13份無芒雀麥種質資源生產性能的綜合評價及篩選

吳雨涵, 劉文輝, 劉凱強, 秦 燕, 劉 慢

(青海省青藏高原優良牧草種質資源利用重點實驗室, 青海大學畜牧獸醫科學院, 青海 西寧 810016)

青藏高原是中國重要的生態安全屏障及草牧業生產區[1],草牧業高質量發展是維持區域經濟穩定的重要保障。近年來,隨著載畜量增加等人為因素的影響,青藏高原地區草畜供需矛盾突出、草地生產力低下等問題愈演愈烈[2],進行草種補播是解決這些問題的關鍵所在,而適宜青藏高原地區補播草種相對單一,難以滿足人工草地建成、生態環境保護及治理工作的需要。盡管前人已選育出一批適宜青藏高原不同生態區域種植的優良牧草品種[3],但其多為本地選育的鄉土品種,而國內外引進品種較少。馴化選育不同來源地的品種不僅可以豐富當地資源,同時可為后期新品種選育提供廣泛的親本資源,增加青藏高原地區牧草物種多樣性[4],因此引種篩選出適宜青藏高原地區高產穩產的優質牧草,對于生態環境治理、促進高寒區草牧業的發展具有重要作用[5]。

無芒雀麥(Bromusinermis-Leyss.)為禾本科雀麥屬多年生草本植物,主要分布于我國黑龍江、內蒙古、新疆和四川等地[6],具有產量高、葉量豐富、營養價值高、草質柔軟、抗旱、耐寒、耐酸抗堿等特點[7-9],被譽為“禾草飼料之王”[10],且其根系發達,地下莖強壯、蔓延能力極強,具有植被恢復、防風固沙等作用[11],可作為護坡植物在生態環境治理、退化土地改良中廣泛應用。目前美國、加拿大、前蘇聯等地已培育出較多優良無芒雀麥品種[12],已成為歐亞大陸及寒冷地區的重要栽培牧草[13]。我國現審定登記無芒雀麥品種有內蒙古‘錫林郭勒’無芒雀麥、新疆‘烏蘇1號’無芒雀麥、吉林‘公農’無芒雀麥、黑龍江‘龍江’無芒雀麥等[14],而適宜于青藏高原地區種植的無芒雀麥優良品種鮮有報道,因此,選育出高產穩產且適宜青藏高原地區生長的無芒雀麥種質資源對擴大人工草地面積,促進高寒地區畜牧業的發展具有重要作用[15]。

目前對無芒雀麥的研究主要集中在農藝性狀[16]、種子產量[17]、牧草混播[18]、抗逆性[19-20]等方面,而有關不同種源無芒雀麥生產性能差異及綜合評價研究較少。因此,本研究以來自國內外13份無芒雀麥種質資源為研究對象,通過隸屬函數分析法對其主要農藝性狀進行評價分析,以期篩選出適宜青藏高原地區種植的高產的無芒雀麥材料,并對篩選后優質無芒雀麥進行草層結構、干物質分配、營養品質分析,探究其優異共性,為選育適宜青藏高原地區種植的高產穩產無芒雀麥種質資源提供了參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于青海省海北藏族自治州西海鎮國家牧草種質資源圃(青藏高原),地理坐標為36°59.36′ N,100°52.848′ E,海拔3 156 m,氣候寒冷,持續時間長。光照充足,輻射強。年平均氣候0.5℃,無霜期短,年降水量369.1 mm,7,8,9月集中,年蒸發量為1 400 mm,年日照時數為2 980 h。土壤為栗鈣土,pH值8.43,有機質32.48 g·kg-1。

1.2 供試材料

采集自國內外不同生態區域的13份無芒雀麥種質資源(表1),其中包括來自黑龍江4份材料、吉林1份材料、青海1份材料、內蒙古2份材料、俄羅斯5份材料。

表1 13份無芒雀麥種質資源及來源Table 1 The source of 13 germplasm resources of Bromus inermis Leyss.

