谷子在我国有着悠久的栽培历史, 据山西夏县发掘的谷子化石来看距今约有五到十万年左右。在内蒙古兴隆沟遗址发现了距今近8000多年的谷子炭化颗粒^[3], 距今7000多年的河北磁山文化、河南的裴李岗文化遗址也都发现了谷子遗迹, 西安半坡遗址中发现的谷粒, 也证明至少在5000~7000年前我国就已对谷子进行了栽培。对谷子最早的文字记载出现在3000多年前的甲骨文中, 《尔雅》等古籍也都有对谷子的记载, 到了周朝已经出现了不同谷子品种的描述。不过当时是以糜子的栽培为主, 但到战国时谷子的生产就超过了糜子, 而且从战国到南北朝谷子的生产一直居于粮食生产首位, 在此期间稻、麦种植也不断扩大^[4], 之后因为稻、麦种植面积的持续扩大, 谷子的地位不断下降, 特别是从明朝开始, 随着玉米(Zea mays)、甘薯(Dioscorea esculenta)等高产作物的引进, 谷子在粮食中所占的比重急剧下降。建国前谷子仍是华北地区的主要栽培作物, 播种面积有1000万h m25, 但种植面积持续萎缩, 近年基本稳定在80~100万hm²左右。

对谷子的起源地目前虽然还没有形成较统一的意见, 但经过对河北武安磁山遗址、河南裴李岗遗址、西安半坡遗址、山西夏县西荫村遗址、青海乐都柳湾遗址、甘肃永靖大何庄遗址等多处遗址的考古, 证明黄河流域是粟作农业起源的重要中心, 到新石器时代晚期谷子已经广泛分布于东北、新疆、甘肃、云南及台湾各地^[6]。商周时期人们已经发现了谷子种植的适宜区域, 并作出了详尽的描述, 《周礼· 职方氏》^[6]云:“ 豫州, 其谷宜五种:黍、稷、菽、麦、稻。兖州, 其谷宜四种:黍、稷、稻、麦。雍州, 其谷宜黍、稷。幽州其谷宜三种:黍、稷、稻。冀州, 其谷宜黍、稷。并州, 其谷宜五种。” 也就是今天的河北、山西、河南北部、山东西部、陕北、甘南、宁夏一带, 之后谷子的种植也主要集中在这些地区, 直到现在这些地区仍然是谷子的主要和优势产区。谷子在各时期的种植范围及在粮食生产中地位的具体变化如表1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 中国各时期谷子种植面积和地位变迁 Table 1 Millet planting situation in China 时期 Period 项目 Item 种植阶段 Stage 时间(约公元) Time 分布地区 Distribution area 在粮食生产中的地位 Position in grain production of China 史前粟作时期Prehistoric 新石器早期Early Neolithic Age 前10000-7000 10000-7000 BC 内蒙古、河北Inner Mongolia and Heibei 开始驯化。Begin domestication and cultivation. 新石器中期Middle Neolithic Age 前7000-5000 7000-5000 BC 山东、河南(含上)Shandong and Henan (contain above) 栽培水平已明显提高。Cultivation level increased significantly. 新石器晚期 Late Neolithic Age 前5000-3500 5000-3500 BC 陕西、山西、新疆、青海、云南、台湾、东北(含上)Shaanxi, Shanxi, Xinjiang, Qinghai, Yunnan, Taiwan, Northeast (contain above) 广泛分布, 北方主粮。Widely distributed and become the main food in the north of China. 史前 Prehistoric 前3500-2100 3500-2100 BC 全国(中原为主)大部分地区Most parts of China and mainly in Central Plains 北方地区主粮, 中原地区第一粮食作物。Main crop in northern China and the first crop in the Central Plains. 传统粟作时期Ancient period 起源 Begi-nning 商周时期 Shang and Zhou Dynasties 前2100-1000 2100-1000 BC 全国(黄河中下游流域为主)Nationwide and mainly in the lower and middle reaches of Yellow River 北方地区主粮, 整体上与糜子相当, 种植面积进一步扩大。Main food in northern China, status is equal to proso millet, area continues to expand. 春秋战国 Spring-autumn States 前1000-200 1000-200 BC 全国(以黄河流域为主)Nationwide and mainly in the reaches of Yellow River 北方主粮, 位居五谷之首, 与豆、麦并重。Main crop in northern China and rank first in crops. 发展 Spread 秦汉时期 Qin and Han Dynasties 前200-后300 200 BC-AD 300 全国(北方为主)Nationwide and mainly in the north of China 五谷之首, 种植面积继续扩大。The first crop and the area continues to expand. 兴盛 Heyday 晋南北朝 Wei and Jin Dynasties 300-600 AD 300-600 全国Nationwide 北方最主要的粮食、南方主要粮食之一, 稻、麦占比开始上升。The first crop but the proportion of rice and wheat is increasing. 停滞 Plateau 隋唐 Sui and Tang Dynasties 600-1000 AD 600-1000 北方North of China 南方以水稻为主, 北方谷子、麦为主。Millet and wheat is the main crop in North China and rice in south. 衰退 Decline 宋代 Song Dynasty 1000-1300 AD 1000-1300 北方North of China 有一定推广, 但南稻北麦格局已形成, 主要在北方种植, 占比不断减小。Planting patterns of rice planted in the South and wheat planted in the North have been formed. The proportion of foxtail millet continues to decrease. 明清时期 Ming and Qing Dynasties 1300-1900 AD 1300-1900 北方(西北为主)North and mainly in northwest of China 玉米、甘薯等高产作物引进, 谷子面积进一步萎缩, 仅作为部分地区主粮。With the introduction of high-yield crops such as corn and sweet potato, the area of millet further shrunk, only as staple food in some areas. 现代 Modern 衰退 Decline 新中国 New China 1949- AD 1949- 河北、山西、内蒙古及周边地区Heibei, Shanxi, Inner Mongolia and periphery 面积萎缩, 退出主粮地位, 成为主要杂粮。The area continued to shrink, is no longer the main grain crops. Note: Archaeological results were used as reference for millet planting area in prehistoric millet planting period. 注:史前粟作时期谷子种植地区以考古结果作为参考。

