杂交构树在兰州地区的生长动态及刈割期

郭 琪，李 鑫，杨 晖，巩晓芳，王沛雅，张 军，彭献军

（1. 甘肃省科学院生物研究所 / 甘肃省微生物资源开发利用重点实验室 / “特色微生物与植物资源创新”甘肃省国际科技合作基地，甘肃兰州 730000；2. 中国科学院植物研究所，北京 100093）

构树(Broussonetia papyrifera)又称壳树、褚树、毂树等，属桑科(Moraceae)构树属(Broussonetia)多年生落叶乔木，雌雄异株[1]。在我国分布广泛，应用历史悠久，具有非常好的开发利用前景。目前，它的主要经济价值集中在以下3 个方面[2]：一是利用树叶作为饲料代替粮食作物饲养家畜，“以树代粮”成为缓解饲料原料危机和确保食品安全的新途径；二是开发树皮和枝干作为高档造纸原料；三是采伐植株作为药材。杂交构树是中国科学院植物研究所通过野生构树资源收集，以核心种质为父本，同属灌木植物小构树(B. kazinoki)为母本，通过现代育种技术与常规技术相结合进行种间杂交并通过太空搭载诱变筛选出的具有优良性状的新品种。与野生构树相比具有明显的杂交优势，不仅具有适应性强，耐干旱、耐盐碱、耐瘠薄、抗污染和病虫害等特点，而且具有生长速度快，产量大，营养价值高等优点，据报道[3-5]，杂交构树作蛋白质饲料使用，丰产期每公顷鲜重产量最多可高达150 t，茎叶粗蛋白含量为19.2%，优于紫花苜蓿(Medicago sativa)，钙、磷、锌、铁、锰、铜等微量元素，以及氨基酸和黄酮类等功能活性物质含量丰富，是家畜家禽优质的木本粗饲料来源。

近年，随着中国畜牧业发展及农业结构调整，畜牧业在国民经济中的地位日渐重要，许多地区对饲草料的需求大幅增加，但优质的蛋白饲料原料严重不足，已成为当前亟待解决的关键问题。构树自2015 年被列入我国十项精准扶贫工程之一以来，已在内蒙古、河南、贵州、山东、山西等20 多个省(市)进行了大面积的饲用型杂交构树的推广种植，产业规模逐年增大[6]。目前，对杂交构树栽培利用等方面的研究报道多集中在较低海拔、高降水及湿润地区[7-10]。在西北地区的推广仅限于甘肃天水、陇南等雨水充沛地区，尚未有甘肃兰州及兰州以西种植杂交构树的报道。由于甘肃不同地区气候环境条件存在较大差异，杂交构树在西北半干旱地区的种植适应性与生长发育规律，需要科学试验验证。因此，本研究在甘肃兰州地区引进种植杂交构树，初步揭示杂交构树兰州地区的生长量及营养的动态变化，并研究刈割期对杂交构树年生长量、营养价值的影响，以丰富杂交构树刈割利用技术的基本理论，为兰州地区及西北相似地区杂交构树的栽培提供理论指导，使得杂交构树在适应兰州地区特定生态气候条件下，获得最大的饲用价值和经济效益，同时杂交构树在西北半干旱区的适应性种植，可为扩大杂交构树的种植范围及补充半干旱地区非常规粗蛋白饲料来源奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究在甘肃省科学院生物研究所中试试验基地试验田进行。试验样地位于兰州市榆中县和平镇(36°00′ N，103°57′ E)，地处中国黄土高原地区，海拔1 700 m，土壤类型为灰钙土。属欧亚大陆东部温带季风气候。年降水量350 mm，年平均气温7.9 ℃，最高气温35 ℃，最低气温 -24.7 ℃，无霜期154～160 d。试验地设两个不同土壤肥力区，高肥力区前茬作物为茄科蔬菜，于2017 年10 月施甘肃绿能农业科技股份有限公司提供的生物有机肥[技术指标：有机质 ≥ 40%，有效活菌数(cfu) ≥2×107个·g-1] 0.3～0.45 kg·m-2。0-20 cm土层土壤养分含量：有机质13.78 g·kg-1，全氮0.356 g·kg-1，硝态氮28.80 mg·kg-1，有效磷1.02 mg·kg-1，有效钾29.85 mg·kg-1，pH 8.2。低肥力区为深翻生地，0 -20 cm 土层土壤养分含量：有机质12.27 g·kg-1，全氮0.356 g·kg-1，硝态氮18.75 mg·kg-1，有效磷0.7 mg·kg-1，有效钾20.15 mg·kg-1，pH 为8.2。

