青藏高原不同氣候區青稞品質差異

甘子鵬，徐海燕*，薛守業，梁冰妍，種碧瑩，李莉莎，張博，李小明，劉桂民，吳曉東

（1.蘭州交通大學環境與市政工程學院，蘭州 730070；2.中國科學院西北生態環境資源研究院，冰凍圈科學國家重點實驗室，青藏高原冰凍圈觀測研究站，蘭州 730000）

全球變暖已經成為不爭的事實，近百年來，全球表面溫度平均增加了約0.74℃[1]。不同地區變暖的速度不同，北半球的高緯度和高海拔地區升溫更快[2]。農作物的生長發育會受到氣候變暖的影響，例如氣候變暖會增加蒸散發，導致作物生長期出現缺水情況，從而影響作物收成[3-4]；氣候變暖會影響植物物候的改變，提前植物的返青期并延長其生長發育期[3]；植物的光合作用也會受到溫度的影響，從而引起植物生物量生產分配的改變[4]；農作物生長季溫度升高、活動積溫增加，早霜凍時間推遲，將導致作物收割時間延后[5]。除此之外，氣候變暖還會增加極端事件，增加農業生產的不穩定性[6]，對農作物產量起負效應[7]。

青藏高原是世界上較大的高原生態系統，受氣候變暖影響，青藏高原植被在物候、生態系統組成方面均發生了顯著變化[8]。青稞是青藏高原的主要作物之一[9]，具有高蛋白、高纖維、高淀粉、高β-葡聚糖、高植酸和低脂肪等營養品質，是谷類作物中的佳品[10]。其中，青稞中的蛋白質可以保持人體正氮平衡，尤其對改善肝硬化患者的營養狀況、蛋白質攝入和肝功能恢復有顯著作用[11]；青稞中的膳食纖維含量高于其他谷物，對抗癌、抗衰老、預防心血管疾病、糖尿病、提高免疫力等具有獨特的生理功效[12]；青稞中的淀粉具有成膜性好、免疫原性低、溶解度高、乳化穩定性優異、黏度低等優點[13]；青稞中的β-葡聚糖對降脂、降糖、提高免疫力、抗腫瘤、抗心血管疾病有顯著作用[14]。

氣候變化會影響青稞的生長，溫度是影響青稞產量的重要因素，增溫4℃嚴重影響青稞的正常生長和產量[15]。除了品種和管理措施對青稞品質的影響之外，氣候條件長期影響青稞營養品質。目前人們對青稞品種開展了很多研究。例如，聶戰聲等[16]對16個青稞品種對環境的適應性進行研究，發現有4個品種綜合性狀表現良好。管理措施比如施肥、澆水也會影響青稞品質，趙慧芬[17]研究發現，影響西藏春青稞β-葡聚糖含量的關鍵因素分別是播期和底肥施用量。已有研究多集中在品種和單一品質指標，對不同氣候區綜合品質比較研究較少。在實際生產中，不同的品種對于各個區域氣候的適應能力不同，各地區宜選擇在當地產量較高的品種進行種植。因此，明確不同氣候區的青稞品質差異，對于認識氣候變暖對青稞品質的影響具有重要的指導意義。本研究在確定青稞優勢品種的條件下，通過大范圍的空間調查，研究不同氣候區青稞營養品質的差異并進行綜合評價，旨在探究不同區域青稞營養品質的差異，為氣候變化背景下藏區農牧業的發展提供科學參考。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于青藏高原（28°14′—38°21′N、90°84′—104°12′E），該區域日照多，氣溫低，氣溫隨高度和緯度的升高而降低，氣溫日較差大，年平均氣溫由東南的20℃遞減至西北的-6℃以下。本研究從青海省、西藏自治區、甘肅省選擇了64個海拔1 500—4 400 m的青稞種植縣（市）作為主要研究區域。本研究采樣點集中位于中國科學院資源環境科學與數據中心的中國氣候區劃的祁連-青海湖區、柴達木區、昌都區、波密-川西區和藏南區5個二級行政氣候區。

