研究区位于喀斯特高原峡谷中度-重度石漠化地区, 水热资源丰富, 生态环境极度脆弱^[19]。构树作为石漠化逆境条件下的优势种^[20], 因此干草原料选择野生构树的幼嫩枝条部分, 于始花期采摘, 按照不同调制方法迅速进行加工处理, 然后水泥地晾晒。

采用正交法设计晾晒试验, 采用压扁、切短和喷洒K₂CO₃区3个处理方式对构树进行干燥处理, 其中压扁处理为探讨破坏维管束初生木质部结构对干草调制的影响, 故设2个水平, 即90 kg压扁和未压扁, 切短和喷洒K₂CO₃ 2个因素中各设置3个水平, 每种处理设3个平行。晾晒时间为2017年5月12日和13日。室内试验分析采用化学分析法。

将构树标为HG₁HG₂₃, 采用压扁、切短和喷洒K₂CO₃3种处理方法, 其中HG₁HG₈表示3种方法单独使用, HG₉HG₂₃为3种方法两两正交(表1)。选用K₂CO₃作为干燥剂, 喷洒量为30 mL· kg^-1, 设置1%、2%、3% 3个浓度作为化学处理。而压扁处理和切短处理分别作为物理方法中的破坏茎干纵截面和破坏茎干横截面的方法, 其中压扁设0 kg 和90 kg两个处理, 0 kg是不做压扁处理, 90 kg是利用90 kg重物将原料平摊在水泥地上压30 s至水分渗出, 切短处理分别设为2、6、10 cm, 范围值为± 1 cm。每个处理鲜重为300 g, 每间隔1 h称重一次, 连续监测6 h。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 干草调制的处理方法 Table 1 Processing method of hay making 编号 Code 压扁Squashing 切短Cutting short 喷洒K2CO3 Spraying K2CO3 0 kg 90 kg 2 cm 6 cm 10 cm 1% 2% 3% HG1 1 0 0 0 0 0 0 0 HG2 0 1 0 0 0 0 0 0 HG3 0 0 1 0 0 0 0 0 HG4 0 0 0 1 0 0 0 0 HG5 0 0 0 0 1 0 0 0 HG6 0 0 0 0 0 1 0 0 HG7 0 0 0 0 0 0 1 0 HG8 0 0 0 0 0 0 0 1 HG9 0 1 1 0 0 0 0 0 HG10 0 1 0 1 0 0 0 0 HG11 0 1 0 0 1 0 0 0 HG12 0 1 0 0 0 1 0 0 HG13 0 1 0 0 0 0 1 0 HG14 0 1 0 0 0 0 0 1 HG15 0 0 1 0 0 1 0 0 HG16 0 0 0 1 0 1 0 0 HG17 0 0 0 0 1 1 0 0 HG18 0 0 1 0 0 0 1 0 HG19 0 0 0 1 0 0 1 0 HG20 0 0 0 0 1 0 1 0 HG21 0 0 1 0 0 0 0 1 HG22 0 0 0 1 0 0 0 1 HG23 0 0 0 0 1 0 0 1 “ 1” 表示选用该方法, “ 0” 表示不选用该方法。 “ 1” indicate use of the respective method; “ 0” indicate that the method was not applied.

表1 干草调制的处理方法 Table 1 Processing method of hay making

晾晒完成后在实验室进行干物质(DM)、粗灰分(Ash)、钙(Ca)、磷(P)、粗纤维(CF)、酸性洗涤纤维(ADF)、中性洗涤纤维(NDF)的测定^[21]。DM采用103 ℃烘干法^[22], Ash采用550 ℃灼烧法^[23], Ash测量后加3 mol· L^-1HCl 10 mL, 煮沸加数滴浓硝酸制成试液, 以便进行Ca和P的测定, 选用EDTA法测Ca含量^[24], 采用分光光度法测定P含量^[25], 过滤法测定CF^[26], ADF和NDF的测定采用范氏洗涤纤维分析法^{[27, 28]}。

