典型草原不同地勢(shì)主要牧草葉綠素含量與蛋白質(zhì)含量的相關(guān)性研究

李宇宇，涂明亮，王 偉，降曉偉，吳洪新，張玉蘭，馬千鵬，賈玉山*

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院 農(nóng)業(yè)部飼草栽培、加工與高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019； 2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草業(yè)產(chǎn)品安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 3.巴林左旗林業(yè)與草原局，內(nèi)蒙古 巴林左旗 025450)

草原生態(tài)系統(tǒng)是我國陸地分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)之一，我國草原面積占國土地面積的41.7%〔1〕，占世界草原面積的13%〔2〕。其中內(nèi)蒙古是我國主要牧區(qū)之一，擁有0.79億公頃的天然草原，占整個(gè)內(nèi)蒙古土地總面積的68.81%，居全國第三位〔3〕?！?017年全國草原監(jiān)測(cè)報(bào)告》統(tǒng)計(jì)顯示，我國天然草原鮮草總產(chǎn)量已經(jīng)連續(xù)第七年超過10億噸〔4〕。草地資源在自然資源中扮演著重要的角色,在發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能為人類提供更多的惠益、保障食物安全、維護(hù)社會(huì)和諧安定等諸多方面,具有十分重要的作用和地位〔5〕。內(nèi)蒙古天然草原面積較大，是我區(qū)牧區(qū)家畜重要的生存保障，是我區(qū)畜牧業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，更是我國北方綠色發(fā)展的重要生態(tài)屏障。合理的開發(fā)和利用內(nèi)蒙古天然草原具有重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)意義。

內(nèi)蒙古天然草地類型多種多樣，各地的天然牧草在葉綠素含量、牧草產(chǎn)量及牧草營養(yǎng)品質(zhì)上差異顯著，雖然已有天然草地主要牧草葉綠素含量與蛋白質(zhì)含量變化規(guī)律以及相關(guān)性的研究〔6-7〕，但針對(duì)同一土壤類型的天然草地，不同地勢(shì)草地主要牧草葉綠素含量與蛋白質(zhì)含量的變化規(guī)律及其相關(guān)性，進(jìn)而得到牧草在不同地勢(shì)營養(yǎng)價(jià)值的高低和變化規(guī)律的研究尚未見報(bào)道。為了闡述同一土壤類型不同地勢(shì)對(duì)天然草地主要牧草葉綠素含量與蛋白質(zhì)含量的影響及其相關(guān)性的研究，針對(duì)我國內(nèi)蒙古巴林左旗地勢(shì)多樣的天然草地坡地、平地和洼地進(jìn)行試驗(yàn)，調(diào)查和分析不同地勢(shì)下的主要天然牧草(羊草、大針茅、達(dá)烏里胡枝子)，在牧草自然生長的條件下進(jìn)行取樣，測(cè)定其葉綠素含量與蛋白質(zhì)含量，含量并進(jìn)行相關(guān)性分析，旨在一定程度上探討葉綠素作為牧草優(yōu)勢(shì)可以預(yù)測(cè)牧草品質(zhì)的可能性，同時(shí)通過葉綠素含量估測(cè)氮含量以及蛋白質(zhì)含量，為進(jìn)一步研究天然牧草的飼用價(jià)值提供科學(xué)的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地選在內(nèi)蒙古赤峰市巴林左旗典型草原打草場(chǎng)，位于赤峰市北部，內(nèi)蒙古高原向東北平原的過渡地帶，是錫林郭勒草原的重要組成部分，草地類型復(fù)雜多樣、物種資源豐富，地理位置118°44′00″～119°48′02″E，43°36′53″～48°48′22″N，地處中緯度地區(qū)。屬中溫帶半干旱氣候。試驗(yàn)地主要土壤類型為栗鈣土和風(fēng)沙土，降水主要集中在七、八月份，年平均降水量約為400mm，平均風(fēng)速為3～4m/s，大風(fēng)日數(shù)<30d，年平均氣溫5.3℃，無霜期為110d～130d。選擇坡地、平地和洼地三種不同地勢(shì)的試驗(yàn)地(表1)，其中溫度、濕度、光照強(qiáng)度采用DJL-18農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測(cè)儀(浙江托普儀器有限公司)進(jìn)行測(cè)定，采用烘干法測(cè)定土壤中的含水率，采集樣地表層0～20cm土壤。

