气象因子对河南省小麦主要品质指标的影响

申晓晴， 成 林

(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.周口市气象局，河南 周口 466000； 3.河南省气象科学研究所，郑州 450003)

小麦是中国主要的粮食作物之一。小麦产量的高低和品质的优劣直接影响人们对食物需求的安全和满意程度，也影响着人类营养平衡及面粉和食品加工业的发展。近年来，随着人民生活水平的不断提高，在逐步实现小麦高产的同时，人们对小麦营养品质和食品质量的要求也越来越高，高产优质已成为当前小麦生产发展的主要目标[1]。有研究表明，小麦品质的优劣是由品种特性、生态条件和栽培技术等条件共同决定的。同一品种在不同年份、不同生态环境下，其籽粒品质表现出较大的差异，反映出生态环境条件对小麦籽粒品质具有较大影响[2]。齐琳娟等[3]对2004-2011年中国主产区4235份小麦样品品质分析发现，中国小麦蛋白质的含量及质量呈明显的北高南低趋势，但北方高筋麦区的蛋白质含量和质量有下降趋势，而南方弱筋麦区的蛋白质含量及质量却有上升的趋势。赵春等[4]从蛋白质和淀粉两方面分析了生态环境和基因型对小麦品质的影响，研究不同品种的小麦在不同生态环境条件下品质性状的变化。信志红等[1]分析了冬小麦籽粒品质评价及其对气象因子的响应研究，对南北方冬麦区主要品种的小麦籽粒性状和内在品质进行了分析评价。袁俊秀[5]、潘洁[6]等认为在相同的田间管理条件下，气象环境因子对小麦产量和品质有很大影响，灌浆期气象因子与春小麦部分品质性状之间存在显著相关性。还有学者[7]研究认为，小麦不同生育时段的不同气候因子对品质性状的影响程度不同。在扬花至乳熟期，低温有助于小麦茎秆蛋白质和籽粒清蛋白积累，而高温有利于醇溶蛋白和麦谷蛋白的积累；灌浆后期的光照条件与籽粒品质的形成关系更为密切，是决定蛋白质品质的主要时期等。

河南省作为全国最大的小麦主产区之一，播种面积、总产量均居全国首位，在我国粮食生产中占有极其重要的地位。因此，研究气象因子对河南省小麦品质的影响具有重要意义。目前已有的研究为进一步了解不同生态环境对小麦品质的影响提供了参考，但不同区域、不同主栽品种之间还存在着明显差异，与气象因子的关联关系结论并不统一[8-21]。本文在分析近年河南省小麦品质现状的基础上，采用变异分析、基因与环境互作效应分析等方法，探究气象条件对小麦籽粒蛋白质含量、湿面筋含量及面团稳定时间的影响。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本文所用292份小麦样品，源于2017-2019年《中国小麦质量报告》中河南省18个省辖市71个县(区)的小麦品种(系)。气象资料来自对应县(区)气象站2017-2019年观测数据，主要包括逐年3月上旬至6月上旬的旬平均气温、最高气温、最低气温、气温日较差、降水量、雨日数、日照时数和相对湿度。

1.2 区域划分

河南省小麦种植地域广阔，不同地区间小麦品质存在较大的差异。这种差异不仅由品种本身的遗传特性决定，还受气候、土壤、耕作制度、栽培措施等环境条件，以及品种与环境的相互作用的影响[22]。本文结合河南省小麦生产和农业气候特点，参考已有优质专用小麦区划研究成果[23]，按照合理配置资源、优化品质结构等原则，将小麦产区分为3个区域：Ⅰ.黄河以北地区(包括安阳、鹤壁、濮阳、新乡、济源、焦作)；Ⅱ.豫中地区(包括三门峡、洛阳、郑州、平顶山、许昌、漯河、开封、周口、商丘)；Ⅲ.豫南地区(包括南阳、驻马店、信阳)。

