高寒地區(qū)15份早熟禾屬野生牧草種質(zhì)材料評(píng)價(jià)

田浩琦，汪輝，陳有軍，周青平

(西南民族大學(xué)，青藏高原研究院，四川 成都 610000)

早熟禾屬(Poa)植物為一年生或多年生禾草，多為種子繁殖。早熟禾屬是根莖疏叢型下繁草，具圓錐花序，花藥3個(gè)，倒生胚珠，葉尖船形，抗逆性強(qiáng)，耐踐踏，該屬植物大多是優(yōu)良的牧草[1]。早熟禾屬植物的生境分布范圍廣，多分布于溫帶和寒帶地區(qū)。全球范圍已記錄的早熟禾屬含500余種[2]，中國(guó)約有231種。中國(guó)主要分布在華北、西北、東北、西南及南方冷涼濕潤(rùn)的環(huán)境[3]，其中，在青藏高原地區(qū)分布有90余種，這為高寒地區(qū)早熟禾資源育種提供了豐富的基礎(chǔ)材料。草地早熟禾是我國(guó)北方主要的冷季性草坪草，需求量較多，多數(shù)種源依賴進(jìn)口，但是引進(jìn)的品種因適應(yīng)性差而多發(fā)病害[4]，因此，篩選具有較好種子活力的早熟禾屬植物種質(zhì)資源非常重要。

近年來(lái)，受人類活動(dòng)、氣候變暖等因素影響，高寒草甸、草原的穩(wěn)態(tài)遭到破壞，青藏高原地區(qū)草地生態(tài)惡化，天然草地生產(chǎn)力降低，同時(shí)，其自然屏障功能也在下降。在生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理工程中，需要建植大面積的人工草地，草種的選擇是關(guān)鍵。發(fā)掘本地種質(zhì)資源并加以開(kāi)發(fā)利用是解決當(dāng)?shù)胤N子缺乏和牧草適應(yīng)性等問(wèn)題的關(guān)鍵[5]。目前，我國(guó)高寒地區(qū)缺乏適宜種植的矮禾草品種，引進(jìn)品種難以適應(yīng)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)氣候環(huán)境，影響了高寒地區(qū)人工草地的建植質(zhì)量和利用年限[6]。此外，早熟禾屬植物多為優(yōu)良根莖型牧草，伍磊等[7]研究發(fā)現(xiàn)，扁莖早熟禾的毛根數(shù)量要遠(yuǎn)多于根莖和根頸，毛根在根莖和根頸的輔助下固著土壤起到涵養(yǎng)水源的作用。多年生早熟禾根系對(duì)群落構(gòu)成、土壤固著、生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)具有重要意義，因此，野生早熟禾屬資源的馴化和選育對(duì)高寒草地生態(tài)恢復(fù)具有十分重要的作用。馴化選育高產(chǎn)品種能增加飼草產(chǎn)量，提高其經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，還能進(jìn)一步選育抗旱、固土性好的品種，作為綠色環(huán)保植物，能對(duì)草場(chǎng)退化、沙化地改良等環(huán)境問(wèn)題的解決提供優(yōu)質(zhì)材料。此外，也可為不同氣候帶地區(qū)的草坪草建植方面提供更多可選擇性，從而利于草坪成活及抵御特殊天氣變化。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)早熟禾屬種質(zhì)資源評(píng)價(jià)的研究集中在對(duì)其坪用性狀[8-11]、抗旱性[12-15]、耐鹽性[16-17]以及發(fā)芽特性[18]等方面的比較，這些研究材料多來(lái)自我國(guó)暖溫帶和亞熱帶地區(qū)[19-21]，而對(duì)我國(guó)高寒地區(qū)的野生早熟禾屬種質(zhì)資源的評(píng)價(jià)工作較少。野生牧草資源作為一種長(zhǎng)期由自然選擇而保留下來(lái)的且未被開(kāi)發(fā)利用的資源，擁有高原地區(qū)氣候和環(huán)境條件賦予的諸多抗性，如抗寒、抗鹽堿、抗旱、耐瘠等，選育抗性較強(qiáng)的品種對(duì)高寒地區(qū)草業(yè)發(fā)展以及高原城市草坪建植具有重要意義。鑒于此，本研究對(duì)高寒地區(qū)野生早熟禾屬種質(zhì)資源開(kāi)展評(píng)價(jià)工作，以期為恢復(fù)生態(tài)、提高草原生產(chǎn)力提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地在四川省阿壩州紅原縣西南民族大學(xué)青藏基地牧草資源圃，海拔3 504 m，E 102°5′，N 32°8′；年均氣溫1.4℃，氣溫日均差為16.3℃；年均降水量749.1 mm，80%的降水集中在5～8月；為大陸性高原寒溫帶季風(fēng)氣候。紅原地區(qū)氣溫3月下旬開(kāi)始回暖，7月下旬至8月間達(dá)到最高，10月下旬溫度達(dá)到零下，牧草生長(zhǎng)季(4～10月)氣溫變化幅度較大(圖1)。

