楊麗娟,蔣志凱,盛 坤,王映紅,趙宗武
(河南省新鄉市農業科學院,河南輝縣 453600)
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節水高效小麥品種篩選與應用研究
楊麗娟,蔣志凱,盛坤,王映紅,趙宗武
(河南省新鄉市農業科學院,河南輝縣453600)
摘要為篩選抗旱小麥品種,于2011―2013年設置全生育期不灌水(W0)、灌1水(拔節期灌水80 mm,W1)、灌2水(拔節期灌水80 mm+開花期灌水80 mm ,W2)共3種灌溉處理,比較16個冬小麥品種的生長發育特性、產量、農田耗水量(ET)和水分利用效率(WUE)差異。結果表明,不同小麥品種間生長發育特性、產量、ET和WUE均存在顯著差異。以2 a平均小麥籽粒產量、ET和WUE為指標進行聚類分析,將16個小麥品種分為4類,分別為以‘周麥24’為代表的節水超高產類,以‘矮抗58’為代表的高產類,以‘新麥26’為代表的節水穩產類,以‘周麥22’為代表的中低產類。W1處理不僅能獲得較高產量且WUE最高,‘周麥23’和‘周麥24’因產量和WUE表現優異,推薦其作為豫北地區抗旱節水高效示范推廣品種,2013-2014年大田示范節水增產顯著。
關鍵詞冬小麥;產量;水分利用效率
中國水資源總量為2.8萬億m3,居世界前列,但人均水資源量僅約為世界平均水平的1/4,是世界上13個嚴重缺水的國家之一[1-2]。農業用水占總用水量的70.4%[1],水資源短缺已成為農業持續發展的重要瓶頸。先進國家農業水分利用率接近或超過2.0 kg·m-3[3],而中國灌溉農田中糧食作物平均水分利用率約為1.1 kg·m-3。豫北地區是典型的冬小麥高產區,水資源短缺且分配不均是制約該區小麥可持續發展的主要限制因子。篩選和應用抗旱節水高產穩產小麥品種、提高小麥水分利用效率是節水農業研究的一個重要方向[4]。
研究表明[5-6],水分狀況對小麥干物質積累與分配有顯著影響。灌溉可使葉面積指數(Leaf area index,LAI)增大,增加小麥籽粒產量[7],但過量灌溉則會導致土壤水分出現冗余[8]。不同灌溉模式的節水效應不同,對作物最終產量的影響也不同[9]。合理的灌溉模式可降低麥田土壤水消耗量(soil water consumption amount, SWCA), 提高水分利用效率[10](water use efficiency, WUE )并且提高小麥籽粒產量[11-14]。劉增進等[15]和劉昌明等[16]通過灌溉試驗研究闡明小麥的最優灌溉制度,對小麥品種的抗旱性進行分析和評價[17-21]。但隨著小麥品種的更新換代和近年來農田氣候和生態環境的變遷,研究小麥主推品種的耗水特性和生理特點,評判不同小麥品種對灌溉制度的協調適應性是品種推廣和應用的重要前提。因此,探討小麥品種的水分利用特性,建立小麥產量與灌溉制度的關系,對優良品種的推廣應用和農業的可持續發展有重要意義。為從眾多小麥品種中篩選出抗旱品種,本試驗比較16個冬小麥品種在3種水分處理中的生長發育特性、產量、農田耗水量、水分利用效率的差異,以期篩選出節水高效品種并進行示范推廣。
1材料與方法
1.1試驗材料與田間試驗設計
于2011―2013年在新鄉市農業科學院輝縣試驗基地(35°26′N,113°45′E)進行試驗。以‘周麥18’為對照,‘洛旱7號’‘洛麥21’‘洛麥23’‘鄭7698’‘新麥18’‘新麥26’‘新麥208’‘周麥22’‘周麥23’‘周麥24’‘矮抗58’‘百農160’‘豫教5號’ ‘開麥20’‘眾麥1號’河南省15個主推品種為試驗材料。
試驗采用兩因素裂區設計,以灌水為主區,品種為副區,主區間設1畦隔離區,重復3次。主區3種處理, 不灌水處理(W0)、灌1水處理(拔節期,W1)、灌2水處理(拔節期+開花期,W2),每次灌水量80 mm,畦寬2.6 m,每畦2小區,每小區6行,小區長13 m,面積14.3 m2,株距5 cm,行距20 cm。每處理均施K2O和P2O5各120 kg·hm-2作底肥。W0處理一次性施底肥氮192 kg·hm-2,W1、W2均施底肥氮120 kg·hm-2,追施氮肥72 kg·hm-2。
土壤為沙壤土, 常年平均0~20 cm土層土壤有機質質量分數1.417%、全氮質量分數0.108%、速效磷11.39 mg·kg-1、速效鉀111.2 mg·kg-1,pH 8.16;0~100 cm土層平均田間持水量和體積質量分別為25.41%和1.354 g·cm-3。
第1年于2011-10-22播種,2012-06-05收獲。2012-03-27 W1、W2處理澆拔節水并追施氮肥72 kg·hm-2。5月4日W2處理澆開花水并追施氮肥72 kg·hm-2。降水量以W1處理對照品種‘周麥18’為例,拔節(3月27日)之前降水量為141.2 mm,拔節至抽穗(5月4日)期間降水量為25.6 mm,抽穗至成熟(6月5日)期間降水量為19.1 mm,小麥全生育期有效降水量為193.2 mm,較常年146.1 mm增加47.1 mm。
翌年于2012-10-15播種,2013-06-05收獲。2013-03-23 W1、W2處理澆拔節水并追施氮肥72 kg·hm-2,5月1日W2處理澆開花水。降水量以W1處理對照品種‘周麥18’為例,拔節(3月25日)之前降水量為41.3 mm,拔節至抽穗(4月25日)期間降水量為14.1 mm,抽穗至開花(4月29日)期間未降雨,開花期至籽粒形成期(5月10日)降水量為6.2 mm,灌漿期(5月11日至5月30日)降水量為50.3 mm,主要集中在灌漿后期,籽粒成熟期總降雨量為0.3 mm。小麥全生育期有效降水量為112.0 mm,較常年146.1 mm減少34.1 mm。
于2013年秋將品種‘周麥23’和‘周麥24’ 播于河南省新鄉市孟莊鎮高村進行大田示范,示范田面積2 hm2,每品種1 hm2,連片種植。2013-10-10播種,2014-06-01收獲,并測算實產,以13%質量含水量計算實際產量。調查周圍農戶地塊產量三要素及產量。
1.2測定項目與方法
1.2.1產 量各小區分區收獲,脫粒測產,測定千粒質量。
1.2.2水分利用效率采用段愛旺等[3]的方法,測播種前和收獲后2 m土層內含水量。分層取土,每20 cm一層,用烘干稱量法測定。
記錄每次灌水量、生育期內降水量,按下式計算農田耗水量。

