青海高原地區(qū)不同玉米品種青貯性能及營養(yǎng)品質評價

李 想，張業(yè)猛，朱麗麗，楊學貴，李文軍，王元蘭，徐慧君，祁 琪，陳志國

（1. 中國科學院西北高原生物研究所 / 中國科學院高原生物適應與進化重點實驗室 / 青海省作物分子育種重點實驗室，青海 西寧 810008；2. 中國科學院大學，北京 100049；3. 青海省小寨良種試驗站，青海 西寧 810016；4. 樂都區(qū)農業(yè)技術推廣中心，青海 海東 810700；5. 樂都區(qū)種子站，青海 海東 810700；6. 樂都縣農牧局，青海 海東 810700；7. 東北農業(yè)大學農學院，黑龍江 哈爾濱 150038）

玉米(Zea mays)是我國重要的糧食、飼料及經濟作物[1]。玉米在我國的種植面積和總產量已超過水稻(Oryza sativa)和小麥(Triticum aestivum)，成為第一大糧食作物[2]。依利用方式，可以將玉米分為籽粒玉米、糧飼兼用型玉米和青貯專用型玉米，其中糧飼兼用型、青貯專用型玉米已被廣泛應用到青貯加工[3]。青貯玉米是指在適宜收獲期收獲全部綠色植株，并通過厭氧發(fā)酵的方式來制作青貯飼料的玉米[4]。它具有生長迅速、生物產量高、營養(yǎng)豐富、適口性好等優(yōu)點，已被廣泛應用到牛、羊等反芻動物飼養(yǎng)[5-6]。青貯玉米不僅是重要的粗飼料來源，也是我國發(fā)展畜牧業(yè)的支撐[7]。因此，大力發(fā)展青貯玉米，對促進畜牧業(yè)發(fā)展和提高農民經濟效益具有重要意義。

青海省是我國生態(tài)文明建設的先行區(qū)，同時也是西北地區(qū)“糧改飼”和“草牧業(yè)”的試點區(qū)[8]。青海省每年玉米種植面積約2.7 × 104hm2，主要種植在青海省東部農業(yè)區(qū)[1]。近年來，隨著青海省畜牧業(yè)的快速發(fā)展和天然草場保護的要求，農業(yè)結構逐漸發(fā)生調整。一些地區(qū)的玉米種植逐漸從籽粒玉米轉向青貯玉米，而受傳統(tǒng)“以糧為綱”耕作模式的限制，青海高原地區(qū)目前種植的青貯玉米多為傳統(tǒng)的糧食型玉米，高產青貯專用型玉米種植面積小、品種選擇少[9-10]。因此，迫切需要引進和篩選適于當?shù)胤N植的高產、優(yōu)質青貯玉米品種。

青貯玉米在青海省種植研究起步晚，但有些學者[11-14]已經開展了青貯玉米相關研究，并證實在青海高原發(fā)展青貯玉米是可行的。青貯玉米的生產性能、飼料價值、營養(yǎng)成分易受遺傳效應、生態(tài)環(huán)境、栽培措施等多種因素的影響，需采用客觀綜合的評價方法進行品種篩選[15]。以往評價的方法單就某一方面進行分析，從而進行盲目引種，給生產造成巨大損失[16]。在農作物品比試驗中，采用多指標進行綜合評判，可以克服單指標評價的弊端，主成分分析法可對青貯玉米品種各個指標進行綜合評價從而客觀、準確地篩選出最佳品種[17-18]。因此，本研究應用主成分分析、聚類分析對引進的50 個玉米品種的生產性能及營養(yǎng)價值進行綜合評價，旨在篩選出青海海東地區(qū)適應性強、表現(xiàn)優(yōu)異的青貯玉米品種，為草食畜牧業(yè)的發(fā)展奠定基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與設計

