瘠薄脅迫對(duì)高粱主要農(nóng)藝性狀的影響及品種耐瘠性評(píng)價(jià)

王玉斌牛皓呂鑫楚建強(qiáng)王瑞樊芳芳 巨 嵐 李慧明 平俊愛

（1山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高粱研究所/高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，030600，山西晉中；2省部共建有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），030031，山西太原）

隨著矮稈育種的發(fā)展，作物能在大量施用化肥情況下獲得較高產(chǎn)量。但高肥育種帶來的養(yǎng)分利用率低、土壤板結(jié)和遺傳資源丟失等問題也十分突出[1]。高粱[Sorghum bicolor(L.)Moench]作為第四重要的禾谷類作物，在我國已被作為先鋒作物在土壤瘠薄和干旱缺水（年降水量小于450mm）的邊際土壤上種植[2-3]。由于長期以來高粱的高肥育種導(dǎo)致目前主栽品種養(yǎng)分利用效率普遍較低，其中氮肥利用效率只有30%左右，嚴(yán)重降低了高粱在邊際土壤的效益[4]。

為充分發(fā)揮高粱的養(yǎng)分利用效率，前人開展了較多的單一養(yǎng)分虧缺對(duì)高粱表型和生理的影響。劉鵬等[5]開展了不同基因型高粱的氮效率及對(duì)低氮脅迫的生理響應(yīng)。馬建華等[6]開展了低磷脅迫對(duì)不同品種高粱苗期形態(tài)及生理指標(biāo)的影響。王勁松等[7]研究認(rèn)為，不施氮對(duì)高粱的影響明顯大于不施鉀和磷，合理的氮磷鉀配施有利于促進(jìn)粒用高粱的生長發(fā)育。楊苞梅等[8]開展了高粱對(duì)氮、磷和鉀肥吸收的互作效應(yīng)，認(rèn)為不施氮極顯著降低高粱對(duì)氮的吸收，但明顯提高對(duì)磷的吸收，且極顯著提高對(duì)鉀的吸收；不施磷嚴(yán)重降低高粱對(duì)磷的吸收，卻提高對(duì)鉀的吸收，缺乏任何一種養(yǎng)分相比全肥料狀態(tài)下均表現(xiàn)出氮、磷和鉀吸收利用率低。Muchow[9]認(rèn)為，高氮水平下玉米和高粱的氮利用效率都有所下降。此外，Ortiz-Monaj等[10]在小麥、水稻、玉米、高粱和大麥等不同作物中發(fā)現(xiàn)，作物間存在對(duì)氮吸收的遺傳差異。前人[6-10]研究顯示，高粱對(duì)養(yǎng)分的利用存在遺傳差異，高粱對(duì)養(yǎng)分元素吸收存在互作。一般認(rèn)為作物生長需要16種土壤養(yǎng)分[11]，因此單一養(yǎng)分元素的研究存在局限性，而瘠薄的實(shí)質(zhì)是指作物對(duì)土壤養(yǎng)分脅迫的反應(yīng)，因此開展全肥性質(zhì)的耐瘠薄研究對(duì)指導(dǎo)高粱育種更有意義。本研究利用55個(gè)高粱品種，在瘠薄和正常土壤條件下開展連續(xù)2年的田間試驗(yàn)調(diào)查，分析與生育期、表型性狀和生物量相關(guān)的15個(gè)性狀，篩選耐瘠薄品種，并分析耐瘠評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)今后開展耐瘠薄高粱育種工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料共55份，為我國不同時(shí)期主推高粱品種，分別由遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所、吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物資源研究所、四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻高粱研究所和山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高粱研究所等單位提供（表1）。

表1 供試材料和來源Table 1 Materials and sources for testing

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019-2020年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高粱研究所東白試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)地選擇常規(guī)土壤條件（CK）和瘠薄脅迫（瘠薄土壤）條件（BS）2種處理，前茬作物為玉米，且秸稈均不還田。其中常規(guī)土壤按照當(dāng)?shù)卮筇锕芾硪淮涡允┑追?，養(yǎng)分含量2年測(cè)量結(jié)果平均為全氮1072mg/kg、有效磷4.52mg/kg、速效鉀240.13mg/kg；瘠薄地為去除表層土壤后連續(xù)10年沒有施肥的土地，試驗(yàn)中全生育期不施肥，土壤養(yǎng)分含量2年測(cè)量結(jié)果平均為全氮579mg/kg、有效磷2.12mg/kg、速效鉀108.70mg/kg。田間試驗(yàn)材料采用隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，小區(qū)面積6.4m2（4.0m×1.6m）。龍雜10、龍雜17和龍雜21留苗密度1.8×105株/hm2，其余品種為1.2×105株/hm2。田間統(tǒng)一時(shí)間澆水、除草。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

