甘肅省不同生態(tài)區(qū)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)小黑麥種質(zhì)的篩選

劉 晶，趙方媛，杜文華，田新會

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心,甘肅 蘭州 730070； 2.青海民族大學生態(tài)環(huán)境與資源學院，青海 西寧 810000)

小黑麥(×TriticosecaleWittmack)是小麥屬(Triticum)和黑麥屬(Secale)植物經(jīng)屬間有性雜交，通過染色體加倍及染色體工程育種得到的新物種，為一年生禾本科植物[1]。小黑麥作為糧飼兼用型飼料作物，不但生物量高、蛋白質(zhì)含量高，而且抗逆性強、適應性廣、對土壤的要求不嚴，同時由于其根系發(fā)達，對氮、磷利用率高，比種植其他牧草節(jié)省水肥[2]。隨著青藏高原高寒牧區(qū)畜牧業(yè)及奶制品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)濟結構的調(diào)整，牧草缺口日益增大[3]。而小黑麥在青藏高原高寒牧區(qū)的生產(chǎn)性能顯著高于黑麥，垂穗披堿草和燕麥[4-5]，所以篩選適宜的小黑麥種質(zhì)對青藏高原高寒牧區(qū)草牧業(yè)發(fā)展具有重要意義。

目前，國內(nèi)外小黑麥研究主要集中在生態(tài)適應性[2,6-9]、農(nóng)藝性狀[10-11]、抗旱性[12-13]、適宜播種期[14]等方面。金濤等[2]通過對單個指標(干草產(chǎn)量、粗蛋白、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維)進行多重比較篩選出小黑麥新品系的適宜種植區(qū)域。趙方媛等[6]綜合不同播種密度下黑麥和甘農(nóng)2號小黑麥的株高、枝條數(shù)、草產(chǎn)量以及營養(yǎng)品質(zhì),得出甘農(nóng)2號小黑麥的生產(chǎn)性能和營養(yǎng)品質(zhì)均優(yōu)于黑麥,在云貴高原具有一定示范推廣價值。代寒凌等[5]研究得出與黑麥、燕麥相比,小黑麥品系C35在該地區(qū)具有較高的生產(chǎn)性能和營養(yǎng)品質(zhì),具有區(qū)域優(yōu)勢,適于推廣種植。劉晶等[8]利用GGE雙標圖研究了小黑麥基因型與環(huán)境互作效應的穩(wěn)定性。王有武等[8]應用灰色關聯(lián)度綜合評價了冬性小黑麥品種區(qū)域試驗。從前人的研究可知，對小黑麥種質(zhì)適應性研究中，多是針對生產(chǎn)性能或者營養(yǎng)價值進行比較。

以對照石大1號小黑麥品種和小黑麥新品系C17、C19、C22、C24和C31為試驗材料，研究其在甘肅省蘭州和合作地區(qū)的生產(chǎn)性能和營養(yǎng)品質(zhì)，并利用灰色關聯(lián)度法進行綜合分析，以期篩選出參試小黑麥種質(zhì)適宜種植的區(qū)域。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

蘭州試驗點位于甘肅省蘭州市甘肅農(nóng)業(yè)大學牧草試驗站，N 36°03′、E 103°53′，海拔1 560 m，年均氣溫7.9℃，無霜期150 d，年均降水量320 mm。土壤類型為栗鈣土，肥力均勻，土壤有機質(zhì)2.3 g/kg，堿解氮90.05 mg/kg，速效磷7.36 mg/kg，速效鉀172.8 mg/kg，pH 7.35。前茬作物為混播牧草，有灌溉條件。小黑麥播種日期為2016年3月26日和2017年3月14日。

合作試驗點位于合作市蘭州大學干旱與草地教育部重點實驗室高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)定位站。地理位置N 34°57′，E 102°53′，海拔為2 950 m，年平均氣溫3.2℃，無霜期113 d，年均降水量570 mm。高寒草甸土，無灌溉條件。土壤有機質(zhì)78.4 g/kg、全氮1.28 g/kg、速效氮380.25 mg/kg、速效磷96.84 mg/kg、速效鉀45.33 mg/kg、pH 7.55。前茬作物為小黑麥,無灌溉條件。小黑麥播期為2016年4月16日和2017年4月16日。

