影響北方白菜型冬油菜主要農藝性狀變異的氣象因子分析

金姣姣，侯獻飛，李強，賈東海，顧元國，王軒，曾瑞，蒲媛媛，武軍艷，方彥，李學才，馬驪，劉麗君，孫萬倉*

(1. 甘肅農業大學農學院，甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅省油菜工程技術研究中心，甘肅省作物遺傳改良與種質創新重點實驗室， 蘭州 730070；2.新疆農業科學院經濟作物研究所，烏魯木齊 830091)

農作物的農藝性狀和經濟性狀因生態條件而異，除受遺傳因子調控外，環境因素具有重要影響。智銳等[1]研究發現，影響蕎麥產量的主要氣象因子是日照時數，其次是溫度和降水。田志會等[2]研究表明，降水量與大豆的單株結莢數呈顯著正相關。袁鈞等[3]研究發現，積溫與大豆株高負相關，與產量正相關。冉法芬等[4]發現，降雨量與旱地棉的鈴重和株高關系密切。陳寶芳等[5]研究指出，最低氣溫與泰山四葉參產量形成的關聯度大于降雨量，但是皖南煙草成熟期降水集中將不利于煙葉成熟落黃[6]。臨汾冬小麥千粒重與平均氣溫、降水量、平均最低氣溫以及相對濕度均具有相關性[7]，不同積雪厚度對冬小麥越冬有明顯影響[8]。通過人工氣候實驗室研究表明，高溫和低溫均會使小麥產量下降[9-11]。李祥[12]研究發現，降雨量、高溫、輻射和氣溫大于25 ℃天數對長江中下游油菜產量影響最大，其中早熟油菜品種的產量主要受累積日照時數影響，而積溫對中熟品種的產量構成因素影響最大。徐亞麗[13]研究表明，全生育期總積溫、降水量、日最高氣溫和日最低氣溫與油菜生物量和籽粒產量呈正相關，籽粒產量與總積溫、降水總量和日最低溫度呈顯著負相關。

白菜型冬油菜的成功北移使其成為我國北緯35°以北地區繼冬小麥之后的一種新的冬季作物，提高了復種指數與經濟效益，解決了裸露農田的風蝕問題，具有重要生態效益[14-15]。但北方冬油菜農藝性狀因試點間氣象因素不同而有較大變化，對產量潛力的提升和經濟效益造成了不利影響，而有關氣象因子對冬油菜農藝性狀的影響鮮有報道。研究并分析氣象因子對部分冬油菜農藝性狀的影響，在選擇適宜的品種、采取適宜的栽培技術以及品種改良等方面具有重要意義。為明確我國冬油菜農藝性狀在緯度梯度上的差異，本研究選取新疆不同緯度的3個試點，分析6個抗寒性不同的白菜型冬油菜的農藝性狀差異，以及氣象因子對農藝性狀的影響，為北方白菜型冬油菜品種改良及栽培技術提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取6份不同抗寒等級的白菜型冬油菜(BrassiarapaL.)為試驗材料，材料名稱及來源見表1。

表1 試驗材料Table 1 Tested varieties of winter rapeseed

1.2 試驗地點

研究設新疆自治區阿勒泰市、烏魯木齊市和喀什市3個試點，各試點生態條件見表2。

1.3 田間管理

根據試點氣候條件和常規種植管理方式，于每年9月前后，采用完全隨機區組設計，進行白菜型冬油菜大田播種，行距10 cm，株距20 cm，小區面積20 m2，重復3次。生長期間，按照常規管理措施進行施肥除草。

1.4 測定指標及統計方法

1.4.1越冬率 分別在冬前枯葉期和冬后返青期統計小區植株存活苗數，計算越冬率。

越冬率=(冬后苗數/冬前苗數)× 100%

1.4.2農藝性狀 成熟期在每個小區隨機取植株20株，測定株高、主花序角果數、單株角果數、角粒數和千粒重。

表2 試點主要氣象因子和環境因子(2008—2013年平均數據)Table 2 Climatic and environmental factors of pilot locations(mean value from 2008 to 2013)

