河套灌区优质高产小麦品种鉴选

吴 强，韦炳奇，董玉新，张永平

(内蒙古农业大学农学院，内蒙古呼和浩特 010019)

小麦是我国第三大粮食作物，其栽培模式随着种植业结构调整正在从高产走向优质与高产并重的道路。小麦籽粒品质受环境、基因型、栽培措施及其互作的共同影响[1-3]。内蒙古河套灌区因其独特的地理位置和优越的光、热、水资源，是优质中强筋春小麦生长基地。当地主栽品种永良4号产量较高但品质一般，这是基因型与栽培措施共同作用的结果。一般充分灌溉在提升产量的同时会对小麦品质造成“稀释效应”[4]。已有研究表明，适当灌水可以使小麦籽粒产量和品质同步提高，土壤水分过多或过少均不利于籽粒产量的提高，且易导致籽粒营养品质和加工品质下降[5-7]。衡量小麦的籽粒品质可用蛋白质、沉降值、湿面筋、容重、出粉率、面团流变学特性等多项指标[8]，不同指标间信息的干扰，导致优质小麦品种鉴选工作复杂且无统一标准[9]。基于多个品质指标的小麦综合分析评价已有报道[10-11]，但对小麦品质与产量进行综合评价仍无统一界定标准或方法。本研究以24个北方麦区主推春小麦品种为材料，在前期研究[12]的基础上，比较不同灌溉模式对不同小麦品种籽粒品质和产量的影响，以期为河套灌区优质与高产小麦品种的筛选提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年在内蒙古巴彦淖尔市五原县农业技术推广中心试验田进行。试验地为壤土，耕层0～20 cm土壤有机质为23.18 g·kg-1，碱解氮38.93 mg·kg-1，速效磷22.09 mg·kg-1，速效钾127.34 mg·kg-1，pH值7.62。

1.2 试验材料与设计

24个供试小麦品种的名称与编号见表1，均来自于北方各春小麦主产区。试验设常规灌溉(分蘖期+拔节期+开花期+灌浆期灌水4次，每次灌水900 m3·hm-2)和节水灌溉(拔节期+开花期灌水2次，每次灌水900 m3·hm-2)两种灌溉模式。试验采用裂区设计，灌水为主区，品种为副区，共48个处理组合，3次重复。小区面积为12 m2。基本苗为675万·hm-2，行距15 cm。播种时施基肥磷酸二铵300 kg·hm-2，拔节期结合灌水追施纯氮187.5 kg·hm-2，其他栽培管理措施同当地大田小麦。

表1 供试小麦品种的名称与编号Table 1 Name and number of tested wheat varieties

1.3 测定项目及方法

1.3.1 测产及考种

在小麦蜡熟末期，各小区取2 m2样点，单独收获，统计总穗数，晾晒后脱粒测产；取有代表性的50 cm样段进行考种，考察穗长、穗宽、有效小穗数、无效小穗数、地上部干物质重量及穗粒数、千粒重，并计算理论产量及经济系数。

1.3.2 籽粒品质测定

小麦收获后留足籽粒，晾晒后储藏2个月。每处理小区取200 g籽粒，使用近红外(NIR)谷物分析仪(DA7200，瑞典Perten公司)测定籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值、容重、出粉率、吸水率、形成时间、稳定时间、最大抗延阻力、拉伸面积。

1.3.3 统计分析

试验数据采用Excel 2016与SPSS Statistics 25.0软件进行统计分析。产量-品质综合评价的分析过程为先使用SPSS进行主成分分析(以累计贡献率≥85%为原则[13])提取主成分因子，再使用Excel将各主成分得分值与其对应的权重乘积求和[10]，得到品质综合得分Y值；使用SPSS将Y值与产量数值重新标度到0～1的标准化处理后，采用系统聚类分析(测量区间为平方欧式距离，聚类方法为组间联接)得到高产优质类群。

