采用主成分分析和隸屬函數(shù)法綜合評價14份青貯玉米品種的生產(chǎn)性能

田 宏，熊海謙，熊軍波，張鶴山，蔡 化，劉 洋*

(1．湖北省農(nóng)業(yè)科學院 畜牧獸醫(yī)研究所/湖北省動物胚胎工程及分子育種重點實驗室，湖北 武漢 430209;2．湖北省黃岡市農(nóng)業(yè)科學院，湖北 黃岡 438000)

近年來，隨著我國畜牧業(yè)尤其是奶業(yè)的快速發(fā)展，青貯玉米種植面積逐年擴大，幾乎每個規(guī)模化奶牛養(yǎng)殖場都建有青貯窖并輻射帶動周邊農(nóng)民大面積種植青貯玉米。青貯飼料以其加工調(diào)制后莖稈軟化、可長期保持青綠多汁，有效保存飼料養(yǎng)分，消化率高而受到人們的青睞。研究表明種植相同面積的青貯玉米比普通玉米可多提供2～3倍的飼料量，其消化率提高近3倍［1］。且全株青貯較去穗玉米秸稈青貯更好的保存了玉米蛋白質(zhì)、糖分、維生素和微量元素等，適口性好并易于機械化栽培收獲，是解決我國畜牧業(yè)迅速發(fā)展與青飼料不足的重要途徑［2］。

自2008年，湖北省奶業(yè)突破長期低速發(fā)展局面，出現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢，并成為帶動當?shù)剞r(nóng)村經(jīng)濟的增長點。伊利、蒙牛、光明等國內(nèi)奶業(yè)巨頭紛紛在湖北投資建廠，當?shù)卣卜e極扶持，給予政策支持。截至2012年全省奶牛存欄量超過8萬頭，在各地的奶業(yè)發(fā)展中，以黃岡地區(qū)最為突出。隨著奶牛數(shù)量的增加，優(yōu)質(zhì)飼料需求逐年提高。但目前，青貯飼料種植品種混亂，種植戶缺乏對品種的了解，銷售市場以次充優(yōu)現(xiàn)象較多，導致種植的青飼飼料多以普通玉米為主，生物產(chǎn)量低且營養(yǎng)價值差。為此，本研究結(jié)合種植地區(qū)的氣候條件、選擇通過國家或省級審定的青貯玉米品種14份，采用主成分分析和隸屬函數(shù)法從生產(chǎn)特性、品質(zhì)、抗逆性等多方面進行綜合評價，目的為篩選和推廣適合湖北地區(qū)種植的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)全株青貯玉米品種提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 試驗材料

本試驗共選擇14份青貯玉米品種，其種子來源及選育情況見表1。

表1 供試青貯玉米品種及來源Tab．1 Variety and source of silagemaize

1．2 試驗地概況

試驗地設(shè)在湖北省黃岡市農(nóng)業(yè)科學院梅家墩品種引種示范基地，2012年進行。該區(qū)屬亞熱帶大陸性季風氣候，四季光熱界限分明。年平均氣溫16．9℃，年平均降水量1 200 mm，年均日照數(shù)1 913．5～2 161．5 h，無霜期268 d。土壤類型為潮土及發(fā)育的水稻土。試驗地塊前茬為水稻田，pH6．8，有機質(zhì)含量低，為 0．89%，氨態(tài)氮 10．4 mg/L，有效磷 26．5 mg/L，有效鉀 85．1 mg/L。

1．3 試驗設(shè)計

參考國家青貯玉米品種區(qū)域試驗實施方案，采取隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復，小區(qū)面積20 m2(長5 m×寬4 m)。穴播，行距60 cm，每小區(qū)7行，株距28 cm，每行18穴。播種深度5～6 cm。每穴播2～3粒種子，在4～5葉期進行間苗，每小區(qū)保苗數(shù)126株(種植密度63 030株/hm2)。盡可能一次播種保全苗，如出現(xiàn)明顯的缺苗，應盡快補播或移栽。多余種子種植10～20株留作物候期觀測。

