李 想,張業(yè)猛,朱麗麗,楊學(xué)貴,李文軍,王元蘭,徐慧君,祁 琪,陳志國(guó)
(1. 中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所 / 中國(guó)科學(xué)院高原生物適應(yīng)與進(jìn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 青海省作物分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧 810008;2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3. 青海省小寨良種試驗(yàn)站,青海 西寧 810016;4. 樂都區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,青海 海東 810700;5. 樂都區(qū)種子站,青海 海東 810700;6. 樂都縣農(nóng)牧局,青海 海東 810700;7. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150038)
玉米(Zea mays)是我國(guó)重要的糧食、飼料及經(jīng)濟(jì)作物[1]。玉米在我國(guó)的種植面積和總產(chǎn)量已超過水稻(Oryza sativa)和小麥(Triticum aestivum),成為第一大糧食作物[2]。依利用方式,可以將玉米分為籽粒玉米、糧飼兼用型玉米和青貯專用型玉米,其中糧飼兼用型、青貯專用型玉米已被廣泛應(yīng)用到青貯加工[3]。青貯玉米是指在適宜收獲期收獲全部綠色植株,并通過厭氧發(fā)酵的方式來制作青貯飼料的玉米[4]。它具有生長(zhǎng)迅速、生物產(chǎn)量高、營(yíng)養(yǎng)豐富、適口性好等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用到牛、羊等反芻動(dòng)物飼養(yǎng)[5-6]。青貯玉米不僅是重要的粗飼料來源,也是我國(guó)發(fā)展畜牧業(yè)的支撐[7]。因此,大力發(fā)展青貯玉米,對(duì)促進(jìn)畜牧業(yè)發(fā)展和提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。
青海省是我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的先行區(qū),同時(shí)也是西北地區(qū)“糧改飼”和“草牧業(yè)”的試點(diǎn)區(qū)[8]。青海省每年玉米種植面積約2.7 × 104hm2,主要種植在青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)[1]。近年來,隨著青海省畜牧業(yè)的快速發(fā)展和天然草場(chǎng)保護(hù)的要求,農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生調(diào)整。一些地區(qū)的玉米種植逐漸從籽粒玉米轉(zhuǎn)向青貯玉米,而受傳統(tǒng)“以糧為綱”耕作模式的限制,青海高原地區(qū)目前種植的青貯玉米多為傳統(tǒng)的糧食型玉米,高產(chǎn)青貯專用型玉米種植面積小、品種選擇少[9-10]。因此,迫切需要引進(jìn)和篩選適于當(dāng)?shù)胤N植的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)青貯玉米品種。
青貯玉米在青海省種植研究起步晚,但有些學(xué)者[11-14]已經(jīng)開展了青貯玉米相關(guān)研究,并證實(shí)在青海高原發(fā)展青貯玉米是可行的。青貯玉米的生產(chǎn)性能、飼料價(jià)值、營(yíng)養(yǎng)成分易受遺傳效應(yīng)、生態(tài)環(huán)境、栽培措施等多種因素的影響,需采用客觀綜合的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行品種篩選[15]。以往評(píng)價(jià)的方法單就某一方面進(jìn)行分析,從而進(jìn)行盲目引種,給生產(chǎn)造成巨大損失[16]。