喬文君,楊 晗,楊 紅,李永鵬,馬玉詔,鐘苑寧,喬勻周,董寶娣

(1.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北石家莊050022;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

河北省地處華北平原北部,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,是我國(guó)小麥主產(chǎn)地之一。由于降水不能滿足小麥生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)水分的需求,為了實(shí)現(xiàn)高產(chǎn),抽提地下水灌溉成為該地區(qū)小麥生產(chǎn)中補(bǔ)充灌溉的主要方式,因此過(guò)度開(kāi)采地下水非常普遍。隨著華北地區(qū)地下水超采問(wèn)題日益受到重視,地下水壓采政策得以實(shí)施,相關(guān)部門(mén)因地、因時(shí)制宜,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制定了用水限額,嚴(yán)格限制農(nóng)業(yè)用水[1-2],對(duì)區(qū)域小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提出了更高要求。

抗旱節(jié)水、高水效品種培育和鑒選是應(yīng)對(duì)缺水問(wèn)題、適應(yīng)地下水壓采政策的重要途徑之一[3]?，F(xiàn)代半干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展不再以產(chǎn)量為單一目標(biāo),需要從全域的角度,在水土資源可持續(xù)利用的前提下合理確定農(nóng)業(yè)發(fā)展方向[4]。如喬文臣[5]認(rèn)為,培育衡育系小麥的核心在于篩選高水分利用效率的品種。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)小麥品種抗旱節(jié)水和水分利用效率的篩選方法和指標(biāo)已做了大量研究?？紫轱w等[6]通過(guò)比較不同小麥品種的產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素、抗旱指數(shù)、節(jié)水指數(shù)等相關(guān)指標(biāo),篩選出了適合在大興區(qū)推廣種植的節(jié)水小麥品種。Fisher[7]和Eberhart等[8]提出了以抗旱系數(shù)作為指標(biāo)篩選抗旱品種。蘭巨生等[9]在抗旱系數(shù)的基礎(chǔ)上建立了抗旱指數(shù),并以此鑒選抗旱節(jié)水小麥品種。隨后,吳振錄[10]提出高水效冬小麥品種鑒選指標(biāo)產(chǎn)量-水分高效利用指數(shù)(YHWUEI)?？傮w來(lái)看,這些以產(chǎn)量或者以產(chǎn)量為單一標(biāo)準(zhǔn)建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)在篩選抗旱節(jié)水高水效品種的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中有較大的局限性,篩選方法未綜合考慮耗水量和水分利用效率,需建立產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率同步使用的篩選方法,以選出真正的高產(chǎn)抗旱、低耗水、高水效的品種。董寶娣[11]根據(jù)不同小麥品種的產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率之間的差異,將19個(gè)品種分為不同類(lèi)型。然而目前與產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率相關(guān)的品種篩選研究仍顯不足,仍缺乏明確的鑒選抗旱節(jié)水、低耗水、高水效小麥品種的方法和指標(biāo),同時(shí)鑒選試驗(yàn)多在盆栽或者旱棚中進(jìn)行[12-13],無(wú)法完全代表田間的實(shí)際情況,以至于能夠用于抗旱節(jié)水高水效品種培育的小麥種質(zhì)資源仍較缺乏。

