10種作物秸稈的營養(yǎng)品質(zhì)分析

康 健，匡彥蓓，盛 捷

(1.蘭州理工大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730050;2.華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣東廣州510630)

黃土高原丘陵溝壑區(qū)內(nèi)主要地形為河谷川地、河谷盆地、丘陵坡地，是典型的半農(nóng)半牧農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)，主要耕地模式是小農(nóng)耕地模式，即需要牲畜拉動犁地，因此該地區(qū)牲畜飼養(yǎng)有一定的規(guī)模，畜牧業(yè)比較發(fā)達(dá)，畜牧業(yè)作為黃土高原的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一，是未來農(nóng)村發(fā)展的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)［1］。近年來，隨著人口數(shù)量的增長以及人們生活品質(zhì)的提高，畜產(chǎn)品需求逐漸擴(kuò)大，畜牧業(yè)成為地方經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，并且由于西部大開發(fā)以及“十二五”規(guī)劃的啟動，發(fā)展畜牧業(yè)成為農(nóng)民增收的有效途徑和必然選擇。

由于天然草地供應(yīng)的飼草已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足畜牧業(yè)發(fā)展對飼草的需求，作物秸稈已成為飼草供應(yīng)的重要來源。秸稈對保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境以及促進(jìn)農(nóng)民增收有重要作用［2］。隨著農(nóng)副產(chǎn)品價格的不斷上揚(yáng)，在以糧食為主原料的傳統(tǒng)飼料成本進(jìn)一步增加的情況下，作物秸稈替代傳統(tǒng)飼料作物已成為一種必然趨勢。在黃土高原特殊的生態(tài)環(huán)境下，選擇優(yōu)質(zhì)的作物秸稈是解決該地區(qū)草畜供求矛盾、促進(jìn)畜牧業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵措施之一。該地區(qū)已有的飼草營養(yǎng)價值研究多集中于干物質(zhì)產(chǎn)量、粗蛋白、粗脂肪、粗纖維以及微量元素方面，對該地區(qū)作物秸稈綜合營養(yǎng)價值評定的研究及相關(guān)報道尚不多見。而該地區(qū)所種植的飼草種類繁雜，對飼草品種優(yōu)劣的評估大多以產(chǎn)量、粗蛋白等作為評判因素，這并不能系統(tǒng)準(zhǔn)確地評價飼草品種優(yōu)劣，具有一定的局限性。為此本研究在前人研究的基礎(chǔ)上［3-5］，基于主成分和聚類分析法對小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、高梁(Sorghum bicolor)、青稞(Avena nuda)、燕麥(A.sativa)、土豆(Solanum tuberosum)、谷子(Setaria italica)、糜子(Panicum miliaceum)、大豆(Glycine max)和豌豆(Pisum sativum)共10種飼草作物秸稈以吸附水、粗蛋白、粗脂肪、酸性和中性洗滌纖維、粗纖維、粗灰分、碳水化合物和有機(jī)質(zhì)消化率來構(gòu)建綜合評價模型進(jìn)行綜合評價，減少單個指標(biāo)反映物理質(zhì)量帶來的差異，以期較全面、客觀地評價品種的優(yōu)劣，為提高該區(qū)畜牧業(yè)生產(chǎn)發(fā)展及促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展等提供理論依據(jù)，實現(xiàn)增加農(nóng)民收入的目標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

在甘肅省平?jīng)鍪徐o寧縣高界鄉(xiāng)飼草作物種植地隨機(jī)選取3個點，在2011年作物成熟后采集小麥、玉米、高梁、青稞、燕麥、土豆、谷子、糜子、大豆和豌豆共10種作物的秸稈樣品。將原始樣品剪碎，混合均勻后用四分法縮減至1 000 g，將采集的樣品在65℃下烘干，在1 mm進(jìn)口旋風(fēng)磨上粉碎后密封置于干燥器中供分析測試。

1.2 營養(yǎng)品質(zhì)測定方法

吸附水(Adsorbed Water，AW)用分段測水法測得牧草試樣的吸附水含量［6］。粗蛋白質(zhì)(Crude Protein，CP)用凱氏定氮法測定［7］。粗脂肪(Ether Extract，EE)用索氏浸提法測定［6］。粗纖維(Crude Fiber，CF)用酸堿洗劑法測定［7］。酸性洗滌纖維(Acid Detergent Fiber，ADF)和中性洗滌纖維(Neutral Detergent Fiber，NDF)采用范氏(Van Soest)洗滌纖維分析法測定［7］。粗灰分(Ash)采用高溫灼燒化干灰法測定［8］。無氮浸出物(Nitrogen Free Extract，NFE)=100%―［粗脂肪(%)+粗纖維(%)+粗蛋白(%)+粗灰分(%)］。碳水化合物(Water Soluble Carbohydrate，WSC)采用蒽酮比色法測定［9］。有機(jī)質(zhì)消化率(Organic Matter Digestibility，OMD)采用文獻(xiàn)［10］的方法。

