甘肅省天祝地區(qū)5種常見棘豆屬植物營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)價(jià)

畢思思，郭偉，王惟惟，茍娜娜，郭燦燦，張瑩，龍瑞軍

(1. 青藏高原生態(tài)系統(tǒng)管理國(guó)際中心，蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2. 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020；3. 蘭州大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

棘豆屬植物是天?？h天然草地分布最廣、危害最大的一類有毒植物，對(duì)天祝地區(qū)天然草地產(chǎn)生嚴(yán)重危害，受影響面積高達(dá)3.73萬hm2。棘豆屬植物平均密度達(dá)24.4株/m2，最高密度可達(dá)28.1株/m2，蓋度32.1%，棘豆屬植物的產(chǎn)草量占牧草總產(chǎn)量的10.0%～45.4%[1]。家畜誤食棘豆屬植物后可能會(huì)引起中毒，繁殖力下降，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致死亡[2]。據(jù)調(diào)查，天?？h每年有1.3萬只綿羊因采食棘豆屬植物而表現(xiàn)出中毒癥狀，死亡率高達(dá)28.71%，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。棘豆屬植物的主要有毒成分是生物堿(alkaloids)，包括吲哚里西啶類(indolizidine alkaloid)、喹諾里西啶類(quinolizdine alkaloid)、有機(jī)酰胺類(organic amide)等[3]，其中吲哚里西啶類生物堿中的苦馬豆素(swainsonine)被認(rèn)為是造成家畜中毒的主要物質(zhì)，具有較強(qiáng)的生理活性和毒性[4]。目前針對(duì)棘豆的傳統(tǒng)防控措施是人工防除和化學(xué)防除，但這兩種方法可能會(huì)破壞牧區(qū)的生態(tài)環(huán)境，加速草場(chǎng)退化，并且造成了棘豆資源的極大浪費(fèi)[5]。棘豆屬植物雖然含有毒性成分，但其營(yíng)養(yǎng)成分也十分豐富。研究人員曾對(duì)青海省的甘肅棘豆(Oxytropiskansuensis)、黃花棘豆(Oxytropisochrocephala)和寬苞棘豆(Oxytropislatibracteata)的主要營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明，黃花棘豆蛋白質(zhì)含量接近于上等苜蓿，甘肅棘豆和寬苞棘豆蛋白質(zhì)含量高于下等苜蓿[6]。棘豆屬植物雖有毒但含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，且生長(zhǎng)密度大，若能在營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的時(shí)期集中收割，并控制棘豆屬植物添加量，或通過稀酸水、清水或青貯等脫毒方法進(jìn)行處理，即可作為冬春季的蛋白補(bǔ)飼牧草或抗災(zāi)害備用牧草，棘豆屬植物作為飼草資源利用，前景廣闊[5,7]。甘肅省天祝地區(qū)的寬苞棘豆(Oxytropislatibracteata)、球花棘豆(Oxytropisglobiflora)、黑萼棘豆(Oxytropismelanocalyx)、黃花棘豆(Oxytropisochrocephala)、甘肅棘豆(Oxytropiskansuensis)分布廣泛，密度高，種群優(yōu)勢(shì)明顯?；诖耍驹囼?yàn)通過對(duì)該地區(qū)這5種常見棘豆屬植物進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)成分分析，并模擬體外試驗(yàn)測(cè)定干物質(zhì)降解率。采用SPSS主成分分析法(SPSS principal component analysis)，對(duì)這一區(qū)域5種常見棘豆屬植物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為天祝地區(qū)合理開發(fā)利用棘豆屬植物提供理論依據(jù)，使棘豆屬植物“變廢為寶”，“變害為利”，從而改善日益加深的草畜矛盾，有效促進(jìn)草地環(huán)境生態(tài)平衡，防止草地退化，保證草原畜牧業(yè)持續(xù)穩(wěn)定健康發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于甘肅省天祝藏族自治縣安遠(yuǎn)鎮(zhèn)烏鞘嶺，地處祁連山高寒山區(qū)，北緯37°12.48′，東經(jīng)102°51.70′，海拔2 633～3 876 m，年平均氣溫為-2～1.3 ℃，相對(duì)無霜期80 d，全年分暖季(6月至9月)和冷季(當(dāng)年10月至次年5月)，年降水量265～630 mm，日照時(shí)數(shù)年均2 500～2 700 h，氣候高寒多變，春季多風(fēng)雪。

