气象因子对冬小麦品质影响作用探析

杨熙昊 范伶俐

收稿日期：2024-01-05

基金项目：广东海洋大学大学生创新训练项目（CXXL2022040）。

作者简介：杨熙昊（2003—），男，山东泰安人，主要从事大气科学研究。#通信作者：范伶俐（1970—）女，贵州黔东南人，教授，主要从事大学教学工作，E-mail：fanlingli@126.com。

摘 要：通过对不同播期冬小麦籽粒品质进行分析，探究冬小麦品质与气象因子的相关性。利用不同播期的冬小麦气象和籽粒品质资料，采用Pearson线性相关性，研究小麦品质与气象因素之间的关系。结果表明：冬小麦品质受抽穗后气象条件的影响较大（P＜0.05）；主要因素为开花期平均温度、灌浆期最低温度、高温胁迫、日照时数4个因素。因此，做好冬小麦全生育周期的预报，合理安排适播期，对提升小麦籽粒品质具有显著影响。

关键词：冬小麦；营养品质；气候因子

中图分类号：S512.1 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）03–0-03

务农重本，国之大纲。发展现代农业，离不开气象科技的支撑。粮食安全与气象条件密切相关，在全球变暖背景下，农业和粮食安全面临重大考验。小麦是中国三大粮食作物之一，冬小麦是我国北方最主要的农作物之一。在我国，农民耕作小麦一直以产量为主要目标，在主观上忽视了对品质的要求。影响小麦籽粒品质的因素有很多，主要受基因型、生态条件、栽培技术、储藏措施等的共同影响[1]。

近年来，国内外众多专家学者围绕生态气候因素对小麦产量和品质的影响开展了研究。例如：通过追踪小麦籽粒蛋白质和淀粉的合成过程，评价基因型和生态因子对其的相关影响[2]，这表明不同气候因子下，小麦籽粒生长状况有较大影响。利用实验室模拟法对冬小麦花后高温胁迫下水氮利用率进行了研究[3]，

认为花后温度对水氮的吸收影响较大，从而影响小麦蛋白质的合成；从灌浆特性出发，研究不同播期下小麦籽粒产量变化[4]，得出播期对产量的影响最大。

也有部分学者针对分期播种对水稻、小麦等作物品质的影响方面进行了研究。例如：有研究指出，针对不同基因型的小麦品种，过早播种或过晚播种都不利于形成较高的单位面积产量。而且随着播期的推迟，产量呈先上升后下降趋势。闫翠萍等[5]从生理生态角度出发，研究了持续暖冬的气候条件下，播期对不同基因型优质小麦的产量调控效应。李存东等[6]研究表明，晚播对小花分化发育与结实有不利影响。不同播期、播量对有效穗数的影响较小，但对穗粒数和千粒重有一定影响，穗粒数随播量的增加而减少，千粒重随播期的推迟而减少。目前，作为一种温带长日照作物，冬小麦在复杂环境下不同播期各气象因子对小麦生长发育和其籽粒品质的影响研究相对较少。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2017—2022年在山东省泰安（117°09′E，36°10′N）农业气象试验站进行。试验区属温带季风气候区，雨热同期。每年供试品种均为当地主要栽培品种，农业种植制度实行冬小麦、夏玉米一年两熟轮作制。试验以当地常年大田实际播种期（10月10日）为界，提前10 d播种为第1期，正常播种期为第2期，比正常播种期晚10 d播种为第3期，晚20 d为第4播期，共播种4期，前后间隔30 d。播种方式采用南北方向条播，行距统一为20 cm，每个播期设置4个重复，共16个小区。试验田不同播期小区（分别编号为1、2、3、4）排列方式和相对气象站位置见图1。在图1小区播种安排中，从上往下为从北到南设置，所有观测在前3列小区进行，第4列小区用于测定产量要素，不进行任何观测。

