影响北方白菜型冬油菜主要农艺性状变异的气象因子分析

金姣姣，侯献飞，李强，贾东海，顾元国，王轩，曾瑞，蒲媛媛，武军艳，方彦，李学才，马骊，刘丽君，孙万仓*

(1. 甘肃农业大学农学院，甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃省油菜工程技术研究中心，甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室， 兰州 730070；2.新疆农业科学院经济作物研究所，乌鲁木齐 830091)

农作物的农艺性状和经济性状因生态条件而异，除受遗传因子调控外，环境因素具有重要影响。智锐等[1]研究发现，影响荞麦产量的主要气象因子是日照时数，其次是温度和降水。田志会等[2]研究表明，降水量与大豆的单株结荚数呈显著正相关。袁钧等[3]研究发现，积温与大豆株高负相关，与产量正相关。冉法芬等[4]发现，降雨量与旱地棉的铃重和株高关系密切。陈宝芳等[5]研究指出，最低气温与泰山四叶参产量形成的关联度大于降雨量，但是皖南烟草成熟期降水集中将不利于烟叶成熟落黄[6]。临汾冬小麦千粒重与平均气温、降水量、平均最低气温以及相对湿度均具有相关性[7]，不同积雪厚度对冬小麦越冬有明显影响[8]。通过人工气候实验室研究表明，高温和低温均会使小麦产量下降[9-11]。李祥[12]研究发现，降雨量、高温、辐射和气温大于25 ℃天数对长江中下游油菜产量影响最大，其中早熟油菜品种的产量主要受累积日照时数影响，而积温对中熟品种的产量构成因素影响最大。徐亚丽[13]研究表明，全生育期总积温、降水量、日最高气温和日最低气温与油菜生物量和籽粒产量呈正相关，籽粒产量与总积温、降水总量和日最低温度呈显著负相关。

白菜型冬油菜的成功北移使其成为我国北纬35°以北地区继冬小麦之后的一种新的冬季作物，提高了复种指数与经济效益，解决了裸露农田的风蚀问题，具有重要生态效益[14-15]。但北方冬油菜农艺性状因试点间气象因素不同而有较大变化，对产量潜力的提升和经济效益造成了不利影响，而有关气象因子对冬油菜农艺性状的影响鲜有报道。研究并分析气象因子对部分冬油菜农艺性状的影响，在选择适宜的品种、采取适宜的栽培技术以及品种改良等方面具有重要意义。为明确我国冬油菜农艺性状在纬度梯度上的差异，本研究选取新疆不同纬度的3个试点，分析6个抗寒性不同的白菜型冬油菜的农艺性状差异，以及气象因子对农艺性状的影响，为北方白菜型冬油菜品种改良及栽培技术提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取6份不同抗寒等级的白菜型冬油菜(BrassiarapaL.)为试验材料，材料名称及来源见表1。

表1 试验材料Table 1 Tested varieties of winter rapeseed

1.2 试验地点

研究设新疆自治区阿勒泰市、乌鲁木齐市和喀什市3个试点，各试点生态条件见表2。

1.3 田间管理

根据试点气候条件和常规种植管理方式，于每年9月前后，采用完全随机区组设计，进行白菜型冬油菜大田播种，行距10 cm，株距20 cm，小区面积20 m2，重复3次。生长期间，按照常规管理措施进行施肥除草。

1.4 测定指标及统计方法

1.4.1越冬率 分别在冬前枯叶期和冬后返青期统计小区植株存活苗数，计算越冬率。

越冬率=(冬后苗数/冬前苗数)× 100%

1.4.2农艺性状 成熟期在每个小区随机取植株20株，测定株高、主花序角果数、单株角果数、角粒数和千粒重。

表2 试点主要气象因子和环境因子(2008—2013年平均数据)Table 2 Climatic and environmental factors of pilot locations(mean value from 2008 to 2013)

1.4.3气象数据 气象因子包括积雪天数、年降雨量、最大积雪厚度、年相对湿度、最冷月平均最低气温、地面极端低温、负积温等，数据均来源于新疆农业科学院经济作物研究所及《北方冬油菜北移与区划》[17]。

