水稻在我国栽培历史更悠久, 作为中国最重要的粮食作物, 种植面积目前位居世界第二, 总产量位居世界第一。1961年至2013年我国水稻平均总产量1.56亿t, 占世界水稻总产量的33.7%, 占我国粮食总产量的48.39%[1]。与此同时, 我国每年能产生2.3亿t的水稻秸秆, 位居各类作物秸秆首位[2]。但是, 目前稻秸作为饲料的利用率还很低, 大量地焚烧与废弃造成了环境污染与资源浪费[3]。就我国南方地区而言, 畜牧养殖的羊草、野牛草等粗饲料主要来自北方, 长途运输提高养殖业成本[4]。江苏雨水充足, 气候良好, 水稻种植广泛, 水稻秸秆资源丰富, 占江苏秸秆总量45.9%[5]。经实地调查, 本试验采样地区水稻作为主要农作物, 根据收获目的不同, 分2个时间段进行收获籽实, 即9月末以收获水稻种子为目的(种稻)与11月初以收获粮食为目的(粮稻)。无论处于何种收获目的, 均会产生大量秸秆。但是该资源主要以肥料以及能源的形式利用, 饲料的形式仅占5%, 焚烧与弃置占41%[4]。当地已采用自主研发机械进行水稻秸秆的及时收割与揉丝处理, 不影响下一季的正常种植, 并以饲料形式在奶牛饲粮中利用, 若能将此技术进行推广, 进一步合理的饲料化利用, 将从一定程度上缓解江苏以及我国南方地区粗饲料短缺问题, 并减少焚烧秸秆带来的环境污染问题。
水稻秸秆的利用方式决定了其饲喂价值, 研究的关键在于水稻秸秆自身的营养缺陷。水稻秸秆的木质素和硅含量很高, 消化率和适口性差, 一般反刍动物对秸秆的消化率仅有20%~30%[6]。目前比较常用的水稻秸秆处理方法有青贮[7]、氨化[8]、碱化[9]等, 最新研究的有蒸汽爆破处理水稻秸秆[10-11], 但采用揉丝处理的方法未见报道。本试验比较了揉丝处理对2个不同收获期水稻秸秆的影响, 通过测定营养成分和营养成分瘤胃降解率, 来比较揉丝处理的效果, 为水稻秸秆的饲料化利用提供新的途径。
1 材料与方法 1.1 试验材料水稻秸秆从江苏省盐城市大丰川东农场现场采集, 收获籽实后, 对剩余水稻秸秆采用自走式机械收割, 同时进行揉丝处理, 并采集未处理水稻秸秆作为对照组。采样时间分别为9月末(收获种稻)与11月初(收获粮稻), 共4组样品, 分别为9月末水稻秸秆、9月末揉丝水稻秸秆、11月初水稻秸秆和11月初揉丝水稻秸秆。水稻秸秆样品采集后65 ℃烘干, 通过2.5 mm孔筛粉碎, 室温干燥保存待用。
1.2 试验动物及饲养管理试验动物选择3头体况良好、体重相近[(500±25) kg]、装有永久性瘤胃瘘管的泌乳中后期荷斯坦奶牛。每日饲喂2次, 分别在06:00和17:30进行, 自由饮水。基础饲粮组成及营养水平见表 1。
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表 1 基础饲粮组成及营养水平(干物质基础) Table 1 Composition and nutrient levels of the basal diet (DM basis) |
本试验在上海市奉贤区光明星火二厂进行, 于2017年11月15日开始, 2017年11月21日结束。根据文献[12]制作300目(50 μm)尼龙袋(规格12 cm×8 cm, 使用细涤纶线双线缝合制成, 使用前火燎去线头, 用水浸泡后65 ℃烘干, 称重并记录), 4个组分别称取4 g样品, 将称好的样品放入尼龙袋内, 按“同时投入, 依次取出”的原则, 饲喂前将装有待测样品的尼龙袋送入瘤胃, 尼龙袋固定在绑有尼龙线的半软塑胶管上, 再将尼龙线固定在瘘管盖上。于放置0、2、6、12、24、36、48、72 h后取出, 洗净, 烘干并称重, 用自封袋分装保存。每个组每个时间点设定2个平行, 3个重复, 测定并计算不同时间点样品的干物质(DM)、粗蛋白质(CP)、中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)的实时降解率。
待测样品营养成分在某时间点降解率按以下公式计算:
某时间点降解率(%)=100×(降解前袋内该营养成分含量-该时间点降解后袋内该营养成分含量)/降解前袋内该营养成分含量。
