基于氣候和青稞產量形成關鍵指標的青藏高原生態區劃分析

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, 青海西寧 810016;2.青海省農林科學院,青海西寧 810016;3.青海省青稞遺傳育種重點實驗室/國家麥類改良中心青海青稞分中心/青藏高原種質資源研究與利用實驗室,青海西寧 810016)

青稞(HordeumvulgareL. var.nudumHook. f.)是青藏高原地區主要糧食作物,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,青稞具有較高的營養價值,其營養成分結構符合現代人健康飲食的理念[2],因而近年來青稞作為原料被廣泛應用到食品深加工、制藥、釀酒等領域,促進了青稞產業的快速發展[3],形成了青稞“高產糧用,精深加工”的多元化發展新業態[4]。在這種青稞產業的新形勢下,為了能滿足市場需求和充分發揮品種潛力,更加科學合理的青稞區劃就顯得非常重要。

作物對生態環境的適應性決定其生長狀況,適宜的生態環境有利于實現作物生產性能最大化[5]。通過對不同地區獨特環境條件和主栽作物生態適應性進行及時有效的綜合評價,可以有針對性地進行生態區劃和品種布局,從而提高作物生態適應性要求與環境條件的吻合度[6],促進農業種植、加工及其他產業合理發展[7]。青稞雖然是青藏高原地區的特色作物,但其分布廣泛,種植區域包括青海、西藏全省以及四川、甘肅和云南的高海拔地區[8]。目前,大麥[9]、小麥[10]和玉米[11]等作物的生態區劃已有深入研究,但對于青稞生態區劃的報道極少。另外,傳統的生態區劃僅根據不同地區氣候差異進行,而缺乏對作物本身生長情況的考慮,這種方法并不能準確反映作物對于該地區的適應性情況[12-13],難以滿足當前青稞產業多元化發展的要求。本研究以青藏高原主推的15個青稞品種作為試驗材料,連續兩年種植于9個具有代表性的生態區,測定了8個青稞主要農藝性狀和8個氣象因素數據,通過相關性分析,篩選出與青稞產量相關的農藝和氣候指標,利用聚類分析和隸屬函數分析,建立青稞產量綜合評價體系,篩選出綜合表現優異的青稞品種及生態區,以期為青稞種植區域劃分和品種育種提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料選擇

試驗選用青藏高原地區主推青稞品種15個,各品種來源及特點詳見表1。

表1 15個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 試驗設計與測定方法

試驗材料連續兩年種植于青藏高原9個有代表性的地區,分別位于西藏的昌都市,青海的海北州門源縣、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。各地區試驗均采用隨機區組設計,3次重復,小區面積10 m2。行距20 cm,小區間空1行,重復間留走道0.5 m。播種后記錄參試品種的生育期,在成熟期每小區選擇長勢均勻的1 m2樣方進行考種,測定其農藝性狀,對小區實際產量進行測定,在此基礎上計算單位面積產量。氣象數據為當地氣象站兩年監測結果,均選取青稞全生育期(4-9月)氣象數據進行分析。

1.3 數據處理

使用Excel 2016對原始數據進行匯總并進行隸屬函數計算,使用SPSS 23.0進行數據標準化處理、相關性分析和聚類分析,使用DPS 7.05進行單因素方差分析。隸屬函數值參考何子華等[14]計算方法。

2 結果與分析

2.1 參試地區青稞生育期氣象條件和青稞農藝性狀表現及其相關性

統計分析(表2)表明,在青稞生育期內,參試地區積溫平均為2 106.15 ℃,變異系數為13.20%,積溫最高的地區為昌都,最低的為門源;日照時數平均為1 091.46 h,變異系數為10.47%,最高的地區為德令哈,最低的為臨潭;降水量平均為13 794.88 mm,變異系數為17.90%,最高的地區為卓尼,最低的為共和;濕度平均為62.42%,變異系數為15.15%,最高的地區為臨潭,最低的為德令哈;海拔平均為3 037 m(2 261～3 398 m),變異系數為10.64%,最高的地區為昌都,最低的為西寧;月均最高溫度平均為24.6 ℃,變異系數為6.24%,最高的地區為昌都,最低的為門源;月均最低溫度平均0.68 ℃,變異系數為37.67%,最高的地區為西寧,最低的為貴南;月均溫差平均為23.9 ℃,變異系數為3.95%,最高的地區為貴南,最低的為臨潭。在9個參試地區中,月均最低溫度變異系數最大,月均溫差變異系數最小。

表2 9個地區主要氣象數據統計Table 2 Main meteorological statistics of the nine regions

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

表3 9個地區農藝性狀及產量數據統計Table 3 Statistics of agronomic traits and yield in the nine regions

