王春梅 ，閆雙堆 ，劉利軍 ，任 倩 ，張乃于

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物工程研究所，山西 太谷 030801；3.山西省環(huán)境科學(xué)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(chǎn)量占世界谷子總產(chǎn)量的90%[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國谷子的種植面積為125萬～152萬hm2，僅次于傳統(tǒng)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(yīng)性廣、營養(yǎng)豐富、各種組分平衡等特點(diǎn)，被認(rèn)為是為了應(yīng)對(duì)未來水資源短缺情況的一種優(yōu)秀的戰(zhàn)略貯備作物，以及建設(shè)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的生態(tài)作物和人類飲食結(jié)構(gòu)調(diào)整、平衡營養(yǎng)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(chǎn)量約占全省糧食總產(chǎn)量的1.8%[5]。谷子籽粒中蛋白質(zhì)含量較高，營養(yǎng)價(jià)值豐富，具有較高的商品潛力[6-7]。

近年來，對(duì)谷子作物種質(zhì)資源分類上的應(yīng)用越來越多，許多學(xué)者對(duì)不同地區(qū)谷子品種農(nóng)藝性狀和營養(yǎng)元素的含量進(jìn)行了主成分分析、相關(guān)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(chǎn)量與農(nóng)藝性狀之間的關(guān)聯(lián)，篩選出較多高產(chǎn)、高品質(zhì)的谷子品種[8-10]。

本研究通過比較山西省19個(gè)谷子品種產(chǎn)量及籽粒中氮、磷、鉀含量方面的差異，采用聚類分析和相關(guān)性分析來研究作物種質(zhì)資源的差異分類，以篩選出能高效利用氮、磷、鉀養(yǎng)分的谷子品種，實(shí)現(xiàn)氮、磷、鉀資源高效利用與高產(chǎn)的統(tǒng)一，為山西省谷子資源高效利用提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試的山西省不同地方谷子品種共19個(gè)，由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)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(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院試驗(yàn)站。試驗(yàn)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(yàn)方法

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)品種為1個(gè)處理，共19個(gè)處理，小區(qū)面積為15 m2（5 m×3 m），區(qū)距50 cm，行距30 cm，行長3 m，每個(gè)小區(qū)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(jìn)行田間管理，9月20日收獲考種。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

谷子成熟后對(duì)全部谷子進(jìn)行考種并測(cè)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(cè)定籽粒中氮的含量；采用礬鉬黃比色法測(cè)定籽粒中的磷含量；采用火焰光度法測(cè)定籽粒中鉀的含量。并計(jì)算每個(gè)品種的平均值（%）[11]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用SPSS24.0軟件針對(duì)19個(gè)谷子品種的農(nóng)藝性狀及營養(yǎng)元素進(jìn)行相關(guān)性分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 品種間各農(nóng)藝性狀差異分析

19個(gè)谷子品種的各個(gè)農(nóng)藝性狀描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表2。從表2可以看出，單穗質(zhì)量與穗粒質(zhì)量的變異系數(shù)較高，分別為50.08%，52.67%；不同谷子品種產(chǎn)量差異較大，最高產(chǎn)量為706.16 g/m2，而最低產(chǎn)量為450.41 g/m2，變異系數(shù)也達(dá)到最大水平，為54.12%；穗長、穗粗、千粒質(zhì)量的變異系數(shù)在10%～25%，變異程度相對(duì)較小，以單穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量與產(chǎn)量之間的差異最明顯。

表2 各個(gè)農(nóng)藝性狀描述統(tǒng)計(jì)

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(tǒng)計(jì) %

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(diǎn)的差異[12]。從表3可以看出，籽粒中鉀和氮含量都呈現(xiàn)出了較大的變異性，其變異系數(shù)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(shù)相對(duì)較小，其變異系數(shù)為10.96%。不同谷子品種在同樣養(yǎng)分狀況下，籽粒中養(yǎng)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(yǎng)分利用效率的途徑，也是獲得高品質(zhì)谷子材料的重要依據(jù)。

2.3 谷子產(chǎn)量與籽粒氮磷鉀含量相關(guān)性分析

將谷子產(chǎn)量與籽粒中氮磷鉀含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果列于表4。由表4可知，供試的19個(gè)谷子品種產(chǎn)量與籽粒中氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.498 9，而與磷、鉀含量均未達(dá)顯著相關(guān)，說明谷子氮營養(yǎng)吸收是影響其產(chǎn)量的重要因素，谷子籽粒中氮素主要以蛋白質(zhì)的形式存在[13]，籽粒中氮素含量是影響谷子品質(zhì)的重要因素。谷子籽粒的蛋白質(zhì)含量在主要的禾谷類作物中最高，谷子對(duì)氮素的需求量較大，合理增施氮肥，不僅可以提高品質(zhì)，也可以達(dá)到增產(chǎn)的效果[1]。

