晉北谷子農藝和營養(yǎng)品質性狀的相關性分析

李涌泉，金 赟，李佳月，孫學良，陳樹俊

（1山西大學生命科學學院，太原 030006；2山西省農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與資源研究所，太原 030031；3廣靈縣泓源農業(yè)科技有限公司，山西大同 037500）

0 引言

谷子(Setaria italica)，學名為粟，為單子葉植物禾本科狗尾草屬的一年生作物，在世界上具有悠久的栽培歷史[1]。在中國，谷子主要的種植地區(qū)分布于東北、西北以及華北地區(qū)，平均年種植面積約為200萬hm2，平均年產量維持在350 t左右[2-3]。谷子具有抗旱節(jié)水、耐貧瘠、生育期短、適應性廣等特點，在農業(yè)可持續(xù)發(fā)展中占據(jù)重要的地位[4]。谷子脫殼后即為小米，不僅富含蛋白質、脂肪、維生素E、葉酸等多種營養(yǎng)成分，而且還有清熱、潤腸健胃、養(yǎng)心安神等功效，不僅可以滿足人體對營養(yǎng)成分的需求，還是維持人體健康的營養(yǎng)均衡型食物[5-6]。山西省是中國谷子的主要種植省份，年種植面積約為27萬hm2[7]。山西省位于黃土高原，地形復雜，多以山地和丘陵為主，海拔差距較大，年降水量少使得土地相對缺水、貧瘠，特殊的地理環(huán)境使谷子逐漸成為山西省的主要農作物之一[8]。廣靈縣位于山西省東北部，屬于中溫帶大陸性半干旱季風氣候，特點為晝夜溫差大，冬寒夏暖，干燥多風少雨，其氣候及土地條件極其適宜種植谷子。該區(qū)域傳統(tǒng)種植的谷子品種有‘大白谷’和‘東方亮’，由于當?shù)剞r民采用傳統(tǒng)種植方式，缺少種子提純復壯的技術，使得傳統(tǒng)谷子品種逐漸退化，伴發(fā)病蟲害問題使產量降低和小米品質下降，在一定程度上影響當?shù)毓茸臃N植產業(yè)的發(fā)展[9]。

已有較多研究報道了谷子農藝學和營養(yǎng)品質方面的內容，主要集中于農藝和營養(yǎng)品質性狀的遺傳多樣和差異性[6,10-11]，農藝性狀之間以及與營養(yǎng)品質性狀之間的相關性[2,4,12-13]，谷子適應性種植中農藝性狀的表現(xiàn)[14-16]。農藝性狀是谷子最直觀的外在遺傳表型，營養(yǎng)品質性狀是決定谷子品質的重要因素，二者共同影響谷子的產量、加工品質、食味品質和經濟效益，是谷子異地引種種植和新品種選育工作需要考慮的首要因素。而有關于晉北廣靈縣春播谷子農藝和營養(yǎng)品質性狀的相關研究很少。鑒于此，選擇5種春播谷子品種在當?shù)剡M行引種種植試驗，并與當?shù)貍鹘y(tǒng)谷子品種‘大白谷’做比對，觀察和分析農藝和營養(yǎng)品質性狀的差異和相關性，旨在探明引進谷子品種在當?shù)丨h(huán)境條件下的性狀表現(xiàn)和適應程度，以獲得適宜在當?shù)赝茝V種植的優(yōu)良谷子品種，進而推動當?shù)毓茸臃N植產業(yè)的健康可持續(xù)性發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試谷子品種為‘晉谷21號’、‘晉谷59號’、‘大同45號’、‘鑫谷4號’、‘8311’，‘大白谷’為對照品種。

1.2 試驗地概況

試驗田位于廣靈縣作疃鄉(xiāng)百疃西堡村(39°44′N,114°11′E)，前茬種植作物為玉米，試驗田地勢平坦，便于灌溉，土質為褐土、沙壤。兩年土壤基本性質見表1，土壤肥力為中等。試驗時間為2019年5—10月和2020年5—10月。

表1 2019、2020年土壤養(yǎng)分

1.3 試驗設計

2019、2020年試驗田的面積約為0.13、0.18 hm2，每個品種設置1組處理，不設置重復組，田間四周設置1 m的保護行，種植行距為35 cm，密度約為37.5萬株/hm2。于每年5月初播種，9月底、10月中旬前進行取樣和全區(qū)收獲。

田間管理按照當?shù)胤N植習慣進行，春播前按每1 hm2施農家肥15000 kg，深耕且耙平。4月底播種前按每1 hm2澆底墑水約600～750 m3，隨后旋耕，等待播種。拔節(jié)至抽穗前結合降水情況追肥1次，施尿素225 kg/hm2，追肥之后適當澆水。

