7份红萍种质资源生态化学计量特征比较及饲用价值评价

李忠义，蒋云伟，应朝阳，曹卫东，周国朋，黄丽秀，韦彩会，唐红琴，董文斌，蒙炎成，何铁光*

(1.广西农业科学院农业资源与环境研究所，广西 南宁 530007；2.桂林市农业科学研究中心，广西 桂林 541006；3.福建省农业科学院农业生态研究所，福建 福州 350013；4.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

【研究意义】红萍(Azolla)又名满江红，为水生蕨类植物与固氮蓝细菌(蓝藻)的共生体，是我国南方传统的稻田绿肥和禽畜鱼饲饵料，在稻—萍、稻—萍—鱼和稻—萍—鸭等农业生态模式中发挥着重要作用[1-2]。生态化学计量学是利用生态过程中多重化学元素的平衡关系探究元素比例对有机体和生态系统影响程度的有效工具[3-4]，可用于指导农田土壤培肥[5]。隶属函数分析法可客观、准确地评价植物的饲用价值[6]。因此，借助生态化学计量学分析红萍的碳(C)、氮(N)、磷(P)和钾(K)等主要养分含量，并结合隶属函数分析法对其饲用价值进行综合评价，对红萍的养分管理和生产利用具有重要意义。【前人研究进展】目前，生态化学计量学主要结合生物学科不同层次的理论集中研究C、N和P等元素的特征[7-8]。郑向丽等[9]研究网室土壤水培养条件下不同红萍C、N和P的季节变化情况，明确了红萍的C/N、C/P和N/P随温度变化呈先降低再升高的变化趋势。余涛等[10]研究网室土壤水培养和温室营养液培养条件下不同红萍的C、N和P生态化学计量特征，明确了红萍的生长主要受N元素限制。红萍是一种富钾绿肥[11]，K元素作为作物营养的三要素之一，在细胞渗透势调控、气孔调节、同化物的合成与运输及植物抗性的提高等方面发挥着重要作用[12]，将其与C、N和P元素的生态化学计量特征一起分析，有利于全面揭示红萍养分的生态化学计量特征和肥用价值。红萍作为饲饵料在稻—鱼和稻—鸭生态系统中不仅参与养分循环，更为鱼和鸭提供清洁食源[13-14]。黄毅斌等[15]开展细绿萍(AzollafiliculoidesLam)、卡洲萍(A.carolinianaWilld)、羽叶萍(A.pinnataR. Brown)和小叶萍(A.microphyllaKaulfus)养鱼的适口性试验，发现7～10月的羽叶萍较适合作为草鱼饵料。林忠华等[16]研究显示，回交萍(BackcrossedAzolla. MH)作为鱼饲料，产投比为2.0～2.1。【本研究切入点】迄今，针对不同红萍种质资源饲用价值进行综合评价的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】模拟自然环境，筛选适宜露天土壤水培养条件的红萍资源，明确其生态化学计量特征，并通过隶属函数法综合评价其饲用价值，为红萍资源在稻—萍—鱼/鸭农业生态模式中推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试7份红萍种质资源分别为细绿萍、卡州萍、覆瓦状萍[A.imbricate(Roxb.) Nakais]、羽叶萍、杂交萍(HybridAzolla)、回交萍2(BackcrossedAzolla. MH2)和回交萍3(BackcrossedAzolla. MH3)，均由广西农业科学院农业资源与环境研究所于2017年从国家红萍种质圃(福州)引进，并在广西桂林进行适应性养殖。

1.2 试验方法

试验于2019年7月在桂林市农业科学研究中心试验田进行露天土壤水培养，水深约10 cm，采用随机区组设计，每小区面积8 m2，每个品种3次重复，即3个区组21个处理小区。每小区放养鲜萍2.00 kg，每次放萍后每小区施过磷酸钙20.0 g和氯化钾4.0 g，每15 d测产1次，共测产4次，在第2次测产时取样分析养分指标和营养指标。