本試驗(yàn)以河北省境內(nèi)選育的56個(gè)不同產(chǎn)量水平和耗水規(guī)律的小麥品種為材料,進(jìn)行雨養(yǎng)旱作和常規(guī)灌溉處理,研究了不同處理下小麥產(chǎn)量、耗水量、WUE的差異,并對(duì)河北省境內(nèi)培育的小麥品種進(jìn)行了分類(lèi)分析,探討通過(guò)產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率來(lái)鑒選高產(chǎn)、抗旱節(jié)水、高水效小麥品種的可行性,同時(shí)通過(guò)相關(guān)性分析明確了影響小麥產(chǎn)量和WUE的主要農(nóng)藝性狀,以期為小麥的節(jié)水增產(chǎn)和華北地區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站(114°11′ E,37°53′ N,海拔約為50 m)進(jìn)行。試驗(yàn)站位于華北平原北部,屬于半干旱半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),主要種植方式為冬小麥(Triticumaestivum)-夏玉米(Zeamays)輪作一年兩熟,是我國(guó)的糧食主產(chǎn)區(qū)。該區(qū)多年降水量為450～600 mm,降水年際變化較大,季節(jié)分布不均,降水主要集中在7—9月,冬小麥生育期從第一年秋冬持續(xù)至次年6月份,這期間降水較少,僅為80～130 mm,遠(yuǎn)低于小麥全生育期需水量,主要依靠地下水灌溉維持小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。本試驗(yàn)于2019—2020年進(jìn)行,試驗(yàn)期間冬小麥生長(zhǎng)季降水量為75.8 mm,逐天降水量如圖1所示,氣象數(shù)據(jù)來(lái)自于欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站氣象場(chǎng)。試驗(yàn)站地勢(shì)平坦,土壤類(lèi)型為褐土類(lèi)黃土種,播種前試驗(yàn)田有機(jī)質(zhì)含量為1.2%,有效P、N、K含量分別為15、80和150 mg·kg-1,田間持水量為36%(v/v)。

圖1 2019—2020年研究區(qū)域冬小麥生育期降水量和溫度變化Fig.1 Changes of precipitation and temperature during the growing season of winter wheat in the study area from 2019 to 2020

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為56個(gè)不同耗水特性的冬小麥品種(表1),均為河北省選育。

表1 56個(gè)冬小麥供試品種的信息Table 1 Information of the 56 winter wheat varieties tested in the study

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)。其中,主區(qū)為水分,設(shè)置兩個(gè)水分條件,分別為全生育期不灌溉(雨養(yǎng)旱作,W0)和常規(guī)灌溉(灌溉兩次,W2),后者分別在拔節(jié)期(4月8日)和灌漿前期(5月18日)進(jìn)行灌溉,每次灌水量為750 m3·hm-2;副區(qū)為品種,重復(fù)3次,品種經(jīng)隨機(jī)排列后,在重復(fù)間保持一致的田間順序,小區(qū)面積為11.2 m2,品種間設(shè)置0.5 m寬的間隔,不同水分處理間設(shè)置2 m間隔防止相互影響。

試驗(yàn)于2019年10月11日播種,基本苗為270萬(wàn)株·hm-2。播種前底施純N 138 kg·hm-2、P2O5207 kg·hm-2和K2O 37.5 kg·hm-2,肥料采用尿素、磷酸二銨和氯化鉀,施肥后旋耕兩遍。采用小區(qū)播種機(jī)(ZXB-8,元氏縣昊卿農(nóng)機(jī)具有限公司,河北石家莊)播種,行距17.5 cm。除灌水量外,其他管理措施按照當(dāng)?shù)卮筇锾镩g管理進(jìn)行。于2020年6月10收獲。

1.4 測(cè)定指標(biāo)和方法

1.4.1 收獲期測(cè)產(chǎn)與考種

在冬小麥成熟時(shí),分別在試驗(yàn)小區(qū)中選取長(zhǎng)勢(shì)一致的4行小麥?zhǔn)斋@、晾干、脫粒和測(cè)產(chǎn),取樣后用卷尺測(cè)量取樣長(zhǎng)度(1.8～2.2 m),根據(jù)行長(zhǎng)和行距計(jì)算取樣面積,根據(jù)收獲后的籽粒質(zhì)量和取樣面積計(jì)算兩種水分處理下的產(chǎn)量,3次重復(fù)。收獲的同時(shí),在各小區(qū)選取典型且長(zhǎng)勢(shì)一致的完整小麥莖穗20個(gè)進(jìn)行考種,調(diào)查植株高度、穗下節(jié)間長(zhǎng)度、穗長(zhǎng)、小穗數(shù)、不孕小穗數(shù)和穗粒數(shù)。

1.4.2 作物耗水量測(cè)定

在播種前和收獲后,于小麥行間每10 cm一層鉆取180 cm土樣,樣品封裝后帶回實(shí)驗(yàn)室,用烘干法測(cè)定土壤含水量。通過(guò)水量平衡方程[14]計(jì)算作物耗水量(ET)。

