10個高粱屬品種在寧夏引黃灌區的適應性

梁丹妮，靳巧紅，李明雨，魏曉艷，謝應忠,2，伏兵哲,2，蘭 劍,2

（1. 寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021；2. 寧夏大學西北土地退化與生態恢復國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川 750021）

優質飼草是發展畜牧業的關鍵物質基礎之一，在畜牧業飼料供給中起著決定性的作用，世界各國都十分重視高品質飼草新品種(系)的選育和引進工作[1-2]。近幾年隨著我國種植業結構的調整，畜牧業發展迅速，對優質飼草料的需求量日漸增長，然而國內面臨的現狀是優質高產的飼草嚴重短缺。目前，苜蓿(Medicago sativa)、燕麥(Avena sativa)、青貯玉米(Zea mays)和高粱屬(Sorghum)的幾種牧草是我國主要飼草。其中，高粱是世界第五大糧食作物，同時又是一種優質的飼料作物，在干旱和半干旱地區，高粱作為優質飼草起著舉足輕重的作用。高粱屬隸屬于禾本科(Gramineae)高粱族(Andropogoneae)，主要分布于溫帶和亞熱帶地區，大多數為短日照C4植物，光合效率相比C3植物高，因此在一定時間同等種植面積的條件下，無論是生物產量還是經濟價值均遠比其他牧草高[3]，對發展畜牧業意義深遠。近年來，國內外學者對高粱屬牧草關于灌溉和施肥對生產性能[4]的影響、刈割對不同品種及農藝性狀的影響[5]、不同時期生理生化[6]、品質性狀遺傳多樣性[7]等方面做了大量的研究，主要集中于甜高粱和蘇丹草。關于高粱屬不同種質資源在不同地區的適應性也已有大量的研究，王繼師等[7]在新疆干旱區對24個國內外高粱品種45個農藝性狀和品質性狀遺傳多樣性進行了分析，王赟文等[8]曾評價了甘肅張掖9個蘇丹草品種的生產性能，Bassam和Jakob[9]在歐洲地區對甜高粱的生產性能、營養價值進行了連續10年的觀測試驗，發現其適宜作為能源作物在歐洲地區廣泛推廣栽培。

關于高粱屬牧草在寧夏引黃灌區適應性引種試驗的研究相對較少。隨著寧夏地區乃至全國種植結構的轉變，優質牧草短缺，然而異地購買高產優質牧草在當地飼養家畜勢必會增加飼養成本，所以優質高產的高粱屬牧草品種在寧夏引黃灌區的適應性評價迫在眉睫。高粱屬作物作為飼料作物，不僅要獲得較高的干草產量，還要關注其品質及飼用價值，因此，不同品種的適應性就顯得尤為重要。為此對10個不同高粱品種在寧夏引黃灌區的適應性進行研究，探討不同品種的農藝性狀、營養價值及莖稈抗倒伏性，確定適宜寧夏引黃灌區的高粱屬牧草品種，以期為高粱屬牧草在寧夏引黃灌區大面積推廣應用提供可靠的科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗位于寧夏大學與寧夏農墾合作人才培養教學 基地，地理位置為 38°33' N，106°04' E，海拔1 110.5 m，地處銀川平原引黃灌區中部。該地區年平均氣溫 8.4 ℃ 左右；年平均日照時數 2 800～3 100 h；年平均降水量180～210 mm，且分配不均，其中秋季7-9月降水量約占全年65%；年平均相對濕度62%左右，年平均蒸發量相當于年降水量的8倍；無霜期180 d左右。春季多風，土壤缺水是影響該地區農業生產上的一個主要因素。該區土壤為沙土，鹽土也零星分布。土壤上層0-40 cm多為沙土，40 cm以下為礫石，土壤保水性差。試驗基地土壤 (0-40 cm)基本情況：容重 1.07 g·cm-3，有機質含量 15.08 g·kg-1，速效氮含量 49.80 mg·kg-1，速效磷含量 19.21 mg·kg-1，速效鉀含量 129.17 mg·kg-1，pH 8.10。

