晋北谷子农艺和营养品质性状的相关性分析

李涌泉，金 赟，李佳月，孙学良，陈树俊

（1山西大学生命科学学院，太原 030006；2山西省农业科学院农业环境与资源研究所，太原 030031；3广灵县泓源农业科技有限公司，山西大同 037500）

0 引言

谷子(Setaria italica)，学名为粟，为单子叶植物禾本科狗尾草属的一年生作物，在世界上具有悠久的栽培历史[1]。在中国，谷子主要的种植地区分布于东北、西北以及华北地区，平均年种植面积约为200万hm2，平均年产量维持在350 t左右[2-3]。谷子具有抗旱节水、耐贫瘠、生育期短、适应性广等特点，在农业可持续发展中占据重要的地位[4]。谷子脱壳后即为小米，不仅富含蛋白质、脂肪、维生素E、叶酸等多种营养成分，而且还有清热、润肠健胃、养心安神等功效，不仅可以满足人体对营养成分的需求，还是维持人体健康的营养均衡型食物[5-6]。山西省是中国谷子的主要种植省份，年种植面积约为27万hm2[7]。山西省位于黄土高原，地形复杂，多以山地和丘陵为主，海拔差距较大，年降水量少使得土地相对缺水、贫瘠，特殊的地理环境使谷子逐渐成为山西省的主要农作物之一[8]。广灵县位于山西省东北部，属于中温带大陆性半干旱季风气候，特点为昼夜温差大，冬寒夏暖，干燥多风少雨，其气候及土地条件极其适宜种植谷子。该区域传统种植的谷子品种有‘大白谷’和‘东方亮’，由于当地农民采用传统种植方式，缺少种子提纯复壮的技术，使得传统谷子品种逐渐退化，伴发病虫害问题使产量降低和小米品质下降，在一定程度上影响当地谷子种植产业的发展[9]。

已有较多研究报道了谷子农艺学和营养品质方面的内容，主要集中于农艺和营养品质性状的遗传多样和差异性[6,10-11]，农艺性状之间以及与营养品质性状之间的相关性[2,4,12-13]，谷子适应性种植中农艺性状的表现[14-16]。农艺性状是谷子最直观的外在遗传表型，营养品质性状是决定谷子品质的重要因素，二者共同影响谷子的产量、加工品质、食味品质和经济效益，是谷子异地引种种植和新品种选育工作需要考虑的首要因素。而有关于晋北广灵县春播谷子农艺和营养品质性状的相关研究很少。鉴于此，选择5种春播谷子品种在当地进行引种种植试验，并与当地传统谷子品种‘大白谷’做比对，观察和分析农艺和营养品质性状的差异和相关性，旨在探明引进谷子品种在当地环境条件下的性状表现和适应程度，以获得适宜在当地推广种植的优良谷子品种，进而推动当地谷子种植产业的健康可持续性发展。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试谷子品种为‘晋谷21号’、‘晋谷59号’、‘大同45号’、‘鑫谷4号’、‘8311’，‘大白谷’为对照品种。

1.2 试验地概况

试验田位于广灵县作疃乡百疃西堡村(39°44′N,114°11′E)，前茬种植作物为玉米，试验田地势平坦，便于灌溉，土质为褐土、沙壤。两年土壤基本性质见表1，土壤肥力为中等。试验时间为2019年5—10月和2020年5—10月。

表1 2019、2020年土壤养分

1.3 试验设计

2019、2020年试验田的面积约为0.13、0.18 hm2，每个品种设置1组处理，不设置重复组，田间四周设置1 m的保护行，种植行距为35 cm，密度约为37.5万株/hm2。于每年5月初播种，9月底、10月中旬前进行取样和全区收获。

田间管理按照当地种植习惯进行，春播前按每1 hm2施农家肥15000 kg，深耕且耙平。4月底播种前按每1 hm2浇底墒水约600～750 m3，随后旋耕，等待播种。拔节至抽穗前结合降水情况追肥1次，施尿素225 kg/hm2，追肥之后适当浇水。