ET=SWD+P+I-D+CR-R

式中,SWD指0～180 cm的土壤水分消耗量(mm)(初始土壤貯水量-收獲后土壤貯水量);I為灌水量(mm);D為根區(qū)的排水量;P為降水量(mm);CR為深層水上升到根區(qū)的毛細(xì)上升量;R代表徑流。因?yàn)楣嗨亢徒邓枯^小,不足以滲透到地下180 cm以下,所以D和R可以不計(jì)。由于該試驗(yàn)地地下水位埋深在48 m,所以CR也可以不計(jì)[15-16]。因此,ET公式可以變換為ET=SWD+P+I。

1.4.3 基于產(chǎn)量-水分高效利用指數(shù)(YHWUEI)的品種鑒選方法

DGYI=某品種旱地產(chǎn)量/所有參試品種旱地產(chǎn)量均值;WGYI=某品種水地產(chǎn)量/所有參試品種水地產(chǎn)量均值;YHWUEI=(DGYI+WGYI)/2。吳振錄[10]提出YHWUEI、DGYI和WGYI均大于1.05時(shí)則認(rèn)為該品種為產(chǎn)量-高水效品種。

1.4.4 基于產(chǎn)量、耗水量、水分利用效率(GY-ET-WUE)指數(shù)的品種鑒選方法

本研究在干旱產(chǎn)量指數(shù)(DGYI)和豐水產(chǎn)量指數(shù)(WGYI)基礎(chǔ)上,引入干旱耗水量指數(shù)(DETI)、豐水耗水量指數(shù)(WETI)、干旱水分利用效率指數(shù)(DWUEI)、豐水水分利用效率指數(shù)(WWUEI)。DETI=所有參試品種旱地耗水量均值/某品種旱地耗水量;WETI=所有參試品種水地耗水量均值/某品種水地耗水量;DWUEI=某品種旱地WUE/所有參試品種旱地WUE均值;WWUEI=某品種水地WUE/所有參試品種水地WUE均值;WUE=GY/ET。GY代表冬小麥的產(chǎn)量。WGYI、DGYI、DWUEI、WWUEI、DETI、WETI值越高,表示品種的產(chǎn)量和水分利用效率越高,耗水量越少。高產(chǎn)低耗水高水效品種=(DGYI>1)∩(WGYI>1)∩(DETI>1)∩(WETI>1)∩(DWUEI>1)∩(WWUEI>1)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行整理和分析,使用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的two-way ANOVA(Turkey)進(jìn)行不同處理、不同類(lèi)群間的差異顯著性檢驗(yàn),顯著水平為0.01和0.05。圖表繪制采用Origin Pro 2022軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同冬小麥品種的產(chǎn)量、耗水量和WUE

干旱脅迫對(duì)供試小麥材料的產(chǎn)量和耗水量影響顯著,但對(duì)WUE影響較小(圖2)。雨養(yǎng)旱作處理(W0)下小麥籽粒產(chǎn)量、耗水量和WUE均值分別比常規(guī)灌溉處理(W2)減少29.1%、20.3%和14.3%。

W0:雨養(yǎng)旱作;W2:常規(guī)灌溉。不同大小寫(xiě)字母(A、B、a、b)分別表示兩種水分處理均值在0.01和0.05水平上差異極顯著。W0: Rain-fed and drought; W2:Two irrigation.Different capital and small letters(A,B,a,b) indicate significant difference between two water treatments at 0.01 and 0.05 levels, respeetively.圖2 兩種水分處理下不同冬小麥品種產(chǎn)量、耗水量和WUE的變化Fig.2 Variation in yield, ET, and WUE of different winter wheat varieties under two water treatments

2.1.1 不同冬小麥品種的產(chǎn)量

供試小麥品種間產(chǎn)量存在顯著差異,且雨養(yǎng)旱作條件下品種間產(chǎn)量差異顯著大于常規(guī)灌溉(圖2,圖3)。雨養(yǎng)旱作條件下,所有品種的平均產(chǎn)量為4 697.47 kg·hm-2,品種間變異系數(shù)為14.8%,最高產(chǎn)量(5 830.78 kg·hm-2)為最低產(chǎn)量(2 804.03 kg·hm-2)的2.1倍;常規(guī)灌溉條件下平均產(chǎn)量為6 625.32 kg·hm-2,品種間變異系數(shù)較小(7.6%),最高產(chǎn)量(8 097.94 kg·hm-2)為最低產(chǎn)量(5 662.43 kg·hm-2)的1.4倍。

