基于主成分分析綜合評價(jià)一年生飼草的生產(chǎn)性能
——以甘肅莊浪為例

楊彥忠，周文期，連曉榮，寇思榮

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，甘肅 蘭州 730070)

近年來，伴隨著人們生活收入的增加，生活品質(zhì)不斷提高，畜產(chǎn)品的需求逐漸擴(kuò)大，并且隨著“一帶一路”的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展，甘肅平?jīng)鳇S土高原地區(qū)畜牧業(yè)逐漸發(fā)展成地方經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，成為農(nóng)民增收的有效途徑。然而，為了追求更高的經(jīng)濟(jì)利益，當(dāng)?shù)鼐用駥μ烊徊莸剡^度開墾、使得大面積草地“農(nóng)田化”，導(dǎo)致天然草地面積的驟然減小，飼草供給遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足畜牧業(yè)發(fā)展，作物秸稈便成為季節(jié)性飼草短缺供應(yīng)的重要來源。

為了保證地方畜牧業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展，飼草作物的選擇和種植顯得尤為重要。因此，如何綜合評價(jià)飼草作物生產(chǎn)性能至關(guān)重要。合理的綜合評價(jià)可以為家畜確定適量的日飼喂量及口糧搭配比例，可提高飼草利用率和降低生產(chǎn)成本[1]。綜合營養(yǎng)品質(zhì)評價(jià)指標(biāo)包括飼草的適口性、營養(yǎng)成分含量、消化率以及有害成分含量等[2]。適口性是指牧草所表現(xiàn)的影響家畜嗜食性的程度，即家畜對不同飼草的喜歡食用程度，影響家畜的采食率，能夠直接評價(jià)牧草飼用價(jià)值的高低。飼草營養(yǎng)成分與價(jià)值研究多集中于粗蛋白、粗纖維、粗脂肪、粗灰分、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維及微量元素等方面[3]。一般家畜的吸收率與飼草消化率呈正相關(guān)關(guān)系，因此，設(shè)法提高消化率可提高飼草消化養(yǎng)分，有助于家畜消化與吸收，促進(jìn)生長，評估飼草消化率的大小一般用干物質(zhì)消化率估計(jì)值[4]。國際上對飼草品質(zhì)綜合評價(jià)通常采用多個(gè)指數(shù)，如質(zhì)量指數(shù)、相對質(zhì)量指數(shù)[5]、相對飼喂價(jià)值[6]以及粗飼料分級(jí)指數(shù)[7]。上述評價(jià)指數(shù)以飼草的能量和粗蛋白為中心，在一定程度上未考慮飼草的生長環(huán)境因子與生產(chǎn)成本之間的關(guān)系等非主要因素。為了篩選出更理想的地方飼料作物，盡可能全面地反映出飼草的生產(chǎn)性能，使綜合評價(jià)結(jié)果更為客觀和準(zhǔn)確，就需要考慮更多的評價(jià)指標(biāo)，如干物質(zhì)采食量、干物質(zhì)產(chǎn)量、干物質(zhì)消化率及相對飼喂價(jià)值等指標(biāo)，因此，通過綜合評價(jià)模型合成綜合評價(jià)值成為一種合適的評價(jià)方法[8]。主成分分析模型作為綜合評價(jià)模型，可以通過合成綜合評價(jià)值來解決眾多評價(jià)指標(biāo)排序的問題，該方法已成功應(yīng)用到農(nóng)業(yè)和草業(yè)的引種和育種方面[9-10]。

本研究基于主成分分析法，在夏播條件下，以9項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建評價(jià)模型，量化評估6種甘肅平?jīng)鳇S土高原地一年生飼草的生產(chǎn)性能，篩選適宜于該地域種植的高生產(chǎn)性能的飼草種類，解決季節(jié)性變化引起的飼草供給短缺問題，旨在為甘肅莊浪黃土高原地區(qū)畜牧業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供飼草種植理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于西北黃土高原莊浪縣朱店鎮(zhèn)毛柳村(106°05′ E，35°20′ N)，莊浪縣隸屬于甘肅省平?jīng)鍪?，是全國梯田化模范縣、全國生態(tài)建設(shè)示范縣，位于甘肅省中部，東鄰華亭縣，南和張家川縣、秦安縣接壤，西依靜寧縣，北與寧夏隆德縣、涇源縣毗鄰。試驗(yàn)地年平均氣溫8.1 ℃，極端最高氣溫是33.5 ℃，極端最低氣溫是-21.7 ℃；海拔1 567 m；降水偏少，2015年該地區(qū)年降水量為518 mm，2016年降水量為532 mm，并且多集中在7-9月，降水量約占全年降水量的58%；光熱資源豐富，年均日照時(shí)數(shù)為2 179 h；≥10 ℃年平均積溫2 690 ℃·d，無霜期平均為145 d。自然土壤為黃綿土，土壤含全N量低于0.1%，有機(jī)質(zhì)含量在1%以下，pH 7.5～8.0。

