1986-2014年临汾降水变化及对旱地小麦农艺性状的影响

刘新月，裴 磊 ，卫云宗 ，张正斌，高辉明，徐 萍

(1.山西省农业科学院小麦研究所，山西临汾 041000； 2.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，河北石家庄 050021)



1986-2014年临汾降水变化及对旱地小麦农艺性状的影响

刘新月1，裴 磊1，卫云宗1，张正斌2，高辉明2，徐 萍2

(1.山西省农业科学院小麦研究所，山西临汾 041000； 2.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，河北石家庄 050021)

为了解过去近30年山西省临汾降水变化对旱地小麦品种农艺性状的影响，利用1986-2014年国家黄淮旱地冬小麦区域试验临汾点的降水和对照品种农艺性状资料，研究其降水和对照品种农艺性状变化规律，并对降水要素和农艺性状进行了相关、多元回归和通径分析。结果表明，该区年降水量有略微的上升趋势，但小麦生育期降水量有略微的下降趋势；播种至越冬期的降水量有增加趋势，但起身至拔节期和抽穗至成熟期的降水量有减少趋势。黄淮旱地区域试验对照品种千粒重和穗粒数逐年缓慢上升，但有效穗数、产量及株高缓慢下降。起身至拔节期降水与株高呈显著正相关，生育期降水量和年降水量与株高、穗粒数呈显著正相关，年降水量与产量呈显著正相关；株高、有效穗和千粒重与产量均呈极显著正相关。千粒重、穗粒数、株高和年降水量是决定产量的四个主要因子，共同决定了产量72%的变异。降水变化对黄淮旱地冬小麦农艺性状变化趋势有较强的影响，选育株高适中、有效穗数较多、千粒重较大的高产抗旱新品种，是黄淮旱地小麦适应未来气候变化进行育种改良的重要方向。

黄淮；旱地；冬小麦；农艺性状；降水

水分是影响冬小麦生长发育的重要环境要素之一，尤其是在小麦生长发育的关键时期，水分对产量的形成起着决定性作用[1]。在旱地农业区，小麦生长发育完全依赖自然降水，其对气候变化的响应更加敏感而突出。干旱缺水是造成小麦单产低而不稳和制约小麦产量进一步提高的首要因素[2-3]。黄淮冬麦区是我国最大的小麦主产区，其中旱地小麦面积近667万hm2，约占全国种植面积的四分之一，该区小麦的丰欠对于国家粮食安全有重要影响。气候变化引起小麦关键生育阶段灾害性天气趋多增强[4-5]，小麦生产的脆弱性增加。随着全球气候的演变，黄淮麦区旱作小麦生产和育种发生了一定的变化，如播种期推迟、中矮秆抗病品种推广面积扩大等[6-7]。尤其是近年来，我国黄淮旱地小麦生育期降水有增多的趋势，部分地区条锈病严重发生，2015年白粉病也对黄淮旱地小麦发生危害。因此，科学分析黄淮旱地冬小麦适应降水变化的品种演变规律，适时调整育种方向，对于保障小麦生产和粮食安全具有重要的意义。研究表明，冬小麦不同生育时段的降水对小麦的产量有不同的影响[8]。小麦生长关键期缺水，会导致其生长发育不良，植株矮小，有效分蘖少，不能正常抽穗结实，严重影响产量[9-10]。在以自然降水为水分主要来源的干旱地区，小麦全生育期内都有可能遭受到干旱胁迫。Nicholls认为，同一地区、同一种作物产量的年际变化主要是由于气候因子的波动造成的[11]。在1981-2010年间，临汾市的年降水量呈平缓略有下降的趋势，在冬小麦生育后期，降水(降水量和降水日数)是影响冬小麦产量的主要因素，尤其是4月份降水量与冬小麦产量呈正相关[12]。降水量对小麦生产的影响与不同生育期的降水分布密切相关，生育前期降水增加有利于小麦产量提高，而后期则会导致一定的减产[13]。模拟研究发现，我国北方地区降水量总体呈上升的趋势，加上热量充足，未来我国北方干旱半干旱地区小麦产量都有增产趋势[14]。国家小麦品种区域试验是小麦品种审定和推广的依据，其对照品种对区域试验的代表性、准确性和客观性具有重要影响，对促进品种更新换代具有指示作用[15-16]。目前在国内外，利用国家区域试验点降水和旱地小麦对照品种农艺性状变化数据，研究品种适应气候变化的报道甚少。本研究利用1986-2014年国家黄淮旱地冬小麦临汾点降水数据和区域试验农艺性状资料，从降水变化影响小麦品种农艺性状的角度来探讨气候变化对黄淮旱地小麦生产及育种方向的影响，揭示黄淮旱地小麦适应降水变化的品种演变规律，以期为今后确定黄淮旱地冬小麦育种方向提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 降水数据来源及处理方法

