不同生态环境对强筋小麦产量和品质的影响

张素瑜，靳海洋，崔静宇，秦 峰，李向东，岳俊芹，邵运辉，王汉芳，方保停，张德奇，杨 程

（1. 河南省农业科学院 小麦研究所/农业农村部中原地区作物栽培科学观测实验站/河南省小麦产量-品质协同提升工程研究中心，河南 郑州 450002；2. 商丘市农林科学院，河南 商丘 476000）

口粮消费是我国小麦消费的主要途径，占消费总量的80%以上[1]。随着生活水平的提高和饮食习惯的改变，人们对于优质专用小麦的需求日益增加，优质小麦订单生产也日益被市场接受。然而我国优质专用小麦进口依赖严重，国际竞争力弱[2‑3]，“稳定小麦面积，扩大专用小麦面积”是实现农业供给侧结构性改革的必然要求。

河南省是我国小麦生产第一大省，其小麦种植面积和商品粮总量均居全国领先地位。虽然河南省小麦连年丰收，产量连攀新高，但真正做到“四专”的强筋和弱筋小麦供应不足，造成“守着粮仓缺麦子”的现象时有发生[2]。小麦品质不仅是育种和栽培的重要目标，也是影响小麦产业竞争力的重要因素[4]。提升小麦品质，品种是基础，环境是关键，栽培管理措施起重要作用[5]。在生产中，品质受栽培环境和管理措施影响较大，不合理的种植区划和栽培管理可能导致优质品种不能发挥其品种优势，致使“种同质不同，种优质不优”。因此，探究不同生态环境对小麦品质的影响，是实现优质品种规模化种植和形成区域优势的关键。

小麦品质主要分为营养品质和加工品质，其受品种自身的遗传因素及外部生态环境等因素共同影响，且品质性状间相互作用[6‑8]。小麦不同品质指标在环境中变异系数的大小能够为品质改良提供方向，进而通过品种遗传改良、高效栽培措施和品种区划改善其品质性状。乔玉强等[9]认为，小麦籽粒蛋白质含量、湿面筋含量等受生态环境因子影响较大，而与蛋白质质量相关的沉降值、膨胀势等性状主要受基因型影响；张媛菲等[7]研究认为，总湿面筋含量、总干面筋含量和稳定时间在不同栽培环境下变异系数较大，栽培环境对其影响较大；赵鹏涛等[6]对小麦品质性状的表型变异进行分析，发现稳定时间变异系数达到41.85%，而容重、吸水率和最大拉伸阻力变异系数较小，主要由基因型决定。目前，关于生态环境对小麦品质影响的研究主要集中于纬度、海拔、温度、光照、降雨等方面[10‑15]，且主要是在当地习惯施肥管理下进行的，而施肥是影响小麦品质的主要田间管理措施[16‑17]；在同一施肥管理措施下生态环境对小麦品质的影响研究报道较少[18‑19]。王晨阳等[18]研究发现，在同一施肥水平下，环境因素对小麦面条品质的影响达到显著水平；邓志英等[19]研究发现，品种、环境及其互作均对面包体积有显著影响。同一施肥条件下，河南省不同区域和年际间生态环境对强筋小麦面粉品质的影响研究尚未见报道。为此，从豫北到豫南选择5 个试验点，采用统一的施肥量和施肥模式，以强筋小麦品种郑麦366为试验材料，连续2 a测定不同环境下小麦产量和品质，分析品质指标的稳定性和相关性，并通过主成分分析筛选评价强筋小麦品质的代表性指标，通过品质指标与生态环境因子的相关性分析确定影响强筋小麦品质的关键生态环境因子，以期为优质强筋小麦的区域发展提供理论支撑。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试小麦品种为河南省农业科学院小麦研究所选育的半冬性多穗型强筋小麦品种郑麦366（国审麦2005003，豫审麦2005006）。供试氮肥为尿素（含N 46%），磷肥为过磷酸钙（含P2O512%），钾肥为氯化钾（含K2O 60%）。

