甘子鵬，徐海燕*，薛守業(yè)，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(huán)境與市政工程學院，蘭州 730070；2.中國科學院西北生態(tài)環(huán)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(jīng)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(qū)變暖的速度不同，北半球的高緯度和高海拔地區(qū)升溫更快[2]。農(nóng)作物的生長發(fā)育會受到氣候變暖的影響，例如氣候變暖會增加蒸散發(fā)，導致作物生長期出現(xiàn)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(fā)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(chǎn)分配的改變[4]；農(nóng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性[6]，對農(nóng)作物產(chǎn)量起負效應(yīng)[7]。

青藏高原是世界上較大的高原生態(tài)系統(tǒng)，受氣候變暖影響，青藏高原植被在物候、生態(tài)系統(tǒng)組成方面均發(fā)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(yǎng)品質(zhì)，是谷類作物中的佳品[10]。其中，青稞中的蛋白質(zhì)可以保持人體正氮平衡，尤其對改善肝硬化患者的營養(yǎng)狀況、蛋白質(zhì)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(wěn)定性優(yōu)異、黏度低等優(yōu)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(chǎn)量的重要因素，增溫4℃嚴重影響青稞的正常生長和產(chǎn)量[15]。除了品種和管理措施對青稞品質(zhì)的影響之外，氣候條件長期影響青稞營養(yǎng)品質(zhì)。目前人們對青稞品種開展了很多研究。例如，聶戰(zhàn)聲等[16]對16個青稞品種對環(huán)境的適應(yīng)性進行研究，發(fā)現(xiàn)有4個品種綜合性狀表現(xiàn)良好。管理措施比如施肥、澆水也會影響青稞品質(zhì)，趙慧芬[17]研究發(fā)現(xiàn)，影響西藏春青稞β-葡聚糖含量的關(guān)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(zhì)指標，對不同氣候區(qū)綜合品質(zhì)比較研究較少。在實際生產(chǎn)中，不同的品種對于各個區(qū)域氣候的適應(yīng)能力不同，各地區(qū)宜選擇在當?shù)禺a(chǎn)量較高的品種進行種植。因此，明確不同氣候區(qū)的青稞品質(zhì)差異，對于認識氣候變暖對青稞品質(zhì)的影響具有重要的指導意義。本研究在確定青稞優(yōu)勢品種的條件下，通過大范圍的空間調(diào)查，研究不同氣候區(qū)青稞營養(yǎng)品質(zhì)的差異并進行綜合評價，旨在探究不同區(qū)域青稞營養(yǎng)品質(zhì)的差異，為氣候變化背景下藏區(qū)農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展提供科學參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原（28°14′—38°21′N、90°84′—104°12′E），該區(qū)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(qū)、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(qū)域。本研究采樣點集中位于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心的中國氣候區(qū)劃的祁連-青海湖區(qū)、柴達木區(qū)、昌都區(qū)、波密-川西區(qū)和藏南區(qū)5個二級行政氣候區(qū)。

1.2 青稞采集與處理

本研究在波密-川西區(qū)、藏南區(qū)、柴達木區(qū)、昌都區(qū)、祁連-青海湖區(qū)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(jīng)殺青后粉碎，過60目篩后保存到自封袋?；趯嵉卣{(diào)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(yǎng)品質(zhì)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(shù)據(jù)來源

從國家氣象信息中心-中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(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(shù)等站點氣象數(shù)據(jù)，然后用ArcGis 10.2對研究區(qū)進行空間插值，得到研究區(qū)64個縣市的氣象數(shù)據(jù)。

1.5 綜合評價方法

利用R 4.0.3對原始數(shù)據(jù)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(zhì)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(yīng)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，F(xiàn)m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(shù)據(jù)處理

首先對試驗數(shù)據(jù)正態(tài)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(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析、主成分分析和制圖；其中變異系數(shù)的計算公式如下。

2 結(jié)果與分析

2.1 行政氣候區(qū)氣象因子

2.1.1 波密-川西區(qū)和藏南區(qū) 波密-川西區(qū)和藏南區(qū)氣象條件差異較大（圖1），波密-川西區(qū)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(shù)為576~1 017 h，其中循化縣最高，波密縣和林芝縣最低。藏南區(qū)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(shù)為511~1 092 h，其中貢嘎縣最高，米林縣最低。

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

2.1.2 柴達木區(qū)、昌都區(qū)和祁連-青海湖區(qū)柴達木區(qū)、昌都區(qū)和祁連-青海湖區(qū)氣象因子變化較大（圖2），柴達木區(qū)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(shù)為1 097~1 186 h。昌都區(qū)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(shù)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(qū)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(shù)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(qū)、昌都區(qū)和祁連-青海湖區(qū)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(qū)氣象因子特征

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

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

2.3 行政氣候區(qū)青稞籽實基本營養(yǎng)品質(zhì)

2.3.1 波密-川西區(qū)青稞籽實基本營養(yǎng)品質(zhì)波密-川西區(qū)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(zhèn)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(xiāng)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(xiāng)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(qū)青稞籽實基本營養(yǎng)品質(zhì)Fig.4 Quality of hulless barley in Bomi-West Sichuan

表2 氣候區(qū)青稞籽實基本營養(yǎng)品質(zhì)Table 2 Quality of hulless barley seeds in climatic zones

2.3.2 藏南區(qū)青稞籽實基本營養(yǎng)品質(zhì)藏南區(qū)青稞營養(yǎng)品質(zhì)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(qū)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(qū)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(qū)青稞籽實基本營養(yǎng)品質(zhì)Fig.5 Quality of hulless barley seeds in South Tibet

