节水高效小麦品种筛选与应用研究

杨丽娟，蒋志凯，盛　坤，王映红，赵宗武

(河南省新乡市农业科学院，河南辉县　453600)



节水高效小麦品种筛选与应用研究

杨丽娟，蒋志凯，盛坤，王映红，赵宗武

(河南省新乡市农业科学院，河南辉县453600)

摘要为筛选抗旱小麦品种，于2011―2013年设置全生育期不灌水(W0)、灌1水(拔节期灌水80 mm，W1)、灌2水(拔节期灌水80 mm+开花期灌水80 mm ，W2)共3种灌溉处理，比较16个冬小麦品种的生长发育特性、产量、农田耗水量(ET)和水分利用效率(WUE)差异。结果表明，不同小麦品种间生长发育特性、产量、ET和WUE均存在显著差异。以2 a平均小麦籽粒产量、ET和WUE为指标进行聚类分析，将16个小麦品种分为4类，分别为以‘周麦24’为代表的节水超高产类，以‘矮抗58’为代表的高产类，以‘新麦26’为代表的节水稳产类，以‘周麦22’为代表的中低产类。W1处理不仅能获得较高产量且WUE最高，‘周麦23’和‘周麦24’因产量和WUE表现优异，推荐其作为豫北地区抗旱节水高效示范推广品种，2013-2014年大田示范节水增产显著。

关键词冬小麦;产量;水分利用效率

中国水资源总量为2.8万亿m3，居世界前列，但人均水资源量仅约为世界平均水平的1/4，是世界上13个严重缺水的国家之一[1-2]。农业用水占总用水量的70.4%[1]，水资源短缺已成为农业持续发展的重要瓶颈。先进国家农业水分利用率接近或超过2.0 kg·m-3[3]，而中国灌溉农田中粮食作物平均水分利用率约为1.1 kg·m-3。豫北地区是典型的冬小麦高产区，水资源短缺且分配不均是制约该区小麦可持续发展的主要限制因子。筛选和应用抗旱节水高产稳产小麦品种、提高小麦水分利用效率是节水农业研究的一个重要方向[4]。

研究表明[5-6]，水分状况对小麦干物质积累与分配有显著影响。灌溉可使叶面积指数(Leaf area index,LAI)增大，增加小麦籽粒产量[7]，但过量灌溉则会导致土壤水分出现冗余[8]。不同灌溉模式的节水效应不同，对作物最终产量的影响也不同[9]。合理的灌溉模式可降低麦田土壤水消耗量(soil water consumption amount, SWCA), 提高水分利用效率[10](water use efficiency, WUE )并且提高小麦籽粒产量[11-14]。刘增进等[15]和刘昌明等[16]通过灌溉试验研究阐明小麦的最优灌溉制度，对小麦品种的抗旱性进行分析和评价[17-21]。但随着小麦品种的更新换代和近年来农田气候和生态环境的变迁，研究小麦主推品种的耗水特性和生理特点，评判不同小麦品种对灌溉制度的协调适应性是品种推广和应用的重要前提。因此，探讨小麦品种的水分利用特性，建立小麦产量与灌溉制度的关系，对优良品种的推广应用和农业的可持续发展有重要意义。为从众多小麦品种中筛选出抗旱品种，本试验比较16个冬小麦品种在3种水分处理中的生长发育特性、产量、农田耗水量、水分利用效率的差异，以期筛选出节水高效品种并进行示范推广。

1材料与方法

1.1试验材料与田间试验设计

于2011―2013年在新乡市农业科学院辉县试验基地(35°26′N，113°45′E)进行试验。以‘周麦18’为对照，‘洛旱7号’‘洛麦21’‘洛麦23’‘郑7698’‘新麦18’‘新麦26’‘新麦208’‘周麦22’‘周麦23’‘周麦24’‘矮抗58’‘百农160’‘豫教5号’ ‘开麦20’‘众麦1号’河南省15个主推品种为试验材料。

