六倍体小黑麦在甘肃生态区域的生产潜力及饲用特性综合评价

郭 莹，杨芳萍，张雪婷，杜久元，刘小莉

（1. 甘肃省农业科学院小麦研究所, 甘肃 兰州 730070；2. 天水市畜牧技术推广站, 甘肃 天水 741000）

小黑麦(×TriticosecaleWittmack)是黑麦属(Secale)和小麦属(Triticum)经属间有性杂交培育而成的新物种。小黑麦植株高大、茎秆粗壮、叶片繁茂、产草量高、抗逆、耐瘠薄、适应性广，其籽粒和饲草经济效益高，饲用品质好于小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)和高粱(Sorghum bicolor)，小黑麦作为饲草在畜牧业中具有更广泛的利用价值[1-2]。国际玉米小麦改良中心(CIMMYT)是世界上春性小黑麦研究的最大机构，研究小黑麦育种始于1964年，涉及育种、遗传分析、生物技术、栽培、品质加工和推广应用等方面。1970年后，CIMMYT以阿玛迪罗(Armadillo)为骨干亲本，选出了200多个品种推广到30多个国家种植，这些小黑麦品种(系)的植株较矮、籽粒饱满、容重高、生产潜力大，适应性广、兼抗多种病害[3-4]。目前，CIMMYT小黑麦育种目标首先聚焦于营养和烘焙品质[5]，重点提高出粉率、沉淀值、蛋白质含量等，以获得市场对高蛋白、高能量饲料的需求；其次小黑麦的选育和应用着眼于饲草和生物燃料[6]。

近年来国内对小黑麦的研究和利用主要集中于生产性能、抗逆性和饲用价值等方面。山东[7]、青海[8]、海河平原[9]、甘南[10]等地先后进行了不同饲用冬性小黑麦生产性能比较试验，筛选出了不同生态区域最适宜种植的小黑麦品种。前人在小黑麦抗旱抗寒[11-13]、抗病耐盐碱[14-15]方面做了大量研究，结果证实小黑麦较小麦抗逆性好。以上研究所用材料主要涉及中国农业科学院、河北省农林科学院、新疆农业科学院、甘肃农业大学等单位的冬性饲用性小黑麦品种(系)。而CIMMYT的小黑麦属于春性粮饲兼用型，国内对其研究主要集中在引种适应性鉴定[4,16]、农艺性状遗传多样性分析[17-18]和抗病性鉴定[19-20]等，对来自CIMMYT的小黑麦种质的生物产量、赖氨酸含量、饲用价值等方面的研究鲜有报道。另外，甘肃省作为全国六大牧区之一，其饲草缺口最大，年缺口约1 000万t[21]。因此，引进一批小黑麦、并对农艺性状、饲用价值等进行综合评价非常有必要，以期筛选出一批高产质优、适应性强的饲草品种。

本研究测定了不同水分处理下13个小黑麦品系的农艺性状、饲草产量、干物质、可溶性糖、赖氨酸、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、总消化养分、干物质随意采食量、相对饲用价值等21个性状指标，采用主成分分析法进行了参试材料综合评价，以期筛选出综合性状优良的饲用小黑麦新品种(系)，为甘肃省饲草产业的良种选育和推广提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料及试验地概况

材料为13个六倍体小黑麦新品系(来自CIMMYT)，春性，粮饲兼用型，代号分别为T-47、T-108、T-118、T-125、T-128、T-133、T-134、T-135、T-137、T-138、T-147、T-152、T-157。试验地点为甘肃省农业科学院武威市黄羊镇基地(37°40′08″ N, 102°51′19″ E，海拔1 760 m)，年平均气温7 ℃，年平均降水量160 mm，年蒸发量2 021 mm。地势平坦，土壤为黄粘土，前茬作物小麦，基肥施尿素(300 kg·hm-2)和二胺(450 kg·hm-2)，追肥施尿素(105 kg·hm-2)。灌冬水，生育期内人工除草两次。