1．4 田間管理

播種前施腐熟的牛糞45 000 kg/hm2和復合肥(m(N)∶m(P)∶m(K)=15∶15∶15)750 kg/hm2做底肥，在大喇叭期追施尿素150 kg/hm2。根據(jù)天氣和土壤水分含量，適時適量澆水，保證每小區(qū)均勻灌溉。病蟲害以防為主，根據(jù)田間蟲害和病害發(fā)生情況，選擇低毒高效的藥劑適當防治。

1．5 測定指標和方法

1．5．1 農(nóng)藝性狀測定 生長期內(nèi)觀測出苗期、分蘗期、拔節(jié)期、抽雄期、乳熟期、蠟熟期和完熟期，均以小區(qū)內(nèi)50%的植株達到標準為主。收獲時對整個小區(qū)的植株進行空桿率、倒伏率、倒折率和雙穗率調(diào)查，計算百分率。同時，在各小區(qū)隨機選取正常生長植株10個，測量株高、保綠度和穗位高。

1．5．2 籽實性狀測定 在收獲后，從每個品種中隨機取果穗10個，測定穗長、穗寬、禿尖長和單穗質(zhì)量，并對果穗是否出現(xiàn)病蟲害進行調(diào)查。

1．5．3 生物產(chǎn)量和粗蛋白的測定 在大部分材料處于蠟熟期進行收獲，去掉邊行和每行頂頭的2株，取中間80株，從地上部20 cm處全株收割，稱質(zhì)量，得到小區(qū)鮮草產(chǎn)量。從每個小區(qū)中隨機取10株切碎混勻，然后隨機取1．0 kg樣品2份，一份在105℃條件下烘干2 h左右，再在60℃烘干至恒質(zhì)量，計算含水量，換算干物質(zhì)產(chǎn)量。一份自然風干過40目篩，用自動凱氏定氮儀測粗蛋白含量。

1．6 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS13．0軟件統(tǒng)計分析，用新復極差法進行多重比較，對測定的農(nóng)藝性狀、生物產(chǎn)量、品質(zhì)相關(guān)的各指標進行主成分提取和相關(guān)性分析，然后采用隸屬函數(shù)法求出每個品種主要指標的隸屬值［3］。其中X(μ)=(X－Xmin)/(Xmax－Xmin)，式中X為某品種某一指標的測定值;Xmax為所有品種某一指標測定值的最大值;Xmin為該指標中的最小值。對各個青貯玉米品種相關(guān)指標的隸屬值累加求平均值，值越大，則綜合性能越好。

2 結(jié)果與分析

2．1 農(nóng)藝性狀

由表1可知，14份青貯玉米品種的生育期除來自福建的明飼1號和花單1號較長外，其余品種均在92～95 d。收獲時，明飼1號仍處乳熟初期，花單1號處乳熟后期，而其余材料大多接近完熟期。14份材料中，玉草1號和8493均有分蘗，每株平均4個，其中8493個別植株分蘗數(shù)達10個以上。

株高方面，除農(nóng)大86植株相對較矮外(表2)，僅為173．8 cm，其余品種株高均在200 cm以上。參試材料中華豐3號植株平均最高，達265．2 cm，但經(jīng)方差分析，與華玉5號雅玉8號、玉草1號和晉單42差異不顯著。

保綠度是指青貯收獲時綠葉數(shù)占可見總?cè)~數(shù)的百分比，對青貯飼料的品質(zhì)影響較大。在14份材料中，雅玉8號保綠度最高，達93．38%，保綠度在90%以上的品種還有農(nóng)大806、華玉5號、8493、花單1號和明飼1號，經(jīng)方差分析，這5份材料的保綠度差異不顯著。品種805保綠度最差，僅為77．14%，與其他材料差異達顯著水平(P＜0．05)。

在青貯收獲期，除華豐3號有較多植株倒伏外，倒伏率為2．91%，經(jīng)分析與其它品種差異顯著(P＜0．05)。其它品種幾乎未有倒伏。倒折率方面，華豐3號、華玉5號和805相對較高，平均為3．26%，而明飼1號和豫青貯23相對較低。

