天山西部高山区夏季放牧草地4种重要牧草营养品质评价

张凡凡，和海秀,3，于磊,2*，鲁为华,2，张前兵,2，马春晖,2

(1.石河子大学动物科技学院，新疆 石河子 832000；2.新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆 石河子 832000；3.新疆生产建设兵团第十师农业科学研究所，新疆 阿勒泰 836000)

天山西部高山区夏季放牧草地4种重要牧草营养品质评价

张凡凡1，和海秀1,3，于磊1,2*，鲁为华1,2，张前兵1,2，马春晖1,2

(1.石河子大学动物科技学院，新疆 石河子 832000；2.新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆 石河子 832000；3.新疆生产建设兵团第十师农业科学研究所，新疆 阿勒泰 836000)

为综合评价天山西部高山区夏季放牧草地4种重要牧草的营养品质，本研究设定在具有代表性的天山西部沙尔套山高山区(2800～3400 m)夏季牧场，对分布在该区域的重要优势种牧草线叶嵩草、细果苔草、西伯利亚羽衣草和高山地榆进行分析。通过对其营养价值、消化率的测定及体外产气模型参数的估计。结果表明，各牧草在粗纤维和粗脂肪含量上均无显著差异(P>0.05)。细果苔草的中性洗涤纤维(P=0.048)和酸性洗涤纤维(P=0.005)含量均最高。西伯利亚羽衣草粗灰分(P=0.037)含量最高，延滞时间(P=0.005)较长。高山地榆粗蛋白(P<0.0001)、钙(P=0.001)和磷(P=0.004)的含量均最高，且有机物消化率(P=0.003)、代谢能(P=0.001)、理论最大产气量(P=0.067)和产气速率(P=0.079)也最高。线叶嵩草仅干物质(P=0.001)含量最高。最后采用主成分分析法综合14项指标，评价出4种牧草的综合营养价值，按优劣排序为：高山地榆>西伯利亚羽衣草>线叶嵩草>细果苔草。

牧草；营养价值；消化率；主成分分析法

天然草地不仅是放牧畜牧业发展的重要物质支撑，也是牧区牧民赖以生存的基本生产资料。天山山脉作为新疆地区重要的放牧畜牧业经营场所之一，承担着全疆畜牧生产及生态平衡可持续发展的重任[1]。尤以天山西部伊犁区域的诸山地高山区放牧草地为主[2]，其主要分布的山地草甸类和高寒草甸类草地占全疆草地面积的比重最大,约占30%以上；另一方面这些类型的草地因地处自然环境条件优越，草类植物种类构成丰富，牧草饲用价值高、适口性好，且具有较强的耐牧型，因而成为优良的放牧地，是天然草地的精华所在[3-5]，其中山地草甸类，特别是亚高山草甸亚类植被具有发育好，分布地带幅宽等特点，是构成夏牧场的主要区域之一。另外，由于夏季牧草的营养成分含量和放牧强度均达到年峰值，所以对天山西部高山区夏季放牧草地牧草营养价值的研究显得尤为重要。

