姜慧新,柏杉杉,吳波,宋靜怡,王國良*
(1.山東省畜牧總站,山東濟(jì)南250102;2.山東省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究所,山東濟(jì)南250100;3.中山大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院,廣東廣州510275)
燕麥(Avena sativa)是禾本科燕麥屬(Avena)一年生糧飼兼用草本植物,其干草中性洗滌纖維(neutral detergent fiber,NDF)消化率高,水溶性碳水化合物含量豐富,且鉀含量低于2%,是一類能量含量高、有效纖維豐富、質(zhì)地柔軟、適口性好的優(yōu)質(zhì)禾本科飼草[1?5],用于飼喂圍產(chǎn)期奶??捎行ьA(yù)防產(chǎn)后癱瘓等代謝疾病的發(fā)生,與苜蓿(Medicago sativa)干草搭配飼喂泌乳牛,能顯著提高奶牛產(chǎn)奶量和乳蛋白含量,并明顯改善牛群健康狀況[6?8],近年來逐步在規(guī)模奶牛場使用[9]。我國于2008 年開始從澳大利亞進(jìn)口燕麥干草,同時大力發(fā)展飼用燕麥種植,近些年隨著“草牧業(yè)”和“糧改飼”政策的實(shí)施,飼用燕麥種植區(qū)域已從最初的西北、西南、東北逐步向中原和華東省份擴(kuò)散,種植面積呈快速增長態(tài)勢[10?11]。黃淮海地區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū),光、熱、水資源優(yōu)越,適栽飼草種類豐富,同時,該地區(qū)畜牧業(yè)發(fā)達(dá),養(yǎng)殖規(guī)模化程度高,飼草料需求量大,是我國“糧改飼”和“種養(yǎng)結(jié)合”的重點(diǎn)示范區(qū)域。隨著“飼草+鹽堿地水稻”、“飼草+短季棉”等草田輪作模式的大范圍推廣,短季型飼用燕麥種植發(fā)展空間巨大。
大量研究顯示,不同燕麥品種因遺傳基礎(chǔ)不同,其適應(yīng)能力和生長潛力差異較大[12?13]。我國東北[14]、西北[15?16]和西南[17?18]地區(qū)的引種試驗(yàn)也顯示,在不同生態(tài)條件和栽培措施下各品種的農(nóng)藝性狀和品質(zhì)表現(xiàn)各異,篩選出的適栽品種不盡相同。婁春華等[19]在黃河灘區(qū)引種試驗(yàn)顯示,綜合評價最好的是ESK、貝勒、禾王、太陽神和甜燕1 號;吳亞等[20]認(rèn)為,在揚(yáng)州地區(qū)冬閑田種植燕麥,林納品種的蛋白產(chǎn)量最高;趙怡然等[21]研究顯示,牧王、太陽神、貝勒、燕王和魅力最適宜在青島地區(qū)種植。但未見黃淮海地區(qū)草田輪作條件下燕麥農(nóng)藝性狀與營養(yǎng)品質(zhì)綜合評價的研究報(bào)道。本研究以國內(nèi)外引進(jìn)的22 個燕麥品種為研究對象,連續(xù)2 年開展田間生長性狀及產(chǎn)量和品質(zhì)觀測,運(yùn)用聚類分析方法對22 個燕麥品種進(jìn)行分類比較,并采用灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行綜合評價,以期為該地區(qū)飼用燕麥品種選擇提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)設(shè)在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院濟(jì)陽試驗(yàn)示范基地(N 36o59?,E 116o59?),海拔19 m,屬暖溫帶半濕潤、半干旱季風(fēng)區(qū),四季分明,雨熱同季。年均日照時數(shù)2617.6 h;年均無霜期196 d;年均降水量為583.3 mm,年最大降水量1059.4 mm,最小降水量465.3 mm;年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂吓c東北風(fēng),年平均風(fēng)速3.2 m·s?1,最大風(fēng)速17 m·s?1;年均溫12.8 ℃,夏季氣溫最高平均25.8 ℃,冬季氣溫最低平均?1.3 ℃;年≥0 ℃積溫4902.9 ℃。試驗(yàn)地土壤類型為典型潮土,質(zhì)地為壤土,pH 值7.2,有機(jī)質(zhì)含量15.1 g·kg?1,堿解氮83.26 mg·kg?1,速效磷3.7 mg·kg?1,速效鉀234.0 mg·kg?1。試驗(yàn)地前茬作物為玉米(Zea mays),2018 和2019 年氣溫和降水量見圖1。