圖1 2018年紅原縣月均降水量和溫度Fig.1 Change in monthly mean precipitation and temperature in Hongyuan county in 2018

1.2 供試材料

供試材料為青藏基地牧草種質(zhì)資源圃中的早熟禾3份，冷地早熟禾7份，草地早熟禾、波密早熟禾、華灰早熟禾、波伐早熟禾、光稃早熟禾各1份，共15份野生種質(zhì)資源(表1)。

表1 早熟禾野生資源采集地信息

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料于2016年5月種植，試驗(yàn)小區(qū)面積為15 m2(3 m×5 m)，條播，行距15 cm，重復(fù)3次，播種量為15 kg/hm2，播深1～2 cm。人工定期除草，春季施肥1次，旱作。2018年返青后記錄各野生資源的生育時(shí)期，統(tǒng)計(jì)其形態(tài)特征指標(biāo)、草產(chǎn)量及種子發(fā)芽特征指標(biāo)等。

1.4 指標(biāo)觀測(cè)及測(cè)定方法

1.4.1 生育時(shí)期時(shí)間記錄 記錄各野生資源返青期、分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、開(kāi)花期、乳熟期、蠟熟期、完熟期各生育時(shí)期，以每個(gè)小區(qū)50%植株進(jìn)入該生育時(shí)期為標(biāo)準(zhǔn)。

生育時(shí)期記錄標(biāo)準(zhǔn)

(1)返青期：植株由黃色變?yōu)榫G色，開(kāi)始再生長(zhǎng)。

(2)分蘗期：50%植株從基部分蘗節(jié)長(zhǎng)出側(cè)枝。

(3)拔節(jié)期：50%植株莖基部節(jié)間伸長(zhǎng)，露出地面約2 cm。

(4)抽穗期：50%植株幼穗從莖稈頂部葉鞘中露出，但未授粉。

(5)開(kāi)花期：50%植株開(kāi)花。

(6)乳熟期：籽粒充滿乳白色液體，含水量在50%左右，當(dāng)50%的植株達(dá)到上述狀態(tài)時(shí)可記為乳熟期。

(6)蠟熟期：籽粒由綠變黃，水分減少到25%～30%，內(nèi)含物呈蠟狀，50%植株達(dá)到上述狀態(tài)時(shí)可記為蠟熟期。

(7)成熟期：籽粒完全變黃、堅(jiān)硬狀態(tài)；當(dāng)80%以上植株達(dá)到上述狀態(tài)時(shí)可記為成熟期。

(8)生育期天數(shù)：由出苗至種子成熟的天數(shù)記為生育期天數(shù)。

1.4.2 形態(tài)特征指標(biāo)測(cè)定 開(kāi)花期，每塊小區(qū)隨機(jī)選取10株植株，用卷尺測(cè)定其自然高度、垂直高度，用游標(biāo)卡尺測(cè)定葉長(zhǎng)、葉寬(測(cè)定葉片最寬處寬度)和莖粗。

1.4.3 草產(chǎn)量測(cè)定 開(kāi)花期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取30 cm樣段，齊地刈割，稱鮮重，并將植株分為葉片、莖和穗，分別稱重，計(jì)算莖葉比。

莖葉比=莖重/葉片重

1.4.4 種子千粒重測(cè)定 種子成熟期，收獲種子后測(cè)定種子千粒重，每個(gè)樣品隨機(jī)選取8個(gè)100粒種子，分別稱重，變異系數(shù)不超過(guò)0.04，求其平均值。

