基于氣候和青稞產(chǎn)量形成關(guān)鍵指標(biāo)的青藏高原生態(tài)區(qū)劃分析

陳魯鵬,姚曉華,姚有華,安立昆,白羿雄,李 新,吳昆侖

(1.青海大學(xué), 青海西寧 810016;2.青海省農(nóng)林科學(xué)院,青海西寧 810016;3.青海省青稞遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家麥類(lèi)改良中心青海青稞分中心/青藏高原種質(zhì)資源研究與利用實(shí)驗(yàn)室,青海西寧 810016)

青稞(HordeumvulgareL. var.nudumHook. f.)是青藏高原地區(qū)主要糧食作物,種植面積分布很廣,也是在4 500 m以上的局部高海拔、高寒地帶唯一可以正常成熟的農(nóng)作物[1]。相較于小麥、玉米等主要糧食作物,青稞具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,其營(yíng)養(yǎng)成分結(jié)構(gòu)符合現(xiàn)代人健康飲食的理念[2],因而近年來(lái)青稞作為原料被廣泛應(yīng)用到食品深加工、制藥、釀酒等領(lǐng)域,促進(jìn)了青稞產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[3],形成了青稞“高產(chǎn)糧用,精深加工”的多元化發(fā)展新業(yè)態(tài)[4]。在這種青稞產(chǎn)業(yè)的新形勢(shì)下,為了能滿足市場(chǎng)需求和充分發(fā)揮品種潛力,更加科學(xué)合理的青稞區(qū)劃就顯得非常重要。

作物對(duì)生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性決定其生長(zhǎng)狀況,適宜的生態(tài)環(huán)境有利于實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)性能最大化[5]。通過(guò)對(duì)不同地區(qū)獨(dú)特環(huán)境條件和主栽作物生態(tài)適應(yīng)性進(jìn)行及時(shí)有效的綜合評(píng)價(jià),可以有針對(duì)性地進(jìn)行生態(tài)區(qū)劃和品種布局,從而提高作物生態(tài)適應(yīng)性要求與環(huán)境條件的吻合度[6],促進(jìn)農(nóng)業(yè)種植、加工及其他產(chǎn)業(yè)合理發(fā)展[7]。青稞雖然是青藏高原地區(qū)的特色作物,但其分布廣泛,種植區(qū)域包括青海、西藏全省以及四川、甘肅和云南的高海拔地區(qū)[8]。目前,大麥[9]、小麥[10]和玉米[11]等作物的生態(tài)區(qū)劃已有深入研究,但對(duì)于青稞生態(tài)區(qū)劃的報(bào)道極少。另外,傳統(tǒng)的生態(tài)區(qū)劃僅根據(jù)不同地區(qū)氣候差異進(jìn)行,而缺乏對(duì)作物本身生長(zhǎng)情況的考慮,這種方法并不能準(zhǔn)確反映作物對(duì)于該地區(qū)的適應(yīng)性情況[12-13],難以滿足當(dāng)前青稞產(chǎn)業(yè)多元化發(fā)展的要求。本研究以青藏高原主推的15個(gè)青稞品種作為試驗(yàn)材料,連續(xù)兩年種植于9個(gè)具有代表性的生態(tài)區(qū),測(cè)定了8個(gè)青稞主要農(nóng)藝性狀和8個(gè)氣象因素?cái)?shù)據(jù),通過(guò)相關(guān)性分析,篩選出與青稞產(chǎn)量相關(guān)的農(nóng)藝和氣候指標(biāo),利用聚類(lèi)分析和隸屬函數(shù)分析,建立青稞產(chǎn)量綜合評(píng)價(jià)體系,篩選出綜合表現(xiàn)優(yōu)異的青稞品種及生態(tài)區(qū),以期為青稞種植區(qū)域劃分和品種育種提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料選擇

試驗(yàn)選用青藏高原地區(qū)主推青稞品種15個(gè),各品種來(lái)源及特點(diǎn)詳見(jiàn)表1。

表1 15個(gè)青藏高原主栽青稞品種Table 1 Fifteen hulless barley cultivars mainly cultivated and promoted on the Qinghai-Tibet Plateau