2 结果与分析

2.1 两种灌溉模式对不同小麦品种籽粒品质和产量的影响

由表2可知，灌水模式、品种及其互作对小麦籽粒品质指标和产量的影响均达到极显著水平。稳定时间、拉伸面积、最大抗延阻力及籽粒产量的变异系数较大，吸水率、容重、出粉率的变异系数较小。节水灌溉与常规灌溉模式下，24个品种的产量均值分别为4 371.81 kg·hm-2和5 166.70 kg·hm-2，二者差异达到极显著水平，其中，节水灌溉较常规灌溉模式增产的品种有拉07-0145、宁春50、宁2038、京春9543，分别增产17.14%、14.06%、14.00%、12.65%，龙麦35、龙麦26、宁鉴304、内麦19的减幅分别为5.27%、5.32%、0.14%、5.29%，其余16个品种均减产10%以上。节水灌溉模式下，蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值、面团稳定时间、形成时间、延展性、拉伸面积、最大抗延阻力8项品质指标的均值均极显著高于常规灌溉模式，而容重、出粉率、吸水率3项指标的均值极显著低于常规灌溉模式，节水灌溉较常规灌溉模式平均蛋白质含量提升1.09%，湿面筋含量提升2.38%，沉降值提升3.6 mL。节水灌溉较常规灌溉模式蛋白含量提高的有20个品种，其中，有8个品种的增幅高于10%，分别为巴麦12、龙麦30、农麦2号、宁鉴304、龙麦33、新春29、巴麦13、农麦201，增幅为12.43%、10.41%、23.73%、11.55%、15.28%、14.42%、13.82%、14.62%；有4个品种蛋白质含量降低，分别为龙麦35、京春1205、龙麦26、宁春50，降幅1.33%、1.05%、3.46%、0.93%。湿面筋含量、沉降值在品种间的差异与蛋白质含量的变化规律相似。节水灌溉模式下，产量最高的三个品种分别为拉07-0145、龙麦35、京春1205，蛋白含量居前三位的依次为农麦201、宁鉴304、巴麦13。常规灌溉模式下，产量居前三的品种为拉2577、新春27、京春1205，蛋白含量前三依次为龙麦26、农麦201、宁鉴304。由此可见，同一品种在两种灌溉模式下蛋白含量和产量的表现并不一致，仅以籽粒蛋白含量和产量高低排序来筛选优质高产品种存在不确定性。因此，需要对各项品质指标进行总体分析以综合评价小麦的籽粒品质。

表2 两种灌溉模式下不同小麦品种籽粒品质和产量的差异Table 2 Difference of grain quality and yield of different wheat varieties in two irrigation modes

(续表2 Continued table 2)

2.2 不同小麦品种籽粒品质性状的主成分分析

对小麦11个品质指标进行主成分分析发现，前4个主成分的累计贡献率达91.29%，基本可代表原始品质性状信息(表3)。第一主成分特征值为5.022，贡献率为45.66%，其荷载较大的有蛋白质、湿面筋、稳定时间、形成时间、沉淀值、延展性，对第一主成分均呈正效应，为强筋优质因子。第二主成分特征值为2.869，贡献率为26.08%，其荷载较大的有吸水率、形成时间、容重、拉伸面积、出粉率、最大抗延阻力，对第二主成分均呈正效应，为中强筋优质因子。第三主成分特征值为1.220，贡献率为11.09%，为其荷载较大的有容重、出粉率、拉伸面积、最大抗延阻力，其中容重、出粉率对第三主成分为正效应，拉伸面积、最大抗延阻力为负效应，为中弱筋优质因子。第四主成分特征值为0.930，贡献率为8.46%，荷载较大的正效应指标为吸水率，负效应指标为稳定时间，以此向量作为线性组合系数所得到的综合指标较大时，小麦粉会获得较大的吸水率和较短的稳定时间，符合弱筋优质小麦特征。将各主成分得分值与其对应的权重乘积求和所得到的Y值量化反映了不同供试品种的籽粒品质，分值越高表明综合品质越好。由表4可见，节水灌溉模式下，24个品种中，综合品质表现较好的为宁鉴304、龙麦26和农麦201；常规灌溉模式下，综合品质表现较好的品种为龙麦26、龙麦35和垦九10。总体来看，节水灌溉模式下多数品种的品质表现优于常规灌溉模式。

表3 不同小麦品种籽粒品质性状的主成分分析Table 3 Principal component analysis of grain quality traits in different wheat varieties

2.3 不同小麦品种籽粒品质与产量的综合评价

以籽粒品质综合得分值(Y值)和籽粒产量作为优质高产小麦品种的评价指标，分别对两种灌水模式下的24个品种进行系统聚类分析(平方欧氏距离，Y值与产量数据标准化)。由图1可见，节水灌溉模式下，欧式距离为7时，24个品种可分为6类：第Ⅰ类有9个品种，聚类中心品质评分为-0.196，产量为4 236.96 kg·hm-2，为中产中质型；第Ⅱ类有3个品种，聚类中心品质评分为0.330，产量为3 441.87 kg·hm-2，为低产中质型；第Ⅲ类有3个品种，聚类中心品质评分为1.554，产量为4 920.73 kg·hm-2，为高产优质型；第Ⅳ类有6个品种，聚类中心品质评分为0.192，产量为5 105.17 kg·hm-2，为高产中质型；第Ⅴ类有2个品种，聚类中心品质评分为2.098，产量为4 059.80 kg·hm-2，为中产优质型；第Ⅵ类仅有1个品种，聚类中心品质评分为1.777，产量为2 952.10 kg·hm-2，为低产优质型。由图2可见，常规灌溉模式下欧式距离为7时，24个品种可分为4类：第Ⅰ类有13个品种，聚类中心品质评分为-0.885，产量为5 755.14 kg·hm-2，为高产低质型；第Ⅱ类有3个品种，聚类中心品质评分为2.006，产量为5 304.13 kg·hm-2，为高产优质型；第Ⅲ类有7个品种，聚类中心品质评分为-0.301，产量为4 249.77 kg·hm-2，为中低产中质型；第Ⅳ类只有1个品种，品质评分为-3.420，产量为3 522.8 kg·hm-2，为低产低质型。

