不同生態(tài)環(huán)境對強筋小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

張素瑜，靳海洋，崔靜宇，秦 峰，李向東，岳俊芹，邵運輝，王漢芳，方保停，張德奇，楊 程

（1. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 小麥研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部中原地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測實驗站/河南省小麥產(chǎn)量-品質(zhì)協(xié)同提升工程研究中心，河南 鄭州 450002；2. 商丘市農(nóng)林科學(xué)院，河南 商丘 476000）

口糧消費是我國小麥消費的主要途徑，占消費總量的80%以上[1]。隨著生活水平的提高和飲食習(xí)慣的改變，人們對于優(yōu)質(zhì)專用小麥的需求日益增加，優(yōu)質(zhì)小麥訂單生產(chǎn)也日益被市場接受。然而我國優(yōu)質(zhì)專用小麥進口依賴嚴重，國際競爭力弱[2?3]，“穩(wěn)定小麥面積，擴大專用小麥面積”是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的必然要求。

河南省是我國小麥生產(chǎn)第一大省，其小麥種植面積和商品糧總量均居全國領(lǐng)先地位。雖然河南省小麥連年豐收，產(chǎn)量連攀新高，但真正做到“四專”的強筋和弱筋小麥供應(yīng)不足，造成“守著糧倉缺麥子”的現(xiàn)象時有發(fā)生[2]。小麥品質(zhì)不僅是育種和栽培的重要目標(biāo)，也是影響小麥產(chǎn)業(yè)競爭力的重要因素[4]。提升小麥品質(zhì)，品種是基礎(chǔ)，環(huán)境是關(guān)鍵，栽培管理措施起重要作用[5]。在生產(chǎn)中，品質(zhì)受栽培環(huán)境和管理措施影響較大，不合理的種植區(qū)劃和栽培管理可能導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)品種不能發(fā)揮其品種優(yōu)勢，致使“種同質(zhì)不同，種優(yōu)質(zhì)不優(yōu)”。因此，探究不同生態(tài)環(huán)境對小麥品質(zhì)的影響，是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)品種規(guī)?；N植和形成區(qū)域優(yōu)勢的關(guān)鍵。

小麥品質(zhì)主要分為營養(yǎng)品質(zhì)和加工品質(zhì)，其受品種自身的遺傳因素及外部生態(tài)環(huán)境等因素共同影響，且品質(zhì)性狀間相互作用[6?8]。小麥不同品質(zhì)指標(biāo)在環(huán)境中變異系數(shù)的大小能夠為品質(zhì)改良提供方向，進而通過品種遺傳改良、高效栽培措施和品種區(qū)劃改善其品質(zhì)性狀。喬玉強等[9]認為，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量等受生態(tài)環(huán)境因子影響較大，而與蛋白質(zhì)質(zhì)量相關(guān)的沉降值、膨脹勢等性狀主要受基因型影響；張媛菲等[7]研究認為，總濕面筋含量、總干面筋含量和穩(wěn)定時間在不同栽培環(huán)境下變異系數(shù)較大，栽培環(huán)境對其影響較大；趙鵬濤等[6]對小麥品質(zhì)性狀的表型變異進行分析，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定時間變異系數(shù)達到41.85%，而容重、吸水率和最大拉伸阻力變異系數(shù)較小，主要由基因型決定。目前，關(guān)于生態(tài)環(huán)境對小麥品質(zhì)影響的研究主要集中于緯度、海拔、溫度、光照、降雨等方面[10?15]，且主要是在當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥管理下進行的，而施肥是影響小麥品質(zhì)的主要田間管理措施[16?17]；在同一施肥管理措施下生態(tài)環(huán)境對小麥品質(zhì)的影響研究報道較少[18?19]。王晨陽等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在同一施肥水平下，環(huán)境因素對小麥面條品質(zhì)的影響達到顯著水平；鄧志英等[19]研究發(fā)現(xiàn)，品種、環(huán)境及其互作均對面包體積有顯著影響。同一施肥條件下，河南省不同區(qū)域和年際間生態(tài)環(huán)境對強筋小麥面粉品質(zhì)的影響研究尚未見報道。為此，從豫北到豫南選擇5 個試驗點，采用統(tǒng)一的施肥量和施肥模式，以強筋小麥品種鄭麥366為試驗材料，連續(xù)2 a測定不同環(huán)境下小麥產(chǎn)量和品質(zhì)，分析品質(zhì)指標(biāo)的穩(wěn)定性和相關(guān)性，并通過主成分分析篩選評價強筋小麥品質(zhì)的代表性指標(biāo)，通過品質(zhì)指標(biāo)與生態(tài)環(huán)境因子的相關(guān)性分析確定影響強筋小麥品質(zhì)的關(guān)鍵生態(tài)環(huán)境因子，以期為優(yōu)質(zhì)強筋小麥的區(qū)域發(fā)展提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試小麥品種為河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所選育的半冬性多穗型強筋小麥品種鄭麥366（國審麥2005003，豫審麥2005006）。供試氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%）。

