张 伟，张 阳，王 官，邵荣峰，薛丁丁，常玉卉，阎 昊，赵威军
（山西农业大学高粱研究所，山西晋中 030600）
甜高粱(Sorghum bicolor)又称糖高粱或甜秆，是粒用高粱的一个变种，生物产量和茎秆含糖量高，适口性好，是非常有前景的能源和饲草作物[1]。作为饲草既可直接刈割做青饲，也可青贮或调制干草，而且甜高粱抗逆性、耐贫瘠性强，可以种植于生态条件较差的生态环境区，尤其在干旱、半干旱和高盐碱地区，这对于当地饲草产业发展有积极意义[2-3]。许多研究表明，利用甜高粱青贮饲喂牛羊对其产奶和增重有积极意义。杨宝钰等[4]研究表明40%～60%的甜高粱与苜蓿混合青贮可提高育肥羊的生长性能，可改善血清生化指标并提高抗氧化能力，可作为育肥羊的优质饲草进行推广。王斐等[5]研究表明，青贮甜高粱替代部分甜高粱青干草能够满足驴的正常生长发育，无明显负面效应。刘虎俊等[6]研究发现，青贮玉米和甜高粱秸秆搭配饲喂西门塔尔肉牛都可实现稳定增重，效益优于单独应用。王婷等[7]发现甜高粱青贮育肥的羊肉品质优于玉米青贮，且杜泊羊较小尾寒羊的改善响应更明显。主成分分析(PCA)是通过减少不同指标间相关性较强的重叠信息降低数据维度，将多个指标转化为少数几个不相关的综合指标的一种多元统计分析方法[8]。广泛应用于品种综合分析、作物抗旱、抗寒性等抗性分析中[9-10]，是一种有效地简化评价过程，分析指标重要性的分析方法。当前针对饲用甜高粱的研究主要集中在饲喂效果和农艺性状的研究中，对于甜高粱茎秆的饲草理化品质研究较少，不利于筛选和选育饲草专用型甜高粱品种。本研究对参试13个甜高粱品系的19个饲草品质指标进行测定，利用主成分分析，对不同甜高粱品系品质进行评价，以期为甜高粱饲草品质评价及优质品系的筛选提供理论参考。
1.1 试验材料
供试材料为山西农业大学高粱研究所甜高粱研究室组配的13个甜高粱品系，品系父母组合详细信息见表1。
表1 供试材料亲本信息
1.2 试验区概况
试验于2021年在山西省晋中市修文镇山西农业大学高粱研究所试验田进行，土壤为壤土，前茬为玉米，地势平坦，肥力中等。高粱全生育时期月平均气温为19.4℃，月平均降水量为93.5 mm，其中主要集中在7、10月(110.8、213.1 mm)，月平均日照为208.8 h（图1）。
图1 实验地生育期月均气温和月降水量
1.3 试验设计
于2021 年5 月1 日田间种植13 个甜高粱品系，采用随机区组设计，每个试验小区面积为15.9 m2(6 m×2.65 m)，每个品系3 个重复，行距为40 cm，株距为20 cm，播种前统一进行翻地旋耕，基肥为复合肥（N、P、K 含量均为15%）750 kg/hm2、尿素（N 含量为46%）150 kg/hm2，整个生育期不再追肥。2021年10月12日统一收获，每个小区随机选取5 株，剥去叶片后，利用榨汁机榨取茎秆汁液，测定甜高粱出汁率，用手持式锤度仪测量混合汁液的含糖锤度，统计平均数。每个小区再收获4株，利用粉碎机将全株进行粉碎，四分法取300 g 左右鲜样，带回室内烘箱120℃杀青2 h，75℃烘干到恒重，利用近红外分析法测定干草粗蛋白(crude protein，CP)、氨态氮(ammoniacal nitrogen，NH3-CP)、瘤胃降解蛋白(rumen degradable protein，RDP)、酸性洗涤纤维(acid detergent fiber，ADF)、中性洗涤纤维(neutral detergent fiber，NDF)、中性洗涤纤维30h消化率(digestibility of neutral detergent fiber in 30 hours，NDF-30)、淀粉(starch)、总脂肪酸(total fatty acids，TFA)、粗脂 肪(crude fat，CF)、总可消化养分(total digestible nutrient，TDN)、泌乳净能(NEL)、维持净能(NEm)、生长净能(NEg)、钙元素含量(element content，Ga)、磷元素含量(phosphorus content，P)、镁元素含量(magnesium content，Mg)，文中表内英文以简写代表。相对饲用价值(relative feed value，RFV)用养分含量进行估算，见公式(1)。
