黄土高原半干旱地区高产春小麦节水机制的生理生态学基础研究

The grain yield of spring wheat (Triticum aestivum L.) is mainly dependent on stored soil water in semiarid regions of Loess Plateau of China; as quite low rainfall during the growth period. While expectation of the larger root with more soil water extraction was not beneficial for yield improvement, water availability during the grain filling period could also be explained by a more conservative use of water earlier during the cropping cycle. Therefore, the better understanding of variation of soil water use pattern of spring wheat with different yield formation is necessary. The field and controlled (larger cylinder and pot) experiments with low and high yield spring wheat cultivars will be conducted to investigate (i) the relationship between root morphology, root spatial and temporal distribution, and anatomy and soil water use pattern; (ii) the relationship between canopy transpiration rate and soil water use pattern; and (iii) the eco-physiological regulation mechanisms of variation in canopy transpiration rate of different cultivars. It will help us to understand the yield improvement of spring wheat in semiarid regions via its constitutive water-conserving mechanisms. This project will provide a scientific basis and a way for spring wheat breeding and cultivation management in semiarid regions of Loess Plateau.

黄土高原半干旱地区降雨与春小麦(Triticum aestivum L.)需水时空错位，其产量主要取决于土壤水分，即人们常言的“麦收隔年墒”。学术界主张该地区春小麦早期生长应该节约消耗土壤水分，为花后籽粒灌浆阶段保留适当的水分有利于其产量形成。然而对该地区产量差异春小麦品种间土壤水分利用模式分化的成因研究较少。本研究以黄土高原半干旱地区低产和高产春小麦品种为研究对象，通过大田实验和控制实验，旨在研究（i）春小麦品种间根系形态、时空分布和解剖结构变化与土壤水分利用模式分化的关系；（ii）春小麦品种间蒸腾速率差异与土壤水分利用模式分化的关系；（iii）半干旱地区春小麦品种间蒸腾速率差异的内在调控机制。对于这些问题的回答将有助我们理解黄土高原半干旱地区春小麦土壤水分利用模式分化与产量提升之间的辩证关系。为黄土高原半干旱地区高产春小麦的选育和栽培管理提供新的科学依据。

如何维持和提升旱地作物的产量是学术界关注的热点和核心问题。本项目研究聚焦三个方面：1）水分消耗模式和群体产量形成的关系；2）个体适合度（竞争能力）和群体产量的关系；以及3）高产性和稳产性的关系。主要研究结果如下：.1、通过大圆柱体控制试验发现节俭型水分消耗模式有利于旱地小麦产量形成，并且高产品种出现典型的“早花”特征，这有助于限制资源竞争器官的投入而形成产量优势。通过模型构建了开花时间和干物质分配模式与产量形成的关系，我们发现进一步提前开花时间和增加干物质向繁殖器官分配对产量提高空间非常有限。.2、通过大田试验发现个体适合度和群体产量呈现“单峰”关系，即尺度上升过程中，个体和群体水平的表现并不是“线性”的；该结果阐明了个体和群体表现的权衡关系，意味着在育种过程中选择中等表现的个体有利于形成群体产量优势。.3、通过大田试验证实旱地小麦产量的提升存在稳定性下降的风险。通过繁殖异速分析发现，高产低稳定性品种的繁殖异速指数>1,而低产稳定性品种的繁殖异速指数<1;说明旱地小麦高产和稳产之间的权衡关系受生物学限制的，不能完全通过育种的手段消除。.本研究从生态学角度，梳理了旱地作物产量形成的生理生态学机理，并据此开展旱地小麦育种工作。在系谱选择法育种过程中，秉持“低代选择中等表现个体和高代多点评估产量和稳定性”，选育审定旱地小麦新品种兰大211（甘省麦20200014）。在该项目支持下，发表SCI论文7篇；并发明测定根系水力导度仪器，获得实用新型专利1项。