1.3 試驗方法

試驗小區面積為3 m×5 m,隨機區組排列,3次重復。供試材料于2020年6月播種,播種前對試驗小區進行深翻平整。采用人工條播進行播種,播量為22.5 kg·hm-2,播深3～4 cm,行距30 cm,各小區種植10行;以磷酸二銨150 kg·hm-2做底肥。試驗期間不灌溉不施肥并禁牧,播種當年出苗后和第二年返青期分別進。

1.4 測定指標與方法

主要農藝性狀觀測標準參考《無芒雀麥栽培技術規程》[21],于2021年和2022年無芒雀麥開花期,各小區選取10株長勢一致的單株,測定其株高、莖粗、有效分蘗數、根系特性,其中有效分蘗數的測定:在小區株行內隨機選取3個1 m樣段,測定樣段內有效分蘗,并折算為每平方米有效分蘗個數。

于2022年無芒雀麥開花期,選取10株長勢一致的優異資源單株,分別測定各器官干物質分配、草層結構、營養品質,其中根系特性的測定:每小區內選取整株無芒雀麥3株,齊地刈割后,采用挖掘法,挖出完整根系,測定其根長、根干重、根體積、南北根幅、東西根幅,并計算根冠比;草層結構的測定:在小區株行內選取3個1 m樣段,齊地刈割后,每份樣品從地表開始,按10 cm為一層分開,測量各物種不同層級的莖、葉、穗的重量。

于2021—2022年無芒雀麥開花期,每個小區選取3個1 m2樣方,3次重復,測定其鮮草產量及風干草產量,并折算為kg·hm-2。

1.5 數據統計與方法

隸屬函數法分析[22]:隸屬函數值計算公式為R(Xij)=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin),式中,R(Xij)表示i種類j指標的抗旱隸屬函數值;Xij表示i種類j指標的測定值;Xjmin表示所有種類j指標的最小值;Xjmax表示所有種類j指標的最大值;i表示某個品種;j表示某指標。

采用Excel 2016對所測數據進行初步整理,數據分析采用SPSS 26.0軟件進行方差分析、相關性分析、隸屬函數分析,作圖采用Origin 2022,R 4.1.1。

2 結果與分析

2.1 不同無芒雀麥種質資源生產性能差異分析

2.1.1飼草產量分析 同一資源不同年份間干草產量結果分析表明(圖1),B04無芒雀麥在2021與2022年間差異不顯著,其余資源兩年間干草產量均存在顯著差異(P<0.05);同一生育年份不同供試材料干草產量比較表明,2021年B01、B12、B13,B02、B05、B06、B08、B10,B03、B04、B05、B07、B10,B09、B11、B13之間干草產量差異不顯著;2022年,B02、B03、B05、B06、B07,B04、B08、B09、B10、B12,B01、B08、B12之間干草產量無顯著差異,其余材料之間均存在顯著差異(P<0.05),其中資源B01在2021年干草產量最高,2022年資源B13顯著高于其他資源(P<0.05)。綜合兩年間不同無芒雀麥干草產量可知,各材料在2022年干草產量均有不同程度下降,資源B04下降最少,為10 919.55 kg·hm-2,B11下降最大,為25 466.56 kg·hm-2,說明無芒雀麥受年際間差異影響較大,其整體飼草生產性能在第二年均有不同程度的減弱,且減弱程度因品種而異。兩年累計干草產量表明(圖2),各材料間干草產量存在顯著差異(P<0.05),B13的累計干草產量表現最高,為25 536.8 kg·hm-2;B01次之,為25 480.7 kg·hm-2;B03最低,為10 459.0 kg·hm-2。

圖1 不同年份各無芒雀麥種質資源的干草產量Fig.1 The hay yield of Bromus inermis Leyss. germplasm resources in different years注:不同大寫字母表示同一材料不同年份間差異顯著,不同小寫字母表示同一年份不同材料間差異顯著(P<0.05)Note:Different capital letters indicate a significant difference between different years of the same germplasm material,different lowercase letters a significant difference between different germplasm materials in the same test year at the 0.05 level