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

表4 青稞農藝性狀相關性分析Table 4 Correlation analysis of hulless barley agronomic traits

表5 青稞產量及氣象條件的相關性Table 5 Correlation analysis of meteorological conditions and hulless barley yield

表6 所選指標及青稞產量在地區間的差異Table 6 Difference of the selected indices and hulless barley yield among the nine regions

2.2 青稞地區產量因素的聚類分析

所篩選的4個指標(生育期、千粒重、最低溫度和溫差)在地區間的變異系數分別為6.95%、7.33%、37.67%和3.95%,產量變異系數為39.44%。經方差分析,地區間青稞產量及所選指標均存在顯著差異。由此可見,這些指標在地區間的變異不一致,因而有必要對9個參試地區進行綜合分析。

從各地區的平均隸屬函數值看,9個地區中貴南排名第一,而臨潭排名最后(表7)。通過進一步的聚類分析,在平方歐式距離為5.0時,可將參試地區劃分為4類。其中,門源、貴南被劃為第一生態區,該區域屬高寒旱作青稞生態區,產量最高,氣候條件最好;德令哈被劃為第二生態區,該區域屬柴達木盆地灌溉青稞生態區,產量較高,氣候條件次之;西寧、合作、共和被劃為第三生態區,該區域屬河谷非飽灌青稞生態區,產量和氣候條件一般;昌都、臨潭、卓尼被劃為第四生態區,該區域屬農林混合山地青稞生態區,產量和氣候條件較差(圖1)。

圖1 9個地區聚類及生態區劃分Fig.1 Dendrogram of the nine regions

表7 9個地區產量相關指標隸屬函數值Table 7 Membership function values of yield related indices in the nine regions

2.3 不同生態區青稞優勢品種分析

各青稞參試品種的產量在不同生態區的表現不同(表8)。在高寒旱作青稞生態區排名前兩位的品種為藏青23和甘青9號,在柴達木盆地灌溉青稞生態區為昆侖15號和甘青9號,在河谷非飽灌青稞生態區為昆侖16號和甘青8號,在農林混合山地青稞生態區為甘青8號和甘青9號。這些品種可作為相應地區優勢品種加以推廣種植。

表8 各生態區15個品種的產量差異Table 8 Yield difference among the 15 cultivars in each ecological area kg·plot-1

3 討論

本研究中,在8個農藝性狀中,青稞千粒重、生育期與產量分別呈極顯著和顯著正相關,與前人研究結果有所不同。顏昌蘭[15]認為,青稞生育期與株高、穗粒數呈正相關[15];劉國一等[16]對西藏隆子黑青稞的分析發現,穗粒數與產量呈正相關。這些研究結果的差異可能與所選試驗材料不同有關。通過相關分析,本研究將與青稞產量顯著相關的平均生育期、千粒重、平均最低溫度和溫差作為青稞產量的主要影響因素。低溫脅迫是影響作物產量的一個重要因素[17]。青稞整個生育期中平均最低溫度與青稞產量呈顯著負相關,說明在一定的范圍內溫度的降低有利于青稞產量的提高,但極端低溫仍然會影響青稞的正常生長,不利于其完成生活史[18]。索朗曲珍[19]研究發現,晝夜溫差大對青稞生長有利,這與本研究結果相一致。本研究中,在參試的9個地區中,隨溫差的增大,青稞產量呈上升趨勢。萬運帆等[20]研究表明,溫度和降水量是影響青稞產量的重要因素,溫度的增加尤其是最低溫的增加有利于青稞產量的增加,這與本試驗的結果相似。但侯亞紅等[21]提出,降水量對于青稞產量的影響以溫度升高為前提條件,溫度的增加會導致土壤蒸發量增大,會給青稞造成水分脅迫,而降水量的增加有利于降低這種風險。氣候條件之間的相互關系非常復雜,青稞產量形成是多種氣候條件共同作用的結果。

本研究對所選指標進行統計學分析發現,4個指標在9個參試地區均存在差異。經進一步的聚類分析,將9個參試地區劃分為4類,第Ⅰ類包括2個地區,第Ⅱ類包含1個地區,第Ⅲ類包含3個地區,第Ⅳ類包含3個地區。從隸屬函數值排名看,綜合排名前兩名的地區為貴南、門源。貴南縣位于青藏高原東北部,在氣候分類上屬于高原大陸性氣候,平均溫差較大,日照時間較長,非常適宜青稞的生長[22];門源縣位于青海海北州,海北州具有太陽輻射強、溫差大、雨量充足等特點[23],也十分有利于青稞的生長。