1.2 樣品采集

于2017年7月下旬,采集正值盛花期的5種常見棘豆屬植物，包括寬苞棘豆、球花棘豆、黑萼棘豆、黃花棘豆和甘肅棘豆。

常規(guī)方法取樣。取植物地上部分，凍干，粉碎，過40目篩后，密封保存于-20 ℃?zhèn)溆谩?/p>

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 常規(guī)營(yíng)養(yǎng)成分測(cè)定指標(biāo)及方法

干物質(zhì)(dry matter，DM)、粗灰分(crude ash，ASH)、鈣(Ca)、總磷(P)含量的測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[8]；粗蛋白(crude protein，CP)含量使用濟(jì)南海能JK-9830全自動(dòng)凱氏定氮儀進(jìn)行測(cè)定；粗纖維(crude fiber，CF)、中性洗滌纖維(neutral detergent fiber，NDF)、酸性洗滌纖維(acid detergent fiber，ADF)使用ANKOM 2000i全自動(dòng)纖維分析儀進(jìn)行測(cè)定；粗脂肪(ether extract，EE)測(cè)定采用濟(jì)南海能SOX500脂肪測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定；無氮浸出物(nitrogen free extract，NFE)含量通過公式計(jì)算得到，無氮浸出物=100-(水分+粗灰分+粗蛋白+粗脂肪+粗纖維)總能(gross energy，GE)采用美國(guó)PARR6100全自動(dòng)氧彈量熱儀測(cè)定，測(cè)定指標(biāo)均以干物質(zhì)為基礎(chǔ)。

1.3.2 棘豆屬植物體外干物質(zhì)降解率以及能值的測(cè)定

利用ANKOM DAISY Ⅱ型體外模擬培養(yǎng)箱，參照Tilley和Terry的活體外兩階段法，測(cè)定5種棘豆植物的體外干物質(zhì)降解率(invitrodry matter degradation rate，IVDMD)[9]。試驗(yàn)采用混合培養(yǎng)液(瘤胃液∶緩沖液=1∶2)，準(zhǔn)確稱取棘豆屬植物樣品0.4 g于濾袋中，在39 ℃厭氧條件下消化48 h，取出樣品，迅速用冷水沖洗，以終止微生物發(fā)酵反應(yīng)，然后在樣品中加入0.2%胃蛋白酶溶液，在酸性條件下繼續(xù)消化48 h。消化完成后取出樣品袋用蒸餾水洗凈，105 ℃烘至恒重，稱量和計(jì)算樣品IVDMD，并對(duì)消化能(digestible energy，DE)、代謝能(metabolic energy，ME)進(jìn)行計(jì)算。

瘤胃液采自4頭年齡4歲，體重約200 kg的健康牦牛。IVDMD、DE、ME的計(jì)算公式參照參考文獻(xiàn)[10]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。方差分析采用單因素方差分析(one-way ANOVA)，多重比較采用Duncan法，以P<0.05表示為差異顯著，試驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示[11]。

應(yīng)用SPSS 22.0軟件中降維模塊因子分析方法，將測(cè)定的14個(gè)棘豆屬植物的營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)(DM、CP、CF、NDF、ADF、EE、ASH、NFE、Ca、P、DMD、GE、DE、ME)進(jìn)行主成分分析，用以評(píng)價(jià)5種棘豆屬植物的綜合營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。為消除量綱的不同，將14個(gè)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，其中CF、NDF、ADF為負(fù)向指標(biāo)(即含量越高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值越低)，所以將其數(shù)據(jù)取倒數(shù)進(jìn)行正向處理。運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析，按照主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率≥90%的原則提取主成分。主成分分析法中各主成分計(jì)算公式為(1)，主成分綜合模型計(jì)算公式為(2)。其中，(1)式中Fi為各主成分得分，Aij為特征向量值，Zij為各棘豆屬植物營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值；(2)式中F為主成分綜合得分，λi表示第i個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率占總提取方差貢獻(xiàn)率的權(quán)重[12-13]。

(1)

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 天祝地區(qū)5種常見棘豆屬植物營(yíng)養(yǎng)成分含量