在農(nóng)作物品比試驗(yàn)中,采用多指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)判,可以克服單指標(biāo)評(píng)價(jià)的弊端,主成分分析法可對(duì)青貯玉米品種各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)從而客觀、準(zhǔn)確地篩選出最佳品種[17-18]。因此,本研究應(yīng)用主成分分析、聚類分析對(duì)引進(jìn)的50 個(gè)玉米品種的生產(chǎn)性能及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),旨在篩選出青海海東地區(qū)適應(yīng)性強(qiáng)、表現(xiàn)優(yōu)異的青貯玉米品種,為草食畜牧業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
參試材料如表1 所列。田間試驗(yàn)于2020 年4 月-9 月在中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所海東生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站開展,試驗(yàn)地位于36°47′45″ N,102°32′58″ E,海拔1 967 m。年均氣溫6.9 ℃,≥ 10 ℃年積溫2 442.6 ℃·d,年均降水量332.2 mm。試驗(yàn)采用順序排列,3 次重復(fù)。播前10 d 對(duì)土地進(jìn)行灌溉,每666.7 m2灌水60 m3;播種時(shí)結(jié)合淺翻施用化肥,化肥用量折合純N 113 kg·hm-2,P2O560~75 kg·hm-2,確保土壤墑情和肥力均勻,土壤松緊適度。覆膜,采用人工穴播方式(雙粒播),行長(zhǎng)3 m,行距0.4 m,株距0.3 m,每品種種植5 行,待幼苗長(zhǎng)至5 葉時(shí)進(jìn)行間苗,最終保證每穴1 株。從播種到收獲共灌水3 次,其他管理措施同大田。
表1 參試玉米品種Table 1 Information on the tested corn cultivars
2020 年9 月7 日統(tǒng)一收獲。收獲時(shí)每品種從中間的3 行隨機(jī)選取11 株,緊貼地面進(jìn)行刈割。其中的10 株測(cè)量株高、穗位高、穗數(shù)、葉片持綠性(綠葉數(shù)與總?cè)~數(shù)的比值)、鮮重等指標(biāo),自然條件下陰干,再稱全株干重和穗干重(帶苞葉)。剩余1 株鮮樣送到中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所分析測(cè)試中心進(jìn)行干物質(zhì)(dry matter,DM)、淀粉、蛋白質(zhì)、中性洗滌纖維(neutral detergent fiber,NDF)和酸性洗滌纖維(acid detergent fiber,ADF)的測(cè)定,同時(shí)計(jì)算飼料相對(duì)值。其中,干物質(zhì)測(cè)定參照GB/T 6435–2014[19],淀粉參照GB/T 20194–2006[20],蛋白質(zhì)參照GB/T 6432–2018[21],中性洗滌纖維參照GB/T 20806–2006[22],酸性洗滌纖維參照NY/T 1459–2007[23]。
飼料相對(duì)值(relative feed value,RFV)是1978 年由Rohweder 等[24]提出的相對(duì)一特定標(biāo)準(zhǔn)粗飼料(盛花期苜蓿),某種粗飼料可消化干物質(zhì)的采食量。預(yù)測(cè)模型如下:
式中:ADF 為酸性洗滌纖維,NDF 為中性洗滌纖維,分別以其占干物質(zhì)的比值表示(%);DDM 為可消化干物質(zhì),以占干物質(zhì)的百分?jǐn)?shù)表示(%);DMI 為粗飼料干物質(zhì)隨意采食量,以占體重的百分?jǐn)?shù)表示(%);1.29 是盛花期苜蓿的DDM × DMI,目的是使盛花期苜蓿的RFV 值為100。其中RFV 值大于100 的飼草整體上質(zhì)量較好[25]。
