宁夏雨养区10个小黑麦品种(系)生产性能及其营养价值研究

马 霞,肖爱萍,王 斌,王腾飞,明雪花,张译尹,赵小娜,兰 剑*

(1.宁夏大学林业与草业学院,宁夏 银川 750021; 2.宁夏草牧业工程技术研究中心,宁夏 银川 750021;3.宁夏回族自治区畜牧工作站,宁夏 银川 750021)

小黑麦(TriticosecaleWittmack)是由小麦属(Triticum)和黑麦属(Secale)经属间有性杂交和染色体数加倍培育而成的一种异源多倍体物种,具有耐旱、抗寒、抗病、耐盐碱等特性,且富含蛋白质、碳水化合物、膳食纤维、微量元素等营养物质[1-3],尤其β-葡聚糖等对动物消化吸收和免疫功能都具有明显的促进作用[4]。有研究表明,在不考虑进口的情况下,我国的饲草一直存在供应不足的问题,未来饲料粮需求量强劲增长,据测算2025年供需预期达到10.25×106t和12.78×106t,缺口达2.53×106t[5]。在我国饲草供应存在较大缺口的当下,充分利用秋闲田,种植小黑麦是缓解饲草短缺的一条有效途径。宁夏雨养区作为宁夏肉牛养殖的主要区域,肉牛养殖占全省的73%,但由于地处内陆干旱地区,水资源紧张,饲草生产受到很大限制。在加快转型,推广新型饲草,优化饲草结构的当下,宁夏在饲草种植方面一直在尝试采用新型品种,如青贮玉米(ZeamaysL.)[6]、饲用高粱(SorghumbicolorL.)[7]等,小黑麦有望成为宁夏畜牧业新型饲草的重要组成部分。因此,筛选适宜在宁夏雨养区种植的小黑麦品种对当地畜牧业发展具有重要意义。

近年来,随着人们对生态环境和饲草安全的关注度日益增加,饲用型小黑麦逐渐成为了养殖业界的热门选择。然而,在推广饲用小黑麦的过程中,也存在一些问题亟待解决。例如,不同品种的小黑麦在环境适应性、生育期、饲用品质等方面有很大差异,需要根据具体种植区域生态特点和利用方式选择适宜的品种[8]。Rosella等[9]对春种小黑麦的稳定性进行了研究,结果表明:与基因自身所产生的基因变异相比,基因型和环境的交互作用所产生的单位面积饲草产量的变异要大得多,环境因素、基因型因素、基因型与环境因素交互作用对籽粒产量的影响分别为85%,3%,11%。赵方媛等[3]发现‘北联5号’‘新疆5号’‘OH1859’‘OH2236’‘北联3号’‘826126’‘HH127’‘新疆4号’及‘安83-25’在甘肃临洮县半干旱灌区的综合评价值较高。宋谦等[10]研究表明,小黑麦‘C16’的草产量高且稳产性好,最适宜在陇东地区大面积示范推广。游永亮等[11]从株高、分蘖数、穗数、单株粒数、成穗率和种子产量等方面研究了饲料型小黑麦品种的特性,并通过通径分析表明与种子产量间相关性较强为穗粒数。李昱山等[12]研究发现小黑麦的千粒重和穗粒重是影响种子产量构成的重要因素。然而,关于宁夏地区不同品种小黑麦生长表现如何的研究相对较少,对于宁夏雨养区不同品种饲用小黑麦生产性能、营养价值以及种子产量综合评价的研究鲜见报道。鉴于此,本试验通过研究10个小黑麦品种(系)的生产性能、饲草营养价值、种子产量及营养品质,筛选适宜在宁夏雨养区适宜种植的小黑麦品种,缓解当地饲草不足的现状,最大限度发挥其潜力和价值的同时,为宁夏雨养区种植饲草型小黑麦提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于固原市原州区曹堡村(35°21′N,106°47′E,海拔1 680 m)进行,该区域属暖温带半干旱气候,年均降水量350 mm左右,其中70%的降水集中在7-9月,年均日照时数2 330.9 h,年平均气温6.5℃～8.5℃,无霜期120～150 d。试验地土壤类型为黄绵土,播前测定0～20 cm土壤理化性质为:pH 8.5,速效磷含量13.2 mg·kg-1,碱解氮含量86.0 mg·kg-1,有机质含量6.4 mg·kg-1,速效钾含量118 mg·kg-1,前茬作物为紫花苜蓿。

