Chinese Journal of Animal Nutrition >

2025 , Vol. 37 >Issue 11: 7631 - 7644

DOI: https://doi.org/10.12418/CJAN2025.620

RESEARCH PAPER

Effects of Feeding Different Processed Corn Straws on Greenhouse Gas Emission of Beef Cattle

  • ZHAO Zijiao , 1 ,
  • SUN Qingyu , 2, * ,
  • ZHAO Bao 1 ,
  • SUN Mingyuan 3 ,
  • ZHAO Chunsheng 1 ,
  • ZHONG Rongzhen , 1, *
Expand
  • 1 Jilin Province Feed Processing and Ruminant Precision Breeding Cross Regional Cooperation Technology Innovation Center, Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130102, China
  • 2 Tianjin Grain Source Technology Co., Ltd., Tianjin 300074, China
  • 3 Jilin Gerunjia Biotechnology Co., Ltd., Changchun 130102, China
*SUN Qingyu, E-mail: ;
ZHONG Rongzhen, professor, E-mail:

Received date: 2025-05-20

  Online published: 2025-11-14

Fold

Abstract

This experiment aimed to explore the effects of different processed corn straws on greenhouse gas emission of Angus cattle, providing references for the utilization of straw as feed, healthy breeding of beef cattle, and energy conservation and emission reduction. Eighteen healthy and well-in condition (16±1) month-old Angus bulls were selected for the experiment. According to the principle of consistent body weight [(499.06±44.21) kg], they were randomly divided into 3 groups, with 6 replicates in each group and 1 cattle in each replicate. The experimental cattle in each group were fed the same concentrate supplement, and were fed roughages composed of shredded corn straw (shredded group), yellow silage of corn straw (yellow silage group), and steam-exploded corn straw (steam-exploded group), respectively. The pre-experiment was 10 days and the formal experiment was 160 days. After the experimental cattle were fed for four months, two cattle were randomly selected from each batch and group, and the greenhouse gas (carbon dioxide and methane) emissions were detected through the “six-row large animal respiratory calorimeter equipment”, for a total of three batches. The results showed as follows: 1) the average daily gain of beef cattle in the steam-exploded group was significantly higher than that in the shredded group (P<0.05); meanwhile, the apparent digestibilities of crude fiber and acid detergent fiber in the steam-exploded group were significantly higher than those in the shredded group (P<0.05). 2) The rumen pH in the yellow silage group and the shredded group was significantly lower than that in the steam-exploded group (P<0.05). The rumen ammonia nitrogen content in the yellow silage group was significantly higher than that in the shredded group and the steam-exploded group (P<0.05). 3) Compared with the shredded group, the daily carbon dioxide emission in the yellow silage group and the steam-exploded group was decreased by 8.70% and 12.03% (P>0.05), the carbon dioxide emission per kg of dry matter intake was decreased by 24.93% and 28.66% (0.05≤P<0.10), and the carbon dioxide emissions per kg of gain was decreased by 29.21% and 57.40% (P<0.05), respectively; the daily methane emission in the yellow silage group and the steam-exploded group was decreased by 14.52% and 3.98% (P>0.05), the methane emission per kg of dry matter intake was decreased by 29.29% and 21.74% (0.05≤P<0.10), and the methane emissions per kg of gain was decreased by 35.79% and 54.73% (P<0.05), respectively. In conclusion, adding a certain proportion of yellow silage or steam-exploded corn straw to the diet for beef cattle can reduce the emissions of carbon dioxide and methane to a certain extent, achieving healthy beef cattle breeding and energy conservation and emission reduction.

Key words： Angus cattle; corn straw; shredded; yellow silage; steam-exploded; greenhouse gas

Cite this article

ZHAO Zijiao , SUN Qingyu , ZHAO Bao , SUN Mingyuan , ZHAO Chunsheng , ZHONG Rongzhen . Effects of Feeding Different Processed Corn Straws on Greenhouse Gas Emission of Beef Cattle[J]. Chinese Journal of Animal Nutrition, 2025 , 37(11) : 7631 -7644 . DOI: 10.12418/CJAN2025.620

