滴灌行位效应对不同小麦品种籽粒品质的影响

杨建平,吕钊彦,张龙龙,卢伟鹏,刁 明,李卫华,姜 东

(1.石河子大学农学院，新疆 石河子 832000；2.安徽农业大学园艺学院，安徽 合肥 230000；3.南京农业大学农学院，江苏 南京 210000)

小麦是新疆最重要的粮食作物，从2009年开始新疆小麦年生产面积超过107×104hm2，单产超过5 325 kg·hm-2[1-2]。随着经济发展和人民生活水平的提高，对优质小麦的需要量呈增加趋势，促使小麦生产由单纯注重高产向高产、稳产、优质多目标协同转变[3]。小麦品质的优劣不仅由品种本身的遗传特性所决定,而且受气候、栽培措施等条件的影响。新疆的水资源极度匮乏，降雨与地表水分散失极端失衡[4-6]，品种选育与灌溉技术成为影响小麦品质的主要因素。

近年来，许多学者在灌溉技术、品种对小麦产量与品质的影响方面做了大量研究，如雷钧杰等[7]研究表明，随着滴灌量的增加，籽粒容重、蛋白质含量、出粉率、湿面筋含量、面团稳定时间、弱化度及面团拉伸阻力和拉伸比均呈“先增后降”的变化趋势。马俊永等[8]研究表明，小麦主要品质指标蛋白质和沉降值均与春季灌水量呈二次曲线关系,即灌溉量较低时,小麦籽粒品质随灌溉量的增加而提高,当提高到最大值之后,随灌溉量的增加而出现降低趋势。王小燕等[9]、周晓燕等[10]的研究均表明，小麦籽粒蛋白质含量随着灌水量的增加而改善，但超过一定供水限度后则表现为降低。申孝军等[11]研究指出，冬小麦在拔节-抽穗前期受到水分胁迫时能显著降低其籽粒出粉率和蛋白质含量，同时也缩短了面团的形成时间和稳定时间。Tari[12]研究表明乳熟期水分亏缺会显著提高小麦籽粒蛋白质含量。张华文等[13]、李英枫等[14]研究均指出不同品种的蛋白质含量与湿面筋、沉降值均呈正相关。以上研究大多是在特定地区常规灌溉条件下进行的，而新疆近年来大面积推广应用了滴灌灌溉技术，主要推广相对成熟的“1管4行”(TR4)滴灌模式，但这种模式存在因滴灌毛管用量大、用水量偏大等导致的成本偏高、水分利用效率相对较低等问题。扩大管行比(滴灌毛管与小麦行数比值)是解决这一问题的重要途径，目前，针对生产实际，在“一管6行”(TR6)与“一管8行”(TR8)滴灌模式下，不同品种小麦籽粒品质的品种间以及行间差异亟需进行研究。为此，本试验选用来自新疆、内蒙古、宁夏等春小麦生产区20个春小麦品种(系)，研究TR6与TR8滴灌模式下，不同品种的籽粒蛋白质含量、沉降值、湿面筋含量、直链淀粉含量差异，以期明确滴灌的行位效应对不同小麦品种籽粒品质的影响，为新疆滴灌专用小麦新品种选育和高效滴灌栽培技术构建提供理论与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况与试验设计