采用Excel统计分析软件进行数据收集和预处理, 利用SPSS22软件对所测数据进行统计分析, 用单因素方差分析法整理3个平行数据, 采用聚类分析法对23种不同调制方式下构树干草的干燥平均速率进行整合与处理, 采用聚类分析法对各干燥方法进行分类统计与分析, 选择因子分析法对筛选的营养成分指标进行运算。

聚类分析是研究多要素事物分类问题的数量方法, 依据分析结果可判断干燥方法得到影响和分类。采用欧式距离法计算, 欧氏距离是在多维空间中两个点之间的真实距离, 体现不相似性, 以确定样本之间的亲疏关系。

d_ij= ∑k=1n(xik-xjk)2, i, j=1, 2, …, m。

式中:d_ij为欧式距离; n为空间维数; k为n维空间中点的个数; x为n维空间中的点; i为行数; j为列数; m为总行列数。

根据研究目的, 空间性状呈压缩状态, 适合选择最短距离法进行聚类分析, 从23× 23的矩阵降为2× 2矩阵, 每次省略非对角元素中欧氏距离最小者所在位置的行列, 其计算公式如下:

d_rk=min{d_pk, d_qk} (k≠ p, q)

式中:d_rk为距离矩阵; k为新生成的非对角元素中最小值形成的矩阵行数序号; r为剩余矩阵行数序号; d_pk为每次聚类产生的非对角元素中最小值对应行号的欧氏距离; d_qk为每次聚类产生的非对角元素中最小值对应列号的欧氏距离; p为最小值行号; q为最小值列号。

关于饲用价值采用因子分析法进行分析计算, 最后将得分进行排序。首先计算因子贡献率, 然后利用l_ij=p(z_i, x_j)= λie_ij (i, j=1, 2, …, p)和l_ij=p(z_i, x_j)= λieij(i, j=1, 2, …, p)计算因子载荷, 得到各主成分的载荷以后, 经进一步计算, 得到各主成分的得分与总得分(表5)。如果设原来的变量指标为x₁, x₂, …, x_p, 他们的综合指标z₁, z₂, …, z_m(m≤ p), 则:

z1=l11x1+l12x2+…+l1pxpz2=l21x1+l22x2+…+l2pxp … … … …zm=lm1x1+lm2x2+…+lm1pxp

z= z11 z12 … z1mz21 z22 … z2m︙ ︙ ︙zn1 zn2 … znm

式中:l_ij为因子载荷; z_i为第i个因子; x_j为矩阵中第j个值; λ _i为特征值; e_ij为特征值的特征向量; p为总行列数; m为总因子数; n为总变量个数; z为因子得分; z为因子综合得分。

2.1.1 干燥方法的聚类分析 失水速率是失水量与晾晒时间的比值, 反映了单位时间内饲草干燥的速度。基于失水速率进行聚类分析, 以判断各种干燥处理下的干燥速度及分类特点。使用Q型聚类对23种干燥方法进行分类, 在不同的聚类距离下, 聚类结果不同, 当距离标准逐渐放大时, 23个单元依次被聚类, 随着距离的增加, 被聚类的类数逐渐减小(图1)。选择距离为22, 23种干燥方法被聚为3类, 第1类2种干燥方法, 第2类4种干燥方法, 第3类共17种干燥方法。

图1

Fig. 1

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	图1 聚类分析图 编号同表1。Fig. 1 Cluster analysis Codes are same as Table 1.

按失水速率由快到慢排序, 干燥类型被分为3类, 分别为快速干燥、中速干燥和慢速干燥。快速干燥的特点是4个干燥方法全部进行过压扁茎干处理, 其平均失水速率为35.51 g· h^-1, 干燥最快的4个处理方式分别是压扁+10 cm切短、压扁+2 cm切短、压扁+1% K₂CO₃、压扁+2%K₂CO₃, 可见对茎干做纵截面上的破坏更有利于水分散失, 但压扁+切短组合的处理方式中, 10 cm长度失水速率高于2 cm长度, 可能是由于构树含水量较高, 同时做茎干横截面和纵截面的处理容易造成汁液渗出过多, 浸入叶片内部, 影响水分散失, 因此对于水分含量较高的饲草进行压扁+切短组合晾晒时切短长度不宜太短, 以10 cm为宜。中速干燥处理方式最多, 茎干形态全部遭到破坏,

