基于主成分分析和隶属函数分析研究刈割期和留茬高度对全株玉米青贮饲用价值的影响

吴鹏鑫; 王胜男; 王嘉麟; 许悦雯; 邱晓媛; 尹福泉

doi:10.12418/CJAN2024.345

动物营养学报 >

2024 , Vol. 36 >Issue 6: 4022 - 4035

DOI: https://doi.org/10.12418/CJAN2024.345

研究论文

基于主成分分析和隶属函数分析研究刈割期和留茬高度对全株玉米青贮饲用价值的影响

吴鹏鑫 ,
王胜男 ,
王嘉麟 ,
许悦雯 ,
邱晓媛 ,
尹福泉 ^,^*

展开

广东海洋大学滨海农业学院,湛江 524088

^*尹福泉,教授,硕士生导师,E-mail: yinfuquan01@163.com

吴鹏鑫(1997—),男,广东汕头人,硕士研究生,研究方向为动物营养与饲料科学。E-mail: 1471951792@qq.com

Copy editor: 菅景颖

收稿日期: 2023-10-30

网络出版日期: 2024-06-07

基金资助

雷州山羊繁育体系建立及快大高繁新品系培育(2022-XDY-00-009)

雷州山羊育繁推一体化关键养殖技术创新集成与示范(080503052216)

遂溪县城月镇肉羊健康养殖技术示范与推广(A23086)

广东省雷州山羊科技创新中心

省级现代化农业(草畜一体化)

收起

Effects of Cutting Period and Stubble Height on Feeding Quality of Whole-Plant Corn Silage Based on Principal Component Analysis and Membership Function Analysis

WU Pengxin ,
WANG Shengnan ,
WANG Jialin ,
XU Yuewen ,
QIU Xiaoyuan ,
YIN Fuquan ^,^*

Expand

College of Coastal Agricultural Sciences, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China

^*professor, E-mail: yinfuquan01@163.com

Received date: 2023-10-30

Online published: 2024-06-07

Fold

摘要

本试验通过研究刈割期和留茬高度及其交互作用对全株玉米青贮饲用价值的影响,以确定青贮玉米适宜的刈割期和留茬高度。以“渝青玉3号”青贮玉米为试验材料,设置4个刈割期(1/4乳线期、1/2乳线期、3/4线期和蜡熟期)和5个留茬高度(20、30、40、50、60 cm),共20个处理,每个处理3个重复。对青贮玉米进行青贮后,测定全株玉米青贮的常规营养成分和霉菌毒素含量。结果显示:1)刈割期和留茬高度的交互作用对全株玉米青贮中粗蛋白质(CP)、中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)、粗灰分(Ash)含量及总能(GE)产生了显著影响(P<0.05),其中同一刈割期时CP含量随着留茬高度的增加而增加,留茬高度相同时CP含量随着刈割期的推迟呈现下降趋势;2)刈割期和留茬高度交互作用对全株玉米青贮中玉米赤霉烯酮(ZEN)、黄曲霉毒素(AFs)产生了显著的影响(P<0.05),所有处理的霉菌毒素含量均低于饲用安全规定水平;3)综合主成分分析、隶属函数分析和相关性分析,将刈割期推迟至蜡熟期且保证留茬高度大于20 cm有利于提高全株玉米青贮的饲用价值,且在留茬高度为60 cm时表现最好。综上所述,在本试验条件下,“渝青玉3号”青贮玉米在蜡熟期刈割且留茬高度在30~60 cm时有利于提高全株玉米青贮的饲用价值,且留茬高度在60 cm时能获取最大饲用价值。

关键词： 全株玉米青贮; 饲用价值; 刈割期; 留茬高度; 主成分分析; 隶属函数分析

本文引用格式

吴鹏鑫 , 王胜男 , 王嘉麟 , 许悦雯 , 邱晓媛 , 尹福泉 . 基于主成分分析和隶属函数分析研究刈割期和留茬高度对全株玉米青贮饲用价值的影响[J]. 动物营养学报, 2024 , 36(6) : 4022 -4035 . DOI: 10.12418/CJAN2024.345

Abstract

In order to determine the appropriate cutting period and stubble height of whole-plant corn silage (WPCS), the effects of cutting period, stubble height and their interaction on the feeding value of WPCS were studied in this experiment. “Yuqingyu No.3” silage corn as test material, 4 cutting periods (1/4 milk stage, 1/2 milk stage, 3/4 milk stage and dough stage) and 5 stubble heights (20, 30, 40, 50 and 60 cm) were set for 20 treatments with 3 replicates per treatment. After ensiling, the contents of conventional nutritional components and mycotoxins of WPCS were measured. The results showed as follows: 1) the interaction between cutting period and stubble height had significant impacts on the contents of crude protein (CP), neutral detergent fiber (NDF), acid detergent fiber (ADF), crude ash (Ash), and gross energy (GE) in WPCS (P<0.05). When the cutting period was the same, the CP content increased with the increase of stubble height, and when the stubble height was the same, the CP content showed a decreasing trend with the delay of cutting period. 2) The interaction between cutting period and stubble height had significant impacts on the contents of zearalenone (ZEN) and aflatoxins (AFs) in WPCS (P<0.05), and the mycotoxin contents of all treatments were below the level specified for safe feeding. Comprehensive principal component analysis, membership function analysis and correlation analysis showed that delaying the cutting period to the dough stage and ensuring a stubble height greater than 20 cm were beneficial for improving the feeding value of WPCS, and the best performance could be achieved when the stubble height was 60 cm. In conclusion, under the conditions of this experiment, the feeding value of WPCS can be improved by cutting “Yuqingyu No.3” silage corn at the dough stage and keeping the stubble height at 30 to 60 cm, with the maximum feeding value can be obtained when the stubble height is 60 cm.