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)定方法

試驗(yàn)材料連續(xù)兩年種植于青藏高原9個(gè)有代表性的地區(qū),分別位于西藏的昌都市,青海的海北州門(mén)源縣、海南州貴南縣、海南州共和縣、海西州德令哈市、西寧市,甘肅甘南州的臨潭縣、合作縣和卓尼縣。各地區(qū)試驗(yàn)均采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),3次重復(fù),小區(qū)面積10 m2。行距20 cm,小區(qū)間空1行,重復(fù)間留走道0.5 m。播種后記錄參試品種的生育期,在成熟期每小區(qū)選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻的1 m2樣方進(jìn)行考種,測(cè)定其農(nóng)藝性狀,對(duì)小區(qū)實(shí)際產(chǎn)量進(jìn)行測(cè)定,在此基礎(chǔ)上計(jì)算單位面積產(chǎn)量。氣象數(shù)據(jù)為當(dāng)?shù)貧庀笳緝赡瓯O(jiān)測(cè)結(jié)果,均選取青稞全生育期(4-9月)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并進(jìn)行隸屬函數(shù)計(jì)算,使用SPSS 23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理、相關(guān)性分析和聚類(lèi)分析,使用DPS 7.05進(jìn)行單因素方差分析。隸屬函數(shù)值參考何子華等[14]計(jì)算方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 參試地區(qū)青稞生育期氣象條件和青稞農(nóng)藝性狀表現(xiàn)及其相關(guān)性

統(tǒng)計(jì)分析(表2)表明,在青稞生育期內(nèi),參試地區(qū)積溫平均為2 106.15 ℃,變異系數(shù)為13.20%,積溫最高的地區(qū)為昌都,最低的為門(mén)源;日照時(shí)數(shù)平均為1 091.46 h,變異系數(shù)為10.47%,最高的地區(qū)為德令哈,最低的為臨潭;降水量平均為13 794.88 mm,變異系數(shù)為17.90%,最高的地區(qū)為卓尼,最低的為共和;濕度平均為62.42%,變異系數(shù)為15.15%,最高的地區(qū)為臨潭,最低的為德令哈;海拔平均為3 037 m(2 261～3 398 m),變異系數(shù)為10.64%,最高的地區(qū)為昌都,最低的為西寧;月均最高溫度平均為24.6 ℃,變異系數(shù)為6.24%,最高的地區(qū)為昌都,最低的為門(mén)源;月均最低溫度平均0.68 ℃,變異系數(shù)為37.67%,最高的地區(qū)為西寧,最低的為貴南;月均溫差平均為23.9 ℃,變異系數(shù)為3.95%,最高的地區(qū)為貴南,最低的為臨潭。在9個(gè)參試地區(qū)中,月均最低溫度變異系數(shù)最大,月均溫差變異系數(shù)最小。

表2 9個(gè)地區(qū)主要?dú)庀髷?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Main meteorological statistics of the nine regions

青稞株高平均為97.59 cm,變異系數(shù)為13.12%,最高的地區(qū)為德令哈,最低的為昌都(表3);單株分蘗數(shù)平均為4.76個(gè),變異系數(shù)為9.01%,最高的地區(qū)為門(mén)源,最低的為德令哈;穗長(zhǎng)平均為6.81 cm,變異系數(shù)為10.42%,最高的地區(qū)為昌都,最低的為德令哈;穗粒重平均為2.11 g,變異系數(shù)為23.31%,最高的地區(qū)為西寧,最低的為門(mén)源;穗粒數(shù)平均為44.31粒,變異系數(shù)為15.88%,最高的地區(qū)為西寧,最低的為門(mén)源;單穗小穗數(shù)平均為17.9個(gè),變異系數(shù)為13.09%,最高的地區(qū)為共和,最低的為德令哈;千粒重平均為46.69 g,變異系數(shù)為7.33%,最高的地區(qū)為西寧,最低的為卓尼;生育期平均為114.33 d,變異系數(shù)為6.95%,最高的地區(qū)為共和,最低的為卓尼;小區(qū)產(chǎn)量平均為196.32 kg,變異系數(shù)為39.44%,最高的地區(qū)為門(mén)源,最低的為臨潭。8個(gè)性狀中,變異系數(shù)最大的為產(chǎn)量,最小的為千粒重和生育期。