1.4.5 種子發(fā)芽指標(biāo)測(cè)定 根據(jù)GB/T 2930.4-2017《草種子檢驗(yàn)規(guī)程發(fā)芽試驗(yàn)》進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)皿法發(fā)芽試驗(yàn)。取適量供試樣品種子，用蒸餾水清洗6～8 次后，將經(jīng)過(guò)處理的種子放置于室溫下自然晾干。發(fā)芽床為底部平鋪有2層濾紙的120 mm培養(yǎng)皿，用鑷子挑選出100粒顆粒完整飽滿的種子均勻地平擺在發(fā)芽床上，每個(gè)品種重復(fù)3次。將上述培養(yǎng)皿放入恒溫恒濕光照培養(yǎng)箱(MGC-250)中進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，采用10 h光照和14 h黑暗處理，對(duì)應(yīng)溫度分別設(shè)為19℃和23℃，每天早晚添加適量蒸餾水以保持濾紙濕潤(rùn)。待種子開(kāi)始萌發(fā)后，每天下午13:00定時(shí)記錄萌發(fā)正常的種子數(shù)，記錄腐爛種子數(shù)量后及時(shí)撿出發(fā)芽床。發(fā)芽周期為23天，第7天的種子發(fā)芽率記為發(fā)芽勢(shì)，發(fā)芽最后一天記錄發(fā)芽率，并計(jì)算發(fā)芽指數(shù)(GI)和活力指數(shù)(VI)。

GI=∑(Gt/Dt)

VI=S×∑(Gt/Dt)

式中，Gt為每天對(duì)應(yīng)的種子發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽日數(shù)，S為幼苗鮮重。

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016和IBM SPSS Statistics 21進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生育時(shí)期

所有材料均于4月中下旬開(kāi)始返青，其中P2較早(表2)。P11的生育期最短，為103 d；P3、P6、P7、P8、P9、P10、P12、P14的生育期為104～105 d。P1、P2、P13、P15的生育期較長(zhǎng)，均在115 d以上；P2的生育期最長(zhǎng)，120 d，為晚熟材料。P11、P14綠期均較短，相比其他品種枯黃時(shí)間提前7～16 d。

表2 野生早熟禾屬材料生育時(shí)期及生育期

2.2 形態(tài)特征

P1和P2的單株地上生物量均遠(yuǎn)高于其他材料，其中穗重貢獻(xiàn)最大，P2穗部與其地上總生物量的比值最高，為0.935；P4、P6、P9的單株地上生物量較低，其中P6的穗重最低，占平均單株地上生物量的比重為0.26(圖2)。早熟禾屬植物較其他屬牧草具有較少的葉片，葉重在地上生物量中占比較小，所有材料中，P11葉重占地上生物量的比重最高，為0.192。P8的莖重最大，占地上總生物量的比重為0.485；P1的莖重最小，占地上總生物量的比重為0.0548。

圖2 早熟禾屬野生資源莖、葉和穗重量Fig.2 The weight of stem,leaf and ear of 15 wild Poa germplasm

所有野生材料以P10的株高最大，為53.6 cm，與P2、P7、P15間差異不顯著；P5株高最小，為32.79 cm(表3)。莖直徑的大小能間接反應(yīng)牧草中纖維含量，P2的莖直徑最大，為0.091 mm，P1、P2、P3、P4、P9、P10、P14之間差異不顯著；P8的莖直徑最小，為0.023 mm。P2的葉寬最小，為0.087 mm；P13最高，為0.233 mm。P11、P12的葉長(zhǎng)最大，分別為7.150 cm和6.680 cm，兩者與其他材料間差異顯著(P<0.05)；P5葉長(zhǎng)最小，為2.840 cm，與其他材料間差異顯著(P<0.05)。P6莖葉比最大，為6.550；P1、P11最小，分別為1.07和1.36。

表3 早熟禾屬野生材料形態(tài)特征指標(biāo)

P1的千粒重最高，為0.266 5 g，與其他材料間差異顯著(P<0.05)；P4的千粒重最低，為0.155 5 g。除P1外，其余資源的千粒重間無(wú)顯著差異(P>0.05)(圖3)。

圖3 早熟禾野生材料種子千粒重Fig.3 Thousand-seed weight of wild Poa seeds

P2、P6的鮮草產(chǎn)量最高，分別達(dá)到了8 900、8 996 kg/hm2；其次為P7，產(chǎn)量為8 333 kg/hm2；P8、P9的鮮草產(chǎn)量最低，分別為4 266，4 300 kg/hm2(圖4)。

圖4 早熟禾屬野生材料生物量Fig.4 Fresh bioamss of 15 wild Poa germplasms

2.3 發(fā)芽特征指標(biāo)

