2. 中国农业大学动物科学技术学院, 动物营养学国家重点实验室, 北京 100193
2. State Key Laboratory of Animal Nutrition, College of Animal Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China
作物秸秆有效处理后饲喂动物一直是目前的研究热点。水稻秸秆由于纤维木质化程度高、粗蛋白质(CP)含量低、营养成分消化率低等特点,导致其饲料化程度低[1]。同时,由于目前还没有成熟有效的水稻秸秆处理方法,现有的主要处理方式为焚烧秸秆进行秸秆还田,对环境造成了严重的污染[2]。据统计,青贮、碱化等方式处理的秸秆数量仅占我国秸秆总产量的2.8%[3]。现有的物理、化学和生物处理方法旨在削弱和打破秸秆中纤维素连接键,从而增加秸秆的营养价值。目前,碱、氨、尿素处理秸秆的研究受到广泛关注;而尿素由于具有成本优势,使用较为广泛。秸秆细胞壁主要由纤维素、木质素、半纤维素等组成,其中纤维素含量最高,反刍动物可以利用其作为瘤胃微生物的可利用碳源[4]。秸秆细胞壁中的木质素与半纤维素可以形成稳定碳水化合物将纤维素和半纤维素包裹住,使其在瘤胃中的微生物降解率下降,若能破坏这种秸秆细胞壁复合体结构,就能提高秸秆的利用率[5]。秸秆碱化处理能减弱纤维结构之间的氢键作用力,使纤维分子膨胀,易于反刍动物瘤胃微生物对秸秆进行分解[6]。但是碱化处理常常会引起秸秆霉变,而添加尿素能有效防止霉变[7]。秸秆中的有机质可以与氨发生氨解反应,使木质素与多糖之间的酯键断裂形成铵盐,而铵盐是一种非蛋白氮化合物,是反刍动物瘤胃中微生物合成微生物蛋白的前体物质,同时提供了瘤胃微生物生长需要的氮源,增强了瘤胃微生物的活力,提高了瘤胃微生物对秸秆的降解作用[8-11]。此外,氨碱复合处理秸秆具有时间短、效果好等优点。
研究表明,氨化处理秸秆能提高秸秆中CP含量,但是只有30%~35%的氮作用于秸秆,大部分氮释放到大气而造成氮损失[12]。玉米浆是生产玉米淀粉的副产物,富含可溶性蛋白、碳水化合物、乳酸等物质。在湿法生产玉米淀粉的过程中,提取淀粉需要用亚硫酸溶液浸泡玉米,玉米浸泡液经浓缩即可得到黄褐色液体——玉米浆,不仅成本低廉,而且对人和家畜无安全隐患。研究表明,添加玉米浆可以有效防止氮损失[13-14],同时玉米浆可以有效提高黄贮水稻秸秆的发酵品质。但是玉米浆在秸秆中的添加量过高则会抑制秸秆中营养物质的降解率。因此,本试验采用不同的氨碱复合处理方式对水稻秸秆进行预处理,发酵袋室温密封15 d后,通过营养成分分析和瘤胃降解率的测定,确定水稻秸秆的适宜氨碱复合处理方式,以期为水稻秸秆饲料化利用提供一定的理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验材料与试验动物动物试验于2019年1—3月在北京中地种畜良种奶牛科技园完成。选用3头体况良好,体重、胎次相近的装有永久瘘管的泌乳中期的荷斯坦奶牛作为试验动物。水稻秸秆采集于河南省信阳市固始县郊区农田,玉米浆购买于河南焦作市豫新药辅有限公司。
1.2 试验设计干水稻秸秆(含水量10.0%)收集后切短至3~5 cm,分为4个组,通过在水稻秸秆中加水的方式将水分含量均调整为45%,对照组无添加,3个试验组分别添加4.0%氢氧化钙(Ⅰ组)、2.5%尿素+4.0%氢氧化钙(Ⅱ组)、9.0%玉米浆+2.5%尿素+4.0%氢氧化钙(Ⅲ组)。混合均匀后装入35 cm×25 cm的呼吸发酵袋后抽真空,室温密封保存,每组设3个重复,处理15 d后取样检测分析。
1.3 试验饲粮及饲养管理试验牛每天投喂3次(07:30、14:30和18:30)全混合日粮(TMR),自由采食和饮水。每天挤奶3次(07:00、14:00和20:00),博美特2×48挤奶系统。每天07:00之前饲喂前清理剩料,剩料量控制在5%以内。基础饲粮组成及营养水平见表 1。
将各组处理后的水稻秸秆样品,取样放65 ℃鼓风干燥机中烘48 h,再经筛孔为1 mm粉碎机粉碎。然后根据张丽英[15]的方法测定样品的干物质(DM)、CP含量。根据Van Soest等[16]的方法测定样品的中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)含量,使用ANKOM 2000i全自动纤维分析仪进行测定。采用乙醚浸提法测定样品的粗脂肪(EE)含量。采用灼烧法测定样品的粗灰分(Ash)含量。
