張 偉，張 陽(yáng)，王 官，邵榮峰，薛丁丁，常玉卉，閻 昊，趙威軍

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高粱研究所，山西晉中 030600）

0 引言

甜高粱(Sorghum bicolor)又稱糖高粱或甜稈，是粒用高粱的一個(gè)變種，生物產(chǎn)量和莖稈含糖量高，適口性好，是非常有前景的能源和飼草作物[1]。作為飼草既可直接刈割做青飼，也可青貯或調(diào)制干草，而且甜高粱抗逆性、耐貧瘠性強(qiáng)，可以種植于生態(tài)條件較差的生態(tài)環(huán)境區(qū)，尤其在干旱、半干旱和高鹽堿地區(qū)，這對(duì)于當(dāng)?shù)仫暡莓a(chǎn)業(yè)發(fā)展有積極意義[2-3]。許多研究表明，利用甜高粱青貯飼喂牛羊?qū)ζ洚a(chǎn)奶和增重有積極意義。楊寶鈺等[4]研究表明40%～60%的甜高粱與苜?；旌锨噘A可提高育肥羊的生長(zhǎng)性能，可改善血清生化指標(biāo)并提高抗氧化能力，可作為育肥羊的優(yōu)質(zhì)飼草進(jìn)行推廣。王斐等[5]研究表明，青貯甜高粱替代部分甜高粱青干草能夠滿足驢的正常生長(zhǎng)發(fā)育，無(wú)明顯負(fù)面效應(yīng)。劉虎俊等[6]研究發(fā)現(xiàn)，青貯玉米和甜高粱秸稈搭配飼喂西門塔爾肉牛都可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定增重，效益優(yōu)于單獨(dú)應(yīng)用。王婷等[7]發(fā)現(xiàn)甜高粱青貯育肥的羊肉品質(zhì)優(yōu)于玉米青貯，且杜泊羊較小尾寒羊的改善響應(yīng)更明顯。主成分分析(PCA)是通過(guò)減少不同指標(biāo)間相關(guān)性較強(qiáng)的重疊信息降低數(shù)據(jù)維度，將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)不相關(guān)的綜合指標(biāo)的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法[8]。廣泛應(yīng)用于品種綜合分析、作物抗旱、抗寒性等抗性分析中[9-10]，是一種有效地簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)過(guò)程，分析指標(biāo)重要性的分析方法。當(dāng)前針對(duì)飼用甜高粱的研究主要集中在飼喂效果和農(nóng)藝性狀的研究中，對(duì)于甜高粱莖稈的飼草理化品質(zhì)研究較少，不利于篩選和選育飼草專用型甜高粱品種。本研究對(duì)參試13個(gè)甜高粱品系的19個(gè)飼草品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，利用主成分分析，對(duì)不同甜高粱品系品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為甜高粱飼草品質(zhì)評(píng)價(jià)及優(yōu)質(zhì)品系的篩選提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高粱研究所甜高粱研究室組配的13個(gè)甜高粱品系，品系父母組合詳細(xì)信息見表1。

表1 供試材料親本信息

1.2 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2021年在山西省晉中市修文鎮(zhèn)山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高粱研究所試驗(yàn)田進(jìn)行，土壤為壤土，前茬為玉米，地勢(shì)平坦，肥力中等。高粱全生育時(shí)期月平均氣溫為19.4℃，月平均降水量為93.5 mm，其中主要集中在7、10月(110.8、213.1 mm)，月平均日照為208.8 h（圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)地生育期月均氣溫和月降水量