1.4.4统计分析方法

(1)变异系数法

(2)贡献率分析

对气象因子与各个农艺性状的原始数据按行排列成矩阵X，对X进行标准化处理，使其均值变为0，求得X的协方差矩阵C，将特征向量按特征值由大到小排列，取前K个按行组成矩阵P，通过公式Y=PX，得到降维后的数据Y，计算贡献率Vi=Yi/(Y1+Y2+Y3+……)。Vi>0为正贡献率，Vi<0为负贡献率。一般认为，累积因子反映了主导因子，当累积贡献率超过85%，且其后某一因子的贡献率低于5%时不再累积[18]。

(3)适定性参数法

适定性参数ai值是品种对环境的反应参数，品种最理想的适定性参数值为1，越接近1，表示该品种对环境适应性良好[20]。以|ai-1|≤0.1作为标准；若|ai-1|≤0.1，说明此品种自身调节能力强，既能有效利用环境，也能被不利环境大幅度影响，若|ai-1|≥0.1，一方面ai过小表明该品种对环境反应迟钝，即在不同环境中差异小且稳定性好，不能有效利用优良环境，反之ai过大表明该品种对环境反应敏感，即在不同环境中差异大而且稳定性差，既能充分利用有利环境，也受不利环境影响严重[21]。

1.5 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2010 和 SPSS 22.0 进行统计分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 不同试点及品种间白菜型冬油菜越冬率

由图1可见，3个试点间，参试材料的平均越冬率随纬度升高而降低，喀什试点平均越冬率最高，为86.03%，其次是乌鲁木齐试点，为79.47%，在阿勒泰试点平均越冬率最低，为61.70%。

注：不同小写字母表示同一试点不同品种间差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note: Different lowercase letters of the same pilot location indicate statistically significant differences between different varieties at P<0.05 level.图1 不同试点及品种间冬油菜的越冬率Fig.1 Overwintering rates of winter rape of different varieties in different pilot locations

参试材料间越冬率差异也较大，陇油6号、陇油7号和陇油8号的平均越冬率分别为87.14%、86.79%和80.93%，显著高于天油7号、天油4号和天油2号(越冬率分别为70.48%、65.74%和63.32%)(P<0.05)。参试材料越冬率的变异系数以陇油7号较小，为6.13%，其次是陇油6号和陇油8号，分别为6.63%和13.41%；天油2号、天油4号和天油7号变异系数较大，分别为15.83%、23.40%和26.21%。

在平均越冬率最低的阿勒泰试点，也有越冬率较高的参试材料，如陇油6号、陇油7号和陇油8号平均越冬率分别为82.63%、82.63%和65.83%，天油2号、天油4号和天油7号越冬率分别为54.70%、44.43%和39.97%；乌鲁木齐试点，陇油6号、陇油7号和陇油8号平均越冬率分别为83.49%、83.43%和86.06%，天油2号、天油4号和天油7号越冬率分别为78.25%、72.58%、和73.00%。

2.2 不同试点间与品种间的主要农艺性状差异

由表3可知，阿勒泰、乌鲁木齐和喀什试点农艺性状差异显著。阿勒泰和乌鲁木齐试点的农艺性状均极显著优于喀什试点(P<0.01)，其中株高在阿勒泰和乌鲁木齐试点分别为143.52和141.20 cm，喀什试点为124.98 cm；主花序角果数在阿勒泰和乌鲁木齐试点分别为51.12和46.55，喀什试点为33.53；单株角果数在阿勒泰和乌鲁木齐试点分别为281.00和287.50，喀什试点为145.23；阿勒泰试点角粒数也显著优于乌鲁木齐与喀什试点(P<0.01)。

表3 不同试点白菜型冬油菜的农艺性状Table 3 Agronomic traits of winter rapeseed in different pilot locations

