2. 中国系统工程学会草业专业委员会, 北京 100020
2. Systems Engineering Society of China, Forage Systems Engineering Professional Committee, Beijing 100020, China
近年来，我国畜牧业草食动物优质粗饲料资源不足的矛盾日益加剧，开发利用秸秆这一产量巨大的非竞争性饲料资源，成为解决此矛盾的重要途径。政府非常重视秸秆饲料的开发，秸秆资源综合利用被列为《全国农业和农村经济发展第“十二五”规划》、《全国畜牧业发展第十二个五年规划》、《生物产业发展“十二五”规划》等发展的战略与重点。采用微生物技术发酵秸秆可有效降解秸秆中的木质素、纤维素，提高蛋白质、有机酸及可溶性糖等物质的含量，提升秸秆的饲用价值，达到替代常规饲料或优质饲草的目的，受到国内外学者的广泛重视[1, 2, 3]。
近年来，有关微生物发酵秸秆饲料的研究报道很多，集中在菌株筛选[4, 5, 6]、对秸秆的发酵处理[7, 8, 9]以及饲喂效果研究[10, 11, 12]等方面，有力地促进了秸秆饲料化利用进程。但当前该技术仍然存在着理论基础薄弱、机理性研究相对匮乏以及秸秆发酵饲料品质评定缺乏统一标准等重大问题。尤其是对发酵秸秆饲料的饲喂效果研究还不够深入，多限于发酵秸秆饲料表观饲喂效果的考察，对增重机制、物质在动物体内的降解与转化规律研究不够彻底，亟需深入探讨其能量代谢、产热量及碳氮沉积规律等，以科学评定发酵秸秆饲料的能量水平与饲用价值。
饲料的能量利用水平决定动物的生长和生产性能，因此考察饲粮中添加发酵秸秆饲料对动物能量利用水平的影响是非常必要的。国内外对于不同饲粮对反刍动物的能量代谢已有很多研究[13, 14, 15, 16, 17]，为笔者研究发酵玉米秸秆粗饲料对育肥羊能量代谢与沉积规律提供了参考。
本实验室前期已开发出秸秆发酵饲料复合菌剂，菌剂由木质素与纤维素降解菌株、无机氮转化利用菌株以及有机酸产生菌株所构成。在秸秆发酵时添加4%的无机氮源硫酸铵，发酵后其粗蛋白质比发酵前提高2.64倍(P＜0.01)，中性洗涤纤维(NDF)降低39.33%(P＜0.01)；酸性洗涤纤维(ADF)降低37.20%(P＜0.01)；发酵玉米秸秆中含有数量可观的挥发性脂肪酸(VFA)，并检测到大量功能菌株。将其以50%比例替代粗饲料中的未发酵玉米秸秆进行育肥羊饲喂，日增重提高33.33%(P＜0.01)，采食量增加3.74%(P＜0.05)，料肉比下降22.73%(P＜0.01)，有必要进一步深入探明其能量转化与代谢规律。
本研究通过消化代谢试验、气体交换试验和呼吸测热试验相结合的方法，进一步研究发酵秸秆饲料对育肥羊能量代谢的影响，以期为科学评定其相对营养价值积累可信数据，为秸秆发酵饲料在畜牧养殖业中的推广应用提供科学依据，奠定理论基础。 1 材料与方法 1.1 试验动物的选择
本研究在吉林省农业科学学院畜牧分院试验羊场进行。选择18只体况良好的新吉细毛羊作为试验动物，随机分为3组，分别为对照组、试验组和绝食代谢组，每组3个重复，每个重复2只。组间平均体重相近(37.38±1.04) kg，经F检验差异不显著(P>0.05)。 1.2 试验饲粮 1.2.1 发酵玉米秸秆的制备及成分分析
试验用玉米秸秆：取自种植于河北省保定市清苑县白团村采摘籽实后的含穗青黄玉米秸秆(品种为农大3138)，自然水分含量为65%。
对照玉米秸秆：刚收割的成熟玉米秸秆粉碎成2~4 cm的小段，置冷库(-25 ℃)平铺在地面上进行冷冻60 h，然后装入50 kg的饲料袋中，放入冷库(4 ℃)保藏以保证鲜度。
发酵玉米秸秆：对上述试验用秸秆粉碎，调整水分含量，使其干物质与水分含量之比为1.0 ∶ 1.2，加入4%无机氮源硫酸铵，并按照1×1013 CFU/t施菌量施入复合菌剂，置室内封闭发酵(平均温20 ℃)20 d后使用。