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2021 年5 月1 日田間種植13 個(gè)甜高粱品系，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積為15.9 m2(6 m×2.65 m)，每個(gè)品系3 個(gè)重復(fù)，行距為40 cm，株距為20 cm，播種前統(tǒng)一進(jìn)行翻地旋耕，基肥為復(fù)合肥（N、P、K 含量均為15%）750 kg/hm2、尿素（N 含量為46%）150 kg/hm2，整個(gè)生育期不再追肥。2021年10月12日統(tǒng)一收獲，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取5 株，剝?nèi)ト~片后，利用榨汁機(jī)榨取莖稈汁液，測(cè)定甜高粱出汁率，用手持式錘度儀測(cè)量混合汁液的含糖錘度，統(tǒng)計(jì)平均數(shù)。每個(gè)小區(qū)再收獲4株，利用粉碎機(jī)將全株進(jìn)行粉碎，四分法取300 g 左右鮮樣，帶回室內(nèi)烘箱120℃殺青2 h，75℃烘干到恒重，利用近紅外分析法測(cè)定干草粗蛋白(crude protein，CP)、氨態(tài)氮(ammoniacal nitrogen，NH3-CP)、瘤胃降解蛋白(rumen degradable protein，RDP)、酸性洗滌纖維(acid detergent fiber，ADF)、中性洗滌纖維(neutral detergent fiber，NDF)、中性洗滌纖維30h消化率(digestibility of neutral detergent fiber in 30 hours，NDF-30)、淀粉(starch)、總脂肪酸(total fatty acids，TFA)、粗脂 肪(crude fat，CF)、總可消化養(yǎng)分(total digestible nutrient，TDN)、泌乳凈能(NEL)、維持凈能(NEm)、生長(zhǎng)凈能(NEg)、鈣元素含量(element content，Ga)、磷元素含量(phosphorus content，P)、鎂元素含量(magnesium content，Mg)，文中表內(nèi)英文以簡(jiǎn)寫代表。相對(duì)飼用價(jià)值(relative feed value，RFV)用養(yǎng)分含量進(jìn)行估算，見公式(1)。

式中，DDM為可消化干物質(zhì)(digestibledry matter，%DM)，按照DDM=88.9-0.779ADF計(jì)算，DMI為干物質(zhì)采食量(dry matter intake，%BW)，按照DMI=120/NDF計(jì)算[11]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和制圖，利用SPSS Statistic 20對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同甜高粱品種飼草品質(zhì)分析

甜高粱不同飼草指標(biāo)平均表現(xiàn)見表2。粗蛋白平均為6.8%，變化范圍為6%～8.1%；RFV 平均值為110，變化范圍為91.9～134.2；不同飼草指標(biāo)間變異系數(shù)變化范圍為2.2%～42.8%，變異系數(shù)小于10%的指標(biāo)有TDN(2.2%)、NEL(2.4%)、NEm(3.8%)、NDF 30 h消化率(4.0% )、NEg(6.0% )、ADF(7.5% )、NDF(7.9% )、CP(8.3%)、RDP(8.6%)、CF(8.6%)，介于10%～20%的指標(biāo)有RFV(11.5%)、NH3-CP(13.2%)、Mg 含量(13.4%)、出汁率(15.4%)、錘度(16.3%)、TFA(19.5%)，大于20%的指標(biāo)有淀粉(21.9%)、P含量(26.5%)、Ca元素含量(42.8%)。

表2 不同甜高粱品種各指標(biāo)平均值

2.2 不同飼草品質(zhì)相關(guān)性分

相關(guān)性分析（表3）表明，出汁率與錘度、TFA、Mg呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，錘度與TFA 呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，ADF與NDF呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，ADF、NDF與淀粉、TDN、NEL、NEm、NEg、RFV、Ca、P含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)，淀粉與TDN、NEL、NEm、NEg、RFV、Ca、P 含量呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，TDN、NEL、NEm、NEg、RFV、P 兩兩之間均呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，Ca與TDN、RFV呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)。

表3 不同指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)矩陣

2.3 不同甜高粱品系飼草品質(zhì)主成分分析

利用SPSS進(jìn)行主成分分析，依據(jù)特征值大于1以及碎石圖顯著變化的折點(diǎn)，提取前4個(gè)主成分，分別命名為成分1、成分2、成分3、成分4，貢獻(xiàn)率分別為46.86%、18.91%、14.60%、10.13%，其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到90.49%，能夠綜合代表甜高粱不同指標(biāo)的絕大部分信息。成分1 主要綜合了ADF、NDF、RFV、TDN、NEL、NEm、NEg，主要代表了能量纖維養(yǎng)分指標(biāo)。成分2綜合了CP、RDP、NH3-CP，代表了蛋白類數(shù)據(jù)信息。成分3綜合了出汁率、TFA、錘度、CF，代表了糖和脂肪的主要信息。成分4 綜合了P、Ca、Mg，主要代表了元素類信息（表4）。

