基于随机森林模型解析羔羊哺乳期死亡率和生长性能的影响因素

田沛知，田星哲，赵晓雅，陈佳欣，史晨迪，严 慧，张英杰，纪守坤，刘月琴

（河北农业大学动物科技学院，河北保定 071000）

羔羊哺乳期死亡率和生长性能是影响养羊业经济效益的主要原因[1]。明确羔羊哺乳期死亡率和生长性能的主要影响因素，是合理制定羔羊哺乳期饲养管理措施的基础。前人研究表明，造成羔羊哺乳期死亡和生长性能降低的原因主要分为母羊因素与羔羊因素[2]。从母羊因素来看，母羊胎次、产羔数和初乳品质均会影响羔羊哺乳期死亡率和生长性能：唐雪峰等[3]和张秀华等[4]的报道均表明前4 胎次羔羊死亡率逐渐下降，随胎次进一步增加羔羊死亡率增加；产羔数也是影响羔羊初生重和存活率的重要因素，母羊产羔数增加会导致羔羊初生重降低，进而引起羔羊哺乳期死亡率增加和生长性能降低[5-12]；高品质的初乳能够为羔羊提供足够的IgG，保证羔羊获得充足的被动免疫，从而降低发病率与死亡率，提高生长性能[13-14]。从羔羊因素来看，羔羊初生重、性别、被动免疫状态和腹泻率均会影响哺乳期死亡率和生长性能：前人研究发现，初生重与羔羊早期生长发育速度密切相关[11]，随羔羊初生重增加，其生长速度随之增加[15]；姜勋平等[16]的研究发现公羔的生长发育速度与母羔相比具有显著优势；羔羊的被动免疫状态也是影响羔羊生长性能的重要因素，新生羔羊24 h 血清蛋白含量能有效评估羔羊的被动免疫状态[17]，被动免疫失败羔羊肺炎和腹泻发病率增加[18]，是导致羔羊患病和死亡的重要因素[19-21]。尽管前人研究表明多种因素均会影响羔羊哺乳期死亡率和生长性能，但各因素对羔羊的死亡率和生长性能的影响程度和重要性还鲜有报道。随机森林是基于bagging 框架下的决策树模型，常应用于分类和回归问题的预测和分析，可以有效避免模型过拟合同时具有预测精度高的优点，而且能够测度各影响因素的重要性[22]。近年来，该模型在影响因素的重要性评价中应用广泛，如乔依娜等[23]使用随机森林方法建模，得到各影响因子对土壤有效态微量元素的相对重要性；夏晓圣等[24]利用随机森林模型对中国PM2.5的影响因素进行了分析，并解释了各影响因素对中国PM2.5 的影响程度。本研究拟通过随机森林分类算法（哺乳期死亡）和回归算法（哺乳期生长性能）探究母羊胎次、产羔数、初乳品质、羔羊初生重、性别、被动免疫状态和哺乳期腹泻率对羔羊哺乳期死亡率和生长性能的影响，明确羔羊哺乳期死亡率和生长性能的主要影响因素，为后期制定合理的饲养管理措施奠定基础。

1 材料与方法

1.1 实验时间和地点 实验场地及实验动物由河北省张家口市兰海畜牧养殖有限公司提供，实验时间为2020年8—10 月。

1.2 实验动物 本实验选取健康状况良好的新生纯种湖羊羔羊102 只。母羊品种为湖羊，胎次为1～3 胎，产羔数为1～3 只。本研究关注出生时健康羔羊，因此对出生24 h 内死亡羔羊进行了排除。