表3 9個(gè)地區(qū)農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of agronomic traits and yield in the nine regions

相關(guān)分析表明,青稞平均生育期與產(chǎn)量和千粒重呈顯著正相關(guān),千粒重與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān);單穗小穗數(shù)與株高和千粒重均呈顯著正相關(guān);穗粒數(shù)與穗粒重呈極顯著正相關(guān)(表4)。在氣象因素中,積溫與平均濕度呈顯著負(fù)相關(guān),與月均最高溫度、月均最低溫度均呈極顯著正相關(guān);日照時(shí)數(shù)與降水量、平均濕度均呈極顯著負(fù)相關(guān),與日最大降水量呈顯著負(fù)相關(guān);降水量與平均濕度、最大降水量均呈極顯著正相關(guān);平均濕度與日最大降水量呈極顯著正相關(guān);月均最高溫度與月均最低溫度和溫差分別呈極顯著和顯著正相關(guān);產(chǎn)量與月均最低溫度呈顯著負(fù)相關(guān),與溫差呈顯著正相關(guān)(表5)。由此可見(jiàn),生育期、千粒重、月均最低溫度和溫差與青稞產(chǎn)量相關(guān)性較大,故將這4個(gè)指標(biāo)定為青稞產(chǎn)量的主要影響因素。

表4 青稞農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of hulless barley agronomic traits

表5 青稞產(chǎn)量及氣象條件的相關(guān)性Table 5 Correlation analysis of meteorological conditions and hulless barley yield

表6 所選指標(biāo)及青稞產(chǎn)量在地區(qū)間的差異Table 6 Difference of the selected indices and hulless barley yield among the nine regions

2.2 青稞地區(qū)產(chǎn)量因素的聚類(lèi)分析

所篩選的4個(gè)指標(biāo)(生育期、千粒重、最低溫度和溫差)在地區(qū)間的變異系數(shù)分別為6.95%、7.33%、37.67%和3.95%,產(chǎn)量變異系數(shù)為39.44%。經(jīng)方差分析,地區(qū)間青稞產(chǎn)量及所選指標(biāo)均存在顯著差異。由此可見(jiàn),這些指標(biāo)在地區(qū)間的變異不一致,因而有必要對(duì)9個(gè)參試地區(qū)進(jìn)行綜合分析。

從各地區(qū)的平均隸屬函數(shù)值看,9個(gè)地區(qū)中貴南排名第一,而臨潭排名最后(表7)。通過(guò)進(jìn)一步的聚類(lèi)分析,在平方歐式距離為5.0時(shí),可將參試地區(qū)劃分為4類(lèi)。其中,門(mén)源、貴南被劃為第一生態(tài)區(qū),該區(qū)域?qū)俑吆底髑囡鷳B(tài)區(qū),產(chǎn)量最高,氣候條件最好;德令哈被劃為第二生態(tài)區(qū),該區(qū)域?qū)俨襁_(dá)木盆地灌溉青稞生態(tài)區(qū),產(chǎn)量較高,氣候條件次之;西寧、合作、共和被劃為第三生態(tài)區(qū),該區(qū)域?qū)俸庸确秋柟嗲囡鷳B(tài)區(qū),產(chǎn)量和氣候條件一般;昌都、臨潭、卓尼被劃為第四生態(tài)區(qū),該區(qū)域?qū)俎r(nóng)林混合山地青稞生態(tài)區(qū),產(chǎn)量和氣候條件較差(圖1)。

圖1 9個(gè)地區(qū)聚類(lèi)及生態(tài)區(qū)劃分Fig.1 Dendrogram of the nine regions

表7 9個(gè)地區(qū)產(chǎn)量相關(guān)指標(biāo)隸屬函數(shù)值Table 7 Membership function values of yield related indices in the nine regions