參試材料如表1 所列。田間試驗于2020 年4 月-9 月在中國科學院西北高原生物研究所海東生態(tài)農業(yè)試驗站開展，試驗地位于36°47′45″ N，102°32′58″ E，海拔1 967 m。年均氣溫6.9 ℃，≥ 10 ℃年積溫2 442.6 ℃·d，年均降水量332.2 mm。試驗采用順序排列，3 次重復。播前10 d 對土地進行灌溉，每666.7 m2灌水60 m3；播種時結合淺翻施用化肥，化肥用量折合純N 113 kg·hm-2，P2O560～75 kg·hm-2，確保土壤墑情和肥力均勻，土壤松緊適度。覆膜，采用人工穴播方式(雙粒播)，行長3 m，行距0.4 m，株距0.3 m，每品種種植5 行，待幼苗長至5 葉時進行間苗，最終保證每穴1 株。從播種到收獲共灌水3 次，其他管理措施同大田。

表1 參試玉米品種Table 1 Information on the tested corn cultivars

1.2 測定指標

2020 年9 月7 日統(tǒng)一收獲。收獲時每品種從中間的3 行隨機選取11 株，緊貼地面進行刈割。其中的10 株測量株高、穗位高、穗數(shù)、葉片持綠性(綠葉數(shù)與總葉數(shù)的比值)、鮮重等指標，自然條件下陰干，再稱全株干重和穗干重(帶苞葉)。剩余1 株鮮樣送到中國科學院西北高原生物研究所分析測試中心進行干物質(dry matter，DM)、淀粉、蛋白質、中性洗滌纖維(neutral detergent fiber，NDF)和酸性洗滌纖維(acid detergent fiber，ADF)的測定，同時計算飼料相對值。其中，干物質測定參照GB/T 6435–2014[19]，淀粉參照GB/T 20194–2006[20]，蛋白質參照GB/T 6432–2018[21]，中性洗滌纖維參照GB/T 20806–2006[22]，酸性洗滌纖維參照NY/T 1459–2007[23]。

飼料相對值(relative feed value，RFV)是1978 年由Rohweder 等[24]提出的相對一特定標準粗飼料(盛花期苜蓿)，某種粗飼料可消化干物質的采食量。預測模型如下：

式中：ADF 為酸性洗滌纖維，NDF 為中性洗滌纖維，分別以其占干物質的比值表示(%)；DDM 為可消化干物質，以占干物質的百分數(shù)表示(%)；DMI 為粗飼料干物質隨意采食量，以占體重的百分數(shù)表示(%)；1.29 是盛花期苜蓿的DDM × DMI，目的是使盛花期苜蓿的RFV 值為100。其中RFV 值大于100 的飼草整體上質量較好[25]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

參試玉米品種的產量及農藝性狀數(shù)據(jù)采用Excel 2007 和SPSS 22.0 進行統(tǒng)計分析。方差分析應用LSD 法進行多重比較，數(shù)據(jù)以平均值 ± 標準差表示，以P＜ 0.05 表示差異顯著。聚類分析采用層次聚類，遺傳距離為平方歐式距離。

2 結果與分析

2.1 不同玉米品種農藝性狀比較

50 個玉米品種的主要農藝性狀指標如表2 所列，所參試的玉米品種間表型性狀均有差異。籽粒乳線位置一般反映青貯玉米的成熟程度，參試品種在收獲時籽粒乳線位置多在1/3～4/5，表明參試品種間生育期存在明顯差異。

表2 不同玉米品種主要農藝性狀Table 2 Main agronomic characteristics of different corn cultivars

續(xù)表2Table 2 (Continued)

與青海主栽玉米品種鐵研53 對比發(fā)現(xiàn)，參試品種中有18 個玉米品種株高高于鐵研53，20 個玉米品種的穗位高高于鐵研53。株高、穗位高分別為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，而墾玉10 號株高、穗位高均最低。

鮮重、干重和干鮮比都是評價青貯玉米產量的重要性狀指標。50 個參試品種中高科玉138 單株鮮重和干重均最大，分別為2.70 和 1.03 kg，比對照品種鐵研53 (1.96 和 0.59 kg)增加37.76%和74.58%；墾玉10 號鮮重、干重最低，分別為0.70 和 0.30 kg。在干鮮比方面，凱玉8 號的干鮮比(51.24%)最大，西03 的干鮮比(26.97%)最小，參試品種中有36 個品種的干鮮比超過鐵研53 (30.16%)，說明參試品種中大部分在試驗區(qū)種植后干物質積累程度較好。