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗于2018 年10 月—2020 年6 月在河南省淇縣（QX，35°60′N、114°17′E，地處豫北地區(qū)，年平均氣溫14.4 ℃，年平均降水量594 mm，年平均無霜期209 d）、原陽（YY，35°00′N、113°41′E，地處豫北地區(qū)，年平均氣溫14.4 ℃，年平均降水量566 mm，年平均無霜期205 d）、長葛（CG，34°14′N、113°50′E，地處豫中地區(qū)，年平均氣溫15.2 ℃，年平均降水量675 mm，年平均無霜期217 d）、鄲城（DC，33°64′N、115°18′E，地處豫東地區(qū)，年平均氣溫15 ℃，年平均降水量778 mm，年平均無霜期223 d）、南陽（NY，32°54′N、112°25′E，地處豫西南地區(qū)，年平均氣溫15 ℃，平均年降水量806 mm，年平均無霜期229 d）5個試驗點開展，各試驗點土壤基礎(chǔ)肥力情況見表1。每個試驗點設(shè)置3 個重復(fù)，小區(qū)面積為15 m2。小麥季整地前基施N 150 kg/hm2、P2O5105 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2，拔節(jié)期隨降雨或灌溉追施N 120 kg/hm2。除施肥外，耕作、灌溉、病蟲草害防治等田間管理按照當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣進行。

表1 試驗點土壤基礎(chǔ)肥力狀況Tab.1 Soil basic fertility of experimental sites

1.3 測定項目及方法

1.3.1 產(chǎn)量 在成熟期，收獲小區(qū)中所有小麥測算產(chǎn)量。

1.3.2 品質(zhì)指標(biāo) 小麥籽粒曬干存放3 個月后，各小區(qū)取2 kg 樣品，在農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心（鄭州）測定小麥籽粒品質(zhì)指標(biāo)。其中，蛋白質(zhì)含量參照GB 5009.5—2016 方法測定；出粉率參照NY/T 1094.2—2006 方法進行計算；小麥磨粉熟化14 d 后，小麥粉濕面筋含量參照GB/T 5506.2—2008方法測定，沉淀指數(shù)參照GB/T 15685—2011方法測定，吸水量、面團粉質(zhì)特性（形成時間、穩(wěn)定時間、弱化度）參照GB/T 14614—2006 方法測定，面團拉伸特性（能量、恒定變形拉伸阻力、延伸性、最大拉伸阻力）參照GB/T 14615—2006方法測定。

1.3.3 生態(tài)環(huán)境因子 根據(jù)河南省氣象局相關(guān)站點的日平均氣溫和日照時間數(shù)據(jù)，計算小麥播種—越冬期、越冬期—拔節(jié)期、拔節(jié)期—開花期、開花期—成熟期的積溫和日照時間。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)經(jīng)過Excel 2020 初步處理后，采用SPSS 19.0 進行差異顯著性分析（Duncan’s 新復(fù)極差法）、相關(guān)性分析和主成分分析（PCA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 2018—2020年不同試驗點小麥產(chǎn)量、品質(zhì)分析