水分利用效率計算:WUE=Y/ET1-2
式中,WUE是產量水平的水分利用效率,單位為kg·hm-2·mm-1; Y為作物產量,單位為kg·hm-2,ET1-2為作物生育期總耗水量,單位為mm。
1.2.3生育時期調查各品種抽穗期、揚花期、成熟期。
1.2.4種子根數播種前各品種以砂培法進行發芽,發芽后5~6d,待第1片綠葉長出后,調查10粒種子根數。
1.2.5株高成熟期每小區取長勢均勻的5株小麥,帶根收獲后測量株高。
1.3數據處理
采用SPSS20軟件對試驗數據進行統計分析。方差分析采用隨機區組的單因素方差分析,多重比較采用Duncan’s法,聚類分析采用系統聚類法,品種間的相似性測度采用歐式距離。
2結果與分析
2.1不同小麥品種生長發育差異分析
作為冬小麥抗旱育種及節水栽培品種選擇的重要參考指標,生育時期在本試驗不同品種間表現出明顯的特異性。以W1處理為例,2a‘新麥208’均表現為抽穗、揚花、成熟早。抽穗比最遲品種‘洛旱7號’早5~6d;揚花比最遲品種‘鄭7698’‘百農160’等早4d;成熟比最遲品種‘周麥24’早5d。干旱導致成熟期提前。通過比較2a中3種灌水模式下不同品種平均生育時期發現,與W0處理相比,W1處理抽穗期遲2.6d,揚花期遲1.9d,成熟期遲2.6d;W2處理抽穗期、揚花期與W1處理相當,成熟期較W1處理遲1.2d。
種子根數是小麥品種抗旱特性的重要參考指標。由表1可以看出,本試驗中‘豫教5號’‘矮抗58’‘新麥26’等品種的種子根數較多, ‘洛麥23’種子根數最少。
株高是小麥重要的農藝性狀,影響植株的蒸騰作用及收獲指數,與品種的抗旱節水性有一定關系。本試驗中不同小麥品種間株高差異較大(表1),株高最大品種和最小品種分別是‘洛旱7號’‘矮抗58’,株高最多相差25.63cm。