1.2 青稞采集與處理

本研究在波密-川西區、藏南區、柴達木區、昌都區、祁連-青海湖區的64個縣（市）于2018年10—12月采集當年收獲的青稞籽實為研究材料。每個地方采集青稞籽實1 kg左右，用布袋將其儲存帶回，并做好標記，采集的青稞籽實經殺青后粉碎，過60目篩后保存到自封袋。基于實地調查得到青稞品種信息，如表1所示。

表1 青稞品種信息Table 1 Information of hulless barley varieties

1.3 青稞營養品質測定方法

采用凱氏定氮法測定青稞籽實粗蛋白含量[18]，索式抽提法測定脂肪含量（GB 5009.6—2016）[19]；采用Megazyme試劑盒測定淀粉[20]、植酸[21]、總膳食纖維[22]、β-葡聚糖含量[23]；用重鉻酸鉀外加熱法測定全碳含量[12]。

1.4 氣象數據來源

從國家氣象信息中心-中國氣象數據網(http://data.cma.cn)下載采樣地2018年青稞生長季（4—9月）[24]平均氣溫、降水量、日照時數等站點氣象數據，然后用ArcGis 10.2對研究區進行空間插值，得到研究區64個縣市的氣象數據。

1.5 綜合評價方法

利用R 4.0.3對原始數據進行歸一標準化處理，之后進行主成分分析，得到影響青稞品質的主成分，同時得到各個指標的主成分分值Fm，按公式（1）以每個主成分得分值Fm乘以主成分分析中相對應的貢獻率Em，最后相加得到綜合得分Z[25]。

式中，Z為綜合得分，Fm為第m個主成分得分值，Em為第m個主成分的貢獻率，(m=1,2,3,???)。

1.6 數據處理

首先對試驗數據正態性進行檢驗與處理，然后用SPSS 26.0進行單因素方差分析，用R 4.0.3對試驗數據進行相關性分析、主成分分析和制圖；其中變異系數的計算公式如下。

2 結果與分析

2.1 行政氣候區氣象因子

2.1.1 波密-川西區和藏南區 波密-川西區和藏南區氣象條件差異較大（圖1），波密-川西區青稞生長季平均溫度為9.91~15.79℃，其中舟曲縣最高，丁青縣和碌曲縣最低；降水量為263~625 mm，其中合作市最高，洛隆縣最低；日照時數為576~1 017 h，其中循化縣最高，波密縣和林芝縣最低。藏南區青稞生長季平均溫度為10.72~14.32℃，其中米林縣最高，堆龍德慶縣最低；降水量為297~518 mm，其中墨竹工卡縣最高，米林縣最低；日照時數為511~1 092 h，其中貢嘎縣最高，米林縣最低。

圖1 波密-川西區和藏南區氣象條件Fig.1 Climate condition in Bomi-West Sichuan and South Tibet

2.1.2 柴達木區、昌都區和祁連-青海湖區柴達木區、昌都區和祁連-青海湖區氣象因子變化較大（圖2），柴達木區青稞生長季平均溫度為11.74~12.13℃，降水量為150~260 mm，日照時數為1 097~1 186 h。昌都區青稞生長季平均溫度為7.55~14.74℃，其中昌都市最高，稱多縣最低；降水量為343~514 mm，其中囊謙縣最高，昌都市最低；日照時數為842~1 020 h，其中德令哈市最高，邊壩縣和芒康縣最低。祁連-青海湖區青稞生長季平均溫度7.27~17.17℃，其中貴德縣最高，澤庫縣最低；降水量為161~754 mm，其中貴南縣最高，祁連縣最低；日照時數為857~1 294 h，其中祁連縣最高，斑瑪縣和澤庫縣最低。

圖2 柴達木區、昌都區和祁連-青海湖區氣象特征Fig.2 Climate conditions in Qaidam，Qamdo and Qilian-Qinghai Lake areas