1.2 试验设计及指标测定

试验随机区组设计，每品系5行，行长5 m，行距0.2 m，小区面积5 m2，3次重复，设置两种水分处理，分别为全生育期不灌水(水分胁迫，用WS表示)与三叶期和抽穗期各灌水一次(正常灌溉，用IG表示)，田间管理同当地大田。成熟期，田间测量株高(plant height, PH)、穗长(spike length, SL)、小穗数(number of spikelets, NS)；然后每份材料随机取样20穗考种，调查穗粒数(kernels per spike, KS)和千粒重(thousand kernel weight, TKW)；小区单收单脱，测定籽粒产量(grain yield, GY)和生物产量(biomass yield,BY)。抽穗期拔取小黑麦植株，剪去根部，称鲜重；烘干，称干重，粉碎过筛，装入自封袋备用。干物质(dry matter, DM)、植株含水量(plant moisture content,PMC)和鲜干比(fresh dry ratio, FDR)采用烘烤法测定。赖氨酸(Lsy)含量采用茚三酮染色法测定，可溶性糖(water soluble carbohydrate, WSC)含量采用蒽酮-硫酸法测定，中性洗涤纤维(neutral detergent fiber,NDF)、酸性洗涤纤维(acid detergent fiber, ADF)和半纤维素(hemicellulose, HC)采用范氏法测定。微量元素铁(Fe)和锌(Zn)含量采用HNO3-HClO4消煮原子吸收火焰光度法测定。计算各品系的总消化养分(total digestible nutrient, TDN)[22]、可 消 化 干 物 质(digestible dry matter, DDM)[22-23]、干物质随意采食量(dry matter intake, DMI)[22-23]、相 对 饲 用 价 值(relative feeding value, RFV)[22-23]。计算公式如下：

1.3 数据分析

采用Excel 2010整理数据并做图，SPSS 18.0进行方差分析、多重比较、T检验和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 小黑麦农艺性状及其饲草生产潜力

饲草作物田间长势与农艺性状是评价饲草在当地适应与否的直观指标。农艺性状包括株高、穗长、小穗数、穗粒数、千粒重；饲草产量包括籽粒产量和生物产量。水分胁迫下株高、产量等农艺性状均较正常灌溉降低(表1)。株高(P= 0.000)、穗粒数(P=0.006)、籽粒产量(P= 0.000)、生物产量(P= 0.000)下降幅度较大，均达到了极显著水平；穗长(P=0.241)和千粒重(P= 0.907)降幅微小，未达到显著水平；小穗数(P= 0.005)显著升高。水分胁迫下小穗数、穗粒数、籽粒产量的变异系数较正常灌溉高，其余性状较正常灌溉低。水分胁迫下，T-108千粒重最轻，受水分胁迫千粒重升高了3.94 g；T-147千粒重最高，受水分胁迫，千粒重降低了8.91 g。水分胁迫下籽粒产量的变异系数明显升高，说明13份材料的籽粒产量在正常灌溉条件下差异不大，但在水分胁迫下差异较大，参试材料抗旱性差异较大。穗粒数和千粒重是重要产量构成因素，各因素的协同发展才能提高产量。T-133和T-138在正常灌溉、水分胁迫下的籽粒产量、生物学产量较高，降幅较低，田间长势表现较好，说明其产量构成各因素间协同发展性好，适应性强，生产潜力高。

表1 不同水分处理下参试小黑麦农艺性状及产量差异分析Table 1 Difference analysis of agronomic traits and yield of triticale under different treatments