表1 不同小麥品種種子根數與平均株高
注:不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同。
Note:Different lowercase letters mean significant difference (P<0.05),the same as below.
2.2試驗產量方差分析
對試驗產量進行方差分析表明(表2),2 a品種間差異均達極顯著水平(P<0.01)。2012年灌水處理之間產量差異不顯著(P>0.05),灌水與品種互作在各處理間差異顯著(0.01

表2 產量方差分析
2.3不同小麥品種平均籽粒產量及耗水特性差異分析
比較不同小麥品種平均籽粒產量(圖1)可知, 不同小麥品種的籽粒產量存在明顯差異。‘周麥24’平均籽粒產量最高( 6 739.17 kg·hm-2),‘新麥18’籽粒產量最低(5 783.83 kg·hm-2),兩者差異達17%。
由圖2可知,不同小麥品種平均耗水量也存在明顯差異,但變化范圍不大,為404.12~412.99 mm,差異僅2.2%。其中耗水量較大的是‘周麥22’‘新麥208’‘周麥18’‘眾麥1號’,耗水量均在411 mm以上。耗水量較小的是‘新麥18’‘新麥26’,耗水量分別為404.12 mm和404.78 mm。

L7. 洛旱7號Luohan 7;L21. 洛麥21 Luomai 21;L23. 洛麥23 Luomai 23;Z7698. 鄭7698Zheng 7698;X18. 新麥18Xinmai 18;X26.新麥26 Xinmai 26;X208. 新麥208Xinmai 208;Z22. 周麥22Zhoumai 22;Z23. 周麥23Zhoumai 23;Z24. 周麥24Zhoumai 24;A58. 矮抗58Aikang 58;B160. 百農160Bainong 160;Y5. 豫教5號Yujiao 5;K20. 開麥20Kaimai 20;Z1. 眾麥1號Zhongmai 1;Z18. 周麥18Zhoumai 18,下同The same as below
圖1不同小麥品種平均籽粒產量
Fig.1Average grain yield of different wheat varieties
從圖3 可知, 不同小麥品種平均WUE也存在明顯差異,最高的是‘周麥23’(16.64 kg·hm-2·mm-1),其次是‘周麥24’‘豫教5號’‘洛麥21’,分別是16.63、16.23、16.21 kg·hm-2·mm-1。WUE最低的是‘周麥22’(14.33 kg·hm-2·mm-1),其次是‘新麥18’和‘百農160’,分別為14.54和15.02 kg·hm-2·mm-1。

圖2 不同小麥品種平均耗水量
2.4灌水對小麥平均產量、耗水量和WUE的影響
由圖4可以看出,從產量看,2012年平均產量表現為W0>W1>W2,3個處理間籽粒產量差異不顯著,2013年平均產量則表現為W2>W1>W0,W0與W1、W2處理間籽粒產量差異極顯著,W1與W2處理間差異不顯著。各品種不同灌水處理平均耗水量2 a均表現為W2>W1>W0。 W2處理平均耗水量最大,比W0處理耗水量高出26.6%。從WUE看,2012年3個處理表現為W0>W1>W2,2013年3個處理表現為W1>W2>W0,W1與W2、W0差異顯著,W2與W0之間差異不顯著。灌1水較灌2水顯著提高水分利用效率。
籽粒產量、耗水量、WUE的相關分析(表3)表明,2012年和2013年,籽粒產量與WUE呈極顯著或顯著正相關,耗水量與WUE呈極顯著或顯著負相關。2012年耗水量與籽粒產量負相關,2013年耗水量與籽粒產量呈顯著正相關。綜合2 a 結果,籽粒產量越高,WUE越高,在豐水年(2012年)耗水量增加對籽粒產量增加無益,在缺水年(2013年)增加灌水量可以顯著增產。