5月底出苗后，在2叶1心时浅中耕、除草。6月初，在5～6叶时进行间苗和定苗，间苗时要拔除弱苗和枯心苗，边间苗边定苗边拔除垄眼中的杂草。定苗后，及时进行深中耕，将杂草、病苗和弱苗全部清除并培土。孕穗中期要浅锄并培土。同时，7—8月要视降水情况进行浇水。

1.4 农艺性状测定

取样时，采用对角线法选取3个1 m2的取样点，每个样点随机取10株在室内考种，测定谷子的株高、旗叶长、旗叶宽、穗长、穗宽、单穗重、单穗粒重、千粒重，测产时，每个样点的谷子单打单收，分别进行脱粒、称重，并计算产量。

1.5 营养品质性状测定

采用国家标准方法测定营养品质性状：色泽、气味(GB/T 5492—2008)；蛋白质(GB 5009.5—2016)；脂肪(GB 5009.6—2016)；碳水化合物(GB/Z 21922—2008)；膳 食纤 维 (GB 5009.88—2014)；淀 粉(GB 5009.9—2016)。

1.6 数据统计分析

采用Excel 2016整理试验数据，利用SPSS 26.0软件完成单因素方差分析、变异系数分析和相关性分析，采用LSD法比较各组间试验数据的显著性差异(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同谷子品种的生育期

由表2可以看出，在播种日期一致的情况下，受试谷子品种的生育期范围在120～146天。各品种的出苗期基本相同，而抽穗期和成熟期则有差别，‘晋谷59号’和‘晋谷21号’的抽穗期及成熟期比其他谷子品种晚，‘晋谷21号’、‘晋谷59号’和‘大白谷’的生育期大于125天，均属于春播晚熟品种，‘8311’的生育期最短，属于中熟品种。

表2 不同谷子品种的生育期

2.2 小米的感官性状

2019、2020年各谷子品种所产小米的感官性状包括色泽和气味，均符合小米的正常性状表现。色泽鲜黄明亮，无明显感官色差，无霉变；气味具有本区域小米固有的自然清香味，无其他异味。

2.3 农艺性状

观察表3和表4发现，‘晋谷21号’和‘晋谷59号’的株高在2个年份均较高，都与‘8311’有显著性差异；在2019年，‘晋谷21号’的旗叶最长，其次为‘大同45号’，‘晋谷59号’的旗叶最宽，与其他品种差异显著；在2020年，‘晋谷59号’和‘大白谷’的旗叶较长，‘晋谷21号’和‘鑫谷4号’的旗叶最宽；‘大同45号’和‘晋谷21号’的穗长在2019年较长，与其他品种差异显著，‘晋谷59号’和‘晋谷21号’的穗较宽，与其他品种差异显著；2020年‘晋谷59号’的穗长和穗宽均最大，与其他品种差异显著；在2019年，‘晋谷21号’、‘晋谷59号’和‘大同45号’的单穗重和单穗粒重均较重；在2020年，‘晋谷21号’和‘晋谷59号’的单穗重和单穗粒重较重，与其他品种差异显著；‘大同45号’和‘鑫谷4号’的千粒重在2个年份均为最大，较其他品种有显著性差异。

表3 2019年不同谷子品种的农艺性状

表4 2020年不同谷子品种的农艺性状

由表5可知，‘晋谷59号’和‘晋谷21号’在2个年份的产量均排在第1位和第2位，‘晋谷59号’2年的产量分别为6483.11 kg/hm2和6707.80 kg/hm2，较对照‘大白谷’增幅为13.44%和15.15%，‘晋谷21号’2年的产量分别为5875.80 kg/hm2和6059.35 kg/hm2，与对照‘大白谷’相比增长了2.82%和4.02%，‘晋谷59号’较对照增产明显。在2个年份，由于倒伏和病害较为严重，‘大同45号’和‘鑫谷4号’的产量最低，产量较对照低38.15%和40.71%。

表5 2019、2020年不同谷子品种的产量比较

在2个年份，谷子农艺性状的变异系数变化幅度分别为6.57%～20.98%和3.52%～25.65%。其中，产量、穗宽、旗叶宽、单穗粒重、单穗重和千粒重的变异系数较大，说明产量及影响产量的相关农艺性状在不同谷子品种中表现出较大的差异性。