全球气候变化引起的一系列环境问题受到国际社会广泛关注,农业生产活动产生的温室气体与全球气候变化密切相关。农业系统中产生的温室气体以甲烷和二氧化碳为主,其中畜牧业排放的温室气体占全球温室气体总排放的14%[1-2]。畜牧业温室气体的产生与动物的消化功能密切相关,反刍动物独特的瘤胃系统在微生物发酵的作用下产生甲烷和二氧化碳,饲粮总能的2%~12%以甲烷能形式损失[3]。甲烷排放与饲粮配方[4-5]、产奶性能[6]、生长性能[7-8]和生理阶段[8]等密切相关。
通过优化饲粮配方调控温室气体排放是实现节能减排和高效养殖的主要途径。玉米秸秆作为常见的粗饲料,具有较高的甲烷产量[9],同时其甲烷产量也随秸秆的不同前处理而不同。秸秆可通过物理处理(揉丝、汽爆)、化学处理(氨化、碱化)、生物处理(青贮、黄贮)和复合处理(汽爆发酵)等方式提高消化率和饲喂价值。徐芳等[10]研究发现,不同厌氧处理的鲜麦秸秆影响甲烷体外产生量,且黄贮的甲烷体外产生量在发酵前48 h内显著低于氨化和碱化。采用青贮玉米秸秆饲喂肉牛,可以降低甲烷排放量30%以上[11]。目前,牛羊体内甲烷排放量的研究以动物不同生理阶段及饲养模式[7-8,12]、饲粮的不同组成和类型[6,13]、品种[11,14]以及个体差异[15]为主,以同时关注二氧化碳和甲烷排放的研究为辅[12,14],而以不同加工方式秸秆对牛甲烷排放的研究较少[11]。
本团队前期用体外模拟瘤胃发酵研究发现,玉米秸秆经食用真菌发酵后可显著降低瘤胃体外甲烷产生量[16],但黄贮和汽爆等不同处理的玉米秸秆究竟在饲喂过程中可以对肉牛温室气体排放有何影响未有准确说明。基于此,本试验旨在通过探究黄贮、汽爆和揉丝3种不同加工方式玉米秸秆对肉牛温室气体排放的影响,以明确环境友好的秸秆加工方式和饲喂方式,为肉牛绿色养殖和节能减排提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验所用的玉米秸秆均来源于吉林省长春市公主岭市,所用玉米秸秆收获期一致,为常规收获籽实后的玉米秸秆。不同加工方式玉米秸秆制备如下:1)揉丝玉米秸秆。玉米秸秆经切碎、揉丝、风选除尘后加工成揉丝玉米秸秆,加工后长度约3 cm,水分含量≤15%。2)黄贮玉米秸秆。将玉米秸秆铡切至3 cm左右,去除杂质后添加1 kg/t菌酶复合饲料添加剂(主要成分为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、酿酒酵母、纤维素酶和蛋白酶等,总有效活菌数≥1.0×1010 CFU/g,总酶活性≥2 000 U/g),添加剂溶解于20 kg水中于阴凉处平衡2 h,均匀喷洒于秸秆进行黄贮加工制作,调节水分含量至约65%,密封发酵45 d。3)汽爆玉米秸秆。将玉米秸秆切碎(约3 cm)揉制去除杂质后,装入高压设备并添加秸秆重量20%的水分后增温加压,压力为1.5~2.0 MPa,维持200 s,将高压膨化加工成的汽爆玉米秸秆打包密封保存,其水分含量约为40%。

1.2 试验设计

本试验经中国科学院东北地理与农业生态研究所实验动物福利伦理委员会审核通过(审批号:202304-01),于中国科学院“黑土粮仓”科技会战长春示范区(吉林省长春市公主岭市吉林省农业科技示范园)进行。试验选择18头健康、体况良好的(16±1)月龄安格斯公牛,根据体重[(499.06±44.21) kg]一致原则,随机分为3组,每组6个重复,每个重复1头。各组试验牛饲喂相同的精料补充料,并分别饲喂以揉丝玉米秸秆(揉丝组)、黄贮玉米秸秆(黄贮组)和汽爆玉米秸秆(汽爆组)组成的粗饲料。饲粮参照《肉牛饲养标准》(NY/T 815—2004)配制,其组成及营养水平见表1。预试期10 d,正试期160 d。
表1 饲粮组成及营养水平(干物质基础)

Table 1 Composition and nutrient levels of diets (DM basis)%

项目
Items		 揉丝组
Shredded group		 黄贮组
Yellow silage group		 汽爆组
Steam-exploded group
精料补充料Concentrate supplement
玉米Corn 52.60 52.60 52.60
喷浆玉米皮Sprayed corn bran 23.50 23.50 23.50
玉米蛋白粉Corn gluten meal 1.00 1.00 1.00
玉米干酒糟及其可溶物Corn DDGS 2.00 2.00 2.00
豆粕Soybean meal 4.00 4.00 4.00
菜籽粕Rapeseed meal 7.40 7.40 7.40
芝麻粕Sesame meal 5.00 5.00 5.00
石粉Limestone 1.45 1.45 1.45
氯化钠NaCl 0.60 0.60 0.60
预混料Premix1) 2.45 2.45 2.45
合计Total 100.00 100.00 100.00
饲粮配方Dietary formulation
精料补充料Concentrate supplement 51.85 51.85 50.00
揉丝玉米秸秆Shredded corn straw 48.15 14.82 26.92
黄贮玉米秸秆Yellow silage of corn straw 33.33
汽爆玉米秸秆Steam-exploded corn straw 23.08
合计Total 100.00 100.00 100.00
营养水平Nutrient levels2)
总能GE/(MJ/kg) 16.49 17.02 16.83
粗蛋白质CP 11.53 12.42 11.30
粗脂肪EE 2.29 2.57 2.27
粗纤维CF 18.02 18.31 18.42
中性洗涤纤维NDF 45.14 44.72 42.81
酸性洗涤纤维ADF 20.54 20.74 22.04
钙Ca 0.86 0.89 0.87
磷P 0.29 0.32 0.28