1.2 試驗材料及試驗設計

供試10個高粱屬品種分別為斯威特、大獎2120、金冠、大獎2180、大獎3180、大獎1230、綠巨人、海牛、大力士和蘇丹草3901(表1)。

試驗采用隨機區組設計，小區面積為6 m ×7 m，每個品種設3個小區重復。于2017年5月3日播種，人工開溝條播，行距50 cm，小區間距1.5 m，播種后按照每公頃12.5萬株定苗，覆土3～5 cm，生育期人工除草3次，澆水4次，于試驗地高粱植株80%達到拔節期時統一施中國石油天然氣股份有限公司生產的尿素(總氮 ≥ 46.4%)750 kg·hm-2和云南三環中化化肥有限公司生產的磷 酸 二 銨 (總 養 分 N+P2O5≥ 64.0%) 300 kg·hm-2，全生長季施肥一次。

表1 試驗材料及來源Table 1 Test materials and sources

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生育期

觀測不同高粱品種的生育時期，并做好記錄。包括播種期、出苗期、分蘗期、拔節期、抽穗期和完熟期。記錄標準：10%～20%植株達到為初期，80%植株達到為盛期。

1.3.2 株高和莖粗

待齊苗后，在每小區長勢均勻的部分隨機選取30個單株，每隔10 d測定自然高度直至各品種完熟。于抽穗期每小區隨機選取30株從地面向頂端數第4節處，用數顯游標卡尺測量其莖粗(高粱的莖為橢圓形，本研究中測量其長軸記為莖粗)并記錄，重復3次。

1.3.3 出苗率和分蘗能力

根據不同高粱品種生長情況，出苗后，每小區選取2 m樣段，統計并記錄樣段內出苗數后折算為每公頃出苗數。分蘗后選取2 m樣段統計分蘗數，重復3次，并折算出每公頃分蘗數。

1.3.4 莖稈糖錘度、葉綠素含量及營養成分

采用北京萬成北增精密儀器有限公司生產的型號為WZ-103糖度折射儀(范圍0～32%)，測量莖稈糖錘度。取莖稈第6節，剝去皮后，用手鉗擠出汁液2～3滴，滴在測試儀器上，每小區選取10株，重復3次。

于高粱成熟期，采用手持葉綠素計(SPAD-502,Japan)測定葉片相對葉綠素含量，選取上、中、下3個不同葉位(高粱第3、6、9展開的葉片)，每葉片測定5個點并求平均值，每個葉位選取3張葉片測定求平均值。

取不同品種高粱孕穗期的單株進行營養成分的測定，待草樣陰干后粉成草粉，采用近丹麥FOSS公司生產的FOSS DS2500紅外儀對高粱全株干草的粉碎樣品進行測定，測定指標包括干物質、灰分、脂肪、粗蛋白、木質素、可溶性碳水化合物、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維、體外48 h干物質消化率、鈣、磷等。

1.3.5 單株葉片數、鮮重、干重

待不同高粱屬品種成熟后，每小區隨機選取生長狀況一致的3株齊地刈割后立刻稱量單株鮮重，對其葉片數進行測量并記錄，將莖和葉片人工分離分別稱其鮮重，隨后帶回實驗室，105 ℃殺青15 min，65 ℃烘干至恒重，即為干重，并計算出鮮干比和葉莖比。

