甘蓝型冬油菜北移种植的适应性分析

曹小东 ，刘自刚 ，米文博 ，徐春梅 ，邹娅 ，徐明霞 ，郑国强 ，方新玲 ，崔小茹 ，董小云，米超，陈其鲜

（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/甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室，兰州 730070；2甘肃省农业技术推广总站，兰州 730070）

0 引言

【研究意义】食用植物油充足供给是国家食物安全战略的核心之一，然而长期以来我国食用植物油自给率仅为35%左右，在国际关系风云变幻的当前，过度依赖国际市场的食用油供给，存在很大隐患[1]。油菜籽是国产植物油的第一大来源，提高国产油菜籽总供应量，对确保国家食物安全战略具有重要意义[2]。我国北纬34°—35°以北广阔区域，气候冷凉、光照充足，有巨大油菜生产潜力[3]。由于冬季低温限制，仅具有优异抗寒性的白菜型冬油菜可以在该区安全越冬，然而白菜型油菜存在产量低、易倒伏等缺陷，产增效潜力有限[4-5]。甘蓝型油菜具有高产优质、抗倒伏[6-10]等优异性状，是我国油菜主要栽培类型。如能选育甘蓝型冬油菜强抗寒品种，替代北方白菜型冬油菜，将极大促进油菜产业发展。【前人研究进展】20世纪80年代，我国就提出了甘蓝型冬油菜北移种植的设想，并组织了一批学者开展了冬油菜北移可行性考察、耐寒品种的引育、配套栽培技术研发等系列工作，育成/筛选了秦油3号、甘白油菜等10余个较耐寒的甘蓝型油菜品种，研制了“沟播+冬苫”安全越冬栽培技术，成功将甘蓝型冬油菜从黄淮河、关中灌区（北纬35°以南、海拔7 00m以下），北移至陕西洛川（北纬 35°46′、海拔 1 200 m）、山西临汾（北纬 36°20′）、河北石家庄（北纬 38°00′）等地种植，替代了原来种植的白菜型冬油菜，产量从750 kg·hm-2大幅提升至 2 250—3 000 kg·hm-2[11-14]。由于“冬苫覆土、沟播垄长”的栽培技术过于繁重，加之20世纪90年代后我国农村劳动力加速转移等，限制了北移集成技术大面积应用。全球气候变暖，农膜技术[15]广泛应用，更耐寒品种甘杂1号的育成等综合因素，促进了甘蓝型冬油菜北移技术的应用。目前最耐寒的甘蓝型冬油菜品种在无任何保护措施的情况下，只能种植于天水市武山县以南、以东地区；天水以北、以西地区甘蓝型冬油菜不能越冬，这些地区仍以白菜型冬油菜为主。白菜型冬油菜具有更优异的抗寒性，一直是高纬度高海拔地区油菜种植的主要类型[16-19]。【本研究切入点】由于白菜型冬油菜产量低、品质劣、易倒伏不适宜机收等原因，种植的比较效益较低，是目前白菜型冬油菜北移技术应用的主要限制因素之一。如能增强甘蓝型油菜抗寒性，选育强抗寒品系，即可大幅提升冬油菜种植效益。【拟解决的关键问题】本研究以甘杂1号（CK）和通过种间远缘杂交，将白菜型冬油菜抗寒优异性状导入甘蓝型冬油菜，育成18NTS309、16NTS304H1、16NS20H1、16NTS312-2-1等10个强抗寒、抗倒伏甘蓝型冬油菜品系为主要材料，分析参试材料的越冬率、农艺性状、产量、品质等在试验点间的差异，为甘蓝型冬油菜再次北移替代原有白菜型冬油菜提供依据。