表1 中国各时期谷子种植面积和地位变迁 Table 1 Millet planting situation in China

1.2.1 谷子在古代政治、经济地位 “ 民以食为天” , 解决吃饭问题是中华民族发展过程中永恒的主题, 谷子作为古代粮食生产中的重要部分, 对于国家的长治久安和社会的繁荣安定有着重大的意义。《春秋》:“ 他谷不书, 至于麦、禾不成则书之” , 就是其他的作物都没有记载流传下来, 但小麦(Triticum aestivum)和水稻(Oryza sativa)收成不好就要记录下来; 《管子· 治国》:“ 粟多则天下之物尽至矣” , 更有“ 粟之于世, 为国为家之宝” 的盛誉, 足见谷子在维持国家粮食安全中的地位和作用。谷子抗旱耐瘠薄, 在古代广为种植, 又因其耐储藏的特点成为了国家主要的税收来源和储备粮食, 郑注有“ 九谷尽藏, 以粟为主” 之说; 建国后发掘的始建于隋朝的含嘉仓, 在160号窖中就保存谷子达25万kg之多^[7]。

从商周到明清虽然占比不断下降, 但一直都有谷子作为税赋的记录。谷子通过税赋、购买等多种形式流入国家粮仓, 又主要以官俸、军粮、赈粮等形式流出^[8], 其中官俸、军粮占比最大。古代农业生产对自然灾害的抵抗能力比较弱, 灾荒时常发生, 《旧唐书· 食货志》^[8]中就记载了“ 是冬岁, 河南府谷贵人流, 令以含嘉仓粟七万石出粜” 的情形。官员、军队是维护国家安全和统治者地位的重要工具, 荒年粜粮赈灾是稳定民心防止社会动乱的主要方式, 因此谷子在古代不仅是一种重要的粮食, 还对维护国家的安全、社会的稳定、统治者的地位发挥着不可替代的作用。除了作为税赋、地租等形式参与经济活动外, 谷子在动乱时期还曾作为货币直接参与经济活动, 在《管子》、《晋书》、《隋书》中均有以谷子作为标准换取其他物质的记载。

1.2.2 谷子在古代文化中的地位 谷子作为农耕文明的重要组成部分, 某种程度上决定了古代人的生产与生活方式^[9]。除了其食用和政治经济功能以外, 还以丰富的意象频繁地出现于各类文学作品和文化习俗之中。早在《诗经》中就已经出现, 此后秦、汉各代也作为各种情感的寄托频频出现。唐朝的诗作如同繁星, 包含谷子的作品也是数不胜数, 最为今人所熟知的则要数唐代诗人李绅的《悯农》, “ 春种一粒粟, 秋收万颗子” 、“ 锄禾日当午, 汗滴禾下土” 两首。除了文学作品, 许多的典故、成语、俗语当中也包含谷子^[10], 如“ 黄粱一梦” , “ 沧海一粟” , “ 陈芝麻烂谷子— — 陈年往事” 。在古代一些重要的场合仪式, 谷子也是不可缺少的, 在祭祀时供奉谷子寓意五谷丰登, 作为随葬品寓意死者在死后也不会挨饿。至今一些地区在举行结婚仪式时仍需要谷子, 寓意幸福平安、丰衣足食。可以看出在古代谷子已经深深地融入了人们的生活之中, 渗透到了各个方面, 成为了生活中不可或缺的一部分。

中国古代先民就发现了合适的土壤和耕作方式对作物的生长有巨大的影响。《史记· 周本纪》^[6]中就描述了周族祖先“ 相地之宜, 宜谷者稼穑焉” 的情形, 到了春秋战国时期更是强调“ 五谷不宜其地, 国之贫也” (《管子》)^[11], 可以看出当时人们对土壤选择的重视。《禹贡》^[11]则按土壤色泽、性质进行了分类, 排出九州不同地区土壤肥力高低的顺序, 并指出荆扬二州地势低洼不宜种谷, 而北部、中部各州“ 黄白土宜禾” 。以后各代都在此基础上对谷子适宜种植区的划分不断细化, 逐渐形成了谷子种植的传统优势区。