1.2 試驗材料

供試材料為甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院培育的飼草型小黑麥品系C17(G1)、C19(G2)、C22(G3)、C24(G4)、C31(G5)和石河子大學農(nóng)學院培育的飼草型小黑麥品種石大1號(G6，對照)。

1.3 試驗設計

二因素隨機區(qū)組設計。A為參試小黑麥種質(zhì)，設6個水平，分別為：C17(G1)，C19(G2)，C22(G3)，C24(G4)，C31(G5)，對照石大1號小黑麥品種(G6)；B因素為試驗點，設2個水平，分別為合作點(E1)，蘭州點(E2)。各試驗小區(qū)條播，行距30 cm，播種深度3～4 cm，播量按照750萬苗/hm2計算而得，3次重復，小區(qū)面積5 m×3 m。試驗地周圍1 m種植保護行。播種前施尿素109 kg/hm2，磷酸二銨180 kg/hm2，小黑麥生長發(fā)育期間不再施肥，試驗期間及時中耕除草，灌水2次(拔節(jié)期、抽穗期)。

1.4 測定指標及方法

草產(chǎn)量：開花期進行[14]。測產(chǎn)時，齊地面刈割每個小區(qū)內(nèi)所有植株的地上部分(除去邊行和地頭兩邊的50 cm部分)，稱重，得到鮮草產(chǎn)量。同時取鮮草樣500 g，在65℃～70℃烘箱中烘8 h至恒重，稱重得到干草產(chǎn)量，計算鮮干比。根據(jù)500 g草樣的鮮干比計算每個小區(qū)的干草產(chǎn)量。

枝條數(shù)：開花期刈割前進行。每個小區(qū)內(nèi)隨機選取1 m樣段(邊行除外)，數(shù)取樣段內(nèi)株高高于50 cm的枝條數(shù)量[2,8]。

株高：開花期刈割前進行。每小區(qū)隨機選取10個單株，測量從地面至最高點的自然高度。10株的平均值作該區(qū)小黑麥的株高[2,8]。

營養(yǎng)品質(zhì)：用粉碎機粉碎烘干后的草樣，過1 mm篩子，從混合均勻的草樣中隨機取4份樣品，平行測定各項指標。粗蛋白(CP)含量測定采用凱氏定氮法[15]，中性洗滌纖維(NDF)和酸性洗滌纖維(ADF)含量測定采用范氏的洗滌纖維分析法，干物質(zhì)消化率(DMD)采用人工瘤胃法[15]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)的整理，應用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析[16]。

灰色關聯(lián)分析是對一個發(fā)展變化的系統(tǒng)發(fā)展動態(tài)的量化比較，其基本思想是根據(jù)因素間幾何形狀的相似程度來判斷關聯(lián)程度[9]。關聯(lián)度是反映這種密切程度大小的度量，關聯(lián)度愈大說明因素間變化的勢態(tài)愈接近，其相互關系愈密切。采用灰色系統(tǒng)關聯(lián)度理論[18]，將試驗點×種質(zhì)交互作用下小黑麥的干草產(chǎn)量、株高、枝條數(shù)、CP、ADF、NDF、DMD 7項指標看作一個灰色系統(tǒng)整體。試驗點×種質(zhì)交互作用下小黑麥以X表示，指標以k表示，參考數(shù)列記為{X0(k)，k=1，2，……，m(m=7)}，比較數(shù)列記為{Xi(k)，i=1，2，……，n(n=12)，k=1,2,3,……，m(m=7)}，試驗點×種質(zhì)交互作用下小黑麥的7個指標均選擇最優(yōu)值為最優(yōu)標準品種[17]。

