青海高原地区不同玉米品种青贮性能及营养品质评价

2021-07-28张业猛朱丽丽杨学贵李文军王元兰徐慧君陈志国

草业科学 2021年6期

李想，张业猛，朱丽丽，杨学贵，李文军，王元兰，徐慧君，祁琪，陈志国

（1. 中国科学院西北高原生物研究所 / 中国科学院高原生物适应与进化重点实验室 / 青海省作物分子育种重点实验室，青海西宁 810008；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 青海省小寨良种试验站，青海西宁 810016；4. 乐都区农业技术推广中心，青海海东 810700；5. 乐都区种子站，青海海东 810700；6. 乐都县农牧局，青海海东 810700；7. 东北农业大学农学院，黑龙江哈尔滨 150038）

玉米(Zea mays)是我国重要的粮食、饲料及经济作物[1]。玉米在我国的种植面积和总产量已超过水稻(Oryza sativa)和小麦(Triticum aestivum)，成为第一大粮食作物[2]。依利用方式，可以将玉米分为籽粒玉米、粮饲兼用型玉米和青贮专用型玉米，其中粮饲兼用型、青贮专用型玉米已被广泛应用到青贮加工[3]。青贮玉米是指在适宜收获期收获全部绿色植株，并通过厌氧发酵的方式来制作青贮饲料的玉米[4]。它具有生长迅速、生物产量高、营养丰富、适口性好等优点，已被广泛应用到牛、羊等反刍动物饲养[5-6]。青贮玉米不仅是重要的粗饲料来源，也是我国发展畜牧业的支撑[7]。因此，大力发展青贮玉米，对促进畜牧业发展和提高农民经济效益具有重要意义。

青海省是我国生态文明建设的先行区，同时也是西北地区“粮改饲”和“草牧业”的试点区[8]。青海省每年玉米种植面积约2.7 × 104hm2，主要种植在青海省东部农业区[1]。近年来，随着青海省畜牧业的快速发展和天然草场保护的要求，农业结构逐渐发生调整。一些地区的玉米种植逐渐从籽粒玉米转向青贮玉米，而受传统“以粮为纲”耕作模式的限制，青海高原地区目前种植的青贮玉米多为传统的粮食型玉米，高产青贮专用型玉米种植面积小、品种选择少[9-10]。因此，迫切需要引进和筛选适于当地种植的高产、优质青贮玉米品种。

青贮玉米在青海省种植研究起步晚，但有些学者[11-14]已经开展了青贮玉米相关研究，并证实在青海高原发展青贮玉米是可行的。青贮玉米的生产性能、饲料价值、营养成分易受遗传效应、生态环境、栽培措施等多种因素的影响，需采用客观综合的评价方法进行品种筛选[15]。以往评价的方法单就某一方面进行分析，从而进行盲目引种，给生产造成巨大损失[16]。在农作物品比试验中，采用多指标进行综合评判，可以克服单指标评价的弊端，主成分分析法可对青贮玉米品种各个指标进行综合评价从而客观、准确地筛选出最佳品种[17-18]。因此，本研究应用主成分分析、聚类分析对引进的50 个玉米品种的生产性能及营养价值进行综合评价，旨在筛选出青海海东地区适应性强、表现优异的青贮玉米品种，为草食畜牧业的发展奠定基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料与设计

参试材料如表1 所列。田间试验于2020 年4 月-9 月在中国科学院西北高原生物研究所海东生态农业试验站开展，试验地位于36°47′45″ N，102°32′58″ E，海拔1 967 m。年均气温6.9 ℃，≥ 10 ℃年积温2 442.6 ℃·d，年均降水量332.2 mm。试验采用顺序排列，3 次重复。播前10 d 对土地进行灌溉，每666.7 m2灌水60 m3；播种时结合浅翻施用化肥，化肥用量折合纯N 113 kg·hm-2，P2O560～75 kg·hm-2，确保土壤墒情和肥力均匀，土壤松紧适度。覆膜，采用人工穴播方式(双粒播)，行长3 m，行距0.4 m，株距0.3 m，每品种种植5 行，待幼苗长至5 叶时进行间苗，最终保证每穴1 株。从播种到收获共灌水3 次，其他管理措施同大田。