1.2 试验设计

田间试验于2018 年10 月—2020 年6 月在河南省淇县（QX，35°60′N、114°17′E，地处豫北地区，年平均气温14.4 ℃，年平均降水量594 mm，年平均无霜期209 d）、原阳（YY，35°00′N、113°41′E，地处豫北地区，年平均气温14.4 ℃，年平均降水量566 mm，年平均无霜期205 d）、长葛（CG，34°14′N、113°50′E，地处豫中地区，年平均气温15.2 ℃，年平均降水量675 mm，年平均无霜期217 d）、郸城（DC，33°64′N、115°18′E，地处豫东地区，年平均气温15 ℃，年平均降水量778 mm，年平均无霜期223 d）、南阳（NY，32°54′N、112°25′E，地处豫西南地区，年平均气温15 ℃，平均年降水量806 mm，年平均无霜期229 d）5个试验点开展，各试验点土壤基础肥力情况见表1。每个试验点设置3 个重复，小区面积为15 m2。小麦季整地前基施N 150 kg/hm2、P2O5105 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2，拔节期随降雨或灌溉追施N 120 kg/hm2。除施肥外，耕作、灌溉、病虫草害防治等田间管理按照当地种植习惯进行。

表1 试验点土壤基础肥力状况Tab.1 Soil basic fertility of experimental sites

1.3 测定项目及方法

1.3.1 产量 在成熟期，收获小区中所有小麦测算产量。

1.3.2 品质指标 小麦籽粒晒干存放3 个月后，各小区取2 kg 样品，在农业部农产品质量监督检验测试中心（郑州）测定小麦籽粒品质指标。其中，蛋白质含量参照GB 5009.5—2016 方法测定；出粉率参照NY/T 1094.2—2006 方法进行计算；小麦磨粉熟化14 d 后，小麦粉湿面筋含量参照GB/T 5506.2—2008方法测定，沉淀指数参照GB/T 15685—2011方法测定，吸水量、面团粉质特性（形成时间、稳定时间、弱化度）参照GB/T 14614—2006 方法测定，面团拉伸特性（能量、恒定变形拉伸阻力、延伸性、最大拉伸阻力）参照GB/T 14615—2006方法测定。

1.3.3 生态环境因子 根据河南省气象局相关站点的日平均气温和日照时间数据，计算小麦播种—越冬期、越冬期—拔节期、拔节期—开花期、开花期—成熟期的积温和日照时间。

1.4 数据分析

数据经过Excel 2020 初步处理后，采用SPSS 19.0 进行差异显著性分析（Duncan’s 新复极差法）、相关性分析和主成分分析（PCA）。

2 结果与分析

2.1 2018—2020年不同试验点小麦产量、品质分析

由表2 可知，不同试验点和年际间小麦产量和品质均有不同程度的差异。2018—2019 年度，原阳和南阳试验点的小麦产量显著高于淇县、长葛和郸城试验点；2019—2020 年度，淇县、原阳和长葛试验点的小麦产量无显著差异，均显著高于郸城和南阳试验点。2018—2019 年度，原阳、长葛、南阳试验点的小麦籽粒蛋白质含量和湿面筋含量较高，均显著高于淇县和郸城试验点；2019—2020 年度，蛋白质含量和湿面筋含量均表现为南阳>长葛>郸城>原阳>淇县。沉淀指数在2018—2019年度的原阳和长葛试验点较低、2019—2020 年度的淇县试验点最低，显著低于同年度的其他试验点。吸水量在不同试验点和年际间较稳定，仅2019—2020年度的淇县试验点较低。2018—2019 年度，形成时间和稳定时间均表现为原阳>长葛>南阳>淇县>郸城；2019—2020 年度，形成时间在各试验点间差异未达到显著水平，稳定时间以长葛试验点最短，显著短于其他试验点，南阳试验点最长。2018—2019 年度，弱化度表现为郸城试验点显著高于其他试验点，而2019—2020 年度以淇县和长葛试验点较高，显著高于其他试验点。2018—2019 年度，能量、恒定变形拉伸阻力和最大拉伸阻力均以长葛和南阳试验点较高，显著高于淇县和郸城试验点；2019—2020 年度，能量、恒定变形拉伸阻力和最大拉伸阻力均表现为原阳>淇县>南阳>郸城>长葛。2018—2019 年度，延伸性表现为郸城试验点显著高于原阳和长葛试验点；2019—2020 年度，延伸性在原阳、长葛、郸城和南阳试验点间差异未达到显著水平，均显著高于淇县试验点。小麦出粉率在2018—2019 年度各试验点间差异未达到显著水平，2019—2020 年度表现为淇县显著高于长葛、郸城和南阳试验点。根据GB/T 17320—2013《小麦品种品质分类》，强筋小麦蛋白质含量≥14%、湿面筋含量≥30%、沉淀指数≥40 mL、吸水量≥600 mL/kg、稳定时间≥8 min、能量≥90 cm2、最大拉伸阻力≥350 EU。2018—2019 年度，郸城试验点小麦蛋白质含量、湿面筋含量、稳定时间、能量和最大拉伸阻力5 个指标均未达到强筋小麦标准，淇县试验点小麦的湿面筋含量、稳定时间未达到强筋小麦标准，除此之外均达到强筋小麦标准；2019—2020 年度，仅淇县试验点小麦的湿面筋含量、长葛试验点的稳定时间未达到强筋小麦标准，除此之外均达到强筋小麦标准。

