典型草原不同地势主要牧草叶绿素含量与蛋白质含量的相关性研究

李宇宇，涂明亮，王 伟，降晓伟，吴洪新，张玉兰，马千鹏，贾玉山*

(1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院 农业部饲草栽培、加工与高效利用重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010019； 2. 中国农业科学院草原研究所,农业农村部草业产品安全风险评估实验室 内蒙古 呼和浩特 010010； 3.巴林左旗林业与草原局，内蒙古 巴林左旗 025450)

草原生态系统是我国陆地分布最广的生态系统之一，我国草原面积占国土地面积的41.7%〔1〕，占世界草原面积的13%〔2〕。其中内蒙古是我国主要牧区之一，拥有0.79亿公顷的天然草原，占整个内蒙古土地总面积的68.81%，居全国第三位〔3〕。《2017年全国草原监测报告》统计显示，我国天然草原鲜草总产量已经连续第七年超过10亿吨〔4〕。草地资源在自然资源中扮演着重要的角色,在发挥生态系统的服务功能为人类提供更多的惠益、保障食物安全、维护社会和谐安定等诸多方面,具有十分重要的作用和地位〔5〕。内蒙古天然草原面积较大，是我区牧区家畜重要的生存保障，是我区畜牧业持续稳定发展的物质基础，更是我国北方绿色发展的重要生态屏障。合理的开发和利用内蒙古天然草原具有重要的社会、经济和生态意义。

内蒙古天然草地类型多种多样，各地的天然牧草在叶绿素含量、牧草产量及牧草营养品质上差异显著，虽然已有天然草地主要牧草叶绿素含量与蛋白质含量变化规律以及相关性的研究〔6-7〕，但针对同一土壤类型的天然草地，不同地势草地主要牧草叶绿素含量与蛋白质含量的变化规律及其相关性，进而得到牧草在不同地势营养价值的高低和变化规律的研究尚未见报道。为了阐述同一土壤类型不同地势对天然草地主要牧草叶绿素含量与蛋白质含量的影响及其相关性的研究，针对我国内蒙古巴林左旗地势多样的天然草地坡地、平地和洼地进行试验，调查和分析不同地势下的主要天然牧草(羊草、大针茅、达乌里胡枝子)，在牧草自然生长的条件下进行取样，测定其叶绿素含量与蛋白质含量，含量并进行相关性分析，旨在一定程度上探讨叶绿素作为牧草优势可以预测牧草品质的可能性，同时通过叶绿素含量估测氮含量以及蛋白质含量，为进一步研究天然牧草的饲用价值提供科学的依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地选在内蒙古赤峰市巴林左旗典型草原打草场，位于赤峰市北部，内蒙古高原向东北平原的过渡地带，是锡林郭勒草原的重要组成部分，草地类型复杂多样、物种资源丰富，地理位置118°44′00″～119°48′02″E，43°36′53″～48°48′22″N，地处中纬度地区。属中温带半干旱气候。试验地主要土壤类型为栗钙土和风沙土，降水主要集中在七、八月份，年平均降水量约为400mm，平均风速为3～4m/s，大风日数<30d，年平均气温5.3℃，无霜期为110d～130d。选择坡地、平地和洼地三种不同地势的试验地(表1)，其中温度、湿度、光照强度采用DJL-18农业环境检测仪(浙江托普仪器有限公司)进行测定，采用烘干法测定土壤中的含水率，采集样地表层0～20cm土壤。

表1 试验地概况

注：该数据为2018年8月20日-2018年8月22日上午9∶00-12∶00测得，同一列数据后英文小写字母表示不同地势下某指标差异显著(P<0.05)。

1.2 实验材料

本次试验材料选择内蒙古赤峰市巴林左旗典型草原天然草地打草场的建群种：羊草(Leymuschinensis)、大针茅(Stipagrandis)与优势种达乌里胡枝子(Lespedezadavurica)。