2.2 小黑麦饲用品质指标

试验测定了7个饲用指标，其中DMI越高，粗饲料的品质越好；TDN与DDM表示饲草中能被反刍动物消化的物质量，其值越高表示饲草可消化的物质含量高；RFV是以ADF、DNF为预测因子所建立的模型为基础计算得到的，其值越大，表明饲料的营养价值越高。从参试小黑麦品质检测结果(表2)可知，水分胁迫条件下ADF (P= 0.855)、DMI (P= 0.927)均值较正常灌溉升高，但未达到了显著水平；NDF(P= 0.822)、HC (P= 0.631)、TDN (P= 0.854)、DDM (P=0.854)、RFV (P= 0.932)均值较正常灌溉降低，降幅微小，未达到显著水平。正常灌溉条件下除HC外的其余品质指标的变异系数较水分胁迫高，说明正常灌溉小黑麦品系间的差异更为明显。正常灌溉条件下T-152、T-133、T-138的RFV值居前3位，说明其饲草质量较其他材料品质好；在水分胁迫条件下仅T-128、T-133的RFV值明显高于其他品系，饲用品质较好。

表2 不同水分处理下参试小黑麦纤维含量与饲草品质差异分析Table 2 Difference analysis of fiber content and feed quality of triticale under different treatments

2.3 小黑麦营养成分及矿质元素

营养品质指标包括干物质、可溶性糖含量、鲜干比、植株含水量、赖氨酸含量；矿质元素包括Fe、Zn。WSC属于易消化的碳水化合物，含量越高饲草营养品质越好，同时也是抗旱评价的重要指标；Lys是人和高等动物第一限制性氨基酸，与身体健康密切相关；Fe、Zn属于人体必需的微量元素，主要食源于畜产品(肉、蛋、奶)。饲草微量元素含量的高低间接影响人体健康。从参试材料营养品质及矿质元素含量检测结果看出(表3)，水分胁迫条件下干物质(P=0.000)、WSC (P= 0.000)较正常灌溉升高，且达到极显著水平；而FDR (P= 0.000)、Lys (P= 0.000)、PMC(P= 0.000)、Fe含量(P= 0.001)均较正常灌溉降低，达到了极显著水平(P＜ 0.001)，Zn含量(P= 0.021)降幅达到显著水平(P＜ 0.05)。两种水分处理Lys、WSC、Fe、Zn的变异系数均超过10%，说明这4个指标在品系间的差异显著。综合两水分处理来看，T-47的DM最高，T-125的Lys含量较高，T-147的WSC含量较多，T-152的Fe含量最高，T-135的Zn含量最高，水分胁迫条件下T-128、T-137的矿质元素含量较正常灌溉降幅极小，对水分不敏感。

表3 不同水分处理下参试小黑麦营养成分及矿质元素差异分析Table 3 Differential analysis of nutrient quality and mineral element content of triticale under different treatment conditions

总体来看，农艺性状的变异系数较小，营养品质和矿质元素的变异系数较大。纤维含量、饲用品质指标在正常灌溉下的变异系数较大，籽粒产量在水分胁迫下变异系数较大，说明饲用品质、籽粒产量分别在正常灌溉和水分胁迫下显现出品系间的差异。水分胁迫条件下有16个指标降低，5个指标升高，其中，株高、穗粒数、籽粒产量、生物产量、鲜干比、赖氨酸含量、植株含水量、Fe含量、Zn含量下降幅度较大，达到了显著或极显著水平；小穗数、干物质、可溶性糖含量升高，也达到了极显著水平，说明这些指标对水分供应较为敏感。

2.4 主成分分析

2.4.1 主成分提取

对两种水分处理的21个指标进行了主成分分析，依据特征值大于1的原则，两种处理均提取了5个主成分(表4)。正常灌溉处理下各主成分的方差 贡 献 率 分 别 为44.286% (A1)、18.803% (A2)、11.444% (A3)、7.860% (A4)、6.162% (A5)，累积贡献率达88.550%。5个主成分代表了各参试品种性状的绝大部分信息，第1主成分(A1)反映的是TDM、DDM、DMI、RFV等信息，为饲用价值指标；第2主成分(A2)反映的是籽粒产量、株高、穗粒数、干物质等信息，为饲草产量指标；第3主成分(A3)反映的是赖氨酸含量、Fe含量、穗长等信息，为营养品质指标；第 4主成分(A4)反映的是小穗数、穗粒数、千粒重等信息，为农艺性状指标；第5主成分(A5)反映的性状仅有Zn含量，为矿质元素。