1.2 供试材料

供试材料为中国科学院植物研究所北方资源植物重点实验室选育的杂交构树新品种华构1 号，种苗购于甘肃天水市陇新农业科技有限公司，苗木规格：9 个月龄的组培苗，地径 ≥ 0.8 cm。

1.3 试验设计

试验材料于2018 年3 月20 日种植，株行距为40 cm × 100 cm，种植密度2.5 株·m-2，两个不同肥力区各选取150 株作为研究对象。采用随机区组试验，将150 株杂交构树按行分成5 个试验小区(每个试验小区3 行计30 株，每个重复计1 行10 株，共3 次重复)，分别按照发芽后1 个月(5 月20 日)、2 个 月(6 月20 日)、3 个 月(7 月20 日)、4 个月(8 月20 日)和5 个月(9 月20 日)进行第1 次刈割。5-7 月份开展第1 次刈割的间隔2 个月(8 月20 日)进行第2 次刈割，8 月份开展第1 次刈割的间隔1 个月(9 月20 日)进行第2 次刈割(第1次刈割时间在9 月的不进行第2 次刈割)，每次刈割前测量株高，刈割留茬10 cm，刈割后称量每株鲜重，按密度换算成产量。植株置于自然通风处阴干后粉碎，叶片与嫩枝混匀按四分法取样，进行营养指标测定。第1 次刈割测定指标结果用于杂交构树生长动态分析。第1 次刈割(5月-8 月)与第2 次刈割测定指标结果用于刈割期的分析。试验期间，高肥力区实施正常水肥管理，刈割1 次后追施尿素0.015 kg·m-2，二铵0.022 kg·m-2；低肥力区除种植期灌溉1 次后无灌溉，发芽后每月均进行人工除草。

1.4 营养测定指标与方法

粗蛋白(crude protein, CP)含量采用凯氏定氮法[11]，粗灰分(Ash)含量采用灼烧法[12]，中性洗涤纤维(neutral detergent fiber, NDF)与酸性洗涤纤维(acid detergent fiber, ADF)含量采用范氏洗涤纤维法测定[13]。

1.5 分析方法

应用灰色关联度分析方法对杂交构树生长量和营养成分进行综合评价确定适宜的刈割时期。在刈割期研究中，根据灰色系统理论，将两次刈割时的株高、鲜重产量、CP 含量、Ash 含量、NDF与ADF 含量看成一个灰色系统。选取各测定指标的最佳值构成“标准杂交构树”，本研究选取鲜重产量和CP 含量的最高值，株高和Ash 含量的适中值，NDF 和ADF 含量的最低值，构成“标准杂交构树”，即参考数列X0。以测定指标的实际值构成的数列作为对应的比较数列Xi。由于各指标量纲不同，所以先按式(1)、 (2)、 (3)对鲜重产量和CP 含量、株高和Ash 含量、NDF 和ADF 含量的原始数据进行无量纲化处理。各原始数据经无量纲化处理后，按式(4)、(5)计算参考数列X0与比较数列Xi各对应值的绝对 离 差Δi(k)、关 联系数ɛi(k)。为避免信息过于分散及便于比较，将各个关联系数平均起来，该平均值即为比较数列Xi对参考数列X0的关联度，即为等权关联度ri，按照式(6)计算。参考判断矩阵法按式(7)给各指标赋权重，ωi为权重系数，之后根据式(8)计算加权关联度ri′。关联度越大，则各组参试指标组合越接近参考组合，其综合评价表现越优；关联度越小，表明各组参试指标组合远离参考组合，综合表现越差。

式中：Xi(k)为各指标原始数据，X′i(k)为原始数据无量纲化处理后的结果，maxXi(k)、minXi(k)和Xio(k)分别为第i 个指标的最大值、最小值和适中值。i = (1, 2, 3, 4, 5, 6)，分别代表指标株高、鲜重产量、CP 含量、Ash 含量、NDF 含量与ADF 含量。

式中：ρ 为分辨系数，其取值区间为［0，1］，一般取ρ = 0.5。

式中：n = 4，即4 种刈割试验安排。

式中：n 为所测指标总数，n = 12。

1.6 数据处理与分析

应用SPSS 17.0 软件对所测数据进行统计分析，分别对两块样地不同刈割时期的株高、鲜重产量、CP、Ash、NDF 和ADF 含量进行单因素方差分析，并用Duncan 法对各测定数据进行多重比较。采用Excel 2010 软件运用灰色关联度分析法对以上数据进行综合评价研究杂交构树的刈割期；采用Excel 2010 制图。