Key words： whole-plant corn silage; feeding value; cutting period; stubble height; principal component analysis; membership function analysis

全株玉米青贮(whole-plant corn silage)是目前世界上草食畜牧业中使用的最普遍的优质粗饲料之一。青贮过程中营养成分损失小、饲料适口性好、可长期保存且环保等优点促成青贮玉米成为了全球粗饲料的“宠儿”^[1]。此外,与其他富含蛋白质和纤维素的饲草相比,青贮玉米还具有能量含量高这一特性^[2]。与传统草食畜牧业模式相比,青贮玉米是一种具有种植和利用优势的优质粗饲料,青贮玉米还可以通过机械化种植,迅速扩大产量,同时更容易控制品质的稳定。除此之外,大量使用青贮玉米还能节省精饲料的用量,从而提高经济效益。我国自2015年以来不断推进农业供给侧结构性改革,引导优化粮经饲结构,扩大青贮玉米为主的优质粗饲料的种植面积。受政策引导,我国青贮玉米种植面积迎来了快速增长,2016年种植面积约达100万hm²,2018年达到167万hm²,2020年增长至200万hm²以上,但据相关统计,美国及欧洲青贮玉米种植面积在2016年便已分别达到266.67万和614.47万hm²,与欧美国家相比仍有较大差距^[3]。因此,如何提高青贮玉米的利用率对于缓解我国粗饲料短缺具有重大的战略意义。

尽管玉米杂交试验使得青贮玉米的生产性能不断提高,但自2000年以来,通过杂交选培的青贮玉米在生产性能上取得的成效却微乎其微^[4-5]。据Ferraretto等^[6]报道,草食动物对于玉米青贮饲料的利用率很大程度取决于作物的成熟度以及留茬高度,鉴于此,通过控制青贮玉米的刈割期及留茬高度等手段对提高其利用率至关重要。国内外研究表明,刈割期是影响玉米青贮饲料品质的重要因素,例如,Terler等^[7]连续3年研究了品种和刈割期对玉米青贮品质的影响,发现玉米青贮饲料的营养成分含量和瘤胃降解率主要受玉米刈割期的影响,而受品种的影响较小;蔡元等^[8]研究表明,添加酶制剂并在完熟期收获能显著提高玉米青贮饲料的品质,但仍低于蜡熟期的没加酶组,表明刈割期是比酶制剂更能影响玉米青贮饲料品质的因素。此外,适当的留茬高度可以保证饲料资源的充分利用,留茬高度过低则玉米青贮饲料品质过低,留茬高度过高则造成饲料浪费。Diepersloot等^[9]研究表明,留茬高度在65 cm时能提高玉米青贮饲料的干物质(DM)和淀粉含量,降低中性洗涤纤维(NDF)和木质素含量,改善玉米青贮饲料的品质。类似的,王胜男等^[10]研究表明,雅玉8号青贮玉米留茬高度在35~45 cm时,青贮后可降低酸性洗涤纤维(ADF)和NDF含量,提高能值。目前关于玉米青贮饲料的品质研究主要集中在青贮玉米各品种之间的评价和分析或者单因素对单一品种青贮玉米青贮品质的影响上,而对于刈割期和留茬高度以及二者的交互作用对青贮玉米青贮品质的影响却鲜有报道。本研究将基于主成分分析和隶属函数分析综合比较研究不同刈割期和留茬高度的青贮玉米对全株玉米青贮饲用价值的影响,以确定适宜的刈割期和留茬高度,为青贮玉米的合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料、时间和地点

选取中晚熟的杂交青贮玉米“渝青玉3号”为试验材料,于2021年3月在广东海洋大学试验田进行播种,种植密度为6.75万株/hm²,种植面积为240 m²。试验田位于东经109°40'~110°58'、北纬20°13'~21°57',年平均气温23.2 ℃,降水量为1 567.3 mm,为本次试验种植作物提供了良好的环境条件。试验田种植3个小区,各小区距离70 cm,每个小区5行,采用条播的方式,行间距为40 cm,株间距为25 cm,播种深度为2~3 cm。期间按照大田管理模式进行管理,所施肥料为复合肥,每亩(1亩≈667 m²) 施入40 kg复合肥。

1.2 试验设计

本试验采用4×5双因素完全随机设计,2个因素分别为青贮玉米的刈割期和留茬高度,刈割期设4个水平(1/4乳线期、1/2乳线期、3/4乳线期和蜡熟期),留茬高度设5个水平(20、30、40、50、60 cm),共20个处理。每个刈割期的不同留茬高度设3个重复进行青贮处理。不同处理的青贮玉米刈割后进行青贮制备全株玉米青贮,青贮结束后对各处理的全株玉米青贮进行品质分析。

1.3 样品采集和处理

分别于青贮玉米的1/4乳线期、1/2乳线期、3/4乳线期和蜡熟期刈割取样,每个刈割期分别采用20、30、40、50、60 cm的留茬高度,在每个重复小区中按五点取样法随机取样,每个刈割期的不同留茬高度分别取均匀一致的10株青贮玉米进行青贮处理。将青贮玉米进行揉丝切割(长度1 cm左右)后^[11],直接装入聚乙烯真空包装袋,用真空机抽真空并封口,青贮发酵90 d。青贮结束后,取部分样品冷冻储存,余下样品在烘箱中先105 ℃烘2 h,然后65 ℃烘至恒重,测定含水量,常温回潮后装入干净自封袋中保存,用于测定常规营养成分和霉菌毒素含量。

1.4 测定指标与方法

常规营养成分含量:DM含量的测定参照《饲料中水分的测定》(GB/T 6435—2014);粗蛋白质(CP)含量的测定参照《饲料中粗蛋白的测定凯氏定氮法》(GB/T 6432—2018);粗脂肪(EE)含量的测定参照《饲料中粗脂肪的测定》(GB/T 6433—2006);粗灰分(Ash)含量的测定参照《饲料中粗灰分的测定》(GB/T 6438—2007);NDF含量的测定参照《饲料中酸性洗涤纤维的测定》(NY/T 1459—2007);ADF含量的测定参照《饲料中酸性洗涤纤维的测定》(NY/T 1459-2007);钙(Ca)含量的测定参照《饲料中钙的测定》(GB/T 6436—2018);磷(P)含量的测定参照《饲料中总磷的测定分光光度法》(GB/T 6437—2018)。总能(GE)采用氧弹式总能仪(5E-1C)进行测定,严格按照仪器使用说明书操作。