由表2 可知，不同試驗點和年際間小麥產(chǎn)量和品質(zhì)均有不同程度的差異。2018—2019 年度，原陽和南陽試驗點的小麥產(chǎn)量顯著高于淇縣、長葛和鄲城試驗點；2019—2020 年度，淇縣、原陽和長葛試驗點的小麥產(chǎn)量無顯著差異，均顯著高于鄲城和南陽試驗點。2018—2019 年度，原陽、長葛、南陽試驗點的小麥籽粒蛋白質(zhì)含量和濕面筋含量較高，均顯著高于淇縣和鄲城試驗點；2019—2020 年度，蛋白質(zhì)含量和濕面筋含量均表現(xiàn)為南陽>長葛>鄲城>原陽>淇縣。沉淀指數(shù)在2018—2019年度的原陽和長葛試驗點較低、2019—2020 年度的淇縣試驗點最低，顯著低于同年度的其他試驗點。吸水量在不同試驗點和年際間較穩(wěn)定，僅2019—2020年度的淇縣試驗點較低。2018—2019 年度，形成時間和穩(wěn)定時間均表現(xiàn)為原陽>長葛>南陽>淇縣>鄲城；2019—2020 年度，形成時間在各試驗點間差異未達到顯著水平，穩(wěn)定時間以長葛試驗點最短，顯著短于其他試驗點，南陽試驗點最長。2018—2019 年度，弱化度表現(xiàn)為鄲城試驗點顯著高于其他試驗點，而2019—2020 年度以淇縣和長葛試驗點較高，顯著高于其他試驗點。2018—2019 年度，能量、恒定變形拉伸阻力和最大拉伸阻力均以長葛和南陽試驗點較高，顯著高于淇縣和鄲城試驗點；2019—2020 年度，能量、恒定變形拉伸阻力和最大拉伸阻力均表現(xiàn)為原陽>淇縣>南陽>鄲城>長葛。2018—2019 年度，延伸性表現(xiàn)為鄲城試驗點顯著高于原陽和長葛試驗點；2019—2020 年度，延伸性在原陽、長葛、鄲城和南陽試驗點間差異未達到顯著水平，均顯著高于淇縣試驗點。小麥出粉率在2018—2019 年度各試驗點間差異未達到顯著水平，2019—2020 年度表現(xiàn)為淇縣顯著高于長葛、鄲城和南陽試驗點。根據(jù)GB/T 17320—2013《小麥品種品質(zhì)分類》，強筋小麥蛋白質(zhì)含量≥14%、濕面筋含量≥30%、沉淀指數(shù)≥40 mL、吸水量≥600 mL/kg、穩(wěn)定時間≥8 min、能量≥90 cm2、最大拉伸阻力≥350 EU。2018—2019 年度，鄲城試驗點小麥蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、穩(wěn)定時間、能量和最大拉伸阻力5 個指標(biāo)均未達到強筋小麥標(biāo)準(zhǔn)，淇縣試驗點小麥的濕面筋含量、穩(wěn)定時間未達到強筋小麥標(biāo)準(zhǔn)，除此之外均達到強筋小麥標(biāo)準(zhǔn)；2019—2020 年度，僅淇縣試驗點小麥的濕面筋含量、長葛試驗點的穩(wěn)定時間未達到強筋小麥標(biāo)準(zhǔn)，除此之外均達到強筋小麥標(biāo)準(zhǔn)。

表2 2018—2020年不同試驗點小麥產(chǎn)量和品質(zhì)Tab.2 Yield and quality of wheat in different experimental sites from 2018 to 2020

小麥產(chǎn)量在2 個年度5 個試驗點間的的變異系數(shù)為8.70%～9.05%。在小麥品質(zhì)指標(biāo)中，弱化度的變異系數(shù)最大，為20.79%～26.77%；吸水量和出粉率的變異系數(shù)較小，分別為2.25%～3.74%和2.93%～3.32%。2 個年度5 個試驗點間小麥品質(zhì)指標(biāo)的變異系數(shù)基本表現(xiàn)為弱化度>穩(wěn)定時間>最大拉伸阻力>形成時間>恒定變形拉伸阻力>能量>濕面筋含量>蛋白質(zhì)含量>延伸性>沉淀指數(shù)>吸水量、出粉率。

2.2 小麥品質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性分析

由表3 可知，小麥蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、形成時間、穩(wěn)定時間之間呈極顯著或顯著正相關(guān)；形成時間、穩(wěn)定時間、能量、恒定變形拉伸阻力、最大拉伸阻力之間均呈極顯著正相關(guān)；沉淀指數(shù)與延伸性呈極顯著正相關(guān)；弱化度與出粉率呈顯著正相關(guān)。弱化度與籽粒蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、形成時間、穩(wěn)定時間、能量、恒定變形拉伸阻力、最大拉伸阻力均呈極顯著或顯著負相關(guān)；延伸性與恒定變形拉伸阻力、最大拉伸阻力分別呈極顯著、顯著負相關(guān)；出粉率與籽粒蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、穩(wěn)定時間均呈極顯著或顯著負相關(guān)。

