青藏高原不同气候区青稞品质差异

甘子鹏，徐海燕*，薛守业，梁冰妍，种碧莹，李莉莎，张博，李小明，刘桂民，吴晓东

（1.兰州交通大学环境与市政工程学院，兰州 730070；2.中国科学院西北生态环境资源研究院，冰冻圈科学国家重点实验室，青藏高原冰冻圈观测研究站，兰州 730000）

全球变暖已经成为不争的事实，近百年来，全球表面温度平均增加了约0.74℃[1]。不同地区变暖的速度不同，北半球的高纬度和高海拔地区升温更快[2]。农作物的生长发育会受到气候变暖的影响，例如气候变暖会增加蒸散发，导致作物生长期出现缺水情况，从而影响作物收成[3-4]；气候变暖会影响植物物候的改变，提前植物的返青期并延长其生长发育期[3]；植物的光合作用也会受到温度的影响，从而引起植物生物量生产分配的改变[4]；农作物生长季温度升高、活动积温增加，早霜冻时间推迟，将导致作物收割时间延后[5]。除此之外，气候变暖还会增加极端事件，增加农业生产的不稳定性[6]，对农作物产量起负效应[7]。

青藏高原是世界上较大的高原生态系统，受气候变暖影响，青藏高原植被在物候、生态系统组成方面均发生了显著变化[8]。青稞是青藏高原的主要作物之一[9]，具有高蛋白、高纤维、高淀粉、高β-葡聚糖、高植酸和低脂肪等营养品质，是谷类作物中的佳品[10]。其中，青稞中的蛋白质可以保持人体正氮平衡，尤其对改善肝硬化患者的营养状况、蛋白质摄入和肝功能恢复有显著作用[11]；青稞中的膳食纤维含量高于其他谷物，对抗癌、抗衰老、预防心血管疾病、糖尿病、提高免疫力等具有独特的生理功效[12]；青稞中的淀粉具有成膜性好、免疫原性低、溶解度高、乳化稳定性优异、黏度低等优点[13]；青稞中的β-葡聚糖对降脂、降糖、提高免疫力、抗肿瘤、抗心血管疾病有显著作用[14]。

气候变化会影响青稞的生长，温度是影响青稞产量的重要因素，增温4℃严重影响青稞的正常生长和产量[15]。除了品种和管理措施对青稞品质的影响之外，气候条件长期影响青稞营养品质。目前人们对青稞品种开展了很多研究。例如，聂战声等[16]对16个青稞品种对环境的适应性进行研究，发现有4个品种综合性状表现良好。管理措施比如施肥、浇水也会影响青稞品质，赵慧芬[17]研究发现，影响西藏春青稞β-葡聚糖含量的关键因素分别是播期和底肥施用量。已有研究多集中在品种和单一品质指标，对不同气候区综合品质比较研究较少。在实际生产中，不同的品种对于各个区域气候的适应能力不同，各地区宜选择在当地产量较高的品种进行种植。因此，明确不同气候区的青稞品质差异，对于认识气候变暖对青稞品质的影响具有重要的指导意义。本研究在确定青稞优势品种的条件下，通过大范围的空间调查，研究不同气候区青稞营养品质的差异并进行综合评价，旨在探究不同区域青稞营养品质的差异，为气候变化背景下藏区农牧业的发展提供科学参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于青藏高原（28°14′—38°21′N、90°84′—104°12′E），该区域日照多，气温低，气温随高度和纬度的升高而降低，气温日较差大，年平均气温由东南的20℃递减至西北的-6℃以下。本研究从青海省、西藏自治区、甘肃省选择了64个海拔1 500—4 400 m的青稞种植县（市）作为主要研究区域。本研究采样点集中位于中国科学院资源环境科学与数据中心的中国气候区划的祁连-青海湖区、柴达木区、昌都区、波密-川西区和藏南区5个二级行政气候区。

1.2 青稞采集与处理

本研究在波密-川西区、藏南区、柴达木区、昌都区、祁连-青海湖区的64个县（市）于2018年10—12月采集当年收获的青稞籽实为研究材料。每个地方采集青稞籽实1 kg左右，用布袋将其储存带回，并做好标记，采集的青稞籽实经杀青后粉碎，过60目筛后保存到自封袋。基于实地调查得到青稞品种信息，如表1所示。

表1 青稞品种信息Table 1 Information of hulless barley varieties

1.3 青稞营养品质测定方法

采用凯氏定氮法测定青稞籽实粗蛋白含量[18]，索式抽提法测定脂肪含量（GB 5009.6—2016）[19]；采用Megazyme试剂盒测定淀粉[20]、植酸[21]、总膳食纤维[22]、β-葡聚糖含量[23]；用重铬酸钾外加热法测定全碳含量[12]。

