不同栽培生境因子对2个谷子品种营养品质影响的研究

禾 璐， 贾苏卿， 马磊磊， 董 冰， 李晓峰，王志虹， 韩启亮， 王秀明， 李世勇

(1.山西农业大学玉米研究所， 山西 忻州 034000； 2.山西大丰种业有限公司， 太原 030031)

谷子具有抗旱耐贫瘠、适应性广等特点，在我国农业产业供给侧结构调整、精准扶贫以及区域优势特色农业产业发展的大背景下，有更广阔的发展空间。去壳后的谷子被称为小米，小米中富含人体所需要的多种营养成分，在追求多元化且健康营养饮食的消费者中，小米是最受关注的小杂粮之一。

近年来，小米的特色功能受到了各界的关注，这些功能与其营养成分密切相关[1-3]。谷类籽粒蛋白在抗动脉粥样化、调整胆固醇新陈代谢，修复肝损伤等方面具有重要的功效，有研究数据显示，小米中蛋白质含量高于玉米、大米、高粱等作物[4]；小米中脂肪的含量影响着小米的外观色泽、米香等外观食味品质，小米脂肪酸中的亚油酸含量最高，其对于防治心脑血管疾病、抗动脉硬化、抗肿瘤等起着积极作用[5,6]；小米中膳食纤维含量丰富，能刺激肠道蠕动，促消化，预防消化道疾病的发生[7]；小米属于类胡萝卜素含量较高的谷物，平均含量约为1.2 mg·kg-1，是玉米的2倍[8]，类胡萝卜素对人体具有极高的食疗和保健功能，在增强人体免疫，延缓衰老，预防心血管慢性疾病以及防癌抗癌方面发挥着重要作用[9]。小米中类胡萝卜素含量是影响其品质的重要因素之一，然而相对于其他营养成分，类胡萝卜素的相关研究较少。

在谷子生产实践中发现，同一品种谷子在不同生态条件下种植，其农艺性状、产量性状及品质性状均存在一定的差异[10,11]，这在一定程度上影响了优质谷子的推广，制约了优质谷子功能成分的利用。

生态环境因子主要包括生态因子、气象因子和土壤因子等。研究表明，纬度、海拔、光强、降水、气温、土壤等生态环境因子影响着小米中主要营养成分的含量[1]。相关研究普遍针对单一因子的影响进行分析，且缺乏多年试验的验证。目前，关于小米籽粒中类胡萝卜素含量的研究主要以分析品种间差异居多[12]，环境因子的影响并未涉及。

本试验以优质谷子品种晋谷21号和晋谷40号为研究材料，分析在忻府区、五台县、静乐县、五寨县4个不同生态环境下种植，其主要营养成分及特色功能成分类胡萝卜素含量的差异，明确生态环境因子对优质谷子营养品质的影响，为优质谷子栽培生态条件优化、谷子品质育种以及优质小米功能成分开发提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验时间、地点

试验于2017—2018年在忻府区播明镇(海拔790 m)、五台县沟南乡(海拔1 050 m)、五寨县前所乡(海拔1 413 m)和静乐县娑婆乡(海拔1 580 m)4个不同海拔、环境差异显著的地区进行。

1.2 供试材料

供试材料为山西省农业科学院经济作物研究所选育的优质谷子品种晋谷21号和晋谷40号为研究材料。

1.3 试验设计

采用随机区组试验设计，设置3次重复。种植于各地区的谷子种子的来源一致，统一栽培方式和田间管理措施。按照各地实际情况确定播种时间，覆膜穴播，行距宽行65 cm，窄行35 cm，株距20 cm。3～4叶期间苗，5～6叶期定苗，每穴留苗3～4株，及时进行除草，不进行追肥和灌溉。谷子成熟后脱壳成小米用于相关指标测定。

1.4 测定指标与方法

生态环境因子的测定：通过各试点所在县(区)气象站以及中国天气网，收集记录谷子播种至收获整个生育期各试验点的实时气温、实时降水量、总日照时数等气象信息，并在谷子播种前取耕层土样(0～20 cm)，测定土壤含水量，土壤pH值、含盐量、速效氮、有效磷、速效钾、有机质、全氮、全磷及全钾等理化指标委托山西农业大学环境监测中心测定。

主要营养成分的测定：通过近红外线谷物分析仪(Perten DA 7250)测定分析小米中蛋白质、纤维素、脂肪、碳水化合物、灰分、总氨基酸及赖氨酸等主要营养成分的含量。试验设置3次生物学重复和3次技术重复。