1.4.3氣象數據 氣象因子包括積雪天數、年降雨量、最大積雪厚度、年相對濕度、最冷月平均最低氣溫、地面極端低溫、負積溫等，數據均來源于新疆農業科學院經濟作物研究所及《北方冬油菜北移與區劃》[17]。

1.4.4統計分析方法

(1)變異系數法

(2)貢獻率分析

對氣象因子與各個農藝性狀的原始數據按行排列成矩陣X，對X進行標準化處理，使其均值變為0，求得X的協方差矩陣C，將特征向量按特征值由大到小排列，取前K個按行組成矩陣P，通過公式Y=PX，得到降維后的數據Y，計算貢獻率Vi=Yi/(Y1+Y2+Y3+……)。Vi>0為正貢獻率，Vi<0為負貢獻率。一般認為，累積因子反映了主導因子，當累積貢獻率超過85%，且其后某一因子的貢獻率低于5%時不再累積[18]。

(3)適定性參數法

適定性參數ai值是品種對環境的反應參數，品種最理想的適定性參數值為1，越接近1，表示該品種對環境適應性良好[20]。以|ai-1|≤0.1作為標準；若|ai-1|≤0.1，說明此品種自身調節能力強，既能有效利用環境，也能被不利環境大幅度影響，若|ai-1|≥0.1，一方面ai過小表明該品種對環境反應遲鈍，即在不同環境中差異小且穩定性好，不能有效利用優良環境，反之ai過大表明該品種對環境反應敏感，即在不同環境中差異大而且穩定性差，既能充分利用有利環境，也受不利環境影響嚴重[21]。

1.5 數據分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2010 和 SPSS 22.0 進行統計分析和繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同試點及品種間白菜型冬油菜越冬率

由圖1可見，3個試點間，參試材料的平均越冬率隨緯度升高而降低，喀什試點平均越冬率最高，為86.03%，其次是烏魯木齊試點，為79.47%，在阿勒泰試點平均越冬率最低，為61.70%。

注：不同小寫字母表示同一試點不同品種間差異在P<0.05水平具有統計學意義。Note: Different lowercase letters of the same pilot location indicate statistically significant differences between different varieties at P<0.05 level.圖1 不同試點及品種間冬油菜的越冬率Fig.1 Overwintering rates of winter rape of different varieties in different pilot locations

參試材料間越冬率差異也較大，隴油6號、隴油7號和隴油8號的平均越冬率分別為87.14%、86.79%和80.93%，顯著高于天油7號、天油4號和天油2號(越冬率分別為70.48%、65.74%和63.32%)(P<0.05)。參試材料越冬率的變異系數以隴油7號較小，為6.13%，其次是隴油6號和隴油8號，分別為6.63%和13.41%；天油2號、天油4號和天油7號變異系數較大，分別為15.83%、23.40%和26.21%。

在平均越冬率最低的阿勒泰試點，也有越冬率較高的參試材料，如隴油6號、隴油7號和隴油8號平均越冬率分別為82.63%、82.63%和65.83%，天油2號、天油4號和天油7號越冬率分別為54.70%、44.43%和39.97%；烏魯木齊試點，隴油6號、隴油7號和隴油8號平均越冬率分別為83.49%、83.43%和86.06%，天油2號、天油4號和天油7號越冬率分別為78.25%、72.58%、和73.00%。

2.2 不同試點間與品種間的主要農藝性狀差異

由表3可知，阿勒泰、烏魯木齊和喀什試點農藝性狀差異顯著。阿勒泰和烏魯木齊試點的農藝性狀均極顯著優于喀什試點(P<0.01)，其中株高在阿勒泰和烏魯木齊試點分別為143.52和141.20 cm，喀什試點為124.98 cm；主花序角果數在阿勒泰和烏魯木齊試點分別為51.12和46.55，喀什試點為33.53；單株角果數在阿勒泰和烏魯木齊試點分別為281.00和287.50，喀什試點為145.23；阿勒泰試點角粒數也顯著優于烏魯木齊與喀什試點(P<0.01)。

表3 不同試點白菜型冬油菜的農藝性狀Table 3 Agronomic traits of winter rapeseed in different pilot locations