复合发酵菌剂由河北农业大学研制，由河北众邦生物技术有限公司生产。由枯草芽孢杆菌XWS-8、枯草芽孢杆菌MZS-3-6和酵母菌JM-1按4 ∶ 4 ∶ 3比例混合而成，总菌量1.0×1010 CFU/g，菌剂所含菌株包括木质素与纤维素降解、无机氮源转化利用、产生有机酸、产益生物质等功能。
发酵结束后，委托农业部饲料效价与安全监督检验测试中心对2种供试秸秆进行营养水平的测定，测定指标：粗蛋白质(GB/T 6432—1994)、粗脂肪(GB/T 6433—2006)、粗纤维(GB/T 6434—2006)、中性洗涤纤维(GB/T 20286—2006)、酸性洗涤纤维(NY/T 1459—2007)、粗灰分(GB/T 6438—2007)、水分(GB/T 6435—2006)、真蛋白质(SXA03-FB-002)、钙(GB/T 6436—2002)、磷(GB/T 6437—2002)含量和总能(ISO 9831—1998)。采用活菌计数法测定秸秆中活菌数。
发酵玉米秸秆中乳酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸含量采用离子色谱法测定。测定设备为戴安ICS-3000离子色谱仪，配有ED50电化学检测器、AS50自动进样器和GP50梯度泵。取粉碎发酵玉米秸秆粉2.0 g，加入18 mL超纯水充分混匀，以10 000 r/min速度离心10 min，取上清液5 mL加入25%偏磷酸溶液1 mL，混匀后置冰箱(-10 ℃)冷冻24 h，以10 000 r/min速度将样品离心10 min；移取上清液1 mL至100 mL容量瓶中，超纯水定容。样品经过0.45 μm合成纤维素酯膜过滤后，上样。色谱条件：Ion Pac AS11-HC (4 mm×250 mm)分析柱带Ion Pac AG11-HC (4 mm×50 mm)保护柱；抑制器类型为ASRS；进样量为25 μL，托盘和色谱柱温度分别为15和30 ℃。流动相流速0.8 mL/min，流动相为50 mmol/L氢氧化钠溶液(B)和超纯水(A)(2 ∶ 3)洗脱。玉米秸秆的营养水平见表1。
 | 表1 玉米秸秆的营养水平(干物质基础) Table 1 Nutrient levels of corn straws (DM basis) |
试验饲粮参照美国NRC(1985)[18]绵羊营养需要量配制，由粗饲料和精饲料组成，其组成及营养水平见表2。
| 表2 试验饲粮组成及营养水平(干物质基础)Table 2 Composition and nutrient levels of experimental diets (DM basis) |
试验共进行3期测定，每期试验设预试期和正试期，预试期为10 d，其中包括在呼吸测热室外预饲7 d，在呼吸测热室内预饲3 d，根据试羊情况对呼吸测热室的气体流通速度、温湿度等参数进行调控，以确保试羊对试验饲粮与呼吸测热室环境充分适应、生理状态达到稳定。代谢试验在预饲结束后开始，每期为期3 d。不同试验期之间设过渡期2 d，即相邻2期测定间隔15 d。对照组的粗饲料是冷藏保鲜的玉米秸秆，试验组为50%发酵玉米秸秆+50%冷藏保鲜秸秆，绝食代谢组试羊正试期内绝食。 1.4 试验动物的饲喂与饲养管理
试验羊舍选择通风较好的半封闭式房屋，使用之前用消毒水对羊舍的羊栏、墙壁、地面等进行彻底消毒，7 d后才能引入试验羊进行试验。单栏饲养，按照试验设计，分别饲喂相对应的试验饲粮。精饲料粉碎、发酵玉米秸秆进行2遍揉丝后混合饲喂，试验羊分别在每天06：00和15：00定量各饲喂1次；在试验期间每天都供给试羊充分干净的饮水，自由饮水。
对试羊的采食量进行准确的设计及记录，且饲粮的饲喂量接近于自由采食量，并比自由采食量稍低，也就是说试验饲粮能够满足试羊生长的营养需要，但又不会有剩料，以保证试验结果的准确性。 1.5 消化代谢试验
采用全粪尿收集法进行消化代谢试验[19]。