2.4 营养品质性状

由表6和表7可知，在2个年份，‘晋谷21号’小米的蛋白质含量均为最高，‘晋谷59号’小米的脂肪含量均为最高，与其他品种存在显著性差异；‘8311’小米的碳水化合物和淀粉含量在2个年份皆为最高，‘大同45号’和‘鑫谷4号’小米的碳水化合物含量为最低，‘晋谷59号’小米的淀粉含量为最低；2019年‘晋谷21号’小米的膳食纤维含量最高，其次为‘晋谷59号’，二者与其他品种存在显著性差异，2020年‘晋谷59号’小米的膳食纤维含量最高，其次为‘鑫谷4号’，与其他品种差异显著。

表7 2020年不同谷子品种的营养品质性状

在2个年份，不同谷子品种所产小米营养品质性状的变异系数变化幅度分别为2.59%～15.55%和3.31%～42.83%。其中，蛋白质、脂肪和膳食纤维含量的变异系数较大，碳水化合物和淀粉含量的变异系数较小，表明在种植环境相同的条件下，可以通过选择优良谷子品种、改变种植方法和优化种植管理方法去改善蛋白质、脂肪和膳食纤维的含量，而碳水化合物和淀粉的含量却相对难以改善。

2.5 农艺性状和营养品质性状的相关性分析

表8为不同谷子品种农艺性状和营养品质性状的相关性分析结果，株高与旗叶宽、穗宽、单穗重、单穗粒重、千粒重和产量呈显著或极显著的正相关性；产量与株高、旗叶宽、穗宽、单穗重、单穗粒重、千粒重和脂肪含量呈显著或极显著的正相关性，与碳水化合物和淀粉的含量呈显著的负相关性。同时，与产量有显著或极显著正相关性的性状中，如株高、旗叶宽、穗宽、单穗重、单穗粒重和千粒重互相之间也呈显著或极显著的正相关性，表明这些性状对谷子的产量影响很大。脂肪含量与碳水化合物和淀粉的含量呈显著或极显著的负相关性，碳水化合物含量与单穗重和单穗粒重呈显著的负相关性，表明显著负向影响产量的性状与显著正向影响产量的性状之间存在着显著的负相关性。在营养品质性状之间，蛋白质、脂肪和膳食纤维含量之间呈现正相关性，碳水化合物和淀粉含量之间呈现正相关性，而2组性状之间呈现负相关性，互为负向影响。

表8 2019和2020年不同谷子品种农艺性状和营养品质之间的相关系数

3 结论

在广灵县作疃乡（百疃西堡村），‘晋谷21号’、‘晋谷59号’、‘大同45号’、‘鑫谷4号’、‘8311’和‘大白谷’均能正常生长发育和成熟，在生育期、农艺和营养品质性状的表现上，不同的谷子品种存在着较大的差异。对产量具有显著正向效应的性状中，‘晋谷21号’和‘晋谷59号’的株高、旗叶宽、穗宽、单穗重、单穗粒重和脂肪含量显著优于对照‘大白谷’的表现，而且蛋白质和膳食纤维含量也较高。在产量表现上，‘晋谷59号’产量2年均位于第一，较对照‘大白谷’的产量分别高出13.44%和15.15%，增产幅度明显，其次为‘晋谷21号’，小幅高于对照。综合分析生育期、农艺和营养品质性状的差异和相关性，‘晋谷21号’和‘晋谷59号’适应晋北春谷早熟地区广灵县作疃乡的生态种植环境，在配套高效轻简的大田栽培和管理技术的基础上，‘晋谷21号’和‘晋谷59号’具有在当地推广种植的可行性。