1.3 作物秸稈營養(yǎng)價值綜合評定

由于10個指標(biāo)的量綱不統(tǒng)一，在進(jìn)行主成分分析計算前，利用公式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。式中，j為指標(biāo)個數(shù)，i為每個指標(biāo)的觀察值，xij為原始數(shù)據(jù)(i=1，2，…，107;j=1，2，…，10)，x'ij為變換后的數(shù)據(jù)，xj為第j個指標(biāo)的算術(shù)平均值，Sj為指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差，變換后使得各指標(biāo)數(shù)據(jù)的平均值為0，方差為1，呈標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。

1.4 統(tǒng)計分析

利用SPSS16.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行相關(guān)分析、主成分分析和系統(tǒng)聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 10種飼草作物秸稈的營養(yǎng)品質(zhì)

結(jié)果顯示，飼草作物秸稈的營養(yǎng)品質(zhì)(表1)，吸附水含量最高的是大豆，最低的是高粱;粗蛋白含量最高的是玉米，最低的是小麥;粗脂肪的變化在0.7%(小麥)～1.8%(大豆);粗纖維的變化在22.0%(糜子)～38.7%(青稞);中性洗滌纖維最低的是土豆(51.0%)，最高的是青稞(72.3%);酸性洗滌纖維最低的是燕麥(31.1%)，最高的是青稞(48.0%)，粗灰分最高的是土豆(12.3%)，最低的是青稞(4.9%);無氮浸出物最高的是小麥(56.6%)，最低的是燕麥(50.0%);碳水化合物最高的是小麥(24.2%)，最低的是燕麥(8.0%);有機(jī)質(zhì)消化率最高的是糜子(53.0%)，最低的是土豆(28.0%)。

2.2 10種飼草作物秸稈營養(yǎng)價值綜合評價

2.2.1 主成分分析 初始因子載荷矩陣，每一個載荷量表示主成分與對應(yīng)變量的相關(guān)系數(shù)。用主成分載荷矩陣中的數(shù)據(jù)除以主成分相對的特征值開平方根便得到兩個主成分中每個指標(biāo)所對應(yīng)的系數(shù)，即特征向量AI、A2和A3(表2)。

表1 10種飼草作物秸稈營養(yǎng)品質(zhì)Table 1 The nutrition content of 10 forage crops straw %

表2 初始因子載荷矩陣及特征向量Table 2 The initial factor loading matrix and eigenvectors

根據(jù)累積貢獻(xiàn)率≥85%的原則取得主成分。據(jù)此本研究提取了3個主成分(表3)，第1主成分對于總方差的貢獻(xiàn)率是57.278%，第2主成分對于總方差的貢獻(xiàn)率是17.461%，第3主成分對于總方差的貢獻(xiàn)率是11.102%，三者之和達(dá)到85.841%，即前3個主成分能把飼草全部指標(biāo)提供信息的85.841%反映出來。

主成分是原各指標(biāo)的線性組合，各指標(biāo)的權(quán)數(shù)為特征向量;它表示各單項指標(biāo)對于主成分的重要程度并決定了該主成分的實際意義。根據(jù)主成分計算公式，可得到3個主成分與原10項指標(biāo)的線性組合:

主成分因子的權(quán)重=因子貢獻(xiàn)率/入選因子的累積貢獻(xiàn)率，由計算得因子1、2和3的權(quán)重依次為0.441、0.384 和 0.174，從而建立綜合得分?jǐn)?shù)學(xué)模型:F=0.441F1+0.384F2+0.174F3。飼用價值綜合評價(表4)的結(jié)果為糜子＞大豆＞豌豆＞谷子＞青稞＞燕麥＞高粱＞土豆＞玉米＞小麥。

表3 主成分提取分析Table 3 Principal component extraction and analysis

表4 綜合主成分值Table 4 The values of comprehensive principal component

2.2.2 聚類分析 采用系統(tǒng)聚類－質(zhì)心聚類法，聚類距離運(yùn)用歐氏距離，基于飼草作物秸稈營養(yǎng)品質(zhì)綜合得分進(jìn)行聚類分析，飼草作物秸稈營養(yǎng)品質(zhì)可聚為4類(圖1):糜子、大豆、豌豆和燕麥為一類;谷子和土豆為一類;小麥、玉米和高粱為一類;而青稞單獨為一類。

