7份紅萍種質資源生態化學計量特征比較及飼用價值評價

李忠義，蔣云偉，應朝陽，曹衛東，周國朋，黃麗秀，韋彩會，唐紅琴，董文斌，蒙炎成，何鐵光*

(1.廣西農業科學院農業資源與環境研究所，廣西 南寧 530007；2.桂林市農業科學研究中心，廣西 桂林 541006；3.福建省農業科學院農業生態研究所，福建 福州 350013；4.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081)

【研究意義】紅萍(Azolla)又名滿江紅，為水生蕨類植物與固氮藍細菌(藍藻)的共生體，是我國南方傳統的稻田綠肥和禽畜魚飼餌料，在稻—萍、稻—萍—魚和稻—萍—鴨等農業生態模式中發揮著重要作用[1-2]。生態化學計量學是利用生態過程中多重化學元素的平衡關系探究元素比例對有機體和生態系統影響程度的有效工具[3-4]，可用于指導農田土壤培肥[5]。隸屬函數分析法可客觀、準確地評價植物的飼用價值[6]。因此，借助生態化學計量學分析紅萍的碳(C)、氮(N)、磷(P)和鉀(K)等主要養分含量，并結合隸屬函數分析法對其飼用價值進行綜合評價，對紅萍的養分管理和生產利用具有重要意義。【前人研究進展】目前，生態化學計量學主要結合生物學科不同層次的理論集中研究C、N和P等元素的特征[7-8]。鄭向麗等[9]研究網室土壤水培養條件下不同紅萍C、N和P的季節變化情況，明確了紅萍的C/N、C/P和N/P隨溫度變化呈先降低再升高的變化趨勢。余濤等[10]研究網室土壤水培養和溫室營養液培養條件下不同紅萍的C、N和P生態化學計量特征，明確了紅萍的生長主要受N元素限制。紅萍是一種富鉀綠肥[11]，K元素作為作物營養的三要素之一，在細胞滲透勢調控、氣孔調節、同化物的合成與運輸及植物抗性的提高等方面發揮著重要作用[12]，將其與C、N和P元素的生態化學計量特征一起分析，有利于全面揭示紅萍養分的生態化學計量特征和肥用價值。紅萍作為飼餌料在稻—魚和稻—鴨生態系統中不僅參與養分循環，更為魚和鴨提供清潔食源[13-14]。黃毅斌等[15]開展細綠萍(AzollafiliculoidesLam)、卡洲萍(A.carolinianaWilld)、羽葉萍(A.pinnataR. Brown)和小葉萍(A.microphyllaKaulfus)養魚的適口性試驗，發現7～10月的羽葉萍較適合作為草魚餌料。林忠華等[16]研究顯示，回交萍(BackcrossedAzolla. MH)作為魚飼料，產投比為2.0～2.1。【本研究切入點】迄今，針對不同紅萍種質資源飼用價值進行綜合評價的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】模擬自然環境，篩選適宜露天土壤水培養條件的紅萍資源，明確其生態化學計量特征，并通過隸屬函數法綜合評價其飼用價值，為紅萍資源在稻—萍—魚/鴨農業生態模式中推廣應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試7份紅萍種質資源分別為細綠萍、卡州萍、覆瓦狀萍[A.imbricate(Roxb.) Nakais]、羽葉萍、雜交萍(HybridAzolla)、回交萍2(BackcrossedAzolla. MH2)和回交萍3(BackcrossedAzolla. MH3)，均由廣西農業科學院農業資源與環境研究所于2017年從國家紅萍種質圃(福州)引進，并在廣西桂林進行適應性養殖。

1.2 試驗方法

試驗于2019年7月在桂林市農業科學研究中心試驗田進行露天土壤水培養，水深約10 cm，采用隨機區組設計，每小區面積8 m2，每個品種3次重復，即3個區組21個處理小區。每小區放養鮮萍2.00 kg，每次放萍后每小區施過磷酸鈣20.0 g和氯化鉀4.0 g，每15 d測產1次，共測產4次，在第2次測產時取樣分析養分指標和營養指標。