W0:雨養(yǎng)旱作;W2:常規(guī)灌溉。圖4、5、7同。W0:Rain-fed and drought; W2:Two irrigation. The same in Fig.4, 5 and 7.圖3 兩種水分處理下不同冬小麥品種產(chǎn)量的分布圖Fig.3 Distribution diagram of yield of different winter wheat varieties under two treatments

供試小麥品種表現(xiàn)出一定的抗旱能力和豐產(chǎn)能力(圖3)。在所有供試的56個(gè)品種中,雨養(yǎng)旱作條件下,有35個(gè)品種產(chǎn)量介于4 500～5 500 kg·hm-2之間,占比62.5%;介于5 500～6 000 kg·hm-2之間的品種有5個(gè),占比8.9%,分別是編號(hào)14、18、40、25、26;未見(jiàn)產(chǎn)量高于6 000 kg·hm-2的小麥品種;產(chǎn)量介于3 500～4 500 kg·hm-2之間的品種有12個(gè),占比21.4%;產(chǎn)量低于3 000 kg·hm-2(極低產(chǎn)品種)僅有3個(gè)(占比5.4%)。在常規(guī)灌溉條件下,有41個(gè)品種(73.2%)的產(chǎn)量介于6 000～7 000 kg·hm-2之間,有4個(gè)品種的產(chǎn)量高于7 500 kg·hm-2(編號(hào)7、18、24、28);產(chǎn)量低于6 000 kg·hm-2的品種僅有4個(gè)(占比7.1%)。

2.1.2 不同冬小麥品種的耗水量

品種間耗水量也存在顯著差異,且雨養(yǎng)旱作下品種間耗水量差異小于常規(guī)灌溉(圖2,圖4)。雨養(yǎng)旱作下小麥全生育期平均耗水量為325.05 mm,品種間耗水量最大值比最小值高23.9%;常規(guī)灌溉下小麥全生育期平均耗水量為407.99 mm,品種間耗水量最大值比最小值高31.5%。

供試小麥品種表現(xiàn)出低耗水特性(圖4)。雨養(yǎng)旱作條件下,大部分品種的耗水量介于300～340 mm之間(40個(gè),71.4%);有11個(gè)品種的耗水量介于340～360 mm之間,占比19.6%;只有1個(gè)品種(石麥19)的耗水量超過(guò)360 mm;耗水量極低(<300 mm)的品種有4個(gè)(編號(hào)6、12、20、29)。在常規(guī)灌溉條件下,大部分品種的耗水量介于360～440 mm之間(47個(gè),83.9%),耗水量高于440 mm的品種有6個(gè)(編號(hào)5、8、22、33、34、44),占比10.7%;其中耗水量極低(<360 mm)的品種有3個(gè)(編號(hào)17、18、29),占比5.4%。

2.1.3 不同冬小麥品種的WUE

小麥品種間WUE存在顯著差異,且雨養(yǎng)旱作條件下小麥的WUE顯著小于常規(guī)灌溉(圖2,圖5)。雨養(yǎng)旱作條件下平均WUE為1.45 kg·m-3,品種間最大值(1.77 kg·m-3)為最小值(0.81 kg·m-3)的2.2倍;常規(guī)灌溉下平均WUE為1.70 kg·m-3,最大值(2.09 kg·m-3)為最小值(1.22 kg·m-3)的1.7倍。

圖5 兩種水分處理下不同冬小麥品種WUE的分布圖Fig.5 Distribution diagram of WUE of different winter wheat varieties under two water treatments

供試品種表現(xiàn)出一定的水分高效利用能力(圖5)。在雨養(yǎng)旱作條件下,WUE在1.23～1.65 kg·m-3之間的品種有38個(gè),占全部品種的67.9%;WUE在1.65～1.86 kg·m-3之間的品種有12個(gè),占比21.4%,分別是衡麥系列3個(gè)(編號(hào)12、14、18)、冀麥系列2個(gè)(編號(hào)40、43)、石麥系列3個(gè)(編號(hào)23、25、28)、中信麥系列3個(gè)(編號(hào)19、20、21)和科農(nóng)1223(編號(hào)29);有6個(gè)品種的WUE低于1.23 kg·m-3。在常規(guī)灌溉條件下,WUE在1.52～1.82 kg·m-3之間的品種有38個(gè),占比67.9%;WUE高于1.82 kg·m-3的品種有12個(gè),包括衡麥系列5個(gè)(編號(hào)10、11、12、16、18),編號(hào)4、34、29、24、28、7、19;低于1.52 kg·m-3的品種有6個(gè),占比10.7%。