圖2 各無芒雀麥種質資源的累計干草產量Fig.2 The cumulative seed yields of Bromus inermis Leyss. germplasm resources注:不同小寫字母表示不同材料間存在顯著差異(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different materials(P<0.05)

2.1.2農藝性狀分析 2021及2022年不同供試材料株高、有效分蘗數均存在顯著差異(P<0.05)(表2),其中2021及2022年,株高最高的資源分別為B02(118.30 cm)、B13(83.00 cm);2021年資源B12有效分蘗數最多,為1 391株·m-2,2022年資源B01有效分蘗數最多,為740株·m-2;所有資源兩年內莖粗差異不明顯,分別分布在2.19～2.69,1.80～2.31 mm之間;所有資源在2021與2022年間株高、有效分蘗數均存在顯著差異(P<0.05),其中B02,B07,B09,B11,B12,B13無芒雀麥在2021與2022年間莖粗差異不顯著,其余資源兩年間莖粗均存在顯著差異(P<0.05)。

表2 13份無芒雀麥種質資源農藝性狀及飼草產量多樣性分析Table 2 Diversity analysis of agronomic characters and forage yield of 13 Bromus inermis Leyss. germplasm resources

13份無芒雀麥種質資源3個農藝性狀頻率分布表明(圖3),株高、莖粗、有效分蘗數2021及2022年間均呈現較好的正態分布規律,正態分布曲線差異較大,數據分布范圍較大,這說明13份無芒雀麥種質資源存在廣泛的遺傳多樣性。

圖3 13份無芒雀麥種質資源農藝性狀正態性檢驗Fig.3 Normal distribution test of agronomic traits of 13 Bromus inermis Leyss. germplasm resources

2.1.3隸屬函數法分析 利用隸屬函數法對13份無芒雀麥種質資源農藝性狀及飼草產量綜合排序結果表明(表3),2021及2022年B01,B12,B13,B09,B11排名均在前6位。

表3 不同無芒雀麥種質資源農藝性狀指標轉化值及隸屬函數值Table 3 Transformation value and membership function value of agronomic traits index of Bromus inermis Leyss. germplasm resources

2.1.4不同無芒雀麥種質資源生產性能綜合評價及篩選 對比2021及2022年干草產量、隸屬函數分析法排序,并結合各種質資源綜合性狀結果可知(表4),兩種評價方法篩選出排名前6的資源有4份相同,即B12,B13,B01,B09。因此可認為,資源B12,B13,B01,B09在13份無芒雀麥種質資源中綜合評價較優。

表4 不同無芒雀麥種質資源綜合分析排序Table 4 Comprehensive analysis and ranking of differentof Bromus inermis-Leyss. germplasm resources

表5 優異無芒雀麥種質資源營養品質比較Table 5 Comparison of nutritional quality of excellent Bromus inermis Leyss. germplasm resources

2.2 篩選后優異無芒雀麥種質資源生產性能評價

2.2.1優異無芒雀麥種質資源干草產量及產量因子間相關性及通徑分析 篩選后4份優異無芒雀麥種質資源干草產量及產量因子間相關性分析結果表明(圖4),干草產量與有效分蘗數、鮮草產量、地上生物量呈極顯著正相關(P<0.01),與株高呈顯著正相關(P<0.05),其中與鮮草產量相關性最大,為0.89。

為量化優異無芒雀麥種質資源各產量性狀對干草產量的影響,對優異資源進行重要影響因子預測,根據重要影響因子隨機森林模型可知(圖5),根冠比、有效分蘗數、根干重、根體積、地上生物量、旗葉寬、根長共7個性狀進入結構方程模型,決定系數為0.80,其中根冠比、有效分蘗數、根干重、根體積、地上生物量、根長達到極顯著水平(P<0.01),旗葉寬達到顯著水平(P<0.05),以上性狀是影響干草產量的主要因素,并剔除了株高、莖粗、旗葉長、南北根幅、東西根幅5個與干草產量無顯著相關性的自變量。各因子對干草產量影響排序如下:根冠比>有效分蘗數>根干重>根體積>地上生物量>旗葉寬>根長>旗葉長>株高>東西根幅>南北根幅>莖粗。

