申曉晴， 成 林

(1.中國氣象局·河南省農業(yè)氣象保障與應用技術重點開放實驗室，鄭州 450003；2.周口市氣象局，河南 周口 466000； 3.河南省氣象科學研究所，鄭州 450003)

小麥是中國主要的糧食作物之一。小麥產量的高低和品質的優(yōu)劣直接影響人們對食物需求的安全和滿意程度，也影響著人類營養(yǎng)平衡及面粉和食品加工業(yè)的發(fā)展。近年來，隨著人民生活水平的不斷提高，在逐步實現小麥高產的同時，人們對小麥營養(yǎng)品質和食品質量的要求也越來越高，高產優(yōu)質已成為當前小麥生產發(fā)展的主要目標[1]。有研究表明，小麥品質的優(yōu)劣是由品種特性、生態(tài)條件和栽培技術等條件共同決定的。同一品種在不同年份、不同生態(tài)環(huán)境下，其籽粒品質表現出較大的差異，反映出生態(tài)環(huán)境條件對小麥籽粒品質具有較大影響[2]。齊琳娟等[3]對2004-2011年中國主產區(qū)4235份小麥樣品品質分析發(fā)現，中國小麥蛋白質的含量及質量呈明顯的北高南低趨勢，但北方高筋麥區(qū)的蛋白質含量和質量有下降趨勢，而南方弱筋麥區(qū)的蛋白質含量及質量卻有上升的趨勢。趙春等[4]從蛋白質和淀粉兩方面分析了生態(tài)環(huán)境和基因型對小麥品質的影響，研究不同品種的小麥在不同生態(tài)環(huán)境條件下品質性狀的變化。信志紅等[1]分析了冬小麥籽粒品質評價及其對氣象因子的響應研究，對南北方冬麥區(qū)主要品種的小麥籽粒性狀和內在品質進行了分析評價。袁俊秀[5]、潘潔[6]等認為在相同的田間管理條件下，氣象環(huán)境因子對小麥產量和品質有很大影響，灌漿期氣象因子與春小麥部分品質性狀之間存在顯著相關性。還有學者[7]研究認為，小麥不同生育時段的不同氣候因子對品質性狀的影響程度不同。在揚花至乳熟期，低溫有助于小麥莖稈蛋白質和籽粒清蛋白積累，而高溫有利于醇溶蛋白和麥谷蛋白的積累；灌漿后期的光照條件與籽粒品質的形成關系更為密切，是決定蛋白質品質的主要時期等。

河南省作為全國最大的小麥主產區(qū)之一，播種面積、總產量均居全國首位，在我國糧食生產中占有極其重要的地位。因此，研究氣象因子對河南省小麥品質的影響具有重要意義。目前已有的研究為進一步了解不同生態(tài)環(huán)境對小麥品質的影響提供了參考，但不同區(qū)域、不同主栽品種之間還存在著明顯差異，與氣象因子的關聯關系結論并不統(tǒng)一[8-21]。本文在分析近年河南省小麥品質現狀的基礎上，采用變異分析、基因與環(huán)境互作效應分析等方法，探究氣象條件對小麥籽粒蛋白質含量、濕面筋含量及面團穩(wěn)定時間的影響。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本文所用292份小麥樣品，源于2017-2019年《中國小麥質量報告》中河南省18個省轄市71個縣(區(qū))的小麥品種(系)。氣象資料來自對應縣(區(qū))氣象站2017-2019年觀測數據，主要包括逐年3月上旬至6月上旬的旬平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、氣溫日較差、降水量、雨日數、日照時數和相對濕度。

