基于主成分分析的燕麦品种生产性能的比较研究

吴海艳， 曲 珍， 刘昭明， 拉巴顿珠， 同桑措姆， 曲 尼， 尼玛卓嘎， 马玉寿

(1. 青海省畜牧兽医科学院/青海大学， 青海 西宁 810016； 2. 日喀则市草原工作站， 西藏 日喀则 857000；3. 黑龙江省草原站， 黑龙江 哈尔滨 150086)

日喀则市是西藏主要的粮仓和牧业大市，自然条件严酷，冷季时间长，牧草生长期短，天然草场放牧压力大，草畜矛盾突出，以“一江两河”地区为核心的农区是西藏畜牧业发展潜力最大的区域，也是农牧结合发展战略的重点实施区域[1]。因中低产田发展农作物普遍面临产量低且不稳、生产效益较差的问题，在西藏，一般粮食产量单产在150 kg左右的耕地被列入中低产田综合改造和治理计划[2]。相对于传统籽实农业提出的营养体农业，受光照、热量、海拔限制较小，能更充分的利用气候、土地和生物资源，使单位面积的生物量大幅度提高，表现出较强的抗逆性和更广泛的适应性[3]，而牧草又兼具较好的固土、涵养水分、培肥地力等生态功能[4]，在中低产田综合改造利用和缓解牧区、半农半牧区草料短缺等问题中表现出巨大发展潜力[5-6]。燕麦(Avenasativa)是粮草兼用型一年生饲料作物，具有适应性强、产草量高、营养价值高、适口性好等特点[7]，在西藏畜牧业发展中具有重要地位和作用[8]。近年来，有学者在西藏各地开展了一些燕麦引种工作，为当地种植燕麦提供了品种选择的依据。如：周启龙等[9]在拉萨市通过对18个引进燕麦品种主要农艺性状和营养成分的遗传多样性分析，筛选出‘贝勒Ⅱ’、‘牧王’、‘海威’为适宜种植的品种；刘昭明等[10]在日喀则市通过对10个燕麦品种的物候期、鲜草产量和干草产量等方面的对比分析，认为可将‘青海444’、‘青引1号’、‘领袖燕麦’、‘白燕7号’作为当地饲草生产的主推燕麦品种；周启龙在阿里通过对19个燕麦引进品种的灰色关联度评价，认为‘贝勒2’、‘美达’、‘白燕7号’和‘燕王’适宜在该地作为牧草推广种植。但由于西藏不同地区海拔和气候条件差异较大，同一燕麦品种在各地表现不一，萨迦县农牧民群众建植人工草地时不能因地制宜的选择牧草品种，主观随意性较大[4,12]，而且高海拔区域中低产田因生产潜力不大，极易形成弃耕地等实际问题。因此，本研究在日喀则地区南木林县艾玛乡[10]和康马县涅如堆乡[13]燕麦引种工作基础上，选定生产性能较为突出的6个燕麦品种为材料，在萨迦县扎西岗乡中低产田试验地上开展不同燕麦品种的生产性能比较研究，采用主成分分析法对其18个农艺性状进行综合评价，以期为该区域选出最适宜进行饲草种植的燕麦品种，并为相似生境条件下的中低产田综合改造利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于西藏日喀则市萨迦县扎西岗乡玉萨村中低产田。地理坐标为87°58′ E，28°51′ N，海拔4 420 m。从气象部门了解到，萨迦县2019年≥0℃的有效积温为2 118.3 ℃，5月、6月、7月、8月、9月的月平均气温为8.6℃，13.3℃，12.6℃，12.0℃，10.2℃，6月干旱，7月、8月、9月月降水量分别为48.4 mm，26.5 mm，64.6 mm。经测定试验地种植前的土壤情况为：pH 8.34、有机质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、速效钾44 mg·kg-1。

1.2 试验材料

参试的6个燕麦品种均为审定品种，分别为：‘白燕2号’、‘青海444’、‘青引2号’、‘青引1号’、‘加燕2号’、‘甜燕麦’。草种购自青海湟中天兴草业有限公司。

1.3 试验设计

试验于2019年5月13日播种，播前翻耕灌水，人工开沟条播。采用单因素随机区组设计，每个小区面积20 m2(4 m×5 m)，每个品种3次重复，共18个小区，小区间保护行1 m。播种量210 kg·hm-2，行距17 cm，播深3～4 cm，播后镇压。底肥：有机肥(有机质≥45%，N+P2O5+K2O≥5%)750 kg·hm-2人工均匀撒施后机械翻耕。种肥：二铵210 kg·hm-2，人工条施。田间管理：苗期除杂草、遇旱灌水，并在分蘖期和拔节期随水追施尿素各105 kg·hm-2。

