山西省19個谷子品種農藝性狀及其養分吸收利用研究

王春梅 ，閆雙堆 ，劉利軍 ，任 倩 ，張乃于

（1.山西農業大學資源環境學院，山西 太谷 030801；2.山西農業大學生物工程研究所，山西 太谷 030801；3.山西省環境科學研究院，山西 太原 030027）

我國不僅是谷子的起源地，而且是谷子的集中種植國，播種面積占世界谷子播種面積的80%，產量占世界谷子總產量的90%[1]。據統計，我國谷子的種植面積為125萬～152萬hm2，僅次于傳統的大宗作物，位居第4位；相較于一般的大宗作物而言，谷子具有耐瘠抗旱、高效的水分利用率、適應性廣、營養豐富、各種組分平衡等特點，被認為是為了應對未來水資源短缺情況的一種優秀的戰略貯備作物，以及建設可持續農業的生態作物和人類飲食結構調整、平衡營養攝入的特色作物[2-4]。山西省谷子種植面積基本維持在20萬hm2左右，谷子產量約占全省糧食總產量的1.8%[5]。谷子籽粒中蛋白質含量較高，營養價值豐富，具有較高的商品潛力[6-7]。

近年來，對谷子作物種質資源分類上的應用越來越多，許多學者對不同地區谷子品種農藝性狀和營養元素的含量進行了主成分分析、相關性分析和聚類分析，反映出谷子種群許多遺傳性狀之間的差異，表明谷子產量與農藝性狀之間的關聯，篩選出較多高產、高品質的谷子品種[8-10]。

本研究通過比較山西省19個谷子品種產量及籽粒中氮、磷、鉀含量方面的差異，采用聚類分析和相關性分析來研究作物種質資源的差異分類，以篩選出能高效利用氮、磷、鉀養分的谷子品種，實現氮、磷、鉀資源高效利用與高產的統一，為山西省谷子資源高效利用提供依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試的山西省不同地方谷子品種共19個，由山西農業大學生物工程研究所提供。谷子品種名稱列于表1。

表1 谷子品種名稱

1.2 試驗地概況

試驗地點設在山西農業大學資源環境學院試驗站。試驗田為石灰性褐土，pH值為7.8～8.0，堿解氮為25.2～53.0 mg/kg，速效磷為7.5～14.6 mg/kg，速效鉀為104.6～173.2 mg/kg。

1.3 試驗方法

試驗采用完全隨機區組設計，每個品種為1個處理，共19個處理，小區面積為15 m2（5 m×3 m），區距50 cm，行距30 cm，行長3 m，每個小區種植10行，每行15株。2016年5月15日播種，出苗后7 d定苗，以后適期進行田間管理，9月20日收獲考種。

1.4 測定項目及方法

谷子成熟后對全部谷子進行考種并測定籽粒中氮、磷、鉀含量。采用H2SO4-H2O2消煮體系處理谷子籽粒，采用奈氏比色法測定籽粒中氮的含量；采用礬鉬黃比色法測定籽粒中的磷含量；采用火焰光度法測定籽粒中鉀的含量。并計算每個品種的平均值（%）[11]。

1.5 數據分析

運用Excel 2007進行數據處理，利用SPSS24.0軟件針對19個谷子品種的農藝性狀及營養元素進行相關性分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 品種間各農藝性狀差異分析

19個谷子品種的各個農藝性狀描述統計結果列于表2。從表2可以看出，單穗質量與穗粒質量的變異系數較高，分別為50.08%，52.67%；不同谷子品種產量差異較大，最高產量為706.16 g/m2，而最低產量為450.41 g/m2，變異系數也達到最大水平，為54.12%；穗長、穗粗、千粒質量的變異系數在10%～25%，變異程度相對較小，以單穗質量、穗粒質量與產量之間的差異最明顯。

表2 各個農藝性狀描述統計

2.2 品種間籽粒氮磷鉀含量差異分析

表3 各品種籽粒中氮、磷、鉀含量描述統計 %

作物不同品種間籽粒氮磷鉀含量差異性不同，反映了不同品種需肥特點的差異[12]。從表3可以看出，籽粒中鉀和氮含量都呈現出了較大的變異性，其變異系數分別為30.69%，24.60%，表明不同品種之間鉀和氮含量差異較大；籽粒中磷含量的變異系數相對較小，其變異系數為10.96%。不同谷子品種在同樣養分狀況下，籽粒中養分含量有不同的差異，這也反映出它們之間的遺傳差異性。篩選出含氮磷鉀高的谷子品種，不僅是提高養分利用效率的途徑，也是獲得高品質谷子材料的重要依據。

2.3 谷子產量與籽粒氮磷鉀含量相關性分析

將谷子產量與籽粒中氮磷鉀含量進行相關性分析，結果列于表4。由表4可知，供試的19個谷子品種產量與籽粒中氮含量呈顯著負相關，相關系數為-0.498 9，而與磷、鉀含量均未達顯著相關，說明谷子氮營養吸收是影響其產量的重要因素，谷子籽粒中氮素主要以蛋白質的形式存在[13]，籽粒中氮素含量是影響谷子品質的重要因素。谷子籽粒的蛋白質含量在主要的禾谷類作物中最高，谷子對氮素的需求量較大，合理增施氮肥，不僅可以提高品質，也可以達到增產的效果[1]。

