1986-2014年臨汾降水變化及對旱地小麥農(nóng)藝性狀的影響

劉新月，裴 磊 ，衛(wèi)云宗 ，張正斌，高輝明，徐 萍

(1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所，山西臨汾 041000； 2.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，河北石家莊 050021)

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1986-2014年臨汾降水變化及對旱地小麥農(nóng)藝性狀的影響

劉新月1，裴 磊1，衛(wèi)云宗1，張正斌2，高輝明2，徐 萍2

(1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所，山西臨汾 041000； 2.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，河北石家莊 050021)

為了解過去近30年山西省臨汾降水變化對旱地小麥品種農(nóng)藝性狀的影響，利用1986-2014年國家黃淮旱地冬小麥區(qū)域試驗臨汾點(diǎn)的降水和對照品種農(nóng)藝性狀資料，研究其降水和對照品種農(nóng)藝性狀變化規(guī)律，并對降水要素和農(nóng)藝性狀進(jìn)行了相關(guān)、多元回歸和通徑分析。結(jié)果表明，該區(qū)年降水量有略微的上升趨勢，但小麥生育期降水量有略微的下降趨勢；播種至越冬期的降水量有增加趨勢，但起身至拔節(jié)期和抽穗至成熟期的降水量有減少趨勢。黃淮旱地區(qū)域試驗對照品種千粒重和穗粒數(shù)逐年緩慢上升，但有效穗數(shù)、產(chǎn)量及株高緩慢下降。起身至拔節(jié)期降水與株高呈顯著正相關(guān)，生育期降水量和年降水量與株高、穗粒數(shù)呈顯著正相關(guān)，年降水量與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)；株高、有效穗和千粒重與產(chǎn)量均呈極顯著正相關(guān)。千粒重、穗粒數(shù)、株高和年降水量是決定產(chǎn)量的四個主要因子，共同決定了產(chǎn)量72%的變異。降水變化對黃淮旱地冬小麥農(nóng)藝性狀變化趨勢有較強(qiáng)的影響，選育株高適中、有效穗數(shù)較多、千粒重較大的高產(chǎn)抗旱新品種，是黃淮旱地小麥適應(yīng)未來氣候變化進(jìn)行育種改良的重要方向。