天然草地牧草作为放牧家畜的主要日粮来源，其营养价值不仅制约放牧压力和强度，还直接影响放牧家畜的生产性能、营养状况及生理活动，以至于关系到整个放牧畜牧业生产经营的成效性[5-6]。开展对天山高山区夏季放牧草地牛羊日粮组成的4种优势种牧草，线叶嵩草(Kobresiacapillifolia)，细果苔草(Carexstenocarpa)、西伯利亚羽衣草(Alchemillasibirica)和高山地榆(Sanguisorbaalpina)的营养成分和模拟体外消化率研究，掌握这些牧草的消化利用特点，可为实际指导放牧畜牧业生产，优化草地及牧草资源配置提供指导[7]。因此，本研究选定具有代表性的天山西部沙尔套山高山区，对该区域分布的2种草地型的4种优势种牧草的营养价值进行详细的研究，并采用主成分分析法(principal component analysis, PCA)将这一区域的4种牧草的营养价值和消化率进行综合评价，力求更为科学和全面地反映这4种牧草价值评价结果[8-10]。为该区域放牧草地的经济评价，营养物质的有效利用以及放牧牛羊的营养平衡等提供科学依据，并为实现合理牧业生产经营提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于新疆伊犁哈萨克自治州昭苏县境内的沙尔套山，属天山山脉西段分支，是形成昭苏盆地的主体山脉之一。该山脉大体呈东西走向，主体山脉西、北两侧与哈萨克斯坦共和国接壤，南侧延伸至昭苏盆地的特克斯河岸，向东延伸到康苏河沟与昭苏马场草地相邻。山脉东西长约41.5 km；南北宽26～28 km。地理坐标为E 80°15′-80°54′，N 42°54′-43°11′。山脉整体海拔为1650～3400 m，山岭脊线海拔为3200～3400 m[1,11]。整个昭苏盆地气候属中温带山区半湿润、半干旱冷凉气候，年均温2.9 ℃，具有降水多、积温少等气候特征。该山脉地貌类型分为：山前倾斜平原(海拔1650～1800 m，降水450 mm)；低山丘陵及山间浅谷地(海拔1800～2200 m，降水520～580 mm)；海拔2200 m以上至山顶部的中、高山带(降水≥600 mm)[12-13]。本研究主要区域为2800～3400 m的高山区，该区域是当地放牧家畜重要的夏季牧场所在地，也是整个天山山脉典型的高山区夏季放牧草地之一。该区域夏季牧场主要存在的草地类型是山地草甸类和高寒草甸类。其草地类型特征见表1[1,5,14]。

1.2 试验材料

本研究主要材料为研究区域内分布的4种主要牧草，分别为：线叶嵩草、细果苔草、西伯利亚羽衣草和高山地榆。这4种牧草均为该区域2个草地类型中的优势种牧草。其中，线叶嵩草在线叶嵩草、细果苔草型草地中占总青干草产量的21.6%；细果苔草在细果苔草、杂类草型草地中占总青干草产量的40.5%，在线叶嵩草、细果苔草型草地中占21.6%；西伯利亚羽衣草和高山地榆在西伯利亚羽衣草、蓝苞葱、高山地榆型草地中分别占总青干草的28.9%和22.3%[5,12]。4种牧草的特征见表2[1]。

表1 研究区域主要草地类型特征

表2 研究区4种重要牧草生长特征和适口性特点

1.3 测定内容与方法

于2015年7月15-20日，对上述牧草进行生长特征的实地观测并进行样品的采集(采集到的样品放置于布袋中，并记录鲜重)。待全部调查结束后将采集的4种牧草样品带回实验室自然风干、粉碎、密封备用。主要进行营养指标(过0.425 mm筛)和消化率(过0.180 mm筛)的测定。

营养指标的测定主要包括干物质(dry matter, DM)、粗蛋白(crude protein, CP)、粗纤维(crude fibre, CF)、中性洗涤纤维(neutral detergent fiber, NDF)、酸性洗涤纤维(acid detergent fiber, ADF)、粗脂肪(ether extract, EE)、粗灰分(crude ash, Ash)、钙(Ca)、磷(P)和总能(gross energy, GE)。其中，DM采用重量法测定，CP采用凯氏定氮法测定，CF采用酸碱分次水解法测定，NDF和ADF采用范氏(Van Soest)洗涤纤维法测定，EE采用索氏浸提法(乙醚浸出法)测定，Ash采用灰化法测定，Ca采用乙二胺四乙酸二钠络合滴定法测定，P采用钒钼酸铵比色法测定，GE采用弹式测热计(GR3500，长沙仪器厂)测定[15]。

消化率的测定主要采用体外产气法。具体按文献描述的一般常规方法进行测定[16-17]。期间(3、6、9、12、24、36、48 h)快速取出玻璃培养管记录，测定产气量(gas production, GP)。并对有机物消化率(organic matter digestibility, OMD)和代谢能(metabolic energy, ME)进行计算[18]。GP(mL)=该时段培养管产气量-对照培养管产气量。OMD(%)=0.986×GP+0.0606×CP+11.03，ME(MJ/kg DM)=0.1639×GP+0.0079×CP+0.0239×EE+0.04,式中：GP为24 h产气量(mL/220 mg)，CP为粗蛋白含量(%)，EE为粗脂肪含量(%)。

