運城盆地不同播期小麥春季凍害風險評價

王健， 許愛玲， 衛(wèi)曉東， 席吉龍， 楊娜， 王珂， 席天元， 張建誠

（山西農業(yè)大學棉花研究所，山西 運城 044000）

氣候變暖是當今全球氣候變化的主要特征［1］。氣候系統(tǒng)的綜合觀測和多項指標表明，全球變暖趨勢仍在持續(xù)，中國是全球氣候變化的敏感區(qū)和影響顯著區(qū)［2］。以氣溫升高為主要特征的全球氣候變化并不意味著小麥霜凍發(fā)生幾率和潛在危險的減弱，反而有加劇發(fā)生的趨勢［3］。受氣候變化的影響，小麥各生育階段的積溫均呈上升趨勢［4］，特別是開春之后，冬小麥隨春季氣溫的升高進入快速生長，生育進程明顯加快，但其耐寒力卻隨氣溫升高、生育進程的提前而明顯減弱［5］。受春季氣溫不穩(wěn)定性的影響，小麥遭受晚霜凍害的風險加大［6］。朱偉等［7］和李茂松等［8］分析黃淮麥區(qū)小麥凍害的原因表明，霜凍害發(fā)生的概率呈上升趨勢。Fuller等［9］研究表明，小麥生育后期對低溫敏感，遭遇低溫會導致產量大幅下降。2018年4月7日，黃淮麥區(qū)發(fā)生大面積晚霜凍害，山西南部運城地區(qū)13個縣（市）小麥均遭受不同程度的晚霜凍害，僅聞喜縣就有5 750 hm2小麥遭受嚴重晚霜凍害。

研究表明，冬小麥安全越冬的最適冬前積溫（≥0℃）為570～645℃，在該積溫條件下可形成利于小麥安全越冬的6～7葉壯苗［10］。本課題組研究了1959—2018年運城地區(qū)600℃左右冬前積溫對應的播期變化發(fā)現(xiàn)，60年來播期向后推遲了4 d，由10月3日推后到10月7日；小麥拔節(jié)期提前了10 d左右。按此播期，小麥春季晚霜凍害嚴重。呂麗華等［11］研究了不同小麥品種產量對冬前積溫變化的響應，認為冬前600℃的積溫條件并不是小麥獲得高產的重要保障，不同播期敏感型品種對積溫條件的響應不同，應根據(jù)品種特征選擇適宜的播期。

前人對小麥春季低溫凍害發(fā)生規(guī)律與機理做了大量研究，皇甫自起等［12］研究表明，播期和密度對晚霜凍害有一定的影響，播期早、密度小時凍害程度重；任德超等［13］、鐘秀麗等［14］研究不同品種與凍害發(fā)生的關系認為，抗凍性與品種的冬春性無顯著相關性，適度凍害下多穗型品種還有增產的趨勢；拔節(jié)期的早晚是影響小麥抗凍的關鍵因素，小麥抗霜性與抗凍性沒有顯著相關性，凍害程度與葉片最低溫度顯著相關［15-17］；楊洪賓等［18］以濟麥20為供試材料，研究12個播期（時間跨度為67 d）處理下，冬小麥生長所需積溫由2 100～2 400℃減少到1 800～2 000℃，仍然能保證小麥高產；劉新月等［19］研究了山西臨汾氣候變化背景下黃淮旱地冬小麥農藝性狀的變化特征，提出選育株高和有效穗數(shù)適中、穗粒數(shù)較多、千粒重較大的中高產抗旱品種是黃淮旱地適應未來氣候變化的小麥育種改良方向。以往的研究多從某個側面分析小麥凍害的發(fā)展規(guī)律，有些研究只關注到區(qū)域主栽品種的最佳播期，與氣候變化的趨勢聯(lián)系不夠密切；有些研究結果因地域、播期和品種特性等差異較大而相互矛盾。關于不同冬前積溫下小麥春季凍害發(fā)生的風險評價鮮有報道。本研究利用2個不同氣候年型，采取氣象分析和田間試驗相結合的方式，研究當前氣候情境下，不同冬前積溫對不同類型小麥品種春季生長發(fā)育進程及春季凍害發(fā)生風險的影響，為構建適應氣候變化的冬小麥節(jié)本抗逆高產新途徑提供理論依據(jù)，對確立適應氣候變化的小麥冬前最適積溫（≥0℃）、保障小麥安全生產具有重要的指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和地點