1.4 气象数据来源

从国家气象信息中心-中国气象数据网(http://data.cma.cn)下载采样地2018年青稞生长季（4—9月）[24]平均气温、降水量、日照时数等站点气象数据，然后用ArcGis 10.2对研究区进行空间插值，得到研究区64个县市的气象数据。

1.5 综合评价方法

利用R 4.0.3对原始数据进行归一标准化处理，之后进行主成分分析，得到影响青稞品质的主成分，同时得到各个指标的主成分分值Fm，按公式（1）以每个主成分得分值Fm乘以主成分分析中相对应的贡献率Em，最后相加得到综合得分Z[25]。

式中，Z为综合得分，Fm为第m个主成分得分值，Em为第m个主成分的贡献率，(m=1,2,3,∙∙∙)。

1.6 数据处理

首先对试验数据正态性进行检验与处理，然后用SPSS 26.0进行单因素方差分析，用R 4.0.3对试验数据进行相关性分析、主成分分析和制图；其中变异系数的计算公式如下。

2 结果与分析

2.1 行政气候区气象因子

2.1.1 波密-川西区和藏南区 波密-川西区和藏南区气象条件差异较大（图1），波密-川西区青稞生长季平均温度为9.91~15.79℃，其中舟曲县最高，丁青县和碌曲县最低；降水量为263~625 mm，其中合作市最高，洛隆县最低；日照时数为576~1 017 h，其中循化县最高，波密县和林芝县最低。藏南区青稞生长季平均温度为10.72~14.32℃，其中米林县最高，堆龙德庆县最低；降水量为297~518 mm，其中墨竹工卡县最高，米林县最低；日照时数为511~1 092 h，其中贡嘎县最高，米林县最低。

图1 波密-川西区和藏南区气象条件Fig.1 Climate condition in Bomi-West Sichuan and South Tibet

2.1.2 柴达木区、昌都区和祁连-青海湖区柴达木区、昌都区和祁连-青海湖区气象因子变化较大（图2），柴达木区青稞生长季平均温度为11.74~12.13℃，降水量为150~260 mm，日照时数为1 097~1 186 h。昌都区青稞生长季平均温度为7.55~14.74℃，其中昌都市最高，称多县最低；降水量为343~514 mm，其中囊谦县最高，昌都市最低；日照时数为842~1 020 h，其中德令哈市最高，边坝县和芒康县最低。祁连-青海湖区青稞生长季平均温度7.27~17.17℃，其中贵德县最高，泽库县最低；降水量为161~754 mm，其中贵南县最高，祁连县最低；日照时数为857~1 294 h，其中祁连县最高，斑玛县和泽库县最低。

图2 柴达木区、昌都区和祁连-青海湖区气象特征Fig.2 Climate conditions in Qaidam，Qamdo and Qilian-Qinghai Lake areas

2.2 不同行政气候区气象因子特征

不同行政气候区青稞生长季平均温度、降水和日照时数变化特征存在差异（图3），祁连-青海湖区的平均温度显著高于昌都区（P<0.05）；波密-川西区、藏南区、昌都区和祁连-青海湖区的降水量均显著高于柴达木区（P<0.05）；祁连-青海湖区和柴达木区的日照时数均显著高于波密-川西区、藏南区、昌都区（P<0.05），其中藏南区日照时数显著高于波密-川西区（P<0.05）。

图3 行政气候区气象因子特征Fig.3 Climate conditions in administrative climate zones

2.3 行政气候区青稞籽实基本营养品质

2.3.1 波密-川西区青稞籽实基本营养品质波密-川西区青稞的粗蛋白含量平均9.40%，其中，夏河县最高，林芝县最低；植酸含量平均8.91 g·kg-1，其中舟曲县最高，同仁县最低；淀粉含量平均为64.43%，其中洛隆县孜托镇最高，卓尼县最低；β-葡聚糖含量平均为4.84%，其中夏河县最高，洛隆县中亦乡最低；膳食纤维含量平均为15.97%，其中同仁县最高，卓尼县最低；脂肪含量平均为2.09%，其中合作市最高，洛隆县中亦乡最低；全碳含量平均为43.18%，其中林芝县最高，同仁县最低（表2，图4）。

图4 波密-川西区青稞籽实基本营养品质Fig.4 Quality of hulless barley in Bomi-West Sichuan

表2 气候区青稞籽实基本营养品质Table 2 Quality of hulless barley seeds in climatic zones

2.3.2 藏南区青稞籽实基本营养品质藏南区青稞营养品质含量变化较大，粗蛋白含量平均为8.73%，其中，桑日县最高，隆子县最低；植酸含量平均为8.03 g·kg-1，其中扎囊县和曲水县最高，其中朗县最低；淀粉含量平均为61.38%，其中隆子县最高，达孜区最低；β-葡聚糖含量平均为5.28%，其中曲水县最高，隆子县最低；膳食纤维含量平均为16.86%，其中琼洁县最高，墨竹工卡县最低；脂肪含量平均为2.19%，其中达孜区最高，桑日县最低；全碳含量平均为42.94%，其中扎囊县最高，林周县最低（表2，图5）。