青貯玉米品質與果穗性狀密切相關，測定50個玉米品種的穗干重，發(fā)現(xiàn)參試品種中有23 個玉米品種的穗干重高于鐵研53 (0.30 kg)。其中穗干重最高的是高科玉138 (0.42 kg)，最低的是墾玉10 號(0.18 kg)。除果穗外，葉片數(shù)和葉片持綠性也是與青貯玉米品質密切相關的重要指標。參試品種每株葉片平均數(shù)在10～19 片，葉片持綠性為53.18%～97.67%，其中大豐1 407 葉片持綠性最好，墾玉10 號最差。

2.2 不同玉米品種品質性狀比較

按照青貯玉米分級標準(表3)，可將50 個參試品種進行簡單分級，其中歸屬為一級的品種有19 個，二級的有12 個，三級的有8 個，剩余的暫不符合青貯玉米品質分級標準。衡量青貯飼料營養(yǎng)品質常見的重要指標有干物質、粗蛋白、淀粉、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維，參試品種各個營養(yǎng)成分如表4 所列。

表3 青貯玉米品質分級Table 3 Quality classification of silage corn

表4 不同玉米品種的品質指標Table 4 Quality indicators of different corn cultivars%

續(xù)表4Table 4 (Continued)%

不同玉米品種間干物質含量存在差異，鄂玉16 干物質含量百分占比最高，為40.60%，川單416最低，為19.40%，參試品種中干物質含量高于對照鐵研53 (30.20%)的有30 個。不同玉米品種的淀粉含量在6.46%～20.70%，差異較大。其中金穗1955淀粉(鮮重基礎)含量最高，約為鐵研53 (10.30%)的2 倍，成單99 最低。蛋白含量是衡量青貯飼料飼用價值的重要指標，其含量與粗飼料分級指數(shù)正相關[27]。各品種中蛋白含量(鮮重基礎)變化范圍在2.27%～3.85%， 其中蛋白含量高于鐵研 53(2.38%)的品種占參試品種的90%。

參試品種中NDF (鮮重基礎)含量為10.20%～18.90%，ADF (鮮重基礎)含量為5.60%～9.70%。粗飼料品質是指粗飼料中影響動物消化利用的各個因素的綜合，RFV 綜合考慮了飼料因素和動物因素，能較好反映粗飼料的品質，一般講RFV 值大于100 的認為粗飼料整體上品質較好，超過150 的可以將其品質歸為特級[28]。各品種RFV 值均超過100，表明參試品種整體上品質較好，其中RFV 值超過150 的品種占參試品種的82%。

2.3 玉米農藝性狀及品質指標的主成分分析

為了進一步綜合評價參試玉米品種的生產性能及營養(yǎng)品質，對50 個參試品種的14 個性狀指標[干物質、淀粉、蛋白、NDF (鮮重基礎)、ADF (鮮重基礎)、RFV、株高、穗位高、穗數(shù)、葉片持綠性、鮮重、干重、干鮮比、穗干重]進行主成分分析，結果如表5 所列。前4 項指標特征根值大于1，累計貢獻率78.055%，但小于80%，因此選取前5 項指標進行主成分分析。

表5 特征根及貢獻率Table 5 Latent root and contribution rate

主成分得分系數(shù)是各項指標在每個主成分中所占的權重，根據(jù)主成分計算公式及表6，可得到前5 個主成分與14 項指標的線性關系。

表6 主成分載荷值和得分系數(shù)Table 6 Loading value of principal components and score coefficients

P1:y1= - 0.27χ干物質- 0.29χ淀粉- 0.27χ蛋白質-0.14χNDF+ 0.00χADF- 0.15ΧRFV+ 0.36χ株高+ 0.37χ穗位高+0.02χ穗數(shù)+ 0.22χ葉片持綠性+ 0.40χ鮮重+ 0.38χ干重-0.18χ干鮮比+ 0.27χ穗干重；