選取半冬性偏冬性品種濟麥22（黃淮北片對照品種）、半冬性品種周麥18（黃淮南片對照品種）和弱春性品種西農529（黃淮南片新品種）3種不同生態(tài)類型的小麥品種作為試驗材料。于2017—2018和2018—2019兩個小麥生長季，在運城市鹽湖區(qū)山西省農業(yè)科學院（現(xiàn)山西農業(yè)大學）棉花研究所棉花試驗農場（N34°48′—35°30′、E110°12′—111°41′）進行，地處黃土高原運城盆地中部，屬大陸溫帶季風氣候，年均降雨量491.37 mm。試驗地土壤為粘壤土，0—20 cm土壤有機質含量1.59%、全氮0.093%、全磷0.23%、堿解氮 73.1 mg·kg?1、有效磷 19.3 mg·kg?1、有效鉀92.2 mg·kg?1。2個氣候年型冬小麥生長季的降水量和平均氣溫分別為：144.9 mm、9.2℃（2017—2018）和141.1 mm、10.25 ℃（2017—2018）；逐月最高氣溫和最低氣溫見圖1。

圖1 試驗年度不同氣候年型小麥生長季逐月最高氣溫和最低氣溫Fig.1 Monthly maximum air temperature and minimum air temperature during annual wheat growingseasons in different climates

1.2 試驗設計

采用二因子裂區(qū)設計，以播期為主區(qū)，以品種為副區(qū)，每處理4次重復，采用完全隨機排列，小區(qū)面積3 m×1.38 m，行距23 cm。2017—2018小麥生長季設置9月25日、10月15日和10月30日共3個播期處理，基本苗分別為150萬、350萬和450萬株·hm?2；2018—2019小麥生長季設置10月5日、10月20日、11月5日、11月15日和11月25日共5個播期處理，基本苗分別為200萬、350萬、500萬、550萬和550萬株·hm?2。兩年均為足墑播種，基施純 N 112.5 kg·hm?2，P2O5150 kg·hm?2，K2O 90 kg·hm?2；于返青期和孕穗期結合灌水分別追施 N 67.5 和 45 kg·hm?2，每次灌水量75 m3左右。病蟲草害防控均采用常規(guī)管理方法，于次年6月5—10日收獲。

1.3 測定內容與方法

氣象數(shù)據(jù)來源于運城市鹽湖區(qū)氣象站。

冬前積溫：自小麥播種日至連續(xù)5日日均氣溫≤0℃止，期間≥0℃的日均氣溫之和。

拔節(jié)期：每小區(qū)標記具有代表性的小麥30株，當50%主莖地上部第1節(jié)間伸出地面達到1.5 cm時，記作拔節(jié)期。

生理生化指標的測定［20-21］：依據(jù)天氣預報，預測春季凍害發(fā)生時間，在凍害發(fā)生前1 d取小麥旗葉測定生理生化指標作為對照，在凍害發(fā)生后1 d取旗葉葉片測定各生理生化指標。超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性采用氮藍四唑（nitro-blue tetrazolium，NBT）比色法測定；過氧化物酶（peroxidase，POD）活性采用愈創(chuàng)木酚比色法測定；過氧化氫酶（catalase，CAT）活性采用過氧化氫法測定；葉片相對電導率采用電導儀測定法；丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量采用硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid，TBA）比色法測定。