1.4 测定性状及方法

1.4.1观测项目及观测时间 8月8日观测项目：分蘖数、种子埋深、主根长、根系数量、株高、叶片数、叶长、叶宽、第一茎节长度、第二茎节长度、第三茎节长度。

9月23日观测项目：株高、茎粗、茎重、叶穗重、主根长、鲜草产量。

1.4.2观测方法 株高：每个小区远离边缘30 cm随机选取10 株测自然高度。

分蘖数、叶片数、叶长、叶宽、第一茎节长度、第二茎节长度、第三茎节长度：每个品种随机取10 株，统计每株的分蘖数和叶片数，并用直尺测定旗叶长、宽和各茎节长度。

种子埋深、主根长、根系数量：每个品种随机选取10 株，挖出根部清洗干净，吸干水分，用直尺测量根部种皮到根基部的距离、主根长度，统计根系数量。

茎粗、茎重、叶重：每个品种随机取20 株用游标卡尺测量茎粗(第二茎节)，并将茎叶分离(穗归入叶重中)，用电子天平称重记录，计算叶茎比。

鲜重：去除小区两侧边行和两端各0.5 m，取中间剩余部分人工刈割称鲜重，记录刈割面积和鲜重。并取约2 000 g鲜样带回室内自然风干称重，计算鲜干比，并换算出每hm2的干草产量。

1.4.3数据统计分析 试验数据采用Excel 2016对数据进行描述性统计，用SPSS 20软件进行方差分析，同时通过因子分析确定参试各燕麦品种的18个农艺性状指标主成分特征值和特征向量，根据主成分累计贡献率，选择关键主成分，计算各主成分得分，再以每个主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重，计算主成分综合模型，最后利用各参试燕麦品种的综合分值进行排序[14]。

2 结果与分析

2.1 不同物候期的株高与主根长

由表1可知：8月，6个燕麦品种均处于抽穗期，‘甜燕麦’、‘青海444’、‘青引1号’株高差异不显著，但‘甜燕麦’和‘青海444’与其余品种差异显著(P<0.05)；9月，除‘青海444’处于乳熟末期、蜡熟初期外，其余品种均处于乳熟期，‘青海444’、‘青引1号’、‘甜燕麦’株高差异不显著，但‘青海444’和‘青引1号’与其余品种差异显著(P<0.05)。抽穗期至乳熟期，‘白燕2号’和‘加燕2号’株高增长最快，分别增加63.74，61.87 cm。说明‘青海444’、‘甜燕麦’、‘青引1号’株高较高，‘青海444’生育期最短。

表1 不同品种燕麦株高与主根系长度比较

8月，6个燕麦品种间主根长无显著差异，最大的是‘青引1号’(11.83 cm)，最小的是‘白燕2号’(7.67 cm)；9月，‘加燕2号’与‘青引1号’、‘白燕2号’、‘青海444’的主根长差异不显著，但与其余2个品种差异显著(P<0.05)。‘白燕2号’和‘甜燕麦’9月的主根长比8月分别增长了4.87，2.07 cm，增长速度最快，其余品种主根长增长幅度不大。

2.2 不同时期的农艺性状表现

如表2所示，各品种在分蘖数、种子埋深方面无显著差异。‘青引1号’、‘青海444’、‘甜燕麦’、‘青引2号’的根系较为发达。

表2 不同燕麦品种8月植株农艺性状表现

‘青引1号’与‘甜燕麦’的第一茎节长度无显著差异，但与其它品种差异显著(P<0.05)；其第二茎节长度与‘加燕2号’和‘甜燕麦’差异显著(P<0.05)。‘青海444’与‘白燕2号’、‘青引1号’的第三茎节长度无显著差异，但与其它品种差异显著(P<0.05)。‘青引1号’的叶长与其余品种差异显著(P<0.05)，但6个品种的叶片数、叶宽均无显著差异(表3)。‘青引1号’的第二茎节长为8.20 cm，叶片数为36.33 个、叶长为26.36 cm，叶宽为1.27 cm，在6个品种中相对表现突出。

