遮光处理对谷子农艺性状、小米品质及蒸煮特性的影响

田岗， 刘鑫， 王玉文， 刘永忠， 李会霞， 成锴， 王振华， 刘红

(山西农业大学谷子研究所，山西 长治 046011)

谷子起源于中国，已经有数千年种植历史[1]。作为一种抗旱节水耐贫瘠土壤的农作物，谷子是具有较强抗旱性和耐贫瘠性的环境友好型植物，在我国北方干旱和半干旱土地作物区广泛种植[2]。此外，作为山西省农业供给侧结构改革、调整种植产业结构和大力发展优势杂粮的重点项目之一的谷子是喜光作物[3]，光饱和点高，全生育期都需要充足光照[4]。而山西省沟壑纵横，在低洼地带种植的谷子会被部分遮挡光照；加之近些年在农业生产过程中，种植农作物多样化以及恶劣气候等不利的条件都会造成光照强度大幅度下降[5]。在生产实践中，林粮间作具有良好的生态效益，能够充分利用光、热、水、肥等资源。谷子以其较强的抗旱性和耐贫瘠性而成为林粮间作的优选作物之一[2]，而林粮间作势必会对部分谷子植株生长造成遮光影响，因此光照成为林粮间作模式下谷子生长的主要限制因素。

作物的生长发育除受到基因、激素和营养等内部因素的影响以外，光照、温度和水分这些外界环境条件也与作物生长发育息息相关。其中，光作为主要的环境影响因子，对作物生长的间接作用是影响植物的形态建成[6]。目前，关于遮光对作物生长发育的影响已经有大量研究，但多集中于小麦、玉米、大豆、水稻等主要粮食作物上；遮光对谷子的影响研究相对较少[4]。近些年，时丽冉等[2]、祁祥[4]、杨慧杰等[7]对谷子遮光进行了研究，主要集中在对谷子生理特征、农艺性状的研究上；而遮光对小米品质特征及蒸煮特性的研究鲜有报道。本研究在大田中进行试验，选择本地具有代表性的新品种作为试验材料，设置了4种不同程度遮光处理，2年重复试验，系统地研究了遮光逆境对谷子植株干物质量、农艺性状的影响，此外还重点研究了其对小米品质及蒸煮特性的影响，旨在探索在遮光逆境条件下对谷子籽粒产量、品质形成及其生理机制的影响，这对于深化谷子品质生态理论、指导遮光逆境条件下优质谷子新品种的选育与配套栽培调控途径的研究有较为重要的意义[8]。

1 材料与方法

1.1 试验田概况

2018年4月至2019年10月，在位于山西省长治市的山西农业大学谷子研究所试验田内进行遮光试验，海拔929 m(36°12′47.27″N, 113°08′24.76″E)，试验田土壤为石灰质褐土。试验材料为谷子品种长生13，每年5月中旬播种，行距33 cm，密度为45万株·hm-2；田间管理同丰产田。

1.2 试验设计

谷子幼苗在正常光照条件下生长，待进入拔节期用黑色遮阳网人工模拟不同光照强度；用50 cm×9 m黑色遮阳网条带对试验小区进行遮光处理，试验设置4个处理(遮光程度因素记为X1)，分别为A1(正常自然光照，CK)、A2(遮光面积30%)、A3(遮光面积50%)、A4(遮光面积70%)。不同处理架设不同数量的遮阳网条带。试验采用随机区组设计，每个处理种植面积为15 m×9 m，3次重复。

1.3 测定项目及方法

1.3.1干物质量、农艺性状与产量调查 各处理分别于幼苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和完熟期取样。每小区取10株有代表性的植株，样品于105 ℃烘箱杀青30 min后再以80 ℃烘干至恒重称重，然后称取植株的干物质重量并进行相关计算。待谷子完熟后对株高(X2)、穗长(X3)、穗粗(X4)、穗重(X5)、穗粒重(X6)和千粒重(X7)等性状进行调查；调查各小区产量并根据小区面积计算每公顷产量(Y)。