產量性狀測定：每小區(qū)去除邊行，割取中間4行，行距0.23 m，行長1.5 m，面積1.38 m2，統(tǒng)計總穗數(shù)，折合為單位面積穗數(shù)；風干后脫粒、稱重，折算為含水量13%的標準產量后，折合每公頃產量；隨機取樣5次烘干稱重，折算為含水量13%的標準千粒重；統(tǒng)計穗粒數(shù)。

1.4 氣象數(shù)據(jù)與春季凍害發(fā)生風險評估方法

采用鹽湖區(qū)近30年（1988—2018）3月下旬和4月上旬的極端低溫資料，以各冬前積溫下春季不同時段的凍害指標在30年中出現(xiàn)的頻次占總頻次的百分率，反映各冬前積溫下春季不同時段的凍害發(fā)生風險。小麥霜凍害指標以馮玉香等［3］研究得出的小麥發(fā)生重霜凍害的最低氣溫指標為依據(jù)（表1）。

表1 小麥發(fā)生重霜凍害的最低氣溫指標Table 1 The lowest temperature index of heavy frost damage in wheat

為便于確定拔節(jié)前后每天重霜凍害氣溫指標，用表1指標數(shù)據(jù)建立了拔節(jié)前后時間與發(fā)生重霜凍害溫度指標的關系方程：Y=0.078 6X2+0.618 6X?4.96，R2=0.993，其中以拔節(jié)期記為X=2，拔節(jié)期前1 d記為X=1.8，拔節(jié)期后1 d記為X=2.2，以此類推計算不同拔節(jié)期對應3月下旬和4月上旬的重霜凍害氣溫指標。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003進行數(shù)據(jù)整理，采用DPS 7.55進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。

2 結果與分析

2.1 霜凍未發(fā)生年，不同播期對小麥冬前生長及拔節(jié)期的影響

霜凍未發(fā)生年（2018—2019），隨著播期的推遲（表2），小麥的冬前葉齡和冬前分蘗數(shù)相應減少，播期推遲到11月15日（冬前積溫107.7℃）以后，小麥冬前未能出土。在播期為10月20日（冬前積溫390.1℃）、11月5日（冬前積溫186.9℃）、11月15日（冬前積溫107.7℃）和11月25日（冬前積溫62.9℃）時，3個品種的拔節(jié)期均較常規(guī)播期（冬前積溫616.3℃）推遲，其中，濟麥22分別推遲了5、11、15和 16 d；周麥18推遲了5、9、12和14 d；西農529 推遲了6、13、17和18 d。由此說明，不同類型小麥品種的冬前生長量隨播期的推遲（冬前積溫降低）而減少，拔節(jié)期隨播期推遲而推遲；品種的春性越強，拔節(jié)越早。

2.2 霜凍未發(fā)生年，不同播期對小麥春季凍害發(fā)生風險的影響

從表3可知，小麥在3月下旬和4月上旬可承受的低溫范圍及春季霜凍發(fā)生風險與冬前積溫和品種的春性強弱密切相關。播期越早，冬前積溫越高，小麥拔節(jié)越早，可承受低溫的能力越弱，春季凍害風險越高；品種春性越強，承受低溫的能力越弱，霜凍害發(fā)生的風險越高。濟麥22、周麥18、西農529均以常規(guī)播期的霜凍害發(fā)生風險最高，在3月下旬和4月上旬凍害發(fā)生風險分別為13.33%、18.33%、25%和20%、20%、21.67%。隨著冬前積溫的降低，各品種的凍害發(fā)生風險呈降低趨勢。11月5日以后播種，按現(xiàn)有氣象資料分析，3月下旬的凍害發(fā)生風險為0，4月上旬的凍害發(fā)生風險也明顯降低。

表3 不同品種不同播期小麥春季凍害風險分析Table 3 Spring frost damage probability of wheat with different cultivars and sowing dates