1.2 區(qū)域劃分

河南省小麥種植地域廣闊，不同地區(qū)間小麥品質存在較大的差異。這種差異不僅由品種本身的遺傳特性決定，還受氣候、土壤、耕作制度、栽培措施等環(huán)境條件，以及品種與環(huán)境的相互作用的影響[22]。本文結合河南省小麥生產和農業(yè)氣候特點，參考已有優(yōu)質專用小麥區(qū)劃研究成果[23]，按照合理配置資源、優(yōu)化品質結構等原則，將小麥產區(qū)分為3個區(qū)域：Ⅰ.黃河以北地區(qū)(包括安陽、鶴壁、濮陽、新鄉(xiāng)、濟源、焦作)；Ⅱ.豫中地區(qū)(包括三門峽、洛陽、鄭州、平頂山、許昌、漯河、開封、周口、商丘)；Ⅲ.豫南地區(qū)(包括南陽、駐馬店、信陽)。

黃河以北地區(qū)地處河南北部，光溫條件較好，地下水資源豐富，灌溉條件較好，土壤肥力相對較高，小麥灌漿期少雨且氣溫日較差大，適合種植優(yōu)質強筋小麥。豫中地區(qū)作為河南省小麥主要產區(qū)，春季光照充足，但大風出現頻率較高，小麥生育后期易出現干熱風；降水偏少且時空分布不均勻，干旱可能影響小麥正常生長；此外低溫凍害對小麥有一定影響。該區(qū)以中強筋、中筋小麥種植為主。豫南地區(qū)屬亞熱帶氣候，熱量資源豐富，光照比較充足，春季多連陰雨天氣，多雨年份常有濕害發(fā)生，小麥灌漿期間高溫、多雨、氣溫日較差較小，不利于小麥籽粒蛋白質、面筋的形成，因此以弱筋小麥為主。

1.3 研究方法

利用變異系數(Coefficient of Variation)比較小麥樣品資料變異程度的大??；以逐旬的各氣象因子為自變量，分別以籽粒蛋白質含量、濕面筋含量和面團穩(wěn)定時間為因變量，對氣象因子與主要品質進行線性相關和二次曲線相關分析，篩選對小麥主要品質影響顯著的氣象因子。選用多因素方差分析方法分析計算品種作用力、環(huán)境作用力及互作效應所占百分比，探究基因型、環(huán)境及其互作效應對各區(qū)域小麥主要品質性狀的影響。品種作用力、環(huán)境作用力計算公式如式(1)(2)：

(1)

(2)

式中，總變量(平方和)是指基因型、環(huán)境型和基因型×環(huán)境三種效應的總和，品種變量(平方和)指基因型占三種效應總和的百分比；環(huán)境變量(平方和)即環(huán)境型占三種效應總和的百分比。利用各效應方差分析結果(F值)進行計算，得到品種作用力和環(huán)境作用力的百分比值。

1.4 數據處理

數據整理與分析采用EXCEL計算河南省小麥樣品的內在品質性狀和面團粉質參數的均值、變異系數等；采用SPSS19.0軟件進行氣象條件與三個區(qū)域小麥樣品的籽粒蛋白質含量、濕面筋含量和面團穩(wěn)定時間之間的相關性分析，選取對小麥品質影響較大的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日較差、降水量、雨日數、日照時數和相對濕度8個氣象要素進行分析研究。不同基因型和環(huán)境及其互作效應對小麥主要品質影響的研究，主要采用SPSS19.0軟件進行多因素方差分析，各區(qū)域均選用相同的3個小麥品系(鄭麥、中麥和百農系列)，分別對河南省18個地級市種植的樣品分析，通過對小麥籽粒蛋白質含量、濕面筋含量、面團形成時間和穩(wěn)定時間進行方差分析，得出基因型、環(huán)境及基因型和環(huán)境互作效應所占總平方和的百分比，根據各因素作用力的比較，探討基因型和環(huán)境及其互作效應對小麥主要品質性狀的影響。