2.2 不同行政氣候區氣象因子特征

不同行政氣候區青稞生長季平均溫度、降水和日照時數變化特征存在差異（圖3），祁連-青海湖區的平均溫度顯著高于昌都區（P<0.05）；波密-川西區、藏南區、昌都區和祁連-青海湖區的降水量均顯著高于柴達木區（P<0.05）；祁連-青海湖區和柴達木區的日照時數均顯著高于波密-川西區、藏南區、昌都區（P<0.05），其中藏南區日照時數顯著高于波密-川西區（P<0.05）。

圖3 行政氣候區氣象因子特征Fig.3 Climate conditions in administrative climate zones

2.3 行政氣候區青稞籽實基本營養品質

2.3.1 波密-川西區青稞籽實基本營養品質波密-川西區青稞的粗蛋白含量平均9.40%，其中，夏河縣最高，林芝縣最低；植酸含量平均8.91 g·kg-1，其中舟曲縣最高，同仁縣最低；淀粉含量平均為64.43%，其中洛隆縣孜托鎮最高，卓尼縣最低；β-葡聚糖含量平均為4.84%，其中夏河縣最高，洛隆縣中亦鄉最低；膳食纖維含量平均為15.97%，其中同仁縣最高，卓尼縣最低；脂肪含量平均為2.09%，其中合作市最高，洛隆縣中亦鄉最低；全碳含量平均為43.18%，其中林芝縣最高，同仁縣最低（表2，圖4）。

圖4 波密-川西區青稞籽實基本營養品質Fig.4 Quality of hulless barley in Bomi-West Sichuan

表2 氣候區青稞籽實基本營養品質Table 2 Quality of hulless barley seeds in climatic zones

2.3.2 藏南區青稞籽實基本營養品質藏南區青稞營養品質含量變化較大，粗蛋白含量平均為8.73%，其中，桑日縣最高，隆子縣最低；植酸含量平均為8.03 g·kg-1，其中扎囊縣和曲水縣最高，其中朗縣最低；淀粉含量平均為61.38%，其中隆子縣最高，達孜區最低；β-葡聚糖含量平均為5.28%，其中曲水縣最高，隆子縣最低；膳食纖維含量平均為16.86%，其中瓊潔縣最高，墨竹工卡縣最低；脂肪含量平均為2.19%，其中達孜區最高，桑日縣最低；全碳含量平均為42.94%，其中扎囊縣最高，林周縣最低（表2，圖5）。

圖5 藏南區青稞籽實基本營養品質Fig.5 Quality of hulless barley seeds in South Tibet

2.3.3 柴達木區和昌都區青稞籽實基本營養品質柴達木區和昌都區青稞營養品質含量變化明顯，柴達木區青稞粗蛋白含量平均為10.77%，其中，德令哈市最高，烏蘭縣和都蘭縣較低；植酸含量平均為8.44 g·kg-1，其中都蘭縣最高，德令哈市和烏蘭縣較低；淀粉含量平均為62.15%，其中烏蘭縣最高，德令哈市和都蘭縣較低；β-葡聚糖含量在3個縣市變化不大，平均為5.77%；膳食纖維含量平均為17.20%，其中烏蘭縣和都蘭縣較高，德令哈市較低；脂肪含量平均為2.16%，其中烏蘭縣和都蘭縣較高，德令哈市較低；全碳含量平均為43.98%，其中德令哈市和都蘭縣較高，烏蘭縣較低。

昌都區青稞粗蛋白含量平均為9.78%，其中芒康縣最高，索縣榮布鎮最低；植酸含量平均為8.12 g·kg-1，其中索縣亞拉鎮最高，察雅縣最低；淀粉含量平均為60.38%，其中江達縣最高，玉樹市最低；β-葡聚糖含量平均為4.56%，其中八宿縣巴宿最高，類烏齊縣最低；膳食纖維含量平均為15.48%，其中八宿縣巴宿最高，昌都市最低；脂肪含量平均為2.18%，其中芒康縣最高，玉樹市最低；全碳含量平均為42.90%，其中玉樹市最高，類烏齊縣最低（表2，圖6）。