為便于比較和方便，同時保證各指標的等效性和同序性，采用均值化[19]對原始數(shù)據(jù)進行處理，即用比較數(shù)列Xi(k)除參考數(shù)列X0(k)，將數(shù)據(jù)壓在[0，1]區(qū)間內(nèi)，以增加可比性。

根據(jù)公式(1)[18]，計算試驗點×種質(zhì)交互作用每個指標對應αi(k)，αi(k)為xi(k)與x0(k)在第k點的關聯(lián)系數(shù)。

(1)

根據(jù)關聯(lián)系數(shù)：

(2)

2 結果與分析

2.1 生產(chǎn)性能相關指標差異分析

方差分析表明，單因素(試驗點，種質(zhì))間、試驗點與種質(zhì)交互作用間干草產(chǎn)量均存在極顯著差異；單因素(種質(zhì))間、試驗點與種質(zhì)交互作用間株高均存在極顯著差異；單因素(試驗點，種質(zhì))間枝條數(shù)存在顯著差異，需要做多重比較(表1)。

表1 參試小黑麥種質(zhì)干草產(chǎn)量，株高，CP，ADF，NDF和DMD的方差分析

2.1.1 試驗點間小黑麥干草產(chǎn)量，株高和枝條數(shù)的差異 試驗點間多重比較表明，E1(合作點)的干草產(chǎn)量(13.45 t/hm2)顯著高于E2(蘭州點)(13.22 t/hm2)(P<0.05)；E1的枝條數(shù)(655.42萬/hm2)顯著高于E2(611.39萬/hm2)(P<0.05)(圖1)。

圖1 不同試驗點間干草產(chǎn)量和枝條數(shù)的差異Fig.1 Differences of hay yield and branch numbers at different experimental sites

2.1.2 小黑麥種質(zhì)間干草產(chǎn)量，株高和枝條數(shù)的差異 種質(zhì)間多重比較結果可知，參試小黑麥種質(zhì)中，G5的干草產(chǎn)量(15.51 t/hm2)顯著高于其他種質(zhì)(P<0.05)；G1的干草產(chǎn)量(15.08 t/hm2)次之，顯著高于其他4個小黑麥種質(zhì)(P<0.05)；G4的干草產(chǎn)量(11.27 t/hm2)最低，顯著低于其他處理(P<0.05)(圖2)。

G6的株高(152 cm)顯著高于其他種質(zhì)(P<0.05)；G3的株高(114.83 cm)最低，與G4株高無顯著差異，顯著低于其他種質(zhì)。

G5的枝條數(shù)(745.42萬 枝/hm2)最高，與G1的枝條數(shù)(681.25萬 枝/hm2)無顯著差異外，顯著高于其他種質(zhì)；G6的枝條數(shù)(548.33萬 枝/hm2)最低，除與G4的枝條數(shù)(560.42萬 枝/hm2)和G3(598.33萬 枝/hm2)無顯著差異外，顯著低于其他種質(zhì)。

2.1.3 試驗點×種質(zhì)交互作用間小黑麥干草產(chǎn)量、株高和枝條數(shù)的差異 試驗點×種質(zhì)互作效應的多重比較表明，E1G1的干草產(chǎn)量最高(16.78 t/hm2)，顯著高于其他處理(P<0.05)；E1G6的干草產(chǎn)量最低(10.64 t/hm2)，顯著低于其他處理(P<0.05)。E2G6的株高(159 cm)顯著高于其他處理(P<0.05)。E1G5的枝條數(shù)最多(785.83萬/hm2)，顯著高于除E1G1、E1G2、E2G5外的其他處理(P<0.05)(表2)。

圖2 小黑麥種質(zhì)間干草產(chǎn)量，株高和枝條數(shù)的差異Fig.2 Differences of hay yield,plant height and branch numbers among different triticale germplasms

2.2 小黑麥營養(yǎng)品質(zhì)相關指標差異分析

方差分析表明，單因素(試驗點，種質(zhì))間營養(yǎng)品質(zhì)(CP、NDF、DMD)均存在顯著差異；不同種質(zhì)間ADF存在顯著差異；試驗點與種質(zhì)交互作用間NDF含量存在顯著差異，需要做多重比較(表1)。