每个小区的面积为30.0 m2，每个小区之间的保护间隔为0.5 m。试验区海拔为128.6 m，耕层土壤质地为沙壤土，酸碱度适中，采用当地农田播种方法进行平作、直播。在小麦生育期，保持良好的通风和透光条件，大田水肥管理条件与当地一般大田生产保持一致，小麦生育期未受干旱和病虫害的胁迫作用。

1.2 麦种

试验地采用小麦主产区主流品种，2017—2018年采用红地95，2018—2019年采用泰农21，2019—2022年采用泰科麦31。3个品种原始植株均来自鲁农系列和郑麦系列，具有基因表达一致性[7]。在实际生产中，其性状表达整体趋于同一水平，均为强筋性小麦品种。不同年、不同品种的淀粉、蛋白质、脂肪、氨基酸含量平均变异系数CV=35.6%，不同年份间同品种小麦性状表达平均变异系数CV=33.6%，两者相差不大，可以考虑其相应含量指标波动的均衡性。

1.3 观测项目

1.3.1 小麦生育期观察

按照农业气象观测规范观测生育期。从记录播期开始，依次观测出苗期、三叶期、分蘖期、越冬期、返青期、起身期、拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、乳熟期、成熟期。

1.3.2 气象要素的数据来源

采用泰安市农业气象试验站的地面气象观测站同期观测资料，气象观测要素包括全生育期内逐日平均气温、最高气温、最低气温、降水量、日照时数。针对冬小麦最高气温数据，在后续分析中，加入独特编码的高温热浪数据，作为判断小麦生育期内是否受到高温胁迫的数据依据。

1.3.3 小麦籽粒品质测定

将成熟收获的小麦籽粒正常晾晒风干，统一进行品质测定。选取对小麦品质影响较大的蛋白质、脂肪、淀粉、氨基酸含量作为籽粒品质的测评指标[8]，含量测定均为山东省泰安农业气象试验站委托山东熠辉生物技术有限公司测定。

2 研究方法

在小麦和气象条件的分析中，利用Pearson线性相关性，研究小麦营养成分品质与气象因素之间的关系。

针对历史气象数据和小麦营养品质成分数据，计算它们之间的Pearson相关系数，以探究不同气象条件对小麦营养品质的影响程度。Pearson线性相关系数的值在-1～1之间，其大小表征两要素的相关程度。

3 结果与分析

3.1 2018—2022年小麦生育期中后期气象条件

越冬期前的小麦生育期经受的气候特征对最终小麦基因表达的影响较小，对小麦最终籽粒的影响较大的为生育期中后期，故对五年间小麦气温条件进行分析。

通过分析抽穗后逐日平均气温散点图（图2）发现，

在不同播期，冬小麦抽穗后日平均气温变化可达到（10±2）℃，最大温差可达15 ℃。抽穗后所有小麦作物物候温度大体呈上升趋势，在生长发育阶段或有波动，但波动仍不强烈，各发育区整体落区集中在图中圆圈圈出部分。抽穗后，小麦的初始温度在15 ℃上下。成熟收获时，其大体温度集中在28 ℃上下。2021年，播种的适播、晚播10 d、晚播20 d三批次小麦抽穗期（抽穗后10 d）和发育期后期（抽穗后40 d）多日出现超出30 ℃的高温现象，其高温胁迫作用致使当年淀粉和各类氨基酸耦合比例含量同比往年同品种小麦下降2%。但相较于其余年份，由于温度上升，发育期有效活动积温也随之上升，其产量也高于其余年份同品种冬小麦，但对于产量因素，不属于营养品质的考虑范围内，故不作详细讨论。