1.2 试验材料

供试小黑麦均由水发荟峰草业提供,详细信息如表1所示。

表1 不同品种小黑麦详细信息Table 1 Detail information of different varieties of triticale

1.3 试验设计

试验于2020年9月20日播种,采用单因素随机区组设计,处理为10个不同品种(系)的小黑麦,小区面积为18 m2(3 m×6 m),每个处理设置3个重复,总计30个小区,小区间隔1 m,区组间2 m。播种量为180 kg·hm-2,采用条播方式播种,播种深度3～5 cm,行距30 cm,整地前施有机肥6 000 kg·hm-2,磷酸二铵180 kg·hm-2。在小黑麦返青后采用滴灌灌水1次,灌水量为900 m3·hm-2,生育期内除草2次。

1.4 测定指标

株高:每小区随机选取10株,测量地面至穗顶部的自然高度(不计芒长)。

单株分蘖数:每个小区随机选择10株小黑麦,测量每株小黑麦分蘖数。

鲜草产量:灌浆期刈割各小区地上部分植株(除去试验小区两侧边行及小区两头各50 cm之内的面积)进行测产,测产面积为4 m2(2 m×2 m),留茬5 cm人工刈割后立即称取鲜重,计算单位面积的鲜草产量。

干草产量:随机在每个小区内抽取500 g草样,重复3次,带回实验室,于105℃杀青30 min,自然阴干至恒质量,计算500 g草样的鲜干比,再根据所测每小区鲜重折算每公顷干草产量(t·hm-2)。

粗蛋白产量:表达式为,CPY=CP×DM,式中CP为牧草粗蛋白含量,%;DM为干草产量,kg·hm-2。

考种:完熟期每小区随机选取10株小黑麦,考种小黑麦穗长、小穗数、穗粒数、穗粒重和千粒重。穗长:使用游标卡尺测定穗长;小穗数和穗粒数:人工数小穗数和穗粒数;穗粒重:电子天平测量穗粒重;千粒重:使用Seed Counter数粒仪数1 000粒小黑麦种子后用电子天平测重。

种子产量:完熟期刈割各小区地上部分茎秆(除去试验小区两侧边行及小区两头各50 cm之内的面积),分别晾晒脱粒,称重。

牧草营养价值:使用极光手持近红外仪测定灌浆期牧草营养成分[包括粗灰分(Crude ash,Ash)、粗脂肪(Ether extract,EE)、粗蛋白(Crude protein,CP)、中性洗涤纤维(Neutral detergent fiber,NDF)和酸性洗涤纤维(Acid detergent fiber,ADF)含量]。根据中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量,计算相对饲喂价值(Relative feed value,RFV),计算公式为:

RFV=(88.9-0.779×ADF)×(120/NDF)/1.29。

籽粒营养品质:从已经脱粒的籽粒中随机选取200 g,使用粉碎机粉碎后过1 mm筛,再将过筛的样品混合均匀,用于测定小黑麦籽粒营养成分。采用凯氏定氮法测定籽粒粗蛋白(Grain crude protein)含量;采用索氏抽提法测定籽粒粗脂肪(Grain ether extract)含量;采用双波长法测定籽粒粗淀粉(Grain crude starch)含量[13];采用茚三酮比色法测定籽粒赖氨酸(Grain lysine,Lys)含量[14];

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2019进行数据整理,利用SPSS Statistics 22软件进行单因素方差分析、Duncan多重比较和主成分分析(Principal Component Analysis,PCA),通过Origin 2022制图。

