基于主成分分析的燕麥品種生產性能的比較研究

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. 青海省畜牧獸醫科學院/青海大學， 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大市，自然條件嚴酷，冷季時間長，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”地區為核心的農區是西藏畜牧業發展潛力最大的區域，也是農牧結合發展戰略的重點實施區域[1]。因中低產田發展農作物普遍面臨產量低且不穩、生產效益較差的問題，在西藏，一般糧食產量單產在150 kg左右的耕地被列入中低產田綜合改造和治理計劃[2]。相對于傳統籽實農業提出的營養體農業，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，表現出較強的抗逆性和更廣泛的適應性[3]，而牧草又兼具較好的固土、涵養水分、培肥地力等生態功能[4]，在中低產田綜合改造利用和緩解牧區、半農半牧區草料短缺等問題中表現出巨大發展潛力[5-6]。燕麥(Avenasativa)是糧草兼用型一年生飼料作物，具有適應性強、產草量高、營養價值高、適口性好等特點[7]，在西藏畜牧業發展中具有重要地位和作用[8]。近年來，有學者在西藏各地開展了一些燕麥引種工作，為當地種植燕麥提供了品種選擇的依據。如：周啟龍等[9]在拉薩市通過對18個引進燕麥品種主要農藝性狀和營養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個燕麥品種的物候期、鮮草產量和干草產量等方面的對比分析，認為可將‘青海444’、‘青引1號’、‘領袖燕麥’、‘白燕7號’作為當地飼草生產的主推燕麥品種；周啟龍在阿里通過對19個燕麥引進品種的灰色關聯度評價，認為‘貝勒2’、‘美達’、‘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海拔和氣候條件差異較大，同一燕麥品種在各地表現不一，薩迦縣農牧民群眾建植人工草地時不能因地制宜的選擇牧草品種，主觀隨意性較大[4,12]，而且高海拔區域中低產田因生產潛力不大，極易形成棄耕地等實際問題。因此，本研究在日喀則地區南木林縣艾瑪鄉[10]和康馬縣涅如堆鄉[13]燕麥引種工作基礎上，選定生產性能較為突出的6個燕麥品種為材料，在薩迦縣扎西崗鄉中低產田試驗地上開展不同燕麥品種的生產性能比較研究，采用主成分分析法對其18個農藝性狀進行綜合評價，以期為該區域選出最適宜進行飼草種植的燕麥品種，并為相似生境條件下的中低產田綜合改造利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于西藏日喀則市薩迦縣扎西崗鄉玉薩村中低產田。地理坐標為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。經測定試驗地種植前的土壤情況為：pH 8.34、有機質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 試驗材料

參試的6個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有限公司。

1.3 試驗設計

試驗于2019年5月13日播種，播前翻耕灌水，人工開溝條播。采用單因素隨機區組設計，每個小區面積20 m2(4 m×5 m)，每個品種3次重復，共18個小區，小區間保護行1 m。播種量210 kg·hm-2，行距17 cm，播深3～4 cm，播后鎮壓。底肥：有機肥(有機質≥45%，N+P2O5+K2O≥5%)750 kg·hm-2人工均勻撒施后機械翻耕。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觀測項目及觀測時間 8月8日觀測項目：分蘗數、種子埋深、主根長、根系數量、株高、葉片數、葉長、葉寬、第一莖節長度、第二莖節長度、第三莖節長度。

9月23日觀測項目：株高、莖粗、莖重、葉穗重、主根長、鮮草產量。

1.4.2觀測方法 株高：每個小區遠離邊緣30 cm隨機選取10 株測自然高度。

分蘗數、葉片數、葉長、葉寬、第一莖節長度、第二莖節長度、第三莖節長度：每個品種隨機取10 株，統計每株的分蘗數和葉片數，并用直尺測定旗葉長、寬和各莖節長度。

種子埋深、主根長、根系數量：每個品種隨機選取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，統計根系數量。

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

鮮重：去除小區兩側邊行和兩端各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鮮樣帶回室內自然風干稱重，計算鮮干比，并換算出每hm2的干草產量。

1.4.3數據統計分析 試驗數據采用Excel 2016對數據進行描述性統計，用SPSS 20軟件進行方差分析，同時通過因子分析確定參試各燕麥品種的18個農藝性狀指標主成分特征值和特征向量，根據主成分累計貢獻率，選擇關鍵主成分，計算各主成分得分，再以每個主成分所對應的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權重，計算主成分綜合模型，最后利用各參試燕麥品種的綜合分值進行排序[14]。

2 結果與分析

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 不同時期的農藝性狀表現

如表2所示，各品種在分蘗數、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’的根系較為發達。

表2 不同燕麥品種8月植株農藝性狀表現

‘青引1號’與‘甜燕麥’的第一莖節長度無顯著差異，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個品種的葉片數、葉寬均無顯著差異(表3)。‘青引1號’的第二莖節長為8.20 cm，葉片數為36.33 個、葉長為26.36 cm，葉寬為1.27 cm，在6個品種中相對表現突出。

表3 不同燕麥品種8月植株農藝性狀表現

‘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；二者的根系較為發達。

2.3 不同品種的生產性能表現

如表5所示，‘青引2號’與‘甜燕麥’、‘白燕2號’、‘青海444’的鮮草產量依次為49 850.21，48 577.44，48 087.19，46 244.57 kg·hm-2，4個品種間差異不顯著，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個品種中‘青引2號’干草產量最高(13 928.25 kg·hm-2)，‘青引1號’干草產量最低(12 716.55 kg·hm-2)，6個品種干草產量從高到低依次為‘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月生產性能表現