1.3.2SPAD值及小米蒸煮特性测定 采用日本产叶绿素测定仪SPAD-502测定谷子旗叶相对叶绿素含量(SPAD值)。测量时间是在谷子开花后，每6～8 d测定1次，每处理测定10株(为减少误差每个植株旗叶叶片取不同部位测定5次取均值)，取其均值作为各处理SPAD值。

每小区谷子收获后取部分碾米脱壳，用RVA快速黏分析仪(Newport scientific仪器公司)测定小米粉RVA谱特征值及蒸煮特性；小米品质性状的测定送南京卡文思检测技术有限公司检测。为减少误差每小区各检测5次。

1.4 数据处理

采用Excel 2003进行数据整理和作图，SPSS19软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 遮光处理下谷子的农艺性状

遮光处理对谷子农艺性状的影响如表1所示。2年间遮光处理对株高的影响变化趋势基本一致，均是随着遮光程度的增加而减小。在2018年，A1处理显著高于其他3个处理；2019年也是A1处理显著高于其他3个处理；遮光对谷子植株高度造成这一影响结果的具体原因还需要深入研究。遮光对穗长的影响情况为2018年4个处理变化不显著，2019年A1、A2显著高于A4处理，表明遮光对谷穗长度的影响较小。遮光处理对穗粗的影响2年间变化趋势均是随着遮光程度的增加而减小，其中在2018年A1处理显著高于A4处理，而2019年A1处理显著高于其他处理。遮光对穗重、穗粒重的影响变化相类似，两者2年间均是随着遮光程度的增加而减小，表明遮光越严重谷子单株的经济产量会越低。同时随着遮光程度的增加，千粒重也逐渐变小，其中2018年A1处理显著高于其他处理，2019年A1处理显著高于A4处理。产量变化较为明显，2年间变化情况均为A1>A2>A3>A4。其中2018年A1处理与A4处理间的减幅为1 695.11 kg·hm-2，2019年的减幅为1 774.95 kg·hm-2；表明遮光随着程度的增加产量会显著变小。

表1 不同处理下谷子的农艺性状

2.2 遮光处理下谷子的干物质量

单株干物质量的变化情况如图1所示。2018年在抽穗期，单株干物质量随着遮光程度的增加逐渐变小，但差异不显著，此时A1处理最大为32.82 g。在灌浆期，单株干物质量也是随着遮光程度的增加逐渐变小，A1处理显著大于A4处理，此时A1处理最大为42.21 g。完熟期同样是随着遮光程度的增加而逐渐变小，各处理大小顺序为A1>A2>A3>A4，各处理差异均显著；此时A1处理最大为64.40 g，A4处理最小为49.15 g。2019年在抽穗期，各处理单株干物质量的变化没有随着遮光程度的增加逐渐变小，这可能是由于前期水肥不均匀造成的。其中，A1处理最大为25.81 g。灌浆期则是随着遮光程度的增加逐渐变小，A1、A2、A3处理均显著大于A4处理，此时A1处理最大为34.23 g。完熟期同样是随着遮光程度的增加而逐渐变小，各处理大小顺序为A1>A2>A3>A4，A1处理显著大于其他处理，A2和A3处理也显著大于A4处理，此时A1处理最大为54.41 g，A4处理最小为45.15 g。这表明随着遮光时间的变长，各处理单株干物质量差异逐渐变大。

注: 同一生育期不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

2.3 遮光处理下小米的蒸煮特性和品质性状

遮光处理对小米品质性状和蒸煮特性的影响如表2所示。峰值粘度变化情况2年均是先增大后减小；2018年、2019年均是A2处理最大，均显著高于其他处理，表明适度遮光有可能会提高小米的峰值粘度。最终粘度2年变化规律不一致，2018年是先减小后增大而后又减小，2019年是先增大后减小，尚不清楚造成这一结果的原因。遮光对峰值时间整体影响较小，2018年A3处理显著大于其他处理，而2019年各处理差异不显著。糊化温度变化情况不规律，2018年A3处理糊化温度最大，而2019年则是A4最大且各处理差异不显著。直链淀粉含量2年变化趋势基本一致，均是先增大后减小并且均是A2显著大于其他处理。胶稠度2年变化趋势均是先增大后减小，2018年、2019年均是A2显著大于其他处理。脂肪含量2年变化情况也是先增大后减小，也均是A2最大。表明适度遮光有可能会提高小米的直链淀粉含量、胶稠度及脂肪，但严重遮光时三者均会减小。粗蛋白含量2年变化情况均是随着遮光程度的增加而逐渐减小，并且均是A1显著大于其他处理，表明遮光会减小粗蛋白含量。

