不同冬春性小麦品种在豫中、豫北地区光能利用率及生产潜力比较

张黛静，陈倩青，马建辉，王 真，宗洁静，杨雪倩，李春喜

(河南师范大学 生命科学学院，河南 新乡 453007)

近年来，全球气候变暖，气候异常现象频繁发生[1]。农业作为对气候反应较为敏感的产业之一，气候变化直接影响作物的生长发育和产量形成，这对粮食安全将是一个很大的冲击[2]。研究表明，因全球气候变暖，小麦发育进程加快，生育期变短，这将引起株型和冠层结构发生变化，从而影响冠层内部的光分布、光截获，最终导致产量发生波动[3-5]。小麦产量与株型性状呈显著或极显著正相关，而不同小麦品种的株型不同，故不同小麦品种产量不同[6]。研究发现，不同株型小麦冠层叶片的光合速率差异不显著，但是不同叶位叶片的光合速率差异极显著，故不同株型小麦的光合速率不同，其产量也将不同[7]。同时，不同冬春性小麦光能利用率不同，这也将导致产量产生差异。前期结果发现，与弱春性小麦品种相比，豫中地区半冬性小麦品种的单茎干物质积累量和籽粒光能利用率较高[8]。

河南省是我国小麦的主产区，小麦种植面积与总产量均居全国前列，河南省位于亚热带向暖温带的过渡区，气候变化特征十分明显，而小麦生产对气候变化较敏感，产量变异系数较大[9-11]。其中，豫中和豫北地区气候不同，光热资源存在差异。目前，没有关于这两地区不同冬春性小麦品种光合特性、光能利用率和生产潜力的研究。为此，以近年来选育的不同冬春性小麦品种为试验材料，比较研究各小麦品种冠层结构和光能资源利用率，为豫中和豫北两地区冬春性小麦品种的选择利用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料及试验地概况

本研究选取许昌县张藩镇和新乡市河南师范大学试验田作为豫中和豫北地区典型观测点。豫中观测点试验田土壤含有机质12.68 g/kg、全氮1.89 g/kg、全磷1.02 g/kg、速效钾130.23 mg/kg，豫北观测点试验田土壤含有机质11.58 g/kg、全氮1.85 g/kg、全磷0.96 g/kg、速效钾157.54 mg/kg。供试作物为10个不同冬春性小麦品种，详见表1。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，每个处理3个重复。底施复合肥(23∶16∶6)900 kg/hm2。豫中观测点各小区面积为30 m2(5 m×6 m)，行距为0.25 m。2013年10月10日播种，2014年6月1日收获。豫北观测点各小区面积为20 m2(4 m×5 m)，行距为0.25 m。2013年10月18日播种，2014年5月31日收获。播量均为150 kg/hm2。全生育期按高产田进行水、肥、病虫害防治的统一管理。

表1 供试小麦品种及其冬春性

1.3 测定项目及方法

1.3.1 光合特性

1.3.1.1 叶绿素含量 于小麦返青、拔节、开花与灌浆期，随机选取生长一致的旗叶5片，用SPAD-502叶绿素仪测定SPAD值。

1.3.1.2 冠层截获光合有效辐射(PAR) 于小麦的拔节、抽穗、开花和灌浆期，采用SUNSCAN冠层分析仪，垂直于行，将探测杆分别置于冠层上部与底部测定PAR，重复5次。

冠层截获 PAR=冠层顶部PAR-冠层底部PAR。

1.3.1.3 净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci) 于开花后0、7、14、21、28 d的晴天9:00—11:00用LI-6400测定旗叶的Pn、Gs、Ci，重复5次。

1.3.2 光能利用率 根据河南省气象局提供的2013—2014年新乡市和许昌县气象数据，参考童成立等[12]的计算方法，用Angtrom-Prescott方程将日照时数转换为逐日辐射量[13]。然后按照下面的公式计算光能利用率。

式中，H为每克干物质燃烧时释放的热量，小麦籽粒按17.8 MJ/kg计，茎叶按14.6 MJ/kg计；W是测定期间作物平均干质量增加量；∑Q为小麦生育期内太阳总辐射量。