霉菌毒素含量:使用酶联免疫吸附测定(ELISA)试剂盒(购自ROMER国际贸易北京有限公司)按照试剂盒说明书测定,通过标准曲线计算样品中玉米赤霉烯酮(ZEN)、黄曲霉毒素(AFs)及呕吐毒素(DON)的含量。霉菌毒素含量超标分析:以《饲料卫生标准》(GB 13078—2017)为参照标准。

1.5 数据统计与分析

各指标数据经过Excel 2021初步整理后,采用SPSS 22.0软件中的双因素方差分析(two-way ANOVA)程序对刈割期、留茬高度及其交互作用对全株玉米青贮饲用价值指标的影响进行双因素方差分析,并用Duncan氏法进行多重比较分析。结果用平均值±标准差表示,P<0.05表示差异显著。为探究全株玉米青贮的各指标之间的关系,应用Origin 2021中的Correlation plot进行Pearson相关性分析并绘图。

为了避免量纲不同可能带来的不利影响,采用SPSS 22.0软件对各指标原始数据进行标准化处理,然后使用主成分分析对各指标数据进行降维、简化;进一步利用隶属函数分析将各主成分上共20个不同处理的全株玉米青贮分析得出的各指标进行标准化,按照如下公式计算各指标的隶属函数值,并根据各指标隶属函数值计算出综合评价值。

$μ i +$ =(X_i-X_min)/(X_max-X_min);

$μ i -$ =1- $μ i +$ ;

C=∑μ_i/i。

式中:i表示进行评价的指标,i=1,2,3,…,n;

μ i +

表示全株玉米青贮评价呈正相关的i指标的隶属函数值;X_i表示某种处理下全株玉米青贮i指标的测定值;

μ i -

表示与青贮玉米评价呈负相关的i指标的隶属函数值;X_max、X_min分别表示第i个指标的最大值和最小值;C表示不同处理全株玉米青贮各指标的综合评价值。

2 结果与分析

2.1 刈割期和留茬高度对全株玉米青贮中常规营养成分含量的影响

双因素方差分析(表1)显示,刈割期和留茬高度对DM、EE、Ca、P含量均无显著影响(P>0.05),但对CP、NDF、ADF、Ash含量和GE均有显著影响(P<0.05),且刈割期和留茬高度在CP、NDF、ADF、Ash含量和GE上还存在显著的交互作用(P<0.05)。

表1 刈割期及留茬高度对全株青贮玉米青贮中常规营养成分含量的影响

Table 1 Effects of cutting period and stubble height on conventional nutritional component contents in whole-plant corn silage

刈割期 Cutting periods	留茬高度 Stubble heights/cm	干物质 DM/%	粗蛋白质 CP/% DM	粗脂肪 EE/% DM	中性洗涤纤维 NDF/% DM	酸性洗涤纤维 ADF/% DM	粗灰分 Ash/% DM	钙 Ca/% DM	磷 P/% DM	总能 GE (MJ/kg DM)
1/4乳线期 1/4 milk stage	20	95.83±0.09	8.97±0.30^cA	2.64±1.35	68.69±2.77^bB	39.40±0.14^bA	4.29±0.58^bcAB	0.32±0.08	0.19±0.01	17.00±0.25^abC
	30	94.72±0.26	9.24±0.21^bcA	2.46±0.58	68.22±0.63^bB	37.67±0.18^cA	3.94±0.13^cA	0.33±0.10	0.19±0.01	16.75±0.39^cC
	40	94.91±0.39	9.32±0.22^bcA	2.88±0.85	76.83±0.56^aA	43.75±1.01^aA	5.08±0.16^aA	0.33±0.07	0.19±0.01	16.19±0.39^dC
	50	94.02±0.30	9.54±0.16^bA	3.21±1.64	64.74±1.64^cC	34.15±0.57^dA	4.53±0.25^b	0.32±0.08	0.19±0.01	16.81±0.23^bcD
	60	95.53±0.30	9.96±0.28^aC	2.62±0.81	58.89±3.38^dB	33.63±1.01^dA	3.58±0.20^cdC	0.33±0.05	0.19±0.01	17.11±0.04^aC
1/2乳线期 1/2 milk stage	20	95.35±0.35	7.60±0.19^bB	1.71±0.72	69.70±0.40^bAB	37.74±1.05^aA	3.55±0.10^bBC	0.34±0.05	0.18±0.01	16.88±0.49^cD
	30	95.43±0.48	7.65±0.11^bC	2.34±0.83	72.10±1.29^aA	34.71±1.61^bB	3.46±0.29^bB	0.34±0.09	0.18±0.01	17.40±0.58^aB
	40	96.25±0.24	8.50±0.18^abB	3.39±0.95	61.98±0.54^dC	28.26±0.42^cC	2.70±1.41^bB	0.34±0.15	0.18±0.01	17.05±0.83^bB
	50	95.33±0.50	8.78±1.60^abB	2.39±1.29	69.57±1.35^bB	34.93±0.61^bA	3.04±0.46^b	0.34±0.05	0.18±0.00	17.36±0.35^aB
	60	94.45±0.21	9.39±0.62^aD	2.71±1.51	64.31±0.74^cA	33.49±1.58^bA	4.61±0.21^aA	0.35±0.05	0.19±0.01	16.86±0.02^cD
3/4乳线期 3/4 milk stage	20	96.79±0.27	8.70±0.31^bA	2.60±1.34	67.26±1.57^bB	27.04±1.71^cC	3.13±0.05^bC	0.34±0.09	0.18±0.01	17.31±0.79^cdA
	30	96.05±0.05	8.72±0.29^bB	3.25±2.11	64.87±2.24^bC	31.55±1.69^bC	3.45±0.56^bB	0.34±0.03	0.18±0.04	17.37±0.18^cB
	40	96.62±0.26	9.09±0.46^bA	1.49±0.95	67.81±2.65^bB	34.86±0.92^aB	3.10±0.17^bB	0.34±0.09	0.18±0.00	17.60±1.04^aA
	50	95.83±0.05	9.22±0.79^bA	2.70±0.92	83.17±2.35^aA	35.70±0.86^aA	4.49±0.20^a	0.41±0.05	0.18±0.01	17.47±0.38^bA
	60	95.12±0.71	10.70±0.01^aA	2.18±1.71	66.51±4.05^bA	34.43±1.95^aA	4.13±0.03^aB	0.34±0.03	0.19±0.02	17.24±0.15^dB
蜡熟期 Dough stage	20	95.08±1.00	7.07±0.27^cC	1.27±1.83	72.78±2.69^aA	30.93±2.00^bB	4.81±0.65^aA	0.35±0.02	0.19±0.01	17.12±0.71^dB
	30	96.03±0.01	7.50±0.21^cC	2.43±2.53	65.10±0.87^cC	34.28±0.91^aB	3.46±0.38^cB	0.34±0.02	0.19±0.02	17.48±0.24^aA
	40	95.66±0.50	8.69±0.37^bB	2.91±1.22	68.84±1.19^bB	28.55±0.09^cC	3.82±0.04^bcB	0.34±0.02	0.19±0.02	17.51±0.33^aA
	50	96.13±0.14	8.52±0.14^bB	2.11±1.21	66.88±0.57^bcC	30.85±2.39^bB	4.89±0.27^a	0.34±0.02	0.19±0.04	17.22±0.28^cC
	60	96.92±0.55	10.11±1.25^aB	3.05±1.43	64.95±0.48^cA	27.42±0.16^cB	4.11±0.23^bB	0.34±0.03	0.19±0.02	17.38±0.12^bA
双因素方差分析P值 P-value of two-way ANOVA
刈割期 Cutting period		0.12	<0.01	0.96	<0.01	<0.01	<0.01	0.90	0.45	<0.01
留茬高度 Stubble height		0.10	<0.01	0.72	<0.01	<0.01	<0.01	0.92	0.73	<0.01
刈割期×留茬高度 Cutting period×stubble height		0.06	<0.01	0.54	<0.01	<0.01	<0.01	0.99	0.99	<0.01

