基于主成分分析的燕麥品種生產(chǎn)性能的比較研究

吳海艷， 曲 珍， 劉昭明， 拉巴頓珠， 同桑措姆， 曲 尼， 尼瑪卓嘎， 馬玉壽

(1. 青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院/青海大學(xué)， 青海 西寧 810016； 2. 日喀則市草原工作站， 西藏 日喀則 857000；3. 黑龍江省草原站， 黑龍江 哈爾濱 150086)

日喀則市是西藏主要的糧倉和牧業(yè)大市，自然條件嚴(yán)酷，冷季時(shí)間長，牧草生長期短，天然草場放牧壓力大，草畜矛盾突出，以“一江兩河”地區(qū)為核心的農(nóng)區(qū)是西藏畜牧業(yè)發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮膮^(qū)域，也是農(nóng)牧結(jié)合發(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn)實(shí)施區(qū)域[1]。因中低產(chǎn)田發(fā)展農(nóng)作物普遍面臨產(chǎn)量低且不穩(wěn)、生產(chǎn)效益較差的問題，在西藏，一般糧食產(chǎn)量單產(chǎn)在150 kg左右的耕地被列入中低產(chǎn)田綜合改造和治理計(jì)劃[2]。相對于傳統(tǒng)籽實(shí)農(nóng)業(yè)提出的營養(yǎng)體農(nóng)業(yè)，受光照、熱量、海拔限制較小，能更充分的利用氣候、土地和生物資源，使單位面積的生物量大幅度提高，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗逆性和更廣泛的適應(yīng)性[3]，而牧草又兼具較好的固土、涵養(yǎng)水分、培肥地力等生態(tài)功能[4]，在中低產(chǎn)田綜合改造利用和緩解牧區(qū)、半農(nóng)半牧區(qū)草料短缺等問題中表現(xiàn)出巨大發(fā)展?jié)摿5-6]。燕麥(Avenasativa)是糧草兼用型一年生飼料作物，具有適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)草量高、營養(yǎng)價(jià)值高、適口性好等特點(diǎn)[7]，在西藏畜牧業(yè)發(fā)展中具有重要地位和作用[8]。近年來，有學(xué)者在西藏各地開展了一些燕麥引種工作，為當(dāng)?shù)胤N植燕麥提供了品種選擇的依據(jù)。如：周啟龍等[9]在拉薩市通過對18個(gè)引進(jìn)燕麥品種主要農(nóng)藝性狀和營養(yǎng)成分的遺傳多樣性分析，篩選出‘貝勒Ⅱ’、‘牧王’、‘海威’為適宜種植的品種；劉昭明等[10]在日喀則市通過對10個(gè)燕麥品種的物候期、鮮草產(chǎn)量和干草產(chǎn)量等方面的對比分析，認(rèn)為可將‘青海444’、‘青引1號’、‘領(lǐng)袖燕麥’、‘白燕7號’作為當(dāng)?shù)仫暡萆a(chǎn)的主推燕麥品種；周啟龍?jiān)诎⒗锿ㄟ^對19個(gè)燕麥引進(jìn)品種的灰色關(guān)聯(lián)度評價(jià)，認(rèn)為‘貝勒2’、‘美達(dá)’、‘白燕7號’和‘燕王’適宜在該地作為牧草推廣種植。但由于西藏不同地區(qū)海拔和氣候條件差異較大，同一燕麥品種在各地表現(xiàn)不一，薩迦縣農(nóng)牧民群眾建植人工草地時(shí)不能因地制宜的選擇牧草品種，主觀隨意性較大[4,12]，而且高海拔區(qū)域中低產(chǎn)田因生產(chǎn)潛力不大，極易形成棄耕地等實(shí)際問題。因此，本研究在日喀則地區(qū)南木林縣艾瑪鄉(xiāng)[10]和康馬縣涅如堆鄉(xiāng)[13]燕麥引種工作基礎(chǔ)上，選定生產(chǎn)性能較為突出的6個(gè)燕麥品種為材料，在薩迦縣扎西崗鄉(xiāng)中低產(chǎn)田試驗(yàn)地上開展不同燕麥品種的生產(chǎn)性能比較研究，采用主成分分析法對其18個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行綜合評價(jià)，以期為該區(qū)域選出最適宜進(jìn)行飼草種植的燕麥品種，并為相似生境條件下的中低產(chǎn)田綜合改造利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于西藏日喀則市薩迦縣扎西崗鄉(xiāng)玉薩村中低產(chǎn)田。地理坐標(biāo)為87°58′ E，28°51′ N，海拔4 420 m。從氣象部門了解到，薩迦縣2019年≥0℃的有效積溫為2 118.3 ℃，5月、6月、7月、8月、9月的月平均氣溫為8.6℃，13.3℃，12.6℃，12.0℃，10.2℃，6月干旱，7月、8月、9月月降水量分別為48.4 mm，26.5 mm，64.6 mm。經(jīng)測定試驗(yàn)地種植前的土壤情況為：pH 8.34、有機(jī)質(zhì)22.2 g·kg-1、全氮1.56 g·kg-1、水解性氮105 mg·kg-1、有效磷8.9 mg·kg-1、速效鉀44 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)材料