表4 主成分分析Table 4 Principal component analysis

水分胁迫各主成分的方差贡献率分别为44.422%(A1)、15.766% (A2)、13.267% (A3)、10.581% (A4)、6.213% (A5)，累积贡献率达90.248%。第1主成分(A1)反映的是TDM、DDM、DMI、RFV等信息，为饲用价值指标；第2主成分(A2)反映的是干物质、赖氨酸含量、鲜干比、植株含水量等信息，为营养品质指标；第3主成分(A3)反映的是籽粒产量、生物产量、株高等信息，为饲草产量指标；第4主成分(A4)反映的是Fe、Zn含量，为矿质元素指标；第5主成分(A5)反映的是穗长、穗粒数、半纤维等信息，为农艺性状指标。

两处理中抽取的第1主成分一致，均反映的是饲用价值指标，第2主成分不一致，分别是饲草产量指标和营养品质指标，是因籽粒和生物产量在不同水分处理下的差异较营养品质差异大所致。从T测验结果可以看出，籽粒和生物产量的t值绝对值分别为21.198和20.134，而干物质、鲜干比、植株含水量、赖氨酸和可溶性糖含量的t值绝对值分别为11.682、12.299、11.727、5.885和5.615，说明水分胁迫对籽粒和生物产量影响较大，对营养品质的影响较小。因此，在水分胁迫条件下营养品质的比重增高，在提取主成分时，抽为第2主成分，产量主成分降至第3位。这说明环境胁迫减产的条件下，营养品质作为评价标准显得更为重要。

2.4.2 主成分得分

提取5个主成分可以表达88%以上的贡献率，能够全面描述小黑麦品系的主要性状。用5个主成分的方差贡献率作为权重系数，计算各小黑麦新品系主成分综合得分Y。以综合得分Y的高低评价优劣，得分越高表现越好。从表5可知，正常灌溉条件下得分(YNI)较高的新品系依次是T-133、T-138、T-134、T-147，水分胁迫条件下得分(YWS)较高的新品系依次是T-133、T-128、T-137、T-138，小黑麦新品系T-133在水分胁迫和正常灌溉下综合得分均较高，饲用价值、农艺性状均表现较好。T-47、T-118、T-152、T-125、T-108的综合评分较低，品系适应性较差。

表5 不同处理下不同小黑麦品系综合得分Table 5 Comprehensive score of different triticale lines under different treatments

2.4.3 主成分散点图分析

主成分散点图分布代表了研究材料的特征。以参试材料的21个性状指标的第1主成分分值为横坐标，第2主成分分值为纵坐标生成散点图，小黑麦品系正常灌溉条件下散点图(图1)中横坐标为饲用价值指数，纵坐标为饲草产量指数，参试小黑麦品系没有在一三象限或二四象限形成了明显的线性关系，说明产量与饲用价值之间没有线性关系。通过散点图可以把所有参试小黑麦品系分为4类，处于第一象限的为高饲用价值高产量类型(T-133、T-138、T-134、T-147、T-135、T-137)，处于第二象限的为低饲用价值高产量类型(T-157、T-128、T-108、T-47)，处于第三象限的低饲用价值低产量类型(T-125、T-118)，处于第四象限的高饲用价值低产量类型(T-152)。总体而言，这批材料在正常灌溉下的饲草产量潜力较大。

水分胁迫条件下散点图中横坐标为饲用价值指数，而纵坐标为营养品质指数(图1)，T-138、T-137、T-118、T-157、T-108、T-47、T-125等7个小黑麦品系在散点图上呈线状排列，即研究材料饲用价值与营养品质存在明显的正相关关系。

图1 不同水分处理下的散点图Figure 1 Scatter diagram for two treatments

综合评分较高的T-138与T-133均处于第一象限，属于高饲用价值高产量类型，说明其适宜性广，且饲草品质较好。正常灌溉中T-134饲用价值指数不高，但其评分较高，主要是第2主成分(饲草产量指数)的分值较高，推高了综合评分。水分胁迫中的T-133的营养品质指数偏低，综合评分最高，主要因为第3主成分(饲草产量指数)分值较高，从而推高了T-133的评分，说明T-133在水分胁迫下的生产潜力也较大。