试验于2018年、2019年在石河子大学试验场(85°48′E, 44°44′N)进行，海拔450 m，属典型的温带大陆性气候，年平均气温在6.6℃～7.1℃之间，最高气温出现在7月―8月初，最低气温出现在1月；年均降雨量在189.1～200.3 mm，年蒸发量在1 517.5～1 563.8 mm，相对湿度在65%左右，最多日照时间为3 264.9 h。试验田土壤类型为壤土,其土壤有机质16.05 g·kg-1、碱解氮42.05 mg·kg-1、速效磷13.69 mg·kg-1、速效钾225.96 mg·kg-1。于4月3日播种，播种前每公顷施基肥P2O5和K2O各105 kg。选用20个在生产中有一定种植面积的春小麦品种(系),包括：来自新疆的新春37号、新春51号、新春6号、新春11号、新春22号、新春31号、新春35号、新春38号、新春39号、新春44号、新春45号、新春29号、来自内蒙古的农麦2号，黑龙江的克春11号、天津的津强7号、青海的高原506号、以及来自宁夏的宁春4号、宁春53号、14-2品系、西藏的阿勃。试验采用TR6与TR8的灌溉毛管配置方式，小麦行距为15 cm，滴灌模式图见图1。基本苗550万株·hm-2。灌水量为4 500 m·hm-2，滴头流量为2.6 L·h-1；施氮量300 kg·hm-2，灌水施氮量与时间见表1。小区宽4.5 m,长7 m,每品种重复3次,随机区组排列。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 水分与氮素供应量 选取空余地块，按照图1布置试验，每次灌溉刚结束时各行(TR6中为R1、R2、R3；TR8中为R1、R2、R3、R4)4个土层(0～20、20～40、40～60、60～100 cm)土体的含水量或氮素含量与该次灌溉开始时土体含水量或氮素含量之差乘以土体体积得到当次R1～R3与R1～R4各行不同土层的水分和氮素供应量，全生育期累加为该土体水分和氮素供应总量。水分与氮素供应量计算方法参见公式(1)[15-16]：

(1)

式中,RIW为水分供应量；i是土层数；n为4；γi是第i个土层的干容重(g· cm-3)；Hi是第i个土层的体积(cm3)；θi1和θi2分别是每次灌溉开始和结束时第i个土壤层的土壤水分含量。

氮素供应量(RIN)与水分供应量计算公式类似：

(2)

式中，ρi1和ρi2分别是每次灌溉开始和结束时第i个土壤层的氮素供应量。氮素供应量与水分供应量行间变异系数(CV)参见公式(3)：

CV=StdevR1-Ri/AverageR1-Ri×100%

(3)

式中，StdevR1-Ri为R1～R3或R1～R4氮素供应量与水分供应量的标准差，AverageR1-Ri为R1～R3或R1～R4氮素供应量与水分供应量的平均值。

表1 试验不同时期灌水施氮量

1.2.2 制粉及品质测定 从每处理(TR6中为R1、R2、R3；TR8中为R1、R2、R3、R4)收获的小麦籽粒中随机取3 kg，在室温下将小麦籽粒存放3个月后润麦24 h，参照AACC 26-20布勒氏法[17]，用德国Brabender公司Quandrmat Junior磨粉机磨制面粉。在室温条件下存放面粉1周后进行品质测定。蛋白质含量测定：采用GB55U-85方法，用凯氏微量定氮仪测定[18]，蛋白质含量为凯氏定氮法测定的氮含量乘以5.7(小麦面粉换算系数)。湿面筋含量测定：参照GB/T5506.2-2008/IS021415-2:2006手洗法[19]，用瑞典Perten2000型面筋仪测定。沉降值测定：参照AACC56-62方法[20]，用德国Brabender公司专用设备测定。直链淀粉含量测定：碘比色法测定淀粉含量[17]。不同品种籽粒品质行间变异系数(SV)参见公式(4)：

SV=StdevR1-Ri/AverageR1-Ri×100%

(4)

式中,StdevR1-Ri为某一品种R1～R3或R1～R4蛋白质、湿面筋、沉降值、直链淀粉含量的标准差，AverageR1-Ri为某一品种R1～R3或R1～R4蛋白质、湿面筋、沉降值、直链淀粉含量的平均值。

1.3 数据处理

数据采用Excel 2010进行统计分析，SPSS 19.0进行单因素方差分析(ANOVA)，p<0.05的统计检验是差异显著的，运用Origin 2018与RStudio作图。

