河套灌區(qū)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)小麥品種鑒選

吳 強(qiáng)，韋炳奇，董玉新，張永平

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019)

小麥?zhǔn)俏覈谌蠹Z食作物，其栽培模式隨著種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整正在從高產(chǎn)走向優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn)并重的道路。小麥籽粒品質(zhì)受環(huán)境、基因型、栽培措施及其互作的共同影響[1-3]。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)因其獨(dú)特的地理位置和優(yōu)越的光、熱、水資源，是優(yōu)質(zhì)中強(qiáng)筋春小麥生長基地。當(dāng)?shù)刂髟云贩N永良4號產(chǎn)量較高但品質(zhì)一般，這是基因型與栽培措施共同作用的結(jié)果。一般充分灌溉在提升產(chǎn)量的同時會對小麥品質(zhì)造成“稀釋效應(yīng)”[4]。已有研究表明，適當(dāng)灌水可以使小麥籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)同步提高，土壤水分過多或過少均不利于籽粒產(chǎn)量的提高，且易導(dǎo)致籽粒營養(yǎng)品質(zhì)和加工品質(zhì)下降[5-7]。衡量小麥的籽粒品質(zhì)可用蛋白質(zhì)、沉降值、濕面筋、容重、出粉率、面團(tuán)流變學(xué)特性等多項(xiàng)指標(biāo)[8]，不同指標(biāo)間信息的干擾，導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)小麥品種鑒選工作復(fù)雜且無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[9]?；诙鄠€品質(zhì)指標(biāo)的小麥綜合分析評價已有報道[10-11]，但對小麥品質(zhì)與產(chǎn)量進(jìn)行綜合評價仍無統(tǒng)一界定標(biāo)準(zhǔn)或方法。本研究以24個北方麥區(qū)主推春小麥品種為材料，在前期研究[12]的基礎(chǔ)上，比較不同灌溉模式對不同小麥品種籽粒品質(zhì)和產(chǎn)量的影響，以期為河套灌區(qū)優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn)小麥品種的篩選提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017年在內(nèi)蒙古巴彥淖爾市五原縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心試驗(yàn)田進(jìn)行。試驗(yàn)地為壤土，耕層0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)為23.18 g·kg-1，堿解氮38.93 mg·kg-1，速效磷22.09 mg·kg-1，速效鉀127.34 mg·kg-1，pH值7.62。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計

24個供試小麥品種的名稱與編號見表1，均來自于北方各春小麥主產(chǎn)區(qū)。試驗(yàn)設(shè)常規(guī)灌溉(分蘗期+拔節(jié)期+開花期+灌漿期灌水4次，每次灌水900 m3·hm-2)和節(jié)水灌溉(拔節(jié)期+開花期灌水2次，每次灌水900 m3·hm-2)兩種灌溉模式。試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計，灌水為主區(qū)，品種為副區(qū)，共48個處理組合，3次重復(fù)。小區(qū)面積為12 m2?；久鐬?75萬·hm-2，行距15 cm。播種時施基肥磷酸二銨300 kg·hm-2，拔節(jié)期結(jié)合灌水追施純氮187.5 kg·hm-2，其他栽培管理措施同當(dāng)?shù)卮筇镄←湣?/p>

表1 供試小麥品種的名稱與編號Table 1 Name and number of tested wheat varieties

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 測產(chǎn)及考種

在小麥蠟熟末期，各小區(qū)取2 m2樣點(diǎn)，單獨(dú)收獲，統(tǒng)計總穗數(shù)，晾曬后脫粒測產(chǎn)；取有代表性的50 cm樣段進(jìn)行考種，考察穗長、穗寬、有效小穗數(shù)、無效小穗數(shù)、地上部干物質(zhì)重量及穗粒數(shù)、千粒重，并計算理論產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)系數(shù)。

