10种作物秸秆的营养品质分析

康 健，匡彦蓓，盛 捷

(1.兰州理工大学生命科学与工程学院，甘肃兰州730050;2.华南师范大学生命科学学院，广东广州510630)

黄土高原丘陵沟壑区内主要地形为河谷川地、河谷盆地、丘陵坡地，是典型的半农半牧农业经济区，主要耕地模式是小农耕地模式，即需要牲畜拉动犁地，因此该地区牲畜饲养有一定的规模，畜牧业比较发达，畜牧业作为黄土高原的传统产业之一，是未来农村发展的主导产业［1］。近年来，随着人口数量的增长以及人们生活品质的提高，畜产品需求逐渐扩大，畜牧业成为地方经济的主导产业，并且由于西部大开发以及“十二五”规划的启动，发展畜牧业成为农民增收的有效途径和必然选择。

由于天然草地供应的饲草已经远远不能满足畜牧业发展对饲草的需求，作物秸秆已成为饲草供应的重要来源。秸秆对保护农业生态环境以及促进农民增收有重要作用［2］。随着农副产品价格的不断上扬，在以粮食为主原料的传统饲料成本进一步增加的情况下，作物秸秆替代传统饲料作物已成为一种必然趋势。在黄土高原特殊的生态环境下，选择优质的作物秸秆是解决该地区草畜供求矛盾、促进畜牧业持续发展的关键措施之一。该地区已有的饲草营养价值研究多集中于干物质产量、粗蛋白、粗脂肪、粗纤维以及微量元素方面，对该地区作物秸秆综合营养价值评定的研究及相关报道尚不多见。而该地区所种植的饲草种类繁杂，对饲草品种优劣的评估大多以产量、粗蛋白等作为评判因素，这并不能系统准确地评价饲草品种优劣，具有一定的局限性。为此本研究在前人研究的基础上［3-5］，基于主成分和聚类分析法对小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、高梁(Sorghum bicolor)、青稞(Avena nuda)、燕麦(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种饲草作物秸秆以吸附水、粗蛋白、粗脂肪、酸性和中性洗涤纤维、粗纤维、粗灰分、碳水化合物和有机质消化率来构建综合评价模型进行综合评价，减少单个指标反映物理质量带来的差异，以期较全面、客观地评价品种的优劣，为提高该区畜牧业生产发展及促进农业生产发展等提供理论依据，实现增加农民收入的目标。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

在甘肃省平凉市静宁县高界乡饲草作物种植地随机选取3个点，在2011年作物成熟后采集小麦、玉米、高梁、青稞、燕麦、土豆、谷子、糜子、大豆和豌豆共10种作物的秸秆样品。将原始样品剪碎，混合均匀后用四分法缩减至1 000 g，将采集的样品在65℃下烘干，在1 mm进口旋风磨上粉碎后密封置于干燥器中供分析测试。

1.2 营养品质测定方法

吸附水(Adsorbed Water，AW)用分段测水法测得牧草试样的吸附水含量［6］。粗蛋白质(Crude Protein，CP)用凯氏定氮法测定［7］。粗脂肪(Ether Extract，EE)用索氏浸提法测定［6］。粗纤维(Crude Fiber，CF)用酸碱洗剂法测定［7］。酸性洗涤纤维(Acid Detergent Fiber，ADF)和中性洗涤纤维(Neutral Detergent Fiber，NDF)采用范氏(Van Soest)洗涤纤维分析法测定［7］。粗灰分(Ash)采用高温灼烧化干灰法测定［8］。无氮浸出物(Nitrogen Free Extract，NFE)=100%―［粗脂肪(%)+粗纤维(%)+粗蛋白(%)+粗灰分(%)］。碳水化合物(Water Soluble Carbohydrate，WSC)采用蒽酮比色法测定［9］。有机质消化率(Organic Matter Digestibility，OMD)采用文献［10］的方法。

1.3 作物秸秆营养价值综合评定

由于10个指标的量纲不统一，在进行主成分分析计算前，利用公式进行数据转换。式中，j为指标个数，i为每个指标的观察值，xij为原始数据(i=1，2，…，107;j=1，2，…，10)，x'ij为变换后的数据，xj为第j个指标的算术平均值，Sj为指标的标准差，变换后使得各指标数据的平均值为0，方差为1，呈标准正态分布。

1.4 统计分析

利用SPSS16.0统计软件进行相关分析、主成分分析和系统聚类分析。

2 结果与分析

2.1 10种饲草作物秸秆的营养品质

结果显示，饲草作物秸秆的营养品质(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，最低的是小麦;粗脂肪的变化在0.7%(小麦)～1.8%(大豆);粗纤维的变化在22.0%(糜子)～38.7%(青稞);中性洗涤纤维最低的是土豆(51.0%)，最高的是青稞(72.3%);酸性洗涤纤维最低的是燕麦(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%);无氮浸出物最高的是小麦(56.6%)，最低的是燕麦(50.0%);碳水化合物最高的是小麦(24.2%)，最低的是燕麦(8.0%);有机质消化率最高的是糜子(53.0%)，最低的是土豆(28.0%)。

2.2 10种饲草作物秸秆营养价值综合评价

2.2.1 主成分分析 初始因子载荷矩阵，每一个载荷量表示主成分与对应变量的相关系数。用主成分载荷矩阵中的数据除以主成分相对的特征值开平方根便得到两个主成分中每个指标所对应的系数，即特征向量AI、A2和A3(表2)。