1 材料与方法

1.1 参试材料

19个冬油菜品系/种，其中甘蓝型品系/种11个，白菜型品系/种8个。材料名称及类型见表1。

1.2 试验设计

适应性试验于2018—2019年在甘肃省的天水武山、定西安定和白银会宁3个试点进行，各试验点的主要气象因子见表 2。本研究主要利用 11种甘蓝型冬油菜品种/系、8种白菜型冬油菜品系/种为材料，其中以甘杂1号作为对照、8种白菜型冬油菜作为农艺性状对比材料。于2018年8月30日、8月23日和8月20日分别将上述甘蓝型冬油菜与白菜型冬油菜在3个试区进行播种，各试验点小区面积为 12 m2（3 m×4 m），每个品系重复 3 次，随机区组排列，管理同大田生产。分别记载各参试材料在3个试验点的生育期天数，返青后统计越冬率，成熟期进行农艺性状测定，籽粒收获干燥后进行品质测定等。

抗倒伏性试验在白银试验点进行，以11个甘蓝型和8个白菜型冬油菜为材料，成熟期在小区内连续拔取5株，测定抗折力，鲜重等，计算倒伏指数。

表1 参试材料及类型Table 1 Test materials and types

表2 冬油菜适应性试验种植区主要气象因子Table 2 Main weather factors for winter rapeseed adaptation test planting area

1.3 指标测定

1.3.1 越冬率 分别于冬前和返青后统计小区植株数，越冬率（%）=返青植株数/冬前植株数×100%。

1.3.2 农艺性状测定 于成熟期在小区内部连续拔取10株，测定植株高度（PH）、分枝部位（BH）、一次有效分枝数（NFB）、二次有效分枝数（NSB）、主花序长度（LMF）、全株有效角果数（TSP）、每角粒数（SPS）、千粒重（SW）等。

1.3.3 籽粒品质测定 采用近红外分析仪（Foss NIR System）测定油菜籽粒棕榈酸（16∶0）、硬脂酸（18∶0）、油酸（18∶1）、亚油酸（18∶2）、亚麻酸（18∶3）、碳烯酸（20∶1）、芥酸（22∶1）、硫苷、蛋白质含量和含油量等。

1.3.4 倒伏指数测定 参照许凤英等[10]的方法，在植株根茎处及向茎上部30 cm处各选取1个支点，于2个支点中心位置，用自动记录拉力测定器缓缓施加拉力，直至茎秆折断，记录折断时最大推拉力，即为茎秆抗折力（N）；植株长度为地上部植株的长度；植株鲜重为地上部植株鲜重。

弯曲力矩=植株长度（cm）×植株鲜重（kg）；倒伏指数=弯曲力矩/抗折力×100。

1.4 数据分析

利用 SPSS 软件对试验数据进行统计分析。

2 结果

2.1 甘蓝型冬油菜在不同生态区的越冬率

甘蓝型冬油菜品系/种北移种植后其越冬率明显降低。天水试点参试品系平均越冬率最高，为92.82%；而定西试点平均越冬率最低，为71.82%。同一试验点不同参试品系的越冬率也存在明显差异，例如在白银试验点16NTS312-2-1、18NTS309的越冬率均为94%，而甘杂1号越冬率仅为43%，前者是后者的 2.18倍。另外，在 3个试验点上，甘杂1号越冬率均明显低于其他甘蓝型冬油菜（表3）。

2.2 不同生态区甘蓝型冬油菜生育期变化

甘蓝型冬油菜北移后其生育期明显延长，天水试验点参试品系生育期在269—277 d，北移至定西试点后，参试品系生育期延长52—61 d；其中，参试品系 16NTS312-2-1生育期延长最长，18NTS309X1延长最短。北移至白银后，参试品系生育期延长62—70 d，其中参试品系 16NS20H1、16NTS312-2-9生育期延长最长，18NTS309X1生育期延长最短（表 3）。