黄河以北地区地处河南北部，光温条件较好，地下水资源丰富，灌溉条件较好，土壤肥力相对较高，小麦灌浆期少雨且气温日较差大，适合种植优质强筋小麦。豫中地区作为河南省小麦主要产区，春季光照充足，但大风出现频率较高，小麦生育后期易出现干热风；降水偏少且时空分布不均匀，干旱可能影响小麦正常生长；此外低温冻害对小麦有一定影响。该区以中强筋、中筋小麦种植为主。豫南地区属亚热带气候，热量资源丰富，光照比较充足，春季多连阴雨天气，多雨年份常有湿害发生，小麦灌浆期间高温、多雨、气温日较差较小，不利于小麦籽粒蛋白质、面筋的形成，因此以弱筋小麦为主。

1.3 研究方法

利用变异系数(Coefficient of Variation)比较小麦样品资料变异程度的大小；以逐旬的各气象因子为自变量，分别以籽粒蛋白质含量、湿面筋含量和面团稳定时间为因变量，对气象因子与主要品质进行线性相关和二次曲线相关分析，筛选对小麦主要品质影响显著的气象因子。选用多因素方差分析方法分析计算品种作用力、环境作用力及互作效应所占百分比，探究基因型、环境及其互作效应对各区域小麦主要品质性状的影响。品种作用力、环境作用力计算公式如式(1)(2)：

(1)

(2)

式中，总变量(平方和)是指基因型、环境型和基因型×环境三种效应的总和，品种变量(平方和)指基因型占三种效应总和的百分比；环境变量(平方和)即环境型占三种效应总和的百分比。利用各效应方差分析结果(F值)进行计算，得到品种作用力和环境作用力的百分比值。

1.4 数据处理

数据整理与分析采用EXCEL计算河南省小麦样品的内在品质性状和面团粉质参数的均值、变异系数等；采用SPSS19.0软件进行气象条件与三个区域小麦样品的籽粒蛋白质含量、湿面筋含量和面团稳定时间之间的相关性分析，选取对小麦品质影响较大的平均气温、最高气温、最低气温、日较差、降水量、雨日数、日照时数和相对湿度8个气象要素进行分析研究。不同基因型和环境及其互作效应对小麦主要品质影响的研究，主要采用SPSS19.0软件进行多因素方差分析，各区域均选用相同的3个小麦品系(郑麦、中麦和百农系列)，分别对河南省18个地级市种植的样品分析，通过对小麦籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、面团形成时间和稳定时间进行方差分析，得出基因型、环境及基因型和环境互作效应所占总平方和的百分比，根据各因素作用力的比较，探讨基因型和环境及其互作效应对小麦主要品质性状的影响。

2 结果与分析

2.1 小麦样品的性状

2.1.1 籽粒品质性状

容重是小麦籽粒大小、粒形、饱满度等的综合反映，是商品小麦分级的一个重要条件[24]。对2017-2019年河南省小麦样品籽粒品质分析结果表明：河南省小麦样品的容重平均值为806.48 g/L，所抽样品中有80.48%的小麦样品的容重达到一等标准(≥790 g/L)，15.07%的小麦样品的容重为二等(770～790 g/L)，4.11%的小麦样品的容重为三等(750～770 g/L)，还有0.34%的小麦样品的容重在750 g/L以下。全省基本以一等、二等(≥770 g/L，GB1351-2008)为主[25]，292个样品中籽粒容重二等及以上小麦的达标率为95.5%。

通过三个区域及全省的小麦样品籽粒容重分析结果(表1)可以看出，各区域小麦籽粒容重平均值均达到一等小麦标准，变异系数较低，说明河南省小麦样品的容重均值总体较高，且有自南向北逐渐增加的趋势。

