河南强筋小麦种植品质达标的关键气象因子分析*

成 林，申晓晴，韩耀杰，郭康军

河南强筋小麦种植品质达标的关键气象因子分析*

成 林1,2，申晓晴1,3，韩耀杰1,2，郭康军1,2

（1.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室，郑州 450003；2.河南省气象科学研究所，郑州 450003；3.周口市气象局，周口 466000）

为提高优质小麦气象服务针对性，根据2017-2019年河南省72个县（区）6个强筋、中强筋小麦品种的287份小麦样品品质测定资料、对应气象因子和小麦发育期观测资料，利用Pearson相关分析、LSD多重比较和敏感系数等方法，明确了影响河南省强筋小麦种植品质的关键气象因子。结果表明：除豫南南部和豫西地区外，河南省大部分地区适宜发展优质强筋小麦。硬度指数、粗蛋白质等6项品质指标不同程度受拔节后气象条件影响，其中拔节−抽穗期和成熟−收获期的气温和日照时数对大部分品质指标影响显著，开花−灌浆期气温和日照时数主要影响硬度指数、沉淀值和吸水量，成熟−收获期降水量对面粉吸水量有负影响。比较敏感系数SV(i)的绝对值，沉淀值对拔节−抽穗期平均最高气温最敏感，SV(i)达0.7954。不同生育期影响强筋小麦种植品质达标的关键气象因子分别为：拔节−抽穗期平均最高气温、空气相对湿度和日照时数，开花−灌浆期空气相对湿度，以及成熟−收获期平均气温。研究结果说明影响河南省强筋小麦种植品质最重要的气象因子为气温。

强筋小麦；敏感系数；沉淀值；拔节−抽穗期；平均最高气温

品质直接决定小麦的使用价值和经济价值，影响小麦的贸易和利用[1]。其中强筋小麦专指胚乳为硬质，小麦粉筋力强，适用于制作面包、拉面或用于配麦的小麦，市场需求量很大。河南位于全国优质小麦主产区，区位优势明显。但在优质强筋小麦生产过程中，往往因生态环境等因素影响[2]，很多优质品种所生产的商品麦种植品质未能达到收购标准，既造成种植户经济损失，也影响了后期贸易和企业产品的质量和等级。因此，在栽培习惯和品种相对固定的情况下，研究气象条件对强筋小麦品质的影响，对优质小麦高效栽培、品质鉴定与评价、提升乡村振兴气象服务科技支撑等有重要意义。

已有大量研究证实，环境要素是优质作物品种基因特性表达的重要条件[3]，对优良品种种植品质形成有重要影响。与栽培习惯、土壤肥力等相对稳定的环境要素相比，气象条件年际差异、时空差异均较大，是小麦品质波动的重要原因[4]。目前不同研究学者得出的共性结论是，适当高的温度有利于根系从土壤中吸收较多的氮素，理论上利于籽粒蛋白质含量和小麦粉面团特性的提升[5−9]；籽粒蛋白质含量一般与降水量或土壤含水量呈负相关[10−12]，高温与干旱叠加则影响面粉加工质量[13−14]。光照与小麦品质的关系较复杂[15]，有研究发现小麦营养生长阶段光辐射强度的提高可增加籽粒蛋白质含量，而籽粒生长阶段的光辐射强度则与蛋白质含量呈负相关[16]。

总体而言，目前气象条件对小麦蛋白质研究成果相对较多，但强筋小麦种植品质涉及湿面筋、沉淀值、吸水量等多项指标，各项指标变化对气象条件变化的敏感程度、最有利于这些指标同时达标的关键时期、关键气象因子尚不明确。鉴于此，本研究通过分析小麦拔节后不同生育阶段气象因子与品质指标之间的变异关系，明确不同时段影响河南省强筋小麦种植品质达标的关键气象因子，分析有利于强筋小麦品质形成的气象条件，以期为提高优质小麦气象服务的科学性和针对性，趋利避害发展优质小麦生产，提高气候资源利用效率提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 小麦品种