1.3.6 抗倒伏性

抗倒伏系數的測量參考趙威軍等[10]提出的方法。因高粱的根系發達，與土壤接觸面大，且倒伏發生在地上部分，故未測定根量。具體方法為從地表割取植株，用卷尺測量主莖稈基部到穗頂部的距離(株高)，用游標卡尺測量主莖稈中部節間(從地面向上數起，第5節)的直徑(莖粗)，用電子秤稱量主莖稈(帶葉、穗)的鮮重(G)，找到該主莖稈的平衡支點，測量主莖稈基部到平衡支點的距離(重心高度H)，并計算重心高度比例(重心高度/株高)。然后，將樣株人工去葉、穗，測量基部第1-4節和第5-7節長度及其抗折力。抗折力(S)測定：將樣株基部第1-4節或第5-7節置于兩張試驗臺之間，在節長1/2處掛一個鐵桶，緩慢向桶中倒入細沙，測定莖稈折斷時的沙和鐵桶的重量后轉化為力的大小。莖稈機械強度(M)計算方法：抗折力(S)與節長1/2長度的乘積，即為單株莖稈可承受的最大力矩，代表莖稈機械強度。倒伏系數(LC)計算公式為LC = H × G/M。

1.4 數據處理

用Excel 2003初步整理原始數據，并用SPSS中的最小顯著差數法(LSD)對各數據進行多重比較及主成分分析和隸屬函數進行綜合評價。

采用主成分分析對不同品種的營養指標進行分析，以特征值大于1為選擇標準，得到可代表全部營養成分的4個因子的方差貢獻率以及累積貢獻率后計算出各因子得分，得分越高則表明營養價值較高。

不同品種的營養指標得分、1-4節抗倒伏系數、5-7節抗倒伏系數與綜合營養價值均相關，特采用 Yij= (Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin) 進行計算不同品種各指標的隸屬值，其中：Yij表示 i品種的j指標的隸屬函數值; Xij表示 i品種的 j 指標的均值; Xjmax表示各品種 j指標均值的最大值; Xjmin表示各品種j指標均值的最小值。最后把各指標的隸屬值累加并求平均數。平均數越大的表示綜合適應性越好。

2 結果與分析

2.1 不同高粱品種生育期及農藝性狀的比較

10個高粱品種在寧夏引黃灌區生長狀況良好且均能成熟，但生育時期存在一定的差異(表2)，供試的10個品種在5月12日前后均可達到80%的出苗率，不同高粱品種的分蘗與拔節時期相差均在2 d左右，但達到抽穗期的時間相差較大，最早達到抽穗品種的日期為7月8日，最晚抽穗的為7月26日，相差18 d。10個高粱品種的生育期為113～125 d。

不同高粱品種，因其自身的遺傳特性不同，農藝性狀間亦存在差異(表3)。出苗數以大獎1230最高，顯著高于大力士、大獎2120和大獎2180(P ＜0.05)，與其他各品種間差異不顯著 (P ＞ 0.05)；分蘗數最高的品種為大獎3180，且與其他各品種間均存在顯著差異(P＜0.05)。一般認為高粱莖稈的粗細與其單株的營養品質有直接關系，10個高粱品種莖稈莖粗均在10 mm以上，其中最粗的為大獎1230，達到19.68 mm，綠巨人次之，為18.94 mm，大獎3180莖粗最低，僅有11.22 mm；莖粗達到18 mm以上的幾個品種與其他品種間均存在顯著性差異(P＜0.05)。高粱葉片的營養成分決定著整株的營養價值，不同品種高粱單株葉片數不同，參試的10個高粱品種單株葉片數最高的是海牛，最低的為金冠，金冠顯著低于海牛和蘇丹草3901(P ＜0.05)，但與其他各品種間均無顯著性差異(P ＞0.05)。參試品種株高在126.91～312.67 cm，以綠巨人最高，大獎2180最低，大獎2120、大力士和大獎1230之間無顯著性差異(P ＞ 0.05)。干草產量最高的品種為海牛，達到 29.72 t·hm-2，比干草產量最低的斯威特高66.32%，且海牛與其他各品種之間均存在顯著性差異(P＜0.05)。鮮干比以大獎2180最高，顯著高于大獎3180和大獎1230 (P ＜0.05)，但與其他各品種間無顯著性差異 (P ＞0.05)，大獎3180最低。葉莖比最高的為大獎2180，達到1.12，就葉莖比而言，品種大獎2180表現突出。