表2 不同青貯玉米品種的生育期Tab．2 Grow th period of different silage corn varieties

14份材料中玉草1號和8493無穗，在結(jié)穗的其他12份材料調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，雅玉8號和鄭青貯1號空桿率為零，結(jié)穗率極高，而空桿率較高的品種有華豐3號、花單1號和豫青貯23。雙穗率方面，除雅玉8號和華豐3號有個別植株出現(xiàn)雙穗外，其余品種均為單穗。穗位高在各品種間差異較大，變化幅度在62．3～122．0 cm，其中華豐3號、華玉5號和雅玉8號的穗位高與其他品種差異顯著(P＜0．05)，但三者間差異不顯著。農(nóng)大86的穗位高最低，經(jīng)分析，與其他所有品種差異達顯著水平(P＜0．05)。

表3 不同青貯玉米品種的農(nóng)藝性狀指標Tab．3 Agronom ic traits of different silage corn varieties

2．2 籽實性狀

玉米帶穗青貯有利于乳酸菌等有益微生物的活動，可縮短青貯時間，所制青貯料有較高的能量，試驗證明，全株玉米青貯比去穗玉米秸稈青貯無論是在飼喂肉牛育肥還是奶牛產(chǎn)奶等方面有著極高的優(yōu)勢［4-6］。在對結(jié)穗的12份青貯玉米穗部性狀測定中發(fā)現(xiàn)，京科青貯516的果穗最長，達23．8 cm，經(jīng)分析與其它品種差異顯著(P＜0．01)。其次為花單1號和雅玉8號;穗長表現(xiàn)最差的是華豐3號，僅18．5 cm。穗粗方面，華玉5號和鄭青貯1號均達5．10 cm以上，但經(jīng)分析與京科青貯516、雅玉8號、805、花單1號和農(nóng)大86差異不顯著。明飼1號果穗整體表現(xiàn)細長，穗粗僅為3．99 cm，除與豫青貯23差異不顯著外，與其他品種差異顯著(P＜0．01)。單穗質(zhì)量在各品種間差異也較大，排在前3名的品種有雅玉8號、京科青貯516和華玉5號，平均單穗質(zhì)量269．04 g;而花單1號、北農(nóng)208、華豐3號、豫青貯23和明飼1號單穗質(zhì)量均不到200 g，尤其是明飼1號，單穗質(zhì)量僅153．93 g。果穗禿尖長度方面，花單1號禿尖長度較長，占總穗長的 27．75%，其它品種在 10．13%～17．45%。

在青貯收獲時，各品種的果穗籽實飽滿度和受害蟲危害程度有較大差異，其中華玉5號、雅玉8號和京科青貯516籽實黃亮、飽滿，而豫青貯23、花單1號和明飼1號籽實稀少，且癟種子較多。在蟲害方面，雅玉8號表現(xiàn)為很好的抗蟲性，果穗無任何蟲害，華玉5號有個別籽粒有蟲害危害現(xiàn)象，而北農(nóng)208、鄭青貯1號、京科青貯516、晉單42和805所有果穗均有被蟲危害的現(xiàn)象。

表4 不同青貯玉米品種的籽實情況Tab．4 Seeds of different silage corn varieties

2．3 生物產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量

全株產(chǎn)量是衡量一個牧草品種生產(chǎn)性能的主要指標［7］。從表5可見，參試材料中8493鮮草產(chǎn)量最高，達81 177．85 kg/hm2，顯著高于其它品種(P＜0．05)。其次為雅玉8號和花單1號，但兩者與玉草1號、華玉5號、明飼1號差異不顯著。鮮草產(chǎn)量相對較低的品種是豫青貯23和805，其鮮草產(chǎn)量較品種8493減少兩倍以上。

干物質(zhì)產(chǎn)量因各品種水分含量不同而稍有差異，產(chǎn)量最高的品種仍是8493，達20 044．37 kg/hm2，顯著高于其它品種(P＜0．05)?；▎?號次之，雅玉8號排名第3，但經(jīng)方差分析，兩品種干物質(zhì)產(chǎn)量差異不顯著。在所有參試品種中，豫青貯23干物質(zhì)產(chǎn)量最低，僅為9 379．48 kg/hm2。

