黄淮北片限水灌溉对小麦品质性状的影响

马爱平 亢秀丽 靖 华 崔欢虎 赵玉坤 黄学芳 席吉龙

（1山西农业大学小麦研究所，山西 临汾 041000；2山西农业大学山西有机旱作农业研究院，山西 太原 030006；3山西农业大学省部共建有机旱作农业国家重点实验室（筹），山西 太原 030006；4山西农业大学棉花研究所，山西 运城 044000）

黄淮海北片麦区在我国小麦生产中占据着重要地位，该区小麦生产主要有雨养区、灌溉区两大类型，其中雨养区受气温升高［1-2］、降雨减少［3-4］及其耦合诱发的干旱影响，使该区小麦生产受到严峻挑战，为此，国内外开展了有关气候变化下冬小麦育种策略［5］及产量［6-7］的相关研究。与此同时，为使雨养区得到有效灌溉［8］，实现由被动防旱到主动抗旱的转变［9］，不同区域在引水及水利基础设施建设中做了大量工作，为有效灌溉奠定了良好基础；灌溉区由于多年严重超采导致的水资源短缺已成为该区小麦生产发展的主要瓶颈，在灌溉区实施限水灌溉发展半干旱地农业［10］，是有效缓解水资源短缺的一条重要途径。因此，开展限水灌溉研究及应用已成为黄淮北片麦区小麦生产发展的重点，对保障国家粮食安全、水资源安全具有重要意义。

在限水灌溉领域的节水灌溉技术包括圆形喷灌机灌溉［11］、微喷带灌溉［12］、滴灌［13］等，这些技术可为黄淮海北片麦区小麦实施精准灌溉提供技术支撑。近年来，随着生活水平的提高，人们对面制食品品质提出了较高的要求，因此，在节水灌溉背景下提升小麦品质已成为本区小麦生产研究的主要方向。关于不同灌水定额背景下小麦品质性状的研究已有较多报道：在水分胁迫下，随着水分胁迫程度的加剧，湿面筋含量、蛋白质含量以及沉淀值均呈显著下降趋势［14］，蛋白质含量等性状呈现增加趋势［15］；适量灌水可明显改善小麦品质［16-17］。上述报道大多是用1 到2 个品种研究灌水量对小麦品质性状的影响。而有研究者认为，不同小麦品种之间的品质性状存在显著差异［18］，有研究者利用180 个株系，采用小畦灌溉方式开展了雨养和灌溉（同一灌溉定额）条件下高分子量麦谷蛋白（high molecularweight glutenin subunits，HMW-GS）对小麦品质影响的研究［19］，也有研究者认为小畦灌溉和微喷带灌溉对小麦生长的影响存在一定差异［20］。基于此，本研究在灌溉区利用已实施多年限水灌溉的麦田为平台，以实施限水灌溉的指标［21］为依据，以微喷带节水灌溉方式的不同灌溉定额为主处理，以黄淮北片大面积应用及个别优质材料共11 个品种为副处理，解析限水灌溉背景不同灌溉定额条件下小麦品质性状变化的总体规律，以期为小麦节水调质提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017—2020年在山西农业大学小麦研究所韩村基地进行。试验地海拔459.0 m，常年（1981—2010年平均，下同）平均降雨量为437.7 mm，其中休闲期、小麦生育期降雨量分别为295.9、141.8 mm，年平均气温13.1 ℃，≥0 ℃积温4 965.6 ℃，≥10℃积温4 436.2 ℃。3 个试验年度休闲期平均降雨量（313.7 mm）较常年（295.9 mm）增加17.8 mm；生育期平均降雨量（160.9 mm）较常年（141.8 mm）增加19.1 mm；全年度平均降雨量（474.6 mm）较常年（437.7 mm）增加36.9 mm。3 个试验年度秋季、冬季、春季及全生育期平均气温分别较常年增温0.97、1.23、1.69、1.29 ℃，增温呈现春季＞冬季＞秋季（见图1）。3 个试验年度均出现春季低温过程。其中2018年4 月6—7 日持续时间为9 h，最低气温为-4.7 ℃；2019年3 月至4 月初共发生了6 次（3 月22、23、24、25、31 日和4 月1 日），持续时间分别为7、5、7、1、4、3 h，最低气温分别为-4.4、-3.8、-3.1、-1.1、-4.6、-2.2 ℃；2020年共发生3 次，其中4 月24 日持续时间5 h，最低气温为-2.7 ℃。