平均失水速率为33.62 g· h^-1, 中速干燥中干燥最快的3个处理分别是2 cm切短+3%K₂CO₃、2 cm切短、2 cm切短+2%K₂CO₃, 3个处理均为2 cm切短处理, 在破坏茎干横截面的处理中, 茎干越短干燥时间越快, 但关于K₂CO₃的添加量上, 认为3%的添加可使水分散失更快, 不同于周娟娟等^[11]对苜蓿(Medicago sativa)青干草处理的2.5%。慢速干燥平均失水速率最慢, 为29.91 g· h^-1, 茎干保存完好, 其中喷洒2%K₂CO₃的处理较直接晾晒干燥更快。

2.1.2 不同晾晒方式对失水速率的影响 将3类干燥方式各时间段水分散失量进行算数平均计算, 结果表明, 晾晒1 h后快速干燥速度与水分散失量呈正相关关系(图2), 干燥速度越快, 水分散失越多。初始水分含量约75%, 晾晒6 h后含水量约20%, 达到安全含水量^[29]。随晾晒时间推移, 水分散失量越来越小, 但在5 h时, 出现一个小高峰, 水分散失量突然增大, 可能是由于干草夜晚堆小垛后呼吸作用产生水分, 使得第2天晾晒初期水分散失量增大。堆小垛后晾晒可加速水分的散失, 但此方法能否提升干草品质尚待进一步研究。

图2

Fig. 2

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	图2 3类干燥方法失水量情况Fig. 2 Water loss in three different methods of drying