2.3 甘蓝型冬油菜北移种植的产量表现

与生产上种植的冬油菜相比，新育成的甘蓝型冬油菜产量均发生增加。甘蓝型冬油菜在定西试验点变化最大，产量在 1 960.35—3 392.85 kg·hm-2，较白菜型增加 61.75%；天水地区产量在 3 255.90—4 472.25 kg·hm-2，增加 48.91%；白银地区增长最小，产量在 3 400.50—5 170.80 kg·hm-2，增加 23.00%。方差分析表明，3个参试区甘蓝型冬油菜产量显著增加。总体而言，甘蓝型冬油菜具有很好的高产潜力（表4）。

表3 参试品系越冬率和生育期Table 3 Wintering rate and growth period of the test product

与原种植区相比，甘蓝型冬油菜北移至白银种植后，各参试品系产量增减幅度在-11.05%—44.78%，其中4个参试品系比原种植区显著增产，16NTS312-2-1增产幅度最大（44.78%），产量达到 5 170.80 kg·hm-2；3个参试品系显著减产，甘杂 1号减产幅度最大（52.71%）；4个参试品系产量无显著变化。甘蓝型冬油菜北移至定西种植后，各参试品系产量均有明显降低，产量降幅在-7.02%—-51.57%；值得注意的是，2个强抗寒参试品系16NS20H1、16NTS304H1产量分别为 3 392.85 kg·hm-2和 3 131.85 kg·hm-2，仍保持了较高产量水平（表4）。

2.4 甘蓝型冬油菜品系性状与种植区生态因子间的相关性分析

相关性分析表明（表5），甘蓝型冬油菜越冬率、生育期和产量与种植区生态因子间存在显著相关性，且不同性状与生态因子相关性程度和方向明显不同。越冬率、产量与纬度显著负相关，与最冷月平均气温、最冷月平均最低气温、年均温度、无霜期天数、极端低温呈显著正相关；生育期则正好相反。表明北移至高纬度、低气温试验区将发生甘蓝型冬油菜生育期延长和越冬率、产量下降等变化。

表4 冬油菜产量变化Table 4 Yield change of winter rape

表5 甘蓝型冬油菜越冬率、生育期和产量与生态因子相关系数Table 5 Correlation coefficient between main characters and ecological factors of Brassica napus L.

2.5 甘蓝型冬油菜在不同生态区农艺性状的变化

与种植的白菜型冬油菜相比，新育成的甘蓝型冬油菜的农艺性状更具有优势，总体表现为柱形变好，有利于机械收获。11个甘蓝型冬油菜品系的不同农艺性状较白菜型冬油菜均发生了变化，株高、分枝部位、一次分枝、角粒数、千粒重明显增加；二次分枝、主花序长度、角果数发生下降。在不同农艺性状中，发生变化最大的为分枝部位，增加了91.72%，其次为千粒重，增加了24.73%，表明甘蓝型冬油菜的农艺性状优于白菜型油菜（表6）。

甘蓝型冬油菜北移种植后农艺性状总体表现为株高变矮、分枝变低、主花序变短、角果数减少、二次分枝增加、角粒数增多、籽粒增重。其中，北移后甘蓝型冬油菜二次分枝数增加11倍以上，是农艺性状中增量最大的；角粒数和千粒重分别增加了 4.28%和6.37%（表7）。植株分枝部位在试验点间的差异最大，其变异系数为0.7637；千粒重的差异最小，变异系数为0.0342（表8）。

相关分析表明，甘蓝型冬油菜株高、分枝部位、主花序长度与海拔、纬度呈显著负相关，与年平均温度、年降水量、无霜期天数、最冷月温度呈显著正相关；二次分枝数与海拔、温度呈显著正相关，与年平均温度、年降水量、无霜期天数、最冷月温度呈显著负相关（表9）。

2.6 不同生态区种植甘蓝型冬油菜籽粒品质性状变化

2.6.1 含油量变化 与原种植区天水试验点相比，北移至白银种植后，甘蓝型冬油菜含油量未见显著变化；北移至定西后，各参试品系/种含油量均有所下降，下降幅度因品种而异，16NS20H1、16NTS304H1、18NTS309下降幅度较小，含油量与天水试验点在同一水平，其余品系/种与天水试验点间差异均达到显著水平（表10）。