表2 10個高粱品種生育時期的統計Table 2 Comparison of growth periods of 10 sorghum varieties

2.2 不同高粱品種抗倒伏性的比較

本研究中針對抗到伏性參考趙威軍等[10]的測定方法，測定的性狀包括株高、莖粗、重心高度、重心高度比例、主莖稈鮮重、1-4節長度、1-4節抗折力、1-4節機械強度、1-4節倒伏系數、5-7節長度、5-7節抗折力、5-7節機械強度以及5-7節倒伏系數共13個農藝性狀，1-4與5-7節倒伏系數排名居前4位的品種分別為大力士、大獎2180、海牛與綠巨人(表4)。

2.3 不同高粱品種營養價值間的比較

對不同品種高粱全株的營養成分進行分析，結果表明，不同品種間各營養成分差異較大(表5)。干物質含量以綠巨人最大，顯著大于大獎2180、大獎3180(P＜0.05)，其他7個品種間均無顯著性差異(P ＞ 0.05)；灰分大于7.19%的品種間無顯著性差異 (P ＞ 0.05)， 灰 分 最 低 的 品 種 為 大 獎 1230， 僅4.73%；脂肪含量最高的品種為大獎2180(2.17%)，與大獎2120和大獎3180間無顯著差異(P ＞ 0.05)，但與其他各品種間存在顯著差異(P＜0.05)，全株粗蛋白含量最高的為大獎2180，達9.46%，除與金冠無顯著性差異(P ＞ 0.05)外，與其他各品種間均存在顯著差異(P＜0.05)；一般認為高粱木質素含量低的品質佳，本研究中大獎2120的木質素含量較低，僅為2.75%；可溶性碳水化合物含量最高的是大獎3180，大獎2120次之，綠巨人最低；酸性洗滌纖維含量最低的為大獎2180，中性洗滌纖維含量最低的品種是大獎2120；體外48 h干物質的消化率最高的為大獎2120，達到79.58%，與其他9個品種間均存在顯著性差異；10個高粱品種的Ca和P含量均在0.2%左右，差異不大；糖錘度含量的高低受晝夜溫差以及極端溫差的影響較大，不同高粱品種因其自身遺傳特性的差異導致莖稈糖錘度含量亦不同。不同高粱品種莖稈糖錘度差異顯著 (P＜0.05)，變異范圍在 5.6%～16.37%，莖稈糖錘度在10%以上的品種有5個，占參試品種的50%，其中最高的品種為大力士，斯威特次之，綠巨人最低。10個高粱品種的葉綠素含量最高的品種為大獎1230(51.95 SPAD)、最低的品種為綠巨人(26.97)，且與其他幾個品種間均存在顯著性差異 (P＜0.05)，葉綠素含量在 34～38 SPAD 的品種間均無顯著性差異(P ＞ 0.05)。本研究中10個參試品種的相對牧草質量在75.00～154.33，相對牧草質量大于120的品種有2個，分別為大獎2120和大獎3180，在100～120的品種有4個，分別為蘇丹草3901、海牛、金冠和大力士，其中大獎2120品種與其他各品種之間均存在顯著性差異(P＜0.05)。

表4 不同高粱屬品種的抗倒伏系數Table 4 Comparison of lodging coefficient of different sorghum varieties