圖5 重要影響因子隨機森林模型圖Fig.5 Random forest model map of important influencing factors注:**表示因素的影響達到極顯著水平(P<0.01);*表示因素的影響達到顯著水平(P<0.05),ns表示因素無影響Note:** and * represent significant influences at 0.01 and 0.05 level,respectively. ns indicates that the factor have no influence

深入明確各產量因子對干草產量的直接和間接影響,對引入因子與干草產量建立結構方程模型,以探討各引入因子如何通過不同路徑交互影響,進而影響干草產量(圖6)。結構方程模型中P值、Fisher’s C值、Akaike information criterion (AIC)值分別為0.674>(0.05),0.79,68.79,模型擬合效果良好,表明本試驗各產量因子已反映出對優異資源干草產量較好的影響。結構方程模型表明,在7個產量因子中,根冠比、根干重、有效分蘗數對干草產量直接效應最大,達到極顯著水平(P<0.001),其中根冠比的直接效應最大(0.545),其次是根干重(0.541)、有效分蘗數(0.461),根長對干草產量的直接效應達顯著水平(P<0.05),其相對以上三種因子對干草產量的直接效應較小,但其通過影響旗葉寬、地上生物量、根冠比、有效分蘗數間接影響干草產量,對干草產量的間接效應最大,地上生物量、根體積對干草產量的增加直接效應較小(0.023,0.021)且上述因子對干草產量的直接效應均為正向,而旗葉寬對干草產量的直接影響(-0.031)為負效應,除根冠比對干草產量無間接效應外,其余產量因子對干草產量的間接效應均為正效應。基于結構方程中的標準路徑系數,計算各產量因子對干草產量的直接、間接和總效應(圖7)。結果表明,對干草產量的總效應中,根干重、有效分蘗數、根長、根冠比的總路徑系數較高,分別為0.818,0.649,0.632,0.545。因此綜合說明根干重、有效分蘗數、根長、根冠比是評估無芒雀麥干草產量的主要決定因素。

圖6 優異無芒雀麥種質資源產量性狀對干草產量影響結構方程模型圖Fig.6 Structural equation model diagram of the effects of yield characters of excellent Bromus inermis Leyss. germplasm resources on their hay yield

圖7 優異無芒雀麥種質資源產量性狀對干草產量影響Fig.7 The effect of yield characters of excellent Bromus inermis Leyss. germplasm resources on their hay yield

2.2.2優異無芒雀麥種質資源草層結構及各器官干物質分配差異 對比4份優異無芒雀麥種質資源各器官干物質分配可知(圖8),4份材料中葉干重占比在68.8%～83.0%之間,其中資源B13葉干重占比最高,達83.0%,4份資源莖葉比在17.87%～42.93%之間,說明這4份種質資源葉量豐富,飼用價值較高。

4份無芒雀麥種質資源各器官地上生物量如圖9,不同草層結構資源B01,B09,B12在20～30 cm葉量最為豐富,分別占生物量的82.1%,69.7%,55.5%,資源B13植株高大,可分為10層,達100 cm,其葉片主要集中在50～60 cm,占生物量的60.3%。

圖9 優異無芒雀麥種質資源草層結構Fig.9 Grass layer structure of excellent Bromus inermis Leyss. germplasm resources注:a,b,c,d分別代表B01,B09,B12,B13Note:a,b,c and d represent resources the germplasms of B01,B09,B12 and B13 respectively

2.2.3優異無芒雀麥種質資源營養品質評價 4份優異無芒雀麥營養品質差異顯著,其中B09無芒雀麥粗蛋白、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維均顯著高于其他資源,分別為10.49,70.47,39.73%,B01無芒雀麥粗纖維顯著高于其他資源(P<0.05),為39.03%,B13粗脂肪顯著高于其他資源(P<0.05),為12.80 g·kg-1,B12可溶性糖顯著高于其他資源(P<0.05),為16.06%。