2 结果与分析

2.1 不同小黑麦品种(系)生产性能比较

由图1可知,不同小黑麦株高、单株分蘖数之间存在显著差异(P<0.05)。对于株高而言(图1A),10个小黑麦品种中株高最高的是‘晋饲草1号’,达到145.55 cm;株高最低的是‘甘农2号’,仅106.11 cm,分别比‘晋饲草1号’和‘鉴47’低27.10%和26.88%。‘晋饲草1号’单株分蘖数最多,为4.39个·株-1,较单株分蘖数最少的鉴12(1.38个·株-1)高68.56%。‘晋饲草1号’的干草产量(11 894.16 kg·hm-2)和粗蛋白产量(1 036.08 kg·hm-2)最高,显著高于其他品种(P<0.05)。

图1 不同品种(系)小黑麦株高、单株分蘖数、干草产量和粗蛋白产量的比较Fig.1 Comparison of plant height,number of tillers per plant,hay yield and crude protein yield of different varieties (lines) of triticale注:图中不同小写字母表示不同处理在0.05水平差异显著(P<0.05),下同Note:Different lowercase letters within each panel indicate a significant difference at the 0.05 level;the same as below

2.2 不同小黑麦品种(系)牧草营养价值比较

通过对10个不同小黑麦品种(系)饲草营养价值对比,结果如图2所示,参试品种间差异显著(P<0.05),‘鉴12’的牧草粗灰分含量最高(7.36%),与‘优能’、‘冀饲3号’、‘鉴46’、‘晋饲草1号’和‘鉴47’之间无显著差异;‘鉴46’和‘晋饲草1号’的牧草粗脂肪含量最高(1.35%),最低的为优能(1.15%);牧草粗蛋白含量最高的为‘甘农2号’为9.21%,与其他品种之间无显著差异;‘冀饲3号’的中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量均最高,分别为65.97%和38.91%;相对饲喂价值最高的品种为‘甘农2号’(104.69),显著高于其他品种(P<0.05)。10个小黑麦品种的相对饲喂价值由高到低的顺序为:‘甘农2号’>‘优能’>‘冀饲2号’>‘鉴18’>‘鉴46’>‘石大1号’>‘晋饲草1号’>‘鉴12’>‘鉴47’>‘冀饲3号’。

图2 不同品种(系)小黑麦牧草营养价值比较Fig.2 Comparison of nutritional value of the forages of different varieties (lines) of triticale

2.3 不同小黑麦品种(系)种子产量及产量构成因素

10个小黑麦品种(系)产量构成因素和种子产量间存在显著差异(P<0.05)(表2)。‘优能’的穗长最长(10.02 cm),其穗长除与‘甘农2号’、‘冀饲2号’和‘晋饲草1号’无显著差异外,显著高于其他小黑麦品种(P<0.05);‘石大1号’的小穗数最多(34.10个),‘鉴12’的小穗数最少(25.00个),比前者低26.69%;‘晋饲草1号’的穗粒数最多,为48.00粒,显著高于除‘石大1号’、‘鉴47’和‘冀饲3号’以外的其他品种(P<0.05);穗重变化范围为2.36～3.13 g,相差1.33倍,其中‘石大1号’的穗粒重最大(3.13 g),显著高于除‘优能’、‘冀饲2号’和‘鉴46’以外的其他品种(P<0.05);‘晋饲草1号’的千粒重最大,为52.71 g,显著高于其他品种(P<0.05),10个小黑麦品种的千粒重在37.95～52.71 g之间;‘晋饲草1号’种子产量最高(6.71 t·hm-2),显著高于其他品种(P<0.05),‘鉴46’最低(4.52 t·hm-2),较‘晋饲草1号’低32.57%。

表2 不同品种(系)小黑麦种子产量构成因素的差异Table 2 Differences in seed yield composition factors of different varieties (lines) of triticale