表3 小麥品質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficients among quality indices of wheat

2.3 小麥品質(zhì)指標(biāo)的主成分分析

對小麥所有品質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化之后進行主成分分析，由表4可知，前3個主成分的特征值均大于1，累積貢獻率達77.311%，表明這3 個主成分能夠反映小麥品質(zhì)性狀的主要信息。第1主成分主要包括形成時間、穩(wěn)定時間、弱化度、能量、恒定變形拉伸阻力和最大拉伸阻力，貢獻率為40.971%；第2 主成分主要包括濕面筋含量、延伸性和出粉率，貢獻率為25.148%；第3 主成分主要為吸水量，貢獻率為11.192%。將主成分載荷絕對值≥0.66 作為選擇標(biāo)準(zhǔn)[20]，可以篩選出濕面筋含量、形成時間、穩(wěn)定時間、弱化度、能量、恒定變形拉伸阻力、最大拉伸阻力、延伸性、出粉率、吸水量共10個指標(biāo)，可作為評價強筋小麥品質(zhì)的指標(biāo)。

表4 小麥品質(zhì)指標(biāo)的主成分分析Tab.4 Principal component analysis of quality indices of wheat

2.4 小麥品質(zhì)指標(biāo)與生態(tài)環(huán)境因子的相關(guān)性分析

由表5 可知，小麥各品質(zhì)指標(biāo)與播種—越冬期的積溫和日照時間的相關(guān)性均未達到顯著水平。小麥籽粒蛋白質(zhì)含量與拔節(jié)期—開花期日照時間呈顯著負相關(guān)，濕面筋含量與越冬期—拔節(jié)期積溫呈顯著正相關(guān)，而與拔節(jié)期—開花期日照時間呈極顯著負相關(guān)。吸水量與拔節(jié)期—開花期積溫呈極顯著正相關(guān)，而與開花期—成熟期日照時間呈極顯著負相關(guān)。另外，延伸性與越冬期—拔節(jié)期積溫、出粉率與拔節(jié)期—開花期日照時間均呈顯著正相關(guān)。

表5 小麥品質(zhì)指標(biāo)與各生育階段生態(tài)環(huán)境因子間的相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficients between quality indices of wheat and ecological environmental factors in each growth periods

3 結(jié)論與討論

小麥籽粒品質(zhì)受遺傳特性和栽培環(huán)境共同影響[6?8]。變異系數(shù)是衡量作物遺傳多樣性及不同栽培環(huán)境下遺傳穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[21?22]。趙鵬濤等[6]對219 份小麥品系的品質(zhì)進行研究，發(fā)現(xiàn)籽粒容重和最大拉伸阻力具有較大的變異幅度，穩(wěn)定時間變異系數(shù)最大（41.85%），而濕面筋含量和吸水量變異幅度較?。灰赖萚23]對313 份小麥樣品進行研究，發(fā)現(xiàn)面團形成時間、穩(wěn)定時間、弱化度、質(zhì)量指數(shù)、50 mm 拉伸阻力、最大拉伸阻力和拉伸面積的變異系數(shù)較大，均在30%以上，濕面筋含量、沉淀指數(shù)變異系數(shù)較小，蛋白質(zhì)含量和吸水率相對穩(wěn)定。本研究發(fā)現(xiàn)，同一品種在不同試驗點和年際間，弱化度變異系數(shù)最大，面團形成時間、穩(wěn)定時間、最大拉伸阻力和恒定變形拉伸阻力變異幅度較大，與前人[6，23]的研究結(jié)果一致；小麥出粉率、吸水量和沉淀指數(shù)的變異系數(shù)較小，表明這些品質(zhì)指標(biāo)穩(wěn)定，受環(huán)境影響較小。