1.3 測定指標及方法

紅萍取樣后用純凈水沖洗干凈，再用吸水紙吸干，測定其鮮生物量。樣品帶回實驗室，105 ℃殺青30 min后70 ℃烘干至恒重過篩，儲于真空干燥器中備用。樣品有機C含量采用重鉻酸鉀—外加熱法測定，全N含量采用凱氏定氮法測定，全P含量采用硝酸—高氯酸消煮—鉬銻抗分光光度法測定，全K含量采用火焰光度計測定[17]，粗蛋白(CP)含量采用GB/T 6432—2018《飼料中粗蛋白的測定 凱氏定氮法》進行測定，粗脂肪(EE)含量采用GB/T 6433—2006《飼料中粗脂肪的測定》中的索氏提取法進行測定，粗灰分(Ash)含量采用GB/T 6438—2007《飼料中粗灰分的測定》中的灰化法進行測定，中性洗滌纖維(NDF)含量采用GB/T 20806—2006《飼料中中性洗滌纖維(NDF)的測定》中的方法進行測定，酸性洗滌纖維(ADF)含量采用NY/T 1459—2007《飼料中酸性洗滌纖維的測定》中的方法進行測定。

表1 有機肥料品質三要素分級標準

表2 有機肥料品質總分分級標準

紅萍生物量積累用繁殖系數K表示[18]，K=(W1-W0)/t，其中，W1為測產時的紅萍重量，W0為初始紅萍重量，t為培養天數。飼用價值應用模糊數學中的隸屬函數值R(Xi)法，對粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維等5個指標進行綜合評價[19-20]。如果指標間呈正相關，則用R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)計算隸屬函數值，如果指標間呈負相關，則用R(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)計算隸屬函數值。式中，R(Xi)為隸屬函數值，Xi為指標測定值，Xmin為同組處理的最小值，Xmax為同組處理的最大值。

根據全國有機肥料品質N、P、K三要素分級標準[21](表1)和全國有機肥料品質總分分級標準[21](表2)，對7份紅萍種質資源進行有機肥分級評價。

1.4 統計分析

試驗數據采用Excel 2007進行整理，以DPS 9.05進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 紅萍種質資源的生長特性

由表3可知，在露天土壤水培養15 d時，7份紅萍種質資源的鮮生物量為1.18～1.69 kg/m2，平均為1.34 kg/m2，其中覆瓦狀萍的鮮生物量最高，且顯著高于細綠萍、卡州萍、羽葉萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3(P<0.05，下同)；卡州萍的鮮生物量最低，但與細綠萍、羽葉萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3無顯著差異(P>0.05，下同)。培養15 d時，7份紅萍種質資源的繁殖系數為0.49～0.77 kg/(d·小區)，平均為0.58 kg/(d·小區)，其中覆瓦狀萍的繁殖系數最高，且顯著高于細綠萍、卡州萍、羽葉萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3；卡州萍的繁殖系數最低，但與細綠萍、羽葉萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3無顯著差異。說明覆瓦狀萍在廣西桂林越夏生長的適應性最佳，其他紅萍種質資源的適應性排序為回交萍3>細綠萍>雜交萍>回交萍2>羽葉萍>卡州萍。

2.2 紅萍種質資源的生態化學計量特征

2.2.1 C、N、P和K含量比較 由表4可知，7份紅萍種質資源的C含量變幅為46.87 %～63.00 %，平均為58.53 %，其中覆瓦狀萍的C含量最低，且顯著低于細綠萍、卡州萍、羽葉萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3，細綠萍的C含量最高，但與卡州萍、羽葉萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3無顯著差異；N含量變幅為2.56 %～3.55 %，平均為3.21 %，其中羽葉萍的N含量最低，卡州萍的N含量最高，二者間差異顯著，細綠萍、覆瓦狀萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3間及其與羽葉萍和卡州萍間的N含量無顯著差異；P含量變幅為0.62 %～0.85 %，平均為0.71 %，其中細綠萍的P含量最低，卡州萍的P含量最高，二者差異顯著，覆瓦狀萍、羽葉萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3間及其與細綠萍和卡州萍間的P含量無顯著差異；K含量變幅為2.49 %～3.85 %，平均為2.77 %，其中卡州萍的K含量最高，且顯著高于細綠萍、覆瓦狀萍、羽葉萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3，細綠萍、覆瓦狀萍、羽葉萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3間的K含量無顯著差異。根據全國有機肥料品質N、P和K三要素分級標準和全國有機肥料品質總分分級標準，本研究中細綠萍、卡州萍、覆瓦狀萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3的N、P和K三要素總分為68分，達一級有機肥標準，羽葉萍的N、P和K三要素總分為60分，達二級有機肥標準。說明7份紅萍種質資源作為綠肥應用均具有較高的潛在價值。