表3 不同燕麦品种8月植株农艺性状表现

‘青海444’和‘白燕2号’茎秆较粗，分别为5.70，4.96 mm，2者之间差异不显著，但与其它品种差异显著(P<0.05)；‘甜燕麦’和‘加燕2号’的叶茎比最大，分别为2.24，2.23，差异不显著，但与其它品种差异显著(P<0.05)(表4)。

表4 不同燕麦品种9月茎粗和叶茎比变化

综上，‘青海444’的茎最粗，为5.70 mm；‘甜燕麦’的叶茎比最高，为2.24；二者的根系较为发达。

2.3 不同品种的生产性能表现

如表5所示，‘青引2号’与‘甜燕麦’、‘白燕2号’、‘青海444’的鲜草产量依次为49 850.21，48 577.44，48 087.19，46 244.57 kg·hm-2，4个品种间差异不显著，但‘青引2号’与‘青引1号’间差异显著(P<0.05)，6个品种鲜重从高到低依次为‘青引2号’>‘甜燕麦’>‘白燕2号’>‘青海444’>‘加燕2号’>‘青引1号’；6个品种中‘青引2号’干草产量最高(13 928.25 kg·hm-2)，‘青引1号’干草产量最低(12 716.55 kg·hm-2)，6个品种干草产量从高到低依次为‘青引2号’>‘青海444’>‘甜燕麦’>‘白燕2号’>‘加燕2号’>‘青引1号’，品种间无显著差异；‘青海444’的鲜干比与其余品种差异显著(P<0.05)。

表5 不同燕麦品种9月生产性能表现

综上，‘青海444’生育期最短，鲜干比最低；‘青引2号’的鲜草产量和干草产量最高，分别为49 850.21，13 928.25 kg·hm-2。

2.4 燕麦主要农艺性状主成分分析

评价品种的生产性能时不能单一的通过某一个性状来评价，主成分分析法通过将原始指标降维，提取到几个主成分，其中每个主成分都能反映原始变量的大部分信息，从而可以全面权衡每个性状在某个品种中所处的位置和分量，为燕麦品种的筛选提供更加科学的方法[14-16]。为了更好的了解各农艺性状与燕麦品种间的关系，分别对本试验中涉及到的8月株高(X1)、9月株高(X2)、8月主根长(X3)、9月主根长(X4)，8月的分蘖数(X5)、根系数量(X6)、种子埋深(X7)、第一茎节长(X8)、第二茎节长(X9)、第三茎节长(X10)、叶片数(X11)、叶长(X12)、叶宽(X13)，9月的茎粗(X14)、叶茎比(X15)、鲜草产量(X16)、干草产量(X17)、鲜干比(X18)等18个性状指标采用主成分分析法做进一步分析。

对所观测的所有指标进行标准化处理，根据主成分特征值大于1的原则，提取到4个主成分，累积贡献率90.66%(表6)，表明这4个主成分因子基本较好的反映了供试材料的所有性状信息，可代替原18个性状指标进行燕麦品种的筛选。第1主成分的特征值为7.04，贡献率39.08%。其特征向量中根系数量、第一茎节、第二茎节、叶片指标显著高于其他载荷因子，说明第一主成分基本反映了燕麦整个植株的生长情况。第2主成分的特征值为3.77，贡献率为20.96%。其特征向量中种子埋深与产量有较高载荷。第3主成分的特征值为2.88，贡献率为15.98%。其特征向量中茎粗与干草产量的载荷较高。说明第2，3主成分反映的是产量的信息。第4主成分的特征值为2.63，贡献率为14.63%。其特征向量中分蘖数与叶片数有较高载荷，说明第4主成分反映了叶量的信息(表7)。

表6 不同燕麦品种各性状的主成分方差贡献率

表7 不同燕麦品种的主成分载荷矩阵及特征向量

续表7

由表8可知，‘青引1号’和‘青引2号’的主成分综合得分分别为1.92，0.41。6个燕麦品种主成分分析得分高低顺序依次为：‘青引1号’>‘青引2号’>‘甜燕麦’>‘白燕2号’>‘青海444’>‘加燕2号’。