表1 参试玉米品种Table 1 Information on the tested corn cultivars

1.2 测定指标

2020 年9 月7 日统一收获。收获时每品种从中间的3 行随机选取11 株，紧贴地面进行刈割。其中的10 株测量株高、穗位高、穗数、叶片持绿性(绿叶数与总叶数的比值)、鲜重等指标，自然条件下阴干，再称全株干重和穗干重(带苞叶)。剩余1 株鲜样送到中国科学院西北高原生物研究所分析测试中心进行干物质(dry matter，DM)、淀粉、蛋白质、中性洗涤纤维(neutral detergent fiber，NDF)和酸性洗涤纤维(acid detergent fiber，ADF)的测定，同时计算饲料相对值。其中，干物质测定参照GB/T 6435–2014[19]，淀粉参照GB/T 20194–2006[20]，蛋白质参照GB/T 6432–2018[21]，中性洗涤纤维参照GB/T 20806–2006[22]，酸性洗涤纤维参照NY/T 1459–2007[23]。

饲料相对值(relative feed value，RFV)是1978 年由Rohweder 等[24]提出的相对一特定标准粗饲料(盛花期苜蓿)，某种粗饲料可消化干物质的采食量。预测模型如下：

式中：ADF 为酸性洗涤纤维，NDF 为中性洗涤纤维，分别以其占干物质的比值表示(%)；DDM 为可消化干物质，以占干物质的百分数表示(%)；DMI 为粗饲料干物质随意采食量，以占体重的百分数表示(%)；1.29 是盛花期苜蓿的DDM × DMI，目的是使盛花期苜蓿的RFV 值为100。其中RFV 值大于100 的饲草整体上质量较好[25]。

1.3 数据处理

参试玉米品种的产量及农艺性状数据采用Excel 2007 和SPSS 22.0 进行统计分析。方差分析应用LSD 法进行多重比较，数据以平均值 ± 标准差表示，以P＜ 0.05 表示差异显著。聚类分析采用层次聚类，遗传距离为平方欧式距离。

2 结果与分析

2.1 不同玉米品种农艺性状比较

50 个玉米品种的主要农艺性状指标如表2 所列，所参试的玉米品种间表型性状均有差异。籽粒乳线位置一般反映青贮玉米的成熟程度，参试品种在收获时籽粒乳线位置多在1/3～4/5，表明参试品种间生育期存在明显差异。

表2 不同玉米品种主要农艺性状Table 2 Main agronomic characteristics of different corn cultivars

续表2Table 2 (Continued)

与青海主栽玉米品种铁研53 对比发现，参试品种中有18 个玉米品种株高高于铁研53，20 个玉米品种的穗位高高于铁研53。株高、穗位高分别为270.30～378.90 和84.4～195.6 cm。其中株高最高的是高科玉138，穗位高最高的是福康玉909，而垦玉10 号株高、穗位高均最低。

鲜重、干重和干鲜比都是评价青贮玉米产量的重要性状指标。50 个参试品种中高科玉138 单株鲜重和干重均最大，分别为2.70 和 1.03 kg，比对照品种铁研53 (1.96 和 0.59 kg)增加37.76%和74.58%；垦玉10 号鲜重、干重最低，分别为0.70 和 0.30 kg。在干鲜比方面，凯玉8 号的干鲜比(51.24%)最大，西03 的干鲜比(26.97%)最小，参试品种中有36 个品种的干鲜比超过铁研53 (30.16%)，说明参试品种中大部分在试验区种植后干物质积累程度较好。

青贮玉米品质与果穗性状密切相关，测定50个玉米品种的穗干重，发现参试品种中有23 个玉米品种的穗干重高于铁研53 (0.30 kg)。其中穗干重最高的是高科玉138 (0.42 kg)，最低的是垦玉10 号(0.18 kg)。除果穗外，叶片数和叶片持绿性也是与青贮玉米品质密切相关的重要指标。参试品种每株叶片平均数在10～19 片，叶片持绿性为53.18%～97.67%，其中大丰1 407 叶片持绿性最好，垦玉10 号最差。

2.2 不同玉米品种品质性状比较

按照青贮玉米分级标准(表3)，可将50 个参试品种进行简单分级，其中归属为一级的品种有19 个，二级的有12 个，三级的有8 个，剩余的暂不符合青贮玉米品质分级标准。衡量青贮饲料营养品质常见的重要指标有干物质、粗蛋白、淀粉、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维，参试品种各个营养成分如表4 所列。

表3 青贮玉米品质分级Table 3 Quality classification of silage corn

表4 不同玉米品种的品质指标Table 4 Quality indicators of different corn cultivars%

续表4Table 4 (Continued)%

不同玉米品种间干物质含量存在差异，鄂玉16 干物质含量百分占比最高，为40.60%，川单416最低，为19.40%，参试品种中干物质含量高于对照铁研53 (30.20%)的有30 个。不同玉米品种的淀粉含量在6.46%～20.70%，差异较大。其中金穗1955淀粉(鲜重基础)含量最高，约为铁研53 (10.30%)的2 倍，成单99 最低。蛋白含量是衡量青贮饲料饲用价值的重要指标，其含量与粗饲料分级指数正相关[27]。各品种中蛋白含量(鲜重基础)变化范围在2.27%～3.85%，其中蛋白含量高于铁研 53(2.38%)的品种占参试品种的90%。

