2. 兰考中科华构生物科技有限公司, 兰考 475000
2. Lankao Zhongke Huagou Biotechnology Co., Ltd., Lankao 475000, China
构树(Broussonetia papyrifera)是一种广泛分布于东亚和东南亚的木本植物[1], 在我国亦有广泛分布。杂交构树是中国科学院植物研究所培育的一种新型构树品种, 具有丰产、耐伐和蛋白质含量高等诸多特点, 2015年杂交构树推广被评为国家十大精准扶贫项目之一[2]。有研究表明, 构树叶蛋白质含量高, 可以作为动物饲料资源[3]。同时构树富含多种生物活性物质, 能够提高奶牛免疫力, 降低牛奶体细胞数[4]。近几年, 由于畜牧业飞速发展和非常规饲料推广, 构树深受奶牛养殖者的关注和推崇, 但其收割和加工方式仍存在不少争议。
植物的营养成分和生物产量会因其生长阶段、收割方式、加工工艺的不同而不同[5-6]。有研究表明, 随着留茬高度增加, 全株玉米青贮的中性洗涤纤维(NDF)含量降低, 淀粉含量升高, 但体外干物质消失率(IVDMD)不受影响[7]。也有研究表明, 提高留茬高度能够提升玉米青贮营养品质, 增加奶牛NDF消化率, 从而提高饲料效率[8]。全株小麦青贮的饲喂价值因不同留茬高度也会产生显著差异, 考虑到产量等综合因素, 建议合适的留茬高度为10~12 cm[9]。与草本饲料作物不同, 木本饲料作物可以作为多年生可持续利用植物资源。留茬高度不仅影响其产量, 还影响再生能力。研究表明, 骆驼刺灌丛以齐地面刈割为宜, 此高度能促进新枝条更快萌芽再生, 增加产草量, 提高其饲用价值和生态效益[10]。对于饲用四倍体刺槐来讲, 留茬高度为30 cm能够使其生物产量达到最大[11]。同样留茬高度为30 cm能够使饲用辣木产量和其水溶性碳水化合物含量达最高水平[12]。以上研究均表明, 留茬高度对饲料的营养品质和生物产量能够产生影响。合适的留茬高度对饲料作物的营养价值和饲用效果都具有非常重要的意义。然而, 目前关于构树留茬高度的相关研究鲜有报道。因此, 本试验旨在探究不同留茬高度对构树产量、营养成分、青贮发酵品质及奶牛瘤胃发酵的影响, 为构树的收割和应用提供数据支撑。
1 材料与方法 1.1 试验材料与设计试验用构树来源于河南省兰考县中科华构生物科技有限公司种苗培育基地(黄河滩土地), 品种为"科构101"[13], 收割时间为2018年6月。构树生长高度为1.6 m左右, 本试验共设计3个不同的留茬高度, 分别为20、35和50 cm, 每个处理4个重复。
1.2 青贮制作每种留茬高度的构树大约收割20株, 收割后立即切割为1~2 cm。取鲜样500 g左右于实验室进行营养成分指标检测。剩余样品混合均匀, 紧实装填于0.5 L聚乙烯罐中, 每个罐子大约装550 g构树, 保证每罐构树青贮密度>1 000 kg/m3, 压实后拧盖密封, 于室温保存45 d, 开罐取样分析。
1.3 检测指标与方法 1.3.1 构树营养成分将鲜样放于65℃烘箱烘干至恒重, 室温回潮24 h测定初水分含量。构树鲜样及青贮营养成分具体测定方法如下:干物质(DM)含量采用105℃烘干法[14]测定; NDF、酸性洗涤纤维(ADF)和木质素含量采用范氏纤维测定法[15]测定; 粗蛋白质(CP)含量采用凯氏定氮法测定; 粗灰分(Ash)含量采用550℃灼烧法[14]测定; 粗脂肪(EE)含量采用索氏提取法[14]测定; 钙(Ca)和磷(P)含量参考文献[14]测定; 缓冲能采用滴定法[16]测定; 总单宁含量采用Folin-Ciocalteu试剂比色法[17]测定。