參試的6個(gè)燕麥品種均為審定品種，分別為：‘白燕2號’、‘青海444’、‘青引2號’、‘青引1號’、‘加燕2號’、‘甜燕麥’。草種購自青海湟中天興草業(yè)有限公司。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年5月13日播種，播前翻耕灌水，人工開溝條播。采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)小區(qū)面積20 m2(4 m×5 m)，每個(gè)品種3次重復(fù)，共18個(gè)小區(qū)，小區(qū)間保護(hù)行1 m。播種量210 kg·hm-2，行距17 cm，播深3～4 cm，播后鎮(zhèn)壓。底肥：有機(jī)肥(有機(jī)質(zhì)≥45%，N+P2O5+K2O≥5%)750 kg·hm-2人工均勻撒施后機(jī)械翻耕。種肥：二銨210 kg·hm-2，人工條施。田間管理：苗期除雜草、遇旱灌水，并在分蘗期和拔節(jié)期隨水追施尿素各105 kg·hm-2。

1.4 測定性狀及方法

1.4.1觀測項(xiàng)目及觀測時(shí)間 8月8日觀測項(xiàng)目：分蘗數(shù)、種子埋深、主根長、根系數(shù)量、株高、葉片數(shù)、葉長、葉寬、第一莖節(jié)長度、第二莖節(jié)長度、第三莖節(jié)長度。

9月23日觀測項(xiàng)目：株高、莖粗、莖重、葉穗重、主根長、鮮草產(chǎn)量。

1.4.2觀測方法 株高：每個(gè)小區(qū)遠(yuǎn)離邊緣30 cm隨機(jī)選取10 株測自然高度。

分蘗數(shù)、葉片數(shù)、葉長、葉寬、第一莖節(jié)長度、第二莖節(jié)長度、第三莖節(jié)長度：每個(gè)品種隨機(jī)取10 株，統(tǒng)計(jì)每株的分蘗數(shù)和葉片數(shù)，并用直尺測定旗葉長、寬和各莖節(jié)長度。

種子埋深、主根長、根系數(shù)量：每個(gè)品種隨機(jī)選取10 株，挖出根部清洗干凈，吸干水分，用直尺測量根部種皮到根基部的距離、主根長度，統(tǒng)計(jì)根系數(shù)量。

莖粗、莖重、葉重：每個(gè)品種隨機(jī)取20 株用游標(biāo)卡尺測量莖粗(第二莖節(jié))，并將莖葉分離(穗歸入葉重中)，用電子天平稱重記錄，計(jì)算葉莖比。

鮮重：去除小區(qū)兩側(cè)邊行和兩端各0.5 m，取中間剩余部分人工刈割稱鮮重，記錄刈割面積和鮮重。并取約2 000 g鮮樣帶回室內(nèi)自然風(fēng)干稱重，計(jì)算鮮干比，并換算出每hm2的干草產(chǎn)量。

1.4.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016對數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，用SPSS 20軟件進(jìn)行方差分析，同時(shí)通過因子分析確定參試各燕麥品種的18個(gè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)主成分特征值和特征向量，根據(jù)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率，選擇關(guān)鍵主成分，計(jì)算各主成分得分，再以每個(gè)主成分所對應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重，計(jì)算主成分綜合模型，最后利用各參試燕麥品種的綜合分值進(jìn)行排序[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同物候期的株高與主根長

由表1可知：8月，6個(gè)燕麥品種均處于抽穗期，‘甜燕麥’、‘青海444’、‘青引1號’株高差異不顯著，但‘甜燕麥’和‘青海444’與其余品種差異顯著(P<0.05)；9月，除‘青海444’處于乳熟末期、蠟熟初期外，其余品種均處于乳熟期，‘青海444’、‘青引1號’、‘甜燕麥’株高差異不顯著，但‘青海444’和‘青引1號’與其余品種差異顯著(P<0.05)。抽穗期至乳熟期，‘白燕2號’和‘加燕2號’株高增長最快，分別增加63.74，61.87 cm。說明‘青海444’、‘甜燕麥’、‘青引1號’株高較高，‘青海444’生育期最短。