4 讨论

4.1 不同谷子品种的生育期

在2019和2020年的种植试验中，6个谷子品种在播种时间基本相同的条件下，‘晋谷59号’的生育期最长为146天，‘8311’最短为120天，相差26天。研究表明，不同谷子品种在同一地区的生育期差异很大，从抽穗期开始，生长快慢出现较大的差异，表现出在抽穗、开花、成熟时间的差异性[1,17]。同一谷子品种由于遗传性状的稳定性，在相同的种植环境条件下，不同年份表现出相近的生育期，本试验中同一谷子品种在2个年份的生育期基本相同，差异不大。在本试验中，‘晋谷21号’、‘晋谷59号’和‘大白谷’的生育期大于125天，均属于春播晚熟品种，‘8311’属于中熟品种。其中，‘晋谷21号’和‘8311’的生育期与晋北其他地区种植‘晋谷21号’和‘8311’的生育期相同[14,16,18]。‘晋谷59号’的生育期较其在太原地区的生育期长约20天[19]，这是由于同一谷子品种在不同纬度地区种植表现的结果，同一品种在高纬度区域种植的生育期较低纬度区域的生育期会延长[1]。

4.2 不同谷子品种农艺和营养品质性状的变异性分析

不同谷子品种之间农艺性状的差异性主要受两方面因素影响，首先是由谷子品种的遗传基因决定遗传性状，另一方面，与谷子种植地区的环境和气候条件密切相关，比如气候、水文、土壤的组成和肥力等[20-22]。同在晋北地区，本试验‘晋谷21号’的株高、穗重和穗粒重均显著高于其在大同市水泊寺乡试验中相应性状的表现值，而穗长和千粒重则与之相近[14]。‘8311’的株高和千粒重显著小于，而穗长却略小于其在晋北其他地区试验中‘8311’的株高、千粒重和穗长[16,18]，单穗重和单穗粒重与张绶等[16]试验中‘8311’的相应性状接近，却明显小于冯婧等[18]相应性状的试验观察值。与其他地区相比，‘晋谷21号’的株高和千粒重小于其在晋中太谷种植的试验值，而穗长、单穗重、蛋白质和淀粉含量与之相近[23]，‘晋谷21号’与其在吕梁区域的穗长接近，单穗粒重和千粒重大于其试验结果[24]，而且，穗长和单穗粒重显著大于长治地区‘晋谷21号’的试验性状值[25]。‘晋谷59号’的株高、穗长、单穗重和单穗粒重显著高于其在太原地区的相应性状的表现值，千粒重与之相近[19]。

比较不同谷子品种的产量，与对照‘大白谷’对比，‘晋谷59号’的增产效应明显，产量增加10%以上，‘晋谷21号’的产量略高于对照，而‘8311’、‘大同45号’和‘鑫谷4号’的产量低于对照品种10%以上，尤其是‘大同45号’和‘鑫谷4号’由于倒伏和白发病较为严重，产量偏低。研究表明，谷子的单株产量与单个植株重量有极显著的正相关性，与植株秆重也有极显著的正相关性，所以，较高的生物学产量是谷子高产的前提[1]。这是本试验中‘晋谷59号’和‘晋谷21号’产量较高的原因之一，2个品种的株高明显高于其他品种。另外，谷子穗部性状也是决定谷子产量的重要因素，‘晋谷59号’和‘晋谷21号’的穗宽、单穗重和单穗粒重明显高于其他品种，是2个品种高产的另外一个原因。比对其他试验区域，‘晋谷21号’的产量略高于其在吕梁和长治地区的产量[24-25]，显著高于其在晋中太谷和晋北其他地区的产量[14,23]，‘晋谷59号’的产量高于其在太原地区的产量[19]，而‘8311’的产量却显著低于其在晋北其他地区的产量[16,18]。不同的谷子品种所适宜的最佳种植区域不同，同一谷子品种在不同种植区域种植，受到不同的气候、水文、土壤类型和肥力的影响，产量和品质会表现出很大的差异[22]。