對標準化后的營養成分數據進行Bartlett球型檢驗，卡方值為118.07，自由度為91，P為0.031，其結果表明數據適合進行主成分分析。從得到的規格化特征向量值、方差貢獻率以及累積貢獻率可知，特征值因子 1 ＞ 因子 2 ＞ 因子 3 ＞ 因子 4，且前4個因子的累計貢獻值達到93.14%，可以代表原來的14個指標(表6)。與因子1相關性較高的指標有脂肪、木質素、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維、體外48 h干物質的消化率、相對牧草質量。與因子2相關性較高的指標有灰分、粗蛋白、可溶性碳水化合物、鈣和磷。與因子3相關性較高的指標為干物質、糖錘度、葉綠素含量。與因子4相關性較高的指標為磷和糖錘度。

通過主成分分析得分矩陣得到前4個因子不同高粱品種的得分，然后由各因子得分和方差貢獻值加權得到不同高粱品種營養成分得分(表7)，表現為大獎 2180 ＞ 大獎 2120 ＞ 金冠 ＞ 大獎 3180 ＞ 大力士 ＞ 蘇丹草 3901 ＞ 斯威特 ＞ 海牛 ＞ 大獎 1230 ＞綠巨人。采用隸屬函數對10個高粱屬不同品種的1-4節抗倒伏系數、5-7節抗倒伏系數、營養成分和干草產量進行綜合排序(表8)，結果表明，大獎2180居于首位，大力士次之，綠巨人位列第3，排名第4、5的品種分別為海牛和大獎2120。

3 討論

3.1 不同高粱品種生育期及農藝性狀的比較

高粱的生育時期受到光照、溫度、水分、土壤狀況以及自身遺傳性狀等因素的影響[11]，不同高粱品種在相同試驗地的生育期存在差異。關于高粱屬不同品種的生育時期在各地的表現略有差異，如在甘肅河西走廊中部，9個蘇丹草的生育期在96～136 d[8]，在河北省海河低平原區不同品種褐色中脈高粱的生育期在94～128 d[12]，在印度西部45份高粱屬不同品種的生育期在111～123 d[13]。本研究中10個不同高粱品種在寧夏引黃灌區均可成熟且生育期在113～125 d，晚熟品種生育期比甘肅地區早11 d，比河北地區早3 d。產草量是株高、分蘗數、生長速率、生物量等性狀指標的綜合體現，是衡量草地生產能力的重要指標[14]。禾本科牧草分蘗能力的強弱是高產的重要影響因素之一，不同高粱品種的分蘗數不同，供試的10個高粱分蘗數最多的品種是大獎3180，達到每公頃80.17萬個，不同高粱品種的莖粗為15.01～24.00 mm，株高在224.00～360.10 cm，干草產量在 22.89～30.79 t·hm-2，就干草產量、莖粗與株高而言，本研究的最大值略低于在新疆地區的研究結果[15]；但干草產量高于以色列的試驗結果 (13.3～14.7 t·hm-2)[16]；由于高粱莖稈的木質素含量較高，因此高粱的品質較大的程度上取決于單株葉莖比，本研究中大獎2180的葉莖比表現優異。

3.2 不同高粱品種抗倒伏性

準確評價不同高粱品種的抗倒伏性對于在該地的引種、栽培以及品種改良有重要意義。許多學者對不同高粱品種的抗倒伏性進行了研究和評價。Bashford等[17]依據造成倒伏所需力的大小對基因型進行抗倒性分級，其分級依據僅側重于造成倒伏所需要力的大小。Esechi等[18]視倒伏程度的輕重，對高粱品系抗倒伏性采用分級制進行描述。孫守鈞等[19]依據倒伏程度將不同高粱材料分為0～4級。倒伏系數關系到植株自身的特征(重心高度和主莖稈鮮重所形成的倒伏壓力)和造成倒伏所需力，且倒伏系數和倒伏面積之間的相關關系可達極顯著水平，倒伏系數在一定程度上可直接反映田間真實倒伏狀況，與其相關的農藝性狀可以準確測量[20]。本研究以1-4節和5-7節的抗倒伏系數為依據，排名前5的品種分別為大力士、大獎2180、海牛、綠巨人、大獎2120，此結果與大力士自身的遺傳特性相關，大力士的莖粗和木質素含量在10個參試品種中含量相對較高，進而導致其具有較高的抗倒伏性。

