干旱半干旱区谷子多点试验产量及农艺性状的变化特征

何继红，刘天鹏，2，董孔军，任瑞玉，张 磊，杨天育，3

(1.甘肃省农业科学院 作物研究所，兰州 730070；2.西南大学 农学与生物科技学院，重庆 400716;3.甘肃农业大学 生命科学技术学院，兰州 730070)

作物的遗传改良是受育种方式、种植制度、气候条件等多因素影响的缓慢进化过程[1-2]，综合分析多年育种数据，对未来育种目标及资源利用具有重要意义[3]。甘肃省中东部黄土高原半干旱雨养区是中国谷子西北主产区的重要组成部分[4]，同时谷子作为甘肃省中东部农业生产中的特色作物之一[5]，选育适合于该生态区高产、稳产的谷子新品种对区域经济发展起着重要的作用。而依据多年数据对甘肃谷子方面系统研究，仅有曹玲等[6]进行了多年多点气候因素变化对甘肃省谷子产量的影响，发现谷子产量随气温增高而提高，气候暖干化严重影响谷子产量，气候变暖有利于谷子产量增加，提出针对甘肃省未来气候继续暖干化的趋势，应进一步扩大谷子种植面积、调整谷子种植结构，同时，要根据不同气候类型区域、不同气候年型选种不同特性的品种，采取不同的栽培措施。但适合于多个气候类型的谷子品种的选择育成，由于对选择指数、特定性状遗传率及不同性状间的相关性进行系统研究费时费力[7]，育种家根据育种目标的不同，通常选择作物的少数几个关键性状，决定入选和淘汰状况。谷子是一种抗逆性强、耐瘠薄、适应性广的严格自花授粉作物[8-9]，经过系统选育后，产量低、稳定性差、表现型不理想的株系均会被淘汰，但进入多点试验的株系均是综合性状优良的品系，经过1 a至2 a的全省多点试验，由于气候因素的不稳定，会使一部分品系的优良性状基因得不到充分表达，而遭到淘汰。本试验依据甘肃省半干旱区7 a的多点试验产量和农艺性状数据结合代表试点的降雨及气温变化，分析比较谷子多点试验参试品系的产量及农艺性状变化特征，为今后谷子育种提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料来自于2011年至2017年甘肃省农业科学院作物研究所会宁试验站谷子育种中鉴定和品比试验产量表现优异的稳定品系。

1.2 试验地区及气象资料

试验地区从甘肃省西部张掖地区到东部庆阳地区，跨纬度2°31′，跨经度7°28′，其中平凉地区(崆峒区、泾川县、灵台县、静宁县)布4个点，定西地区(安定区、陇西县、通渭县)、庆阳地区(镇原县、环县、合水县)各布3个试点点，天水地区(甘谷县、秦安县)布2个试点，张掖地区(民乐县)、武威地区(凉州区)、白银地区(会宁)各布1个试点，张掖和武威地区有灌溉条件，在谷子孕穗期灌水60 m3/667m2，其余地区均无灌溉措施。其中通渭、会宁和环县试点2011-2017年的降雨及气温资料详见图1。

图1 谷子多点试验三点降雨量及气温变化Fig.1 Rainfall and temperature changes at three sites in the multi-site experiences of foxtail millet

1.3 试验设计

各试验点均采用单因素随机区组设计，重复3次，同批材料种植2年，除2015年陇西试点和2016年泾川试点小区面积分别为13.4、12 m2外，其余各年个点小区面积均为10 m2，2015、2017年陇西试点和2015年环县试点的种植方式为全膜覆盖穴播，行距30 cm，穴距10 cm，其余试点均采用露地条播，行距30 cm，株距8～10 cm，留苗数均为2.5万株/667 m2，3叶期间苗，5叶期定苗，抽穗期搭网防治鸟害。

1.4 性状测定

成熟后各处理每小区随机取样10株，而后收获测产，并参照文献[10]分别对株高、主茎粗、主茎节数、主穗长、单株穗质量、单株粒质量、千粒质量7个性状进行室内考种，以3次重复平均值作为各处理性状指标和产量的代表值。

1.5 数据分析

采用Excel 2010整理数据，采用SPSS 17.0进行配对分析、方差分析及相关分析，采用最小显著差数法(LSD)进行多重比较，采用Pearson法进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 谷子多年多点试验的产量变化特点