黃淮；旱地；冬小麥；農(nóng)藝性狀；降水

水分是影響冬小麥生長發(fā)育的重要環(huán)境要素之一，尤其是在小麥生長發(fā)育的關(guān)鍵時期，水分對產(chǎn)量的形成起著決定性作用[1]。在旱地農(nóng)業(yè)區(qū)，小麥生長發(fā)育完全依賴自然降水，其對氣候變化的響應(yīng)更加敏感而突出。干旱缺水是造成小麥單產(chǎn)低而不穩(wěn)和制約小麥產(chǎn)量進(jìn)一步提高的首要因素[2-3]。黃淮冬麥區(qū)是我國最大的小麥主產(chǎn)區(qū)，其中旱地小麥面積近667萬hm2，約占全國種植面積的四分之一，該區(qū)小麥的豐欠對于國家糧食安全有重要影響。氣候變化引起小麥關(guān)鍵生育階段災(zāi)害性天氣趨多增強(qiáng)[4-5]，小麥生產(chǎn)的脆弱性增加。隨著全球氣候的演變，黃淮麥區(qū)旱作小麥生產(chǎn)和育種發(fā)生了一定的變化，如播種期推遲、中矮稈抗病品種推廣面積擴(kuò)大等[6-7]。尤其是近年來，我國黃淮旱地小麥生育期降水有增多的趨勢，部分地區(qū)條銹病嚴(yán)重發(fā)生，2015年白粉病也對黃淮旱地小麥發(fā)生危害。因此，科學(xué)分析黃淮旱地冬小麥適應(yīng)降水變化的品種演變規(guī)律，適時調(diào)整育種方向，對于保障小麥生產(chǎn)和糧食安全具有重要的意義。研究表明，冬小麥不同生育時段的降水對小麥的產(chǎn)量有不同的影響[8]。小麥生長關(guān)鍵期缺水，會導(dǎo)致其生長發(fā)育不良，植株矮小，有效分蘗少，不能正常抽穗結(jié)實，嚴(yán)重影響產(chǎn)量[9-10]。在以自然降水為水分主要來源的干旱地區(qū)，小麥全生育期內(nèi)都有可能遭受到干旱脅迫。Nicholls認(rèn)為，同一地區(qū)、同一種作物產(chǎn)量的年際變化主要是由于氣候因子的波動造成的[11]。在1981-2010年間，臨汾市的年降水量呈平緩略有下降的趨勢，在冬小麥生育后期，降水(降水量和降水日數(shù))是影響冬小麥產(chǎn)量的主要因素，尤其是4月份降水量與冬小麥產(chǎn)量呈正相關(guān)[12]。降水量對小麥生產(chǎn)的影響與不同生育期的降水分布密切相關(guān)，生育前期降水增加有利于小麥產(chǎn)量提高，而后期則會導(dǎo)致一定的減產(chǎn)[13]。模擬研究發(fā)現(xiàn)，我國北方地區(qū)降水量總體呈上升的趨勢，加上熱量充足，未來我國北方干旱半干旱地區(qū)小麥產(chǎn)量都有增產(chǎn)趨勢[14]。國家小麥品種區(qū)域試驗是小麥品種審定和推廣的依據(jù)，其對照品種對區(qū)域試驗的代表性、準(zhǔn)確性和客觀性具有重要影響，對促進(jìn)品種更新?lián)Q代具有指示作用[15-16]。目前在國內(nèi)外，利用國家區(qū)域試驗點(diǎn)降水和旱地小麥對照品種農(nóng)藝性狀變化數(shù)據(jù)，研究品種適應(yīng)氣候變化的報道甚少。本研究利用1986-2014年國家黃淮旱地冬小麥臨汾點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)和區(qū)域試驗農(nóng)藝性狀資料，從降水變化影響小麥品種農(nóng)藝性狀的角度來探討氣候變化對黃淮旱地小麥生產(chǎn)及育種方向的影響，揭示黃淮旱地小麥適應(yīng)降水變化的品種演變規(guī)律，以期為今后確定黃淮旱地冬小麥育種方向提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 降水?dāng)?shù)據(jù)來源及處理方法

降水?dāng)?shù)據(jù)來自臨汾市氣象局，根據(jù)1986-2014年冬小麥各生育時期逐日的降水?dāng)?shù)據(jù)整理而得，采用Excel 2003和DPS 14.5軟件進(jìn)行處理分析。

1.2 試驗資料來源

試驗資料來自1986-2014年設(shè)在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所旱地試驗場的黃淮冬麥區(qū)旱地組對照品種農(nóng)藝性狀調(diào)查數(shù)據(jù)，包括株高、有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量。這些對照品種均為該地區(qū)最具代表性的品種。其中1986-1989年為秦麥3號；1990-1997年為晉麥33號；1998-2014年為晉麥47號[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥生育期降水的變化趨勢

2.1.1 年降水量和小麥全生育期降水量的變化

近30年來，黃淮旱地年降水量總體上呈略微上升趨勢，平均每年上升3.33 mm；小麥全生育期降水量總體上呈略微下降趨勢，每個生長季平均下降1.70 mm(圖1)。從1986-1993年，年降水量和小麥全生育期降水量變化幅度較大，1994-2005年年降水量和小麥生育期降水量變化相對較??；2006-2014年年降水量和小麥全生育期降水量變化也較大，說明這一階段小麥生育期氣候變化復(fù)雜；其中2006-2010年年降水量和小麥全生育期降水量都呈下降趨勢，2010-2014年年降水量和小麥全生育期降水量都呈一定的上升趨勢。

2.1.2 小麥不同生育階段降水量的變化

小麥播種至越冬前降水量每個生長季平均上升1.22 mm，越冬期降水量每個生長季平均略微上升0.52 mm，起身至拔節(jié)期每個生長季平均下降2.17 mm，抽穗至成熟期每個生長季平均略微下降0.12 mm(圖2)?？梢姡谛←溍缙诮邓坑兄鸺韭晕⑸仙厔?，起身至拔節(jié)期逐季明顯下降，在生殖生長階段降水量有逐季略微下降趨勢。

