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)管理國際中心，蘭州大學生命科學學院，甘肅 蘭州 730000；2. 蘭州大學草地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，蘭州大學草地農業(yè)科技學院，甘肅 蘭州 730020；3. 蘭州大學公共衛(wèi)生學院，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，對天祝地區(qū)天然草地產生嚴重危害，受影響面積高達3.73萬hm2。棘豆屬植物平均密度達24.4株/m2，最高密度可達28.1株/m2，蓋度32.1%，棘豆屬植物的產草量占牧草總產量的10.0%～45.4%[1]。家畜誤食棘豆屬植物后可能會引起中毒，繁殖力下降，嚴重的甚至會導致死亡[2]。據調查，天?？h每年有1.3萬只綿羊因采食棘豆屬植物而表現出中毒癥狀，死亡率高達28.71%，造成很大的經濟損失[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)被認為是造成家畜中毒的主要物質，具有較強的生理活性和毒性[4]。目前針對棘豆的傳統(tǒng)防控措施是人工防除和化學防除，但這兩種方法可能會破壞牧區(qū)的生態(tài)環(huán)境，加速草場退化，并且造成了棘豆資源的極大浪費[5]。棘豆屬植物雖然含有毒性成分，但其營養(yǎng)成分也十分豐富。研究人員曾對青海省的甘肅棘豆(Oxytropiskansuensis)、黃花棘豆(Oxytropisochrocephala)和寬苞棘豆(Oxytropislatibracteata)的主要營養(yǎng)成分進行了測定，結果表明，黃花棘豆蛋白質含量接近于上等苜蓿，甘肅棘豆和寬苞棘豆蛋白質含量高于下等苜蓿[6]。棘豆屬植物雖有毒但含有豐富的營養(yǎng)成分，且生長密度大，若能在營養(yǎng)價值高的時期集中收割，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行處理，即可作為冬春季的蛋白補飼牧草或抗災害備用牧草，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)勢明顯。基于此，本試驗通過對該地區(qū)這5種常見棘豆屬植物進行營養(yǎng)成分分析，并模擬體外試驗測定干物質降解率。采用SPSS主成分分析法(SPSS principal component analysis)，對這一區(qū)域5種常見棘豆屬植物的營養(yǎng)價值進行綜合評價，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，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 試驗地概況

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

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 測定指標及方法

1.3.1 常規(guī)營養(yǎng)成分測定指標及方法

干物質(dry matter，DM)、粗灰分(crude ash，ASH)、鈣(Ca)、總磷(P)含量的測定方法參照文獻[8]；粗蛋白(crude protein，CP)含量使用濟南海能JK-9830全自動凱氏定氮儀進行測定；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全自動纖維分析儀進行測定；粗脂肪(ether extract，EE)測定采用濟南海能SOX500脂肪測定儀進行測定；無氮浸出物(nitrogen free extract，NFE)含量通過公式計算得到，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PARR6100全自動氧彈量熱儀測定，測定指標均以干物質為基礎。

1.3.2 棘豆屬植物體外干物質降解率以及能值的測定

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，測定5種棘豆植物的體外干物質降解率(invitrodry matter degradation rate，IVDMD)[9]。試驗采用混合培養(yǎng)液(瘤胃液∶緩沖液=1∶2)，準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，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，稱量和計算樣品IVDMD，并對消化能(digestible energy，DE)、代謝能(metabolic energy，ME)進行計算。

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

1.4 數據處理

采用Excel 2016進行數據整理，SPSS 22.0進行數據統(tǒng)計學處理。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，試驗數據以平均值±標準誤表示[11]。

應用SPSS 22.0軟件中降維模塊因子分析方法，將測定的14個棘豆屬植物的營養(yǎng)指標(DM、CP、CF、NDF、ADF、EE、ASH、NFE、Ca、P、DMD、GE、DE、ME)進行主成分分析，用以評價5種棘豆屬植物的綜合營養(yǎng)價值。為消除量綱的不同，將14個指標進行標準化處理，其中CF、NDF、ADF為負向指標(即含量越高營養(yǎng)價值越低)，所以將其數據取倒數進行正向處理。運用SPSS軟件進行主成分分析，按照主成分累計貢獻率≥90%的原則提取主成分。主成分分析法中各主成分計算公式為(1)，主成分綜合模型計算公式為(2)。其中，(1)式中Fi為各主成分得分，Aij為特征向量值，Zij為各棘豆屬植物營養(yǎng)指標標準化值；(2)式中F為主成分綜合得分，λi表示第i個主成分的方差貢獻率占總提取方差貢獻率的權重[12-13]。

(1)

(2)

2 結果與分析

2.1 天祝地區(qū)5種常見棘豆屬植物營養(yǎng)成分含量

5種常見棘豆屬植物的營養(yǎng)成分含量在各個種間存在著差異(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 試驗區(qū)5種常見棘豆屬植物營養(yǎng)成分分析(干物質基礎) %

2.2 牧草體外干物質降解率和能值

5種棘豆屬植物體外干物質降解率和能值結果如表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 試驗地5種常見棘豆植物的體外干物質降解率、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養(yǎng)價值評價