1.3.2 籽粒品質(zhì)測定

小麥?zhǔn)斋@后留足籽粒，晾曬后儲藏2個月。每處理小區(qū)取200 g籽粒，使用近紅外(NIR)谷物分析儀(DA7200，瑞典Perten公司)測定籽粒蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、沉降值、容重、出粉率、吸水率、形成時間、穩(wěn)定時間、最大抗延阻力、拉伸面積。

1.3.3 統(tǒng)計分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016與SPSS Statistics 25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。產(chǎn)量-品質(zhì)綜合評價的分析過程為先使用SPSS進(jìn)行主成分分析(以累計貢獻(xiàn)率≥85%為原則[13])提取主成分因子，再使用Excel將各主成分得分值與其對應(yīng)的權(quán)重乘積求和[10]，得到品質(zhì)綜合得分Y值；使用SPSS將Y值與產(chǎn)量數(shù)值重新標(biāo)度到0～1的標(biāo)準(zhǔn)化處理后，采用系統(tǒng)聚類分析(測量區(qū)間為平方歐式距離，聚類方法為組間聯(lián)接)得到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)類群。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種灌溉模式對不同小麥品種籽粒品質(zhì)和產(chǎn)量的影響

由表2可知，灌水模式、品種及其互作對小麥籽粒品質(zhì)指標(biāo)和產(chǎn)量的影響均達(dá)到極顯著水平。穩(wěn)定時間、拉伸面積、最大抗延阻力及籽粒產(chǎn)量的變異系數(shù)較大，吸水率、容重、出粉率的變異系數(shù)較小。節(jié)水灌溉與常規(guī)灌溉模式下，24個品種的產(chǎn)量均值分別為4 371.81 kg·hm-2和5 166.70 kg·hm-2，二者差異達(dá)到極顯著水平，其中，節(jié)水灌溉較常規(guī)灌溉模式增產(chǎn)的品種有拉07-0145、寧春50、寧2038、京春9543，分別增產(chǎn)17.14%、14.06%、14.00%、12.65%，龍麥35、龍麥26、寧鑒304、內(nèi)麥19的減幅分別為5.27%、5.32%、0.14%、5.29%，其余16個品種均減產(chǎn)10%以上。節(jié)水灌溉模式下，蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、沉降值、面團(tuán)穩(wěn)定時間、形成時間、延展性、拉伸面積、最大抗延阻力8項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)的均值均極顯著高于常規(guī)灌溉模式，而容重、出粉率、吸水率3項(xiàng)指標(biāo)的均值極顯著低于常規(guī)灌溉模式，節(jié)水灌溉較常規(guī)灌溉模式平均蛋白質(zhì)含量提升1.09%，濕面筋含量提升2.38%，沉降值提升3.6 mL。節(jié)水灌溉較常規(guī)灌溉模式蛋白含量提高的有20個品種，其中，有8個品種的增幅高于10%，分別為巴麥12、龍麥30、農(nóng)麥2號、寧鑒304、龍麥33、新春29、巴麥13、農(nóng)麥201，增幅為12.43%、10.41%、23.73%、11.55%、15.28%、14.42%、13.82%、14.62%；有4個品種蛋白質(zhì)含量降低，分別為龍麥35、京春1205、龍麥26、寧春50，降幅1.33%、1.05%、3.46%、0.93%。濕面筋含量、沉降值在品種間的差異與蛋白質(zhì)含量的變化規(guī)律相似。節(jié)水灌溉模式下，產(chǎn)量最高的三個品種分別為拉07-0145、龍麥35、京春1205，蛋白含量居前三位的依次為農(nóng)麥201、寧鑒304、巴麥13。常規(guī)灌溉模式下，產(chǎn)量居前三的品種為拉2577、新春27、京春1205，蛋白含量前三依次為龍麥26、農(nóng)麥201、寧鑒304。由此可見，同一品種在兩種灌溉模式下蛋白含量和產(chǎn)量的表現(xiàn)并不一致，僅以籽粒蛋白含量和產(chǎn)量高低排序來篩選優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)品種存在不確定性。因此，需要對各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行總體分析以綜合評價小麥的籽粒品質(zhì)。