圖6 柴達木區和昌都區青稞籽實基本營養品質Fig.6 Quality of hulless barley seeds in Qaidam and Changdu areas

2.3.4 祁連-青海湖區青稞籽實基本營養品質祁連-青海湖區青稞粗蛋白含量平均為10.13%，其中貴南縣最高，化隆縣最低；植酸含量平均為8.44 g·kg-1，其中同德縣最高，貴德縣最低；淀粉含量平均為63.47%，其中尖扎縣最高，貴南縣最低；β-葡聚糖含量平均為4.92%，其中貴南縣最高，互助縣、斑瑪縣和同德縣最低；膳食纖維含量平均為16.80%，其中海晏縣最高，同德縣最低；脂肪含量平均為2.05%，其中貴德縣最高，海晏縣最低；全碳含量平均為43.50%，其中祁連縣最高，同德縣最低（表2，圖7）。

圖7 祁連-青海湖區青稞籽實基本營養品質Fig.7 Quality of hulless barley seeds in Qilian-Qinghai Lake areas

2.4 氣候區青稞籽實營養品質變化特征

對青稞籽實粗蛋白含量數據進行對數處理后，高原氣候區的5個二級氣候區青稞籽實營養品質差異性分析如圖8所示，粗蛋白含量在柴達木區和祁連-青海湖區顯著高于藏南區（P<0.05）；β-葡聚糖含量在柴達木區和祁連-青海湖區顯著高于波密-川西區、藏南區和昌都區（P<0.05）；膳食纖維含量在藏南區和祁連-青海湖區顯著高于昌都區（P<0.05）；淀粉含量在波密-川西區顯著高于昌都區和藏南區（P<0.05），在祁連-青海湖區顯著高于昌都區（P<0.05）。綜上所述，青稞籽實營養品質在行政氣候區存在不同程度的差異。

圖8 不同行政氣候區青稞品質差異性分析Fig.8 Hulless barley quality in different administrative climatic zones

2.5 青稞籽實營養品質主成分分析及綜合評價

結合標準化后的因子載荷矩陣，對64個不同縣(市)青稞籽實的7個營養品質指標進行方差極大旋轉的主成分分析，結果（表3）顯示，主成分對變量的方差解釋度為61%~90%，4個主成分特征值均大于1，方差累計貢獻率達到74%，對青稞營養品質絕大部分原始信息進行了解釋。第1主成分的方差貢獻率為22%，其中β-葡聚糖、膳食纖維和全碳含量具有較大的載荷，與主成分都呈正相關。第2主成分的方差貢獻率為20%，其中粗蛋白和淀粉含量具有較大的載荷，主成分與粗蛋白含量呈正相關，與淀粉含量呈負相關。第3主成分的方差貢獻率為16%，其中植酸含量具有較大的載荷，主成分與植酸含量呈正相關。第4主成分的方差貢獻率為15%，其中脂肪含量具有較大的載荷，主成分與脂肪含量呈正相關。

表3 青稞籽實營養品質指標主成分分析Table 3 Principal component analysis of hulless barley quality indices

根據累計貢獻率提取的4個主成分的方差貢獻率和相對應的得分值，建立評價青稞營養品質的數學模型（式3），得到不同行政氣候區青稞籽實營養品質的綜合分數。5個行政氣候區青稞籽實營養品質綜合得分存在明顯差別，其中綜合得分最高的是柴達木區，最低的是波密-川西區（表4）。

表4 不同氣候區青稞營養品質綜合評價結果Table 4 Comprehensive evaluation of hulless barley quality in different climatic regions zones