2.4 不同小黑麦品种(系)籽粒营养品质的比较

不同小黑麦品种(系)籽粒营养品质差异性显著(P<0.05)(图3)。小黑麦籽粒中粗蛋白的含量介于9.32%～15.07%之间,粗脂肪含量为2.07%～3.23%,淀粉含量为57.73%～66.50%,赖氨酸含量为0.38%～0.52%。其中‘鉴47’的粗蛋白含量最高,达15.07%,显著高于除‘冀饲2号’和‘冀饲3号’以外的其他品种(P<0.05),‘优能’的粗蛋白含量最低,为9.32%,显著低于其他品种(P<0.05),较‘鉴47’低38.16%;粗脂肪含量最高的是‘鉴18’(3.23%),显著高于除‘鉴12’和‘冀饲2号’这两个品种以外的其他品种(P<0.05),其中‘优能’的粗脂肪含量最低(2.07%),较‘鉴18’低35.91%;‘优能’的淀粉含量最高,为66.50%,显著高于其他品种(P<0.05),‘鉴18’的淀粉含量最低,为57.73%,较‘优能’低13.19%;‘鉴47’和‘石大1号’的赖氨酸含量最高,达0.52%,与其余的品种均存在显著性差异(P<0.05);‘优能’的赖氨酸含量最小,为0.38%,与其他品种均有显著性差异(P<0.05)。

2.5 种子产量与产量构成因素通径分析

通过逐步回归法,对小黑麦的实际种子产量(Y)与产量构成因素展开了多元逐步回归分析,最终获得了小黑麦的实际种子产量和产量构成因素的最优方程:Y=-9 240.504+713.107X1+6.666X2+123.611X3+383.321X4+37.353X5(F=1.188,R2=0.598)。结果表明,其他条件不变,小黑麦的穗长(X1)、千粒重(X2)、穗粒数(X3)、穗粒重(X4)和小穗数(X5)每增加一个单位时,种子产量分别增加713.107,6.666,123.611,383.321和37.353个单位。

利用通径分析法对种子产量和构成因素进一步分析(表3,图4)。根据相关性分析可以看出,各构成因素对小黑麦种子产量的相关性大小顺序是:小黑麦小穗数(X5)>千粒重(X2)>穗粒数(X3)>穗长(X1)>穗粒重(X4),其中,小黑麦实际种子产量与穗长(X1)呈正相关关系,相关系数为0.355,与千粒重(X2)呈正相关关系,相关系数为0.412,与穗粒数(X3)呈正相关关系,相关系数为0.365,与穗粒重(X4)呈正相关关系,相关系数为0.352,与小穗数(X5)呈显著正相关关系(P<0.05)。从直接通径分析可以看出,各构成因素对小黑麦种子产量的直接影响从高到低的顺序是:穗长(X1)>穗粒数(X3)>小穗数(X5)>穗粒重(X4)>千粒重(X2)。穗长(X1)对小黑麦种子产量的贡献最大,其次是穗粒数(X4),千粒重(X2)对小黑麦种子产量贡献最小。在生产中应采取有效措施通过提高穗长和穗粒数来增加小黑麦籽粒产量。

表3 不同品种(系)小黑麦种子产量与产量构成因素的通径分析Table 3 Path analysis of grain yield and its components of different varieties (lines) of triticale

2.6 不同品种(系)小黑麦主成分分析

小黑麦20项指标进行PCA分析(表4)。结果表明,提取的四个主成分的方差贡献率分别为34.846%,24.519%,17.810%和9.249%,累积贡献率为86.425%,可解释所有信息的86.425%。第一主成分特征值为6.969,穗粒数、籽粒赖氨酸、干草产量和粗蛋白产量在此成分中载荷绝对值较高,其特征向量所凝聚的信息主要是小黑麦的营养和生长状况;第二成分特征值为4.904,此成分中穗长载荷绝对值最高,其所凝聚的信息是小黑麦的产量构成因素因子;第三成分特征值为3.562,载荷绝对值最高的是饲草的粗灰分产量,可解析为小黑麦饲草粗灰分因子;第四成分特征值为1.850,这一成分中载荷绝对值最高的是饲草的粗蛋白和穗粒重,可解析为综合因子。