在种植制度方面, 《齐民要术》中注意到了茬口对于谷子种植的影响, “ 凡谷田, 绿豆、小豆底为上, 麻、黍、胡麻次之, 芜菁、大豆为下” ^[11], 而且发现了“ 谷田必须岁易” 等谷子忌连作的特性。谷子与小豆等通过间作、轮作来提高产量和调节地力的种植模式也开始出现。明清时期, 还出现了谷子和小麦套作的方式, 提高了光、热等能源的利用率, 促进了粮食产量的增加。谷子和其他作物混作的记载则很少。

《吕氏春秋· 辩土篇》^[12]中对谷田土壤的耕整提出了“ 稼生于尘, 而殖于坚者” , 即整地达到上虚下实, 才能有利于保墒和谷子幼苗生长的要求。秦汉时期开始注意耕整地的时间, 多熟制也开始应用。到了南北朝时期《齐民要术》^[12]中总结出了一整套以抗旱、保墒为中心的耕整方法技术体系。明清时期人们对耕作的认识有了重大的突破, 已经认识到了水、肥、气、热等土壤肥力的构成要素, 形成了更加科学完善细致的耕作理论和技术体系。

2.2.1 种子处理和播种技术 商周时期人们就意识到了谷子播前选种对于高产的重要性, 《诗经· 大雅》^[6]中提到了“ 种之茂黄, 实方实苞” 的选种方法, 就是在收获的谷粒中挑选色泽明亮、大且饱满的籽粒作为种子。南北朝时种子的纯度开始被重视, 而且为了减少混杂还创造性地提出了“ 种子田” 的方法进行种子生产。这一时期还发明了种子的“ 浮选” 法, 来去除秕粒和混杂。

秦汉时期总结出了用蚕屎、羊粪混合附子等拌种来促进谷子生长减少病虫害发生的方法, 类似于现在的种子包衣技术。南北朝时, 《齐民要术》^[12]中提到了播前晒种, 宋元时发现了通过浸种实现全苗和壮苗的方法。

商周时期, 人们已经发现了播种期对谷子生产的影响, 强调“ 不违农时” 。《吕氏春秋· 审时》^[11]中详细描述了“ 先时” 、“ 得时” 、“ 晚时” 对谷子生长的影响, 《氾胜之书》^[6]曰:“ 种无期, 因地为时, 三月榆荚时雨, 高地强可种禾” , 指出了根据当地气候确定谷子播期的原则。到了南北朝, 谷子的种植技术更加全面, 明确了谷子有春谷、夏谷之分, 《齐民要术》还给出了不同类型谷子品种的播种时间, 清代更是给出了各谷子品种的具体播种月份, 播种方法也更加细致和富有针对性。

就播种方式而言, 商周时期就出现了撒播、点播、条播等多种谷子播种方式。春秋时期随着播种工具的发展和人们对条播优势的认识, 条播已经普遍应用。《吕氏春秋· 辩土篇》^[11]指出了撒播导致的“ 苗窃” 和“ 草窃” 的缺点, 以及适宜的行距、株距的条播“ 正其行, 同其风” 有利于谷子高产。宋元时期总结出了“ 干土寄子” 的抗旱播种方法。除此之外, 汉代《氾胜之书》^[6]中还对播深提出了“ 上有一寸土” 的要求, 《齐民要术》提出根据播种早晚来确定播种量和播深。

2.2.2 中耕及水肥管理 《诗经· 小雅》^[6]记载了商周时人们中耕除草的活动。到了春秋战国人们开始意识到中耕还有抗旱保墒的作用, 到了南北朝时期人们对中耕的认识进一步加深, 认为锄地能抗旱保墒、疏松土壤还能提高谷子的产量与品质, 因此《齐民要术》^[12]更是提出了 “ 锄不厌数, 周而复始, 勿以无草而暂停” 的要求。宋元时开始在锄地过程中对谷子进行培土, 有利于提高谷子抗倒伏的能力。之后明清两代, 中耕依旧强调“ 锄不厌数” , 只是对时间、方式的要求进一步细化。

商周时期人们还有了间苗、留苗的意识, 《吕氏春秋》^[11]记载“ 苗, 其弱也欲孤, 其长也欲相与俱, 其熟也欲相扶, 是故三以为族, 乃多粟” , “ 横行必得, 纵行必术, 正其行, 通其风” 。要求要正其行, 通其风, 每簇留苗三株既不会相互遮盖还能相互扶持, 容易取得高产。宋元以后提倡二次间苗, 间苗的理论也不断科学和细化, 提出了“ 拔苗也, 平地河地皆用之, 雨多时尤要, 山地不须间苗” , 因地制宜的间苗理论。