圖3 不同小麥品種平均WUE

不同大、小寫字母分別表示差異極顯著(P<0.01)、顯著(P<0.05)。
Different capital and lowercase letters mean significant difference at 0.01 and 0.05 levels, respectively
圖42012、2013年不同處理小麥平均籽粒產量、平均耗水量、WUE
Fig.4Average yield,water consumption andWUEof different treatment in 2012 and 2013 respectively

表3 耗水量、產量和WUE相關分析
注:表中所列相關系數為Spearman相關系數,*與**分別表示在0.05與0.01水平(雙側)上顯著相關。
Note:Spearman correlation indexes were listed in the table,* and ** mean significant correlation at 0.05 and 0.01 levels, respectively.
2.5不同小麥品種的產量、耗水量和WUE在不同灌水處理中的差異
由表4可知,比較2012年度參試品種的產量,W0處理中產量較高的品種是‘周麥24’‘洛旱7號’,產量較低的是‘矮抗58’‘周麥22’。W1處理中產量較高的品種是‘周麥24’‘新麥208’‘洛麥23’,其次是‘豫教5號’‘周麥23’‘洛麥21’。W2處理中產量較高的品種是‘新麥208’‘周麥23’,產量較低的品種是‘百農160’‘鄭7698’‘周麥18’。在2012年度氣象條件下,‘周麥24’在W0和W1處理中產量最高,在W2處理中僅次于‘新麥208’和‘周麥23’。‘矮抗58’和‘周麥22’在W0和W1處理中產量均較低,這是由于該年度‘矮抗58’大面積感染紋枯病,而‘周麥22’倒伏嚴重,造成減產。隨著灌水量的增加,耗水量增加而品種間耗水量差異減小,產量降低,WUE降低。在W0處理中不同品種耗水量為329.35~363.15 mm,耗水量最大的品種是‘周麥18’,其次是‘眾麥1號’‘開麥20’,耗水量最小的是‘新麥18’‘新麥26’‘周麥18’耗水量,比‘新麥18’多10.26%;在W1處理中的耗水量為415.67~432.13 mm,耗水量最大的品種仍是‘周麥18’,耗水量最小的是‘洛旱7號’‘周麥18’,比‘洛旱7號’耗水量多3.96%;W2處理中的耗水量為488.32~494.24 mm,耗水量最大的品種是‘周麥24’,其次是‘周麥23’,耗水量最小的是‘新麥18’。W0處理中不同品種的WUE為16.93~20.73 kg·hm-2·mm-1,‘新麥26’最高,‘周麥22’最低。W1處理中不同品種的WUE為14.09~16.24 kg·hm-2·mm-1, ‘洛麥21’最高,‘眾麥1號’最低。W2處理中不同品種的WUE為11.24~14.47 kg·hm-2·mm-1,‘新麥208’最高,‘百農160’最低。

表4 2012年不同灌水模式下不同小麥品種產量、耗水量和WUE
由表5可知,2013年大多數品種隨著灌水量(灌水次數)的增加產量增加,表現為W2>W1>W0,僅‘洛旱7號’和‘鄭7698’的產量表現為W1>W2>W0。少數品種,如‘新麥208’‘周麥22’‘周麥23’‘矮抗58’平均產量在不同灌水處理間差異不顯著。從同一灌水處理對不同小麥品種的產量影響分析可知,各品種間存在顯著差異(P<0.05),‘矮抗58’在W1、W2處理中產量都最高,‘眾麥1號’在W0處理中產量最高,其在W1、W2處理中產量僅次于‘矮抗58’。‘洛麥21’‘周麥24’‘周麥23’3個品種在W0、W1、W2處理中產量較高,且均與產量最高的品種差異不顯著。‘周麥22’產量在W1、W2處理中產量最低,‘新麥18’‘新麥208’產量在3種灌水處理中均為較低水平。在W0處理中不同品種耗水量為327.91~353.68 mm,耗水量最大的品種是‘周麥23’,其次是‘周麥24’‘新麥208’‘周麥22’,耗水量最小的是‘周麥18’‘眾麥1號’;在W1處理中的耗水量為381.29~419.43 mm,耗水量最大的品種是‘眾麥1號’耗水量最小的是‘開麥20’;W2處理中的耗水量為428.63~444.64 mm,耗水量最大的品種是‘周麥22’,耗水量最小的是‘周麥23’。‘周麥23’與‘周麥24’在W0處理中耗水量較大,在W2處理中耗水量較小。從灌水處理對不同小麥品種的WUE影響可知,大多數小麥品種的WUE在3個灌水處理間基本表現為W1>W0>W2,‘新麥26’‘開麥20’‘眾麥1號’3個品種的WUE表現為W0>W1>W2。說明對于參試品種而言,在2013年度氣象條件下,灌2水處理雖然有提高產量的作用,但明顯造成水分冗余,降低水分利用效率。‘鄭7698’‘周麥24’‘豫教5號’3個品種的WUE表現為W1>W2>W0,其他13個品種的旱作處理W0的WUE均高于W2處理,說明一定程度的水分脅迫可以提高作物的WUE。‘矮抗58’‘周麥23’‘眾麥1號’的WUE在3種灌水處理下都維持較高水平,‘新麥18’‘周麥22’‘新麥208’在3種灌水處理中WUE都處于較低水平。