5月底出苗后，在2葉1心時淺中耕、除草。6月初，在5～6葉時進行間苗和定苗，間苗時要拔除弱苗和枯心苗，邊間苗邊定苗邊拔除壟眼中的雜草。定苗后，及時進行深中耕，將雜草、病苗和弱苗全部清除并培土。孕穗中期要淺鋤并培土。同時，7—8月要視降水情況進行澆水。

1.4 農藝性狀測定

取樣時，采用對角線法選取3個1 m2的取樣點，每個樣點隨機取10株在室內考種，測定谷子的株高、旗葉長、旗葉寬、穗長、穗寬、單穗重、單穗粒重、千粒重，測產時，每個樣點的谷子單打單收，分別進行脫粒、稱重，并計算產量。

1.5 營養(yǎng)品質性狀測定

采用國家標準方法測定營養(yǎng)品質性狀：色澤、氣味(GB/T 5492—2008)；蛋白質(GB 5009.5—2016)；脂肪(GB 5009.6—2016)；碳水化合物(GB/Z 21922—2008)；膳 食纖 維 (GB 5009.88—2014)；淀 粉(GB 5009.9—2016)。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel 2016整理試驗數(shù)據(jù)，利用SPSS 26.0軟件完成單因素方差分析、變異系數(shù)分析和相關性分析，采用LSD法比較各組間試驗數(shù)據(jù)的顯著性差異(P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同谷子品種的生育期

由表2可以看出，在播種日期一致的情況下，受試谷子品種的生育期范圍在120～146天。各品種的出苗期基本相同，而抽穗期和成熟期則有差別，‘晉谷59號’和‘晉谷21號’的抽穗期及成熟期比其他谷子品種晚，‘晉谷21號’、‘晉谷59號’和‘大白谷’的生育期大于125天，均屬于春播晚熟品種，‘8311’的生育期最短，屬于中熟品種。

表2 不同谷子品種的生育期

2.2 小米的感官性狀

2019、2020年各谷子品種所產小米的感官性狀包括色澤和氣味，均符合小米的正常性狀表現(xiàn)。色澤鮮黃明亮，無明顯感官色差，無霉變；氣味具有本區(qū)域小米固有的自然清香味，無其他異味。

2.3 農藝性狀

觀察表3和表4發(fā)現(xiàn)，‘晉谷21號’和‘晉谷59號’的株高在2個年份均較高，都與‘8311’有顯著性差異；在2019年，‘晉谷21號’的旗葉最長，其次為‘大同45號’，‘晉谷59號’的旗葉最寬，與其他品種差異顯著；在2020年，‘晉谷59號’和‘大白谷’的旗葉較長，‘晉谷21號’和‘鑫谷4號’的旗葉最寬；‘大同45號’和‘晉谷21號’的穗長在2019年較長，與其他品種差異顯著，‘晉谷59號’和‘晉谷21號’的穗較寬，與其他品種差異顯著；2020年‘晉谷59號’的穗長和穗寬均最大，與其他品種差異顯著；在2019年，‘晉谷21號’、‘晉谷59號’和‘大同45號’的單穗重和單穗粒重均較重；在2020年，‘晉谷21號’和‘晉谷59號’的單穗重和單穗粒重較重，與其他品種差異顯著；‘大同45號’和‘鑫谷4號’的千粒重在2個年份均為最大，較其他品種有顯著性差異。

表3 2019年不同谷子品種的農藝性狀

表4 2020年不同谷子品種的農藝性狀

由表5可知，‘晉谷59號’和‘晉谷21號’在2個年份的產量均排在第1位和第2位，‘晉谷59號’2年的產量分別為6483.11 kg/hm2和6707.80 kg/hm2，較對照‘大白谷’增幅為13.44%和15.15%，‘晉谷21號’2年的產量分別為5875.80 kg/hm2和6059.35 kg/hm2，與對照‘大白谷’相比增長了2.82%和4.02%，‘晉谷59號’較對照增產明顯。在2個年份，由于倒伏和病害較為嚴重，‘大同45號’和‘鑫谷4號’的產量最低，產量較對照低38.15%和40.71%。

表5 2019、2020年不同谷子品種的產量比較

在2個年份，谷子農藝性狀的變異系數(shù)變化幅度分別為6.57%～20.98%和3.52%～25.65%。其中，產量、穗寬、旗葉寬、單穗粒重、單穗重和千粒重的變異系數(shù)較大，說明產量及影響產量的相關農藝性狀在不同谷子品種中表現(xiàn)出較大的差異性。