表4 產(chǎn)量與籽粒氮磷鉀含量相關(guān)性分析

2.4 基于3個(gè)品質(zhì)指標(biāo)的19個(gè)谷子品種聚類分析

基于籽粒中氮磷鉀含量，對(duì)19個(gè)谷子品種采用歐式最長距離法進(jìn)行聚類分析。由圖1可知，當(dāng)閾值為1.68時(shí)，19個(gè)谷子品種可以聚為2大類，第 1 類包含 10 個(gè)品種，分別為 1，5，6，7，8，9，10，12，15，19 號(hào)，第 2 類包含 9 個(gè)品種，分別為 2，3，4，11，13，14，16，17，18 號(hào)，第 1 類品種籽粒中氮、磷、鉀含量相比第2類普遍較高。當(dāng)閾值為1.00時(shí)，第1類品種可以分為2個(gè)亞類，第1個(gè)亞類為1，8，9，10號(hào)，第 2 個(gè)亞類為 5，6，7，12，15，19 號(hào)，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(chǎn)量和5個(gè)農(nóng)藝性狀的19個(gè)谷子品種聚類分析

根據(jù)所測(cè)定6個(gè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)的數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件采用歐式最長距離聚類法對(duì)山西省的19個(gè)谷子品種進(jìn)行了聚類分析（圖2）。從圖2可以看出，當(dāng)閾值為6.31時(shí)，19個(gè)谷子品種可聚類為2大類，第 1 類包含 13 個(gè)品種，分別為 1，2，3，4，5，7，8，9，10，11，12，13，16 號(hào)；第 2 類包含了 6 個(gè)谷子品種，分別為 6，14，15，17，18，19 號(hào)，這些品種的穗粗、單穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量與產(chǎn)量相較于第1類來說普遍較大，又以單穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量與產(chǎn)量明顯優(yōu)于第1類。當(dāng)閾值為3.15時(shí)，第2類谷子品種可以分為2個(gè)亞類，第1個(gè)亞類有3個(gè)品種，分別為6，15，14號(hào)，這些品種表現(xiàn)在穗長較長；第2個(gè)亞類有3個(gè)品種，分別為17，18，19號(hào)。進(jìn)行系統(tǒng)聚類時(shí)，都會(huì)以一個(gè)或多個(gè)指標(biāo)作為主導(dǎo)因素，綜合分析可得，聚得的第2類谷子品種在產(chǎn)量和其他農(nóng)藝性狀上表現(xiàn)更優(yōu)。

3 討論

通過選取山西省19個(gè)谷子品種，并對(duì)谷子產(chǎn)量及籽粒中氮、磷、鉀含量進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)和聚類分析，結(jié)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(zhì)量與穗粒質(zhì)量，其中，穗粒質(zhì)量是作物高產(chǎn)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(zhì)形式存在，谷子蛋白質(zhì)含量較高，平均含量為12.71%，最高可達(dá)20.82%[15]，這說明谷子品種的品質(zhì)和產(chǎn)量受氮素影響較大，這與谷子籽粒中氮含量與產(chǎn)量呈顯著相關(guān)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(yǎng)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(chǎn)量越高，籽粒中氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，但整體氮素含量不低，相反，產(chǎn)量低的整體氮素含量較低，這還可能與它們的養(yǎng)分利用效率有關(guān)。籽粒中磷含量的變異系數(shù)較小，與其他指標(biāo)的相關(guān)性也不顯著，這可能是與谷子成熟時(shí)，植株全磷含量主要集中在籽粒中有關(guān)。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(chǎn)量的主要因素。谷子籽粒中鉀含量的變異系數(shù)較大，但與其他指標(biāo)沒有顯著相關(guān)，這與山西省土壤鉀養(yǎng)分較為豐富有關(guān)[17]，又因?yàn)樵诠茸映墒鞎r(shí)，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(chǎn)差異性造成的[16]。因此，篩選性狀穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)的谷子種質(zhì)資源，不能單一用產(chǎn)量或營養(yǎng)元素衡量，需要結(jié)合起來作進(jìn)一步的分析。

目前，對(duì)谷子品種進(jìn)行聚類分析的研究報(bào)道較多。本研究利用產(chǎn)量和3個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)將山西省19個(gè)谷子品種聚為2大類，其中，第2類的大部分養(yǎng)分指標(biāo)表現(xiàn)更優(yōu)，而第1類在各個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)反映上都較差，這反映出不同品種的谷子對(duì)養(yǎng)分吸收利用的效率不同，以此篩選出具有高效利用養(yǎng)分效率的谷子品種，是提高谷子品質(zhì)的重要途徑。利用6個(gè)農(nóng)藝性狀可以聚為2大類，第2類的穗粗、單穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量相較于第1大類來說普遍較大，其產(chǎn)量也明顯優(yōu)于第1類，與絕大多數(shù)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(chǎn)性差異。綜合分析營養(yǎng)特性與農(nóng)藝性狀指標(biāo)，將谷子的高養(yǎng)分特性與優(yōu)良農(nóng)藝性狀表現(xiàn)相結(jié)合，是獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)谷子品種的新思路。

4 結(jié)論

本研究表明，供試的山西省19個(gè)不同谷子品種的農(nóng)藝性狀和籽粒氮磷鉀含量變異系數(shù)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(shù)最大的是產(chǎn)量（54.12%）。對(duì)供試的19個(gè)谷子品種的產(chǎn)量與籽粒中養(yǎng)分含量的相關(guān)性分析得出，產(chǎn)量與籽粒中氮含量之間呈顯著負(fù)相關(guān)，氮素是影響谷子品質(zhì)與產(chǎn)量的重要因素。通過聚類分析，綜合分析營養(yǎng)元素、農(nóng)藝性狀指標(biāo)得出，15號(hào)（大同27號(hào)）、19號(hào)（長農(nóng)36）為相對(duì)較好的品種。

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