CN109601286A - 小麦品种水反应特征表示方法及应用 - Google Patents
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Abstract
小麦品种水反应特征表示方法，根据灌溉量将小麦灌水量分成I区、II区、III区、IV区四个区域，根据每个区域的特征进行灌溉，所述灌溉量根据水分生产效率的方程、籽粒产量水反应方程、生物产量水反应方程计算获得；其中，I区为0～最大水分生产效率对应的灌溉量；II区为最大水分生产效率对应的灌溉量～籽粒产量最大值对应的灌溉量；III区为籽粒产量最大值对应的灌溉量‑生物产量最大值对应的灌溉量；IV区为大于生物产量最大值的灌溉量。可应用于小麦育种，明确了不同品种的水反应特征参数及分区，这可以作为不同种质资源特性鉴定。另外小麦的三个特征参数及其与各自灌溉量比值均处于临界区域，可通过育种改变临界特征值，这为育种改良方向可以明确。
Description
技术领域
属于小麦育种的技术领域，涉及小麦品种水反应特征表示方法及应用
背景技术
小麦是我国三大口粮作物之一，对我国人民生活十分重要。华北地区是我国小麦最重要的主产区之一，但华北地下淡水资源匮乏，小麦生长期需要大量灌溉，并且主要是地下水资源，长期小麦灌溉导致地下水严重超采。因此该区迫切需要节水小麦品种及节水品种的鉴定方法。另外世界主要小麦出口国美国，加拿大，澳大利亚等大部分是旱作小麦，因此小麦品种的抗旱性鉴定方法也十分重要。目前应用比较多的抗旱性或节水性小麦鉴定方法是抗旱指数或节水指数法，即用干旱处理的小麦籽粒产量与足水小麦产量的比值来衡量小麦的抗旱性或节水性。该鉴定方法一般是两个不同水处理产量比值，一般不连续，难以全面评价小麦对不同水分条件的反应特征。
发明内容
本发明研制了一种评价小麦品种对不同阶段水分环境的连续反应特征，对小麦品种的水反应特征有一个全面的表达，在小麦育种和栽培技术中具有指导意义。
本发明为实现其目的采用的技术方案是：
小麦品种水反应特征表示方法，根据灌溉量将小麦灌水量分成I区、II区、III区、IV区四个区域，根据每个区域的特征进行灌溉，所述灌溉量根据水分生产效率方程、籽粒产量水反应方程、生物产量水反应方程计算获得；这些方程是根据小麦灌溉试验，将不同灌溉量与产量、生物产量和水分生产效率数值分别拟合二次曲线获得；
水分生产效率方程为：YWUE＝i2x2+i1x+i0 (1)，
上式(1)中：
YWUE—小麦产量的水分生产效率(kg/mm亩)；
x—灌水量(m3/亩)；
i2、i1、i0分别为二次曲线方程的二次项系数、一次项系数和常数项；
籽粒产量水反应方程为：Y＝j2x2+j1x+j0 (2)，
上式(2)中：
Y—小麦籽粒产量(kg/亩)；
x—为灌水量(m3/亩)；
j2、j1、j0分别为二次曲线方程的二次项系数、一次项系数和常数项；
生物产量水反应方程为Yb＝k2x2+k1x+k0 (3)，
上式(3)中：
Yb—小麦生物产量(kg/亩)；
x—为灌水量(m3/亩)；
k2、k1、k0分别为二次曲线方程的二次项系数、一次项系数和常数项；
其中，I区为0～最大水分生产效率对应的灌溉量，该区特征为水分生产效率、籽粒产量和生物产量均随灌水量增大而增大；
II区为大于最大水分生产效率对应的灌溉量～籽粒产量最大值对应的灌溉量，该区特征为水分生产效率较I区降低，该区水分生产效率随灌溉量增大而降低，籽粒产量和生物产量均随灌水量增大而增大；
III区为大于籽粒产量最大值对应的灌溉量～生物产量最大值对应的灌溉量，该区特征为水分生产效率较II区降低，该区水分生产效率和籽粒产量均随灌溉量增大而降低，生物产量随灌水量增大而增大；
IV区为大于生物产量最大值的灌溉量，该区的特征是水分生产效率、籽粒产量和生物产量均随灌水量增大而降低。