2 結果與分析

2.1 小麥樣品的性狀

2.1.1 籽粒品質性狀

容重是小麥籽粒大小、粒形、飽滿度等的綜合反映，是商品小麥分級的一個重要條件[24]。對2017-2019年河南省小麥樣品籽粒品質分析結果表明：河南省小麥樣品的容重平均值為806.48 g/L，所抽樣品中有80.48%的小麥樣品的容重達到一等標準(≥790 g/L)，15.07%的小麥樣品的容重為二等(770～790 g/L)，4.11%的小麥樣品的容重為三等(750～770 g/L)，還有0.34%的小麥樣品的容重在750 g/L以下。全省基本以一等、二等(≥770 g/L，GB1351-2008)為主[25]，292個樣品中籽粒容重二等及以上小麥的達標率為95.5%。

通過三個區(qū)域及全省的小麥樣品籽粒容重分析結果(表1)可以看出，各區(qū)域小麥籽粒容重平均值均達到一等小麥標準，變異系數較低，說明河南省小麥樣品的容重均值總體較高，且有自南向北逐漸增加的趨勢。

表1 小麥樣品籽粒品質分析結果

2.1.2 內在品質性狀

小麥籽粒蛋白質含量、濕面筋含量、沉降值等是評價小麥籽粒品質的主要指標。對三個區(qū)域及全省小麥樣品內在品質性狀分析結果(表2)表明，2017-2019年河南省小麥樣品籽粒蛋白質含量平均為14.43%，濕面筋含量平均為31.27%，降落數值平均為376.35 s，沉淀值平均為35.63 mL，面筋指數平均為84.44%。沉淀值、降落數值在樣品間的變異系數較高，分別為25.0%、18.36%；籽粒蛋白質含量在樣品間的變異系數相對較低，為9.04%。根據國家優(yōu)質小麥——強筋小麥品質指標(GB/T17892-1999)的規(guī)定[26]，籽粒蛋白質含量≥14.0%、濕面筋含量≥32%、沉淀值≥40 mL、降落數值≥300 s為強筋小麥標準。由表2可知，全省小麥的籽粒蛋白質含量和降落數值平均值達到強筋小麥規(guī)定的相應標準，濕面筋含量(28%≤濕面筋含量≤32%)和沉淀值(35 mL≤沉淀值≤40 mL)達到國家中強筋小麥品質指標(GB/T1732-2013)[27]的規(guī)定。

表2 小麥樣品內在品質性狀分析結果

豫南地區(qū)的小麥籽粒蛋白質含量、濕面筋含量和降落數值均低于河南省平均值，且低于另外兩個區(qū)域的，說明黃河以北地區(qū)、豫中地區(qū)的小麥內在品質整體優(yōu)于豫南地區(qū)的。

2.1.3 粉質參數

小麥粉質特性主要包括吸水量、面團形成時間及穩(wěn)定時間、軟化度等參數，它們在加工過程中所表現的流變學特性，是衡量面粉加工品質的重要指標[28]。通過對三個區(qū)域及全省小麥樣品的面團粉質參數分析(表3)發(fā)現，2017-2019年河南省小麥樣品的面團吸水量平均為60.31%，形成時間平均為7.46 min，穩(wěn)定時間平均為12.36 min。面團形成時間、穩(wěn)定時間在樣品間的變異系數較高，分別為100.64%、78.31%；吸水量在樣品間的變異系數較低，為6.01%。

在中國漫長的傳統(tǒng)社會中，儒家以“修”“齊”“治”“平”四個維度為主要內容的道德責任理論既規(guī)定了人倫日用的道德準則，也為君王施行仁政、以德治國提供了哲學論證，還是引導激勵讀書人修煉自我、心懷天下的道德信念與精神動力。從形下的世俗生活到形上的天道、天理，儒家的道德責任觀展現了一個天地之間大寫的人所應承諾的不同維度的道德責任。然而，進入21世紀，人們遭遇了很多傳統(tǒng)社會從未出現的責任問題，經歷著社會責任感“稀薄”甚至“冷漠”的現實。因此，實現儒家的道德責任觀的現代轉換是回應現代社會諸多道德責任問題的可行路徑。

