基于灰色关联分析的肥饲兼用型箭筈豌豆种质资源评价

刘 翔，韩 梅，严清彪，李正鹏，梁高森

（青海大学农林科学院, 青海 西宁 810016）

随着我国农业发展过程中，土壤退化、水土流失、化肥施用不合理等问题的出现，以及人们对绿色、有机食品的需求不断增加，迫切需要在种植过程中施用有机、无污染的绿色肥源。利用植物生长过程中所产生的绿色植物体进行翻压或堆沤后施用的绿肥，作为一种种植简便、应用广泛的有机肥源，对土壤养分积累、改善生态环境、提升农作物产量与品质等具有积极作用[1]。豆科绿肥还能够通过根瘤菌固定空气中的氮素，在同等条件下能生产出比其他绿肥品种更高的生物产量和养分积累量，肥料价值较高。箭筈豌豆(Vicia sativa)又名大巢菜、救荒野豌豆，是豆科野豌豆属一年生草本植物，在我国东南、华北、西北等地区均有广泛种植[2]，具有适应性广、抗旱、耐寒、耐酸性强、营养价值高、固氮能力强等优点[3-4]，是优良的绿肥和牧草作物。青海地区常利用箭筈豌豆进行小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)套种绿肥或麦后复种绿肥，刈割其地上部分作饲草，根茬还田进行培肥地力，增加后茬作物产量，并与禾本科作物、十字花科作物等混播以提升产草量，丰富饲草营养品质[5]。饲用箭筈豌豆具有生物量大、适口性好、营养价值高、再生性强等优势，在生育期内可多次刈割，具有较高的经济价值[6]。然而，目前对箭筈豌豆种质资源的评价与筛选多集中于绿肥应用方面[4-5,7]，或牧草混播[8-9]，对肥饲兼用型箭筈豌豆种质资源研究较少。因此，在青海地区综合筛选产草量高，固氮能力和营养品质好的箭筈豌豆品种具有重要意义。本研究通过对25 份常见箭筈豌豆种质资源农艺性状、固氮能力和营养品质进行综合评价，以期为青海地区的绿肥产业筛选适宜当地气候条件及生产利用方式的优异箭筈豌豆品种。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021 年在青海大学农林科学院实验基地开展，海拔2 282 m，位于101.75° E， 36.72° N，属于大陆性高原半干旱气候，年平均气温7.6 ℃，年平均日照时长1 939.7 h，年均降水量380 mm，年均蒸发量1 363 mm，一年一熟。试验区土壤性质为栗钙土，土壤全氮含量1.07 g·kg-1，全磷含量23.70 mg·kg-1，全钾含量11.16 g·kg-1，有机质含量21.95 g·kg-1，pH 8.22。

1.2 试验设计

采用随机区组排列，小区面积1 m × 6 m。行距0.3 m，每品种点播种植4 行，穴距0.1 m，每穴2 株，不同品种间隔0.3 m，各品种间做好标记。苗高15 cm时进行定苗，每穴留1 株，及时做好除草、浇水等田间管理。供试种质材料来源于国家种质复份库(表1)。

表1 箭筈豌豆种质表Table 1 Germplasm of Vicia sativa

1.3 样品采集与测定

于箭筈豌豆盛花期时，每小区采集10 株，测量其株高、茎粗、单株分枝数、单株根瘤菌数和鲜草产量，并置于烘箱中105 ℃杀青0.5 h，以65 ℃烘干置恒重，分别记录地上部干重和地下部干重。粉碎后的植株样品采用凯氏定氮法测定其全氮含量，并用以下公式折算粗蛋白(crude protein，CP)含量、粗蛋白产量和氮携出量。

CP=TN× 6.25 × 100%；

粗蛋白产量 =CP× 单株地上部干重；

氮携出量 =N× 单株地上部干重。

式中：TN为植株全氮含量，6.25 为转化系数[10-11]。

采用范式洗涤法测定中性洗涤纤维(neutral detergent fibre，NDF)和酸性洗涤纤维(acid detergent fibre，ADF)含量，并计算其相对饲喂价值(relative feeding value，RFV)[12]。

