甘肃省天祝地区5种常见棘豆属植物营养价值评价

毕思思，郭伟，王惟惟，苟娜娜，郭灿灿，张莹，龙瑞军

(1. 青藏高原生态系统管理国际中心，兰州大学生命科学学院，甘肃 兰州 730000；2. 兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室，兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020；3. 兰州大学公共卫生学院，甘肃 兰州 730000)

棘豆属植物是天祝县天然草地分布最广、危害最大的一类有毒植物，对天祝地区天然草地产生严重危害，受影响面积高达3.73万hm2。棘豆属植物平均密度达24.4株/m2，最高密度可达28.1株/m2，盖度32.1%，棘豆属植物的产草量占牧草总产量的10.0%～45.4%[1]。家畜误食棘豆属植物后可能会引起中毒，繁殖力下降，严重的甚至会导致死亡[2]。据调查，天祝县每年有1.3万只绵羊因采食棘豆属植物而表现出中毒症状，死亡率高达28.71%，造成很大的经济损失[1]。棘豆属植物的主要有毒成分是生物碱(alkaloids)，包括吲哚里西啶类(indolizidine alkaloid)、喹诺里西啶类(quinolizdine alkaloid)、有机酰胺类(organic amide)等[3]，其中吲哚里西啶类生物碱中的苦马豆素(swainsonine)被认为是造成家畜中毒的主要物质，具有较强的生理活性和毒性[4]。目前针对棘豆的传统防控措施是人工防除和化学防除，但这两种方法可能会破坏牧区的生态环境，加速草场退化，并且造成了棘豆资源的极大浪费[5]。棘豆属植物虽然含有毒性成分，但其营养成分也十分丰富。研究人员曾对青海省的甘肃棘豆(Oxytropiskansuensis)、黄花棘豆(Oxytropisochrocephala)和宽苞棘豆(Oxytropislatibracteata)的主要营养成分进行了测定，结果表明，黄花棘豆蛋白质含量接近于上等苜蓿，甘肃棘豆和宽苞棘豆蛋白质含量高于下等苜蓿[6]。棘豆属植物虽有毒但含有丰富的营养成分，且生长密度大，若能在营养价值高的时期集中收割，并控制棘豆属植物添加量，或通过稀酸水、清水或青贮等脱毒方法进行处理，即可作为冬春季的蛋白补饲牧草或抗灾害备用牧草，棘豆属植物作为饲草资源利用，前景广阔[5,7]。甘肃省天祝地区的宽苞棘豆(Oxytropislatibracteata)、球花棘豆(Oxytropisglobiflora)、黑萼棘豆(Oxytropismelanocalyx)、黄花棘豆(Oxytropisochrocephala)、甘肃棘豆(Oxytropiskansuensis)分布广泛，密度高，种群优势明显。基于此，本试验通过对该地区这5种常见棘豆属植物进行营养成分分析，并模拟体外试验测定干物质降解率。采用SPSS主成分分析法(SPSS principal component analysis)，对这一区域5种常见棘豆属植物的营养价值进行综合评价，以期为天祝地区合理开发利用棘豆属植物提供理论依据，使棘豆属植物“变废为宝”，“变害为利”，从而改善日益加深的草畜矛盾，有效促进草地环境生态平衡，防止草地退化，保证草原畜牧业持续稳定健康发展。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于甘肃省天祝藏族自治县安远镇乌鞘岭，地处祁连山高寒山区，北纬37°12.48′，东经102°51.70′，海拔2 633～3 876 m，年平均气温为-2～1.3 ℃，相对无霜期80 d，全年分暖季(6月至9月)和冷季(当年10月至次年5月)，年降水量265～630 mm，日照时数年均2 500～2 700 h，气候高寒多变，春季多风雪。

1.2 样品采集

于2017年7月下旬,采集正值盛花期的5种常见棘豆属植物，包括宽苞棘豆、球花棘豆、黑萼棘豆、黄花棘豆和甘肃棘豆。

常规方法取样。取植物地上部分，冻干，粉碎，过40目筛后，密封保存于-20 ℃备用。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 常规营养成分测定指标及方法