2.4 營養(yǎng)品質性狀

由表6和表7可知，在2個年份，‘晉谷21號’小米的蛋白質含量均為最高，‘晉谷59號’小米的脂肪含量均為最高，與其他品種存在顯著性差異；‘8311’小米的碳水化合物和淀粉含量在2個年份皆為最高，‘大同45號’和‘鑫谷4號’小米的碳水化合物含量為最低，‘晉谷59號’小米的淀粉含量為最低；2019年‘晉谷21號’小米的膳食纖維含量最高，其次為‘晉谷59號’，二者與其他品種存在顯著性差異，2020年‘晉谷59號’小米的膳食纖維含量最高，其次為‘鑫谷4號’，與其他品種差異顯著。

表7 2020年不同谷子品種的營養(yǎng)品質性狀

在2個年份，不同谷子品種所產小米營養(yǎng)品質性狀的變異系數(shù)變化幅度分別為2.59%～15.55%和3.31%～42.83%。其中，蛋白質、脂肪和膳食纖維含量的變異系數(shù)較大，碳水化合物和淀粉含量的變異系數(shù)較小，表明在種植環(huán)境相同的條件下，可以通過選擇優(yōu)良谷子品種、改變種植方法和優(yōu)化種植管理方法去改善蛋白質、脂肪和膳食纖維的含量，而碳水化合物和淀粉的含量卻相對難以改善。

2.5 農藝性狀和營養(yǎng)品質性狀的相關性分析

表8為不同谷子品種農藝性狀和營養(yǎng)品質性狀的相關性分析結果，株高與旗葉寬、穗寬、單穗重、單穗粒重、千粒重和產量呈顯著或極顯著的正相關性；產量與株高、旗葉寬、穗寬、單穗重、單穗粒重、千粒重和脂肪含量呈顯著或極顯著的正相關性，與碳水化合物和淀粉的含量呈顯著的負相關性。同時，與產量有顯著或極顯著正相關性的性狀中，如株高、旗葉寬、穗寬、單穗重、單穗粒重和千粒重互相之間也呈顯著或極顯著的正相關性，表明這些性狀對谷子的產量影響很大。脂肪含量與碳水化合物和淀粉的含量呈顯著或極顯著的負相關性，碳水化合物含量與單穗重和單穗粒重呈顯著的負相關性，表明顯著負向影響產量的性狀與顯著正向影響產量的性狀之間存在著顯著的負相關性。在營養(yǎng)品質性狀之間，蛋白質、脂肪和膳食纖維含量之間呈現(xiàn)正相關性，碳水化合物和淀粉含量之間呈現(xiàn)正相關性，而2組性狀之間呈現(xiàn)負相關性，互為負向影響。

表8 2019和2020年不同谷子品種農藝性狀和營養(yǎng)品質之間的相關系數(shù)

3 結論

在廣靈縣作疃鄉(xiāng)（百疃西堡村），‘晉谷21號’、‘晉谷59號’、‘大同45號’、‘鑫谷4號’、‘8311’和‘大白谷’均能正常生長發(fā)育和成熟，在生育期、農藝和營養(yǎng)品質性狀的表現(xiàn)上，不同的谷子品種存在著較大的差異。對產量具有顯著正向效應的性狀中，‘晉谷21號’和‘晉谷59號’的株高、旗葉寬、穗寬、單穗重、單穗粒重和脂肪含量顯著優(yōu)于對照‘大白谷’的表現(xiàn)，而且蛋白質和膳食纖維含量也較高。在產量表現(xiàn)上，‘晉谷59號’產量2年均位于第一，較對照‘大白谷’的產量分別高出13.44%和15.15%，增產幅度明顯，其次為‘晉谷21號’，小幅高于對照。綜合分析生育期、農藝和營養(yǎng)品質性狀的差異和相關性，‘晉谷21號’和‘晉谷59號’適應晉北春谷早熟地區(qū)廣靈縣作疃鄉(xiāng)的生態(tài)種植環(huán)境，在配套高效輕簡的大田栽培和管理技術的基礎上，‘晉谷21號’和‘晉谷59號’具有在當?shù)赝茝V種植的可行性。