试验采用两因素裂区设计，以灌水为主区，品种为副区，主区间设1畦隔离区，重复3次。主区3种处理, 不灌水处理(W0)、灌1水处理(拔节期，W1)、灌2水处理(拔节期+开花期，W2)，每次灌水量80 mm，畦宽2.6 m，每畦2小区，每小区6行，小区长13 m，面积14.3 m2，株距5 cm，行距20 cm。每处理均施K2O和P2O5各120 kg·hm-2作底肥。W0处理一次性施底肥氮192 kg·hm-2，W1、W2均施底肥氮120 kg·hm-2，追施氮肥72 kg·hm-2。

土壤为沙壤土， 常年平均0～20 cm土层土壤有机质质量分数1.417%、全氮质量分数0.108%、速效磷11.39 mg·kg-1、速效钾111.2 mg·kg-1，pH 8.16；0～100 cm土层平均田间持水量和体积质量分别为25.41%和1.354 g·cm-3。

第1年于2011-10-22播种，2012-06-05收获。2012-03-27 W1、W2处理浇拔节水并追施氮肥72 kg·hm-2。5月4日W2处理浇开花水并追施氮肥72 kg·hm-2。降水量以W1处理对照品种‘周麦18’为例，拔节(3月27日)之前降水量为141.2 mm，拔节至抽穗(5月4日)期间降水量为25.6 mm，抽穗至成熟(6月5日)期间降水量为19.1 mm，小麦全生育期有效降水量为193.2 mm，较常年146.1 mm增加47.1 mm。

翌年于2012-10-15播种，2013-06-05收获。2013-03-23 W1、W2处理浇拔节水并追施氮肥72 kg·hm-2，5月1日W2处理浇开花水。降水量以W1处理对照品种‘周麦18’为例，拔节(3月25日)之前降水量为41.3 mm，拔节至抽穗(4月25日)期间降水量为14.1 mm，抽穗至开花(4月29日)期间未降雨，开花期至籽粒形成期(5月10日)降水量为6.2 mm，灌浆期(5月11日至5月30日)降水量为50.3 mm，主要集中在灌浆后期，籽粒成熟期总降雨量为0.3 mm。小麦全生育期有效降水量为112.0 mm，较常年146.1 mm减少34.1 mm。

于2013年秋将品种‘周麦23’和‘周麦24’ 播于河南省新乡市孟庄镇高村进行大田示范，示范田面积2 hm2，每品种1 hm2，连片种植。2013-10-10播种，2014-06-01收获，并测算实产，以13%质量含水量计算实际产量。调查周围农户地块产量三要素及产量。

1.2测定项目与方法

1.2.1产 量各小区分区收获，脱粒测产，测定千粒质量。

1.2.2水分利用效率采用段爱旺等[3]的方法，测播种前和收获后2 m土层内含水量。分层取土，每20 cm一层，用烘干称量法测定。

记录每次灌水量、生育期内降水量，按下式计算农田耗水量。

水分利用效率计算：WUE=Y/ET1-2

式中，WUE是产量水平的水分利用效率，单位为kg·hm-2·mm-1; Y为作物产量，单位为kg·hm-2，ET1-2为作物生育期总耗水量，单位为mm。

1.2.3生育时期调查各品种抽穗期、扬花期、成熟期。

1.2.4种子根数播种前各品种以砂培法进行发芽，发芽后5～6d，待第1片绿叶长出后，调查10粒种子根数。

1.2.5株高成熟期每小区取长势均匀的5株小麦，带根收获后测量株高。

1.3数据处理

采用SPSS20软件对试验数据进行统计分析。方差分析采用随机区组的单因素方差分析，多重比较采用Duncan’s法，聚类分析采用系统聚类法，品种间的相似性测度采用欧式距离。

2结果与分析

2.1不同小麦品种生长发育差异分析

作为冬小麦抗旱育种及节水栽培品种选择的重要参考指标，生育时期在本试验不同品种间表现出明显的特异性。以W1处理为例，2a‘新麦208’均表现为抽穗、扬花、成熟早。抽穗比最迟品种‘洛旱7号’早5～6d；扬花比最迟品种‘郑7698’‘百农160’等早4d；成熟比最迟品种‘周麦24’早5d。干旱导致成熟期提前。通过比较2a中3种灌水模式下不同品种平均生育时期发现，与W0处理相比，W1处理抽穗期迟2.6d，扬花期迟1.9d，成熟期迟2.6d；W2处理抽穗期、扬花期与W1处理相当，成熟期较W1处理迟1.2d。