表3 紅萍種質資源的生長特性

表4 紅萍種質資源的C、N、P、K含量和有機肥品質分級評價

2.2.2 C、N、P和K的生態化學計量特征比較 由表5可知，7份紅萍種質資源的C/N變幅為14.93～23.61，平均為18.67，其中羽葉萍的C/N最高，覆瓦狀萍的C/N值最低，二者間差異顯著；C/P變幅為68.03～104.36，平均為83.57，其中細綠萍的C/P最高，覆瓦狀萍的C/P最低，二者間差異顯著；C/K變幅為15.52～25.44，平均為21.83，其中細綠萍和雜交萍的C/K較高，二者間無顯著差異，但均顯著高于卡州萍和覆瓦狀萍，而卡州萍的C/K最低，且顯著低于除覆瓦狀萍外的其他5份種質資源；N/P變幅為3.80～5.46，平均為4.55，其中細綠萍的N/P最高，羽葉萍的N/P最低，二者差異顯著；N/K變幅為0.95～1.68，平均為1.24，其中細綠萍的N/K最高，卡州萍的N/K最低，二者差異顯著；K/P變幅為3.49～4.64，7份種質資源間無顯著差異。可見，紅萍對N、P和K元素的利用效率隨品種不同呈多樣性變化，其中，細綠萍的C/P、N/P和N/K較高，卡州萍的C/N、C/P 和C/K較低。

本研究中紅萍的N/P變幅為3.80～5.46，遠低于14.00，K/P的變幅為3.49～4.64，大于3.40，參考吳家森等[22]、Koerselman和Meuleman[23]、Olde等[24]的研究結果推斷，N是紅萍生長的限制因子，而紅萍作為富鉀綠肥，其生長受鉀的影響較小。

表5 紅萍種質資源的C、N、P和K生態化學計量特征比較

表6 紅萍種質資源的營養物質含量比較

2.3 紅萍種質資源的營養品質對比及飼用價值綜合評價

2.3.1 營養品質 由表6可知，7份紅萍種質資源的粗蛋白含量為15.52 %～25.39 %，平均為21.55 %，其中羽葉萍的粗蛋白含量最低，卡州萍的粗蛋白含量最高，二者間差異顯著；粗脂肪含量為2.37 %～3.40 %，平均為2.80 %，其中覆瓦狀萍的粗脂肪含量最低，雜交萍的粗脂肪含量最高，二者間差異顯著；粗灰分含量為11.70 %～16.97 %，平均為14.22 %，其中細綠萍的粗灰分含量最低，羽葉萍的粗灰分含量最高，二者間差異顯著；酸性洗滌纖維含量為38.53 %～49.47 %，平均為42.35 %，其中細綠萍的酸性洗滌纖維含量最低，羽葉萍的酸性洗滌纖維含量最高，二者間差異顯著；中性洗滌纖維含量為49.67 %～54.63 %，平均為51.66 %，其中卡州萍的中性洗滌纖維含量最低，回交萍2的中性洗滌纖維含量最高，二者間差異顯著。說明不同紅萍種質資源營養物質含量有所不同，其中羽葉萍的粗蛋白含量和粗脂肪含量較低，粗灰分含量和酸性洗滌纖含量較高。

2.3.2 飼用價值的綜合評價 選擇粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量等5個指標，采用隸屬函數法進行飼用價值分析評價。其中粗蛋白和粗脂肪含量與紅萍種質資源品質呈正相關，可采用隸屬函數計算公式計算其函數值，而粗灰分、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量與紅萍種質資源品質呈負相關，需采用反隸屬函數計算公式計算其函數值。由表7可知，雜交萍的平均隸屬函數值最高，卡州萍和細綠萍的平均隸屬函數值較高，其后依次為回交萍3、回交萍2、覆瓦狀萍和羽葉萍，即7份紅萍種質資源的飼用價值排序為雜交萍>卡州萍>細綠萍>回交萍3>回交萍2>覆瓦狀萍>羽葉萍。說明雜交萍的飼用價值最高，卡州萍和細綠萍的飼用價值較高，適宜在桂北地區稻—萍—魚/鴨農業生態模式中推廣應用；而羽葉萍的飼用價值最低，不宜在桂北地區稻—萍—魚/鴨農業生態模式中推廣應用。