利用2017−2019年采自河南省18个市72个县（区）287份小麦样品形成的《中国小麦质量报告》，其中包括百农207（审定为中强筋）、西农979（强筋）、新麦26（强筋）、郑麦366（强筋）、中麦578（强筋）和周麦36（强筋）5个强筋和1个中强筋小麦品种，测定的品质资料包括硬度指数、容重（g×L−1）、水分（%）、粗蛋白质含量（干基，%）、降落值（s）、出粉率、沉淀值（Zeleny法，mL）、湿面筋含量（14%水分基）（%）和吸水量（mL×100g−1）等。

强筋小麦品质指标参照国家标准《小麦品种品质分类GB/T 17320−2013》（表1）。由于品质资料中不含小麦粉的最大拉伸阻力和能量，重点分析其他6项种植品质与气象条件的关系。287份样本中，27份同时满足表1中的6项强筋小麦品质标准，52份满足中强筋标准，其他208份均未达强筋或中强筋标准。

1.2 采样点

将整个河南省划分为豫北、豫西、豫中、豫东和豫南5个区域，其中，豫北采样22县（区）共108个样点，豫西采样6县（区）19个样点，豫中采样10县（区）33个样点，豫东采样15县（区）72个样点，豫南采样19县（区）55个样点。采样县（区）分布见图1。其中品种百农207（中强筋）主要分布在豫北、豫西、豫东和豫南；其他5个强筋品种分布情况为，西农979：豫北、豫中、豫东和豫南；新麦26：豫北、豫中和豫东；中麦578和郑麦366：豫北、豫中、豫东和豫南；周麦36：豫北、豫西和豫东。

表1 强筋小麦品质指标

从品质达标的取样点分布情况看，79份强筋和中强筋样本分布在各区域的44个县（区），除豫南南部和西部地区外，河南省大部分地区均可发展优质强筋小麦。

图1 河南省强筋、中强筋小麦调查县（区）分布

1.3 采样点气象资料

各采样县（区）对应年份的气象资料包括3−5月逐旬平均气温（Tave）、平均最高气温（Tmax）、平均最低气温（Tmin）、平均气温日较差（Td）、旬降水量（R）、旬内平均日照时数（S）和空气相对湿度（U），以及全省35个农业气象观测站小麦发育期观测资料，均取自河南省气象局。

1.4 分析时段

春季小麦拔节后，植株进入旺盛生长期，是产量及品质形成的重要时期。根据全省不同区域农业气象发育期观测资料（表2），各地同一发育期的差异基本在10d以内，故统一分析时段，重点对小麦拔节−抽穗期（3月下旬−4月中旬）、开花−灌浆期（4月下旬−5月中旬）、成熟−收获期（5月下旬）及开花−成熟期（4月中旬−5月下旬）阶段进行分析。

1.5 分析方法

利用LSD多重比较分析不同区域、不同品种小麦品质指标、不同气象要素在区域间和年际间的变异情况及差异显著性。

利用Pearson相关性分析初步确定不同生长阶段气象条件与品质指标的相关显著性。

考虑到品质指标与小麦多个生长发育阶段、多个气象因子均有不同程度相关性，引用敏感系数[17−19]从定量的角度，分析某个气象因素发生变化对品质指标变化的影响程度，从诸多因子中挑选出对小麦品质影响程度最大的气象因子。敏感系数为某一项品质指标的相对变化量与某一个气象因子的相对变化量之比，计算式为

表2 2017−2019年河南省不同区域冬小麦平均生育期（月−日）

式中，SV(i)为某项品质指标Y对某一气象因子V(i)的敏感系数，无量纲。i=1、2、3，分别对应拔节−抽穗期、开花−灌浆期和成熟−收获期。经过无量纲化后，不同气象因子之间对小麦品质指标的影响可平行比较[20]。敏感系数的绝对值越大，表明气象因子V(i)对品质指标Y的影响越大，对该因子的变化越敏感；敏感系数为正或负，表明随气象因子的增加，品质指标会随之增大或减小。