试验所用瘤胃动力学数学指数模型参照Ørskov等[13]进行测定与计算。某饲料营养成分实时瘤胃降解率符合指数曲线:
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式中:t为饲料在瘤胃内停留的时间(h); P为尼龙袋在瘤胃内滞留时间t后的饲料某一营养成分降解率(%); a为快速降解部分(%); b为慢速降解部分(%); c为b部分降解速率(%/h)。
饲粮营养成分的瘤胃有效降解率按以下公式计算:
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式中:ED为有效降解率(%); k为某营养成分的瘤胃外流速率, 其值取0.025 3[14]。
DM含量采用恒温干燥法测定; CP含量使用FOSS全自动凯氏定氮仪, 采用凯氏定氮法测定; NDF和ADF含量使用ANKOM-2000I全自动纤维分析仪测定; 粗灰分含量采用灼烧法测定。
1.4 数据处理与分析方法利用Excel 2007软件对原始数据进行汇总与整理, 所得数据应用SAS 9.4软件中的NLIN来确定降解常数a、b、c, 再用SPSS 22.0软件中Duncan氏法进行多重比较, P < 0.05为差异显著。
2 结果与分析 2.1 水稻秸秆和揉丝水稻秸秆的营养成分由表 2可知, 11月初水稻秸秆的DM含量略高于9月末水稻秸秆; 9月末水稻秸秆CP含量高于11月初水稻秸秆; 2个收获期水稻秸秆的NDF与ADF含量偏高, 不满足单独饲喂的要求; 11月初水稻秸秆粗灰分含量高于9月末水稻秸秆。揉丝处理均降低了水稻秸秆中粗灰分含量, 提高CP含量, 对NDF与ADF含量的影响不明显。
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表 2 水稻秸秆和揉丝水稻秸秆的营养成分(干物质基础) Table 2 Nutrient composition of rice straw and kneaded rice straw (DM basis) |
由表 3可知, 9月末水稻秸秆的DM降解率与9月末揉丝水稻秸秆相比, 在前24 h前者显著高于后者(P < 0.05), 但到72 h两者差异不显著(P>0.05);11月初水稻秸秆的DM降解率与11月初揉丝水稻秸秆相比, 除2、48 h两者无显著差异(P>0.05), 后者总体显著高于前者(P < 0.05)。2个收获期水稻秸秆前期DM降解率虽有波动, 但在2、24、36、72 h差异不显著(P>0.05);2个收获期揉丝水稻秸秆DM降解率差异变化明显, 11月初揉丝水稻秸秆在各时间点DM降解率显著高于9月末揉丝水稻秸秆(P < 0.05)。
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表 3 水稻秸秆和揉丝水稻秸秆在瘤胃中不同时间点的DM降解率 Table 3 DM degradation rate of rice straw and kneaded rice straw in rumen at different time points |
由表 4可知, 11月初揉丝水稻秸秆的a值最高, 显著高于11月初水稻秸秆(P < 0.05);9月末水稻秸秆a值虽高于9月末揉丝水稻秸秆, 但差异不显著(P>0.05)。各组b值差异较大, c值各组差异不显著(P>0.05)。2个收获期揉丝水稻秸秆DM的ED均高于未经揉丝处理的水稻秸秆, 其中11月初揉丝水稻秸秆的ED显著高于11月初水稻秸秆(P < 0.05), 9月末揉丝水稻秸秆的ED虽高于9月末稻秸, 但差异并不显著(P>0.05)。
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表 4 水稻秸秆和揉丝水稻秸秆DM动态降解模型参数 Table 4 Parameters of DM dynamic degradation model of rice straw and kneaded rice straw |