表4 各性狀主成分的特征向量及貢獻(xiàn)率

主成分為原始各項(xiàng)指標(biāo)的線性組合，各指標(biāo)的權(quán)數(shù)為初始特征向量a除以主成分相對(duì)應(yīng)的特征值b的平方根，其中，a1=b1/SQR(8.9)，a2=b2/SQR(3.59)，a3=b3/SQR(2.777)，a4=b4/SQR(1.92)，根據(jù)主成分計(jì)算公式，可得到4個(gè)主成分與原19項(xiàng)指標(biāo)的線性組合，見式(2)～(5)。

以4 個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，各處理的綜合得分見式(6)。

綜合得分越高，該處理的綜合性狀越好。各處理的綜合得分前5 名分別為J205、TP3、TP14、TP83、TP5（表5）。

表5 主成分分析綜合效益值排序

2.4 不同飼草品質(zhì)聚類分析

利用SPSS 進(jìn)行分析，采用系統(tǒng)聚類法，基于甜高粱飼草品質(zhì)主成分綜合得分進(jìn)行聚類分析，甜高粱飼草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)可聚為3 類（圖2）。J205、TP3 為一類，這類飼草品質(zhì)優(yōu)良，RFV、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維、淀粉、總可消化養(yǎng)分表現(xiàn)較好；J106、TP82、TP40、TP6、TP7為一類，為飼草品質(zhì)最差的一類；J218、J368、TP81、TP83、TP5、TP14為一類，飼草品質(zhì)適中，錘度和粗蛋白品質(zhì)表現(xiàn)較好。

圖2 甜高粱營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)綜合聚類分析

3 討論

作為飼草作物，甜高粱抗逆性、耐鹽堿、生物產(chǎn)量高等特點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注，但是對(duì)于其飼草品質(zhì)的研究較少。飼草品質(zhì)是否優(yōu)良主要取決于營(yíng)養(yǎng)成分的種類和數(shù)量，一般來(lái)說(shuō)，優(yōu)質(zhì)牧草粗蛋白含量較高、纖維含量較低[12]。粗蛋白含量是反映飼草營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的重要指標(biāo)，粗蛋白含量越高，飼喂價(jià)值越高[13]。本試驗(yàn)中甜高粱粗蛋白含量平均為6.8%，蛋白質(zhì)含量較好的品種有TP83 和TP14。馬曉霞等[14]研究發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿品種的粗蛋白含量均在18%以上，與優(yōu)質(zhì)牧草相比甜高粱莖稈的粗蛋白含量仍較低。酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維主要影響牲畜的采食率和消化率，一般而言，兩者含量較高會(huì)導(dǎo)致飼草品質(zhì)的降低[15]，本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)2個(gè)指標(biāo)呈顯著正相關(guān)，可能會(huì)同步影響飼草的飼草品質(zhì)。參試甜高粱品系A(chǔ)DF 含量平均值為33.9%，中性洗滌纖維含量平均值為53.5%，其中TP3 和J205 指標(biāo)均比較低（NDF 含量＜50%，ADF 含量＜30%）。RFV是以盛花期苜蓿的RFV 值為分級(jí)基準(zhǔn)的反映飼草品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)[16]，本試驗(yàn)參試品系的RFV平均值為110，根據(jù)RFV 值分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分，生產(chǎn)性能好的為J205(134)、TP3(133)、TP14(121)。可溶性糖含量是牲畜飼草營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的重要指標(biāo)，與飼草的消化率、適口性以及青貯飼草的品質(zhì)有關(guān)[17]，甜高粱作為一種有潛力的飼草作物，主要優(yōu)點(diǎn)在于莖稈可溶性糖含量較高，易于牲畜消化吸收。本試驗(yàn)中甜高粱錘度平均值為14.9 Brix，變化范圍為11.6～18.3 Brix，錘度變化范圍較廣，可以依據(jù)生產(chǎn)需求選育出適宜的含糖量品種。