表1 不同品種燕麥株高與主根系長度比較

8月，6個(gè)燕麥品種間主根長無顯著差異，最大的是‘青引1號’(11.83 cm)，最小的是‘白燕2號’(7.67 cm)；9月，‘加燕2號’與‘青引1號’、‘白燕2號’、‘青海444’的主根長差異不顯著，但與其余2個(gè)品種差異顯著(P<0.05)。‘白燕2號’和‘甜燕麥’9月的主根長比8月分別增長了4.87，2.07 cm，增長速度最快，其余品種主根長增長幅度不大。

2.2 不同時(shí)期的農(nóng)藝性狀表現(xiàn)

如表2所示，各品種在分蘗數(shù)、種子埋深方面無顯著差異。‘青引1號’、‘青海444’、‘甜燕麥’、‘青引2號’的根系較為發(fā)達(dá)。

表2 不同燕麥品種8月植株農(nóng)藝性狀表現(xiàn)

‘青引1號’與‘甜燕麥’的第一莖節(jié)長度無顯著差異，但與其它品種差異顯著(P<0.05)；其第二莖節(jié)長度與‘加燕2號’和‘甜燕麥’差異顯著(P<0.05)。‘青海444’與‘白燕2號’、‘青引1號’的第三莖節(jié)長度無顯著差異，但與其它品種差異顯著(P<0.05)。‘青引1號’的葉長與其余品種差異顯著(P<0.05)，但6個(gè)品種的葉片數(shù)、葉寬均無顯著差異(表3)。‘青引1號’的第二莖節(jié)長為8.20 cm，葉片數(shù)為36.33 個(gè)、葉長為26.36 cm，葉寬為1.27 cm，在6個(gè)品種中相對表現(xiàn)突出。

表3 不同燕麥品種8月植株農(nóng)藝性狀表現(xiàn)

‘青海444’和‘白燕2號’莖稈較粗，分別為5.70，4.96 mm，2者之間差異不顯著，但與其它品種差異顯著(P<0.05)；‘甜燕麥’和‘加燕2號’的葉莖比最大，分別為2.24，2.23，差異不顯著，但與其它品種差異顯著(P<0.05)(表4)。

表4 不同燕麥品種9月莖粗和葉莖比變化

綜上，‘青海444’的莖最粗，為5.70 mm；‘甜燕麥’的葉莖比最高，為2.24；二者的根系較為發(fā)達(dá)。

2.3 不同品種的生產(chǎn)性能表現(xiàn)

如表5所示，‘青引2號’與‘甜燕麥’、‘白燕2號’、‘青海444’的鮮草產(chǎn)量依次為49 850.21，48 577.44，48 087.19，46 244.57 kg·hm-2，4個(gè)品種間差異不顯著，但‘青引2號’與‘青引1號’間差異顯著(P<0.05)，6個(gè)品種鮮重從高到低依次為‘青引2號’>‘甜燕麥’>‘白燕2號’>‘青海444’>‘加燕2號’>‘青引1號’；6個(gè)品種中‘青引2號’干草產(chǎn)量最高(13 928.25 kg·hm-2)，‘青引1號’干草產(chǎn)量最低(12 716.55 kg·hm-2)，6個(gè)品種干草產(chǎn)量從高到低依次為‘青引2號’>‘青海444’>‘甜燕麥’>‘白燕2號’>‘加燕2號’>‘青引1號’，品種間無顯著差異；‘青海444’的鮮干比與其余品種差異顯著(P<0.05)。

表5 不同燕麥品種9月生產(chǎn)性能表現(xiàn)

綜上，‘青海444’生育期最短，鮮干比最低；‘青引2號’的鮮草產(chǎn)量和干草產(chǎn)量最高，分別為49 850.21，13 928.25 kg·hm-2。

