不同灌溉条件下一个春小麦重组自交系(RIL)冠层温度与产量性状的相关性

高 新，樊哲儒，王 重，李剑峰，张宏芝，张跃强

(新疆农业科学院核技术生物技术研究所/农业部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】作物冠层温度是作物叶、茎、穗表面温度平均值[1]。冠层温度受气温、云量、太阳辐射、湿度、风速、土壤水势等环境条件以及作物本身生理代谢活动共同影响[2-3]。冠层温度是作物基因型对生长环境适应性所表达的重要生理信号，不同基因型小麦的冠层温度存在差异。研究表明，不同水肥处理也会改变作物冠层温度[4]。水分胁迫及施肥可改变作物冠层温度，中等水平的施肥量可获得较大群体，有效分蘖数、总叶面积指数增加，叶片遮挡使穗叶部接受的光能减小[5]；群体代谢增加、蒸腾散热较快，导致穗叶部温度降低，冠层温度降低。养分严重胁迫时冠层温度升高，不同养分条件下，冷暖型小麦冠层温度的相对高低不发生根本变化[6]。【前人研究进展】采用红外测温仪探测作物水分状况和蒸腾速率[7]。冠层温度用来推断作物水分状况，如能量平衡、农田水分状况、灌溉时间及蒸发的估计等[8-10]，以及作物病虫害监测、抗早性基因型筛选等[11,12]。在小麦、大麦[13]、水稻[14]、大豆[15]、花生[16]、棉花[17]、绿豆[18]、豌豆[19]等作物上不同品种冠层温度存在差异，且不因气候条件的改变而发生根本性变化。小麦品种中存在冠层温度持续偏高和偏低2种类型，主要受加性效应遗传控制，其狭义遗传力为86.95%[20]。Amani等[21]指出，在灌溉条件下，春小麦冠层温度与产量的遗传相关系数达0.18以上。冠层温度与春小麦的穗数和产量具有显著相关性，并指出冠层温度可作为选择高产潜力品种的指标。灌浆期间的冠层温度可反映小麦产量遗传类型，开花后2周内冠层温度更能反映不同春小麦的产量潜力[22]。冬小麦灌浆后期的冠层温度与产量密切相关[23]。产量与冬小麦灌浆过程中的冠层温度呈显著负相关，且随着灌浆推移，相关性增大[24]。在高温和干旱条件下，小麦冠层温度与产量之间具有负相关性[16,18,21-26]。在墨西哥种植小麦的冠层温度与产量呈正相关性[27]。随着小麦冠层温度的升高，小麦产量也随之增加[28]。在灌溉和雨水条件下，小麦冠层温度与产量之间的关系，2种灌溉条件下，冠层温度与产量之间均无明显相关性[29]。【本研究切入点】小麦重组自交系(RIL)是2个亲本杂交后获得的纯系后代，具有相对一致的遗传背景和丰富的自然变异，是研究表型的遗传变异规律及其与环境间互作的理想材料。有关小麦冠层温度与产量关系的研究，国内外已有很多报道[21-29]，由于大都以不同基因型的小麦为试验材料进行研究，前人关于小麦冠层温度与产量关系的研究结果缺乏一致性。在不同灌溉条件下，在遗传背景较为一致的重组自交系群体中，分析春小麦冠层温度与产量及产量构成因素的研究鲜有报道。研究不同灌溉条件下新疆一个春小麦重组自交系(RIL)冠层温度与产量性状的相关性。【拟解决的关键问题】观测一个春小麦RIL群体188个品种(系)连续3年冠层温度，分析在充分灌溉和有限灌溉条件下，不同时期的冠层温度与小麦产量及其构成因素的关系，研究冠层温度作为春小麦高产指标的可行性，为抗旱高产春小麦品种选育和栽培提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料为新疆春小麦品种新春7号(耐旱)和新春21号(敏旱)构建的重组自交系群体(RIL)，包含188个株系。该群体由新疆农业科学院核技术生物技术研究所2007～2013年构建。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用随机区组设计，设置充分灌溉和有限灌溉2个处理，每个处理2次重复，于每年3月下旬至4月初播种，采用 Wintersteiger Plotseed TC (奥地利)小区播种机，小区播种6行，按基本苗525×103粒/hm2播种。每小区长2 m，宽1.2 m，小区面积2.4 m2，行距0.2 m。播种前施磷酸二铵120～150 kg/hm2、复合肥750 kg/hm2，并防治病虫害，杂草清理。