1.6 数据处理

采用SPSS 20进行数据分析，使用Excel 2010制作图表。

2 结果与分析

2.1 强筋小麦品质指标受气象条件影响的直观分析

2.1.1 同品种品质指标区域间的差异性分析

各品种品质指标在不同种植区域差异显著性比较结果见表3。由表可知，6个优质小麦品种的平均表现在不同种植区整体较好，尤其是郑麦366和新麦26两个品种区域间品质表现稳定，6项品质指标在不同种植区表现差异均不显著；其次为百农207和西农979，仅单项品质指标在个别区域间表现出显著差异（P<0.05）；中麦578和周麦36各有2项品质指标在部分地区有一定差异。说明所调查品种品质指标受地域影响不大，仅地域间个别指标差异显著。

2.1.2 同品种指标年际间的差异性分析

多重比较发现，不同年份之间气象条件的差异性明显大于区域之间。由于大部分品种品质指标区域差异不明显，表4列出了不同品种、不同年份品质指标的平均值。整体来看，大部分品种小麦硬度指数表现相对稳定，其他品质指标均可能受环境条件年际波动而达不到强筋或中强筋指标标准。新麦26和郑麦366年际间品质表现相对较好，新麦26仅湿面筋含量1项指标2019年未达强筋标准，郑麦366虽沉淀值未达中强筋标准，但各项品质指标均未出现围绕达标值上下波动的情况；周麦36相对其他品种品质表现略不稳定，各项品质指标均易随年际间气象条件改变而在强筋或中强筋指标值上下波动；其他品种除硬度指数和湿面筋含量外，均至少有2项品质指标在部分年份未能达到强筋或中强筋标准。说明当年的气象条件对调查品种品质指标有很大影响。

2.2 强筋小麦品质指标与气象条件的相关性分析

2.2.1 与开花−成熟期平均气象条件相关性

将所有样本品质指标与小麦开花−成熟期平均气象要素进行Pearson相关分析，从表5中可以看出，除空气相对湿度外，各项气象要素与籽粒硬度指数以显著正相关为主，而与面粉沉淀值和吸水量以显著负相关为主。不同的温度因子对不同品质指标的影响不同，硬度指数主要受Tave、Tmax和Td正影响，沉淀值主要受Tmax和Td负影响，吸水量则主要受Tave和Tmin负影响。R与硬度指数和吸水量分别呈显著正相关和显著负相关，S与硬度指数和沉淀值分别呈显著正相关和显著负相关，U与沉淀值呈显著正相关。样本粗蛋白质和湿面筋含量与开花后气象因子平均值的相关性不显著，这可能与研究所用小麦品种特性优于普通小麦，粗蛋白质和湿面筋含量表现相对稳定有关。稳定时间是指面团稳定在最佳状态下的时间，它与面筋数量有关，与开花后气象因子的平均值相关性不显著。总体来看，河南强筋小麦品质受开花−成熟期平均气象状况的影响，尤以硬度指数、沉淀值和吸水量与不同气象因子相关性显著。

表3 主要品种不同区域种植的品质指标差异显著性

注：I代表豫北，II代表豫西，III代表豫中，IV代表豫东，V代表豫南。ns表示不显著，ds表示显著。

Notes: I represents northern Henan area, II represents western Henan area, III represents central Henan area, IV represents eastern Henan area, V represents southern Henan area. ns represents no obvious statistical difference, ds represents significant statistical difference.

表4 主要小麦品种品质指标年际间表现

注：b表示该项指标未达强筋小麦品质标准, c表示未达中强筋小麦品质标准。

Notes: b indicates that the value does not reach the standard of strong gluten wheat, c indicates that the value does not reach the standard of medium strong gluten wheat.

表5 小麦品质指标与开花−成熟期气象因子的相关系数

注：*表示通过0.05水平显著性检验，**表示通过0.01水平显著性检验。Tave、Tmax、Tmin和Td分别表示平均气温、平均最高气温、平均最低气温和平均气温日较差，R为降水量，S为平均日照时数，U为平均空气相对湿度。

Notes:*is P<0.05,**is P<0.01. Tave，Tmax，Tminand Tdmeans average temperature, average maximum temperature, average minimum temperature and average daily temperature range, respectively. R is precipitation, S is average sunshine hours, U is average relative air humidity.