1.2　 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為6種一年生飼草作物，分別是蘇丹草(Sorghumsudanense)、大豆(Glycinemax)、谷子(Setariaitalic)、豌豆(Pisumsativum)、糜子(Panicummiliaceum)和燕麥(Avenasativa)，種子來源于甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所。采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每處理(品種)4次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)一個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積5 m×6 m，小區(qū)之間間隔1 m。

種植前均進(jìn)行深耕和滅茬、碎土和耙地、平整耱地以及鎮(zhèn)壓等工作，分別于2015年7月1日和2016年7月5日采用條播播種，根據(jù)當(dāng)?shù)亓?xí)慣的施肥用量以及播種量，播種前基礎(chǔ)肥料施尿素230 kg·hm-2(大豆和豌豆為75 kg·hm-2)，磷肥均為460 kg·hm-2。品種名稱，播種量和行距如表1所列。

1.3　取樣、測定與計(jì)算

1.3.1營養(yǎng)品質(zhì)的測定和計(jì)算收獲期(霜降前)，刈割3行1 m的樣段，為了消除邊際效應(yīng)取中間3行刈割[11](2～3 cm的留茬高度)，樣品經(jīng)65 ℃恒溫烘箱烘48 h，稱干重并記錄整株干物質(zhì)產(chǎn)量，再粉碎，過0.05 mm篩，用于營養(yǎng)成分的測定。

凱氏定氮法測定全株氮含量，再折算出粗蛋白質(zhì)(crude protein，CP)含量。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T20806-2006)測定飼草中中性洗滌纖維(neutral detergent fibre，NDF)和國家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NY/T1459-2007)測定飼草中酸性洗滌纖維(acid detergent fibre，ADF)[12-13]。用Horrocks和Vallentine[14]的方法計(jì)算干物質(zhì)采食量(digestible dry matter intake，DMI)、干物質(zhì)消化率(digestible dry matter，DDM)、相對飼喂價(jià)值(relative feed value，RFV)和凈能(net energy，NE)：

表1　6種飼草作物品種及播種量Table 1　Variety and seeding rate of 6 forage crops

DDM=88.9-(0.779×ADF);

(1)

DMI=120/NDF;

(2)

RFV=DDM×DMI×0.775;

(3)

NE=1.004-(0.0119×ADF)×2.205。

(4)

1.3.2測定項(xiàng)目土壤水分含量采用烘干法，測定時(shí)間與植物取樣時(shí)間一致，深度為200 cm分為8層(0-10、10-20、20-30、30-60、60-90、90-120、120-150和150-200 cm)。

土壤水貯量：W=0.1×r×v×h。

(5)

式中：W為不同深度的土壤水貯量(mm)，r為土壤含水量(占干土重的百分比,%)，v為環(huán)刀法測定的土壤平均容重(g·cm-3)[15]，h為土層深度(cm)。

耗水量：ET=W1-W2+R+I。

(6)

式中：ET為作物耗水量(mm)，W1為播種時(shí)土壤水貯量，W2為收獲時(shí)土壤貯水量。R為降水量， I為灌溉量。由于黃土高原是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，公式簡化為：

ET=W1-W2+R。

水分利用率：WUE=Y/ET。

(7)

式中：WUE為水分利用率[kg·(hm2·mm)-1]，Y為作物產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.4　飼草作物生產(chǎn)性能綜合評價(jià)及數(shù)據(jù)分析

用SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、相關(guān)性分析、單因素方差分析、多重比較不同飼草及作物秸稈之間水分利用效率、干物質(zhì)產(chǎn)量及營養(yǎng)品質(zhì)等差異。主成分分析是一種經(jīng)典的特征提取和降維方法，它將原來多個(gè)變量轉(zhuǎn)化成為少數(shù)的幾個(gè)不相關(guān)的綜合指標(biāo)，簡化原始高維變量的同時(shí)還保證了原始數(shù)據(jù)信息最大限度的保留[16]。本研究以干物質(zhì)產(chǎn)量(DM)、粗蛋白(CP)、中性洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(ADF)、干物質(zhì)消化率(DDM)、干物質(zhì)采食量(DMI)、相對飼喂價(jià)值(RFV)、凈能(NE)和水分利用效率(water utilization efficiency，WUE)9項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建綜合評價(jià)模型來量化評估了甘肅莊浪夏播6種飼草作物的生產(chǎn)性能。