表2 兩種灌溉模式下不同小麥品種籽粒品質(zhì)和產(chǎn)量的差異Table 2 Difference of grain quality and yield of different wheat varieties in two irrigation modes

(續(xù)表2 Continued table 2)

2.2 不同小麥品種籽粒品質(zhì)性狀的主成分分析

對小麥11個品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析發(fā)現(xiàn)，前4個主成分的累計貢獻(xiàn)率達(dá)91.29%，基本可代表原始品質(zhì)性狀信息(表3)。第一主成分特征值為5.022，貢獻(xiàn)率為45.66%，其荷載較大的有蛋白質(zhì)、濕面筋、穩(wěn)定時間、形成時間、沉淀值、延展性，對第一主成分均呈正效應(yīng)，為強(qiáng)筋優(yōu)質(zhì)因子。第二主成分特征值為2.869，貢獻(xiàn)率為26.08%，其荷載較大的有吸水率、形成時間、容重、拉伸面積、出粉率、最大抗延阻力，對第二主成分均呈正效應(yīng)，為中強(qiáng)筋優(yōu)質(zhì)因子。第三主成分特征值為1.220，貢獻(xiàn)率為11.09%，為其荷載較大的有容重、出粉率、拉伸面積、最大抗延阻力，其中容重、出粉率對第三主成分為正效應(yīng)，拉伸面積、最大抗延阻力為負(fù)效應(yīng)，為中弱筋優(yōu)質(zhì)因子。第四主成分特征值為0.930，貢獻(xiàn)率為8.46%，荷載較大的正效應(yīng)指標(biāo)為吸水率，負(fù)效應(yīng)指標(biāo)為穩(wěn)定時間，以此向量作為線性組合系數(shù)所得到的綜合指標(biāo)較大時，小麥粉會獲得較大的吸水率和較短的穩(wěn)定時間，符合弱筋優(yōu)質(zhì)小麥特征。將各主成分得分值與其對應(yīng)的權(quán)重乘積求和所得到的Y值量化反映了不同供試品種的籽粒品質(zhì)，分值越高表明綜合品質(zhì)越好。由表4可見，節(jié)水灌溉模式下，24個品種中，綜合品質(zhì)表現(xiàn)較好的為寧鑒304、龍麥26和農(nóng)麥201；常規(guī)灌溉模式下，綜合品質(zhì)表現(xiàn)較好的品種為龍麥26、龍麥35和墾九10?？傮w來看，節(jié)水灌溉模式下多數(shù)品種的品質(zhì)表現(xiàn)優(yōu)于常規(guī)灌溉模式。

表3 不同小麥品種籽粒品質(zhì)性狀的主成分分析Table 3 Principal component analysis of grain quality traits in different wheat varieties