总类胡萝卜素提取及含量测定：参考AACC法[13,14]，将小米样品研磨成粉末后，过筛(80目)获得精细粉末，称取小米粉2 g置于锡箔纸包裹的50 mL离心管中，加入20 mL 水饱和正丁醇，快速振荡30 s，确保干粉全部浸入液体，室温震荡3 h后，静置15 min，10 000 r·min-14 ℃下离心10 min，将上清液转移至新的50 mL离心管中，水饱和正丁醇定容至25 mL，充分混匀，通过0.45μm过滤器过滤后获得待测提取液。使用分光光度计(723型可见分光光度计)测定447 nm波长处的吸光值。根据如下公式计算总类胡萝卜素含量：

总类胡萝卜素(mg·kg-1)= 1 000A·V/Ax·W

式中，A为吸光值；V为加入提取液体积，单位mL；Ax为消光系数；W为小米粉的质量，单位g。

试验设置3次生物学重复，3次技术重复，取平均值。

1.5 数据统计分析

采用Excel 2007软件作数据汇总，用IBM SPSS Statistics 24软件进行方差分析、多重比较、相关分析及回归分析等数据处理分析，其中多重比较运用LSD法。

2 结果与分析

2.1 不同地区生态环境因子的差异

2.1.1气候因子的差异

从表1可知，在谷子的整个生育期，不同地区间和同一地区不同年际间，温度、日照、降水等气象因子存在差异，整体表现为低海拔地区日均温较高，日均温差较小，但随着海拔的升高并未表现出有规律的变化。

表1 不同地区年际间气象数据变化(5—9月)

年份试验点海拔/m日均温/℃日均温差/℃日照时数/h降水量/mm2017忻府区790.021.113.01173.5386.0五台县1050.018.214.01155.5442.2五寨县1413.018.113.91167.4414.8静乐县1580.019.114.4984.6412.42018忻府区790.020.911.9958.1456.1五台县1050.019.511.7998.1377.4五寨县1413.016.712.5943.7503.3静乐县1580.017.212.41070.5518.1

2.1.2土壤特性指标的差异

由表2可知，4个地区土壤均为碱性土(pH>7.5)。通过方差分析可知，年际间比较，2017年的土壤水分(p=0.000)、速效氮(p=0.005)、全钾(p=0.000)3项指标显著高于2018年，其余指标在年际间的差异不显著；地区间比较时，只有土壤pH值(p=0.000)、全盐量(p=0.001)、速效氮(p=0.037)、有效磷(p=0.005)4项指标的差异达显著水平，其中忻府区的土壤pH值高于其它地区，五寨县的速效氮含量显著高于其它地区，静乐县土壤全盐量、有效磷含量显著低于其它地区。

2.2 不同地区供试品种主要营养成分分析

对2017—2018年种植于不同地区的2个优质谷种的蛋白质、纤维、脂肪、碳水化合物、灰分、赖氨酸、总氨基酸等主要营养成分含量进行了多重比较，结果如表3所示。2017年，晋谷21号仅其蛋白质含量在4个地区间的差异达显著水平，而2018年7种主要营养成分的地区差异均达到显著水平。晋谷40号的蛋白质、脂肪、碳水化合物和灰分4种成分在地区间的差异两年均达到显著水平，2018年晋谷40号总氨基酸含量在4个地区间的差异显著，而2017年未达到显著水平，此外，其纤维和赖氨酸含量两年均未表现出显著差异。

表2 不同地区年际间土壤特性指标的差异

年份试验点土壤水分/%pH值全盐量/%速效氮/(mg·kg-1)有效磷/(mg·kg-1)速效钾/(mg·kg-1)有机质/(g·kg-1)全氮/(g·kg-1)全磷/(g·kg-1)全钾/(g·kg-1)2017忻府区16.0 8.480.074889.9318.24134.012.600.8690.29435.96五台县12.1 8.030.0741109.9228.12107.214.370.8690.31531.45五寨县12.9 7.870.1065123.9185.31103.922.181.0500.84538.97静乐县14.5 8.360.043865.9514.8277.113.220.7060.43538.972018忻府区10.6 8.530.069836.1213.58119.712.190.9030.67622.43五台县11.0 8.110.086857.7934.96140.618.691.1380.63521.98五寨县10.2 8.150.070593.9132.2997.111.720.9500.40620.03静乐县11.0 8.220.045446.5913.00122.215.200.9750.68821.83