3 討論

3.1 不同無芒雀麥種質資源飼草產量及農藝性狀差異

飼草產量決定牧草生產性能,能有效衡量推廣的經濟價值,是評價飼草作物適應性及優劣的關鍵特征[23-24]。本研究中,13份供試無芒雀麥種質資源2021年飼草產量6 851.9～15 853.33 kg·hm-2,2022年為2 564.94～10 734.20 kg·hm-2,兩年飼草產量最高的資源分別為B01,B13;各材料在2022年干草產量均有不同程度下降,資源B04下降最少,B11下降最大,這可能是由于無芒雀麥受年際間差異影響較大,且人工施肥不均勻等原因導致,無芒雀麥整體飼草生產性能在第二年均有不同程度的減弱,且減弱程度因品種而異,這與羅曉宇[25]研究結果相一致。綜合兩年飼草產量來看,B13累計干草產量表現最高,為12 768.4 kg·hm-2,B01次之,為12 740.3 kg·hm-2這兩份資源均表現出明顯的產量優勢,可作為以產草量為目的的優良牧草資源進行利用。

株高是影響飼草產量、生長發育狀況的重要因素[26],同時也可以反映草地生產能力。莖粗會影響牧草的品質和產量[27],而牧草分蘗能力可以通過群體密度進而影響其飼草產量[28],三者作為產量構成的因素,其增加或者減少直接影響飼草產量高低。羅志娜等[29]研究表明,一定條件下有效分蘗對生產性能的貢獻要高于株高。供試無芒雀麥種質資源在青藏高原地區種植的平均株高高于黃薇[30]在寧夏吳忠地區的研究結果,而平均莖粗卻低于郭興玉等[31]在吉林省的研究結果,這可能是由于供試品種自身遺傳特性及不同地區海拔、溫度、降雨量等影響[32]。干草產量是株高、莖粗、有效分蘗能力等性狀的綜合體現,是高產穩產種質資源栽培需綜合考慮的指標。本研究中,供試無芒雀麥農藝性狀間存在較好的正態分布規律,正態分布曲線差異較大,數據分布范圍較大,這表明供試無芒雀麥表型多樣性豐富,為優異性狀篩選提供了豐富的材料來源[33-34],這與郝裕輝[35]研究結果相一致。基于兩年農藝性狀、干草產量的對比可知,所有種質資源農藝性狀及飼草產量均表現為下降趨勢,這可能是由于無芒雀麥等多年生牧草隨著生長年限增大受年際間氣候條件差異影響越大,進而造成減產[36-37],這與曾翰國等[34]對多年生牧草的研究結果相一致。

本研究材料為不同來源地的無芒雀麥種質資源,其中來自俄羅斯的B9～B13資源相較于國內引進及本地野生資源生產性能表現較好,累計草產量較大,但資源B11雖然兩年累計產量排名第4,但其兩年間減產最大,不適宜青藏高原地區大面積種植推廣;資源B01相較于同樣來自內蒙古的B02資源表現較好,這可能由于種質資源間自身差異的原因;來自黑龍江的B03及吉林的B07資源產草量、農藝性狀等表現相對較差,不適宜青藏高原地區推廣利用。

3.2 不同無芒雀麥種質資源生產性能綜合評價

為了篩選出適宜青藏高原當地氣候特點及栽培條件的高產優質無芒雀麥種質資源,提高種質資源評價的準確性,減少單一指標評價資源優劣的片面性[38],使試驗結果更加可靠[39]。本試驗利用隸屬函數法綜合兩年無芒雀麥種質資源農藝性狀及飼草產量數據進一步開展13份不同來源地無芒雀麥種質資源間的綜合評價,其中B01,B09,B11,B12,B13兩年間綜合排名均在前6位。因試驗結果以篩選出高產、穩產種質資源為前提,結合農藝性狀及飼草產量隸屬函數綜合分析結果,對兩年干草產量及隸屬函數值進行排序,13份無芒雀麥種質資源中排名前6的資源有4份相同,分別是來自內蒙古的B01,俄羅斯的B09,B12,B13,可作為本試驗篩選出的優異資源進行進一步試驗,以便后續推廣。