1.3 试验设计

选择同一土壤类型，坡地、平地和洼地三种不同地势进行随机区组试验设计，在同一地势条件下均匀选择三块试验样地；选择的样地中包括主要牧草羊草、大针茅以及达乌里胡枝子，共设置9个小区，每个小区面积为25m2(5m×5m)。试验于2018年8月20日的上午9∶00～11∶00晴朗无风的天气进行，随机选择充分受光、避免选择破损植株的中间叶片进行取样，重复3次，将选取的材料一部分装入液氮中带回实验室进行叶绿素含量的测定，另一部分带回实验室烘干后用于蛋白质含量的测定。

1.4 测定项目

1.4.1 叶绿素含量测定

为了提高叶绿素含量测定的准确性，采用丙酮浸提比色法：取植物叶片中间部分，将叶片表面污物擦净用剪刀剪碎，将剪碎的样品称0.2g左右(均匀选取植物叶片)，每种样品分别称取3份，切成小于1mm的细丝、混匀。将0.2g样品细丝放入25mL的具塞试管中，直接用纯丙酮1∶1无水乙醇的浸提液在常温条件暗处浸泡提取24小时,并定时摇动，直至肉眼观察叶片完全发白。(中间轻轻摇晃几次，则可以缩短提取时间)；为弥补可能由于溶剂挥发带来的损失,叶片完全发白之后用混合浸提液将上述提取液定容至25mL,然后将管内溶液轻轻倒入比色杯中,按照Arnon方法用分光光度计法来测定〔8〕，分别在波长663nm、645nm下测定吸光度值，重复测定三次，(以纯丙酮1∶1无水乙醇的溶液作为对照)，然后用公式计算其含量。

依据Arnon公式计算叶绿素a与叶绿素b的含量；

叶绿素a含量(mg/g)：Ca=(12.7A663nm-2.69A645nm)×V/(1000W)

叶绿素b含量(mg/g):Cb=(22.7A645nm-4.68A663nm)×V/(1000W)

叶绿素总含量(mg/g):Ca+b=Ca+Cb

式中：Ca：为叶绿素a的浓度

Cb：为叶绿素b的浓度

A663nm，A645nm：分别为663nm，645nm波长下的吸光度；

V：提取液体积；W：为样品重量。

1.4.2 蛋白质含量测定

利用凯氏定氮法测定蛋白质含量〔9〕，将选取的新鲜叶片置于烘箱中，在105℃高温下杀青15min后，在65℃条件下烘干至恒重，粉碎后进行测定。

1.5 数据统计分析

试验所得到的原始数据，采用Excel 2010来对其进行数据处理以及图表制作，用SAS 9.0统计软件进行方差分析以及相关性分析。

2 结果分析

2.1 不同地势典型草原主要牧草叶绿素含量变化规律

由图1可以看出，典型草原不同地势条件下3种主要牧草叶绿素含量均表现出一定差异。羊草、大针茅、达乌里胡枝子三种牧草中叶绿素a含量明显高于叶绿素b含量(P<0.01)；同一坡地条件下，叶绿素a含量从大到小的依次为大针茅、达乌里胡枝子、羊草；羊草与大针茅、达乌里胡枝子的叶绿素a含量差异显著(P<0.05)；同一平地条件下，羊草的叶绿素a含量、总叶绿素含量较高；同一洼地条件下，达乌里胡枝子的叶绿素b含量最高，羊草的叶绿素a/b的值最大；羊草在平地时的叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿含量高于坡地、洼地，均显著(P<0.05)；平地、坡地、洼地的羊草叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量呈先增加后降低的趋势。坡地大针茅与平地大针茅叶绿素含量差异不显著(P>0.05)，洼地大针茅叶绿素含量最低，与坡地、平地大针茅叶绿素含量差异显著(P<0.05)，叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量及叶绿素a/b的值分别降低了59.16%、51.56%、56.86%、15.77%。坡地、平地、洼地的达乌里胡枝子叶绿素a含量、叶绿素a/b的值逐渐降低，分别降低了10.67%，5.95%，叶绿素b含量、总叶绿素含量逐渐增加，分别增加了23.21%，17.09%。