參試玉米品種的產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)采用Excel 2007 和SPSS 22.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。方差分析應(yīng)用LSD 法進(jìn)行多重比較,數(shù)據(jù)以平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差表示,以P< 0.05 表示差異顯著。聚類分析采用層次聚類,遺傳距離為平方歐式距離。
50 個(gè)玉米品種的主要農(nóng)藝性狀指標(biāo)如表2 所列,所參試的玉米品種間表型性狀均有差異。籽粒乳線位置一般反映青貯玉米的成熟程度,參試品種在收獲時(shí)籽粒乳線位置多在1/3~4/5,表明參試品種間生育期存在明顯差異。
表2 不同玉米品種主要農(nóng)藝性狀Table 2 Main agronomic characteristics of different corn cultivars
續(xù)表2Table 2 (Continued)
與青海主栽玉米品種鐵研53 對(duì)比發(fā)現(xiàn),參試品種中有18 個(gè)玉米品種株高高于鐵研53,20 個(gè)玉米品種的穗位高高于鐵研53。株高、穗位高分別為270.30~378.90 和84.4~195.6 cm。其中株高最高的是高科玉138,穗位高最高的是??涤?09,而墾玉10 號(hào)株高、穗位高均最低。
鮮重、干重和干鮮比都是評(píng)價(jià)青貯玉米產(chǎn)量的重要性狀指標(biāo)。50 個(gè)參試品種中高科玉138 單株鮮重和干重均最大,分別為2.70 和 1.03 kg,比對(duì)照品種鐵研53 (1.96 和 0.59 kg)增加37.76%和74.58%;墾玉10 號(hào)鮮重、干重最低,分別為0.70 和 0.30 kg。在干鮮比方面,凱玉8 號(hào)的干鮮比(51.24%)最大,西03 的干鮮比(26.97%)最小,參試品種中有36 個(gè)品種的干鮮比超過鐵研53 (30.16%),說明參試品種中大部分在試驗(yàn)區(qū)種植后干物質(zhì)積累程度較好。
青貯玉米品質(zhì)與果穗性狀密切相關(guān),測(cè)定50個(gè)玉米品種的穗干重,發(fā)現(xiàn)參試品種中有23 個(gè)玉米品種的穗干重高于鐵研53 (0.30 kg)。其中穗干重最高的是高科玉138 (0.42 kg),最低的是墾玉10 號(hào)(0.18 kg)。除果穗外,葉片數(shù)和葉片持綠性也是與青貯玉米品質(zhì)密切相關(guān)的重要指標(biāo)。參試品種每株葉片平均數(shù)在10~19 片,葉片持綠性為53.18%~97.67%,其中大豐1 407 葉片持綠性最好,墾玉10 號(hào)最差。
按照青貯玉米分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表3),可將50 個(gè)參試品種進(jìn)行簡(jiǎn)單分級(jí),其中歸屬為一級(jí)的品種有19 個(gè),二級(jí)的有12 個(gè),三級(jí)的有8 個(gè),剩余的暫不符合青貯玉米品質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。衡量青貯飼料營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)常見的重要指標(biāo)有干物質(zhì)、粗蛋白、淀粉、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維,參試品種各個(gè)營(yíng)養(yǎng)成分如表4 所列。
表3 青貯玉米品質(zhì)分級(jí)Table 3 Quality classification of silage corn
表4 不同玉米品種的品質(zhì)指標(biāo)Table 4 Quality indicators of different corn cultivars%
續(xù)表4Table 4 (Continued)%