图5 藏南区青稞籽实基本营养品质Fig.5 Quality of hulless barley seeds in South Tibet

2.3.3 柴达木区和昌都区青稞籽实基本营养品质柴达木区和昌都区青稞营养品质含量变化明显，柴达木区青稞粗蛋白含量平均为10.77%，其中，德令哈市最高，乌兰县和都兰县较低；植酸含量平均为8.44 g·kg-1，其中都兰县最高，德令哈市和乌兰县较低；淀粉含量平均为62.15%，其中乌兰县最高，德令哈市和都兰县较低；β-葡聚糖含量在3个县市变化不大，平均为5.77%；膳食纤维含量平均为17.20%，其中乌兰县和都兰县较高，德令哈市较低；脂肪含量平均为2.16%，其中乌兰县和都兰县较高，德令哈市较低；全碳含量平均为43.98%，其中德令哈市和都兰县较高，乌兰县较低。

昌都区青稞粗蛋白含量平均为9.78%，其中芒康县最高，索县荣布镇最低；植酸含量平均为8.12 g·kg-1，其中索县亚拉镇最高，察雅县最低；淀粉含量平均为60.38%，其中江达县最高，玉树市最低；β-葡聚糖含量平均为4.56%，其中八宿县巴宿最高，类乌齐县最低；膳食纤维含量平均为15.48%，其中八宿县巴宿最高，昌都市最低；脂肪含量平均为2.18%，其中芒康县最高，玉树市最低；全碳含量平均为42.90%，其中玉树市最高，类乌齐县最低（表2，图6）。

图6 柴达木区和昌都区青稞籽实基本营养品质Fig.6 Quality of hulless barley seeds in Qaidam and Changdu areas

2.3.4 祁连-青海湖区青稞籽实基本营养品质祁连-青海湖区青稞粗蛋白含量平均为10.13%，其中贵南县最高，化隆县最低；植酸含量平均为8.44 g·kg-1，其中同德县最高，贵德县最低；淀粉含量平均为63.47%，其中尖扎县最高，贵南县最低；β-葡聚糖含量平均为4.92%，其中贵南县最高，互助县、斑玛县和同德县最低；膳食纤维含量平均为16.80%，其中海晏县最高，同德县最低；脂肪含量平均为2.05%，其中贵德县最高，海晏县最低；全碳含量平均为43.50%，其中祁连县最高，同德县最低（表2，图7）。

图7 祁连-青海湖区青稞籽实基本营养品质Fig.7 Quality of hulless barley seeds in Qilian-Qinghai Lake areas

2.4 气候区青稞籽实营养品质变化特征

对青稞籽实粗蛋白含量数据进行对数处理后，高原气候区的5个二级气候区青稞籽实营养品质差异性分析如图8所示，粗蛋白含量在柴达木区和祁连-青海湖区显著高于藏南区（P<0.05）；β-葡聚糖含量在柴达木区和祁连-青海湖区显著高于波密-川西区、藏南区和昌都区（P<0.05）；膳食纤维含量在藏南区和祁连-青海湖区显著高于昌都区（P<0.05）；淀粉含量在波密-川西区显著高于昌都区和藏南区（P<0.05），在祁连-青海湖区显著高于昌都区（P<0.05）。综上所述，青稞籽实营养品质在行政气候区存在不同程度的差异。

图8 不同行政气候区青稞品质差异性分析Fig.8 Hulless barley quality in different administrative climatic zones

2.5 青稞籽实营养品质主成分分析及综合评价

结合标准化后的因子载荷矩阵，对64个不同县(市)青稞籽实的7个营养品质指标进行方差极大旋转的主成分分析，结果（表3）显示，主成分对变量的方差解释度为61%~90%，4个主成分特征值均大于1，方差累计贡献率达到74%，对青稞营养品质绝大部分原始信息进行了解释。第1主成分的方差贡献率为22%，其中β-葡聚糖、膳食纤维和全碳含量具有较大的载荷，与主成分都呈正相关。第2主成分的方差贡献率为20%，其中粗蛋白和淀粉含量具有较大的载荷，主成分与粗蛋白含量呈正相关，与淀粉含量呈负相关。第3主成分的方差贡献率为16%，其中植酸含量具有较大的载荷，主成分与植酸含量呈正相关。第4主成分的方差贡献率为15%，其中脂肪含量具有较大的载荷，主成分与脂肪含量呈正相关。

表3 青稞籽实营养品质指标主成分分析Table 3 Principal component analysis of hulless barley quality indices