消化代谢试验在特制的代谢笼(图1)中进行。全天收集试验羊排出的全部粪尿，称重、计量后取样，根据不同分析要求分别经防腐、固氮、干燥处理后保存待测。
 | 图1 呼吸测热装置 Fig. 1 Self-made equipment for feces and urine collection |
试验羊粪样用自制的收粪袋收集，记录排粪量并称重。采用四分法取样约300 g，充分混匀。取其中一部分约100 g加入10 mL的10%的硫酸进行固氮，然后装入自封袋中，并标明试验羊号、期号，以备测定粪氮含量用。其余部分装入自封袋中，并标明试验羊号、期号，一起放于冰箱(-20 ℃)中保存。3 d试验期结束后，把每只羊在这3 d中收集到的粪便充分混匀，取适量于65 ℃烘箱中烘干，粉碎并过40目筛后保存，用于测定其他养分含量。
利用代谢笼上的接尿盆收集其尿液，将每只羊收集来的尿样充分混匀后用粗纱布过滤，用量筒测定其体积，并标明羊号和试验期号，而后分成2份，一份用10%的硫酸固氮，以供测定尿氮的含量；另外一份不加硫酸，加入到棕色玻璃瓶中放于冰箱(-20 ℃)中保存，用来测定其他养分含量。 1.6 呼吸测热试验
呼吸测热试验采用吉林省农科院畜牧分院自行设计、研制的新型自控中型开放回流式呼吸测热装置(图2)。对呼吸测热室的气体分析仪进行校正后，将试羊分别放置于代谢笼中，在呼吸小室内进行连续24 h的测试。呼吸测热装置的操作按规程进行，应用3室(采集控制程序)并联开放式呼吸测热装置分别对照组和试验组进行呼吸测热。各呼吸代谢室的气体通过分析仪的采集顺序：1)通道—户外空气；2)通道—A呼吸代谢室；3)通道—B呼吸代谢室；4)通道—C呼吸代谢室。工作站每16 min采集并分析1次各呼吸测热室的气压、温度、湿度和标准大气压下的气体流量，气体流量中氧气(O2)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)的浓度，自动运算并记录每分钟试验羊的O2消耗量、CO2和CH4排放量、产热量、呼吸熵等，保存试验结果。
 | 图2 杜仲叶提取物的高效液相色谱图 Fig. 2 Hot breath test equipments |
绝食代谢组的试羊绝食72 h，自由饮水，在生长代谢呼吸测热试验的同时进行绝食代谢呼吸测热试验。 1.7 饲粮、样粪、尿样中常规养分测定方法
粪样、尿和饲粮中养分含量测定均参考常规饲料分析方法[20]。 1.8 能量测定的方法
饲粮总能、粪能及尿能均采用全自动氧弹式热量计测定(XRY-1型数显氧弹式热量计，上海昌吉地质仪器有限公司)。
粪能的测定：取1 g烘干的粪样，首先经过压片机压片，厚度略低于机器自配干锅，松软程度保持成型即可，用氧弹式热量计测定其能量。
尿能的测定：取定量滤纸于105 ℃烘1 h，置于干燥器中冷却30 min后称重，用移液管准确吸取尿样10 mL，分多次全部准确地滴至滤纸上，40 ℃烘干，然后在105 ℃烘30 min，测得其热值。用于吸附的滤纸同时测定能量作为空白对照，测定结果减去滤纸的能量即为尿能。 1.9 计算公式
热增耗(MJ/d)=总产热量-绝食产热量；
净能(MJ/d)=总能-粪能-尿能-热增耗；
CO2排放量(L/min)=气体流量(L/min)×室内CO2浓度(%)-气体流量(L/min)×户外CO2浓度(%)；
CH4排放量(L/min)=气体流量(L/min)×室内CH4浓度(%)-气体流量(L/min)×户外CH4浓度(%)；
产热量(MJ/d)=[16.175×O2消耗量(L/d)+5.021×CO2排放量(L/d)-2.167×CH4排放量(L/d)-5.987×尿氮含量(g/d)]/1 000[21]；
呼吸熵=CO2排放量(L/d)/O2消耗量(L/d)；
消化能(MJ/d)=摄入总能-粪能；
代谢能(MJ/d)=摄入总能-粪能-尿能；
总能消化率(%)=(消化能/摄入总能)×100；