由表3可知，黃河以北地區(qū)的小麥吸水量、面團形成時間和穩(wěn)定時間均高于河南省平均值，且高于另外兩個區(qū)域的。說明黃河以北地區(qū)的小麥粉質參數整體優(yōu)于豫中和豫南地區(qū)的。

表3 小麥樣品面團粉質參數分析結果

變異系數的差異反映了小麥品質性狀在進化保守性或遺傳可塑性方面的不同及其對環(huán)境條件的適應程度[29]。上述分析表明，小麥籽粒蛋白質含量、濕面筋含量、吸水量的變異系數相對較小，而面團形成時間和穩(wěn)定時間變異程度明顯，可能與所選用的品種及環(huán)境條件的差異狀況有關。

2.2 不同地區(qū)小麥主要品質性狀與氣象條件的關系

2.2.1 黃河以北地區(qū)

分析結果(表4)表明，黃河以北地區(qū)的籽粒蛋白質含量與氣象條件不存在顯著相關，氣象條件對面團穩(wěn)定時間的影響大于對濕面筋含量的影響。濕面筋含量與3月中下旬的最高氣溫、氣溫日較差呈顯著正相關，與5月下旬的最高氣溫、氣溫日較差呈顯著負相關，表明小麥拔節(jié)至孕穗期間，在適宜范圍內溫度升高可促使根系從土壤中吸收較多的氮素，小麥吸收的氮素增加，相應會合成更多的醇溶蛋白和麥谷蛋白，從而提高小麥籽粒的濕面筋含量，同時較大的氣溫日較差更利于小麥濕面筋含量的積累。大量研究表明，小麥成熟前2-3周內最高氣溫超過32 ℃，會使籽粒蛋白質的積累受到限制，進而會導致面粉筋力下降，因此灌漿后期溫度過高不利于小麥濕面筋含量的形成。面團穩(wěn)定時間主要受最高氣溫和日較差的影響，且受3月下旬的氣象條件影響最顯著。 3月中下旬和4月中旬的最高氣溫、日較差與面團穩(wěn)定時間呈顯著負相關，說明小麥拔節(jié)、抽穗期間氣溫升高和日較差增大，會縮短面團穩(wěn)定時間。

表4 黃河以北地區(qū)小麥品質與氣象條件的二次曲線相關系數

基因型、環(huán)境及其互作是影響小麥品質性狀的重要因素。有研究認為，小麥品質性狀受遺傳特性和栽培環(huán)境的共同影響，是品種和環(huán)境條件的綜合表現[30]，氣象條件是重要的環(huán)境因子。對黃河以北地區(qū)不同品系的小麥樣品主要內在品質性狀(籽粒蛋白質含量、濕面筋含量)、主要流變學性狀(面團形成時間、穩(wěn)定時間)方差分析結果(表5)表明，在各因素的獨立效應中，品種對籽粒蛋白質含量的作用力最大，占總方差的76.13%；環(huán)境對面團形成時間的作用力占總方差的62.50%。表明籽粒蛋白質含量的變異主要受品種的影響，形成時間的變異主要受環(huán)境的影響。互作效應中，濕面筋含量受到的基因型×環(huán)境互作的作用力要大于基因型及環(huán)境的，但是基因型的作用也不容忽視。

表5 黃河以北地區(qū)小麥品質的方差分析及作用力比較 %

2.2.2 豫中地區(qū)