种子根数是小麦品种抗旱特性的重要参考指标。由表1可以看出，本试验中‘豫教5号’‘矮抗58’‘新麦26’等品种的种子根数较多， ‘洛麦23’种子根数最少。

株高是小麦重要的农艺性状，影响植株的蒸腾作用及收获指数，与品种的抗旱节水性有一定关系。本试验中不同小麦品种间株高差异较大(表1)，株高最大品种和最小品种分别是‘洛旱7号’‘矮抗58’，株高最多相差25.63cm。

表1　不同小麦品种种子根数与平均株高

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

Note：Different lowercase letters mean significant difference (P<0.05),the same as below.

2.2试验产量方差分析

对试验产量进行方差分析表明(表2)，2 a品种间差异均达极显著水平(P<0.01)。2012年灌水处理之间产量差异不显著(P>0.05)，灌水与品种互作在各处理间差异显著(0.01

表2　产量方差分析

2.3不同小麦品种平均籽粒产量及耗水特性差异分析

比较不同小麦品种平均籽粒产量(图1)可知， 不同小麦品种的籽粒产量存在明显差异。‘周麦24’平均籽粒产量最高( 6 739.17 kg·hm-2)，‘新麦18’籽粒产量最低(5 783.83 kg·hm-2)，两者差异达17%。

由图2可知，不同小麦品种平均耗水量也存在明显差异，但变化范围不大，为404.12～412.99 mm，差异仅2.2%。其中耗水量较大的是‘周麦22’‘新麦208’‘周麦18’‘众麦1号’，耗水量均在411 mm以上。耗水量较小的是‘新麦18’‘新麦26’，耗水量分别为404.12 mm和404.78 mm。

L7. 洛旱7号Luohan 7；L21. 洛麦21 Luomai 21；L23. 洛麦23 Luomai 23；Z7698. 郑7698Zheng 7698；X18. 新麦18Xinmai 18；X26.新麦26 Xinmai 26；X208. 新麦208Xinmai 208；Z22. 周麦22Zhoumai 22；Z23. 周麦23Zhoumai 23；Z24. 周麦24Zhoumai 24；A58. 矮抗58Aikang 58；B160. 百农160Bainong 160；Y5. 豫教5号Yujiao 5；K20. 开麦20Kaimai 20；Z1. 众麦1号Zhongmai 1；Z18. 周麦18Zhoumai 18，下同The same as below

图1不同小麦品种平均籽粒产量

Fig.1Average grain yield of different wheat varieties

从图3 可知, 不同小麦品种平均WUE也存在明显差异，最高的是‘周麦23’(16.64 kg·hm-2·mm-1)，其次是‘周麦24’‘豫教5号’‘洛麦21’，分别是16.63、16.23、16.21 kg·hm-2·mm-1。WUE最低的是‘周麦22’(14.33 kg·hm-2·mm-1)，其次是‘新麦18’和‘百农160’,分别为14.54和15.02 kg·hm-2·mm-1。

图2　不同小麦品种平均耗水量

2.4灌水对小麦平均产量、耗水量和WUE的影响

由图4可以看出，从产量看，2012年平均产量表现为W0>W1>W2，3个处理间籽粒产量差异不显著，2013年平均产量则表现为W2>W1>W0，W0与W1、W2处理间籽粒产量差异极显著，W1与W2处理间差异不显著。各品种不同灌水处理平均耗水量2 a均表现为W2>W1>W0。 W2处理平均耗水量最大，比W0处理耗水量高出26.6%。从WUE看，2012年3个处理表现为W0>W1>W2，2013年3个处理表现为W1>W2>W0，W1与W2、W0差异显著，W2与W0之间差异不显著。灌1水较灌2水显著提高水分利用效率。

籽粒产量、耗水量、WUE的相关分析(表3)表明，2012年和2013年，籽粒产量与WUE呈极显著或显著正相关，耗水量与WUE呈极显著或显著负相关。2012年耗水量与籽粒产量负相关，2013年耗水量与籽粒产量呈显著正相关。综合2 a 结果，籽粒产量越高，WUE越高，在丰水年(2012年)耗水量增加对籽粒产量增加无益，在缺水年(2013年)增加灌水量可以显著增产。

