雜交構樹在蘭州地區的生長動態及刈割期

郭 琪，李 鑫，楊 暉，鞏曉芳，王沛雅，張 軍，彭獻軍

（1. 甘肅省科學院生物研究所 / 甘肅省微生物資源開發利用重點實驗室 / “特色微生物與植物資源創新”甘肅省國際科技合作基地，甘肅蘭州 730000；2. 中國科學院植物研究所，北京 100093）

構樹(Broussonetia papyrifera)又稱殼樹、褚樹、轂樹等，屬桑科(Moraceae)構樹屬(Broussonetia)多年生落葉喬木，雌雄異株[1]。在我國分布廣泛，應用歷史悠久，具有非常好的開發利用前景。目前，它的主要經濟價值集中在以下3 個方面[2]：一是利用樹葉作為飼料代替糧食作物飼養家畜，“以樹代糧”成為緩解飼料原料危機和確保食品安全的新途徑；二是開發樹皮和枝干作為高檔造紙原料；三是采伐植株作為藥材。雜交構樹是中國科學院植物研究所通過野生構樹資源收集，以核心種質為父本，同屬灌木植物小構樹(B. kazinoki)為母本，通過現代育種技術與常規技術相結合進行種間雜交并通過太空搭載誘變篩選出的具有優良性狀的新品種。與野生構樹相比具有明顯的雜交優勢，不僅具有適應性強，耐干旱、耐鹽堿、耐瘠薄、抗污染和病蟲害等特點，而且具有生長速度快，產量大，營養價值高等優點，據報道[3-5]，雜交構樹作蛋白質飼料使用，豐產期每公頃鮮重產量最多可高達150 t，莖葉粗蛋白含量為19.2%，優于紫花苜蓿(Medicago sativa)，鈣、磷、鋅、鐵、錳、銅等微量元素，以及氨基酸和黃酮類等功能活性物質含量豐富，是家畜家禽優質的木本粗飼料來源。

近年，隨著中國畜牧業發展及農業結構調整，畜牧業在國民經濟中的地位日漸重要，許多地區對飼草料的需求大幅增加，但優質的蛋白飼料原料嚴重不足，已成為當前亟待解決的關鍵問題。構樹自2015 年被列入我國十項精準扶貧工程之一以來，已在內蒙古、河南、貴州、山東、山西等20 多個省(市)進行了大面積的飼用型雜交構樹的推廣種植，產業規模逐年增大[6]。目前，對雜交構樹栽培利用等方面的研究報道多集中在較低海拔、高降水及濕潤地區[7-10]。在西北地區的推廣僅限于甘肅天水、隴南等雨水充沛地區，尚未有甘肅蘭州及蘭州以西種植雜交構樹的報道。由于甘肅不同地區氣候環境條件存在較大差異，雜交構樹在西北半干旱地區的種植適應性與生長發育規律，需要科學試驗驗證。因此，本研究在甘肅蘭州地區引進種植雜交構樹，初步揭示雜交構樹蘭州地區的生長量及營養的動態變化，并研究刈割期對雜交構樹年生長量、營養價值的影響，以豐富雜交構樹刈割利用技術的基本理論，為蘭州地區及西北相似地區雜交構樹的栽培提供理論指導，使得雜交構樹在適應蘭州地區特定生態氣候條件下，獲得最大的飼用價值和經濟效益，同時雜交構樹在西北半干旱區的適應性種植，可為擴大雜交構樹的種植范圍及補充半干旱地區非常規粗蛋白飼料來源奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究在甘肅省科學院生物研究所中試試驗基地試驗田進行。試驗樣地位于蘭州市榆中縣和平鎮(36°00′ N，103°57′ E)，地處中國黃土高原地區，海拔1 700 m，土壤類型為灰鈣土。屬歐亞大陸東部溫帶季風氣候。年降水量350 mm，年平均氣溫7.9 ℃，最高氣溫35 ℃，最低氣溫 -24.7 ℃，無霜期154～160 d。試驗地設兩個不同土壤肥力區，高肥力區前茬作物為茄科蔬菜，于2017 年10 月施甘肅綠能農業科技股份有限公司提供的生物有機肥[技術指標：有機質 ≥ 40%，有效活菌數(cfu) ≥2×107個·g-1] 0.3～0.45 kg·m-2。0-20 cm土層土壤養分含量：有機質13.78 g·kg-1，全氮0.356 g·kg-1，硝態氮28.80 mg·kg-1，有效磷1.02 mg·kg-1，有效鉀29.85 mg·kg-1，pH 8.2。低肥力區為深翻生地，0 -20 cm 土層土壤養分含量：有機質12.27 g·kg-1，全氮0.356 g·kg-1，硝態氮18.75 mg·kg-1，有效磷0.7 mg·kg-1，有效鉀20.15 mg·kg-1，pH 為8.2。