不同玉米品種間干物質(zhì)含量存在差異,鄂玉16 干物質(zhì)含量百分占比最高,為40.60%,川單416最低,為19.40%,參試品種中干物質(zhì)含量高于對(duì)照鐵研53 (30.20%)的有30 個(gè)。不同玉米品種的淀粉含量在6.46%~20.70%,差異較大。其中金穗1955淀粉(鮮重基礎(chǔ))含量最高,約為鐵研53 (10.30%)的2 倍,成單99 最低。蛋白含量是衡量青貯飼料飼用價(jià)值的重要指標(biāo),其含量與粗飼料分級(jí)指數(shù)正相關(guān)[27]。各品種中蛋白含量(鮮重基礎(chǔ))變化范圍在2.27%~3.85%, 其中蛋白含量高于鐵研 53(2.38%)的品種占參試品種的90%。
參試品種中NDF (鮮重基礎(chǔ))含量為10.20%~18.90%,ADF (鮮重基礎(chǔ))含量為5.60%~9.70%。粗飼料品質(zhì)是指粗飼料中影響動(dòng)物消化利用的各個(gè)因素的綜合,RFV 綜合考慮了飼料因素和動(dòng)物因素,能較好反映粗飼料的品質(zhì),一般講RFV 值大于100 的認(rèn)為粗飼料整體上品質(zhì)較好,超過150 的可以將其品質(zhì)歸為特級(jí)[28]。各品種RFV 值均超過100,表明參試品種整體上品質(zhì)較好,其中RFV 值超過150 的品種占參試品種的82%。
為了進(jìn)一步綜合評(píng)價(jià)參試玉米品種的生產(chǎn)性能及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì),對(duì)50 個(gè)參試品種的14 個(gè)性狀指標(biāo)[干物質(zhì)、淀粉、蛋白、NDF (鮮重基礎(chǔ))、ADF (鮮重基礎(chǔ))、RFV、株高、穗位高、穗數(shù)、葉片持綠性、鮮重、干重、干鮮比、穗干重]進(jìn)行主成分分析,結(jié)果如表5 所列。前4 項(xiàng)指標(biāo)特征根值大于1,累計(jì)貢獻(xiàn)率78.055%,但小于80%,因此選取前5 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。
表5 特征根及貢獻(xiàn)率Table 5 Latent root and contribution rate
主成分得分系數(shù)是各項(xiàng)指標(biāo)在每個(gè)主成分中所占的權(quán)重,根據(jù)主成分計(jì)算公式及表6,可得到前5 個(gè)主成分與14 項(xiàng)指標(biāo)的線性關(guān)系。
表6 主成分載荷值和得分系數(shù)Table 6 Loading value of principal components and score coefficients
P1:y1= - 0.27χ干物質(zhì)- 0.29χ淀粉- 0.27χ蛋白質(zhì)-0.14χNDF+ 0.00χADF- 0.15ΧRFV+ 0.36χ株高+ 0.37χ穗位高+0.02χ穗數(shù)+ 0.22χ葉片持綠性+ 0.40χ鮮重+ 0.38χ干重-0.18χ干鮮比+ 0.27χ穗干重;
P2:y2= - 0.01χ干物質(zhì)+ 0.09χ淀粉+ 0.10χ蛋白質(zhì)+0.55χNDF+ 0.39χADF- 0.45ΧRFV+ 0.01χ株高- 0.07χ穗位高+0.40χ穗數(shù)+ 0.03χ葉片持綠性+ 0.04χ鮮重+ 0.13χ干重+0.29χ干鮮比+ 0.21χ穗干重;
P3:y3= 0.30χ干物質(zhì)+ 0.39χ淀粉+ 0.38χ蛋白質(zhì)-0.14χNDF- 0.26χADF+ 0.37ΧRFV+ 0.14χ株高+ 0.05χ穗位高+0.27χ穗數(shù)+ 0.19χ葉片持綠性+ 0.10χ鮮重+ 0.22χ干重+0.15χ干鮮比+ 0.42χ穗干重;
P4:y4= 0.50χ干物質(zhì)- 0.04χ淀粉+ 0.08χ蛋白質(zhì)+0.24χNDF+ 0.52χADF+ 0.23ΧRFV+ 0.11χ株高+ 0.07χ穗位高-0.28χ穗數(shù)+ 0.33χ葉片持綠性+ 0.14χ鮮重+ 0.00χ干重-0.35χ干鮮比- 0.13χ穗干重;