2.4 燕麥主要農(nóng)藝性狀主成分分析

評價(jià)品種的生產(chǎn)性能時(shí)不能單一的通過某一個(gè)性狀來評價(jià)，主成分分析法通過將原始指標(biāo)降維，提取到幾個(gè)主成分，其中每個(gè)主成分都能反映原始變量的大部分信息，從而可以全面權(quán)衡每個(gè)性狀在某個(gè)品種中所處的位置和分量，為燕麥品種的篩選提供更加科學(xué)的方法[14-16]。為了更好的了解各農(nóng)藝性狀與燕麥品種間的關(guān)系，分別對本試驗(yàn)中涉及到的8月株高(X1)、9月株高(X2)、8月主根長(X3)、9月主根長(X4)，8月的分蘗數(shù)(X5)、根系數(shù)量(X6)、種子埋深(X7)、第一莖節(jié)長(X8)、第二莖節(jié)長(X9)、第三莖節(jié)長(X10)、葉片數(shù)(X11)、葉長(X12)、葉寬(X13)，9月的莖粗(X14)、葉莖比(X15)、鮮草產(chǎn)量(X16)、干草產(chǎn)量(X17)、鮮干比(X18)等18個(gè)性狀指標(biāo)采用主成分分析法做進(jìn)一步分析。

對所觀測的所有指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，根據(jù)主成分特征值大于1的原則，提取到4個(gè)主成分，累積貢獻(xiàn)率90.66%(表6)，表明這4個(gè)主成分因子基本較好的反映了供試材料的所有性狀信息，可代替原18個(gè)性狀指標(biāo)進(jìn)行燕麥品種的篩選。第1主成分的特征值為7.04，貢獻(xiàn)率39.08%。其特征向量中根系數(shù)量、第一莖節(jié)、第二莖節(jié)、葉片指標(biāo)顯著高于其他載荷因子，說明第一主成分基本反映了燕麥整個(gè)植株的生長情況。第2主成分的特征值為3.77，貢獻(xiàn)率為20.96%。其特征向量中種子埋深與產(chǎn)量有較高載荷。第3主成分的特征值為2.88，貢獻(xiàn)率為15.98%。其特征向量中莖粗與干草產(chǎn)量的載荷較高。說明第2，3主成分反映的是產(chǎn)量的信息。第4主成分的特征值為2.63，貢獻(xiàn)率為14.63%。其特征向量中分蘗數(shù)與葉片數(shù)有較高載荷，說明第4主成分反映了葉量的信息(表7)。

表6 不同燕麥品種各性狀的主成分方差貢獻(xiàn)率

表7 不同燕麥品種的主成分載荷矩陣及特征向量

續(xù)表7

由表8可知，‘青引1號’和‘青引2號’的主成分綜合得分分別為1.92，0.41。6個(gè)燕麥品種主成分分析得分高低順序依次為：‘青引1號’>‘青引2號’>‘甜燕麥’>‘白燕2號’>‘青海444’>‘加燕2號’。

表8 不同燕麥品種的主成分綜合得分及其排序

3 討論

作為連接植株地上部分與生長介質(zhì)的樞紐，根系的生長發(fā)育決定著植株地上部分的物質(zhì)積累及形態(tài)建成[17]。分蘗數(shù)是影響作物產(chǎn)量的一個(gè)重要因素，分蘗數(shù)增加可以提升作物的飼草產(chǎn)量和種子產(chǎn)量[18]。種子埋深影響到分蘗節(jié)的深度，進(jìn)而影響到分蘗數(shù)的多少和根系的生長程度。本研究中在基本一致的種植條件下，‘青海444’、‘青引1號’、‘甜燕麥’和‘青引2號’根系較為發(fā)達(dá)，為地上部分的生長提供了良好的養(yǎng)分輸送條件。牧草植株高度往往是衡量牧草產(chǎn)量的關(guān)鍵因子之一。本研究結(jié)果比張光雨等人[19]得出的燕麥品種平均株高146.25 cm低，比秦愛瓊[20]和多吉頓珠[21]的研究結(jié)果高，與周啟龍[22]的研究結(jié)果基本一致。這與試驗(yàn)區(qū)的海拔較高，有效積溫偏低，燕麥生長早期雨水偏少有關(guān)。干旱條件下，燕麥生長早期可通過調(diào)節(jié)根系生長和生理特性，啟動植株自身的耐旱機(jī)制來維持自身生存，而階段性的人工灌水，可使受損機(jī)能得到一定的補(bǔ)償或恢復(fù)，但補(bǔ)償和恢復(fù)程度與人工灌水的次數(shù)有關(guān)[23]。本研究中燕麥生長前期保證了人工灌水，中后期適逢雨季，基本滿足了植物對水分的需求，整體生長良好。