由表4可知，品種間農藝性狀差異也達到顯著水平(P<0.05)。阿勒泰試點，隴油8號的株高、單株角果數和主花序角果數顯著高于其他品種，分別為159.70 cm、340.00個和54.60個，隴油6號、隴油7號和天油2號的綜合性狀也優于天油4號和天油7號；烏魯木齊試點，隴油6號、隴油7號、隴油8號和天油2號的株高顯著高于天油4號和天油7號，為141.60～146.50 cm，其他性狀也優于天油4號和天油7號；喀什試點，隴油7號、隴油6號的農藝性狀均優于其他品種。

表4 不同試點不同品種的主要農藝性狀Table 4 Main agronomic characters of different varieties in different pilot locations

續表Continued

2.3 越冬率及氣象因子對農藝性狀的影響

由表5可知，農藝性狀與最大積雪厚度、積雪天數和年降雨量正相關，與最冷月平均最低氣溫、地面極端低氣溫等均負相關。其中，角粒數和主花序角果數與積雪天數相關性達到極顯著或顯著水平，相關系數分別是0.980和0.870；角粒數、單株角果數和主花序角果數與年降雨量相關性達到顯著水平，相關系數分別為0.906、0.845和0.812；角粒數和主花序角果數與地面極端低溫相關性達到極顯著或顯著水平，相關系數分別為 -0.933 和-0.884。角粒數與所有氣溫相關因子均呈顯著負相關關系。

越冬率對農藝性狀具有正效應，與所有農藝性狀均呈顯著或極顯著正相關性。

表5 越冬率和氣象因子與農藝性狀的相關性分析Table 5 Correlation analysis of overwintering rate, meteorological factors and agronomic characteristics

2.4 氣象因子對農藝性狀的貢獻率分析

氣象因子對農藝性狀的貢獻率分析結果(表6)表明，積雪天數、年降雨量和最大積雪厚度對農藝性狀的累積貢獻率達0.877，其中，積雪天數貢獻率為0.630，年降雨量和最大積雪厚度貢獻率分別為0.181和0.066；對冬油菜農藝性狀產生負效應氣象因子中，累積貢獻率超過0.85的因子貢獻率由大到小依次是：最冷月平均最低氣溫(-0.725)、地面極端低溫(-0.052)、負積溫(-0.049)和年均氣溫(-0.045)。

表6 農藝性狀適定性分析Table 6 Adaptive analysis of agronomic traits

2.5 白菜型冬油菜農藝性狀的適定性分析

對農藝性狀進行適定性分析，結果(表7)表明，千粒重變異系數最小，為5.86%，其次是株高和角粒數，變異系數分別為6.23%和12.63%，單株角果數變異系數最大，為28.25%；參試品種中，隴油7號農藝性狀的變異系數較小，在0.11% ～ 15.93%之間，其次是隴油6號，為3.90% ～ 27.66%，天油2號和天油7號農藝性狀的變異系數較大，穩定性較差。

根據適定性分析|ai-1|≥0.1，ai過小時表明該品種在不同環境中差異小且穩定性好，反之，ai過大表明該品種在不同環境中變異大且穩定性差[21]。結果(表7)表明，參試材料中，隴油7號和隴油6號農藝性狀的適定性參數均較小，其中隴油7號株高、主花序角果數和角粒數的適定性參數值分別為0.01、0.49和 0.71，隴油6號株高、主花序角果數和角粒數的適定性參數值分別為0.48、0.87和 0.63，均小于隴油8號、天油2號、天油4號和天油7號。因此，隴油6號和隴油7號的農藝性狀受環境影響小，表現穩定。

表7 農藝性狀適定性分析Table 7 Adaptive analysis of agronomic traits

圖2 基于農藝性狀分析各品種在3個試點的穩定性和適應性Fig.2 Stability and adaptability analysis of each variety in three pilot locations based on agronomic traits