表2 不同处理下小米的品质性状和蒸煮特性

2.4 遮光处理下谷子相对叶绿素含量

不同遮光处理旗叶相对叶绿素变化情况如图2所示。2018年，从遮光处理开始到收获期A1处理的相对叶绿素含量(SPAD值)总体上高于其他处理组，而A2、A3、A4处理波动不规律，是多种因素造成了这一结果，需要进一步研究。A4处理总体上要略小于其他处理，7次调查的平均值大小情况为A1>A2>A3>A4，其中A4处理均值比A1处理减小2.18。2019年，A1处理的相对叶绿素含量明显高于其他处理组，随后是A2、A3、A4处理，7次调查的平均值大小情况为A1>A2>A3>A4，其中A4处理均值比A1处理减小2.68。从2年总体结果来看，相对叶绿素含量的变化趋势是随着遮光程度增大而逐渐变下。

图2 不同处理下旗叶的SPAD值

2.5 不同处理下的产量与遮光因素、农艺性状的相关性分析

由表3可知，2018、2019年产量与遮光处理和农艺性状的相关性变化情况基本一致。谷子产量与遮光程度呈显著负相关，2018、2019年相关系数分别为-0.899、-0.917；说明遮光程度对产量有显著的影响。而产量与穗粗、穗重及穗粒重均成显著正相关，表明谷子的这些农艺性状对产量也有显著影响。另外，2018、2019年遮光处理还与穗重和穗粒重均呈显著负相关，说明遮光程度越大，穗重和穗粒重越小。2018、2019年株高、穗长均与穗重及穗粒重呈正相关，表明随着株高的变大穗重和穗粒重也越来越大，同时穗长越长穗重和穗粒重也越大。此外，穗粗与穗重、穗重与穗粒重均呈正相关。

表3 产量与遮光处理和农艺性状的相关性分析

3 讨论

3.1 遮光对谷子农艺性状的影响

光是农作物生长发育的必要条件，光照强度对植株的生长过程及经济产量均有重要影响[9]。目前，有关遮光对作物株高的研究结果还存在争议，有的表明遮光可导致作物株高的降低[10-11]，有的则相反[12-13]。一般植物对光照强调的反应均是当轻度遮光时，降低茎宽生长并加快茎高生长，以便早日突破遮光的环境；但当遮光程度增大时，则较难对新的光环境作出反应，会表现出黄化现象[14]。推测造成先前研究结果不同的原因是不同作物对遮光逆境的耐受性不同，所表现出的生长情况也不同。谷子不同品种光温反应敏感程度不同，本研究结果显示，遮光降低了长生13植株的株高，但遮光处理与株高变化相关性不显著，推断遮光处理影响了植株的正常发育，但其影响作用有限。遮光因素对不同品种谷子株高的影响并不完全一致，因此，遮光对谷子株高影响还需要深入研究才能得出更加准确的结论。

关于遮光逆境对作物产量的影响，前人已经做了很多研究，总体结果是在遮光条件下喜光作物会减产，喜荫作物会增产[4]。谷子是喜光作物，而本研究中随着遮光程度的增大产量是逐渐下降，而且2年结果均显示遮光因素与产量呈显著负相关，说明本研究中遮光处理显著降低了谷子的产量。本文研究结果显示，随着遮光程度的增大穗粗、穗重、穗粒重均逐渐减小，千粒重也有逐渐变小的趋势，推测随着遮光程度的增加而逐渐减少谷子的穗粗、穗重、穗粒重等性状来减少产量的，这与先前的研究[4]基本一致。