虽然我国先民很早就有了水肥影响作物生长的意识, 但真正将水肥管理应用于生产要开始于战国时期。战国时主要是通过植物的堆沤来积肥, 到汉代就开始用动物粪便混合植物堆沤粪肥, 南北朝时通过掩杀豆科植物作为绿肥。元代王祯《农书》中第一次出现了肥料的分类方法。明清时有了更加丰富的积肥、施肥方法, 还有了对肥料的热、凉等性质的基本认识。古代所用肥料多是有机肥, 肥效慢, 所以人们虽然有追肥的意识但实际应用不多, 主要还是在耕地时以积肥的形式施用。人们对灌溉的认识虽然较早, 但是由于灌溉条件较差等原因发展一直比较迟缓, 直到宋代以后人们才逐步有了灌溉时期和灌水量的意识^[5]。

2.2.3 病虫害防治 中国谷子的栽培历史就是我国先民在同自然斗争中求生存的过程, 病、虫、草、鸟等灾害伴随着农业的诞生就已经出现。在我国最古老的文献《诗经》^[6]中就记载了商周时期人们同各类害虫斗争的情形, 而且当时已经对害虫有了初步的分类, “ 食心曰螟, 食叶曰螣, 食根曰蟊, 食节曰贼” , 防治方法主要是人工防治。到了春秋战国时期虫草的防治方法就已经多样化了, 包括农业防治、生物防治、药物防治等, 是今天物理防治、生物防治和化学防治的雏形, 也是综合防治的开始。南北朝以前主要是通过合理的耕作方法(深耕)、种植制度(混合种植)以及简单的药剂来减少病虫危害。到了南北朝时期, 《齐民要术》^[12]中记载了谷子抗虫品质14个, 免鸟害品种24个, 说明这一时期人们已经开始抗性品种的选育, 并通过抗性品种的种植来减少虫、鸟的危害。人们对病害的认识则相对较晚, 到了明清时期人们才认识到了谷子病害, 主要是通过除去病株的方式进行防治, 没有形成更为有效地防治办法。

2.2.4 收获技术 古代对谷子的收获也极为重视, 而且为了减少不必要的损失历代都主张早收、快收, 《汉书· 食货志》^[6]形容“ 收获如寇盗之至” , 《齐民要术》:“ 熟速刈, 干速积” , 还指出了及时收获的重要性:“ 刈早则伤镰, 刈晚则穗折, 遇风则收减, 湿积则稿烂, 积晚则耗损, 连雨则生耳” 。对于判断成熟的方法不尽相同, 既有通过谷子自身特征如“ 芒叶张黄, 捷获之无疑” 判断的方法, 又有通过其他生物判断的经验“ 谷成时, 穗上多谷牛牛” 。谷子脱粒的技术最开始是揉搓, 再到后来的碾压、敲打, 像连枷这种在战国时就已出现的敲打工具部分地区至今仍在使用。

2.2.5 谷子储藏技术 谷子在中国古代能居“ 五谷之首” 与其耐储藏的特性有很大的关系, 也形成了“ 五谷尽藏, 以粟为主” 的粮食储存观念, 并且总结出了一系列行之有效的储藏方法。从储藏方式来看最开始是窖、窦等地下储藏, 后来转到地上改用仓、廪, 但后者多为官用, 民间储量小, 大多仍采用地下窖藏。从储藏条件来看, 《齐民要术》“ 湿积则稿烂, 积晚则耗损, 连雨则生耳” 指出了谷子储藏时含水量过高容易霉烂, 晾晒时间过长会过多的损耗, 遇连阴雨会发芽。储藏期间还要注意谷堆的通风, 王祯《农书》中就记载了一种“ 谷盅” 的工具专门用来谷堆透气。历代都对谷子储藏的方法条件不断改进, 减少虫、鸟、水、火等对谷子储藏的危害。表2总结归纳了谷子栽培过程中, 各项技术开始出现应用的时期。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 中国古代谷子各项农作技术出现时期 Table 2 The emergence period of millet cultivation techniques in ancient China

表2 中国古代谷子各项农作技术出现时期 Table 2 The emergence period of millet cultivation techniques in ancient China

2.3.1 良种繁育技术 史前时期对于谷子品种选育虽然没有记载, 但通过考古发现, 此时谷子的籽粒大小已和现代栽培品种相近^[13], 因此可以肯定在更早的时候人们就已经开始了谷子品种的选育。商周时期主要是通过挑选色泽明亮、大而饱满的籽粒来进行选种。西汉之前一直沿用粒选法选种, 《氾胜之书》“ 取禾种择高大者, 斩一节下, 把悬高处, 苗则不败” 开始了穗选法选种^[6]。到了东汉“ 生于常类之中而有诡异之性, 则为瑞矣” 。“ 嘉禾生于禾中, 与禾中异穗, 谓之嘉禾” , “ 试种嘉禾之实, 不能得到嘉禾, 恒见粢粱之粟, 茎穗怪奇” , 意思就是种下嘉禾的种子, 不一定能够长出嘉禾, 而经常见到的粢、粱这类一般谷物, 有的茎穗长得很奇异(《论衡· 讲瑞篇》), 反映了先民们对谷子遗传变异的认识^[14], 也是更加科学的品种选育的开始。南北朝时开始混合选种类似于今天的集团选育, 并建立“ 种子田” 专门进行种子的繁育, 形成了整套的谷子育繁种技术体系。到了明清时期育种技术取得了进一步突破, 清代时单株选择法即系选法已经被熟练应用, 而且在《康熙几暇格物编》^[6]中进行了详细的描述。