注：不同大写字母表示同一牧草在不同地势差异显著(P<0.01)，不同小写字母表示同一牧草在不同地势差异显著(P<0.05)，下同。

综上，相同地势条件下，羊草叶绿素a含量、叶绿素a/b的值明显高于其他两种牧草；达乌里胡枝子叶绿素b含量、总叶绿素含量明显高于其他两种牧草。同一牧草下，洼地羊草叶绿素a/b的比值偏大，说明羊草体内光吸收转化能力较强，有机物积累较多。平地羊草叶绿素a含量较高，叶绿素a/b的比值相对达乌里胡枝子较低；达乌里胡枝子的叶绿素b含量、总叶绿素含量受地势条件影响作用明显，各处理之间存在显著差异(P<0.05)。

2.2 不同地势典型草原主要牧草蛋白质含量的变化规律

由图2可知，同一地势条件下，达乌里胡枝子蛋白含量明显高于其他两种牧草；平地羊草、大针茅蛋白含量最高，分别比坡地、洼地的羊草、大针茅增加了38.59%、30.07%、5.47%、18.00%，洼地达乌里胡枝子蛋白质含量分别比坡地、平地条件下的达乌里胡枝子蛋白质含量增加4.9%、5.4%。坡地、平地、洼地羊草蛋白质含量呈先增加后降低趋势，且坡地羊草蛋白质含量最低，平地羊草蛋白质含量与洼地羊草蛋白质含量差异显著，洼地羊草蛋白质含量与坡地羊草蛋白质含量差异显著；坡地、平地、洼地大针茅蛋白质含量呈先增加后降低趋势，洼地大针茅蛋白质含量最低，与坡地、平地大针茅蛋白质含量相比差异显著；坡地、平地、洼地达乌里胡枝子蛋白质含量逐渐增加，且洼地达乌里胡枝子蛋白质含量与平地差异显著。

3 典型草原主要牧草蛋白质含量与叶绿素含量的相关性分析

由表2可以看出，羊草中蛋白质含量与叶绿素a含量、叶绿素b含量显著相关(P<0.05)，相关系数分别为0.717、0.726；羊草中叶绿素a含量、叶绿素b含量与总叶绿素含量极显著相关(P<0.01)，相关系数分别为0.932、0.911；羊草中蛋白质含量与叶绿素a/b含量呈负相关，相关系数为-0.309；羊草中叶绿素a/b的值与叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量呈不显著正相关性(P>0.05)，相关性系数分别为0.607、0.295、0662；综上，羊草中叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量、叶绿素a/b的值之间存在一定相关性，综合分析能够看出牧草叶绿素含量基本能反映牧草蛋白质的含量，羊草中蛋白质含量与叶绿素含量呈正相关。

表2 羊草蛋白质含量与叶绿素含量的相关性分析

注：*P<0.05水平上差异显著，**P<0.01水平上差异极显著，下同。

由表3可以看出，大针茅中蛋白质含量与叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量呈极显著正相关(P<0.01)，相关系数分别为0.835、0.847、0.863；大针茅中蛋白质含量与叶绿素a/b含量呈显著正相关，相关系数为0.731。大针茅中叶绿素a含量与叶绿素b含量、总叶绿素含量、叶绿素a/b的值呈极显著正相关(P<0.01)，相关系数分别为0.996、0.991、0.930；大针茅中叶绿素a/b的值与叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量呈极显著相关(P<0.01)，相关性系数分别为0.930、0.898、0.904；综上，大针茅中叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量、叶绿素a/b的值之间存在一定相关性，综合分析能够看出牧草叶绿素含量基本能反映牧草蛋白质的含量，大针茅中蛋白质含量与叶绿素含量成显著正相关。