	同列数据,相同刈割期下不同留茬高度数据肩标不同小写字母表示差异显著(P<0.05);相同留茬高度下不同刈割期数据肩标不同大写字母表示差异显著(P<0.05)。表2同。
	When the harvest time is the same, values of the different stubble height in the same column with different small letter superscripts mean significant difference (P<0.05); when the stubble height is the same, values of the different harvest time in the same column with different capital letter superscripts mean significant difference(P<0.05). The same as below.

在1/4乳线期刈割,留茬高度为60 cm时CP含量最高,为9.96%DM,显著高于其他留茬高度(P<0.05);Ash、NDF及ADF含量随留茬高度的增加呈现先上升后下降的趋势,在留茬高度为40 cm时达到最大值,显著高于其他留茬高度(P<0.05);GE则随留茬高度的增加呈现先下降后升高的趋势,在留茬高度为40 cm时达到最小值,显著低于其他留茬高度(P<0.05)。在1/2乳线期刈割,留茬高度为60 cm时CP含量最高,显著高于留茬高度为20和30 cm时(P<0.05);留茬高度为30 cm时NDF含量最高,显著高于其他留茬高度(P<0.05);留茬高度为20 cm时ADF含量最高,显著高于其他留茬高度(P<0.05);留茬高度为60 cm时Ash含量最高,显著高于其他留茬高度(P<0.05);留茬高度为30和50 cm时GE较高,显著高于其他留茬高度(P<0.05)。在3/4乳线期刈割,留茬高度为60 cm时CP含量最高,显著高于其他留茬高度(P<0.05);Ash、NDF和ADF含量均留茬高度为50 cm时有最高值,其中Ash含量显著高于留茬高度为20、30和40 cm时(P<0.05),NDF含量显著高于其他留茬高度(P<0.05),ADF含量显著高于留茬高度为20和30 cm时(P<0.05);留茬高度为40 cm时GE最高,显著高于其他留茬高度(P<0.05)。在蜡熟期刈割,留茬高度为60 cm时CP含量最高,显著高于其他留茬高度(P<0.05);留茬高度为20 cm时NDF含量最高,显著高于其他留茬高度(P<0.05);留茬高度为30 cm时ADF含量最高,显著高于其他留茬高度(P<0.05);留茬高度为20和50 cm时Ash含量较高,显著高于其他留茬高度(P<0.05)。

总体上来看,CP和Ash含量随着刈割期的延长呈下降趋势,在1/4乳线期、留茬高度为20~40 cm时,CP和Ash含量处在较高水平。在各留茬高度下,ADF含量均以1/4乳线期最高,并显著高于蜡熟期(P<0.05)。

2.2 刈割期和留茬高度对全株玉米青贮中霉菌毒素含量的影响

双因素方差分析(表2)显示,刈割期与留茬高度对全株玉米青贮中DON含量无显著影响(P>0.05),对ZEN和AFs含量有显著影响(P<0.05),且刈割期和留茬高度在ZEN和AFs含量上还存在显著的交互作用(P<0.05)。

表2 刈割期和留茬高度对全株玉米青贮中霉菌毒素含量的影响

Table 2 Effects of cutting period and stubble height on mycotoxin contents in whole-plant corn silageμg/kg