2.2.1 不同試驗點間小黑麥營養(yǎng)品質(zhì)的差異 不同試驗點間小黑麥營養(yǎng)品質(zhì)的多重比較結果表明，2個試驗點中，E1點小黑麥干草的CP含量(11.61%)顯著高于E2點(9.85%)(P<0.05)；E1點小黑麥干草的NDF(54.83%)含量顯著低于E2(62.93)；E1點小黑麥干草的DMD(64.35%)顯著高于E2(51.10%)(P<0.05)(圖3)。

2.2.2 小黑麥種質(zhì)間營養(yǎng)品質(zhì)的差異 小黑麥種質(zhì)間營養(yǎng)品質(zhì)的多重比較表明(圖4)，參試小黑麥種質(zhì)中，G4的CP含量(12.36%)顯著高于其他種質(zhì)；G3的CP含量(9.24%)顯著低于其他種質(zhì)(P<0.05)。G4的ADF(36.20%)含量最低，與G6(39.14%)，G5(39.23%)和G3(39.41%)無顯著差異，顯著低于G1，G2。G4的NDF(55.38%)含量最低，與G3(57.56%)之間無顯著差異，顯著低于其他種質(zhì)(P<0.05)。G4的DMD含量(63.08%)顯著高于其他種質(zhì)。

圖3 不同試驗點小黑麥營養(yǎng)品質(zhì)的差異Fig.3 Differences of nutritional quality at different experimental sites

圖4 小黑麥種質(zhì)間營養(yǎng)品質(zhì)的差異Fig.4 Differences of nutritional quality among different germplasms

2.2.3 試驗點×小黑麥種質(zhì)交互作用間營養(yǎng)品質(zhì)指標的差異 試驗點×小黑麥種質(zhì)互作效應的多重比較表明，E1G4的NDF含量最低(53.02%)，與E1G2、E1G3、E1G5、E1G6無顯著性差異外，顯著低于其他處理(P<0.05)。試驗點×種質(zhì)互作效應間的CP含量、ADF含量和DMD無顯著差異(表2)。

表2 試驗點×種質(zhì)交互作用的小黑麥干草產(chǎn)量，CP，ADF，NDF和DMD含量的多重比較

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

表3 飼草型小黑麥生產(chǎn)性能和營養(yǎng)品質(zhì)指標間相關性分析

2.3 生產(chǎn)性能和營養(yǎng)品質(zhì)指標間相關分析

根據(jù)飼草型小黑麥生產(chǎn)性能和營養(yǎng)品質(zhì)指標間相關性分析可知，干草產(chǎn)量和枝條數(shù)呈顯著正相關，與ADF呈極顯著正相關；粗蛋白含量與NDF、ADF呈顯著負相關，粗蛋白含量與DMD呈極顯著正相關；NDF與ADF呈顯著正相關，NDF與DMD呈顯著負相關；ADF與DMD呈顯著負相關。

2.4 小黑麥種質(zhì)生產(chǎn)性能與營養(yǎng)品質(zhì)的灰色關聯(lián)度

2.4.1 建立標準品種和供試種質(zhì)的各項性狀 采用灰色系統(tǒng)關聯(lián)度理論，將試驗點×種質(zhì)交互作用下小黑麥的7個指標均選擇最優(yōu)值為最優(yōu)標準品種[17]，根據(jù)生產(chǎn)性能和營養(yǎng)品質(zhì)在小黑麥生產(chǎn)中的重要程度[7-8]，進行各指標的權重分配(表4)。

2.4.2 數(shù)據(jù)標準化處理 采用均值化對原始數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)壓在[0，1]區(qū)間內(nèi)，以增加可比性，處理后的結果用xi(k)[i=1，2，……，n(n=12)，k=1,2,3,……，m(m=7)]，如表5所示。