1.3.2 构树青贮发酵品质取20 g青贮鲜样于锥形瓶中, 加入180 mL去离子水摇匀, 4℃保存24 h, 浸提液经4层纱布过滤, 再用定量滤纸过滤到锥形瓶中, 滤液用于发酵指标测定。用pH计(雷磁PHS-3C精密pH计, 上海精密科学仪器有限公司)测定滤液pH。采用苯酚-次氯酸钠比色法[18]测定氨态氮(NH3-N)含量。有机酸(乳酸、乙酸、丙酸和丁酸)含量采用SHIMADZE-10A型液相色谱仪测定[19]。
1.3.3 IVDMD、发酵液指标和产气动力学参数取发酵好的构树青贮于烘箱中65℃烘干至恒重, 室温回潮24 h后粉碎过1 mm分析筛, 用于体外发酵和其他指标测定。体外发酵使用AGRS-Ⅲ型微生物发酵产气系统, 对累积产气量(GP)进行实时监测和记录[20]。瘤胃液来自于3头装有永久瘤胃瘘管泌乳中期奶牛, 晨饲前1 h采集瘤胃液。试验牛饲粮组成及营养水平见表 1。称取0.5 g构树青贮样品进行体外培养, 每个样品4个重复。体外培养48 h后关闭系统, 取出培养瓶测定培养液pH并对剩余发酵底物进行收集, 测定IVDMD。
IVDMD根据发酵前后底物的DM含量, 利用差减法计算得到; 发酵液pH和NH3-N含量测定方法同上。发酵液挥发性脂肪酸含量采用气相色谱仪测定[21]。微生物蛋白(MCP)含量采用考马斯亮蓝比色法[22]测定。总产气量由AGRS-Ⅲ自动记录GP并参照Ørskov等[23]提出的指数函数模型拟合得到:
式中:GPt为t时间的总产气量(mL/g DM); A为发酵底物在该产气速率下最大产气量(mL/g DM); B为底物发酵产气过程中曲线拐点参数; C为产气量达到总产气量1/2时所用时间(h); t为体外培养时间(h)。
式中:TRmaxS为达到底物最大降解率所需的时间(h); RmaxS为底物的最大降解率(mL/h); TRmaxG为达到最大产气速率所需的时间(h); RmaxG为最大产气速率(mL/h); AGPR为达到1/2产气量的产气速率(mL/h); A为发酵底物在该产气速率下最大产气量(mL/g DM); B为底物发酵产气过程中曲线拐点参数; C为产气量达到总产气量1/2时所用时间(h)。
1.4 数据统计分析所得试验数据经过Excel 2010简单整理后, 用SAS 9.2统计软件NLIN程序拟合得到产气动力学参数A、B、C、TRmaxS、RmaxS、TRmaxS、RmaxG。采用SAS 9.2软件的ANOVA程序进行单因素方差分析, 用Duncan氏法进行多重比较, P < 0.05为差异显著。鲜样与青贮营养成分差异比较进行t检验, P < 0.05为差异显著, P < 0.01为差异极显著。
2 结果与分析 2.1 不同留茬高度对构树产量及营养成分的影响由表 2可知, 当留茬高度从20 cm增加到35 cm, 构树NDF、ADF和总磷含量显著下降(P < 0.05), CP、Ca和总单宁含量显著上升(P < 0.05), 而构树产量、EE和Ash含量无显著变化(P>0.05)。留茬高度从35 cm增加到50 cm, 构树产量和NDF含量显著下降(P < 0.05), EE、Ash和总单宁含量显著上升(P < 0.05), 而CP、ADF和总磷含量无显著变化(P>0.05)。DM、木质素含量和缓冲能值不受留茬高度的影响, 各组之间无显著差异(P>0.05)。