3 討論與結(jié)論

營養(yǎng)價值的高低是評價飼草優(yōu)良的重要指標(biāo)，主要取決于所含營養(yǎng)成分的種類和數(shù)量［11］。為了更好滿足草食家畜對養(yǎng)分的需求，了解飼草作物秸稈的營養(yǎng)品質(zhì)非常必要［12］。粗蛋白是飼草品質(zhì)的重要組成部分，是反映飼草營養(yǎng)價值高低的重要指標(biāo)［13］，飼草營養(yǎng)價值與粗蛋白含量呈正相關(guān)，是家畜蛋白質(zhì)需求的主要來源。中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維也是評價飼草品質(zhì)重要的指標(biāo)［14］。中性洗滌纖維影響飼草的采食率，酸性洗滌纖維影響飼草的消化率。粗灰分代表家畜對飼草礦物質(zhì)的需求;粗纖維是熱能的主要原料，具有芳香氣味，對飼草適口性具有重要的影響［15］?？扇苄蕴呛渴欠雌c家畜飼草營養(yǎng)價值的重要指標(biāo)，與飼草的適口性［16］、消化率［17］以及青貯飼草的品質(zhì)有關(guān)［18-19］。粗脂肪是指作物飼料中脂溶性物質(zhì)的總稱，主要包括脂肪、類脂(固醇、磷脂)兩大類，也包括麥角甾醇、膽固醇、脂溶性維生素、葉綠素等。粗脂肪是飼料中的一個重要組成部分，雖然各種動物對其需要量不大，但是不能缺少，在動物營養(yǎng)中起著很重要的作用。有機(jī)質(zhì)消化率的變化是由于飼草中性洗滌纖維含量和消化率的變化引起的，飼草的各種化學(xué)成分被家畜消化的程度不一樣，消化率高的飼草才對家畜生產(chǎn)具有更大意義。無氮浸出物以淀粉為主，在青飼料中以戊聚糖為最多，淀粉和可溶性糖容易被各類動物消化吸收。飼料中無氮浸出物含量高，適口性好，消化率高，是動物能量的主要來源。結(jié)合靜寧縣的生境條件以及飼草的生產(chǎn)現(xiàn)狀和需求，本研究對10種作物秸稈營養(yǎng)價值采用主成分分析法建立品質(zhì)評價模型，以量化形式表征物理綜合品質(zhì)，減少了單個指標(biāo)反映物理質(zhì)量帶來的差異性，以主成分綜合得分為基礎(chǔ)對樣品進(jìn)行聚類分析，剔除了10個指標(biāo)之間的冗余信息，有效地去除了飼草作物秸稈品質(zhì)評價的主觀成分，其綜合評價結(jié)果具有較高的的客觀性和準(zhǔn)確性。

圖1 10種飼草作物秸稈營養(yǎng)品質(zhì)綜合聚類分析Fig.1 The comprehensive cluster analysis of ten forage straw nutritive quality

楊天育等［3］利用有機(jī)質(zhì)消化率單因子對6種作物秸稈進(jìn)行了評價，結(jié)果表明糜子、玉米、高粱、谷子營養(yǎng)價值較高，與本研究結(jié)果有一定的差異，但均表明糜子和谷子是優(yōu)選的飼草作物;秦彧等［5］對日喀則和山南地區(qū)家畜主要粗飼料作物秸稈(青稞、油菜、土豆、小麥、玉米和燕麥)進(jìn)行了營養(yǎng)成分分析，結(jié)果表明禾本科和豆科飼草營養(yǎng)類型以粗蛋白含量高，粗纖維含量低的氮型和氮碳型為主，也說明了作物秸稈作為一種粗飼料，一定程度上能滿足家畜的營養(yǎng)需求。

本研究基于主成分分析和聚類分析作物秸稈品質(zhì)綜合評價，拓寬了評價作物品質(zhì)的新途徑。10種飼草作物秸稈飼用價值按大小排序為糜子＞大豆＞豌豆＞谷子＞青稞＞燕麥＞高粱＞土豆＞玉米＞小麥，聚類分析結(jié)果表明，糜子、大豆、豌豆和燕麥秸稈營養(yǎng)品質(zhì)更高;谷子和土豆次之;青稞、小麥、玉米和高粱較低。雖然聚類分析結(jié)果與主成分分析結(jié)果存在一定的差別，分析存在差異的原因可能與權(quán)重制定時的人為因素有關(guān)，但綜合評價的結(jié)果基本是一致的。因此，在靜寧縣農(nóng)區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展中，選擇種植優(yōu)質(zhì)秸稈飼草作物糜子、大豆、豌豆和谷子，更有利于該地區(qū)農(nóng)畜牧業(yè)生產(chǎn)。

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