1)每千克预混料含有 Each kilogram of the premix contained the following:Fe 3 750 mg,I 40 mg,Cu 975 mg,Se 20 mg,Mn 4 500 mg,Co 24.5 mg,Zn 3 950 mg,VD3 65 000 IU,VA 300 000 IU,VE 1 000 mg。

2)营养水平为实测值。Nutrient levels were measured values.

试验牛饲喂4个月后于吉林省公主岭市吉林省农业科学院畜牧分院自主研制的“6连排大型动物呼吸测热装置”开展温室气体(二氧化碳和甲烷)排放量检测[17]。每批次随机选取每组2头牛共计6头牛入仓进行温室气体排放量监测,适应1 d、监测3 d,共3批次,完成全部18头牛温室气体排放量监测。每日08:30和16:00开仓投喂饲粮,饲喂量为仓外的80%,正常饮水。每个仓位晨饲的同时开启舱门清理,收集仓内粪便进行养分表观消化率测定。

1.3 样品采集及指标测定

1.3.1 生长性能测定

正试期开始和结束时对试验牛进行空腹称重,记录初始体重和终末体重,计算平均日增重;试验期间每天记录试验牛采食量,计算干物质采食量,并计算料重比。

1.3.2 养分表观消化率测定

采用盐酸不溶灰分(AIA)指示剂法测定养分表观消化率。饲粮或粪便中干物质(DM)含量参照GB/T 6435—2014中方法测定,粗蛋白质(CP)含量参照GB/T 6432—2018中方法测定,粗脂肪(EE)含量参照GB/T 6433—2006中方法测定,粗纤维(CF)含量参照GB/T 6434—2022中方法测定,中性洗涤纤维(NDF)含量参照GB/T 20806—2022中方法测定,酸性洗涤纤维(ADF)含量参照NY/T 1459—2022中方法测定,钙含量参照GB/T 13885—2017中方法测定,磷含量参照GB/T 6437—2018中方法测定,AIA含量参照GB/T 23742—2009中方法测定。采用全自动智能量热仪(KL-LRY 900AT,鹤壁科力测控技术有限公司)进行能量测定。养分表观消化率计算公式如下:
某养分表观消化率(%)=[1-(a×d)/(b×c)]×100。
式中:a为饲粮中AIA含量;b为饲粮中该养分含量;c为粪便中AIA含量;d为粪便中该养分含量。

1.3.3 瘤胃发酵参数测定

入仓试验开始前1 d晨饲后2 h,利用瘤胃采集管经口腔采集瘤胃液,前100 mL丢弃防止唾液污染,收集后100 mL瘤胃液作为样品。瘤胃液采集后立即用pH仪(PB-10,Sartorius,德国)测定pH,然后用4层纱布过滤后保存于-80 ℃备测挥发性脂肪酸(VFA)和氨态氮(NH3-N)含量。瘤胃液处理和上机检测参考王荣等[18]的方法,取2 mL瘤胃液于4 ℃、12 000×g离心10 min,取1 mL上清液与0.1 mL的25%偏磷酸溶液混合固定,静止15 min后,取0.6 mL装于上样瓶中通过气相色谱仪(7890A,Agilent,美国)测定VFA各组分含量并计算其占总挥发性脂肪酸(TVFA)的比例;采用苯酚-次氯酸钠比色法[19]利用酶标仪(Infinite M200 PRO,Tecan,瑞士)测定NH3-N含量。

1.3.4 温室气体排放量测定

试验期间,每日对投喂饲粮和剩余饲粮进行称重记录。呼吸测热系统每21 min分别读取各个仓内的二氧化碳和甲烷含量数据,监测系统自动保存数据。试验结束后对数据进行校准和计算,计算公式如下:
每kg干物质采食量温室气体排放量=对应仓室肉牛温室气体日排放量/干物质采食量;
每kg体重温室气体排放量=对应仓室肉牛温室气体日排放量/体重;
每kg增重温室气体排放量=对应仓室肉牛温室气体日排放量/平均日增重。
同时,选取晚饲前1个时间点及晚饲后每间隔20 min的11个时间点检测数据用以观测饲喂后二氧化碳和甲烷排放量的实时变化。