采用灌溉方式：干播湿出，滴灌。有限灌溉处理：全生育期浇出苗水、拔节水、孕穗水和灌浆水各1次，共4次；充分灌溉处理：全生育期滴灌9次。

1.2.2 冠层温度

冠层温度(CT)采用便携式激光温度计欧普士LSLT(朴茨茅斯，NH，美国)手持式红外测温仪测定。分别于春小麦群体抽穗期(约5月30日)、灌浆初期(约6月7日)、灌浆中期(约6月25日)测定各小区的CT值，每次测定时间为午后13:00～15:00。测定时视场角取5°，测定时仪器探棒应顺小区种植走向，在高于小麦冠层20 cm与冠层呈30°夹角处，测量长势均匀的部位，避免红外线照射裸露地面。选择晴朗无风少云的天气进行，每小区测量3次，取其平均值作为该次测定的冠层温度值。

1.2.3 产量

在春小麦RIL群体各生育期调查群体动态和个体发育状况，成熟后取样考种分析， 并用每小区实收产量计产。

变异系数C·V=(标准偏差SD/ 平均值Mean)× 100%。

1.3 数据处理

试验数据采用 SPSS Statistics 19.0软件和Excel 2010进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉条件下春小麦RIL群体冠层温度、产量及产量构成因子的差异

研究表明，不同灌溉条件下，冠层温度存在明显差异，其变异系数均有所不同，最小为4.24%(2014年充分灌溉)，最大为6.25%(2014年有限灌溉)。同一生育期内，有限灌溉条件下的冠层温度高于充分灌溉，有限灌溉条件下与充分灌溉条件下冠层温度的最高温差为5.30℃(2016年灌浆中期)，最低温差为1.23℃(2015年灌浆中期)。在2种灌溉条件下，随着生育期的推进，冠层温度平均值均呈升高趋势。在不同灌溉条件下的同一生育期内，冠层温度的差异达到极显著水平(P<0.001)。在同一灌溉条件下的不同生育时期之间，RIL群体冠层温度的差异也均达到极显著水平(P<0.001)。灌溉条件可以明显的影响春小麦的冠层温度，在有限灌溉下，春小麦冠层温度较高，在充分灌溉条件下，春小麦冠层温度较低。

产量最大值和最小值分别为7.93和6.25 t/hm2。灌溉条件可以明显影响春小麦的产量，在不同灌溉条件下，春小麦产量存在显著差异(P<0.05)。有限灌溉下，春小麦产量较低，充分灌溉条件下，春小麦产量较高。但不同灌溉条件下的千粒重、单株有效穗数和穗粒数并不是在不同的灌溉条件下都有显著差异。2014年和2016年有限灌溉和充分灌溉条件下，千粒重之间无显著差异。2015年有限灌溉和充分灌溉条件下，千粒重之间有显著差异(P<0.05)。表1,表2

表1 不同灌溉条件和生育时期下RIL的冠层温度和产量性状变化

表2 不同灌溉条件和生育时期对小麦冠层温度方差

2.2 不同生育时期小麦冠层温度的相关系数

研究表明，春小麦RIL群体不同生育时期的冠层温度存在正相关关系。除2014年有限灌溉灌浆初期、2015年有限灌溉灌浆中期和2016年充分灌溉灌浆中期外，其余时期均呈极显著正相关关系(P<0.01)。不同灌溉条件下，春小麦冠层温度表现相对稳定，即在充分灌溉条件下，各个生育时期的冠层温度都偏低，在有限灌溉条件下，各个生育时期的冠层温度都偏高，不因生育期的推进而改变。表3

