半干旱多布罗加地区长期雨养免耕条件下向日葵产量与籽粒品质的年际及品种间变异研究

《Plants》：Interannual and Cultivar-Related Variation in Sunflower Productivity and Seed Quality Under Long-Term Rainfed No-Till Management in the Semi-Arid Dobrogea Region of Romania

　　

季节性气候变率是半干旱环境中向日葵（Helianthus annuus L.）生产的主要制约因素，然而在长期免耕管理下，年际变异与品种相关变异尚未得到充分表征。本研究在罗马尼亚多布罗加地区长期雨养免耕条件下，于三个连续生长季（2023–2025年）评估了向日葵生产力与籽粒品质的年际及品种相关变异。研究采用随机完全区组设计（randomized complete block design, RCBD），设置三次重复，评价了三个商业杂交种（Averon SU、Demetra和Helesun），整个试验期间农艺管理保持不变。研究人员采用方差分析（analysis of variance, ANOVA）、配对t检验（paired t-test）、皮尔逊相关分析（Pearson's correlation analysis）及偏冗余分析（partial redundancy analysis, partial RDA）对农艺性状、产量构成因子及籽粒品质参数进行了分析。显著的年际气候变率伴随着向日葵表现的实质性差异。平均籽粒产量在2023年达到2169.06 kg ha?1，在受干旱影响的2024年（该年3–8月降水总量最低）降至848.08 kg ha?1，并在2025年部分恢复至1178.68 kg ha?1。收获期植株密度、单盘籽粒重、千粒重（thousand grain weight, TGW）、容重及单盘籽粒数均表现出类似的季节性响应，而含油率相对稳定（45.19%–46.88%）。方差分析显示所有评估性状均存在显著的年际变异，而植株密度、单盘籽粒数、单盘籽粒重、千粒重及籽粒产量检测到显著的品种效应。偏RDA在控制研究年份和区组效应后，进一步检测到八个标准化响应性状上显著的品种联合效应（F = 11.49，R2 = 0.53，精确p = 0.027）。在三个研究年份所观察到的特定环境条件下，向日葵表现的年际变异显著；然而，年度气候条件并未独立重复，因此与年份存在混淆。 consequently，所观察到的关系描述的是2023–2025年站点条件下的关联，而非确立气候与品种效应的普遍因果排序。研究结果强调了提高降雨利用效率以及将品种选择与气候适应性农艺管理相结合的重要性，以增强水分受限环境中向日葵生产的韧性。

论文解读

一、研究背景与问题

全球植物油需求持续增长，使向日葵作为世界主要油料作物之一的地位不断强化。向日葵籽粒富含不饱和脂肪酸、蛋白质、维生素及抗氧化化合物，兼具食用油脂生产、畜禽蛋白粕供应以及食品、制药和生物基产业原料供给等多重价值。然而，季节性气候条件对向日葵生长发育和生产力具有强烈调控作用，降水量的多寡与分布以及温度格局的变化可影响作物出苗、营养生长、开花、籽粒充实及最终油脂积累。已有研究证实，降水和温度的波动可解释中欧和东欧向日葵生产年际变异的相当大比例，花期和籽粒充实期的水分亏缺会降低光合活性、限制同化物转运并缩短有效籽粒充实期，最终减少籽粒数量、单粒重和最终产量。

罗马尼亚东南部的多布罗加地区是研究上述关系的代表性环境，该区域被认定为其最干旱的农业区之一，存在持续负气候水分平衡和频繁干旱事件，向日葵是该地区主导大田作物之一。近年来，气候不稳定性日益显著，作物生产力波动加剧，生产风险增大，未来气候情景预计将进一步强化这些约束。尽管已有大量文献分别涉及干旱胁迫、耕作制度与向日葵品种表现，但这些要素往往被割裂研究，限制了在现实生产条件下对其与作物表现综合关系的理解。特别是在东南欧半干旱环境中，联合考察长期雨养免耕管理下年际变异与品种响应的田间证据仍然匮乏。因此，本研究旨在长期雨养免耕条件下评估向日葵生产力、产量构成因子及籽粒品质的年际与品种相关变异，并考察作物表现与三个研究年份气候条件之间的关联。研究人员假设向日葵表现在生长季和品种间均存在差异，且在一致的农艺管理下，观察到的年际变异与季节性水分可利用性的差异相关。

二、研究设计与主要技术方法

本试验于2023–2025年连续三个生长季在罗马尼亚康斯坦察县梅雷尼（Mereni, Constan?a County）的多布罗加地区进行，试验地为长期免耕管理的商业农田，前茬作物为鹰嘴豆。供试材料为三个商业向日葵杂交种Averon SU、Demetra和Helesun，均耐磺酰脲类除草剂。试验采用随机完全区组设计，设三个区组，每区组内三个杂交种各出现一次，每小区面积1公顷，三年共产生27个小区-年份观测值。试验全程雨养无补充灌溉，播种日期、目标密度、施肥、植保和收获管理在三个生长季保持一致。土壤为黄土母质发育的黑钙土，质地为黏壤土，pH 6.69，有机质含量3.42%。气候数据由邻近试验田的自动气象站记录。主要分析方法包括：重复测量方差分析评估年份、品种及品种×年份交互效应；配对t检验比较各生长季气候值与长期参考值的差异；偏冗余分析在控制年份和区组后检验品种的多元联合效应；此外还采用平行坐标图、热图、雷达图和RDA排序图进行可视化描述。