1.3 饲养管理与信息采集 母羊采用单栏饲养，羊舍向阳、避风且通风良好，每周对羊舍内的地面、床垫、羊栏、料槽进行全面消毒，每天对水槽进行清洗。母羊生产时，工作人员帮助羔羊顺利产出，及时清除羔羊口腔及鼻腔内的粘液，使其呼吸顺畅。羔羊出生后用碘伏在脐带处消毒，使用干毛巾将羔羊身上粘液擦拭干净后打上耳号，做好生产记录（包括产羔时间、母羊胎次、产羔数、羔羊初生重等），羔羊整个哺乳期均随母哺乳，使用塑料食槽提供开食料供其自由采食，自动饮水器提供清洁饮水。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 羔羊生长性能 羔羊出生后2 h 内使用电子秤称量其初生重并记录，在羔羊1 月龄和45 日龄晨饲前使用台秤称重并记录体重（BW），羔羊生长系数（GI）计算公式为：

其中，GIi为0～i 日龄生长系数，BWi为i日龄体重，BW0为初生重。

日增重（ADG）计算公式为：

其中，ADGi为0～i日龄日增重，BWi为i日龄体重，BW0为初生重。

1.4.2 羔羊腹泻率 参考Marquardt 等[25]的方法进行粪便形态评分，每日观察羔羊粪便情况，当粪便松散不成形、具有流动性、不含有固状物、呈现不同深浅的棕色和黄色时记为1 个腹泻日。羔羊腹泻率（DF）计算公式为：DF=（羔羊腹泻天数/羔羊实验天数）×100%。

1.4.3 羔羊死亡率 每日观察羔羊存活情况，如发现死亡羔羊，记录羔羊死亡时间，经牧场兽医解剖确定死亡原因，羔羊死亡率计算公式为：死亡率=（死亡羔羊总数/实验羔羊总数）×100%。

1.4.4 初乳品质鉴定 在母羊分娩后2 h 内，人工采集初乳，将母羊乳头擦拭干净并弃掉前3 mL 初乳后采集10 mL 初乳，使用白利度（Brix）折光仪（MC2-1 数显折光仪）现场测定初乳样品的Brix 值并记录。本实验使用的白利度折光仪购买自北京哈罗德科技有限公司，测定模式调节为S01。初乳品质的判定标准见表1。

表1 初乳品质判定标准

1.4.5 羔羊被动免疫状况评估 在羔羊出生后24 h 时，颈静脉采血，使用5 mL 促凝采血管收集血液，在室温下静止2 h，待血清析出后，在室温下用离心机以3 500 rpm 离心15 min 收集血清，使用白利度折光仪测定血清样品的Brix 值并记录，测定模式调节为S02。被动免疫评价标准见表2。

表2 被动免疫评价标准

1.5 数据统计与分析 数据采用Excel 进行初步整理，利用R 软件（3.6.3）的shapiro.test 函数进行正态分布检验，随后采用RandomForest 程序包（4.6-14）的随机森林分类算法（羔羊死亡率）和随机森林回归算法（羔羊生长性能），以母羊胎次、产羔数、初乳品质和羔羊初生重、性别、24 h 血清蛋白含量、哺乳期腹泻率为输入变量，分别以羔羊死亡率和生长性能为预测变量，进行随机森林模型构建，随机森林参数mty=5、ntree=5000，其他参数采用默认设置。随机森林分类算法中，预测准确性采用pROC 软件包（1.17.0.1）进行计算，各影响因素重要性以Mean decrease accuracy 表示，其值越大代表该因素越重要；随机森林回归算法中，预测准确性以方差解释率进行计算，各因素重要性以IncNodePurity 表示，其值越大代表该因素越重要。相关性分析采用cor.test 函数进行，方差分析采用Oneway ANOVA 进行。数据以均值±标准差表示，P＜0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 基础信息 本研究共选取102 只新生羔羊，3 只羔羊非疾病原因死亡排除实验，共纳入99 只羔羊进行研究分析，所纳入研究羔羊基础信息见图1。由图1 可见，来自1 胎次母羊的羔羊2 只、2 胎次母羊的羔羊16只、3 胎次母羊的羔羊81 只；来自产单羔母羊的羔羊12 只、产双羔母羊的羔羊51 只、产三羔母羊的羔羊36只；公羔羊46 只，母羔羊53 只。母羊共51 只，初乳brix 值为39.59±5.06%，初乳品质全部为优；羔羊24 h血清蛋白含量为63.64±11.58 g/L，其中78 只羔羊被动免疫成功，11 只羔羊处于被动免疫临界状态，10 只羔羊被动免疫失败；羔羊初生重为3.65±0.98 kg；羔羊30 日龄体重为9.17±2.85 kg；羔羊45 日龄体重为11.08±3.29 kg；羔羊30 日龄生长系数为2.48±0.50；羔羊45 日龄生长系数为3.00±0.64；羔羊30 日龄ADG 为181.82±71.54 g/d；羔羊45 日龄ADG 为162.88±58.38 g/d。羔羊个体间差异较大，数据均服从正态分布，腹泻率（中位数33.33，1/4 分位1.11，3/4 分位50.00）不服从正态分布。羔羊哺乳期死亡率为25.49%，出生后25 d 到断奶（出生后45 d）为羔羊哺乳期死亡高发阶段。

