)期)的降雨量較少(為16 mm)，4月下旬至5月上旬(臨近開花期)降雨較多(為78.3 mm)；該年度辛集試點(diǎn)小麥全生育期的降雨量為294.2 mm。成安試點(diǎn)在10月份降雨較少(為22.4 mm)；翌年3月下旬至4月初(拔節(jié)期)幾乎沒有有效降雨，在4月下旬至5月上旬(臨近開花期)降雨較多(為91 mm)；該年度成安試點(diǎn)小麥全生育期的降雨量為212.4 mm。

2018—2019年度辛集試點(diǎn)在10月份降雨較少(為6.4 mm)；翌年3月下旬至4月上旬(拔節(jié)期)的降雨量較少(為13.2 mm)，4月下旬至5月上旬(臨近開花期)降雨較少(為25 mm)；該年度辛集試點(diǎn)小麥全生育期的降雨量為75.7 mm。成安試點(diǎn)在10月份無降雨；翌年4月降雨較多(為78.2 mm)，5月降雨較少(為15 mm)；該年度成安試點(diǎn)小麥全生育期的降雨量為133.5 mm。

計(jì)算了環(huán)境、處理和品種(基因型)及相互間的差異顯著性。結(jié)果表明，除小穗數(shù)外，各供試小麥品種的農(nóng)藝性狀在水分處理間的差異極顯著(P<0.01)，所有性狀在環(huán)境間和基因型間(品種間)差異亦極顯著。在性狀與環(huán)境互作方面，除穗長外的其他性狀在環(huán)境×基因型、水分處理×基因型或環(huán)境×水分處理、環(huán)境×水分處理×基因型方面的差異顯著或極顯著(表1)。

表1 小麥產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀的均方值

比較了供試小麥品種2個年度間不同水分處理下的性狀變化(表2)?？梢钥闯?，與豐水處理(D2)相比，D1(春澆1水)處理下各性狀雖有不同程度下降，但差異不顯著；D0處理(春季不澆水)下絕大數(shù)性狀值均顯著低于D2、D1處理。

表2 各試點(diǎn)在2017—2018、2018—2019年不同水分處理下供試小麥品種的農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量變化

2.2 各供試小麥品種的抗旱性及穩(wěn)定性評價

2.2.1 供試小麥品種2017—2018年度的抗旱性 由表3可知，在2017—2018年度，辛集試點(diǎn)各品種的抗旱指數(shù)(DI)值變化在0.72～1.15之間，平均為0.93，以品種濟(jì)麥22的DI值最高(為1.15)；成安試點(diǎn)各品種的DI值變化在0.28～1.01之間，平均為0.66，以品種冀麥325的DI值最高(為1.01)。根據(jù)系統(tǒng)聚類法將24份小麥品種劃分為強(qiáng)抗、抗、中抗、較敏感和敏感等5種類型。結(jié)合D0處理下的產(chǎn)量和DI值，發(fā)現(xiàn)抗旱性較好的品種有衡4399、石麥22、中信麥9號、輪選103、石麥15和魯原502。

表3 各供試小麥品種在2017—2018年度的抗旱指數(shù)

2.2.2 供試小麥品種2018—2019年度的抗旱性 由表4可知，2018—2019年度，辛集試點(diǎn)各品種的DI值變化在0.11～1.22之間，平均為0.60，以品種金禾13294的DI值最高(為1.22)；成安試點(diǎn)各品種的DI值變化在0.54～1.03之間，平均為0.84，以品種河農(nóng)6119的DI值最高(為1.03)。結(jié)合D0處理下的產(chǎn)量和DI值，發(fā)現(xiàn)輪選103、衡0628、中信麥58、泊麥7號、衡9966、衡5835、河農(nóng)2063、衡觀35和石麥22等品種的抗旱性較好。

表4 各供試小麥品種在2018—2019年度的抗旱指數(shù)