如上述所述小麦品种水反应特征表示方法于小麦节水生产上的应用，在I区范围内，提高灌溉量，上限为最高水分生产效率对应的灌溉量值；在II区范围内，前1/2范围增加灌溉量，后1/2范围根据小麦价格、水资源紧缺程度及灌溉成本，确定灌水量，后1/2范围灌水量不能超过籽粒产量最大值对应的灌溉量；根据养殖牧草的短缺程度及小麦价格，考虑是用作籽粒还是作为牧草收获，若用作籽粒收获，小麦灌溉不应到达该区，若用作牧草收获，在III区前1/2范围可提高灌溉量；生产上灌溉量不要达到IV区。
如上述所述小麦品种水反应特征表示方法于抗旱节水小麦育种上的应用，根据最大水分生产效率、最高籽粒产量水分生产效率、均衡水分生产效率和最大生物产量水分生产效率评价小麦节水性，进行节水抗旱品种筛选，其中，
最大水分生产效率(MWUE)由上述水分生产效率方程式(1)计算得到：MWUE＝i2Xmwue2+i1Xmwue+i0，
其中：
MWUE—最大水分生产效率值(kg/mm亩)；
Xmwue—最大水分生产效率值对应的灌溉量(m3/亩)，其值为：
Xmwue＝dYWUE/dx；
dYWUE/dx—水分生产效率方程的导数；
最高籽粒产量水分生产效率(YmWUE)由下述公式计算：
YmWUE＝Ym/Xym，单位(kg/mm亩)，
Ym—小麦最高籽粒产量，由上述籽粒产量水反应方程式(2)计算得到：Ym＝j2Xym2+j1Xym+j0；
Xym—小麦最高产量对应的耗水量，其值为：
Xym＝dY/dx；
最大生物产量水分生产效率(YbWUE)由下述公式计算得到：
YbWUE＝Ybm/Xybm，单位(kg/mm亩)；
上式中，Ybm—小麦最高生物产量，它由上述生物产量水反应方程式(3)计算得到：
Ybm＝k2Xybm2+k1Xybm+k0，
上式中，Xybm—小麦最高生物产量对应的耗水量，其值为：
Xybm＝dYb/dx；
上式中dYb/dx为生物产量水反应方程的导数；
均衡水分生产效率(AWUE)：
AWUE＝(MWUE+YmWUE)/2。
根据AWUE作为育种筛选品种的指标，可筛选出节水、抗旱、丰产综合性状好的品种；最高产量水分生产效率YmWUE是追求的育种目标，该值大的品种是节水高产品种，因此是最重要的指导育种筛选指标；YbWUE一般用于筛选比较好的种质资源，YbWUE大的品种生理上干物质的水分生产效率比较高，作为种质材料有希望获得节水高产的小麦品种，育种时通与经济系数高的品种杂交，有希望获得节水高产小麦品种；MWUE用于抗旱品种筛选尤其旱作小麦品种筛选，比单纯利用产量指标更合理。有些旱地小麦产量高但耗水也较多，水分效率不高，而利用MWUE筛选最大水分生产效率高的品种，不仅产量高，而且耗水要少的品种，才是最理想的旱作，水高效型品种。
本发明的有益效果是：
本发明研制了一种评价小麦品种对不同阶段水分环境的连续反应特征，对小麦品种的水反应特征有一个全面的表达，在小麦育种和栽培技术中具有指导意义。
对小麦育种应用主要体现在两个方面，一是明确了不同品种的水反应特征参数及分区，这可以作为不同种质资源特性鉴定。另外小麦的三个特征参数及其与各自灌溉量比值均处于临界区域，可通过育种改变临界特征值，这为育种改良方向可以明确。
附图说明
图1是籽粒产量、生物产量和WUE水反应方程曲线及分区图。
图2是衡观35小麦品种的阶段水反应特征分区图。
图3是石4185小麦品种的阶段水反应特征分区图。
具体实施方式
1、小麦品种水反应特性的分区
华北小麦在梯度灌水处理情况下，比如造墒后，春季0、75、150、225、300mm处理，可获得籽粒产量水反应方程、生物产量水反应方程和籽粒水分生产效率(WUE)三种水反应方程。该三个方程呈现二次曲线模型形式。将这三个方程作在一个图上(如图1所示)，用a代表籽粒水分生产效率(WUE)反应方程曲线，用b代表籽粒产量水反应方程曲线、用c代表生物产量水反应方程的曲线。由于这种二次曲线均有最大值，这样在每个最大值处对应的灌溉量取值处，都可做一条平行产量轴的一条线。三条曲线有三条平行线，分别为WUE最大值灌溉量线L1、籽粒产量水反应方程最大值对应灌溉量线L2和生物产量水反应方程最大值对应灌溉量线L3。这样三条线就将小麦不同灌水量分成4个区，即I区、II区、III区和IV区，其中，I区为0-L1线区域、II区为L1线和L2线之间的区域、III区为L2线和L3线之间的区域、IV区为L3线右边的区域。