2.2 高產(chǎn)抗旱節(jié)水高水效冬小麥品種的篩選

2.2.1 基于產(chǎn)量-水分高效利用指數(shù)的冬小麥品種篩選

依據(jù)產(chǎn)量-水分高效利用指數(shù)(YHWUEI)可從供試小麥品種篩選出GY-WH(GY-WUE-high)和GY-WL(GY-WUE-low)兩個(gè)類(lèi)群。其中,GY-WH類(lèi)群為產(chǎn)量-高水效品種組,該組干旱產(chǎn)量指數(shù)(DGYI)、豐水產(chǎn)量指數(shù)(WGYI)和產(chǎn)量-水分高效利用指數(shù)(YHWUEI)都高于1.05;GY-WL類(lèi)群為產(chǎn)量-低水效品種組,該組DGYI、WGYI和YHWUEI都低于0.95(圖6,表2)。

表2 基于產(chǎn)量-水分高效利用指數(shù)劃分的不同類(lèi)群冬小麥的產(chǎn)量、耗水量和WUETable 2 Descriptive statistics about yield, ET, and WUE of different groups of winter wheat screened by YHWUEI

圖6 基于產(chǎn)量-水分高效利用指數(shù)的冬小麥品種類(lèi)群劃分Fig.6 Classification of winter wheat varieties based on YHWUEI

這兩個(gè)類(lèi)群的產(chǎn)量、耗水量和WUE也不同(圖6,表2)。GY-WH類(lèi)群共有8個(gè)品種,占總體品種的14.3%;在雨養(yǎng)旱作及常規(guī)灌溉條件下該類(lèi)群平均產(chǎn)量分別為5 256.43和7 467.03 kg·hm-2,WUE分別為1.68 kg·m-3(1.53～1.77 kg·m-3)和1.93 kg·m-3(1.84～2.09 kg·m-3)。GY-WL類(lèi)群有5個(gè)品種,約占品種總數(shù)的8.9%;在雨養(yǎng)旱作和常規(guī)灌溉條件下該類(lèi)群平均產(chǎn)量、WUE均低于GY-WH類(lèi)群,其中產(chǎn)量分別減少了31.3%和19.0%,WUE分別降低了33.4%和23.6%;該類(lèi)群的耗水量與GY-WH類(lèi)群差異不顯著。

2.2.2 基于產(chǎn)量、耗水量和WUE(GY-ET-WUE)指數(shù)的冬小麥品種篩選

依據(jù)干旱產(chǎn)量指數(shù)(DGYI)和豐水產(chǎn)量指數(shù)(WGYI),可將56個(gè)參試小麥品種劃分為豐水豐產(chǎn)-干旱低產(chǎn)、豐水豐產(chǎn)-干旱豐產(chǎn)、豐水低產(chǎn)-干旱低產(chǎn)、豐水低產(chǎn)-干旱豐產(chǎn)4個(gè)組別,其中可以認(rèn)為豐水豐產(chǎn)-干旱豐產(chǎn)組的品種具備高產(chǎn)抗旱能力(圖7A,表3)。

表3 不同冬小麥類(lèi)群的樣本數(shù)量、節(jié)水特征和品種組成Table 3 Number, traits and variety composition of different winter wheat groups

圖7 基于產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率指數(shù)的冬小麥品種篩選結(jié)果Fig.7 Screening results of winter wheat varieties based on GY-ET-WUE index

依據(jù)干旱耗水量指數(shù)(DETI)和豐水耗水量指數(shù)(WETI),可將56個(gè)參試小麥品種劃分為豐水高耗水-干旱低耗水、豐水高耗水-干旱高耗水、豐水低耗水-干旱低耗水、豐水低耗水-干旱高耗水4個(gè)組別,其中豐水低耗水-干旱低耗水品種可以認(rèn)為具有穩(wěn)定的低耗水特性(圖7B,表3)。