1.3 测定指标及方法

红萍取样后用纯净水冲洗干净，再用吸水纸吸干，测定其鲜生物量。样品带回实验室，105 ℃杀青30 min后70 ℃烘干至恒重过筛，储于真空干燥器中备用。样品有机C含量采用重铬酸钾—外加热法测定，全N含量采用凯氏定氮法测定，全P含量采用硝酸—高氯酸消煮—钼锑抗分光光度法测定，全K含量采用火焰光度计测定[17]，粗蛋白(CP)含量采用GB/T 6432—2018《饲料中粗蛋白的测定 凯氏定氮法》进行测定，粗脂肪(EE)含量采用GB/T 6433—2006《饲料中粗脂肪的测定》中的索氏提取法进行测定，粗灰分(Ash)含量采用GB/T 6438—2007《饲料中粗灰分的测定》中的灰化法进行测定，中性洗涤纤维(NDF)含量采用GB/T 20806—2006《饲料中中性洗涤纤维(NDF)的测定》中的方法进行测定，酸性洗涤纤维(ADF)含量采用NY/T 1459—2007《饲料中酸性洗涤纤维的测定》中的方法进行测定。

表1 有机肥料品质三要素分级标准

表2 有机肥料品质总分分级标准

红萍生物量积累用繁殖系数K表示[18]，K=(W1-W0)/t，其中，W1为测产时的红萍重量，W0为初始红萍重量，t为培养天数。饲用价值应用模糊数学中的隶属函数值R(Xi)法，对粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维等5个指标进行综合评价[19-20]。如果指标间呈正相关，则用R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)计算隶属函数值，如果指标间呈负相关，则用R(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)计算隶属函数值。式中，R(Xi)为隶属函数值，Xi为指标测定值，Xmin为同组处理的最小值，Xmax为同组处理的最大值。

根据全国有机肥料品质N、P、K三要素分级标准[21](表1)和全国有机肥料品质总分分级标准[21](表2)，对7份红萍种质资源进行有机肥分级评价。

1.4 统计分析

试验数据采用Excel 2007进行整理，以DPS 9.05进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 红萍种质资源的生长特性

由表3可知，在露天土壤水培养15 d时，7份红萍种质资源的鲜生物量为1.18～1.69 kg/m2，平均为1.34 kg/m2，其中覆瓦状萍的鲜生物量最高，且显著高于细绿萍、卡州萍、羽叶萍、杂交萍、回交萍2和回交萍3(P<0.05，下同)；卡州萍的鲜生物量最低，但与细绿萍、羽叶萍、杂交萍、回交萍2和回交萍3无显著差异(P>0.05，下同)。培养15 d时，7份红萍种质资源的繁殖系数为0.49～0.77 kg/(d·小区)，平均为0.58 kg/(d·小区)，其中覆瓦状萍的繁殖系数最高，且显著高于细绿萍、卡州萍、羽叶萍、杂交萍、回交萍2和回交萍3；卡州萍的繁殖系数最低，但与细绿萍、羽叶萍、杂交萍、回交萍2和回交萍3无显著差异。说明覆瓦状萍在广西桂林越夏生长的适应性最佳，其他红萍种质资源的适应性排序为回交萍3>细绿萍>杂交萍>回交萍2>羽叶萍>卡州萍。

2.2 红萍种质资源的生态化学计量特征

2.2.1 C、N、P和K含量比较 由表4可知，7份红萍种质资源的C含量变幅为46.87 %～63.00 %，平均为58.53 %，其中覆瓦状萍的C含量最低，且显著低于细绿萍、卡州萍、羽叶萍、杂交萍、回交萍2和回交萍3，细绿萍的C含量最高，但与卡州萍、羽叶萍、杂交萍、回交萍2和回交萍3无显著差异；N含量变幅为2.56 %～3.55 %，平均为3.21 %，其中羽叶萍的N含量最低，卡州萍的N含量最高，二者间差异显著，细绿萍、覆瓦状萍、杂交萍、回交萍2和回交萍3间及其与羽叶萍和卡州萍间的N含量无显著差异；P含量变幅为0.62 %～0.85 %，平均为0.71 %，其中细绿萍的P含量最低，卡州萍的P含量最高，二者差异显著，覆瓦状萍、羽叶萍、杂交萍、回交萍2和回交萍3间及其与细绿萍和卡州萍间的P含量无显著差异；K含量变幅为2.49 %～3.85 %，平均为2.77 %，其中卡州萍的K含量最高，且显著高于细绿萍、覆瓦状萍、羽叶萍、杂交萍、回交萍2和回交萍3，细绿萍、覆瓦状萍、羽叶萍、杂交萍、回交萍2和回交萍3间的K含量无显著差异。根据全国有机肥料品质N、P和K三要素分级标准和全国有机肥料品质总分分级标准，本研究中细绿萍、卡州萍、覆瓦状萍、杂交萍、回交萍2和回交萍3的N、P和K三要素总分为68分，达一级有机肥标准，羽叶萍的N、P和K三要素总分为60分，达二级有机肥标准。说明7份红萍种质资源作为绿肥应用均具有较高的潜在价值。

