改良育种如何改变欧洲冬小麦的用水

这对粮食和水意味着什么

在欧洲，冬小麦田占地数百万公顷，为数亿人口提供粮食。本研究提出了一个看似简单但影响深远的问题：随着育种者在过去一个世纪稳步提高小麦产量，是否也改变了这些作物从土壤中吸取并向空气释放水分的量？答案不仅关系到农民和粮食安全，也影响我们对大陆尺度水循环和气候的理解。

古老小麦、新型小麦与隐蔽性状

研究者聚焦于两种代表性德国冬小麦品种，涵盖一百多年的育种历史：一种1895年发布的老品种和一种2002年的现代品种，曾在各自时代广泛种植。早期研究表明，现代小麦通过改变生物量分配、发育速度和叶片光捕获方式实现更高的籽粒产量。较不明显的是地下和生理方面的变化——例如叶面积和根系输水能力等——这些变化可能会影响一季作物的田间用水量。

从田间小区到欧洲图谱

为了解构这些影响，团队首先用德国波恩附近田间试验的数据校准了一个详细的作物模型。他们测量了两种品种的地上与地下生长、叶面积随时间的变化，以及通过安装在小麦茎上的树液流量传感器测得的蒸腾量。模型能很好地再现这些观测结果，使作者有信心将其放大应用。随后他们在细网格上、覆盖主要小麦种植区的欧洲范围内运行该模型长达30年（1990–2020），输入实际的气象与土壤数据，并根据区域条件调整生育期时间。

育种如何重塑用水

在所有地点和年份中，现代小麦品种的总体用水量稳定低于历史品种——平均每生长季蒸腾量约低17%。然而，现代植株产生的地上总生物量相当或略高，表明它们在将水转化为植物物质方面更为高效。差异最大地出现在地中海型区域，夏季炎热干燥，尤其是西班牙、法国南部、意大利和希腊的部分地区。在这些地区，老品种更强劲的吸水能力，配合降雨偏少和土壤蓄水有限，使其季节性用水远高于现代品种。在所研究的三十年间，两种品种的蒸腾量都有上升趋势，主要由气温上升和更强的蒸发需求驱动，尽管二氧化碳浓度上升通常会减少叶片层面的失水。

植株内部哪些因素决定差异

模型使研究者能够探究哪些植物性状最好地解释了用水差距。突出的是三项：叶面积、根系水力传导性和抽穗开花时机（物候）。现代品种的最大叶面积明显较小，减少了可蒸发的表面积；其根系的水力传导性也低得多，意味着水从土壤进入植株的速率较慢；在干旱、蒸散需求大的气候下，这一点尤为重要。物候——如开花时间——的作用较小但仍可检测到，因为更长的生长期会有更多时间损失水分。综合来看，这些性状使历史品种在干旱条件下倾向于更长时间维持蒸腾，可能导致季节内更早耗尽土壤水分。

这对农业与气候意味着什么

通过比较仅改变品种的模型情景，作者发现与育种相关的小麦生理性状变化能够以与重大管理决策（如模型中加入灌溉）相当的程度改变大陆尺度的水通量。由于小麦约占欧洲陆地面积的4%，老品种与现代品种之间约17%的蒸腾下降，会以目前气候与水文模型常被忽视的方式推动区域水分与能量交换。研究得出结论：现代育种在未增加总用水量的情况下提高了水分利用效率，并认为叶面积与根系水力学等性状应在未来小麦育种中得到更多关注。更广泛地讲，作者主张大型陆地与气候模型需要表现出品种特异的性状，而不仅仅使用通用的“麦类”，以便在变暖、变干的世界中更可靠地预测农业与大气的相互作用。

引用: Behrend, D., Nguyen, T.H., Baca Cabrera, J.C. et al. Breeding changes water use of winter wheat across Europe. npj Sustain. Agric. 4, 29 (2026). https://doi.org/10.1038/s44264-026-00135-y

关键词: 冬小麦, 作物育种, 蒸腾作用, 水分利用效率, 欧洲农业