对照组和试验组水稻秸秆样品分别粉碎2.5 mm后称取4 g样品,装入已知质量的尼龙袋(孔径40~60 μm,规格12 cm×8 cm,使用前洗净、65 ℃烘干)内,每个样品分别在3头瘘管牛瘤胃腹囊内培养6、12、24、36、48、72和96 h后取出,洗净(每个袋子清洗0.5 h)烘干,每头牛作为1个重复,每个样品3个重复,每头牛每个时间点设2个平行。同时做体外样品空白试验,测定并计算不同时间点的样品的DM、CP、NDF和ADF瘤胃降解率。
根据Ørskov等[17]提出的瘤胃降解参数模型,饲料中的某营养成分和饲料在瘤胃的停留时间符合指数曲线,计算动态降解模型参数和有效降解率(ED):
式中:P尼龙袋在瘤胃中滞留时间t后营养成分的瘤胃消失率(%);t为饲料在瘤胃中的滞留时间(h);a为快速降解部分(%);b为慢速降解部分(%);c为慢速降解部分的降解速率(%/h)。
饲料营养成分的瘤胃有效降解率按以下公式计算:
式中:a为快速降解部分(%);b为慢速降解部分(%);c为慢速降解部分的降解速率(%/h);k为瘤胃外流速率(%/h),取0.025[18]。
1.5 统计分析试验数据采用SPSS 24.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA),并用Duncan氏多重比较法进行差异显著性比较,P < 0.05为差异显著。
2 结果 2.1 氨碱复合处理对水稻秸秆营养成分的影响由表 2可知,各组之间水稻秸秆的DM和Ash含量无显著差异(P>0.05)。Ⅱ和Ⅲ组水稻秸秆的CP含量显著高于对照组和Ⅰ组(P < 0.05),Ⅲ组显著高于Ⅱ组(P < 0.05)。Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组水稻秸秆的NDF和ADF含量均显著低于对照组(P < 0.05),其中,Ⅲ组水稻秸秆的NDF和ADF含量最低。Ⅲ组水稻秸秆的EE含量显著高于其他各组(P < 0.05)。
由表 3可知,各组的瘤胃DM降解率随着时间的延长逐渐增加。在瘤胃内培养6、12、36、72和96 h时,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组的DM降解率均显著高于对照组(P < 0.05),Ⅲ组显著高于Ⅱ组(P < 0.05),Ⅱ组显著高于Ⅰ组(P < 0.05);在瘤胃内培养24和48 h时,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组的DM降解率均显著高于对照组(P < 0.05),Ⅱ和Ⅲ组显著高于Ⅰ组(P < 0.05),Ⅱ和Ⅲ组之间差异不显著(P>0.05)。Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组的DM快速降解部分显著高于对照组(P < 0.05),Ⅲ组显著高于Ⅱ组(P < 0.05),Ⅱ组显著高于Ⅰ组(P < 0.05);Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组的DM慢速降解部分的降解速率均显著高于对照组(P < 0.05),Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组之间差异不显著(P>0.05);Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组的DM有效降解率均显著高于对照组(P < 0.05),Ⅲ组显著高于Ⅱ组(P < 0.05),Ⅱ组显著高于Ⅰ组(P < 0.05)。