1.4 数据处理

采用Excel 2010、SPSS 18.0进行数据处理和统计分析[19]。方差分析采用单因素方差分析(one-way ANOVA)，多重比较采用Duncan法。运用Origin 8软件进行绘图。产气量参数模型选择一元非线性回归模型(Gompertz模型)[20]。模型为：X2=C1×exp[-C2×exp(-C3X1)]，式中:X2为产气量;C1为理论最大产气量(mL);C2为产气速率常数(mL/h);C3为产气延滞时间(h);X1为体外培养时间(h)。

将测定的各个营养指标、OMD、ME、C1和C2等14项指标进行主成分分析(运用SPSS 18.0软件)，以评价出4种牧草的综合营养价值[9-10]。主成分分析法中各主成分计算公式为(1)，主成分综合模型计算公式为(2)。其中(1)式中Fi为各主成分得分，Aij为特征向量值，Zij为各供试牧草营养指标标准化值；(2)式中F为主成分综合得分，λi表示第i个主成分的方差贡献率占总提取方差贡献率的比重，即权重。

(1)

(2)

2 结果与分析

2.1 天山西部高山区夏季放牧草地4种牧草营养价值分析

对4种牧草营养成分的测定结果表明(表3)，DM含量按高低排序为线叶嵩草>细果苔草>西伯利亚羽衣草、高山地榆(P=0.001)。CP含量按高低排序为高山地榆>西伯利亚羽衣草>细果苔草、线叶嵩草(P<0.0001)。4种牧草间CF含量无显著差异(P=0.884)。NDF含量最高的为细果苔草，与西伯利亚羽衣草和高山地榆差异显著(P<0.05)，与线叶嵩草差异不显著(P>0.05)；西伯利亚羽衣草、高山地榆和线叶嵩草间NDF含量差异也均不显著(P>0.05)。ADF含量按高低排序为细果苔草、线叶嵩草>西伯利亚羽衣草和高山地榆(P=0.005)。4种牧草间EE含量无显著差异(P=0.763)。Ash含量最高的为西伯利亚羽衣草，与细果苔草和线叶嵩草差异显著(P<0.05)，与高山地榆差异不显著(P>0.05)；细果苔草、线叶嵩草和高山地榆间Ash含量差异也均不显著(P>0.05)。Ca含量按高低排序为西伯利亚羽衣草、高山地榆>细果苔草和线叶嵩草(P=0.001)。P含量按高低排序结果同Ca含量相同(P=0.004)。GE按高低排序为西伯利亚羽衣草、高山地榆>细果苔草、线叶嵩草(P=0.001)。

2.2 天山西部高山区夏季放牧草地4种牧草消化率分析及模型参数估计

通过对4种牧草体外产气(0～48 h)的测定结果表明(图1)，4种牧草的产气量均随着时间的延长逐渐升高。体外产气的第3 h，西伯利亚羽衣草(28.00 mL)产气量显著高于线叶嵩草(14.00 mL)(P<0.05)，细果苔草(17.50 mL)、高山地榆(20.50 mL)和线叶嵩草间差异均不显著(P>0.05)。第6 h，西伯利亚羽衣草(46.50 mL)和高山地榆(40.00 mL)的产气量显著高于细果苔草(24.50 mL)和线叶嵩草(29.80 mL)(P=0.005)。第9 h，产气量最低的仍为细果苔草(27.50 mL)，其显著低于西伯利亚羽衣草(47.50 mL)和高山地榆(51.00 mL)(P<0.05)，而其较线叶嵩草(35.20 mL)差异不显著(P>0.05)。第12 h，4种牧草按产气量高低排序为高山地榆(58.50 mL)>西伯利亚羽衣草(52.00 mL)>线叶嵩草(39.17 mL)>细果苔草(33.00 mL)(P=0.013)，其中产气量最高的高山地榆显著高于线叶嵩草和细果苔草(P<0.05)；西伯利亚羽衣草也显著高于细果苔草(P<0.05)。第24 h，4种牧草按产气量高低排序为高山地榆(68.50 mL)>西伯利亚羽衣草(63.50 mL)>线叶嵩草(54.17 mL)>细果苔草(42.50 mL)(P=0.074)，其中仅西伯利亚羽衣草和高山地榆的产气量显著高于细果苔草(P<0.05)。第36 h，4种牧草按产气量高低排序仍为高山地榆(71.50 mL)>西伯利亚羽衣草(66.50 mL)>线叶嵩草(55.50 mL)>细果苔草(54.00 mL)(P=0.059)，其中高山地榆产气量显著高于细果苔草和线叶嵩草(P<0.05)。第48 h，4种牧草按产气量高低排序仍为高山地榆(79.50 mL)>西伯利亚羽衣草(72.50 mL)>细果苔草(60.00 mL)>线叶嵩草(57.00 mL)(P=0.054)，其中仍是高山地榆产气量显著高于细果苔草和线叶嵩草(P<0.05)。