图1 试验期间各年度降雨量及季节增温Fig.1 Annual rainfall and seasonal warming in test duration

1.2 试验材料

3 个试验年度均用相同的11 个小麦品种，分别为冀麦325、中麦36、晋麦47、品育8012、山农28、济麦22、烟农1212、济麦23、舜麦1718、长6359、师栾02-1，其中冀麦325、中麦36、山农28、济麦22、烟农1212、济麦23、师栾02-1由河北省农林科学院粮油作物研究所提供，晋麦47、舜麦1718 由山西农业大学棉花研究所提供，品育8012 由山西农业大学小麦研究所提供，长6359 由山西农业大学谷子研究所提供。微喷带输水管（φ90 mm）、微喷带（φ40 mm、孔口形式为斜5 孔），四通（φ90 mm）、旁通（φ40 mm）均由河北省沛沣灌溉设备有限公司生产。

1.3 试验方法

3 个试验年度均采用裂区试验设计，主处理灌水量设置3 个水平，分别为0.0、75.0、150.0 mm，每个主处理下均设置11个副处理（11个品种），每个主处理灌水量、灌溉时间见表1。

表1 灌水量（主处理）试验设计Table 1 Treatments design by irrigation amounts as main plots

2019年春季由于严重干旱，在2019年3月31日对3个主处理均加微灌水量40.0 mm（等同于生育期模拟降水40.0 mm）。3个试验年度试验小区长均为10.0 m，宽1.5 m，每个小区中设计有4条间距2.5 m的微喷带，微喷带铺设方向与小麦种植方向垂直。播种密度均为525.0 万粒·hm-2；播种期分别为2017年10 月14 日、2018年10 月6 日、2019年10 月12 日，收获期分别为2018年6月12日、2019年6月14日、2020年6月13日。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 千粒重测定 在各处理收获籽粒中，随机取样3次，作为3次重复，每次500粒称重，换算为千粒重。1.4.2 品质性状测定 在每个试验年度收获的每个处理籽粒中取样3 次，作为3 次重复，采用DA7200 二极管阵列近红外光谱仪（瑞典Perten 公司）对所取样品进行品质分析［22-23］，测定容重、蛋白质含量、沉降值、湿面筋含量、延展性、最大抗延阻力、稳定时间、形成时间、拉伸面积。

1.4.3 籽粒蛋白质产量 按以下公式计算籽粒蛋白质产量：

籽粒蛋白质产量（kg·hm-2）＝籽粒产量（kg·hm-2）×籽粒蛋白质含量（%）。

1.5 数据处理

采用Excel 2003 和DPS 平台操作系统对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌水量对品质性状的影响

以3个灌水量为主处理，11个品种为副处理，以每个副处理3个试验年度的9次重复为区组，开展不同灌水量下不同小麦品质性状的分析。结果如表2所示，不同灌水量对各品质性状的影响不同。千粒重、蛋白质含量、湿面筋含量、延展性4 个品质性状均随灌水量的增加而下降，其中0.0 mm 灌水量下的蛋白质含量、湿面筋含量、延展性3 个品质性状均与75.0、150.0 mm灌水量间存在极显著差异，而千粒重仅在0.0 与150.0 mm 灌水量间存在显著差异，容重、沉降值、最大抗延阻力、稳定时间、形成时间、拉伸面积7 个品质性状在不同灌水量间无显著差异。