葉莖比、鮮干比都是反映牧草適口性的指標(biāo)。植株葉莖比越大，葉片含量越高，鮮干比越大，牧草水分含量越高，適口性更好。本研究中的葉莖比比王云濤等[24]的研究結(jié)果高，與張光雨等[19]的研究結(jié)果一致；鮮干比和王云濤等[24]的研究結(jié)果一致。說明，在高海拔的中低產(chǎn)田上種植燕麥可收獲適口性較好的青飼草，在該區(qū)域通過種植燕麥發(fā)展?fàn)I養(yǎng)體農(nóng)業(yè)來緩解當(dāng)?shù)貙η囡暡莸男枨笫强尚械摹Ｇo節(jié)的長短既和牧草品種有關(guān)也和田間種植條件有關(guān)，與植株生長后期是否會發(fā)生倒伏密切相關(guān)。梁國玲等[ 25 ]認(rèn)為燕麥莖稈倒伏一般發(fā)生在基部第1～3節(jié)間，其中第1節(jié)與第2節(jié)間形態(tài)特征對燕麥品種的抗倒伏能力貢獻(xiàn)最大。本研究中各品種的莖節(jié)因品種特性有所差異，但在相同的種植管理?xiàng)l件下未發(fā)生倒伏，說明6個(gè)燕麥品種抗倒伏性均較好。莖粗與株高一樣也是影響產(chǎn)量的關(guān)鍵因子。本研究中‘青海444’、‘白燕2號’、‘加燕2號’的莖粗均超4 mm，除‘青引1號’略低于周啟龍等[26]的研究結(jié)果外，‘青引2號’、‘加燕2號’、‘甜燕麥’的莖粗與其研究結(jié)果一致。說明品種間株高優(yōu)勢不明顯，但莖粗有優(yōu)勢的情況下，其牧草產(chǎn)量不一定低。

在西藏，“以草定畜”成為畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展、草地生態(tài)良性循環(huán)的根本保障[27]。推廣燕麥種植不僅能增加冬季補(bǔ)飼量，也可在一定程度上緩解天然草地的放牧壓力[19]。而利用當(dāng)?shù)氐闹械彤a(chǎn)田或宜耕地種植高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)牧草，逐漸推廣實(shí)行圈養(yǎng)舍飼，則是保持當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)增長和生態(tài)安全協(xié)調(diào)發(fā)展的最有效手段[28]。本研究中除‘青引1號’干草產(chǎn)量稍低于張光雨等[19]在南木林的研究外，其他品種的干草產(chǎn)量與其研究結(jié)果相似，但比張啟龍等[22]在拉薩種植的燕麥干草產(chǎn)量高，比張光雨等[26]在拉薩種植的燕麥干草產(chǎn)量低。這可能是因?yàn)檠帑湹纳L發(fā)育和產(chǎn)量受多方面因素的影響，其中適宜的生長環(huán)境及科學(xué)合理的栽培管理措施能使燕麥品種遺傳特性得以充分表達(dá)，進(jìn)而達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的目的[29]。耿小麗等[16]在甘肅天祝的研究認(rèn)為燕麥節(jié)間數(shù)、葉寬、株高3個(gè)性狀是直接影響燕麥草產(chǎn)量最主要因素。本研究區(qū)域?yàn)榘朕r(nóng)半牧區(qū)，冷涼的氣候條件和相對較好的灌溉條件，使燕麥品種自身的遺傳特性得到了較好的體現(xiàn)。產(chǎn)草量是衡量燕麥品種優(yōu)劣的重要指標(biāo)，是株高、分蘗數(shù)、生長速度、生物量生長率等性狀指標(biāo)的綜合體現(xiàn)[30]。因此，在中低產(chǎn)田上發(fā)展以燕麥為主的營養(yǎng)體農(nóng)業(yè)不僅能充分利用土地資源，收獲高產(chǎn)的青飼草用于補(bǔ)飼，增加農(nóng)牧民收入外，還能起到改良土壤、減少水土流失等生態(tài)效應(yīng)。

4 結(jié)論

根據(jù)對不同燕麥品種農(nóng)藝性狀的主成分分析，綜合排序結(jié)果為：‘青引1號’>‘青引2號’>‘甜燕麥’>‘白燕2號’>‘青海444’>‘加燕2號’。以收獲青干草為目的燕麥種植是高海拔區(qū)域中低產(chǎn)田綜合改造利用的有效生物措施之一，本研究認(rèn)為在薩迦縣高海拔區(qū)域中低產(chǎn)田上適宜種植的燕麥品種有‘青引1號’和‘青引2號’。