表6 冬油菜农艺性状比较Table 6 Comparison of agronomic characters of winter rape

表7 甘蓝型冬油菜北移区种植后农艺性状变化Table 7 Differences in agronomic traits between the northern transfer area of Brassica napus L. and the original planting area

表8 甘蓝型冬油菜在不同生态区农艺性状的变异系数Table 8 Coefficient of variation of agronomic traits in Brassica napus L. in different ecological regions

表9 甘蓝型冬油菜性状与生态因子相关系数Table 9 Correlation coefficient between main characters and ecological factors of Brassica napus L.

表10 甘蓝型冬油菜在不同生态区的含油量变化Table 10 Change in oil content of Brassica napus L. in different ecological regions (%)

2.6.2 参试品系芥酸、硫苷含量变化 与原种植区相比，北移种植后甘蓝型冬油菜芥酸含量均未发生显著变化；除18NTS309硫苷含量升高外，其余参试品系硫苷含量比原种植区均有不同程度地降低，其中8个参试品系/种北移后硫苷含量显著降低，2个品系硫苷含量试验点间无显著差异。同一试验点甘蓝型冬油菜不同参试品系间芥酸、硫苷存在显著差异，例如在原种植区天水试点，16NTS304H1的芥酸最高（36.96%），16NS20H1的芥酸最低（0.72%）；甘杂一号的硫苷最高（113.14%），16NS20H1的硫苷含量最低（26.62）（表11）。

相关分析表明（表12），甘蓝型冬油菜主要品质性状同生态因子间存在明显相关性。含油量、硫苷与最冷月平均气温、最冷月平均最低气温、无霜期天数呈正相关，与纬度呈负相关；而不同生态因子与芥酸不存在相关性。表明北移之后，温度的变化是多数品质含量变化的主要因素。

表11 不同生态种植区芥酸、硫苷含量变化Table 11 Changes in erucic acid and glucosinolate content in different ecological planting areas (%)

表12 甘蓝型冬油菜品系主要性状与生态因子相关系数Table 12 Correlation coefficient between main characters and ecological factors of Brassica napus L.

2.7 抗倒指数评价冬油菜抗倒伏性

白银试验点原种植的白菜型冬油菜品种在成熟期植株倒伏较为严重；该区种植的甘蓝型冬油菜品种成熟时茎秆直立，表现优异抗倒伏性。11个甘蓝型冬油菜参试品系茎秆抗折力在28.17—65.33N，明显高于白菜型冬油菜，表明甘蓝型冬油菜茎秆强度明显高于白菜型冬油菜。白菜型冬油菜参试品系茎秆倒伏指数在0.1078—0.3611，甘蓝型冬油菜11个参试品系的倒伏指数在 0.0373—0.0896，明显低于白菜型冬油菜，表明甘蓝型冬油菜茎秆抗倒性明显优于白菜型冬油菜（表13）。

表13 冬油菜倒伏指数比较Table 13 Comparison of winter rapeseed lodging index

3 讨论

3.1 强抗寒甘蓝型冬油菜品种/系北移区越冬性

目前，我国北方冬油菜产区主要有 2种油菜类型，即白菜型冬油菜和甘蓝型冬油菜[20]。甘蓝型冬油菜具有高产、优质、抗病、抗倒伏适宜机械化等优良表现，由于冬季低温和越冬等限制，甘蓝型冬油菜主要分布在较低维度、低海拔地区（北纬34°33′以南、海拔1 100 m）。白菜型冬油菜具有早熟、强抗寒等优异性状，主要分布在高海拔、高纬度冷凉区域[21-22]。