圖1 1986-2014年年降水量和小麥生育期降水量的變化

圖2 小麥不同生長階段降水量的變化

2.2 黃淮旱地小麥農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量的變化趨勢

近30年來，黃淮旱地對照品種的千粒重和穗粒數(shù)有逐年緩慢上升的趨勢，有效穗數(shù)、株高和產(chǎn)量有緩慢下降的趨勢。其中，1986-1996年對照品種農(nóng)藝性狀變化幅度較大，1997-2007年期間相對平穩(wěn)，2007-2014變化幅度最大。這與小麥生育期降水量變化趨勢基本相同，說明降水變化明顯影響小麥農(nóng)藝性狀。

2.3 降水量與小麥農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量的關(guān)系

相關(guān)分析結(jié)果(表1)表明，年降水量與小麥株高、穗粒數(shù)和產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，生育期降水量與株高和穗粒數(shù)呈顯著正相關(guān)，起身至拔節(jié)期降水量與株高呈顯著正相關(guān)。

以降水量和農(nóng)藝性狀為自變量，以產(chǎn)量(Y)為因變量進(jìn)行逐步回歸分析。經(jīng)過分析將生育期降水量(X2)、播種至越冬前降水量(X3)、越冬期降水量(X4)、起身至拔節(jié)期降水量(X5)、灌漿至成熟降水量(X6)、有效穗數(shù)(X8)因子剔除，留下對產(chǎn)量(Y)影響顯著的因子，得出了逐步回歸方程：Y=-5 574.63+133.40X10+60.00X9+35.65X7+2.29X1(R2=0.72，F(xiàn)=8.14，P≤0.05)

回歸結(jié)果表明，千粒重(X10)、穗粒數(shù)(X9)、株高(X7)和年降水量(X1)是決定產(chǎn)量的主要因子，它們共同決定了產(chǎn)量72%的變異。依據(jù)回歸方程，每增加一個單位的千粒重、穗粒數(shù)、株高和年降水，產(chǎn)量就分別增加133.40、60.00、35.65和2.29 g，說明千粒重、穗粒數(shù)、株高和年降水變化對產(chǎn)量表現(xiàn)出顯著的正效應(yīng)。

表1 降水量與小麥農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量的相關(guān)分析

X1:年降水量;X2:生育期降水量;X3:播種至越冬前降水量;X4:越冬期降水量;X5:起身至拔節(jié)期降水量;X6: 抽穗至成熟降水量;X7:株高;X8:有效穗數(shù);X9:穗粒數(shù);X10:千粒重;Y:產(chǎn)量;*:P<0.05;* *:P<0.01。下表同。

X1: Annual precipitation;X2: Wheat growth period precipitation;X3:Sowing to wintering precipitation;X4: Over-wintering precipitation;X5:Up to jointing period precipitation;X6: Heading to mature precipitation;X7:Height;X8:Effective ear numbers;X9:Kernels per spike;X10:1 000-kernel weight;Y:Yield;*:P<0.05;* *:P<0.01. The same as in other tables.

2.4 小麥產(chǎn)量與降水量和農(nóng)藝性狀的通徑分析

經(jīng)進(jìn)一步的通徑分析，在黃淮旱地小麥高產(chǎn)育種進(jìn)化中，不同因子對產(chǎn)量的直接貢獻(xiàn)大小依次為株高(0.499)>千粒重(0.430)>穗粒數(shù)(0.230)>年降水量(0.173)，且均為正效應(yīng)(表2)。這說明前期株高和生物量積累對旱地小麥后期光合產(chǎn)物分配即收獲指數(shù)有重要的決定作用。千粒重和穗粒數(shù)是產(chǎn)量構(gòu)成的兩大要素，對決定旱地小麥產(chǎn)量高低起關(guān)鍵作用，并不是我們傳統(tǒng)認(rèn)為，分蘗是決定旱地小麥產(chǎn)量的第一大要素，這可能因為在氣候變暖條件下，黃淮旱地小麥由強(qiáng)冬性多分蘗演變成了冬性或半冬性中等分蘗，減弱了分蘗增多對小麥增產(chǎn)的正向貢獻(xiàn)，而增加了千粒重和穗粒數(shù)對小麥產(chǎn)量的正效應(yīng)。年降水量對旱地小麥產(chǎn)量也有直接正效應(yīng)，說明農(nóng)諺“麥?zhǔn)崭裟陦?旱地小麥休閑期7-9月的收后-播前降雨”，“麥?zhǔn)瞻?月)(播前)、十(月)(冬前苗期)、三(月)(起身拔節(jié)期)雨是有充分科學(xué)依據(jù)的。