5種常見棘豆屬植物的主成分分析及綜合營養(yǎng)價值評價結果見表3。按照主成分累計貢獻率≥90的原則，將14個指標提取為3個互不相關的主成分，它們對總方差的貢獻率分別為57.258%、21.466%、13.123%，總積累貢獻率為91.847%，根據公式(1)計算各主成分得分，再根據公式(2)構建出綜合評價模型：F=0.623F1+0.234F2+0.143F3，其F值越大綜合品質越好。因此由主成分分析得出綜合營養(yǎng)價值排序為：球花棘豆>甘肅棘豆>黑萼棘豆>黃花棘豆>寬苞棘豆。

表3 試驗地5種常見棘豆植物的主成分分析及綜合營養(yǎng)價值評價

3 討論

3.1 天祝地區(qū)5種常見棘豆屬植物的營養(yǎng)價值特點

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和健康[14]。本試驗中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)質苜蓿的粗蛋白含量15.8%[15]，高于高宏巖等[16]所測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)質飼草，高于普通粗飼料。美國國家研究委員會(NRC)提出，反芻動物生產所需要的蛋白含量為12%～25%，假設大部分的蛋白為可消化性的，那么本試驗中5種棘豆屬植物對反芻動物可提供較為豐富的蛋白質供應[17]，經過脫毒處理后，可作為蛋白飼料為牲畜提供蛋白質營養(yǎng)。CF是植物細胞壁的主要組成成分，是牧草重要的熱能供給源之一，對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采食量呈負相關，即NDF含量增加，家畜采食潛力降低，NDF通常以小于40%為佳。ADF與動物消化率有關，ADF高，則消化率降低，以不高于30%為宜[18-19]。本試驗中寬苞棘豆、黑萼棘豆和黃花棘豆的NDF均高于40%，對適口性以及動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，則飼草的營養(yǎng)價值越高，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的總體含量[20]。優(yōu)質的飼草應具備ASH含量小于9%～10% 的特征[21]。本試驗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)質飼草需求。Ca和P在家畜的骨骼發(fā)育與維護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發(fā)育不良、生產性能下降甚至死亡，滿足牲畜生理需求的Ca含量應在0.3%～5.5%，P含量在0.13%～0.25%屬正常范圍，反芻動物對Ca和P的耐受水平為鈣磷比不超過7∶1為宜[22-24]。本試驗中5種棘豆屬植物Ca、P含量均在正常范圍內，鈣磷比均未超過反芻動物耐受范圍，因此，它們作為反芻動物飼用牧草不會降低動物生產性能。本試驗中天祝黃花棘豆的營養(yǎng)成分與報道有一定差異，本試驗與其相比，黃花棘豆干物質低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]。由于兩試驗棘豆植物均采集于盛花期，因此出現營養(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]報道的青海省澤庫縣寬苞棘豆的相應值偏低，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]報道的青海省澤庫縣寬苞棘豆的相應值偏高，分別為粗蛋白高2.54%，無氮浸出物高6.44%。干物質、粗脂肪的相應值則基本相同。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、溫度等因素均會對牧草的營養(yǎng)成分造成影響[27]。

牧草體外干物質降解率(IVDMD)是在一定程度上反映動物機體對牧草的降解情況及草畜關系的變化，是評定牧草營養(yǎng)價值的重要指標，同時體外降解率也是衡量牧草營養(yǎng)物質可消化性的尺度[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物體內的可消化性最高，而寬苞棘豆相對最低，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。

據報道，利用脫毒小花棘豆補飼土種牛，每日每頭補飼3 kg，對照組補飼同量的草木樨，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中，試驗組將甘肅棘豆草粉分別以5%、7%和9%加入配合飼料，未產生不良反應，且屠宰后檢查，肉品質正常[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脫毒的黃花棘豆，可飼喂70 d，不出現中毒癥狀[31]。將小花棘豆利用工業(yè)鹽酸進行脫毒處理后，按30%的比例添加于其他草料中，經過100 d的試驗，未發(fā)現任何中毒癥狀，而未進行脫毒處理仍按比例添加的對照組飼喂時發(fā)生中毒現象[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種棘豆屬植物的營養(yǎng)價值特點評價體系

我國傳統(tǒng)牧草的營養(yǎng)成分評價，通常根據營養(yǎng)物質成分的絕對含量，而對各成分之間的相互比例關系考慮較少。這導致評價結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養(yǎng)價值，可以考慮采用適宜方法(脫毒、控制添加量、間歇飼喂等)進行綜合利用，本研究利用SPSS軟件和主成分分析方法(PCA)，對天祝地區(qū)5種常見棘豆屬植物的14項指標進行了詳細的分析，相較于以往采用的隸屬函數分析法(SFA)、灰色關聯度分析法(GAR)，不需要考慮各項指標的權重，減小了評價的主觀性，使評價更具有客觀性和科學性，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。主成分分析法(PCA)在SPSS中結合降維的方法，可以把多個指標轉化為幾個主成分，用幾個主成分反映多個原始指標絕大部分信息，操作簡單，實用性強[34]。因此本研究采用PCA來綜合評價5種棘豆植物的營養(yǎng)價值，按優(yōu)劣排序為：球花棘豆>甘肅棘豆>黑萼棘豆>黃花棘豆>寬苞棘豆。另外，由于試驗條件所限，本試驗未對5種棘豆屬植物的具體毒性成分以及含量進行檢測，后續(xù)可進一步對此5種棘豆屬植物的主要毒素測定進行完善，從而對天祝棘豆屬植物的營養(yǎng)價值進行更為全面的評價。

4 結論

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