P5:y5= 0.09χ干物質(zhì)- 0.09χ淀粉+ 0.16χ蛋白質(zhì)-0.02χNDF+ 0.21χADF+ 0.12χRFV+ 0.32χ株高+ 0.33χ穗位高-0.36χ穗數(shù)- 0.53χ葉片持綠性- 0.04χ鮮重+ 0.17χ干重+0.50χ干鮮比- 0.03χ穗干重。
式中:χ為相應(yīng)的各成分經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的變量。以主成分的特征值占主成分特征值總和的比例為權(quán)重,按照模型公式y(tǒng)= 0.388 20y1+ 0.163 69y2+ 0.131 15y3+0.097 51y4+ 0.065 88y5計(jì)算主成分的綜合得分,并進(jìn)行排序。在主成分得分中,若得分為正數(shù)代表綜合性狀高于一般水平,得分越高則綜合表現(xiàn)越好。
參試品種中有24 個(gè)品種的綜合主成分得分為正數(shù)(表7),代表綜合性狀表現(xiàn)高于一般水平,其余的26 個(gè)玉米品種綜合主成分得分為負(fù)數(shù),代表綜合表現(xiàn)低于一般水平,不太適合在當(dāng)?shù)胤N植。因此,適宜青海高原地區(qū)種植的青貯玉米品種依次為:高科玉138、??涤?09、1802、中玉335、禾青貯306、勤玉58、西10、大豐1407、川單416、西11、青青300、中玉335 (四川墾豐)、鄂玉16、西09、成單玉808、北玉1522、豫玉22、隴單10 號(hào)、金單485、西02、京科青貯932、屯玉168、12715、鐵研53。
表7 供試玉米品種的主成分值、綜合主成分值Table 7 Values for principal components and comprehensive principal components in tested corn cultivars
續(xù)表7Table 7 (Continued)
利用SPSS 軟件,基于玉米的主要農(nóng)藝性狀及品質(zhì)指標(biāo),對(duì)50 個(gè)玉米品種進(jìn)行層次聚類,采用平方歐式距離組間聯(lián)接方式,聚類結(jié)果如圖1 所示。其中性狀特征相似的聚為一類,差別較大的分在不同類群,在遺傳距離為15 時(shí),參試品種具體可劃分為4 類。第1 類群共包括31 個(gè)玉米品種,這些玉米品種株高、穗位高、鮮重、干重、淀粉、蛋白、干物質(zhì)、NDF、ADF 等均處于中間水平。第2 類群包括14 個(gè)玉米品種。此類群玉米品種的干物質(zhì)、淀粉、蛋白質(zhì)平均含量最低,ADF、NDF 含量處于中等,株高、穗位高、干重、鮮重在4 個(gè)類群中占據(jù)首位,平均株高、穗位高為353.36 和146.77 cm,平均鮮重、干重為2.22 和0.71 kg。第3 類群主要包括西04、鄂玉16、酒單4 號(hào)3 個(gè)品種,此類群特點(diǎn)是干物質(zhì)含量最高,平均為39.57%,NDF、ADF 含量最低,平均為12.03%和7.10%,淀粉、蛋白質(zhì)、株高、穗位高、鮮重、干重等處于中間水平。第4 類群僅有凱玉8 號(hào)、墾玉10 號(hào)兩個(gè)品種,此類群玉米品種淀粉、蛋白質(zhì)、NDF、ADF 平均含量最高,株高、穗位高、鮮重、干重最低,干物質(zhì)含量處于中間水平。
圖1 50 個(gè)玉米品種的聚類分析結(jié)果Figure 1 Result of cluster analysis of 50 corn cultivars
無論是對(duì)于青貯玉米種植者,還是畜牧業(yè)養(yǎng)殖者,一個(gè)優(yōu)良的青貯玉米品種必需具備較高的生物學(xué)產(chǎn)量和良好的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)[29]。而作物的產(chǎn)量和品質(zhì)易受遺傳效應(yīng)、生態(tài)環(huán)境以及栽培措施等多重因素的影響,因此,在某一特定地區(qū)開展田間試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)質(zhì)品種篩選很有必要[15]。本研究對(duì)50 個(gè)不同地區(qū)引進(jìn)的玉米品種進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),旨在為青海地區(qū)的“糧改飼”推進(jìn)提供理論指導(dǎo)。