干物质(dry matter，DM)、粗灰分(crude ash，ASH)、钙(Ca)、总磷(P)含量的测定方法参照文献[8]；粗蛋白(crude protein，CP)含量使用济南海能JK-9830全自动凯氏定氮仪进行测定；粗纤维(crude fiber，CF)、中性洗涤纤维(neutral detergent fiber，NDF)、酸性洗涤纤维(acid detergent fiber，ADF)使用ANKOM 2000i全自动纤维分析仪进行测定；粗脂肪(ether extract，EE)测定采用济南海能SOX500脂肪测定仪进行测定；无氮浸出物(nitrogen free extract，NFE)含量通过公式计算得到，无氮浸出物=100-(水分+粗灰分+粗蛋白+粗脂肪+粗纤维)总能(gross energy，GE)采用美国PARR6100全自动氧弹量热仪测定，测定指标均以干物质为基础。

1.3.2 棘豆属植物体外干物质降解率以及能值的测定

利用ANKOM DAISY Ⅱ型体外模拟培养箱，参照Tilley和Terry的活体外两阶段法，测定5种棘豆植物的体外干物质降解率(invitrodry matter degradation rate，IVDMD)[9]。试验采用混合培养液(瘤胃液∶缓冲液=1∶2)，准确称取棘豆属植物样品0.4 g于滤袋中，在39 ℃厌氧条件下消化48 h，取出样品，迅速用冷水冲洗，以终止微生物发酵反应，然后在样品中加入0.2%胃蛋白酶溶液，在酸性条件下继续消化48 h。消化完成后取出样品袋用蒸馏水洗净，105 ℃烘至恒重，称量和计算样品IVDMD，并对消化能(digestible energy，DE)、代谢能(metabolic energy，ME)进行计算。

瘤胃液采自4头年龄4岁，体重约200 kg的健康牦牛。IVDMD、DE、ME的计算公式参照参考文献[10]。

1.4 数据处理

采用Excel 2016进行数据整理，SPSS 22.0进行数据统计学处理。方差分析采用单因素方差分析(one-way ANOVA)，多重比较采用Duncan法，以P<0.05表示为差异显著，试验数据以平均值±标准误表示[11]。

应用SPSS 22.0软件中降维模块因子分析方法，将测定的14个棘豆属植物的营养指标(DM、CP、CF、NDF、ADF、EE、ASH、NFE、Ca、P、DMD、GE、DE、ME)进行主成分分析，用以评价5种棘豆属植物的综合营养价值。为消除量纲的不同，将14个指标进行标准化处理，其中CF、NDF、ADF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，按照主成分累计贡献率≥90%的原则提取主成分。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为各棘豆属植物营养指标标准化值；(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权重[12-13]。

(1)

(2)

2 结果与分析

2.1 天祝地区5种常见棘豆属植物营养成分含量

5种常见棘豆属植物的营养成分含量在各个种间存在着差异(P<0.05)，如表1所示，DM含量为92.62%～94.18%，从高到低排序依次为：甘肃棘豆、黑萼棘豆、宽苞棘豆、球花棘豆、黄花棘豆(P<0.05)。黑萼棘豆CP含量最高(16.81%)，显著高于球花棘豆15.08%(P<0.05)、黄花棘豆15.03%(P<0.05)、甘肃棘豆13.43%(P<0.05)和宽苞棘豆13.06%(P<0.05)。黑萼棘豆CF含量(16.58%)显著低于其他4种棘豆属植物(P<0.05)。5种棘豆属植物NDF含量均在30%以上，其中球花棘豆NDF含量(33.75%)为最低(P<0.05)，宽苞棘豆NDF含量(46.75%)为最高(P<0.05)。ADF含量为23.06%～32.31%，其中甘肃棘豆ADF含量(23.06%)显著低于其他棘豆属植物(P<0.05)。宽苞棘豆ASH含量(12.43%)最高(P<0.05)。EE含量为1.61%～2.17%，其中黑萼棘豆的EE含量(2.17%)显著高于其他棘豆属植物(P<0.05)。NFE含量为46.78%～57.44%(DM)，甘肃棘豆NFE含量(57.44%)最高(P<0.05)，而宽苞棘豆NFE含量(46.78%)最低(P<0.05)。5种棘豆属植物中Ca含量为0.87%～1.10%，P含量为0.17%～0.27%，其中黄花棘豆的Ca和P含量均显著高于其他棘豆属植物(P<0.05)。