依據(jù)干旱水分利用效率指數(shù)(DWUEI)和豐水水分利用效率指數(shù)(WWUEI),可將56個(gè)參試小麥品種劃分為豐水高水效-干旱高水效、豐水低水效-干旱高水效、豐水高水效-干旱低水效、豐水低水效-干旱低水效4個(gè)組別,其中豐水高水效-干旱高水效組的品種可以認(rèn)為具有較高的水分利用能力(圖7C,表3)。

上述豐水豐產(chǎn)-干旱豐產(chǎn)、豐水低耗水-干旱低耗水、豐水高水效-干旱高水效3個(gè)組別分別有17、19和18個(gè)品種入選,選擇同時(shí)入選這3個(gè)組的品種共有8個(gè),可認(rèn)為其為高產(chǎn)抗旱-低耗水-高水效品種(圖7D,表3)。

從表4可以看出,通過(guò)干旱/豐水產(chǎn)量指數(shù)(DGYI/WGYI)篩選出的高產(chǎn)抗旱組品種的產(chǎn)量在雨養(yǎng)旱作和常規(guī)灌溉條件下分別為5 264.12和7 123.52 kg·hm-2,顯著高于其他品種,其具有穩(wěn)定的高產(chǎn)特性;通過(guò)干旱/豐水耗水量指數(shù)(DETI/WETI)篩選出的低耗水品種的耗水量在雨養(yǎng)旱作和常規(guī)灌溉條件下分別為309.54和383.37 mm,顯著低于其他品種,具有穩(wěn)定的低耗水量特性;通過(guò)干旱/豐水水分利用效率指數(shù)(DWUEI/WWUEI)篩選出的高水效品種的WUE在雨養(yǎng)旱作和常規(guī)灌溉條件下也均顯著高于其他品種,其具有穩(wěn)定高水效的特征;同時(shí)入選這三組的8個(gè)品種的產(chǎn)量在雨養(yǎng)旱作條件下較其他品種平均增加13.5%,耗水量平均降低4.6%,WUE平均增加16.6%,而在常規(guī)灌溉條件下產(chǎn)量平均增加9.9%,耗水量平均降低7.7%,WUE平均增加10.6%。

表4 基于產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率指數(shù)劃分的不同類(lèi)群冬小麥產(chǎn)量、耗水量和WUETable 4 Descriptive statistics about yield, ET, and WUE of different winter wheat groups screened by GY-ET-WUE index

2.2.3 高產(chǎn)抗旱節(jié)水高水效冬小麥品種鑒選

綜合2.2.1、2.2.2部分的篩選結(jié)果,同時(shí)包含于所有組別中的品種有5個(gè)(圖8),分別為衡444(編號(hào)14)、衡H116021(編號(hào)18)、科農(nóng)1223(編號(hào)29)、石麥28(編號(hào)28)和中信麥15(編號(hào)19)。在雨養(yǎng)旱作條件下,這5個(gè)品種的產(chǎn)量均大于5 100 kg·hm-2,耗水量均低于320 mm,WUE均大于1.6 kg·m-3,而在常規(guī)灌溉條件下,產(chǎn)量均高于7 100 kg·hm-2,耗水量均低于400 mm,WUE均大于1.8 kg·m-3,同時(shí)具備高產(chǎn)抗旱、節(jié)水、高水效的特征,可認(rèn)為是高產(chǎn)抗旱-節(jié)水-高水效品種(圖8)。

圖8 高產(chǎn)抗旱節(jié)水高水效冬小麥品種鑒選Fig.8 Screening of winter wheat varieties for drought resistance, water-saving and high WUE