1.3.5 瘤胃微生物群落分析

取瘤胃液利用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)法获取微生物总DNA,然后利用1%琼脂糖凝胶电泳检测DNA质量后,将样品干冰保存寄送至杭州联川生物技术股份有限公司进行测序。采用16S rRNA基因V3~V4区引物进行扩增,引物分别为341F(5'-CCTACGGGNGGCWGCAG-3')和805R(5'-GACTACHVGGGTATCTAATCC-3'),并采用Illumina NovaSeq 6000平台完成测序。
测序完成后,每个样本获得约40 Mb的Raw Data数据。参考Xiang等[20]的方法,在R(3.4.4)软件中使用DADA2获得瘤胃微生物扩增子序列变异(ASV)聚类,使用SILVA(release 138, http://www.arb-silva.de)进行注释,利用Kruskal-Wallis检验进行组间比较(筛选阈值为P<0.05),并通过ggplot2(3.5.1)进行绘图展示。

1.4 数据统计分析

试验数据采用Excel 2016进行初步整理,然后参考Chang等[21]的方法,采用SAS 9.4软件的一般线性模型进行数据分析,并采用Duncan氏法进行多重比较检验,结果数据采用平均值和均值标准误(SEM)表示。P>0.05为无显著差异,P<0.05为差异显著,0.05≤P<0.10为差异有显著趋势。采用GraphPad Prism 10.1.2绘制饲喂后二氧化碳和甲烷实时排放量折线图。采用Spearman分析判定温室气体排放量与瘤胃发酵参数及高占比微生物群落(相对丰度大于2%)的相关性,并利用OmicStudio平台(https://www.omicstudio.cn/tool)绘制相关性网络热图。

2 结果与分析

2.1 不同加工方式玉米秸秆对肉牛生长性能和养分表观消化率的影响

由表2可知,在各组间肉牛初始体重无显著差异(P>0.05)的情况下,汽爆组终末体重和平均日增重显著高于揉丝组(P<0.05)。
表2 不同加工方式玉米秸秆对肉牛生长性能的影响

Table 2 Effects of different processed corn straws on growth performance of beef cattle

项目
Items		 揉丝组
Shredded
group		 黄贮组
Yellow silage
group		 汽爆组
Steam-exploded
group		 均值
标准误
SEM		 P值
P-value
初始体重Initial BW/kg 495.00 493.60 499.50 10.623 0.976
终末体重Final BW/kg 575.00b 591.00ab 659.50a 15.364 0.039
干物质采食量DMI/(kg/d) 12.03 12.23 12.00 0.146 0.976
平均日增重ADG/(kg/d) 0.50b 0.61b 1.00a 0.080 0.012
料重比F/G 26.54 26.11 13.08 3.020 0.100

同行数据肩标无字母或相同字母表示差异不显著(P>0.05),不同字母表示差异显著(P<0.05)。下表同。

In the same row, values with no letter or the same letter superscripts mean no significant difference (P>0.05), while with different letter superscripts mean significant difference (P<0.05). The same as below.

由表3可知,各组间DM、CP和EE表观消化率无显著差异(P>0.05)。汽爆组CF和ADF表观消化率显著高于揉丝组(P<0.05),NDF表观消化率有显著高于揉丝组的趋势(0.05≤P<0.10)。
表3 不同加工方式玉米秸秆对肉牛养分表观消化率的影响

Table 3 Effects of different processed corn straws on nutrient apparent digestibility of beef cattle%

项目
Items		 揉丝组
Shredded
group		 黄贮组
Yellow silage
group		 汽爆组
Steam-exploded
group		 均值
标准误
SEM		 P值
P-value
干物质DM 61.11 63.30 68.94 4.863 0.174
粗蛋白质CP 47.97 52.72 55.47 2.765 0.207
粗脂肪EE 93.47 93.61 92.41 1.153 0.524
粗纤维CF 55.50b 56.82b 68.31a 2.643 0.014
中性洗涤纤维NDF 57.41 58.49 65.93 2.447 0.071
酸性洗涤纤维ADF 51.25b 55.40ab 62.81a 2.798 0.047

2.2 不同加工方式玉米秸秆对肉牛瘤胃发酵参数的影响

由表4可知,黄贮组和揉丝组瘤胃pH显著低于汽爆组(P<0.05);黄贮组瘤胃NH3-N含量显著高于揉丝组和汽爆组(P<0.05);黄贮组瘤胃异丁酸和异戊酸占TVFA的比例有显著高于揉丝组和汽爆组的趋势(0.05≤P<0.10)。各组间瘤胃其他发酵参数均无显著差异(P>0.05)。
表4 不同加工方式玉米秸秆对肉牛瘤胃发酵参数的影响