株高（plant height，PH）、穗長（panicle length，PL）、穗寬（panicle diameter，PD）、穗柄伸出長（panicle extension，PE，為主穗基部到旗葉包裹主莖處主莖露出長度）、穗柄長（panicle stalk length，PSL，為旗葉莖節(jié)與穗基部之間的長度）、穗柄粗（panicle stalk diameter，PSD，為主穗柄中部的直徑）、穗重（weight per panicle，WP）、穗粒重（grain weight per panicle，GWP）、倒2葉面積（area of the second leaf，ASL，為倒2葉長×寬×0.75）和千粒重（1000-grain weight，TGW）這10個(gè)指標(biāo)每個(gè)小區(qū)重復(fù)3次取平均值。生育期（growth period，GP）、單株干生物量（dry biomass per plant，DBP，每個(gè)小區(qū)測(cè)5株，烘干稱重取平均值）、鮮生物量（fresh biomass，F(xiàn)B，為每小區(qū)取中間1行4m長的鮮重）、小區(qū)產(chǎn)量（yield，Y）和分蘗數(shù)（number of tillers，T，為小區(qū)中間1行連續(xù)數(shù)10株的分蘗數(shù)）。15個(gè)表型數(shù)據(jù)2年數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，采用2年平均數(shù)據(jù)分析。

隸屬函數(shù)值計(jì)算公式如下：

式中，Xij為第i材料第j指標(biāo)的相對(duì)值，Xjmin為第j指標(biāo)的最小值，Xjmax為第j指標(biāo)的最大值。

綜合指標(biāo)的權(quán)重：

式中，Wj表示第j個(gè)公因子在所有公因子中的主要程度及權(quán)重；Pj為各品種第j個(gè)指標(biāo)與耐瘠系數(shù)間的相關(guān)系數(shù)，表示各品種第j個(gè)公因子的貢獻(xiàn)率。

參照蘭巨生[12]的方法，以各指標(biāo)耐瘠系數(shù)值為比較序列、DI值為參考序列進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，獲得各指標(biāo)耐瘠系數(shù)值與DI值間的關(guān)聯(lián)度（γD）。以DI值為參考序列，對(duì)各指標(biāo)耐瘠系數(shù)值進(jìn)行逐步回歸分析，獲得回歸方程。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010對(duì)表型數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行綜合耐瘠系數(shù)、隸屬函數(shù)、相關(guān)性和關(guān)聯(lián)度等分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 瘠薄脅迫對(duì)高粱性狀的影響

2.1.1 對(duì)高粱生育期的影響 由表2可知，瘠薄脅迫對(duì)高粱生育期影響最為明顯，參試品種生育期全部延長，平均延長16.39d，其中遼雜19號(hào)和龍雜17延長天數(shù)最短，為5.00d，晉雜35號(hào)延長天數(shù)最長，為26.00d。

續(xù)表2 Table 2(continued)

2.1.2 對(duì)植株主要性狀的影響 株高對(duì)瘠薄脅迫的反應(yīng)不盡相同，其中23個(gè)品種表現(xiàn)增高，32個(gè)品種表現(xiàn)降低，但總體呈降低趨勢(shì)，2年平均降低2.58cm，株高降低幅度最大的為晉雜35號(hào)，平均降低35.50cm，株高增高最大的品種為晉雜4號(hào)，增高31.20cm。

穗長、穗寬和莖粗在瘠薄脅迫條件下全部降低。穗長平均降低4.78cm，其中降低幅度最大的為晉雜103，降低9.17cm，降低幅度最小的為組培6號(hào)，降低0.06cm；穗寬平均降低3.21cm，其中降低幅度最大的為遼雜19號(hào)，降低8.06cm，最小的為晉早5564，降低0.41cm；莖粗平均降低7.93mm，其中降低幅度最大的為晉雜103，降低10.77mm，降低幅度最小的為龍雜21，降低4.24mm。