1.3.3 生产潜力估算

1.3.3.1 光合生产潜力 参照文献[14-15]的方法计算光合生产潜力，公式如下：

光合生产潜力=1.848×10-3×∑Q。

1.3.3.2 光温生产潜力 光温生产潜力是光合生产潜力的修订值,其计算公式如下：

光温生产潜力=光合生产潜力×F(t)

式中，F(t)为光合作用的温度修订系数，其计算方法参见文献[16]。

1.3.3.3 生产潜力已开发度 生产潜力已开发度计算公式如下：

生产潜力已开发度=YA/Y×100%

式中，YA为现实生产力(kg/hm2)，Y为作物生产潜力(kg/hm2)。

1.4 数据分析

采用Excel 2010、Origin 9.0进行数据整理和图表绘制，运用SPSS 21.0进行数据统计分析，采用Duncan’s新复极差法进行数据差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 豫中、豫北地区不同冬春性小麦品种光合特性比较

2.1.1 SPAD值 如图1所示，随着生育进程的推进，新乡、许昌试验点不同冬春性小麦旗叶SPAD值总体均表现为先升后降的趋势，总体上于开花期达到峰值，返青期以后的各生育时期均以冬性和半冬性小麦品种的旗叶SPAD值较高。经方差分析可知，新乡试验点各时期不同冬春性类型间的旗叶SPAD值无显著差异(P>0.05)；而许昌试验点灌浆期冬性品种显著高于弱冬性品种 (P<0.05)。新乡试验点10个小麦品种间SPAD值表现为：返青期，济麦20、众麦1号极显著高于运旱618(P<0.01)，其他品种间差异均显著(P<0.05)；拔节期与开花期，品种间差异均不显著(P>0.05)；灌浆期，济麦20极显著高于中麦175、偃展4110、新麦26、运旱20410(P<0.01)，丰德存麦1号、运旱618、郑麦9023极显著高于新麦26、运旱20410(P<0.01)，其他品种间差异均显著(P<0.05)。许昌试验点表现为：返青期，郑麦9023极显著低于其他9个品种(P<0.01)，偃展4110、济麦20极显著高于运旱618、新麦26、中麦175(P<0.01)，其他品种间差异均显著(P<0.05)；拔节期，济麦20极显著高于运旱20410、郑麦9023(P<0.01)，其他品种间差异均显著(P<0.05)；开花期，济麦20显著高于中麦175(P<0.05)，极显著高于其他8个品种(P<0.01)，其他品种间差异均显著(P<0.05)；灌浆期，品种间差异均达极显著水平(P<0.01)，且济麦20极显著高于其他品种(P<0.01)。进入开花期后，除冬性品种外，其他冬春性类型小麦品种的旗叶SPAD值均表现为：许昌试验点低于新乡试验点。在灌浆期，新乡试验点弱春性、弱冬性、半冬性和冬性小麦品种的旗叶SPAD值分别比开花期的SPAD值下降了8.4%、7.4%、1.1%和6.9%，弱春性品种下降幅度最大，半冬性品种下降幅度最小；而许昌试验点分别下降了0.5%、8.9%、1.8%和4.5%，弱冬性品种下降幅度最大，弱春性品种下降幅度最小，说明在小麦生育后期，豫北地区的半冬性小麦品种和豫中地区的弱春性小麦品种旗叶的光合机能持续时间较长。

图1 豫中、豫北地区不同冬春性小麦品种旗叶的SPAD值

2.1.2 冠层截获PAR 如图2所示，对于新乡试验点，开花期，弱春性小麦品种的PAR均极显著低于其他品种(运旱618与丰德存麦1号除外)(P<0.01)；对于许昌试验点，开花期，弱春性品种极显著低于冬性品种(P<0.01)。经方差分析可知，新乡试验点10个小麦品种间PAR差异除抽穗期达显著水平(P<0.05)外，其他时期品种间差异均达极显著水平(P<0.01)。对于许昌试验点，拔节期，偃展4110极显著高于其他品种(新麦26除外)(P<0.01)；抽穗期，济麦20、丰德存麦1号极显著高于众麦1号、运旱618(P<0.01)；开花期，偃展4110、郑麦9023、新麦26极显著低于其他7个品种(P<0.01)；灌浆期，郑麦9023极显著高于丰德存麦1号、偃展4110、运旱20410、济麦20(P<0.01)，衡观35、众麦1号极显著高于运旱20410、济麦20(P<0.01)，其他品种间差异均显著(P<0.05)。与新乡试验点相比，许昌试验点所处纬度偏低，光热资源丰富，故许昌试验点各小麦品种PAR整体比新乡试验点高。