式中，DDM为可消化干物质(digestibledry matter，%DM)，按照DDM=88.9-0.779ADF计算，DMI为干物质采食量(dry matter intake，%BW)，按照DMI=120/NDF计算[11]。
1.4 数据处理
利用Excel 2007 软件进行数据统计和制图，利用SPSS Statistic 20对试验数据进行主成分和聚类分析。
2.1 不同甜高粱品种饲草品质分析
甜高粱不同饲草指标平均表现见表2。粗蛋白平均为6.8%，变化范围为6%～8.1%；
RFV 平均值为110，变化范围为91.9～134.2；
不同饲草指标间变异系数变化范围为2.2%～42.8%，变异系数小于10%的指标有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%的指标有RFV(11.5%)、NH3-CP(13.2%)、Mg 含量(13.4%)、出汁率(15.4%)、锤度(16.3%)、TFA(19.5%)，大于20%的指标有淀粉(21.9%)、P含量(26.5%)、Ca元素含量(42.8%)。
表2 不同甜高粱品种各指标平均值
2.2 不同饲草品质相关性分
相关性分析（表3）表明，出汁率与锤度、TFA、Mg呈显著负相关(P＜0.05)，锤度与TFA 呈显著正相关(P＜0.05)，ADF与NDF呈极显著正相关(P＜0.01)，ADF、NDF与淀粉、TDN、NEL、NEm、NEg、RFV、Ca、P含量呈极显著负相关(P＜0.01)，淀粉与TDN、NEL、NEm、NEg、RFV、Ca、P 含量呈显著正相关(P＜0.05)，TDN、NEL、NEm、NEg、RFV、P 两两之间均呈极显著正相关(P＜0.01)，Ca与TDN、RFV呈显著正相关(P＜0.05)。
表3 不同指标间相关系数矩阵
2.3 不同甜高粱品系饲草品质主成分分析
利用SPSS进行主成分分析，依据特征值大于1以及碎石图显著变化的折点，提取前4个主成分，分别命名为成分1、成分2、成分3、成分4，贡献率分别为46.86%、18.91%、14.60%、10.13%，其累计贡献率达到90.49%，能够综合代表甜高粱不同指标的绝大部分信息。成分1 主要综合了ADF、NDF、RFV、TDN、NEL、NEm、NEg，主要代表了能量纤维养分指标。成分2综合了CP、RDP、NH3-CP，代表了蛋白类数据信息。成分3综合了出汁率、TFA、锤度、CF，代表了糖和脂肪的主要信息。成分4 综合了P、Ca、Mg，主要代表了元素类信息（表4）。
表4 各性状主成分的特征向量及贡献率
主成分为原始各项指标的线性组合，各指标的权数为初始特征向量a除以主成分相对应的特征值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)，根据主成分计算公式，可得到4个主成分与原19项指标的线性组合，见式(2)～(5)。
以4 个主成分的贡献率为权重，各处理的综合得分见式(6)。
综合得分越高，该处理的综合性状越好。各处理的综合得分前5 名分别为J205、TP3、TP14、TP83、TP5（表5）。
表5 主成分分析综合效益值排序
2.4 不同饲草品质聚类分析
利用SPSS 进行分析，采用系统聚类法，基于甜高粱饲草品质主成分综合得分进行聚类分析，甜高粱饲草营养品质可聚为3 类（图2）。J205、TP3 为一类，这类饲草品质优良，RFV、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维、淀粉、总可消化养分表现较好；
J106、TP82、TP40、TP6、TP7为一类，为饲草品质最差的一类；
J218、J368、TP81、TP83、TP5、TP14为一类，饲草品质适中，锤度和粗蛋白品质表现较好。
图2 甜高粱营养品质综合聚类分析