表1 試驗(yàn)地概況

注：該數(shù)據(jù)為2018年8月20日-2018年8月22日上午9∶00-12∶00測(cè)得，同一列數(shù)據(jù)后英文小寫字母表示不同地勢(shì)下某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)材料選擇內(nèi)蒙古赤峰市巴林左旗典型草原天然草地打草場(chǎng)的建群種：羊草(Leymuschinensis)、大針茅(Stipagrandis)與優(yōu)勢(shì)種達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇同一土壤類型，坡地、平地和洼地三種不同地勢(shì)進(jìn)行隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在同一地勢(shì)條件下均勻選擇三塊試驗(yàn)樣地；選擇的樣地中包括主要牧草羊草、大針茅以及達(dá)烏里胡枝子，共設(shè)置9個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為25m2(5m×5m)。試驗(yàn)于2018年8月20日的上午9∶00～11∶00晴朗無風(fēng)的天氣進(jìn)行，隨機(jī)選擇充分受光、避免選擇破損植株的中間葉片進(jìn)行取樣，重復(fù)3次，將選取的材料一部分裝入液氮中帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行葉綠素含量的測(cè)定，另一部分帶回實(shí)驗(yàn)室烘干后用于蛋白質(zhì)含量的測(cè)定。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目

1.4.1 葉綠素含量測(cè)定

為了提高葉綠素含量測(cè)定的準(zhǔn)確性，采用丙酮浸提比色法：取植物葉片中間部分，將葉片表面污物擦凈用剪刀剪碎，將剪碎的樣品稱0.2g左右(均勻選取植物葉片)，每種樣品分別稱取3份，切成小于1mm的細(xì)絲、混勻。將0.2g樣品細(xì)絲放入25mL的具塞試管中，直接用純丙酮1∶1無水乙醇的浸提液在常溫條件暗處浸泡提取24小時(shí),并定時(shí)搖動(dòng)，直至肉眼觀察葉片完全發(fā)白。(中間輕輕搖晃幾次，則可以縮短提取時(shí)間)；為彌補(bǔ)可能由于溶劑揮發(fā)帶來的損失,葉片完全發(fā)白之后用混合浸提液將上述提取液定容至25mL,然后將管內(nèi)溶液輕輕倒入比色杯中,按照Arnon方法用分光光度計(jì)法來測(cè)定〔8〕，分別在波長663nm、645nm下測(cè)定吸光度值，重復(fù)測(cè)定三次，(以純丙酮1∶1無水乙醇的溶液作為對(duì)照)，然后用公式計(jì)算其含量。

依據(jù)Arnon公式計(jì)算葉綠素a與葉綠素b的含量；

葉綠素a含量(mg/g)：Ca=(12.7A663nm-2.69A645nm)×V/(1000W)

葉綠素b含量(mg/g):Cb=(22.7A645nm-4.68A663nm)×V/(1000W)

葉綠素總含量(mg/g):Ca+b=Ca+Cb

式中：Ca：為葉綠素a的濃度

Cb：為葉綠素b的濃度

A663nm，A645nm：分別為663nm，645nm波長下的吸光度；

V：提取液體積；W：為樣品重量。

1.4.2 蛋白質(zhì)含量測(cè)定

利用凱氏定氮法測(cè)定蛋白質(zhì)含量〔9〕，將選取的新鮮葉片置于烘箱中，在105℃高溫下殺青15min后，在65℃條件下烘干至恒重，粉碎后進(jìn)行測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)所得到的原始數(shù)據(jù)，采用Excel 2010來對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及圖表制作，用SAS 9.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析以及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果分析

2.1 不同地勢(shì)典型草原主要牧草葉綠素含量變化規(guī)律

由圖1可以看出，典型草原不同地勢(shì)條件下3種主要牧草葉綠素含量均表現(xiàn)出一定差異。羊草、大針茅、達(dá)烏里胡枝子三種牧草中葉綠素a含量明顯高于葉綠素b含量(P<0.01)；同一坡地條件下，葉綠素a含量從大到小的依次為大針茅、達(dá)烏里胡枝子、羊草；羊草與大針茅、達(dá)烏里胡枝子的葉綠素a含量差異顯著(P<0.05)；同一平地條件下，羊草的葉綠素a含量、總?cè)~綠素含量較高；同一洼地條件下，達(dá)烏里胡枝子的葉綠素b含量最高，羊草的葉綠素a/b的值最大；羊草在平地時(shí)的葉綠素a含量、葉綠素b含量、總?cè)~綠含量高于坡地、洼地，均顯著(P<0.05)；平地、坡地、洼地的羊草葉綠素a含量、葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量呈先增加后降低的趨勢(shì)。坡地大針茅與平地大針茅葉綠素含量差異不顯著(P>0.05)，洼地大針茅葉綠素含量最低，與坡地、平地大針茅葉綠素含量差異顯著(P<0.05)，葉綠素a含量、葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量及葉綠素a/b的值分別降低了59.16%、51.56%、56.86%、15.77%。坡地、平地、洼地的達(dá)烏里胡枝子葉綠素a含量、葉綠素a/b的值逐漸降低，分別降低了10.67%，5.95%，葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量逐漸增加，分別增加了23.21%，17.09%。