5種常見棘豆屬植物的營(yíng)養(yǎng)成分含量在各個(gè)種間存在著差異(P<0.05)，如表1所示，DM含量為92.62%～94.18%，從高到低排序依次為：甘肅棘豆、黑萼棘豆、寬苞棘豆、球花棘豆、黃花棘豆(P<0.05)。黑萼棘豆CP含量最高(16.81%)，顯著高于球花棘豆15.08%(P<0.05)、黃花棘豆15.03%(P<0.05)、甘肅棘豆13.43%(P<0.05)和寬苞棘豆13.06%(P<0.05)。黑萼棘豆CF含量(16.58%)顯著低于其他4種棘豆屬植物(P<0.05)。5種棘豆屬植物NDF含量均在30%以上，其中球花棘豆NDF含量(33.75%)為最低(P<0.05)，寬苞棘豆NDF含量(46.75%)為最高(P<0.05)。ADF含量為23.06%～32.31%，其中甘肅棘豆ADF含量(23.06%)顯著低于其他棘豆屬植物(P<0.05)。寬苞棘豆ASH含量(12.43%)最高(P<0.05)。EE含量為1.61%～2.17%，其中黑萼棘豆的EE含量(2.17%)顯著高于其他棘豆屬植物(P<0.05)。NFE含量為46.78%～57.44%(DM)，甘肅棘豆NFE含量(57.44%)最高(P<0.05)，而寬苞棘豆NFE含量(46.78%)最低(P<0.05)。5種棘豆屬植物中Ca含量為0.87%～1.10%，P含量為0.17%～0.27%，其中黃花棘豆的Ca和P含量均顯著高于其他棘豆屬植物(P<0.05)。

表1 試驗(yàn)區(qū)5種常見棘豆屬植物營(yíng)養(yǎng)成分分析(干物質(zhì)基礎(chǔ)) %

2.2 牧草體外干物質(zhì)降解率和能值

5種棘豆屬植物體外干物質(zhì)降解率和能值結(jié)果如表2。其中球花棘豆的IVDMD最高(71.53%，P<0.05)，寬苞棘豆最低(56.87%，P<0.05)。5種棘豆屬植物的GE為17.61～19.39 MJ/kg，其中球花棘豆(19.39%)>甘肅棘豆(19.15%)>黑萼棘豆(19.10%)>寬苞棘豆(18.17%)>黃花棘豆(17.61%)，且差異顯著(P<0.05)。5種棘豆屬植物的DE為10.33～13.87 MJ/kg，ME為8.47～11.37 MJ/kg，其中球花棘豆的DE和ME均顯著高于其他棘豆屬植物(P<0.05)，而寬苞棘豆的DE、ME均最低(P<0.05)。

表2 試驗(yàn)地5種常見棘豆植物的體外干物質(zhì)降解率、總能 、消化能及代謝能

2.3天祝地區(qū)5種常見的棘豆屬植物綜合營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)價(jià)

5種常見棘豆屬植物的主成分分析及綜合營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。按照主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率≥90的原則，將14個(gè)指標(biāo)提取為3個(gè)互不相關(guān)的主成分，它們對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率分別為57.258%、21.466%、13.123%，總積累貢獻(xiàn)率為91.847%，根據(jù)公式(1)計(jì)算各主成分得分，再根據(jù)公式(2)構(gòu)建出綜合評(píng)價(jià)模型：F=0.623F1+0.234F2+0.143F3，其F值越大綜合品質(zhì)越好。因此由主成分分析得出綜合營(yíng)養(yǎng)價(jià)值排序?yàn)椋呵蚧?甘肅棘豆>黑萼棘豆>黃花棘豆>寬苞棘豆。

表3 試驗(yàn)地5種常見棘豆植物的主成分分析及綜合營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)價(jià)

3 討論

3.1 天祝地區(qū)5種常見棘豆屬植物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值特點(diǎn)