3 討論

3.1 不同試點農藝性狀變化

在北方寒旱區，冬油菜越冬期漫長，極端低溫低，抗寒性是保證冬油菜安全越冬和獲得高產的首要條件[16,23]，但越冬率對產量的影響主要通過影響農藝性狀來實現。研究表明，在新疆地區，隨著緯度降低，越冬率增加，農藝性狀變劣，如喀什試點平均越冬率最高(86.03%)，但農藝性狀較越冬率低的阿勒泰試點(61.70%)差，其原因在于喀什冬季氣溫高于阿勒泰等試點，受極端低溫等氣候影響較小，越冬率較高，群體密度大。因此，個體發育受到限制，農藝性狀受到影響，而阿勒泰等地受極端低溫的影響大，越冬率降低，單位面積群體數量低于喀什，但個體發育充分，有利于形成較優農藝性狀[16,24]。吳永成等[25]研究發現，油菜的株高會隨著群體密度增大而降低，王竟紹等[26]在冬小麥的研究中也發現類似現象，越冬率降低使得返青后密度減小，有利于表現出較好農藝性狀，反之，密度過大會導致小麥穗粒數和千粒重下降。北方冬油菜生產中，較差的農藝性狀固然難以獲得較好的產量效果，但提高越冬率使密度適當增加，利于群體發育及群體與個體的協調，在一定范圍內也可增加產量[27]，而密度過大時個體發育受限制，難以保證較好的農藝性狀，密度過小時，過度發育的個體使千粒重等農藝性狀降低，也不利于獲得高產。因此，生產上應當根據不同的生態條件和越冬率的高低，解決、協調群體與個體發育的矛盾，使得農藝性狀適宜，獲得較高的經濟效益。

3.2 農藝性狀的變化及其對氣候因子的敏感性

主花序角果數、單株角果數、角粒數和千粒重是決定冬油菜產量的關鍵因素[28]，而溫度和光照是決定作物生長發育狀況最關鍵的因子[24]。周冬梅[20]研究發現，影響冬油菜產量和農藝性狀的主要氣象因子是≤ 0 ℃負積溫、極端低溫、最冷月最低溫度等。徐克聰等[8]和劉海卿等[16]研究發現，影響冬油菜農藝性狀的主要因子是溫度，其次是海拔、緯度、越冬率等。本研究表明，千粒重、株高、角粒數、主花序角果數、單株角果數的變異系數分別為5.86%、6.23%、12.63%、17.31%和 28.25%，以千粒重最為穩定，單株角果數變化最大。氣象因子對農藝性狀的貢獻率表明，對農藝性狀影響較大的主導負效應氣象因子分別為最冷月最低氣溫、地面極端低溫、≤℃負積溫和年均氣溫，累積貢獻率達到-0.871，對農藝性狀貢獻較大的主導正效應氣象因子為積雪天數、降雨量和最大積雪厚度，累積貢獻率達到0.877。羅丕[29]研究表明，小麥的株高、穗長、穗粒數、千粒重受氣象因素影響顯著。高輝明[30]在冬小麥中研究表明，在熱量條件較好情況下，較強春性的冬小麥，千粒重和穗粒數增加，單位面積產量也相應增加。為保證北方冬油菜獲得優良的農藝性狀和較高的產量，選擇氣候條件適宜的生態區種植發展冬油菜、并注重協調群體與個體的矛盾是北方冬油菜生產的重要環節。

3.3 農藝性狀的變異與品種選擇

研究表明，參試品種對氣象因子敏感性有較大差異，隴油6號、隴油7號和隴油8號的平均越冬率顯著高于其他品種。參試品種的農藝性狀也具有較大差異，其中隴油7號農藝性狀的變異系數較小，其次是隴油6號，天油2號和天油7號農藝性狀的變異系數較大，穩定性較差；適定性分析表明，不同農藝性狀受環境影響程度不同，千粒重變異系數最小，其次是株高和角粒數，單株角果數變異系數最大，抗寒性較強的隴油7號、隴油6號等品種的農藝性狀也較抗寒性弱的天油7號等適應性強，受環境影響小。北方冬油菜生產的主要制約因素是低溫，不同生態區氣候差異大，對品種的要求不同，產量結構也不同。在低溫地區，鑒于抗寒性較弱品種的越冬率低、農藝性狀變化幅度大的問題[31]，在選擇品種時，必須選擇越冬率高的強抗寒性品種，否則越冬難以保證，農藝性狀得不到合理發育[32]；而在積溫較高、越冬率有一定保障的地區，應選用適當早熟、抗寒性弱的品種，栽培上適當晚播或者加大群體等，可保障群體發育一致、早熟，獲得較高產量。