图3　不同小麦品种平均WUE

不同大、小写字母分别表示差异极显著(P<0.01)、显著(P<0.05)。

Different capital and lowercase letters mean significant difference at 0.01 and 0.05 levels, respectively

图42012、2013年不同处理小麦平均籽粒产量、平均耗水量、WUE

Fig.4Average yield,water consumption andWUEof different treatment in 2012 and 2013 respectively

表3　耗水量、产量和WUE相关分析

注：表中所列相关系数为Spearman相关系数，*与**分别表示在0.05与0.01水平(双侧)上显著相关。

Note：Spearman correlation indexes were listed in the table,* and ** mean significant correlation at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

2.5不同小麦品种的产量、耗水量和WUE在不同灌水处理中的差异

由表4可知，比较2012年度参试品种的产量，W0处理中产量较高的品种是‘周麦24’‘洛旱7号’，产量较低的是‘矮抗58’‘周麦22’。W1处理中产量较高的品种是‘周麦24’‘新麦208’‘洛麦23’，其次是‘豫教5号’‘周麦23’‘洛麦21’。W2处理中产量较高的品种是‘新麦208’‘周麦23’，产量较低的品种是‘百农160’‘郑7698’‘周麦18’。在2012年度气象条件下，‘周麦24’在W0和W1处理中产量最高，在W2处理中仅次于‘新麦208’和‘周麦23’。‘矮抗58’和‘周麦22’在W0和W1处理中产量均较低，这是由于该年度‘矮抗58’大面积感染纹枯病，而‘周麦22’倒伏严重，造成减产。随着灌水量的增加，耗水量增加而品种间耗水量差异减小，产量降低，WUE降低。在W0处理中不同品种耗水量为329.35～363.15 mm，耗水量最大的品种是‘周麦18’，其次是‘众麦1号’‘开麦20’，耗水量最小的是‘新麦18’‘新麦26’‘周麦18’耗水量，比‘新麦18’多10.26%；在W1处理中的耗水量为415.67～432.13 mm，耗水量最大的品种仍是‘周麦18’，耗水量最小的是‘洛旱7号’‘周麦18’，比‘洛旱7号’耗水量多3.96%；W2处理中的耗水量为488.32～494.24 mm，耗水量最大的品种是‘周麦24’，其次是‘周麦23’，耗水量最小的是‘新麦18’。W0处理中不同品种的WUE为16.93～20.73 kg·hm-2·mm-1，‘新麦26’最高，‘周麦22’最低。W1处理中不同品种的WUE为14.09～16.24 kg·hm-2·mm-1， ‘洛麦21’最高，‘众麦1号’最低。W2处理中不同品种的WUE为11.24～14.47 kg·hm-2·mm-1，‘新麦208’最高，‘百农160’最低。

表4　2012年不同灌水模式下不同小麦品种产量、耗水量和WUE

由表5可知，2013年大多数品种随着灌水量(灌水次数)的增加产量增加，表现为W2>W1>W0，仅‘洛旱7号’和‘郑7698’的产量表现为W1>W2>W0。少数品种，如‘新麦208’‘周麦22’‘周麦23’‘矮抗58’平均产量在不同灌水处理间差异不显著。从同一灌水处理对不同小麦品种的产量影响分析可知，各品种间存在显著差异(P<0.05)，‘矮抗58’在W1、W2处理中产量都最高，‘众麦1号’在W0处理中产量最高，其在W1、W2处理中产量仅次于‘矮抗58’。‘洛麦21’‘周麦24’‘周麦23’3个品种在W0、W1、W2处理中产量较高，且均与产量最高的品种差异不显著。‘周麦22’产量在W1、W2处理中产量最低，‘新麦18’‘新麦208’产量在3种灌水处理中均为较低水平。在W0处理中不同品种耗水量为327.91～353.68 mm，耗水量最大的品种是‘周麦23’，其次是‘周麦24’‘新麦208’‘周麦22’，耗水量最小的是‘周麦18’‘众麦1号’；在W1处理中的耗水量为381.29～419.43 mm，耗水量最大的品种是‘众麦1号’耗水量最小的是‘开麦20’；W2处理中的耗水量为428.63～444.64 mm，耗水量最大的品种是‘周麦22’，耗水量最小的是‘周麦23’。‘周麦23’与‘周麦24’在W0处理中耗水量较大，在W2处理中耗水量较小。从灌水处理对不同小麦品种的WUE影响可知，大多数小麦品种的WUE在3个灌水处理间基本表现为W1>W0>W2，‘新麦26’‘开麦20’‘众麦1号’3个品种的WUE表现为W0>W1>W2。说明对于参试品种而言，在2013年度气象条件下，灌2水处理虽然有提高产量的作用，但明显造成水分冗余，降低水分利用效率。‘郑7698’‘周麦24’‘豫教5号’3个品种的WUE表现为W1>W2>W0，其他13个品种的旱作处理W0的WUE均高于W2处理，说明一定程度的水分胁迫可以提高作物的WUE。‘矮抗58’‘周麦23’‘众麦1号’的WUE在3种灌水处理下都维持较高水平，‘新麦18’‘周麦22’‘新麦208’在3种灌水处理中WUE都处于较低水平。