表4 各因子特征值和累计贡献率Table 4 Characteristic value and cumulative contribution rate of each factor

根据主成分综合评价方法[15],将原始的数据进行标准化后导入SPSS代入模型,可以得到公因子Y1,Y2,Y3和Y4,带入Y=(34.846Y1+24.519Y2+17.810Y3+9.249Y4)/86.425计算,得出10个小黑麦品种的综合得分,最高得分2.51。排名由高到低依次为‘晋饲草1号’>‘鉴46’>‘冀饲3号’>‘鉴47’>‘石大1号’>‘冀饲2号’>‘优能’>‘甘农2号’>‘鉴12’>‘鉴18’(表5)。

表5 10个小黑麦品种(系)公因子值及综合排名Table 5 Common factor values and comprehensive ranking of the 10 varieties (lines) of triticale

2.7 聚类分析

聚类分析的作用是建立一种分类方法,把样品或变量按其属性和亲密性来分类[16],本研究采用聚类分析方法对10个小黑麦品种(系)的20个性状指标进行层次聚类分析。结果表明,将10份小黑麦种质材料划分为三大类群(图5),‘晋饲草1号’单独聚为一类,饲草生产性能和营养品质均最突出,为第Ⅰ类群,可作为育种材料使用;‘鉴46’独自聚为一类,生产性能和营养品质相对较优,为第Ⅱ类群;‘冀饲3号’、‘鉴47’、‘石大1号’、‘优能’、‘冀饲2号’、‘甘农2号’、‘鉴12’和‘鉴18’聚为一类,生产性能和营养品质相对较低,为第Ⅲ类群,其中‘晋饲草1号’、‘鉴46’和‘冀饲3号’可作为优势品种推广应用。

图5 10份小黑麦种质材料的20个性状指标的层次聚类分析Fig.5 Hierarchical clustering analysis on 20 agronomical traits of 10 germplasm materials of tri triticale

3 讨论

3.1 不同品种(系)小黑麦农艺性状和生产性能的比较

株高和分蘖数是影响饲草产量高低的重要指标[17]。李冬梅等[1]研究表明,在甘肃定西地区小黑麦品系‘P2’和‘P3’株高较高,干草产量相应较高。刘彦培等[18]研究表明,在迪庆高寒地区小黑麦品种‘冀饲3号’株高最高,干草产量最高。此外,王伟强等[19]研究表明,在研究的3个小黑麦品种中,‘甘农4号’分蘖数最多,干草产量最大。在本研究中,小黑麦品种(系)间株高、分蘖数和草产量存在显著差异,‘晋饲草1号’株高、单株分蘖数和干草产量最高,分别达145.55 cm,4.39个11.89 t·hm-2;‘鉴46’分蘖数较多(4.22个),干草产量排名靠前(10.13 t·hm-2),‘冀饲3号’干草产量、粗蛋白产量也相对较高,分别为8.04 t·hm-2,7.23 t·hm-2。综合小黑麦株高、分蘖数和干草产量,建议‘晋饲草1号’、‘鉴46’和‘冀饲3号’可在宁夏雨养区推广种植。

3.2 不同品种(系)小黑麦牧草营养价值的比较

粗蛋白含量和相对饲喂价值是衡量牧草营养品质的重要指标[20]。粗蛋白含量越高,酸性及中性洗涤纤维含量越低,饲草相对饲喂价值越高,有利于家畜消化吸收[21]。赵丹等[22]通过研究20个小黑麦品系的适应性,发现‘J1’,‘J13’和‘J14’的粗蛋白含量和相对饲喂价值较高,中性和酸性洗涤纤维较低,适宜在甘肃定西地区推广种植;王伟强等[19]研究表明‘甘农4号’因其在所用试验材料中最高的粗蛋白含量及最低的中性和酸性洗涤纤维含量,适宜在青海海晏区推广种植。本研究发现,粗蛋白含量和相对饲喂价值呈显著正相关(图3),在10个饲用小黑麦品种(系)中,‘甘农2号’的粗蛋白含量和相对饲喂价值显著高于其他小黑麦品种(系),中性和酸性洗涤纤维含量显著低于其他小黑麦品种(系),主要原因可能是‘甘农2号’叶量大,研究发现叶片中的木质素和半纤维素、纤维素含量均低于茎中,叶量(叶面积)直接影响其饲草品质[23]。