表4 標準小黑麥的構建及各指標的權重

表5 試驗點×小黑麥種質(zhì)交互作用的生產(chǎn)性能和營養(yǎng)品質(zhì)數(shù)據(jù)的無量化處理

2.4.3 關聯(lián)系數(shù)、關聯(lián)度和權重 根據(jù)公式(1)，計算試驗點×種質(zhì)交互作用每個指標對應關聯(lián)系數(shù)αi(k)，計算結果見表6。將計算結果代入公式(2)，得到試驗點×小黑麥種質(zhì)交互作用的加權關聯(lián)度(表7)?？烧鎸嵎磻┰囆『邴湻N質(zhì)與最優(yōu)標準種質(zhì)的差異大小，關聯(lián)度大，表明該種質(zhì)與最優(yōu)標準品種的相似程度高，反之則低。

在所有試驗點×小黑麥種質(zhì)中，E2G5、E1G1、E2G2和E1G5的加權關聯(lián)度最大，E1G3、E2G1、E1G6、E2G3和的加權關聯(lián)度較小，說明G5種質(zhì)生產(chǎn)性能和營養(yǎng)品質(zhì)的綜合評價值最好，G3種質(zhì)生產(chǎn)性能和營養(yǎng)品質(zhì)的綜合評價值較低(表7)。

表6 試驗點×種質(zhì)交互作用小黑麥生產(chǎn)性能和營養(yǎng)品質(zhì)關聯(lián)系數(shù)值

表7 試驗點×小黑麥種質(zhì)交互作用的加權關聯(lián)度

3 討論

3.1 不同試驗點間小黑麥種質(zhì)生產(chǎn)性能和營養(yǎng)品質(zhì)的差異分析

小黑麥的干草產(chǎn)量是評價其品種優(yōu)劣的關鍵特征，也是衡量其生產(chǎn)力大小的主要指標，可以反映不同種質(zhì)生產(chǎn)性能及適應性。試驗中合作試驗點各參試種質(zhì)2年的平均干草產(chǎn)量顯著高于蘭州試驗點。主要是因為合作試驗點海拔較高，小黑麥生長季的氣溫低于蘭州，更適合小黑麥生長，這與吳發(fā)莉等[19]和尚小生等[20]研究結果一致。株高和枝條數(shù)是構成小黑麥草產(chǎn)量的重要因素，但枝條數(shù)對小黑麥草產(chǎn)量的影響更大[20-21]。合作試驗點小黑麥種質(zhì)的草產(chǎn)量高于蘭州試驗點，可能是因為其枝條數(shù)(655.42 萬枝/hm2)顯著高于蘭州試驗點(611.39 萬枝/hm2)。

營養(yǎng)品質(zhì)高低是評價牧草飼用價值的重要因素[22-23]，牧草中CP含量越高，NDF和ADF含量越低，牧草的飼用價值越高。NDF含量影響飼草的適口性，NDF含量越高，則家畜對飼草的采食量越低[24]。ADF含量影響飼草的消化率，ADF含量越高，家畜對飼草的消化率越低[25-26]。從小黑麥營養(yǎng)價值比較可知，合作試驗點小黑麥營養(yǎng)品質(zhì)顯著高于蘭州試驗點，主要是因為合作點溫度較低，小黑麥種質(zhì)生長發(fā)育緩慢，積累的營養(yǎng)物質(zhì)較多[2,8]。

3.2 小黑麥種質(zhì)間生產(chǎn)性能和營養(yǎng)品質(zhì)的差異分析

牧草的遺傳特性和外界環(huán)境條件共同決定其草產(chǎn)量高低，抗病能力、株高和分蘗性能取決于自身遺傳特性。雖然株高和枝條數(shù)對小黑麥草產(chǎn)量均有影響，但枝條數(shù)對小黑麥草產(chǎn)量的影響更大。雖然小黑麥品系C31的株高顯著低于對照石大1號，但由于其枝條數(shù)(745.42萬枝/hm2)顯著或不顯著高于其他種質(zhì)，因此，其獲得了較高干草產(chǎn)量(15.51 t/hm2)。同樣，由于C17的枝條數(shù)(681.25萬/hm2)僅次于C31，也獲得了較高草產(chǎn)量(15.08 t/hm2)。因此，在小黑麥育種中應注重選擇枝條數(shù)多的種質(zhì)作為親本，以培育高產(chǎn)品系(種)。