式中：DMI为干物质采食量；DDM为可消化的干物质量。

箭筈豌豆成熟后，记录其全生育期，并测定各品种种子产量。

1.4 数据分析

采用Excel 2016 和SPSS 25.0 对 箭筈豌豆的 主要性状、产量和品质进行相关性分析和主成分分析，运用灰色关联分析法对不同品种箭筈豌豆的主要性状、营养品质和固氮能力进行综合评价。

灰色关联分析是将所有参试品种视为一个灰色系统，将各性状均优于参试品种的理想型品种作为参考品种，并以不同性状指标构成的数列作为参数，计算25 个箭筈豌豆种质资源与参考品种之间的关联度，以此对参试品种的优劣进行排序[13]。灰色关联系数的计算公式为：

式中： |x0(k)-xi(k)|表 示数列x0与 数列xi在k点的绝对差值。 minimink|x0(k)-xi(k)|表示二级最小差，同理，maximaxk|x0(k)-xi(k)|表示二级最大差。ρ为分辨系数，一般取0.5。将各品种的关联系数取平均值，记为数列xi与 数列x0之 间的灰色关联度系数，记为ri。

2 结果与分析

2.1 不同箭筈豌豆品种主要性状基本统计

2.1.1 不同箭筈豌豆品种的农艺性状

对25 份箭筈豌豆的生育期、株高、茎粗、单株分枝数、单株根瘤菌数、鲜草产量、地上部干重、地下部干重、根冠比和种子产量进行统计分析(表2)，发现箭筈豌豆不同性状间差异较大，其变异系数介于6.57%～100.00%，其中地上部干重差异最大，生育期变异系数最小，地上部干重、地下部干重、单株根瘤菌数、鲜草产量的变异系数均超过65%。各农艺性状的变异程度表现为地上部干重 ＞ 地下部干重 ＞ 单株根瘤菌数 ＞ 鲜草产量 ＞ 种子产量 ＞ 单株分枝数 ＞ 株高 ＞ 根冠比 ＞ 茎粗 ＞ 生育期。以上结果表明，25 份箭筈豌豆种质资源的农艺性状差异较大，具有较为丰富的遗传多样性，适宜进行优异种质资源品种筛选研究。

表2 箭筈豌豆农艺性状统计Table 2 Statistics of agronomic traits of Vicia sativa

2.1.2 不同箭筈豌豆品种品质性状

对25 个箭筈豌豆品种的植株全氮含量、氮携出量、粗蛋白含量、中性洗涤纤维含量、酸性洗涤纤维含量、半纤维素和相对饲喂价值进行统计(表3)，除氮携出量和粗蛋白产量外的品质性状的变异系数均低于25%，差异性较小。氮携出量变异系数为92.33%，最大值为每株0.95 g，最小值为每株0.05 g。各农艺性状的变异程度表现为氮携出量 ＞ 粗蛋白产量 ＞ 相对饲喂价值 ＞ 酸性洗涤纤维 ＞ 中性洗涤纤维 ＞ 粗蛋白 = 植株全氮含量。

表3 箭筈豌豆品质性状统计Table 3 Statistics of the quality and character of Vicia sativa

2.2 不同箭筈豌豆品种主要性状与品质的相关性分析

25 种箭筈豌豆的15 个主要农艺性状和品质性状进相关性分析(表4)显示，其生育期与株高、茎粗、鲜草产量、地上部干重、地下部干重、氮携出量、粗蛋白产量、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维极显著正相关(P＜ 0.01)，与相对饲喂价值极显著负相关；鲜草产量与生育期、茎粗、氮携出量、粗蛋白产量极显著正相关；地上部干重和地下部干重均与氮携出量和粗蛋白产量极显著正相关。箭筈豌豆品质性状中，中性洗涤纤维与酸性洗涤纤维为逆向指标[14]，植株全氮、氮携出量、粗蛋白和相对饲喂价值为正向指标，因此，田间试验应着重筛选生育期适中、株高较高、茎粗、鲜草产量和干草产量较大的品种。