3.3 不同品种(系)小黑麦种子产量及产量构成因素的比较

禾本科种子产量构成要素包括了穗粒重、小穗数、穗长和千粒重等[24],其中千粒重是衡量种子质量的重要指标,它反映了种子发育的程度,其值越大,种子就越饱满[25]。在相同的栽培条件下,不同品种表现出不同的性状,并且不同的小黑麦品种的小穗数和穗粒数存在着显著的差异[26]。本研究中,‘晋饲草1号’和‘石大1号’的穗粒数和种子产量均比其他品种高,这种差异与它们的籽粒饱满度及穗部的紧实度有很大的联系。由通径分析得出,10个小黑麦种质在宁夏雨养区的穗长、小穗数、穗粒数和穗粒重等性状均表现不同,种子产量与穗长、千粒重、穗粒数和穗粒重呈正相关关系,与小穗数呈显著正相关关系。穗长对种子产量的直接效应最大,千粒重对种子产量的直接效应最小;穗粒数通过千粒重对种子产量的间接影响最大;穗长通过穗粒数对种子产量的间接影响最小,说明小黑麦种子产量主要通过穗长和穗粒数来提高。李冬梅等[1]研究发现穗粒重对种子产量的正向效应最大,而穗粒数对种子产量的负向效应最大,与本研究结果存在差异,主要原因可能是小黑麦品种本身遗传特性差异所致。此外,本研究结果表明,10个参试小黑麦的种子产量介于4 645.67～6 715.00 kg·hm-2之间,其中‘晋饲草1号’的种子产量最高。

3.4 不同品种(系)小黑麦籽粒营养品质的比较

小黑麦种子中富含蛋白质、脂肪、氨基酸、碳水化合物等,能够为动物提供更多的营养[8,27]。宋谦等[10]分析得出,陇东地区小黑麦的粗蛋白含量在9.76%～12.61%之间。本试验通过对10个小黑麦品种(系)的研究,结果表明,10个小黑麦品种(系)的籽粒粗蛋白的变化幅度介于9.32%～15.07%之间,其中‘鉴47’的粗蛋白含量最高,与‘冀饲2号’和‘冀饲3号’无显著差异,但显著高于其他品种。此外,孙建勇[28]研究发现,‘黔中5号’、‘劲松81’小黑麦粗脂肪含量为1.35%～2.83%,与我们对参试小黑麦品种(系)的粗脂肪含量(2.07%～3.23%)的研究结果基本一致。赖氨酸是表征籽粒质量高低的一个重要指标[1]。研究发现小黑麦种子中的赖氨酸平均含量为0.51%,比小麦(0.33%)高出50%左右[29]。本试验中10个小黑麦品种(系)籽粒中赖氨酸含量介于0.38%～0.52%之间,其中‘鉴47’与‘石大1号’具有较高的赖氨酸含量,同时本研究表明籽粒的粗蛋白含量与赖氨酸含量成正相关,这与李浩川[30]的研究结果吻合。

4 结论

综上,通过聚类分析将10个小黑麦品种分为3个类群,‘晋饲草1号’聚为第Ⅰ类群,第Ⅱ类群仅有‘鉴46’一个品种(系),第Ⅲ类群是‘冀饲3号’、‘鉴47’、‘石大1号’、‘优能’、‘冀饲2号’、‘甘农2号’、‘鉴12’和‘鉴18’。经主成分分析综合评价,‘晋饲草1号’种子产量及产量构成因素和饲草营养价值高,综合排名第一,‘鉴46’和‘冀饲3号’综合性状较好,分别排名第二和第三,三者较其他品种适宜作为饲料型小黑麦在宁夏雨养区推广种植。