P2:y2= - 0.01χ干物質+ 0.09χ淀粉+ 0.10χ蛋白質+0.55χNDF+ 0.39χADF- 0.45ΧRFV+ 0.01χ株高- 0.07χ穗位高+0.40χ穗數(shù)+ 0.03χ葉片持綠性+ 0.04χ鮮重+ 0.13χ干重+0.29χ干鮮比+ 0.21χ穗干重；

P3:y3= 0.30χ干物質+ 0.39χ淀粉+ 0.38χ蛋白質-0.14χNDF- 0.26χADF+ 0.37ΧRFV+ 0.14χ株高+ 0.05χ穗位高+0.27χ穗數(shù)+ 0.19χ葉片持綠性+ 0.10χ鮮重+ 0.22χ干重+0.15χ干鮮比+ 0.42χ穗干重；

P4:y4= 0.50χ干物質- 0.04χ淀粉+ 0.08χ蛋白質+0.24χNDF+ 0.52χADF+ 0.23ΧRFV+ 0.11χ株高+ 0.07χ穗位高-0.28χ穗數(shù)+ 0.33χ葉片持綠性+ 0.14χ鮮重+ 0.00χ干重-0.35χ干鮮比- 0.13χ穗干重；

P5:y5= 0.09χ干物質- 0.09χ淀粉+ 0.16χ蛋白質-0.02χNDF+ 0.21χADF+ 0.12χRFV+ 0.32χ株高+ 0.33χ穗位高-0.36χ穗數(shù)- 0.53χ葉片持綠性- 0.04χ鮮重+ 0.17χ干重+0.50χ干鮮比- 0.03χ穗干重。

式中：χ為相應的各成分經標準化處理后的變量。以主成分的特征值占主成分特征值總和的比例為權重，按照模型公式y(tǒng)= 0.388 20y1+ 0.163 69y2+ 0.131 15y3+0.097 51y4+ 0.065 88y5計算主成分的綜合得分，并進行排序。在主成分得分中，若得分為正數(shù)代表綜合性狀高于一般水平，得分越高則綜合表現(xiàn)越好。

參試品種中有24 個品種的綜合主成分得分為正數(shù)(表7)，代表綜合性狀表現(xiàn)高于一般水平，其余的26 個玉米品種綜合主成分得分為負數(shù)，代表綜合表現(xiàn)低于一般水平，不太適合在當?shù)胤N植。因此，適宜青海高原地區(qū)種植的青貯玉米品種依次為：高科玉138、?？涤?09、1802、中玉335、禾青貯306、勤玉58、西10、大豐1407、川單416、西11、青青300、中玉335 (四川墾豐)、鄂玉16、西09、成單玉808、北玉1522、豫玉22、隴單10 號、金單485、西02、京科青貯932、屯玉168、12715、鐵研53。

表7 供試玉米品種的主成分值、綜合主成分值Table 7 Values for principal components and comprehensive principal components in tested corn cultivars

續(xù)表7Table 7 (Continued)

2.4 玉米農藝性狀及品質指標的聚類分析

利用SPSS 軟件，基于玉米的主要農藝性狀及品質指標，對50 個玉米品種進行層次聚類，采用平方歐式距離組間聯(lián)接方式，聚類結果如圖1 所示。其中性狀特征相似的聚為一類，差別較大的分在不同類群，在遺傳距離為15 時，參試品種具體可劃分為4 類。第1 類群共包括31 個玉米品種，這些玉米品種株高、穗位高、鮮重、干重、淀粉、蛋白、干物質、NDF、ADF 等均處于中間水平。第2 類群包括14 個玉米品種。此類群玉米品種的干物質、淀粉、蛋白質平均含量最低，ADF、NDF 含量處于中等，株高、穗位高、干重、鮮重在4 個類群中占據(jù)首位，平均株高、穗位高為353.36 和146.77 cm，平均鮮重、干重為2.22 和0.71 kg。第3 類群主要包括西04、鄂玉16、酒單4 號3 個品種，此類群特點是干物質含量最高，平均為39.57%，NDF、ADF 含量最低，平均為12.03%和7.10%，淀粉、蛋白質、株高、穗位高、鮮重、干重等處于中間水平。第4 類群僅有凱玉8 號、墾玉10 號兩個品種，此類群玉米品種淀粉、蛋白質、NDF、ADF 平均含量最高，株高、穗位高、鮮重、干重最低，干物質含量處于中間水平。