收集國內(nèi)外燕麥品種22 個,其中國內(nèi)品種7 個,國外品種15 個。參試品種來源和供種單位見表1。
試驗(yàn)連續(xù)開展兩年(2018 和2019 年)。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),4 個重復(fù),小區(qū)面積為5 m×3 m,間隔0.5 m,試驗(yàn)組四周設(shè)1 m 保護(hù)行。2018 年3 月13 日播種,條播,行距30 cm,每小區(qū)10 行,播深3~5 cm,播種量225 g·小區(qū)?1。出苗后常規(guī)田間管理,試驗(yàn)期間人工除草1次,根據(jù)土壤墑情進(jìn)行多次灌溉。6 月20 日刈割測產(chǎn),各參試品種生育期為灌漿期或乳熟期。2019 年3 月5日播種,6 月13 日刈割測產(chǎn),方法同2018 年。
農(nóng)藝性狀。刈割前每小區(qū)測量10 個單株的絕對高度。去除小區(qū)兩側(cè)邊行及兩端各0.5 m,剩余面積全部刈割,稱鮮重。取1 kg 樣品,103 ℃下殺青30 min,65 ℃下烘干至恒重,測定干物質(zhì)含量,折算成干物質(zhì)產(chǎn)量。另取鮮樣500 g 左右,進(jìn)行葉、莖、穗分離,65 ℃下烘干至恒重,稱重,計(jì)算葉、莖、穗比重及莖葉比。
圖1 2018 和2019 年試驗(yàn)地月降水量和月均氣溫Fig.1 Average air temperature and total rainfall per month in experiment field in 2018 and 2019
養(yǎng)分含量。烘干后的樣品粉碎過40 目(0.45 mm)篩,用于營養(yǎng)成分測定。用凱氏定氮法測定粗蛋白(crude protein,CP)含量,索氏提取法測定粗脂肪(ether extract,EE)含量,茂福爐灼燒法測定灰分(ash)含量[22]。用濾袋法測定中性洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(acid detergent fiber,ADF)和酸性洗滌木質(zhì)素(acid detergent lignin,ADL)含量[23]。
相對飼用價值(relative feed value,RFV)用養(yǎng)分含量進(jìn)行估算,計(jì)算公式為RFV=DMI×DDM/1.29,其中DMI 為干物質(zhì)采食量(dry matter intake,%BW),按照DMI=120/NDF 計(jì)算;DDM 為可消化干物質(zhì)(digestible dry matter,%DM),按照DDM=88.9?0.779×ADF 計(jì)算[24]。
采用SPSS(IBM SPSS Statistics 19)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,多重比較采用Duncan 法進(jìn)行。聚類分析采用SPSS(IBM SPSS Statistics 19)軟件進(jìn)行,聚類過程中,各品種間遺傳距離為平方歐氏距離,聚類方法采用分層聚類法。