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表6 各因子特征值和累計貢獻率Table 6 Eigenvalues of each factor and cumulative contribution rate

表7 不同高粱品種營養價值綜合評價Table 7 Comprehensive evaluation of nutritive value of different sorghum varieties

3.3 不同高粱品種營養成分與綜合評價

關于不同高粱品種的營養價值大量學者在不同地區進行了研究，牧草營養品質很大程度上取決于粗蛋白和粗脂肪的含量，一般認為，粗脂肪含量低、粗蛋白含量較高的牧草，其飼用價值亦高[21-22]。許能祥等[5]認為葉莖比、莖粗與體外干物質消化率、粗蛋白含量和可溶性糖含量正相關，與中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量負相關。株高與體外干物質消化率負相關，與中性洗滌纖維含量正相關；廖祥龍等[23]在滇中地區的研究表明，品種26837的莖葉比、粗蛋白質含量及抗倒伏性均優于其他品種，且其酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量均較其他品種低，在該地區進行飼草生產具有很好的適應性和較高的品質；錢續等[24]在甘肅省榆中縣對引自日本的飼用高粱營養成分分析表明，其全株主要營養成分與當地成熟期收獲的普通高粱接近，總能約為當地高粱的2倍；與在日本種植至成熟期收獲的全株營養成分相比，粗蛋白含量高59.91%，無氮浸出物含量高15.91%，粗纖維含量低20.14%，粗脂肪含量低72.52%。本研究結果表明，干物質與粗脂肪呈負相關關系，但與酸性洗滌纖維含量正相關；體外48 h干物質的消化率與酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維均呈負相關關系，本研究結果與崔鳳娟等[25]研究結果相符；粗飼料相對質量指數 (relative forage quality, RFQ)與可溶性糖呈正相關關系，但與木質素和中性洗滌纖維呈負相關關系。甜高粱莖稈糖錘度與品種特性、收獲時生育期密切相關，李春喜和馮海生[26]認為，9月中旬能完成抽穗的品種，莖稈糖錘度高，未進入到抽穗期的品種糖錘度低。在青海對不同高粱品種進行測試結果莖稈糖錘度最高的可達20.26%，大力士為10.16%，且顯著低于其他供試品種，而大力士的莖稈糖錘度為16.37%，顯著高于其他供試品種，進一步表明高粱莖稈糖錘度受氣候以及地域的影響較大；葉綠素含量與營養價值密切相關，是反映高粱生長狀況的重要指標之一，本研究中高粱品種的葉綠素含量在26.97～51.95，此結果與李勇進[11]的研究結果差異不大；10個不同品種的綜合評價得分從高到低依次為大獎 2180 ＞ 大力士 ＞ 綠巨人 ＞ 海牛 ＞ 大獎 2120 ＞ 斯威特 ＞ 蘇丹草 3901 ＞ 大獎 1230 ＞ 大獎 3180 ＞ 金冠，此結果與農藝性狀大獎2180的葉莖比最大一致，進一步驗證高粱全株品質取決于葉片量占全株的比例。

表8 不同品種營養成、抗倒伏系數和干草產量隸屬函數值和排序Table 8 The subordinate function of nutrient contents, anti-lodging coefficient, and hay yield for different varieties and their ranking

4 結論

供試的10個高粱品種在寧夏引黃灌區生長狀況良好且均能成熟，生育期為113～125 d；抗倒伏較強的5個品種分別為大力士、大獎2180、海牛、綠巨人和大獎2120；營養價值綜合排名前5的品種是大獎2180、大獎2120、金冠、大獎3180、大力士。綜合營養價值得分、干草產量與抗倒伏性，大獎2180、大力士、綠巨人、海牛、大獎2120建議在寧夏引黃灌區推廣。