刈割期 Cutting periods	留茬高度 Stubble heights/cm	玉米赤霉烯酮 ZEN	黄曲霉毒素 AFs	呕吐毒素 DON
1/4乳线期 1/4 milk stage	20	0.82±0.02^cD	0.13±0.00^bC	0.21±0.00
	30	0.72±0.01^dD	0.12±0.00^cC	0.22±0.00
	40	0.87±0.02^bB	0.15±0.00^aB	0.20±0.00
	50	0.98±0.02^aA	0.13±0.00^bD	0.22±0.00
	60	0.90±0.02^bB	0.12±0.00^cD	0.22±0.00
1/2乳线期 1/2 milk stage	20	0.92±0.02^bB	0.15±0.00^aB	0.21±0.00
	30	0.96±0.02^aB	0.14±0.00^bB	0.18±0.00
	40	0.82±0.02^cC	0.13±0.00^cB	0.16±0.00
	50	0.91±0.02^bB	0.15±0.00^aB	0.20±0.00
	60	0.90±0.02^bB	0.13±0.00^cC	0.22±0.00
3/4乳线期 3/4 milk stage	20	0.87±0.02^cC	0.16±0.00^bA	0.19±0.00
	30	0.90±0.01^bC	0.16±0.00^bA	0.21±0.00
	40	0.77±0.02^dD	0.49±0.06^aA	0.20±0.00
	50	0.76±0.02^dC	0.14±0.00^bC	0.21±0.00
	60	0.99±0.02^aA	0.15±0.00^bB	0.19±0.00
蜡熟期 Dough stage	20	1.04±0.01^aA	0.16±0.00^bA	0.15±0.00
	30	1.03±0.02^aA	0.16±0.00^bA	0.16±0.00
	40	1.04±0.03^aA	0.17±0.00^aB	0.18±0.00
	50	0.90±0.09^cA	0.16±0.01^bA	0.18±0.00
	60	0.92±0.05^bB	0.16±0.00^bA	0.18±0.00
双因素方差分析P值 P-value of two-way ANOVA
刈割期 Cutting period		<0.01	<0.01	0.08
留茬高度 Stubble height		<0.01	0.03	0.25
刈割期×留茬高度 Cutting period×stubble height		<0.01	<0.01	0.09

1/4乳线期刈割,当留茬高度为50 cm时ZEN含量最高,显著高于其他留茬高度(P<0.05);当留茬高度为40 cm时AFs含量最高,显著高于其他留茬高度(P<0.05)。1/2乳线期刈割,当留茬高度为30 cm时ZEN含量最高,显著高于其他留茬高度(P<0.05);当留茬高度为50 cm时AFs含量最高,显著高于其他留茬高度(P<0.05)。3/4乳线期刈割,当留茬高度为60 cm时ZEN含量最高,显著高于其他留茬高度(P<0.05);当留茬高度为40 cm时AFs含量最高,显著高于其他留茬高度(P<0.05)。蜡熟期刈割,当留茬高度为20、30、40 cm时ZEN含量较高,显著高于留茬高度为50、60 cm时(P<0.05);当留茬高度为40 cm时AFs含量最高,显著高于其他留茬高度(P<0.05)。刈割期不同时,留茬高度为20、30、40 cm时均以蜡熟期的ZEN含量较高,显著高于其他刈割期(P<0.05);刈割期相同时,ZEN含量会随着留茬高度的增加呈现先降低后增加的趋势。

2.3 不同处理的全株玉米青贮各指标间相关性分析

DM、CP、EE、NDF、ADF、Ash、Ca、P、GE、ZEN、AFS、DON之间的相关关系如图1、图2、图3所示,不同处理的全株玉米青贮各指标间呈不同程度的相关性。

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图1 不同刈割期的全株玉米青贮各指标之间的相关性分析

DM:干物质;CP:粗蛋白质;EE:粗脂肪;NDF:中性洗涤纤维;ADF:酸性洗涤纤维;Ash:粗灰分;Ca:钙;P:磷;GE:总能;ZEN:玉米赤霉烯酮;AFs:黄曲霉毒素;DON:呕吐毒素。“*”为显著相关(P<0.05);“**”为极显著相关(P<0.01)。下图同。

Fig.1 Correlation analysis of indexes of whole-plant corn silage with different cutting periods

DM: dry matter; CP: crude protein; EE: ether extract; NDF: neutral detergent fiber; ADF: acid detergent fiber; Ash: crude ash; Ca: calcium; P: phosphorus; GE: gross energy; ZEN: zearalenone; AFs: aflatoxins; DON: deoxynivalenol. “*” mean significant correlation (P<0.05 ); “**”mean extremely significant correlation (P<0.01). The same as below.

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图2 不同留茬高度的全株青贮玉米各指标之间的相关性分析

Fig.2 Correlation analysis of indexes of whole-plant corn silage with different stubble heights

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图3 不同刈割期及留茬高度的全株玉米青贮各指标之间的相关性分析

Fig.3 Correlation analysis of indexes of whole-plant corn silage with different cutting periods and stubble heights

不同刈割期:EE与ADF之间呈极显著正相关(P<0.01);Ash与P之间呈显著正相关(P<0.05);DM与GE之间呈显著正相关(P<0.05);NDF与AFS之间呈显著正相关(P<0.05);ZEN与DON之间呈显著负相关(P<0.05)。

不同留茬高度:DM与DON之间呈显著负相关(P<0.05);P与ADF、NDF之间呈显著负相关(P<0.05)。

刈割期和留茬高度之间交互作用:DM与ADF、Ash之间呈显著负相关(P<0.05);DM与GE之间呈极显著正相关(P<0.01);CP与DON之间呈极显著正相关(P<0.01);CP与ZEN之间呈显著负相关(P<0.05);EE与AFs之间呈显著负相关(P<0.05);NDF与Ca之间呈极显著正相关(P<0.01);ADF与GE之间呈极显著负相关(P<0.01);ADF与DON之间呈显著正相关(P<0.05);Ash与P之间呈极显著正相关(P<0.01);Ash与GE之间呈显著负相关(P<0.05);ZEN与DON之间呈显著负相关(P<0.05)。

考虑到指标众多且各指标之间存在不同程度的相关关系,故用主成分分析对各指标进行简化、降维,以确定不同处理下的全株玉米青贮的品质。

2.4 不同处理的全株玉米青贮的主成分分析和隶属函数分析

2.4.1 主成分分析

利用SPSS 22.0软件中的分析-降维-因子分析对20个不同处理的全株青贮青贮进行主成分分析。各主成分的特征值和贡献率见表4。根据各主成分特征值大于1、累积贡献率大于80%的原则挑选出前5个主成分,即将原有12个指标转化为5个相互独立的综合指标。这5个主成分的特征值分别为3.399、2.488、1.810、1.423、1.016,累积贡献率共为84.844%,表明这5个主成分能够保留原有指标84.844%的信息,能很好地阐述全株玉米青贮的品质。