图1 羔羊的基础信息

2.2 羔羊哺乳期死亡率的影响因素 如图2 所示，随机森林分类模型预测羔羊哺乳期是否死亡的准确率为87.88%，通过ROC 分析，其曲线下面积为0.82，模型灵敏性为86.67%，特异性为88.10%（图2A），其中腹泻率、初乳品质和产羔数在该模型中最为重要（图2B），腹泻率与羔羊死亡概率呈正相关（图2C，R2=0.36，P＜0.05）。

图2 羔羊哺乳期死亡率的影响因素

2.3 羔羊30 日龄体重的影响因素 如图3 所示，随机森林回归模型可解释69.65%的羔羊30 日龄体重变异，其中初生重、产羔数和24 h 血清蛋白含量在该模型中最为重要（图3A），初生重与30 日龄体重呈正相关（图3B，R2=0.64，P＜0.05），随产羔数增加，30 日龄体重降低（图3C，P＜0.05），羔羊24 h 血清蛋白含量与30日龄体重呈正相关（图3D，R2=0.10，P＜0.05）。

图3 羔羊30 日龄体重的影响因素

2.4 羔羊45 日龄体重的影响因素 如图4 所示，随机森林回归模型可解释58.56%的羔羊45 日龄体重变异，其中初生重、24 h 血清蛋白含量和产羔数在该模型中最为重要（图4A），初生重与45 日龄体重呈正相关（图4B，R2=0.57，P＜0.05），24 h 血清蛋白含量与45 日龄体重呈正相关（图4C，R2=0.13，P＜0.05），随产羔数增加，45 日龄体重降低（图4D，P＜0.05）。

图4 羔羊45 日龄体重的影响因素

2.5 羔羊0～30 日龄生长系数的影响因素 如图5 所示，随机森林回归模型可解释25.78% 的羔羊30 日龄生长系数变异，其中24 h 血清蛋白含量、初生重和初乳品质在该模型中最为重要（图5A），24 h 血清蛋白含量与30 日龄生长系数呈正相关（图5B，R2=0.19，P＜0.05），初生重与30 日龄生长系数无显著相关性（图5C，R2=0.005，P=0.23），初乳品质与30 日龄生长系数无显著相关性（图5D，R2=0.01，P=0.18）。

图5 羔羊0～30 日龄生长系数的影响因素

2.6 羔羊0～45 日龄生长系数的影响因素 如图6 所示，随机森林回归模型可解释12.07% 的羔羊45 日龄生长系数变异，其中24 h 血清蛋白含量、初生重和腹泻率在该模型中最为重要（图6A），24 h 血清蛋白含量与45 日龄生长系数呈正相关（图6B，R2=0.18，P＜0.05），初生重与45 日龄生长系数呈负相关（图6C，R2=0.06，P＜0.05），腹泻率与45 日龄生长系数呈负相关（图6D，R2=0.09，P＜0.05）。