CP由純蛋白和非蛋白氮組成，是放牧牲畜主要蛋白來源，其含量高低直接影響牲畜生產(chǎn)和健康[14]。本試驗(yàn)中5種常見棘豆屬植物的粗蛋白含量為13.06%～16.81%，接近于優(yōu)質(zhì)苜蓿的粗蛋白含量15.8%[15]，高于高宏巖等[16]所測(cè)禾本科牧草的粗蛋白含量(6.95%～12.82%)，因此5種棘豆屬植物的粗蛋白含量接近于優(yōu)質(zhì)飼草，高于普通粗飼料。美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)(NRC)提出，反芻動(dòng)物生產(chǎn)所需要的蛋白含量為12%～25%，假設(shè)大部分的蛋白為可消化性的，那么本試驗(yàn)中5種棘豆屬植物對(duì)反芻動(dòng)物可提供較為豐富的蛋白質(zhì)供應(yīng)[17]，經(jīng)過脫毒處理后，可作為蛋白飼料為牲畜提供蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)。CF是植物細(xì)胞壁的主要組成成分，是牧草重要的熱能供給源之一，對(duì)牧草適口性具有重要的影響。NDF代表著飼草的容積，消化緩慢，其含量與家畜干物質(zhì)采食量呈負(fù)相關(guān)，即NDF含量增加，家畜采食潛力降低，NDF通常以小于40%為佳。ADF與動(dòng)物消化率有關(guān)，ADF高，則消化率降低，以不高于30%為宜[18-19]。本試驗(yàn)中寬苞棘豆、黑萼棘豆和黃花棘豆的NDF均高于40%，對(duì)適口性以及動(dòng)物采食潛力造成了不良影響，除寬苞棘豆以外，其他4種棘豆屬植物的ADF均低于30%。因此寬苞棘豆具有較低的干物質(zhì)消化率。NFE和EE是牧草的易消化吸收養(yǎng)分，其含量越高，則飼草的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值越高，適口性也越好。ASH是指除碳、氫、氧和氮以外所有其他元素氧化物的總和，它反映了牧草礦物質(zhì)的總體含量[20]。優(yōu)質(zhì)的飼草應(yīng)具備ASH含量小于9%～10% 的特征[21]。本試驗(yàn)中除寬苞棘豆和黑萼棘豆灰分含量大于10%，其余3種棘豆屬植物ASH含量均能滿足優(yōu)質(zhì)飼草需求。Ca和P在家畜的骨骼發(fā)育與維護(hù)方面起著特殊的作用，礦物元素缺乏或過量均可引起牲畜生長(zhǎng)發(fā)育不良、生產(chǎn)性能下降甚至死亡，滿足牲畜生理需求的Ca含量應(yīng)在0.3%～5.5%，P含量在0.13%～0.25%屬正常范圍，反芻動(dòng)物對(duì)Ca和P的耐受水平為鈣磷比不超過7∶1為宜[22-24]。本試驗(yàn)中5種棘豆屬植物Ca、P含量均在正常范圍內(nèi)，鈣磷比均未超過反芻動(dòng)物耐受范圍，因此，它們作為反芻動(dòng)物飼用牧草不會(huì)降低動(dòng)物生產(chǎn)性能。本試驗(yàn)中天祝黃花棘豆的營(yíng)養(yǎng)成分與報(bào)道有一定差異，本試驗(yàn)與其相比，黃花棘豆干物質(zhì)低4.52%、粗蛋白低13.12%、粗脂肪低32.39%、粗灰分低21.34%，而粗纖維高3.98%、中性洗滌纖維高4.42%、酸性洗滌纖維高9.03%[25]。由于兩試驗(yàn)棘豆植物均采集于盛花期，因此出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)成分差異的原因可能是棘豆植物樣品采樣年份不同而造成的，不同年際間放牧利用方式、季節(jié)性氣候的變化，及降雨量的不同，均可能造成牧草營(yíng)養(yǎng)成分的差異[26]。天?？h寬苞棘豆的粗纖維、粗灰分含量均比王凱[6]報(bào)道的青海省澤庫縣寬苞棘豆的相應(yīng)值偏低，分別為粗纖維低28.38%，粗灰分低18.74%。而粗蛋白、無氮浸出物含量均比王凱[6]報(bào)道的青海省澤庫縣寬苞棘豆的相應(yīng)值偏高，分別為粗蛋白高2.54%，無氮浸出物高6.44%。干物質(zhì)、粗脂肪的相應(yīng)值則基本相同。造成差異的原因可能是由于采樣地區(qū)的地理環(huán)境不同, 海拔、溫度等因素均會(huì)對(duì)牧草的營(yíng)養(yǎng)成分造成影響[27]。

牧草體外干物質(zhì)降解率(IVDMD)是在一定程度上反映動(dòng)物機(jī)體對(duì)牧草的降解情況及草畜關(guān)系的變化，是評(píng)定牧草營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的重要指標(biāo)，同時(shí)體外降解率也是衡量牧草營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可消化性的尺度[28]。由表3可知，甘肅地區(qū)棘豆屬植物體外干物質(zhì)降解率按從大到小排序，依次為：球花棘豆、甘肅棘豆、黑萼棘豆、黃花棘豆和寬苞棘豆。由此可見，5種棘豆屬植物中球花棘豆在反芻動(dòng)物體內(nèi)的可消化性最高，而寬苞棘豆相對(duì)最低，所以球花棘豆最容易被瘤胃微生物降解利用，而寬苞棘豆反之。