2　結(jié)果與分析

2.1　比較6種飼草作物的生產(chǎn)性能

蘇丹草的干物質(zhì)產(chǎn)量顯著高于其他飼草作物(P<0.05)，糜子的最低(表2)；豌豆的粗蛋白含量顯著高于其他飼草作物(P<0.05)，糜子的最低；谷子的中性洗滌纖維含量最高，豌豆的量低；燕麥的酸性洗滌纖維含量最高，豌豆的最低，但差異不顯著(P>0.05)；糜子的干物質(zhì)消化率最高，蘇丹草的最低；豌豆的干物質(zhì)采食量最高，燕麥的最低；除大豆外，豌豆的相對飼喂價(jià)值顯著高于其他飼草作物(P<0.05),燕麥的最低；糜子的凈能最高，蘇丹草的最低；蘇丹草和豌豆的水分利用效率顯著高于其他飼草作物(P<0.05)，燕麥的最低。由于年際變化對飼草性能沒有顯著影響，因此取兩年數(shù)據(jù)的平均值(表2)。

2.2　相關(guān)性分析

相關(guān)分析結(jié)果表明，NDF含量與CP含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與ADF含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。其他指標(biāo)間無顯著相關(guān)性(P>0.05)(表3)。

2.3　對6種飼草作物的主成分分析

2.3.1計(jì)算特征值和特征向量初始因子載荷矩陣(表4)，每個(gè)載荷量表示主成分與對應(yīng)變量間的相關(guān)系數(shù)。用綜合主成分?jǐn)?shù)據(jù)(主成分載荷矩陣)除以主成分相對的特征值再開平方根，便可計(jì)算出兩個(gè)主成分中每一指標(biāo)所對應(yīng)的系數(shù)，也叫特征向量A1、A2和A3[3,8]。

表2　6種飼草作物的營養(yǎng)品質(zhì)Table 2　Nutrition content of 6 forage crops

同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

DM, dry matter; CP, crude protein; NDF, neutral detergent fibre; ADF, acid detergent fibre; DDM, digestible dry matter; DMI, digestible dry matter intake; RFV, relative feed value; NE, net energy; WUE, water utilization efficiency;Different lowercase letters within the same column indicate significant difference at the 0.05 level.

表3　不同營養(yǎng)指標(biāo)間的相關(guān)性分析Table 3　Correlation analysis of different nutrient parameter

**表示顯著相關(guān)(P<0.01)。

** indicate significant correlation at the 0.01 level (2-tailed).

表4　初始因子載荷矩陣及特征向量Table 4　Initial factor loading matrix and eigenvectors

2.3.2計(jì)算貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率提取主成分依據(jù)其累計(jì)計(jì)獻(xiàn)率≥85%的原則。本研究提取3個(gè)主成分，第1主成分主要是RFV，第2和第3主成分主要是DM(表4)。對于總方差的貢獻(xiàn)率而言，第1主成分占了55.3%，第2主成分占了25.0%，第3主成分占了10.8%，總和為91.1%，即前3個(gè)主成分可以反映出這些一年生飼草提供的全部指標(biāo)信息的91.1%(表5)。

表5　主效成分提取分析Table 5　Principal component extraction and analysis

2.3.3綜合評價(jià)主成分展示出原各指標(biāo)的線性組合，權(quán)數(shù)即為特征向量；它表示各單項(xiàng)指標(biāo)對于主成分的重要性[3,8]。3個(gè)主成分與9項(xiàng)指標(biāo)的線性組合結(jié)果如下：

F1=0.024ZDM+0.062ZCP+0.064ZDDM+0.094ZDMI+0.099ZRFV+0.063ZNE+0.071ZWUE-0.082ZNDF-0.086ZADF；

F2=0.162ZDM+0.098ZCP-0.073ZNDF+0.070ZADF-0.159ZDDM+0.044ZDMI-0.012ZRFV+0.109ZWUE-0.061ZNE；

F3=0.315ZDM-0.274ZCP+0.116ZNDF-0.097ZADF+0.084ZDDM+0.081ZNE+0.190ZWUE-0.086ZDMI-0.054ZRFV。

主成分因子的權(quán)重=因子貢獻(xiàn)率/入選因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率，由計(jì)算得因子1、2和3的權(quán)重依次為0.313、0.254和0.207，從而建立綜合得分?jǐn)?shù)學(xué)模型：F=0.313F1+0.254F2+0.207F3。將6種飼草評價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，代入綜合數(shù)學(xué)得分模型，求得每種飼草的主成分綜合得分，綜合得分越高，表明飼草的生產(chǎn)性能越好。6種一年生飼草綜合得分排序結(jié)果為蘇丹草>燕麥>豌豆>谷子>糜子>大豆(表6)。

