华中地区25个小麦品种秸秆的饲用品质分析

邓祖丽颖，王瑞祥，王庆东，胡华锋，林 真，赵婧伊

(1.郑州幼儿师范高等专科学校，河南 郑州 450099；2.郑州大学，河南 郑州450001；3.河南牧业经济学院，河南 郑州 450011)

随着我国经济的持续增长，对畜产品需求量不断增加，导致中国饲料需求量不断扩张，饲料用粮已成为中国粮食需求增长的主要动因。我国秸秆资源丰富，年产量约8亿吨，占世界秸秆总量的25%左右。长期以来作物秸秆作为一种潜在的可再生资源没有得到充分合理的利用，反而被丢弃、焚烧，这不仅造成了资源浪费，还污染了环境[1,2]，合理利用秸秆资源可以有效缓解饲料短缺的问题[3]。小麦是世界种植面积最广的作物之一，我国小麦种植面积和总产量均居世界第二位，小麦秸秆年产量约1.1×109吨，约占我国秸秆总量的16%[4]，小麦秸秆作为饲料进行开发和利用具有广阔的前景。秸秆类饲料原料营养价值的高低由其所含营养成分的种类和数量决定，它们是评价秸秆类饲料优良与否的重要参考指标[5]。不同品种小麦秸秆所含营养成分不同，这导致了它们之间饲用品质的差异[6]。针对不同小麦品种秸秆的营养成分进行研究，分析其饲用价值，既可以促进秸秆的饲料化利用，同时还可以提高农业附加值。本研究测定在华中地区大规模推广的25个小麦品种秸秆的营养成分，对数据进行主成分分析和聚类分析以评价它们的营养价值。

1 材料和方法

1.1 试验材料

在焦作、郑州和商丘3个地区采集25个小麦品种的秸秆，包括舜麦1718、济麦4号、周麦16、中泓8、焦麦266、太学12、川红1号、德研8号、周麦35、郑育麦9976、矮抗58、百农207、丰德存1号、洛麦18、周麦21、温6、周麦23、郁金香、富麦2008、温麦28、洛旱12、开麦18、周麦12、周麦28和字十麦等。在蜡熟期随机采集各品种小麦的地上部分(不含穗)，剪碎后充分混匀，用四分法缩减至1000 g待测。

1.2 指标的测定方法

将秸秆样品在65 ℃烘箱中烘48 h，经粉碎机粉碎之后过0.45 mm筛制成样品。各指标的测定均采用国标法[7-11]。

1.3 数据转化与统计分析

在进行主成分分析之前，用隶属函数法将数据进行转化，将量纲进行统一。正相关指标(粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、无氮浸出物、粗淀粉、磷、钙)通过公式(1)进行转化，负相关指标(粗纤维、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维)通过公式(2)进行转化。使用SPSS 21.0软件进行主成分分析，得到Fi即为各样品的主成分分值，综合得分Dn的计算以相应主成分贡献率为权重，通过公式(3)得到。

如果为正相关，则用隶属函数进行转换，计算公式为：

Uin=(Xin-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(1)

如果为负相关，则用反隶属函数进行转换，计算公式为：

(2)

综合得分Dn的计算公式：

(3)

2 结果

2.1 不同品种小麦秸秆的营养成分分析

华中地区25个不同小麦品种秸秆的营养成分见表1。干物质含量最高的是周麦16(96.70%)，最低的是焦麦266(93.13%)；粗蛋白含量最高的是周麦12(8.33%)，最低的是开麦18(3.19%)；粗脂肪最高的是德研8号(3.12%)，最低的是开麦18(0.15%)；粗纤维的变化范围为46.31%(周麦28)～19.73%(温麦28)；中性洗涤纤维的变化范围为82.65%(百农207)～70.73%(焦麦266)；酸性洗涤纤维的变化范围为54.13%(周麦35)～41.35%(温麦28)；粗灰分含量最高的是太学12,最低的是富麦2008；无氮浸出物含量最高的为洛旱12，最低的是丰德存1号；粗淀粉含量最高的是洛旱12(4.27%)，最低的是富麦2008(1.07%)；钙含量最高的是开麦18(0.37%)，最低的是郑育麦9976 (0.08%)；磷含量最高的是郁金香(9.46%)，最低的是开麦18 (2.49%)。虽然各指标间具有相同的量纲，但是由于不同营养成分种类之间无法直接进行比较，因此在进行综合评价前，需对各成分含量进行数据转换[12]。

表1 华中地区25个小麦品种秸秆的营养成分 %

续表1

2.2 华中地区25个小麦品种秸秆营养价值综合评价

2.2.1 主成分分析

对经隶属函数法转化后的数据进行主成分分析(表2)，根据累积贡献率≥85%的原则，选取其中5个为主成分，总方差中第1主成分的贡献率是30.97%，第2主成分的贡献率是20.71%，第3主成分的贡献率是13.98%，第4主成分的贡献率是11.70%，第5主成分的贡献率是8.48%，五者之和达到85.84%，即5个主成分所含信息占总体的85.84%。各主成分中各指标所对应的系数由特征向量Z1、Z2、Z3、Z4、Z5(表2)表示，由主成分载荷矩阵中的数据除以主成分相对的特征值后开平方根得到。由表2可知，5个主成分与10项原指标的线性组合如下：

F1=0.471y1+0.105y2-0.334y3-0.184y4+0.387y5-0.048y6+0.437y7+0.042y8+0.162y9+0.502y10

F2=0.073y1+0.145y2+0.244y3+0.276y4+0.358y5+0.488y6-0.050y7+0.603y8-0.323y9+0.032y10