2.2.2 与各生育期气象条件相关性

虽然部分品质指标与小麦开花−成熟期整个阶段的平均气象条件相关性不显著，但从不同品质指标与拔节后各发育期气象条件的相关系数图中（图 2−图 5）可以看出，同一气象条件对同一品质指标的影响随发育进程动态变化，共性规律为：温度因子和S对粗蛋白质、湿面筋含量和沉淀值的影响，均由拔节−抽穗期的正相关转为成熟−收获期的负相关；U和R对粗蛋白质、湿面筋含量及沉淀值的影响，由拔节−抽穗期的负相关转为开花−灌浆期的正相关。

从具体的品质指标来看，硬度指数是商品小麦分类的重要指标，决定了小麦品质的最终用途。Tave、Tmax、Td和S对硬度指数的影响，一致表现为从拔节−抽穗期的显著负相关，转为开花−灌浆期的显著正相关；R和U对硬度指数的影响分别在拔节−抽穗期和成熟−收获期达显著正相关（图2）。

粗蛋白质影响面粉品质和食品加工品质。Tave、Tmax和S对研究品种粗蛋白质的显著影响时段主要集中在拔节−抽穗期（正相关）和成熟−收获期（负相关）；拔节−抽穗期Td和U分别与粗蛋白质呈显著正相关和负相关，随着进入灌浆进程其相关性不再显著（图3）。湿面筋含量与粗蛋白质呈极显著相关，因此，湿面筋含量对气象条件的关系几乎与粗蛋白质完全一致（图略）。

图2 硬度指数与不同发育期气温（a）及其他（b）气象因子的相关系数

图3 粗蛋白质与不同发育期气温（a）及其他（b）气象因子的相关系数

沉淀值是评价面粉蛋白质数量和质量的综合指标，气象因子对其影响趋势与粗蛋白质、湿面筋含量相似，但显著影响的时期主要在成熟收获前，其中拔节−抽穗期Tmax、Tave、Td和S与沉淀值呈显著正相关，而Tmax、Td和S在开花灌浆期转为显著负相关。开花灌浆期U与沉淀值呈显著正相关（图4）。

吸水量是调制单位重量的面粉成面团所需的最大加水量。气象条件对面粉吸水量的影响与其他品质指标不同，显著影响时段多集中在开花以后。其中，Td和U对面粉吸水量的影响较小，温度因子从开花灌浆期的显著负影响转为成熟收获期的正影响，Tave最为明显；R以负影响为主，S的负影响仅在开花灌浆期显著（图5）。

稳定时间是指面团稳定在最佳状态下可持续的时间，仅拔节−抽穗期Tmin和U分别对其表现为显著负影响和显著正影响，其他时段、其他气象因子相关性均未通过显著性检验（图略）。

由以上分析可知，不同生育期气象条件对小麦种植品质的影响不同，拔节−抽穗期气温和日照对吸水量除外的其他5项品质指标有显著影响；开花−灌浆期气温和日照同时影响硬度指数、沉淀值和吸水量，空气相对湿度和降水量分别影响沉淀值和吸水量；成熟−收获期温度条件对硬度指数和吸水量有正影响，对其他品质指标以负影响为主，日照时数和降水量分别对沉淀值和面粉吸水量有负影响。

图4 沉淀值与不同发育期气温（a）及其他（b）气象因子的相关系数

图5 吸水量与不同生育期气温（a）及其他（b）气象因子的相关系数

2.3 强筋小麦品质指标对气象条件变化的敏感性分析

根据图2−图5，对不同生育阶段与品质指标相关性显著的气象因子分别计算敏感系数，结果发现，大多数品质指标对不同发育期气温相关因子的SV(i)绝对值明显大于R、S和U，即同样单位的气象条件变化时，气温变化引起的品质变化量更加明显，表明影响强筋小麦种植品质形成最关键的气象因子为气温，其中，沉淀值对Tmax(1)的SV(i)值最大，达0.7954。综合6项品质指标对气温相关因子SV(i)的最大值，有重要影响的气温相关因子为Tmax(1)、Tmin(1)、Tmax(2)和Tave(3)。