1.2 供試材料

供試材料為中國科學院植物研究所北方資源植物重點實驗室選育的雜交構樹新品種華構1 號，種苗購于甘肅天水市隴新農業科技有限公司，苗木規格：9 個月齡的組培苗，地徑 ≥ 0.8 cm。

1.3 試驗設計

試驗材料于2018 年3 月20 日種植，株行距為40 cm × 100 cm，種植密度2.5 株·m-2，兩個不同肥力區各選取150 株作為研究對象。采用隨機區組試驗，將150 株雜交構樹按行分成5 個試驗小區(每個試驗小區3 行計30 株，每個重復計1 行10 株，共3 次重復)，分別按照發芽后1 個月(5 月20 日)、2 個 月(6 月20 日)、3 個 月(7 月20 日)、4 個月(8 月20 日)和5 個月(9 月20 日)進行第1 次刈割。5-7 月份開展第1 次刈割的間隔2 個月(8 月20 日)進行第2 次刈割，8 月份開展第1 次刈割的間隔1 個月(9 月20 日)進行第2 次刈割(第1次刈割時間在9 月的不進行第2 次刈割)，每次刈割前測量株高，刈割留茬10 cm，刈割后稱量每株鮮重，按密度換算成產量。植株置于自然通風處陰干后粉碎，葉片與嫩枝混勻按四分法取樣，進行營養指標測定。第1 次刈割測定指標結果用于雜交構樹生長動態分析。第1 次刈割(5月-8 月)與第2 次刈割測定指標結果用于刈割期的分析。試驗期間，高肥力區實施正常水肥管理，刈割1 次后追施尿素0.015 kg·m-2，二銨0.022 kg·m-2；低肥力區除種植期灌溉1 次后無灌溉，發芽后每月均進行人工除草。

1.4 營養測定指標與方法

粗蛋白(crude protein, CP)含量采用凱氏定氮法[11]，粗灰分(Ash)含量采用灼燒法[12]，中性洗滌纖維(neutral detergent fiber, NDF)與酸性洗滌纖維(acid detergent fiber, ADF)含量采用范氏洗滌纖維法測定[13]。

1.5 分析方法

應用灰色關聯度分析方法對雜交構樹生長量和營養成分進行綜合評價確定適宜的刈割時期。在刈割期研究中，根據灰色系統理論，將兩次刈割時的株高、鮮重產量、CP 含量、Ash 含量、NDF與ADF 含量看成一個灰色系統。選取各測定指標的最佳值構成“標準雜交構樹”，本研究選取鮮重產量和CP 含量的最高值，株高和Ash 含量的適中值，NDF 和ADF 含量的最低值，構成“標準雜交構樹”，即參考數列X0。以測定指標的實際值構成的數列作為對應的比較數列Xi。由于各指標量綱不同，所以先按式(1)、 (2)、 (3)對鮮重產量和CP 含量、株高和Ash 含量、NDF 和ADF 含量的原始數據進行無量綱化處理。各原始數據經無量綱化處理后，按式(4)、(5)計算參考數列X0與比較數列Xi各對應值的絕對 離 差Δi(k)、關 聯系數?i(k)。為避免信息過于分散及便于比較，將各個關聯系數平均起來，該平均值即為比較數列Xi對參考數列X0的關聯度，即為等權關聯度ri，按照式(6)計算。參考判斷矩陣法按式(7)給各指標賦權重，ωi為權重系數，之后根據式(8)計算加權關聯度ri′。關聯度越大，則各組參試指標組合越接近參考組合，其綜合評價表現越優；關聯度越小，表明各組參試指標組合遠離參考組合，綜合表現越差。