2.2.1 不同晾晒方式对营养成分的影响 不同处理方式之间的营养成分存在差异(表3), 其中HG₉、HG₁₀和HG₁₃的干物质含量最高, HG₂₁、HG₁₇和HG₂₂粗蛋白含量最高, 在24%以上, HG16和HG22粗脂肪含量较高。综上, 采用切短+喷洒K₂CO₃方式处理的构树枝条营养价值普遍偏高, 其中切短2、6和10 cm且对应添加3%、1%和3%K₂CO₃效果最好。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 构树枝条营养成分 Table 3 Nutrient content of Broussonetia papyrifera 编号 Number 干物质 Dry matter/ % 粗蛋白 Crude protein/% 粗脂肪 Crude fat/% 粗纤维 Crude fibre/% 粗灰分 Crude ash/% 无氮浸出物 Nitrogen free extract/% HG1 71.56± 3.46def 20.12± 0.07fg 9.46± 0.27e 38.86± 1.07bc 11.93± 0.25abc 19.63± 1.66fgh HG2 76.81± 3.93abcde 20.66± 0.38ef 7.50± 0.29h 34.71± 0.98def 10.82± 0.18fgh 26.31± 1.84cde HG3 77.42± 3.01abcde 19.70± 0.40fgh 8.24± 0.14gh 31.06± 0.61ghi 10.92± 0.24efgh 30.08± 1.39bcd HG4 72.83± 1.75de 21.20± 0.69e 8.91± 0.53efg 32.56± 0.90fgh 11.28± 0.16cdef 26.05± 2.28cde HG5 73.69± 1.93cde 22.47± 0.27cd 8.46± 0.27fgh 34.59± 1.50def 11.75± 0.14abcd 22.73± 2.18efg HG6 75.93± 2.89abcde 19.70± 0.40fgh 13.61± 0.35bc 38.16± 1.25c 11.69± 0.40abcde 16.84± 2.40hi HG7 75.31± 2.36abcde 18.90± 0.52hj 12.54± 0.31d 23.76± 1.02kl 11.59± 0.34abcde 33.21± 2.19b HG8 70.98± 0.58ef 21.45± 0.26e 12.45± 0.26d 36.54± 0.89cde 11.63± 0.08abcde 17.93± 1.48ghi HG9 81.92± 1.11a 20.04± 0.02fg 9.25± 0.14ef 29.61± 0.93hi 10.40± 0.23gh 30.70± 1.33bc HG10 81.50± 0.87ab 18.39± 0.23i 8.01± 0.01gh 22.60± 0.92l 10.19± 0.11h 40.81± 1.26a HG11 80.40± 1.39abc 22.54± 0.31c 7.62± 0.36h 41.46± 0.84b 11.42± 0.24bcdef 16.96± 1.76hi HG12 80.43± 1.15abc 22.58± 0.33c 13.17± 0.10bcd 33.85± 1.07efg 12.13± 0.08ab 18.27± 1.58ghi HG13 81.22± 1.73ab 23.09± 0.05bc 12.88± 0.51cd 30.21± 0.70hi 10.98± 0.28defg 22.84± 1.54efg HG14 81.19± 0.69ab 19.45± 0.26gh 13.67± 0.39bc 41.44± 0.83b 12.22± 0.13a 13.22± 1.61i HG15 72.39± 1.38de 23.32± 0.18bc 12.48± 0.28d 38.07± 1.20c 10.42± 0.24gh 15.71± 1.9hi HG16 74.47± 2.58bced 20.12± 0.06fg 15.67± 0.39a 47.00± 1.15a 11.61± 0.35abcde 5.60± 1.96j HG17 75.36± 3.09abcde 24.35± 0.20a 13.61± 0.35bc 16.43± 0.83jk 10.96± 0.27efg 34.65± 1.65def HG18 77.31± 1.33abcde 21.54± 0.31de 13.05± 0.029cd 28.83± 1.36ij 9.37± 0.21i 27.21± 1.91cde HG19 67.21± 4.48ef 23.62± 0.36ab 12.68± 0.39cd 38.80± 1.04bc 10.99± 0.28defg 13.91± 2.07hi HG20 70.25± 0.14ef 21.50± 0.29de 12.33± 0.19d 37.43± 0.83cd 12.24± 0.14a 16.50± 1.44hi HG21 78.88± 1.66abcd 24.36± 0.21a 13.60± 0.35bc 44.66± 1.26a 10.81± 0.18fgh 6.57± 1.99j HG22 65.09± 0.63f 24.33± 0.19a 14.11± 0.06b 21.18± 0.68l 11.49± 0.28abcdef 28.89± 1.22bcd HG23 70.45± 0.26ef 21.57± 0.33de 12.50± 0.29d 28.80± 1.04ij 12.26± 0.15a 24.87± 1.81def 同列不同小写字母表示不同处理间差异显著(P< 0.05)。 Different lowercase letters within the same column indicate significant differences between different treatments at the 0.05 level.

表3 构树枝条营养成分 Table 3 Nutrient content of Broussonetia papyrifera

2.2.2 不同晾晒方式对饲用价值的影响 选取Ca、P、DM、CP、EE、CF、Ash、NDF、ADF这9个指标, 求出特征值, 并计算主成分贡献率, 根据结果分为4类主成分并计算主成分载荷(表4)。发现CP和P在第1因子上有较高载荷, 主要体现了稳定性较弱的营养成分, Ca和Ash在第2因子上有较高载荷, 主要表示稳定性较高的营养成分, EE在第3因子上有较高载荷, 主要体现可被储存利用的营养成分, CF在第4因子上有较高载荷, 主要表示难以直接利用的营养成分。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 因子矩阵 Table 4 Component matrix 指标 Item 因子Component 1 2 3 4 DM -0.449 -0.598 0.240 -0.019 CP 0.870* 0.084 0.013 -0.084 EE 0.450 0.265 0.727* 0.006 CF -0.017 0.013 0.098 0.933* Ash -0.136 0.851* 0.147 0.294 Ca -0.096 0.807* 0.259 -0.265 P 0.821* -0.325 0.083 -0.074 NDF 0.251 -0.040 -0.798 -0.095 ADF 0.698 0.102 -0.331 0.379