表3 不同地区年际间谷子主要营养成分比较

年份品种地区蛋白质/%纤维/%脂肪/%碳水化合物/%灰分/%赖氨酸/%总氨基酸/%2017晋谷21号忻府区11.18ab2.21a9.23a71.54a1.63a0.33a11.18a五台县11.65a2.15a9.08a71.39a1.66a0.33a11.31a五寨县10.20b2.26a8.40a73.52a1.59a0.33a10.83a静乐县10.33b2.07a8.30a73.45a1.54a0.32a11.07a晋谷40号忻府区9.88b1.93a7.80b73.88b1.49b0.29a10.36a五台县10.75a2.09a8.37a72.98c1.61a0.33a11.43a五寨县8.72d2.20a7.53b75.77a1.48b0.32a9.78a静乐县9.13c2.00a7.65b75.09a1.45b0.30a10.01a2018晋谷21号忻府区12.98a0.25b 6.42a 71.74c 1.41a 0.17a 11.52a 五台县12.16b0.23b6.12b72.96b1.38ab0.16ab10.94b 五寨县11.23c0.03c5.79c73.96a1.28c0.15ab9.93c 静乐县11.01c0.55a6.03b74.04a1.35b0.16a9.60c晋谷40号忻府区11.56a0.25a5.59a73.68d1.31a0.14a10.29a 五台县10.41b0.32a5.22b75.07c1.27ab 0.14a9.26b五寨县9.87c0.23a5.12b76.03b1.24b0.15a8.68c静乐县9.20d0.37a4.93c76.86a1.22b0.14a8.24c

2.3 不同地区供试品种特色功能成分类胡萝卜素含量的比较

成熟小米中总类胡萝卜素含量的测定结果(表4)表明，2017年，4个地区的晋谷21号小米总类胡萝卜素含量均高于晋谷40号；晋谷21号在静乐县种植其小米总类胡萝卜素含量最高，达1.710 6 mg·kg-1，极显著高于五台县，与其他2个地区差异不显著；晋谷40号在五寨县种植其小米总类胡萝卜素含量最高，为1.623 9 mg·kg-1，与静乐县无显著差异，但极显著高于忻府区和五台县。2018年，2个品种总类胡萝卜素含量在地区间均未表现出显著差异。

2.4 生态环境因子对谷子营养品质的影响

2.4.1相关性分析

通过对谷子营养品质与生态环境因子之间的相关性进行分析，结果(表5)表明，谷子类胡萝卜素含量与海拔高度、降水量和土壤全氮量呈正相关，与其他生态因子呈负相关，但相关性均未达到显著水平。土壤pH值、含盐量、有效磷、速效钾、有机质和全磷含量的变化对谷子主要营养成分的影响不显著。

表4 不同地区年际间谷子类胡萝卜素含量比较

年份品种试验点类胡萝卜素/(mg·kg-1)5%显著水平1%极显著水平2017晋谷21号忻府区1.6583aAB五台县1.4967bB五寨县1.6444aAB静乐县1.7106aA晋谷40号忻府区1.4083bB五台县1.4250bB五寨县1.6239aA静乐县1.5644aAB2018晋谷21号忻府区1.6250aA五台县1.6606aA五寨县1.7200aA静乐县1.5133aA晋谷40号忻府区1.4794aA五台县1.7028aA五寨县1.6072aA静乐县1.7267aA

表5 主要生态环境因子与谷子营养成分的相关性分析结果

生态因子营养品质蛋白质/%纤维/%脂肪/%碳水化合物/%灰分/%赖氨酸/%总氨基酸/%总类胡萝卜素/(mg·kg-1)海拔/m-0.589**0.027-0.1710.613**0.287-0.010-0.512*0.393日均温/℃0.3630.1590.275-0.500*0.2870.1590.514*-0.238日均温差/℃-0.474*0.884**0.776**-0.0720.718**0.887**0.317-0.199日照时数/h-0.2670.745**0.682**-0.2160.700**0.710**0.269-0.369降水量/mm0.001-0.496*-0.506*0.327-0.505*-0.495*-0.482*0.028土壤水分/%-0.3460.808**0.756**-0.2200.663**0.777**0.350-0.192速效氮/(mg·kg-1)-0.3550.655**0.592**-0.0640.575*0.685**0.193-0.143全氮/(g·kg-1)0.091-0.437*-0.467*0.221-0.379-0.454*-0.3060.291全钾/(g·kg-1)-0.446*0.953**0.846**-0.1600.784**0.935**0.414-0.170