由表4可知，品种间农艺性状差异也达到显著水平(P<0.05)。阿勒泰试点，陇油8号的株高、单株角果数和主花序角果数显著高于其他品种，分别为159.70 cm、340.00个和54.60个，陇油6号、陇油7号和天油2号的综合性状也优于天油4号和天油7号；乌鲁木齐试点，陇油6号、陇油7号、陇油8号和天油2号的株高显著高于天油4号和天油7号，为141.60～146.50 cm，其他性状也优于天油4号和天油7号；喀什试点，陇油7号、陇油6号的农艺性状均优于其他品种。

表4 不同试点不同品种的主要农艺性状Table 4 Main agronomic characters of different varieties in different pilot locations

续表Continued

2.3 越冬率及气象因子对农艺性状的影响

由表5可知，农艺性状与最大积雪厚度、积雪天数和年降雨量正相关，与最冷月平均最低气温、地面极端低气温等均负相关。其中，角粒数和主花序角果数与积雪天数相关性达到极显著或显著水平，相关系数分别是0.980和0.870；角粒数、单株角果数和主花序角果数与年降雨量相关性达到显著水平，相关系数分别为0.906、0.845和0.812；角粒数和主花序角果数与地面极端低温相关性达到极显著或显著水平，相关系数分别为 -0.933 和-0.884。角粒数与所有气温相关因子均呈显著负相关关系。

越冬率对农艺性状具有正效应，与所有农艺性状均呈显著或极显著正相关性。

表5 越冬率和气象因子与农艺性状的相关性分析Table 5 Correlation analysis of overwintering rate, meteorological factors and agronomic characteristics

2.4 气象因子对农艺性状的贡献率分析

气象因子对农艺性状的贡献率分析结果(表6)表明，积雪天数、年降雨量和最大积雪厚度对农艺性状的累积贡献率达0.877，其中，积雪天数贡献率为0.630，年降雨量和最大积雪厚度贡献率分别为0.181和0.066；对冬油菜农艺性状产生负效应气象因子中，累积贡献率超过0.85的因子贡献率由大到小依次是：最冷月平均最低气温(-0.725)、地面极端低温(-0.052)、负积温(-0.049)和年均气温(-0.045)。

表6 农艺性状适定性分析Table 6 Adaptive analysis of agronomic traits

2.5 白菜型冬油菜农艺性状的适定性分析

对农艺性状进行适定性分析，结果(表7)表明，千粒重变异系数最小，为5.86%，其次是株高和角粒数，变异系数分别为6.23%和12.63%，单株角果数变异系数最大，为28.25%；参试品种中，陇油7号农艺性状的变异系数较小，在0.11% ～ 15.93%之间，其次是陇油6号，为3.90% ～ 27.66%，天油2号和天油7号农艺性状的变异系数较大，稳定性较差。

根据适定性分析|ai-1|≥0.1，ai过小时表明该品种在不同环境中差异小且稳定性好，反之，ai过大表明该品种在不同环境中变异大且稳定性差[21]。结果(表7)表明，参试材料中，陇油7号和陇油6号农艺性状的适定性参数均较小，其中陇油7号株高、主花序角果数和角粒数的适定性参数值分别为0.01、0.49和 0.71，陇油6号株高、主花序角果数和角粒数的适定性参数值分别为0.48、0.87和 0.63，均小于陇油8号、天油2号、天油4号和天油7号。因此，陇油6号和陇油7号的农艺性状受环境影响小，表现稳定。

表7 农艺性状适定性分析Table 7 Adaptive analysis of agronomic traits

图2 基于农艺性状分析各品种在3个试点的稳定性和适应性Fig.2 Stability and adaptability analysis of each variety in three pilot locations based on agronomic traits