表2 降水量與農(nóng)藝性狀對產(chǎn)量的通徑分析

3 討 論

隨著全球氣候變暖，我國氣候變化與全球變化基本保持一致[17-20]。有研究表明，未來我國干旱半干旱地區(qū)降雨量將會有增加的趨勢[14]。在氣候變暖的大背景下，以前的研究主要集中在氣溫升高、CO2濃度增加等對冬小麥生長發(fā)育所帶來的影響方面，關(guān)于冬小麥如何適應(yīng)降雨量變化的研究少有報道。FAO研究表明，植物的育種方向需要重新調(diào)整以適應(yīng)未來氣候變化[21]。因此，研究黃淮旱地冬小麥適應(yīng)降水變化的品種演化規(guī)律，對于加強(qiáng)我國旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)具有重大意義。

有研究表明，在中國干旱半干旱地區(qū)，氣候變化不僅表現(xiàn)在氣溫升高，且增溫主要發(fā)生在冬春季節(jié)[22-23]，還表現(xiàn)在降雨量增加等方面[24]。本研究表明，從1986到2014年，黃淮旱地臨汾點(diǎn)年降雨量呈緩慢增加的趨勢，但小麥全生育期的降水量呈緩慢下降的趨勢，其結(jié)果也符合我國北方氣候變化的趨勢。但以上研究結(jié)果與李國強(qiáng)等[12]關(guān)于臨汾1981-2010年年降水量有下降趨勢的結(jié)論不同，可能是因為數(shù)據(jù)分析時期長短差異導(dǎo)致的年降水量變化不同所引起的，特別是從2010年到2014年臨汾年降水量和小麥生育期降水量均明顯有增加的趨勢，是導(dǎo)致本研究年降水量有增加趨勢的主要原因。本研究結(jié)果與李圣豪等[25]關(guān)于山東省旱地(魯西北)小麥生育期降雨量變化的結(jié)論相反，這可能是因為地理環(huán)境差異和數(shù)據(jù)分析時期長短差異導(dǎo)致的降水量變化不同所引起的。

黃淮旱地(臨汾)小麥營養(yǎng)生長階段前期即苗期降水量有一定的增加趨勢，有利于冬季分蘗的形成。起身至拔節(jié)期和抽穗至成熟期的降水量有下降的趨勢，這兩個時期對產(chǎn)量形成均非常重要，尤其是后者，這可能是造成了旱地小麥產(chǎn)量下降的主要因素[26]。

作物育種方向的發(fā)展是自然環(huán)境和人工因素雙重選擇的結(jié)果。在小麥的實際生產(chǎn)過程中，可以通過適時更換品種以減少環(huán)境變化所帶來的負(fù)面影響，趨利避害，實現(xiàn)資源的高效利用。本研究表明，近30年來，黃淮旱地區(qū)域試驗對照品種經(jīng)歷三次品種更替，其有效穗數(shù)、株高和產(chǎn)量逐漸減少，這一方面說明，隨著氣候變暖，旱地小麥品種冬性(分蘗能力)有減弱的趨勢，是導(dǎo)致黃淮旱地小麥減產(chǎn)的主因。株高降低的原因主要可能是因為隨著氣候的變暖、地力的提高，高稈品種發(fā)育早冬旺長容易遭受冬春凍害，同時容易倒伏而減產(chǎn)，旱地小麥育種也形成了矮稈抗倒的趨勢。

一般認(rèn)為，旱地小麥品種株高和籽粒產(chǎn)量有密切關(guān)系，將植株保持在一定的株高內(nèi)，有利于獲得較高的生物學(xué)產(chǎn)量，進(jìn)一步通過花后干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn)，提高籽粒產(chǎn)量[26]。有研究指出，在干旱環(huán)境下，維系較高的株高有利于小麥籽粒灌漿和增加粒重，從而有效補(bǔ)償因干旱造成的小麥產(chǎn)量的損失[27]。