表1显示，甘肃省谷子多点试验试点布点数及经度、纬度范围有逐年增多增大的趋势，有利于鉴定和评价谷子参试品系的稳产及广适性，为全国区域试验提供优良品系。2011年7个试点中，产量变幅为69.3～375.6 kg/667m2之间，最低产出现在平凉泾川，最高产在武威凉州区；2012年产量最大值为644.5 kg/667m2，最小值为95.6 kg/667m2，分别出现在天水秦安和定西安定；2013年各参试品系产量变幅为138.2～470.4 kg/667m2，最高产出现在定西通渭，最低产出现在白银地区甘谷县；2014年产量变幅为91.1～414.2 kg/667m2，最高产同样出现在定西地区通渭县，最低产在平凉地区灵台县；2015年产量变幅为146.7～555.6 kg/667m2，最大值出现在武威凉州区和平凉合水县，最小值在庆阳环县；2016年产量变幅为104.7～456.5 kg/667m2，最高产在平凉泾川，最低产在定西地区陇西县；2017年最高产为593.4 kg/667m2，最低产为84.0 kg/667m2，分别在定西地区陇西县和白银地区会宁县。从2011-2017年的产量变幅可以看出，产量最大和最小值在不同试点均有分布，且同一批参试品系在相同试区，年际间产量变幅较大，说明所选试点年际间气候因素变化较大，有利于选育出广适性、稳定性谷子品种，亦间接反映出参试品系生态适应性整体稳定性相对较弱。

2.2 谷子参试品系的增产潜力分析

除对照品种外，2011至2017年参试品系有28份，每2年为1个周期。与对照(CK)相比较， 2011年增产地区超过参试地区50%的品系为0，有‘ 9725-4-1-1’、‘9527-4-1-1’在白银试区产量为215.0 kg/667m2、261.0 kg/667m2，分别增产29.3%、56.9%，‘025-3-1-2’在庆阳试区产量为229.0 kg/667m2，较对照增产23.3%，其余品系在不同试区增产均小于10%，且68.0%的品系在不同试点表现减产；2012年63.3%的品系在不同试区表现增产，其中73.7%的品系增产显著的高于对照(CK)，‘9725-4-1-1’在5个试区表现增产，‘9527-4-1-1’‘025-3-1-2’‘9610-1-8-2-2’在4个试区表现不同程度的增产，‘9201-1-4-6-1-4’仅有3个试区增产，从2011-2012年一个周期的多点试验可以看出，2年间不同参试品系的产量变化较大，但增产品系表现出较好的稳定性；2013年不同试验区59.5%的参试品系与对照相比较表现增产，其中48.0%产量显著的高于对照；2014年52.4%的参试品系与对照比较增产，其中27.3%产量显著的高于对照(CK)，且增产品系均出现在不同试区，2年间，‘9614-6-4-1-1’在2013年6个试区中均表现出增产，且在50%的试区产量显著的高于对照品种，但在2014年仅在2个试区表现增产，说明该品系对气候变化较敏感， ‘032-1-1-1’‘9413-13-2-2’‘0410-4-2-1’在2013年的4个试区表现增产，而在2014年‘032-1-1-1’‘0410-4-2-1’‘9427-2-1-1-1-1-2-2’在4个试区表现增产，而‘9413-13-2-2’仅有一个试点增产，此外，‘021-3-1-2’在2年间均有3个试区增产，占参试地区的50%，‘026-4-1’在2年间增产试区均未超过50%，说明多数品系的区域适应性较弱；2015-2016年，‘9410-4-2-2-1’均有增产试区占参试试区的66.7%，有较好的稳定性，‘029-5-5-3’增产试区达50%，亦有较好的生态适应性，其他参试品系2年间增产试区变化较大；2017年仅有‘9411-6-2-1’增产试区达71.4%，占参试区的50%。综合2011-2017年的多点试验，参试品系整体生态适应性较弱，年际间产量表现一致性较差。