表2 不同灌水量对品质性状的影响Table 2 Effect of different irrigation amounts on quality traits

2.2 不同灌水量下不同试验年度对品质性状的影响

以3个灌水量为主处理，11个品种为副处理，以每个副处理每个试验年度的3 次重复为区组，分别开展不同灌水量、试验年度下的小麦品质性状分析。结果如表3所示，不同灌水量下不同试验年度对各品质性状的影响不同。在0.0 mm 灌水量下，各品质性状在3 个试验年度间整体存在极显著差异，其中千粒重、蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值、延展性、最大抗延阻力、形成时间、拉伸面积8 个品质性状均以2019—2020年度表现较好，容重、稳定时间分别以2018—2019、2017—2018 表现较好。在75.0 mm 灌水量下，各品质性状在3 个试验年度间整体存在极显著差异，其中千粒重、容重、蛋白质含量、湿面筋含量、延展性5 个品质性状均以2019—2020年度表现最优，而沉降值、最大抗延阻力、稳定时间、形成时间、拉伸面积5 个品质性状均以2018—2019年度表现最优。在150.0 mm 灌水量下，各品质性状在3 个试验年度间整体存在极显著差异，其中千粒重、容重、蛋白质含量、湿面筋含量、延展性5 个品质性状均以2019—2020年度表现最优，同75.0 mm 灌水量下的变化趋势一致，而沉降值、形成时间2 个品质性状则以2018—2019年度表现最优，最大抗延阻力、稳定时间、拉伸面积3个品质性状以2017—2018年度表现最优。在3 个灌水量下，2019—2020年度均表现较好的品质性状为千粒重、蛋白质含量、湿面筋含量和延展性。在3个灌水量下，3个试验年度10个品质性状中表现较优的30个测定值中，2019—2020年度占18 个、2018—2019年度占8 个、2017—2018年度占4个，3个灌水量下表现较好的品质性状数量表现为2019—2020年度＞2018—2019年度＞2017—2018年度。

表3 不同灌水量下不同试验年度对小麦品质性状的影响Table 3 Effect of wheat quality characters under different irrigation amounts in test duration

2.3 不同灌水量对不同品质性状变异系数的影响

分析单个灌水量下3个试验年度11个样本数据各品质性状均值的变异系数，结果如表4 所示。不同灌水量下不同品质性状的变异系数不同，0.0 mm灌水量下各品质性状的变异系数整体小于75.0 和150.0 mm灌水量，千粒重、容重、沉降值、最大抗延阻力、稳定时间、形成时间、拉伸面积7个品质性状的变异系数均随灌水量的增加而增大，而蛋白质含量、湿面筋含量、延展性的变异系数则以75.0 mm灌水量最大。表明不同品质性状的稳定性对灌水量的反应不同。分析3 个灌水量下（0.0～150.0 mm）3个试验年度各品质性状均值（33 个样本数据）的变异系数，结果如表4 所示。不同品质性状的变异系数不同，变异系数总体表现为面团品质均值（16.61%）＞面粉品质均值（13.54%）＞籽粒品质均值（6.13%），其中面团品质中变异系数最大的为拉伸面积，最小的为延展性，面粉品质中变异系数表现为湿面筋含量小于沉降值，籽粒品质中变异系数最大的为千粒重，最小的为容重。各品质性状变异系数在单个灌水量（0.0、75.0、150.0 mm）与3 个灌水量下（0.0～150.0 mm）的均值基本相近。

表4 不同灌水量对不同品质性状变异系数的影响Table 4 Effect of different irrigation amounts on coefficient variation of quality traits/%

2.4 不同灌水量下蛋白质含量（x）与其他品质性状（y）的相关性

以单个灌水量下3 个试验年度蛋白质含量均值的11个样本数据为自变量（x），以单个灌水量下3个试验年度沉降值、湿面筋含量、延展性、最大抗延阻力、稳定时间、形成时间、拉伸面积均值的11 个样本数据为因变量（y），分别开展0.0、75.0、150.0 mm 灌水量下蛋白质含量（x）与其他品质性状（y）的相关性分析，结果如表5 所示。千粒重与蛋白质含量仅在0.0 mm 灌水量下呈显著线性负相关，而在75.0、150.0 mm 灌水量下的相关性均不显著；容重与蛋白质含量在3 个灌水量水平下的相关性均不显著；湿面筋含量、沉降值、延展性、形成时间4个品质性状与蛋白质含量在3个灌水量下均呈极显著正相关关系，且沉降值、延展性、形成时间3 个品质性状与蛋白质含量的相关系数均随灌水量的增加而增大，而湿面筋含量与蛋白质含量的相关系数则随灌水量的增加而减小；最大抗延阻力、稳定时间、拉伸面积3 个品质性状与蛋白质含量仅在150.0 mm 灌水量下呈现极显著正相关关系，在0.0、75.0 mm灌水量下相关性不显著，最大抗延阻力、稳定时间、拉伸面积3 个品质性状与蛋白质含量的相关系数均随灌水量的增加而增大。综上，除干粒重、容重、湿面筋含量外，其他6 个品质性状与蛋白质含量的相关系数均随灌水量的增加而增大。以3 个灌水量下（0.0～150.0 mm）3 个试验年度蛋白质含量均值的33 个样本数据为自变量（x），以3个灌水量下（0.0～150.0 mm）3 个试验年度千粒重、容重、沉降值、湿面筋含量、延展性、最大抗延阻力、稳定时间、形成时间、拉伸面积均值的33个样本数据为因变量（y），进一步分别开展3 个灌水量下（0.0～150.0 mm）下蛋白质含量（x）与其他品质性状（y）的相关性分析，结果如表5所示。在0.0～150.0 mm灌水量区间内，千粒重与蛋白质含量呈极显著线性负相关，而容重与蛋白质含量的相关性不显著，蛋白质含量与沉降值、湿面筋含量、延展性、最大抗延阻力、稳定时间、形成时间、拉伸面积7个性状均存在极显著正相关关系。