3.2 全生育期气象条件与小麦籽粒小分子氨基酸、蛋白质、淀粉、脂肪含量的相关性分析

选取冬小麦生长期间，各发育期气象数据指标与冬小麦营养品质数据进行皮尔森显著性检验，利用皮尔森相关系数计算公式计算，由相关性系数可得：冬小麦生育期内，同期各生长要素并非独立存在的单相关因素，而是互相影响、互相制约的复杂的相互耦合因素。比如：在冬小麦发育期后期，由于降水的成因，多为对流性降水，产生降水的云层一般较厚，当产生降水时，其日照时数降低，其相关系数值为-0.67（P＜0.05），有极强的相关系数和相互作用。且已知营养物质的表达受酶的影响较大，小麦脂肪、蛋白质、淀粉、氨基酸各组分占比相互影响制约。氨基酸水平和蛋白质水平有此消彼长的趋势。

继续分析相关性矩阵，并剔除不显著相关元素，选取对最终籽粒营养品质评估有突出贡献且显著性检验P＜的各项数据，绘制相关性矩阵（图3）。

在图3中，标注“0”不代表数学意义上相关性为0，代表2个变量的相关性不显著（显著性检验在小数点后一位量级）或2个变量之间的相关性无分析意义。根据相关系数热力图可知，在气候条件上，小麦最终生育期品质因素与小麦开花期后降水与日照时数呈显著负相关关系，对于小麦最终籽粒营养品质相关性检验较显著（P＜0.05）的因子，提取出耦合因子，冬小麦开花期平均温度、冬小麦灌浆期最低温度、冬小麦是否受到高温胁迫、抽穗期后小麦光照是影响小麦营养品质的重要因素。

此外，抽穗作用期间的小麦日照时数与降水量有显著（P＜0.01）强负相关，在水肥条件满足的情况下，降水量对小麦营养品质的表现影响较弱（相关系数在-0.1～0.1之间，且P≥0.5），淀粉与抽穗日照有强正相关关系。针对气候因子响应大且相关性显著（P＜0.5或P＜0.0001）的9个营养品质成分为天冬氨酸、甘氨酸、组氨酸、脯氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、脂肪、淀粉、蛋白质，其均与冬小麦开花期平均温度、冬小麦灌浆期最低温度、冬小麦是否受到高温胁迫、抽穗期后小麦光照有相互作用关系[8-13]。

4 小结与讨论

（1）泰安地区冬小麦在越冬后，气候条件对小麦品质性状的影响较大，主要考虑主产区小麦（泰山12、红地95、泰科麦31）共性母本植株郑麦系列小麦的基因型表达有较大关系。根据目前试验结果和统计分析数据分析，泰安地区小麦在生育期中后期，即抽穗—成熟期，小麦籽粒性状受气候条件的影响较大。

（2）在生育期后期，小麦光照时数与小麦籽粒整体营养品质评价为正相关。为提高小麦籽粒品质，对小麦适当进行补光处理，有利于提高小麦光合作用的效率，并对氨基酸和小分子肽的合成有帮助作用，最终有利于提高小麦籽粒的营养品质。

（3）高温（温度＞30 ℃）在小麦乳熟期—成熟期出现，对小麦籽粒淀粉含量有拮抗作用，考虑温度值高后，由于小麦的蒸腾作用，小麦叶片气孔关闭，可利用的CO2减少，小麦光合作用减弱，小麦淀粉含量有显著下降趋势（P＜0.01）。

（4）在越冬后的灌浆期，日最低气温的高低对小麦籽粒脂肪积累、氨基酸合成有较大的相关作用，且显著性均在0.05以内。在小麦生育期，小麦最低温越高，对小麦脂肪积累和氨基酸合成的作用越大。

通过研究分析可知：冬小麦的籽粒品质与多气象因素相关，做好冬小麦全生育周期的预报，提升播期的预报水平，对提高小麦产量和品质具有显著影响。

由于受数据来源的局限性影响，样品数据较少且观测期较短，使得分析数据的线性稳定性有待考察，后续可增加小麦品种，分批种植多样基因型小麦品种进行多样性对比分析试验，针对多品种小麦，研究其对气候响应的共性特点。

参考文献

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