式中：Xi(k)為各指標原始數據，X′i(k)為原始數據無量綱化處理后的結果，maxXi(k)、minXi(k)和Xio(k)分別為第i 個指標的最大值、最小值和適中值。i = (1, 2, 3, 4, 5, 6)，分別代表指標株高、鮮重產量、CP 含量、Ash 含量、NDF 含量與ADF 含量。

式中：ρ 為分辨系數，其取值區間為［0，1］，一般取ρ = 0.5。

式中：n = 4，即4 種刈割試驗安排。

式中：n 為所測指標總數，n = 12。

1.6 數據處理與分析

應用SPSS 17.0 軟件對所測數據進行統計分析，分別對兩塊樣地不同刈割時期的株高、鮮重產量、CP、Ash、NDF 和ADF 含量進行單因素方差分析，并用Duncan 法對各測定數據進行多重比較。采用Excel 2010 軟件運用灰色關聯度分析法對以上數據進行綜合評價研究雜交構樹的刈割期；采用Excel 2010 制圖。

2 結果與分析

2.1 雜交構樹在蘭州地區的生長動態

2.1.1 株高與產量的動態變化

隨著雜交構樹生長期的延長，兩個肥力區雜交構樹的株高與產量持續增加，但在不同生長階段其生長速度不同(圖1、圖2)，高肥力區生長初期(前2 個生長月)生長速度相對較慢，生長季節中期進入株高與產量的快速生長期(第3 個生長月)，與前兩個月相比差異顯著(P＜0.05)，之后逐月亦呈顯著趨勢上升。低肥力區前3 個生長月株高雖呈顯著變化，但前3 個月整體偏低，產量也增長的較緩慢，較高肥力區滯后1 個月進入株高與產量的快速生長期，低肥力區無論從株高還是產量與高肥力區相比整體偏低。

2.1.2 營養成分的動態變化

CP 是雜交構樹最主要的營養成分，生長期前3 個月高肥力區雜交構樹CP 含量逐月升高，在第3 個生長月即進入植株快速生長期時，CP 含量最高，達到19.69%，而后顯著下降，在后兩個生長月差異無顯著變化(P ＞ 0.05)；低肥力區雜交構樹CP 含量變化規律與高肥力區大致相同，僅在最后1 個生長月表現為顯著上升(P＜0.05) (圖3)。從整體來看，低肥力區CP 含量除生長期第5 個月顯著高于高肥力區外(P＜0.05)，均與高肥力區無顯著差異(P ＞ 0.05)。

圖 1 不同刈割時期雜交構樹株高的動態變化Figure 1 Dynamic change in yield of hybrid Broussonetia papyrifera at different cutting dates

圖 2 不同刈割時期雜交構樹產量的動態變化Figure 2 Dynamic change in yield of hybrid Broussonetia papyrifera at different cutting dates

高肥力區和低肥力區Ash 含量的變化隨生長期的不同大致呈現逐月下降的趨勢(圖4)。高肥力區與低肥力區Ash 含量顯著下降的轉折點不同，高肥力區Ash 含量在第3 個生長月與前兩個月和后兩個月相比差異顯著(P＜0.05)。低肥力區Ash 含量在第2 個生長月呈顯著下降(P＜0.05)。