圖1 50 個玉米品種的聚類分析結果Figure 1 Result of cluster analysis of 50 corn cultivars

3 討論與結論

3.1 討論

無論是對于青貯玉米種植者，還是畜牧業(yè)養(yǎng)殖者，一個優(yōu)良的青貯玉米品種必需具備較高的生物學產量和良好的營養(yǎng)品質[29]。而作物的產量和品質易受遺傳效應、生態(tài)環(huán)境以及栽培措施等多重因素的影響，因此，在某一特定地區(qū)開展田間試驗進行優(yōu)質品種篩選很有必要[15]。本研究對50 個不同地區(qū)引進的玉米品種進行了綜合評價，旨在為青海地區(qū)的“糧改飼”推進提供理論指導。

生育期是影響玉米青貯生產性能和營養(yǎng)品質的重要因素之一。一般來說，隨著生育期的推進，全株玉米的干物質含量逐漸增加，NDF 和ADF 含量先下降后略上升，生物學產量、各營養(yǎng)成分以及飼料總能量均明顯增加[30]，且在乳熟末期和蠟熟早期收獲全株玉米時，生物產量最高，青貯品質最佳[31-32]。由此可見，收獲期是制作高品質青貯玉米飼料的限制性因素之一。本研究采用同一時間播種，統(tǒng)一施肥和田間管理，同一時間進行刈割，進行不同來源青貯玉米品種生產性能和營養(yǎng)品質比較，以期篩選出適宜青海高原東部地區(qū)的青貯玉米品種，但限于積溫，收獲時大部分玉米品種籽粒乳線范圍大多處在1/3～4/5，沒有完全達到1/3～1/2 的青貯玉米收割標準，但對于青藏高原飼草嚴重不足的現(xiàn)實(特別是冬季)，這部分青貯玉米品種還是完全可以利用的。

青貯玉米主要利用的是秸稈，因此株高是影響青貯玉米生物量的重要指標。參試玉米品種中高科玉138 株高最高，同時鮮重、干重也最大。分析表明，該品種生物學產量與株高呈正相關關系，這與前人研究結果相一致[33-34]的研究結果一致，在生產中可適當選擇植株較高、生物量較大的玉米品種。

青貯玉米營養(yǎng)品質由多個指標構成，在眾多評價指標中，蛋白質含量是青貯玉米品種判定的重要指標，其次是NDF 和ADF[35]。本研究參試玉米品種蛋白含量(干重基礎)變化范圍為6.16%～13.81%，且多數(shù)超過7%，可以滿足青貯玉米品質分級對蛋白標準的要求，可以考慮作為飼料應用于牛羊養(yǎng)殖中[27,36]。此外，青貯玉米中NDF、ADF 含量與動物采食量和消化率密切相關，NDF 含量和ADF 含量越低，動物采食量和消化率就越高，玉米的相對飼用價值也就越高[4]。參試品種中NDF (干重基礎)和ADF (干重基礎)含量變化范圍分別在29.75%～61.13%和16.45%～33.45%，低于國內其他地區(qū)NDF(56.47%～89.00%)和ADF (31.33%～62.00%)的含量指標[37]，其可能原因：一是參試玉米因本身NDF 和ADF 含量的差異；二是收割時參試玉米未完全達到適割時期，進而導致玉米植株中NDF 和ADF 含量較低。

通過對參試玉米品種的14 個主要性狀指標進行主成分分析，發(fā)現(xiàn)適宜青海高原地區(qū)種植的青貯玉米品種有24 個，與聚類結果基本一致，這表明主成分分析方法能較好地評價青貯玉米品種的綜合性狀。

3.2 結論

通過對50 個玉米品種的青貯性能和營養(yǎng)品質綜合評價，初步篩選出高科玉138 等品種為適宜青海高原種植的青貯玉米品種。但青貯性能和飼用品質除受玉米種質因素影響外，還受地域、年度及其互作等因素的影響，為了更好評價不同生態(tài)區(qū)玉米品種的青貯價值，后續(xù)還將開展多年多點試驗。