目前，最耐寒的甘蓝型冬油菜在无任何保护措施下最北只能种植于天水市武山县地区，在天水以西、以北地区仍没有可安全越冬的甘蓝型冬油菜。我们采用种间杂交、群体后代抗寒性定向选择等方法，于2017年在甘蓝型冬油菜抗寒性定向改良方面取得突破，育成甘蓝型强抗寒品系 16NTS309、16NTS312-2-1、16NTS304、16NS20H1等，在甘肃白银（当年冬季极端低温-24.3℃）无冬苫覆土等冬季保暖措施情况下安全越冬，越冬率在 82%—91.5%。在对甘蓝型冬油菜北移区种植的适应性分析试验中，在甘肃定西（冬季极端低温-25.6℃）6个强抗寒品系越冬率在75%以上，在甘肃白银（极端低温-23.5℃）10个强抗寒品系越冬率均在 80%以上，其中16NTS312-2-1、18NTS309的越冬率更是高达 94%。甘蓝型冬油菜在北移区安全越冬，说明甘蓝型冬油菜逐渐突破了越冬的限制，大大提高了甘蓝型冬油菜北移种植的可行性。

3.2 甘蓝型冬油菜北移种植区产量水平变化

我国北方地区生产上主栽品种为白菜型冬油菜，但白菜型冬油菜存在产量低等缺陷。北方产区白菜型冬油菜平均产量为 1 800—2 700 kg·hm-2；同区域甘蓝型春油菜平均产量 4 500 kg·hm-2，高产田块可到 6 750 kg·hm-2，是白菜型冬油菜产量的 2 倍以上[23]。20世纪80年代末至90年代初，黄继英等[15]和胡胜武等[23]筛选了秦油3号、甘白油菜等10余个较耐寒的甘蓝型油菜品种，并研发了配套栽培技术，将甘蓝型冬油菜从黄淮河灌区、关中灌区成功引到陕西洛川、甘肃庆阳、山西临汾、河北石家庄等地种植，使甘蓝型冬油菜最北移至北纬38°，海拔1 200 m以下，冬季极端低温-23℃左右的地区种植，替代当地原有白菜型冬油菜，使单产从原来的750 kg·hm-2大幅提高至 2 250—3 000 kg·hm-2[24-25]。1997 年育成的甘蓝型冬油菜“三系”杂交种 “甘杂1号”，在冬季有覆盖的情况下，可在甘肃庆阳、平凉等地种植，单产提高到 3 300 kg·hm-2以上。我们育成的甘蓝型冬油菜品系，在参试区表现为高产，天水地区平均产量为 3 709.05 kg·hm-2，北移种植后在种植区的产量均优于当地主栽的白菜型油菜。定西试区平均产量2 584.65 kg·hm-2，其中 2 个强抗寒参试品系16NS20H1、16NTS304H1，在定西试点种植产量分别为 3 392.85 kg·hm-2和 3 131.85 kg·hm-2，保持较高产量水平；白银试区平均产量为 3 884.85 kg·hm-2，16NTS312-2-1 的产量更是高达 5 170.80 kg·hm-2。

3.3 甘蓝型冬油菜北移种植改善强冬性区油菜品质

我国是白菜型油菜的起源地之一，白菜型油菜有着悠久的栽培历史[26-27]。北方冬油菜产区北纬 34°及以北、甘肃天水及以西地区，白菜型冬油菜仍为主要栽培类型。北方白菜型冬油菜主栽品种均为“双高”品种，即高芥酸、高硫苷品种。这些品种籽粒中对人体健康不利的脂肪酸含量过高[28]，油品营养价值低[29]，如芥酸含量35%—45%，是优质油菜籽含量的5—8倍；而对人体健康有益的油酸含量仅为 20%—25%，仅为优质油菜籽含量的 1/3左右。北方白菜型冬油菜主栽品种籽粒硫苷含量60 μmol·g-1以上，有些品种甚至超过了100 μmol·g-1，是优质菜籽硫苷含量的2倍以上，北方产区白菜型冬油菜劣质品质一直为行业所诟病。为改良冬油菜品质，从国外引入了白菜型冬油菜双低种质材料，由于该材料在产量等重要经济性状方面存在严重缺陷，以及基于表型对籽粒芥酸、硫苷含量选择的低效性等，使白菜型冬油菜品质改良育种一直未能实现突破[30]。甘蓝型冬油菜优质种质材料丰富，在优质抗寒甘蓝型冬油菜选育方面更易突破。本试验中参试的优质甘蓝型冬油菜强抗寒品系16NS20H1，在白银、定西等地区可安全越冬，其籽粒芥酸含量在天水、定西、白银 3个参试验区分别为0.72%、0.74%、0.63%，硫苷含量分别为 26.62%、24.31%、27.83，符合双低标准。甘蓝型冬油菜优质品种的大面积应用，对改善北移种植区油菜品质，提高菜籽油营养价值等具有重要意义。

