《Journal of Agriculture and Food Research》：Optimizing planting elevation and matching suitable varieties to improve the growth and yield of
Coix
编辑推荐：
为解决薏苡（Coix lachryma-jobi L.）产量受品种与环境互作制约的问题，本研究在贵州兴仁市选取1100、1300和1500 m三个海拔梯度及四个薏苡品种开展两年田间试验。结果显示，在1300 m海拔种植兴仁小白壳品种（Xingren Xiaobaike）可显著优化农艺性状并实现高产稳产，其产量最高（2023年达5905.50 kg·hm?2）。研究首次应用PLS-SEM揭示了不同海拔下农艺性状通过有效穗（ES）、千粒重（1000-GW）及穗粒数（NG）对产量的间接效应路径，为薏苡的栽培区划与品种选择提供了科学依据。
在贵州的崇山峻岭之间，生长着一种古老而珍贵的禾本科作物——薏苡。它既是药食同源的佳品，具有抗癌、降血糖、保肝利脾等诸多药理功效，也是当地重要的经济来源。贵州以其独特的喀斯特地貌和显著的立体生态气候闻名，薏苡的核心产区兴仁市更被誉为“中国薏苡之乡”。然而，这片土地的复杂性也为薏苡的稳定生产带来了挑战。薏苡的种植广泛分布在海拔1000到1500米之间，海拔的变化带来了温度、光照、降水等一系列环境因子的改变，这些变化像一只“看不见的手”，深刻影响着薏苡的生长周期、株高、分蘖乃至最终的籽粒产量。与此同时，不同薏苡品种间的遗传差异巨大，它们的生长周期、农艺性状和产量构成也各不相同。如何在这立体多样的环境中，为不同“脾性”的薏苡品种找到最适宜的“家”，从而实现高产稳产，一直是困扰农学家和种植者的难题。以往的研究虽然注意到了海拔和品种各自的影响，但对于二者如何协同作用于薏苡的生长发育，以及如何量化关键农艺性状对产量形成的具体贡献路径，尚缺乏系统、清晰的认识。为了解决这些核心问题，一项旨在阐明不同薏苡品种的海拔适应性、分析农艺性状与产量关系的研究在贵州兴仁市展开。
为了系统回答上述问题，研究人员设计并实施了一项为期两年的田间试验。研究地点位于贵州省兴仁市下山镇苦森青村下洒革组（25°32′ N， 105°16′ E）。试验选取了1100、1300和1500米三个海拔梯度，并选择了四个在地区广泛推广种植的薏苡品种作为试验材料，它们分别是贵州兴仁市的地理标志保护品种兴仁小白壳（A）、云南的本地品种文薏2号（B）、河北的早熟品种安国薏苡（C）以及云南的主栽品种师宗黑壳（D）。试验采用完全随机区组设计，每个海拔点种植四个品种，每个品种设置三个重复。研究人员运用了多种关键的农学调查与分析方法。首先，通过规范的田间观察记录了薏苡的完整生育期（WGP）及各阶段时间。其次，系统测定了主要的农艺性状，包括分蘖数（NT）、株高（PH）、茎粗（SD）以及在抽穗期的叶面积指数（LAI）。第三，利用根系扫描仪（Epson Expression 11000XL）结合WinRHIZO软件分析，量化了不同生长阶段的根系形态指标，如总根长（RL）、根表面积（RS）等。第四，通过分期取样和烘干称重法，测定了薏苡不同器官的干物质积累（TDM）及其分配比例。第五，在收获期测定实收产量，并考种分析了有效穗数（ES）、穗粒数（NG）和千粒重（1000-GW）等产量构成因素。最后，研究引入了一种先进的多元统计模型——偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM），用于量化不同海拔下，农艺性状、根系形态、干物质积累等潜在变量如何通过产量构成因子直接影响或间接影响最终籽粒产量（GY），从而揭示其中的关键影响路径。所有数据使用SPSS进行方差分析，使用Origin进行图表绘制和相关性分析。
3.1. 生长过程
研究结果显示，薏苡的生育进程在不同海拔和品种间存在显著差异。总体上，随着海拔升高，薏苡的全生育期（WGP）显著延长。在两年试验中，1500米海拔的WGP最长（分别为181.33天和174.00天），比1100米海拔延长了23.92%和12.56%。这种延长主要归因于播种-出苗、分蘖-拔节和拔节-抽穗天数的增加。就品种而言，A（兴仁小白壳）和B（文薏2号）品种在各生育阶段及全生育期均长于C（安国薏苡）和D（师宗黑壳）品种，其中C品种的全生育期最短。
3.2. 农艺性状
分蘖数（NT）随海拔升高呈显著下降趋势，在1500米海拔达到最低。这可能与高海拔的低温抑制了分蘖芽的萌发和生长有关。C品种在各个海拔都表现出最强的分蘖能力。株高（PH）、茎粗（SD）和抽穗期叶面积指数（LAI）则呈现先增后减的抛物线趋势，在1300米海拔达到峰值。例如，开花后30天，1300米海拔的株高和茎粗分别比1500米高23.64%和9.17%。这表明1300米海拔可能提供了光合作用和干物质积累的最佳温光资源组合。A、B、D品种的PH、SD和LAI均显著高于C品种。
3.3. 根系形态