注：不同大寫字母表示同一牧草在不同地勢(shì)差異顯著(P<0.01)，不同小寫字母表示同一牧草在不同地勢(shì)差異顯著(P<0.05)，下同。

綜上，相同地勢(shì)條件下，羊草葉綠素a含量、葉綠素a/b的值明顯高于其他兩種牧草；達(dá)烏里胡枝子葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量明顯高于其他兩種牧草。同一牧草下，洼地羊草葉綠素a/b的比值偏大，說明羊草體內(nèi)光吸收轉(zhuǎn)化能力較強(qiáng)，有機(jī)物積累較多。平地羊草葉綠素a含量較高，葉綠素a/b的比值相對(duì)達(dá)烏里胡枝子較低；達(dá)烏里胡枝子的葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量受地勢(shì)條件影響作用明顯，各處理之間存在顯著差異(P<0.05)。

2.2 不同地勢(shì)典型草原主要牧草蛋白質(zhì)含量的變化規(guī)律

由圖2可知，同一地勢(shì)條件下，達(dá)烏里胡枝子蛋白含量明顯高于其他兩種牧草；平地羊草、大針茅蛋白含量最高，分別比坡地、洼地的羊草、大針茅增加了38.59%、30.07%、5.47%、18.00%，洼地達(dá)烏里胡枝子蛋白質(zhì)含量分別比坡地、平地條件下的達(dá)烏里胡枝子蛋白質(zhì)含量增加4.9%、5.4%。坡地、平地、洼地羊草蛋白質(zhì)含量呈先增加后降低趨勢(shì)，且坡地羊草蛋白質(zhì)含量最低，平地羊草蛋白質(zhì)含量與洼地羊草蛋白質(zhì)含量差異顯著，洼地羊草蛋白質(zhì)含量與坡地羊草蛋白質(zhì)含量差異顯著；坡地、平地、洼地大針茅蛋白質(zhì)含量呈先增加后降低趨勢(shì)，洼地大針茅蛋白質(zhì)含量最低，與坡地、平地大針茅蛋白質(zhì)含量相比差異顯著；坡地、平地、洼地達(dá)烏里胡枝子蛋白質(zhì)含量逐漸增加，且洼地達(dá)烏里胡枝子蛋白質(zhì)含量與平地差異顯著。

3 典型草原主要牧草蛋白質(zhì)含量與葉綠素含量的相關(guān)性分析

由表2可以看出，羊草中蛋白質(zhì)含量與葉綠素a含量、葉綠素b含量顯著相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.717、0.726；羊草中葉綠素a含量、葉綠素b含量與總?cè)~綠素含量極顯著相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.932、0.911；羊草中蛋白質(zhì)含量與葉綠素a/b含量呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.309；羊草中葉綠素a/b的值與葉綠素a含量、葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量呈不顯著正相關(guān)性(P>0.05)，相關(guān)性系數(shù)分別為0.607、0.295、0662；綜上，羊草中葉綠素a含量、葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量、葉綠素a/b的值之間存在一定相關(guān)性，綜合分析能夠看出牧草葉綠素含量基本能反映牧草蛋白質(zhì)的含量，羊草中蛋白質(zhì)含量與葉綠素含量呈正相關(guān)。

表2 羊草蛋白質(zhì)含量與葉綠素含量的相關(guān)性分析

注：*P<0.05水平上差異顯著，**P<0.01水平上差異極顯著，下同。

由表3可以看出，大針茅中蛋白質(zhì)含量與葉綠素a含量、葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.835、0.847、0.863；大針茅中蛋白質(zhì)含量與葉綠素a/b含量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.731。大針茅中葉綠素a含量與葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量、葉綠素a/b的值呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.996、0.991、0.930；大針茅中葉綠素a/b的值與葉綠素a含量、葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量呈極顯著相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)性系數(shù)分別為0.930、0.898、0.904；綜上，大針茅中葉綠素a含量、葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量、葉綠素a/b的值之間存在一定相關(guān)性，綜合分析能夠看出牧草葉綠素含量基本能反映牧草蛋白質(zhì)的含量，大針茅中蛋白質(zhì)含量與葉綠素含量成顯著正相關(guān)。