灰色關(guān)聯(lián)度參照婁春華等[19]的方法。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)理論,將所有的供試燕麥品種看成一個灰色系統(tǒng),每一個燕麥品種都是系統(tǒng)中的一個因素,通過分析系統(tǒng)中各因素的聯(lián)系程度來對其進(jìn)行綜合評價。每個品種13 個觀測指標(biāo)的測定值構(gòu)成數(shù)據(jù)列,22 個品種的數(shù)據(jù)列構(gòu)成數(shù)據(jù)矩陣。設(shè)一個理想品種的參考數(shù)列,記為{X0(k)}(k=1,2,3,……,n),n 為選取的測定指標(biāo)數(shù),X0的組成元素分別是干物質(zhì)產(chǎn)量、株高、葉比重、穗比重、CP、EE、Ash、RFV 的最大值和莖葉比、莖比重、NDF、ADF、ADL 的最小值。被評價對象的比較數(shù)列記為{Xi(k)}(i=1,2,3,……,m),m 為燕麥品種數(shù)。用極值化方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理。關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算公式為:
式中:εi(k)為關(guān)聯(lián)系數(shù);|X0(k)?Xi(k)|表示X0(k)數(shù)列與Xi(k)數(shù) 列在k點(diǎn) 的絕對值差;minimink|X0(k)?Xi(k)|為二級最小差;maximaxk|X0(k)?Xi(k)|為二級最大差;ρ為分辨系數(shù),本研究取值0.5。
關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式為:
式中:γi為等權(quán)關(guān)聯(lián)度;γi′為加權(quán)關(guān)聯(lián)度;w(k)為權(quán)重系數(shù)。
從年度來看,干物質(zhì)產(chǎn)量和葉比重兩年觀測值基本一致,2019 年的平均株高較矮,莖比重和莖葉比小,而穗比重稍大(表2)。從品種來看,不同品種間各農(nóng)藝性狀的變異幅度較大,干物質(zhì)產(chǎn)量變化范圍為10.74~16.69 t·hm?2,株高變化范圍為91.37~142.00 cm,葉、莖、穗比重變化范圍分別是11.80%~32.77%、30.63%~54.50%及12.73%~55.89%,莖葉比變化范圍為1.40~4.00??傮w來看,各品種間以葉比重、穗比重和莖葉比變異最明顯,兩年的變異系數(shù)均在15%以上;干物質(zhì)產(chǎn)量其次,其變異系數(shù)為12%左右;而莖比重和株高變異最小,其變異系數(shù)均低于11%。
表2 不同燕麥品種農(nóng)藝性狀差異性Table 2 The difference of agronomical characteristics among 22 oat varieties
從年度來看,2019 年燕麥干草CP 和EE 值均高于2018 年,Ash、NDF、ADF 和ADL 均低于2018 年,RFV 比2018 年提高了10%,干草品質(zhì)總體優(yōu)于2018 年(表3)。從品種來看,不同品種間養(yǎng)分含量和RFV 的變化較小。CP 變化范圍為9.61%~13.88%,EE 變化范圍為1.55%~4.02%,Ash 變化范圍是7.11%~11.88%,NDF、ADF和ADL 的變化范圍分別是52.59%~67.77%、30.72%~45.20% 及3.95%~7.80%,RFV 的變化范圍為73.70~114.94??傮w來看,養(yǎng)分含量和RFV 的變異程度較農(nóng)藝性狀小,除了EE 以外,各養(yǎng)分含量和RFV 的變異系數(shù)均未超過11%。