2.3 高產(chǎn)抗旱節(jié)水高水效小麥品種的特征

高產(chǎn)抗旱節(jié)水高水效小麥品種(優(yōu)選組,5個(gè)冬小麥品種)除具有產(chǎn)量高、耗水量少、WUE高等明顯優(yōu)勢(shì)外,其部分農(nóng)藝特征與普通品種也有較大差異。經(jīng)對(duì)56個(gè)品種2個(gè)水分處理的12個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)分析(圖9),雨養(yǎng)旱作條件下,小麥產(chǎn)量指數(shù)與穗下節(jié)長(zhǎng)(r=0.66)、穗粒數(shù)(r=0.66)和株高(r=0.56)均呈極顯著正相關(guān),與不孕小穗數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.58);WUE與穗下節(jié)長(zhǎng)(r=0.60)、穗粒數(shù)(r=0.65)和株高(r=0.44)均呈極顯著正相關(guān),與不孕小穗數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.62)。在雨養(yǎng)旱作條件下,優(yōu)選組小麥的穗下節(jié)長(zhǎng)、穗粒數(shù)、株高和不孕小穗數(shù)分別介于28～35粒、60～65 cm、15～20 cm和2～4個(gè)之間,其中穗下節(jié)長(zhǎng)、穗粒數(shù)和株高較普通品種分別增加4.5%、10.7%和3.7%,不孕小穗數(shù)減少23.2%(圖10)。

*:P≤0.05; **:P≤0.01; ***:P≤0.001圖9 干旱/豐水產(chǎn)量指數(shù)、干旱/豐水耗水量指數(shù)和干旱/豐水WUE指數(shù)與農(nóng)藝性狀的相關(guān)性Fig.9 Correlation among D/WYI, D/WETI, D/WWUEI, and the agronomic characteristics

圖10 不同類(lèi)型冬小麥在雨養(yǎng)旱作條件下的農(nóng)藝性狀Fig.10 Agronomic characteristics of different types of winter wheat under drought conditions

3 討論

解析作物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)有助于高產(chǎn)抗旱和節(jié)水品種的培育和篩選[17],高水效品種的培育是缺水區(qū)保證產(chǎn)量的有效途徑[18]。本研究基于小麥應(yīng)對(duì)干旱脅迫的不同響應(yīng)機(jī)制,通過(guò)綜合分析產(chǎn)量、耗水量、WUE在干旱和豐水條件下的變化趨勢(shì),篩選出高產(chǎn)抗旱節(jié)水高水效的冬小麥品種,并解析其農(nóng)藝特征。

3.1 高產(chǎn)抗旱節(jié)水高水效冬小麥品種鑒選方法

根據(jù)本研究結(jié)果,推薦聯(lián)合使用產(chǎn)量-水分高效利用指數(shù)(YHWUEI)、產(chǎn)量-耗水量-水分利用效率(GY-ET-WUE)指數(shù)進(jìn)行高產(chǎn)抗旱節(jié)水高水效品種篩選。本研究綜合兩種方法最終選出5個(gè)同時(shí)具備高產(chǎn)抗旱節(jié)水高水效特征的品種。然而,當(dāng)兩種方法單獨(dú)使用時(shí),都存在一定的不足。

方法一:通過(guò)吳振錄提出的產(chǎn)量-水分高效利用指數(shù)(YHWUEI)來(lái)篩選高水效品種[10]。本研究是對(duì)吳振錄方法的一個(gè)驗(yàn)證,分類(lèi)后通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),選出的高水效品種的產(chǎn)量和WUE都高于低水效品種,符合高水效品種的特征,但是用這種方法進(jìn)行選擇時(shí),只考慮了產(chǎn)量因素,未充分考慮耗水量和WUE,這樣選出的高水效品種雖平均耗水量少,但部分高耗水的品種也被選出來(lái)了。如,邯麥19(編號(hào)4)旱作耗水量335.50 mm,在所有品種中耗水量排名40;河農(nóng)7106(編號(hào)34)豐水條件下耗水量449.00 mm,排名53;邢麥7號(hào)(編號(hào)7)豐水條件下435.09 mm,排名49。這說(shuō)明這個(gè)方法更強(qiáng)調(diào)的是在干旱或者灌溉條件下的產(chǎn)量表現(xiàn),一定程度上忽視了耗水量的高低。