表5 2013年不同灌水模式下不同小麥品種產量、耗水量和WUE
2.6不同小麥品種水分利用特性的相關指標的聚類分析
對16個小麥品種的2 a中3種灌水處理的平均產量、耗水量、WUE進行聚類分析,結果如圖5,系統聚類法的柱形圖距離越大,品種間的產量和WUE差異越大。
從聚類分析結果可以看出,在歐式距離為5時,16個小麥品種大致聚為4個類。第1類是‘周麥23’、‘周麥24’,這2個品種產量高,耗水量中等,WUE最高,是節水超高產類。第2類是‘矮抗58’等8個品種,這類品種產量較高,平均為6 307.70~6 606.88 kg·hm-2,耗水量有高有低,WUE較高,包括‘矮抗58’‘眾麥1號’‘新麥208’‘豫教5號’等,是高產類。第3類是‘周麥18’等4個品種,這類品種產量中等,WUE中等,是節水穩產類。第4類是‘新麥18’和‘周麥22’,這類品種產量較低,WUE較低,是中低產類。
2.7大田示范
根據2 a試驗結果,確定‘周麥23’和‘周麥24’為豫北地區抗旱節水高效示范推廣品種。示范田僅在拔節期灌1水,與周圍農戶地塊產量三要素及產量對照見表6。
由表6可以看出,2014年度‘周麥23’‘周麥24’在只灌1水的情況下產量三要素協調,高于普通農田灌2水的其他品種,增產幅度最大達22.4%,在保證高產的基礎上節約用水量。

圖5 16個小麥品種WUE相關指標的聚類分析
3討論與結論
Zhang等[22]認為WUE與產量呈正相關, 種植具有較高產量潛力的品種是提高水分利用率并達到節水效果的一種有效途徑。本研究中WUE與產量呈顯著相關,與該結論相同。但在自然降水較充足的年份(2012年)增加灌水降低WUE,因此,種植高產品種與適當限量灌水是提高水分利用效率的兩個必要條件。董寶娣等[23]認為旱地品種一般在不灌溉條件下WUE較高,而水地品種則一般在充分灌溉(返青后灌水2~3次)條件下,WUE和籽粒產量協同達到最優。本研究中,2012年所有品種籽粒產量和WUE均表現為隨著灌水量增加而降低,其中旱地品種‘洛旱7號’在不灌溉條件下(W0)WUE僅次于‘周麥24’,居第2位。2013年旱地品種‘洛旱7號’和‘鄭7698’的籽粒產量隨著灌水量的增加先增加后減少,在不灌溉條件下(W0)籽粒產量較低,導致WUE較低,這與董寶娣等[23]所得結論有所不同。所以無論是旱地品種還是水地品種,需要以提高籽粒產量為前提,控制灌水才能提高WUE。