表6　綜合主成分值Table 6　Values of comprehensive principal components

3　討論

本研究基于主成分分析綜合評級(jí)一年生飼草生產(chǎn)性能，提取了3個(gè)主成分反映了91.1%飼草全部指標(biāo)提供的信息，相對飼喂價(jià)值的值在第1主成分中最高，干物質(zhì)產(chǎn)量的值在第2和第3主成分中最高。其中，相對飼喂價(jià)值是飼草品質(zhì)檢測技術(shù)以及當(dāng)前飼草銷售市場的重要參考指標(biāo)[17]，在美國飼草的銷售和種子生產(chǎn)中，用相對飼喂價(jià)值來衡量飼草的價(jià)格和評估種子質(zhì)量提高的程度[18-19]。Long等[20]通過相對飼喂價(jià)值評估青藏高原地區(qū)的22種天然草，篩選出適宜當(dāng)?shù)刈罴扬暡莘N類(包括莎草科、禾本科、灌叢及非禾本科)。其次，衡量飼草生產(chǎn)性能的另一個(gè)重要指標(biāo)就是干物質(zhì)產(chǎn)量。因此，結(jié)合莊浪縣的生長環(huán)境條件以及飼草的生產(chǎn)現(xiàn)狀和需求，通過相對飼喂價(jià)值和干物質(zhì)產(chǎn)量來綜合評價(jià)夏播6種一年生飼草作物的生產(chǎn)性能，該評價(jià)結(jié)果客觀、準(zhǔn)確。糧飼兼用型作物在我國種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及畜牧業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，其籽料可為人和動(dòng)物提供充足的營養(yǎng)，莖稈則可作為粗飼料飼喂反芻動(dòng)物，充分利用糧食與秸稈能源，增加農(nóng)民收入，降低盲目種植成本及飼養(yǎng)成本，拉動(dòng)畜牧業(yè)的發(fā)展，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。結(jié)合現(xiàn)階段我國畜牧業(yè)的發(fā)展，通過糧―草―畜有機(jī)結(jié)合[21]，將飼草作物或者牧草生產(chǎn)利用納入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系當(dāng)中來滿足消費(fèi)者食物需求，來促進(jìn)、引領(lǐng)和保證糧草兼顧型畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。本研究在夏播前提下，應(yīng)用主成分分析法綜合評價(jià)了6種一年生飼草作物的基本生產(chǎn)性能，結(jié)果表明，綜合生產(chǎn)性能最高的是蘇丹草，其次是燕麥、豌豆、谷子、糜子和大豆。牛伊寧和南志標(biāo)[22]的研究表明，在引進(jìn)的4種牧草作物中，蘇丹草的干物質(zhì)產(chǎn)量僅次于玉米(Zeamays)，適合隴東等黃土高原區(qū)域的種植和生長，可以大面積推廣種植，本研究結(jié)果與其一致。研究表明，9種隴東黃土高原地區(qū)一年生飼草作物中，玉米性能最高，其次是蘇丹草[8,11,23]，本研究得出6種夏播飼草中蘇丹草性能最高，與其結(jié)論相符，但是其他幾種飼草作物與其評價(jià)結(jié)果均不同，可能原因：1)所選的評價(jià)方法不同，灰色關(guān)聯(lián)度分析是一種“升維”的評價(jià)方法，構(gòu)建最優(yōu)指標(biāo)，評價(jià)指標(biāo)越接近最優(yōu)指標(biāo)說明此指標(biāo)要優(yōu)于其他指標(biāo)，而主成分分析是一種“降維”的分析方法，即指標(biāo)的優(yōu)劣性通過少數(shù)指標(biāo)來反映(提取指標(biāo)時(shí)有兩個(gè)原則)，因此選擇不同的分析方法以及權(quán)重制定時(shí)的人為因素會(huì)對結(jié)果有影響[23]；2)飼草種植地雖然同屬黃土高原，但是兩個(gè)地區(qū)的降水、積溫等條件都存在較大的差異，本研究兩年的降水量分別是518和532 mm，張清平[8]的研究中，2010年慶陽地區(qū)的降水量達(dá)到650 mm，而水分對于酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維的影響較大，因此結(jié)果會(huì)存在差異。豌豆由于在黃土高原地帶作為非主要作物，種植面積小，因此未作為飼草資源對其開發(fā)，在本研究中豌豆的綜合評價(jià)生產(chǎn)性能高于谷子和糜子，也值得作為重要飼草推廣。本研究中未設(shè)置青貯玉米，主要因?yàn)樵摰貐^(qū)溫度低，光照時(shí)間短，夏播條件下青貯玉米達(dá)不到要求。

4　結(jié)論

基于主成分分析法的綜合評價(jià)模型，適用于甘肅平?jīng)鳇S土高原區(qū)域一年生飼草作物的生產(chǎn)性能綜合評估。在夏播條件下，蘇丹草的綜合生產(chǎn)性能最高，其次是燕麥、豌豆、谷子、糜子和大豆。