表3 红萍种质资源的生长特性

表4 红萍种质资源的C、N、P、K含量和有机肥品质分级评价

2.2.2 C、N、P和K的生态化学计量特征比较 由表5可知，7份红萍种质资源的C/N变幅为14.93～23.61，平均为18.67，其中羽叶萍的C/N最高，覆瓦状萍的C/N值最低，二者间差异显著；C/P变幅为68.03～104.36，平均为83.57，其中细绿萍的C/P最高，覆瓦状萍的C/P最低，二者间差异显著；C/K变幅为15.52～25.44，平均为21.83，其中细绿萍和杂交萍的C/K较高，二者间无显著差异，但均显著高于卡州萍和覆瓦状萍，而卡州萍的C/K最低，且显著低于除覆瓦状萍外的其他5份种质资源；N/P变幅为3.80～5.46，平均为4.55，其中细绿萍的N/P最高，羽叶萍的N/P最低，二者差异显著；N/K变幅为0.95～1.68，平均为1.24，其中细绿萍的N/K最高，卡州萍的N/K最低，二者差异显著；K/P变幅为3.49～4.64，7份种质资源间无显著差异。可见，红萍对N、P和K元素的利用效率随品种不同呈多样性变化，其中，细绿萍的C/P、N/P和N/K较高，卡州萍的C/N、C/P 和C/K较低。

本研究中红萍的N/P变幅为3.80～5.46，远低于14.00，K/P的变幅为3.49～4.64，大于3.40，参考吴家森等[22]、Koerselman和Meuleman[23]、Olde等[24]的研究结果推断，N是红萍生长的限制因子，而红萍作为富钾绿肥，其生长受钾的影响较小。

表5 红萍种质资源的C、N、P和K生态化学计量特征比较

表6 红萍种质资源的营养物质含量比较

2.3 红萍种质资源的营养品质对比及饲用价值综合评价

2.3.1 营养品质 由表6可知，7份红萍种质资源的粗蛋白含量为15.52 %～25.39 %，平均为21.55 %，其中羽叶萍的粗蛋白含量最低，卡州萍的粗蛋白含量最高，二者间差异显著；粗脂肪含量为2.37 %～3.40 %，平均为2.80 %，其中覆瓦状萍的粗脂肪含量最低，杂交萍的粗脂肪含量最高，二者间差异显著；粗灰分含量为11.70 %～16.97 %，平均为14.22 %，其中细绿萍的粗灰分含量最低，羽叶萍的粗灰分含量最高，二者间差异显著；酸性洗涤纤维含量为38.53 %～49.47 %，平均为42.35 %，其中细绿萍的酸性洗涤纤维含量最低，羽叶萍的酸性洗涤纤维含量最高，二者间差异显著；中性洗涤纤维含量为49.67 %～54.63 %，平均为51.66 %，其中卡州萍的中性洗涤纤维含量最低，回交萍2的中性洗涤纤维含量最高，二者间差异显著。说明不同红萍种质资源营养物质含量有所不同，其中羽叶萍的粗蛋白含量和粗脂肪含量较低，粗灰分含量和酸性洗涤纤含量较高。

2.3.2 饲用价值的综合评价 选择粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量等5个指标，采用隶属函数法进行饲用价值分析评价。其中粗蛋白和粗脂肪含量与红萍种质资源品质呈正相关，可采用隶属函数计算公式计算其函数值，而粗灰分、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量与红萍种质资源品质呈负相关，需采用反隶属函数计算公式计算其函数值。由表7可知，杂交萍的平均隶属函数值最高，卡州萍和细绿萍的平均隶属函数值较高，其后依次为回交萍3、回交萍2、覆瓦状萍和羽叶萍，即7份红萍种质资源的饲用价值排序为杂交萍>卡州萍>细绿萍>回交萍3>回交萍2>覆瓦状萍>羽叶萍。说明杂交萍的饲用价值最高，卡州萍和细绿萍的饲用价值较高，适宜在桂北地区稻—萍—鱼/鸭农业生态模式中推广应用；而羽叶萍的饲用价值最低，不宜在桂北地区稻—萍—鱼/鸭农业生态模式中推广应用。