表2 2018—2020年不同试验点小麦产量和品质Tab.2 Yield and quality of wheat in different experimental sites from 2018 to 2020

小麦产量在2 个年度5 个试验点间的的变异系数为8.70%～9.05%。在小麦品质指标中，弱化度的变异系数最大，为20.79%～26.77%；吸水量和出粉率的变异系数较小，分别为2.25%～3.74%和2.93%～3.32%。2 个年度5 个试验点间小麦品质指标的变异系数基本表现为弱化度>稳定时间>最大拉伸阻力>形成时间>恒定变形拉伸阻力>能量>湿面筋含量>蛋白质含量>延伸性>沉淀指数>吸水量、出粉率。

2.2 小麦品质指标间的相关性分析

由表3 可知，小麦蛋白质含量、湿面筋含量、形成时间、稳定时间之间呈极显著或显著正相关；形成时间、稳定时间、能量、恒定变形拉伸阻力、最大拉伸阻力之间均呈极显著正相关；沉淀指数与延伸性呈极显著正相关；弱化度与出粉率呈显著正相关。弱化度与籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、形成时间、稳定时间、能量、恒定变形拉伸阻力、最大拉伸阻力均呈极显著或显著负相关；延伸性与恒定变形拉伸阻力、最大拉伸阻力分别呈极显著、显著负相关；出粉率与籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、稳定时间均呈极显著或显著负相关。

表3 小麦品质指标间的相关系数Tab.3 Correlation coefficients among quality indices of wheat

2.3 小麦品质指标的主成分分析

对小麦所有品质指标标准化之后进行主成分分析，由表4可知，前3个主成分的特征值均大于1，累积贡献率达77.311%，表明这3 个主成分能够反映小麦品质性状的主要信息。第1主成分主要包括形成时间、稳定时间、弱化度、能量、恒定变形拉伸阻力和最大拉伸阻力，贡献率为40.971%；第2 主成分主要包括湿面筋含量、延伸性和出粉率，贡献率为25.148%；第3 主成分主要为吸水量，贡献率为11.192%。将主成分载荷绝对值≥0.66 作为选择标准[20]，可以筛选出湿面筋含量、形成时间、稳定时间、弱化度、能量、恒定变形拉伸阻力、最大拉伸阻力、延伸性、出粉率、吸水量共10个指标，可作为评价强筋小麦品质的指标。

表4 小麦品质指标的主成分分析Tab.4 Principal component analysis of quality indices of wheat

2.4 小麦品质指标与生态环境因子的相关性分析

由表5 可知，小麦各品质指标与播种—越冬期的积温和日照时间的相关性均未达到显著水平。小麦籽粒蛋白质含量与拔节期—开花期日照时间呈显著负相关，湿面筋含量与越冬期—拔节期积温呈显著正相关，而与拔节期—开花期日照时间呈极显著负相关。吸水量与拔节期—开花期积温呈极显著正相关，而与开花期—成熟期日照时间呈极显著负相关。另外，延伸性与越冬期—拔节期积温、出粉率与拔节期—开花期日照时间均呈显著正相关。

表5 小麦品质指标与各生育阶段生态环境因子间的相关系数Tab.5 Correlation coefficients between quality indices of wheat and ecological environmental factors in each growth periods