不同区域对应不同的特征，参见下表1：
表1不同分区的位置及表观特征
2、小麦水反应特征分区的应用
1)、用于指导小麦节水生产
在I区，小麦的水分生产效率和产量随灌水量增大而同步提高，因此在I区范围内，尽量改善灌溉条件，提高灌溉量。
II区，随灌溉量增大小麦水分生产效率出现下降趋势，但小麦产量随着灌溉量增大呈现增加趋势，不过随灌溉量增大产量增大趋势逐步减缓。因此建议在II区前半段内，可以提高灌溉量，因为在该段虽然随灌水量增大水分生产效率呈降低趋势，但由于距离最大水分生产效率点的仍然较近，因此水分生产效率仍然保持较高水平，而籽粒产量随灌溉量仍然保持较高的增长，因此在II区1/2范围内可增加灌溉量。但到II区后半段，则根据小麦价格和水资源紧缺程度及灌溉成本，来选择浇多少水比较适宜，但最大不能超过L2点的灌水量，即最高产量灌水量。
III区，水分生产效率比较低，小麦产量也随灌溉量增大呈现减产趋势，但生物产量随灌溉量增大仍呈增加趋势。一般情况下，小麦灌溉量不应到III区，但目前随着国家鼓励规模种植，一些大规模粮食和畜牧养殖综合体，则可在春季根据养殖牧草的短缺程度及小麦价格，考虑是用作籽粒还是作为早春牧草收获划算，如果作为牧草，则可考虑III区的灌溉量问题，尤其是III区前半段，小麦生物量随灌溉量增加增产明显。
IV区，一般生产上的灌溉量不要达到此区域，只会增加灌水浪费，不产生任何效益。
3、可用于抗旱节水小麦育种
1)进行小麦节水性评价
最大水分生产效率MWUE是一个品种可以达到的水分生产效率最大值，一般生产上用水分生产效率最大值对应的灌溉量实施灌溉的话，小麦产量不是最高值；最高产量水分生产效率YmWUE则为小麦产量最高时的水分生产效率，如果按其灌溉量实施，则灌溉要较最大水分生产效率灌溉量偏大，因此采用两个值的平均值即均衡水分生产效率(AWUE)来进行小麦的节水高产性评价比较合理，它既考虑了最大水分生产效率即抗旱性指标又考虑了最高产量即丰产性因素。AWUE值大的品种则属于节水丰产性好的品种。
2)小麦节水育种应用
可以用小麦分区三个特征值即最大水分生产效率、最高籽粒产量和最高生物产量，而后两个特征值与其相对应的x轴的灌溉量的比值，可计算出最高产量水分生产效率、最高生物产量水分生产效率(参表2)，利用三个特征值来辅助小麦节水高产品种选育，三个特征值比值越大的品种则节水性越好。
表2小麦三个特征值最大值与最大值对应的灌溉量比值
对小麦育种应用主要体现在两个方面，一是明确了不同品种的水反应特征参数及分区，这可以作为不同种质资源特性鉴定。另外小麦的三个特征参数及其与各自灌溉量比值均处于临界区域，另外小麦通过三个水反应特征参数的分解，这可为育种提供改良方向。比如某个品种籽粒最高产量水分生产效率较大而生物产量水分生产效率较低，则可通过育种途径尽量增大其生物产量，则可能会得到籽粒产量和水分生产效率更高的新品种，反之如果某个品种最高籽粒产量水分生产效率较低而最高生物产量水分生产效率较大，则可通过育种途径提高其收获指数对其进行改良，则有希望获得高产节水新品种。
应用实例
1、不同小麦品种水反应特征参数与分区确定
图2和图3分别是衡观35和石4185两个小麦品种的水分反应特征曲线。其中衡观35各反应方程如下，
水分生产效率反应曲线方程为：
Y＝-0.000008x2+0.0021x+1.4502(R2＝0.9251)
小麦籽粒产量水反应方程：
Y＝-0.0039x2+2.0037x+419.41(R2＝0.9251)
小麦生物产量水反应方程：
Y＝-0.0043x2+2.83x+914.12(R2＝0.9616)
石4185各反应方程如下，
水分生产效率反应曲线为：
Y＝-0.000008x2+0.0026x+1.1776(R2＝0.9148)
小麦籽粒产量水反应方程：
Y＝-0.0042x2+2.0966x+336.93(R2＝0.9251)
小麦生物产量水反应方程：
Y＝-0.0036x2+3.015x+768.58(R2＝0.9911)