薏苡的根系形态在不同生长阶段、海拔和品种间存在差异。在拔节期，根系指标随海拔升高呈下降趋势。但在开花后30天，1300米海拔的根表面积（RS）、根平均直径（RAD）和根体积（RV）达到最高，分别比最低值高出16.42%、20.86%和27.90%。这说明在生长中后期，1300米海拔的环境条件最有利于维持和扩展根系功能。品种间比较，A、B、D品种的根系形态指标普遍显著优于C品种。
3.4. 干物质积累与分配
薏苡的干物质积累随生长进程逐渐增加，但其积累量和分配率因海拔和品种而异。在收获期，1300米海拔的全株总干物质积累量（TDM）最高，达到8582.33 kg·hm?2。更重要的是，其籽粒干重（2847.78 kg·hm?2）和分配率（33.92%）也均为最高。品种A在收获期的TDM最高，比最低的品种C高出130.21%；品种D的籽粒干重最高；而品种C的籽粒干物质分配率最高，但因其TDM过低，最终籽粒干重并不高。
3.5. 产量、产量构成及稳产性
薏苡的籽粒产量（GY）随海拔升高呈先增后减的趋势。在两年试验中，1300米海拔的产量均为最高，分别达到3968.60 kg·hm?2（2022年）和5905.50 kg·hm?2（2023年），比1100米最低产量高出31.03%和49.01%。在四个品种中，品种A的产量在两年均表现最高。产量构成分析表明，有效穗数（ES）在1100米和1300米较高，穗粒数（NG）在1500米最高，而千粒重（1000-GW）在1300米最高。产量稳定性分析显示，1300米海拔的产量变异系数（CV）最低、可持续产量指数（SYI）最高，表明在此海拔下产量最稳定、可持续性最好。品种A也表现出最高和最稳定的产量。回归分析证实CV与SYI呈显著负相关。
3.6. 相关性分析
相关性热图显示，生长性状与产量的关联模式在不同海拔下存在差异。分蘖数（NT）与产量呈负相关，可能由于无效分蘖增多抑制了其他部分的生长和产量形成。株高（PH）、茎粗（SD）、LAI以及总干物质（TDM）在三个海拔均与产量呈显著正相关。值得注意的是，在1300米海拔，大多数生长性状与CV负相关、与SYI正相关，说明此海拔下的生长更有利于产量稳定。
3.7. PLS-SEM（偏最小二乘结构方程模型）
PLS-SEM模型清晰地量化了不同海拔下各因素对产量的直接和间接影响路径。模型对产量变异的解释度（R2）在1100、1300和1500米海拔分别达到0.67、0.90和0.86。分析发现，农艺性状主要通过影响产量构成因子（ES、NG、1000-GW）间接地对产量产生强烈影响，尽管其直接效应有时为负。具体而言，在1100米海拔，农艺性状主要通过促进有效穗数（ES，路径系数0.75）来间接影响产量；在1300米海拔，则主要通过提升千粒重（1000-GW，路径系数0.61）来发挥作用；而在1500米海拔，增加穗粒数（NG，路径系数0.66）成为农艺性状影响产量的关键间接路径。在所有海拔下，千粒重（1000-GW）对产量均显示出最显著的直接正效应。
研究结论与讨论部分深刻总结了本项工作的发现与意义。研究表明，在贵州省兴仁市，于1300米海拔种植兴仁小白壳（Xingren Xiaobaike）品种，能够有效协同薏苡的多种农艺性状与产量构成因子，从而实现高产和稳产。这一最优组合的发现，为当地薏苡的种植规划与品种选择提供了直接、科学的实践指导。
本研究最重要的贡献之一，是首次将PLS-SEM模型应用于解析薏苡产量形成的复杂路径。模型结果揭示，尽管在不同海拔环境下，关键的限制因子和影响路径有所不同——低海拔（1100米）侧重有效穗数的形成，中海拔（1300米）依赖籽粒灌浆充实（千粒重），高海拔（1500米）则更关注每穗结实数量（穗粒数）——但有一条规律贯穿始终：千粒重（1000-GW）对产量有着最显著的直接正效应；而农艺性状（如株高、茎粗、叶面积等）则通过调控不同的产量构成因子，发挥着最强有力的间接效应。这清晰地展示了薏苡为适应不同海拔环境而采取的差异化产量构建策略。
此外，研究还从干物质积累与分配、根系形态发育等角度，深化了对海拔-品种互作机制的理解。1300米海拔之所以成为“黄金海拔”，是因为其提供了适中的日均温和较高的日照辐射，这种环境组合最有利于光合作用、干物质生产及其向籽粒的高效转运，同时促进中后期根系的维持与功能扩展，从而为高产稳产奠定了全方位的生理生态基础。相比之下，早熟品种C虽然籽粒分配率高，但整体生物量积累过低，导致最终产量最低，这提示在品种选育和栽培中，需平衡“源”（光合生产能力）与“库”（籽粒储存能力）的关系。
该研究的发现对于提升薏苡产业的生产水平具有明确的参考价值。未来，值得在其他薏苡产区验证该模型的普适性。同时，作为重要的药食同源作物，薏苡的药用价值（如薏苡籽油、甘油三酯等活性成分）是其核心价值所在。因此，一个自然而重要的延伸方向是探究在本研究确定的高产栽培模式下，薏苡的药用品质成分是否也能得到同步优化，即能否实现“高产”与“优质”的协同提升，这将是连接栽培研究与产业价值的关键一环。本研究已为解答这一更深层次的问题奠定了坚实的基石。本论文发表于《Journal of Agriculture and Food Research》。