不同小黑麥種質(zhì)由于遺傳特性不同，營養(yǎng)品質(zhì)存在顯著差異[32]。參試小黑麥種質(zhì)中，C24的CP含量(12.36%)顯著高于其他種質(zhì)，NDF(55.38%)和ADF(36.20%)含量最低，DMD含量(63.08%)顯著高于其他種質(zhì)，這主要是因為C24在生長過程中表現(xiàn)為葉量豐富，葉片的粗蛋白含量和消化率顯著高于莖稈，NDF和ADF含量顯著低于莖稈，這與前人研究結果一致[2,8]。

3.3 小黑麥種質(zhì)和試驗點交互作用間生產(chǎn)性能和營養(yǎng)品質(zhì)的差異分析

從交互作用而言，小黑麥品系C17的干草產(chǎn)量在試點間差異較大，合作試驗點干草產(chǎn)量最高，為16.78 t/hm2，蘭州點只有13.38 t/hm2，說明其在合作點生產(chǎn)性能較好，但適應性較差；品系C31在2個試驗點的干草產(chǎn)量為15.16～15.87 t/hm2，表現(xiàn)出較好的生產(chǎn)性能和適應性；C17和C31優(yōu)良的生產(chǎn)性能主要得益于枝條數(shù)。小黑麥營養(yǎng)品質(zhì)的差異取決于多個因素，但遺傳特性的影響較大，雖然試驗點間的降水量、海拔、年均溫和土壤養(yǎng)分等差異極大，但合作點小黑麥品系C24的CP含量和DMD較高，NDF和ADF含量較低，營養(yǎng)品質(zhì)較好。

3.4 小黑麥生產(chǎn)性能和營養(yǎng)品質(zhì)指標間相關性分析

根據(jù)飼草型小黑麥生產(chǎn)性能和營養(yǎng)品質(zhì)指標間相關性分析可知，干草產(chǎn)量和枝條數(shù)、ADF呈極顯著正相關，這與枝條數(shù)對小黑麥草產(chǎn)量的影響更大結論基本一致，粗蛋白含量與NDF、ADF呈顯著負相關，粗蛋白含量與DMD呈極顯著正相關；NDF與ADF呈顯著正相關，NDF與DMD呈顯著負相關；ADF與DMD呈顯著負相關。這是因為NDF和ADF含量增加，采食量隨之減少，消化率降低，這與李春喜等[22]對燕麥的研究結果基本一致。

3.5 小黑麥種質(zhì)的綜合評價

應用灰色關聯(lián)度綜合評價結果表明，蘭州點小黑麥品系C31和C19的生產(chǎn)性能和營養(yǎng)品質(zhì)與標準品種的相似程度最高，其各項指標都表現(xiàn)較好，綜合排名靠前；合作點小黑麥品系C17和C31的生產(chǎn)性能和營養(yǎng)品質(zhì)與標準品種的相似程度最高，其各項指標都表現(xiàn)較好，綜合排名靠前；對照石大1號和C22小黑麥種質(zhì)表現(xiàn)較差；合作試驗點各參試小黑麥種質(zhì)的綜合評價值較高，更適合小黑麥生長。

4 結論

綜合多重比較和灰色關聯(lián)度綜合分析，蘭州點適合生長的小黑麥品系為C31和C19，與蘭州點相比，合作點更適合參試小黑麥種質(zhì)的生長發(fā)育，合作點適合生長的小黑麥品系為C31和C17。石大1號和C22生產(chǎn)性能和營養(yǎng)品質(zhì)的整體綜合評價值較低，不適合在蘭州點和合作點生長。