表3 不同生育时期冠层温度的相关系数

2.3 冠层温度与产量及其产量构成因素之间的相关性

研究表明，除单株有效穗数、小穗数、穗粒重等极少数产量构成因素在某些年份与不同生育时期的冠层温度呈微弱正相关外，产量、千粒重、穗粒数、单株粒重均与冠层温度呈负相关，且随生育时期的推移负相关性呈上升趋势，但相关程度存在差异。冠层温度和产量及其构成因素之间的负相关性由强到弱依次为产量、千粒重、穗粒数、单株粒重。与充分灌溉相比，同一生育时期内，大部分产量构成因素与有限灌溉条件下的冠层温度呈极显著的负相关，负相关系数更大。春小麦产量及大部分产量构成因素与各生育时期的冠层温度之间均呈负相关性，在一定范围内，冠层温度越低，产量及产量构成因素越高。表4

表4 冠层温度与产量及其产量构成因素之间的相关系数

2.4 春小麦产量与冠层温度的回归分析

研究表明，有限灌溉条件下，春小麦RIL群体产量与3个生育时期冠层温度之间均呈线性递减关系，且随着生育时期的推移，这种递减趋势增强，与灌浆中期线性关系达显著水平(P<0.05)，2014年、2015年和2016年的决定系数R2分别为0.297 5、0.169 6和0.259 2。在充分灌溉条件下，春小麦RIL群体的产量与各3个生育时期的冠层温度之间的线性递减关系不显著(P>0.05)。在有限灌溉条件下，一定范围内，春小麦冠层温度能够预测产量状况，但不同生育时期预测结果存在差异。图1，图2

图1 有限灌溉条件下RIL产量与冠层温度的回归分析

图2 充分灌溉条件下春小麦产量与冠层温度的回归分析

3 讨 论

3.1 不同灌溉条件下，冠层温度的差异

作物冠层温度是作物的遗传特性与环境条件共同作用的结果[30]，郎坤等[31]研究表明，从开花期到灌浆中期，不同灌溉处理的冬小麦冠层温度普遍低于不灌溉处理。赵刚等[32]发现，在同一观测日测定冬小麦冠层温度，干旱处理明显高于灌溉处理。研究表明，在同一生育时期内，充分灌溉条件下小麦冠层温度均极显著低于有限灌溉(P<0.01)。这与前人[30-31]的研究结果一致。在越是干旱的条件下，冠层温度受到外界大气温度的影响就越明显，原因是当作物水分供应减少时，蒸腾消耗热量减少，感热通量增加[32]，引起作物冠层温度升高。小麦在干旱条件下的冠层温度要明显高于灌溉条件。

3.2 不同灌溉条件下，冠层温度与产量相关性

国际小麦玉米改良中心(CIMMYT)也将冠层温度作为选择小麦产量潜力的重要指标[33-34]。樊廷录等[35]研究表明，旱地冬小麦产量与灌浆中后期的冠层温度呈显著负相关(P≤0.05)，认为冠层温度在评价小麦产量上具有较高的可靠性。一些研究显示当土壤含水量是小麦产量的主要限制因子时，冠层温度与产量相关性不显著[29,36]，多数研究表明，不同基因型小麦的冠层温度和产量呈显著负相关。李树华等[37]研究了在雨养和灌溉条件下，春小麦冠层温度与产量之间的相关性，结果表明，在雨养条件下，春小麦的灌浆期冠层温度与产量呈极显著负相关(r=-0.569 9**)，而在灌溉条件下，冠层温度与产量的相关性不显著。牟会荣[38]的研究也表明，在干旱处理下，冠层温度与产量呈显著负相关(P≤0.05)，在灌溉条件下，冠层温度与产量相关性不明显。Reynold等[39]的研究证实，在干旱、高温和有限灌溉的条件下，小麦的冠层温度与产量之间具有明显的负相关性。刘建军等[40]在小麦全生育期浇4次水(越冬水、拔节水、孕穗水和灌浆水)的情况下，证实小麦的冠层温度与产量具有明显的相关性。认为冠层温度能否作为预测小麦高产基因型的指标要依小麦的生长环境而定。研究在2种灌溉方式下，第1种方式是采用全生育期滴灌9次(充分灌溉)，使春小麦的整个生育期都处于水分充足的状态，第2种方式是在全生育期滴灌4次(有限灌溉)。2014年到2016年的研究结果表明，在充分灌溉条件下春小麦的产量与3个时期的冠层温度都没有明显的相关性。而在有限灌溉条件下，春小麦的产量和3个时期的冠层温度均呈极显著的负相关性。在相对干旱的条件下，春小麦的冠层温度可作为筛选高产基因型的依据，这一结果也与前人[36-40]的研究结果相一致。