表7 红萍种质资源各营养指标的隶属函数值及综合评价结果

3 讨 论

生物量作为衡量植物生产力的重要指标，能较好地反映红萍的生长适应性。余涛等[10]研究表明，在8份红萍种质资源中，杂交萍在网室土壤水培养环境下培养其生物量最高，羽叶萍的生物量最低；卡州萍在温室营养液环境下培养其生物量最高，覆瓦状萍的生物量最低。万合锋等[25]研究认为，温度和光照是影响红萍生长的重要因素。本研究结果与上述研究结果存在差异，覆瓦状萍在露天土壤水培养环境下培养其鲜生物量和繁殖系数最高，表明覆瓦状萍在广西桂林越夏的适应性强，进一步说明不同红萍种质资源在不同环境条件生长状况存在差异。

C是有机体的重要组成部分，N、P和K是植物生长不可或缺的大量营养元素。本研究中，7份红萍种质资源的C含量变幅为46.87 %～63.00 %，N含量变幅为2.56 %～3.55 %，P含量变幅为0.62 %～0.85 %，K含量变幅为2.49 %～3.85 %，其中，C含量高于我国东部水生植物C含量的平均值(33.70 %)[26]，K含量高于我国陆生植物K含量的平均值(1.21 %)[27]，N和P含量均高于我国陆生植物N和P 含量的平均值(1.860 %和0.121 %)[28]，也高于我国湿地植物N和P含量的平均值(1.607 %和0.185 %)[29]，说明红萍含有丰富的营养元素。郇恒福等[30-32]、王松林等[33]、赖杭桂等[34]、马艳芹等[35]开展不同绿肥品种品质评价、等级划分和腐解特性研究，其结果有利于掌握绿肥作物的肥用价值，从而为绿肥品种的合理利用提供参考依据。本研究中，细绿萍、卡州萍、覆瓦状萍、杂交萍、回交萍2和回交萍3的N、P和K三要素总分达一级有机肥标准，羽叶萍的N、P和K三要素总分达二级有机肥标准，说明红萍作为绿肥具有较高的潜在应用价值。

营养元素的化学计量比可体现植物生长策略和环境养分限制[36]。C/N、C/P 和C/K代表植物吸收N、P和K等元素所能同化C的能力，在一定程度上反映了植物的养分利用效率[37]。本研究发现，红萍对N、P和K元素的利用效率随品种不同呈多样性变化，其中，卡州萍的C/N、C/P 和C/K较低，与郑向丽等[9]在网室土壤水培养条件下获得的红萍C/N和C/P相似。本研究中，7份红萍种质资源的N/P均小于14.00，K/P大于3.40，说明N是红萍生长的限制因子，因此，在红萍的养殖管理中，应适当增施氮肥。

利用单一营养成分指标评价种质资源的优劣具有一定的片面性，而隶属函数分析法提供了一条在多指标测定基础上对种质资源特性进行综合评价的途径，使分析结果更客观和准确[38-39]。本研究对7份红萍种质资源5个营养指标进行的隶属函数分析结果表明，杂交萍的营养价值最高，其后依次为卡州萍、细绿萍、回交萍3、回交萍2、覆瓦状萍和羽叶萍，桂北地区的稻—萍—鱼/鸭农业生态模式可参考应用。

4 结 论

在广西桂林地区露天土壤水培养条件下，细绿萍、卡州萍、覆瓦状萍、杂交萍、回交萍2和回交萍3的N、P和K三要素总分达一级有机肥标准，羽叶萍达二级有机肥标准，作为绿肥均具有较高的潜在应用价值；7份红萍种质资源的N/P均较低，说明N是红萍生长的限制因子；覆瓦状萍的鲜生物量和繁殖系数最高，生长适应性最佳，杂交萍的饲用价值最高，这2份种质资源更适宜在桂北地区的稻—萍—鱼/鸭农业生态模式中推广应用。