對各品種粗蛋白進行分析發(fā)現(xiàn)，14份參試材料的粗蛋白質(zhì)含量在收獲時變化較大。粗蛋白含量最高的為雅玉8號，達9．56%，其次是花單1號。所有參試品種中，晉單42粗蛋白含量最低，僅為6．66%，大部分品種的粗蛋白含量在8．00%～8．76%。

表5 不同青貯玉米品種生物產(chǎn)量和粗蛋白含量Tab．5 Biological yield and cure protein content of different silage corn varieties

表6 主成分提取分析Tab．6 Principal com ponent extraction and analysis

2．4 對主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和品質(zhì)進行主成分和相關(guān)性分析

主成分分析是將多個指標進行組合，轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標的統(tǒng)計分析方法，從而達到簡化的目的［8］。對14份青貯玉米品種測定的株高、保綠度、穗位高、單穗質(zhì)量、倒伏率、干物質(zhì)和蛋白質(zhì)含量等11個指標進行因子主成分分析，根據(jù)累積貢獻率≥85%的原則取主成分，本研究提取了3個主成分(表6、表7)，其中第一主成分的特征值為5．502，貢獻率為50．018%，對應特征向量中，數(shù)量較大的性狀為穗部特征，其有效穗長、穗長、穗寬和單穗質(zhì)量的相關(guān)系數(shù)分別為 0．982、0．975、0．977 和 0．919。第二主成分的特征值為2．548，貢獻率為23．166%，對應的特征向量中主要表現(xiàn)在保綠度、蛋白質(zhì)含量和干物質(zhì)產(chǎn)量方面。第三主成分的特征值為1．494，貢獻率為13．581%，數(shù)量較大的是倒伏率和株高，相關(guān)系數(shù)分別為0．782和0．699。以上3個主成分的累計貢獻率為86．765%，基本包含了所測指標的全部信息。

表8 農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和品質(zhì)的相關(guān)性分析Tab．8 Correlation analysis among agronom ic traits，biological yield and nutrient quality

為進一步篩選主要指標，對這11項指標進行相關(guān)性分析，結(jié)果(表8)表明，株高和倒伏率呈正相關(guān)，且達顯著水平(P＜0．05)，說明植株越高，倒伏的風險則越大，因此在選擇青貯玉米品種或進行新品種選育時抗倒伏性也是一個必須考慮的因素。在穗部特征方面，單穗質(zhì)量與穗位高、有效穗長、穗長和穗寬均表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)(P＜0．01)，相關(guān)系數(shù)分別為 0．89、0．94、0．94 和 0．97。鮮草產(chǎn)量與保綠度表現(xiàn)為正相關(guān)，但與穗部的長寬、單穗質(zhì)量均呈負相關(guān)，干物質(zhì)產(chǎn)量與鮮草產(chǎn)量極顯著正相關(guān)(P＜0．01)，相關(guān)系數(shù)0．94。由此可見，青貯飼料籽實產(chǎn)量高不一定生物產(chǎn)量高，說明植株生長過程中光合產(chǎn)物分配中籽粒產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量間存在一定矛盾。

表9 不同青貯玉米品種各指標的隸函數(shù)值及綜合評價Tab．9 The value of subordinate function and comprehensive evaluation of different silage corn varieties

2．5 采用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)法進行綜合評價

綜合主成分分析和各指標相關(guān)性分析結(jié)果，在第一主成分下選擇單穗重來代表穗部特征，第二主成分選擇風干物質(zhì)產(chǎn)量、第三主成分選擇株高3個主要指標，采用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)法進行數(shù)據(jù)分析(表9)。結(jié)果表明，在所有品種中，雅玉8號表現(xiàn)最好，平均隸屬函數(shù)值為0．78;其次為華玉5號和華豐3號，鄭青貯1號、京科青516、晉單42、8493和花單1號的函數(shù)值在0．51～0．57，表現(xiàn)一般。所有參試品種中，農(nóng)大86、豫青貯23和北農(nóng)208綜合表現(xiàn)較差。