變異系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，微量元素含量在不同品種之間差異最為明顯，而能量指標(biāo)（泌乳凈能、維持凈能、生長(zhǎng)凈能）在不同品種間變化較小，其中鈣元素含量變化范圍最大，總可消化養(yǎng)分變化范圍最小。最能反映飼草品質(zhì)的粗蛋白和纖維類指標(biāo)變異范圍均小于10%，可見飼用甜高粱選育仍需要進(jìn)一步創(chuàng)制高蛋白的甜高粱品種。

相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，總可消化養(yǎng)分、泌乳凈能、維持凈能、生長(zhǎng)凈能、相對(duì)飼料價(jià)值、磷元素兩兩之間均呈極顯著正相關(guān)，可見這幾項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)重疊性較強(qiáng)，在簡(jiǎn)單分析時(shí)可獨(dú)立進(jìn)行比較。鈣元素含量與總可消化養(yǎng)分、RFV 呈顯著正相關(guān)。RFV 與淀粉、總可消化養(yǎng)分呈極顯著正相關(guān)，這與張陽(yáng)等[18]研究結(jié)果相同。但是本研究發(fā)現(xiàn)RFV與粗蛋白相關(guān)性不顯著，這與王運(yùn)濤等[19]在谷子飼草品質(zhì)研究中的結(jié)果不同，這可能是由于參試品種較少，而且供試品系粗蛋白的變異較小。

不同品系的飼草品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，往往主要依靠產(chǎn)量和少數(shù)飼草性狀進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)結(jié)果比較單一，主成分分析可以綜合多個(gè)指標(biāo)，降低指標(biāo)之間相關(guān)性導(dǎo)致的重復(fù)信息，分析方法簡(jiǎn)單，評(píng)價(jià)結(jié)果科學(xué)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個(gè)飼草作物的分析中。劉翔宇等[20]利用主成分分析法和灰色關(guān)聯(lián)度分析法對(duì)甜高粱的主要性狀進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)雜交選育出的甜高粱新品系TTL-32、TTL-29、TTL-27 和TTL-30 等排名靠前，莖稈效益和籽粒效益等綜合效益值高。李資文等[21]對(duì)24個(gè)高粱組合的農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量進(jìn)行變異分析、相關(guān)性分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析、主成分分析和聚類分析，發(fā)現(xiàn)12個(gè)性狀綜合為6個(gè)因子，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)86.91%，排名前6位的高粱組合有N2、N20、N19、N9、N8和N24。本試驗(yàn)中利用主成分分析方法將19個(gè)指標(biāo)綜合為4個(gè)主成分，并利用綜合分析結(jié)果篩選出飼草品質(zhì)優(yōu)良的甜高粱組合。

4 結(jié)論

（1）研究發(fā)現(xiàn)，最能夠反映飼草品質(zhì)的粗蛋白在不同甜高粱品種間變異范圍較小，而錘度和元素類指標(biāo)變化范圍較大，下一步育種工作需要?jiǎng)?chuàng)制高蛋白甜高粱品種。（2）相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，ADF與NDF呈顯著正相關(guān)，鈣元素含量與總可消化養(yǎng)分、相對(duì)飼料價(jià)值呈顯著正相關(guān)。（3）通過(guò)主成分分析綜合評(píng)價(jià)，J205、TP3、TP14、TP83、TP5 等5 個(gè)品種排名靠前，飼草品質(zhì)綜合表現(xiàn)較好。（4）通過(guò)聚類分析把13個(gè)品種分為3類，其中J205、TP3 為一類，綜合飼草品質(zhì)優(yōu)良，與主成分分析結(jié)果一致。