由表 4可知,各组的瘤胃NDF降解率随着时间的延长逐渐增加。在瘤胃内培养6、12和36 h时,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组的NDF降解率均显著高于对照组(P < 0.05),Ⅲ组显著高于Ⅱ组(P < 0.05),Ⅱ组显著高于Ⅰ组(P < 0.05);在瘤胃内培养24和72 h时,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组的NDF降解率显著高于对照组(P < 0.05),Ⅰ和Ⅱ组之间没有显著差异(P>0.05),Ⅲ组显著高于Ⅰ和Ⅱ组(P < 0.05);在瘤胃内培养48和96 h时,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组的NDF降解率显著高于对照组(P < 0.05),Ⅱ和Ⅲ组显著高于Ⅰ组(P < 0.05),Ⅱ和Ⅲ组之间没有显著差异(P>0.05)。Ⅲ组的NDF快速降解部分显著高于其他各组(P < 0.05);Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组的NDF慢速降解部分的降解速率显著高于对照组(P < 0.05),Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组之间没有显著差异(P>0.05);Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组的NDF有效降解率均显著高于对照组(P < 0.05),Ⅲ组显著高于Ⅱ组(P < 0.05),Ⅱ组显著高于Ⅰ组(P < 0.05)。
由表 5可知,各组的瘤胃ADF降解率随着时间的延长逐渐增加。在瘤胃内培养6、36 h时,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组的ADF降解率显著高于对照组(P < 0.05),Ⅲ组显著高于Ⅱ组(P < 0.05),Ⅱ组显著高于Ⅰ组(P < 0.05);在瘤胃内培养12 h时,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组的ADF降解率显著高于对照组(P < 0.05),Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组之间没有显著差异(P>0.05);在瘤胃内培养24 h时,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组的ADF降解率显著高于对照组(P < 0.05),Ⅲ组显著高于Ⅰ和Ⅱ组(P < 0.05),Ⅰ和Ⅱ之间没有显著差异(P>0.05);在瘤胃内培养48、72和96 h时,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组的ADF降解率显著高于对照组(P < 0.05),Ⅲ组显著高于Ⅰ组(P < 0.05),Ⅰ和Ⅱ组之间没有显著差异(P>0.05)。Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组的ADF快速降解部分显著高于对照组(P < 0.05),Ⅱ和Ⅲ组显著高于Ⅰ组(P < 0.05),Ⅱ和Ⅲ之间没有显著差异(P>0.05);Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组的慢速降解部分的降解速率显著高于对照组和Ⅱ组(P>0.05),Ⅲ组显著高于Ⅱ组(P>0.05);Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组的ADF有效降解率显著高于对照组(P < 0.05),Ⅲ组显著高于Ⅱ组(P < 0.05),Ⅱ组显著高于Ⅰ组(P < 0.05)。
由表 6可知,各组的瘤胃CP降解率随着时间的延长逐渐增加。在瘤胃内培养6 h时,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组的CP有效降解率显著高于对照组(P < 0.05),Ⅲ组显著高于Ⅱ组(P < 0.05),Ⅱ组显著高于Ⅰ组(P < 0.05);在瘤胃内培养12 h时,Ⅱ和Ⅲ组的CP降解率显著高于对照组(P < 0.05),Ⅰ组显著低于对照组(P < 0.05);在瘤胃内培养24、36、48、72和96 h时,Ⅱ和Ⅲ组的CP降解率显著高于对照组和Ⅰ组(P < 0.05),Ⅲ组显著高于Ⅱ组(P < 0.05),对照组和Ⅰ组之间没有显著差异(P>0.05)。Ⅲ组的CP慢速降解部分显著高于其他各组(P < 0.05),对照组和Ⅰ、Ⅱ组之间没有显著差异(P>0.05);Ⅱ组的CP慢速降解部分的降解速率显著高于对照组(P < 0.05);Ⅱ和Ⅲ组的CP有效降解率显著高于对照组和Ⅰ组(P < 0.05),Ⅲ组显著高于Ⅱ组(P < 0.05)。