Table 4 Effects of different processed corn straws on rumen fermentation parameters of beef cattle

项目
Items		 揉丝组
Shredded
group		 黄贮组
Yellow silage
group		 汽爆组
Steam-exploded
group		 均值
标准误
SEM		 P值
P-value
pH 5.28b 5.18b 5.46a 0.056 0.010
乙酸Acetic acid/(mmol/L) 75.48 75.19 71.37 4.006 0.728
丙酸Propionic acid/(mmol/L) 22.43 20.54 20.28 1.672 0.627
异丁酸Isobutyric acid/(mmol/L) 1.11 1.22 1.02 0.077 0.215
丁酸Butyric acid/(mmol/L) 15.55 17.55 15.54 0.927 0.261
异戊酸Isopentanoic acid/(mmol/L) 1.64 1.78 1.32 0.157 0.173
戊酸Pentanoic acid/(mmol/L) 1.80 1.83 1.66 0.120 0.582
总挥发性脂肪酸TVFA/(mmol/L) 118.01 118.10 111.18 6.081 0.666
氨态氮NH3-N/(mmol/L) 19.59b 25.74a 19.26b 1.676 0.039
乙酸/丙酸Acetic acid/propionic acid 3.42 3.65 3.54 0.160 0.174
乙酸/总挥发性脂肪酸
Acetic acid/TVFA/%		 64.05 63.47 64.31 1.014 0.836
丙酸/总挥发性脂肪酸
Propionic acid/TVFA/%		 18.89 17.36 18.21 0.686 0.332
异丁酸/总挥发性脂肪酸
Isobutyric acid/TVFA/%		 0.94 1.04 0.91 0.036 0.072
丁酸/总挥发性脂肪酸
Butyric acid/TVFA/%		 13.22 15.09 13.91 0.919 0.385
异戊酸/总挥发性脂肪酸
Isopentanoic acid/TVFA/%		 1.38 1.49 1.18 0.081 0.065
戊酸/总挥发性脂肪酸
Pentanoic acid/TVFA/%		 1.51 1.56 1.49 0.052 0.658

2.3 不同加工方式玉米秸秆对肉牛温室气体排放量的影响

由表5可知,与揉丝组相比,黄贮组和汽爆组肉牛二氧化碳日排放量无显著差异(P>0.05),分别降低了8.70%和12.03%;每kg体重二氧化碳排放量无显著异(P>0.05),分别降低了6.31%和16.47%;每kg干物质采食量二氧化碳排放量有显著降低趋势(0.05≤P<0.10),分别降低了24.93%和28.66%;每kg增重二氧化碳排放量显著降低(P<0.05),分别降低了29.21%和57.40%。与揉丝组相比,黄贮组和汽爆组肉牛甲烷日排放量无显著差异(P>0.05),分别降低了14.52%和3.98%;每kg体重甲烷排放量无显著差异(P>0.05),分别降低了12.28%和8.77%;每kg干物质采食量甲烷排放量有显著降低趋势(0.05≤P<0.10),分别降低了29.29%和21.74%;每kg增重甲烷排放量显著降低(P<0.05),分别降低了35.79%和54.73%。
表5 不同加工方式玉米秸秆对肉牛温室气体排放量的影响

Table 5 Effects of different processed corn straws on greenhouse gas emission of beef cattle

项目
Items		 揉丝组
Shredded
group		 黄贮组
Yellow silage
group		 汽爆组
Steam-exploded
group		 均值
标准误
SEM		 P值
P-value
干物质采食量DMI/(kg/d) 7.42 8.92 8.98 0.498 0.624
二氧化碳日排放量
Daily CO2 emission/(L/d)		 5 347.41 4 882.40 4 704.31 231.916 0.165
每kg干物质采食量二氧化碳排放量
CO2 emission per kg of DMI/(L/kg DMI)		 738.99 554.76 527.17 66.464 0.091
每kg体重二氧化碳排放量
CO2 emission per kg of BW/(L/kg BW)		 8.56 8.02 7.15 0.614 0.118
每kg增重二氧化碳排放量
CO2 emission per kg of gain/(L/kg)		 10 755.75a 7 614.26b 4 582.42b 1 051.784 0.007
甲烷日排放量Daily CH4 emission/(L/d) 356.45 304.68 342.26 16.259 0.147
每kg干物质采食量甲烷排放量
CH4 emission per kg of DMI/(L/kg DMI)		 49.03 34.67 38.37 3.497 0.070
每kg体重甲烷排放量
CH4 emission per kg of BW/(L/kg BW)		 0.57 0.50 0.52 0.067 0.479
每kg增重甲烷排放量
CH4 emission per kg of gain/(L/kg)		 729.18a 468.24b 330.11b 69.727 0.008
如图1所示,由二氧化碳和甲烷实时排放量数据可知,饲喂前各组肉牛二氧化碳和甲烷排放量接近,饲喂后1 h左右排放量达到峰值,随后缓慢下降。黄贮组和汽爆组饲喂前(0 min)二氧化碳排放量与揉丝组接近,饲喂后2 h逐渐低于揉丝组;黄贮组饲喂后甲烷排放量低于汽爆组和揉丝组,汽爆组与揉丝组甲烷排放量整体接近。
图1 不同加工方式玉米秸秆对肉牛温室气体实时排放量的影响