本试验中主成分对应的特征向量及载荷见表5。对第1主成分(P1)影响较大的因子有DM、GE、ADF,其中DM、GE具有较大负载荷量,依次为-0.773、-0.814;ADF具有较大正载荷量,为0.704。对第2主成分(P2)影响较大的因子为ZEN,其具有较大负载荷值,为-0.751。对第3主成分(P3)影响较大的因子有EE、NDF,其中NDF具有较大正载荷值,为0.666,EE具有较大负载荷值,为-0.638。对第4主成分(P4)影响较大的因子有EE、AFs,其中EE具有较大正载荷值,为0.592,AFs具有较大负载荷值,为-0.577。对第5主成分(P5)影响较大的因子是P,其具有较大正载荷值,为0.513。

2.4.2 隶属函数分析

根据主成分分析及相关性分析结果,对不同处理全株玉米青贮的各指标的隶属函数值(μ_i)和综合评价值(C)进行计算,计算结果见表6。综合评价值越高,全株玉米青贮的饲用价值越高。

3 讨论

3.1 刈割期和留茬高度对全株玉米青贮中常规营养成分含量的影响

我国牧草产业起步较晚,在总量、质量以及标准上仍有难题需要攻破,因此难以为草食畜牧业供给稳定高品质的牧草。但不合理的是,我国饲料用粮占总粮食消费的第一。据相关统计,我国在2022年饲料用粮占48%,而口粮及工业用粮则分别占33%及17%^[12]。这与我国目前草食畜牧业的发展极不对等。全球平均牛羊消费占比达25%,欧美国家甚至高达30%以上,而我国仅有15%^[13]。缺乏对农业资源的合理利用是限制我国草食畜牧业高质量发展的重要因素之一,中国传统农业一般追求作物的籽实颗粒,却鲜有全株利用的意识,然而合理利用的地下部分营养物质甚至高于籽实,而往往未利用的秸秆一般通过焚烧还田,不仅污染环境,同时也是一种牧草资源的浪费^[12⇓-14]。因此,合理利用牧草资源可以提高资源利用率及生产效率,也是实现草食畜牧业可持续、高质量发展的重要途径。

表4 主成分的特征值和贡献率

Table 4 Eigenvalue and contribution rates of principal components

主成分 Principal components	初始特征值 Variance of initial eigenvalues			提取平方和载入 Extract square sum load variance
主成分 Principal components	特征值 Eigenvalue	贡献率 Contribution rate/%	累积贡献率 Accumulative contribution rate/%	特征值 Eigenvalue	贡献率 Contribution rate/%	累积贡献率 Accumulative contribution rate/%
第1主成分 P1	3.399	28.324	28.324	3.399	28.324	28.324
第2主成分 P2	2.488	20.731	49.055	2.488	20.731	49.055
第3主成分 P3	1.810	15.082	64.137	1.810	15.082	64.137
第4主成分 P4	1.423	11.861	75.998	1.423	11.861	75.998
第5主成分 P5	1.061	8.846	84.844	1.061	8.846	84.844
第6主成分 P6	0.661	5.505	90.349
第7主成分 P7	0.379	3.162	93.511
第8主成分 P8	0.298	2.487	95.997
第9主成分 P9	0.211	1.758	97.755
第10主成分 P10	0.125	1.044	98.799
第11主成分 P11	0.103	0.858	99.657
第12主成分 P12	0.041	0.343	100.000

表5 主成分对应的特征向量和载荷值

Table 5 Eigenvectors and load corresponding to principal components

项目 Items	主成分 Principal components
	第1主成分 P1		第2主成分 P2		第3主成分 P3		第4主成分 P4		第5主成分 P5
	特征向量 Feature vector	载荷值 Load value	特征向量 Feature vector	载荷值 Load value	特征向量 Feature vector	载荷值 Load value	特征向量 Feature vector	载荷值 Load value	特征向量 Feature vector	载荷值 Load value
干物质 DM	-0.419	-0.773	0.149	0.235	-0.100	-0.135	0.092	0.110	0.199	0.205
粗蛋白质 CP	0.233	0.430	0.372	0.587	-0.216	-0.290	0.253	0.302	0.458	0.472
粗脂肪 EE	0.085	0.157	-0.072	-0.113	-0.474	-0.638	0.496	0.592	-0.187	-0.193
中性洗涤纤维 NDF	0.127	0.234	0.361	0.570	0.495	0.666	0.127	0.151	-0.227	-0.234
酸性洗涤纤维 ADF	0.382	0.704	0.198	0.312	0.102	0.137	-0.371	-0.443	-0.184	-0.190
粗灰分 Ash	0.391	0.720	-0.052	-0.082	0.342	0.460	0.208	0.248	0.350	0.360
钙 Ca	-0.086	-0.159	0.386	0.609	0.335	0.451	0.443	0.528	-0.078	-0.080
磷 P	0.286	0.528	-0.366	-0.578	0.088	0.119	0.075	0.089	0.498	0.513
总能 GE	-0.442	-0.814	0.113	0.178	0.065	0.087	0.170	0.203	0.273	0.281
玉米赤霉烯酮 ZEN	-0.077	-0.142	-0.476	-0.751	0.285	0.384	0.106	0.127	0.042	0.043
黄曲霉毒素AFs	-0.231	-0.426	0.249	0.393	0.056	0.075	-0.484	-0.577	0.415	0.427
呕吐毒素DON	0.323	0.595	0.278	0.438	-0.370	-0.498	-0.091	-0.109	0.079	0.081

表6 不同处理全株玉米青贮品质的隶属函数分析

Table 6 Membership function analysis of quality of whole-plant corn silage with different treatments