参试品种中NDF (鲜重基础)含量为10.20%～18.90%，ADF (鲜重基础)含量为5.60%～9.70%。粗饲料品质是指粗饲料中影响动物消化利用的各个因素的综合，RFV 综合考虑了饲料因素和动物因素，能较好反映粗饲料的品质，一般讲RFV 值大于100 的认为粗饲料整体上品质较好，超过150 的可以将其品质归为特级[28]。各品种RFV 值均超过100，表明参试品种整体上品质较好，其中RFV 值超过150 的品种占参试品种的82%。

2.3 玉米农艺性状及品质指标的主成分分析

为了进一步综合评价参试玉米品种的生产性能及营养品质，对50 个参试品种的14 个性状指标[干物质、淀粉、蛋白、NDF (鲜重基础)、ADF (鲜重基础)、RFV、株高、穗位高、穗数、叶片持绿性、鲜重、干重、干鲜比、穗干重]进行主成分分析，结果如表5 所列。前4 项指标特征根值大于1，累计贡献率78.055%，但小于80%，因此选取前5 项指标进行主成分分析。

表5 特征根及贡献率Table 5 Latent root and contribution rate

主成分得分系数是各项指标在每个主成分中所占的权重，根据主成分计算公式及表6，可得到前5 个主成分与14 项指标的线性关系。

表6 主成分载荷值和得分系数Table 6 Loading value of principal components and score coefficients

P1:y1= - 0.27χ干物质- 0.29χ淀粉- 0.27χ蛋白质-0.14χNDF+ 0.00χADF- 0.15ΧRFV+ 0.36χ株高+ 0.37χ穗位高+0.02χ穗数+ 0.22χ叶片持绿性+ 0.40χ鲜重+ 0.38χ干重-0.18χ干鲜比+ 0.27χ穗干重；

P2:y2= - 0.01χ干物质+ 0.09χ淀粉+ 0.10χ蛋白质+0.55χNDF+ 0.39χADF- 0.45ΧRFV+ 0.01χ株高- 0.07χ穗位高+0.40χ穗数+ 0.03χ叶片持绿性+ 0.04χ鲜重+ 0.13χ干重+0.29χ干鲜比+ 0.21χ穗干重；

P3:y3= 0.30χ干物质+ 0.39χ淀粉+ 0.38χ蛋白质-0.14χNDF- 0.26χADF+ 0.37ΧRFV+ 0.14χ株高+ 0.05χ穗位高+0.27χ穗数+ 0.19χ叶片持绿性+ 0.10χ鲜重+ 0.22χ干重+0.15χ干鲜比+ 0.42χ穗干重；

P4:y4= 0.50χ干物质- 0.04χ淀粉+ 0.08χ蛋白质+0.24χNDF+ 0.52χADF+ 0.23ΧRFV+ 0.11χ株高+ 0.07χ穗位高-0.28χ穗数+ 0.33χ叶片持绿性+ 0.14χ鲜重+ 0.00χ干重-0.35χ干鲜比- 0.13χ穗干重；

P5:y5= 0.09χ干物质- 0.09χ淀粉+ 0.16χ蛋白质-0.02χNDF+ 0.21χADF+ 0.12χRFV+ 0.32χ株高+ 0.33χ穗位高-0.36χ穗数- 0.53χ叶片持绿性- 0.04χ鲜重+ 0.17χ干重+0.50χ干鲜比- 0.03χ穗干重。

式中：χ为相应的各成分经标准化处理后的变量。以主成分的特征值占主成分特征值总和的比例为权重，按照模型公式y= 0.388 20y1+ 0.163 69y2+ 0.131 15y3+0.097 51y4+ 0.065 88y5计算主成分的综合得分，并进行排序。在主成分得分中，若得分为正数代表综合性状高于一般水平，得分越高则综合表现越好。

参试品种中有24 个品种的综合主成分得分为正数(表7)，代表综合性状表现高于一般水平，其余的26 个玉米品种综合主成分得分为负数，代表综合表现低于一般水平，不太适合在当地种植。因此，适宜青海高原地区种植的青贮玉米品种依次为：高科玉138、福康玉909、1802、中玉335、禾青贮306、勤玉58、西10、大丰1407、川单416、西11、青青300、中玉335 (四川垦丰)、鄂玉16、西09、成单玉808、北玉1522、豫玉22、陇单10 号、金单485、西02、京科青贮932、屯玉168、12715、铁研53。

表7 供试玉米品种的主成分值、综合主成分值Table 7 Values for principal components and comprehensive principal components in tested corn cultivars