图6 羔羊0～45 日龄生长系数的影响因素

2.7 羔羊0～30 日龄日增重的影响因素 如图7 所示，随机森林回归模型可解释49.77%的羔羊30 日龄ADG变异，其中初生重、24 h 血清蛋白含量和产羔数在该模型中最为重要（图7A），初生重与30 日龄ADG呈正相关（图7B，R2=0.36，P＜0.05），24 h 血清蛋白含量与30 日龄ADG 呈正相关（图7C，R2=0.14，P＜0.05），随产羔数增加，30 日龄羔羊ADG 降低（图7D，P＜0.05）。

图7 羔羊0～30 日龄日增重的影响因素

2.8 羔羊0～45 日龄日增重的影响因素 如图8 所示，随机森林回归模型可解释39.11%的羔羊45 日龄ADG变异，其中初生重、24 h 血清蛋白含量和腹泻率在该模型中最为重要（图8A），初生重与45 日龄ADG呈正相关（图8B，R2=0.32，P＜0.05），24 h 血清蛋白含量与30 日龄ADG 呈正相关（图8C，R2=0.17，P＜0.05），腹泻率与45 日龄羔羊ADG 呈负相关，差异不显著（图8D，R2=0.00，P=0.39）。

图8 羔羊0～45 日龄日增重的影响因素

3 讨 论

3.1 羔羊哺乳期死亡率的影响因素 羔羊哺乳期平均死亡率约为15%[1]，是影响养羊业经济效益的重要因素，明确造成羔羊死亡的主要原因是合理制定羔羊饲养管理措施的基础。前人研究表明腹泻是造成羔羊死亡的主要原因[19]，在汪新兰等[20]的实验中，因腹泻引起的死亡数量占羔羊死亡总数量的44.48%，而韩战强等[26]人通过对羔羊不同阶段的死亡率研究发现，羔羊出生后3～4周死亡率最高，与本研究结果基本一致。本研究同时发现，初乳品质和羔羊初生重也是导致哺乳期羔羊死亡的重要原因，低品质初乳不能为新生羔羊提供足够的IgG，羔羊难以获得充足的被动免疫，导致哺乳期羔羊患病率和死亡率的增加，这与前人的报道相一致[27]；低初生重也会增加羔羊哺乳期死亡率，Chniter 等[28]的实验结果也证实了这一现象，即随着羔羊初生重的降低，羔羊的死亡概率显著升高。

3.2 羔羊哺乳期生长性能的影响因素 哺乳期是羔羊生长速度最快的阶段，也是最容易受饲养管理水平影响的阶段。前人研究表明，通过绝对体重变化（日增重）和相对体重变化（生长系数）可以综合反映羔羊生长性能[29]。日增重是评估动物生长发育速度的常用指标，日增重越大，动物生长速度越快，反映了动物的绝对增长量，而生长系数计算了实验期间体重增加倍数，能够评估动物在一个时期内的体重倍增量[30]。因此，本研究采用30 日龄体重、45 日龄体重、0～30 日龄生长系数、0～45 日龄生长系数、0～30 日龄日增重和0～45 日龄日增重来进行羔羊哺乳期的生长性能描述。

初生重是影响羔羊哺乳期生长性能的重要因素。Andrés 等[31]和Juengel 等[32]的研究均表明高初生重的羔羊在哺乳期具有更高的日增重，Lalit 等[33]进一步采用表型关联系数的方法发现，初生重不但与羔羊哺乳期生长性能存在显著相关性，也与断奶后生长性能显著相关，表明初生重对羔羊生长性能具有长期影响。本研究发现，随着羔羊初生重的增加，羔羊在30 日龄和45 日龄这2 个阶段的体重和平均日增重均呈线性增加，这与前人研究结果一致[31-32]。在本研究中，羔羊初生重与0～30 日龄生长系数无显著相关性（P=0.23），而羔羊初生重与0～45 日龄生长系数呈负相关（P＜0.05），即随着羔羊初生重的增加，羔羊0～45 日龄生长系数呈线性下降，与前人研究结果一致[33]。