表5 不同灌水量下蛋白质含量（x）与其他品质性状（y）的相关性Table 5 The correlation between protein content with others quality traits under different irrigation amounts

2.5 不同灌水量和不同试验年度对籽粒蛋白质产量的影响

由表6 可知，不同灌水量和不同试验年度对籽粒蛋白质产量的影响不同。籽粒蛋白质产量随灌水量的增加而增加，不同试验年度的籽粒蛋白质产量均值在0.0 与150.0 mm 灌水量间存在显著差异。不同灌水量下的籽粒蛋白质产量均值在2019—2020年度与2017—2018年度间存在极显著差异，2018—2019 与2017—2018年度间存在显著差异。在不同试验年度及同一年度籽粒蛋白质产量均随灌水量的增加而增加。

表6 不同灌水量和不同试验年度对籽粒蛋白质产量的影响Table 6 Effect on grain protein production under different irrigation amounts and trial years/（kg·hm-2）

3 讨论

3.1 本试验基地、灌水量、品种的确定及效果

本试验基地自2014年以来一直采用限水灌溉方式实施一年一作小麦生产，已消除了灌溉区传统大水漫灌对麦田深层贮水的影响，可作为限水灌溉耕地类型的典型代表。本研究中主处理选择3个灌水量0.0、75.0、150.0 mm，其中150.0 mm是依据山仑［21］提出的灌溉区实施大量减少灌溉用水的低限100.0 m3·667 m-2，即150.0 mm 左右，75.0 mm 是旱作实施限水灌溉的低限40.0 m3·667 m-2，即60.0 mm 左右。副处理选择的11 个品种产地为山东、河北、山西、北京，主要包括黄淮麦区主干品种济麦22号和晋麦47号，近年来国审品种综合性状表现较好的冀麦325、中麦36、山农28 等，品质性状突出的师栾02-1 和一般品种烟农1212。试验期间先后出现了严重冻害年型（2017—2018年度）、严重干旱年型（2018—2019年度）和降雨较多年型（2019—2020年度），基本涵盖了黄淮麦区北片不同的年型。以上述试验基地、灌溉定额、品种及不同年型为材料解析限水灌溉条件下的小麦品质性状，具有较强的代表性。在生产示范中，采用山西农业大学小麦研究所有机旱作农业团队研究的“窄行距条播密植作物微喷带高效节本喷灌方法”［12］，在节水率达 48.6%的背景下，其产量与邻近大田的传统大水漫灌基本持平。表明灌溉区实施限水灌溉并不会增加减产的风险。

3.2 灌水量与小麦品质性状的关系

本研究表明，千粒重、蛋白质含量、湿面筋含量、延展性均随灌水量的增加而下降。其中千粒重随灌水量的增加而下降，其原因可能是由于随灌水量的增加单位面积群体增加，在生长后期土壤含水量不足。前人利用1到2个材料研究表明，籽粒蛋白质含量随水分调亏程度的加重、限水灌溉和灌水次数的减少均呈增高趋势［24-26］。钮力亚等［27］和姜东燕等［28］研究认为，旱地的湿面筋（14%湿基）含量优于水地，且湿面筋含量随灌水量的增加而呈递减趋势。分析蛋白质含量随灌水量增加而下降的原因，主要是由于灌水量增加使籽粒产量增加，而淀粉的稀释作用又使蛋白质含量有所下降［28］。而张丽霞等［29］同样用矮抗58研究表明，在同一施氮量条件下，适当灌水有利于蛋白质含量的提高，与本研究结果不一致，推测可能与其应用品种类型单一及土壤肥力、灌水定额、灌溉方式等栽培环境因子不同有关。