表1 试验区5种常见棘豆属植物营养成分分析(干物质基础) %

2.2 牧草体外干物质降解率和能值

5种棘豆属植物体外干物质降解率和能值结果如表2。其中球花棘豆的IVDMD最高(71.53%，P<0.05)，宽苞棘豆最低(56.87%，P<0.05)。5种棘豆属植物的GE为17.61～19.39 MJ/kg，其中球花棘豆(19.39%)>甘肃棘豆(19.15%)>黑萼棘豆(19.10%)>宽苞棘豆(18.17%)>黄花棘豆(17.61%)，且差异显著(P<0.05)。5种棘豆属植物的DE为10.33～13.87 MJ/kg，ME为8.47～11.37 MJ/kg，其中球花棘豆的DE和ME均显著高于其他棘豆属植物(P<0.05)，而宽苞棘豆的DE、ME均最低(P<0.05)。

表2 试验地5种常见棘豆植物的体外干物质降解率、总能 、消化能及代谢能

2.3天祝地区5种常见的棘豆属植物综合营养价值评价

5种常见棘豆属植物的主成分分析及综合营养价值评价结果见表3。按照主成分累计贡献率≥90的原则，将14个指标提取为3个互不相关的主成分，它们对总方差的贡献率分别为57.258%、21.466%、13.123%，总积累贡献率为91.847%，根据公式(1)计算各主成分得分，再根据公式(2)构建出综合评价模型：F=0.623F1+0.234F2+0.143F3，其F值越大综合品质越好。因此由主成分分析得出综合营养价值排序为：球花棘豆>甘肃棘豆>黑萼棘豆>黄花棘豆>宽苞棘豆。

表3 试验地5种常见棘豆植物的主成分分析及综合营养价值评价

3 讨论

3.1 天祝地区5种常见棘豆属植物的营养价值特点

CP由纯蛋白和非蛋白氮组成，是放牧牲畜主要蛋白来源，其含量高低直接影响牲畜生产和健康[14]。本试验中5种常见棘豆属植物的粗蛋白含量为13.06%～16.81%，接近于优质苜蓿的粗蛋白含量15.8%[15]，高于高宏岩等[16]所测禾本科牧草的粗蛋白含量(6.95%～12.82%)，因此5种棘豆属植物的粗蛋白含量接近于优质饲草，高于普通粗饲料。美国国家研究委员会(NRC)提出，反刍动物生产所需要的蛋白含量为12%～25%，假设大部分的蛋白为可消化性的，那么本试验中5种棘豆属植物对反刍动物可提供较为丰富的蛋白质供应[17]，经过脱毒处理后，可作为蛋白饲料为牲畜提供蛋白质营养。CF是植物细胞壁的主要组成成分，是牧草重要的热能供给源之一，对牧草适口性具有重要的影响。NDF代表着饲草的容积，消化缓慢，其含量与家畜干物质采食量呈负相关，即NDF含量增加，家畜采食潜力降低，NDF通常以小于40%为佳。ADF与动物消化率有关，ADF高，则消化率降低，以不高于30%为宜[18-19]。本试验中宽苞棘豆、黑萼棘豆和黄花棘豆的NDF均高于40%，对适口性以及动物采食潜力造成了不良影响，除宽苞棘豆以外，其他4种棘豆属植物的ADF均低于30%。因此宽苞棘豆具有较低的干物质消化率。NFE和EE是牧草的易消化吸收养分，其含量越高，则饲草的营养价值越高，适口性也越好。ASH是指除碳、氢、氧和氮以外所有其他元素氧化物的总和，它反映了牧草矿物质的总体含量[20]。优质的饲草应具备ASH含量小于9%～10% 的特征[21]。本试验中除宽苞棘豆和黑萼棘豆灰分含量大于10%，其余3种棘豆属植物ASH含量均能满足优质饲草需求。Ca和P在家畜的骨骼发育与维护方面起着特殊的作用，矿物元素缺乏或过量均可引起牲畜生长发育不良、生产性能下降甚至死亡，满足牲畜生理需求的Ca含量应在0.3%～5.5%，P含量在0.13%～0.25%属正常范围，反刍动物对Ca和P的耐受水平为钙磷比不超过7∶1为宜[22-24]。本试验中5种棘豆属植物Ca、P含量均在正常范围内，钙磷比均未超过反刍动物耐受范围，因此，它们作为反刍动物饲用牧草不会降低动物生产性能。本试验中天祝黄花棘豆的营养成分与报道有一定差异，本试验与其相比，黄花棘豆干物质低4.52%、粗蛋白低13.12%、粗脂肪低32.39%、粗灰分低21.34%，而粗纤维高3.98%、中性洗涤纤维高4.42%、酸性洗涤纤维高9.03%[25]。由于两试验棘豆植物均采集于盛花期，因此出现营养成分差异的原因可能是棘豆植物样品采样年份不同而造成的，不同年际间放牧利用方式、季节性气候的变化，及降雨量的不同，均可能造成牧草营养成分的差异[26]。天祝县宽苞棘豆的粗纤维、粗灰分含量均比王凯[6]报道的青海省泽库县宽苞棘豆的相应值偏低，分别为粗纤维低28.38%，粗灰分低18.74%。而粗蛋白、无氮浸出物含量均比王凯[6]报道的青海省泽库县宽苞棘豆的相应值偏高，分别为粗蛋白高2.54%，无氮浸出物高6.44%。干物质、粗脂肪的相应值则基本相同。造成差异的原因可能是由于采样地区的地理环境不同, 海拔、温度等因素均会对牧草的营养成分造成影响[27]。