表5　2013年不同灌水模式下不同小麦品种产量、耗水量和WUE

2.6不同小麦品种水分利用特性的相关指标的聚类分析

对16个小麦品种的2 a中3种灌水处理的平均产量、耗水量、WUE进行聚类分析，结果如图5，系统聚类法的柱形图距离越大，品种间的产量和WUE差异越大。

从聚类分析结果可以看出，在欧式距离为5时，16个小麦品种大致聚为4个类。第1类是‘周麦23’、‘周麦24’，这2个品种产量高，耗水量中等，WUE最高，是节水超高产类。第2类是‘矮抗58’等8个品种，这类品种产量较高，平均为6 307.70～6 606.88 kg·hm-2，耗水量有高有低，WUE较高，包括‘矮抗58’‘众麦1号’‘新麦208’‘豫教5号’等，是高产类。第3类是‘周麦18’等4个品种，这类品种产量中等，WUE中等，是节水稳产类。第4类是‘新麦18’和‘周麦22’，这类品种产量较低，WUE较低，是中低产类。

2.7大田示范

根据2 a试验结果，确定‘周麦23’和‘周麦24’为豫北地区抗旱节水高效示范推广品种。示范田仅在拔节期灌1水，与周围农户地块产量三要素及产量对照见表6。

由表6可以看出，2014年度‘周麦23’‘周麦24’在只灌1水的情况下产量三要素协调，高于普通农田灌2水的其他品种，增产幅度最大达22.4%，在保证高产的基础上节约用水量。

图5　16个小麦品种WUE相关指标的聚类分析

3讨论与结论

Zhang等[22]认为WUE与产量呈正相关, 种植具有较高产量潜力的品种是提高水分利用率并达到节水效果的一种有效途径。本研究中WUE与产量呈显著相关，与该结论相同。但在自然降水较充足的年份(2012年)增加灌水降低WUE，因此，种植高产品种与适当限量灌水是提高水分利用效率的两个必要条件。董宝娣等[23]认为旱地品种一般在不灌溉条件下WUE较高，而水地品种则一般在充分灌溉(返青后灌水2～3次)条件下，WUE和籽粒产量协同达到最优。本研究中，2012年所有品种籽粒产量和WUE均表现为随着灌水量增加而降低，其中旱地品种‘洛旱7号’在不灌溉条件下(W0)WUE仅次于‘周麦24’，居第2位。2013年旱地品种‘洛旱7号’和‘郑7698’的籽粒产量随着灌水量的增加先增加后减少，在不灌溉条件下(W0)籽粒产量较低，导致WUE较低，这与董宝娣等[23]所得结论有所不同。所以无论是旱地品种还是水地品种，需要以提高籽粒产量为前提，控制灌水才能提高WUE。

表6　节水品种与普通品种产量比较

近几年来，‘周麦22’因产量结构合理、高产潜力大被频繁用作高产创建示范品种。王映红等[24]研究表明，在灌3水条件下‘周麦22’产量可达7 984.95 kg·hm-2，推荐其作为黄淮麦区节水高产品种。而本研究中该品种并未表现出节水高产特征，其在2 a中3种灌水处理中产量均低于绝大多数品种，推测可能是由于该品种2012年度的病害和2013年度倒伏造成减产。