2 结果与分析

2.1 不同小麦行土壤水分和氮素供应量的差异

图2所示，2018年和2019年，TR6与TR8滴灌模式下，各行小麦水分和氮素的供应量均相对于R1减少，各行小麦间水分供应量的变异幅度大于氮素供应量，同时，TR6滴灌模式下各行小麦间的水分与氮素供应量的变异幅度低于TR8滴灌模式下对应的变异幅度。2018年，TR6滴灌模式下，R2、R3小麦行水分供应量相对于R1分别减少33.08%和61.51%，土壤氮素供应量相对于R1分别减少20.76%和55.80%。2019年，TR6滴灌模式下，R2、R3小麦行水分供应量相对于R1分别减少32.40%和60.52%，土壤氮素供应量相对于R1分别减少21.63%和56.25%。2018年，TR8滴灌模式下，R2、R3、R4小麦行水分供应量相对于R1分别减少35.57%、61.00%、83.29%，土壤氮素供应量相对于R1分别减少22.72%、54.67%、80.16%；2019年， TR8滴灌模式下，R2、R3、R4小麦行水分供应量相对于R1分别减少37.17%、60.70%、83.42%，土壤氮素供应量相对于R1分别减少26.18%、57.09%、80.88%。

2018年和2019年，TR6滴灌模式下，R2、 R3小麦行土壤氮素供应减少幅度与水分减少幅度呈正相关，但氮素供应减少量低于水分供应减少量，仅在 R3 行水分供应量较R1 降低近 80%～90%时，氮素供应量降低幅度才接近水分供应量降低幅度。2018年和2019年，TR8滴灌模式下，R2、R3、 R4小麦行土壤氮素供应减少幅度与水分减少幅度呈正相关，但氮素供应减少量低于水分供应减少量，仅在 R4行水分供应量较R1 降低近 80%～90%时，氮素供应量降低幅度才接近水分供应量降低幅度。

2.2 两种滴灌模式下不同品种小麦的籽粒品质

表2所示，2018年和2019年，津强7号、克春11号、高原506号、新春37号、新春38号、阿勃在两种滴灌模式下蛋白质含量均高于15.3%；宁春53号、新春31号、新春35号、新春11号、新春45号蛋白质含量均低于15.2%。新春38号、克春11号、新春39号、新春22号、津强7号在两种滴灌模式下沉降值均高于33.7 ml；新春35号、新春31号、新春11号在两种滴灌模式下沉降值均低于30.2 ml。新春37号、新春38号、新春44号、高原506号、津强7号在两种滴灌模式下湿面筋含量均高于33.7%；新春11号、新春29号、新春31号、新春35号、新春45号、宁春53号、宁春4号、农麦2号湿面筋含量均低于33.5%。新春37号、新春38号、新春44号、津强7号、高原506号、阿勃在两种滴灌模式下直链淀粉含量均高于33.1%；新春11号、新春31号、新春35号、新春45号直链淀粉含量均低于31.4%。

2018年，阿勃TR8与TR6的蛋白质含量无显著差异(p>0.05)，其余品种籽粒蛋白质含量均显著高于(p<0.05)TR6滴灌模式的。2019年，新春31号、新春37号、新春38号TR8与TR6的蛋白质含量无显著差异(p>0.05)，其余品种籽粒蛋白质含量均显著高于(p<0.05)TR6滴灌模式的。2018年与2019年，阿勃TR8湿面筋含量显著低于TR6的(p<0.05)，其余品种湿面筋含量均显著高于TR6的(p<0.05)。

图3所示，2018年，TR6 与TR8滴灌模式下，试验品种的籽粒蛋白质含量与沉降值、湿面筋、淀粉含量均呈正相关，其决定系数分别为0.52、0.89、0.91; 2019年，试验品种的籽粒蛋白质含量与沉降值、湿面筋、淀粉含量均呈正相关，其决定系数分别为0.38、0.56、0.82。