豫中地區(qū)的小麥樣品籽粒蛋白質含量受氣象條件的影響比較顯著(表6)，與3月中旬至4月上旬、5月中下旬的最高氣溫呈顯著正相關，說明小麥在拔節(jié)-抽穗、灌漿期溫度適當升高增加了小麥籽粒對氮素的吸收量，促進含氮物質的大量積累，蛋白質合成速度加快，有利于籽粒蛋白質的合成和積累。與3月中旬至4月中旬的氣溫日較差呈顯著正相關，表明較大的氣溫日較差更利于小麥蛋白質含量和籽粒品質的積累，這與金艷等[7]的試驗結論相同。籽粒蛋白質含量與日照時數也有密切關系， 與3月中旬至4月上旬的日照時數呈顯著正相關，與4月中旬、5月中下旬的日照時數呈顯著負相關，表明小麥在拔節(jié)至抽穗的生長前期光照條件好，有利于籽粒蛋白質含量的形成和提高；小麥抽穗至成熟期40天左右是籽粒發(fā)育與物質積累的關鍵時期，若此期間光照充足，葉片光合作用強，利于碳水化合物的形成，但隨著碳水化合物的比重增加，會導致籽粒蛋白質的含量相對下降，所以小麥生長后期光照條件好時，籽粒蛋白質含量反而降低。

表6 豫中地區(qū)小麥品質與氣象條件的二次曲線相關系數

濕面筋含量與3月中旬至4月中旬的最高氣溫呈顯著正相關，與相對濕度呈顯著負相關，說明小麥拔節(jié)至開花期在一定的溫度范圍內，濕面筋含量隨著溫度的升高而提高，但此期間較大的空氣濕度不利于小麥濕面筋含量的形成。

表7 豫中地區(qū)小麥品質的方差分析及作用力比較 %

2.2.3 豫南地區(qū)

豫南地區(qū)小麥樣品的籽粒蛋白質含量受氣象條件影響較大(表8)，最低氣溫是氣象因子中相關性表現最顯著的，在3月上旬、3月下旬、4月上旬和5月下旬呈極顯著負相關。低溫脅迫是影響小麥生長發(fā)育的重要限制因素之一。低溫下葉片的生長速率緩慢，光合速率下降，還會抑制蛋白質的活性，且溫度越低，活性越弱，影響籽粒蛋白質的含量和質量。面團穩(wěn)定時間主要受最低氣溫的影響，與4月下旬、5月上中旬最低氣溫呈極顯著負相關，表明小麥開花至乳熟期間氣溫低對延長面團穩(wěn)定時間不利。

表8 豫南地區(qū)小麥品質與氣象條件的二次曲線相關系數

在各因素的獨立效應中，環(huán)境對豫南地區(qū)的小麥籽粒蛋白質含量的作用力最大，占總方差的75.1%，遠大于品種的作用力，表明籽粒蛋白質含量變異的主要原因是環(huán)境的變異。對濕面筋含量、形成時間和穩(wěn)定時間而言，從三者各占總方差的百分數來看，基因型×環(huán)境的作用力>環(huán)境的>基因型的，即基因型×環(huán)境的互作效應對它們的影響最大(表9)。

表9 豫南地區(qū)小麥品質的方差分析及作用力比較 %

總體來看，氣象條件對豫中地區(qū)的小麥主要品質影響最大，受3月中旬至4月中旬的最高氣溫影響最明顯，呈顯著正相關，籽粒蛋白質含量與4月上旬的氣象條件相關系數較大；黃河以北地區(qū)小麥品質主要受3月中下旬和5月下旬的最高氣溫和日較差影響，面團穩(wěn)定時間受3月下旬的氣象條件影響最顯著；豫南地區(qū)小麥的籽粒蛋白質含量和面團穩(wěn)定時間主要受最低氣溫的影響，呈顯著負相關。從本文分析結果看，河南省小麥濕面筋含量受基因型×環(huán)境互作效應的影響大于基因型及其環(huán)境的作用。對籽粒蛋白質含量、面團形成時間和穩(wěn)定時間而言，不同區(qū)域表現出明顯差異，黃河以北地區(qū)受獨立效應影響較大，且主要影響因素各不相同；豫南地區(qū)受互作效應影響較大。因此在進行小麥優(yōu)質生產時，應對品種、地點、不同地區(qū)氣候條件年際間變化特點等綜合考慮[31]。