2 结果与分析

2.1 杂交构树在兰州地区的生长动态

2.1.1 株高与产量的动态变化

随着杂交构树生长期的延长，两个肥力区杂交构树的株高与产量持续增加，但在不同生长阶段其生长速度不同(图1、图2)，高肥力区生长初期(前2 个生长月)生长速度相对较慢，生长季节中期进入株高与产量的快速生长期(第3 个生长月)，与前两个月相比差异显著(P＜0.05)，之后逐月亦呈显著趋势上升。低肥力区前3 个生长月株高虽呈显著变化，但前3 个月整体偏低，产量也增长的较缓慢，较高肥力区滞后1 个月进入株高与产量的快速生长期，低肥力区无论从株高还是产量与高肥力区相比整体偏低。

2.1.2 营养成分的动态变化

CP 是杂交构树最主要的营养成分，生长期前3 个月高肥力区杂交构树CP 含量逐月升高，在第3 个生长月即进入植株快速生长期时，CP 含量最高，达到19.69%，而后显著下降，在后两个生长月差异无显著变化(P ＞ 0.05)；低肥力区杂交构树CP 含量变化规律与高肥力区大致相同，仅在最后1 个生长月表现为显著上升(P＜0.05) (图3)。从整体来看，低肥力区CP 含量除生长期第5 个月显著高于高肥力区外(P＜0.05)，均与高肥力区无显著差异(P ＞ 0.05)。

图 1 不同刈割时期杂交构树株高的动态变化Figure 1 Dynamic change in yield of hybrid Broussonetia papyrifera at different cutting dates

图 2 不同刈割时期杂交构树产量的动态变化Figure 2 Dynamic change in yield of hybrid Broussonetia papyrifera at different cutting dates

高肥力区和低肥力区Ash 含量的变化随生长期的不同大致呈现逐月下降的趋势(图4)。高肥力区与低肥力区Ash 含量显著下降的转折点不同，高肥力区Ash 含量在第3 个生长月与前两个月和后两个月相比差异显著(P＜0.05)。低肥力区Ash 含量在第2 个生长月呈显著下降(P＜0.05)。

整体来看，两个不同肥力区的NDF、ADF 含量动态变化基本表现了相同的升高趋势(图5、图6)，两个营养指标的含量在最后一个生长月均达到了最高。低肥力区的NDF 在前两个生长月上升较缓慢，在生长期第3 个月呈显著上升(P＜0.05)。低肥力区NDF 与ADF 含量，在第1 个和第3 个生长月(快速生长月)均高于高肥力区(P＜0.05)。

图 3 不同刈割时期杂交构树CP 含量的动态变化Figure 3 Dynamic change in the content of CP of hybrid Broussonetia papyrifera at different cutting dates

图 4 不同刈割时期杂交构树Ash 含量的动态变化Figure 4 Dynamic change in the content of ash of hybrid Broussonetia papyrifera at different cutting dates

图 5 不同刈割时期杂交构树NDF 含量的动态变化Figure 5 Dynamic change in the content of NDF of hybrid Broussonetia papyrifera at different cutting dates

图 6 不同刈割时期杂交构树ADF 含量的动态变化Figure 6 Dynamic change in the content of ADF of hybrid Broussonetia papyrifera at different cutting dates