遮光处理对于谷子干物质量的影响结果显示，随着遮光程度增大而逐渐减小的，这与很多作物的研究结果类似[15-16]。推测原因可能是由于遮光处理降低了谷子叶片所能接收到的有效光强，减小叶片上的光合作用强度，影响碳水化合物的合成，从而降低了谷子植株干物质的积累。

3.2 遮光对小米品质及蒸煮特性的影响

作物品质是指收获目标产品所达到某种用途要求的适合度。品质优良是现代农业对作物品种的基本要求，这是由经济的发展和市场的需求决定，作物品种的品质已成为育种的目标[17]。岳海[18]研究认为，随光强的降低，谷子的蛋白质和脂肪含量极显著增加，淀粉和直链淀粉含量显著降低；这与本研究结果有所不同，可能是品种差异引起的。本研究结果显示，谷子籽粒中的峰值粘度、直链淀粉、胶稠度、脂肪含量均是随着遮光程度的增大先变大后变小，其中2年结果均是A2处理最大，说明适度遮光会增加小米的峰值粘度、胶稠度及直链淀粉、脂肪含量比例，这与小麦遮光处理的研究结果部分相类似[19]。造成这一结果推测是由于遮光条件的影响，光照不足导致灌过程中光合产物在籽粒中积累不足，籽粒庇瘦，从而使直链淀粉及脂肪积累相对提高所导致的。峰值粘度、胶稠度的提高可能与遮光处理所导致植株物候期延后有关。同时随着遮光程度的增大谷子的粗蛋白含量是逐渐减小，推测光照不足会减少谷子籽粒中的粗蛋白含量，具体原因仍需进一步分析。

3.3 遮光对相对叶绿素含量的影响

叶绿素是光合作用中最重要的和最有效的色素，其含量在一定程度上能反映植物同化物质的能力[20]。光的强弱直接影响叶绿体光合膜上色素及色素蛋白复合物的形成、含量和分布[21]。前人的研究对遮光处理如何影响农作物叶片叶绿素含量报道不一致。张吉旺等[22]研究显示，玉米遮光后叶绿素的含量显著下降；而郭翠花等[23]的研究则表明，遮光导致了小麦旗叶的叶绿素含量的增加；任万军等[24]研究结果也表明，遮光提高了水稻叶片叶绿素含量。而对谷子的研究也存在不同的结果，祁祥[4]的研究显示，遮阴显著降低了谷子叶片叶绿素含量；而时丽冉等[2]认为，随着遮光度增加谷子叶片叶绿素含量呈先增后降趋势。本研究的结果显示，相对叶绿素含量的变化趋势是随着遮光程度增大而逐渐变小，这与祁祥的研究结果相一致。推断谷子叶片叶绿素的合成与光照强调有密切关系，当光照不足时叶绿素合成受阻，因此造成其含量降低，从而进一步影响产量。

综上所述，遮光处理对谷子品种长生13植株生长过程中的农艺性状、干物质积累、叶绿素含量、小米品质及蒸煮特性都会有重要的影响。随着遮光程度的增加显著降低了谷子穗粗、穗重、穗粒重、单株干物质量和产量；相对叶绿素含量(SPAD值)也是随着遮光程度的增加而降低；而峰值粘度、直链淀粉、胶稠度、脂肪含量均是随着遮光程度的增加而先增后减；另外相关性分析表明产量与遮光程度呈显著负相关，2018、2019年相关系数分别为-0.899、-0.917。因此推断在黄土高原低洼地带的谷子种植应尽量减少其遮光程度以增加产量，而适度的遮光可能会提升该品种的适口感。

本研究的不足之处是只对一个品种做了研究，在后续研究中会增加不同的品种进行比较。但对谷子农业生产及育种仍有很多借鉴作用。在农业生产中应在遮光严重的环境中不建议种植谷子，应当改种喜荫作物，而在遮光不严重的条件下可以种植谷子，减产不大而且品质有保障。另外，建议在今后的传统育种工作中，应将抗遮光逆境作为选育品种的一个考量条件，尽量选育光温反应不敏感的品种，以避免遮光造成的减产及品质下降。