构树青贮与鲜样营养成分变化规律略有不同。随着留茬高度的增加, 构树青贮DM、Ash和EE含量没有显著变化(P>0.05)。留茬高度从20 cm增加到35 cm, CP含量显著增加(P < 0.05), 而NDF和ADF含量无显著变化(P>0.05)。留茬高度从35 cm增加到50 cm, CP含量无显著变化(P>0.05), 而NDF和ADF含量显著降低(P < 0.05)。不同留茬高度对构树青贮pH、氨态氮/总氮及乳酸、丙酸和丁酸含量并没有显著影响(P>0.05), 但留茬高度为50 cm时, 青贮乙酸含量显著高于其他2组(P < 0.05)。
图 1为构树鲜样和青贮主要营养成分比较, 当留茬高度为50 cm, 青贮能够显著降低构树NDF含量(P < 0.05), 不同留茬高度构树青贮总单宁含量均极显著增加(P < 0.01), 但青贮对ADF和CP含量没有显著影响(P>0.05)。
由表 4可知, 不同留茬高度对构树青贮IVDMD及发酵液pH、NH3-N和MCP含量没有显著影响(P>0.05)。留茬高度35 cm的构树青贮发酵液乙酸、丙酸、丁酸和总挥发性脂肪酸含量显著高于留茬高度50 cm(P < 0.05), 而留茬高度20和35 cm之间发酵液中乙酸、丙酸及总挥发性脂肪酸含量差异不显著(P>0.05)。对于不同留茬高度构树青贮, 其体外发酵总产气量(GP48)、最大产气速率(RmaxG)和底物最大降解率(RmaxS)并无显著差异(P>0.05)。留茬高度20和35 cm的构树青贮达到最大产气速率所需时间(TRmaxS)显著低于留茬高度50 cm(P < 0.05), 但留茬高度20和35 cm之间差异不显著(P>0.05)。留茬高度35 cm的构树青贮达到底物最大降解率所需的时间(RmaxS)显著高于留茬高度20 cm(P < 0.05), 但留茬高度50 cm与其他2组均差异不显著(P>0.05)。
随着留茬高度增加, 构树底部被遗弃的茎秆就会增加, 因此其产量就会随着留茬高度增加而降低。一般而言, 植物根部茎秆占比较大, 而叶子更集中在植物顶部[24-25]。刘玉等[26]研究表明, 相比于茎秆, 构树叶中含有更高的CP、EE和Ca, 而NDF和ADF含量要低于茎秆。因此合适的留茬高度能够保证充分利用饲料资源, 不会因为留茬太低, 造成饲料品质太低, 或者留茬高度太高, 造成饲料浪费。本试验中, 随着留茬高度增加, 构树CP、EE和Ca含量显著升高, 而NDF和ADF含量显著降低。这是因为随着留茬高度增加, 构树底部茎秆部分被丢弃, 对于全株而言, 树叶的相对比例增加, 因此, CP、EE和Ca含量增加, NDF和ADF含量降低。缓冲能是影响青贮品质的重要因素, 缓冲能值越大, 饲料越难青贮, 反之, 缓冲能值越小, 饲料越容易青贮[27]。随着留茬高度的增加, 玉米的缓冲能值有所降低[7], 也有研究表明茎秆比叶子缓冲能值更大[28]。而本试验中随着留茬高度的增加, 构树缓冲能值并未出现显著性变化, 这可能与植物品种不同有关。随着留茬高度增加, 构树总单宁含量增加, 这可能与构树枝叶单宁含量不同以及二者比例随着留茬高度增加而改变有关。
3.2 不同留茬高度对构树青贮营养成分及发酵品质的影响有研究表明, 构树青贮pH为5.02或5.71, 高于本试验构树青贮pH(4.59~4.76)[29-30]。这可能因为本试验青贮保存方式为罐储, 而前者采用袋储来保存青贮, 罐储能够保证青贮有相对高的密度和密封性, 从而提升青贮发酵品质, 降低pH。但不同留茬高度构树青贮pH没有差异, 这可能与3组构树缓冲能值接近有关[31]。此外, 乳酸是能够降低青贮pH的主要物质[32], 本试验中各组青贮之间乳酸含量并没有显著差异, 这也是导致不同留茬高度构树青贮之间pH无差异原因之一。