表3 大針茅蛋白質(zhì)含量與葉綠素含量的相關(guān)性分析

由表4可以看出，達(dá)烏里胡枝子中蛋白質(zhì)含量與葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量、葉綠素a/b的值顯著相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.765、0.701、-0.693；達(dá)烏里胡枝子中葉綠素a含量與葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量顯著相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.793、0.851；達(dá)烏里胡枝子中葉綠素a/b的值與葉綠素b含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)性系數(shù)為-0.718；綜上，達(dá)烏里胡枝子中葉綠素a含量、葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量、葉綠素a/b的值之間存在一定相關(guān)性，綜合分析能夠看出牧草葉綠素含量基本能反映牧草蛋白質(zhì)的含量，達(dá)烏里胡枝子中蛋白質(zhì)含量與葉綠素含量成顯著正相關(guān)。

表4 達(dá)烏里胡枝子蛋白質(zhì)含量與葉綠素含量的相關(guān)性分析

4 討論及結(jié)論

4.1 討論

坡地羊草葉綠素a含量、總?cè)~綠素含量較平地、洼地低，相應(yīng)地蛋白質(zhì)含量較平地、洼地低，可能是坡地土壤含水量較低，干旱抑制了羊草的生長發(fā)育，使羊草干物質(zhì)積累、生物量下降〔10〕，導(dǎo)致葉綠素、蛋白質(zhì)含量下降。與楊瑾等人的研究結(jié)果的變化規(guī)律一致〔11〕。平地羊草中葉綠素a含量、葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量比坡地和洼地都較高，相應(yīng)蛋白質(zhì)含量也是最高的，既反映出了羊草中蛋白質(zhì)含量與葉綠素含量成正相關(guān)，也反映了羊草生長在地勢(shì)平坦的地方具有更高的營養(yǎng)價(jià)值。王麗娟通過研究得出安達(dá)地區(qū)的粗蛋白是各個(gè)地區(qū)中含量最高的〔12〕，這與我們得到羊草生長在地勢(shì)平坦的地方具有更高營養(yǎng)價(jià)值是相一致的。

洼地大針茅蛋白質(zhì)含量、葉綠素a含量、葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量較坡地、平地有顯著降低，這是因?yàn)榇筢樏儆诿軈残秃瞪参铩?3〕，更適宜生長平地、坡地含水量低相對(duì)較干旱的環(huán)境，相應(yīng)的營養(yǎng)價(jià)值也較高。鮑雅靜等人研究表明在氣候變化背景下，干旱化的氣候?qū)?dǎo)致大針茅種群在群落中優(yōu)勢(shì)地位逐漸增加〔14〕，表明大針茅更適合在干旱氣候生長，與本試驗(yàn)大針茅在平地、坡地營養(yǎng)價(jià)值較高，在低洼地營養(yǎng)價(jià)值顯著降低相符合。由于本實(shí)驗(yàn)坡度相隔較小，坡地與平地含水量不顯著，大針茅的耐旱能力強(qiáng)，所以坡地與平地大針茅蛋白質(zhì)、葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量差異不大。

坡地、平地以及洼地達(dá)烏里胡枝子的葉綠素a含量逐漸降低，葉綠素b含量逐漸增加，總?cè)~綠素含量洼地最高，這是因?yàn)槠碌?、平地含水量較低與洼地有顯著差異，在干旱脅迫下達(dá)烏里胡枝子葉綠素的含量降低。由于胡枝子屬植物具有喜光、耐陰，耐旱、耐寒、耐熱等許多優(yōu)良的性狀〔15〕，所以洼地達(dá)烏里胡枝子葉綠素含量與坡地、平地差異不顯著。相應(yīng)地洼地蛋白質(zhì)含量也是最高，反映了蛋白質(zhì)含量與葉綠素含量呈正相關(guān)，這與趙祥等人研究結(jié)果相一致〔16〕。

4.2 結(jié)論

試驗(yàn)區(qū)典型草原不同地勢(shì)羊草、大針茅和達(dá)烏里胡枝子蛋白質(zhì)的含量與葉綠素的含量成正相關(guān)，可以利用牧草葉綠素含量來估測(cè)牧草蛋白質(zhì)含量；羊草在平地葉綠素含量、蛋白質(zhì)含量最高,與坡地、洼地相比地勢(shì)平坦環(huán)境下生長的羊草具有更高的營養(yǎng)價(jià)值；大針茅更適合在平地、坡地含水量稍低些的環(huán)境生長，并具有更高的營養(yǎng)價(jià)值。達(dá)烏里胡枝子在洼地葉綠素含量及蛋白質(zhì)含量最高，在坡地下葉綠素含量降低，光合作用減弱，營養(yǎng)價(jià)值降低，地勢(shì)低洼的生長環(huán)境可以提高其營養(yǎng)價(jià)值。