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表 6 水稻秸秆和揉丝水稻秸秆CP动态降解模型参数 Table 6 Parameters of CP dynamic degradation model of rice straw and kneaded rice straw |
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表 8 水稻秸秆和揉丝水稻秸秆NDF动态降解模型参数 Table 8 Parameters of NDF dynamic degradation model of rice straw and kneaded rice straw |
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表 10 水稻秸秆和揉丝水稻秸秆ADF动态降解模型参数 Table 10 Parameters of ADF dynamic degradation model of rice straw and kneaded rice straw |
由表 5可知, 4组水稻秸秆的CP降解率在前12 h差异一致, 2个收获期揉丝水稻秸秆CP降解率均显著高于水稻秸秆(P < 0.05);但9月末揉丝水稻秸秆CP降解率在72 h时与9月末水稻秸秆相比差异不显著(P>0.05), 而11月初揉丝水稻秸秆CP降解率始终显著高于11月初水稻秸秆(P < 0.05)。9月末水稻秸秆的CP降解率显著高于11月初水稻秸秆(P < 0.05), 而揉丝处理能提高CP降解率, 11月初揉丝水稻秸秆CP降解率变化明显, 在72 h达到57.91%, 显著高于11月初水稻秸秆(P < 0.05)。
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表 5 水稻秸秆和揉丝水稻秸秆在瘤胃中不同时间点的CP降解率 Table 5 CP degradation rate of rice straw and kneaded rice straw in rumen at different time points |
由表 6可知, 2个收获期的揉丝水稻秸秆CP的a值均显著高于水稻秸秆(P < 0.05)。b值表现相反, 水稻秸秆高于揉丝水稻秸秆, 并且11月初水稻秸秆显著高于11月初揉丝水稻秸秆(P < 0.05)。11月初水稻秸秆c值显著低于其他各处理水稻秸秆(P < 0.05)。2个收获期的揉丝水稻秸秆ED高于水稻秸秆, 其中11月初揉丝水稻秸秆显著高于11月初水稻秸秆(P < 0.05)。
2.4 水稻秸秆和揉丝水稻秸秆NDF瘤胃降解特性由表 7可知, 9月末水稻秸秆NDF降解率与9月末揉丝水稻秸秆相比, 前者显著高于后者(P < 0.05), 但在36、48 h两者差异不显著(P>0.05);11月初揉丝水稻秸秆NDF降解率在前6 h显著低于11月初水稻秸秆(P < 0.05), 前者在24、48、72 h显著高于后者(P < 0.05)。9月末水稻秸秆的NDF降解率显著高于11月初水稻秸秆(P < 0.05), 但在36、48 h差异不显著(P>0.05);11月初揉丝水稻秸秆NDF降解率高于9月末揉丝水稻秸秆, 并在24、72 h显著高于后者(P < 0.05)。
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表 7 水稻秸秆和揉丝水稻秸秆在瘤胃中不同时间点的NDF降解率 Table 7 NDF degradation rate of rice straw and kneaded rice straw in rumen at different time points |
由表 8可知, 2个收获期揉丝水稻秸秆的a值显著低于水稻秸秆(P < 0.05)。揉丝处理对b值影响不大, 但9月末水稻秸秆和揉丝水稻秸秆显著低于11月初水稻秸秆和揉丝水稻秸秆(P < 0.05)。c值虽有波动, 但各组差异不显著(P>0.05)。各组ED普遍较低, 9月末揉丝水稻秸秆显著低于其他各组(P < 0.05)。