续表7Table 7 (Continued)

2.4 玉米农艺性状及品质指标的聚类分析

利用SPSS 软件，基于玉米的主要农艺性状及品质指标，对50 个玉米品种进行层次聚类，采用平方欧式距离组间联接方式，聚类结果如图1 所示。其中性状特征相似的聚为一类，差别较大的分在不同类群，在遗传距离为15 时，参试品种具体可划分为4 类。第1 类群共包括31 个玉米品种，这些玉米品种株高、穗位高、鲜重、干重、淀粉、蛋白、干物质、NDF、ADF 等均处于中间水平。第2 类群包括14 个玉米品种。此类群玉米品种的干物质、淀粉、蛋白质平均含量最低，ADF、NDF 含量处于中等，株高、穗位高、干重、鲜重在4 个类群中占据首位，平均株高、穗位高为353.36 和146.77 cm，平均鲜重、干重为2.22 和0.71 kg。第3 类群主要包括西04、鄂玉16、酒单4 号3 个品种，此类群特点是干物质含量最高，平均为39.57%，NDF、ADF 含量最低，平均为12.03%和7.10%，淀粉、蛋白质、株高、穗位高、鲜重、干重等处于中间水平。第4 类群仅有凯玉8 号、垦玉10 号两个品种，此类群玉米品种淀粉、蛋白质、NDF、ADF 平均含量最高，株高、穗位高、鲜重、干重最低，干物质含量处于中间水平。

图1 50 个玉米品种的聚类分析结果Figure 1 Result of cluster analysis of 50 corn cultivars

3 讨论与结论

3.1 讨论

无论是对于青贮玉米种植者，还是畜牧业养殖者，一个优良的青贮玉米品种必需具备较高的生物学产量和良好的营养品质[29]。而作物的产量和品质易受遗传效应、生态环境以及栽培措施等多重因素的影响，因此，在某一特定地区开展田间试验进行优质品种筛选很有必要[15]。本研究对50 个不同地区引进的玉米品种进行了综合评价，旨在为青海地区的“粮改饲”推进提供理论指导。

生育期是影响玉米青贮生产性能和营养品质的重要因素之一。一般来说，随着生育期的推进，全株玉米的干物质含量逐渐增加，NDF 和ADF 含量先下降后略上升，生物学产量、各营养成分以及饲料总能量均明显增加[30]，且在乳熟末期和蜡熟早期收获全株玉米时，生物产量最高，青贮品质最佳[31-32]。由此可见，收获期是制作高品质青贮玉米饲料的限制性因素之一。本研究采用同一时间播种，统一施肥和田间管理，同一时间进行刈割，进行不同来源青贮玉米品种生产性能和营养品质比较，以期筛选出适宜青海高原东部地区的青贮玉米品种，但限于积温，收获时大部分玉米品种籽粒乳线范围大多处在1/3～4/5，没有完全达到1/3～1/2 的青贮玉米收割标准，但对于青藏高原饲草严重不足的现实(特别是冬季)，这部分青贮玉米品种还是完全可以利用的。

青贮玉米主要利用的是秸秆，因此株高是影响青贮玉米生物量的重要指标。参试玉米品种中高科玉138 株高最高，同时鲜重、干重也最大。分析表明，该品种生物学产量与株高呈正相关关系，这与前人研究结果相一致[33-34]的研究结果一致，在生产中可适当选择植株较高、生物量较大的玉米品种。

青贮玉米营养品质由多个指标构成，在众多评价指标中，蛋白质含量是青贮玉米品种判定的重要指标，其次是NDF 和ADF[35]。本研究参试玉米品种蛋白含量(干重基础)变化范围为6.16%～13.81%，且多数超过7%，可以满足青贮玉米品质分级对蛋白标准的要求，可以考虑作为饲料应用于牛羊养殖中[27,36]。此外，青贮玉米中NDF、ADF 含量与动物采食量和消化率密切相关，NDF 含量和ADF 含量越低，动物采食量和消化率就越高，玉米的相对饲用价值也就越高[4]。参试品种中NDF (干重基础)和ADF (干重基础)含量变化范围分别在29.75%～61.13%和16.45%～33.45%，低于国内其他地区NDF(56.47%～89.00%)和ADF (31.33%～62.00%)的含量指标[37]，其可能原因：一是参试玉米因本身NDF 和ADF 含量的差异；二是收割时参试玉米未完全达到适割时期，进而导致玉米植株中NDF 和ADF 含量较低。

通过对参试玉米品种的14 个主要性状指标进行主成分分析，发现适宜青海高原地区种植的青贮玉米品种有24 个，与聚类结果基本一致，这表明主成分分析方法能较好地评价青贮玉米品种的综合性状。