总能代谢率(%)=(代谢能/摄入总能)×100。 1.10 试验数据处理与统计分析
将每3 d正试期内采集到的各羊数据的平均值作为每期试验的原始数据，以平均值±标准差表示。采用Excel对试验数据进行计算整理，利用SPSS 17.0软件对数据进行2独立样本的t检验，取置信区间为95%。 2 结果与分析 2.1 生长代谢气体交换结果
由表3可知，O2消耗量、CO2排放量在第1期、第2期时试验组与对照组之间无显著差异(P＞0.05)，第3期试验组显著高于对照组(P＜0.05)；3期的呼吸熵都在0.80~0.85之间，处于一个正常的范围内，组间无显著差异(P＞0.05)；产热量第1期、第2期时试验组与对照组之间差异不显著(P＞0.05)，第3期时试验组显著高于对照组(P＜0.05)。结果提示，由于第3期时2组羊的体重差别较大，试验组的羊体重大于对照组，气体交换量随着体重的增加而增大，所以试验组的O2消耗量、CO2排放量及产热量均显著大于对照组。
| 表3 育肥羊生长代谢气体交换结果Table 3 Gas exchange results of growth metabolism of fattening sheep |
由表4可知，绝食代谢O2消耗量和CO2排放量在第1期、第2期时无显著差异(P＞0.05)，这2 期均极显著低于第3期(P＜0.01)；呼吸熵在 0.70~0.71之间，不同正试期间差异不显著(P＞0.05)；产热量第2期与其他2期差异不显著(P＞0.05)，第1期显著低于第3期(P＜0.05)。
| 表4 育肥羊绝食代谢气体交换结果 Table 4 Gas exchange results of fasting metabolism of fattening sheep |
由表5可知，3个正试期CH4排放量及甲烷能试验组均极显著低于对照组(P＜0.01)。在第1、2、3期试验组CH4排放量比对照组分别降低了20.95%、23.83%、21.49%；甲烷能分别降低了21.15%、23.85%、21.93%。结果提示，发酵玉米秸秆可以减少CH4排放量，细毛羊体重与CH4排放量之间呈相关性，即随着体重的增长，CH4排放量也随之增加，但试验组的CH4排放量极显著低于对照组。
| 表5 发酵玉米秸秆对育肥羊绝食代谢CH4排放量的影响 Table 5 Effects of fermented corn straw on CH4 mission of fasting metabolism of fattening sheep |
从表6可知，3个正试期试验组与对照组的总能均无显著差异(P＞0.05)；消化能第1期时试验组比对照组提高15.77%，差异极显著(P＜0.01)，第2期、第3期时试验组比对照组分别提高了17.07%、17.39%，差异显著(P＜0.05)；试验组粪能和尿能与对照组比都相对降低，但差异均不显著(P>0.05)；3个试验期粪能/总能试验组均显著低于对照组(P＜0.05)；尿能/总能组间差异不显著(P>0.05)；试验组甲烷能在3期中均极显著低于对照组(P＜0.01)；甲烷能/总能在第1期中显著低于对照组(P＜0.05)，在第2、3期中极显著低于对照组(P＜0.01)；第1、2、3期试验组代谢能比对照组分别提高了16.67%、28.81%、22.97%，差异显著(P＜0.05)；总能消化率第1、2和3期试验组比对照组分别提高了10.33%、11.52%、11.86%，差异显著(P＜0.05)；与对照组相比，试验组总能代谢率第1期提高11.18%，差异不显著(P＞0.05)，第2和3期分别提高了22.66%、17.19%，差异显著(P＜0.05)；净能第1、2、3期试验组比对照组分别提高64.29%、108.07%、84.90%，差异显著(P＜0.05)。从各能量绝对值的变化趋势来看，代谢能、总能消 化率与净能均随着试验的进行与试羊体重的增加而处于上升趋势。结果提示，试羊饲喂发酵玉米秸秆与未发酵玉米秸秆相比，可提高净能、总能消化率，提高能量沉积，有助于动物的生长。