3 讨论

3.1 CIMMYT小黑麦的产量潜力分析

本研究中CIMMYT六倍体小黑麦为粮饲兼用型，自2013年经引进、鉴定、试种，大部分材料表现为高产、抗逆，千粒重、穗粒数的变异系数较大，变异类型丰富，与前人研究结果一致[20-21]。产草量是衡量饲草生产力的重要指标，受地理、气候条件影响，不同生态区域产量高低不太一致。研究表明山东鲁北地区[7]，灌浆期至乳熟期的冬性饲用小黑麦干草产量高达13.44 t·hm-2[7]。小黑麦在甘肃高寒牧区[24]的干草产量为14.42 t·hm-2，在定西灌溉区[25]干草产量 高 达19.5 t·hm-2。游 永 亮 等[9]在 海 河 平 原 区 对11个饲用小黑麦品种进行了生产性能比较试验显示，干草产量最高为12.57 t·hm-2，籽粒产量最高达4 942.6 kg·hm-2。周玉刚等[26]在江淮地区种植小黑麦，其灌浆期干草产量最高为10.28 t·hm-2。本研究中13个小黑麦品系正常灌溉下籽粒产量为7 083.15～8 653.80 kg·hm-2，总 生 物 产 量 为26.2～31.6 t·hm-2，水分胁迫下籽粒产量为4 590.00～6 662.7 kg·hm-2，总生物产量为19.87～23.8 t·hm-2，高于国内其他地区饲草产量。这可能与河西地区光热资源丰富，适宜麦类作物生长有关。

3.2 CIMMYT小黑麦饲草营养成分分析

蛋白质、可溶性糖、维生素、矿物质为家畜生长必需的营养物质；而饲草的中性洗涤纤维(NDF)与酸性洗涤纤维(ADF)含量高低与家畜的采食量、消化率有关。因而优质饲草要求含有较高的可溶性糖、蛋白质、维生素及较低的NDF和ADF[1]。研究表明，不同饲用小黑麦可溶性糖含量为44.5～187.7 mg·g-1[27]，NDF和ADF含量分别为56.34%～79.74%和30.75%～57.75%[8,28]，鲜干比为3.14～4.00[9]，籽粒赖氨酸含量为2.3～8.1 mg·g-1[29]。本研究小黑麦品系WSC含量为88.06～209.01 mg·g-1；NDF和ADF分别为55.9%～64.2%、31.4%～44.0%，鲜干比为3.13～5.34，各项指标均偏好于前人研究结果[8-9，27-29]。本研究中小黑麦茎叶赖氨酸含量为5.03～10.46 mg·g-1，较籽粒赖氨酸含量高，这可能与测定器官或组织有关，不同部位不同组织中的赖氨酸含量不同。Zn含量(18.21～66.12 μg·g-1)测定结果与前人研究一致[30-32]。匡艺等[30]测定的抽穗期小黑麦Fe含量为98.77～246.02 μg·g-1，Lema等[31]测 定 其Fe含量为1 475.25～2 694.93 μg·g-1，Rodehutscord等[32]测定的小黑麦籽粒Fe含量为24.2～31.5 μg·g-1。本研究中小黑麦抽穗期Fe含量在150.39～250.81 μg·g-1，与匡艺等[30]研究结果一致，处于中间水平。不同研究中Fe含量差异较大，可能与研究材料和测定时期有关。综合而看，参试的CIMMYT春性小黑麦与冬性饲用小黑麦在营养成分上基本一致，茎叶可溶性糖和赖氨酸含量较高，饲草适口性好，高赖氨酸含量是这批材料的显著特点，其中T-125的赖氨酸含量达到10.46 mg·g-1，水分胁迫条件下最低的品系T-128赖氨酸含量也有5.03 mg·g-1。