2.3 霜凍發(fā)生年，不同播期對不同類型小麥品種春季凍害的影響

2.3.1 對小麥受凍穗率的影響 2018年4月7日凌晨3點至7點試驗所在農場出現(xiàn)持續(xù)5 h?0.1～?0.7℃極端低溫霜凍，5月10日小麥灌漿中期進行凍穗調查，3個不同類型品種的受凍穗率皆隨冬前積溫的減少而降低（圖2）。播期為9月22日時，西農529受凍穗率較高，周麥18次之，濟麥22凍害最輕；10月30日播期時，3個品種的受凍害程度均顯著減輕。由此表明，冬前積溫和品種春性的強弱均對小麥春季抗霜凍能力有一定影響，隨著品種冬性的增強，小麥抗霜凍能力增加；隨著播期的推遲（冬前積溫降低），小麥抗霜凍能力提高。并且，不同生態(tài)類型小麥品種的穗部凍害程度與霜凍未發(fā)生年時的凍害發(fā)生風險分析趨勢表現(xiàn)一致。

2.3.2 對小麥穗分化的影響 極端低溫發(fā)生后，以凍害嚴重的西農529為代表，研究不同播期對穗分化的影響（圖3）。播期不同，小麥中部穗粒的形態(tài)大小和生長發(fā)育所處的階段不同，凍害來臨時，9月22日播種的小麥穗發(fā)育已處于四分體羽毛形成后期；10月15日播種的小麥穗發(fā)育處于四分體羽毛形成初期；而10月30日播種的小麥處于柱頭伸長期。由此表明，隨著播期的推遲，延緩了小麥的幼穗發(fā)育進程。

圖3 2017—2018年度小麥晚霜凍害發(fā)生時西農529三個播期的穗分化時期Fig.3 Spike differentiation period of Xinong 529 at three sowing dates after wheat late frost injury from 2017 to 2018

2.3.3 對小麥生理生化指標的影響 霜凍發(fā)生后，不同播期小麥的生理生化指標存在一定差異（圖4）。隨著冬前積溫的降低、播期的推遲，3個不同類型小麥品種的相對電導率在凍害發(fā)生前后的增幅均逐漸減小。其中，播期為9月22日和10月15日時，凍害發(fā)生后相對電導率均顯著增加；而10月30日播期時，凍害發(fā)生前后的電導率無顯著變化。3種抗氧化酶的活性隨著冬前積溫的降低、播期的推遲在凍害發(fā)生前后的增幅均逐漸增大；凍害發(fā)生后，POD和CAT活性隨著播期的推遲呈上升趨勢，SOD活性隨播期的推遲無顯著變化。3個品種MDA含量在凍害前后均存在顯著差異，隨著冬前積溫的降低和播期的推遲，凍害發(fā)生前后的增幅均逐漸減小；且MDA含量隨著播期的推遲呈降低趨勢。綜合比較，同一冬前積溫下，凍害發(fā)生后濟麥22的相對電導率最低，酶活性變化幅度最大，MDA含量最低；西農529的相對電導率最高，酶活性變化幅度最低，MDA含量最高。以上結果表明，降低冬前積溫能明顯減輕植物受凍害后膜脂受傷害的程度，提高抗氧化酶活性，從而減輕凍害對植物葉片的損傷。半冬性、偏冬性品種的抗低溫凍害能力較強，弱春性品種抗低溫能力較差。

圖4 2017—2018年度凍害前后小麥葉片中相對電導率、抗氧化酶活性和MDA含量Fig.4 Relative conductivity，antioxidant enzyme activity and MDA content of wheat before and after freezing injury from 2017 to 2018