3.4 甘蓝型冬油菜北移对种植区冬油菜倒伏问题的解决

北方强冬性区原种植冬油菜类型为白菜型冬油菜[31]，白菜型冬油菜植株易倒伏[10]，特别是年降水量400 mm以上的地区，例如在甘肃庆阳等地由于倒伏原因，冬油菜成熟期冠层高度仅有30 cm左右，很难机械收获，在当前农村劳动力状况下，采用人工收获种植成本会大为增加；另外，角层期倒伏[8]易造成群体内部弱光郁闭，对产量和品质[5]都有不利影响，限制了北方强冬性区冬油菜发展。本试验中甘蓝型冬油菜抗倒伏性表现优异，其茎秆强度是白菜型油菜的52.47%，倒伏指数较白菜型油菜降低35.88%。甘蓝型冬油菜茎秆强度强，在生育期内茎秆无倒伏，一直处于直立状态；另外，北移种植后甘蓝型冬油菜分枝数增加，而花序长度减低，角粒成熟度更为一致，对机械收获的适宜度更高。解决北方冬油菜产区机械化收获问题，可极大促进该区油菜产业的发展。

3.5 甘蓝型冬油菜北移种植的意义

我国北方地区气候冷凉、日照充足、昼夜温差大，气候特征与油菜喜冷凉的生物学特性十分契合[32-34]。然而，由于北方强冬性区主要栽培类型为白菜型冬油菜，品质劣、产量低、易倒伏。我们培育的甘蓝型冬油菜新品系，北移至白银最高产量可达 5 166.0 kg·hm-2，比当地主载白菜型冬油菜平均产量提高近一倍。甘蓝型冬油菜北移后，替代原有白菜型冬油菜，甘蓝型品种抗倒伏适宜机械化收获，可极大提高冬油菜种植效益。优质甘蓝型冬油菜强抗寒品系16NS20H1，将对人体有害的芥酸降至1%以下，饱和脂肪酸总量降低16—20个百分点；人体健康有益脂肪酸从20%左右提高至60%以上；ω-6与ω-3比值1.83—2.80之间，是最符合人体健康和营养需求的食用植物油，优质甘蓝型冬油菜北移替代劣质白菜型冬油菜品种，对提高种植区人民健康水平具有积极意义[28]。另外，甘蓝型冬油菜冬前绿体期比白菜型冬油菜长约 15 d左右，地上部分营养体更为庞大，在冬季、翌年春季对地面有良好覆盖效果[35]。

4 结论

新育成甘蓝型冬油菜品系可在高海拔、高纬度地区（北纬 36°12′、海拔 2 248 m）安全越冬；北移种植后生育期延长，株高、分枝部位降低，二次分枝增加，株型变差；甘蓝型冬油菜抗倒性明显强于原种植的白菜型冬油菜，适应机械化收获；北移种植后可通过筛选适宜的甘蓝型冬油菜品种，提升北方强冬性区冬油菜产量水平和品质营养价值。因此甘蓝型冬油菜向高纬度、高海拔区域北移种植，并替代原有白菜型冬油菜品种是可行的。