3.3 優異無芒雀麥種質資源生產性能評價

飼草產量與產量性狀的相關性分析表明,在優異無芒雀麥選育時應重點考慮株高、有效分蘗數等性狀,這與孫銘等[40-41]在利用相關性分析進行扁穗雀麥選育時得到結論相同。為了進一步探究各產量因子間復雜的相關關系,較為完整地反映影響優異無芒雀麥種質資源干草產量的主要因素,本試驗建立結構方程模型。結構方程模型結果表明,根冠比、根干重、有效分蘗數對干草產量正向直接效應較大;從間接通徑系數分析,根體積通過影響地上生物量、有效分蘗,根長通過影響旗葉寬、地上生物量、根冠比、有效分蘗數間接影響干草產量;根長、根體積、旗葉寬增大,有效分蘗數增大,地上生物量增多,干草產量增多。本試驗中結構方程模型與相關性分析結果具有差別,這可能是由于相關分析中極易掩蓋各產量因子之間的相互影響、相互制約、相互促進[42],僅通過相關分析無法準確判斷產量因子與產量之間的關系[33,43]。綜合說明根干重、有效分蘗數、根長、根冠比是評估無芒雀麥干草產量的主要決定因素,在日后栽培育種中,應增加分蘗能力、提高根部特性,從而提高干草產量,孔令慧[44]在紅三葉與草產量相關分析試驗中也得到相同結論。

草層結構反映牧草的空間利用率及單位面積草產量,合理的草層結構能有效提升草地生產力,同時減少物種入侵可能造成的草地退化,為人工草地建值提高可選的草種。本試驗中4份優異資源草層結構不同,這可能是由于不同種質資源自身種質差異造成在當地適應性不同,進一步研究草層結構不僅可以了解牧草地上部分空間分布情況,制定合理的栽培技術[45],提高空間光照、水分及養分利用率,從而降低競爭強度,提高單位面積草產量、草地生產能力及飼用價值[46]。葉量大小是評價飼草經濟價值的重要指標之一,葉量越豐富,營養品質、適口性越好,飼用價值越高[47-48]。4份優異種質資源葉量豐富,在68.8～83.0%之間,飼用價值較高,B01,B09,B12在20～30 cm葉量最為豐富,其中B01,B12植株較矮,適合天然草場補播利用[49];B13葉量占比最大、植株高大,葉片主要集中在50～60 cm,適宜作為人工草地或半人工草地牧草利用。

粗蛋白、粗脂肪、可溶性糖含量反映飼草營養價值,含量越高,飼喂價值越高[50-51],而粗纖維含量越低,牧草適口性越好[52],酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維影響家畜對牧草的消化率,一般而言,其含量越低,則養分消化率越高,飼草品質越高[53-54]。B12可溶性糖最高,且粗纖維、酸性洗滌纖維最低,B13粗脂肪最高,中性洗滌纖維最低,在4份資源中營養品質表現相對較好。綜合來看,4份優異無芒雀麥在青藏高原地區綜合表現較好,適宜在青藏高原地區大面積推廣種植,其中B01,B09適宜作為天然草場補播利用;B12可溶性糖最高且粗纖維、酸性洗滌纖維最低,其營養品質好,可以用來提高無芒雀麥適口性;B13兩年累計產量最高、葉量最大、植株高大,適宜作為追求產草量的優良牧草利用。

4 結論

結果表明,13份無芒雀麥種質資源中,B13兩年干草產量累計最高,B01次之,可作為以產草量為目的的親本資源,通過隸屬函數綜合評價B01,B09,B12,B13性狀表現最佳,可作為培育高產穩產牧草種質資源的優良牧草;其中B01,B09適宜天然草場補播利用,B12營養品質好,可用來提高無芒雀麥適口性,B13葉量占比最大、植株高大,適宜作為追求產草量的優良牧草利用。在日后栽培育種中,應增加無芒雀麥株高、分蘗能力、提高其根部特性,從而提高干草產量。