表8 不同燕麦品种的主成分综合得分及其排序

3 讨论

作为连接植株地上部分与生长介质的枢纽，根系的生长发育决定着植株地上部分的物质积累及形态建成[17]。分蘖数是影响作物产量的一个重要因素，分蘖数增加可以提升作物的饲草产量和种子产量[18]。种子埋深影响到分蘖节的深度，进而影响到分蘖数的多少和根系的生长程度。本研究中在基本一致的种植条件下，‘青海444’、‘青引1号’、‘甜燕麦’和‘青引2号’根系较为发达，为地上部分的生长提供了良好的养分输送条件。牧草植株高度往往是衡量牧草产量的关键因子之一。本研究结果比张光雨等人[19]得出的燕麦品种平均株高146.25 cm低，比秦爱琼[20]和多吉顿珠[21]的研究结果高，与周启龙[22]的研究结果基本一致。这与试验区的海拔较高，有效积温偏低，燕麦生长早期雨水偏少有关。干旱条件下，燕麦生长早期可通过调节根系生长和生理特性，启动植株自身的耐旱机制来维持自身生存，而阶段性的人工灌水，可使受损机能得到一定的补偿或恢复，但补偿和恢复程度与人工灌水的次数有关[23]。本研究中燕麦生长前期保证了人工灌水，中后期适逢雨季，基本满足了植物对水分的需求，整体生长良好。

叶茎比、鲜干比都是反映牧草适口性的指标。植株叶茎比越大，叶片含量越高，鲜干比越大，牧草水分含量越高，适口性更好。本研究中的叶茎比比王云涛等[24]的研究结果高，与张光雨等[19]的研究结果一致；鲜干比和王云涛等[24]的研究结果一致。说明，在高海拔的中低产田上种植燕麦可收获适口性较好的青饲草，在该区域通过种植燕麦发展营养体农业来缓解当地对青饲草的需求是可行的。茎节的长短既和牧草品种有关也和田间种植条件有关，与植株生长后期是否会发生倒伏密切相关。梁国玲等[ 25 ]认为燕麦茎秆倒伏一般发生在基部第1～3节间，其中第1节与第2节间形态特征对燕麦品种的抗倒伏能力贡献最大。本研究中各品种的茎节因品种特性有所差异，但在相同的种植管理条件下未发生倒伏，说明6个燕麦品种抗倒伏性均较好。茎粗与株高一样也是影响产量的关键因子。本研究中‘青海444’、‘白燕2号’、‘加燕2号’的茎粗均超4 mm，除‘青引1号’略低于周启龙等[26]的研究结果外，‘青引2号’、‘加燕2号’、‘甜燕麦’的茎粗与其研究结果一致。说明品种间株高优势不明显，但茎粗有优势的情况下，其牧草产量不一定低。

在西藏，“以草定畜”成为畜牧业可持续发展、草地生态良性循环的根本保障[27]。推广燕麦种植不仅能增加冬季补饲量，也可在一定程度上缓解天然草地的放牧压力[19]。而利用当地的中低产田或宜耕地种植高产优质牧草，逐渐推广实行圈养舍饲，则是保持当地经济增长和生态安全协调发展的最有效手段[28]。本研究中除‘青引1号’干草产量稍低于张光雨等[19]在南木林的研究外，其他品种的干草产量与其研究结果相似，但比张启龙等[22]在拉萨种植的燕麦干草产量高，比张光雨等[26]在拉萨种植的燕麦干草产量低。这可能是因为燕麦的生长发育和产量受多方面因素的影响，其中适宜的生长环境及科学合理的栽培管理措施能使燕麦品种遗传特性得以充分表达，进而达到高产、优质的目的[29]。耿小丽等[16]在甘肃天祝的研究认为燕麦节间数、叶宽、株高3个性状是直接影响燕麦草产量最主要因素。本研究区域为半农半牧区，冷凉的气候条件和相对较好的灌溉条件，使燕麦品种自身的遗传特性得到了较好的体现。产草量是衡量燕麦品种优劣的重要指标，是株高、分蘖数、生长速度、生物量生长率等性状指标的综合体现[30]。因此，在中低产田上发展以燕麦为主的营养体农业不仅能充分利用土地资源，收获高产的青饲草用于补饲，增加农牧民收入外，还能起到改良土壤、减少水土流失等生态效应。

4 结论

根据对不同燕麦品种农艺性状的主成分分析，综合排序结果为：‘青引1号’>‘青引2号’>‘甜燕麦’>‘白燕2号’>‘青海444’>‘加燕2号’。以收获青干草为目的燕麦种植是高海拔区域中低产田综合改造利用的有效生物措施之一，本研究认为在萨迦县高海拔区域中低产田上适宜种植的燕麦品种有‘青引1号’和‘青引2号’。