表4 箭筈豌豆主要性状相关性分析Table 4 Correlation analysis of the main agronomic traits of Vicia sativa

2.3 不同箭筈豌豆品种灰色关联度分析

灰色关联度分析法可用归一法对作物的不同性状进行量化，克服了传统单一因素评价作物品种优劣的局限性，具有样本数量少、结果可靠、操作简单等优点[15]。本研究用Xi(i= 1, 2, 3, …, 11)依次表示生育期、单株根瘤菌数、鲜草产量、地上部干重、地下部干重、单株种子产量、氮携出量、粗蛋白产量、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和相对饲喂价值，对25 个不同品种箭筈豌豆的营养性状和固氮能力进行灰色关联分析。

2.3.1 构 造参考品种

“参考品种”是结合实际生产情况而定的各项指标的理想值[15]，一般比供试品种各性状值的上限略大[13](表5)。本研究取生育期的平均值作为参考品种生育期值，中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维作为逆向指标，取最小值作为参考指标，其余性状均为正向指标，取其最大值作为参考品种性状。

表5 参考品种主要性状指标Table 5 Main trait indicators of the reference variety

2.3.2 数 据无量纲化

由于生育期、株高、茎粗等性状的计量单位不同，且各农艺性状及品质性状数值差异较大，难以直接进行比较，故而采用均值化法对数据进行无量纲化处理(表6)。

表6 灰色关联分析无量纲化处理Table 6 Dimensionless treatment of grey association analysis

2.3.3 绝 对差值

根据无量纲化结果，求出各参试品种与参考品种的差异绝对值(表7)。其中，二级最小差值为0，二级最大差值为3.93。

表7 参试品种与参考品种的绝对差值Table 7 Absolute difference between the test variety and reference variety

2.3.4 灰色关联系数和关联度

通过公式计算出25 个参试品种与参考品种的关联系数，并计算其平均值求得等权关联度。在灰色关联分析中，参考品种的各项性状均为最优值，关联度的大小反映了各参试品种与参考品种的差异，其关联度越大，与参考品种的差异越小，该品种的性状指标就越优良，并通过关联度大小确定参试品种的优劣次序[13](表8)。‘西牧333’的等权关联度最大，为0.88；‘清水河麻箭豌’‘师宗箭豌’‘苏箭5 号’和‘7401 箭豌’表现较优，等权关联度均超过0.66；‘879-2 箭 豌’‘兰 箭2 号’‘兰 箭3 号’‘Blanche Flenr’和‘苏箭4 号’表现较差，等权关联度均低于0.60。

表8 参试品种灰色关联系数Table 8 Grey correlation coefficient of the test variety

3 讨论

3.1 主要性状的比较

种质资源是作物遗传改良和相关基础研究的基础之一[16]。对作物的表型性状进行分析，具有成本低廉、直截了当等优点，是种质资源分析与鉴定的首选方法，通过合理的种质资源鉴定方法，可以评价出特异或优良的种质资源以供育种生产和科研应用[17]。本研究选择了生育期、株高、茎粗、单株分枝数、单株根瘤菌数等较为直观的箭筈豌豆表型性状，对其进行种质资源分析与鉴定，其变异系数介于6.57%～100.00%，具有丰富的遗传多样性。绿肥作物的生育期是种质资源筛选与评价的重要性状之一，25 种箭筈豌豆种质资源中，生育期介于119～147 d，其中，‘卡尔柯夫箭豌’‘Blanche Flenr’‘苏箭4 号’‘兰箭2 号’和‘兰箭3 号’生育期最短，仅有119 d，属于早熟品种；‘754-1 箭豌’‘7519-1 箭豌’‘FAO 箭舌豌豆’‘清水河青箭豌’和‘清水河麻箭豌’的生育期均在140 d 以上，属于晚熟品种。