2.4 不同播期對小麥產量及構成的影響

2017—2018 年霜凍發(fā)生年型下，不同生態(tài)類型小麥產量對播期的響應見表4。在相同播期下，濟麥22的產量最高，周麥18次之，西農529最低。隨著播期的推遲，冬前積溫的降低，3種類型小麥的產量均顯著提高，西農529在播期為10月30日下的產量較播期為9月22日（冬前積溫833.4℃）時的產量提高117.5%。3個品種的穗數(shù)與穗粒數(shù)均隨著冬前積溫的降低呈上升趨勢。其中，濟麥22的穗數(shù)在播期為10月30日時最高；而周麥18與西農529的穗數(shù)以10月15日播種最高；西農529的穗粒數(shù)在播期為9月22日時下降最為顯著。3個品種的千粒重，均隨冬前積溫的降低、播期的推遲而降低，這可能是產量三因素協(xié)調的結果，凍害主要影響穗數(shù)和穗粒數(shù)，穗粒數(shù)降低，植物光合作用能量供應的庫端分流減少，導致單個籽粒的粒重增加。

表4 2017—2018年不同播期下小麥的產量及產量構成Table 4 Yields and yield components of wheat at different sowing date from 2017 to 2018

2018—2019 未發(fā)生霜凍的年型下，不同生態(tài)類型小麥產量對播期的響應見表5。濟麥22與周麥18皆以10月5日播期的產量最高，分別為11 423.1和12 685.6 kg·hm?2；西農529則在10月20日播期下產量最高。隨著播期的推遲（冬前積溫的降低），3個品種的產量均呈下降趨勢，當播期推遲至11月15日（冬前積溫107.7℃）后，產量顯著降低。相同播期下，周麥18產量最高，濟麥22次之，西農529產量最低。3個品種的每公頃穗數(shù)先隨播期的推遲而升高，隨后降低，播期11月5日（冬前積溫186.9℃）的成穗數(shù)最高；播期繼續(xù)推遲則每公頃穗數(shù)顯著減少，因此，11月25日播期的每公頃穗數(shù)最低。而3個品種的穗粒數(shù)隨冬前積溫的減少而減少。千粒重受播期的影響因品種而異，濟麥22在11月5日以后播種的千粒重顯著低于之前播種的千粒重；周麥18的千粒重在不同播期處理間無顯著差異；西農529在不同播期間千粒重無明顯變化規(guī)律。3個品種相比較，周麥18的千粒重最高。

表5 2018—2019年不同播期下小麥的產量及產量構成Table 5 Yield and yield component of wheat at different sowing date from 2018 to 2019

以上結果表明，在霜凍發(fā)生年，適度降低冬前積溫、推遲播期，小麥產量及產量構成因素皆顯著優(yōu)于常規(guī)播期，與春季凍害發(fā)生風險的趨勢表現(xiàn)一致；在無異常極端低溫出現(xiàn)的情況下，不同類型品種降低冬前積溫、推遲播期，對產量和產量構成造成一定影響，但與常規(guī)播期差異不顯著。結合兩年的產量表現(xiàn)，適度推遲播期，增加播量，有利于保證小麥高產群體的每公頃穗數(shù)，達到高產、穩(wěn)產。

3 討論

小麥霜凍害的發(fā)生程度受地勢、天氣等條件影響，植株體溫作為研究小麥霜凍害的最佳指標與氣溫間不具有對應的函數(shù)關系［3］。本研究僅采用小麥生長發(fā)育進程對冬前積溫的響應以及最低氣溫指標評估霜凍害發(fā)生風險，采用凍害年型的植株指標分析和非凍害年型的產量驗證，為小麥抗逆品種的選擇和播期控制提供了理論依據(jù)。楊洪賓等［18］研究表明，小麥推遲播期但冬前正常出苗的處理，其春季生長發(fā)育無顯著差異。本研究表明，小麥推遲播期（冬前積溫降低），春季拔節(jié)期明顯延后，但當冬前積溫降低到一定程度時，拔節(jié)期不再延后。氣候變暖對春季小麥拔節(jié)期影響顯著，可以通過冬前積溫調控返青?拔節(jié)所需積溫，進而影響拔節(jié)期。結合小麥拔節(jié)期和當?shù)貧夂蛸Y料，認為10月5日（616℃）播種的小麥受到霜凍害風險較高，與前人研究結論相一致［1，15］。推遲播期、降低冬前積溫使小麥在霜凍害頻發(fā)的3月下旬和4月上旬受到重霜凍害的風險顯著降低。