倒2葉面積在瘠薄脅迫條件下只有晉糯3號(hào)和晉夏2842表現(xiàn)增加，分別增加44.56和36.71cm2，其余品種全部降低，平均降低139.70cm2，其中降低幅度最大的為晉飼20-1，降低360.08cm2。穗柄伸出長在瘠薄脅迫條件下只有金糯粱4號(hào)、晉糯102和晉雜103縮短，但縮短幅度很小，分別為0.63、0.01和0.50cm，其余品種全部增長，平均增長5.67cm，增長最多的為晉雜5號(hào)，平均增長16.79cm。穗柄長在瘠薄脅迫條件下只有吉雜127、晉夏2842和晉雜108縮短，分別縮短了3.33、5.88和6.73cm，其余品種都增長，平均增長6.28cm，其中增長最多的為晉雜104，增長24.18cm。分蘗數(shù)在瘠薄脅迫條件下有14個(gè)品種沒有減少，其余41品種全部降低，平均減少1.24，其中減少最多的品種為龍雜21，每10株減少6。

2.1.3 對(duì)生物量和產(chǎn)量相關(guān)性狀的影響 瘠薄脅迫對(duì)生物量影響的主要相關(guān)性狀有6個(gè)，包括穗粒重、千粒重、鮮生物量、穗重、單株干生物量和小區(qū)產(chǎn)量。其中穗粒重在瘠薄脅迫條件下平均降低52.63g，其中降低最多的為晉雜23號(hào)，降低99.99g，降低最少的為龍雜17，降低5.23g；千粒重在瘠薄脅迫條件下平均降低6.54g，其中降低最多的為沈雜5號(hào)，降低17.88g，降低最少的為吉雜124，降低0.27g；鮮生物量在瘠薄脅迫條件下平均降低6.01kg，其中降低最多的為晉雜23號(hào)，降低15.15kg，降低最少的為晉雜102，降低0.10kg；穗重在瘠薄脅迫條件下平均降低78.48g，其中降低最多的為晉雜23號(hào)，降低150.12g，降低最少的為龍雜17，降低15.45g；單株干生物量在瘠薄脅迫條件下平均降低130.30g，其中降低最多的為晉中7742，降低437.93g，降低最少的為龍雜17，降低9.27g；小區(qū)產(chǎn)量在瘠薄脅迫條件下平均降低4.91kg，其中降低最多的為晉雜104，降低12.37kg，降低最少的為龍雜17，降低0.90kg。

2.2 主成分分析

本研究對(duì)所有性狀進(jìn)行了主成分分析（表3），可分為7個(gè)因子，累計(jì)貢獻(xiàn)率83.477%。其中高度敏感的第1主成分中加權(quán)系數(shù)較高的是穗粒重、穗重、千粒重、小區(qū)產(chǎn)量、單株干生物量和穗長。高度敏感的第2主成分中，加權(quán)系數(shù)較高的是穗柄長和穗柄伸出長。中度敏感的第3主成分中，加權(quán)系數(shù)較高的是株高、穗柄粗和生育期，中度敏感的第4主成分中，加權(quán)系數(shù)較高的是分蘗數(shù)，中度敏感的第5主成分中，加權(quán)系數(shù)較高的是穗寬。低度敏感的第6主成分中，加權(quán)系數(shù)較高的是鮮生物量，低度敏感的第7主成分中，加權(quán)系數(shù)較高的是倒2葉面積。

表3 主成分分析的特征向量及累計(jì)貢獻(xiàn)率Table 3 Feature vectors and cumulative contribution rate of principal component analysis

2.3 高粱品種耐瘠性評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選

根據(jù)各性狀和DI值的相關(guān)性分析（表4）顯示，DI值與株高、穗長、穗寬、穗柄粗和生育期呈負(fù)相關(guān)，其中與生育期呈顯著負(fù)相關(guān)，與其余性狀呈正相關(guān)，其中與小區(qū)產(chǎn)量、單株干生物量、穗粒重和千粒重呈極顯著正相關(guān)，與穗柄伸出長、鮮生物量和分蘗數(shù)呈顯著正相關(guān)。單個(gè)性狀和耐瘠指數(shù)正相關(guān)的關(guān)聯(lián)度分析（表4）顯示，關(guān)聯(lián)度依次為鮮生物量＞小區(qū)產(chǎn)量＞穗粒重＞單株干生物量＞穗重＞倒2葉面積＞千粒重＞分蘗數(shù)＞穗柄長＞穗柄伸出長。