2.2.3 供試小麥品種在不澆水處理下的抗旱性及產(chǎn)量穩(wěn)定性評價 在2個年度共有38個小麥品種參與試驗(yàn)，其中邯麥13等15個品種(2017-2018)、泊麥7號等14個品種(2018-2019)分別參加2個試點(diǎn)(辛集、成安)的水分處理試驗(yàn)，石麥22等9個品種參加了兩年、兩試點(diǎn)的水分處理試驗(yàn)。計(jì)算了2個試驗(yàn)?zāi)甓雀鞴┰囆←溒贩N基于不澆水處理產(chǎn)量的高穩(wěn)系數(shù)(HSC)(表5)?？梢钥闯?，各供試小麥品種在D0處理時的HSC值變化較大(0.24～1.02之間，平均值0.55)，以品種金禾13294的HSC值最高(為1.02)，石農(nóng)958、中麥29等9個品種的HSC值也較高(≥0.76)，認(rèn)為這10個品種為D0處理時產(chǎn)量穩(wěn)定性較好的品種。

表5 各供試小麥品種基于不澆水處理產(chǎn)量的高穩(wěn)系數(shù)

同時，結(jié)合各品種的平均產(chǎn)量、DI值，認(rèn)為輪選103、衡0628、衡9966、河農(nóng)2063、衡5835、中信麥58等6個品種的抗旱性和D0處理時的產(chǎn)量穩(wěn)定性均較好，石麥22、泊麥7號、石麥15和魯原502等品種的抗旱性好、穩(wěn)定性中等。

2.3 對兩年、兩環(huán)境下均有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的9個品種的抗旱性比較

計(jì)算了在兩年、兩環(huán)境均參加試驗(yàn)的9個品種的DI值，用系統(tǒng)聚類法將供試品種劃分為抗、中抗和敏感等3種類型。綜合2 a、兩環(huán)境的DI值，認(rèn)為輪選103、石麥22、衡4399、衡觀35等4個品種的抗旱性較好(表6)。

表6 2 a、兩環(huán)境均參加試驗(yàn)的9個小麥品種的抗旱指數(shù)

3 討 論

3.1 大田條件下抗旱篩選的指標(biāo)選擇

小麥抗旱性是表現(xiàn)為一系列生理生化和形態(tài)變化的復(fù)雜性狀。目前在抗旱性評價方法上既有以產(chǎn)量為依據(jù)的抗旱系數(shù)、抗旱指數(shù)等直接評價方法，也有通過隸屬函數(shù)值、主成分分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析和加權(quán)抗旱指數(shù)、抗旱性綜合度量值等綜合評價方法?？购迪禂?shù)是早期常用的抗旱鑒定指標(biāo)[33]，但存在待鑒定品種在正常澆水與脅迫條件下的產(chǎn)量均低而計(jì)算出的抗旱系數(shù)較大的可能性[34]?？购抵笖?shù)同時考慮了品種的絕對產(chǎn)量和相對產(chǎn)量，有利于篩選出產(chǎn)量水平較高、在干旱條件下減產(chǎn)幅度較小的品種[17]。與抗旱系數(shù)、抗旱指數(shù)等簡單指標(biāo)相比，隸屬函數(shù)分析法是在對供試小麥品種多性狀測定基礎(chǔ)上，通過各性狀隸屬函數(shù)加權(quán)值對材料的抗旱性進(jìn)行綜合評價，以提高抗旱性篩選的可靠性[35]。主成分分析法則將較多相關(guān)性狀轉(zhuǎn)換成個數(shù)較少且獨(dú)立的綜合指標(biāo)，根據(jù)權(quán)重計(jì)算抗旱性綜合度量值(D)來評價抗旱性[36-38]?；疑P(guān)聯(lián)度分析法可以納入更多的測試性狀，將各性狀權(quán)重值與其抗旱指數(shù)或隸屬函數(shù)值的乘積計(jì)算加權(quán)抗旱指數(shù)或抗旱性綜合度量值，進(jìn)而來評價抗旱性[10,39]。對于作物生產(chǎn)來講，抗旱性主要體現(xiàn)在產(chǎn)量上。在實(shí)際操作中，抗旱指數(shù)可反映旱地產(chǎn)量，且方法簡單易操作。在本研究中，以抗旱指數(shù)為評價方法，在多年多點(diǎn)的大田生產(chǎn)試驗(yàn)中，節(jié)水組對照品種石麥22和獲河北省科技進(jìn)步二等獎的抗旱節(jié)水品種衡觀35表現(xiàn)出較好的抗旱性，與實(shí)際結(jié)果相符。同時，由于綜合指標(biāo)調(diào)查性狀較多，且結(jié)果又與抗旱指數(shù)等直接評價方法高度相關(guān)，因此認(rèn)為在大田生產(chǎn)中可用以產(chǎn)量為基礎(chǔ)的抗旱指數(shù)來評價品種的抗旱性。