表4 因子矩阵 Table 4 Component matrix

根据因子总得分Z可见, 有13种处理方式得分为正(表5), 属于饲用价值较高的处理方式, 普遍为两种处理共用, 而总得分为负的处理方式中, 以单一处理方式占绝大多数。采用切短+K₂CO₃处理方式的构树枝条, 制成干草后其饲用价值较高, 其中HG₁₉代表的6 cm切短+2%K₂CO₃为最佳处理方式, 而压扁处理对饲用价值的影响较大, 尤其是用切短+压扁方式处理构树枝条时, 茎干横纵截面皆受到破坏, 影响养分保存。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 因子得分 Table 5 Component score 编号 Number Z1 Z2 Z3 Z4 Z 排序 Seqencing HG1 -1.059 1.056 -0.772 0.492 -0.116 15 HG2 -0.901 -0.622 -1.360 -0.171 -0.615 21 HG3 -0.596 -0.792 -0.734 -0.126 -0.463 20 HG4 -0.394 0.408 -0.613 -0.094 -0.129 16 HG5 0.314 0.241 -0.633 0.664 0.123 11 HG6 -0.977 0.160 1.856 0.328 0.112 13 HG7 -0.740 0.441 0.013 -0.698 -0.194 17 HG8 -0.358 0.986 0.062 0.232 0.156 10 HG9 -0.758 -0.908 -1.409 -0.994 -0.754 22 HG10 -1.777 -1.262 -0.218 -0.945 -0.907 23 HG11 -0.191 -0.480 -1.157 1.071 -0.197 18 HG12 1.132 0.190 0.788 0.089 0.482 2 HG13 0.009 -0.628 0.734 -0.464 -0.076 14 HG14 -1.267 0.402 1.725 1.095 0.167 9 HG15 1.651 -0.443 -1.122 0.571 0.244 7 HG16 -0.245 0.632 1.144 1.267 0.420 4 HG17 0.812 0.646 0.929 -2.522 0.170 8 HG18 0.817 -2.760 1.071 -0.623 -0.283 19 HG19 1.906 -0.285 -0.891 1.561 0.514 1 HG20 0.082 1.402 -0.167 0.609 0.376 6 HG21 0.997 -1.008 1.294 0.913 0.379 5 HG22 1.558 1.507 -0.096 -1.936 0.468 3 HG23 -0.016 1.119 -0.445 -0.319 0.122 12

表5 因子得分 Table 5 Component score

构树在进行干草调制时水分散失最快的处理为压扁+10 cm切短, 仅使用了物理方法进行调制, 与经压扁处理的苜蓿加入2%NaHCO₃的干燥效果最好^{[30, 31]}的结论不同, 究其原因, 可能是原料初始含水率与添加剂不同的缘故。干草调制应尽量避免直接晾晒, 单从干燥速率角度出发, 物理处理下, 进行压扁茎干处理或切短至2 cm最为适宜, 而化学上单独使用干燥剂效果不够理想, 与物理干燥方法搭配使用可有效提高干燥速率。

喷洒K₂CO₃可提高构树枝条干草的饲用价值, 其中6 cm切短+2%K₂CO₃饲用价值较高, 而压扁+K₂CO₃会影响其饲用价值。饲用价值最低的是压扁+2 cm切短, 可能在压扁处理作用下, 会造成K₂CO₃保持养分的作用减弱, 因此在选择使用干燥剂和破坏茎干结构处理的干草调制方式时, 应选择切短的方式, 减小维管束出露的表面积。此外, 破坏茎干处理虽然加快了干燥速率, 但造成养分流失, 流失效果为压扁> 切短> 喷洒K₂C O3[32], 因此在综合考虑饲用价值与干燥速度的前提下, 应选择切短+喷洒K₂CO₃的组合方式。

失水速率较低的HG₁₀和HG₁晾晒方式, 其饲用价值排序分别为23和15位, 失水速率较高的HG₁₁和HG₉饲用价值反而较低, 排序分别为18和22, 可见失水速率与饲用价值之间无明显耦合关系, 失水速率的主要决定因素是茎叶的破碎度, 以及与添加剂的组合使用, 而饲用价值的主要决定因素是茎叶的完整度与添加剂用量的组合影响。在涉及到茎干物理处理时, 失水速率与饲用价值存在负相关关系, 加入添加剂等其他因素后无明显耦合关系。