研究發(fā)現(xiàn)，小麥粉質(zhì)特性、拉伸特性、面筋特性等品質(zhì)性狀之間存在顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系[24?26]；蛋白質(zhì)含量與面團粉質(zhì)、拉伸特性參數(shù)的相關(guān)性均達到極顯著水平，與弱化度呈極顯著負相關(guān)，與其他指標(biāo)均呈極顯著正相關(guān)[23]；濕面筋含量與弱化度無顯著相關(guān)性[23，27]；面團形成時間與穩(wěn)定時間呈極顯著正相關(guān)，最大拉伸阻力與形成時間、穩(wěn)定時間均呈顯著正相關(guān)，拉伸面積與形成時間、穩(wěn)定時間、最大拉伸阻力呈極顯著正相關(guān)，但拉伸特性參數(shù)中拉伸長度、拉伸阻力、最大拉伸阻力以及拉伸面積與蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量的相關(guān)性不顯著[28]。本研究發(fā)現(xiàn)，弱化度與蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、形成時間、穩(wěn)定時間、能量、恒定變形拉伸阻力、最大拉伸阻力均呈極顯著或顯著負相關(guān)，這與前人[23，27]研究結(jié)果不一致，這可能與弱化度的變異系數(shù)較大有關(guān)。本研究中弱化度的變異系數(shù)較大，在2 個試驗?zāi)甓? 個試驗點的變異系數(shù)為20.79%～26.77%，較大的變異系數(shù)可能影響相關(guān)性分析結(jié)果。本研究還發(fā)現(xiàn)，小麥蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、形成時間、穩(wěn)定時間之間呈極顯著或顯著正相關(guān)，進一步證實蛋白質(zhì)含量和濕面筋含量對面團流變學(xué)特性具有很好的預(yù)測性。

由于供試材料、試驗方法及測定指標(biāo)等的不同，研究者對小麥品質(zhì)指標(biāo)的篩選結(jié)果各異。孫彩玲等[29]對參加山東省區(qū)試的297 個小麥品種（系）品質(zhì)進行分析，認為小麥品質(zhì)指標(biāo)的第1 主成分是蛋白質(zhì)質(zhì)量因子，包含面筋指數(shù)、沉淀值、形成時間、穩(wěn)定時間，是影響小麥品質(zhì)的主要因素；杭雅文等[20]以單一弱筋小麥品種寧麥13為試驗材料，篩選出水SRC（Solvent retention capacity）值、蔗糖SRC 值、出粉率、穩(wěn)定時間、硬度、弱化度、粉質(zhì)質(zhì)量指數(shù)、餅干厚度、餅干延展系數(shù)共9 個貢獻率較大的指標(biāo)作為弱筋小麥品質(zhì)的綜合評價指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)，小麥品質(zhì)指標(biāo)的第1 主成分主要包括形成時間、穩(wěn)定時間、弱化度、能量、恒定變形拉伸阻力和最大拉伸阻力，說明變異系數(shù)較大的品質(zhì)指標(biāo)對綜合品質(zhì)影響較大，對小麥品質(zhì)的穩(wěn)定性、專用性具有重大意義。氣候生態(tài)因素是非可控因素，對小麥品質(zhì)的影響是多因素的綜合作用，日照時長和灌漿期積溫均是影響籽粒品質(zhì)的關(guān)鍵因素[30]。吳東兵等[31]研究發(fā)現(xiàn)，濕面筋含量與總?cè)照諘r間呈極顯著正相關(guān)。本研究中小麥蛋白質(zhì)含量和濕面筋含量與拔節(jié)期—開花期日照時間分別呈顯著和極顯著負相關(guān)，與上述研究結(jié)果[31]不一致，可能是由于不同基因型小麥、不同區(qū)域小麥對氣候因素的響應(yīng)不完全一致，有待進一步深入研究。根據(jù)GB/T 17320—2013《小麥品種品質(zhì)分類》，本研究中，淇縣和原陽試驗點小麥產(chǎn)量較高，但淇縣試驗點小麥的濕面筋含量未達到強筋小麥標(biāo)準(zhǔn)（濕面筋含量≥30%），均達到中強筋小麥標(biāo)準(zhǔn)（濕面筋含量≥28%）；綜合各品質(zhì)指標(biāo)，僅原陽和南陽試驗點在2個年度內(nèi)各項指標(biāo)均達到強筋小麥標(biāo)準(zhǔn)，但南陽試驗點2 個年度產(chǎn)量差異較大?？梢?，在相同的田間管理條件下，生態(tài)環(huán)境對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)有很大影響，結(jié)合本研究結(jié)果，進一步深入分析生態(tài)環(huán)境因子對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，對優(yōu)質(zhì)專用小麥的區(qū)域發(fā)展具有指導(dǎo)意義。