對農(nóng)藝性狀與飼草產(chǎn)量和品質(zhì)兩年平均值進(jìn)行相關(guān)分析顯示,干物質(zhì)產(chǎn)量與株高呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與穗比重和莖葉比呈正相關(guān),而與莖比重和葉比重呈負(fù)相關(guān)。CP 與葉比重呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與穗比重、莖葉比和株高分別呈極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)。RFV 與穗比重呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與莖比重和葉比重分別呈極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)。表明燕麥草干物質(zhì)產(chǎn)量、飼草CP和RFV 分別與植株株高、葉和穗比重高度相關(guān)。
表3 不同燕麥品種養(yǎng)分含量與RFV 差異性Table 3 The difference of nutrient content and RFV among 22 oat varieties
表4 干物質(zhì)產(chǎn)量、CP 和RFV 與植株生長指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between agronomics characteristics and dry matter yield,CP and RFV
依據(jù)13 個指標(biāo)的兩年平均值,以平方歐氏距離10.0 為分界線,對22 個燕麥品種進(jìn)行聚類分析(圖2)。結(jié)果顯示,22 個燕麥品種可以分為4 個類群,第Ⅰ類群包括林納、領(lǐng)袖、貝勒3 個品種,第Ⅱ類群包括甜燕2 號,第Ⅲ類群包括隴燕1 號,白燕7 號、永久4 號、青海444、莫妮卡、夢龍、青引1 號、美達(dá)、福特、加燕2 號共10 個品種,第Ⅳ類群包括ESK、牧樂思、青海甜燕麥、太陽神、甜燕1 號、海威、燕王、牧王共8 個品種。
對4 個類群進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)和多重比較,結(jié)果顯示,各類群間干物質(zhì)產(chǎn)量差異不顯著(P>0.05)(表5)。第Ⅰ類群莖比重低、穗比重高(P<0.05),NDF、ADF、ADL 均顯著低于其他類群(P<0.05),因而RFV 值在4 個類群中最高(P<0.05),表明該類群3 個品種的飼草品質(zhì)上佳,為質(zhì)優(yōu)組。第Ⅱ類群葉和莖比重均高(P<0.05),但穗比重低(P<0.05),EE 含量低,NDF 和ADF 均顯著高于其他類群(P<0.05),因而RFV 值在4 個類群中最低(P<0.05),表明該類群飼草品質(zhì)較差,為質(zhì)劣組。第Ⅲ類群株高和莖葉比在各類群中最高(P<0.05),NDF、ADF 和ADL 居中,RFV 值也居中,表明該類群內(nèi)各品種植株高大,高產(chǎn)潛力大,但品質(zhì)一般,為株高組。第Ⅳ類群葉比重高、莖葉比低(P<0.05),因而CP 含量最高(P<0.05),NDF、ADF 和ADL 居中,RFV 值也居中,表明該類群各品種因葉量豐富而CP 含量高,為高蛋白組。
從品種來源看,國內(nèi)7 個品種中5 個品種歸為第Ⅲ類群,1 個歸為第Ⅰ類群,1 個歸為第Ⅳ類。15 個國外引進(jìn)品種中7 個歸為第Ⅳ類群,各有2 個、5 個歸為第Ⅰ和Ⅲ類群,1 個歸為第Ⅱ類群。表明參試國內(nèi)品種大多植株高大,具備高產(chǎn)潛能,但品質(zhì)一般;而國外引進(jìn)品種葉量豐富,CP 含量高,在品質(zhì)方面會有更好的表現(xiàn)。
表5 不同類群間農(nóng)藝性狀和品質(zhì)比較Table 5 The comparison of agronomical characteristics,nutrient content and RFV among four oat types