方法二:基于產(chǎn)量、耗水量和WUE(GY-ET-WUE)指數(shù)的品種篩選。本方法成功篩選出8個(gè)具有高產(chǎn)抗旱、低耗水、高水效特征的品種,但這組品種中冀麥181(編號(hào)39)、衡4399(編號(hào)11)的旱地產(chǎn)量分別是4 927.89 kg·hm-2(23位次)和4 848.56 kg·hm-2(27位次),雖然位于圖7A的第二象限,具有豐水豐產(chǎn)、干旱也豐產(chǎn)的特征,但并不是高產(chǎn)品種,說(shuō)明方法二在兼顧品種的產(chǎn)量、耗水量和WUE同時(shí),主要強(qiáng)調(diào)了低耗水,容易選入一些非高產(chǎn)品種,更適合用來(lái)篩選在水資源更為短缺的地區(qū)種植的品種。

方法三:聯(lián)合使用產(chǎn)量-水分高效利用指數(shù)(YHWUEI)、產(chǎn)量-耗水量-WUE(GY-ET-WUE)指數(shù)進(jìn)行品種篩選。對(duì)以上兩種方法結(jié)合使用,去掉了高耗水,產(chǎn)量較低的品種,篩選出5個(gè)優(yōu)勢(shì)品種(衡444、衡H116021、科農(nóng)1223、石麥28和中信麥15),在雨養(yǎng)旱作和常規(guī)灌溉條件下其平均產(chǎn)量分別為5 331.47和7 453.10 kg·hm-2,平均耗水量分別為307.1和376 mm,平均WUE分別為1.73和1.92 kg·m-3,同時(shí)具備抗旱、高產(chǎn)、低耗水、高水效的特征,可作為優(yōu)勢(shì)品種在河北地區(qū)推廣使用,也證明了產(chǎn)量-水分高效利用指數(shù)(YHWUEI)、產(chǎn)量-耗水量-WUE(GY-ET-WUE)指數(shù)聯(lián)合使用,是保證品種篩選效果的重要保障。

3.2 高產(chǎn)抗旱節(jié)水高水效冬小麥品種性狀特征

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“七大農(nóng)作物育種”項(xiàng)目于2019年實(shí)施,其目的是培育廣適的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、節(jié)水小麥新品種。在培育新品種的過(guò)程中存在后代篩選工作量大、篩選率低等情況[19-20],急需建立完善的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)節(jié)水品種的鑒選指標(biāo)體系[21-22]。相關(guān)分析、分類(lèi)分析是建立指標(biāo)評(píng)判體系常采用的方法[23-25]。國(guó)內(nèi)外的很多學(xué)者對(duì)作物高產(chǎn)、抗旱、節(jié)水、高水效的鑒選指標(biāo)進(jìn)行了深入的研究[26-29]。本研究通過(guò)相關(guān)分析找出與產(chǎn)量和WUE呈極顯著相關(guān)的農(nóng)藝性狀后發(fā)現(xiàn),在雨養(yǎng)旱作條件下,產(chǎn)量和WUE與農(nóng)藝性狀具有更好的相關(guān)性,很多性狀在雨養(yǎng)旱作條件下呈極顯著相關(guān),在灌溉條件下卻不存在相關(guān)性,如旱地不孕小穗數(shù)與產(chǎn)量和WUE呈極顯著負(fù)相關(guān),但是水地不孕小穗數(shù)卻沒(méi)有顯著相關(guān)性。張永平等在節(jié)水條件下也獲得相似的結(jié)果[30]。這可能是因?yàn)橹挥性谒植蛔愕那闆r下,才能最大程度的發(fā)揮作物自身抗旱節(jié)水的遺傳特性[31]。

分析雨養(yǎng)旱作條件下冬小麥的穗下節(jié)長(zhǎng)、不孕小穗數(shù)、穗粒數(shù)、株高等四個(gè)性狀(與產(chǎn)量和WUE呈極顯著相關(guān)的性狀),可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)選組的性狀分布都較為集中,且這些指標(biāo)在田間試驗(yàn)中易于測(cè)量,可以根據(jù)這個(gè)特征在田間試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、抗旱節(jié)水、高水效品種的高效快速初篩,在田間試驗(yàn)中可以重點(diǎn)關(guān)注雨養(yǎng)旱作條件下株高、穗下節(jié)長(zhǎng)、不孕小穗數(shù)和穗粒數(shù)分別介于60～65 cm、15～20 cm、2～4個(gè)和28～35粒之間的品種。