生育期是影響玉米青貯生產(chǎn)性能和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的重要因素之一。一般來說,隨著生育期的推進(jìn),全株玉米的干物質(zhì)含量逐漸增加,NDF 和ADF 含量先下降后略上升,生物學(xué)產(chǎn)量、各營(yíng)養(yǎng)成分以及飼料總能量均明顯增加[30],且在乳熟末期和蠟熟早期收獲全株玉米時(shí),生物產(chǎn)量最高,青貯品質(zhì)最佳[31-32]。由此可見,收獲期是制作高品質(zhì)青貯玉米飼料的限制性因素之一。本研究采用同一時(shí)間播種,統(tǒng)一施肥和田間管理,同一時(shí)間進(jìn)行刈割,進(jìn)行不同來源青貯玉米品種生產(chǎn)性能和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)比較,以期篩選出適宜青海高原東部地區(qū)的青貯玉米品種,但限于積溫,收獲時(shí)大部分玉米品種籽粒乳線范圍大多處在1/3~4/5,沒有完全達(dá)到1/3~1/2 的青貯玉米收割標(biāo)準(zhǔn),但對(duì)于青藏高原飼草嚴(yán)重不足的現(xiàn)實(shí)(特別是冬季),這部分青貯玉米品種還是完全可以利用的。
青貯玉米主要利用的是秸稈,因此株高是影響青貯玉米生物量的重要指標(biāo)。參試玉米品種中高科玉138 株高最高,同時(shí)鮮重、干重也最大。分析表明,該品種生物學(xué)產(chǎn)量與株高呈正相關(guān)關(guān)系,這與前人研究結(jié)果相一致[33-34]的研究結(jié)果一致,在生產(chǎn)中可適當(dāng)選擇植株較高、生物量較大的玉米品種。
青貯玉米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)由多個(gè)指標(biāo)構(gòu)成,在眾多評(píng)價(jià)指標(biāo)中,蛋白質(zhì)含量是青貯玉米品種判定的重要指標(biāo),其次是NDF 和ADF[35]。本研究參試玉米品種蛋白含量(干重基礎(chǔ))變化范圍為6.16%~13.81%,且多數(shù)超過7%,可以滿足青貯玉米品質(zhì)分級(jí)對(duì)蛋白標(biāo)準(zhǔn)的要求,可以考慮作為飼料應(yīng)用于牛羊養(yǎng)殖中[27,36]。此外,青貯玉米中NDF、ADF 含量與動(dòng)物采食量和消化率密切相關(guān),NDF 含量和ADF 含量越低,動(dòng)物采食量和消化率就越高,玉米的相對(duì)飼用價(jià)值也就越高[4]。參試品種中NDF (干重基礎(chǔ))和ADF (干重基礎(chǔ))含量變化范圍分別在29.75%~61.13%和16.45%~33.45%,低于國(guó)內(nèi)其他地區(qū)NDF(56.47%~89.00%)和ADF (31.33%~62.00%)的含量指標(biāo)[37],其可能原因:一是參試玉米因本身NDF 和ADF 含量的差異;二是收割時(shí)參試玉米未完全達(dá)到適割時(shí)期,進(jìn)而導(dǎo)致玉米植株中NDF 和ADF 含量較低。
通過對(duì)參試玉米品種的14 個(gè)主要性狀指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,發(fā)現(xiàn)適宜青海高原地區(qū)種植的青貯玉米品種有24 個(gè),與聚類結(jié)果基本一致,這表明主成分分析方法能較好地評(píng)價(jià)青貯玉米品種的綜合性狀。
通過對(duì)50 個(gè)玉米品種的青貯性能和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)綜合評(píng)價(jià),初步篩選出高科玉138 等品種為適宜青海高原種植的青貯玉米品種。但青貯性能和飼用品質(zhì)除受玉米種質(zhì)因素影響外,還受地域、年度及其互作等因素的影響,為了更好評(píng)價(jià)不同生態(tài)區(qū)玉米品種的青貯價(jià)值,后續(xù)還將開展多年多點(diǎn)試驗(yàn)。