降水数据来自临汾市气象局，根据1986-2014年冬小麦各生育时期逐日的降水数据整理而得，采用Excel 2003和DPS 14.5软件进行处理分析。

1.2 试验资料来源

试验资料来自1986-2014年设在山西省农业科学院小麦研究所旱地试验场的黄淮冬麦区旱地组对照品种农艺性状调查数据，包括株高、有效穗数、穗粒数、千粒重和产量。这些对照品种均为该地区最具代表性的品种。其中1986-1989年为秦麦3号；1990-1997年为晋麦33号；1998-2014年为晋麦47号[6]。

2 结果与分析

2.1 小麦生育期降水的变化趋势

2.1.1 年降水量和小麦全生育期降水量的变化

近30年来，黄淮旱地年降水量总体上呈略微上升趋势，平均每年上升3.33 mm；小麦全生育期降水量总体上呈略微下降趋势，每个生长季平均下降1.70 mm(图1)。从1986-1993年，年降水量和小麦全生育期降水量变化幅度较大，1994-2005年年降水量和小麦生育期降水量变化相对较小；2006-2014年年降水量和小麦全生育期降水量变化也较大，说明这一阶段小麦生育期气候变化复杂；其中2006-2010年年降水量和小麦全生育期降水量都呈下降趋势，2010-2014年年降水量和小麦全生育期降水量都呈一定的上升趋势。

2.1.2 小麦不同生育阶段降水量的变化

小麦播种至越冬前降水量每个生长季平均上升1.22 mm，越冬期降水量每个生长季平均略微上升0.52 mm，起身至拔节期每个生长季平均下降2.17 mm，抽穗至成熟期每个生长季平均略微下降0.12 mm(图2)。可见，在小麦苗期降水量有逐季略微上升趋势，起身至拔节期逐季明显下降，在生殖生长阶段降水量有逐季略微下降趋势。

图1 1986-2014年年降水量和小麦生育期降水量的变化

图2 小麦不同生长阶段降水量的变化

2.2 黄淮旱地小麦农艺性状和产量的变化趋势

近30年来，黄淮旱地对照品种的千粒重和穗粒数有逐年缓慢上升的趋势，有效穗数、株高和产量有缓慢下降的趋势。其中，1986-1996年对照品种农艺性状变化幅度较大，1997-2007年期间相对平稳，2007-2014变化幅度最大。这与小麦生育期降水量变化趋势基本相同，说明降水变化明显影响小麦农艺性状。

2.3 降水量与小麦农艺性状和产量的关系

相关分析结果(表1)表明，年降水量与小麦株高、穗粒数和产量呈显著正相关，生育期降水量与株高和穗粒数呈显著正相关，起身至拔节期降水量与株高呈显著正相关。

以降水量和农艺性状为自变量，以产量(Y)为因变量进行逐步回归分析。经过分析将生育期降水量(X2)、播种至越冬前降水量(X3)、越冬期降水量(X4)、起身至拔节期降水量(X5)、灌浆至成熟降水量(X6)、有效穗数(X8)因子剔除，留下对产量(Y)影响显著的因子，得出了逐步回归方程：Y=-5 574.63+133.40X10+60.00X9+35.65X7+2.29X1(R2=0.72，F=8.14，P≤0.05)

回归结果表明，千粒重(X10)、穗粒数(X9)、株高(X7)和年降水量(X1)是决定产量的主要因子，它们共同决定了产量72%的变异。依据回归方程，每增加一个单位的千粒重、穗粒数、株高和年降水，产量就分别增加133.40、60.00、35.65和2.29 g，说明千粒重、穗粒数、株高和年降水变化对产量表现出显著的正效应。

表1 降水量与小麦农艺性状和产量的相关分析

X1:年降水量;X2:生育期降水量;X3:播种至越冬前降水量;X4:越冬期降水量;X5:起身至拔节期降水量;X6: 抽穗至成熟降水量;X7:株高;X8:有效穗数;X9:穗粒数;X10:千粒重;Y:产量;*: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 小麦产量与降水量和农艺性状的通径分析

经进一步的通径分析，在黄淮旱地小麦高产育种进化中，不同因子对产量的直接贡献大小依次为株高(0.499)>千粒重(0.430)>穗粒数(0.230)>年降水量(0.173)，且均为正效应(表2)。这说明前期株高和生物量积累对旱地小麦后期光合产物分配即收获指数有重要的决定作用。千粒重和穗粒数是产量构成的两大要素，对决定旱地小麦产量高低起关键作用，并不是我们传统认为，分蘖是决定旱地小麦产量的第一大要素，这可能因为在气候变暖条件下，黄淮旱地小麦由强冬性多分蘖演变成了冬性或半冬性中等分蘖，减弱了分蘖增多对小麦增产的正向贡献，而增加了千粒重和穗粒数对小麦产量的正效应。年降水量对旱地小麦产量也有直接正效应，说明农谚“麦收隔年墒(旱地小麦休闲期7-9月的收后-播前降雨”，“麦收八(月)(播前)、十(月)(冬前苗期)、三(月)(起身拔节期)雨是有充分科学依据的。