采用灰色關(guān)聯(lián)度理論,對13 個性狀兩年平均值進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析,排序靠前的品種更接近理想品種,即關(guān)聯(lián)度最大的品種綜合評價最好[12]。表6 顯示,按照等權(quán)關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序,22 個參試燕麥品種從大到小依次為貝勒>領(lǐng)袖>林納>ESK>牧樂思>牧王>加燕2 號>夢龍>莫妮卡>青海444>太陽神>甜燕1 號>福特>美達(dá)>海威>青引1 號>隴燕1 號>青海甜燕麥>白燕7 號>永久4 號>燕王>甜燕2 號,綜合評價排名前5 的分別是貝勒、領(lǐng)袖、林納、ESK 和牧樂思。按照加權(quán)關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序,從大到小依次是貝勒>領(lǐng)袖>林納>牧樂思>牧王>ESK>加燕2 號>夢龍>莫妮卡>太陽神>青海444>甜燕1 號>美達(dá)>海威>福特>隴燕1 號>青海甜燕麥>青引1 號>白燕7 號>永久4 號>燕王>甜燕2 號,排名前5 位的品種依次是貝勒、領(lǐng)袖、林納、牧樂思和牧王。綜上,貝勒、領(lǐng)袖、林納、ESK、牧樂思和牧王是試驗(yàn)條件下參試燕麥品種中綜合評價較高的品種。
表6 22 個燕麥品種的灰色關(guān)聯(lián)度及排序Table 6 Grey correlative degree and order of 22 oat varieties
燕麥?zhǔn)菧貛ё魑?,喜冷涼濕潤氣候,不耐寒,在我國多地引種試驗(yàn)結(jié)果顯示,其飼草產(chǎn)量在各地區(qū)間的差異性明顯。黑龍江[14]和青海[17]4 月播種,8 月開花期刈割,畝產(chǎn)干草可高達(dá)1 t 以上,為我國飼用燕麥高產(chǎn)區(qū)。而山西[15]5 月中旬播種,8 月初乳熟至蠟熟期收獲,畝產(chǎn)干草可接近700 kg,中原黃河灘區(qū)[19]3 月播種,6 月乳熟末期刈割,畝產(chǎn)干草不到700 kg,為飼用燕麥中產(chǎn)區(qū)。西藏地區(qū)[18]5 月播種,在完熟期刈割,平均畝產(chǎn)干草400 kg 左右,為我國燕麥草低產(chǎn)區(qū)。本研究顯示,山東草田輪作條件下種植飼用燕麥,畝產(chǎn)干草可高達(dá)900 kg,表明該地區(qū)適宜飼用燕麥種植,屬于我國飼用燕麥中產(chǎn)區(qū)。該地區(qū)燕麥生長期為每年的3?6 月,屬于短季型飼草作物,可與夏季作物如玉米、水稻(Oryza sativa)、短季棉(Gossypium hirsutum)等進(jìn)行輪作,既可豐富飼草供應(yīng),又顯著提高了土地復(fù)種指數(shù),增收效益顯著。
不同燕麥品種因基因型不同而生長各異。王建麗等[13]對51 份燕麥種質(zhì)資源13 個農(nóng)藝性狀分析顯示,燕麥品種遺傳多樣性豐富,其中主穗長、株高和主穗粒重遺傳多樣性指數(shù)較大,主穗小穗(34.8%)、主穗粒重(33.1%)和單株分蘗數(shù)CV(27.4%)最大,可見穗、株高和分蘗數(shù)是不同燕麥種質(zhì)的主要特征參數(shù)。周青平等[17]對8 個燕麥品種莖、葉、穗18 個指標(biāo)觀測結(jié)果顯示,莖葉比CV 為51%,穗粒數(shù)和千粒重CV 分別為41.7%和38.8%,為CV較大的指標(biāo),表明莖葉比和穗是燕麥品種主要特征參數(shù)。本研究顯示,22 個參試燕麥品種葉比重、莖葉比和穗比重的兩年平均CV 分別為24.48%、21.65%和20.75%,在6 個農(nóng)藝性狀的CV 中排列前三,而株高的平均CV 最小,為8.20%,表明22 個參試品種在黃淮海地區(qū)生長差異表現(xiàn)較明顯的是穗和葉。這一研究結(jié)果與周青平等[17]一致,但與王建麗等[13]結(jié)果不一致,原因是該研究未對葉片進(jìn)行觀測。