16个小麦品种的成熟期和株高表现出明显的特异性，成熟期相差5～6 d，株高相差25 cm以上，种子根数的品种特异性不明显。这主要与不同小麦品种的遗传背景有关[25]。随着灌水量(灌水次数)的增加，大多数品种的产量均呈增加趋势，但WUE并不是随着灌水量的增加而增加。本研究中灌2水处理平均耗水量最大，但WUE最低，灌1水不仅能获得较高产量而且WUE最高，这与王德梅等[26]研究适量灌溉处理(拔节水+开花水)的产量和水分利用效率均高于灌水量多的处理(冬水+拔节水+开花水+灌浆水)的研究结果一致。由于豫北地区多数年份小麦生育期内也有一定量的自然降水，即使是在缺水年(2013年)，灌1水处理也能获得较高的产量，水分利用效率最高。

综合以上结果，以小麦籽粒产量和水分利用率为指标, 16个参试小麦品种分为节水高产类、节水稳产类、高产类和中低产类4大类。‘周麦23’‘周麦24’是节水高产品种，年度间产量表现稳定，可在豫北地区扩大种植，提高区域小麦产量和水分利用效率。‘矮抗58’‘众麦1号’‘新麦208’‘豫教5号’等品种具有较好的高产潜力，但在实际生产中应注意防治病害和倒伏，保证稳产。‘洛旱7号’‘郑7698’在生产中应控制水分，少量灌溉。豫北平原最佳灌水模式为拔节期灌水80 mm左右。

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Received 2014-07-09Returned2014-12-29

Foundation item China Agriculture Research System (No.CARS-03)；Henan Provincial Significant Science and Technology Special Project (No.121100111500).

First authorYANG Lijuan, female, assistant research fellow. Research area:wheat breeding. E-mail:tansuozhongguo@163.com

(责任编辑：史亚歌Responsible editor:SHI Yage)

Screening and Application of Wheat Varieties with High Efficienty and Wate-saving

YANG Lijuan, JIANG Zhikai, SHENG Kun, WANG Yinghong and ZHAO Zongwu

(Institute of Xinxiang Agriculture Science, Huixian Henan453600, China)

AbstractIn order to identify drought-tolerant wheat varieties, field experiments were carried out during 2011-2013 with 3 irrigation rates (including no irrigation, 80 mm during shooting phase, 80 mm during shooting phase and 80 mm during flowering phase, expressed as W0, W1, W2, respectively). 16 local winter wheat cultivars were evaluated based on growth, yield, evapotranspiration (ET) and water use efficiency(WUE). The result showed that, growth, yield, ET and WUE were significant different among cultivars. Cluster analysis based on average yield, ET and WUE in 2 years indicated that 16 cultivars could be classified into 4 groups: super high yielding and water saving group, represented by ‘Zhoumai 24’; high yielding group, represented by ‘Aikang 18’; stable yield and water saving group, represented by ‘Xinmai 26’; low-middle yielding group, represented by ‘Zhoumai 22’. W1 got higher yield and the highest WUE. ‘Zhongmai 23’ and ‘Zhongmai 24’ were outstanding in yield and WUE, therefore, both of them were recommanded the varieties characterized as water saving and high yield for northern Henan.The field demonstrations of ‘Zhongmai 23’ and ‘Zhongmai 24’ during 2013-2014 got significantly higher yield and water saving effect.

Key wordsWinter wheat; Yield; Water use efficiency

收稿日期：2014-07-09修回日期：2014-12-29

基金项目：现代农业产业技术体系建设专项(CARS-03)；河南省重大科技专项(121100111500)。

通信作者：蒋志凯，男，研究员，研究方向为小麦育种。E-mail：13598623179@126.com

中图分类号S512.1+1；S274.3

文献标志码A

文章编号1004-1389(2016)04-0508-10

Corresponding authorJIANG Zhikai, male, research fellow. Research area:wheat breeding.E-mail:13598623179@126.com

网络出版日期：2016-04-02

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20160402.1111.010.html

第一作者：杨丽娟，女，助理研究员，研究方向为小麦育种。E-mail：tansuozhongguo@163.com