表4 DI值與各性狀的相關(guān)性和關(guān)聯(lián)度分析Table 4 Analysis of relativity and correlationbetween DI values and traits

把DI值作為因變量、與DI值正相關(guān)性狀的耐瘠系數(shù)作為自變量進(jìn)行逐步回歸分析，建立高粱耐瘠評(píng)價(jià)的回歸方程：Y=-0.66+0.521X1+0.398X2+0.255X3+0.179X4，式中，Y為耐低氮綜合評(píng)價(jià)的預(yù)測(cè)值，X1為小區(qū)產(chǎn)量，X2為鮮生物量，X3為千粒重，X4為倒2葉面積。各指標(biāo)的系數(shù)代表各指標(biāo)對(duì)耐低氮指數(shù)DI值的影響權(quán)重，回歸方程的決定系數(shù)R2=0.903（P＜0.01），這4個(gè)性狀對(duì)耐瘠薄指數(shù)產(chǎn)生主要影響。根據(jù)單個(gè)性狀之間的相關(guān)性分析（表5），單株干生物量、穗重、穗粒重與DI值關(guān)聯(lián)度較高，但與倒2葉面積呈負(fù)相關(guān)。結(jié)合相關(guān)性分析、關(guān)聯(lián)度分析和回歸分析認(rèn)為，小區(qū)產(chǎn)量和鮮生物量作為耐瘠評(píng)價(jià)首選指標(biāo)，千粒重和倒2葉面積作為次級(jí)指標(biāo)。

表5 各性狀指標(biāo)的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of each characteristic index

2.4 耐瘠高粱品種的篩選分類

采用DI值對(duì)所有參試品種進(jìn)行評(píng)價(jià)，分類方法采用K均值聚類法，共分為5級(jí)，結(jié)果見表6。其中Ⅰ級(jí)耐瘠品種12個(gè)，分別為晉雜31號(hào)、晉糯3號(hào)、白雜11號(hào)、吉雜124、遼粘3號(hào)、晉雜33號(hào)、晉雜15號(hào)、吉雜229-2、吉雜127、晉雜108、汾酒粱1號(hào)、通雜108。Ⅱ級(jí)品種17個(gè)，Ⅲ級(jí)品種12個(gè)，Ⅳ級(jí)品種10個(gè)，Ⅴ級(jí)品種4個(gè)。

表6 高粱品種耐瘠薄分類Table 6 Classification of tolerance to sterility of sorghum varieties

3 討論

3.1 瘠薄脅迫對(duì)高粱主要農(nóng)藝性狀的影響

與正常養(yǎng)分條件相比，土壤瘠薄條件下由于不能達(dá)到植物正常生長發(fā)育所需要的養(yǎng)分含量，引起植物生長指標(biāo)、生理生化指標(biāo)和作物產(chǎn)量等的變化[13-14]。本研究結(jié)果與前人[5-8]開展單一元素缺乏對(duì)植株的影響有區(qū)別。大部分作物在受到瘠薄脅迫時(shí)株高會(huì)降低[15]，如康萬利等[16]研究顯示，苧麻在養(yǎng)分脅迫下株高較對(duì)照均有不同程度的下降；高翔等[17]研究顯示，在瘠薄條件下玉米株高均降低；黃興東[18]研究顯示，在低氮脅迫下谷子所有品種株高降低。高粱與這些作物有區(qū)別，本研究顯示，高粱在養(yǎng)分虧缺的情況下有23個(gè)品種株高變高，與前人[19-21]研究結(jié)果一致。初曉丹等[22]研究顯示，在低氮脅迫下蘆葦?shù)闹旮咦兏?。本研究在瘠薄脅迫條件下發(fā)現(xiàn)，所有高粱穗柄長均變長，這可能是部分品種株高變高的主要原因。前人關(guān)于谷子[11]、玉米[23]和糜子[24]等作物的研究均顯示，在低氮和低磷條件下主要表型性狀和生物量降低。本研究顯示，所有參試品種生育期在瘠薄條件下均延長，穗長、穗寬、穗柄粗、穗粒重、千粒重、鮮生物量、穗重、單株干生物量、小區(qū)產(chǎn)量和分蘗數(shù)這10個(gè)性狀所有品種均在瘠薄條件下降低，倒2葉面積除晉糯3號(hào)和晉夏2842外，其余品種均降低。這些指標(biāo)與前人研究結(jié)果有相似之處，如王勁松等[7]研究認(rèn)為，不施肥和不施氮肥顯著降低了粒用高粱植株生長、干物質(zhì)積累和籽粒產(chǎn)量。Muchow等[9]研究認(rèn)為，如果水和氮供應(yīng)不足，作物氮攝取將分配給葉氮和葉面積指數(shù)，高粱在籽粒灌漿過程中，葉面積指數(shù)降低。