选择客观、合理的评价指标，是客观评价箭筈豌豆种质资源肥饲兼用能力的基础。牧草饲用价值评价指标较多，其中，粗蛋白是牧草营养品质指标中最具代表性的指标之一，对牧草的必需氨基酸供给有直接影响[14]，且赵梦宇等[6]研究表明，植株干样中粗蛋白含量大于8%时，可作为反刍动物的蛋白质补充剂，本研究中25 个不同品种箭筈豌豆的粗蛋白含量介于17.73%～24.26%，这与毛祝新[18]和赵梦宇等[6]的研究基本相符，箭筈豌豆可以作为动物的蛋白质补充剂，具有较高的饲用价值。饲草的相对饲喂价值是酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维的综合反映[9]，可以直接反映饲草营养品质的优劣，相对饲喂价值越大，饲草的营养品质越好。江舟和魏臻武[19]认为，相对饲喂价值高于150 的牧草资源可以作为高品质牧草进行推广利用，本研究中的25 个不同品种箭筈豌豆的相对饲喂价值介于127.02～216.24，与其在淮河流域进行的豆科牧草生产性能试验结果相符。而且，饲草生产和绿肥生产的根本目的，都是在单位面积内收获更多的营养物质产量，鲜草产量和干草产量都是箭筈豌豆经济价值方面的重要指标[16]。因此，箭筈豌豆的产草量对其生产和推广至关重要。本研究发现‘西牧333’和‘清水河麻箭豌’的鲜干草产量显著高于其他品种，适宜在青海西宁地区。

3.2 农艺性状与品质性状的相关性

相关分析是研究两个或两个以上处于同等地位的随机变量间的相关关系的统计方法[20]，本研究中箭筈豌豆的干鲜草产量与生育期、株高、茎粗、氮携出量、粗蛋白产量等极显著正相关，相对饲喂价值与生育期极显著负相关。赵梦宇等[7]研究发现，箭筈豌豆成熟期干草产量与生育期显著正相关，同本研究结果一致。因此，在田间试验中，需要对株高、茎粗较优的品种或优异单株进行关注和筛选。

3.3 灰色关联分析

单一的产量性状或品质性状难以全面评估箭筈豌豆品种的优劣，因此，需要综合各项性状进行判断。灰色关联分析是一种多因素统计分析方法，可以将不同指标进行统一的量化处理，对不同品种的作物进行较为准确、客观的多因素综合评价，突破了单一因素对作物生产性能评价的局限性[14-15,21]，目前已在箭筈豌豆、紫花苜蓿(Medicago sativa)、毛叶苕子(Vicia villosa)等多种牧草和小麦、玉米等作物的综合研究中大量应用[13-15,21-23]。本研究对25 个不同品种箭筈豌豆的11 个性状进行了灰色关联度分析，结果显示，‘西牧333’的各项指标最接近参考品种，全生育期134 d，属于中熟品种，鲜草产量、干草产量、氮携出量、粗蛋白产量和半纤维素含量均为供试品种最大值，但相对饲喂价值低于平均水平。此外，‘清水河麻箭豌’‘师宗箭豌’‘苏箭5 号’和‘7401 箭豌’的各项指标较为接近参考品种，表现较优，适宜在青海西宁地区种植。但本研究对箭筈豌豆的耐旱性、耐旱性、耐盐碱、发芽率等性状有所忽视，且种植年份较短，重复较少，将在以后的研究中扩大调查范围，进行多年长期研究，以期对箭筈豌豆种质资源进行更加客观的评价。

4 结论

本研究中，供试的25 个箭筈豌豆品种均能在青海西宁地区正常生长，并完成生育期，但主要农艺性状和品质性状差异较大。箭筈豌豆的生育期和农艺性状与产草量、品质性状间均有显著相关性。通过灰色关联分析法，筛选出5 个适宜在青海地区生长，品质较优的肥饲兼用型箭筈豌豆品种有‘西牧333’‘清水河麻箭豌’‘师宗箭豌’‘苏箭5 号’和‘7401 箭豌’，其中‘西牧333’‘师宗箭豌’‘苏箭5 号’和‘7401 箭豌’属于中早熟品种，‘清水河麻箭豌’属于晚熟品种。