2.5 水稻秸秆和揉丝水稻秸秆ADF瘤胃降解特性由表 9可知, 9月末揉丝水稻秸秆ADF降解率与9月末水稻秸秆相比, 除6 h外, 均无显著差异(P>0.05);11月初揉丝水稻秸秆ADF降解率在各时间点显著高于11月初水稻秸秆(P < 0.05)。9月末水稻秸秆在各时间点ADF降解率均显著高于11月初水稻秸秆(P < 0.05)。11月初水稻秸秆揉丝处理的效果好于9月末水稻秸秆。
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表 9 水稻秸秆和揉丝水稻秸秆在瘤胃中不同时间点的ADF降解率 Table 9 ADF degradation rate of rice straw and kneaded rice straw in rumen at different time points |
由表 10可知, 11月初水稻秸秆a值显著低于9月末水稻秸秆(P < 0.05);9月末揉丝水稻秸秆a值显著低于9月末水稻秸秆(P < 0.05), 11月初揉丝水稻秸秆a值显著高于11月初水稻秸秆(P < 0.05)。9月末揉丝水稻秸秆与9月末水稻秸秆相比, b值差异不显著(P>0.05), 而11月初揉丝水稻秸秆与11月初水稻秸秆相比差异显著(P < 0.05)。c值速率波动不大, 各组之间差异不显著(P>0.05)。9月末水稻秸秆ADF的ED显著高于11月初水稻秸秆(P < 0.05), 9月末揉丝水稻秸秆虽低于9月末水稻秸秆, 但差异不显著(P>0.05), 11月初揉丝水稻秸秆显著高于11月初水稻秸秆(P < 0.05)。
3 讨论 3.1 不同收获期水稻秸秆和揉丝水稻秸秆的营养评价随着采样时间的推移, 2种水稻秸秆的营养成分存在一定的差异, 主要表现在CP与粗灰分的含量变化, 9月末水稻秸秆CP含量能达到9.72%, 而11月初仅有5.31%, 这可能与2个收获时期收获目的不同有关。9月末为当地收获水稻种子的时段, 11月初为收获稻米的时间段, 因此随着稻米的成熟与饱满, 水稻秸秆中营养成分向稻穗中运输与积累, 造成这样的差异。然而华金玲等[15]、汪营等[16]测定的水稻秸秆CP含量仅有3%~5%, 这可能与水稻秸秆的收获方式有关, 前人研究多用露天晒干水稻秸秆, 而本文所用现场鲜绿水稻秸秆, 再经杀青处理烘干, 避免了营养物质的流失, 同时还可能与测定CP的方式有关, 传统方式采用经典凯氏蒸馏装置, 人为滴定差异以及消煮时间会影响CP含量, 本试验采用福斯公司全自动定氮仪, 降低人为因素造成的影响。粗灰分含量呈现相反的结果, 可能有以下原因:一方面粗灰分主要都是矿物质元素, 而更长时间的积累可能导致这样的差异; 另一方面营养物质向顶端运输, 使矿物质含量相对提高。水稻是富硅植物, 在水稻秸秆灰分中通常含有10%~20%的硅[17], 这导致了水稻秸秆的粗灰分含量普遍高于其他农作物, 本试验2个收获期粗灰分的测定值分别达到13.10%和17.02%, 与前人报道结果相符。值得关注的是, 水稻秸秆中过高的硅含量是否会对奶牛的生产性能造成影响的内容未见报道, 有待后续研究。通过揉丝收割机的处理, 降低了水稻秸秆的粗灰分含量, 因此从一定程度上能够提高水稻秸秆的采食量和适口性。前人对水稻秸秆揉丝处理的研究未见报道, 但王青青[18]在对玉米秸秆的揉丝处理中提出揉丝能提高奶牛的适口性和采食量, 并且研究了玉米秸秆揉丝微贮的影响, 为水稻秸秆揉丝的后处理提供了新的可能。值得关注的是揉丝处理提高了水稻秸秆的CP含量, 原因有待进一步研究。NDF是目前反映饲料中纤维质量好坏的最有效指标, 同时还是反映反刍动物精粗比的重要指标, ADF则能反映粗饲料的消化利用率。本试验测定揉丝处理后的水稻秸秆NDF与ADF含量与未经处理水稻秸秆相比变化不明显, 可见仅用揉丝机械处理的效果在表观上并不突出。