Fig.1 Effects of different processed corn straws on real time greenhouse gas emission of beef cattle

2.4 不同加工方式玉米秸秆对肉牛瘤胃微生物群落的影响

如图2所示,在门水平上,厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidota)和变形菌门(Proteobacteria)为饲喂不同加工方式玉米秸秆安格斯牛瘤胃中的主要菌门;在属水平上,理研菌科RC9肠道属(Rikenellaceae_RC9_gut_group)、普雷沃氏菌属(Prevotella)等为瘤胃中的主要菌属。
图2 不同加工方式玉米秸秆对肉牛瘤胃微生物群落组成的影响

Fig.2 Effects of different processed corn straws on rumen microbiota composition of beef cattle

由表6可知,肉牛瘤胃差异菌群在门水平上为髌骨菌门(Patescibacteria)和疣微菌门(Verrucomicrobiota),其中揉丝组髌骨菌门相对丰度显著高于黄贮组和汽爆组(P<0.05),黄贮组疣微菌门相对丰度显著高于揉丝组(P<0.05);在属水平上为NK4A214_group、毛螺菌科未分类属(Lachnospiraceae_unclassified)、拟杆菌门未分类属(Bacteroidota_unclassified)和Candidatus_Saccharimonas,其中揉丝组NK4A214_group相对丰度显著高于黄贮组(P<0.05),揉丝组Candidatus_Saccharimonas相对丰度显著高于黄贮组和汽爆组(P<0.05),黄贮组毛螺菌科未分类属和拟杆菌门未分类属相对丰度显著高于揉丝组和汽爆组(P<0.05)。
表6 不同加工方式玉米秸秆饲喂肉牛瘤胃微生物群落组成差异分析

Table 6 Differential analysis of rumen microbiota composition of beef cattle fed different processed corn straws%

项目
Items		 揉丝组
Shredded
group		 黄贮组
Yellow silage
group		 汽爆组
Steam-exploded
group		 Q值
Q-value		 P值
P-value
门水平Phylum level
髌骨菌门Patescibacteria 2.35a 0.90b 1.29b 0.198 0.015
疣微菌门Verrucomicrobiota 0.50b 1.62a 1.16ab 0.198 0.037
属水平Genus level
NK4A214_group 5.00a 3.41b 3.90ab 0.454 0.026
毛螺菌科未分类属Lachnospiraceae_unclassified 2.00b 3.49a 2.06b 0.454 0.049
拟杆菌门未分类属Bacteroidota_unclassified 1.03b 1.88a 1.29b 0.454 0.018
Candidatus_Saccharimonas 1.81a 0.65b 0.69b 0.454 0.024

2.5 肉牛温室气体排放量与瘤胃发酵参数和微生物群落相关性分析

如图3所示,每kg增重二氧化碳排放量与瘤胃NH3-N含量呈显著负相关[相关系数(r)=-0.664,P<0.05],每kg体重二氧化碳排放量(r=0.673)和二氧化碳日排放量(r=0.782)与瘤胃克里斯滕森氏菌科R-7群(Christensenellaceae_R-7_group)相对丰度呈显著正相关(P<0.05);每kg体重甲烷排放量与瘤胃鼠状杆菌科未分类属(Muribaculaceae_unclassified)相对丰度呈显著正相关(r=0.645,P<0.05),甲烷日排放量与瘤胃VFA中的丙酸(r=0.636)、乙酸(r=0.645)、异丁酸(r=0.727)、戊酸(r=0.791)、异戊酸(r=0.827)以及TVFA(r=0.709)含量均呈显著正相关(P<0.05)。瘤胃发酵参数与微生物群落未发现较强的相关性(|r|>0.8)。
图3 肉牛温室气体排放量与瘤胃发酵参数和微生物群落Spearman相关性分析网络热图