2.3 两种滴灌模式下不同品种籽粒品质的降维分析

表3所示，2018年和2019年，TR6滴灌模式下，主成分1的方差贡献率分别为75.2%与67.9%，主成分2的方差贡献率分别为17.9%与19.8%，TR8滴灌模式下，主成分1的方差贡献率分别为75.7%与65.3%，主成分2的方差贡献率分别为17.9%与24.2%。主成分1与主成分2的累积方差贡献率均高于80%，可反映大部分的籽粒品质特性。2018年和2019年，两种滴灌模式下，蛋白质含量、沉降值、湿面筋、直链淀粉含量与主成分1之间均为正相关，其相关系数均大于0.685，沉降值与主成分1的相关系数最小。蛋白质含量、湿面筋、直链淀粉含量与主成分2之间均为负相关，相关系数均小于-0.067，沉降值与主成分2呈正相关，相关系数均大于0.284。两种滴灌模式下，蛋白质含量、沉降值、湿面筋、直链淀粉含量对主成分1的贡献率均在14.97%～30.79%之间，沉降值对主成分2的贡献率最高，在63.03%～82.64%之间。

表3 两种滴灌模式下籽粒品质与主成分间的相关系数及对主成分的贡献率

图4a中1聚类群的蛋白质含量、沉降值、湿面筋、直链淀粉含量最高，其平均值分别为15.63%，34.82 ml， 33.78%与33.44%，2、4、3聚类群依次降低。图4b中4聚类群的蛋白质含量、沉降值、湿面筋、直链淀粉含量最高，其平均值分别为16.81%，38.94 ml， 35.92%与35.54%，3、2、1聚类群依次降低。图4c所示，1聚类群的蛋白质含量、沉降值、湿面筋、直链淀粉含量最高，其平均值分别为15.99%，32.22 ml， 34.58%与35.10%，2、4、3聚类群依次降低。图4d所示，4聚类群的蛋白质含量、沉降值、湿面筋、直链淀粉含量最高，其平均值分别为17.50%，38.86 ml， 36.37%与38.02%，3、2、1聚类群依次降低。

2.4 两种滴灌模式下不同品种籽粒品质行间变异系数的降维分析

表4所示，TR6滴灌模式下，各品种蛋白质含量，沉降值、湿面筋、淀粉含量的行间变异系数均显著低于TR8滴灌模式的(p<0.05)，两种滴灌模式下所有品种籽粒品质的行间变异系数最大为9.12%，小于水分与氮素供应量最小行间变异系数37.87%(图2)。

2018年和2019年不同品种籽粒品质行间变异系数趋势一致，现以2018年数据进行分析和说明。如表5所示， TR6滴灌模式下，主成分1的方差贡献率为32.0%，主成分2的方差贡献率分别为与24.9%。TR8滴灌模式下，主成分1的方差贡献率分别为39.9%，主成分2的方差贡献率分别为27.8%。主成分1与2的累积方差贡献率高于50%，可反映大部分的籽粒品质行间变异系数特性。两种滴灌模式下，蛋白质含量、沉降值、湿面筋、直链淀粉含量行间变异系数与主成分1之间均为正相关，沉降值行间变异系数与主成分1的相关系数最小。蛋白质含量、湿面筋、直链淀粉含量行间变异系数与主成分2之间均为负相关，沉降值行间变异系数与主成分2呈正相关。蛋白质含量、沉降值、湿面筋、直链淀粉含量行间变异系数对主成分1的贡献率均在12.50%～30.28%之间，沉降值对主成分2的贡献率在73.92%～86.67%之间。

图5a所示，2聚类群的蛋白质含量变异系数最小，其平均值为0.57%，1、3、4聚类群依次升高。1聚类群的沉降值含量变异系数最小，其平均值为0.17%，4、2、3聚类群依次升高。4聚类群的湿面筋含量变异系数最小，其平均值为0.22%，1、3、2聚类群依次升高。3聚类群的直链淀粉含量变异系数最小，其平均值为2.38%，1、4、2聚类群依次升高。

图5b所示，4聚类群的蛋白质含量变异系数最小，其平均值为2.42%，2、1、3聚类群依次升高。4聚类群的沉降值含量变异系数最小，其平均值为0.27%，2、1、3聚类群依次升高。4聚类群的湿面筋含量变异系数最小，其平均值为0.37%，1、2、3聚类群依次升高。1聚类群的直链淀粉含量变异系数最小，其平均值为3.59%，4、3、2聚类群依次升高。