根据累计贡献率提取的4个主成分的方差贡献率和相对应的得分值，建立评价青稞营养品质的数学模型（式3），得到不同行政气候区青稞籽实营养品质的综合分数。5个行政气候区青稞籽实营养品质综合得分存在明显差别，其中综合得分最高的是柴达木区，最低的是波密-川西区（表4）。

表4 不同气候区青稞营养品质综合评价结果Table 4 Comprehensive evaluation of hulless barley quality in different climatic regions zones

式中，F1、F2、F3和F4分别为4个主成分的得分。

3 讨论

青稞种植区集中在青藏高原，近几十年来，研究者在青稞品种改良和推广方面开展了很多工作，目前各地种植的品种都是当地表现最好的品种，本研究中波密-川西区青稞品种以甘青6号和藏青2000为主，藏南区以藏青2000为主，柴达木区以柴青1号为主，昌都区以藏青2000为主，祁连-青海湖区以昆仑15号为主。因而，各地青稞的品质差异主要取决于当地的气象和管理条件。本研究通过大范围的空间调查，收集青藏高原青稞种植区64个县（市）的青稞籽实，测定其7个营养品质参数，对气候变化背景下不同气候区青稞品质的变化特征进行研究。不同气候区之间气象因子差异显著，波密-川西区、藏南区、昌都区和祁连-青海湖区的降水都显著高于柴达木区；祁连-青海湖区和柴达木区的日照时数均显著高于波密-川西区、藏南区、昌都区。

波密-川西区青稞品种以甘青6号和藏青2000为主，甘青6号和藏青2000的营养品质在波密-川西区差异不显著。但不同行政气候区青稞的营养品质变化明显，粗蛋白含量平均为8.73%~10.77%，低于燕麦和小麦，但高于其他谷类作物，这与洛桑旦达等[26]的结果基本一致。粗蛋白含量在柴达木区显著高于藏南区，基于两区之间气候差异，说明日照时数越长、降水量越少的地区越有利于柴青1号籽实中粗蛋白的积累。月平均气温和日照时数互相作用对青稞蛋白质含量积累存在显著影响，与冯西博[27]的研究结果一致。靳正忠等[28]也发现，在大麦抽穗-成熟期，日平均温度中等偏高、日相对湿度中等偏低、气温日较差大有利于籽粒蛋白质积累，其中最关键的气象因子是气温日较差。淀粉含量平均在60.38%~64.43%，与杨智敏等[29]测定的青稞总淀粉含量基本一致。淀粉含量在波密-川西区显著高于昌都区，基于气候区之间的气候差异，说明降水越多、日照时数越短和平均温度较高的地区越有利于甘青6号和藏青2000籽实淀粉的积累。与王建林等[30]研究结果相反，日照时数、积温、月平均温度是影响青稞淀粉积累的关键因子，日照时数越长、积温越高，淀粉积累量越多，这可能与青稞种植土壤肥力有关。相关研究表明，水和温度等环境因素的影响以及播种量和品种选择等措施对大麦质量的影响大于施氮量[31]，氮肥、磷肥配合施用后青稞籽粒β-葡聚糖和蛋白质含量增加，而淀粉和粗脂肪含量降低[32]。膳食纤维含量平均值在15.48%~17.20%，柴达木区和祁连-青海湖区膳食纤维含量显著高于昌都区，说明日照时数较长、降水较少和平均温度较高的地区有利于柴青1号和昆仑15号青稞籽实膳食纤维积累。β-葡聚糖含量平均值在4.56%~5.77%，与张唐伟等[33]测定的β-葡聚糖含量基本一致，但与白婷等[25]测定的结果有一定差别。β-葡聚糖含量在柴达木区和祁连-青海湖区都显著高于波密-川西区、藏南区和昌都区，说明日照时数较长、降水较少、平均温度较高的地区有利于柴青1号和昆仑15号青稞籽实β-葡聚糖的积累，这与Sheng等[34]研究结果一致。Moza等[35]研究发现，高海拔品种的总β-葡聚糖含量比平原高7.5%~30.8%，其中气候区之间青稞籽实的脂肪、植酸和全碳含量变化不大，说明气候条件对青稞籽实脂肪、植酸和全碳的影响较小。

5个行政气候区青稞籽实营养品质存在明显差异，综合得分在柴达木区最高，在波密-川西区最低，即青稞籽实综合营养品质在不同气候区存在明显差异。相比其他区，柴达木区的青稞柴青1号综合营养品质最高，波密-川西区的青稞甘青6号和藏青2000综合营养品质最低。但单个营养品质指标在不同行政气候区表现不同，其中在波密-川西区甘青6号和藏青2000的淀粉含量最高，在柴达木区昆仑15号的膳食纤维和β-葡聚糖含量高于其他区，在昌都区藏青2000的β-葡聚糖、膳食纤维和淀粉含量都最低。