三、研究结果

3.1 试验期间气候条件

三个生长季在3–8月期间的降水和温度均表现出显著的年际变率。2023年累计降水量最高，达194.3 mm，主要得益于4月99.5 mm的高降水；2024年降水最低，仅111.4 mm，且低于长期参考值（平均配对差=19.07 mm，t=3.01，p=0.030）；2025年为122.4 mm，降水主要集中在5月（52.4 mm），而6月几乎无降水（0.2 mm）。三个年份的平均气温均显著高于长期参考值，2023和2024年的平均差均为?3.07 °C（t=?5.90，p=0.002），2025年为?3.25 °C（t=?3.54，p=0.017），2025年夏季温度最高，7月和8月均值分别超过24 °C和27 °C。

3.2 农艺表现的季节性与品种相关变异

平行坐标图显示三个生长季之间清晰分离，2023年多数生产力相关参数值最高，2024年最低，2025年总体介于两者之间。三个品种的剖面重叠程度较大，但部分生产力相关参数存在品种特异性差异。籽粒产量、单盘籽粒重、千粒重、容重、单盘籽粒数及收获期植株密度表现出明显的季节性格局，含油率等籽粒品质性状的变异幅度相对较小。

3.3 农艺与籽粒品质性状的方差分析

重复测量方差分析表明，全部八个农艺和籽粒品质性状在三个研究年份间均存在显著差异。品种效应在收获期植株密度（F_2,4=11.33，p=0.0225）、单盘籽粒数（F_2,4=38.44，p=0.00245）、单盘籽粒重（F_2,4=44.54，p=0.00185）、千粒重（F_2,4=36.20，p=0.00274）和籽粒产量（F_2,4=71.51，p=0.000740）上显著，而容重、籽粒含水量和含油率的品种效应不显著。品种×年份交互效应对单盘籽粒数（p=0.00729）和籽粒产量（p<0.001）显著，单盘籽粒重的交互效应在原始尺度上显著（p=0.0170）但对数变换后不显著（p=0.619），表明该交互效应对响应尺度敏感。

3.4 农艺与籽粒品质性状的相对响应

热图直观呈现了各性状的年际和品种相关变异。籽粒产量呈现最清晰的年际对比，2023年均值2169.06 kg ha^?1，2024年降至848.08 kg ha^?1，相对2023年下降约61%，2025年部分恢复至1178.68 kg ha^?1。品种×年份交互效应显著，因此进一步考察了各年份内的品种产量表现。Averon SU在三个年份中均保持最高数值排名（2023年2348.02、2024年915.15、2025年1275.99 kg ha^?1），Helesun居中，Demetra最低，但品种间差异的幅度随年份变化。

3.5 品种特异性相对响应

将各品种均值表示为相对于相应年份均值的百分比偏差并跨三年平均后发现：Averon SU在多个生产力相关性状上呈正偏差，籽粒产量+8.1%、单盘籽粒重+7.1%、单盘籽粒数+5.5%；Demetra在多数产量相关参数上呈负偏差，单盘籽粒数?12.7%、籽粒产量?7.5%；Helesun总体接近年份均值，籽粒产量偏差仅?0.6%，但单盘籽粒数+7.2%、植株密度+2.6%呈正偏差。

3.6 籽粒产量与各性状间的关系

籽粒产量与单盘籽粒重、千粒重、容重和单盘籽粒数之间呈现相似的年度共变模式，2023年高产量伴随各性状高值，2024年低产量伴随低值，2025年部分恢复。植株密度呈现不同格局，2025年恢复至与2023年相当的水平，而籽粒产量仍低于2023年。品种特异性轨迹与方差分析中检测到的品种效应和交互效应一致。

3.7 综合年际响应

雷达图显示2023年多数生产力相关性状的归一化值最高，2024年最低，2025年总体居中。2023年同时具有最高降水总量，2024年降水最低，2025年温度归一化值最高但降水仍低于2023年。含油率等籽粒品质参数的变异幅度明显小于生产力相关性状。

3.8 多元品种效应与气候关系的描述性分析

偏RDA在控制研究年份和区组后，检测到八个标准化响应性状上显著的品种联合效应（伪F_2,20=11.49，偏R²=0.535，精确p=0.0278）。由于降水和平均气温仅具有三个年份级唯一值且为各年份内所有小区共享，这些变量未进行推断性检验。描述性RDA排序图中，2023年样本聚集于RDA1负侧，与降水向量及多数生产力相关性状紧密关联；2024年样本形成独立聚类，远离多数生产力相关向量；2025年样本居于中间位置，与温度向量更为接近。该排序仅用于描述性展示，不解释为独立气候效应的估计。

四、讨论与结论

讨论部分指出，本研究在一致的长期免耕管理背景下观察到了显著的年际生产力变异，2023与2024年的对比尤为突出，籽粒产量下降约61%伴随多个产量构成因子的同步降低，这与季节性水分可利用性的差异相吻合。含油率相对稳定（45.19%–46.88%），表明总油浓度在三个研究年份间较为稳定，但生产力相关性状的变异远大于含油率。品种相关变异呈性状依赖性，Averon SU在三年中均保持最高产量排名，但品种×年份交互效应表明品种差异的幅度随年份变化。免耕系统为评估年际和品种变异提供了一致的农艺背景，但仅依靠土壤保护无法完全抵消严重季节性水分亏缺的影响。研究结论强调，在半干旱环境中提高向日葵生产韧性需要将品种选择与土壤保水、多样化轮作、平衡养分管理、合理植保及日益精准的作物与气候监测相结合，构建综合适应策略，而非依赖单一技术干预。需要特别指出的是，由于年度气候条件未独立重复且与年份混淆，所观察到的气候与作物表现关系应理解为2023–2025年站点条件下的关联，而非气候效应的独立因果估计。