表4 產量與籽粒氮磷鉀含量相關性分析

2.4 基于3個品質指標的19個谷子品種聚類分析

基于籽粒中氮磷鉀含量，對19個谷子品種采用歐式最長距離法進行聚類分析。由圖1可知，當閾值為1.68時，19個谷子品種可以聚為2大類，第 1 類包含 10 個品種，分別為 1，5，6，7，8，9，10，12，15，19 號，第 2 類包含 9 個品種，分別為 2，3，4，11，13，14，16，17，18 號，第 1 類品種籽粒中氮、磷、鉀含量相比第2類普遍較高。當閾值為1.00時，第1類品種可以分為2個亞類，第1個亞類為1，8，9，10號，第 2 個亞類為 5，6，7，12，15，19 號，其中，第 2 亞類籽粒中氮含量明顯高于第1亞類，而磷、鉀含量差異不明顯。

2.5 基于產量和5個農藝性狀的19個谷子品種聚類分析

根據所測定6個農藝性狀指標的數據，利用SPSS軟件采用歐式最長距離聚類法對山西省的19個谷子品種進行了聚類分析（圖2）。從圖2可以看出，當閾值為6.31時，19個谷子品種可聚類為2大類，第 1 類包含 13 個品種，分別為 1，2，3，4，5，7，8，9，10，11，12，13，16 號；第 2 類包含了 6 個谷子品種，分別為 6，14，15，17，18，19 號，這些品種的穗粗、單穗質量、穗粒質量與產量相較于第1類來說普遍較大，又以單穗質量、穗粒質量與產量明顯優于第1類。當閾值為3.15時，第2類谷子品種可以分為2個亞類，第1個亞類有3個品種，分別為6，15，14號，這些品種表現在穗長較長；第2個亞類有3個品種，分別為17，18，19號。進行系統聚類時，都會以一個或多個指標作為主導因素，綜合分析可得，聚得的第2類谷子品種在產量和其他農藝性狀上表現更優。

3 討論

通過選取山西省19個谷子品種，并對谷子產量及籽粒中氮、磷、鉀含量進行描述統計和聚類分析，結果表明，不同品種之間的部分遺傳性狀有較大差別，特別是單穗質量與穗粒質量，其中，穗粒質量是作物高產的決定因子[14]。不同谷子品種籽粒中氮的含量也有較大差別，磷和鉀含量差異不明顯。谷子籽粒中的氮主要以蛋白質形式存在，谷子蛋白質含量較高，平均含量為12.71%，最高可達20.82%[15]，這說明谷子品種的品質和產量受氮素影響較大，這與谷子籽粒中氮含量與產量呈顯著相關相吻合。本研究供試材料是在不施肥的條件下自然生長，在土壤養分背景值一定的前提下，谷子可吸收利用的氮素是有限的，所以產量越高，籽粒中氮素質量分數越低，但整體氮素含量不低，相反，產量低的整體氮素含量較低，這還可能與它們的養分利用效率有關。籽粒中磷含量的變異系數較小，與其他指標的相關性也不顯著，這可能是與谷子成熟時，植株全磷含量主要集中在籽粒中有關。郝紅波等[16]研究表明，磷素的施入未增加谷子秸稈和籽粒中的磷含量，所以，磷不是限制谷子生長與產量的主要因素。谷子籽粒中鉀含量的變異系數較大，但與其他指標沒有顯著相關，這與山西省土壤鉀養分較為豐富有關[17]，又因為在谷子成熟時，鉀素主要集中在秸稈中，因而影響谷子籽粒中鉀含量的多少主要是由品種之間的遺產差異性造成的[16]。因此，篩選性狀穩定的優質的谷子種質資源，不能單一用產量或營養元素衡量，需要結合起來作進一步的分析。

目前，對谷子品種進行聚類分析的研究報道較多。本研究利用產量和3個養分指標將山西省19個谷子品種聚為2大類，其中，第2類的大部分養分指標表現更優，而第1類在各個養分指標反映上都較差，這反映出不同品種的谷子對養分吸收利用的效率不同，以此篩選出具有高效利用養分效率的谷子品種，是提高谷子品質的重要途徑。利用6個農藝性狀可以聚為2大類，第2類的穗粗、單穗質量、穗粒質量相較于第1大類來說普遍較大，其產量也明顯優于第1類，與絕大多數谷子聚類分析研究相似[18-19]，這反映出不同品種之間的遺產性差異。綜合分析營養特性與農藝性狀指標，將谷子的高養分特性與優良農藝性狀表現相結合，是獲得高產優質谷子品種的新思路。

4 結論

本研究表明，供試的山西省19個不同谷子品種的農藝性狀和籽粒氮磷鉀含量變異系數存在較大差異，集中在10.96%～54.12%，其中，以谷子籽粒中磷含量（10.96%）為最低，變異系數最大的是產量（54.12%）。對供試的19個谷子品種的產量與籽粒中養分含量的相關性分析得出，產量與籽粒中氮含量之間呈顯著負相關，氮素是影響谷子品質與產量的重要因素。通過聚類分析，綜合分析營養元素、農藝性狀指標得出，15號（大同27號）、19號（長農36）為相對較好的品種。

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