综上所述，节水灌溉模式下品质和产量表现均较好的品种为龙麦26、龙麦30、巴麦12号，而常规灌溉模式下龙麦26、龙麦35和垦九10号3个品种表现较好。其中，龙麦26在两种灌溉模式下均表现出优质高产更适宜在河套灌区大面积推广种植，以实现小麦节水、优质、高产目标。

表4 两种灌水模式下不同小麦品种籽粒品质的主成分综合得分值Table 4 Integrated principal component values of 24 wheat varieties in two irrigation modes

图1 节水灌溉模式下24个品种Y值与产量综合聚类分析Fig.1 Clustering chart Y value and yield of 24 wheat cultivars under 2W

图2 常规灌溉模式下24个品种Y值与产量综合聚类分析Fig.2 Clustering chart Y value and yield of 24 wheat cultivars under 4W

3 讨 论

河套灌区是内蒙古自治区小麦主产区，也是我国中、强筋优质小麦适宜生产地带，该区小麦高产、优质、高效持续发展对于保障内蒙古粮食安全、增强商品小麦竞争力具有重要战略意义。然而，河套灌区黄河水资源日益紧缺，且传统小麦栽培中水肥浪费严重。内蒙古农业大学通过多年研究建立了河套灌区春小麦高产节水灌溉模式，即在秋季浇足底墒水基础上，全生育期浇2水亩产达450 kg以上，实现了节水与高产的统一[12]。大量研究表明，水分是影响小麦品质的重要因素，对籽粒贮藏物质含量具有明显的调控效应[14-17]。土壤干旱尤其是灌浆期干旱可以明显促进开花前植株贮存氮素向籽粒的转移，并提高籽粒氨基酸和蛋白质含量，灌浆后期灌水会引起籽粒品质下降[5,18-21]。本试验结果表明，节水灌溉模式下，多数小麦品种的籽粒产量较常规灌溉模式有所降低，但籽粒品质指标却高于常规灌溉模式，这与王月福等[6]、王晨阳等[7]的研究结果基本一致。本试验中，节水灌溉模式下少数供试品种籽粒品质降低，这可能是由其高生理耗水的品种特性决定的。有研究表明[22-23]，适度水分胁迫可提高籽粒蛋白质含量，严重胁迫则使蛋白质含量降低。生理耗水量大的品种在节水灌溉模式下表现为严重水分胁迫，从而导致品质下降。

河套平原灌区当前种植的春小麦品种比较单一，主要以永良4号为主，其产量表现较高，但品质一般。在水资源日趋紧缺的发展态势下，筛选、引进兼具优质、高产和高水分利用效率的优良品种，建立和推行优质专用小麦，保优、增产、节本、增效、标准化技术体系势在必行。本研究采用主成分与聚类分析的评价法进行了优质高产小麦品种的筛选。主成分分析法是一种通过降维消除指标间的相关性、避免重复信息的干扰、将复杂的多个指标化为简单的少数几个综合指标的统计学分析方法[13]，在作物农艺性状以及抗性评价上已有大量报道[24-27]。聚类分析作为一种通过数据建模简化数据，并将样本分为若干相似类群的分类方法，在研究作物品种资源的差异和分类方面已有不少应用[27-28]。主成分与聚类结合的分析方法目前在各类研究[11，29]中并不少见，但通常是两者分开独立进行，各自得到结果后再互相佐证以体现结果的可靠性，是一种评价品质、抗旱性等单一类别性状的可靠分析方法。但不论是品质、抗旱性状表现如何优异，在进行品种筛选及鉴定分类时，都不应该忽略该品种的产量表现，本研究尝试了多种将品质与产量两种不同类型的性状建立联系的办法，最终以聚类分析时将品质与产量各自设定50%权重以得到高产优质类群的效果最佳，这种方法也可应用到抗旱、高产类群筛选。 本研究筛选出的高产优质品种龙麦26号在体现面包烘烤品质特性的沉降值、面团流变学特性[29-30]指标上，均远高于国家一级强筋小麦标准(GB/T 17892-1999)；昝香存等[9]的研究证明龙麦26强筋优质特性，其籽粒产量可达5 300 kg·hm-2以上，在本试验中处于较高水平。上述结果进一步证明了品质-产量综合评价法的可靠性。

综上所述，优质高产小麦品种必须配套良好的栽培措施才能发挥其遗传潜力，因此，进一步深入研究施肥、灌水、播期、密度等栽培措施对小麦籽粒品质的影响，可为河套灌区建立春小麦节水、优质、高产栽培技术体系提供依据。