Acetic acid:乙酸;Propionic acid:丙酸;Isobutyric acid:异丁酸;Butyric acid:丁酸;Isopentanoic acid:异戊酸;Pentanoic acid:戊酸;TVFA:总挥发性脂肪酸 total volatile fatty acid;NH3-N:氨态氮 ammonia nitrogen;A/P:乙酸/丙酸 acetic acid/propionic acid;Proteobacteria:变形菌门;Firmicutes:厚壁菌门;Bacteroidota:拟杆菌门;Spirochaetota:螺旋体门;Fibrobacterota:纤维杆菌门;Lachnospiraceae_unclassified:毛螺菌科未分类属;Christensenellaceae_R-7_group:克里斯滕森氏菌科R-7群;Muribaculaceae_unclassified:鼠状杆菌科未分类属;p-251-o5_unclassified:p-251-o5未分类属;Ruminococcus:瘤胃球菌属;Firmicutes_unclassified:厚壁菌门未分类属;Prevotella:普雷沃氏菌属;Clostridia_UCG-014_unclassified:梭菌纲UCG-014未分类属;Prevotellaceae_UCG-001:普雷沃氏菌科UCG-001;Rikenellaceae_RC9_gut_group:理研菌科RC9肠道群;Fibrobacter:纤维杆菌属;Succiniclasticum:琥珀酸菌属;F082_unclassified:F082未分类属;dCO2:二氧化碳日排放量 daily CO2 emission;dCO2/DMI:每kg干物质采食量二氧化碳排放量 CO2 emission per kg of DMI;dCO2/BW:每kg体重二氧化碳排放量 CO2 emission per kg of BW;dCO2/ADG:每kg增重二氧化碳排放量 CO2 emission per kg of gain;dCH4:甲烷日排放量 daily CH4 emission;dCH4/DMI:每kg干物质采食量甲烷排放量 CH4 emission per kg of DMI;dCH4/BW:每kg体重甲烷排放量 CH4 emission per kg of BW;dCH4/ADG:每kg增重甲烷排放量 CH4 emission per kg of gain。

Fig.3 Spearman correlation analysis network heat map between greenhouse gas emission of beef cattle and rumen fermentation parameters and microbiota

3 讨论

3.1 不同加工方式玉米秸秆对肉牛瘤胃发酵的影响

本试验中,各组间肉牛瘤胃TVFA含量接近,VFA各组分含量无显著差异,表明试验牛瘤胃整体发酵模式相同。瘤胃pH是指征反刍动物瘤胃发酵和内环境稳态的重要指标,当瘤胃pH处于6.5左右时,有利于瘤胃发酵[22]。反刍动物采食后,瘤胃pH在6 h内依据饲粮差异可降低至5.23~6.24,随后逐渐升高[23]。本试验中,采食2 h后肉牛瘤胃pH为5.18~5.46,与上述研究接近;同时,汽爆组瘤胃pH显著高于黄贮组和揉丝组,且更接近有利于瘤胃发酵的pH,其瘤胃内环境更加稳定可能是造成平均日增重显著提高的原因之一。粗饲料中的NDF和ADF含量及瘤胃乙酸含量和乙酸/丙酸值密切相关[24]。本试验中,秸秆深加工提高了黄贮组和汽爆组饲粮的适口性,NDF和ADF的摄入量高于揉丝组,而温室气体排放量低于揉丝组,这一研究结果与郑雪玥等[25]的研究结果相近。同时,本试验中黄贮组和汽爆组剩余较少的精饲料和粗饲料,而揉丝组通常会剩余一定量的揉丝玉米秸秆和少量精料,干物质采食量更低;同时,汽爆组和黄贮组每kg干物质采食量温室气体排放量相比揉丝组有降低趋势,造成这一结果可能与揉丝组进食速度更慢有关。瘤胃NH3-N含量通常与饲粮中CP含量呈正相关[14]。本研究中,各组饲粮中CP含量和瘤胃NH3-N含量变化趋势与上述研究相一致。Kjeldsen等[26]研究发现,奶牛瘤胃异丁酸和NH3-N等含量与甲烷排放量呈正相关。本试验中,黄贮组瘤胃具有更高的异丁酸和NH3-N含量以及更低的甲烷排放量,表明黄贮玉米秸秆摄入后造成的甲烷排放路径区别于上述研究。张晓明等[27]研究发现,采食不同蛋白质源饲粮肉牛瘤胃NH3-N含量与甲烷排放量和每kg干物质采食量甲烷排放量呈正相关,且甲烷排放量同时与瘤胃乙酸/丙酸值呈正相关。谷兴亮等[11]研究发现,相同CP含量的玉米秸秆全混合日粮(TMR)与青贮玉米秸秆TMR相比,青贮组肉牛甲烷排放量和空腹NH3-N含量显著低于玉米秸秆组。本试验中,汽爆组和揉丝组相比黄贮组具有更低的瘤胃NH3-N含量,而黄贮组和汽爆组相比揉丝组每kg干物质采食量甲烷排放量更低,这些结果表明汽爆组和黄贮组氮代谢路径存在差异,说明瘤胃中氨的生成或微生物对氨的利用影响瘤胃甲烷的产生。二者结合提示,黄贮组和汽爆组肉牛瘤胃蛋白质降解产生的氨的利用和VFA代谢途径存在差异,影响甲烷产生的路径也不同。