表1 小麦样品籽粒品质分析结果

2.1.2 内在品质性状

小麦籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值等是评价小麦籽粒品质的主要指标。对三个区域及全省小麦样品内在品质性状分析结果(表2)表明，2017-2019年河南省小麦样品籽粒蛋白质含量平均为14.43%，湿面筋含量平均为31.27%，降落数值平均为376.35 s，沉淀值平均为35.63 mL，面筋指数平均为84.44%。沉淀值、降落数值在样品间的变异系数较高，分别为25.0%、18.36%；籽粒蛋白质含量在样品间的变异系数相对较低，为9.04%。根据国家优质小麦——强筋小麦品质指标(GB/T17892-1999)的规定[26]，籽粒蛋白质含量≥14.0%、湿面筋含量≥32%、沉淀值≥40 mL、降落数值≥300 s为强筋小麦标准。由表2可知，全省小麦的籽粒蛋白质含量和降落数值平均值达到强筋小麦规定的相应标准，湿面筋含量(28%≤湿面筋含量≤32%)和沉淀值(35 mL≤沉淀值≤40 mL)达到国家中强筋小麦品质指标(GB/T1732-2013)[27]的规定。

表2 小麦样品内在品质性状分析结果

豫南地区的小麦籽粒蛋白质含量、湿面筋含量和降落数值均低于河南省平均值，且低于另外两个区域的，说明黄河以北地区、豫中地区的小麦内在品质整体优于豫南地区的。

2.1.3 粉质参数

小麦粉质特性主要包括吸水量、面团形成时间及稳定时间、软化度等参数，它们在加工过程中所表现的流变学特性，是衡量面粉加工品质的重要指标[28]。通过对三个区域及全省小麦样品的面团粉质参数分析(表3)发现，2017-2019年河南省小麦样品的面团吸水量平均为60.31%，形成时间平均为7.46 min，稳定时间平均为12.36 min。面团形成时间、稳定时间在样品间的变异系数较高，分别为100.64%、78.31%；吸水量在样品间的变异系数较低，为6.01%。

在中国漫长的传统社会中，儒家以“修”“齐”“治”“平”四个维度为主要内容的道德责任理论既规定了人伦日用的道德准则，也为君王施行仁政、以德治国提供了哲学论证，还是引导激励读书人修炼自我、心怀天下的道德信念与精神动力。从形下的世俗生活到形上的天道、天理，儒家的道德责任观展现了一个天地之间大写的人所应承诺的不同维度的道德责任。然而，进入21世纪，人们遭遇了很多传统社会从未出现的责任问题，经历着社会责任感“稀薄”甚至“冷漠”的现实。因此，实现儒家的道德责任观的现代转换是回应现代社会诸多道德责任问题的可行路径。

由表3可知，黄河以北地区的小麦吸水量、面团形成时间和稳定时间均高于河南省平均值，且高于另外两个区域的。说明黄河以北地区的小麦粉质参数整体优于豫中和豫南地区的。

表3 小麦样品面团粉质参数分析结果

变异系数的差异反映了小麦品质性状在进化保守性或遗传可塑性方面的不同及其对环境条件的适应程度[29]。上述分析表明，小麦籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、吸水量的变异系数相对较小，而面团形成时间和稳定时间变异程度明显，可能与所选用的品种及环境条件的差异状况有关。

2.2 不同地区小麦主要品质性状与气象条件的关系

2.2.1 黄河以北地区

分析结果(表4)表明，黄河以北地区的籽粒蛋白质含量与气象条件不存在显著相关，气象条件对面团稳定时间的影响大于对湿面筋含量的影响。湿面筋含量与3月中下旬的最高气温、气温日较差呈显著正相关，与5月下旬的最高气温、气温日较差呈显著负相关，表明小麦拔节至孕穗期间，在适宜范围内温度升高可促使根系从土壤中吸收较多的氮素，小麦吸收的氮素增加，相应会合成更多的醇溶蛋白和麦谷蛋白，从而提高小麦籽粒的湿面筋含量，同时较大的气温日较差更利于小麦湿面筋含量的积累。大量研究表明，小麦成熟前2-3周内最高气温超过32 ℃，会使籽粒蛋白质的积累受到限制，进而会导致面粉筋力下降，因此灌浆后期温度过高不利于小麦湿面筋含量的形成。面团稳定时间主要受最高气温和日较差的影响，且受3月下旬的气象条件影响最显著。 3月中下旬和4月中旬的最高气温、日较差与面团稳定时间呈显著负相关，说明小麦拔节、抽穗期间气温升高和日较差增大，会缩短面团稳定时间。