整體來看，兩個不同肥力區的NDF、ADF 含量動態變化基本表現了相同的升高趨勢(圖5、圖6)，兩個營養指標的含量在最后一個生長月均達到了最高。低肥力區的NDF 在前兩個生長月上升較緩慢，在生長期第3 個月呈顯著上升(P＜0.05)。低肥力區NDF 與ADF 含量，在第1 個和第3 個生長月(快速生長月)均高于高肥力區(P＜0.05)。

圖 3 不同刈割時期雜交構樹CP 含量的動態變化Figure 3 Dynamic change in the content of CP of hybrid Broussonetia papyrifera at different cutting dates

圖 4 不同刈割時期雜交構樹Ash 含量的動態變化Figure 4 Dynamic change in the content of ash of hybrid Broussonetia papyrifera at different cutting dates

圖 5 不同刈割時期雜交構樹NDF 含量的動態變化Figure 5 Dynamic change in the content of NDF of hybrid Broussonetia papyrifera at different cutting dates

圖 6 不同刈割時期雜交構樹ADF 含量的動態變化Figure 6 Dynamic change in the content of ADF of hybrid Broussonetia papyrifera at different cutting dates

2.2 綜合評價分析

根據公式(6)計算高肥力區各指標的等權關聯度為：r1Ⅰ= 0.523 8，r2Ⅰ= 0.643 6，r3Ⅰ= 0.728 7，r4Ⅰ=0.787 8，r5Ⅰ= 0.679 4，r6Ⅰ= 0.729 3，r1Ⅱ= 0.575 6，r2Ⅱ=0.777 6，r3Ⅱ= 0.775 0，r4Ⅱ= 0.926 5，r5Ⅱ= 0.787 0，r6Ⅱ=0.869 5。rⅠ、rⅡ分別代表第1 次刈割與第2 次刈割的等權關聯度，下同。本研究采用判斷矩陣法，根據公式(7)計算得出各指標對應的權值：ω1Ⅰ=0.059 5，ω2Ⅰ= 0.073 1，ω3Ⅰ= 0.082 8，ω4Ⅰ= 0.089 5，ω5Ⅰ= 0.077 2，ω6Ⅰ= 0.082 9，ω1Ⅱ= 0.065 4，ω2Ⅱ=0.088 4，ω3Ⅱ= 0.088 1，ω4Ⅱ= 0.105 3，ω5Ⅱ= 0.089 4，ω6Ⅱ= 0.098 8。各指標的權重順序為第2 次刈割Ash ＞第2 次 刈 割ADF ＞ 第1 次 刈 割Ash ＞ 第2 次 刈 割NDF ＞ 第2 次刈割株高 ＞ 第2 次刈割CP ＞ 第1 次刈割ADF ＞ 第1 次刈割CP ＞ 第1 次刈割NDF ＞ 第1 次刈割株高 ＞ 第2 次刈割畝產 ＞ 第1次刈割畝產。根據權重可構建高肥力區刈割期綜合評價模型：Y=0.059 5 ?1Ⅰ+ 0.073 1 ?2Ⅰ+ 0.082 8 ?3Ⅰ+ 0.089 5 ?4Ⅰ+0.077 2 ?5Ⅰ+ 0.082 9 ?6Ⅰ+ 0.065 4 ?1Ⅱ+ 0.088 4 ?2Ⅱ+0.088 1 ?3Ⅱ+ 0.105 3 ?4Ⅱ+ 0.089 4 ?5Ⅱ+ 0.098 8 ?6Ⅱ。同理得低肥力區各指標的權重順序為：第2 次刈割Ash ＞ 第2 次刈割NDF ＞ 第2 次刈割ADF ＞ 第1 次刈割Ash ＞ 第1 次刈割NDF ＞ 第1 次刈割ADF ＞ 第1 次刈割CP ＞ 第2 次刈割株高 ＞ 第2 次刈割CP ＞第2 次刈割畝產 ＞ 第1 次刈割株高 ＞ 第1 次刈割畝產。刈割期綜合評價模型：Y = 0.058 7 ?1Ⅰ+ 0.065 1 ?2Ⅰ+0.081 5 ?3Ⅰ+0.096 3 ?4Ⅰ+ 0.089 4 ?5Ⅰ+ 0.081 9 ?6Ⅰ+0.068 9 ?1Ⅱ+ 0.075 0 ?2Ⅱ+0.074 9 ?3Ⅱ+ 0.106 7 ?4Ⅱ+0.103 1 ?5Ⅱ+ 0.098 5 ?6Ⅱ。加權關聯度分析結果顯示(表1、表2)，高肥力區兩次刈割時間先后為6 月20 日與8 月20 日，即第1 次刈割在第2 個生長月，第2 次刈割在第4 個生長月時，關聯度最大，表示兩次刈割的株高、產量、粗蛋白、粗灰分、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維含量最接近于“標準雜交構樹”的最佳參考值，為較適宜刈割期。同理，低肥力區一年較適宜的兩次刈割期先后為第2 個生長月和第4 個生長月。高肥力區等權關聯度和加權關聯度分析所得的結論基本一致。高肥力區與低肥力區的4 種刈割時間安排的關聯度排序的相關系數分別為R2= 0.982 和R2= 0.992 (圖7)。