3.2 不同加工方式玉米秸秆对肉牛温室气体排放的影响

瘤胃甲烷产生受多种因素影响。体重是影响温室气体排放的因素之一,冯仰廉等[28]依据模型计算250 kg左右育肥牛甲烷日排放量为165.57 L/d;谷兴亮等[11]研究发现,体重为400 kg左右的母牛甲烷日排放量约为190 L/d且与体重呈正相关;Ryan等[29]研究发现,650 kg左右多种来源牛甲烷日排放量多时间点检测数据为52~524 g/d,日均甲烷排放量为242.4 g/d,折算后约为363.6 L/d。本试验中,肉牛体重为(636.36±37.46) kg,而甲烷日排放量为(332.52±28.63) L/d,符合上述结论。采食是另一个影响温室气体排放的因素,Tee等[30]和关诗宇等[14]的研究均发现,肉牛采食量与甲烷排放量呈正相关。本试验中,黄贮组和汽爆组采食量更高,3组间甲烷日排放量差异不显著。揉丝组每kg干物质采食量甲烷排放量有显著高于黄贮组和汽爆组的趋势,就处理后的秸秆降低甲烷排放量这一结论上与谷兴亮等[11]的研究结果相一致。同时,Wang等[31]研究发现,甲烷的排放量与进食行为密切相关,在奶牛开始进食时快速上升,随后缓慢下降。本试验中,二氧化碳和甲烷实时排放量可得到相似的结果,同时黄贮组和汽爆组肉牛整体进食较快,揉丝组整体进食时间更长,这也是造成前2组肉牛相比揉丝组甲烷排放量降低的另一个原因。刘卓凡等[8]和Ryan等[29]研究发现,反刍动物生长性能与甲烷排放量呈负相关,更高平均日增重的个体有更低的甲烷排放量。本试验中,汽爆组和黄贮组相比揉丝组具有更高的生长性能和更低的每kg增重甲烷排放量,表明汽爆组和黄贮组饲粮中的能量更少的以甲烷形式损耗。甲烷的生成以二氧化碳为主要碳源,二氧化碳的排放量也会影响甲烷排放量。Ryan等[32]研究发现,奶牛二氧化碳排放量与甲烷排放量具有较强的相关性,其r为0.61。Zhang等[12]研究发现,牦牛高二氧化碳排放量通常伴随着高甲烷排放量,这与瘤胃中微生物结构改变密切相关。本试验中,黄贮组和汽爆组二氧化碳排放量尤其是每kg增重二氧化碳排放量低于揉丝组,这也是上述2组甲烷排放量低于揉丝组的原因之一,而潜在的微生物结构差异可能是内在原因。克里斯滕森氏菌科R-7群属于厚壁菌门,Wang等[33]研究发现,其相对丰度与二氧化碳累积量呈负相关,与甲烷累积量呈正相关;而Choi等[34]研究发现,山羊饲粮添加红松球果精油可促使瘤胃克里斯滕森氏菌科R-7群相对丰度提升并降低甲烷排出效率。本试验中,肉牛瘤胃克里斯滕森氏菌科R-7群相对丰度与二氧化碳日排放量和每kg体重二氧化碳排放量呈显著正相关,与每kg干物质采食量甲烷排放量呈显著正相关趋势,表明其在本试验影响温室气体排放上与上述研究有所差异。
本试验中,与揉丝组相比,黄贮组和汽爆组安格斯牛二氧化碳和甲烷日排放量虽然在统计学上没有显著影响,但每kg干物质采食量温室气体排放量有显著降低趋势,同时每kg增重温室气体排放量均显著降低,上述结果表明饲粮中添加一定比例的黄贮或汽爆玉米秸秆均可达到温室气体减排的目的,实现肉牛的绿色养殖。不过,这种降低温室气体排放的应用潜力有待于在更大群体的试验中进行验证。

4 结论

肉牛饲粮中添加一定比例的黄贮或汽爆玉米秸秆,可一定程度上降低二氧化碳和甲烷排放量,其中以添加黄贮玉米秸秆的直接减排效果更佳,以添加汽爆玉米秸秆综合生长性能的减排效果更佳。

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