气温以外的气象因子中，沉淀值对U(2)的SV(i)值最大，为0.2990。综合6项品质指标对气温以外其他气象因子SV(i)的最大值，重要的影响因子为S(1)、U(1)、S(2)和U(2)（表6）。由于优质小麦种植区农田灌溉设施较好，品质指标对降水的SV(i)值较小。

2.4 强筋小麦种植品质达标的关键气象条件

对照表6中8种对小麦品质影响敏感的气象因子，分别调查种植品质达到强筋、中强筋标准的87份样本和其他208份未达标样本对应的气象条件，发现两类样本对应的大部分敏感气象因子通过差异显著性检验（P<0.05），仅Tmin(1)、Tmax(2)和S(2)差异不显著（表7）。由前面的分析可知，稳定时间与大多数气象因子的相关性较小，对Tmin(1)的变化最敏感，仅百农207和周麦36两个品种的部分年份未达稳定时间≥6的标准；硬度指数对Tmax(2)最敏感，且绝大多数样本硬度指数达标。表明全省Tmin(1)、Tmax(2)基本能够满足稳定时间和硬度指数形成。吸水量对S(2)最敏感，但SVi值较小，仅0.0364。由此进一步筛选出影响河南省强筋小麦品质形成的关键气象因子分别为Tmax(1)、S(1)、U(1)、U(2)以及Tave(3)。

表6 各品质指标对主要气象因子变化的敏感系数

表7 2017−2019年达到和未达到品质指标样本对应各生育阶段关键气象因子调查结果

注：达标样本包括强筋、中强筋样本。

Note: Standard samples include samples of strong gluten and medium strong gluten.

根据表6中SV(i)的正负，参考2017−2019年强筋中强筋小麦对应的气象条件，在强筋小麦种植区，Tmax(1)在17.9～24.0℃范围内，S(1)在4.5～8.8h范围内，U(1)在41%～82%范围内，U(2)在56%～79%范围内，数值越高越有利于品质提升；粗蛋白质、湿面筋含量两项指标与吸水量对Tave(3)相关性相反，Tave(3)在21.9～25.7℃之间利于平衡不同品质形成对气象条件的需求。

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）2017−2019连续3a共6个强筋、中强筋小麦品种的6项种植品质表现证明，除豫南南部和豫西地区外，河南省大部分地区适宜发展优质强筋小麦。所调查品种的种植品质指标受地域的影响不大，但易受年际间气象条件变化而波动，大部分品质指标不同程度受拔节后气象条件影响。

（2）不同生育期、不同气象条件对小麦种植品质的影响不完全相同。拔节−抽穗期，光温条件对吸水量以外的5项品质指标影响显著，降水对沉淀值呈负影响；开花−灌浆期光温条件主要影响硬度指数、沉淀值和吸水量；成熟−收获期温度条件对硬度指数和吸水量呈正影响，而对其他品质指标以负影响为主，日照时数和降水量分别对沉淀值和面粉吸水量呈负影响。

（3）影响河南省强筋小麦种植品质形成最关键的气象因子分别为拔节−抽穗期平均最高气温、空气相对湿度和日照时数，开花−灌浆期空气相对湿度，以及成熟−收获期平均气温，其中，气温变化对品质变化的影响最大。

3.2 讨论

小麦开花后是籽粒形成的重要时期，也是以往研究学者分析气象因子与小麦品质关系的主要时期[21]。部分学者研究证实，抽穗前的环境因素对面粉蛋白质含量、面团形成和稳定时间等均有影响，如赵春等[22]发现山东胶东地区小麦抽穗前气温回升慢的年份，小麦各项品质指标都较高，张媛菲等[23−24]认为早期环境条件对籽粒蛋白质含量有重要影响。本研究中，除吸水量外其他5项品质指标与拔节−抽穗期的部分气象要素相关性显著，且多项品质指标对拔节−抽穗期的温度、光照和空气相对湿度变化的敏感系数较大，由于小麦拔节后开花前将经历幼穗发育、小花分化等一系列发育进程，环境因素已对营养物质向穗部的运转产生影响[25−26]，因此，拔节−抽穗期的气象条件对强筋小麦种植品质的影响不可忽视。