3.2 不同收获期水稻秸秆和揉丝水稻秸秆的瘤胃降解规律本研究采用的尼龙袋法属于半体内法, 是目前被广泛使用的测定饲料中营养成分降解规律的方式。DM作为比较饲料营养价值的基础, 决定了反刍动物各种饲料的干物质采食量(DMI), 也决定了其余营养成分的水平。因为随着DMI的升高, 会提高反刍动物营养物质的摄入量, 并提高产奶量[19]。本次试验可以看出不同收获期水稻秸秆DM降解率随投入时间的延长表现出不同程度的增加, DM的ED在25%左右, 这与李洋等[20]测定结果类似, 并且还发现在各种秸秆类饲料中稻草的ED最低。本试验发现, 通过简单的揉丝处理即可提高ED, 这可能与揉丝破坏秸秆纤维结构有关, 再经奶牛采食时增加了瘤胃微生物的作用效果。a值与常规粗饲料相比较低, b值与常规粗饲料相比较高, b值降解速率明显低于常规粗饲料[21]。由此可见, 水稻秸秆若想成为常规粗饲料的替代饲料, 需经过物理或化学处理, 从而在适口性、纤维长度、营养结构上弥补水稻秸秆的不足, 试验中揉丝对水稻秸秆的a、b值以及ED均有一定的影响, 尤其是对11月初已收获稻米为目的水稻秸秆, 可显著提高DM的ED, 提高了4.26%。
饲料蛋白质的降解率主要取决于其在瘤胃内的发酵滞留时间以及发酵难易程度[22]。2个收获期水稻秸秆在瘤胃培养72 h后, 生长时间更久的11月初水稻秸秆的CP降解率显著低于9月末水稻秸秆, 这与2个收获期水稻秸秆CP含量差异相一致, 刘凯玉[23]在其研究中也测定了干水稻秸秆在72 h的降解率(50%左右), 与本文测定结果相似。揉丝处理对水稻秸秆的影响也表现在CP降解率, 一方面加快了在各时间点CP的降解率, 另一方面增加至72 h的CP降解率, 并能达到57.91%。本文测定CP的a值随揉丝处理后显著增加, b值经揉丝处理后减少, 数值上与李洋等[20]研究中的稻草a值存在较大差异, 其研究中仅有8.67%, 与刘凯玉[23]对干水稻秸秆的研究中a值相比提高了6%, 而本文a值达到了18.91%, b值差异不大, 可见CP降解参数差异很大。比较不同作物秸秆, 玉米秸秆a值达到21.37%[21], 油菜秸秆a值仅有9.86%[8], 但未见文章报道揉丝水稻秸秆的降解参数。本文测定的水稻秸秆ED在揉丝处理后增加, 无论青贮还是氨化, 目的均为提高营养成分的ED, 从而使奶牛从秸秆类饲料中获得更多的营养成分。前人试验中测定的水稻秸秆一般为水稻粮食收获之后, 本文测定的此期间ED为30.45%, 与李洋等[19]测定的结果29.59%一致, 同时本文还发现9月末以收获种子为目的水稻收获后秸秆的ED较高, 能达到40.96%, 而此时揉丝处理对水稻秸秆的效果并不明显, 原因有待进一步探究。
本研究测定水稻秸秆NDF在72 h降解情况, 与前人对奶牛常用粗饲料NDF降解情况相比是明显偏低的, 如玉米叶、黄贮秸秆等能够超过60%, 而稻草不足30%[19], 与本文研究结果相一致。这可能是因为水稻秸秆在未经化学处理时, 纤维物质较高, 木质化程度高, 瘤胃微生物难以降解这部分成分。比较NDF的a值均不高, 但比较前人研究结果, 常用粗饲料NDF的a值也不高, 苜蓿仅有10%左右, 羊草仅有1.19%[21], 玉米青贮7%左右[24]。揉丝处理能够降低a值, 原因有待进一步研究。而前人研究NDF的b值普遍较高, 决定ED的大小。揉丝处理对b值的影响不大, b值普遍低于其余粗饲料, 在30%~40%, 与华金玲等[15]的研究结果类似。本研究测得NDF的ED较低, 仅17.38%~19.85%, 而李洋等[20]测定值达到了33%, 华金玲等[15]测定结果为28.52%, 这可能与水稻品种以及收获方式不同有关。ADF主要是由纤维素与木质素组成, 因此出现差异的原因是两者的组成和比例不同。本试验测定72 h稻秸ADF降解率不足30%, ED小于20%, 李洋等[20]研究中测定结果与本试验结果较一致。总结来看, 揉丝处理对水稻秸秆NDF与ADF的ED影响不大, 而根据前人的各种研究结果来看, 影响各参数的因素有试验动物的种类与体况、饲粮的营养水平、投袋试验样品的性质以及获取方法与处理方法等, 对于这些影响因素有待进一步整合探究。
4 结论① 9月末水稻秸秆相比11月初水稻秸秆更适合作为粗饲料饲喂动物。
② 揉丝处理11月初水稻秸秆可以提高其营养价值和瘤胃降解率。
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