表 1 高肥力區兩次刈割雜交構樹生長量和營養成分各指標的關聯系數及關聯度Table 1 Correlation coefficient and correlation degree of 12 parameters for two cutting treatments of hybrid Broussonetia papyrifera in the high-fertility area

表 2 低肥力區兩次刈割雜交構樹生長量和營養成分各指標的關聯系數及關聯度Table 2 Correlation coefficient and correlation degree of 12 parameters for two cutting treatments of hybrid Broussonetia papyrifera in the low-fertility area

圖 7 高肥力區與低肥力區兩次刈割處理的加權關聯度與等權關聯度的相關性Figure 7 Correlation between grey correlative degree and weighted grey correlative degree for the two cutting treatments of the high-fertility and low-fertility areas

3 討論與結論

一般來說，隨著成熟度的提高，飼料作物的粗蛋白和粗灰分含量降低，同時纖維性物質含量增高，容易利用的營養成分含量降低，消化能減少[14]。從本研究結果來看，高肥力區和低肥力區立地條件雖不同，但以上指標的變化趨勢基本遵從這一規律。高肥力區與低肥力區雜交構樹CP 含量除第5 個月生長月外均無顯著差異，說明雜交構樹中氮素來源可能與土壤氮素養分無關。另本研究中，考察的是雜交構樹莖葉整體粗蛋白的含量，實際刈割收獲時，嫩枝與葉片多一同收割，雖雜交構樹的粗蛋白主要集中在葉片，但僅考察葉片粗蛋白含量無實際意義。雜交構樹在低肥力區的生長初期，大部分能量消耗在抵抗外界不良環境之中，這可能是前3 個生長月期間低肥力區NDF 與ADF含量大致上高于高肥力區的原因。在低肥力區后兩個生長月NDF 與ADF 含量大致上低于高肥力區，第5 個生長月CP 含量高于高肥力區，這可能是由于隨著生長期的變化高肥力區株高顯著高于低肥力區，莖葉質量比大于低肥力區造成的。

從已有的研究看，飼用型雜交構樹是一種適應性、抗逆性強，可廣泛性種植的特種經濟樹種。可在年平均氣溫10 ℃以上，最低氣溫 -25 ℃以內，年降水量300 mm 以上，土壤含鹽量8‰以下的環境中生長[15]。本研究在西北半干旱地區的蘭州進行雜交構樹的種植，突破了構樹生長的適生區[16]，無論是從溫度還是降水幾乎都達到雜交構樹生長條件的極限，從目前的生長狀況來看，低肥力無灌溉時，雜交構樹能夠成活，表現正常生長，但由于土壤肥力和水分的限制，產量較低，在進入快速生長時期以后明顯低于高肥力區。在高肥力區，給予正常的水肥管理措施，表現出對立地條件接受度高，7 月可進入快速生長期，能夠有一定產量，莖葉粗蛋白含量高，但因處于幼齡期，在產量上尚未表現出明顯優勢，后續需要進一步的驗證與研究。因此可以說明雜交構樹在西北半干旱區具有一定適應性，可將其作西北半干旱區非常規飼料來源的補充，但在考慮大面積推廣時，應因地制宜完成生長量與生態互補優勢的統一，在單位面積內生態能量下獲取最大的經濟效益。