3.2 高粱耐瘠評(píng)價(jià)關(guān)鍵指標(biāo)

前人[7,16,24]研究主要集中于單一肥料元素對(duì)植株的影響，且干物重和生物產(chǎn)量可以作為作物耐低氮和磷等能力評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)，單株穗重對(duì)作物的產(chǎn)量影響較大。王勁松等[7]研究顯示，缺氮通過影響穗粒數(shù)和千粒重影響高粱產(chǎn)量，這與氮素營養(yǎng)影響小麥和玉米等作物穗粒數(shù)的研究結(jié)果相一致[25-26]。本研究通過主成分分析的結(jié)果顯示，極敏感的性狀為產(chǎn)量和生物量相關(guān)性狀穗粒重、穗重、千粒重、小區(qū)產(chǎn)量、單株干生物量和穗長。這與前人[7]在單一元素虧缺的研究一致。本研究顯示，瘠薄脅迫造成高粱高度敏感的性狀是穗柄長和穗柄伸出長。王振華[27]以甜玉米為研究材料，發(fā)現(xiàn)穗柄長與籽粒干物質(zhì)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，周瑜等[28]認(rèn)為，穗柄長與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，穗柄伸出長與穗重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。本研究顯示，穗柄長和穗柄伸出長與穗寬、穗柄粗、單株干生物量、小區(qū)產(chǎn)量、鮮生物量、分蘗數(shù)和生育期均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。本研究通過DI值和各性狀的關(guān)聯(lián)度分析和回歸分析認(rèn)為，小區(qū)產(chǎn)量和鮮生物量作為耐瘠評(píng)價(jià)首選指標(biāo)，千粒重和倒2葉面積作為次級(jí)指標(biāo)，這4個(gè)指標(biāo)與前人[9,11,18,24]在其他作物耐低氮等研究的評(píng)價(jià)性狀相似。

3.3 耐瘠高粱品種的篩選

過去幾十年中，高粱產(chǎn)區(qū)更多向邊際土壤地區(qū)轉(zhuǎn)移，所以篩選耐瘠高粱品種具有現(xiàn)實(shí)意義[29]。采用綜合評(píng)價(jià)方法能更好地反映高粱對(duì)土壤瘠薄脅迫的反應(yīng)能力，前人[19-20]開展的耐瘠分類方法主要采用產(chǎn)量分級(jí)法、綜合系數(shù)法和隸屬函數(shù)法等。錢曉剛等[30]認(rèn)為，作物耐瘠的實(shí)質(zhì)是耐瘠作物比不耐瘠作物吸收更少的養(yǎng)分而獲得相同的產(chǎn)量效果。所以耐瘠的篩選應(yīng)以產(chǎn)量為主要分析指標(biāo)。DI值可以綜合考慮高粱性狀的基礎(chǔ)上結(jié)合產(chǎn)量因素，在對(duì)高粱品種進(jìn)行耐瘠薄分類中選擇DI值這一評(píng)價(jià)體系更為合理。本研究采用DI值法分類的結(jié)果顯示，晉雜31號(hào)等12個(gè)品種耐瘠薄能力較強(qiáng)，可以結(jié)合生育期在中低產(chǎn)田推廣種植，其篩選指標(biāo)和分類方法對(duì)育種者今后開展高粱高養(yǎng)分利用品種的選育具有借鑒意義。

4 結(jié)論

土壤瘠薄脅迫會(huì)造成高粱生育期延長，同時(shí)造成產(chǎn)量和生物量相關(guān)的11個(gè)性狀降低。在瘠薄脅迫下，高粱的穗柄長和穗柄伸出長增長，對(duì)株高的影響存在差異。晉雜31號(hào)等12個(gè)品種是較好的耐瘠薄高粱品種。株高、穗柄長、穗柄伸出長、穗柄粗和生育期與高粱品種的耐瘠性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。高粱耐瘠品種選育過程中將產(chǎn)量和鮮生物量作為耐瘠評(píng)價(jià)首選指標(biāo)，千粒重和倒2葉面積作為次級(jí)指標(biāo)。