表3 研究区4种重要牧草营养成分分析(干物质基础)

DM: Dry matter; CP: Crude protein; CF: Crude fibre; NDF: Neutral detergent fiber; ADF: Acid detergent fiber; EE: Ether extract; Ash: Crude ash; GE: Gross energy.通过Duncan检验，同列字母不相同表明在5%水平下差异显著,下同。The different letters are significantly different at 5% level using Duncan test, the same below.

图1 研究区4种主要牧草0～48 h体外产气规律Fig.1 The in vitro gas regulation (0-48 h) of 4 species important herbage in study area 通过Duncan检验，同一时间字母不相同表明在5%水平下差异显著。The different letters are significantly different at 5% level using Duncan test.

通过对4种牧草的有机物消化率、代谢能和产气参数模型进行分析，结果表明(表4)，OMD按高低排序为西伯利亚羽衣草、高山地榆>细果苔草和线叶嵩草(P=0.003)。ME按高低排序为高山地榆>线叶嵩草>细果苔草和西伯利亚羽衣草(P=0.001)。4种牧草的体外产气预测模型分别为，细果苔草：X2=57.371×exp[-1.893×exp(-0.010X1)] (P=0.001,R2=0.944)；西伯利亚羽衣草：X2=65.930×exp[-2.138×exp(-0.244X1)] (P=0.001,R2=0.940)；高山地榆：X2=72.984×exp[-2.678×exp(-0.229X1)] (P=0.0001,R2=0.980)；线叶嵩草：X2=56.359×exp[-2.528×exp(-0.191X1)] (P=0.0001,R2=0.981)。其中产气模型参数C1中最大的为高山地榆，其与细果苔草和线叶嵩草差异显著(P<0.05)；与西伯利亚羽衣草差异不显著(P>0.05)；细果苔草、西伯利亚羽衣草和线叶嵩草间差异均不显著(P>0.05)。C2中细果苔草和西伯利亚羽衣草之间差异不显著(P>0.05)，西伯利亚羽衣草、高山地榆和线叶嵩草间差异也不显著(P>0.05)，而高山地榆和线叶嵩草显著高于细果苔草(P<0.05)。C3中西伯利亚羽衣草、高山地榆和线叶嵩草显著高于细果苔草(P=0.054)。

表4 研究区域4种重要牧草有机物消化率、代谢能和产气模型参数估计

OMD: Organic matter digestibility; ME: Metabolic energy. 下同The same below.

表5 研究区4种牧草的主成分分析及综合营养价值评价

C1: Theoretical maximum gas production;C2: Gas production rate; EC: The eigenvalues of component; CCR: The cumulative contribution rate; CR: Contribution rate; WC: Weight coefficient.

2.3 天山西部高山区夏季放牧草地4种牧草综合营养价值评价

选取表3和表4中的14项指标(DM、CP、CF、NDF、ADF、EE、Ash、Ca、P、GE、OMD、ME、C1、C2)进行主成分分析，为消除量纲的不同，将14个指标进行标准化处理，其中CF、ADF、NDF为负向指标(即含量越高营养价值越低)，所以将其数据取倒数进行正向处理。运用SPSS软件进行主成分分析(SPSS自动进行数据标准化)，按照主成分特征值大于1的原则将14个指标提取为2个互不相关的主成分，总积累率为93.073%，根据公式(1)计算各主成分得分，再根据公式(2)，构建综合评价模型为：F=0.763F1+0.237F2，其F值越大综合品质越好。因此综合营养价值优劣排序为高山地榆>西伯利亚羽衣草>线叶嵩草>细果苔草(表5)。