3 讨 论

水分与氮素是影响小麦产量与品质的主要因素，Zhao等[21]与Noorka等[22]均研究发现水分胁迫会减少籽粒中水分含量和脂肪含量，而增加蛋白质、灰分和面筋含量。雷钧杰等[23]研究发现随着施氮量的増加，小麦籽粒容重、出粉率、湿面筋含量、沉降值呈“先増后减”的变化趋势。新疆小麦生产是运用滴灌水肥一体化种植，但是滴灌种植存在行位效应(不同小麦行距离滴灌带出水口位置不同)，小麦行间水分、氮素供应量对小麦籽粒产量与品质有重要的影响。隋娟等[24]与郑彩霞等[25]均研究发现随着离滴灌带距离的增加，水分与氮素均呈减小的趋势。本研究发现两种滴灌条件下，R2、R3与R4小麦行土壤氮素供应减少幅度与水分减少幅度平行，但氮素供应减少量低于水分供应减少量，仅在R3行(TR6)与R4行(TR8)水分供应量较R1降低近80%～90%时，氮素供应量降低幅度才接近水分供应量降低幅度，这与土壤水分严重缺乏，根系吸水困难导致的氮肥利用效率降低有关[26-28]。Lv等[15]研究发现，在TR5与TR6滴灌模式下，R2与R3相对于R1干物质量、叶面积指数及产量的减少比率均低于截获水减少的比例。本研究发现TR6滴灌模式下水分与氮素供应量的行间变异系数分别为44.96%与33.87%，TR8滴灌模式下水分与氮素供应量的行间变异系数为分别为64.97%与58.14%，两种滴灌模式下，所有品种的籽粒蛋白质含量、沉降值、湿面筋含量、直链淀粉含量行间变异系数均低于10%，TR6与TR8滴灌模式下，籽粒品质的行间变异系数远低于水分与氮素供应量的行间变异系数。

优质是小麦育种工作所追求的目标，小麦籽粒品质性状间存在相关性。Noorka等[29]研究发现水分胁迫与正常条件下，蛋白质含量与湿面筋含量和沉降值呈正相关。本研究表明不同品种的籽粒蛋白质含量与沉降值、湿面筋、直链淀粉含量均呈正相关，主成分分析结果表明籽粒蛋白质含量、湿面筋、直链淀粉含量与主成分1呈正相关，其相关系数均大于0.685，与第二主成分呈负相关。沉降值与主成分2呈正相关，相关系数均大于0.284。不同小麦品种的抗旱性不同影响其对应的品质性状[30-31]，本研究聚类分析结果表明，新春37号、新春38号与津强7号在不同年度与滴灌模式下，均位于1聚类群，该聚类群的沉降值、湿面筋、直链淀粉含量最高。新春51号、新春31号、新春39号、宁春4号、宁春53号的沉降值在不同滴灌模式下均位于变异系数最小的聚类群，新春22号、高原506号的湿面筋在不同滴灌模式下均位于变异系数最小的聚类群。

4 结 论

因滴灌小麦种植存在行位效应，TR6与TR8滴灌模式下，随着与滴灌带距离的增加，小麦行氮素与水分供应量同步递减，氮素供应量的行间变异系数均低于对应的水分供应量行间系数。两种滴灌模式下所有品种籽粒品质的行间变异系数最大为9.12%，小于水分与氮素供应量最小行间变异系数37.87%，TR6滴灌模式下，各品种的蛋白质含量、沉降值、湿面筋、淀粉含量行间变异系数均显著低于TR8滴灌模式的行间变异系数(p<0.05)。

不同年度与滴灌模式下，新春37号、新春38号与津强7号位于沉降值、湿面筋、直链淀粉含量最高的聚类群，新春51号、新春31号、新春39号、宁春4号、宁春53号的沉降值在不同滴灌模式下位于变异系数最小的聚类群，新春22号、高原506号的湿面筋在不同滴灌模式下位于变异系数最小的聚类群。