本研究表明，各品质性状中，容重、延展性的变异系数较小，拉伸面积、最大抗延阻力的变异系数较大。赵鹏涛等［30］研究认为，容重、延展性的变异系数较小，稳定时间、沉降值的变异系数较大，其容重、延展性变异系数较小的结果与本研究结果相同，而变异系数较大的品质性状则不相同，可能与试验设计中的灌水量定额不同有关，也可能与试验周期不同有关。此外，本研究还发现，未灌溉条件下各品质性状的变异系数低于限水灌溉，千粒重、容重、沉降值、最大抗延阻力、稳定时间、形成时间、拉伸面积的变异系数均随灌水量的增加而增大。

3.3 蛋白质含量与其他小麦品质性状的关系

本研究表明，千粒重与蛋白质含量呈线性负相关关系，湿面筋含量、延展性、沉降值、最大抗延阻力、稳定时间、形成时间、拉伸面积则与蛋白质含量呈线性正相关关系。钮力亚等［27］和夏利娟等［31］研究均认为，小麦蛋白质含量与湿面筋含量呈极显著正相关关系；赵鹏涛等［30］研究表明，小麦蛋白质含量与稳定时间、拉伸面积、延展性和最大拉伸阻力呈极显著正相关关系。上述研究结果均与本研究一致。究其原因，可能是由于水分对蛋白质、湿面筋含量及沉降值均有稀释效应［28］，因此，在籽粒蛋白质含量性状与湿面筋含量、沉降值性状间存在显著正相关关系。而有关沉降值、延展性、形成时间、最大抗延阻力、稳定时间、拉伸面积与蛋白质含量的相关系数随灌水量的增加而增大，千粒重、湿面筋含量与蛋白质含量的相关系数随灌水量的增加而减小的相关研究较少。本研究还表明，蛋白质含量随灌水量的增加而降低，而籽粒蛋白质产量则随灌水量的增加而提高，与张素瑜等［32］和相一杰等［33］的研究结果一致，即干旱处理的小麦籽粒蛋白质含量均显著高于轻旱和适宜水分处理，而轻旱和适宜水分处理的籽粒蛋白质产量则高于干旱处理。

3.4 各品质性状在不同年度间的表现

本研究表明，不同灌水量下的各品质性状在年度间均存在差异，表现优异的品质性状数量总体表现为2019—2020年度＞2018—2019年度＞2017—2018年度。分析其原因主要与年度间的生育期降雨量、春季低温冻害及较常年增温差异有关，年度间的生育期降雨量为2019—2020（201.8 mm）＞2017—2018（185.1 mm）＞2018—2019（135.8 mm，含40.0 mm模拟降雨）年度；冻穗率为2017—2018（13.75%）＞2019—2020（3.32%）＞2018—2019（0.00%）年度，其中2017—2018、2018—2019、2019—2020分别有1、6、3次低温过程，但由于发生时间、强度及3 月平均气温不同造成的冻穗率不同；较常年增温为2017—2018（1.83 ℃）＞2018—2019（1.63 ℃）＞2019—2020（0.40 ℃）。由此表明，生育期气温偏高、严重的冻穗率和干旱年型均不利于品质性状的改善。在0.0 mm灌水量水平下，2018—2019年度严重干旱年型的蛋白质含量、沉降值、湿面筋含量、延展性、最大抗延阻力、稳定时间、形成时间、拉伸面积均低于2019—2020年度降雨较多年型，与李红忠等［34］的研究结果相同，即矮抗58在持续性干旱年型（2010—2011年）的蛋白质含量、沉降值、形成时间、稳定时间较常年均大幅度降低，拉伸面积、延展性也有不同程度下降。

4 结论

本研究结果表明，小麦千粒重、蛋白质含量、湿面筋含量、延展性均随灌水量的增加而下降，而籽粒蛋白质产量则随灌水量的增加而升高。各品质性状在不同年度间存在差异，其变异系数大小表现为无灌溉低于限水灌溉，且千粒重、容重、沉降值、最大抗延阻力、稳定时间、形成时间、拉伸面积的变异系数均随灌水量的增加而增大。在限水灌溉条件下，千粒重与蛋白质含量呈线性负相关关系，湿面筋含量、延展性、沉降值、最大抗延阻力、稳定时间、形成时间、拉伸面积则与蛋白质含量呈线性正相关关系，且沉降值、延展性、形成时间、最大抗延阻力、稳定时间、拉伸面积与蛋白质含量的相关系数均随灌水量的增加而增大，而千粒重、湿面筋含量与蛋白质含量的相关系数则随灌水量的增加而减小。