表4 黄河以北地区小麦品质与气象条件的二次曲线相关系数

基因型、环境及其互作是影响小麦品质性状的重要因素。有研究认为，小麦品质性状受遗传特性和栽培环境的共同影响，是品种和环境条件的综合表现[30]，气象条件是重要的环境因子。对黄河以北地区不同品系的小麦样品主要内在品质性状(籽粒蛋白质含量、湿面筋含量)、主要流变学性状(面团形成时间、稳定时间)方差分析结果(表5)表明，在各因素的独立效应中，品种对籽粒蛋白质含量的作用力最大，占总方差的76.13%；环境对面团形成时间的作用力占总方差的62.50%。表明籽粒蛋白质含量的变异主要受品种的影响，形成时间的变异主要受环境的影响。互作效应中，湿面筋含量受到的基因型×环境互作的作用力要大于基因型及环境的，但是基因型的作用也不容忽视。

表5 黄河以北地区小麦品质的方差分析及作用力比较 %

2.2.2 豫中地区

豫中地区的小麦样品籽粒蛋白质含量受气象条件的影响比较显著(表6)，与3月中旬至4月上旬、5月中下旬的最高气温呈显著正相关，说明小麦在拔节-抽穗、灌浆期温度适当升高增加了小麦籽粒对氮素的吸收量，促进含氮物质的大量积累，蛋白质合成速度加快，有利于籽粒蛋白质的合成和积累。与3月中旬至4月中旬的气温日较差呈显著正相关，表明较大的气温日较差更利于小麦蛋白质含量和籽粒品质的积累，这与金艳等[7]的试验结论相同。籽粒蛋白质含量与日照时数也有密切关系， 与3月中旬至4月上旬的日照时数呈显著正相关，与4月中旬、5月中下旬的日照时数呈显著负相关，表明小麦在拔节至抽穗的生长前期光照条件好，有利于籽粒蛋白质含量的形成和提高；小麦抽穗至成熟期40天左右是籽粒发育与物质积累的关键时期，若此期间光照充足，叶片光合作用强，利于碳水化合物的形成，但随着碳水化合物的比重增加，会导致籽粒蛋白质的含量相对下降，所以小麦生长后期光照条件好时，籽粒蛋白质含量反而降低。

表6 豫中地区小麦品质与气象条件的二次曲线相关系数

湿面筋含量与3月中旬至4月中旬的最高气温呈显著正相关，与相对湿度呈显著负相关，说明小麦拔节至开花期在一定的温度范围内，湿面筋含量随着温度的升高而提高，但此期间较大的空气湿度不利于小麦湿面筋含量的形成。

表7 豫中地区小麦品质的方差分析及作用力比较 %

2.2.3 豫南地区

豫南地区小麦样品的籽粒蛋白质含量受气象条件影响较大(表8)，最低气温是气象因子中相关性表现最显著的，在3月上旬、3月下旬、4月上旬和5月下旬呈极显著负相关。低温胁迫是影响小麦生长发育的重要限制因素之一。低温下叶片的生长速率缓慢，光合速率下降，还会抑制蛋白质的活性，且温度越低，活性越弱，影响籽粒蛋白质的含量和质量。面团稳定时间主要受最低气温的影响，与4月下旬、5月上中旬最低气温呈极显著负相关，表明小麦开花至乳熟期间气温低对延长面团稳定时间不利。

表8 豫南地区小麦品质与气象条件的二次曲线相关系数

在各因素的独立效应中，环境对豫南地区的小麦籽粒蛋白质含量的作用力最大，占总方差的75.1%，远大于品种的作用力，表明籽粒蛋白质含量变异的主要原因是环境的变异。对湿面筋含量、形成时间和稳定时间而言，从三者各占总方差的百分数来看，基因型×环境的作用力>环境的>基因型的，即基因型×环境的互作效应对它们的影响最大(表9)。