2.2 综合评价分析

根据公式(6)计算高肥力区各指标的等权关联度为：r1Ⅰ= 0.523 8，r2Ⅰ= 0.643 6，r3Ⅰ= 0.728 7，r4Ⅰ=0.787 8，r5Ⅰ= 0.679 4，r6Ⅰ= 0.729 3，r1Ⅱ= 0.575 6，r2Ⅱ=0.777 6，r3Ⅱ= 0.775 0，r4Ⅱ= 0.926 5，r5Ⅱ= 0.787 0，r6Ⅱ=0.869 5。rⅠ、rⅡ分别代表第1 次刈割与第2 次刈割的等权关联度，下同。本研究采用判断矩阵法，根据公式(7)计算得出各指标对应的权值：ω1Ⅰ=0.059 5，ω2Ⅰ= 0.073 1，ω3Ⅰ= 0.082 8，ω4Ⅰ= 0.089 5，ω5Ⅰ= 0.077 2，ω6Ⅰ= 0.082 9，ω1Ⅱ= 0.065 4，ω2Ⅱ=0.088 4，ω3Ⅱ= 0.088 1，ω4Ⅱ= 0.105 3，ω5Ⅱ= 0.089 4，ω6Ⅱ= 0.098 8。各指标的权重顺序为第2 次刈割Ash ＞第2 次 刈 割ADF ＞ 第1 次 刈 割Ash ＞ 第2 次 刈 割NDF ＞ 第2 次刈割株高 ＞ 第2 次刈割CP ＞ 第1 次刈割ADF ＞ 第1 次刈割CP ＞ 第1 次刈割NDF ＞ 第1 次刈割株高 ＞ 第2 次刈割亩产 ＞ 第1次刈割亩产。根据权重可构建高肥力区刈割期综合评价模型：Y=0.059 5 ɛ1Ⅰ+ 0.073 1 ɛ2Ⅰ+ 0.082 8 ɛ3Ⅰ+ 0.089 5 ɛ4Ⅰ+0.077 2 ɛ5Ⅰ+ 0.082 9 ɛ6Ⅰ+ 0.065 4 ɛ1Ⅱ+ 0.088 4 ɛ2Ⅱ+0.088 1 ɛ3Ⅱ+ 0.105 3 ɛ4Ⅱ+ 0.089 4 ɛ5Ⅱ+ 0.098 8 ɛ6Ⅱ。同理得低肥力区各指标的权重顺序为：第2 次刈割Ash ＞ 第2 次刈割NDF ＞ 第2 次刈割ADF ＞ 第1 次刈割Ash ＞ 第1 次刈割NDF ＞ 第1 次刈割ADF ＞ 第1 次刈割CP ＞ 第2 次刈割株高 ＞ 第2 次刈割CP ＞第2 次刈割亩产 ＞ 第1 次刈割株高 ＞ 第1 次刈割亩产。刈割期综合评价模型：Y = 0.058 7 ɛ1Ⅰ+ 0.065 1 ɛ2Ⅰ+0.081 5 ɛ3Ⅰ+0.096 3 ɛ4Ⅰ+ 0.089 4 ɛ5Ⅰ+ 0.081 9 ɛ6Ⅰ+0.068 9 ɛ1Ⅱ+ 0.075 0 ɛ2Ⅱ+0.074 9 ɛ3Ⅱ+ 0.106 7 ɛ4Ⅱ+0.103 1 ɛ5Ⅱ+ 0.098 5 ɛ6Ⅱ。加权关联度分析结果显示(表1、表2)，高肥力区两次刈割时间先后为6 月20 日与8 月20 日，即第1 次刈割在第2 个生长月，第2 次刈割在第4 个生长月时，关联度最大，表示两次刈割的株高、产量、粗蛋白、粗灰分、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维含量最接近于“标准杂交构树”的最佳参考值，为较适宜刈割期。同理，低肥力区一年较适宜的两次刈割期先后为第2 个生长月和第4 个生长月。高肥力区等权关联度和加权关联度分析所得的结论基本一致。高肥力区与低肥力区的4 种刈割时间安排的关联度排序的相关系数分别为R2= 0.982 和R2= 0.992 (图7)。

表 1 高肥力区两次刈割杂交构树生长量和营养成分各指标的关联系数及关联度Table 1 Correlation coefficient and correlation degree of 12 parameters for two cutting treatments of hybrid Broussonetia papyrifera in the high-fertility area

表 2 低肥力区两次刈割杂交构树生长量和营养成分各指标的关联系数及关联度Table 2 Correlation coefficient and correlation degree of 12 parameters for two cutting treatments of hybrid Broussonetia papyrifera in the low-fertility area

图 7 高肥力区与低肥力区两次刈割处理的加权关联度与等权关联度的相关性Figure 7 Correlation between grey correlative degree and weighted grey correlative degree for the two cutting treatments of the high-fertility and low-fertility areas

3 讨论与结论

一般来说，随着成熟度的提高，饲料作物的粗蛋白和粗灰分含量降低，同时纤维性物质含量增高，容易利用的营养成分含量降低，消化能减少[14]。从本研究结果来看，高肥力区和低肥力区立地条件虽不同，但以上指标的变化趋势基本遵从这一规律。高肥力区与低肥力区杂交构树CP 含量除第5 个月生长月外均无显著差异，说明杂交构树中氮素来源可能与土壤氮素养分无关。另本研究中，考察的是杂交构树茎叶整体粗蛋白的含量，实际刈割收获时，嫩枝与叶片多一同收割，虽杂交构树的粗蛋白主要集中在叶片，但仅考察叶片粗蛋白含量无实际意义。杂交构树在低肥力区的生长初期，大部分能量消耗在抵抗外界不良环境之中，这可能是前3 个生长月期间低肥力区NDF 与ADF含量大致上高于高肥力区的原因。在低肥力区后两个生长月NDF 与ADF 含量大致上低于高肥力区，第5 个生长月CP 含量高于高肥力区，这可能是由于随着生长期的变化高肥力区株高显著高于低肥力区，茎叶质量比大于低肥力区造成的。