2.3 谷子参试品种(品系)年际间产量对比分析

依据2年间同一品种(品系)的产量数据，经配对分析(表3)，2011-2012年，包括对照品种‘陇谷6号’(CK)，均表现出减产，参试品系相对于对照品种表现出更高的减产幅度，但因同一品系年际间在不同试区产量表现一致性较差，相关系数及配对分析结果均不显著；2013-2014年参试7个品系产量一致性较好，‘026-4-1’‘9614-6-4-1-1’‘032-1-1-1’‘9427-2-1-1-1-1-2-2’产量显著相关，且对照和7个品系配对分析结果显示，两年间存在显著差异，说明2013-2014年7个参试品系年际内在不同试区产量表现较一致。2015-2016年参试6个品系同2011-2012年参试品系表现出相似的结果，说明2011-2012和2015-2016两轮多点试验参试品系同一试区不同年间产量差异较大。

表3 谷子多点试验两年间同一品系或品种产量相关分析和t测验Table 3 Correlation analysis and t test of yield of the same line or cultivar between two years

年际Year品种(品系)Cultivar(line)统计参数 Statistical parametes相关系数Correlation coefficient差数平均值Difference mean value标准差Standard deviation差数标准误Standard error of differencet值 t value2011-20129725-4-1-1-0.75 -167.6 164.1 73.4 -2.28 025-3-1-2-0.10 -121.6 188.9 84.5 -1.44 9201-1-4-6-1-4-0.32 -149.6 199.4 89.2 -1.68 9527-4-1-1-0.64 -139.4 164.5 73.6 -1.90 9610-1-8-2-2-0.57 -142.1 168.5 75.4 -1.89 陇谷6号 Longgu 6(CK)-0.47 -93.3 200.2 89.5 -1.04 2013-2014026-4-10.83∗ 83.4 57.7 23.6 3.54∗ 9614-6-4-1-10.82∗ 94.7 65.9 26.9 3.52∗ 032-1-1-10.87∗ 76.3 49.2 20.1 3.80∗ 9413-13-2-20.74 98.3 88.1 36.0 2.73∗ 0410-4-2-10.76 82.1 64.6 26.4 3.11∗ 021-3-1-20.61 71.9 67.7 27.7 2.60∗ 9427-2-1-1-1-1-2-20.87∗ 65.3 51.3 21.0 3.12∗ 陇谷11号 Longgu 11(CK)0.82∗ 69.9 62.7 25.6 2.73∗ 2015-20169410-4-2-2-1-0.21 62.4 161.7 72.3 0.86 0412-1-2-10.03 94.9 145.1 64.9 1.46 0210-1-2-20.49 79.9 132.0 59.0 1.35 0412-4-50.29 76.7 141.5 63.3 1.21 029-5-5-30.32 74.7 128.1 57.3 1.31 0416-2-1-1-10.13 84.8 156.5 70.0 1.21 陇谷11号 Longgu 11(CK)0.44 76.4 126.2 56.5 1.35

注：“*”表示相关性和t测验在0.05 水平上差异显著。下同。

Note:“ *” in the table indicate significant difference in correlation analysis andttest at 0.05 level.The same below.

2.4 谷子产量与降雨量及气温间的关系

分别选取了甘肃中东部无灌溉条件且以露地条播为种植方式的4个试验点，进行谷子全生育期(4-9月)月降雨、月平均气温与其当年参试谷子材料产量的相关分析。表4结果显示定西地区通渭试点，2012年8月份气温与谷子产量显著正相关，在平凉地区崆峒试验点表现出同样的结果，但均与气温负相关，说明降雨和气温对谷子产量有相反的作用。2013年通渭试点8、9月份降雨与产量显著正相关，8、9月份降雨均在60 mm左右(图1)，说明8、9月份适量的降雨极大地促进谷子增产，在2015年9月份会宁试点降雨不足50 mm的情况下(图1)，谷子产量表现出与降雨量显著正相关，但与气温负相关， 2014年7月份通渭试点产量与气温显著负相关，但与降雨量正相关，而8、9月份产量与气温显著正相关，但与气温负相关，这与2017年庆阳地区环县试点表现出相似的结果，在2015、2016、2017年通渭、会宁、崆峒和环县试点也表现出类似的结果，进一步说明降雨和气温对谷子产量起着相反的作用，特别是不同月份降雨量的剧烈增加或较少，相应地出现气温较大幅度的降低或提高，同时表现出试验区降雨量分布与谷子生育进度需水要求不相吻合，成为共同影响谷子最终产量形成较大的气象因素。