3.2 小麥品種抗旱性評價

白云飛等[40]用隸屬函數(shù)法對小麥品種在干旱棚中的成株期抗旱性進(jìn)行了評價，認(rèn)為衡4399、衡觀35、石麥15和魯原502等品種的抗旱性處于中等水平。而另有研究以農(nóng)藝、產(chǎn)量性狀的平均抗旱指數(shù)或單純以產(chǎn)量為指標(biāo)時，認(rèn)為石麥15、魯原502抗旱性弱[41]，衡4399、衡觀35抗旱性較好[42-43]。但當(dāng)以D值為評價依據(jù)時，石麥15、魯原502被認(rèn)為是抗旱性較好的品種[44-45]?？梢姡瑢π←溒贩N的抗旱性評價，是受環(huán)境、脅迫程度和遺傳等多種因素影響的一種相對判斷，同一品種在不同環(huán)境中被用不同方法進(jìn)行抗旱性評價時未必能得出一致的結(jié)果。

有研究表明，在大田生產(chǎn)中可用以產(chǎn)量為基礎(chǔ)的抗旱指數(shù)來評價品種的抗旱性[9,46]。本研究以產(chǎn)量的抗旱指數(shù)為指標(biāo)，對9個品種進(jìn)行2 a環(huán)境的鑒定，輪選103、石麥22、衡4399、衡觀35表現(xiàn)出較好的抗旱性，這與曹彩云等[42-43]的結(jié)果一致。同時，在用1 a的產(chǎn)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)(辛集、成安)對另外29個品種進(jìn)行抗旱性評價時，石麥15、衡0628、魯原502等品種表現(xiàn)出較好的抗旱性，與前人在不同試驗(yàn)環(huán)境、不同年型下、不同播種密度下的結(jié)果較為一致[44-45,47-49]。因此，考慮到這29個品種僅有1 a、兩個試驗(yàn)環(huán)境的鑒定結(jié)果，審慎地認(rèn)為衡9966、河農(nóng)2063、衡5835、中信麥58、泊麥7號等新審定的小麥品種抗旱性較好。

高穩(wěn)系數(shù)在評價品種產(chǎn)量的穩(wěn)定性方面應(yīng)用較多[11-12]，體現(xiàn)了“穩(wěn)產(chǎn)基礎(chǔ)上的高產(chǎn)，高產(chǎn)基礎(chǔ)上的穩(wěn)產(chǎn)”這一育種思想[50]，但在抗旱鑒定中的應(yīng)用較為少見。本研究將抗旱性與高穩(wěn)系數(shù)相結(jié)合，初步認(rèn)為輪選103、衡0628、衡9966、河農(nóng)2063、衡5835、中信麥58等6個品種的抗旱性和穩(wěn)定性均較好。

4 結(jié) 論

本研究通過模擬近似大田生產(chǎn)的干旱處理，將基于產(chǎn)量的抗旱指數(shù)與高穩(wěn)系數(shù)相結(jié)合，對38個冀中南審定品種的抗旱性進(jìn)行鑒定，其中輪選103、衡0628、衡9966、衡4399、衡觀35等12個品種在不澆水條件下產(chǎn)量較高，且在多環(huán)境中抗旱等級均在抗及以上，表現(xiàn)出較好的抗旱性；輪選103、衡0628等6個品種的高穩(wěn)系數(shù)較高，表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性;泊麥7號、石麥15等6個品種的穩(wěn)定性中等。同時，認(rèn)為在田間抗旱篩選時，可用以產(chǎn)量為基礎(chǔ)的抗旱指數(shù)來評價品種的抗旱性。

致謝：感謝河北農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院尹寶重博士、農(nóng)學(xué)院甄文超教授提供2017—2018、2018—2019年辛集、成安兩試點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)。