图2 豫中、豫北地区不同冬春性小麦品种冠层截获PAR

2.1.3 Pn、Gs、Ci 由图3可知，在开花期，新乡和许昌两试验点各小麦品种旗叶Pn、Gs总体上均随生育进程的推进表现出逐渐下降的趋势，Pn下降较Gs更加剧烈，而Ci则表现出逐渐上升的趋势，说明随着时间的推进，旗叶CO2的同化能力降低，光合机能减弱。

图3 豫中、豫北地区不同冬春性小麦品种旗叶的Pn、Gs、Ci

对于新乡试验点，在开花后0～28 d，小麦旗叶Pn在不同冬春性类型间差异不显著(P>0.05)。在开花当天，半冬性小麦品种丰德存麦1号、衡观35显著高于弱冬性小麦品种运旱20410、运旱618(P<0.05)；花后7 d,10个品种间差异均不显著(P>0.05)；花后14 d，众麦1号显著高于新麦26、运旱20410(P<0.05)；花后21 d，半冬性品种众麦1号显著高于弱冬性品种运旱20410、运旱618(P<0.05)；花后28 d，半冬性品种衡观35、新麦26显著高于弱冬性品种运旱20410、运旱618、弱春性品种郑麦9023及半冬性品种丰德存麦1号(P<0.05)。除花后14 d外，其余时期Pn总体均表现为半冬性>冬性>弱春性>弱冬性。对于许昌试验点，各冬春性类型间的Pn均无显著差异(P>0.05)，且除花后0、21 d外，其他时期10个品种间的差异均显著(P<0.05)。

对于Gs，开花后，新乡与许昌试验点不同冬春性类型间差异均不显著(P>0.05)。对于新乡试验点，开花后14、28 d，10个品种间Gs的差异均显著(P<0.05)。其中，开花后14 d，衡观35显著高于偃展4110、郑麦9023、新麦26和运旱20140(P<0.05)，中麦175显著高于郑麦9023、新麦26和运旱20140(P<0.05)，济麦20、众麦1号显著高于运旱20140(P<0.05)；开花后28 d，中麦175显著高于运旱20140、新麦26、丰德存麦1号和济麦20(P<0.05)，衡观35、众麦1号显著高于新麦26、丰德存麦1号和济麦20(P<0.05)，郑麦9023显著高于济麦20(P<0.05)。对于许昌试验点，除开花当天外，其他时期10个品种间Gs的差异均显著(P<0.05)。其中，开花后7 d，运旱20410显著高于济麦20(P<0.05)；开花后14 d，运旱20410和衡观35显著高于济麦20和丰德存麦1号(P<0.05)；开花后21 d，衡观35显著高于济麦20和丰德存麦1号(P<0.05)，中麦175显著高于丰德存麦1号(P<0.05)；开花后28 d，中麦175显著高于衡观35、众麦1号、丰德存麦1号和济麦20(P<0.05)，郑麦9023、偃展4110、新麦26、运旱20410和运旱618显著高于丰德存麦1号和济麦20(P<0.05)，衡观35显著高于济麦20(P<0.05)。