表6 節水品種與普通品種產量比較
近幾年來,‘周麥22’因產量結構合理、高產潛力大被頻繁用作高產創建示范品種。王映紅等[24]研究表明,在灌3水條件下‘周麥22’產量可達7 984.95 kg·hm-2,推薦其作為黃淮麥區節水高產品種。而本研究中該品種并未表現出節水高產特征,其在2 a中3種灌水處理中產量均低于絕大多數品種,推測可能是由于該品種2012年度的病害和2013年度倒伏造成減產。
16個小麥品種的成熟期和株高表現出明顯的特異性,成熟期相差5~6 d,株高相差25 cm以上,種子根數的品種特異性不明顯。這主要與不同小麥品種的遺傳背景有關[25]。隨著灌水量(灌水次數)的增加,大多數品種的產量均呈增加趨勢,但WUE并不是隨著灌水量的增加而增加。本研究中灌2水處理平均耗水量最大,但WUE最低,灌1水不僅能獲得較高產量而且WUE最高,這與王德梅等[26]研究適量灌溉處理(拔節水+開花水)的產量和水分利用效率均高于灌水量多的處理(冬水+拔節水+開花水+灌漿水)的研究結果一致。由于豫北地區多數年份小麥生育期內也有一定量的自然降水,即使是在缺水年(2013年),灌1水處理也能獲得較高的產量,水分利用效率最高。
綜合以上結果,以小麥籽粒產量和水分利用率為指標, 16個參試小麥品種分為節水高產類、節水穩產類、高產類和中低產類4大類。‘周麥23’‘周麥24’是節水高產品種,年度間產量表現穩定,可在豫北地區擴大種植,提高區域小麥產量和水分利用效率。‘矮抗58’‘眾麥1號’‘新麥208’‘豫教5號’等品種具有較好的高產潛力,但在實際生產中應注意防治病害和倒伏,保證穩產。‘洛旱7號’‘鄭7698’在生產中應控制水分,少量灌溉。豫北平原最佳灌水模式為拔節期灌水80 mm左右。
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Received 2014-07-09Returned2014-12-29
Foundation item China Agriculture Research System (No.CARS-03);Henan Provincial Significant Science and Technology Special Project (No.121100111500).
First authorYANG Lijuan, female, assistant research fellow. Research area:wheat breeding. E-mail:tansuozhongguo@163.com
(責任編輯:史亞歌Responsible editor:SHI Yage)
Screening and Application of Wheat Varieties with High Efficienty and Wate-saving
YANG Lijuan, JIANG Zhikai, SHENG Kun, WANG Yinghong and ZHAO Zongwu
(Institute of Xinxiang Agriculture Science, Huixian Henan453600, China)
AbstractIn order to identify drought-tolerant wheat varieties, field experiments were carried out during 2011-2013 with 3 irrigation rates (including no irrigation, 80 mm during shooting phase, 80 mm during shooting phase and 80 mm during flowering phase, expressed as W0, W1, W2, respectively). 16 local winter wheat cultivars were evaluated based on growth, yield, evapotranspiration (ET) and water use efficiency(WUE). The result showed that, growth, yield, ET and WUE were significant different among cultivars. Cluster analysis based on average yield, ET and WUE in 2 years indicated that 16 cultivars could be classified into 4 groups: super high yielding and water saving group, represented by ‘Zhoumai 24’; high yielding group, represented by ‘Aikang 18’; stable yield and water saving group, represented by ‘Xinmai 26’; low-middle yielding group, represented by ‘Zhoumai 22’. W1 got higher yield and the highest WUE. ‘Zhongmai 23’ and ‘Zhongmai 24’ were outstanding in yield and WUE, therefore, both of them were recommanded the varieties characterized as water saving and high yield for northern Henan.The field demonstrations of ‘Zhongmai 23’ and ‘Zhongmai 24’ during 2013-2014 got significantly higher yield and water saving effect.
Key wordsWinter wheat; Yield; Water use efficiency
收稿日期:2014-07-09修回日期:2014-12-29
基金項目:現代農業產業技術體系建設專項(CARS-03);河南省重大科技專項(121100111500)。
通信作者:蔣志凱,男,研究員,研究方向為小麥育種。E-mail:13598623179@126.com
中圖分類號S512.1+1;S274.3
文獻標志碼A
文章編號1004-1389(2016)04-0508-10
Corresponding authorJIANG Zhikai, male, research fellow. Research area:wheat breeding.E-mail:13598623179@126.com
網絡出版日期:2016-04-02
網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20160402.1111.010.html
第一作者:楊麗娟,女,助理研究員,研究方向為小麥育種。E-mail:tansuozhongguo@163.com