據(jù)報(bào)道，利用脫毒小花棘豆補(bǔ)飼土種牛，每日每頭補(bǔ)飼3 kg，對(duì)照組補(bǔ)飼同量的草木樨，飼喂94 d后，兩組增重效果相近[29]。在良種豬添加甘肅棘豆草粉的肥育試驗(yàn)中，試驗(yàn)組將甘肅棘豆草粉分別以5%、7%和9%加入配合飼料，未產(chǎn)生不良反應(yīng)，且屠宰后檢查，肉品質(zhì)正常[30]。采用水浸泡法將黃花棘豆脫毒后飼喂山羊，或每隔2周間歇飼喂山羊未經(jīng)脫毒的黃花棘豆，可飼喂70 d，不出現(xiàn)中毒癥狀[31]。將小花棘豆利用工業(yè)鹽酸進(jìn)行脫毒處理后，按30%的比例添加于其他草料中，經(jīng)過100 d的試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)任何中毒癥狀，而未進(jìn)行脫毒處理仍按比例添加的對(duì)照組飼喂時(shí)發(fā)生中毒現(xiàn)象[32]。這說明采用適宜方法(脫毒、控制添加量、間歇飼喂等)處理棘豆屬有毒植物，將其作為動(dòng)物飼料開發(fā)利用是可行的。

3.2 天祝地區(qū)5種棘豆屬植物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值特點(diǎn)評(píng)價(jià)體系

我國(guó)傳統(tǒng)牧草的營(yíng)養(yǎng)成分評(píng)價(jià)，通常根據(jù)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)成分的絕對(duì)含量，而對(duì)各成分之間的相互比例關(guān)系考慮較少。這導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的片面性和狹隘性[33]。棘豆屬植物雖然含毒，但是由于具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，可以考慮采用適宜方法(脫毒、控制添加量、間歇飼喂等)進(jìn)行綜合利用，本研究利用SPSS軟件和主成分分析方法(PCA)，對(duì)天祝地區(qū)5種常見棘豆屬植物的14項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，相較于以往采用的隸屬函數(shù)分析法(SFA)、灰色關(guān)聯(lián)度分析法(GAR)，不需要考慮各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，減小了評(píng)價(jià)的主觀性，使評(píng)價(jià)更具有客觀性和科學(xué)性，能夠更為明確反映出天祝地區(qū)5種棘豆屬植物的的綜合利用特點(diǎn)。主成分分析法(PCA)在SPSS中結(jié)合降維的方法，可以把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)主成分，用幾個(gè)主成分反映多個(gè)原始指標(biāo)絕大部分信息，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)[34]。因此本研究采用PCA來綜合評(píng)價(jià)5種棘豆植物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，按優(yōu)劣排序?yàn)椋呵蚧?甘肅棘豆>黑萼棘豆>黃花棘豆>寬苞棘豆。另外，由于試驗(yàn)條件所限，本試驗(yàn)未對(duì)5種棘豆屬植物的具體毒性成分以及含量進(jìn)行檢測(cè)，后續(xù)可進(jìn)一步對(duì)此5種棘豆屬植物的主要毒素測(cè)定進(jìn)行完善，從而對(duì)天祝棘豆屬植物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值進(jìn)行更為全面的評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

5種常見棘豆屬植物營(yíng)養(yǎng)成分較高，若經(jīng)脫毒等適宜方法處理，可作為飼用牧草用于畜牧業(yè)生產(chǎn)，是潛在的飼草資源，通過SPSS主成分分析法，對(duì)5種棘豆屬植物營(yíng)養(yǎng)價(jià)值進(jìn)行綜合評(píng)定，最終得到其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值從高到低的排序，依次為：球花棘豆、甘肅棘豆、黑萼棘豆、黃花棘豆和寬苞棘豆。此研究結(jié)果不僅對(duì)天祝地區(qū)5種常見主要棘豆屬植物的綜合營(yíng)養(yǎng)價(jià)值進(jìn)行了評(píng)價(jià)，同時(shí)也為天祝地區(qū)棘豆屬植物資源的綜合利用提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。