4 討論

4.1 不同谷子品種的生育期

在2019和2020年的種植試驗中，6個谷子品種在播種時間基本相同的條件下，‘晉谷59號’的生育期最長為146天，‘8311’最短為120天，相差26天。研究表明，不同谷子品種在同一地區(qū)的生育期差異很大，從抽穗期開始，生長快慢出現(xiàn)較大的差異，表現(xiàn)出在抽穗、開花、成熟時間的差異性[1,17]。同一谷子品種由于遺傳性狀的穩(wěn)定性，在相同的種植環(huán)境條件下，不同年份表現(xiàn)出相近的生育期，本試驗中同一谷子品種在2個年份的生育期基本相同，差異不大。在本試驗中，‘晉谷21號’、‘晉谷59號’和‘大白谷’的生育期大于125天，均屬于春播晚熟品種，‘8311’屬于中熟品種。其中，‘晉谷21號’和‘8311’的生育期與晉北其他地區(qū)種植‘晉谷21號’和‘8311’的生育期相同[14,16,18]?！畷x谷59號’的生育期較其在太原地區(qū)的生育期長約20天[19]，這是由于同一谷子品種在不同緯度地區(qū)種植表現(xiàn)的結果，同一品種在高緯度區(qū)域種植的生育期較低緯度區(qū)域的生育期會延長[1]。

4.2 不同谷子品種農藝和營養(yǎng)品質性狀的變異性分析

不同谷子品種之間農藝性狀的差異性主要受兩方面因素影響，首先是由谷子品種的遺傳基因決定遺傳性狀，另一方面，與谷子種植地區(qū)的環(huán)境和氣候條件密切相關，比如氣候、水文、土壤的組成和肥力等[20-22]。同在晉北地區(qū)，本試驗‘晉谷21號’的株高、穗重和穗粒重均顯著高于其在大同市水泊寺鄉(xiāng)試驗中相應性狀的表現(xiàn)值，而穗長和千粒重則與之相近[14]?！?311’的株高和千粒重顯著小于，而穗長卻略小于其在晉北其他地區(qū)試驗中‘8311’的株高、千粒重和穗長[16,18]，單穗重和單穗粒重與張綬等[16]試驗中‘8311’的相應性狀接近，卻明顯小于馮婧等[18]相應性狀的試驗觀察值。與其他地區(qū)相比，‘晉谷21號’的株高和千粒重小于其在晉中太谷種植的試驗值，而穗長、單穗重、蛋白質和淀粉含量與之相近[23]，‘晉谷21號’與其在呂梁區(qū)域的穗長接近，單穗粒重和千粒重大于其試驗結果[24]，而且，穗長和單穗粒重顯著大于長治地區(qū)‘晉谷21號’的試驗性狀值[25]?！畷x谷59號’的株高、穗長、單穗重和單穗粒重顯著高于其在太原地區(qū)的相應性狀的表現(xiàn)值，千粒重與之相近[19]。

比較不同谷子品種的產量，與對照‘大白谷’對比，‘晉谷59號’的增產效應明顯，產量增加10%以上，‘晉谷21號’的產量略高于對照，而‘8311’、‘大同45號’和‘鑫谷4號’的產量低于對照品種10%以上，尤其是‘大同45號’和‘鑫谷4號’由于倒伏和白發(fā)病較為嚴重，產量偏低。研究表明，谷子的單株產量與單個植株重量有極顯著的正相關性，與植株稈重也有極顯著的正相關性，所以，較高的生物學產量是谷子高產的前提[1]。這是本試驗中‘晉谷59號’和‘晉谷21號’產量較高的原因之一，2個品種的株高明顯高于其他品種。另外，谷子穗部性狀也是決定谷子產量的重要因素，‘晉谷59號’和‘晉谷21號’的穗寬、單穗重和單穗粒重明顯高于其他品種，是2個品種高產的另外一個原因。比對其他試驗區(qū)域，‘晉谷21號’的產量略高于其在呂梁和長治地區(qū)的產量[24-25]，顯著高于其在晉中太谷和晉北其他地區(qū)的產量[14,23]，‘晉谷59號’的產量高于其在太原地區(qū)的產量[19]，而‘8311’的產量卻顯著低于其在晉北其他地區(qū)的產量[16,18]。不同的谷子品種所適宜的最佳種植區(qū)域不同，同一谷子品種在不同種植區(qū)域種植，受到不同的氣候、水文、土壤類型和肥力的影響，產量和品質會表現(xiàn)出很大的差異[22]。