| 表6 发酵玉米秸秆对育肥羊生长代谢能量利用的影响 Table 6 Effects of fermented corn straw on energy utilization of growth metabolism of fattening sheep |
玉米秸秆经发酵，其中的木质纤维素被降解为小分子糖类、粗蛋白质含量显著上升、在菌株的代谢下体系产生数量可观的有机酸；更为重要的是，在发酵结束时秸秆上黏附了大量的活菌，这些特性都有助于促进发酵玉米秸秆粗饲料对供试羊能量代谢与转化规律的改变。
动物采食饲料后，饲料中碳水化合物在瘤胃中发酵所产生的乙酸、丙酸、丁酸等VFA是反刍动物主要的能源物质，可为反刍动物提供能量需要的70%～80%。未处理的玉米秸秆，其上自然附着的乳酸菌在堆置、运输及4 ℃冷藏保存过程中会经秸秆的代谢活动及自身原营养物质的降解变化等而产生少量的有机酸；本研究采用的发酵玉米秸秆由于加入的菌剂中含有产生有机酸的功能菌株，发酵后其有机酸含量呈现较大变化，由原来的6.49 mg/g增加至29.3 mg/g。发酵玉米秸秆中的大量有机酸，可直接作为试羊的能量来源，必然有助于促进试羊的能量沉积。
发酵玉米秸秆可降低育肥羊的甲烷能、粪能与尿能，提高反刍动物能量代谢水平。粪能约占摄入总能的1/3[22]，是饲粮能量中损失最大的部分。文献数据显示，反刍动物采食粗饲料时粪能/总能为40%~50%，采食精饲料时为20%~30%，采食低质粗饲料时为60%[19]。粗饲料中粗纤维的含量与品质会影响动物的粪能与消化能，如王晓佳等[23]发现玉米青贮秸秆饲粮对奶牛的消化能显著高于未处理玉米秸秆组，且未处理玉米秸秆组饲粮的代谢能显著低于青贮组；青贮玉米秸秆组粪能变高，且消化能/总能显著高于玉米秸秆组，原因在于青贮过程改善了粗饲料的纤维性质及蛋白质组分，有利于提高玉米秸秆的营养价值。周学等[24]研究表明，使用秸秆分解剂后小尾寒羊对玉米秸秆的表观消化率显著提高。娜仁花[25]在研究中指出，秸秆型饲粮的粪能显著高于发酵型饲粮，同时该饲粮的能量消化率显著低于青贮型饲粮，原因在于秸秆型饲粮的粗纤维含量高而且品质较为低劣。本研究再次证实了上述论点，发酵玉米秸秆的粗纤维、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量分别被大幅降解，并产生易于动物利用的菌体蛋白和小分子碳水化合物，降低了粪能，在总能变化不大的情况下，消化能相对升高。反刍动物的能量代谢过程中，通过CH4损失的能量占摄入总能的5%~12%[26, 27, 28]。有报道指出，提高饲料的品质和均衡供应营养素、提高饲料消化率，可减少CH4排放量，如游玉波[29]、樊霞等[30]研究发现，饲喂青贮玉米比干玉米秸秆更容易降低CH4排放量，这是由于玉米秸秆经过青贮处理后，其中难以消化的纤维性物质含量降低，同时使瘤胃发酵乙酸浓度下降，丙酸浓度上升形成丙酸型发酵的缘故，而丙酸与CH4之间呈较高的负相关关系。本研究的3期试验中，试验组的CH4排放量及甲烷能损失均极显著低于对照组，证实了饲喂发酵玉米秸秆有助于减少育肥羊的CH4排放与甲烷能损失。因此对秸秆进行发酵后饲喂，可控制反刍动物CH4产生，是提高能量转化率的有效措施，对提高反刍动物生产水平和饲料转化率意义重大。本研究中，粪能、尿能和甲烷能较对照组相对降低，而代谢能相对增加，从而消化能增加。 4 结 论
结果提示，发酵玉米秸秆相对于未经处理的玉米秸秆，营养物质的含量得到提高，品质得到改善。将其用于育肥羊粗饲料，可使育肥羊能量代谢水平提高，促进能量沉积与利用，提高净能。
致谢：
感谢中国系统工程学会草业专业委员会李毓堂主任对本文所提供的宝贵意见。
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