表7 紅萍種質資源各營養指標的隸屬函數值及綜合評價結果

3 討 論

生物量作為衡量植物生產力的重要指標，能較好地反映紅萍的生長適應性。余濤等[10]研究表明，在8份紅萍種質資源中，雜交萍在網室土壤水培養環境下培養其生物量最高，羽葉萍的生物量最低；卡州萍在溫室營養液環境下培養其生物量最高，覆瓦狀萍的生物量最低。萬合鋒等[25]研究認為，溫度和光照是影響紅萍生長的重要因素。本研究結果與上述研究結果存在差異，覆瓦狀萍在露天土壤水培養環境下培養其鮮生物量和繁殖系數最高，表明覆瓦狀萍在廣西桂林越夏的適應性強，進一步說明不同紅萍種質資源在不同環境條件生長狀況存在差異。

C是有機體的重要組成部分，N、P和K是植物生長不可或缺的大量營養元素。本研究中，7份紅萍種質資源的C含量變幅為46.87 %～63.00 %，N含量變幅為2.56 %～3.55 %，P含量變幅為0.62 %～0.85 %，K含量變幅為2.49 %～3.85 %，其中，C含量高于我國東部水生植物C含量的平均值(33.70 %)[26]，K含量高于我國陸生植物K含量的平均值(1.21 %)[27]，N和P含量均高于我國陸生植物N和P 含量的平均值(1.860 %和0.121 %)[28]，也高于我國濕地植物N和P含量的平均值(1.607 %和0.185 %)[29]，說明紅萍含有豐富的營養元素。郇恒福等[30-32]、王松林等[33]、賴杭桂等[34]、馬艷芹等[35]開展不同綠肥品種品質評價、等級劃分和腐解特性研究，其結果有利于掌握綠肥作物的肥用價值，從而為綠肥品種的合理利用提供參考依據。本研究中，細綠萍、卡州萍、覆瓦狀萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3的N、P和K三要素總分達一級有機肥標準，羽葉萍的N、P和K三要素總分達二級有機肥標準，說明紅萍作為綠肥具有較高的潛在應用價值。

營養元素的化學計量比可體現植物生長策略和環境養分限制[36]。C/N、C/P 和C/K代表植物吸收N、P和K等元素所能同化C的能力，在一定程度上反映了植物的養分利用效率[37]。本研究發現，紅萍對N、P和K元素的利用效率隨品種不同呈多樣性變化，其中，卡州萍的C/N、C/P 和C/K較低，與鄭向麗等[9]在網室土壤水培養條件下獲得的紅萍C/N和C/P相似。本研究中，7份紅萍種質資源的N/P均小于14.00，K/P大于3.40，說明N是紅萍生長的限制因子，因此，在紅萍的養殖管理中，應適當增施氮肥。

利用單一營養成分指標評價種質資源的優劣具有一定的片面性，而隸屬函數分析法提供了一條在多指標測定基礎上對種質資源特性進行綜合評價的途徑，使分析結果更客觀和準確[38-39]。本研究對7份紅萍種質資源5個營養指標進行的隸屬函數分析結果表明，雜交萍的營養價值最高，其后依次為卡州萍、細綠萍、回交萍3、回交萍2、覆瓦狀萍和羽葉萍，桂北地區的稻—萍—魚/鴨農業生態模式可參考應用。

4 結 論

在廣西桂林地區露天土壤水培養條件下，細綠萍、卡州萍、覆瓦狀萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3的N、P和K三要素總分達一級有機肥標準，羽葉萍達二級有機肥標準，作為綠肥均具有較高的潛在應用價值；7份紅萍種質資源的N/P均較低，說明N是紅萍生長的限制因子；覆瓦狀萍的鮮生物量和繁殖系數最高，生長適應性最佳，雜交萍的飼用價值最高，這2份種質資源更適宜在桂北地區的稻—萍—魚/鴨農業生態模式中推廣應用。