F3=0.165y1+0.665y2+0.465y3-0.245y4+0.000y5-0.414y6-0.209y7+0.137y8+0.141y9+0.009y10

F4=0.250y1+0.250y2-0.175y3+0.635y4-0.128y5+0.141y6-0.041y7-0.022y8+0.597y9-0.214y10

F5=-0.267y1-0.185y2+0.242y3+0.091y4+0.521y5+0.069y6-0.439y7-0.294y8+0.356y9+0.382y10

式中：第1、第2、第3、第4、第5主成分得分分别由F1、F2、F3、F4、F5表示；粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、粗灰分、无氮浸出物、粗淀粉、钙、磷的隶属函数法转化值依次由y1、y2、y3、y4、y5、y6、y7、y8、y9、y10表示。

表2 主成分特征向量、特征值、贡献率及累积贡献率

通过公式(3)，以主成分贡献率为权重，由各小麦品种秸秆的前5个主成分分值与权重值，计算出小麦秸秆营养的综合评价值Dn(表3)。通常，综合分值Dn越高，品质越好[13]。通过表3可得，25个不同小麦品种的秸秆其营养品质排序如下：洛旱12>郁金香>川红1号>周麦12>洛麦18>周麦35>周麦23>周麦28>焦麦266>温麦28>德研8号>温6>矮抗58>开麦18>字十麦>太学12>郑育麦9976>富麦2008>周麦16>百农207>周麦21>中泓8>舜麦1718>济麦4号>丰德存1号。

表3 综合主成分值

2.2.2 聚类分析

采用系统聚类-质心聚类法及欧式距离对25个小麦品种秸秆营养品质的综合得分进行聚类分析。25个小麦品种秸秆的营养品质可大致分为以下七类(图1): 洛旱12为一类；郁金香为一类；川红1号、周麦12、洛麦18、周麦35和周麦23为一类；舜麦1718、济麦4号为一类；丰德存1号单独为一类；焦麦266、温麦28、德研8号、温6、矮抗58和开麦18为一类；字十麦、太学12、郑育麦9976、富麦2008、周麦16、百农207、周麦21和中泓8为一类。聚类分析的结果与主成分分析的结果一致。

3 讨论

评价作物秸秆好坏的标准是营养价值，主要由秸秆所含营养成分的种类和数量决定[5]。本试验对秸秆的粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、粗灰分、无氮浸出物、粗淀粉、钙、磷等10种成分进行主成分分析。中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维是评价秸秆饲用品质的重要指标[13]。中性洗涤纤维对秸秆的采食率有重要影响，而酸性洗涤纤维可以影响秸秆的消化率。粗灰分反映秸秆中矿物质的含量。粗纤维是产生热能的物质，粗纤维具有特殊的芳香气味，可提升秸秆的适口性[14]。粗蛋白是反映秸秆营养价值高低的重要指标，是秸秆的重要组成部分[15]，是家畜蛋白质需求的主要来源。粗脂肪是指作物饲料中脂溶性物质的总称，虽然动物对其需求量不大却不能缺少。无氮浸出物以淀粉为主，饲料中无氮浸出物含量越高，则适口性越好，消化率越高。矿物元素是动物生理过程和体内代谢必不可少的，钙和磷作为常量矿物质元素是饲料营养研究中必不可少的一部分。

图1 25个小麦品种秸秆营养品质的聚类分析

在主成分分析中各营养指标对品质影响的程度是不一样的，有些营养指标与品质之间呈正相关，而有些则呈负相关，故对原始数据进行转化时应当考虑该指标对评价体系的正负影响[16]。本研究所测指标中，仅有粗纤维、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维为负相关，其余均为正相关。以主成分综合得分为基础，对样品聚类分析，排除冗余信息的干扰，使评价结果具有较高的准确性和客观性[17]。近年来有关学者利用隶属函数与主成分析法对南丰蜜橘[18,19]、马铃薯[20]、核桃[21]等果实品质进行了分析与评价。张玉等[22]通过主成分分析法对牧草的饲用品质进行了研究。林真等[6]通过主成分分析法对华北地区不同玉米品种秸秆的营养价值进行了研究。本试验通过对不同品种小麦秸秆营养品质的比对，筛选出秸秆营养品质较高的小麦品种，对于提高小麦秸秆饲料化利用率有一定的现实意义。

秸秆饲用品质不仅由营养素含量决定，动物对各营养成分的消化吸收也是影响秸秆饲用品质的重要因素，因此，可以通过探究动物胃肠道消化吸收特点来对秸秆饲用品质进行进一步研究和探讨。

4 结论

本研究对25个不同品种小麦秸秆的10个营养指标的数据采用隶属函数法进行转化，通过主成分分析法将上述指标进行综合、转化及聚类分析。主成分分析结果表明，25个不同品种的小麦秸秆饲用品质按大小排序为：洛旱12>郁金香>川红1号>周麦12>洛麦18>周麦35>周麦23>周麦28>焦麦266>温麦28>德研8号>温6>矮抗58>开麦18>字十麦>太学12>郑育麦9976>富麦2008>周麦16>百农207>周麦21>中泓8>舜麦1718>济麦4号>丰德存1号。聚类分析结果表明，洛旱12为一类；郁金香为一类；川红1号、周麦12、洛麦18、周麦35和周麦23为一类；舜麦1718、济麦4号为一类；丰德存1号单独为一类；焦麦266、温麦28、德研8号、温6、矮抗58和开麦18为一类；字十麦、太学12、郑育麦9976、富麦2008、周麦16、百农207、周麦21和中泓8为一类。由主成分分析和聚类分析的结果可知，洛旱12、郁金香、川红1号、周麦12、洛麦18有较高的饲用品质。