根据以上两个品种的水反应曲线，可以求得两个品种的特征参数及水反应分区，见表3和表4。
表3衡4399与石4185两个小麦品种的水分反应分区
表4衡4399与石4185两个小麦品种的水分反应特征参数
2用于指导小麦节水生产
根据图2、图3或者表3分区特征，可以指导两个小麦品种节水灌溉。
I区：衡4399小麦品种的一区区间在0-131.3mm灌溉量，在此区间小麦的水分生产效率和产量随灌水量增大而同步提高，因此衡4399在0-131mm范围内进行加大灌溉量。同样，石4185在0-161mm范围内应尽量增大灌溉量。
II区：衡4399小麦品种的二区区间在131.3-257.6mm灌溉量，在此区间小麦产量随灌水量增大而同步提高，但小麦水分生产效率出现下降趋势，而且随灌溉量增大产量增大趋势逐步减缓。因此建议在II区前半段内，即在131.3-195mm范围内可增加灌溉量，因为在该段虽然随灌水量增大水分生产效率呈降低趋势，但由于距离最大水分生产效率点的仍然较近，因此水分生产效率仍然保持较高水平，而籽粒产量随灌溉量仍然保持较高的增长。但到II区后半段，即195-257mm范围内，则根据小麦价格和水资源紧缺程度及灌溉成本，来选择浇多少水比较适宜，如果小麦价格较高而灌溉成本较低，则可提高灌溉量，但最大不能超过257mm灌水量，如果小麦价格较低而灌溉成本较高，则在此范围内可适当减少灌溉量。同样对品种石4185，在II区即161.1-251mm范围内，建议在前半段内，即在161-206mm范围内可增加灌溉量，但到II区后半段，即206-251mm范围内，则根据小麦价格和水资源紧缺程度及灌溉成本，来选择浇多少水比较适宜，如果小麦价格较高而灌溉成本较低，则可提高灌溉量，但最大不能超过251mm灌水量，如果小麦价格较低而灌溉成本较高，则在此范围内可适当减少灌溉量。
III区：衡观35II区为灌溉量257.6-329.7mm区域，石4185III区为大于251.1-421.1mm区域。本区域小麦水分生产效率比较低，小麦产量也随灌溉量增大呈现减产趋势，但生物产量随灌溉量增大仍呈增加趋势。一般情况下，小麦灌溉量不应到III区，但如果是粮食和畜牧养殖综合体的大规模企业，则可在春季根据养殖牧草的短缺程度及小麦价格，考虑是用作籽粒还是作为早春牧草收获划算。如果小麦价格较低而养殖的畜牧产品价格较高，则可考虑III区前半段灌溉问题，对衡观35为灌溉量257.6-293.7mm区域，石4185为大于251.1-336.1mm区域增大灌溉量则可明显提高小麦生物量。
IV区：衡观35IV区为灌溉量大于329.7mm区域，石4185IV区为大于421.1mm区域，两个品种一般生产上的灌溉量不要达到此区域。
3用于抗旱节水小麦品种鉴定
(1)进行小麦节水性评价
用结合了最大水分生产效率和最高籽粒产量水分生产效率的均衡水分生产效率指标，来评价品种的节水丰产特征。
表4中结果表明，衡观35的AWUE值为2.11kg/mm亩，石4185为1.9kg/mm亩，两个品种比较，衡观35的均衡水分生产效率要高于石4185品种，因此衡观35较石4185更适合节水丰产小麦生产应用。据2018.5.21《澎湃新闻》报道“中国推广节水超30％小麦新品种，破解华北地下水超采难题”，其中衡观35等7个小麦品种被“国家小麦良种重大科研联合攻关”团队认定为华北节水品种，该结果验证了以上结论。
(2)用于小麦育种
首先，图2和图3给出了两个小麦品种资源不同水反应特征，可以作为种质资源评价的一项内容。
其次通过这一方法，得出了两个小麦品种的最大水分生产效率、籽粒产量和生物产量三个重要特征值：衡观35分别为1.6kg/mm亩、678kg/亩和1381.4kg/亩，石4185分别为1.4kg/mm亩、601.5kg/亩和1406.5kg/亩。两个品种种质特性表明衡观35水分生产效率较高，最高产量较大，但最大生物产量不如石4185，这表明衡观35品种收获指数大因此生物量较小而籽粒产量大，而石4185则生物产量较衡观35大，可以通过提高收获指数对石4185进行育种改良，有望提高其籽粒产量，而衡观35通过育种如何在保证收获指数较高情况下，提高生物量则可以进一步改良其产量。