2.3 不同小麥品種籽粒品質(zhì)與產(chǎn)量的綜合評價

以籽粒品質(zhì)綜合得分值(Y值)和籽粒產(chǎn)量作為優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)小麥品種的評價指標(biāo)，分別對兩種灌水模式下的24個品種進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析(平方歐氏距離，Y值與產(chǎn)量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化)。由圖1可見，節(jié)水灌溉模式下，歐式距離為7時，24個品種可分為6類：第Ⅰ類有9個品種，聚類中心品質(zhì)評分為-0.196，產(chǎn)量為4 236.96 kg·hm-2，為中產(chǎn)中質(zhì)型；第Ⅱ類有3個品種，聚類中心品質(zhì)評分為0.330，產(chǎn)量為3 441.87 kg·hm-2，為低產(chǎn)中質(zhì)型；第Ⅲ類有3個品種，聚類中心品質(zhì)評分為1.554，產(chǎn)量為4 920.73 kg·hm-2，為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)型；第Ⅳ類有6個品種，聚類中心品質(zhì)評分為0.192，產(chǎn)量為5 105.17 kg·hm-2，為高產(chǎn)中質(zhì)型；第Ⅴ類有2個品種，聚類中心品質(zhì)評分為2.098，產(chǎn)量為4 059.80 kg·hm-2，為中產(chǎn)優(yōu)質(zhì)型；第Ⅵ類僅有1個品種，聚類中心品質(zhì)評分為1.777，產(chǎn)量為2 952.10 kg·hm-2，為低產(chǎn)優(yōu)質(zhì)型。由圖2可見，常規(guī)灌溉模式下歐式距離為7時，24個品種可分為4類：第Ⅰ類有13個品種，聚類中心品質(zhì)評分為-0.885，產(chǎn)量為5 755.14 kg·hm-2，為高產(chǎn)低質(zhì)型；第Ⅱ類有3個品種，聚類中心品質(zhì)評分為2.006，產(chǎn)量為5 304.13 kg·hm-2，為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)型；第Ⅲ類有7個品種，聚類中心品質(zhì)評分為-0.301，產(chǎn)量為4 249.77 kg·hm-2，為中低產(chǎn)中質(zhì)型；第Ⅳ類只有1個品種，品質(zhì)評分為-3.420，產(chǎn)量為3 522.8 kg·hm-2，為低產(chǎn)低質(zhì)型。

綜上所述，節(jié)水灌溉模式下品質(zhì)和產(chǎn)量表現(xiàn)均較好的品種為龍麥26、龍麥30、巴麥12號，而常規(guī)灌溉模式下龍麥26、龍麥35和墾九10號3個品種表現(xiàn)較好。其中，龍麥26在兩種灌溉模式下均表現(xiàn)出優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)更適宜在河套灌區(qū)大面積推廣種植，以實(shí)現(xiàn)小麥節(jié)水、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)目標(biāo)。

表4 兩種灌水模式下不同小麥品種籽粒品質(zhì)的主成分綜合得分值Table 4 Integrated principal component values of 24 wheat varieties in two irrigation modes

圖1 節(jié)水灌溉模式下24個品種Y值與產(chǎn)量綜合聚類分析Fig.1 Clustering chart Y value and yield of 24 wheat cultivars under 2W

圖2 常規(guī)灌溉模式下24個品種Y值與產(chǎn)量綜合聚類分析Fig.2 Clustering chart Y value and yield of 24 wheat cultivars under 4W

3 討 論

河套灌區(qū)是內(nèi)蒙古自治區(qū)小麥主產(chǎn)區(qū)，也是我國中、強(qiáng)筋優(yōu)質(zhì)小麥適宜生產(chǎn)地帶，該區(qū)小麥高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效持續(xù)發(fā)展對于保障內(nèi)蒙古糧食安全、增強(qiáng)商品小麥競爭力具有重要戰(zhàn)略意義。然而，河套灌區(qū)黃河水資源日益緊缺，且傳統(tǒng)小麥栽培中水肥浪費(fèi)嚴(yán)重。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)通過多年研究建立了河套灌區(qū)春小麥高產(chǎn)節(jié)水灌溉模式，即在秋季澆足底墑水基礎(chǔ)上，全生育期澆2水畝產(chǎn)達(dá)450 kg以上，實(shí)現(xiàn)了節(jié)水與高產(chǎn)的統(tǒng)一[12]。大量研究表明，水分是影響小麥品質(zhì)的重要因素，對籽粒貯藏物質(zhì)含量具有明顯的調(diào)控效應(yīng)[14-17]。土壤干旱尤其是灌漿期干旱可以明顯促進(jìn)開花前植株貯存氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移，并提高籽粒氨基酸和蛋白質(zhì)含量，灌漿后期灌水會引起籽粒品質(zhì)下降[5,18-21]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)水灌溉模式下，多數(shù)小麥品種的籽粒產(chǎn)量較常規(guī)灌溉模式有所降低，但籽粒品質(zhì)指標(biāo)卻高于常規(guī)灌溉模式，這與王月福等[6]、王晨陽等[7]的研究結(jié)果基本一致。本試驗(yàn)中，節(jié)水灌溉模式下少數(shù)供試品種籽粒品質(zhì)降低，這可能是由其高生理耗水的品種特性決定的。有研究表明[22-23]，適度水分脅迫可提高籽粒蛋白質(zhì)含量，嚴(yán)重脅迫則使蛋白質(zhì)含量降低。生理耗水量大的品種在節(jié)水灌溉模式下表現(xiàn)為嚴(yán)重水分脅迫，從而導(dǎo)致品質(zhì)下降。