根据李炳军等[27]的研究，不同生长阶段气象因子对作物的影响不同，与本研究结论一致，反映出优质小麦种植品质的形成对不同生育时期气象条件的需求呈动态变化，但也发现部分品质指标的提升对气象条件的需求存在一定矛盾，如湿面筋含量、吸水量对Tave(3)变化的敏感系数相反，这可能也是优质品种的基因在不同区域未完全表达的原因之一。优质小麦种植的环境条件首先必须满足小麦正常生育的需求[28]，从本研究中2017−2019年种植品质达到强筋、中强筋标准的样本与未达标样本对应的关键气象因子来看，气象因子均值差异并不大，表明河南省大部气象条件在合理范围内变化，这是适宜小麦种植的基础；通过差异显著性检验的Tmax(1)、S(1)、U(1)、U(2)和Tave(3)5个因子，其均值的差异率基本在10%以内，充分说明强筋小麦种植品质对这些气象因子变化的敏感，不同年份这些关键因子的变化极易引起小麦品质的波动，这也解释了所研究年份优质小麦品种种植品质达标率偏低的现象。

气象灾害是限制作物品质形成的另一重要因素[29]，2017年灌浆后期河南省中北部局部出现干热风、2018年豫南局部发生赤霉病，2019年未出现明显气象灾害，因此，2019年达标的小麦样本数最多，但气象灾害对强筋小麦品质的影响程度还有待积累更多灾害典型年份资料进一步研究分析。

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Analysis of Key Meteorological Factors for Planting Quality Reaching the Standard of Strong Gluten Wheat in Henan Province

CHENG Lin1,2, SHEN Xiao-qing1,3, HAN Yao-jie1,2, GUO Kang-jun1,2

(1.CMA·Henan Agrometeorological Support and Applied Technique Key Laboratory, Zhengzhou 450003, China; 2. Henan Institute of Meteorological Science, Zhengzhou 450003; 3.Zhoukou Meteorological Bureau, Zhoukou 466000)

In order to improve the pertinence of meteorological services for high-quality wheat, according to quality measurement data of 6 strong gluten and medium strong gluten wheat varieties, 287 wheat samples from 72 counties in Henan province during 2017−2019, as well as corresponding meteorological and wheat growth period observation data, analytical methods as Person correlation, LSD multi comparison and sensitive coefficient, et al., were used to confirm the key meteorological factors that influence the planting quality of strong gluten wheat in Henan province. The results indicated that, except the south of southern Henan and western Henan area, it was suitable to develop high-quality strong gluten wheat in most areas of Henan province. 6 quality indexes as hardness index, crude protein etc. were affected by the meteorological conditions after jointing to different degrees, among them, air temperature and sunshine hours at jointing-heading and mature-harvest stage had significant effect on most quality indices, air temperature and sunshine hours at flowering-grain filling stage mainly affected hardness index, sedimentation value and water absorption, and at mature-harvest stage, precipitation had negative effect on flour water absorption. Comparing the absolute value of sensitive coefficient SV(i), the sedimentation value was the most sensitive to the average maximum air temperature at jointing-heading stage, SV(i)reached to 0.7954. For different developmental stages, the key meteorological factors for planting quality reaching the standard of strong gluten wheatwere as follows: average maximum air temperature, air relative humidity and sunshine hours at jointing-heading stage, air relative humidity at flowering-grain filling stage, and average air temperature at mature- harvest stage. The results explained that the most important meteorological factors effecting the planting quality of strong gluten wheat was air temperature.

Strong gluten wheat; Sensitive coefficient; Sedimentation value; Jointing-heading stage; Average maximum temperature

10.3969/j.issn.1000-6362.2023.01.005

成林,申晓晴,韩耀杰,等.河南强筋小麦种植品质达标的关键气象因子分析[J].中国农业气象,2023,44(1):47-57

2022−02−21

中国气象局/河南省农业气象保障与应用技术重点实验室开放基金（AMF202002；AMF202206）；河南省科技研发计划联合基金（222103810096）

成林，E-mail：rainwood2@163.com