2.3.2 品种选育 虽然商周以前没有对谷子品种的记载和描述, 但从选种标准来看高产已经作为当时品种选育的指标, 而到了商周时期据《诗经》记载, 人们对谷子已经有了基本的分类, 并开始有意识的按照不同方向进行选择。春秋战国时期, 《管子· 地员》^[6]中就记载有谷子品种12个, 且有秫、粱之分, 其中秫为“ 黏粟” , 粱“ 好粟也” , 可见这一时期品种选育的目标已包括优质。到汉代对谷子的分类进一步增多, 南北朝时《齐民要术》中记载谷子品种86个, 并分为“ 早熟, 耐旱, 熟早免虫” 、“ 耐风, 免雀暴” 、“ 中柦大谷” 、“ 晚熟、耐水” 四类, 86个品种中包括易舂品种3个, 说明在高产优质的育种目标基础上又多了高效、易加工等指标。据《救荒简易书》记载, 到了明清时期人们开始注重谷子品种在整体上的表现, 也就是说高产、高效、优质并行的育种理念在这一时期已经初步形成。图1展示了各时期主要的育种技术及目标, 在科学的育种理论指导下, 谷子育种工作迅猛发展, 到新中国成立时普查确定的谷子品种多达16000多个^[15]。

图1

Fig.1

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	图1 各历史时期谷子良种选育技术及目标Fig.1 Breeding techniques and objectives of millet varieties in different historical periods

对谷子的命名在最早的文献中就已经出现。《诗经》中就有稷、糜、芑、粱、重、穋、稙、穉等谷子品种的记载, 其中糜是指红色的谷子, 芑是指白色的谷子, 粱指穗大又好吃的谷子, 重指晚熟品种, 穋指早熟品种, 稙指早播品种, 穉是晚播品种, 此时的命名主要是根据谷子的外形、品质、生育特性来进行。到了南北朝时期谷子品种逐渐增多, 仅根据谷子的一些特征已经不能满足命名的需求, 《齐民要术》就对当时谷子的命名情况进行了简单概括, “ 多以人姓字为名目, 亦有观形立名, 亦有会义为称” , 说明当时开始流行以人名对谷子品种命名。以后各时期的命名方式也基本如此, 只是随着谷子品种数量的快速增加命名也更加随性。

在古代小米的食用方法主要包括烤(炒)、煮、蒸、酿造等。烤是最早的食用方式, 《艺文类聚· 食物部》^[8]引考古史说“ 神农时, 民方食谷、释米加烧石上而食之” , 说明在远古时代古人已把谷子加工成小米, 再经过炙烤后食用。商周时期开始通过蒸、煮等方法加工小米, 而且在煮粥时通常会加入蔬菜、肉等, 类似于现在的蔬菜粥。在汉代以前的文献中, 常见“ 膏粱” 、“ 粱肉” 、“ 稻粱” 的称呼, 由此可见, 古人视粟不仅能食饱度命, 而且与稻、膏、肉等同看待, 把粟列为五谷之首, 作为美好食物的代表。通过古籍中对小米各类做法的详尽描述, 对中华民族“ 吃货” 的历史可见一斑。除了作为粮食食用以外在商周时人们就以小米为原料通过发酵来酿酒、醋。此后随着人口流动性的增加, 人们还发展出了速食、方便的加工食用方法。

谷子还是传统的粮饲兼作型作物, 谷子种植除了能获得籽粒外还能收获大量的谷草和谷糠。谷草和谷糠营养丰富、适口性好是北方地区重要的饲草来源。古代称谷草为“ 秣” , 《诗经· 小雅》“ 乘马在厩, 摧之秣之” 可见早在商周时人们就已经把谷草作为饲料了^[6], 此外谷粒还是牲畜重要的精饲料。到了秦汉时期人们已经发展出了用谷子养马的精细方法“ 以谷萎马, 致莁(wú , 饲草)中” 。在《齐民要术》还有用谷糠、谷米养猪、鸡、鸭等的详细论述。

现代医学证明谷子营养丰富具有较好的养生保健功能, 在古代人们虽然没有直接证明其有效成分, 但是已经广泛地将其应用于疾病治疗和身体调养。《神农本草经》中对小米的药性就做了详细的描述: “ 味咸, 微寒。主养肾气, 去胃、脾中热, 益气。陈者, 味苦, 主胃热, 消渴, 利小便” , 其养肾益气、去热消渴的功效很早就已被古人认识。到明代人们对谷子的药性认识更加的全面, 《本草纲目》中不仅指出了小米的药性还给出了药方、禁忌以及粟蘖、粟糖等其他部位的药用价值。小米还有很好的调养身体的作用, 大病初愈者、哺乳期妇女和婴儿可食用小米粥。