表2 降水量与农艺性状对产量的通径分析

3 讨 论

随着全球气候变暖，我国气候变化与全球变化基本保持一致[17-20]。有研究表明，未来我国干旱半干旱地区降雨量将会有增加的趋势[14]。在气候变暖的大背景下，以前的研究主要集中在气温升高、CO2浓度增加等对冬小麦生长发育所带来的影响方面，关于冬小麦如何适应降雨量变化的研究少有报道。FAO研究表明，植物的育种方向需要重新调整以适应未来气候变化[21]。因此，研究黄淮旱地冬小麦适应降水变化的品种演化规律，对于加强我国旱地农业可持续生产具有重大意义。

有研究表明，在中国干旱半干旱地区，气候变化不仅表现在气温升高，且增温主要发生在冬春季节[22-23]，还表现在降雨量增加等方面[24]。本研究表明，从1986到2014年，黄淮旱地临汾点年降雨量呈缓慢增加的趋势，但小麦全生育期的降水量呈缓慢下降的趋势，其结果也符合我国北方气候变化的趋势。但以上研究结果与李国强等[12]关于临汾1981-2010年年降水量有下降趋势的结论不同，可能是因为数据分析时期长短差异导致的年降水量变化不同所引起的，特别是从2010年到2014年临汾年降水量和小麦生育期降水量均明显有增加的趋势，是导致本研究年降水量有增加趋势的主要原因。本研究结果与李圣豪等[25]关于山东省旱地(鲁西北)小麦生育期降雨量变化的结论相反，这可能是因为地理环境差异和数据分析时期长短差异导致的降水量变化不同所引起的。

黄淮旱地(临汾)小麦营养生长阶段前期即苗期降水量有一定的增加趋势，有利于冬季分蘖的形成。起身至拔节期和抽穗至成熟期的降水量有下降的趋势，这两个时期对产量形成均非常重要，尤其是后者，这可能是造成了旱地小麦产量下降的主要因素[26]。

作物育种方向的发展是自然环境和人工因素双重选择的结果。在小麦的实际生产过程中，可以通过适时更换品种以减少环境变化所带来的负面影响，趋利避害，实现资源的高效利用。本研究表明，近30年来，黄淮旱地区域试验对照品种经历三次品种更替，其有效穗数、株高和产量逐渐减少，这一方面说明，随着气候变暖，旱地小麦品种冬性(分蘖能力)有减弱的趋势，是导致黄淮旱地小麦减产的主因。株高降低的原因主要可能是因为随着气候的变暖、地力的提高，高秆品种发育早冬旺长容易遭受冬春冻害，同时容易倒伏而减产，旱地小麦育种也形成了矮秆抗倒的趋势。

一般认为，旱地小麦品种株高和籽粒产量有密切关系，将植株保持在一定的株高内，有利于获得较高的生物学产量，进一步通过花后干物质积累和转运，提高籽粒产量[26]。有研究指出，在干旱环境下，维系较高的株高有利于小麦籽粒灌浆和增加粒重，从而有效补偿因干旱造成的小麦产量的损失[27]。

本研究的相关性分析表明，1986-2014年临汾年降水量和生育期降水量均与株高和穗粒数显著正相关，而株高与产量和有效穗数呈显著正相关，起身至拔节期降水量与穗粒数呈显著正相关达显著水平。多元回归分析表明，千粒重、穗粒数、株高和年降水量决定了产量72%的变异，表明这4个变量可以作为影响对照品种产量的主要因素。通径分析表明，株高对产量的直接贡献最大，为0.499，说明在旱地小麦育种过程中，保持合适的株高和生物学产量，对于产量的形成至关重要。

以上综合表明随着气候变暖，起身至拔节期降水量是决定小麦株高的关键因素，而这一时期的株高是生物产量增多最好的代表性状，为花后干物质积累打下了良好的基础，有利于小麦提早穗发育、穗粒数增多和产量提高。虽然近30年来抽穗到成熟期降水量变化幅度较大，但下降趋势不明显，低温寡照天气少，有利于小麦籽粒灌浆，千粒重提高。因此，在黄淮旱地小麦穗粒数和千粒重有增加的趋势，为保障旱地小麦获得一定高产提供了机遇，是今后旱地小麦高产育种和栽培的主攻方向。

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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

时间：2016-07-07

2016-01-22

2016-03-08

国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目(2011AA100501)；中国科学院战略性先导科技专项(XDA0803010703)；山西省农业科学院育种工程项目(16yzgc044)

E-mail：liu-xinyue@163.com

张正斌(E-mail:zzb@sjziam.ac.cn)；卫云宗(E-mail：weiyzong@163.com )

S512.1；S314

A

1009-1041(2016)07-0933-06

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160707.1531.030.html