3 讨论

3.1 天山西部高山区夏季放牧草地4种牧草分布和营养价值特点

以往对天山山脉高山区的研究主要集中在草地资源调查[12]、草地质量分级[21]等注重资源宏观质与量和草地与牧草的一般经济性状的相关研究[22-23]。本研究在此区域开展饲草营养价值的研究，对其中分布的主要优势牧草的营养价值和消化率进行研究，以期为当地放牧畜牧业生产提供基础资料。研究区4种牧草均有较高的物种丰富度和营养价值[12]。而由于牧草地理位置、地形环境等的不同，会造成营养价值的较大变化[22-23]。且营养价值随季节也会产生较大变化，一般优劣排序为夏季>春秋季>冬季[7]。所以本研究仅对该区域夏季牧草营养价值特征和消化率进行研究，以反映该区域放牧草地最佳营养状况时期的特征。4种牧草按山地垂直分布带看，从海拔2300 m以上均有分布，其中羽衣草从2300 m的山地草向亚高山草甸的过渡带就开始有分布；细果苔草和高山地榆从2500 m的典型亚高山草地中开始有分布；线叶嵩草到2800 m的高山带才有分布[13]。因此，为了最大程度上保证4种牧草的环境因子相同，本研究的4种牧草均采自2800 m以上的高山区山地草甸和高寒草甸中。

目前，我国已较为明确青藏高原高寒草地天然牧草的营养价值特征[24-25]，而对天山山脉高山区山地草地营养状况，尤其是其中分布的主要优势种牧草营养价值的相关研究还相对较少[4,12]。以往对新疆昭苏马场天然草地的研究表明，以线叶嵩草和天山羽衣草为优势种的草地型营养价值优于苔草为优势种的草地型[21]，本研究结果与此相同。该区域线叶嵩草的营养价值、产气量和产气模型参数较青藏高原高寒牧区相比有较大差异，主要表现在DM、CP、N/ADF、Ash含量上(DM含量高于本研究11.13%，CP含量低5.18倍，NDF高8.04%，ADF低8.51%)；另外，其产气量及各项参数指标也明显优于本研究[16]。对青藏高原矮嵩草(K.humilis)草甸的研究发现[25]，矮嵩草和黑褐苔草的消化率分别为74.78%和71.16%(叶)、56.58%和56.86%(茎)，本研究结果与此基本相同(表4)。此外，本研究细果苔草较青藏高原西南部(日喀则地区)的青藏苔草(C.moorcroftii)相比有较高的CP含量(高82.34%)、较高的EE含量(高14.22%)、较低的CF含量(低24.47%)和Ash含量(低1.35倍)，但Ca和P含量基本相似[8]。地榆作为优良的蔷薇科牧草，具有适应性强、喜光、耐寒抗旱等优点[1]。目前，对地榆的研究主要集中在生药学、园艺学等方面[26]；还少见有关于地榆饲用价值的相关报道。本研究发现该区域高山地榆的综合营养价值较其他3种牧草优良。所以鉴于该牧草的诸多价值和潜力，可大面积人工驯化栽培，以更好地发挥其饲用和经济价值。以往对天山北坡中段羽衣草的研究表明，其在6月28日-7月13日前后生物量和营养价值为全年最高，且显著高于禾本科牧草[27]。本研究对其生长发育最旺盛的时期进行营养价值综合分析，就是为放牧管理中合理放牧与刈割提供理论依据。除此之外，其提取物还具有抑制黑色素合成等多种功效[28]，因此希望今后加强对其的相关研究。