对于Ci，开花后，新乡与许昌试验点，不同冬春性类型间差异均不显著(P>0.05)，10个小麦品种间也均无显著性差异(P>0.05)。

2.2 豫中、豫北地区不同冬春性小麦品种光能利用率比较

随着小麦生育进程的推进，日辐射量呈现先减小后增加的趋势(图4)。由表2可知，许昌试验点除半冬性品种及冬性品种济麦20籽粒光能利用率和弱冬性品种茎叶光能利用率小于新乡试验点外，其他品种的籽粒、茎叶和总光能利用率总体均大于新乡试验点。对不同冬春性类型进行比较发现，新乡试验点半冬性品种籽粒光能利用率显著大于其他品种，弱冬性品种的茎叶光能利用率和总光能利用率均最大(P<0.05)；而许昌试验点弱冬性品种的籽粒光能利用率和总光能利用率均最大，冬性品种的茎叶光能利用率最大。由此可知，不同冬春性类型在豫中和豫北两地区对光能利用的情况有所不同，籽粒光能利用率和总光能利用率的表现并不完全一致。另外，豫中、豫北两地区籽粒产量最高的品种分别为弱冬性、半冬性品种。

图4 豫中、豫北地区不同冬春性小麦品种生育期间日辐射量

%

注：同列数据后不同小、大写字母分别表示同一地区不同品种间的差异达显著(P<0.05)、极显著水平(P<0.01)。

2.3 豫中、豫北地区小麦生产潜力比较

生产潜力已开发度是现实生产力与生产潜力之间的差值，能反映试验点的生产潜力升值空间。由表3可知，许昌试验点生育期内总辐射量、光合生产潜力高于新乡试验点，均为新乡试验点的1.01倍，其余指标均低于新乡试验点。新乡和许昌两试验点的光合生产潜力已开发度分别为22.76%和20.67%，光温生产潜力已开发度分别为43.31%和40.72%，说明新乡试验点的生产潜力已开发度大于许昌试验点。

表3 豫中、豫北地区小麦生产潜力比较

3 结论与讨论

全球气候变暖，使小麦生长的生态条件发生改变，导致小麦产量发生变化[17]。作物光合能力大小与产量的高低成正比，作物叶片叶绿素含量和净光合速率可以有效反映植物的光合特性[18]。在本研究中，豫北地区小麦旗叶的SPAD值高于豫中(冬性品种除外)，这可能是由生态环境差异造成的。作物的冠层结构与产量形成密切相关，对于小麦来说，冠层结构因品种和生长环境的不同而表现出极大的差异，小麦的冠层结构直接关系到太阳辐射的截获量[19-21]。在本研究中，相同小麦品种的冠层截获PAR表现为豫中地区高于豫北地区，开花期两地区冬春性小麦类型间PAR差异显著，冬性品种(济麦20)最大，弱春性品种最小。本研究结果表明，开花期后旗叶的Pn持续下降，这与张成军等[22]的研究结果一致。

目前，影响作物产量提高的主要因素是光能利用率低。研究表明，作物最大光能利用率理论值为5%～6%[23]。龚绍先[24]研究表明，小麦生长盛期光能利用率为5%左右。本研究中新乡和许昌两试验点的光能利用率最大值分别为2.58%和2.75%，两地区小麦的光能利用率远比理论值低，所以提高小麦的光能利用率是增产的必要条件[25-26]。在本研究中，两试验点相同小麦品种各器官的光能利用率表现不同，就籽粒的光能利用率来说，许昌试验点的弱冬性小麦品种表现最好，而新乡试验点的半冬性小麦品种表现最优；就茎叶光能利用率来说，在许昌、新乡试验点分别表现为冬性、弱冬性品种最佳；而小麦总光能利用率在两地区均以弱冬性品种最高。这可能与两地区的光能辐射量不同有关。

尹钧等[27]研究表明，黄淮区小麦光合生产潜力为22 500～27 000 kg/hm2，光温生产潜力为13 800～14 850 kg/hm2，气候生产潜力为10 500～13 500 kg/hm2。本研究中新乡、许昌两试验点的光合生产潜力分别为34 774.09、35 164.34 kg/hm2，光温生产潜力分别为18 274.61、17 852.82 kg/hm2，均高于黄淮区，但现实生产力分别为7 914、7 269 kg/hm2，远低于黄淮区气候生产潜力，且新乡和许昌两试验点的光合生产潜力已开发度分别为22.76%和20.67%，光温生产潜力已开发度分别为43.31%和40.72%，故两地区的小麦生产潜力均有很大提升空间。