Claims (3)
1.小麦品种水反应特征表示方法，其特征在于，根据灌溉量将小麦灌水量分成I区、II区、III区、IV区四个区域，根据每个区域的特征进行灌溉，所述灌溉量根据水分生产效率方程、籽粒产量水反应方程、生物产量水反应方程计算获得；
水分生产效率方程为：YWUE＝i2x2+i1x+i0 (1)，
上式(1)中：
YWUE—小麦产量的水分生产效率(kg/mm亩)；
x—灌水量(m3/亩)；
i2、i1、i0分别为二次曲线方程的二次项系数、一次项系数和常数项；
籽粒产量水反应方程为：Y＝j2x2+j1x+j0 (2)，
上式(2)中：
Y—小麦籽粒产量(kg/亩)；
x—为灌水量(m3/亩)；
j2、j1、j0分别为二次曲线方程的二次项系数、一次项系数和常数项；
生物产量水反应方程为Yb＝k2x2+k1x+k0 (3)，
上式(3)中：
Yb—小麦生物产量(kg/亩)；
x—为灌水量(m3/亩)；
k2、k1、k0分别为二次曲线方程的二次项系数、一次项系数和常数项；
其中，I区为0～最大水分生产效率对应的灌溉量，该区特征为水分生产效率、籽粒产量和生物产量均随灌水量增大而增大；
II区为大于最大水分生产效率对应的灌溉量～籽粒产量最大值对应的灌溉量，该区特征为水分生产效率较I区降低，该区水分生产效率随灌溉量增大而降低，籽粒产量和生物产量均随灌水量增大而增大；
III区为大于籽粒产量最大值对应的灌溉量～生物产量最大值对应的灌溉量，该区特征为水分生产效率较II区降低，该区水分生产效率和籽粒产量均随灌溉量增大而降低，生物产量随灌水量增大而增大；
IV区为大于生物产量最大值的灌溉量，该区的特征是水分生产效率、籽粒产量和生物产量均随灌水量增大而降低。
2.如权利要求1所述小麦品种水反应特征表示方法于小麦节水生产上的应用，其特征在于，在I区范围内，提高灌溉量，上限为最高水分生产效率对应的灌溉量值；在II区范围内，前1/2范围增加灌溉量，后1/2范围根据小麦价格、水资源紧缺程度及灌溉成本，确定灌水量，后1/2范围灌水量不能超过籽粒产量最大值对应的灌溉量；根据养殖牧草的短缺程度及小麦价格，考虑是用作籽粒还是作为牧草收获，若用作籽粒收获，小麦灌溉不应到达该区，若用作牧草收获，在III区前1/2范围可提高灌溉量；生产上灌溉量不要达到IV区。
3.如权利要求1所述小麦品种水反应特征表示方法于抗旱节水小麦育种上的应用，其特征在于，根据最大水分生产效率、最高籽粒产量水分生产效率、均衡水分生产效率和最大生物产量水分生产效率评价小麦节水性，进行节水抗旱品种筛选，其中，
最大水分生产效率(MWUE)由上述水分生产效率方程式(1)计算得到：MWUE＝i2Xmwue2+i1Xmwue+i0，
其中：
MWUE—最大水分生产效率值(kg/mm亩)；
Xmwue—最大水分生产效率值对应的灌溉量(m3/亩)，其值为：
Xmwue＝dYWUE/dx；
dYWUE/dx—水分生产效率方程的导数；
最高籽粒产量水分生产效率(YmWUE)由下述公式计算：
YmWUE＝Ym/Xym，单位(kg/mm亩)，
Ym—小麦最高籽粒产量，由上述籽粒产量水反应方程式(2)计算得到：Ym＝j2Xym2+j1Xym+j0；
Xym—小麦最高产量对应的耗水量，其值为：
Xym＝dY/dx；
最大生物产量水分生产效率(YbWUE)由下述公式计算得到：
YbWUE＝Ybm/Xybm，单位(kg/mm亩)；
上式中，Ybm—小麦最高生物产量，它由上述生物产量水反应方程式(3)计算得到：
Ybm＝k2Xybm2+k1Xybm+k0，
上式中，Xybm—小麦最高生物产量对应的耗水量，其值为：
Xybm＝dYb/dx；
上式中dYb/dx为生物产量水反应方程的导数；
均衡水分生产效率(AWUE)：
AWUE＝(MWUE+YmWUE)/2。
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