3.2 天山西部高山区夏季放牧草地牧草综合营养价值评价体系

传统意义上，自从饲喂价值概念提出后，牧草品质评价有了统一的标准[29]，而不是仅以蛋白或纤维含量来判断。但因选取指标的多样性和不确定性，易造成评价的不准确性[9-10]。天山西部高山区由于特殊的地理位置和生境条件，使得分布的牧草均具有较高的营养价值[5]。而对于牧草的综合利用不仅要评价其营养价值，还需对其家畜利用效率进行分析。本研究对4种牧草的各项指标进行了详细的分析，明确反映出了该区域4种牧草夏季的综合利用特点。以往对牧草的价值综合评价多采用主成分分析法(principal component analysis, PCA)、隶属函数分析法(subordinate function analysis, SFA)、灰色关联度分析法(grey relational analysis, GRA)、模糊相似优先比法(fuzzy similarity priority ratio method, FSPRM)等[10]。其中,由于SFA、GRA和FSPRM在评价过程中均需要考虑各项指标的权重，因此增加了评价的主观性。而PCA采用降维的思路，把多个指标转化为少数几个均能反映原始指标大部分信息的综合指标(即主成分)，以此进行评价更具有客观性和科学性。因此本研究采用PCA，综合评价出4种牧草的综合营养价值，按优劣排序为高山地榆>西伯利亚羽衣草>线叶嵩草>细果苔草。另外，由于4种牧草在同一或不同草地型中优势程度和分布范围均有所不同，造成家畜在采食过程中采食量有所不同。而本研究未能准确统计出各牧草的家畜采食量。因此，今后还需加强此方面的研究，以期完善牧草综合营养价值评价体系。

4 结论

4种牧草的体外产气预测模型分别为，细果苔草：X2=57.371×exp[-1.893×exp(-0.010X1)]；西伯利亚羽衣草：X2=65.930×exp[-2.138×exp(-0.244X1)]；高山地榆：X2=72.984×exp[-2.678×exp(-0.229X1)]；线叶嵩草：X2=56.359×exp[-2.528×exp(-0.191X1)]。综合营养价值、消化率和产气模型中的参数进行综合营养价值评价，其价值按优劣排序为：高山地榆>西伯利亚羽衣草>线叶嵩草>细果苔草。这一结果不仅揭示出天山西部高山区夏季放牧草地4种重要牧草的综合营养价值，并且为高山区夏季放牧草地资源的综合利用提供了基本依据和理论基础。

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Nutritional quality of four important herbage species in summer grazing grassland in the alpine zone, west Tianshan Mountain

ZHANG Fan-Fan1, HE Hai-Xiu1,3, YU Lei1,2*, LU Wei-Hua1,2, ZHANG Qian-Bing1,2, MA Chun-Hui1,2

1.CollegeofAnimalScience&Technology,ShiheziUniversity,Shihezi832000,China; 2.KeyLaboratoryofOasisEcologyAgricultureofXinjiangProduction&ConstructionGroups,ShiheziUniversity,Shihezi832000,China; 3.InstituteofAgriculturalSciencesof10thDivision,XinjiangProduction&ConstructionGroups,Altay836000,China

The aim of this study was to evaluate the nutritional quality of four important herbage species growing in summer alpine pasture in the western region of Tianshan Mountain. We determined the nutritive value, digestibility, and parameters ofinvitrogas production for four typical herbages (Kobresiacapillifolia,Carexstenocarpa,Alchemillasibirica, andSanguisorbsalpina) growing in summer pasture on Shaertao mountain (2800-3400 m above sea level), west Tianshan. The contents of crude fiber and crude fat did not differ significantly among the four herbage species (P>0.05).C.lasiocarpahad the highest contents of acid detergent fiber (P=0.048) and neutral detergent fiber (P=0.005).A.sibiricahad the highest content of crude ash (P=0.037) and the longest delay time (P=0.005).S.alpinahad the highest contents of crude protein (P<0.0001), calcium (P=0.001), and phosphorus (P=0.004), the most digestible organic matter (P=0.003), and the highest metabolic energy (P=0.067) and gas production rate (P=0.079).K.capillifoliahad the highest dry matter content (P=0.001). The results of a principal component analysis based on the 14 main indexes of nutritional quality indicated that the four herbages were ranked, from highest nutritional value to lowest, as follows:S.alpine>A.sibirica>K.capillifolia>C.stenocarpa.

forage; nutritive value; digestibility; principal component analysis

10.11686/cyxb2016389

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-10-13；改回日期：2016-12-05

国家公益性(农业)行业专项(201303062)资助。

张凡凡(1989-)，男，新疆乌鲁木齐人，在读博士。E-mail:zhangfanshzu@sina.cn*通信作者Corresponding author. E-mail:shzyulei@sina.cn

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