刈割期 Cutting periods	留茬高度 Stubble heights/cm	干物质 DM	粗蛋白质 CP	粗脂肪 EE	中性洗涤纤维 NDF	酸性洗涤纤维 ADF	粗灰分 Ash	钙 Ca	磷 P	总能 GE	玉米赤霉烯酮 ZEN	黄曲霉毒素 AFs	呕吐毒素 DON	综合评价值 C	位次 Ranking
1/4乳线期 1/4 milk stage	20	0.62	0.52	0.65	0.60	0.26	0.33	0.00	1.00	0.57	0.69	0.97	0.14	0.529	12
	30	0.24	0.60	0.56	0.62	0.36	0.48	0.11	1.00	0.39	1.00	1.00	0.00	0.530	11
	40	0.31	0.62	0.76	0.26	0.00	0.00	0.11	1.00	0.00	0.53	0.92	0.29	0.400	19
	50	0.00	0.68	0.92	0.76	0.57	0.23	0.00	1.00	0.44	0.19	0.97	0.00	0.480	16
	60	0.52	0.80	0.64	1.00	0.61	0.63	0.11	1.00	0.65	0.44	1.00	0.00	0.617	4
1/2乳线期 1/2 milk stage	20	0.46	0.15	0.21	0.55	0.36	0.64	0.22	0.00	0.49	0.38	0.92	0.14	0.377	20
	30	0.49	0.16	0.50	0.46	0.54	0.68	0.22	0.00	0.86	0.25	0.95	0.57	0.473	17
	40	0.77	0.39	1.00	0.87	0.93	1.00	0.22	0.00	0.61	0.69	0.97	0.86	0.693	2
	50	0.45	0.47	0.53	0.56	0.53	0.86	0.22	0.00	0.83	0.41	0.92	0.29	0.506	14
	60	0.15	0.64	0.68	0.78	0.61	0.20	0.33	1.00	0.46	0.44	0.97	0.00	0.522	13
3/4乳线期 3/4 milk stage	20	0.96	0.45	0.63	0.66	1.00	0.82	0.22	0.00	0.79	0.53	0.89	0.43	0.615	5
	30	0.70	0.45	0.93	0.75	0.73	0.68	0.22	0.00	0.84	0.44	0.89	0.14	0.564	9
	40	0.90	0.56	0.10	0.63	0.53	0.83	0.22	0.00	1.00	0.84	0.00	0.29	0.492	15
	50	0.62	0.59	0.67	0.00	0.48	0.25	1.00	0.00	0.91	0.88	0.95	0.14	0.541	10
	60	0.38	1.00	0.43	0.69	0.56	0.40	0.22	1.00	0.74	0.16	0.92	0.43	0.578	7
蜡熟期 Dough stage	20	0.37	0.00	0.00	0.43	0.77	0.11	0.33	1.00	0.66	0.00	0.89	1.00	0.463	18
	30	0.69	0.12	0.55	0.74	0.57	0.68	0.22	1.00	0.92	0.03	0.89	0.86	0.606	6
	40	0.57	0.45	0.77	0.59	0.91	0.53	0.22	1.00	0.94	0.00	0.86	0.57	0.618	3
	50	0.73	0.40	0.40	0.67	0.77	0.08	0.22	1.00	0.73	0.44	0.89	0.57	0.575	8
	60	1.00	0.84	0.84	0.75	0.98	0.41	0.22	1.00	0.85	0.38	0.89	0.57	0.728	1

评价一种青贮饲料的优劣,其含有的营养物质是关键,其中CP、NDF和ADF含量是反映青贮饲料营养价值的主要评价指标^[15]。饲料中的蛋白质除了是供给畜体必须的物质,同时也能不同程度的刺激畜体的生长和繁殖,因此可以说是一切生物的基础。研究表明,随着青贮玉米刈割时间的推迟,全株玉米青贮中CP含量呈递减趋势^[16]。本试验中,全株玉米青贮在同一刈割期时CP含量随着留茬高度的增加而增加,与邵春雷等^[17]、李文才等^[18]的研究结果一致。留茬高度相同时,随着刈割期的推迟,全株玉米青贮中CP含量呈现下降趋势,与胡春花等^[16]的研究结果一致。出现这种结果的原因与青贮玉米生长期有关。在青贮玉米生长初期,某些营养成分特别是CP含量最高,但随着作物的成熟,籽粒中淀粉含量上升,从而稀释了CP在整株青贮玉米中的占比^[19]。饲料中的洗涤纤维与饲料质量密切相关,目前也越来越广泛地应用到饲料营养价值评定中。研究表明,ADF与饲料消化率呈负相关,NDF与饲料适口性呈负相关,因此降低纤维素含量是改善粗饲料营养品质的重要途径,但在农业生产中并非追求越低越好,一般要保证秸秆类饲料中的NDF最低含量不得低于65.57%、ADF的最低含量不得低于37.31%,且青贮后的饲料要略低于秸秆饲料^[20-21]。丁一等^[22]和武小平等^[23]的研究表明,青贮玉米的NDF和ADF含量均随刈割期的推迟逐渐降低,随留茬高度的增加有降低的趋势。但在本试验中,全株玉米青贮中NDF和ADF含量并不随着刈割期和留茬高度的不同呈现出有规律的变化,而造成这种结果上的差异可能与试验的青贮玉米品种以及种植土壤有关,而且青贮玉米品种之间的差异还受温度和湿度的影响。岳海旺等^[24]将15个杂交青贮玉米品种分别播种在4个不同的生态区,结果发现即使相同品种的青贮玉米也会因环境效应(温度、湿度、土壤环境)不同而导致其农业性状及生物干重产生极显著差异。