3 结论与讨论

小麦籽粒品质受遗传特性和栽培环境共同影响[6‑8]。变异系数是衡量作物遗传多样性及不同栽培环境下遗传稳定性的重要指标[21‑22]。赵鹏涛等[6]对219 份小麦品系的品质进行研究，发现籽粒容重和最大拉伸阻力具有较大的变异幅度，稳定时间变异系数最大（41.85%），而湿面筋含量和吸水量变异幅度较小；尹豪等[23]对313 份小麦样品进行研究，发现面团形成时间、稳定时间、弱化度、质量指数、50 mm 拉伸阻力、最大拉伸阻力和拉伸面积的变异系数较大，均在30%以上，湿面筋含量、沉淀指数变异系数较小，蛋白质含量和吸水率相对稳定。本研究发现，同一品种在不同试验点和年际间，弱化度变异系数最大，面团形成时间、稳定时间、最大拉伸阻力和恒定变形拉伸阻力变异幅度较大，与前人[6，23]的研究结果一致；小麦出粉率、吸水量和沉淀指数的变异系数较小，表明这些品质指标稳定，受环境影响较小。

研究发现，小麦粉质特性、拉伸特性、面筋特性等品质性状之间存在显著或极显著相关关系[24‑26]；蛋白质含量与面团粉质、拉伸特性参数的相关性均达到极显著水平，与弱化度呈极显著负相关，与其他指标均呈极显著正相关[23]；湿面筋含量与弱化度无显著相关性[23，27]；面团形成时间与稳定时间呈极显著正相关，最大拉伸阻力与形成时间、稳定时间均呈显著正相关，拉伸面积与形成时间、稳定时间、最大拉伸阻力呈极显著正相关，但拉伸特性参数中拉伸长度、拉伸阻力、最大拉伸阻力以及拉伸面积与蛋白质含量、湿面筋含量的相关性不显著[28]。本研究发现，弱化度与蛋白质含量、湿面筋含量、形成时间、稳定时间、能量、恒定变形拉伸阻力、最大拉伸阻力均呈极显著或显著负相关，这与前人[23，27]研究结果不一致，这可能与弱化度的变异系数较大有关。本研究中弱化度的变异系数较大，在2 个试验年度5 个试验点的变异系数为20.79%～26.77%，较大的变异系数可能影响相关性分析结果。本研究还发现，小麦蛋白质含量、湿面筋含量、形成时间、稳定时间之间呈极显著或显著正相关，进一步证实蛋白质含量和湿面筋含量对面团流变学特性具有很好的预测性。

由于供试材料、试验方法及测定指标等的不同，研究者对小麦品质指标的筛选结果各异。孙彩玲等[29]对参加山东省区试的297 个小麦品种（系）品质进行分析，认为小麦品质指标的第1 主成分是蛋白质质量因子，包含面筋指数、沉淀值、形成时间、稳定时间，是影响小麦品质的主要因素；杭雅文等[20]以单一弱筋小麦品种宁麦13为试验材料，筛选出水SRC（Solvent retention capacity）值、蔗糖SRC 值、出粉率、稳定时间、硬度、弱化度、粉质质量指数、饼干厚度、饼干延展系数共9 个贡献率较大的指标作为弱筋小麦品质的综合评价指标。本研究发现，小麦品质指标的第1 主成分主要包括形成时间、稳定时间、弱化度、能量、恒定变形拉伸阻力和最大拉伸阻力，说明变异系数较大的品质指标对综合品质影响较大，对小麦品质的稳定性、专用性具有重大意义。气候生态因素是非可控因素，对小麦品质的影响是多因素的综合作用，日照时长和灌浆期积温均是影响籽粒品质的关键因素[30]。吴东兵等[31]研究发现，湿面筋含量与总日照时间呈极显著正相关。本研究中小麦蛋白质含量和湿面筋含量与拔节期—开花期日照时间分别呈显著和极显著负相关，与上述研究结果[31]不一致，可能是由于不同基因型小麦、不同区域小麦对气候因素的响应不完全一致，有待进一步深入研究。根据GB/T 17320—2013《小麦品种品质分类》，本研究中，淇县和原阳试验点小麦产量较高，但淇县试验点小麦的湿面筋含量未达到强筋小麦标准（湿面筋含量≥30%），均达到中强筋小麦标准（湿面筋含量≥28%）；综合各品质指标，仅原阳和南阳试验点在2个年度内各项指标均达到强筋小麦标准，但南阳试验点2 个年度产量差异较大。可见，在相同的田间管理条件下，生态环境对小麦产量和品质有很大影响，结合本研究结果，进一步深入分析生态环境因子对小麦产量和品质的影响，对优质专用小麦的区域发展具有指导意义。