2017—2018 霜凍發(fā)生年型的凍害發(fā)生結果進一步驗證了本研究關于霜凍發(fā)生風險評估的結論，并通過對凍害后小麥的穗分化進程、生理生化指標等鑒定，闡明了降低冬前積溫后小麥對凍害響應的表現(xiàn)。植物受低溫凍害后，膜透性增大，電解質外滲，從而導致相對電導率增大。MDA是膜脂過氧化的主要產物之一，其含量的高低反應了植物對低溫冷害反應的強弱［22-23］。超氧自由基含量會大幅度升高，SOD酶將植物體內的O2氧化成H2O2及·OH，POD清除·OH，CAT清除部分H2O2，通過3種酶的協(xié)同作用減輕凍害對植物的傷害［24-25］。本研究結果顯示，推遲播期，降低冬前積溫，小麥穗部發(fā)育延緩，在4月上旬凍害高發(fā)期，能有效避開凍害敏感的四分體時期［26］。降低冬前積溫，不同品種的SOD和POD酶活性增高，相對電導率降低，MDA含量下降，本研究與前人研究結果相一致［22-25］，并且半冬性偏冬性品種濟麥22的抗凍能力顯著優(yōu)于周麥18與西農529。小麥春季抗凍性與播期（冬前積溫）及品種特性關系密切，推遲播期、降低冬前積溫使小麥穗部發(fā)育敏感期避開春季凍害，同時通過維持較高水平的抗氧化酶活性等保護機制來提高植株對低溫的耐受性。凍害發(fā)生年型，產量隨著播期的推遲顯著提高，3個不同類型的品種中，濟麥22的產量最高。

2018—2019 霜凍未發(fā)生年型，在不同冬前積溫下播種，以冬前積溫600℃處理的產量最高，但與冬前積溫390℃處理的產量無顯著差異。3個品種相比較，周麥18在未發(fā)生凍害年型下產量最高，不同類型品種最高產量處理的冬前積溫不同，這與呂麗華等［11］研究結果一致。穗數(shù)隨著播期推遲而下降，晚播增加播量可以提高成穗數(shù)［27］；適當晚播可以提高小麥穗粒數(shù)［28］；也有學者認為適度晚播穗粒數(shù)降低［29］；不同地域、不同播期、不同品種的產量三因素結果存在一定差異。本研究表明，凍害年型時，穗數(shù)、穗粒數(shù)隨播期的推遲而增加，千粒重隨著播期的推遲而降低；非凍害年型時，穗粒數(shù)隨播期的推遲而降低，千粒重在不同播期處理間無顯著差異。不同氣候環(huán)境對小麥產量三因素的影響較為明顯，不同品種的三因素構成隨播期變化也存在一定差異。因此，播期對產量構成的影響機制還有待進一步研究。

結合2年的試驗結果，以冬前積溫為250～390℃時，小麥產量比較穩(wěn)定，凍害發(fā)生風險較低。春性較強的品種如在較高冬前積溫時播種，春季凍害發(fā)生風險將大幅上升。因此，受全球氣候變暖及氣候變化不確定性的影響，構建小麥適應氣候變化的節(jié)本、抗逆、高產栽培技術體系，應以“適度減少冬前積溫消減氣候影響、優(yōu)化品種選擇規(guī)避凍害風險”為主要策略，在不影響產量的情況下，既可減少冬前水分蒸騰，降低養(yǎng)分消耗，實現(xiàn)節(jié)蒸降耗，也有利于降低春季凍害發(fā)生風險，同時也為夏播作物留下了更充足的生長空間。