3.3 冠层温度与产量构成因子的相关性

小麦的产量由产量构成3因素(单位面积穗数、穗粒数和千粒重)决定，而3因素之间又是相互矛盾和协调的整体，在不同年份和不同环境条件下产量和3因素间及3因素之间的关系会发生一定的变化[23]。李向阳等[41-42]研究发现，在河南的生态条件下，整个灌浆期间小麦冠层温度与大部分产量构成因素呈负相关，仅在灌浆始期和中期与穗粒数呈微弱的正相关，影响程度由大到小依次为千粒重、生物产量、经济系数、穗数和穗粒数。张冬玲等[43]研究了200余份选择导入系小麦群体自开花期至成熟期的冠层温度与产量及其构成因子间的关系，结果表明：冠层温度与产量、千粒重、穗粒数和单株有效穗数显著相关。研究发现，春小麦除产量外，其他产量相关性状，如千粒重、穗粒数、单株粒重、有效穗数、小穗数、穗粒重，与冠层温度也存在负相关关系。这与朱云集等[23]和刘建军等[40]的研究结果相近。研究发现，冠层温度和产量及其构成因素之间的相关性由强到弱依次为产量、千粒重、穗粒数、单株粒重。冠层温度与产量及其构成因素有较为紧密的联系，冠层温度主要通过千粒重来影响最终产量。

3.4 不同生育时期的冠层温度对产量的影响

作物不同生育时期的冠层温度对产量的影响不同。灌浆期间的冠层温度可有效地反映小麦产量的遗传类型, 其中开花后2周内的冠层温度更能反映不同基因型春小麦的产量潜力[29]。李向阳等[41]研究表明，小麦灌浆期的冠层温度与作物产量负相关，且随灌浆进程的推移负相关性呈上升趋势。徐银萍等[24]指出，不同灌浆时期冬小麦的冠层温度与产量之间具有负相关性，且随着灌浆时期的推移相关性逐渐增大。朱云集等[23]进一步指出，不同品种、播期和播量处理的小麦冠层温度均在灌浆末期对产量影响最大。冬小麦灌浆中后期冠层温度每升高1℃，产量减少近280 kg/hm2[41]。张冬玲等[43]利用289份选择导入系，连续2年度考察自开花至成熟4个时期的冠层温度与产量的关系, 发现4个时期的冠层温度与产量都呈负相关。灌浆初期, 冠层温度与产量呈不显著的负相关, 随后呈显著或极显著负相关, 并且相关系数随灌浆进程逐渐增大。但刘建军等[40]研究发现，小麦冠层温度与产量的相关性大小依次为花后7 d>花后21 d>开花期>花后28 d>花后14 d>抽穗期，并无明显的规律性，认为这可能受测量环境影响。

4 结 论

在有限灌溉条件下，灌浆中期的冠层温度与产量呈显著的负相关。有限灌溉条件下，2014年、2015年和2016年灌浆中期的冠层温度每升高1℃，产量相应降低22.95、18.98和12.7 kg/hm2。有限灌溉条件下春小麦各个生育时期的冠层温度均高于充分灌溉，且呈极显著差异(P<0.01)。相同灌溉条件下，不同生育期之间的冠层温度也存在极显著差异(P<0.01)，且随着生育期的推进，冠层温度呈升高趋势。灌溉条件可以明显的影响春小麦的冠层温度。不同灌溉条件下，冠层温度表现相对稳定，即充分灌溉条件下持续偏低，有限灌溉条件下持续偏高，不因生育期的推进而改变。产量及大部分产量构成因素与各生育时期的冠层温度之间均呈线性递减关系。在有限灌溉条件下，产量与各个时期的冠层温度具有明显的线性递减关系，且与灌浆中期的冠层温度具有最明显的线性关系，而在充分灌溉条件下，这种线性递减关系不明显。在有限灌溉条件下，春小麦产量及产量构成因子与冠层温度具有明显负相关性，冠层温度可作为一个重要指标用于指导春小麦育种、栽培等生产实践。