3 結論與討論

(1)2017-2019年河南省小麥樣品的容重均值總體較高，95.5%達到二等及以上小麥標準，黃河以北和豫中地區(qū)的小麥內在品質整體優(yōu)于豫南地區(qū)的，黃河以北地區(qū)的小麥粉質參數整體優(yōu)于豫中和豫南地區(qū)的。

(2)不同區(qū)域小麥品質對氣象因子的響應不同，氣象條件對豫中地區(qū)的小麥品質影響最大。整體來看，日最高氣溫和氣溫日較差是影響河南省小麥品質較為突出的氣象因子。其中黃河以北地區(qū)主要受3月中下旬和5月下旬的最高氣溫、日較差的影響，呈顯著正相關；豫中地區(qū)主要受3月中旬至4月中旬的最高氣溫影響，呈顯著正相關。說明在一定溫度范圍內，氣溫偏高、日較差大有利于籽粒蛋白質含量和濕面筋含量的提高。

(3)基因型×環(huán)境互作效應對河南省不同區(qū)域小麥濕面筋含量的影響大于基因型及其環(huán)境對濕面筋含量的作用。對籽粒蛋白質含量、面團形成時間和穩(wěn)定時間而言，不同區(qū)域表現出明顯差異：黃河以北地區(qū)受獨立效應影響較大，主要受基因型影響，即品種對小麥品質形成占主要因素；豫中地區(qū)的濕面筋含量主要受環(huán)境因素影響，即氣象條件對小麥品質形成占主要因素；豫南地區(qū)的濕面筋含量受互作效應影響較大。

小麥品質是比較復雜的綜合性狀，是許多因素相互結合和相互作用的結果。在大多情況下，小麥品質既受各種氣候因子的綜合影響，同時還會受到品種性狀、地域環(huán)境等多方面的影響，引起其差異性的原因也比較復雜。目前，國內學者大多是針對單一小麥品質的關鍵氣象因子研究，基本明確了氣象因子對小麥關鍵品質的影響機制，為小麥生產提供了參考，但對于影響小麥品質的綜合氣象因素的研究和分析尚不多見。 本文從小麥主要品質的變異分析入手，對河南省不同區(qū)域的小麥品質狀況有了較全面的了解，并就小麥生育期間不同氣象因子對小麥主要品質性狀的影響進行相關分析，探究冬小麥品質與多個氣象要素協同變化的規(guī)律，得出最高氣溫、氣溫日較差對品質影響顯著，這與信志紅[1]、吳東兵[32]等在試驗中總結出的較大氣溫日較差更利于小麥抽穗至成熟期間的蛋白質積累的結論一致；趙廣才[33]、曹廣才[34]等研究認為的灌漿期間適度的干旱可提高籽粒蛋白質含量，較多的降水和較高的濕度對蛋白質含量形成不利等論述，在本研究中尚未發(fā)現。本文關于基因、環(huán)境及其互作效應對小麥品質的分析，與郭天財等[35]的基因型、環(huán)境和互作效應對不同的品質指標，三者的效應大小不一的結論一致；與劉愛峰等[36]的地點間環(huán)境效應對蛋白質含量和濕面筋含量的影響較大的研究結果不太一致，可能是與所選用品種及環(huán)境條件的差異狀況有關，今后需加強相關機理研究。

由于本研究不是在特定的試驗條件下進行，缺少系統(tǒng)的試驗證據，尚不能代表普遍結論，對于不同品種不同品質性狀對不同環(huán)境的適應性和穩(wěn)定性，還有待于進一步研究。因此今后會加強對小麥品質性狀的變化規(guī)律、基因和環(huán)境互作效應對不同品質指標的影響分析，為河南省選用品質性狀優(yōu)良的優(yōu)質品種，加強品質生態(tài)區(qū)劃等提供一些依據。