表3 大针茅蛋白质含量与叶绿素含量的相关性分析

由表4可以看出，达乌里胡枝子中蛋白质含量与叶绿素b含量、总叶绿素含量、叶绿素a/b的值显著相关(P<0.05)，相关系数分别为0.765、0.701、-0.693；达乌里胡枝子中叶绿素a含量与叶绿素b含量、总叶绿素含量显著相关(P<0.05)，相关系数分别为0.793、0.851；达乌里胡枝子中叶绿素a/b的值与叶绿素b含量呈显著负相关(P<0.05)，相关性系数为-0.718；综上，达乌里胡枝子中叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量、叶绿素a/b的值之间存在一定相关性，综合分析能够看出牧草叶绿素含量基本能反映牧草蛋白质的含量，达乌里胡枝子中蛋白质含量与叶绿素含量成显著正相关。

表4 达乌里胡枝子蛋白质含量与叶绿素含量的相关性分析

4 讨论及结论

4.1 讨论

坡地羊草叶绿素a含量、总叶绿素含量较平地、洼地低，相应地蛋白质含量较平地、洼地低，可能是坡地土壤含水量较低，干旱抑制了羊草的生长发育，使羊草干物质积累、生物量下降〔10〕，导致叶绿素、蛋白质含量下降。与杨瑾等人的研究结果的变化规律一致〔11〕。平地羊草中叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量比坡地和洼地都较高，相应蛋白质含量也是最高的，既反映出了羊草中蛋白质含量与叶绿素含量成正相关，也反映了羊草生长在地势平坦的地方具有更高的营养价值。王丽娟通过研究得出安达地区的粗蛋白是各个地区中含量最高的〔12〕，这与我们得到羊草生长在地势平坦的地方具有更高营养价值是相一致的。

洼地大针茅蛋白质含量、叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量较坡地、平地有显著降低，这是因为大针茅属于密丛型旱生植物〔13〕，更适宜生长平地、坡地含水量低相对较干旱的环境，相应的营养价值也较高。鲍雅静等人研究表明在气候变化背景下，干旱化的气候将导致大针茅种群在群落中优势地位逐渐增加〔14〕，表明大针茅更适合在干旱气候生长，与本试验大针茅在平地、坡地营养价值较高，在低洼地营养价值显著降低相符合。由于本实验坡度相隔较小，坡地与平地含水量不显著，大针茅的耐旱能力强，所以坡地与平地大针茅蛋白质、叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量差异不大。

坡地、平地以及洼地达乌里胡枝子的叶绿素a含量逐渐降低，叶绿素b含量逐渐增加，总叶绿素含量洼地最高，这是因为坡地、平地含水量较低与洼地有显著差异，在干旱胁迫下达乌里胡枝子叶绿素的含量降低。由于胡枝子属植物具有喜光、耐阴，耐旱、耐寒、耐热等许多优良的性状〔15〕，所以洼地达乌里胡枝子叶绿素含量与坡地、平地差异不显著。相应地洼地蛋白质含量也是最高，反映了蛋白质含量与叶绿素含量呈正相关，这与赵祥等人研究结果相一致〔16〕。

4.2 结论

试验区典型草原不同地势羊草、大针茅和达乌里胡枝子蛋白质的含量与叶绿素的含量成正相关，可以利用牧草叶绿素含量来估测牧草蛋白质含量；羊草在平地叶绿素含量、蛋白质含量最高,与坡地、洼地相比地势平坦环境下生长的羊草具有更高的营养价值；大针茅更适合在平地、坡地含水量稍低些的环境生长，并具有更高的营养价值。达乌里胡枝子在洼地叶绿素含量及蛋白质含量最高，在坡地下叶绿素含量降低，光合作用减弱，营养价值降低，地势低洼的生长环境可以提高其营养价值。