从已有的研究看，饲用型杂交构树是一种适应性、抗逆性强，可广泛性种植的特种经济树种。可在年平均气温10 ℃以上，最低气温 -25 ℃以内，年降水量300 mm 以上，土壤含盐量8‰以下的环境中生长[15]。本研究在西北半干旱地区的兰州进行杂交构树的种植，突破了构树生长的适生区[16]，无论是从温度还是降水几乎都达到杂交构树生长条件的极限，从目前的生长状况来看，低肥力无灌溉时，杂交构树能够成活，表现正常生长，但由于土壤肥力和水分的限制，产量较低，在进入快速生长时期以后明显低于高肥力区。在高肥力区，给予正常的水肥管理措施，表现出对立地条件接受度高，7 月可进入快速生长期，能够有一定产量，茎叶粗蛋白含量高，但因处于幼龄期，在产量上尚未表现出明显优势，后续需要进一步的验证与研究。因此可以说明杂交构树在西北半干旱区具有一定适应性，可将其作西北半干旱区非常规饲料来源的补充，但在考虑大面积推广时，应因地制宜完成生长量与生态互补优势的统一，在单位面积内生态能量下获取最大的经济效益。

饲料作物在单位面积内获取最大经济效益的根本目的是在单位面积收获最大的营养物质产量。杂交构树为雌花，败育，自然状态下为根蘖无性繁殖，不能同豆科紫花苜蓿或禾本科多花黑麦草(Lolium multiflorum)等植物根据花期或成熟期来进行最佳刈割期的判断。已有的研究中，罗在柒等[10]等对贵州黔南地区不同生长周期杂交构树的生物量和采收植株的构件特性进行分析发现，平均茎杆直径在0.8 cm 左右，叶茎比大于1.2，能获取较佳的采收构件特征和生物量。该研究中并未考虑营养物质产量，因单位面积生长量和营养成分含量是杂交构树生长中两个发展方向相反的过程，因此研究杂交构树刈割时期必须兼顾二者对其进行综合评价。近年来灰色关联度分析法在评价饲用植物方面的应用较广泛，目前已被推广到最佳刈割期的判断、环境因子与饲草的相关性分析应用上[17-18]。该法能够对多个参评指标做出客观、合理、全面的评价，避免了根据1 项或2 项指标含量最佳而确定结果做出的不准确判断。已有的将灰色关联度分析应用于最佳刈割期的研究时，多考量饲草在全年不同物候期中某一时期为最佳刈割期未考虑再生性[19]，本研究中，杂交构树按全年两次刈割，把第2 次刈割时的株高、产量、粗蛋白、粗灰分、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维看成是另外6 个参评指标，与第1 次刈割时的6 个指标共同构成12 个指标综合评价，确定两次刈割最佳刈割期，从整体来看，灰色关联度分析法能较全面地反映参评指标对刈割期的综合影响，对杂交构树在兰州地区的刈割具有一定的指导意义和应用价值。

高肥力区和低肥力区各指标的权重顺序虽有不同，但从总体来看，第2 次刈割时期的Ash、NDF、ADF 所占权重较其他指标靠前，说明第2 次刈割时期的营养指标对确定最佳刈割期有重要的影响。CP 是反映杂交构树营养价值的重要指标，但根据排序可以看出，CP 因权重值较低排序较后，这与韩汝旦等[20]应用灰色关联度对白羊草(Bothriochloa ischaemum)生产性能的评价中，CP 排序较后的结果一致。本研究通过权重赋值再一次证实高CP 值在评价杂交构树的生产性能时，不能作为唯一标准，应将主要营养成分与产量等农艺性状指标结合起来全面地进行评估。

加权关联度能真实地反映测定指标的实际值与参考数列的差异大小，在本研究中加权关联度排名与等权关度排名结果基本一致，但加权关联度排名比等权关联度排名更加合理准确，因此综合评价排名采用加权关联度排名。高肥力区与低肥力区的水肥管理条件虽不同，但一年中较适宜的两次刈割时间安排均为第2 个生长月和第4 个生长月。

杂交构树在兰州地区的种植适应性是一个逐步的过程，本研究只对当年杂交构树的生长状况及刈割期进行评价，对其在我区越冬情况尚未调查，抗寒性与需要采取的抗寒措施未知，后期选育高产抗旱性品种对在西北半干旱地区发展杂交构树产业及改善生态环境都将具有重大意义和必要性。