不同農(nóng)藝性狀直接影響燕麥飼草產(chǎn)量與品質(zhì)。研究顯示,株高[17]、葉比例(或葉莖比)[12]和穗重[25]與飼草產(chǎn)量成正相關(guān),是構(gòu)成飼草產(chǎn)量的主要因素。但近期研究顯示,株高是導(dǎo)致植株倒伏的主要因素[26],因此,適當(dāng)降低株高是抗倒伏飼草型燕麥品種育種的措施之一。而葉片中CP 和EE 含量高,穗能量含量高,可作為高品質(zhì)燕麥新品種重要的育種指標(biāo)[12,27]。本研究顯示,株高、葉比重和穗比重分別與干物質(zhì)產(chǎn)量、飼草CP 和RFV 顯著正相關(guān),表明在黃淮海地區(qū)植株高大的燕麥品種能獲得較高的飼草產(chǎn)量,而穗大且葉多的品種能獲得較好的飼草品質(zhì),因此,高度適當(dāng)、穗大、葉多的品種是該地區(qū)的適選品種,這一結(jié)果可為該地區(qū)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)飼草型燕麥品種選育提供理論基礎(chǔ)。當(dāng)然,生育期也對飼草品質(zhì)產(chǎn)生較大影響。研究表明,燕麥隨著生育期推移,CP 和EE 含量先升后降,木質(zhì)素和淀粉含量持續(xù)增加,綜合比較顯示,灌漿期刈割最合適[28]。本研究的參試燕麥品種是在同一時間收獲,刈割時的生育期為灌漿期或乳熟期,這種生育期上的不完全相同也可能影響各品種的品質(zhì),對篩選出品種的飼用價值、栽培措施和加工利用方面更細(xì)致的研究將進(jìn)一步開展。
本研究采用聚類分析方法對22 個參試品種進(jìn)行歸類,使性狀相似的品種聚為同一類,結(jié)果顯示,來源相同的品種有聚群的趨勢,但也有不同來源的品種因性狀相似而聚為同一類群,這一現(xiàn)象在王建麗等[13]和史京京等[14]研究中均有出現(xiàn),表明來源不能作為燕麥品種引種的唯一標(biāo)準(zhǔn)。聚類分析顯示,22 個參試品種可聚為4 個類群,第Ⅰ類群為林納、領(lǐng)袖和貝勒3 個品種,它們的RFV 值最高,為試驗(yàn)地條件下首選品種。第Ⅳ類群ESK、牧樂思、青海甜燕麥、太陽神、甜燕1 號、海威、燕王和牧王8 個品種CP 含量最高,適宜選為高蛋白飼草生產(chǎn)。第Ⅲ類群隴燕1 號、白燕7 號、永久4 號、青海444、莫妮卡、夢龍、青引1 號、美達(dá)、福特、加燕2 號10 個品種植株高大,具備高產(chǎn)潛能,適宜選為高產(chǎn)品種,但這些品種由于植株高大,抽穗期后期出現(xiàn)倒伏的風(fēng)險大,在風(fēng)大、雨水多地區(qū)不宜選種。第Ⅱ類群甜燕2 號品質(zhì)欠佳,不宜選種。進(jìn)一步用灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行綜合評價顯示,第Ⅰ類群3 個品種貝勒、領(lǐng)袖和林納的等權(quán)和加權(quán)關(guān)聯(lián)度均位列前三,表明,這3 個品種兼具高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)特征,是試驗(yàn)地條件下最佳適栽培品種,而排名緊跟其后的ESK、牧樂思和牧王為適選品種。
通過兩年試驗(yàn),結(jié)果表明,黃淮海地區(qū)適宜開展飼用燕麥短期種植,牧王等品種畝產(chǎn)干草可高達(dá)900 kg,飼草品質(zhì)優(yōu)良。參試的22 個燕麥品種生長性狀上的差異主要表現(xiàn)在葉和穗比重,相關(guān)分析顯示,其對干草的CP 與RFV 呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。通過聚類分析把22 個品種分為質(zhì)優(yōu)組、質(zhì)劣組、株高組、高蛋白組4 個類群,各類群間植株各部分比例及養(yǎng)分含量(除EE 和Ash 外)差異顯著(P<0.05)。通過灰色關(guān)聯(lián)度分析進(jìn)行綜合評價,貝勒、領(lǐng)袖、林納、ESK、牧樂思、牧王等6 個品種排名靠前,飼草產(chǎn)量和品質(zhì)綜合表現(xiàn)較好,適宜在黃淮海地區(qū)推廣種植。