在10個(gè)材料中，P8的發(fā)芽勢(shì)最高，為52%，與P6、P7、P9的發(fā)芽勢(shì)間差異不顯著(P>0.05)；P1和P10的發(fā)芽勢(shì)最低，為21%(表4)。P9的發(fā)芽率最高，為87%；其次為P1、P12；P10的發(fā)芽率最低，為27%。發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)以P6為最大，分別為10.525、1.463；P10的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均最低，分別為3.701和0.213。

表4 早熟禾野生資源種子發(fā)芽特征

2.4 形態(tài)特征指標(biāo)相關(guān)性分析

千粒重與葉重極顯著正相關(guān)(P<0.01)，單株重和葉寬、莖直徑、莖葉比顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，單株重和穗重極顯著正相關(guān)(P<0.01)(表5)。葉長(zhǎng)和株高極顯著正相關(guān)(P<0.01)，葉寬與株高顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，莖重和葉寬、穗重顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，穗重和葉寬顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與莖直徑極顯著正相關(guān)(P<0.01)，穗重與莖葉比極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，莖重與葉寬顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，莖重和穗重顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

3 討論

草種綠期與草種的生態(tài)學(xué)、生物學(xué)特性密切相關(guān)，是草坪品種特性及適應(yīng)能力的集中反映[21]。供試材料中，有5種冷地早熟禾(P6、P7、P8、P9、P10)、1種華灰早熟禾(P11)、1種早熟禾(P3)和1種光稃早熟禾(P14)的生育期較短，較其他材料短5～17 d；P3、P6、P7、P8、P9、P10、P12的返青時(shí)間較晚，較其他材料晚10～12 d，以上8種野生材料的生育期均較短，為早熟資源。早熟資源生育期短的特點(diǎn)在種質(zhì)資源繁育上有一定優(yōu)勢(shì)。2種早熟禾(P1、P2)、1種波密早熟禾(P13)、1種草地早熟禾(P15)的生育期在115 d以上，為所有供試材料中的晚熟資源。

表5 早熟禾野生材料農(nóng)藝性狀指標(biāo)相關(guān)性分析

禾本科植物的穗重一定程度上決定了種子質(zhì)量和產(chǎn)量。所有供試材料中，2種早熟禾(P1、P2)的地上生物量、穗重為最高。千粒重是體現(xiàn)種子大小與飽滿程度的一項(xiàng)指標(biāo)，被用來(lái)衡量種子質(zhì)量和種子活力，也是預(yù)測(cè)田間種子產(chǎn)量的重要依據(jù)。P1的千粒重最高，可作為種子生產(chǎn)、退化草地的補(bǔ)播的材料。

牧草地上生物量直接決定了飼用量，是評(píng)價(jià)草產(chǎn)量的重要指標(biāo)。P2、2種冷地早熟禾(P6、P7)的草產(chǎn)量能達(dá)到8 000 kg/hm2以上。莖為禾本科植物地上生物量的重要組成部分，其粗纖維、粗蛋白等成分含量決定了牧草的營(yíng)養(yǎng)成分、適口性等指標(biāo)，15份材料的單株莖重總體變化相差不大。莖葉比常被用來(lái)比較牧草間的品質(zhì)差異，其大小決定著牧草營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的高低[22-23]。早熟禾P1、華灰早熟禾P11的莖葉比為最小，葉量較豐富，適合刈割飼用[1]。

植物對(duì)所處的生態(tài)環(huán)境有特定的響應(yīng)和適應(yīng)[24]，供試材料的株高分別與葉長(zhǎng)、葉寬呈極顯著正相關(guān)和顯著負(fù)相關(guān)，這說(shuō)明株高越高、葉長(zhǎng)越長(zhǎng)的同時(shí)葉寬也越窄。研究表明，小葉形是耐旱的一種特征，細(xì)小的葉型可以減少水分蒸發(fā)面積[25]。另外，馬冰的研究結(jié)果表明，隨著光照強(qiáng)度增強(qiáng)，禾本科植物幼苗會(huì)將更多資源分配給地下部分，從而減少對(duì)地上生物量的投入，因此，高原地區(qū)強(qiáng)光和降水較少的特點(diǎn)影響了早熟禾的葉部形態(tài)[26]。莖重分別與葉寬、穗重呈負(fù)顯著相關(guān)、穗重與葉寬顯著負(fù)相關(guān)(表5)，說(shuō)明地上部分物質(zhì)的積累總是以穗部為主，其次為莖部，后為葉部。穗重與莖直徑極顯著正相關(guān)，說(shuō)明莖直徑影響穗重的正相發(fā)育，能間接決定種子質(zhì)量。