谷子脱壳后为小米，小米具有营养价值高、营养成分均衡、易被人体吸收的特性[13,26]。小米的营养成分包括蛋白质、脂肪、淀粉、维生素和矿物质等，是影响小米食用价值的重要因素，是消费者选择小米的依据之一。其中，蛋白质是决定小米品质优劣的因素之一，小米蛋白质含有大量的必需氨基酸，古世禄分析了416种谷子品种得出大部分谷子的蛋白质含量在10.00%～13.99%[27]，本试验中‘晋谷21号’、‘晋谷59号’和‘大同45号’的蛋白质含量在该值范围内。其中，按照河北省农林科学院谷子研究所制定的优质米分级标准，‘晋谷21号’的蛋白质含量达到一级优质米蛋白质含量，即≥12.5%的标准，‘晋谷59号’的蛋白质含量达到二级优质米蛋白质含量，即≥11.8%的标准[28]。脂肪含量也是判断小米品质高低的重要因子之一，组成小米脂肪的成分主要为不饱和脂肪酸，约占脂肪酸总量的85%，均属于优质脂肪。脂肪对小米品质具有明显的正向效应，是影响小米香气的重要成分之一[29-30]，有学者研究表明小米的脂肪含量为2.8%～8.0%，因品种和种植地区不同而造成差异[31]。本试验中‘晋谷59号’的脂肪含量最高，2年的含量分别为3.47%和5.13%，‘8311’的脂肪含量最低且低于平均范围值。淀粉是小米的主要可食部分，其结构和含量的不同会影响小米的食用和加工品质[23,32]。小米的碳水化合物含量平均为74.62%，其中淀粉为主要成分约为60%[33]。本试验中小米碳水化合物含量的变幅范围70.33%～79.30%位于平均值两端，淀粉含量为63.37%～69.30%，高于平均值。

本试验中谷子的产量、穗宽、单穗粒重、单穗重和千粒重的变异系数较大，证实谷子产量及与产量相关的农艺性状在不同谷子品种中有很大的差异，这与李涛等[11]的研究结果比较接近，而株高和穗长变异系数较小，与其结果中株高和穗长变异系数有明显的差异，但与苗泽志等[23]的研究结果相近。本研究显示不同品种小米的蛋白质、脂肪和膳食纤维含量的变异系数较大，淀粉和碳水化合物含量变异系数较小，这一结果与张爱霞等[10]在分析谷子品种主要营养品质性状遗传差异的结果相近。根据谷子遗传性状差异性的大小，在选择谷子品种时，应该优先关注这些变异系数较高的性状，通过改进种植方式和改良种植环境的土壤条件以优化这些性状的表现，使之趋于一定的稳定。

4.3 不同谷子品种农艺和营养品质性状的相关性分析

本研究表明，株高、旗叶宽、穗宽、单穗重、单穗粒重和千粒重对产量有显著的正向影响效应，是决定谷子能否高产最关键的遗传性状，而且这些性状互相之间也呈显著或极显著的正相关性，这一试验结果与先前报道的研究结果基本相同，李涛等[11]和张霞等[17]分别在内蒙古和陕北分析了不同谷子品种的农艺性状和产量，均证实了这一结论。而杨慧卿等[2]在分析11个山西谷子品种的农艺性状后认为，产量与株高负相关，与本研究有差异之处，这有可能是不同的谷子品种和不同的种植环境所引起的结果差异性。

已有研究证实，谷子的营养品种性状对农艺性状有负向影响效应，二者之间具有一定的制约关系[34]，在本试验中也得到了印证，碳水化合物和淀粉含量与产量呈显著的负相关性，碳水化合物含量与单穗重和单穗粒重呈显著的负相关性。杜伟建等[35]在山西晋中谷子种植试验中分析农艺和营养品种性状后也证实了这一点。现有的研究结果普遍认为，谷子的产量由植株生物学产量和穗部性状决定，以此为依据，在考虑谷子高产时，首先应该考虑谷子品种的株高、穗长、穗宽、单穗重、单穗粒重和千粒重[1]。综合考虑谷子的产量和品质，在谷子异地引种种植和良种选配上，应优先考虑与产量和品质具有正相关性状的品种进行推广种植。同时，为了使谷子农艺和品质性状达到最优表现，需要建立高效的配套栽培和管理技术体系，以最大限度地提高谷子的产量，并提升小米的外观和营养品质。