式中，F1、F2、F3和F4分別為4個主成分的得分。

3 討論

青稞種植區集中在青藏高原，近幾十年來，研究者在青稞品種改良和推廣方面開展了很多工作，目前各地種植的品種都是當地表現最好的品種，本研究中波密-川西區青稞品種以甘青6號和藏青2000為主，藏南區以藏青2000為主，柴達木區以柴青1號為主，昌都區以藏青2000為主，祁連-青海湖區以昆侖15號為主。因而，各地青稞的品質差異主要取決于當地的氣象和管理條件。本研究通過大范圍的空間調查，收集青藏高原青稞種植區64個縣（市）的青稞籽實，測定其7個營養品質參數，對氣候變化背景下不同氣候區青稞品質的變化特征進行研究。不同氣候區之間氣象因子差異顯著，波密-川西區、藏南區、昌都區和祁連-青海湖區的降水都顯著高于柴達木區；祁連-青海湖區和柴達木區的日照時數均顯著高于波密-川西區、藏南區、昌都區。

波密-川西區青稞品種以甘青6號和藏青2000為主，甘青6號和藏青2000的營養品質在波密-川西區差異不顯著。但不同行政氣候區青稞的營養品質變化明顯，粗蛋白含量平均為8.73%~10.77%，低于燕麥和小麥，但高于其他谷類作物，這與洛桑旦達等[26]的結果基本一致。粗蛋白含量在柴達木區顯著高于藏南區，基于兩區之間氣候差異，說明日照時數越長、降水量越少的地區越有利于柴青1號籽實中粗蛋白的積累。月平均氣溫和日照時數互相作用對青稞蛋白質含量積累存在顯著影響，與馮西博[27]的研究結果一致。靳正忠等[28]也發現，在大麥抽穗-成熟期，日平均溫度中等偏高、日相對濕度中等偏低、氣溫日較差大有利于籽粒蛋白質積累，其中最關鍵的氣象因子是氣溫日較差。淀粉含量平均在60.38%~64.43%，與楊智敏等[29]測定的青稞總淀粉含量基本一致。淀粉含量在波密-川西區顯著高于昌都區，基于氣候區之間的氣候差異，說明降水越多、日照時數越短和平均溫度較高的地區越有利于甘青6號和藏青2000籽實淀粉的積累。與王建林等[30]研究結果相反，日照時數、積溫、月平均溫度是影響青稞淀粉積累的關鍵因子，日照時數越長、積溫越高，淀粉積累量越多，這可能與青稞種植土壤肥力有關。相關研究表明，水和溫度等環境因素的影響以及播種量和品種選擇等措施對大麥質量的影響大于施氮量[31]，氮肥、磷肥配合施用后青稞籽粒β-葡聚糖和蛋白質含量增加，而淀粉和粗脂肪含量降低[32]。膳食纖維含量平均值在15.48%~17.20%，柴達木區和祁連-青海湖區膳食纖維含量顯著高于昌都區，說明日照時數較長、降水較少和平均溫度較高的地區有利于柴青1號和昆侖15號青稞籽實膳食纖維積累。β-葡聚糖含量平均值在4.56%~5.77%，與張唐偉等[33]測定的β-葡聚糖含量基本一致，但與白婷等[25]測定的結果有一定差別。β-葡聚糖含量在柴達木區和祁連-青海湖區都顯著高于波密-川西區、藏南區和昌都區，說明日照時數較長、降水較少、平均溫度較高的地區有利于柴青1號和昆侖15號青稞籽實β-葡聚糖的積累，這與Sheng等[34]研究結果一致。Moza等[35]研究發現，高海拔品種的總β-葡聚糖含量比平原高7.5%~30.8%，其中氣候區之間青稞籽實的脂肪、植酸和全碳含量變化不大，說明氣候條件對青稞籽實脂肪、植酸和全碳的影響較小。

5個行政氣候區青稞籽實營養品質存在明顯差異，綜合得分在柴達木區最高，在波密-川西區最低，即青稞籽實綜合營養品質在不同氣候區存在明顯差異。相比其他區，柴達木區的青稞柴青1號綜合營養品質最高，波密-川西區的青稞甘青6號和藏青2000綜合營養品質最低。但單個營養品質指標在不同行政氣候區表現不同，其中在波密-川西區甘青6號和藏青2000的淀粉含量最高，在柴達木區昆侖15號的膳食纖維和β-葡聚糖含量高于其他區，在昌都區藏青2000的β-葡聚糖、膳食纖維和淀粉含量都最低。