3 討論與結(jié)論

如何正確評價各品種的生產(chǎn)性能是育種者和推廣者需要共同面臨的一個問題，利用主成分分析和隸屬函數(shù)法綜合評價在牧草抗逆性方面應用較多［9-10］，但在玉米多個品種綜合評價方面相對較少［11-12］。通過本試驗的研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)合主成分分析簡化多個測定指標，提取主要因子，然后再采取隸屬函數(shù)法對青貯玉米品種進行綜合評價，方法合理、無人為因素限制，能較全面地反映一個品種綜合生產(chǎn)性能的優(yōu)劣，其結(jié)果與試驗表現(xiàn)相吻合。

玉米的產(chǎn)量、品質(zhì)與各農(nóng)藝性狀有著密切的關(guān)系，明確了其間的關(guān)系無論對選育還是選擇都有著重要的意義。本試驗結(jié)果表明，青貯玉米的鮮草產(chǎn)量與保綠度呈顯著正相關(guān)(P＜0．05)，這一結(jié)論與李德峰［13］、劉冠名［14］、胡巍等［15］對青貯玉米與主要農(nóng)藝性狀相關(guān)性研究結(jié)果一致，這也與青貯玉米品種選育目標相統(tǒng)一，要提高品種產(chǎn)量，植株高大、葉片繁茂、保綠性好是選育的首要標準［16-18］。但在本試驗中發(fā)現(xiàn)，鮮草產(chǎn)量、干物質(zhì)產(chǎn)量均與穗部特征指標表現(xiàn)為負相關(guān)，且達顯著差異水平(P＜0．05)，這與廖長見［19］對影響青貯玉米生產(chǎn)產(chǎn)量關(guān)鍵農(nóng)藝性狀的研究中發(fā)現(xiàn)秸稈產(chǎn)量與籽粒產(chǎn)量呈顯著負相關(guān)相一致。目前，人們對影響青貯玉米生產(chǎn)產(chǎn)量的鑒定指標尚無統(tǒng)一。何文鑄等［20］認為秸稈產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量和株高3指標可進行輔助選擇。騰輝升等［21］則認為，青貯玉米選育時，應以株高、節(jié)間數(shù)為主，穗下位綠葉數(shù)為輔。李波等也認為株高、采收期和穗位高是影響生物產(chǎn)量的主要因素［22］。在這些研究中人們都發(fā)現(xiàn)在不倒伏的前提下，植株高大、耐密植、保綠度高、單位面積生物產(chǎn)量高是選用青貯玉米的關(guān)鍵。果穗一般含有較高的營養(yǎng)物質(zhì)，是非常重要的能量來源，在選擇青貯玉米優(yōu)良品種時可作為輔助指標［23］，但不應是關(guān)鍵指標。但收獲時高的保綠性是青貯玉米品種選擇的主要指標之一。

較高的生物產(chǎn)量和良好的營養(yǎng)品質(zhì)是優(yōu)良青貯玉米品種的必備條件，但在生產(chǎn)中除本身特性外，收獲時期對產(chǎn)量和品質(zhì)影響也較大。一般來說當乳線達3/4時，整株的干物質(zhì)含量最大，且營養(yǎng)價值高。如收獲過早，不僅生物產(chǎn)量低，且含水量高不利青貯。收獲過晚，枯葉增多，穗軸和秸稈木質(zhì)化程度偏高，營養(yǎng)價值偏低［24］。因此適時收獲是獲取生物最大產(chǎn)量和營養(yǎng)價值最高的關(guān)鍵，青貯玉米一般要求在全株含水量60%～70%時收獲，也就是子粒乳熟末期至蠟熟初期收獲［25］。本試驗在收獲時，大部分品種處蠟熟末期，糧飼兼用型的華玉5號及來自北方的青貯玉米品種農(nóng)大86、京科青貯516和晉單42已接近完熟期，而來自南方福建的花單1號和明飼1號青貯玉米品種仍處乳熟期，生育期延長。本試驗中14份青貯飼草植物，綜合表現(xiàn)最好的是雅玉8號，該品種也是青貯玉米國家區(qū)域試驗南方組的對照品種，生物產(chǎn)量、品質(zhì)及抗病性等方面均表現(xiàn)優(yōu)異，是最好的選擇，其次為華玉5號，而華豐3號和花單1號也是適合本地區(qū)種植的較好青貯玉米品種。

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