發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率是反映種子質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主要指標(biāo)之一。在發(fā)芽率相同時(shí)，發(fā)芽勢(shì)高的種子生命力強(qiáng)，在場(chǎng)地播種時(shí)發(fā)芽率較高，播種后幼苗能出土正常，且增產(chǎn)潛力大。冷地早熟禾P8的發(fā)芽勢(shì)為最高，另外3種冷地早熟禾(P6、P7、P9)與P8 在同一水平。發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)是種子發(fā)芽速率和生長(zhǎng)量的綜合反映，在10種材料的發(fā)芽特征評(píng)價(jià)中，以P6的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)為最高。種子發(fā)芽率高，則表示有生活力種子多，播種后出苗數(shù)多，P1、P2兩種早熟禾材料的發(fā)芽率均在70%以上，冷地早熟禾P9的發(fā)芽率為87%，這3種發(fā)芽率較高的材料可考慮與其他草種混播，用于退化草地的補(bǔ)播修復(fù)。

本研究評(píng)價(jià)的所有野生材料均采自海拔2 500 m以上地區(qū)，其抗寒性、越冬率等指標(biāo)較低海拔地區(qū)同類牧草具有一定優(yōu)勢(shì)，因此，野生早熟禾屬資源除了作飼用外，還可以通過(guò)草坪草形態(tài)特征、反映生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中地上部枝葉變化情況的蓋度指標(biāo)、反映草坪草美觀程度的綠度指標(biāo)[27]、反映抗旱能力的葉片抗脫水能力指標(biāo)[28]、抗病性[29]等坪用指標(biāo)的情況，對(duì)高海拔地區(qū)野生早熟禾資源作出更全面的評(píng)價(jià)，從而應(yīng)用于海拔較高地區(qū)城市的草坪綠化。

早熟禾屬植物為草坪草種選育的重要來(lái)源，其飼用價(jià)值也不容小覷。野生早熟禾屬植物作為尚未開(kāi)發(fā)利用的資源，是新品種選育的基礎(chǔ)，對(duì)野生種質(zhì)資源進(jìn)行準(zhǔn)確、充分的評(píng)價(jià)是對(duì)其有效利用的前提。在早熟禾種子生產(chǎn)中，若以提高產(chǎn)量為目的，除了直接選擇千粒重較高的品種外，也可選擇與其相關(guān)的間接性狀，以達(dá)到最好效果。從提高早熟禾牧草出苗整齊度、生長(zhǎng)活力的角度講，就需要選擇發(fā)芽勢(shì)較好、種子活力較高的牧草種質(zhì)資源。在選育特定生長(zhǎng)環(huán)境條件下種植的牧草資源時(shí)，增加更多環(huán)境因素干擾對(duì)選育更適宜鹽堿、干旱、荒漠地區(qū)生長(zhǎng)的草種更有意義[30-32]。分蘗數(shù)和蓋度[33]是評(píng)價(jià)供試材料生態(tài)價(jià)值最基本的指標(biāo)，另外，營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)中的粗蛋白[33]、相對(duì)飼喂價(jià)值[34]等是評(píng)價(jià)飼用價(jià)值的重要指標(biāo)，在增加以上各類指標(biāo)的基礎(chǔ)上、加強(qiáng)定量分析與觀察，對(duì)早熟禾屬資源作出更全面的評(píng)價(jià)，便于更好地應(yīng)用于畜牧生產(chǎn)實(shí)踐和退化草地的補(bǔ)播建植，以促進(jìn)高海拔地區(qū)草地草坪及畜牧業(yè)的發(fā)展，同時(shí)為培育更好地適應(yīng)該區(qū)種植的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)牧草資源提供借鑒。由于不同早熟禾的生理特性和存在的個(gè)體差異，達(dá)到開(kāi)花期的時(shí)間各有不同，草產(chǎn)量、農(nóng)藝性狀是在開(kāi)花期進(jìn)行采樣測(cè)定，各材料在開(kāi)花期的選定可能存在偏差，會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，有待進(jìn)一步探索。

4 結(jié)論

本研究所評(píng)價(jià)的15份野生早熟禾屬材料在高寒地區(qū)生育期為103～120 d，其中，P2和P6具有較高的鮮草產(chǎn)量，且P1和P11莖葉比較小，可用作培育牧草的潛在材料；P5株高最低且葉長(zhǎng)最短，可挖掘其坪用價(jià)值。