2.3 不同生態(tài)區(qū)青稞優(yōu)勢(shì)品種分析

各青稞參試品種的產(chǎn)量在不同生態(tài)區(qū)的表現(xiàn)不同(表8)。在高寒旱作青稞生態(tài)區(qū)排名前兩位的品種為藏青23和甘青9號(hào),在柴達(dá)木盆地灌溉青稞生態(tài)區(qū)為昆侖15號(hào)和甘青9號(hào),在河谷非飽灌青稞生態(tài)區(qū)為昆侖16號(hào)和甘青8號(hào),在農(nóng)林混合山地青稞生態(tài)區(qū)為甘青8號(hào)和甘青9號(hào)。這些品種可作為相應(yīng)地區(qū)優(yōu)勢(shì)品種加以推廣種植。

表8 各生態(tài)區(qū)15個(gè)品種的產(chǎn)量差異Table 8 Yield difference among the 15 cultivars in each ecological area kg·plot-1

3 討論

本研究中,在8個(gè)農(nóng)藝性狀中,青稞千粒重、生育期與產(chǎn)量分別呈極顯著和顯著正相關(guān),與前人研究結(jié)果有所不同。顏昌蘭[15]認(rèn)為,青稞生育期與株高、穗粒數(shù)呈正相關(guān)[15];劉國(guó)一等[16]對(duì)西藏隆子黑青稞的分析發(fā)現(xiàn),穗粒數(shù)與產(chǎn)量呈正相關(guān)。這些研究結(jié)果的差異可能與所選試驗(yàn)材料不同有關(guān)。通過(guò)相關(guān)分析,本研究將與青稞產(chǎn)量顯著相關(guān)的平均生育期、千粒重、平均最低溫度和溫差作為青稞產(chǎn)量的主要影響因素。低溫脅迫是影響作物產(chǎn)量的一個(gè)重要因素[17]。青稞整個(gè)生育期中平均最低溫度與青稞產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān),說(shuō)明在一定的范圍內(nèi)溫度的降低有利于青稞產(chǎn)量的提高,但極端低溫仍然會(huì)影響青稞的正常生長(zhǎng),不利于其完成生活史[18]。索朗曲珍[19]研究發(fā)現(xiàn),晝夜溫差大對(duì)青稞生長(zhǎng)有利,這與本研究結(jié)果相一致。本研究中,在參試的9個(gè)地區(qū)中,隨溫差的增大,青稞產(chǎn)量呈上升趨勢(shì)。萬(wàn)運(yùn)帆等[20]研究表明,溫度和降水量是影響青稞產(chǎn)量的重要因素,溫度的增加尤其是最低溫的增加有利于青稞產(chǎn)量的增加,這與本試驗(yàn)的結(jié)果相似。但侯亞紅等[21]提出,降水量對(duì)于青稞產(chǎn)量的影響以溫度升高為前提條件,溫度的增加會(huì)導(dǎo)致土壤蒸發(fā)量增大,會(huì)給青稞造成水分脅迫,而降水量的增加有利于降低這種風(fēng)險(xiǎn)。氣候條件之間的相互關(guān)系非常復(fù)雜,青稞產(chǎn)量形成是多種氣候條件共同作用的結(jié)果。

本研究對(duì)所選指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析發(fā)現(xiàn),4個(gè)指標(biāo)在9個(gè)參試地區(qū)均存在差異。經(jīng)進(jìn)一步的聚類(lèi)分析,將9個(gè)參試地區(qū)劃分為4類(lèi),第Ⅰ類(lèi)包括2個(gè)地區(qū),第Ⅱ類(lèi)包含1個(gè)地區(qū),第Ⅲ類(lèi)包含3個(gè)地區(qū),第Ⅳ類(lèi)包含3個(gè)地區(qū)。從隸屬函數(shù)值排名看,綜合排名前兩名的地區(qū)為貴南、門(mén)源。貴南縣位于青藏高原東北部,在氣候分類(lèi)上屬于高原大陸性氣候,平均溫差較大,日照時(shí)間較長(zhǎng),非常適宜青稞的生長(zhǎng)[22];門(mén)源縣位于青海海北州,海北州具有太陽(yáng)輻射強(qiáng)、溫差大、雨量充足等特點(diǎn)[23],也十分有利于青稞的生長(zhǎng)。