目前我国谷子的播种面积大致在80万hm², 约占我国粮食播种面积的0.5%, 总产量180万t, 占我国粮食总产量的0.3%左右, 平均单产2500 kg· hm^-2。虽然谷子种植面积不大, 但依然广泛分布于我国20多个省区, 河北、山西、内蒙古、辽宁、陕西、河南等省份面积较大。据统计, 2015年全国谷子种植面积83.9万hm², 其中山西省22.7 hm², 内蒙古19.7 hm², 河北14.8 hm², 三省面积占到全国的70%, 产量占全国总产的65%, 单产最高省份有新疆、安徽和吉林, 分别为:5026、4690和4305 kg· hm^-2, 分别高出全国平均产量115%、100%、84%^[16]。从地区分布来看, 谷子种植主要集中于华北、东北和西北地区东部, 从降水量来看谷子产区主要分布于400~800 mm降水线之间半湿润地区的中东部。

由谷子种植历史发展的过程可以看出, 在前期谷子从起源地开始随着人口的流动迁徙不断向外传播, 之后因为小麦、水稻、玉米等高产作物的种植以及农业机械化水平的不断提高, 种植面积被不断挤压又逐渐退回自己的优势区域。由图2可以看出, 2000年以来谷子种植面积仍然持续下滑, 最近几年有所回升。据统计, 2015年种植面积较2014年增长8.7%, 2016年与2015年基本持平。随着生活水平的提高, 人们开始追求食物的多样化和养生功能, 小米与目前的口粮(大米、小麦) 相比, 营养更加丰富, 具有一定的食疗食补作用, 可以充分满足消费者对食品的营养保健要求, 而且消费者也表现出很高的消费意愿^[17]。作为谷物类杂粮中消费人群比例(89.23%)最高的品种, 在未来谷子的需求量会不断增加。

图2

Fig.2

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	图2 我国谷子种植面积变化(2000-2015) 数据来源于中华人民共和国国家统计局。Fig.2 The area of millet cultivation in China (2000-2015) Data from the People’ s Republic of China National Bureau of Statistics.

近年来气候的变化导致华北地区降水减少, 作物种植北界呈现出南移的趋势, 如雨养冬小麦-夏玉米稳产的种植北界, 大部分区域由于近年来该区降水量减少而向东南方向移动^[18]。适宜区种植概念的提出, 也进一步加快了小麦、玉米等高耗水作物从干旱半干旱地区退出的速度, 取而代之的是谷子等抗旱、耐贫瘠的作物, 这给谷子种植空间的扩大带来了巨大的机遇。农业部《全国种植业结构调整规划(2016-2020年)》^[19]中明确指出, 适当调减“ 镰刀弯” 地区玉米面积, 改种耐旱耐瘠薄的薯类、杂粮杂豆, 满足市场需求, 保护生态环境, 到2020年, 薯类杂粮种植面积达到1533万hm²左右。在需求不断增加, 适宜种植区域扩大, 政策的支持等诸多有利条件的推动下, 谷子种植面积会立足于当前的优势区域并稳步上升, 但由于产量低、机械化生产难度大、饮食习惯等因素, 决定了谷子作为杂粮的角色不会变, 且短期内种植面积也不会过快增加。

尽管谷子已从主粮地位成了“ 小杂粮” , 但在旱区农业发展、种植业结构调整以及食物多样化等方面仍具有不可替代的地位和作用。

谷子抗旱、耐瘠薄, 在北方干旱地区农业生产中仍有重要地位。尽管谷子已经退出了主粮地位, 但在东北、华北和西北地区, 特别是我国的干旱半干旱地区仍然是主要种植作物, 是当地农民的主要经济来源和主要粮食作物^[20]。从未来发展来看, 缺水是制约我国北方地区农业发展的最主要因素。应对降水量逐年减少, 工业生活用水增加, 农业用水不断被压缩, 旱情日益严重的环境条件, 小麦、玉米等高耗水作物种植线会不断南移, 而谷子则作为禾谷类作物中水分利用效率最高的环境友好作物^[21], 具体耗水量如表3所示, 是实现干旱地区农业可持续发展及发展有机农业的首选。此外, 全国范围内都面临着干旱的威胁, 而谷子还有较大的增产潜力, 可以作为应对干旱形势的战略储备作物^[22]。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 谷子与北方主要作物耗水量 Table 3 Water consumption of millet and main crops in North China 项目Item 谷子Millet 高粱Sorghum 小麦Wheat 玉米Corn 发芽需水量占种子重量百分比Water requirement for germination (%) 26 40 45 48 蒸腾系数Transpiration coefficient 257 322 470 510 Note: Data from the literature [22]. 注:数据来源于文献[22]。

表3 谷子与北方主要作物耗水量 Table 3 Water consumption of millet and main crops in North China

随着粮食生产情况和国民饮食结构的变化, 我国粮食生产的结构性矛盾日益突出, 种植业结构急需调整。在保证小麦、水稻等粮食作物产量稳定的条件下, 调减玉米的种植, 发展杂粮生产符合我国新的粮食安全观, 也有利于推动农业供给侧改革。2016年中央一号文件就明确提出要发展优质特色杂粮。2017年2月4日, 农业部全国春管春耕暨种植业结构调整工作会议提出2017年力争调减籽粒玉米面积66.7万hm², 改种大豆和杂粮等作物。随着农业供给侧改革的深化和种植结构的不断优化, 杂粮种植面积会持续扩大。作为我国干旱半干旱地区的主要作物和消费最多的杂粮, 谷子在当前的种植业结构调整的过程中, 发挥着重要作用。