脂肪是构成畜禽组织的重要组分,能够供给体内必要的脂肪酸。王洋^[25]研究表明,EE含量随青贮玉米刈割期的推迟呈现升高的趋势;但朱建国^[26]研究发现,青贮玉米中EE含量随青贮玉米刈割期的推迟并没有呈现较为规律的变化。本试验中,全株玉米青贮中EE含量并不因刈割期和留茬高度的不同而有着显著的变化,这一结果与朱建国^[26]的研究结果基本一致。脂肪主要分配在绿叶和茎鞘中,极少量存在在根茎中,尽管随着刈割期的推迟,脂肪会慢慢集中在果穗,但由于本试验是割取整株玉米,因此可能导致对结果的影响较小^[26]。Ca、P对畜体骨骼的发育是必不可少的,同时协助血液的凝固、肌肉收缩、能量代谢,如肉牛的正常生长过程需要稳定的Ca、P摄入,需要量分别为15.4、16 mg/kg BW^[27-28]。有研究表明,Ca、P含量在青贮玉米生长后期基本趋于平稳^[29],这与本试验的结果基本一致。

3.2 刈割期和留茬高度对全株玉米青贮中霉菌毒素含量的影响

种植在田间的青贮玉米,在各种条件下,如高温、潮湿、青贮过程以及贮藏过程中可被霉菌感染,并可能形成霉菌毒素。这些霉菌可在青贮过程中存活,产生霉菌毒素,从而引发饲料安全问题。霉菌毒素主要是由曲霉属、青霉属和镰刀菌属产生的低分子质量的次生代谢产物^[30]。饲料中最常见霉菌毒素是AFs、DON和ZEN。霉菌毒素的摄入不仅会导致动物采食量、繁殖性能以及饲料转化率下降,而且由于其具有慢性毒性的特性,即便处于低水平也可能导致动物致畸、致癌和免疫抑制^[31-32]。此外,多种霉菌毒素的协同作用也令饲料安全问题多了一份潜在的风险^[32]。因此,监控饲料中霉菌毒素变化是保证饲料安全的关键手段。

青贮饲料原料水分和留茬高度是影响青贮发酵指标的重要因素,青贮玉米如果未进入乳线期,则刈割过早,会导致丁酸菌发酵产生氨化物或水,引起玉米青贮后结块,发霉质变;留茬高度如果过低,容易带入土壤,若是覆盖地膜的玉米地,则容易带入地膜碎片,而土壤和地膜中含有大量腐败菌,影响乳酸菌的正常发酵,从而导致青贮饲料腐败^[33-34]。《饲料卫生标准》(GB 13078—2017)中针对植物性饲料中霉菌毒素AFs、DON和ZEN含量的要求是分别低于30、1 000、5 000 μg/kg。本试验中,不同刈割期和留茬高度的全株玉米青贮中霉菌毒素AFs、DON和ZEN含量均远低于该标准。这种极低水平的霉菌毒素含量可能与青贮过程有关。有相关研究表明,饲料青贮过程中的乳酸菌能够分解ZEN^[35]。此外,青贮过程中相对密闭的环境造成的低氧以及乳酸菌发酵导致的低pH使得霉菌活性受到抑制,从而减少了毒素的产生^[36]。由于目前相关报道鲜有,刈割期和留茬高度对全株玉米青贮中霉菌毒素含量的影响有待进一步研究,但青贮后全株玉米青贮中极低水平的霉菌毒素含量提示了青贮可能能为饲料安全提供一层屏障。

3.3 主成分分析与隶属函数分析综合评价全株玉米青贮的饲用价值

主成分分析多用于农业生产,常用于面对大量多组多变量数据集,是通过数据降维的方式使得数据简化的一种手段^[37]。隶属函数分析则是用于表征模糊集合的数学工具,通过确定每个元素的隶属度,使每一个模糊集合都对应一个隶属函数,并令结果都在[0,1]集合中。在实际的农业生产中,单独使用其中一种分析方法都有其局限性,因此常常结合主成分分析和隶属函数分析,将原始的数据简化为新的几个相对独立的综合指标,再利用隶属函数对这些指标进行分析,从而能更客观、更全面地评价作物的价值。目前,国内外学者常用这种综合的研究方法对作物进行分析,如小麦对干旱的抗逆性^[38]、柑橘生长对pH的抗逆性^[39]、乳酸菌添加剂和收获时期对天然牧草青贮质量的影响^[40]、收获期与青贮对甜玉米秸秆饲用品质的影响^[41]、棉花种子萌发期耐涝性鉴定评价^[42]等。本试验则通过将主成分分析、隶属函数分析和相关性分析相结合,综合评价不同刈割期和留茬高度对全株玉米青贮饲用价值的影响。主成分分析结果显示,P1贡献率为28.324%,其中特征向量绝对值较大的有DM、GE、ADF,这与鲍俊杰等^[41]报道的纤维素和能值是评价青贮玉米饲用价值的重要指标的观点一致。有研究表明,刈割期是获取青贮玉米最大产量和营养价值的关键,一般要求全株玉米水分含量在60%~70%时收获,即乳熟末期至蜡熟期之间收获^[43]。邵春雷等^[17]认为,在鲁南地区青贮玉米适宜的收获期为乳熟中后期,以获得高蛋白质及高脂肪的株实。而在本试验中,隶属函数分析结果表明,随着刈割期的推迟,全株玉米青贮的综合评价值呈上升趋势,将刈割期控制在3/4乳线期或蜡熟期都能获得较好的位次,其中在蜡熟期刈割时表现较好,当留茬高度为30~60 cm时综合评价值均大于0.57,且在留茬高度为60 cm时表现最好,综合评价值为0.728。因此,在本试验条件下,将刈割期推迟至蜡熟期且保证留茬高度在30~60 cm有利于提高青贮玉米的饲用价值,有效提高资源利用率。

4 结论

① 不同刈割期及留茬高度对全株玉米青贮中营养成分含量和品质有不同程度的影响,其中CP含量在同一刈割期时随着留茬高度的增加而增加,在留茬高度相同时随着刈割期的推迟呈现下降趋势。

② 在不同刈割期及留茬高度处理全株玉米青贮中霉菌毒素含量都处于极低水平,且均处于饲用安全规定水平下。

③ 综合主成分分析、隶属函数分析和相关性分析,在本试验条件下,将刈割期推迟至蜡熟期且保证留茬高度在30~60 cm有利于提高全株玉米青贮的饲用价值,且在收获时留茬60 cm能获取最大饲用价值。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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