表1 10种饲草作物秸秆营养品质Table 1 The nutrition content of 10 forage crops straw %

表2 初始因子载荷矩阵及特征向量Table 2 The initial factor loading matrix and eigenvectors

根据累积贡献率≥85%的原则取得主成分。据此本研究提取了3个主成分(表3)，第1主成分对于总方差的贡献率是57.278%，第2主成分对于总方差的贡献率是17.461%，第3主成分对于总方差的贡献率是11.102%，三者之和达到85.841%，即前3个主成分能把饲草全部指标提供信息的85.841%反映出来。

主成分是原各指标的线性组合，各指标的权数为特征向量;它表示各单项指标对于主成分的重要程度并决定了该主成分的实际意义。根据主成分计算公式，可得到3个主成分与原10项指标的线性组合:

主成分因子的权重=因子贡献率/入选因子的累积贡献率，由计算得因子1、2和3的权重依次为0.441、0.384 和 0.174，从而建立综合得分数学模型:F=0.441F1+0.384F2+0.174F3。饲用价值综合评价(表4)的结果为糜子＞大豆＞豌豆＞谷子＞青稞＞燕麦＞高粱＞土豆＞玉米＞小麦。

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

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

2.2.2 聚类分析 采用系统聚类－质心聚类法，聚类距离运用欧氏距离，基于饲草作物秸秆营养品质综合得分进行聚类分析，饲草作物秸秆营养品质可聚为4类(图1):糜子、大豆、豌豆和燕麦为一类;谷子和土豆为一类;小麦、玉米和高粱为一类;而青稞单独为一类。

3 讨论与结论

营养价值的高低是评价饲草优良的重要指标，主要取决于所含营养成分的种类和数量［11］。为了更好满足草食家畜对养分的需求，了解饲草作物秸秆的营养品质非常必要［12］。粗蛋白是饲草品质的重要组成部分，是反映饲草营养价值高低的重要指标［13］，饲草营养价值与粗蛋白含量呈正相关，是家畜蛋白质需求的主要来源。中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维也是评价饲草品质重要的指标［14］。中性洗涤纤维影响饲草的采食率，酸性洗涤纤维影响饲草的消化率。粗灰分代表家畜对饲草矿物质的需求;粗纤维是热能的主要原料，具有芳香气味，对饲草适口性具有重要的影响［15］。可溶性糖含量是反刍家畜饲草营养价值的重要指标，与饲草的适口性［16］、消化率［17］以及青贮饲草的品质有关［18-19］。粗脂肪是指作物饲料中脂溶性物质的总称，主要包括脂肪、类脂(固醇、磷脂)两大类，也包括麦角甾醇、胆固醇、脂溶性维生素、叶绿素等。粗脂肪是饲料中的一个重要组成部分，虽然各种动物对其需要量不大，但是不能缺少，在动物营养中起着很重要的作用。有机质消化率的变化是由于饲草中性洗涤纤维含量和消化率的变化引起的，饲草的各种化学成分被家畜消化的程度不一样，消化率高的饲草才对家畜生产具有更大意义。无氮浸出物以淀粉为主，在青饲料中以戊聚糖为最多，淀粉和可溶性糖容易被各类动物消化吸收。饲料中无氮浸出物含量高，适口性好，消化率高，是动物能量的主要来源。结合静宁县的生境条件以及饲草的生产现状和需求，本研究对10种作物秸秆营养价值采用主成分分析法建立品质评价模型，以量化形式表征物理综合品质，减少了单个指标反映物理质量带来的差异性，以主成分综合得分为基础对样品进行聚类分析，剔除了10个指标之间的冗余信息，有效地去除了饲草作物秸秆品质评价的主观成分，其综合评价结果具有较高的的客观性和准确性。

图1 10种饲草作物秸秆营养品质综合聚类分析Fig.1 The comprehensive cluster analysis of ten forage straw nutritive quality

杨天育等［3］利用有机质消化率单因子对6种作物秸秆进行了评价，结果表明糜子、玉米、高粱、谷子营养价值较高，与本研究结果有一定的差异，但均表明糜子和谷子是优选的饲草作物;秦彧等［5］对日喀则和山南地区家畜主要粗饲料作物秸秆(青稞、油菜、土豆、小麦、玉米和燕麦)进行了营养成分分析，结果表明禾本科和豆科饲草营养类型以粗蛋白含量高，粗纤维含量低的氮型和氮碳型为主，也说明了作物秸秆作为一种粗饲料，一定程度上能满足家畜的营养需求。

本研究基于主成分分析和聚类分析作物秸秆品质综合评价，拓宽了评价作物品质的新途径。10种饲草作物秸秆饲用价值按大小排序为糜子＞大豆＞豌豆＞谷子＞青稞＞燕麦＞高粱＞土豆＞玉米＞小麦，聚类分析结果表明，糜子、大豆、豌豆和燕麦秸秆营养品质更高;谷子和土豆次之;青稞、小麦、玉米和高粱较低。虽然聚类分析结果与主成分分析结果存在一定的差别，分析存在差异的原因可能与权重制定时的人为因素有关，但综合评价的结果基本是一致的。因此，在静宁县农区畜牧业发展中，选择种植优质秸秆饲草作物糜子、大豆、豌豆和谷子，更有利于该地区农畜牧业生产。

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