表9 豫南地区小麦品质的方差分析及作用力比较 %

总体来看，气象条件对豫中地区的小麦主要品质影响最大，受3月中旬至4月中旬的最高气温影响最明显，呈显著正相关，籽粒蛋白质含量与4月上旬的气象条件相关系数较大；黄河以北地区小麦品质主要受3月中下旬和5月下旬的最高气温和日较差影响，面团稳定时间受3月下旬的气象条件影响最显著；豫南地区小麦的籽粒蛋白质含量和面团稳定时间主要受最低气温的影响，呈显著负相关。从本文分析结果看，河南省小麦湿面筋含量受基因型×环境互作效应的影响大于基因型及其环境的作用。对籽粒蛋白质含量、面团形成时间和稳定时间而言，不同区域表现出明显差异，黄河以北地区受独立效应影响较大，且主要影响因素各不相同；豫南地区受互作效应影响较大。因此在进行小麦优质生产时，应对品种、地点、不同地区气候条件年际间变化特点等综合考虑[31]。

3 结论与讨论

(1)2017-2019年河南省小麦样品的容重均值总体较高，95.5%达到二等及以上小麦标准，黄河以北和豫中地区的小麦内在品质整体优于豫南地区的，黄河以北地区的小麦粉质参数整体优于豫中和豫南地区的。

(2)不同区域小麦品质对气象因子的响应不同，气象条件对豫中地区的小麦品质影响最大。整体来看，日最高气温和气温日较差是影响河南省小麦品质较为突出的气象因子。其中黄河以北地区主要受3月中下旬和5月下旬的最高气温、日较差的影响，呈显著正相关；豫中地区主要受3月中旬至4月中旬的最高气温影响，呈显著正相关。说明在一定温度范围内，气温偏高、日较差大有利于籽粒蛋白质含量和湿面筋含量的提高。

(3)基因型×环境互作效应对河南省不同区域小麦湿面筋含量的影响大于基因型及其环境对湿面筋含量的作用。对籽粒蛋白质含量、面团形成时间和稳定时间而言，不同区域表现出明显差异：黄河以北地区受独立效应影响较大，主要受基因型影响，即品种对小麦品质形成占主要因素；豫中地区的湿面筋含量主要受环境因素影响，即气象条件对小麦品质形成占主要因素；豫南地区的湿面筋含量受互作效应影响较大。

小麦品质是比较复杂的综合性状，是许多因素相互结合和相互作用的结果。在大多情况下，小麦品质既受各种气候因子的综合影响，同时还会受到品种性状、地域环境等多方面的影响，引起其差异性的原因也比较复杂。目前，国内学者大多是针对单一小麦品质的关键气象因子研究，基本明确了气象因子对小麦关键品质的影响机制，为小麦生产提供了参考，但对于影响小麦品质的综合气象因素的研究和分析尚不多见。 本文从小麦主要品质的变异分析入手，对河南省不同区域的小麦品质状况有了较全面的了解，并就小麦生育期间不同气象因子对小麦主要品质性状的影响进行相关分析，探究冬小麦品质与多个气象要素协同变化的规律，得出最高气温、气温日较差对品质影响显著，这与信志红[1]、吴东兵[32]等在试验中总结出的较大气温日较差更利于小麦抽穗至成熟期间的蛋白质积累的结论一致；赵广才[33]、曹广才[34]等研究认为的灌浆期间适度的干旱可提高籽粒蛋白质含量，较多的降水和较高的湿度对蛋白质含量形成不利等论述，在本研究中尚未发现。本文关于基因、环境及其互作效应对小麦品质的分析，与郭天财等[35]的基因型、环境和互作效应对不同的品质指标，三者的效应大小不一的结论一致；与刘爱峰等[36]的地点间环境效应对蛋白质含量和湿面筋含量的影响较大的研究结果不太一致，可能是与所选用品种及环境条件的差异状况有关，今后需加强相关机理研究。

由于本研究不是在特定的试验条件下进行，缺少系统的试验证据，尚不能代表普遍结论，对于不同品种不同品质性状对不同环境的适应性和稳定性，还有待于进一步研究。因此今后会加强对小麦品质性状的变化规律、基因和环境互作效应对不同品质指标的影响分析，为河南省选用品质性状优良的优质品种，加强品质生态区划等提供一些依据。