表6 主要生态环境因子与谷子营养品质间的回归模型建立

营养品质校正后R2回归模型F检验纤维0.988Y=11.565-0.001X1+0.001X2+0.002X3-1.644X4-13.350X5-0.354X6+0.118X7**脂肪0.802Y=33.959-0.003X1+0.0004X2+0.006X3-3.439X4-27.744X5-1.03X6+0.189X7**灰分0.758Y=5.991+0.0005X1+0.0001X2+0.001X3-0.537X4-4.431X5-0.005X6+0.02X7**赖氨酸0.969Y=1.655+0.0001X1-0.00004X2+0.0004X3-0.196X4-1.18X5-0.057X6+0.012X7**

谷子蛋白质含量与种植地海拔、日均温差和土壤全钾含量呈显著负相关，即随着以上生态因子的升高蛋白质含量降低；同理，谷子纤维、脂肪、灰分和赖氨酸含量的表现一致，均随日均温差、日照时数、土壤水分、速效氮量、全钾量数值的升高而增加，随降水、全氮量数值的升高而减少；碳水化合物含量与海拔呈极显著正相关，与日均温呈显著负相关；总氨基酸含量随海拔和降水的增加而降低，随日均温升高而增加。

2.4.2回归分析

对生态环境因子与谷子营养品质进行回归分析(表6)，仅纤维、脂肪、灰分和赖氨酸4种主要营养成分与相同的7个生态因子之间的回归模型达到极显著水平(p<0.01)，这7个生态因子分别为海拔(X1)、日照时数(X2)、降水量(X3)、土壤pH值(X4)、土壤全盐量(X5)、土壤全磷量(X6)、土壤全钾量(X7)，并且回归模型对谷子纤维、脂肪、灰分和赖氨酸含量的解释度分别达到了98.8%、80.2%、75.8%和96.9%。

具体表现为：海拔每升高100 m，纤维、脂肪、灰分和赖氨酸4种营养成分表现依次为+0.1%、+0.3%、-0.05%、-0.01%；日照时数每增加100 h，这4种营养成分表现依次为+0.1%、+0.04%、+0.001%、-0.004%；降水每增加100 mm，这4种营养成分表现依次为+0.2%、+0.6%、+0.1%、+0.04%；土壤pH值每升高1，这4种营养成分表现依次为-1.644%、-3.439%、-0.537%、-0.196%；土壤全盐量每升高1.0%，这4种营养成分表现依次为-13.35%、-27.744%、-4.431%、-1.18%；土壤全磷含量每提高1.0%，这4种营养成分表现依次为-0.354%、-1.03%、-0.005%、-0.057%；土壤全钾含量每提高1.0%，这4种营养成分表现依次为+0.118%、+0.189%、+0.02%、+0.012%。

3 结论与讨论

本研究发现，谷子的主要营养成分受品种和生态环境因子的共同影响，其中不同品种、不同年份的谷子蛋白质含量均表现出显著的区域差异，这与梁克红等[7]的研究结果一致。纤维、脂肪、碳水化合物、灰分、赖氨酸和总氨基酸含量的区域差异是否显著会因品种和年份不同而发生改变。关于生态环境因子对谷子营养品质的影响相关研究中，古世禄等认为，在1 100～1 200 m海拔高度下种植的谷子蛋白质品质最优[15]；赵海云等认为，海拔低于800 m，谷子品质明显下降[16]。本试验2017年五台县(海拔1 050 m)种植的谷子蛋白质含量显著高于忻府区(海拔790 m)，与2018年的试验结果相反，因为海拔对谷子品质的影响是间接的，主要通过光照、温度等气候条件而产生影响，2年间，本试验的4个地区气候条件受海拔影响并不一致，可能是产生以上结果的原因之一，此外，土壤因子也是影响谷子营养品质的重要因素。

综合2年的试验结果发现，谷子蛋白质含量与种植地海拔、日均温差和土壤全钾含量呈显著负相关，脂肪含量随日均温差、日照时数、土壤水分、速效氮量、全钾量数值的升高而增加，随海拔、降水量、全氮量数值的升高而减少。赵淑玲等研究发现，谷子蛋白质、脂肪含量随海拔的增高而增加[17]；刘为红等指出，谷子蛋白质、脂肪与日照时数呈显著负相关[18]；李珊珊等发现，日照时数长、降水量少有利于蛋白质积累，高海拔有利于脂肪积累[19]。本试验结果存在差异的原因可能包括： 1) 本试验选取的试验区五寨县和静乐县海拔高，山区气候多变，如2018年，霜降较以往提前1周，导致以上2个试验区的谷子未达到完熟，可能对试验结果造成一定的影响； 2) 不同年份间各试验区温度、降水、日照时数、土壤特性等生态环境差异显著，需要多年多点试验的验证才能获得更全面的结果。