小米等杂粮作物因为具有丰富的营养功能, 对满足当前人们养生保健和食物多样化的需求有着重要的作用。现代居民膳食中脂肪类食物摄入比例增加, 引起了如肥胖等营养性慢性病, 工作节奏快, 生活不规律, 更造成部分人群营养摄入失衡。按照中国居民膳食指南^[23]每日粗杂粮摄入50~100 g的推荐量, 我国居民的杂粮食用量还普遍较低, 适当增加饮食结构中杂粮的比例能很好地缓解一些健康问题。小米作为谷物类杂粮中消费人群比例(89.23%)最高的品种^[24], 在实现健康饮食和满足群众食物多样化需求的过程中, 更有着不可替代的作用。

从谷子种植历史可以看出, 其栽培、育种等各类技术的发展进步都是以人们对谷子及相关事物认识的不断加深为前提, 因此谷子产业未来的发展仍需要以其基础研究进步为支撑。目前, 谷子基因组测序工作已基本完成, 并已经成为世界广泛关注的抗旱耐逆研究和C₄光合研究的模式作物, 但是其研究内容和深度与小麦、水稻等大宗作物相比差距仍然很大^[25]。目前, 谷子的基础研究主要集中于抗旱性、耐盐碱、耐贫瘠和C₄光合作用等基础理论研究, 还包括应用性较强的谷子抗除草剂、抗病等机理的研究。SiNF-YA5、SiNF-YA6等谷子优良基因的发现对提高作物耐盐性和低氮胁迫抗性研究有重大作用^{[26, 27]}, 另外抗除草剂基因、抗病基因的挖掘也取得了进展, 为谷子的机械化和轻简化栽培奠定了基础。优异资源挖掘是谷子品种改良的基础, 挖掘优异基因资源是谷子品种突破的关键。我国拥有丰富的谷子遗传资源, 巨大遗传资源库的深度系统发掘, 能对谷子优异基因发掘研究和优良品种的选育提供基本的信息支持^[28], 提高优良品种选育的效率, 同时对推动其他相关方面的研究也将产生深远的影响。谷子保健功能机理的系统深入研究也有助于谷子产业的发展。

高产优质自古以来就是谷子栽培的重要目标, 也是当前影响农民种植积极性的重要因素^[29]。而谷子多种植于干旱贫瘠地区, 抗旱保墒技术一直是谷子栽培技术研究的核心内容, 如何提高水肥利用效率实现“ 两高一优” 的栽培目标, 仍是将来谷子栽培技术研究的重要方向。张德奇等^[30]用沟垄覆膜集雨技术提高了水分利用效率, 使谷子较露地栽培产量提高79%, 刘启等^[31]还探究了在不同降水条件下该技术的适宜种植密度。高亮等^[32]通过覆膜补灌的方式, 提高水分利用效率10.7%~19.4%, 增产10.1%~18.6%。张艾英等^[33]对春谷最佳氮肥施用量进行了试验, 陈素省等^[34]发现控释肥效果要比普通化肥效果更好, 能提高产量10.4%。在“ 一控、两减、三基本” 发展目标的指导下, 发展有机小米的生产也将是一个重要方向。

在农村劳动力转移以及土地流转政策等因素的影响下, 种植大户、专业合作社不断涌现, 机械化生产和轻简化栽培成为了未来谷子栽培的方向^[35]。针对传统的谷子生产依靠人工间苗除草、不适合机械化作业等问题, 谷子轻简化生产要通过培育简化栽培品种, 研发配套栽培技术、配套机械, 从而实现谷子化控间苗除草、精播免间苗、机械化播种和收获等谷子全过程的轻简化生产。谷子专用除草剂“ 谷友” 在适宜条件下对杂草的总防效达到85%以上。谷子化学间苗的MND制剂能使谷子正常发芽、出苗, 发挥群体顶土作用, 之后在两叶时自行死亡, 实现了化学间苗, 适合谷子联合收获的W70型、1065/1075切流式谷物联合收获机, 总损失率低于5%^[36]。近年来谷子轻简化生产技术的研究和应用, 节省了大量的人力物力, 降低了生产成本, 提高了谷子产量^[37], 也为谷子的规模化生产和产业发展提供了有力的技术支持。

5.3.1 育种技术及发展方向 从谷子的育种发展过程可以看出, 我国谷子育种技术的发展是一个由表型向遗传变异认识不断加深的过程, 有意识的定向选择变异到创造组合的过程。我国谷子的育种技术发展先后经历了最初的粒选、穗选阶段, 20世纪60年代以前的系统选育阶段, 20世纪90年代以前的杂交育种阶段和目前以多种新兴技术为辅助的育种新阶段。由图3显示, 杂交育种技术自产生以来就迅速发展, 并长期居于谷子育种技术的主导地位。90年代以来育种技术更替也比较频繁, 除了传统的杂交育种和系统选育外, 综合了基因技术和计算机等技术的目标基因库育种等新兴育种技术也发展迅速。据统计, 我国已经鉴定编入目录的谷子遗传资源有27059份之多^[40]。巨大的遗传资源库为谷子的育种工作提供了丰富的材料, 也就决定了在今后一段时期内杂交育种仍然是谷子育种的主要手段, 而新兴育种技术因其快速高效的特点也会较快的发展。

图3

Fig.3

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	图3 新中国成立以来各年代不同育种技术所选育品种数 根据文献[38]和[39]整理, 农家种除外, 品种年代以审定或推广年份为准。Fig.3 The number of varieties bred by different breeding techniques since the founding of China The data come from [38] and [39], except for farm species. The year is variety approval or promotion time.