作为饲草作物，甜高粱抗逆性、耐盐碱、生物产量高等特点受到广泛的关注，但是对于其饲草品质的研究较少。饲草品质是否优良主要取决于营养成分的种类和数量，一般来说，优质牧草粗蛋白含量较高、纤维含量较低[12]。粗蛋白含量是反映饲草营养价值的重要指标，粗蛋白含量越高，饲喂价值越高[13]。本试验中甜高粱粗蛋白含量平均为6.8%，蛋白质含量较好的品种有TP83 和TP14。马晓霞等[14]研究发现紫花苜蓿品种的粗蛋白含量均在18%以上，与优质牧草相比甜高粱茎秆的粗蛋白含量仍较低。酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维主要影响牲畜的采食率和消化率，一般而言，两者含量较高会导致饲草品质的降低[15]，本试验研究发现2个指标呈显著正相关，可能会同步影响饲草的饲草品质。参试甜高粱品系ADF 含量平均值为33.9%，中性洗涤纤维含量平均值为53.5%，其中TP3 和J205 指标均比较低（NDF 含量＜50%，ADF 含量＜30%）。RFV是以盛花期苜蓿的RFV 值为分级基准的反映饲草品质的一项重要指标[16]，本试验参试品系的RFV平均值为110，根据RFV 值分级标准划分，生产性能好的为J205(134)、TP3(133)、TP14(121)。可溶性糖含量是牲畜饲草营养价值的重要指标，与饲草的消化率、适口性以及青贮饲草的品质有关[17]，甜高粱作为一种有潜力的饲草作物，主要优点在于茎秆可溶性糖含量较高，易于牲畜消化吸收。本试验中甜高粱锤度平均值为14.9 Brix，变化范围为11.6～18.3 Brix，锤度变化范围较广，可以依据生产需求选育出适宜的含糖量品种。
变异系数分析发现，微量元素含量在不同品种之间差异最为明显，而能量指标（泌乳净能、维持净能、生长净能）在不同品种间变化较小，其中钙元素含量变化范围最大，总可消化养分变化范围最小。最能反映饲草品质的粗蛋白和纤维类指标变异范围均小于10%，可见饲用甜高粱选育仍需要进一步创制高蛋白的甜高粱品种。
相关性研究发现，总可消化养分、泌乳净能、维持净能、生长净能、相对饲料价值、磷元素两两之间均呈极显著正相关，可见这几项指标数据重叠性较强，在简单分析时可独立进行比较。钙元素含量与总可消化养分、RFV 呈显著正相关。RFV 与淀粉、总可消化养分呈极显著正相关，这与张阳等[18]研究结果相同。但是本研究发现RFV与粗蛋白相关性不显著，这与王运涛等[19]在谷子饲草品质研究中的结果不同，这可能是由于参试品种较少，而且供试品系粗蛋白的变异较小。
不同品系的饲草品质进行评价时，往往主要依靠产量和少数饲草性状进行分析，评价结果比较单一，主成分分析可以综合多个指标，降低指标之间相关性导致的重复信息，分析方法简单，评价结果科学，已经广泛应用于多个饲草作物的分析中。刘翔宇等[20]利用主成分分析法和灰色关联度分析法对甜高粱的主要性状进行综合分析，发现杂交选育出的甜高粱新品系TTL-32、TTL-29、TTL-27 和TTL-30 等排名靠前，茎秆效益和籽粒效益等综合效益值高。李资文等[21]对24个高粱组合的农艺性状和产量进行变异分析、相关性分析、灰色关联度分析、主成分分析和聚类分析，发现12个性状综合为6个因子，累计贡献率达86.91%，排名前6位的高粱组合有N2、N20、N19、N9、N8和N24。本试验中利用主成分分析方法将19个指标综合为4个主成分，并利用综合分析结果筛选出饲草品质优良的甜高粱组合。
（1）研究发现，最能够反映饲草品质的粗蛋白在不同甜高粱品种间变异范围较小，而锤度和元素类指标变化范围较大，下一步育种工作需要创制高蛋白甜高粱品种。（2）相关性分析发现，ADF与NDF呈显著正相关，钙元素含量与总可消化养分、相对饲料价值呈显著正相关。（3）通过主成分分析综合评价，J205、TP3、TP14、TP83、TP5 等5 个品种排名靠前，饲草品质综合表现较好。（4）通过聚类分析把13个品种分为3类，其中J205、TP3 为一类，综合饲草品质优良，与主成分分析结果一致。
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