青贮中的NH3-N是由蛋白质降解所产生的[33], NH3-N含量越低, 说明青贮发酵品质越好。不同留茬高度对青贮NH3-N含量无显著性影响, 说明留茬高度对构树青贮蛋白质降解没有产生影响。丁酸可以由蛋白质降解或者梭菌产生, 在发酵良好的青贮中不应该被检测到[34]。本试验中留茬高度为50 cm的构树青贮中有丁酸被检测出, 可能由于青贮制作过程中受到外来环境污染或者发酵缓慢, 梭菌繁殖进而产生丁酸[31]。构树鲜样和构树青贮在营养成分上并没有发生较大变化。但对于留茬高度为50 cm的构树, 青贮以后NDF含量显著降低。我们推测, 由于留茬为50 cm构树含有更多叶子, 叶子在青贮过程中纤维结构更容易被破坏导致NDF含量显著下降, 具体机制有待进一步研究。单宁含量在青贮发酵过程中变化, 目前尚无定论。本试验中总单宁含量在青贮以后显著增加, 这与张颖超[35]研究结果一致, 这可能与单宁不易分解, 而其他营养物质在发酵中被分解, 从而导致构树中单宁相对含量上升有关。
3.3 不同留茬高度对构树青贮体外发酵的影响饲料在奶牛瘤胃内的降解率在很大程度上由饲料纤维组成决定, 纤维素和木质素含量越高, 饲料的瘤胃降解率越低[36]。但也有研究表明, 同一作物不同留茬高度, 纤维含量存在差异, 但IVDMD不存在差异[7], 这和本试验结果一致。这可能与饲料品种以及纤维含量差值大小有关, 本试验中不同留茬高度构树纤维含量差异不足以引起其IVDMD产生差异。瘤胃微生物发酵主要产生乙酸、丙酸和丁酸。乙酸是合成乳脂的前体物, 丙酸是合成体脂和葡萄糖的前体物, 丁酸也是奶牛合成乳脂和能量重要来源, 瘤胃中挥发性脂肪酸为奶牛提供70%~80%能量[37]。本试验中, 留茬高度为35 cm的构树青贮发酵液中乙酸、丙酸、丁酸和总挥发性脂肪酸含量显著高于留茬高度为50 cm的构树青贮, 说明以留茬高度为35 cm构树青贮为底物在瘤胃发酵比较充分, 有利于为反刍动物提供能量。瘤胃液中NH3-N是饲料发酵中间产物, 是合成MCP重要氮源, 也是反映饲料蛋白质降解和利用情况的重要指标[38]。MCP的合成主要受到碳水化合物和蛋白质的降解所影响。碳水化合物为MCP合成提供碳架, 蛋白质降解决定氨的释放速度[39]。本试验中, 各组发酵液中NH3-N和MCP含量没有显著性差异, 说明不同留茬高度对构树青贮体外发酵蛋白质降解和MCP合成没有显著影响。饲料在体外发酵过程中, 营养物质会被分解产生氢气、二氧化碳、甲烷等气体, 一定时间内GP是反映底物降解能力的重要指标[40]。在体外发酵中, 底物降解率越高, 其GP越大[41]。本试验中各组之间体外产气量没有显著性差异, 这与各组之间IVDMD没有差异结果相一致。纤维含量低, 非结构性碳水化合物含量高的物质, 体外发酵产气速率快[42]。本试验中各组之间平均产气速率差异不显著, 但留茬高度为50 cm的构树青贮达到最大产气速率所需的时间显著高于其他2组, 这与之前推论相悖, 我们推测可能是留茬高度为50 cm的构树青贮叶子相对丰富, 含有更多单宁[43], 单宁在一定程度抑制瘤胃微生物发酵所致。其对反刍动物生产性能、采食量等的影响需要动物试验进一步验证。
4 结论随着留茬高度增加, 构树生物产量有所降低。但其营养品质得到显著提升, 具体表现为CP含量升高, NDF和ADF含量下降。相比于其他2个留茬高度, 留茬高度为35 cm的构树青贮体外发酵能够产生更多乙酸、丙酸和总挥发性脂肪酸。综合考虑, 此试验条件下, 构树最佳留茬高度为35 cm。
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