前人研究表明，母羊产羔数对羔羊初生重、存活率和生长性能均有显著影响，且表现为随着产羔数的增加，羔羊生长性能降低[5-12]。Yue 等[34]研究了产羔数对羔羊生长性能的影响，发现随着产羔数的增加，羔羊的生长速度减慢。本研究结果与前人的研究结果一致，即随着产羔数的增加，羔羊在30 日龄和45 日龄的体重均降低（P＜0.05），0～30 日龄日增重也降低（P＜0.05）。其原因可能来自两方面：一是由于胎儿数目较多时，胎儿在母体内对营养物质的竞争，表现为产羔数多的羔羊初生重降低，从而导致后期生长性能降低；二是由于产羔数增多时，母羊产奶量因产羔数增加而增加的量有限，每只羔羊的母乳采食量下降，进而导致羔羊生长性能降低[35-36]。

初乳是幼畜出生后的第一营养来源，它含有幼畜早期发育所需的各类营养成分，也是新生幼畜获得被动免疫的来源[37-38]，前人研究表明，被动免疫失败不仅导致羔羊哺乳期内患病和死亡率增加，也会显著影响羔羊生长性能[17]。反刍动物的小肠上皮细胞只有在产后24 h 内才能将完整的初乳IgG 和白蛋白内化并转移到血液中，此后小肠黏膜的皱胃分泌物和蛋白水解活性增加，小肠细胞吸收免疫球蛋白的能力下降，导致产后IgG 吸收效率呈线性下降[39]，采用白利度测定仪测定羔羊出生后24 h 血清蛋白含量可准确反映羔羊被动免疫状态[40]。Castellano 等[41]和Santiago 等[18]的研究均表明，随着羔羊24 h 血清中IgG 含量的增加，羔羊30 日龄体重呈显著上升趋势，初乳品质低下和羔羊血清蛋白含量低下均会导致羔羊的生长性能降低。在本研究中，羔羊24 h血清蛋白含量与30 日龄和45 日龄的体重、平均日增重与生长系数均呈正相关（P＜0.05），随着羔羊24 h 血清蛋白含量的上升，羔羊在哺乳期内的生长性能显著升高，与前人研究结果一致。腹泻会导致羔羊健康水平下降，导致羔羊生长受阻和死亡率上升[19-21]，被动免疫失败也是腹泻率升高的重要因素，Razzaque 等[42]研究了被动免疫对患病率和死亡率的影响，发现被动免疫失败可显著提高腹泻率和死亡率，本研究结果显示，羔羊腹泻率与45 日龄生长系数呈负相关（P＜0.05），与前人研究结果一致。

本研究同时表明，母羊胎次和羔羊性别不是影响羔羊死亡率和生长性能的关键因素。张年等[43]和陈思颖等[44]均研究了胎次对羔羊初生重的影响，结果表明，第1～4 胎羔羊初生重随着胎次增加而增加，4 胎以后随着胎次增加而递减，但各胎次之间差异不显著。阎甫等[45]研究发现母羊胎次和羔羊性别对羔羊成活率均无显著影响，与本研究结果一致。

4 结 论

影响羔羊哺乳期死亡率和生长性能的因素主要为腹泻率、初生重、羔羊24 h 血清蛋白含量、初乳品质和产羔数，母羊胎次和羔羊性别对羔羊哺乳期死亡率和生长性能无显著影响，因此，提高羔羊初生重、保障初乳品质和羔羊24 h 血清蛋白含量、降低腹泻率是降低哺乳期死亡率、提高生长性能的关键。