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

2.4 燕麥主要農藝性狀主成分分析

評價品種的生產性能時不能單一的通過某一個性狀來評價，主成分分析法通過將原始指標降維，提取到幾個主成分，其中每個主成分都能反映原始變量的大部分信息，從而可以全面權衡每個性狀在某個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的方法[14-16]。為了更好的了解各農藝性狀與燕麥品種間的關系，分別對本試驗中涉及到的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(X5)、根系數量(X6)、種子埋深(X7)、第一莖節長(X8)、第二莖節長(X9)、第三莖節長(X10)、葉片數(X11)、葉長(X12)、葉寬(X13)，9月的莖粗(X14)、葉莖比(X15)、鮮草產量(X16)、干草產量(X17)、鮮干比(X18)等18個性狀指標采用主成分分析法做進一步分析。

對所觀測的所有指標進行標準化處理，根據主成分特征值大于1的原則，提取到4個主成分，累積貢獻率90.66%(表6)，表明這4個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個性狀指標進行燕麥品種的篩選。第1主成分的特征值為7.04，貢獻率39.08%。其特征向量中根系數量、第一莖節、第二莖節、葉片指標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植株的生長情況。第2主成分的特征值為3.77，貢獻率為20.96%。其特征向量中種子埋深與產量有較高載荷。第3主成分的特征值為2.88，貢獻率為15.98%。其特征向量中莖粗與干草產量的載荷較高。說明第2，3主成分反映的是產量的信息。第4主成分的特征值為2.63，貢獻率為14.63%。其特征向量中分蘗數與葉片數有較高載荷，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率

表7 不同燕麥品種的主成分載荷矩陣及特征向量

續表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的樞紐，根系的生長發育決定著植株地上部分的物質積累及形態建成[17]。分蘗數是影響作物產量的一個重要因素，分蘗數增加可以提升作物的飼草產量和種子產量[18]。種子埋深影響到分蘗節的深度，進而影響到分蘗數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’根系較為發達，為地上部分的生長提供了良好的養分輸送條件。牧草植株高度往往是衡量牧草產量的關鍵因子之一。本研究結果比張光雨等人[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]的研究結果高，與周啟龍[22]的研究結果基本一致。這與試驗區的海拔較高，有效積溫偏低，燕麥生長早期雨水偏少有關。干旱條件下，燕麥生長早期可通過調節根系生長和生理特性，啟動植株自身的耐旱機制來維持自身生存，而階段性的人工灌水，可使受損機能得到一定的補償或恢復，但補償和恢復程度與人工灌水的次數有關[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。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]的研究結果高，與張光雨等[19]的研究結果一致；鮮干比和王云濤等[24]的研究結果一致。說明，在高海拔的中低產田上種植燕麥可收獲適口性較好的青飼草，在該區域通過種植燕麥發展營養體農業來緩解當地對青飼草的需求是可行的。莖節的長短既和牧草品種有關也和田間種植條件有關，與植株生長后期是否會發生倒伏密切相關。梁國玲等[ 25 ]認為燕麥莖稈倒伏一般發生在基部第1～3節間，其中第1節與第2節間形態特征對燕麥品種的抗倒伏能力貢獻最大。本研究中各品種的莖節因品種特性有所差異，但在相同的種植管理條件下未發生倒伏，說明6個燕麥品種抗倒伏性均較好。莖粗與株高一樣也是影響產量的關鍵因子。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]的研究結果外，‘青引2號’、‘加燕2號’、‘甜燕麥’的莖粗與其研究結果一致。說明品種間株高優勢不明顯，但莖粗有優勢的情況下，其牧草產量不一定低。

在西藏，“以草定畜”成為畜牧業可持續發展、草地生態良性循環的根本保障[27]。推廣燕麥種植不僅能增加冬季補飼量，也可在一定程度上緩解天然草地的放牧壓力[19]。而利用當地的中低產田或宜耕地種植高產優質牧草，逐漸推廣實行圈養舍飼，則是保持當地經濟增長和生態安全協調發展的最有效手段[28]。本研究中除‘青引1號’干草產量稍低于張光雨等[19]在南木林的研究外，其他品種的干草產量與其研究結果相似，但比張啟龍等[22]在拉薩種植的燕麥干草產量高，比張光雨等[26]在拉薩種植的燕麥干草產量低。這可能是因為燕麥的生長發育和產量受多方面因素的影響，其中適宜的生長環境及科學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，進而達到高產、優質的目的[29]。耿小麗等[16]在甘肅天祝的研究認為燕麥節間數、葉寬、株高3個性狀是直接影響燕麥草產量最主要因素。本研究區域為半農半牧區，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。產草量是衡量燕麥品種優劣的重要指標，是株高、分蘗數、生長速度、生物量生長率等性狀指標的綜合體現[30]。因此，在中低產田上發展以燕麥為主的營養體農業不僅能充分利用土地資源，收獲高產的青飼草用于補飼，增加農牧民收入外，還能起到改良土壤、減少水土流失等生態效應。

4 結論

根據對不同燕麥品種農藝性狀的主成分分析，綜合排序結果為：‘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域中低產田綜合改造利用的有效生物措施之一，本研究認為在薩迦縣高海拔區域中低產田上適宜種植的燕麥品種有‘青引1號’和‘青引2號’。