5.3.2 多元化及优质专用是谷子良种选育的目标

图4

Fig.4

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	图4 2003-2014年谷子与几种主要作物的单产 数据来源于国家统计局。Fig.4 Yield of millet and several main crops in 2003-2014 Data from the People’ s Republic of China National Bureau of Statistics.

谷子的育种目标, 从最初的高产到优质, 再到后来的高产、高效、优质并重, 可以看出它是一个逐渐多元化的过程。今后谷子育种的主要方向仍然是高产、高效、优质并重, 但是其内涵会更加丰富, 目标也会更加多元化。在我国高产是粮食作物育种永恒不变的命题, 产量和品质也是当前影响农民谷子种植意愿的重要因素^[29]。由图4可以看出, 谷子单产的增幅远低于三大主粮。在过去的十年间, 小麦的单产增加了33.4%, 谷子只增加了23.8%。要取得谷子更好的发展就必须提高其产量以及在逆境条件下仍能取得高产的能力。高效除了包括传统的较高的水肥利用率以及抗病虫能力, 在机械化和轻简化的大背景下, 优良品种还应该能满足机械化生产和轻简化栽培的要求。优质也不仅是食用价值的好坏, 还应该不断满足人们对小米的多元化需求, 比如, 一些品种的营养价值很高, 但其适口性、商品性如色泽、粒形等需要提高。加工品质也需要不断改善以满足产品多样化的需求。专用型谷子品种的研发, 比如饲草专用品种、高油品种等, 对提高谷子产业的竞争能力, 降低谷子生产的风险有重大意义。

现代科学证明, 小米含有丰富的蛋白质、维生素及多种矿物质。在人体所需的8种氨基酸中有7种显著高于大米、小麦和玉米, 而且部分品种粗蛋白含量超过18%^[41], 谷子各营养成分具体含量如表4所示。小米的各营养物质含量与人体日均摄入需求量的吻合程度也最高^[44], 因此, 谷子是日常饮食的理想选择, 但是单一的粥食方式是小米生产衰退的原因之一, 虽然我国有着悠久的粥食文化, 但其消费量毕竟有限。通过加工技术的进步和加工品质的不断改善, 可以促进小米的食用方式更加多样化、方便化, 如方便粥、方便米饭的研发。除了传统的食用方式, 还可以通过膨化等加工为休闲食品, 吸引更多的年轻消费群体。在产业化的条件下, 为使资源更加充分的利用, 还应积极研发谷子的精深加工产品^[45], 小米糠含脂类20%以上, 蛋白10%以上, 可以作为生产米糠油、米糠蛋白等的原料^[46]。较好的养生保健价值也是当前谷子消费的主要原因, 保健产品的开发也是谷子产业发展的一个重要方向。方便的、丰富的、多层次的产品类型的研发, 将为谷子产业的发展提供持续强大的动力。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 几种主要粮食作物营养成分及必需氨基酸含量 Table 4 Nutritional components and essential amino acid contents of several main grain crop 作物 Crop 蛋白质 Proteins (g· kg-1) 脂肪 Fat (g· kg-1) 维生素E Vitamin E (mg· kg-1) 钙 Ca (mg· kg-1) 铁 Fe (mg· kg-1) 苏氨酸 Threonine (g· kg-1) 缬氨酸 Valine (g· kg-1) 蛋氨酸 Methionine (g· kg-1) 亮氨酸 Leucine (g· kg-1) 异亮氨酸 Isoleucine (g· kg-1) 苯丙氨酸 Phenylalanine (g· kg-1) 赖氨酸 Lysine (g· kg-1) 色氨酸 Tryptophan (g· kg-1) 大米Rice 67.6 11.8 4.6 166.0 30.2 2.8 3.9 1.3 2.6 6.1 3.1 2.6 1.2 小麦Wheat 94.0 19.0 36.0 430.0 59.0 3.3 4.5 1.5 3.8 7.5 4.9 2.6 1.2 玉米Corn 83.8 49.4 - 290.2 34.5 3.7 4.2 1.5 12.7 2.8 4.2 3.0 0.7 小米Millet 106.0 36.8 36.3 218.0 60.0 4.7 5.5 3.0 3.8 14.9 5.5 2.3 2.0 Note: Data from the literature [42-43]. 注:数据来源于文献[42, 43]。

表4 几种主要粮食作物营养成分及必需氨基酸含量 Table 4 Nutritional components and essential amino acid contents of several main grain crop