2.5 谷子参试品系主要农艺性状变化特征

图2显示，2011至2017年参试品系的株高与主穗长、主穗直径与主茎直径及单株草质量变化趋势基本一致，2011至2017年呈“w”式变化特征，单株穗质量、单株粒质量、千粒质量及出谷率4个性状变化趋势均呈 “∽”型变化特征，而主茎节数变幅为11～13，呈逐年缓慢下降趋势，原因可能与试区气候因素、品系血缘及人为选择因素相关，但总体上没有显著的表型变化特征，说明2011-2017年谷子多点试验参试材料的表型选择没有特异性，缺乏明显的株型选择效应，应加强适合高产、机械化育种需求的理想株型种质资源的开发、利用和创新。

表4 谷子产量与月降雨量及月平均气温的相关分析Table 4 Correlation analysis between grain yield and monthly rainfall and monthly average temperature

图2 多点试验谷子主要农艺性状变化Fig.2 Changes of the main agronomic traits of foxtail millet in multi-site experiment

3 讨 论

3.1 谷子多点试验产量变化特征

2011-2017年谷子多点试验产量变幅为 69.3～593.4 kg/667m2，变异极大，最低出现在2011年平凉地区泾川县，种植方式为露地条播，最高产出现在2017年定西地区陇西县，种植方式为全膜露地穴播，研究者发现覆膜栽培因其显著降低了生育期内的土壤蒸发、加强了土壤深层水分的利用和生理性蒸腾，改善了作物生育前期的土壤水热环境，调节了作物不同生育时期的耗水强度，能极大地提高作物产量和水分利用效率[11-12]，而2017年陇西试点所有参试品系产量变幅为464.5～593.4 kg/667m2，普遍呈现出较高的产量，说明栽培方式极大地影响谷子多点试验的产量结果，张艾英等[3]在对2005-2015 年西北春谷中晚熟区谷子育成品种的评价中，同样指出通过鉴定的品种在产量提高上发挥的作用不大，而单产提高可能与气候或者栽培环境因素关系更大。甘肃省中东部半干旱区多点试点相对集中，农业生态环境差异及气候因素多样性不及全国谷子区域试验，所选多点试验品系仍出现产量变幅在年际内同一试点不同品系间、年际间不同试点同一品系及年际间同一试点同一品系产量均存在较大差异的现象，这与试点的降雨分布极不均匀相关，如通渭、会宁、环县2013年7月分别出现较高的降雨量，但2013年3个试点的产量分别为329.0～444.6 kg/667m2、260.0～313.4 kg/667m2、396.5～470.4 kg/667m2(表1)，非2013年最高试区，而最高产区在有灌溉条件的武威凉州试点，参试材料产量为402.2～468.3 kg/667m2，且变幅较小，这也在2017年会宁(84.0～159.8 kg/667m2)、环县(138.0～222.0 kg/667m2)试点8月份的极端降雨中得到了验证，说明试验点降雨分布与谷子生育进度需水要求吻合度低，是影响产量的主要因素，而3个试点的气温变化相对较小，但表现出极端降雨月份气温明显将低，也间接地影响谷子产量。此外，还可能与参试材料所用亲本遗传基础狭窄、育种方式单一、不同点间管理方式不一致、土壤地力差异较大等因素相关。说明应加强育种亲本种质资源的创制和深度研究，丰富亲本类型，根据育种目标采用多方法的育种技术，提高育种水平[13]，同时规范多点试验田间管理及制定一定的土壤地力指标。

3.2 谷子多点试验农艺性状变化特点

数量性状是受基因型、环境因素及基因型和环境因素互作多重因素的影响[14-15]， 2011-2017年谷子多点试验考察10个主要农艺性状均为数量性状，依据多个品系的均值变化特征，反映出谷子多数性状间有相似变化特征的现象，穗长是谷子营养生长末期叶原基停止分化，茎尖生长锥分化发育成穗器官[16-17]的重要指标，研究者发现株高与穗长有一定的同伸关系，而关于单株穗质量、单株草质量在谷子研究中更是密切相关[18-19]，营养生长是生殖生长的基础，单株草质量作为衡量谷子营养生长的重要指标，与生殖器官单株穗质量指标相关性显著[20]，在本研究中亦得到相似结论，此外，单株穗质量、单株粒质量变化趋势相似，但主茎节数的逐年缓慢减少与株高的变化没有明显相似性，说明所选品系多年来株高变化不明显，而茎节数较少，说明节间长度变长，不利于品种的抗倒伏性，因此，应加强谷子理想株型育种，注重培育抗非生物胁迫和适应机械化收获的品种。