水稻秸秆中CP含量较低[19]。本试验中,Ⅲ组水稻秸秆中CP含量比对照组高2.5%,比Ⅱ组高0.8%。经尿素处理的秸秆,氮在秸秆中的利用率较低,出现损失现象[14],这不仅会对环境造成污染,且因为留存在秸秆中的氮是水溶性的,在瘤胃中损失严重[20]。玉米浆呈酸性,增强了水稻秸秆对尿素的吸附性,提高了氮在秸秆中的留存率[21]。经氨碱复合处理后,水稻秸秆中的显微结构被破坏,促进了尿素与细胞壁纤维物质的结合,提高了水稻秸秆中CP含量[22]。闫贵龙等[23]用尿素和不同浓度的氢氧化钙复合处理麦秸,显著提高了麦秸中的CP含量。NDF是秸秆细胞壁的成分,主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。本试验中,Ⅲ组NDF含量最低,其次是Ⅱ、Ⅰ组。这可能是由于尿素溶于水中呈弱碱性,这些碱性物质被细胞壁吸收后破坏了纤维结构,减弱了纤维之间的氢键作用力[24],并分解木质素与半纤维素之间连接的酯键,导致结构纤维膨胀[25-26],秸秆变蓬松,增加吸附纤维素酶的表面积,有利于酶解的进行[27]。尿素与氢氧化钙复合使用比单独添加氢氧化钙的处理效果有所提升,溶解了半纤维素。NDF中的半纤维素稳定性较差,易溶于碱溶液生成戊糖和己糖[28-29],半纤维素含量的降低导致秸秆中NDF含量下降。氨碱复合处理能降低水稻秸秆ADF含量,其中Ⅲ组最低,ADF也是秸秆细胞壁的主要组成部分,碱液会溶解秸秆外表皮层和蜡质层,改变纤维素晶格结构[30-31]。本试验中,Ⅲ组EE含量显著高于其他各组,出现这种结果可能有2个方面的原因,一方面可能是由于碱处理破坏了半纤维素和纤维素,分解了高聚物[32],导致EE含量增加;另一方面可能是玉米浆中含有一定量的EE,所以添加了玉米浆处理的水稻秸秆的EE含量有所提高。
3.2 氨碱复合处理对水稻秸秆营养成分降解特性的影响粗饲料DM降解率用来评估饲料在反刍动物瘤胃内消化的难易程度,不同饲料的DM降解率会随着瘤胃培养时间的延长呈现不同程度的增加。NDF降解率和ADF降解率体现反刍动物对饲料中纤维的可利用程度。有研究表明,粗饲料中NDF含量越低,CP含量越高,其DM降解率越高[33]。NDF降解率和ADF降解率与粗饲料NDF和ADF含量呈负相关关系[34]。秸秆饲料中的粗纤维含量较高,经过碱化或者氨化处理后能降低NDF含量,提高CP含量。反刍动物利用纤维的方式是瘤胃中的微生物释放纤维素分解酶分解纤维[35]。氨碱复合处理使得秸秆结构蓬松,表面空隙增多,增加了纤维素酶的作用面积[27]。孙国强等[36]研究发现,尿素和氢氧化钙按不同比例添加处理麦秸,能显著提升麦秸72 h的DM降解率、NDF降解率和ADF降解率。尿素溶于水中呈弱碱性,能加速秸秆外表皮层的破裂,而氢氧化钙处理秸秆则是内外双向降解[37]。本试验中,Ⅲ组NDF含量最低,CP含量最高,其DM、NDF和ADF有效降解率均显著高于对照组,且处于最高水平。一般来讲,粗饲料中的CP含量与CP降解率呈正相关。正常情况下,添加尿素能提高水稻秸秆中CP含量,但是氮与水稻秸秆营养成分结合松散,很快就会被降解掉[38]。添加玉米浆后使氮与水稻秸秆中营养成分的结合更加紧密,提高了水稻秸秆中氮的留存率,进而改善了水稻秸秆中CP含量[39]。水稻秸秆中CP含量上升,进而增加了CP的摄入量,提高了水稻秸秆CP降解率[40]。本试验中,Ⅲ组CP含量最高,其CP有效降解率也最高。
4 结论① 氨碱复合处理可以降低水稻秸秆的NDF和ADF含量,提高CP含量。
② 氨碱复合处理可以提高水稻秸秆瘤胃中DM、NDF、ADF和CP有效降解率。
③ 水稻秸秆经9.0%玉米浆+2.5%尿素+4.0%氢氧化钙复合处理效果最好。
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