2.3.3 柴達木區(qū)和昌都區(qū)青稞籽實基本營養(yǎng)品質(zhì)柴達木區(qū)和昌都區(qū)青稞營養(yǎng)品質(zhì)含量變化明顯，柴達木區(qū)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(qū)青稞粗蛋白含量平均為9.78%，其中芒康縣最高，索縣榮布鎮(zhèn)最低；植酸含量平均為8.12 g·kg-1，其中索縣亞拉鎮(zhèn)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(qū)和昌都區(qū)青稞籽實基本營養(yǎng)品質(zhì)Fig.6 Quality of hulless barley seeds in Qaidam and Changdu areas

2.3.4 祁連-青海湖區(qū)青稞籽實基本營養(yǎng)品質(zhì)祁連-青海湖區(qū)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(qū)青稞籽實基本營養(yǎng)品質(zhì)Fig.7 Quality of hulless barley seeds in Qilian-Qinghai Lake areas

2.4 氣候區(qū)青稞籽實營養(yǎng)品質(zhì)變化特征

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

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

2.5 青稞籽實營養(yǎng)品質(zhì)主成分分析及綜合評價

結(jié)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(yǎng)品質(zhì)指標進行方差極大旋轉(zhuǎn)的主成分分析，結(jié)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(yǎng)品質(zhì)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(guān)。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(guān)，與淀粉含量呈負相關(guān)。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(guān)。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(guān)。

表3 青稞籽實營養(yǎng)品質(zhì)指標主成分分析Table 3 Principal component analysis of hulless barley quality indices

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

表4 不同氣候區(qū)青稞營養(yǎng)品質(zhì)綜合評價結(jié)果Table 4 Comprehensive evaluation of hulless barley quality in different climatic regions zones

式中，F(xiàn)1、F2、F3和F4分別為4個主成分的得分。

3 討論

青稞種植區(qū)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?shù)乇憩F(xiàn)最好的品種，本研究中波密-川西區(qū)青稞品種以甘青6號和藏青2000為主，藏南區(qū)以藏青2000為主，柴達木區(qū)以柴青1號為主，昌都區(qū)以藏青2000為主，祁連-青海湖區(qū)以昆侖15號為主。因而，各地青稞的品質(zhì)差異主要取決于當?shù)氐臍庀蠛凸芾項l件。本研究通過大范圍的空間調(diào)查，收集青藏高原青稞種植區(qū)64個縣（市）的青稞籽實，測定其7個營養(yǎng)品質(zhì)參數(shù)，對氣候變化背景下不同氣候區(qū)青稞品質(zhì)的變化特征進行研究。不同氣候區(qū)之間氣象因子差異顯著，波密-川西區(qū)、藏南區(qū)、昌都區(qū)和祁連-青海湖區(qū)的降水都顯著高于柴達木區(qū)；祁連-青海湖區(qū)和柴達木區(qū)的日照時數(shù)均顯著高于波密-川西區(qū)、藏南區(qū)、昌都區(qū)。

波密-川西區(qū)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(yǎng)品質(zhì)在波密-川西區(qū)差異不顯著。但不同行政氣候區(qū)青稞的營養(yǎng)品質(zhì)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(jié)果基本一致。粗蛋白含量在柴達木區(qū)顯著高于藏南區(qū)，基于兩區(qū)之間氣候差異，說明日照時數(shù)越長、降水量越少的地區(qū)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(shù)互相作用對青稞蛋白質(zhì)含量積累存在顯著影響，與馮西博[27]的研究結(jié)果一致。靳正忠等[28]也發(fā)現(xiàn)，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(zhì)積累，其中最關(guān)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(qū)顯著高于昌都區(qū)，基于氣候區(qū)之間的氣候差異，說明降水越多、日照時數(shù)越短和平均溫度較高的地區(qū)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(jié)果相反，日照時數(shù)、積溫、月平均溫度是影響青稞淀粉積累的關(guān)鍵因子，日照時數(shù)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(guān)。相關(guān)研究表明，水和溫度等環(huán)境因素的影響以及播種量和品種選擇等措施對大麥質(zhì)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(zhì)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(qū)和祁連-青海湖區(qū)膳食纖維含量顯著高于昌都區(qū)，說明日照時數(shù)較長、降水較少和平均溫度較高的地區(qū)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?zhí)苽サ萚33]測定的β-葡聚糖含量基本一致，但與白婷等[25]測定的結(jié)果有一定差別。β-葡聚糖含量在柴達木區(qū)和祁連-青海湖區(qū)都顯著高于波密-川西區(qū)、藏南區(qū)和昌都區(qū)，說明日照時數(shù)較長、降水較少、平均溫度較高的地區(qū)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(jié)果一致。Moza等[35]研究發(fā)現(xiàn)，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(qū)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(qū)青稞籽實營養(yǎng)品質(zhì)存在明顯差異，綜合得分在柴達木區(qū)最高，在波密-川西區(qū)最低，即青稞籽實綜合營養(yǎng)品質(zhì)在不同氣候區(qū)存在明顯差異。相比其他區(qū)，柴達木區(qū)的青稞柴青1號綜合營養(yǎng)品質(zhì)最高，波密-川西區(qū)的青稞甘青6號和藏青2000綜合營養(yǎng)品質(zhì)最低。但單個營養(yǎng)品質(zhì)指標在不同行政氣候區(qū)表現(xiàn)不同，其中在波密-川西區(qū)甘青6號和藏青2000的淀粉含量最高，在柴達木區(qū)昆侖15號的膳食纖維和β-葡聚糖含量高于其他區(qū)，在昌都區(qū)藏青2000的β-葡聚糖、膳食纖維和淀粉含量都最低。