本研究的相關(guān)性分析表明，1986-2014年臨汾年降水量和生育期降水量均與株高和穗粒數(shù)顯著正相關(guān)，而株高與產(chǎn)量和有效穗數(shù)呈顯著正相關(guān)，起身至拔節(jié)期降水量與穗粒數(shù)呈顯著正相關(guān)達(dá)顯著水平。多元回歸分析表明，千粒重、穗粒數(shù)、株高和年降水量決定了產(chǎn)量72%的變異，表明這4個變量可以作為影響對照品種產(chǎn)量的主要因素。通徑分析表明，株高對產(chǎn)量的直接貢獻(xiàn)最大，為0.499，說明在旱地小麥育種過程中，保持合適的株高和生物學(xué)產(chǎn)量，對于產(chǎn)量的形成至關(guān)重要。

以上綜合表明隨著氣候變暖，起身至拔節(jié)期降水量是決定小麥株高的關(guān)鍵因素，而這一時期的株高是生物產(chǎn)量增多最好的代表性狀，為花后干物質(zhì)積累打下了良好的基礎(chǔ)，有利于小麥提早穗發(fā)育、穗粒數(shù)增多和產(chǎn)量提高。雖然近30年來抽穗到成熟期降水量變化幅度較大，但下降趨勢不明顯，低溫寡照天氣少，有利于小麥籽粒灌漿，千粒重提高。因此，在黃淮旱地小麥穗粒數(shù)和千粒重有增加的趨勢，為保障旱地小麥獲得一定高產(chǎn)提供了機(jī)遇，是今后旱地小麥高產(chǎn)育種和栽培的主攻方向。

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Precipitation Change and Its Influence on Wheat Agronomic Traits in Linfen from 1986-2014

LIU Xinyue1,PEI Lei1,WEI Yunzong1,ZHANG Zhengbin2,GAO Huiming2,XU Ping2

(1.Institute of Wheat Research,Shanxi Academy of Agricultural Sciences,Linfen,Shanxi 041000,China;2.Center for Agricultural Resources Research,Institute of Genetics and Developmental Biology,Chinese Academy of Sciences,Shijiazhuang,Hebei 050021,China)

The objective is to analyze the precipitation change and its influence on wheat agronomic traits in Linfen of Shanxi province in the past 30 years,and provide a theoretical basis and technological support for Huanghuai dryland wheat breeding to adapt to climate change in the future. The precipitation data and agronomic traits of control varieties date of Linfen in Shanxi province from 1986-2014 years were analyzed,the relationship between agronomic traits and meteorological elements were also analyzed by correlation and multiple regression as well path analysis. The results showed that the annual precipitation were increased lightly,but the precipitation in wheat growth period were decreased slowly; the precipitation of seeding to over-wintering period in growth stage was increased,but the precipitation of jointing to mature period in reproductive growth stage were reduced. For check variety,the 1 000-kernel weight and kernels per spike were increased,but the effective ear numbers and plant height as well grain yield were decreased. The precipitation of up to the jointing stage had positive correlation significantly with plant height,annual precipitation and the precipitation in wheat growth period had positive correlation significantly with plant height and kernels per spike,annual precipitation had positive correlation significantly with yield,plant height and 1 000-kernel weight as well effective ear numbers had positive correlation significantly with yield. There were 72% of yield per hectare variation was determined by 1 000-kernel weight,kernels per spike,plant height and annual precipitation. The impacts of precipitation on agronomic traits of winter wheat in Huanghuai dryland were obvious. Therefore,middle plant height,more effective ears numbers,and larger1000-kernel weight should be the improving direction in Huanghuai dryland wheat region.

Huanghuai;Dryland; Winter wheat; Agronomic traits; Precipitation

時間：2016-07-07

2016-01-22

2016-03-08

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)項目(2011AA100501)；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDA0803010703)；山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院育種工程項目(16yzgc044)

E-mail：liu-xinyue@163.com

張正斌(E-mail:zzb@sjziam.ac.cn)；衛(wèi)云宗(E-mail：weiyzong@163.com )

S512.1；S314

A

1009-1041(2016)07-0933-06

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