牧草体外干物质降解率(IVDMD)是在一定程度上反映动物机体对牧草的降解情况及草畜关系的变化，是评定牧草营养价值的重要指标，同时体外降解率也是衡量牧草营养物质可消化性的尺度[28]。由表3可知，甘肃地区棘豆属植物体外干物质降解率按从大到小排序，依次为：球花棘豆、甘肃棘豆、黑萼棘豆、黄花棘豆和宽苞棘豆。由此可见，5种棘豆属植物中球花棘豆在反刍动物体内的可消化性最高，而宽苞棘豆相对最低，所以球花棘豆最容易被瘤胃微生物降解利用，而宽苞棘豆反之。

据报道，利用脱毒小花棘豆补饲土种牛，每日每头补饲3 kg，对照组补饲同量的草木樨，饲喂94 d后，两组增重效果相近[29]。在良种猪添加甘肃棘豆草粉的肥育试验中，试验组将甘肃棘豆草粉分别以5%、7%和9%加入配合饲料，未产生不良反应，且屠宰后检查，肉品质正常[30]。采用水浸泡法将黄花棘豆脱毒后饲喂山羊，或每隔2周间歇饲喂山羊未经脱毒的黄花棘豆，可饲喂70 d，不出现中毒症状[31]。将小花棘豆利用工业盐酸进行脱毒处理后，按30%的比例添加于其他草料中，经过100 d的试验，未发现任何中毒症状，而未进行脱毒处理仍按比例添加的对照组饲喂时发生中毒现象[32]。这说明采用适宜方法(脱毒、控制添加量、间歇饲喂等)处理棘豆属有毒植物，将其作为动物饲料开发利用是可行的。

3.2 天祝地区5种棘豆属植物的营养价值特点评价体系

我国传统牧草的营养成分评价，通常根据营养物质成分的绝对含量，而对各成分之间的相互比例关系考虑较少。这导致评价结果具有一定的片面性和狭隘性[33]。棘豆属植物虽然含毒，但是由于具有较高的营养价值，可以考虑采用适宜方法(脱毒、控制添加量、间歇饲喂等)进行综合利用，本研究利用SPSS软件和主成分分析方法(PCA)，对天祝地区5种常见棘豆属植物的14项指标进行了详细的分析，相较于以往采用的隶属函数分析法(SFA)、灰色关联度分析法(GAR)，不需要考虑各项指标的权重，减小了评价的主观性，使评价更具有客观性和科学性，能够更为明确反映出天祝地区5种棘豆属植物的的综合利用特点。主成分分析法(PCA)在SPSS中结合降维的方法，可以把多个指标转化为几个主成分，用几个主成分反映多个原始指标绝大部分信息，操作简单，实用性强[34]。因此本研究采用PCA来综合评价5种棘豆植物的营养价值，按优劣排序为：球花棘豆>甘肃棘豆>黑萼棘豆>黄花棘豆>宽苞棘豆。另外，由于试验条件所限，本试验未对5种棘豆属植物的具体毒性成分以及含量进行检测，后续可进一步对此5种棘豆属植物的主要毒素测定进行完善，从而对天祝棘豆属植物的营养价值进行更为全面的评价。

4 结论

5种常见棘豆属植物营养成分较高，若经脱毒等适宜方法处理，可作为饲用牧草用于畜牧业生产，是潜在的饲草资源，通过SPSS主成分分析法，对5种棘豆属植物营养价值进行综合评定，最终得到其营养价值从高到低的排序，依次为：球花棘豆、甘肃棘豆、黑萼棘豆、黄花棘豆和宽苞棘豆。此研究结果不仅对天祝地区5种常见主要棘豆属植物的综合营养价值进行了评价，同时也为天祝地区棘豆属植物资源的综合利用提供了理论依据和数据支持。