谷子脫殼后為小米，小米具有營養(yǎng)價值高、營養(yǎng)成分均衡、易被人體吸收的特性[13,26]。小米的營養(yǎng)成分包括蛋白質、脂肪、淀粉、維生素和礦物質等，是影響小米食用價值的重要因素，是消費者選擇小米的依據(jù)之一。其中，蛋白質是決定小米品質優(yōu)劣的因素之一，小米蛋白質含有大量的必需氨基酸，古世祿分析了416種谷子品種得出大部分谷子的蛋白質含量在10.00%～13.99%[27]，本試驗中‘晉谷21號’、‘晉谷59號’和‘大同45號’的蛋白質含量在該值范圍內。其中，按照河北省農林科學院谷子研究所制定的優(yōu)質米分級標準，‘晉谷21號’的蛋白質含量達到一級優(yōu)質米蛋白質含量，即≥12.5%的標準，‘晉谷59號’的蛋白質含量達到二級優(yōu)質米蛋白質含量，即≥11.8%的標準[28]。脂肪含量也是判斷小米品質高低的重要因子之一，組成小米脂肪的成分主要為不飽和脂肪酸，約占脂肪酸總量的85%，均屬于優(yōu)質脂肪。脂肪對小米品質具有明顯的正向效應，是影響小米香氣的重要成分之一[29-30]，有學者研究表明小米的脂肪含量為2.8%～8.0%，因品種和種植地區(qū)不同而造成差異[31]。本試驗中‘晉谷59號’的脂肪含量最高，2年的含量分別為3.47%和5.13%，‘8311’的脂肪含量最低且低于平均范圍值。淀粉是小米的主要可食部分，其結構和含量的不同會影響小米的食用和加工品質[23,32]。小米的碳水化合物含量平均為74.62%，其中淀粉為主要成分約為60%[33]。本試驗中小米碳水化合物含量的變幅范圍70.33%～79.30%位于平均值兩端，淀粉含量為63.37%～69.30%，高于平均值。

本試驗中谷子的產量、穗寬、單穗粒重、單穗重和千粒重的變異系數(shù)較大，證實谷子產量及與產量相關的農藝性狀在不同谷子品種中有很大的差異，這與李濤等[11]的研究結果比較接近，而株高和穗長變異系數(shù)較小，與其結果中株高和穗長變異系數(shù)有明顯的差異，但與苗澤志等[23]的研究結果相近。本研究顯示不同品種小米的蛋白質、脂肪和膳食纖維含量的變異系數(shù)較大，淀粉和碳水化合物含量變異系數(shù)較小，這一結果與張愛霞等[10]在分析谷子品種主要營養(yǎng)品質性狀遺傳差異的結果相近。根據(jù)谷子遺傳性狀差異性的大小，在選擇谷子品種時，應該優(yōu)先關注這些變異系數(shù)較高的性狀，通過改進種植方式和改良種植環(huán)境的土壤條件以優(yōu)化這些性狀的表現(xiàn)，使之趨于一定的穩(wěn)定。

4.3 不同谷子品種農藝和營養(yǎng)品質性狀的相關性分析

本研究表明，株高、旗葉寬、穗寬、單穗重、單穗粒重和千粒重對產量有顯著的正向影響效應，是決定谷子能否高產最關鍵的遺傳性狀，而且這些性狀互相之間也呈顯著或極顯著的正相關性，這一試驗結果與先前報道的研究結果基本相同，李濤等[11]和張霞等[17]分別在內蒙古和陜北分析了不同谷子品種的農藝性狀和產量，均證實了這一結論。而楊慧卿等[2]在分析11個山西谷子品種的農藝性狀后認為，產量與株高負相關，與本研究有差異之處，這有可能是不同的谷子品種和不同的種植環(huán)境所引起的結果差異性。

已有研究證實，谷子的營養(yǎng)品種性狀對農藝性狀有負向影響效應，二者之間具有一定的制約關系[34]，在本試驗中也得到了印證，碳水化合物和淀粉含量與產量呈顯著的負相關性，碳水化合物含量與單穗重和單穗粒重呈顯著的負相關性。杜偉建等[35]在山西晉中谷子種植試驗中分析農藝和營養(yǎng)品種性狀后也證實了這一點?，F(xiàn)有的研究結果普遍認為，谷子的產量由植株生物學產量和穗部性狀決定，以此為依據(jù)，在考慮谷子高產時，首先應該考慮谷子品種的株高、穗長、穗寬、單穗重、單穗粒重和千粒重[1]。綜合考慮谷子的產量和品質，在谷子異地引種種植和良種選配上，應優(yōu)先考慮與產量和品質具有正相關性狀的品種進行推廣種植。同時，為了使谷子農藝和品質性狀達到最優(yōu)表現(xiàn)，需要建立高效的配套栽培和管理技術體系，以最大限度地提高谷子的產量，并提升小米的外觀和營養(yǎng)品質。