飼料作物在單位面積內獲取最大經濟效益的根本目的是在單位面積收獲最大的營養物質產量。雜交構樹為雌花，敗育，自然狀態下為根蘗無性繁殖，不能同豆科紫花苜蓿或禾本科多花黑麥草(Lolium multiflorum)等植物根據花期或成熟期來進行最佳刈割期的判斷。已有的研究中，羅在柒等[10]等對貴州黔南地區不同生長周期雜交構樹的生物量和采收植株的構件特性進行分析發現，平均莖桿直徑在0.8 cm 左右，葉莖比大于1.2，能獲取較佳的采收構件特征和生物量。該研究中并未考慮營養物質產量，因單位面積生長量和營養成分含量是雜交構樹生長中兩個發展方向相反的過程，因此研究雜交構樹刈割時期必須兼顧二者對其進行綜合評價。近年來灰色關聯度分析法在評價飼用植物方面的應用較廣泛，目前已被推廣到最佳刈割期的判斷、環境因子與飼草的相關性分析應用上[17-18]。該法能夠對多個參評指標做出客觀、合理、全面的評價，避免了根據1 項或2 項指標含量最佳而確定結果做出的不準確判斷。已有的將灰色關聯度分析應用于最佳刈割期的研究時，多考量飼草在全年不同物候期中某一時期為最佳刈割期未考慮再生性[19]，本研究中，雜交構樹按全年兩次刈割，把第2 次刈割時的株高、產量、粗蛋白、粗灰分、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維看成是另外6 個參評指標，與第1 次刈割時的6 個指標共同構成12 個指標綜合評價，確定兩次刈割最佳刈割期，從整體來看，灰色關聯度分析法能較全面地反映參評指標對刈割期的綜合影響，對雜交構樹在蘭州地區的刈割具有一定的指導意義和應用價值。

高肥力區和低肥力區各指標的權重順序雖有不同，但從總體來看，第2 次刈割時期的Ash、NDF、ADF 所占權重較其他指標靠前，說明第2 次刈割時期的營養指標對確定最佳刈割期有重要的影響。CP 是反映雜交構樹營養價值的重要指標，但根據排序可以看出，CP 因權重值較低排序較后，這與韓汝旦等[20]應用灰色關聯度對白羊草(Bothriochloa ischaemum)生產性能的評價中，CP 排序較后的結果一致。本研究通過權重賦值再一次證實高CP 值在評價雜交構樹的生產性能時，不能作為唯一標準，應將主要營養成分與產量等農藝性狀指標結合起來全面地進行評估。

加權關聯度能真實地反映測定指標的實際值與參考數列的差異大小，在本研究中加權關聯度排名與等權關度排名結果基本一致，但加權關聯度排名比等權關聯度排名更加合理準確，因此綜合評價排名采用加權關聯度排名。高肥力區與低肥力區的水肥管理條件雖不同，但一年中較適宜的兩次刈割時間安排均為第2 個生長月和第4 個生長月。

雜交構樹在蘭州地區的種植適應性是一個逐步的過程，本研究只對當年雜交構樹的生長狀況及刈割期進行評價，對其在我區越冬情況尚未調查，抗寒性與需要采取的抗寒措施未知，后期選育高產抗旱性品種對在西北半干旱地區發展雜交構樹產業及改善生態環境都將具有重大意義和必要性。