3 讨论

3.1 不同试点农艺性状变化

在北方寒旱区，冬油菜越冬期漫长，极端低温低，抗寒性是保证冬油菜安全越冬和获得高产的首要条件[16,23]，但越冬率对产量的影响主要通过影响农艺性状来实现。研究表明，在新疆地区，随着纬度降低，越冬率增加，农艺性状变劣，如喀什试点平均越冬率最高(86.03%)，但农艺性状较越冬率低的阿勒泰试点(61.70%)差，其原因在于喀什冬季气温高于阿勒泰等试点，受极端低温等气候影响较小，越冬率较高，群体密度大。因此，个体发育受到限制，农艺性状受到影响，而阿勒泰等地受极端低温的影响大，越冬率降低，单位面积群体数量低于喀什，但个体发育充分，有利于形成较优农艺性状[16,24]。吴永成等[25]研究发现，油菜的株高会随着群体密度增大而降低，王竟绍等[26]在冬小麦的研究中也发现类似现象，越冬率降低使得返青后密度减小，有利于表现出较好农艺性状，反之，密度过大会导致小麦穗粒数和千粒重下降。北方冬油菜生产中，较差的农艺性状固然难以获得较好的产量效果，但提高越冬率使密度适当增加，利于群体发育及群体与个体的协调，在一定范围内也可增加产量[27]，而密度过大时个体发育受限制，难以保证较好的农艺性状，密度过小时，过度发育的个体使千粒重等农艺性状降低，也不利于获得高产。因此，生产上应当根据不同的生态条件和越冬率的高低，解决、协调群体与个体发育的矛盾，使得农艺性状适宜，获得较高的经济效益。

3.2 农艺性状的变化及其对气候因子的敏感性

主花序角果数、单株角果数、角粒数和千粒重是决定冬油菜产量的关键因素[28]，而温度和光照是决定作物生长发育状况最关键的因子[24]。周冬梅[20]研究发现，影响冬油菜产量和农艺性状的主要气象因子是≤ 0 ℃负积温、极端低温、最冷月最低温度等。徐克聪等[8]和刘海卿等[16]研究发现，影响冬油菜农艺性状的主要因子是温度，其次是海拔、纬度、越冬率等。本研究表明，千粒重、株高、角粒数、主花序角果数、单株角果数的变异系数分别为5.86%、6.23%、12.63%、17.31%和 28.25%，以千粒重最为稳定，单株角果数变化最大。气象因子对农艺性状的贡献率表明，对农艺性状影响较大的主导负效应气象因子分别为最冷月最低气温、地面极端低温、≤℃负积温和年均气温，累积贡献率达到-0.871，对农艺性状贡献较大的主导正效应气象因子为积雪天数、降雨量和最大积雪厚度，累积贡献率达到0.877。罗丕[29]研究表明，小麦的株高、穗长、穗粒数、千粒重受气象因素影响显著。高辉明[30]在冬小麦中研究表明，在热量条件较好情况下，较强春性的冬小麦，千粒重和穗粒数增加，单位面积产量也相应增加。为保证北方冬油菜获得优良的农艺性状和较高的产量，选择气候条件适宜的生态区种植发展冬油菜、并注重协调群体与个体的矛盾是北方冬油菜生产的重要环节。

3.3 农艺性状的变异与品种选择

研究表明，参试品种对气象因子敏感性有较大差异，陇油6号、陇油7号和陇油8号的平均越冬率显著高于其他品种。参试品种的农艺性状也具有较大差异，其中陇油7号农艺性状的变异系数较小，其次是陇油6号，天油2号和天油7号农艺性状的变异系数较大，稳定性较差；适定性分析表明，不同农艺性状受环境影响程度不同，千粒重变异系数最小，其次是株高和角粒数，单株角果数变异系数最大，抗寒性较强的陇油7号、陇油6号等品种的农艺性状也较抗寒性弱的天油7号等适应性强，受环境影响小。北方冬油菜生产的主要制约因素是低温，不同生态区气候差异大，对品种的要求不同，产量结构也不同。在低温地区，鉴于抗寒性较弱品种的越冬率低、农艺性状变化幅度大的问题[31]，在选择品种时，必须选择越冬率高的强抗寒性品种，否则越冬难以保证，农艺性状得不到合理发育[32]；而在积温较高、越冬率有一定保障的地区，应选用适当早熟、抗寒性弱的品种，栽培上适当晚播或者加大群体等，可保障群体发育一致、早熟，获得较高产量。