3.3 CIMMYT小黑麦饲用价值比较

在反刍动物日粮中，粗饲料通常占40%～70%，甚至更高，劣质粗饲料对反刍动物生产性能和健康的影响比低质量精料的影响更大。为保证饲草的质量，科学地评价饲草品质极为重要。TDN、DDM、DMI、RFV这4个指标是基于NDF和ADF计算而来，其测定值也与前人的研究一致[8,28]。相对饲用值(RFV)是美国牧草草地理事会制定的干草等级划分标准，是美国唯一广泛使用的粗饲料质量评定指数。其定义为相对于特定标准粗饲料(盛花期苜蓿RFV值为100)，某种粗饲料可消化干物质的采食量[33]。RFV值越大，说明该饲料的营养价值越高。本研究中两处理下RFV值高于100的品种有T-133、T-135、T-138、T-147、T-152、T-128、T-137，RFV最高的是T-152，为107.94，说明这些品系相对较盛花期的苜蓿营养价值稍高，饲用品质与苜蓿基本一致[33]。根据美国、加拿大苜蓿产品的分级标准[34](表6)。本研究参试小黑麦品系处于2～4级，其中正常灌溉处理下达到4级的材料有T-47，达到2级材料有T-133、T-138、T-147、T-152，其余8份材料为3级；水分胁迫处理下达到4级的材料有T-108、T-134，达到2级材料有T-133、T-128、T-137，其余8份材料为3级。

表6 美国、加拿大苜蓿产品的分级标准Table 6 Classification criteria for alfalfa products in the United States and Canada

3.4 不同小黑麦品系应用潜力分析

因CIMMYT的麦类作物品种采用穿梭育种选育，引进材料丰产、优质、抗逆性强、适应性广，经引进区域适应性鉴定，部分材料可直接应用于当地生产，大部分可作为育种亲本。T-133和T-138的穗粒数、千粒重较高，在两种水分处理下籽粒产量、生物学产量均较高，田间长势表现较好，RFV较高，属于高饲用价值高产量类型，适应范围广，在不同生态区域(如定西干旱地、天祝西北部、甘南迭部及其宁夏西海固等)均可广泛种植[16]。T-128和T-137的籽粒、生物产量等较稳定，水分胁迫条件下纤维素含量稍有降低，RFV有所上升，WSC显著升高，抗旱性较好，可在高寒牧区推广种植(海拔高于1 600 m的天祝西北部、甘南迭部等区域)。T-134在两水分处理间存在极显著差异，灌溉条件下明显较水分胁迫条件下表现好，耐旱性差，可在其适宜区域(灌溉条件或降水量较多的地区，例如河西灌区的民乐、黄羊、临夏二阴区、天水等地)种植。T-152籽粒、生物产量较低，矿质元素含量较高，正常灌溉条件在饲草品质较好，可作为中间材料用于小黑麦育种。T-47干物质、纤维含量相对较高，但可消化干物质低，饲用价值较低；T-108生物产量和饲用品质均较差，综合评分较低，不适宜在试验区利用。T-135矿质元素含量较高，T-125赖氨酸含量较高，可作为特色材料加以利用。

4 结论

CIMMYT六倍体小黑麦(春性、粮饲兼用型)饲草生产潜力大，茎叶赖氨酸含量高，饲用价值与国内冬性小黑麦一致，饲草品质相当于苜蓿产品分级的2～4级，适应范围广。T-133、T-138属于丰产高饲用价值类型，T-128和T-137抗旱性较好，可作为优质饲草推广。T-125、T-147、T-134、T-135、T-152这5个品系可作为中间育种材料加以利用。目前甘肃饲草作物主要是燕麦(Avena sativa)、苜蓿，在“粮改饲”政策的实施下，青贮玉米面积有所增加；饲草种类单一，连茬、单播会降低土壤肥力。小黑麦植株高大、叶片繁茂、适应性广，与燕麦混播，可提高抗倒性及饲草产量。本研究丰富了小黑麦育种的亲本类型，推进了饲草多元化发展，为小黑麦在甘肃适宜区域示范推广奠定了基础。