河套平原灌區(qū)當(dāng)前種植的春小麥品種比較單一，主要以永良4號為主，其產(chǎn)量表現(xiàn)較高，但品質(zhì)一般。在水資源日趨緊缺的發(fā)展態(tài)勢下，篩選、引進(jìn)兼具優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和高水分利用效率的優(yōu)良品種，建立和推行優(yōu)質(zhì)專用小麥，保優(yōu)、增產(chǎn)、節(jié)本、增效、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系勢在必行。本研究采用主成分與聚類分析的評價法進(jìn)行了優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)小麥品種的篩選。主成分分析法是一種通過降維消除指標(biāo)間的相關(guān)性、避免重復(fù)信息的干擾、將復(fù)雜的多個指標(biāo)化為簡單的少數(shù)幾個綜合指標(biāo)的統(tǒng)計學(xué)分析方法[13]，在作物農(nóng)藝性狀以及抗性評價上已有大量報道[24-27]。聚類分析作為一種通過數(shù)據(jù)建模簡化數(shù)據(jù)，并將樣本分為若干相似類群的分類方法，在研究作物品種資源的差異和分類方面已有不少應(yīng)用[27-28]。主成分與聚類結(jié)合的分析方法目前在各類研究[11，29]中并不少見，但通常是兩者分開獨(dú)立進(jìn)行，各自得到結(jié)果后再互相佐證以體現(xiàn)結(jié)果的可靠性，是一種評價品質(zhì)、抗旱性等單一類別性狀的可靠分析方法。但不論是品質(zhì)、抗旱性狀表現(xiàn)如何優(yōu)異，在進(jìn)行品種篩選及鑒定分類時，都不應(yīng)該忽略該品種的產(chǎn)量表現(xiàn)，本研究嘗試了多種將品質(zhì)與產(chǎn)量兩種不同類型的性狀建立聯(lián)系的辦法，最終以聚類分析時將品質(zhì)與產(chǎn)量各自設(shè)定50%權(quán)重以得到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)類群的效果最佳，這種方法也可應(yīng)用到抗旱、高產(chǎn)類群篩選。 本研究篩選出的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種龍麥26號在體現(xiàn)面包烘烤品質(zhì)特性的沉降值、面團(tuán)流變學(xué)特性[29-30]指標(biāo)上，均遠(yuǎn)高于國家一級強(qiáng)筋小麥標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 17892-1999)；昝香存等[9]的研究證明龍麥26強(qiáng)筋優(yōu)質(zhì)特性，其籽粒產(chǎn)量可達(dá)5 300 kg·hm-2以上，在本試驗(yàn)中處于較高水平。上述結(jié)果進(jìn)一步證明了品質(zhì)-產(chǎn)量綜合評價法的可靠性。

綜上所述，優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)小麥品種必須配套良好的栽培措施才能發(fā)揮其遺傳潛力，因此，進(jìn)一步深入研究施肥、灌水、播期、密度等栽培措施對小麥籽粒品質(zhì)的影響，可為河套灌區(qū)建立春小麥節(jié)水、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)栽培技術(shù)體系提供依據(jù)。